用于调节异步电机的转矩的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在相对于定子固定的坐标系中控制异步电机的转矩的方法，而不必使用已知的基于电压模型和电流模型的磁通模型。这是这样来实现的，即在相对于定子固定的坐标(α,β)中由当前的转子磁通(ψR(n))和定子磁通(ψS(n))出发计算在下一个扫描步骤(n+1)中执行的为了达到额定转矩的定子磁通步幅(δψS(n+1))，以及对于所述下一个扫描步骤(n+1)计算转子磁通(ψR(n+1))和定子磁通(ψS(n+1))。
【专利说明】用于调节异步电机的转矩的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于调节异步电机的转矩的方法。
【背景技术】
[0002] 通过逆变器运行的异步电机通常按磁场定向控制的原理来调节。磁场定向控制的 基本思路已知在于，在与磁通共同旋转的坐标系内考察电机，所述坐标系在磁通上定向。定 子电流此时可以分解成沿磁通方向的形成磁场的电流分量和垂直于磁通方向的形成转矩 的电流分量。由转矩和磁通的额定值可以确定形成转矩和形成磁场的电流分量的相应的额 定值。在最简单的情况下，对于每个电流分量的分别利用一个比例积分（PI)控制器分别确 定相对于旋转场固定的坐板系中的待调整的电压空间矢量。通过坐标转换信息计算相对于 定子固定的坐标系中的待调整的电压空间矢量并利用合适的脉冲调制方法由此确定用于 逆变器的三个半桥控制信号。除了计算形成磁场和形成转矩的额定电流分量，确定异步电 机中实际的磁通在实现磁场定向的调节中也具有非常重要的意义。由于无法实现对磁通进 行直接的、可靠的并且对干扰不敏感的测量，采用所谓的磁通模型，以便由所测得的电流和 施加在电机上的电压计算磁通或在调节技术上对其进行观察。
[0003]在具体的实施方面，存在磁场定向控制的不同的实现类型。原则上既可以在转子 磁通上也可以在定子磁通上进行磁场定向。对于第一个方案得到较为简单的公式，从而通 常优选选择在转子磁通上的磁场定向。
[0004] 由EP 674 381 A1已知一种用于对异步电机进行转矩调节的方法，所述方法在定 子磁通上定向并利用脉冲宽度调制在圆形轨道上引导定子磁通。这种方法基于这样的磁通 模型，所述磁通模型由所测得的电流和所施加的电压在相对于定子固定的坐标系中考察定 子磁通和转子磁通。所述调节在定子磁通上定向并且确定指向定子磁通的方向的电压分量 和垂直于该电压分量的电压分量。在最简单的实施形式中，指向定子磁通的方向的电压分 量直接由起磁场控制器作用的PI控制器的输出确定，实际的定子磁通值与其额定值之间 的控制误差输送给PI控制器。直接由另一个起转矩调节器作用的PI控制器的输出确定垂 直电压分量，将实际的转子磁通值与其额定值之间的控制误差输送给PI控制器。这样确定 的定子电压空间矢量转换到相对于定子固定的坐标系中并利用脉冲宽度调制法在电机的 端子上输入（einprSgen )。通过对控制器输出的预控制，使pi控制器静态和动态地卸荷， 从而所述pi控制器最终仅承担这样的任务，即在预控制中调节修正存留的误差。转子频率 额定值这样限定，使得一方面定子电流保持限定在允许的值（电流极值），另一方面异步电 机不会失步（失步保护）。
[0005]由公开文献DE 103 36 068 A1已知一种用于有控制地输入整流器供电的旋转磁 场电机的定子电流和转矩的磁场定向的方法。这里在转子磁通上定向的坐标系中由转矩额 定值和转子磁通额定值确定形成磁场和转矩的电流分量以及确定定子圆频率，其中，一个 磁通模型确定为此所需的转子磁通实际值。利用电流分量和电机参数替代定子电压空间矢 量计算所谓的端子磁通额度值，所述端子磁通额定值给出由逆变器输入的电压-时间面积 (即端子电压的积分）。在脉冲模式发生器中现在借助于离线存储的优化的磁通轨道曲线 将由端子磁通额定值规定的磁通轨道曲线输入电机中。由此获得对定子电流相对于转子磁 通的位置的瞬时值定向的调节，由此，对旋转场电机的电机电流和转矩进行静态和动态的 精确控制。所述方法将直接切换式方法的高的调节动态与离线优化的脉冲模式优化的静态 特性结合起来。
[0006]这些已知的方法的共同之处在于，这些方法为了确定转子磁通的位置而采用了一 种磁通模型，所述磁通模型由电压模型和电流模型组成，所述方法由所测得的电流和逆变 器输入的电压计算出转子磁通和定子磁通，这通常在相对于定子固定的坐标系中进行。这 里通过调节器在相对于旋转场固定的坐标系中计算由逆变器输入的电压或电压-时间面 积。这些方法基于反馈调节，其中为了实现动态的卸荷可以基于反转的电机模型预先控制 调节器。因此对于所测得的电流空间矢量以及调节参数矢量都需要相对于旋转场固定的和 相对于定子固定的坐标系之间的坐标转换，这需要附加的计算时间。反馈调节尽管具有这 样的优点，即能够通过调节补偿电机模型中或电机模型参数化中的误差并隐藏所述误差。 但同时由此模型误差仅能非常困难地识别。
【发明内容】
[0007]由此出发，本发明的目的是，给出一种用于在相对于定子固定的坐标系内控制异 步电机的转矩的方法，而不采用已知的基于电压和电流模型的磁通模型。这里，尽管如此仍 能实现转矩调节的高的转矩动态和精度。
