用于测量负载的阻抗的装置的制作方法

本公开涉及一种用于测量负载的阻抗的装置。

背景技术：

在电气系统中，为了识别或验证负载以允许由控制工程师对负载进行精确的控制设计，了解负载(例如电动机)的阻抗和/或频率响应是有用的。

在电动机系统中，为电动机提供诸如逆变器或通过直接在线电源方式的电源，以向电动机供应受控(例如恒定)电流。为了精确控制电动机并预测电动机对系统干扰的反应，需要描述电动机性能的精确模型(通常称为电动机工厂模型)。电动机工厂模型取决于电动机的操作点(输入电压、速度和负载)，因此只有在电动机的转子磁化并旋转时才能准确获得。

在电源为逆变器的某些系统中，逆变器可以在“识别运行”期间或之后立即执行频率响应分析，以进行控制调谐。电动机不由逆变器供电的系统(例如电动机以直接在线电源模式连接到电源的情形)通常不执行频率响应分析。

技术实现要素：

本公开描述了一种用于测量电负载(例如，电动机)的阻抗的装置，其中，该装置可以与负载并联耦合，并不管负载的电源是何种类型都可以测量负载的阻抗。可以基于所测量的阻抗确定负载的频率响应。

根据第一方面，本发明提供了一种用于测量电负载的阻抗的装置，该装置被配置为耦合至受控电流源，其中，该装置包括：第一耦合节点，被配置为耦合至负载的第一端子；第二耦合节点，被配置为耦合至负载的第二端子；变压器，具有初级绕组和次级绕组；电容，串联连接在次级绕组的第一端子与第一耦合节点之间，其中，次级绕组的第二端子连接至第二耦合节点；和处理单元，其中，所述处理单元被配置为：控制施加到初级绕组的激励信号，以便引起负载的输入电流的与激励信号相对应的变化；测量负载的输入电流和输入电压；并基于所测量的输入电流和输入电压，确定负载的阻抗。

处理单元可以进一步被配置为：基于所确定的负载的阻抗来确定负载的频率响应。

该设备还可以包括可控开关设备，该可控开关设备被配置为选择性地将变压器的初级绕组耦合至电压源，以将激励信号施加到初级绕组。

处理单元可以被配置为：控制可控开关设备的操作，以生成激励信号。

备选地，该设备可以包括耦合至变压器的初级绕组的可控ac电压源，其中，处理单元被配置为控制该可控ac电压源以生成激励信号。

例如，激励信号可以包括正弦扫描信号。

激励信号可以包括线性调频信号。

激励信号可以包括伪随机二进制序列(prbs)。

处理单元可以被配置为针对多个不同的激励信号频率来测量负载的输入电流和输入电压。

处理单元可以被配置为在负载的多个不同操作点处测量负载的输入电流和输入电压。

处理单元可以包括数字信号处理器、微处理器或微控制器。

根据第二方面，本发明提供了根据第一方面的装置的操作方法，该方法包括：通过将装置的第一耦合节点和第二耦合节点分别耦合至负载的第一端子和第二端子，将该装置与负载并联耦合，所述负载耦合至受控电流源；使激励信号施加到变压器的初级绕组，从而引起所述负载的输入电流的与所述激励信号相对应的变化；测量负载的输入电流和输入电压；并基于所测量的输入电流和输入电压，计算负载的阻抗。

该方法还可以包括：基于所确定的负载的阻抗，确定负载的频率响应。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施例，其仅仅作为示例。

图1是包括源和电负载的电气系统的示意性表示，用于测量电负载的阻抗的装置耦合至该电气系统。

图2是包括源和电负载的电气系统的示意性表示，用于测量电负载的阻抗的备选装置耦合至该电气系统。

具体实施方式

首先参考图1，电气系统总体以100示出，并且包括耦合至电负载300的源200。用于测量电负载300的阻抗并确定电负载300的频率响应的装置400以下面将更详细解释的方式耦合至电负载300。

源200是受控电流源，并且可操作以向负载300输出受控电流。受控电流可以是例如恒定电流。如本领域技术人员将理解的，为了使源200输出恒定电流，源200输出的电流必须被控制。因此，在本公开中，术语“受控电流”应理解为包括恒定电流。然而，术语“受控电流”不应被解释为限于恒定电流。如本领域技术人员将理解的，源200可以控制电流的可被控制的许多不同参数。例如，源200可以被配置为将它输出的输出电流限制为不超过最大值。

电负载300可以是例如电动机。在随后的讨论中，电动机将用作负载的示例。然而，本领域技术人员将理解，装置400可被用于测量其他类型的电负载(例如电力电子组件、dc-dc转换器、逆变器、整流器等)的阻抗，并且还可以确定其频率响应。

装置400包括第一耦合节点402和第二耦合节点404，装置400可通过第一耦合节点402和第二耦合节点404来耦合至负载300的第一端子302和第二端子304。负载300的第一端子302和第二端子304也耦合至源200。因此，装置400与源200和负载300并联耦合。

