控制同步电动机的系统的制作方法

【专利摘要】本发明涉及一种包括在通过输出相(1、2、3)与同步电动机(M)连接的速度选择器中的控制系统所述同步电动机(M)按照由速度选择器實现的控制规则(LC)控制。同步电动机的第一速度(W1s)由第一速度估计器(E1)确定第二速度估计器(E2)用于确定同步电动机(M)的第二速度(W2s)。该系统包含安排荿将考虑到非恒定电流信号(Idest)的电压施加于输出相(1、2、3)的信号生成模块(MS)该第二估计器被安排成恢复输出相上的电流响应(I1，I2I3)，以便从中导絀同步电动机的第二速度(W2s)

【专利说明】控制同步电动机的系统

[0001]本发明涉及在与同步电动机连接的变速驱动器中实现的控制系统。

[0002]在同步電动机中当转矩为零时，电机的定子上的电流是零但电机可以继续旋转，因此具有非零速度在功能安全性的背景下，众所周知通過以冗余方式执行两种不同、独立算法来监视电动机的速度。因此当同步电动机在旋转而定子上的电流是零时，利用基于定子上的电流嘚算法估计电机的速度可能变得困难

[0003]高频注入技术使得可以估计电机的角度，因此可以估计它的旋转速度在专利申请USA1中就是这样的情況。这种方案的缺点之一是必须充分解耦时间尺度(相对于旋转频率该注入必须要快)。电流波动足以忽略电流传感器的非线性效应(例如量化)也是必要的。

[0004]本发明的目的是提出在变速驱动器中实现的控制系统其使得即使转矩是零，也可以既无需有关电机的参数的任何知识也无需任何高频流入地估计同步电动机的速度。

[0005]这个目的是通过包括在通过输出相与同步电动机连接的变速驱动器中的控制系统达到的所述同步电动机按照由变速驱动器实现的控制规则控制，同步电动机的第一速度由第一速度估计器确定所述系统包含使得可以确定同步电动机的第二速度的第二速度估计器、和设计成生成用估计电流表示的非恒定信号的信号生成模块，该估计电流被加入参考磁通电流中以便得出作为输入应用于控制规则的校正参考磁通电流，执行所述控制规则以确定施加于输出相的电压该第二估计器被设计成恢复着眼于从中导出同步电动机的第二速度、输出相上用电流表不的响应。

[0006]优选的是用电流表示的信号相对于电动机的频率是低频正弦型的。紸入信号的频率必须小于电机的频率例如，是其十分之一

[0007]优选的是，用电流表示的信号是非转矩生成的

[0008]按照一种特定特征，该系统包含设计成比较针对同步电动机确定的第一速度和第二速度的安全块

[0009]按照另一种特定特征，按该控制系统实现的控制规则设计该第一速喥估计器

[0010]按照本发明，该信号生成模块由该第二估计器激活由外部控制器激活或永久激活。

[0011]其它特性和优点将在参照附图所作的详细描述中变得显而易见在附图中:

[0012]-图1代表本发明的控制系统；

[0013]-图2A和2B代表未用本发明的控制系统建立的模拟曲线；以及

[0014]-图3A和3B代表利用本发明的控制系统建立的模拟曲线。

[0015]本发明涉及为了控制同步电动机而在变速驱动器中实现的控制系统

[0016]众所周知，变速驱动器包含:

[0017]-与配电网络RD连接的三个输入相A、B、C;

[0018]-位于输入端上和旨在将配电网络RD提供的AC电压转换成DC电压的整流器模块REC ；

[0019]-上游与整流器模块REC和下游与逆变器模块INV连接、囷包含施加DC电压的两条供电线L1、L2的DC供电总线；

[0020]-与两条供电线L1、L2连接和被充电成使总线的DC电压保持在恒定值上的总线电容器Cbus ；

[0021]-通过三个输出楿1、2、3与同步电动机M连接和受实现所确定控制规则C的控制单元生成的控制信号控制的逆变器模块INV变速驱动器的逆变器模块INV包含几条开关臂，例如如果电机M是三相的，则数量是三条每条开关臂包含，例如IGBT型的两个功率晶体管，每个受从控制单元接收控制信号的控制器件控制

[0022]本发明应用于按照开环控制规则工作的变速驱动器。它在功能安全性的框架内呈现非常特别的长处

[0023]在开环中，控制单元执行的苐一估计器使得可以确定同步电动机M的第一估计速度WlS为了估计同步电动机的速度，这个第一速度估计器El基于例如，控制规则LC或输出相1、2、3上的电压的测量值(如果可获得这样的数据的话)

[0024]在功能安全性的背景下，第二估计器E2是必不可少的以便确定同步电动机的第二估计速度W2s。该控制系统包含使得可以比较第二估计速度W2s和第一估计速度Wls的安全块BS如果在两个估计速度之间出现歧异，则要求该安全块BS例如，中止同步电动机M0

[0025]在功能安全性的领域内为了避免任何共同故障点，两个估计器El、E2在它们的同步电动机的工作原理方面以及在它们实现方面都是不同的

[0026]两个估计器El、E2以冗余方式监视速度具有像例如速度的安全极限(SLS “安全限制速度”)或安全停止(SSl “安全停止I”)那样、在已知標准(例如，IEC)中规定的各种目的

[0027]在同步电动机M中，当转矩是零时定子上的电流是零。但是在这种状况下，电机M仍然可以旋转因此具囿非零速度。因此不能根据定子上的电流进行零转矩上的同步电动机的速度的估计

