专利名称：用瞬态激励进行基于瞬态的电动机速度估计的系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及电动机控制，尤其涉及用瞬态激励进行用于闭环电动机控制的基于瞬态的速度估计。
背景技术：
在许多工业自动化应用中，期望根据指定的速度曲线来启动和停止AC电动机。电动机控制系统已被开发并用于在使用可变频率驱动启动期间控制电动机的速度和其它性能方面。或者，感应电动机系统常常包括软启动器，以在启动和停止期间激励定子绕组，且一旦电动机达到正常工作速度则绕过该软启动控制。为了在启动和停止期间准确地控制电动机速度，必须测量或估计转子的实际转速。许多电动机控制系统采用机械地耦合到电动机轴的某种形式的转速计或其它传感器器件来产生表示电动机速度的反馈信号，然后该信号可以用于启动、停止和稳态操作期间对电动机的反馈控制。然而，此类外部传感器增加了成本和重量并且需要维护。因此，已提出了利用速度估计装置来基于所测得的电动机信号推导速度估计值的无传感器系统。在所提出的某些无传感器估计方法中，测量定子绕组电流的过零次数，并分析连续的过零点之间的相应相角误差，以产生与转子速度理想地相关的信号频率。然而，实验显示所检测到的信号的强度只够在小部分的速度范围内进行可靠的速度识别，且所测得的信号容易被电源扰动所破坏。因此，需要用于电动机控制应用的、特别是用于在启动和停止期间控制电动机速度的改进的电动机控制装置和无传感器速度估计技术和系统。
发明内容
现在概述本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中此概述不是本发明的详尽综览，并且既不旨在确定本发明的某些要素，也不旨在界定本发明的范围。此概述的主要目的确切而言是在稍后给出的更为详细的说明之前以简化形式给出本发明的一些概念。本发明涉及根据所测得的电动机瞬态来估计电动机速度并激励或再激励电动机瞬态以在整个电动机速度范围内维持继续无传感器速度估计的能力的AC电动机控制系统、启动控制器以及电动机控制方法。以此方式，通过在AC电动机中引入瞬态，所测得的瞬态信号被有效地放大或再激励以便于基本上在整个电动机速度范围里都能进行稳健的速度估计，由此降低了速度估计对电源扰动的敏感度。瞬态激励可以与任何数目的与电动机速度相关的可测量瞬态信号结合使用，从而本发明的技术在使用实际上任何形式的基于瞬态的速度估计值来控制AC感应电动机以在启动、停止和稳态受控操作期间进行闭环型电动机控制时特别有用。
根据本发明的一个或多个方面，设置了用于操作AC感应电动机的AC电动机开关系统和电动机速度控制系统。该开关系统包括根据开关控制信号将电动机引线选择性地耦合至AC电源的开关器件。电动机速度控制系统包括用于在启动和停止期间根据所期望的速度曲线并根据转子速度估计值提供控制电动机速度的输出的电动机控制器，并且一开关控制系统在启动和停止期间根据电动机控制器的输出提供开关控制信号。该电动机速度控制系统还包括瞬态激励系统，用于选择性地修改至少一个开关控制信号来激励电动机瞬态；以及基于瞬态的速度估计系统，用于从开关系统接收反馈并至少部分根据反馈信号或值提供转子速度估计值。在一个实施例中，基于瞬态的速度估计系统测量与电动机瞬态相关联的一个或多个瞬态速度相关信号，并至少部分基于该瞬态速度相关信号确定转子速度估计值。
速度估计系统可测量一个或多个任何类型的速度相关信号，包括但不限于相位误差、相位滞后、峰值电流、电压积分、电动机绕组电压、开关器件电压以及电压过零信号等。可以使用任何形式的瞬态激励，其中某些实施例涉及开关控制信号脉冲流的修改。在某些例子中，瞬态激励系统选择性地从开关控制信号脉冲流去除单个的脉冲或成对脉冲以激励电动机瞬态，或选择性地修改开关控制信号中的选中脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。另外，还可以根据调制波形，例如正弦波、方波、锯齿波等进行脉冲流修改，或可以至少部分基于转子速度估计值来修改。另外，在某些实现中，该系统还可以提供在启用瞬态激励系统之前选择性地初始化电动机中的转子磁通的转子磁通初始化系统。
本发明的其它方面涉及用于在启动和停止期间控制电动机速度的方法，这些方法包括向开关系统提供开关控制信号以将电动机的引线选择性地耦合至AC电源以控制电动机速度，选择性地修改这些开关控制信号中的一个或多个以激励一电动机瞬态，测量与该电动机瞬态相关联的瞬态速度相关信号，并至少部分根据该瞬态速度相关信号提供转子速度估计值。在某些实现中，开关控制信号的选择性修改包括从开关控制信号选择性地去除单个的脉冲以激励电动机瞬态，或修改开关控制信号中选中的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。这些方法还可包括在选择性地修改开关控制信号之前选择性地初始化电动机中的转子磁通。另外，还可以例如通过定期修改开关控制信号来激励电动机瞬态或根据所测得的瞬态速度相关信号的振幅，从而在任何合适的时间进行瞬态激励以允许用于速度估计的可接受的对电动机瞬态的测量，
以下说明书和附图详细阐述了本发明的某些示例性实现，它们指示可实现本发明的原理的几种示例性方式。然而，所示的例子并不是本发明的许多可能的实施例的穷举。本发明的其它目的、优点和新颖特征将在以下结合附图对本发明的详细说明中阐述。
