专利名称：使用混合模型参考自适应系统的电动机速度估算系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及电感应电动机，尤其涉及使用混合模型参考自适应系统来估算电动机速度。
背景技术：
在其中电动机驱动负载的广泛的应用中，电动机控制系统被广泛用来控制电动机性能的各方面。感应电动机是异步AC电动机，它具有带有提供旋转AC定子场的定子绕组的一定子，且一转子附接到电机轴以便在该定子场内旋转。感应电动机一般包括所谓的鼠笼式转子，该转子以小于旋转定子场的旋转速度的速度旋转。定子磁场的旋转在转子导体中感生电流，进而形成使得转子转向定子场旋转方向的转子磁场。对众多电动机应用，对电动机速度的控制是重要的，尤其是当轴负载变化时。就此方面而言，起动期间的速度控制在众多电动机控制应用中尤为重要。
为了根据期望的速度调节电动机性能，有必要测量或估算转子在任何给定时刻的实际旋转速度。而且，在某些感应电动机控制体系结构中，软起动器被用于在起动期间激励定子绕组，一旦电动机达到正常工作速度之后，软起动控制被旁路掉，以便最小化稳态热生成量。众多常规的电动机控制系统采用机械耦合至电动机轴的某种形式的转速计或其它传感器设备来产生表示电动机速度的反馈信号，以便于闭环起动速度控制。然而，这样的外部传感器增加了电动机驱动系统的成本且需要维护。
提议并引入了无传感器系统，它们通常采用基于模型的估算或基于测量定子电流谐波含量的速度估算。然而，使用这些系统的实际的电动机起动时间通常随线电压和电动机负载而变化，这使得在各种自动化系统中难以协调电动机起动与其它设备。基于模型的方法尤其因电动机参数中的变化以及电动机起动期间信号较弱而受损害。基于定子电流谐波的方法要求复杂的信号处理，且所测量的谐波与转子结构有关，因此速度估算不能被快速更新。因此，存在对改进的电动机控制和无传感器速度估算技术以及用于电动机控制应用，尤其是起动期间控制电动机速度的系统的持续需求。
发明概述现在概述本发明的一个或多个方面以便于对本发明的基本理解，其中该概述不是本发明的宽泛的概观，而且既不旨在标识本发明的特定元素也不描绘本发明的范围。相反，该概述的主要目的在于，在后文中呈现的更详细描述之前以简化的形式呈现本发明的某些概念。本发明涉及对在无需转速计或其它速度传感器的情况下在起动期间控制AC感应电动机速度尤其有用的基于混合模型参考自适应系统(MRAS)的速度估算和电动机控制技术。本发明在第一速度范围上，诸如从0到全速的大约80％采用基于扭矩的MRAS误差项，然后对第二速度范围采用基于转子磁通量的MRAS误差项，其中混合MRAS组件和闭环控制器用于提供估算出的速度，估算出的速度与一阈值比较来确定速度估算何时从扭矩MRAS切换到基于磁通量的MRAS。在某些实施例中，将MRAS误差项之一提供给调节速度估算控制器，诸如比例积分(PI)控制器，其中该速度估算控制器以与定子或转子磁通量模数反向调整的至少一个速度估算控制器增益因子(例如，KI和/或KP)来生成速度估算，其中混合MRAS技术与以往的无传感器电动机起动方法相比，对电动机参数的不准确性或变化较不敏感，但同时仍保留无传感器控制的成本和维护优势。
根据本发明的一个或多个方面，提供一种用于操作感应电动机的电动机驱动系统。该驱动系统包括用于选择性地将电动机引线耦合至AC电源的开关系统，以及用于在起动期间控制并估算电动机速度的电动机起动控制系统。该电动机起动控制系统包括混合MRAS组件、带有驱动开关控制电路的输出的电动机控制器和提供转子速度估算的速度估算控制器、以及误差选择器，该误差选择器在转子速度估算小于或等于第一阈值时提供来自基于扭矩的MRAS组件的速度估算控制器误差输入，而在所估算出的速度在该阈值之上时提供来自基于转子磁通量的MRAS组件的速度估算控制器误差输入。基于扭矩的MRAS组件提供表示计算出的扭矩值与估算出的扭矩值之差的第一误差项，而基于磁通量的MRAS组件提供基于计算出的转子磁通量与估算出的转子磁通量之差的第二误差项，它可被计算为向量积。速度估算控制器根据所选控制器误差输入提供起动期间的速度估算，且基于定子或转子磁通量模数来自适应或调节一个或多个速度估算控制器增益因子。
