专利名称：旋转电机的通量偏移补偿的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制旋转电机的领域。具体来说，本发明涉及用于计算旋转电机中的通量的方法、用于控制逆变器(inverter)的方法、程序单元、计算机可读介质、用于逆变器的控制器以及包括旋转电机的系统。
背景技术：
通常不可能直接测量旋转电机中的通量和转矩，其值可能是控制旋转电机所需的。例如，在石油平台的长距离电动机馈电中，电动机(作为电机)和逆变器分开可能高达十公里的长距离。对于这类应用，控制方式可基于脉冲宽度和开环标量模式(open loop scalar mode)，其中无法准确估计电阻性电压降。开环控制与动态转矩控制(DTC)和向量控制方式相结合，并且可应用相同硬件测量和诊断。电阻性电压降的误差可影响所估计通量和所估计转矩的准确性。可存在可能引起错误估计的通量的其它误差源DC中间电压和相电流的测量增益和偏移误差，逆变器功率开关损耗的不准确估计或者所使用的积分算法。用于补偿误差的一种已知解决方案可能是在线(on line)估计电阻性损耗，并且在积分环(integration loop)中使用该估计。另一种可能的解决方案可能是增加电动机电压的测量，并且将其应用于通量计算。另一种方法可能基于一个周期内最小通量级和最大通量级的估计，并且将通过那种方式所得到的平均数加入通量估计或者直接对电压向量应用校正。但是，这可能有以下缺点，当电动机的频率发生变化时，这不会产生良好校正。用于补偿通量误差的解决方案可见于与通量观测相关的US 20020041171A1、与在线参数自适应相关的TW 441161A以及示出使用所计算偏移分量来校正电流的通量偏移校正控制单元的JP2006 136053A。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于在旋转电机的开环控制中更好地校正误差的方法。这个目的通过独立权利要求的主题来实现。根据从属权利要求，其它示范实施例是显而易见的。本发明的一个方面涉及一种用于计算旋转电机中的通量的方法。旋转电机可以是例如感应电动机、同步或永磁电动机等电动机。按照本发明的一个实施例，旋转电机通过逆变器来供电。逆变器可对来自DC链路的电流进行脉宽调制，用于为旋转电机提供变化的电能。逆变器可具有用于控制逆变器的开关状态和/或用于控制旋转电机的频率和转矩的控制器。按照本发明的一个实施例，该方法包括如下步骤确定逆变器电压向量；确定逆变器电流向量；基于逆变器电压向量和逆变器电流向量来计算所估计通量向量；通过根据所估计通量(它可以是所估计通量向量的绝对值或幅值)和参考通量(它可以是参考通量向量的幅值/长度)的比较改变所估计通量向量的长度来补偿测量和/或计算误差。可基于旋转电机的参考角频率来确定参考通量。这样，可通过将所估计通量向量与对于控制逆变器已经确定的参考通量向量(或者所述向量的长度)进行比较，来补偿测量和/或计算误差所引起的所估计通量向量的通量漂移。具体来说，根据其长度的比较，可延长或缩短所估计通量向量的长度。具体来说，可在不知道所估计通量向量的完整周期的情况下应用偏移补偿。因此， 当旋转电机的频率发生变化时，特别是在仅改变所估计通量向量的长度时，该方法也可生成良好误差纠正。仅改变所估计通量向量的长度可意味着，仅改变所估计通量向量的幅值而不改变其方向。这至少还可产生下列进一步有益效果可通过所述控制来稳定所估计通量向量。 基于所估计通量向量计算的频率可得到改进。所估计电磁转矩可以更为准确。用于诊断的功率信号和电磁转矩可得到改进。按照本发明的一个实施例，用于控制旋转电机以及用于在开环控制中补偿所估计通量向量漂移的方法可适用于具有还可具有升压和降压变压器的非常长的电动机馈电的电动机。该方法可用于在标量(开环)通量控制中和/或驱动系统中提供有采用附加升压和降压变压器的长距离馈电的电动机中控制电压源逆变器。在最后一种情况下，用于在具有脉宽调制的标量模式中进行通量偏移补偿和电磁转矩校正的方法可改进具有采用升压和降压变压器的长距离电动机馈电的驱动应用中的通量、转矩、功率估计。按照本发明的一个实施例，该方法还包括如果所估计通量幅值大于参考通量幅值，则缩短所估计通量向量；和/或如果所估计通量幅值小于参考通量幅值，则延长所估计通量向量。