图1是示出根据本发明的一个或多个方面的具有用于驱动感应电动机的电动机速度控制系统的、包括基于瞬态的速度估计系统和瞬态激励系统的示例性电动机控制系统的详细示意图；图2是示出图1的电动机中的三相电流曲线的图；图3是示出图1的系统中的3条相线对中性线电源电压曲线和开关控制信号的图；图4A是示出在图1的系统中选择性地去除开关控制信号中的脉冲对以激励电动机相位误差信号的图；图4B是示出在图1的系统中选择性地去除开关控制信号中的脉冲对中的单个脉冲以激励电动机相位误差信号的图；图4C和4D是示出在图1的系统中选择地修改开关控制脉冲之间的间隔以激励电动机误差信号的的图；图5是示出图1的系统中通过选择性地去除脉冲对来进行定期瞬态激励的图；图6是示出根据本发明的使用基于瞬态的速度估计值和选择性瞬态激励在启动期间控制感应电动机的速度的示例性方法的流程图；图7是示出根据本发明的包括在瞬态激励之前初始化转子磁通在内的启动电动机控制的另一示例性方法的流程图；以及图8是示出根据本发明的使用基于瞬态的速度估计值和选择性瞬态激励在停止期间控制感应电动机的速度的示例性方法的流程图。
具体实施例方式
现在参见附图，下面结合
本发明的几个实施例或实现，其中在所有附图中使用相同的标号来标示相似的要素，下面在三相WYE连接的感应电动机用速度控制的背景中示出和说明本发明，但本发明不限于所示的例子并且能用于控制任意相位数、任意绕组结构(WYE或△形)和任意控制器结构(相线或△形内(Inside-the-Delta))的AC电动机。以下所示的实施例便于使用从速度相关电动机瞬态信号推导出的基于瞬态的速度估计值在启动和停止期间闭环控制电动机速度而不需外部转速计或其它速度传感器，并且能在任何类型的电动机控制装置中实现以提供一般不受电源扰动影响的无传感器闭环速度控制，从而实现用于无负载和有负载操作的线性斜坡或其它所期望的速度控制曲线或操作模式，包括但不限于限流模式、软启动模式、带冲击启动(kickstart)的限流模式、带冲击启动(kickstart)的软启动模式等。
首先参照图1，根据本发明的一个或多个方面，示例性电动机控制系统100设有具有基于瞬态的速度估计系统120a和瞬态激励系统120b的电动机速度控制系统120。电动机速度控制系统120还包括开关控制电路或系统124、以及向开关控制系统124提供用于根据诸如以线性斜坡为一例的速度曲线128进行速度控制的控制器输出125a的电动机控制器125。另外，该示例性电动机速度控制器120包括一任选的转子磁通初始化系统126。可以在任何合适的硬件、软件或其组合中实现电动机速度控制系统120的各种部件。电动机控制系统100通过具有分别耦合在AC电源106的电源线A、B和C与电动机104的引线R、S和T之间的三对SCR开关器件110a、110b、110c的开关系统110的受控操作选择性地从三相AC电源106向多相感应电动机104供电。虽然示为SCR型开关110a-110c，但是可以将任何类型的电开关器件用于系统110中并用于旁路开关112。根据相应的开关控制信号122操作各个开关器件110来选择性地将相应的电动机引线耦合至AC电源以将部分电源电压施加于电动机绕组以生成/产生电动机相电流IR、IS和IT。所示系统100中的相位耦合还包括可任选的旁路开关112a、112b和112c，以通过当速度估计值ω’r到达阈值114a时根据来自旁路控制部件114的旁路控制信号116将电动机引线R、S和T直接连接至AC电源线A、B和C来在启动之后选择性地旁路开关对110a、110b和110c，但所示控制系统100的旁路特征不是本发明的严格必要条件。
开关系统110由电动机速度控制系统120操作以在启动期间控制电动机速度，其中控制系统120包括根据来自开关系统110的一个或多个反馈信号或值118(例如，测得的电压、电流等)提供转子(定子)速度估计值ω’r的基于瞬态的速度估计系统120a等。所测得的电动机反馈信号118包括能与电动机速度相关的瞬态信息，藉此速度估计系统120a可用于从反馈118中提取一种或多种速度相关瞬态信号，以推导或提供在以下更详细地示出和描述的速度估计值ω’r。发明人认识到某些速度相关信号的特征是暂时的并随着时间衰减，和/或只在电动机速度范围的一部分中才可被可靠地识别。为了解决这一困难，示例性电动机速度控制器120包括与开关控制系统124可操作地耦合以选择性地修改开关控制信号122中的一个或多个以激励或再激励电动机瞬态从而提高速度估计系统120a对来自反馈118的瞬态速度相关反馈信号的可测性的瞬态激励系统120b。因此，可以有利地将本发明的这种瞬态激励特征用于帮助确保基于瞬态的估计系统120a即使在存在电源扰动时也能在电动机104的整个速度范围中从反馈118可靠地取得可测速度相关信号信息。电动机速度控制系统120及其包括基于瞬态的速度估计和激励系统120a和120b在内的各种部件可以分别实现为任何合适的硬件、软件和/或其组合。