在一个实施例中，该控制系统根据电流和电压反馈值来对定子方程求值以得到计算出的转子磁通量，并根据电流反馈值以及根据最近的转子速度估算来对转子方程求值以得到估算出的转子磁通量。基于扭矩的MRAS组件根据计算出的转子磁通量来计算计算的扭矩值，并根据估算出的转子磁通量来计算估算的扭矩值，然后提供计算与估算的扭矩值之差作为第一误差项。在该示例中，基于转子磁通量的MRAS组件从该定子和转子方程中提供计算的转子磁通量和估算的转子磁通量的向量积作为第二误差项。该电动机驱动系统也可包括选择性将电动机引线连接至AC电源来旁路开关系统的旁路开关，以及当转子速度超出第二阈值时激活该旁路开关的旁路控制器。
本发明的其它方面提供一种用于在起动期间控制电动机速度的系统。该系统由根据控制器误差输入来提供转子速度估算的速度估算控制器和根据期望的起动速度分布曲线并根据估算的电动机速度来提供用于在起动期间控制电动机速度的控制器输出的电动机控制器组成。该系统还包括一混合模型参考自适应系统(MRAS)组件，其中基于扭矩的MRAS组件提供表示计算的扭矩值与估算的扭矩值之差的第一误差项，而基于转子磁通量的MRAS组件提供表示计算的转子磁通量与估算的转子磁通量之差的第二误差项。误差选择器与混合MRAS组件以及速度估算控制器耦合以向该速度估算控制器提供误差输入，其中当转子速度估算小于或等于第一阈值时提供第一误差项作为控制器误差输入，而当转子速度估算大于第一阈值时提供第二误差项作为控制器误差输入。
本发明的其它方面涉及一种用于估算电动机速度的混合模型参考自适应系统(MRAS)电动机速度估算系统。该混合MRAS系统包括速度估算调节器或控制器、基于扭矩和磁通量的MRAS组件以及误差选择器，其中该速度估算控制器根据控制器误差输入来提供转子速度估算，且该控制器包括至少部分基于定子或转子磁通量模数来调整的一个或多个增益因子。基于扭矩的MRAS组件提供表示计算的扭矩值与估算的扭矩值之差的第一误差项，而基于转子磁通量的MRAS组件提供表示计算的转子磁通量与估算的转子磁通量之差的第二误差项。误差选择器在转子速度估算处于第一速度范围中时根据第一误差项向速度估算控制器提供误差输入，而在转子速度估算处于第二速度范围中时根据第二误差项来提供误差输入。
本发明的其它方面涉及一种用于控制电动机速度的方法。该方法包括根据控制器误差输入来提供转子速度估算、计算作为计算的扭矩值与估算的扭矩值之差的第一误差项、计算作为计算的转子磁通量与估算的转子磁通量的向量积的第二误差项、以及当转子速度估算处于第一速度范围中时根据第一误差项向控制器提供误差输入而当转子速度估算处于第二速度范围中时根据第二误差项来提供误差输入。在某些实施例中，该方法还包括至少部分地根据定子或转子磁通量模数来调整控制器的至少一个增益因子。
附图简述以下描述和附图详细描绘了本发明的某些说明性实现，它们示出可在其中实现本发明的原理的若干示例性方式。然而，所示示例不是本发明的多种可能实施例的穷举。本发明的其它目的、优点和新颖的特征将在结合附图考虑本发明时在本发明的以下详细描述中描绘，附图中
图1是示出用于驱动感应电动机的示例性电动机驱动系统的详细示意图，该系统包括用于在起动期间控制并估算电动机速度的基于混合MRAS的起动控制系统以及用于以全速操作电动机的旁路系统；图2是示出图1的基于MRAS的起动控制系统的速度估算系统的进一步细节的示意图；图3是起动期间电动机速度与时间之间的关系的图表，它示出根据一阈值在图1和2的系统中在第一和第二范围中对电动机速度的控制；图4是示出用于在第一速度范围中使用来自基于扭矩的MRAS系统的第一误差项而在第二速度范围中使用来自基于转子磁通量的MRAS的第二误差项来进行电动机起动控制和速度估算的示例性方法的流程图；以及图5A-5C是示出使用基于扭矩和基于转子磁通量的MRAS系统的示例性速度估算更新操作的详细流程图。