[0008]所述目的根据本发明这样来实现，即，在相对于定子固定的坐标（a，3)中，由当 前的转子磁通（VK(nTa))和定子磁通（Vs(nTa))出发计算在下一个扫描步骤（n+1)中用 于达到额定转矩而完成的定子磁通步幅（S Vs(nTa+Ta))以及对于下一个扫描步骤的转子 磁通（V K(nTa+Ta))和定子磁通（vs(nTa+T a))。由此实现在相对于定子固定的坐标中的前 馈调节，由此可以放弃使用用于确定转子磁通的单独的磁通模型。以这种方式实现了对异 步电机高动态的预先控制的调节，这种调节在转矩动态变化中直接跟随额定值。这还使得， 异步电机可以仅基于状态参量（磁通）进行控制，而不必明确地计算电机上的电流和电压。 由于以相对于定子固定的坐标系为基准，在电机公式中不会出现对磁通的微分。微分总是 仅能近似地计算并且倾向于导致测量噪声的放大。此外，由此可以省去相对于旋转场固定 和相对于定子固定的坐标系之间调节参量的坐标系转换并且在相对于定子固定的坐标系 中所确定的定子磁通步幅可以直接转换成逆变器的调节指令，而不必实现计算电压空间矢 量。
[0009]电机模型的参数的在前馈调节中在正常情况下必需的更新可以毫无问题地进行， 因为所述参数仅缓慢地改变并且因此不必以高频率更新，因此计算要求较低。
[0010] 最后，异步电机的对于前馈调节优选的、尽可能精确的电机模型也预期是非常有 利的，这种电机模型直接反映物理特性，因为由此实现了，由电机模型导出而不是测量其他 参量。以这种方式例如可以省去确定的传感器。
[0011] 本发明其他有利的实施形式和优点由各从属权利要求以及下面对本发明的说明 得出。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 下面参考图1至4来详细解释本发明，各图举例地并且示意性地示出本发明的有 利的实施形式。其中
[0013] 图1示出带有异步电机的轨道车辆的牵引驱动装置的简图，
[0014] 图2示出作为调节基础的异步电机的电机模型，
[0015] 图3示出根据本发明的调节的框图，以及
[0016] 图4示出电流限制装置和失步限制装置的框图。
【具体实施方式】
[0017]图1举例示出轨道车辆的牵引驱动装置。轨道车辆的交流异步电机8通过具有电 压中间回路逆变器的牵引整流器1控制。这里牵引整流器1的电压中间回路6通过输入电 路5被置于利用集电器/电刷1分接出来的位于在上部导线2和轨道4之间的电压。如果 需要，输入电路5将输入电压转换成合适的直流电压，所述直流电压在电压中间回路6上 馈送给逆变器7。这里的目标是，利用调节装置9这样来控制牵引整流器1的逆变器7,使 得在异步电机8的端子上以这样方式生成具有可变的幅值和频率的交流电压，使得异步电 机8在其轴10上稳态地以及动态地产生希望的转矩。这里，在正常情况下还要遵守逆变器 7在最大可调的输出电压、允许的输出电流和允许的切换频率方面的极限，并且在考虑到逆 变器7和异步电机8中的损耗的情况下保持输出电流尽可能小。给调节装置9提供用旋转 传感器11检测到的驱动装置的转速以及用测量装置12检测到的电机电流作为实际值。但 本发明当然不仅限用于牵引驱动装置，而是也可以一般性地用于调节异步电机。
【权利要求】
1. 一种用于调节异步电机的转矩的方法，其特征在于，在相对于定子固定的坐标 (a，￠)中由当前的转子磁通（VK(n))和定子磁通（Vs(ri))出发计算在下一个扫描步骤 (n+1)中执行的为了达到额定转矩的定子磁通步幅（S Vs(n+1))，以及对于所述下一个扫 描步骤（n+1)计算转子磁通（vK(n+l))和定子磁通（Vs(n+1))。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在当前的转子磁通UR(n))上定向地 计算漏磁矢量（△ V)，所述漏磁矢量具有沿当前转子磁通的方向的形成磁场的漏磁分量 (A vx)和垂直于当前转子磁通的方向的形成转矩的漏磁分量（A Vy)。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，限制漏磁矢量（△ V)，以便符合最大可能 的、能实施的定子磁通步幅（S nr s (n+1))。
4. 根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在电流限制装置中限制漏磁矢量 (A V)，使得遵守预先规定的定子电流极限。
5. 根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，在失步限制装置中限制漏磁矢量 (A V)，使得遵守预先规定的失步极限。
【文档编号】H02P21/06GK104335480SQ201380027136
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月22日 优先权日:2012年5月24日
【发明者】M·格拉斯尔 申请人:沃伊斯涡轮机有限公司