示例性控制系统120还提供具有提供分别用于在电动机104的启动和停止期间根据来自电动机控制器125的一个或多个控制输出信号125a控制开关器件110a、110b和110c的操作的多个开关控制信号122a、122b、122c的电路和/或其它合适的硬件或软件的开关控制系统或电路124。电动机控制器可以实现为根据反馈118和来自速度估计系统120a的所估计的电动机速度信号ω’r来控制电动机104的任何适合的控制器或调节器。另外，电动机控制器125可以用包括控制转矩、速度、位置等的多种不同模式或控制方案工作，其中在所示的诸例子中，示例性电动机控制器125在启动和停止期间根据用户定义的速度曲线128控制感应电动机104的速度，虽然该特定电动机控制方案或应用不是本发明严格的必要条件。开关控制系统124在电动机启动和停止期间(以及可任选地在其后)工作来提供合适的开关信号122以根据电动机控制输出125a来操作电动机124，其中开关控制124可提供脉宽调制(PWM)或其它形式的开关定时控制。另外，可由瞬态激励系统120b选择性地修改开关控制信号122以如以下更详细地阐述的选择性地激励或再激励一个或多个瞬态。
速度估计系统120a以大致连续的方式工作以向电动机控制器125提供用于与在启动和停止期间的任一给定点处所期望的速度曲线128相比较的速度估计值ω’r。在所示的系统100中，速度估计系统120a测量反馈118中的至少一个瞬态速度相关信号，其中该瞬态速度相关信号与一电动机瞬态相关联。然后，系统120a至少部分根据该瞬态速度相关信号来确定电动机速度估计值ω’r。以下在基于根据电动机相电压信号中的起动点和过零点所确定的一个或多个速度相关瞬态相位误差信号的速度估计值的背景中示出本发明的电动机控制的诸方面，但本发明不限于使用任何特定的速度相关信号进行速度估计。在此方面，可以使用任何合适的速度相关信号来进行基于瞬态的速度估计，这些速度相关信号包括但不限于相位误差信号、相位滞后信号、峰值电流信号、电压积分信号、电动机绕组电压信号、开关器件电压和电压过零信号。
还参见图2和3，图2中的曲线200示出图1的电动机控制系统100中的三条电动机相电流曲线IS、IR和IT，图3显示分别示出图1的系统100中的的3条相线对中性线电源电压曲线VAN、VBN和VCN以及相应的开关控制信号122a、122b和122c的曲线图300。图2中的电动机电流波形IS、IR和IT是通过分别向开关系统110受控地提供开关信号122a、122b和122c选择性地将电源相位A、B和C连接至电动机引线R、S和T的结果。如从图3最能看出的，示例性开关控制系统124提供脉冲序列或流形式的开关信号122，并且在此例中，提供在每一脉冲对中包括第一(前导)脉冲402和第二(拖尾)脉冲404且第一脉冲402始于起动点(FR、FS、FT、FR’、FS’和FT’)的脉冲对形式的开关信号122。这些脉冲对被重复成具有根据来自电动机控制器125的输出125a(图1)以闭环方式变化的起动角(相应电源相电压波形的正值部分的起始与起动时间F之间的角)的脉冲对序列。
在一个可能的实施例中，基于瞬态的速度估计系统120a测量反馈相电流信号118(图2中的IS、IR和IT)或开关器件电压，并使用过零点确定电动机速度ω’r。在此情形中，误差信号组被生成并在时域中进行分析，然后在速度估计系统120a中产生速度相关信号频率。在图2的曲线图200中，相R、S和T的正值电动机电流过零点(相应SCR开关器件110被关断的时刻)分别指示为ZR、ZS和ZT，且与相反(例如负值)电流方向相关联的相应过零点表示为ZR’、ZS’和ZT’。类似地，正值和负值半周期的起动点分别指示为FR、FS和FT和FR’、FS’和FT’，表示根据来自开关控制系统124的开关信号122最初接通(例如通过前导脉冲402)SCR的控制的时刻。
可以从时刻ZR、ZS、ZT、ZR’、ZS’、ZT’、FR、FS、FT、FR’、FS’和FT’的测量推导出某种相角型瞬态速度相关信号。在一个例子中，可以使用60度检测技术，其中取得三相电动机电流的2个相邻过零点之间的时间差，并减去电源周期T的1/6以得到相位差值。在此60度检测技术中，以时间为单位的相位间隔误差信号可以展开成(1)ZS’-ZT-T/6，(2)ZR-ZS’-T/6，(3)ZT’-ZR-T/6等。已发现这些相位误差值的频率指示转子速度ω’r(例如，相位误差信号频率可与转差频率相关)，并且速度估计系统120a相应地提供估计值ω’r。在另一可能的实现中，可以通过测量并计算数据点(1)ZR’-ZR-T/2，(2)ZS’-ZS-T/2，(3)ZT’-ZT-T/2等来使用180度检测，其中180度检测的概念可以扩展到360度检测、540度检测、720度检测等，在高速范围内优选较高度数以增加信号大小。
可以从反馈118推导出其它可能的速度相关信号并将它们用于根据本发明的电动机速度估计，这些速度相关信号包括但不限于例如相位滞后、峰值电流、电压积分、电动机绕组电压、开关器件电压和电压过零信号。可以生成相位滞后信号，用于推导估计的转子速度ω’r，其中速度估计系统120a测量每一单个相位上的电源电压过零Zv和关断Z之间的时间延迟(例如，ZR-ZVR，ZS-ZVS，ZT-ZVT等)。在此技术中，从平均延迟减去这些单个延迟值，所得的诸点产生一具有指示转子速度ω’r的AC分量的信号，其中该信号的均值或DC偏移量随起动角并随电动机负载的变化而变化。
速度估计系统120a所能使用的另一瞬态速度相关信号是电流振幅信号，其中以一采样频率采样反馈118的三相电动机电流IR、IS和IT，并确定最大绝对电流值。所得的信号具有随起动角变化并且能通过取当前信号与过去信号之间的差来去除的大DC分量，其中过去和当前采样之间所采用的间隔对经修改的电流振幅信号的频谱有影响。实际上，可以将任一延迟用于此DC分量去除以取得具有指示转子速度ω’r的可辨识频率分量的信号。在一个可能的实施例中，据信在理想的电源条件下，1/6电源周期的倍数将产生一个清楚的信号。