发明的详细描述现在参考附图，后文中将结合附图描述本发明的若干实施例或实现，附图中相同的参考标号用来指示全文中相同的元素，在后文中将在用于三相感应电动机的起动控制的上下文中示出并描述本发明，尽管本发明不限于所示示例且可被用来控制任何数量的相的AC电动机。以下示出的实施例在起动期间采用对电动机速度的闭环控制，其中对第一范围的速度使用基于扭矩的MRAS组件来获得由调节控制器所使用的误差值，然后对第二速度范围使用基于转子磁通量的MRAS组件来获得该误差，从而提供混合MRAS速度估算和控制。发明人发现该混合MRAS方法可在包括软起动器和其它电动机控制设备的现有电动机控制装置中容易地实现，且可促进整个电动机起动过程中的匀速跟踪性能，在该过程中可通过软件更新来升级某些电动机控制驱动以实现本发明的各种特征以便实现此处示出和描述的混合MRAS概念。例如，当定子电阻已知或可被测量时，该混合MRAS系统可被实现来产生良好的速度估算和控制性能以便于线性斜坡控制或用户所期望的任何其它形式的期望的速度控制分布曲线。
尽管不希望被束缚于任何特定理论，但发明人利用了电动机的磁通量可从一组定子方程和一组转子方程计算出的这一事实，如以下在图5B和5C中所示，其中定子方程不涉及电动机速度因此可被看作是一参考模型。然而，转子方程包括速度，因此被用作一可调整模型，其中电动机速度(例如，转子速度)是该可调整模型中的参数。而且，发明人已理解，所估算的扭矩在整个起动过程的显著主要部分中，即第一速度范围上与速度估算误差成正比，其中基于扭矩的MRAS组件可成功地用于提供该第一速度范围中的闭环控制/估算误差项。然而，发明人还发现，对较高速度(例如，第二速度范围中)该关系不成立，其中速度估算误差对磁通量估算几乎没有影响，直到电动机速度处于该第二(较高)范围中。本发明使用这些发现来为低速提供基于扭矩MRAS的控制，然后使用基于磁通量的MRAS组件来生成第二较高速度范围中的误差项，它可在电动机起动控制中使用，以便为无负载和有负载工作两者实现任何期望的速度控制分布曲线或工作模式，包括但不限于电流限制模式、软起动模式、利用脚踏起动(kickstart)的电流限制模式、利用脚踏起动的软起动模式等。以下示出并描述的示例性混合MRAS技术采用定义第一与第二速度范围之间的边界的阈速度值，其中可使用任何合适的阈值。在一个示例中，该阈值可设成电动机全速的大约80％，对0到大约80％的额定速度使用基于扭矩的MRAS，而对第二80％～100％速度范围使用基于转子磁通量的MRAS，其中所估算的速度用于在这两个控制范围之间切换。
而且，在这些示例中，将自适应调节器或控制器自动调整成与定子或转子磁通量模数的平方成反比。在以下示出的示例中，在基于扭矩的阶段中从参考模型中移除漏感，其中所计算出的扭矩基本上准确，因为定子电阻RS是参考模型中仅有的电动机参数，而RS被发现在起动期间相当恒定。定子方程产生定子磁通量项ΨS，且PI型控制器的比例和积分增益KP和KI基于定子磁通量的平方的倒数1/|ΨS|2(或基于转子磁通量的平方的倒数1/|Ψr|2)来调整，使得对控制器增益的调整基本上不受电动机参数变化的影响，因为其计算仅涉及定子电阻RS，而RS可被认为在起动期间恒定，其中RS可使用构造定子方程的任何合适的技术来测量或估算。在基于转子磁通量的控制范围中，电动机逼近全速，其中其余的电动机参数逼近正常值，借此速度估算提供准确的速度值，直到电动机过渡到稳态工作之后很久。
