用于确定同步磁阻机的电感的方法和设备的制作方法

专利名称：用于确定同步磁阻机的电感的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁阻机，并且更具体地涉及确定磁阻机的电感特性。
背景技术：
常常对尽可能有效率地控制电动机做出尝试。简单地说，这意味着在给定负载转矩，使电机抽取的电流最小。这使电机中的电阻损耗最小。电流的最小化在机器理想的情况下将会是轻松的任务。在实践中，然而，机器铁件的磁饱和使得理想操作点的搜索成为苛刻的过程。由于饱和作用，机器的电感不恒定，而是作为定子电流的函数而改变。电感作为定子电流的函数改变的事实使得转矩的产生的优化成为艰难的任务，这是因为在交流机中电感对转矩的幅度有影响。为了在驱动器的操作期间通过给定定子电流使转矩最大化，电感的行为应被认为是通量或电流的函数。电感行为对于同步磁阻机的控制操作也很重要，特别是这样的情况 在没有测定转子速度和位置的情况下控制机器。这种开环控制方法通过使用机器的数学模型来估计转子位置。结合同步磁阻机，开环控制在未将电感的饱和恰当考虑在内的情况下不正确操作。在已知电感识别流程中，需要旋转转子。由于此需求，至少在一些过程中，必须在将机器耦合到过程之前进行识别。此外，在旋转转子的方法中，用于进行识别的时间是长的。在一些电感识别流程中，需要加载同步磁阻电机。将负载转矩应用于要识别的机器会是麻烦的，特别是在机器已经位于终端用户的设施处的情况下。

发明内容
本发明的目的是提供一种方法和设备以解决以上问题。本发明的目的是通过以独立权利要求中叙述的内容为特征的方法和设备来实现的。从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。在本发明中，使用连接到机器的逆变器，通过不同脉冲测试来确定同步磁阻机的电感的饱和行为。可以使用一系列脉冲测试来确定同步磁阻机的同步电感和瞬态电感这二
者ο图7中图示了同步电感和瞬态电感，图7示出了电感测量期间获得的图。通量被绘制为测量电流的函数。同步电感是从原点向曲线的选定点(即，向关注其电感的点)描绘的线的斜率。这是公知关系通量=电流*电感。瞬态电感是作为电流的函数的通量在给定操作点的导数。在图7中这是通过在曲线的选定点描绘的切线而图示的。瞬态电感描述了特定操作点的邻近处的电流的行为。由于本发明的方法可以使用控制机器的逆变器来执行，所以本发明的方法不需要任何附加装备。可以将通过该方法获得的电感值直接加载到对测量磁阻机进行控制的逆变器。本发明的方法不需要机器的旋转。在一个实施例中，略微旋转转子，以对齐转子。在已知转子的方向的情形中，可以在没有转子的任何旋转移动的情况下执行该方法。由于不旋
4转机器的转子，所以该方法是快速的。由于磁阻机的本性，定子电流对电感的饱和有相当大的影响。该方法提供关于饱和行为的准确信息。一旦准确的饱和行为适于在控制机器的变频器或逆变器的电机模型中使用，同步机的控制就会准确和可靠。在本发明的方法中，使用简单脉冲测试来测量同步磁阻机的电感的饱和行为。在已知方法中，使用脉冲测试以仅测量AC电机的电感的瞬态行为。


以下，将参照附图，通过优选实施例的方式更详细地描述本发明，在附图中，图1示出了同步磁阻机的转子的简化结构，图2示出了转子的d方向上的测量电感，图3示出了转子的q方向上的测量电感，图4示出了电压向量图和定子参照系，图5示出了测量d轴方向上的电感时转子位置的示例，图6示出了测量q轴方向上的电感时转子位置的示例，以及图7图示了同步和瞬态电感的确定。
