控制无刷电机的方法及控制系统的制作方法
【专利说明】控制无刷电机的方法及控制系统
[0001]本申请是申请号为201010233527.0、申请日为2010年7月19日、发明名称为“控制无刷电机的方法及控制系统”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明首先涉及一种用于控制以永磁铁励磁的电子换向无刷电机(permanentmagneterregter, bilrstenloser, elektronisch kommutierter Elektromotor)，尤其是三相电机的方法，其中，具有电源频率(Netzfrequenz)的单相交流电源电压经过整流，并且通过精简的、没有或者仅具有最小的级间耦合电路电抗的级间耦合电路，作为以双倍电源频率脉动的级间耦合电路电压输入到逆变器中，所述逆变器被加以控制以便对电机供电并使其换向，其中，所述控制是通过根据磁场(feldorientierte)的电流空间向量调节(Strom-Raumzeiger-Regelung)(矢量调节)而实现的，其中，作为电流空间向量的形成转矩的分量的q电流被调整成与永磁场相垂直，而作为电流空间向量的影响磁场的分量的d电流则能够被沿着永磁场的方向调节。
[0003]另外，本发明还涉及一种相应的控制系统，该控制系统尤其在应用根据本发明的方法时使用，其具有电源整流器(Netzgleichrichter)、没有或仅具有最小的级间親合电路电抗(Zwischenkreis-Reaktanz)的串联的精简型级间親合电路以及通过所述级间親合电路馈入且对电机的换向进行控制的逆变器，其中，逆变器具有用于磁场的电流空间向量调节的装置，该装置利用转速调节器将q电流预先确定为电流空间向量的形成转矩的分量。
【背景技术】
[0004]电子换向电机，即所谓的EC电机经常被用作通风机驱动器。这种驱动器通常包括集成有功率和信号电子电路的永磁铁励磁同步电机(PMSM)。其经常是外转子电机。
[0005]这样的电机可在单相或三相交流电源电压下通过下述方式来驱动:首先，将交流电源电压整流成级间耦合电路电压，接着，通过受控的逆变器将该级间耦合电路电压转换成电机驱动电压以对电机供电并使电机换向(kommutieren)。对逆变器的控制通常通过磁场的电流空间向量调节来实现，其中，q电流(q-strom)被调整为垂直于永磁场的电流空间向量的形成转矩的分量，从而获得最大化的转矩。d电流能够被沿永磁场的方向调节，并形成电流空间向量的影响磁场的分量，即形成根据电流方向来形成磁场或者减弱磁场的分量。在同步电机中，d电流一般被调节为0，以便获得最优化的有效系数。
[0006]为获得尽可能相同的、恒定的且具有最小波动(Welligkeit)(气隙转矩的波动，也就是说内部的电机转矩的波动)的电机转矩，并由此获得有利的噪声特性(尤其是在作为通风机驱动器时)，级间耦合电路电压应当是尽可能恒定的直流电压。为此，到现在为止，经过电源整流器整流并强烈脉动的直流电压都是通过至少一个平滑电容器，并在需要时通过额外的滤波扼流圈来进行平滑。为此，平滑电容器实际上必须具有相当大的电容量(例如数百μ F)，因而一般均采用电解电容器(Elkos)。但是，这种电解电容器在实际使用中具有这样的缺点，即尤其具有大的结构体积，同时使用寿命却很短。
[0007]因此，目前越来越倾向于彻底放弃平滑电容器或者至少放弃电解电容器，其中，在第二种情况中采用能够长时间使用的具有更小电容量(最多仅数个UF)的薄膜电容器。由于其没有或者仅具有很小(最小化)的级间耦合电路-电抗，因而被称作“精简的级间耦合电路”，其中，通过存储元件，例如电容器和扼流圈(电抗)，可完全或者至少在很大程度上不需要将电源侧和电机侧分隔开。这意味着，精简的级间耦合电路不包含或者仅包含最小化的级间耦合电路-电抗。
[0008]利用这种“精简的级间耦合电路”技术，主要在由单相电源(通常的电源频率，例如50Hz)供电时尤其会出现问题，这是因为经过整流的直流电压以双倍的电源频率(例如10Hz)在O和峰值之间十分剧烈地脉动，其中，电压变化与正弦形的交流电源电压的数值相当。如果这时将这样的剧烈脉动的直流电压直接提供给EC电机，那么在一定的极限电压之下只能将过小的电机电流压入电机线圈中，而这样的电机电流无法将所需的转矩继续维持恒定。
【发明内容】
[0009]本发明的基本目的在于，以技术上有利的方式且用简单和成本经济合理的方法对具有“精简的级间耦合电路”的电子换向电机的驱动加以优化。
[0010]根据本发明，这一目的通过以下用于控制无刷电子换向、以永磁铁励磁的同步电机(2)的方法得以实现，其中，具有电源频率(fN)的单相交流电源电压(Un)经过整流，并通过精简的、没有或者仅具有最小的级间耦合电路电抗的级间耦合电路(6)，作为以双倍电源频率(2fN)脉动的级间耦合电路电压(Uz)而被输入到逆变器⑶中，所述逆变器被加以控制以便对电机(2)供电并使其换向，其中所述控制是通过在被固定的转子的笛卡尔坐标系中的磁场的电流空间向量调节而实现的，其中，作为电流空间向量(i)的形成转矩的分量的q电流Qti)被调节成与永磁场相垂直，而作为电流空间向量Q)的影响磁场的分量的d电流(id)能够被沿着永磁场的方向调节，其特征在于，所述方法使场强动态地减弱，其中所述d电流(id)在负值区域中被预先确定为以正弦形式变化并具有双倍的电源频率(2fN)，并且其中，对于所述d电流(id)，根据其相位和幅值进行调节，以便使q电流(iq)的波动最小化。另外，根据本发明，还提供一种适用于应用所述方法的控制系统。本发明的其他有利设计方案包含在各从属权利要求及随后的说明中。
[0011]根据本发明，通过下述方式实现了动态的场强减弱:d电流在负值区域中被预先确定为正弦形曲线并具有双倍的电源频率一而且不对电源电压和/或级间耦合电路电压进行测量，而且其中，对于d电流，需要根据q电流来对d电流的相位(相对于电源频率)和幅值加以调整，从而使q电流的波动最小化。由于作为形成转矩的分量的q电流是与转矩成比例的，因此，即使级间耦合电路电压在O与峰值之间剧烈地脉动，转矩波动(气隙转矩的波动=内部电机转矩的波动)仍然能够被最小化。
[0012]本发明基于这样的认识，即，在理想的情况下，应当对d电流动态地加以调整，从而使电流空间向量在转子固定的坐标系中总是能够被这样跟踪(nachfUhren)，即电压空间向量的长度(与相电压的幅值相当)在转子固定的坐标系中始终能够与在当前时刻从脉动的级间耦合电路电压中可能得到的长度一样(相电压的跟踪)。此时，形成转矩的q电流部分保持恒定。但是，为此需要精确地求解微分方程，并进行相应的技术转换。但是，通过本发明能够实现下述目的:通过随时间能够改变的d电流，能够借助于级间耦合电路电压的随时间的变化实现相电压的跟踪，从而使得到的电机相电压在足够好的近似下仍然能够由剧烈脉动的级间耦合电路电压产生。负的d电流起到了减弱场强的作用，场强的减弱使得电机在较小的端电压并因而在较小的级间耦合电路电压下仍然能够被驱动，而