另一可能的速度相关瞬态信号可以在诸如相线对中性线电动机电压等电动机端电压积分中找到。在速度估计器120a中使用积分软件或硬件积分电路，在相应的传导(例如起动)时间的开始处将相应积分器的输出复位，采样每一SCR传导周期的结尾处的该积分的绝对值，并将其用于速度计算。在这点上，发明人已发现电压积分信号包括与在上述原始电流振幅技术中所得到的类似的DC偏移量，并且可以通过以类似的方式从先前值中减去该DC偏移量来去除它。另外，在电压积分技术中，发明人已发现当起动角大且发动机电流小时在电压积分信号中可能产生错误，其中在预期的传导周期的中心附近发生电流过零，而在该点处测得的电压一般将不同于相线电压。因此，在此技术中，最好避免在该条件下工作。
其它可能的速度相关瞬态信号包括电动机绕组电压、开关器件电压以及电压过零信号。该电动机绕组电压可以在SCR关断期间(例如，在“陷波”期)从反馈118测得。在一个实现中，当SCR开关器件110关断时，在每一陷波期期间，优选地在过零点之后的某个非零时间对此绕组电压采样一次以避免由缓冲电路的操作引起的摄动或其它开关扰动。在此技术中，在所有三相的每一陷波期中采样的电动机绕组电压绝对值可以用于确定速度相关信号，且通过用与以上结合电流振幅信号方法说明的类似方式执行适当的DC偏移量去除，就可从该信号推导出转子速度ω’r。
通过在开关器件关断时在“陷波”期期间测量跨开关器件110的电压(例如，在开关系统110的一个实现中为跨SCR 110的电压)可以得到另一速度相关瞬态信号。在此情形中，这些电压信号的振幅随着对应于转子速度ω’r的频率而变化。可以在每一陷波期期间，优选地在SCR被关断之后的某个非零时间对陷波电压采样一次以避免在测得的电压信号中的任何缓冲相关振荡期间测量。在一个实现中，可以在所有三相的每一陷波期采样陷波电压的绝对值以形成一信号组，从而通过诸如上述电流振幅信号方法等合适的技术去除任何DC分量来在速度估计系统120a中确定转差速度。然后，可在速度估计系统120a中从转差速度容易地推导出转子速度ω’r。
可以从相对相电压过零时刻的测量推导出另一速度相关瞬态信号。在一个例子中，可以使用180度检测技术，其中取得每一相上两个相邻过零点之间的时间差并减去平均电源周期T的一半以得到速度相关信号。在此技术中，速度相关信号可展开成(1)ZVA’-ZVA-T/2，(2)ZVB-ZVB’-T/2，(3)ZVC’-ZVC-T/2。此速度相关信号的频率指示转子速度ω’r，且速度估计系统120a相应地提供估计值ω’r。
现在参见图4A-4D和5，可使用任何合适的技术来使用瞬态激励系统120b选择性地修改开关控制信号122中的一个或多个，从而选择性地激励/再激励一电动机瞬态，籍此基于瞬态的速度估计系统120a即使在存在电源噪声或扰动时也可以可靠的方式在关注的速度范围上推导出电动机速度估计值ω’r。如以上结合图3所讨论的，通过来自开关控制系统124的开关信号122a、122b和122c将电源相位A、B和C选择性地连接至电动机引线R、S和T来产生电动机电流IR、IS和IT，其中可以使用与开关控制系统124操作地耦合的瞬态激励系统120b修改信号122或其生成。在所示的实施例中，开关控制系统124提供以始于起动点(FR、FS、FT、FR’、FS’和FT’)的前导脉冲402后面跟着拖尾脉冲402的脉冲对提供的脉冲序列或流402、404(例如，以上的图3)形式的开关信号122，以防止实际电流过零之前的无意(早发)SCR关断。在此实现中，脉冲对重复成具有根据来自电动机控制器125的闭环电动机控制器输出125a(图1)确定的起动角的脉冲对序列。
图4A中的图400中示出第一实施例，其中瞬态激励系统120b用于选择性地阻止开关控制系统124提供某些脉冲，从而从开关控制信号122中选择性地去除单个的脉冲由此来激励电动机瞬态。另外，在图4A的例子中，激励系统120b使得圈起的时间段410中的脉冲对被去除。此脉冲对的去除引起电动机104中的瞬态激励，导致速度相关电动机瞬态信号的激励或再激励，例如导致反馈118中的可测量或可辨识速度相关信号的上述或其它电动机瞬态。再参见图5，示出了单个电动机相位R的示例性成对起动脉冲流122a以及从所驱动的电动机104的反馈118推导出的示例性相位误差信号曲线500，其中通过选择性地去除部分410处的脉冲对402、404来周期性地在时间T0、T1、T2等进行电动机瞬态的选择性激励，其中在此例中将约1Hz的激励周期用于50Hz的电源频率。如图500中可见，周期性地去除起动脉冲对402、404使得相位误差信号的振幅明显增大，从而本发明不拘于电源干扰和电动机速度地提供可测量的瞬态信号强度，从而便于在临界电动机启动和停止周期期间及其之后(如需要)进行稳健的、准确的无传感器速度估计。
可以选择其它适合的周期来进行周期性的瞬态激励，以确保能由基于瞬态的速度估计系统120a从电动机反馈118得到可测的瞬态速度相关信号。在其它可能的实现中，瞬态激励不必是周期性的。在这一点上，瞬态激励系统120b选择性地修改开关控制信号122以至少部分根据所测得的瞬态速度相关信号的振幅来激励电动机瞬态。因此，系统120b可以确定瞬态速度相关信号振幅已下降到预定阈值以下，且激励系统120b相应地作出反应以再激励瞬态。以此方式，可以在按需的基础上通过系统120b进行激励。