具体实施例方式以下，将同步磁阻机称作同步磁阻电机，或者简称为磁阻电机。然而，显然，类似的同步机可以操作为电机或发电机。同步电机在直轴和交轴电感的幅度明显不同的情况下被认为是凸极电机。此处将直轴电感标注成Ld，将交轴电感标注成Lq。将磁阻电机中的d轴的方向选择为最高电感的方向。图1示意性地示出了具有d和q轴的方向的磁阻机的一个可能的转子结构。在理想状况下，可以将同步机产生的转矩表示成T= ￥rotoriq+(Ld+Lq)idiq(1)其中，Vrate是转子永磁体或转子绕组产生的通量，id、iq和Ld、Lq是电流和电感的直流和正交分量。如已知的，磁阻电机在转子中没有永磁体或绕组，所以将转矩的表达式简化为形式T= (Ld(id, iq)+Lq(id, iq))idiq(2)以上等式(2)可能看似简单，但是实际上d和q方向上的电感依赖于直流和正交方向这二者上的电流，这使得电流的优化很难。如果Ld和Lq是常数，则将会容易地示出 转矩在iq等于id时处于给定电流向量长度的情况下的最大值。当iq和id的幅度相等时，电流角度是45°。在实践中，电流角度大于45°。当电流向量增加时，在将角度固定为 45°的情况下，转子的d方向比q方向更饱和并且电感差Ld-Lq减小。当转矩增长时，因为 q和d电感以不同步速饱和，所以需要使得电流角度较大。换言之，电流角度的增加意味着使得q轴的方向上的电流大于d方向上的电流。d轴电流分别使d轴方向上的铁和q轴方向上的q轴电流自然饱和。由于d和q 方向上的通量在相同铁件中流动，所以d方向的通量使q方向的铁饱和，反之亦然。这意味着无法如大多数等同电路表示中一样单独考虑d和q方向。此处，将交轴电流对直轴电感的以及直轴电流对交轴电感的作用称作交叉饱和。图2和3中图示了同步磁阻机的饱和。图2和3示出了作为直轴和交轴电流id、 iq的函数的直轴电感Ld和交轴电感Lq。利用下面将说明的方法，通过真实机器进行电感的测量。从图2和3中可见，电感根据电流变化很大。交叉饱和对d方向有显著影响。对于小id值，Ld的值会在iq从零增加到相当大的值时减小多达数十个百分比。从两电平电压源逆变器或变频器可得六个有效电压向量。在图4中，在具有轴χ 和y的定子参照系中示出了这些电压向量，其中，χ表示实轴，y表示虚轴。在确定磁阻电机的电感的方法中采用逆变器和可得电压向量。首先在没有交叉饱和(即，iq = 0)的情况下测量d轴方向上的电感。在测量序列中，首先向机器的定子馈送DC电流以使得在已知方向上对齐转子的d轴。此已知方向优选地是电压向量中的一个电压向量的方向。在图5中，对齐转子以使得将它的d轴与电压向量1的方向对齐。通过使用电压向量1简单地获得此对齐。在转动转子之后，再次应用向量1。现在所有电压在d方向上，电流id开始增长。在施加电压的情况下，以显著高的速率对电流采样。虽然DC链路电压基本上恒定和已知，但也对电压采样是可取的。当电流上升到足够高的值时，停止电压脉冲。在脉冲之后，测量电流和电压是可得的并且例如被存储到可容易访问的表。如果定子电阻已知，则可以将通量计算成
Ψ (Zc) = Ψ (A: -1) ^-^({uik) - Ri{k)) + (u(k -1) - Ri{k -1)))(3)等式(3)是使用塔斯延(Tustin)近似的、离散形式的(Ux-Rix)的积分。等式(3) 在与测量电流的时间瞬时对应的每个时间步长k产生通量值。当将计算的通量值除以相应采样的电流值时，获得图2的上方的曲线图，它示出了 d轴方向上的电感，而没有q轴方向上的任何电流。电感行为的估计通过确定q轴方向上的电感的第二测量而继续。在测量电压脉冲之前，将转子与DC电流再次对齐，以使得如图6中所示，转子的d轴与已知方向(如，定子参照系中的χ轴)成90度的角度。现在可以再次使用电压向量1，电流仅在q轴方向上增长。如以上与d轴电感一样进行电感的计算，在图3的上方的曲线图中绘制了结果。在第三测量中将交叉饱和作用考虑在内。对于交叉饱和的情况下的电感的测量， 由于构思是使交叉饱和电流保持在固定水平并如先前测试中一样施加电压脉冲，所以需要控制电流的直流或正交分量。对于d轴方向上的电感的测量，首先如第二测试中一样对齐转子，即，转子的d轴如图6中所示，与定子参照系的χ轴成90度的角度。接下来将转子的交轴方向上(即，X轴方向上)的电流增加到期望值，该期望值可以是例如实践中使用的最高值。电流使用一些简单电流控制以较受控的方式或者通过脉冲状电压(只使用向量1)快速增长。电流iq现在处于它的设置值，并且可以开始测量。