专利名称：用于电动机的预测控制系统以及应用到周期性负载的用于电动机的预测控制方法
技术领域：
本发明涉及一种尤其被设计成控制无刷DC梯形类型的永磁电动机的系统，目的在于优化在驱动周期性负载(诸如冷却系统中的压缩机)方面的电能消耗的效率。此外，本发明提供了一种用于这种类型的电动机的控制方法，该方法在现在要求保护的系统中实现。
背景技术：
无刷DC类型的永磁电动机在要求低成本和高性能的应用中正变得越来越受欢迎。无刷DC类型的电动机与其中永磁体安装到转子上的上下倒置安装的DC电动机类似。尽管在DC电动机中电流的颠倒通过开关和电刷来实现，但是在无刷DC电动机的情况下，电 流通过驱动定子线圈的功率逆变器而颠倒。为了获得最大的转矩以及能耗方面的最高效率，有必要在电动机的各相中使电流与感应电压同步。这可以通过使用耦合到电动机轴的传感器或者通过观测电动机各相中的感应电压或电流来完成。耦合到电动机轴的传感器具有以下缺陷给电动机的设计添加额外的元件，从而大大地增加解决方案的最终成本。而且，电动机经受的空间和环境本身的限制可能使得这些类型的传感器的使用不可行。这就是为什么电压或电流观测器的使用在大多数情况下构成最佳的选择的原因。北美专利US6922027公开了一种使用利用由电压比较器、电容器和电阻器形成的网络构建的电压观测器的技术。比较器输出被发送至微处理器，该微处理器确定电动机驱动器的换向时刻。尽管该解决方案经过微处理，但是它需要使用许多外部部件。ANDRICH等人使用了一种其中示出、数学处理电动机的三相并且然后彼此进行比较以便确定电动机的换向时刻的技术。该技术的优点是在确定电动机的位置中消除了模拟电路、在依照电动机的机械结构调节观测器中的灵活性、对于部件的参数变化的较低的敏感性、以及校准电路的可能性。无刷DC电动机可以用于驱动应用到冷却系统的压缩机。这种类型的应用满足了在本发明的范围中限定的周期性负载条件。将这种类型的电动机应用到冷却系统针对的是系统冷却能力的变化，所述系统冷却能力可以通过改变冷却流进行控制。冷却流量进而与电动机的平均速度成正比。因此，控制器的主要规格应当是平均旋转速度的控制。压缩机的工作可以划分成两个工作阶段吸气阶段和压缩阶段。吸气发生在每个周期的开始并且由液压缸内的活塞回退表征。在该处理期间，液压缸填充有冷却流体。压缩周期进而在活塞颠倒其位移方向时开始。在该阶段期间，流体在液压缸内被压缩。压缩该流体产生比由完整机械循环引起的平均转矩大得多的转矩。记住该行为每机械循环重复，在电动机工作期间可以在转矩的变化中看出周期性行为。机械循环内的转矩变化造成电动机速度的变化，从而在压缩周期期间减小电动机的速度。通常，在控制动作中不存在如下的偏移在机械循环内调节电动机的瞬时速度，以便偏移压缩周期期间的速度。开发用于驱动压缩机的控制器假设对于冷却系统而言重要的是控制平均冷却流，其基本上通过平均旋转速度限定。然而，电动机的平均速度的简单控制可能由于吸气和压缩周期期间的旋转的变化而呈现电流波形的失真。电流波形的这种变形不是所希望的，因为它由于发动机功率因数的降低而减小电能消耗的效率。记住例如压缩周期，注意，电动机中的感应电压由于增加的转矩造成速度的降低而维持幅度的降低。常规的控制器并不用来修改施加到电动机的平均电压，并且这就是存在施加到电动机线圈的电位差的增加的原因，所述电位差限定为逆变器施加的电压与电动机的感应电压之间的差异。施加到电动机线圈的电位差的增加于是造成压缩周期期间的电流的增加。通过相同的方式，在吸气周期中电流由于电动机中感应电压的幅度降低而减小。因此，施加到电动机中的电流在压缩周期期间增加并且在吸气周期期间减小。这种行为恰恰与感应电压的行为相反，所述感应电压在压缩周期期间减小并且在吸气周期期间增加。电压和电流之间的这种颠倒行为的影响在发动机功率因数上，该发动机功率因数 即随着电流波形变得与感应电压波形不同而减小的因数。