图1和2示出用于使用来自三相AC电源6的电力来驱动多相感应电动机4的示例性电动机驱动系统2。系统2包括带有分别耦合在AC电源6的电源线A、B和C与电动机4的引线R、S和T之间的三对SCR开关设备10a、10b、10c的开关系统10，各个开关设备用于根据相应的开关控制信号22来选择性地将相应的电动机引线耦合到AC电源。以这种方式，供电电压的部分可应用于电动机绕组以生成/形成电动机相电流IR、IS和IT。每一相耦合还分别包括旁路开关12a、12b和12c，以便通过根据来自旁路控制组件14的旁路控制信号16将电动机引线R、S和T连接到AC电源线A、B和C来选择性地旁路开关系统10及其开关对10a、10b和10c。开关系统10由基于混合MRAS的起动控制系统20操作，用于在起动期间控制电动机速度，它包括用于使用基于扭矩和转子磁通量的MRAS组件34和36来提供速度估算ω′r的基于混合MRAS的速度估算系统20a。尽管以SCR型开关10a-10c示出，但可在系统10中以及为旁路开关12使用任何类型的电开关设备。
起动控制系统20及其速度估算系统20a可被实现为任何合适的硬件、软件和/或其组合，其中控制系统20包括开关控制电路24，该电路带有用于根据来自电动机控制器25的控制输出信号25a来提供多个开关控制信号22以在电动机4的起动期间控制开关系统10的开关设备10a、10b和10c的操作的电路，电动机控制器25可以是用于根据驱动过程反馈18以及来自速度估算系统20a的估算出的电动机速度信号ω′r来控制电动机的任何合适的控制器或调节器25。此外，电动机控制器25可在多个不同模式或控制方案中操作，包括控制扭矩、速度等，其中示例性电动机控制器25用于根据用户定义的起动速度分布曲线28来在起动期间控制感应电动机的速度。开关控制电路24根据电动机控制输出25a来提供适当的开关信号22来操作电动机4，该输出可包括脉宽调制或其它开关定时控制。
混合MRAS速度估算系统20a包括提供每秒弧度、每分种转数或其它合适的单位的速度估算ω′r的PI控制器26，它指示任何给定时刻电动机4的速度。就此方面而言，速度估算可以按相当高的采样速率来执行，诸如在一个示例中的每隔100us，而对电动机控制器25的速度控制在某些实施例中可以按较慢的速率来执行，诸如每隔50ms。速度估算系统20a中的PI控制器26在起动期间及之后根据控制误差输入e来提供速度估算ω′r。速度估算系统20a还包括混合模型参考自适应系统(MRAS)组件38，它带有提供表示计算的扭矩值34b(图2中的扭矩T)以及估算的扭矩值34a(图2中的T′)之间的差或误差的第一误差项ε1的基于扭矩的MRAS组件34。混合MRAS组件38还包括提供表示计算的转子磁通量36b(图2中的Ψrd、Ψrq)与估算的转子磁通量36a(图2中的Ψ′rd、Ψ′rq)之间的差或误差的第二误差项ε2的基于转子磁通量的MRAS组件36，该误差项可计算为向量积，其中计算和估算的多相磁通量项Ψrd、Ψrq和Ψ′rd、Ψ′rq以任意双轴参考系(d-q参考系)来表示。这两个MRAS组件34和36向提供比较功能44和开关功能46的误差选择器40(图2)提供相应的误差项ε1和ε2，以向速度估算PI控制器26提供误差输入e，当转子速度估算ω′r小于或等于第一阈值TH1 42(第一速度范围)时该误差输入作为第一误差项ε1，而当转子速度估算大于阈值42(第二速度范围)时它作为第二误差项ε2。可使用任何阈值TH1 42，例如一个实施例中为电动机4的额定全速的大约80％。