图4B的图420中示出另一瞬态激励的例子，其中瞬态激励系统120b在选择性地去除时间430处形成选中的脉冲对的2个脉冲中的一个。在此例中，系统120b使得去除前导脉冲402，但其它实现还可涉及去除拖尾脉冲404。图4C和4D的图440和460中示出其它例子，其中由瞬态激励系统120b分别在时间段450和470分别修改(例如，增大或减小)前导和拖尾脉冲402和404之间的时间间隔。
在其它可能的实现中，可以修改(例如，增大或减小)连续脉冲对的前导和拖尾脉冲402、404的间隔以激励电动机瞬态。另外，可以根据诸如正弦波、方波、三角锯齿波等调制波形或其它调制波形来进行修改。在一优选的例子中，将前导脉冲402增大或减小较小量的时间以提供一个或多个相位R、S和/或T中的起动角的基本上连续的变化。注意到与上述整个脉冲402、404被去除或脉冲位置(例如，间隔修改)相当大的例子相比，连续脉冲或脉冲对的微小修改可以缓解对起动角的大改变同时仍使得再激励可测量速度相关电动机瞬态用于系统120a的速度估计。此选择性修改可以根据调制波形或作为速度信号ω’r的函数进行。在一个可能的例子中，可以提供增益项用于与速度估计值ω’r相乘以确定起动角修改以及相移，其中相移还可以是速度估计值ω’r的频率的函数。
根据本发明的基于瞬态的速度估计和激励方面的另一示例性实现，图1的电动机控制系统100还包括可任选的转子磁通初始化系统或部件126，它可以是可用于在启用瞬态激励系统120b之前的启动期间选择性地初始化电动机104中的转子磁通的任何合适的硬件和/或软件。在这点上，对于示例性三相电动机104，转子磁通初始化系统126可适用于使开关控制系统124选择性地启用选择开关器件110中的数个从而向电动机相位R、S和T中仅两个相位施加电源电压数个电源周期以在电动机104中选择性地将转子磁通初始化至预定电平TH1 126a。一旦这样建立了转子磁通，就可以如上所述地启动正常开关脉冲流和选择性瞬态激励操作。在这点上，在启动时，初始转子磁通初始化可以在低速范围内有利地改善初始速度估计值，其中发明人已认识到在缺乏这种磁通初始化的情况下由于电动机104中的低初始转子磁通值，某些电动机瞬态可能难以测量。
现在参见图6和7，本发明的其它方面涉及用于在启动期间控制电动机速度的方法，其中图6示出一示例性启动方法600。虽然以下以一系列动作或事件的形式示出和说明了本发明的示例性方法600和其它方法，但是将理解本发明的各种方法不受所示的如在本文中具体阐述的动作或事件的次序的限制。在这点上，除了在下文具体规定的以外，某些动作或事件还可以以与本文所示和所述的不同的次序发生和/或与其它动作和事件同时发生，且实现根据本发明的过程和方法不要求所示的所有步骤。另外，为了在AC电动机的控制中提供改善的无传感器电动机速度估计，可以在任何合适的硬件、软件或其组合中实现所示的方法600和本发明的其它方法，但本发明不限于本文所示和所述的特定应用和实现。
图6的方法600始于602，且开关信号(例如，开关上述系统100中的控制信号122)始于604。开关信号可以在604和其后的启动和/或以任意合适方式在整个电动机操作期间诸如通过向开关系统110提供用于选择性地将电动机引线R、S、T耦合至AC电源106以根据所期望的启动速度曲线128和根据上述示例性例子100中的转子速度估计值ω’r来控制电动机速度的多个开关控制信号122来提供。可以应用任意形式的开关信号，包括但不限于在上述实施例或其它实施例中例示的脉冲序列或流或多个脉冲的其它编组。
方法600还包括在610选择性地修改开关控制信号122中的至少一个以激励速度相关信号中的瞬态，该速度相关信号可以是例如诸如相位误差信号、相位滞后信号、峰值电流信号、电压积分信号、电动机绕组电压信号、开关器件电压和电压过零信号等任何合适的信号。在610中的选择性修改可以取用于激励与速度相关信号相关联的电动机瞬态的任何合适的形式。在上述基于脉冲的开关控制信号的情形中，几个可能的例子提供了从开关控制信号中选择性地去除单个的脉冲，选择性地修改开关控制信号中的选中脉冲之间的间隔，从开关控制信号中选择性地去除选中的脉冲对，从开关控制信号的选中的脉冲对中选择性地去除一个脉冲，选择性地修改开关控制信号中的选中的脉冲对的两个脉冲之间的间隔，和/或修改开关控制信号中的连续脉冲对的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
在612中，测量与电动机瞬态相关联的速度相关信号，且在614中至少部分基于所测得的瞬态速度相关信号提供转子速度估计值。然后在616中根据所期望的速度曲线128并根据转子速度估计值ω’r来控制诸开关。在620中可任选地进行转子速度是否已达到稳态的确定，且如果没有(620中为否)，则继续上述610至616的处理。否则(620中为是)，则电动机启动在622中完成，其中替换实施例可以用持续的速度估计和瞬态激励在稳态操作期间继续提供开关控制信号。