发明内容
本发明目的是通过调节施加到无刷DC电动机的电流波形而改进应用到周期性负载的驱动器的无刷DC电动机功率因数。电流波形的这种调节由于由机械循环内的速度变化引起的电动机的感应电压的变化而应当被执行。对于电流波形的调节是基于来自先前循环的信息，记住电动机中的转矩、速度和感应电压的标准波形应当在周期性负载的操作中从一个机械循环到下一个机械循环变化很小。所提出的控制技术利用了负载的这种周期性特性以便预测施加到电动机的电压中的调节。这好像是该控制技术可以预测电动机的负载并且预报该变化对电动机的影响。因此，控制器能够基于该预见的行为预测施加到电动机的电压中所需要的调节。因此，本发明的目的通过提供一种应用到周期性负载的用于电动机的预测控制系统和方法来实现，所述系统具有电动机，包括至少一个电子控制单元、至少一个电子电源单元、至少一个电动位置观测设备，电动机由电子电源单元电驱动，电子控制单元电命令电子电源单元，所述系统包括电动机的位置观测设备和平均速度控制器，二者通过电子控制单元实现，速度控制器被设置成监视电动机的平均速度，位置观测设备被设置成监视且存储电动机的每个位置的瞬时速度并且通过每个位置估计电动机的瞬时控制速度，电子控制单元被设置成基于监视的平均速度计算平均电压，电子电源单元被设置成通过控制电压值来电驱动电动机，该控制电压值通过将平均电压乘以瞬时速度与平均速度之间的除法结果而计算。如所提到的，本发明的目的进一步通过提供一种用于电动机的预测控制方法来实现，所述方法具有以下步骤
i)计算电动机的平均速度；
ii)使用先前步骤的平均速度计算平均电压，
iii)监视电动机的每个位置的瞬时速度，
iv)存储先前步骤中计算的一个或多个瞬时速度值，V)通过电动机的每个位置估计电动机的瞬时控制速度，
Vi )通过控制电压值来电驱动电动机，该控制电压值通过将平均电压乘以瞬时控制速度与平均速度之间的除法结果而计算。为了实现电流波形的调节，所述控制方法监视并且存储电动机的每个位置的瞬时速度。如上面所描述的，所述控制方法然后修改要施加到电动机的电压，将先前由速度控制限定的平均电压乘以瞬时速度与平均速度之间的除法。关于在该计算中使用的瞬时速度的信息来自电动机的先前循环，使得控制器能够预测电动机的行为。以所描述的方式在施加到电动机的电压中执行的校正设法调节电流的波形，使得它类似于感应电压的波形。这项工作也强调了电流的任何变化的强加将通过改变输送至电动机的瞬时电压而发生，而不改变由速度控制网络计算的平均电压。
将参照附图描述本发明，这些附图出于解释的目的而被提供并且其中
图I :(a)表示具有4个极的三相、无刷DC类型的永磁电动机的驱动系统的框图，梯形电压处于120°电度的水平。该图包括整流器、电容滤波器、由电源开关组表征的三相逆变器、永磁电动机、电压观测器和控制单元。在(b)中，电动机驱动器的波形特性；
图2 :呈现用于使用平均速度控制器驱动电动机的框图。该解决方案的控制是通过监视电动机的平均速度；
图3 :(a)电动机各相之一中向应用到电动机轴的恒定负载所施加的平均电压FA和感应电压EA的波形。在该相同情况下，(b)呈现了电动机的电流波形；
图4 : (a)和(c)在机械周期内的不同时刻施加到电动机的电压FA和感应电压EA之间的差异的细节。此外，(b)和(d)示出了电动机中得到的相应电流；