速度估算控制器26以一般连续的方式工作以提供电动机速度估算ω′r，其中开关系统10向控制系统20提供来自驱动过程的反馈电流和电压值18，诸如相或线电压、定子电流值等。速度估算系统20a包括定子方程32和转子方程30以及已知或估算的值(例如，电阻、电感、极点P的数目等)，用于使用电流和电压反馈18作为输入来计算计算和估算的磁通量和扭矩值，其中计算和估算的磁通量值Ψ也可以用d-q系格式来表示。如图1中所示，转子速度估算ω′r由PI速度估算控制器26提供给转子方程30，并提供给电动机控制器25和旁路控制组件14，后者在转子速度估算ω′r大于第二阈值TH2 14a时选择性地提供旁路控制信号16来旁路开关系统10。而且，如最佳在图2中所示，定子方程30的解X(例如，计算的转子磁通量值Ψrd、Ψrq)作为输入被提供给基于扭矩的MRAS组件34和基于转子磁通量的MRAS组件36。此外，从定子方程32将定子磁通量模数的平方的倒数1/|ΨS|2(例如，或者转子磁通量模数的平方的倒数1/|Ψr|2)提供给速度估算控制器26用于调节PI控制器的增益KI和KP。
在工作中，电动机起动控制系统20中的速度估算系统20a根据电流和电压反馈值18来对定子方程32求值以得到计算的转子磁通量36b(如最佳在图2中所示，d-q参考系中的Ψrd、Ψrq)，并根据反馈值18以及根据转子速度估算ω′r来对转子方程30求值以得到估算的转子磁通量36a(Ψ′rd、Ψ′rq)。系统20a还计算定子磁通量模数|ΨS|2或转子磁通量模数|Ψr|2中的任何一个。基于扭矩的MRAS组件34进而根据计算的转子磁通量36b(Ψrd、Ψrq)来计算计算的扭矩值T，并根据估算的转子磁通量36a(Ψ′rd、Ψ′rq)来计算估算的扭矩值T′。基于扭矩的MRAS组件34然后提供第一误差项ε1，作为分别为计算和估算的扭矩值36b与36a之差(ε1＝T-T′)。基于转子磁通量的MRAS组件36提供第二误差项ε2，作为计算的转子磁通量36b(Ψrd、Ψrq)与估算的转子磁通量36a(Ψ′rd、Ψ′rq)的向量积。
也参考图3，在图表50中提供了曲线图52，它示出电动机速度ω′r与时间t之间的关系，其中系统2在从0到第一阈速度值TH1(图1和2中的阈值42)的第一速度范围54中提供使用第一误差项ε1的基于扭矩MRAS的速度估算和速度控制。当在第二速度范围56中估算的速度ω′r超出阈值TH1时，速度估算控制器26使用第二误差项ε2(基于转子磁通量的MRAS控制)，直到速度ω′r超出第二(旁路)阈值2(图1中的TH2 14a)，此时旁路控制14提供旁路控制信号16以激活旁路开关12a-12c，其中旁路阈值TH2一般位于第一阈值TH1之上，较佳地接近电动机4的全速FS额定值。控制系统20可用于双范围控制和/或速度估算技术，该技术使用混合MRAS方法来实现整个起动速度范围中的基本匀速的跟踪性能而无需外部转速计或其它传感器，也不会遭受与常规的谐波测量估算技术相关联的噪声。因此，系统20便于软起动器和其它电动机控制应用中对起动速度分布曲线的高级无传感器控制。
现在参考图4-5C，混合MRAS方法的电动机控制和速度估算方面在图4中的流程图70中进一步示出，它示出用于在第一速度范围(图3中的范围54)中使用来自基于扭矩的MRAS系统(例如，以上的34)的第一误差项ε1而在第二速度范围(56)中使用来自基于转子磁通量的MRAS(36)的第二误差项ε1的电动机起动控制和速度估算的示例性方法。尽管被示为单个流程，但可以理解，速度估算和电动机控制循环可用不同的更新速率分开处理，例如其中速度控制循环一般以低于速度估算循环的速率来处理。而且，基于混合MRAS的速度估算过程即使在起动过程完成之后(例如，在旁路工作期间)也可继续工作，以便为稳态电动机控制或数据采集提供无传感器的速度值反馈。过程70在72处开始，其中使用来自基于扭矩的MRAS系统(MRAS 34)的第一误差项ε1来估算转子速度，且在74处根据所期望的电动机起动速度分布曲线(图1中的速度分布曲线28)和速度估算ω′r来控制电动机相位开关(例如，图1中的开关10a、10b和10c)。在76处作出关于估算的转子速度ω′r是否大于阈值TH1(例如，在一个示例中大于大约80％的额定速度)的判断。