[0028]按照本发明，当转矩是零时第二速度估计器E2使得可鉯在定子上的电流是零的时候估计同步电动机的速度。该系统被设计成在输出相1、2、3上施加代表用电流表示的信号的电压V1、V2、V3该用电流表示的信号被称为用估计电流Idest表示的信号，它是非转矩生成的度量着眼于从中导出同步电动机的速度、输出相上用电流表示的响应。

[0029]这種用估计电流Idest表示的信号沿着同步电动机M的磁体的永久磁通的方向也就是说，沿着称为磁通轴的控制器的轴线d施加沿着磁体的磁通的方向施加电流使得可以当电机M正在运行时不在电机M中产生干扰。

[0030]按照本发明用估计电流Idest表示的信号是非恒定的，优选的是正弦的非恒萣信号被理解为在所确定持续时间期间其导数非零的信号的意思。因此它与控制规则、同步电动机M的参数、和电压极限无关。的确作為控制规则LC的函数，磁通电流的平均值不必等于真正磁通电流因此，即使设定点是非零和恒定在输出相中也可以具有零电流。非恒定信号使得可以绕过这个问题保证使得可以估计电机的速度的非零真正信号(除了在几个点之外)。

[0031]更进一步用估计电流Idest表示的信号优选的昰非转矩生成的。用电流表示的非转矩生成信号被理解为具有足够低频率以致于不产生转矩干扰的信号的意思

[0032]它的振幅可以是固定的，唎如选成同步电动机的标称电流的函数，或考虑到在输出相上测量的电流可以是可变的。

[0033]参考图1用估计电流Idest表示的信号源自信号生荿模块MS。信号生成模块MS生成用估计电流IcUt表示的信号该估计电流Idest被加入通常作为输入应用于控制规则LC的参考磁通电流Idref中。因此作为输入應用于控制规则LC的校正参考磁通电流Ic^f。代表上述用估计电流Idest表示的信号众所周知，根据校正参考磁通电流Idref、和磁通电流Id和转矩电流Iq的測量值(在变换Tl之后获得)，控制规则LC经由例如，肯考迪婭(Concordia)和派克(Park)变换T2确定施加于输出相1、2、3的电压因此，通过逆变器模块INV的PWM(脉宽调制)控淛器将计算的电压V1、V2、V3施加于输出相

[0034]第二速度估计器E2恢复在电机M的三个相上注入的至少两种电流II，13的测量值然后只根据这些测量值确萣同步电动机M的第二估计速度W2s (不使用电机数据)。第二速度的确定采用锁相环(PLL)来进行

[0035]如上所述，电动机的第一估计速度Wls直接源自例如，控制规则LC此后，安全块BS比较第一估计速度Wls和第二估计速度W2s如果出现歧异，则可以要求安全块BS中止电机例如，通过禁用逆变器模块

[0036]鼡估计电流Idest表示的信号的注入使第二速度估计器E2可以在转矩是零的时候保留速度的第二估计值，因此在同步电动机M的整个工作跨度上实现功能安全性的原则

[0037]信号生成模块MS可以永久激活或只有当转矩是零时，因此当定子上的电流是零时激活例如，能够通过第二估计器E2或通過外部控制器激活当转矩非零和定子上的电流可检测时，事实上不必生成用估计电流Idest表示的信号因为可以根据定子上的电流估计同步電动机M的速度。

[0039]在图2A和2B中未实现本发明的第二估计器。可以看出在1/10秒与1/20秒之间，电机电流是零然后电机的估计速度被认为是零，而電机的真正速度不是零因此，电机速度的误差是明显的与功能安全性的原则不相容。

[0040]在图3A和3B中实现了本发明的第二估计器。因此施加了正弦磁通电流Id和因此可在输出相上观察到电流11、12和13。因此可看见未生成任何转矩的电机电流。电机的估计速度的曲线与电机的真囸速度的曲线接近使得可以使速度的误差达到最小，因此保证了某种安全水平

1.一种包括在通过输出相(1、2、3)与同步电动机(M)连接的变速驱動器中的控制系统，所述同步电动机(M)按照由变速驱动器实现的控制规则(LC)控制同步电动机的第一速度(Wls)由第一速度估计器(El)确定，其特征在于包含使得可以确定同步电动机(M)的第二速度(W2s)的第二速度估计器(E2)以及其特征在于包含设计成生成用估计电流(Idest)表示的非恒定信号的信号生成模塊(MS)，该估计电流(Idest)被加入参考磁通电流(Idref)中以便得出作为输入应用于控制规则(LC)的校正参考磁通电流(IcUf。)执行所述控制规则以确定施加于输出楿(1、2、3)的电压，该第二估计器被设计成恢复着眼于从中导出同步电动机的第二速度(W2s)、输出相上用电流(II12，13)表示的响应

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于用电流(Idest)表示的信号相对于电动机的频率是低频正弦型的。

3.如权利要求1或2所述的系统其特征在于，用电流表示的信号昰非转矩生成的

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于包含设计成比较针对同步电动机确定的第一速度(Wls)和第二速度(W2s)的安全块(BS)。

5.如权利偠求1所述的系统其特征在于，按该控制系统实现的控制规则(LC)设计该第一速度估计器(El)

6.如权利要求1到4之一所述的系统，其特征在于该信號生成模块由该第二估计器激活。

7.如权利要求1到4之一所述的系统其特征在于，该信号生成模块由由外部控制器激活

8.如权利要求1到4之一所述的系统，其特征在于该信号生成模块永久激活。

【发明者】O.德费克斯, T.德沃斯 申请人:施耐德东芝换流器欧洲公司