图5 :由应用到恒定负载的平均速度控制方法引起的电动机三相中的电流。三相的电流呈现了机械循环内的相同波形；
图6 :应用到由平均速度控制器驱动的电动机的周期性负载的特性曲线；
图7 :(a)呈现了施加到电动机的电压FA和感应电压EA的波形。(b)呈现了电动机中得到的电流的波形。感应电压EA的变化是机械循环内电动机的速度变化的直接后果；
图8 : (a)最大速度时刻期间施加到电动机的电压FA与感应电压EA之间的差异的细节。(b)最大速度时刻期间得到的电流。(c)最小速度时刻期间施加到电动机的电压FA与感应电压EA之间的差异的细节。(d)最小速度时刻期间得到的电流；
图9 :呈现了由应用到周期性负载的平均速度控制方法引起的电动机三相中的电流；
图10 :用于改进电动机功率因数的控制方法的框 图11 : (a)呈现了通过所提出的系统和控制方法校正的施加到电动机的电压FA和感应电压EA的波形。(b)呈现了电动机中得到的电流的波形；
图12 : (a)最大速度时刻期间通过所提出的控制方法校正的施加到电动机的电压FA和感应电压EA的细节。(b)最大速度时刻期间得到的电流。(c)最小速度时刻期间通过所提出的控制方法校正的施加到电动机的电压FA和感应电压EA的细节。(d)最小速度时刻期间得到的电流；
图13 :呈现了通过作为本发明对象的控制方法校正的电动机三相中的电流；图14 :呈现了依照本发明的教导的通过速度观测器采集的每个位置的平均速度、连同电动机的实际速度；
图15 :示出了依照本发明的教导的速度测量中存在的延迟，其由实际速度与通过换向时刻测量的速度之间的差异表征；以及
图16 :示出了如本发明的控制框图中布置的电动机的每个位置的瞬时速度的存储。
具体实施例方式图I (a)示出了控制图的基本设置以及(b)示出了电动机10的驱动器中存在的理想波形，所述电动机在这种情况下即具有四极梯形波的无刷DC类型三相永磁电动机。举例而言，在下文中，该电动机应当用于分析其余图形。然而，本发明对于无刷DC类型的任何永磁电动机也是有效的。然而，本发明对于无刷DC类型的任何永磁电动机也是有效的。在正常工作下，所述控制分析电压和/或电流观测器的输入并且依照检测的位置以图I (b)中 所示的顺序驱动开关SW1-SW6。此外，已知通过使用耦合到电动机轴的传感器、感应电压或电流的观测器，有可能测量电动机的速度。在所提出的设置中，使用如图I (a)中所示的电压观测器，但是任何其他的速度测量设备都可以应用于所提出的发明。图2示出了基于电动机的平均速度操作的典型控制的框图。这一设置示出了电动机和逆变器、以及可以监视速度的传感器。配置控制器负责连同所述系统限定的基准或设定点一起处理关于来自传感器的速度的信息。图3进而针对向轴强加恒定负载的情况呈现了由常规平均速度控制器驱动的电动机的响应。恒定负载的条件有利于这种类型的控制，因为实际旋转速度在机械周期期间保持恒定。速度的这种恒定行为反映在电动机中的感应电压波形中。按照图3(a)，感应电压维持均匀形状，即它在机械周期期间不改变。结果，如图3 (b)中所呈现的，由电动机中的电流引起的波形也呈现均匀的行为，并且在机械循环期间不改变。图4 (a)和图4 (c)详述了施加到电动机的电压FA和感应电压EA之间的差异，其在机械循环内保持近似恒定。图4 (b)和图4 (d)示出了由于施加到电动机的电压FA和感应电压EA之间的差异的维持而使电动机中得到的相电流的波形在机械循环内也是相同的。因此，如图5中可见的，在电动机三相中得到的电流的波形是相同的，没有展示出机械周期期间的任何种类的失真。