如果否(76处为否)，则方法70返回至74以继续根据误差项ε1的电动机控制和基于扭矩的MRAS速度估算。而一旦速度ω′r超出TH1(76处为是)，则进入第二速度范围(例如，图3中的范围56)，且起动过程继续至图4中的78，其中使用来自基于转子磁通量的MRAS系统(MRAS 36)的第二误差项ε2来估算转子速度ω′r，并根据期望的速度分布曲线和速度估算ω′r来控制电动机开关。在80处，将速度估算ω′r与第二(例如，旁路)阈值TH2(例如，图1中的旁路阈值14a)比较，且如果速度仍处于第二范围中(80处为否)，则方法70返回至78以便继续根据误差项ε2的基于转子磁通量的MRAS速度估算和相应的电动机速度控制。当速度估算ω′r超出TH2(80处为是)时，在82处起动控制开关被旁路，而电动机引线被连接至电源引线(例如，被旁路)以便在84处完成电动机起动过程70。
图5A-5C示出使用基于扭矩和磁通量的混合MRAS系统20a的速度估算更新操作100的示例。速度估算更新过程100在102处开始，其中在104处获取最近的电流和电压反馈值以便在106和108中使用来对定子和转子方程(例如，以上图1的控制器20中的方程32和30)求值或求解。在106处，使用反馈值来对定子方程求值以分别获得计算的转子磁通量36b(Ψrd、Ψrq)和扭矩值T 34b。如最佳在图5B中所示，在106处使用对电动机端电压VD、VQ和定子电流ID、IQ以及互感系数Lm、转子和定子电感Lr和Ls和定子电阻Rs的反馈值18来对定子方程32求值以获得计算的转子磁通量值Ψrd、Ψrq，其中Lm、Lr、Ls和Rs的值可以是测量值或可基于所控制的特定电动机4来估算或指定。然后在106b处，基于扭矩的MRAS组件34基于计算的转子磁通量值Ψrd、Ψrq36b、反馈值18和定子电阻Rs来计算计算的扭矩值T 34b。回过来参考图5A，在108处使用电流反馈值18和最近的转子速度估算ω′r来对转子方程30求值以获取估算的转子磁通量和扭矩值36a和34a(图1中的Ψ′rd、Ψ′rq和T′)。如最佳在图5C中示出，在108a处转子方程30采用反馈值18(ID和IQ)以及速度估算ω′r和电动机参数Lm、Lr和Rr，从中可计算出磁通量值36aΨ′rd、Ψ′rq。在108b处，基于扭矩的MRAS组件34然后使用电动机参数Lm、Lr和估算的转子磁通量值36aΨ′rd、Ψ′rq来计算估算的扭矩值T′。
再次参考图5A，一旦从106和108处的对定子和转子方程32和30的求值中分别获取了计算和估算的磁通量和扭矩值之后，速度估算更新过程100在110处继续，在那里分别从计算和估算的扭矩值T 34b和T′34a中计算第一误差项ε1(例如由基于扭矩的MRAS组件34计算)，其中在所示的实施例中ε1被计算为T-T′。在112处，分别从计算和估算的转子磁通量值Ψrd、Ψrq36b和Ψ′rd、Ψ′rq36a计算第二误差项ε2(例如，由基于磁通量的MRAS组件36计算)。在该示例中，第二误差项ε2被计算为向量积Ψrq*Ψ′rd-Ψrd*Ψ′rq。在113处，计算磁通量模数以供估算控制器使用，它可以是定子磁通量模数|ΨS|或转子磁通量模数|Ψr|中的任何一个。然后在114处使用误差项ε1和ε2之一来估算当前速度，其中控制器26(图1)基于控制器增益参数KP26a和KI26b(图1)、定子磁通量模数的平方的倒数1/|ΨS|2或转子磁通量模数的平方的倒数1/|Ψr|2中的任何一个、以及控制器误差输入e(基于来自上一次更新循环的当前速度估算ω′r被选为ε1或ε2中的任一个)来生成对速度ω′r的新的估算，然后在116处完成估算更新。在示出的示例中，根据磁通量模数按经修改的PI控制输出方程ω′r＝(KP+(KI/S))*e/(|ΨS|2)来修改增益参数KP26a和KI26b，其中对ω′r小于或等于TH1，e＝ε1，对ω′r大于TH2，e＝ε2。以此方式，控制器26使用以基于扭矩或磁通量的MRAS组件中的任一个为基础的双范围混合MRAS技术来提供电动机速度估算ω′r，其中KI和KP根据磁通量模数的平方的倒数来修改或调整。