这样，当应用用于补偿误差的方法时，所估计通量向量始终可沿(未知的)真实通量向量的方向位移。不需要在一个计算步骤中完全补偿误差。每次应用该方法时，经补偿的所估计通量向量比未经补偿的所估计通量向量少一位错误。例如，所估计通量向量的延长和缩短可通过下列步骤来进行通过将所估计通量向量与某个因子相乘来确定偏移向量，该因子取决于参考通量幅值和所估计通量幅值的比率；通过将偏移向量加到所估计通量向量来改变所估计通量向量的长度。因此，改变所估计通量向量的长度，而没有改变所估计通量向量的方向。换言之，该因子可以是实数因子(而不是复数)。按照本发明的一个实施例，确定所估计通量幅值与参考通量幅值之间的差，并且该因子取决于该差和所估计通量幅值的比率。因此，补偿可与所估计通量幅值与参考通量幅值之间的偏差线性相关。按照本发明的一个实施例，该因子包括固定增益值，它可在0.05与0.4之间，例如在0. 1与0.2之间。实验表明，这个值的固定增益因子产生误差补偿的良好收敛。为了节省计算时间，可以有可能的是，补偿不是在每次计算所估计通量向量时进行。按照本发明的一个实施例，所估计通量向量在第一离散时域中计算，并且误差的补偿在第二离散时域中执行，第二离散时域的一个步骤是第一离散时域的N个步骤。
按照本发明的一个实施例，基于逆变器的开关位置以及逆变器的输入端处的电压来确定逆变器电压向量。按照本发明的一个实施例，基于逆变器的输入端和/或输出端处的电流来确定逆变器电流向量。按照本发明的一个实施例，通过将差向量和电压损耗向量相加从前一个通量向量 (例如在离散时域中)得出所估计通量向量。差向量可取决于参考角频率、离散时间步的长度和逆变器电压向量。电压损耗向量可取决于参考角频率、离散时间步的长度、预定义电阻器值和逆变器电流向量。本发明的另一个方面涉及一种用于控制逆变器的方法。按照本发明的一个实施例，用于控制逆变器的方法包括设置旋转电机的参考角频率；根据所述角频率来确定参考电压；控制逆变器的开关，使得生成逆变器的与参考电压对应的经脉宽调制输出电压； 如上文和下文所述来确定所估计通量向量；将所估计通量向量用于诊断。本发明的另一方面涉及用于计算旋转电机中的通量的程序单元(或者计算机程序)，它在由处理器运行时适合执行如上文和下文所述的方法的步骤。例如，逆变器的控制器可包括处理器。本发明的另一方面涉及其中存储这种程序单元的计算机可读介质。计算机可读介质可以是软盘、硬盘、USB(通用串行总线)存储装置、RAM(随机存取存储器)、R0M(只读存储器)和EPROM(可擦可编程只读存储器)。计算机可读介质还可以是允许下载程序代码的数据通信网络、例如因特网。本发明的另一方面涉及用于逆变器的控制器，所述控制器适合执行如上文和下文所述的方法。本发明的另一方面涉及一种系统。按照本发明的一个实施例，该系统包括逆变器，具有适合执行如上文和下文所述的方法的控制器；线缆，连接到逆变器的输出端；旋转电机，位于与逆变器不同的另一个地理位置，并且通过线缆供电；其中用来确定用于所估计通量的所述确定的输入参数的传感器只位于逆变器处。输入参数可以是逆变器的开关位置、DC链路电压和/或逆变器的输出电流。在逆变器之后可以存在连接线缆的升压变压器。 在旋转电机之前可以存在连接到线缆的降压变压器。必须理解，如上文和下文所述的方法的特征可以是系统或控制器的特征，反过来
也是一样。如果技术上可能但没有明确提出，则上文和下文所述的本发明的实施例的组合也可以是方法和系统的实施例。通过参照以下所述实施例进行的说明，本发明的这些方面及其它方面将会非常明
Mo
下面参照附图更详细地描述本发明的实施例。图1示出按照本发明的一个实施例的驱动系统。图2示出按照本发明的一个实施例的控制器的组件。图3示出按照本发明的一个实施例的控制器的另外组件。
图4是示出按照本发明的一个实施例的纠错的简图。图fe和图恥示出按照本发明的一个实施例如何校正通量的示例。图6a和图6b示出按照本发明的一个实施例如何校正转矩的示例。图7a和图7b示出按照本发明的一个实施例如何校正功率的示例。原则上，附图中，相同部分提供有相同参考标号。