然而，重要的是指出恒定负载对电动机轴的影响当与来自周期性负载的对电动机轴的影响相比时的差异。图6呈现了周期性负载的一个实例，其包括围绕平均TM操作点的振荡。具有典型周期性特性的负载是由可替换的压缩机产生的负载。对由常规平均速度控制器操作的电动机速度的影响是围绕平均速度RPMM的振荡。速度振荡造成感应电压EA幅度的变化，这示于图7中。由于通过速度控制器施加到电动机的电压FA在机械循环期间是恒定的，因而感应电压EA越高，由电动机引起的IA电流就越低。因此，在图8 (a)和图8 (b)中强调的最大速度时刻期间，感应电压EA非常接近于施加到电动机的电压FA。结果，存在IA电流幅度的减小。在图8 (c)和图8 (d)中强调的最小速度时刻期间，发生颠倒现象。在图9中概括了速度变化对电动机电流的影响，清楚地示出机械循环内相电流IA、IB和IC的失真。感应电压增加期间电动机中得到的电流的减小或者感应电压减小期间电流的增加直接影响发动机功率因数的降低。为了改进电动机功率因数，电流应当具有与感应电压相同的格式。因此，例如诸如本发明中提出的控制系统之类的控制系统应当用来在发生操作电流的降低时降低电动机中的感应电压，同时其中它在电动机中的电流增加时提高电动机中的感应电压。但是，使用常规速度控制器而发生的现象正好相反。与电动机的机械循环期间的感应电压不成比例的该电流变化损害电动机功率因数并且因此减小系统的效率。沿着这些路线，现在提出的系统和方法的目的是改进应用到周期性负载的驱动器的电动机功率因素，由此调节电流的波形。
在图10的框图中示出了一种用来调节电动机的电流的方式。所述控制用来调节电流的波形，监视电动机的瞬时速度和平均速度。与此相比，图10中所示的控制具有除了高容量处理硬件之外还需要实时监视和控制的技术缺陷。在本发明的教导内，提出了一种系统和控制方法以便应对估计和存储的速度值，不同于图10呈现的解决方案中所发生的，有可能预报在电动机工作期间电动机的行为。因此，应用到周期性负载的用于电动机的称为预测控制系统的本控制系统包括电动机10、至少一个电子控制单元20和至少一个电子电源单元30。图I示出了现在要求保护的对象的实现可能性。此外，值得提到的是，电动机10通过电源单元30电驱动。电子电源单元30包括被设置成控制电动机10的每相电压的一组电子电源开关SW2N。相同的图I示出了通过电子控制单元20电命令电子电源单元30。本发明的创新特性指的是以下事实控制系统包括电动机的电动位置观测设备和平均速度控制器，二者都通过电子控制单元20实现。平均速度控制器尤其被设置成监视电动机10的平均速度，而位置观测设备被设置成监视和存储电动机10的每个位置的瞬时速度Vi。因此，有可能通过每个位置估计电动机10的瞬时控制速度V。。接下来，电子控制单元20被设置成基于监视的平均速度计算平均电压Vm，而电子电源单元30被设置成通过控制电压值V_tMl电驱动电动机10。所述控制电压值V_tMl通过将平均电压Vm乘以瞬时控制速度V。与平均速度RPMaverage之间的除法结果而计算。基于上述，本控制系统根据以下等式修改要施加到电动机的电压
权利要求
1.一种应用到周期性负载的用于电动机的预测控制系统，该控制系统包括 -电动机(10)； -至少一个电子控制单元(20); -至少一个电子电源单元(30); -电动机(10)由电子电源单元(30)电驱动； -电子电源单元(30)，通过电子控制单元(20)电命令， 所述系统的特征在于，包括电动机的电动位置观测设备和平均速度控制器，二者通过电子控制单元(20)实现，平均速度控制器被设置成监视电动机(10)的平均速度，位置观测设备被设置成监视且存储电动机(10)的每个位置的瞬时速度(Vi)并且通过每个位置估计电动机(10)的瞬时控制速度(V。)，电子控制单元(20)被设置成基于监视的平均速度计算平均电压(Vm)，电子电源单元(30)被设置成通过控制电压值(V_tMl)电驱动电动机(10)，该控制电压值(Vcontrol)通过将平均电压(Vm)乘以瞬时控制速度(V。)与平均速度之间的除法结果而计算。