在测量中只使用图4的电压向量2和3。当使用向量2和3时，电压在d方向上恒定。通过均衡电压向量2和3，电流在d 轴方向上迅速升高并且使q轴方向上的电流保持恒定。需要控制器来保持q轴电流恒定。 此控制器根据q轴电流的幅度来选择向量2和3的切换时间。可以在控制q轴电流时使用简单的PI控制器。如先前测试序列中一样类似地收集数据。测量定子参照系的y轴方向上的电压和电流。例如通过使用公式3，使用收集的数据(iy，uy)来计算通量。当将计算的通量除以相应电流时，获得图2的下电感曲线。在下一测量阶段中，在交叉饱和的情况下确定q方向上的电感。流程与以上的流程类似。现在，在测量之前转动转子，以使得如图5中一样将转子的d轴与定子参照系的χ 轴对齐。在d轴的方向上控制DC电流，在q方向上馈送电压脉冲。关于定子，脉冲与先前测试中的类似。在定子参照系的y轴方向上对电压和电流采样，根据从存储的电压和电流计算出的通量来计算电感。将获得的电感曲线示出为图3中下方的曲线。如以上所提到的，将磁阻机的转子转动到已知角度，或者在测试序列之前确定转子的角度。如果转子位置已知，则可以进行以上流程，以使得根本不转动转子。在该情形中， 测试期间使用的电压向量是相邻向量的组合，使得流程略微较复杂。在以上流程中，电感被确定为电流的函数。还可以将电感确定为通量的函数。以上的差异在于在交叉饱和测试期间，使d和q轴通量而不是d和q轴电流保持恒定。首先选择通量参考，将产生的通量与选定参考相比较。在测试期间使用等式C3)来计算产生的通量，并且基于比较，如同电流参考的情形中一样改变电压向量。在此修改中，如同基于电流的确定的情形中一样测量电流和电压。在上述方法中可以确定同步磁阻机的整个饱和行为。由于获得的电感被呈现为遍及可应用电流范围的电流的函数，所以可以在任何电流处确定并存储机器的电感。根据测量可以确定的电感包括具有和没有交叉饱和这二者的情况下d方向和q方向上的同步电感和瞬态电感。此外，可以选择测量中使用的交叉饱和的量，在具有不同饱和的各个方向上存在多于一个的交叉饱和测试。同步磁阻机的铁损耗(即，涡流和磁滞损耗)使测量结果失真。例如，铁损耗加速测试脉冲期间电流的升高。然而，在现代AC电机中这些损耗非常小。图7示出了根据脉冲测试获得的图，其中，将电感测量期间获得的通量值绘制成测量电流的函数。现在同步电感是从原点向曲线的选定点(即，向关注其电感的点)描绘的线的斜率。可以根据测量把瞬态电感获得为作为电流的函数的通量在给定操作点的导数。如图7中所示的，通过将获得的通量除以电流来计算具有特定电流的同步电感。 在本发明的测试流程中确定通量和电流。可以将获得的同步电感和电流值存储在存储器中以便稍后使用，或者可以基于方法的测量建立数学电感模型。如果电感和电流数据被存储， 则控制系统可以例如通过使用查找表来确定某个操作点中的电感。如果对于Ld(id，iq)和 Lq(id，iq)构建数学电感模型，则通过使用某一适当曲线拟合方法调节选定建模函数的参数。可以根据确定的通量值，基于连续点来进行导数(给出瞬态电感)的计算。最直接的方式是通过使用连续数据点对关注点拟合线以及随后计算曲线的斜率。可以将这些值存储到查找表，或者可以通过使用针对同步电感建立的数学模型来分析地计算瞬态电感。电压和电流的测量中的使用时间步长应当是小的，这是由于计算的准确性会在较小步长的情况下改进。由于电流十分迅速地升高，所以还有益的是，使用小时间步长使得可以在电流超过限制值之前适时地停止电压脉冲，这使得逆变器或变频器断开。
本发明的设备包括适于进行本发明方法的装置。具体地，装置由能够控制同步磁阻机的旋转的系统形成或是该系统的一部分。这种系统是例如如下的变频器其包括用于测量电流和DC链路电压的测量电路、用于进行所需计算的处理器容量、以及可以存储测量和计算数据且可以读取数据和计算值的可访问存储器。通常，以自动方式进行本发明的流程。变频器的操作员启动流程，一旦进行测量，就将电感值存储在存储器中。流程会向操作员询问交叉饱和测试的参考值，或者作为默认，流程使用预定参考值。对本领域技术人员而言明显的是，随着技术进步，可以通过各种方式实现本发明的构思。本发明和它的实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