具体实施例方式一般概述图1示出驱动系统10，其中包括连接到升压变压器14的电压源逆变器12、线缆16 以及连接到采取电动机20的形式的旋转电机的降压变压器18。例如，线缆可超过十公里长。所使用的逆变器拓扑可以是中性点钳位(NPC)逆变器12，但是可利用连接到DC母线 22的其它电压源逆变器。DC链路可通过整流器来供电。为了控制逆变器12，该系统包括控制器对。图2示出控制器M的组件或模块。这些模块可以是控制器的功能模块，并且可分别作为编程软件模块或过程来实现。但是，本领域的技术人员会理解，功能模块可完全或部分通过硬件来实现。控制器M适合与标量模式原理配合工作并且适合控制逆变器M，使得在逆变器 12的输出端处生成经脉宽调制的电流。控制器M的一个输入参数是指示电动机的预期频率的参考频率《KEF。从参考频率ω-，参考电压模块沈借助于预定义电压/频率特性观来生成参考电压Us KEF。参考电压Us KEF输入到脉宽调制器模块30。模块30从参考电压^ kef来生成脉冲长度32以及生成逆变器的半导体开关的开关状态Sa、Sb、Sc,因而实现逆变器14的输出电流中的脉冲32。开环控制、电压模型和通量估计图3示出用于采用逆变器12和电动机20的电压模型来计算定子通量向量Ψ和电磁转矩Te的控制器M的另外的组件或模块。为了实现电压模型，电压向量模块34借助于输入参数Sa、Sb、Sc和Udc来计算具有分量1和Un的复电压向量。逆变器开关位置Sajb、S。的信息可来自脉宽调制器模块30， DC链路电压Ud。可由DC链路22中的传感器来测量。此外，(例如在逆变器12的输出端处所测量的)相电流ia、ib、i。通过电流向量36 中的3/2变换转换成具有分量ixl、iyl的复电流向量。电压向量校正AUxl、AUyl借助于所估计电阻&从电流向量ixl、iyl来计算，并且加到电压向量Uxl』yl。所估计电阻rs可基于电动机定子绕组、升压变压器14以及逆变器与电动机20之间的线缆18的电阻性部分。通过对所产生电压向量Uxl、Uyl求积分，通量向量模块38计算具有分量Ψχ1和Ψχ2 的所估计通量向量EST。从所估计通量向量Ψχ1、Ψχ2和电流向量ixl、iyl，转矩向量模块 40计算电动机20的所估计转矩Te。由控制器M所计算的值包含因逆变器半导体以及例如滤波器、连接在逆变器与电动机端子之间的线缆等无源组件上的电压降引起的误差、所测量DC电压Udc的误差和所测量相电流ia、ib、i。的误差。
下面将更详细描述由控制器M所执行的电动机20的开环控制以及对应计算步骤、电压模型和通量估计。电压模型基于(k)坐标中的定子电压us(k)的一般方程，由下式来定义
,-{k)uf =vs-is++ j(dk ·
dt (l)is是定子电流，Ws是定子通量向量，以及是电动机的角频率。在定子坐标中， "k = 0，并且电压方程(1)变成u(sk) ^rs-Js+ ~
dt (2)定子通量向量Ws定义为ψ8 =I^S-rS-h)-dt (3)us是定子电压，并且定子电流基本分量is可定义为
T · joth = 1S(4)在开环标量模式中，定子通量向量屯3基于方程C3)来计算，其中rs包括从逆变器输出端到电动机端子的通路中的所有电阻性损耗。通量估计中的误差积分(3)中的误差影响到错误估计的(定子)通量向量Ws EST(它可与公式⑶ 中的Ws类似地计算)。由于所估计通量向量EST中的误差，计算不准确转矩 ；，它是所估计通量向量EST和电流向量“的叉积。积分中的误差的影响在低频更为明显。在极低频率，由于因电阻&引起的高电压损耗，可能需要提供附加补偿电压。其中需要补偿的频率ω可取决于应用和电压降。如果开环积分误差的影响没有得到校正，则所估计通量向量Ws est偏离原点。因此，轴(取决于转矩)上的所估计功率和所计算转矩Te可能振荡。积分的误差如图4所示。所估计通量向量Ws EST以角频率ω围绕与复χ-y平面的原点不同的点E绕行(circle)。导致所估计通量向量Ws EST的漂移的误差在两种情况下发生首先，所测量中间电压可能小于真实DC电压。其次，可能存在所测量相电流中的偏移误差，这引起相电流中的DC分量，并且最终将引起不稳定积分。这些事实从下列方程得出。通量方程(3)可写为下列形式ψε = Jws . dt-rs -Jz5 · dt (习定子通量向量误差可定义为定子通量向量与所估计通量向量之间的差(方程7)rSEST = rs+ Δ rs(6)rS EST是所估计电阻，rs是预定义的所估计电阻，以及Ars是估计误差。定子通量误差向量定义为^ψε-ψε ~ws_est (7)借助于(5)，这产生
权利要求