2.依照权利要求I的系统，特征在于，电动机(10)为无刷DC类型。
3.依照权利要求I的系统，特征在于，电子电源单元(30)包括被设置成控制电动机(10)的每相中的电压的一组电子电源开关(SW2N)。
4.依照权利要求I的系统，特征在于，计算控制电压值(V_tMl)以便提供与电动机(10)中的感应电压波形基本上一致的电动机(10)的电流波形。
5.依照权利要求I的系统，特征在于，瞬时速度(Vi)是电动机(10)的先前循环的样本，使得所述系统预测周期性负载的行为。
6.依照权利要求I的系统，特征在于，位置观测设备操作以便设置速度观测器。
7.依照权利要求6的系统，特征在于，速度观测器是被设置成监视来自位置传感器的响应的定时器。
8.依照权利要求6的系统，特征在于，被设置成在每个换向位置期间向电动机(10)施加恒定电压。
9.依照权利要求8的系统，特征在于，电动机(10)的每个位置中施加的电压基于每个位置中测量的旋转而给出。
10.依照权利要求I的系统，特征在于，使用被设置成优化电动机(10)的速度读数的滤波器。
11.一种应用到周期性负载的用于电动机(10)的预测控制方法，该方法的特征在于包括以下步骤 i)计算电动机(10)的平均速度； ii)使用先前步骤的平均速度计算平均电压(Vm)， i i i )监视电动机(10 )的每个位置的瞬时速度(Vi)， iv)存储先前步骤中计算的一个或多个瞬时速度(Vi)值， V)通过电动机(10)的每个位置估计电动机(10)的瞬时控制速度(V。)， Vi )通过控制电压值(Vcontrol)电驱动电动机(10 )，该控制电压值(V_tMl)通过将平均电压(Vm)乘以瞬时控制速度(V。)与平均速度之间的除法结果而计算。
12.依照权利要求11的用于电动机(10)的预测控制方法，特征在于，所述步骤通过权利要求1-10中限 定的控制系统来实现。
全文摘要
本发明涉及一种应用到周期性负载的用于电动机的预测控制系统和方法，所述系统具有电动机(10)、至少一个电子控制单元(20)、至少一个电子电源单元(30)以及至少一个电动位置观测设备。电动机(10)由电子电源单元(30)电驱动，电子控制单元(20)电控制电子电源单元(30)，所述系统包括平均速度控制器和用于监视电动机位置的位置观测设备，二者通过电子控制单元(20)实现。速度控制器被设计成监视电动机(10)的平均速度，位置监视设备被设计成监视且存储电动机(10)的每个位置的瞬时速度(Vi)并且针对每个位置估计电动机(10)的瞬时控制速度(Vc)，电子控制单元(20)被设计成从监视的平均速度计算平均电压(Vm)，并且电子电源单元(30)被设计成通过控制电压值(Vcontrol)电驱动电动机10。该控制电压值(Vcontrol)通过将平均电压(Vm)乘以瞬时控制速度(Vc)与平均速度之间的除法结果而计算。
文档编号H02P7/18GK102714478SQ201080042281
公开日2012年10月3日 申请日期2010年7月22日 优先权日2009年7月22日
发明者C·E·索亚雷斯, D·E·伯恩哈德利利, L·冯多科纳尔, R·安德里希 申请人:惠而浦股份公司