以上示例仅示出本发明的各方面的若干可能的实施例，其中当本领域的其他技术人员阅读和理解本说明书及附图之后将想到等效更改和/或修改。特别是对于由上述组件(部件、设备、系统、电路等)执行的各种功能，除非另外指出，否则用于描述这些组件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于任何组件，诸如硬件、软件或其组合，它们执行所述组件的指定功能(即，功能上等效)，即使与在所示出的本发明的实现中执行该功能的所公开结构在结构上不等效。此外，尽管仅参考若干实现之一公开了本发明的特定特征，但如有需要或对任何给定或特定应用有利，这样的特征可与其它实现的一个或多个其它特征组合。而且，就在详细描述和/或权利要求书中使用术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“带有”或其变型的意义而言，这样的术语旨在以类似与术语“包含”的方式为包含性的。
权利要求
1.一种用于操作AC感应电动机的AC电动机驱动系统，所述电动机驱动系统包括开关系统，包括耦合在AC电源与感应电动机之间的多个开关设备，所述各个开关设备用于根据相应的开关控制信号选择性地将相应的电动机引线耦合至所述AC电源；以及电动机起动控制系统，用于在起动期间控制所述电动机速度，所述电动机起动控制系统包括混合模型参考自适应系统(MRAS)组件，包括基于扭矩的MRAS组件，它提供表示计算的扭矩值与估算的扭矩值之差的第一误差项；以及基于转子磁通量的MRAS组件，它提供表示计算的转子磁通量与估算的转子磁通量之差的第二误差项；速度估算控制器，它根据控制器误差输入来提供转子速度估算；电动机控制器，它根据期望的起动速度分布曲线并根据所述转子速度估算来提供用于在起动期间控制所述电动机速度的电动机控制器输出；开关控制电路，它根据所述控制器输出在所述电动机的起动期间提供多个开关控制信号来控制所述开关系统的开关设备的操作；以及误差选择器，它操作上与所述混合MRAS组件以及所述速度估算控制器耦合以向所述速度估算控制器提供所述误差输入，所述误差选择器在所述转子速度估算小于或等于第一阈值时提供所述第一误差项作为所述控制器误差输入，而在所述转子速度估算大于所述第一阈值时提供所述第二误差项作为所述控制器误差输入。
2.如权利要求1所述的电动机驱动系统，其特征在于，还包括用于通过根据旁路控制信号将所述电动机引线连接至所述AC电源来选择性地旁路所述开关系统的旁路开关；以及从所述速度估算控制器接收所述转子速度估算并在所述转子速度估算大于第二阈值时提供旁路所述开关系统的所述旁路控制信号的旁路控制组件。
3.如权利要求1所述的电动机驱动系统，其特征在于所述电动机起动控制系统根据电流和电压反馈值来对定子方程求值以得到计算的转子磁通量，并根据电流和电压反馈值以及根据所述转子速度估算来对转子方程求值以得到估算的转子磁通量；所述基于扭矩的MRAS组件根据所述计算的转子磁通量来计算计算的扭矩值，并根据所述估算的转子磁通量来计算估算的扭矩值，然后提供作为所述计算与估算的扭矩值之差的所述第一误差项；以及所述基于转子磁通量的MRAS组件提供作为所述计算的转子磁通量和估算的转子磁通量的向量积的所述第二误差项。
4.如权利要求1所述的电动机驱动系统，其特征在于所述电动机起动控制系统计算定子磁通量模数和转子磁通量模数之一；所述速度估算控制器是带有分别为KI和KP的比例和积分增益的比例积分(PI)控制器；且所述速度估算控制器根据所述定子或转子磁通量模数的平方的倒数来调整KI和KP。