图7中示出另一示例性电动机速度控制方法700，该方法始于702。在此例中，在703中向一对电动机绕组施加电压以在704中开始开关信号以及在710中选择性地修改开关信号施加以用于电动机瞬态激励之前初始化电动机106中的转子磁通。然后，方法700通常如图6的例子中那样进行，在712中测量一个或多个速度相关信号，并在714中根据其估计转子速度。在716中，根据所期望的速度曲线128和所估计的转子速度ω’r来控制诸开关。方法700还包括在720中确定转子速度是否日达到稳态。如果没有(720中为否)，则方法700返回至上述710至716，否则(620中为是)在722中电动机启动完成。
现在参见图8，本发明的各方面还可应用于在停止期间控制电动机速度，如在始于802的停止控制方法800中所例示的。开关信号(例如，上述信号122)在804中开始，例如当图1中的旁路控制系统114在开关信号122的控制下使用开关系统110根据所期望的速度曲线128停用旁路信号116以开始受控的电动机停止那样。开关信号122可以在804中及其后的停止期间以任何合适方式提供，用于在系统100中根据所期望的停止速度曲线128并根据基于瞬态的转子速度估计值ω’r选择性地将电动机引线R、S、T耦合至AC电源106以控制电动机速度。另外，和上述启动例子一样，可以应用任何形式的开关信号122，包括但不限于脉冲序列或流或对或多个脉冲的其它编组。方法800还包括在810中选择性地修改开关控制信号122中的至少一个以如上对图6所述地激励速度相关信号中的瞬态。在812中测量与电动机瞬态相关联的速度相关信号，并在814中至少部分基于所测得的瞬态速度相关信号来提供转子速度估计值。然后，在816中根据所期望的速度曲线128和转子速度估计值ω’r来控制开关，并在820中可任选地确定转子速度是否已达到0。如果没有(820中为否)，则继续上述810-816的处理，且如果是这样(820中为是)，则在822中电动机停止完成。
上述例子仅仅示出本发明的各方面的几个可能的实施例，其中本领域的其它技术人员在阅读和理解本说明书和附图后将可想到等效的变更和/或修改。尤其是关于上述部件(组件、器件、系统、电路等)执行的各种功能，用于说明这些部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所述部件的指定功能(即，功能上等效)的诸如硬件、软件或其组合等的任何部件，即使其在结构上不等效于公开的执行本发明的所示实现中的功能的结构，除非另行指出。另外，虽然已参照几个实现之一公开了本发明的特定特征，但这种特征也可以如可能期望的并有利于任一给定或特定应用地与其它实现的一个或多个特征相结合。同样，就术语“包括”、“包含”、“有”、“具有”、“带有”或其变形在详细说明和/或权利要求书中使用的程度来说，这些术语旨在与术语“包含”类似的方式表示包含。
权利要求
1.一种用于操作AC感应电动机的AC电动机控制系统，所述电动机控制系统包括开关系统，包括耦合在AC电源与感应电动机之间的多个开关器件，各个所述开关器件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；电动机控制器，用于提供电动机控制器输出以在启动和停止期间根据所期望的速度曲线并根据转子速度估计值来控制转子速度；开关控制系统，用于提供多个开关控制信号以在所述电动机的启动和停止期间根据所述控制器输出来控制所述开关系统的开关器件的操作；瞬态激励系统，与所述开关控制系统可操作地耦合，用于选择性地修改至少一个开关控制信号以激励电动机瞬态；以及基于瞬态的速度估计系统，与所述开关系统和所述电动机速度控制系统可操作地耦合，所述基于瞬态的速度估计系统用于从所述开关系统接收至少一个反馈信号或值，并至少部分根据所述反馈信号或值提供所述转子速度估计值。
2.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，所述基于瞬态的速度估计系统测量所述至少一个反馈信号或值中的至少一个瞬态速度相关信号，所述瞬态速度相关信号与所述电动机瞬态相关联，所述基于瞬态的速度估计系统至少部分根据所述瞬态速度相关信号来确定所述转子速度估计值，且其中所述瞬态速度相关信号是相位误差信号、相位滞后信号、峰值电流信号、电压积分信号、电动机绕组电压信号、开关器件电压以及电压过零信号之一。
3.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，所述至少一个开关控制信号包括用于控制所述开关器件中相应的一个的脉冲序列，且所述瞬态激励系统从所述开关控制信号中选择性地去除若干单个的脉冲以激励电动机瞬态。
4.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，所述至少一个开关控制信号包括用于控制所述开关器件中相应的一个的脉冲序列，且所述瞬态激励系统选择性地修改所述开关控制信号中的选中脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
5.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，所述至少一个开关控制信号包括用于控制所述开关器件中相应的一个的脉冲对序列，且所述瞬态激励系统从所述开关控制信号中选择性地去除选中的脉冲对以激励电动机瞬态。