权利要求
1.一种确定同步磁阻机的电感的方法，其特征在于， 在转子的交轴或直轴方向上提供电压脉冲， 对通过所提供的电压脉冲生成的电流进行采样，根据所提供的电压脉冲的值、所采样的电流值和定子电阻的值，来计算采样瞬时处的通量值，通过将所计算的通量值除以所述相应采样的电流，来计算所述机器的同步电感，和/或把所述机器的瞬态电感计算为所述通量关于电流的导数，以及存储作为电流的函数的所述计算的值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤当在转子的交轴或直轴方向上提供所述电压脉冲之前，在与所述电压脉冲的方向垂直的方向上磁化所述转子，以获得交叉饱和的情况下的电感值。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述磁化包括步骤 选择用于交叉磁化的电流参考，在选定方向上提供电压，测量通过所述电压产生的电流，以及在脉冲测试的持续时间内将所述电流控制为所述电流参考。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述磁化包括步骤 选择用于所述交叉磁化的通量参考，在选定方向上提供电压， 测量通过所述电压产生的电流，根据所提供的电压脉冲的值、所采样的电流值和所述定子电阻的值，来计算通过所述电压产生的通量，以及在脉冲测试的持续时间内将所述通量控制为所述通量参考。
5.如前述权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将所述计算的同步电感拟合为把所述同步电感的值提供为电流的函数的函数。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，把所述瞬态电感计算为所述函数的导数，所述函数把所述同步电感的值提供为电流的函数。
7.如前述权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤在所述测量序列之前，将所述机器的所述转子转向已知位置。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述已知位置是所述定子的χ或y轴的方向。
9.如前述权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤在所述测量序列之前，确定转子位置。
10.一种确定同步磁阻机的电感的设备，其特征在于，所述设备包括 用于在转子的交轴或直轴方向上提供电压脉冲的装置，用于对通过所提供的电压脉冲生成的电流进行采样的装置，用于根据所提供的电压脉冲的值、所采样的电流值和定子电阻的值来计算采样瞬时处的通量值的装置，用于通过将所计算的通量值除以所述相应采样的电流来计算所述机器的同步电感的装置，和/或用于把所述机器的瞬态电感计算为所述通量关于电流的导数的装置，以及用于存储作为电流的函数的所述计算的值的装置。
全文摘要
公开了一种确定同步磁阻机的电感的方法和设备。该方法包括步骤在转子的交轴或直轴方向上提供电压脉冲；对通过提供的电压脉冲生成的电流进行采样；根据提供的电压脉冲的值、采样的电流值和定子电阻的值来计算采样瞬时的通量值，通过将所计算的通量值除以相应采样的电流来计算机器的同步电感；和/或把机器的瞬态电感计算为通量关于电流的导数；以及存储作为电流的函数的所述计算的值。
文档编号G01R31/34GK102565540SQ20111037020
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月15日 优先权日2010年11月15日
发明者马蒂·埃斯科拉, 马蒂·韦亚宁 申请人:Abb公司