1.一种用于计算通过逆变器(1 供电的旋转电机00)中的通量的方法，所述方法包括下列步骤确定逆变器电压向量(uxl，Uyl)； 确定逆变器电流向量(ixl，iyl)；基于所述逆变器电压向量和所述逆变器电流向量来计算所估计通量向量EST)； 通过根据所述所估计通量向量EST)的长度和参考通量幅值(Wskef)的比较改变所述所估计通量向量EST)的长度，来补偿误差。
2.如权利要求1所述的方法，还包括通过将所述所估计通量向量EST)与因子相乘来确定偏移向量(Ψ·ΕΤ)，所述因子取决于所述参考通量幅值(Wskef)和所述所估计通量向量EST)的长度的比率；通过将所述偏移向量(W。FFSET)加到所述所估计通量向量EST)，来改变所述所估计通量向量EST)的长度。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述因子取决于所述所估计通量向量的长度与所述参考通量幅值之间的差 Ε5Τ-Ψ5_εερ)和所述所估计通量向量EST)的长度的比率。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中，所述因子包括固定增益值(Pgain)。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述固定增益值是在0. 1与0. 2之间。
6.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，基于所述逆变器的开关位置(sa，Sb, S。)和/或所述逆变器的输入端处的电压 (Udc)来确定所述逆变器电压向量(uxl，uyl)。
7.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，基于所述逆变器的输入端和/或输出端处的电流(ia，ib，i。)来确定所述逆变器电流向量(ixl，iyl)。
8.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过将差向量和电压损耗向量相加从前一个通量向量来得出所述所估计通量向星(^S—EST)；其中所述差向量取决于参考角频率、离散时间步的长度和所述逆变器电压向量(uxl， Uyl)；其中所述电压损耗向量取决于所述参考角频率、离散时间步的长度、预定义电阻器值和所述逆变器电流向量(ixl，iyl)。
9.一种用于控制逆变器(1 的方法，所述方法包括 设置旋转电机00)的参考角频率(ωΚΕρ)；根据所述角频率来确定参考电压(us KEF)；控制所述逆变器(1 的开关，使得生成所述逆变器(1 的与所述参考电压对应的经调制输出电压(32)；如权利要求1至8中的任一项所述来确定所估计通量向量(Ws EST)； 将所述所估计通量向量EST)用于诊断。
10.一种用于计算旋转电机00)中的通量的程序单元，所述程序单元在由处理器运行时适合执行如权利要求1-9中的任一项所述的方法的步骤。
11.一种计算机可读介质，其中存储了如权利要求10所述的程序单元。
12.一种用于逆变器(12)的控制器(M)，所述控制器适合执行如权利要求1至9中的任一项所述的方法。
13.一种系统(10)，包括具有如权利要求12所述的控制器04)的逆变器(12)； 连接到所述逆变器(12)的输出端的线缆(16)；旋转电机(20)，位于与所述逆变器(1 不同的另一个地理位置并且通过所述线缆 (16)来供电；其中用来确定用于所述所估计通量向量EST)的所述确定的输入参数的传感器位于所述逆变器(1 处。
14.如权利要求13所述的系统(10)，还包括连接到所述线缆(18)的升压变压器(14)和降压变压器(18)。
全文摘要
本发明的名称为旋转电机的通量偏移补偿，提供一种用于在控制旋转电机20时补偿由测量和/或计算误差所引起的通量漂移的方法。可通过将通量向量的长度与对于控制逆变器已经确定的参考通量幅值进行比较，来补偿所估计通量向量的通量漂移。根据该比较，将延长或缩短所估计通量向量的长度。
文档编号H02P21/00GK102403945SQ201110283868
公开日2012年4月4日 申请日期2011年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者C·施图尔茨, H·伯扎诺夫斯卡 申请人:Abb技术有限公司