6.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，所述至少一个开关控制信号包括用于控制所述开关器件中相应的一个的脉冲对序列，且所述瞬态激励系统从所述开关控制信号的选中的脉冲对中选择性地去除一个脉冲以激励电动机瞬态。
7.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，所述至少一个开关控制信号包括用于控制所述开关器件中相应的一个的脉冲对序列，且所述瞬态激励系统选择性地修改所述开关控制信号中的选中脉冲对的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
8.如权利要求7所述的电动机控制系统，其特征在于，所述瞬态激励系统选择性地加大所述开关控制信号中的选中脉冲对的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
9.如权利要求7所述的电动机控制系统，其特征在于，所述瞬态激励系统选择性地减小所述开关控制信号中的选中脉冲对的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
10.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，所述至少一个开关控制信号包括用于控制所述开关器件中相应的一个的脉冲对序列，且所述瞬态激励系统选择性地修改所述开关控制信号中的连续脉冲对的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
11.如权利要求10所述的电动机控制系统，其特征在于，所述瞬态激励系统至少部分基于所述转子速度估计值来选择性地加大或减小所述开关控制信号中的连续脉冲对的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
12.如权利要求10所述的电动机控制系统，其特征在于，所述瞬态激励系统至少部分基于一调制波形来选择性地加大或减小所述开关控制信号中的连续脉冲对的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
13.如权利要求12所述的电动机控制系统，其特征在于，所述调制波形是正弦波、方波或锯齿波之一。
14.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，还包括转子磁通初始化系统，所述转子磁通初始化系统与所述开关控制系统可操作地耦合，用于在启用所述瞬态激励系统之前在启动期间选择性地初始化所述电动机中的转子磁通。
15.如权利要求14所述的电动机控制系统，其特征在于，所述电动机是三相电动机且所述转子磁通初始化系统使所述开关控制系统选择性地启用所述开关器件中所选中的数个，以使得仅对电动机相位中的两个施加电压若干个电源周期，以在启用所述瞬态激励系统之前在启动期间选择性地初始化所述电动机中的转子磁通。
16.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，所述瞬态激励系统周期性地修改所述至少一个开关控制信号以激励电动机瞬态。
17.如权利要求1所述的电动机控制系统，其特征在于，所述基于瞬态的速度估计系统测量所述至少一个反馈信号或值中的至少一个瞬态速度相关信号，所述瞬态速度相关信号与所述电动机瞬态相关联，且所述瞬态激励系统至少部分根据所测得的瞬态速度相关信号的振幅选择性地修改至少一个开关控制信号以激励电动机瞬态。
18.一种可操作地与电动机控制器的开关系统耦合用于在启动或停止期间控制被驱动电动机速度的电动机速度控制系统，所述电动机速度控制系统包括电动机控制器，用于提供电动机控制器输出以在启动和停止期间根据所期望的速度曲线并根据转子速度估计值来控制所述电动机速度；开关控制系统，用于提供多个开关控制信号以在所述电动机的启动和停止期间根据所述控制器输出来控制所述开关系统的多个开关器件的操作；瞬态激励系统，与所述开关控制系统可操作地耦合，用于选择性地修改至少一个开关控制信号，以激励电动机瞬态；以及基于瞬态的速度估计系统，用于从所述开关系统接收至少一个反馈信号或值并至少部分地根据所述反馈信号或值向所述电动机控制器提供所述转子速度估计值。
19.如权利要求18所述的电动机速度控制系统，其特征在于，所述基于瞬态的速度估计系统测量所述至少一个反馈信号或值中的至少一个瞬态速度相关信号，所述瞬态速度相关信号与所述电动机瞬态相关联，所述基于瞬态的速度估计系统至少部分地根据所述瞬态速度相关信号来确定所述转子速度估计值，且其中所述瞬态速度相关信号是相位误差信号、相位滞后信号、峰值电流信号、电压积分信号、电动机绕组电压信号、开关器件电压信号以及电压过零信号之一。
20.如权利要求18所述的电动机速度控制系统，其特征在于，还包括一与所述开关控制系统可操作地耦合的转子磁通初始化系统，用于在启用所述瞬态激励系统之前在启动或停止期间选择性地初始化转子磁通。
21.如权利要求20所述的电动机速度控制系统，其特征在于，所述电动机是三相电动机，且所述转子磁通初始化系统使所述开关控制系统选择性地启用所述开关器件中所选中的数个，以使得仅对电动机相位中的两个施加电压若干电源周期，以在启用所述瞬态激励系统之前在启动期间选择性地初始化所述电动机中的转子磁通。
22.如权利要求18所述的电动机速度控制系统，其特征在于，所述瞬态激励系统周期性地修改所述至少一个开关控制信号以激励电动机瞬态。