5.如权利要求1所述的电动机驱动系统，其特征在于，所述速度估算控制器中的至少一个增益值至少部分地根据定子磁通量模数和转子磁通量模数之一来调整。
6.一种用于在起动期间控制电动机的速度的起动控制系统，包括速度估算控制器，它根据控制器误差输入来提供转子速度估算；混合模型参考自适应系统(MRAS)组件，它包括提供表示计算的扭矩值与估算的扭矩值之差的第一误差项的基于扭矩的MRAS组件，以及提供表示计算的转子磁通量与估算的转子磁通量之差的第二误差项的基于转子磁通量的MRAS组件；误差选择器，它操作上与所述混合MRAS组件以及所述速度估算控制器耦合以向所述速度估算控制器提供误差输入，所述误差选择器在所述转子速度估算小于或等于第一阈值时提供所述第一误差项作为所述控制器误差输入，而在所述转子速度估算大于所述第一阈值时提供所述第二误差项作为所述控制器误差输入；以及电动机控制器，它根据期望的起动速度分布曲线并根据所述转子速度估算来提供用于在起动期间控制所述电动机速度的控制器输出。
7.如权利要求6所述的起动控制系统，其特征在于，所述起动控制系统根据电流和电压反馈值来对定子方程求值以得到计算的转子磁通量，并根据电流和电压反馈值以及根据所述转子速度估算来对转子方程求值以得到估算的转子磁通量，其中所述基于扭矩的MRAS组件根据所述计算的转子磁通量来计算计算的扭矩值，根据所述估算的转子磁通量来计算估算的扭矩值，然后提供作为所述计算与估算的扭矩值之差的所述第一误差项；且其中所述基于转子磁通量的MRAS组件提供作为所述计算的转子磁通量和估算的转子磁通量的向量积的所述第二误差项。
8.一种用于估算电动机的速度的混合模型参考自适应系统(MRAS)电动机速度估算系统，包括速度估算控制器，它根据控制器误差输入来提供转子速度估算，所述控制器包括至少部分地根据定子磁通量模数或转子磁通量模数来调整的至少一个增益因子；基于扭矩的MRAS组件，它提供表示计算的扭矩值与估算的扭矩值之差的第一误差项；基于转子磁通量的MRAS组件，它提供表示计算的转子磁通量与估算的转子磁通量之差的第二误差项；以及误差选择器，它在所述转子速度估算处于第一速度范围中时根据所述第一误差项向所述速度估算控制器提供误差输入，而在所述转子速度估算处于第二速度范围中时根据所述第二误差项来提供所述误差输入。
9.如权利要求8所述的电动机速度估算系统，其特征在于，所述基于扭矩的MRAS组件计算所述计算的扭矩值和估算的扭矩值，并提供作为所述计算与估算的扭矩值之差的所述第一误差项，且其中所述基于转子磁通量的MRAS组件提供作为所述计算的转子磁通量与估算的转子磁通量的向量积的第二误差项。
10.一种用于控制电动机速度的方法，所述方法包括根据控制器误差输入来提供转子速度估算；根据所述转子速度估算并根据期望的速度分布曲线来提供控制器输入；根据所述控制器输入来控制所述电动机速度；计算作为计算的扭矩值与估算的扭矩值之差的第一误差项；计算作为计算的转子磁通量与估算的转子磁通量的向量积的第二误差项；以及当所述转子速度估算处于第一速度范围中时根据所述第一误差项来提供所述误差输入，而当所述转子速度估算处于第二速度范围中时根据所述第二误差项来提供所述误差输入。
全文摘要
提供了用于控制电动机起动速度以及用于在起动期间估算电动机速度的电动机驱动器、电动机速度控制器、电动机速度估算系统及方法，其中速度估算控制器对第一电动机速度范围基于来自基于扭矩的MRAS组件的第一误差项来提供转子速度估算，并对第二速度范围基于来自基于转子磁通量的MRAS组件的第二误差项来提供转子速度估算。
文档编号G05B13/04GK101039088SQ20071008767
公开日2007年9月19日 申请日期2007年3月13日 优先权日2006年3月14日
发明者陆海慧, 钱巍 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司