23.如权利要求18所述的电动机速度控制系统，其特征在于，所述基于瞬态的速度估计系统测量所述至少一个反馈信号或值中的至少一个瞬态速度相关信号，所述瞬态速度相关信号与所述电动机瞬态相关联，且所述瞬态激励系统至少部分地根据所测得的瞬态速度相关信号的振幅选择性地修改所述至少一个开关控制信号以激励电动机瞬态。
24.一种用于在启动或停止期间控制AC电动机的速度的方法，所述方法包括向开关系统提供多个开关控制信号，用于在启动和停止期间根据所期望的速度曲线并根据转子速度估计值将电动机引线选择性地耦合至AC电源以控制所述电动机速度；选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个以激励电动机瞬态；测量与所述电动机瞬态相关联的瞬态速度相关信号；以及至少部分地根据所述瞬态速度相关信号来提供所述转子速度估计值。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所测得的瞬态速度相关信号是相位误差信号、相位滞后信号、峰值电流信号、电压积分信号、电动机绕组电压信号、开关器件电压以及电压过零信号之一。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述开关控制信号作为脉冲序列提供，且其中选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个包括从所述开关控制信号选择性地去除若干单个的脉冲以激励电动机瞬态。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述开关控制信号作为脉冲序列提供，且其中选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个包括修改所述开关控制信号中的选中脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述开关控制信号作为脉冲对序列提供，且其中选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个包括从所述开关控制信号中去除选中的脉冲对以激励电动机瞬态。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述开关控制信号作为脉冲对序列提供，且其中选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个包括从所述开关控制信号的选中的脉冲对中去除一个脉冲以激励电动机瞬态。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述开关控制信号作为脉冲对序列提供，且其中选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个包括修改所述开关控制信号中的选中脉冲对的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
31.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述开关控制信号作为脉冲对序列提供，且其中选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个包括修改所述开关控制信号中的连续脉冲对的脉冲之间的间隔以激励电动机瞬态。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括在选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个之前在启动期间选择性地初始化所述电动机中的转子磁通。
33.如权利要求24所述的方法，其特征在于，选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个包括周期性地修改所述开关控制信号以激励电动机瞬态。
34.如权利要求24所述的方法，其特征在于，选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个包括至少部分地根据所测得的瞬态速度相关信号的振幅来选择性地修改所述开关控制信号中的至少一个。
全文摘要
提出了一种AC电动机控制系统和速度控制器，包括基于所测得的速度相关电动机瞬态信号提供转子速度估计值的基于瞬态的速度估计系统，以及选择性地修改至少一个开关控制信号以激励所测得的电动机瞬态的瞬态激励系统。所测得的速度相关瞬态可包括相位误差信号、相位滞后信号、峰值电流信号、电压积分信号、电动机绕组电压信号、开关器件电压信号以及电压过零信号，且开关信号修改可包括从开关控制脉冲流去除选中的脉冲或选择性地修改诸脉冲之间的间隔以再激励电动机瞬态。
文档编号H02P27/00GK101064493SQ20071010261
公开日2007年10月31日 申请日期2007年4月23日 优先权日2006年4月24日
发明者陆海慧, T·A·诺德哈尔, D·M·麦瑟史密斯 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司