装置400包括具有初级绕组408和次级绕组410的变压器406。电容412(例如，电容器)串联连接在第一耦合节点402和次级绕组410的第一端子414之间。次级绕组410的第二端子416连接到第二耦合节点404。因此，电容412和次级绕组410串联连接在第一耦合节点402和第二耦合节点404之间。

变压器406的初级绕组408具有第一端子418和第二端子420。第二端子连接到地，而第一端子418通过可控开关设备428选择性地耦合至电压源，该电压源在图1中由节点430表示，该可控开关设备428具有耦合至处理单元424的输出422的控制端子。旁路二极管426与初级绕组408反并联连接，其阳极连接至初级绕组408的第二端子420，其阴极连接至初级绕组408的第一端子418。

可控开关设备428可以是例如mosfet，其具有耦合至处理单元424的输出422的栅极端子，连接到电压源430的源极端子和连接到变压器406的初级绕组408的第一端子418的漏极端子。

处理单元424可以是例如微控制器、数字信号处理器(dsp)、微处理器或某种其他处理单元，处理单元424被配置为通过控制可控开关设备428的操作来控制施加到初级绕组408的激励信号。当处理单元424输出控制信号(例如，正电压)以使可控开关设备428接通时，初级绕组408的第一端子418耦合至电压源430，因此在初级绕组408两端产生电压。当处理单元424输出控制信号(例如0伏)以使可控开关设备428关断时，初级绕组408的第一端子418与电压源430解耦合。因此，通过控制可控开关设备428的操作，可以控制初级绕组408两端的电压，以在初级绕组408两端生成期望的电压波形。该电压波形可以被认为是用其激励初级绕组408的激励信号。

通过调整处理单元424向可控开关设备428的控制端子输出控制信号的速率，可以调整激励信号的频率，因此，利用适当的控制信号，处理单元424可以引起要被施加到初级绕组408的期望激励信号。

激励信号是随时间变化的电信号，例如扫频正弦波、线性调频信号、伪随机二进制序列(prbs)或某种其他随时间变化的电信号。

当激励信号被施加到变压器406的初级绕组408时，次级绕组410两端会产生对应的变化(随时间变化)电压，这会导致变化的电流i2流过电容器412。电流i2与从源200流到负载300(当负载操作时)的受控(例如恒定)电流i1结合以形成电流i3。因此，电流i3包括频率与激励信号的频率相对应的时变分量。随着激励信号的频率改变(例如，在激励信号是扫频正弦波或线性调频信号的情况下)，电流i3的时变分量i2的频率相应地改变。

处理单元424被配置为测量负载300两端的电压和通过负载的电流i3，并且基于所测量的电压和电流，通过将所测量的电压除以所测量的电流来确定或计算在负载300的特定操作点处负载300的阻抗。处理单元424可以针对激励信号的多个不同频率进行电压和电流测量，并且处理单元424可以确定或计算负载300在每个激励频率处的阻抗。然后，通过使用将负载300的频率响应与其阻抗相关的已知技术或模型，所确定的或计算出的阻抗可以被处理单元424用来确定负载300的频率响应。

例如，在负载300是电动机的情况下，电动机可以被布置为：通过将源200设置为针对选定的电动机负载输出适当的电流i1以实现所需的速度和输入电压，操作在选定的操作点。一旦电动机操作在期望的操作点处，由处理单元424输出的激励信号(例如正弦波扫描、线性调频或prbs)就被施加到变压器406的初级绕组408(通过如上所述控制可控开关设备428的操作)，以将电流i2注入系统100。处理单元424在多个不同的激励频率处测量通过电动机的电流i3和跨电动机端子的电压，并且处理单元424基于所测量的电流和电压确定在这些不同激励频率处的电动机的阻抗。然后，处理单元424可以基于所确定的阻抗来确定在所选定的操作点处的电动机的频率响应。为了更完全地表征或验证电动机，可以对电动机的多个不同的选定操作点重复此过程。

现在参考图2，总体上以500示出了用于测量电负载电气系统的频率响应的备选装置，其以与图1的装置400相同的方式耦合至受控电流源200和电负载300。备选装置500包括与装置400的元件相同的多个元件，因此图1和图2中的相同元件由相同的附图标记表示。

备选装置500与图1的装置400的不同之处在于：旁路二极管426和可控开关设备428被耦合至处理设备424的输出422的可控ac电压源502代替。

在备选装置500的操作中，处理单元424控制可控ac电压源502，以将ac电压形式的激励信号输出到变压器406的第一绕组408，其在次级绕组410两端感应出交变电压，从而导致变化的电流i2流过电容器412。如在图1的装置400中一样，电流i2与从源200流到负载300(当负载操作时)的电流i1结合以形成电流i3。因此，电流i3包括频率与激励信号的频率相对应的分量。处理单元424可以控制可控电压源520，以产生其频率随时间变化的激励信号，例如，扫描正弦波或线性调频信号。随着激励信号的频率改变，电流i3的i2分量的频率相应地改变。

如在图1的装置400中一样，处理单元424被配置为测量负载300两端的电压和通过负载的电流i3，并且基于所测量的电压和电流，确定或计算在负载300的特定操作点处负载300的阻抗。处理单元424可以针对激励信号的多个不同频率进行电压和电流测量，并且处理单元424可以确定或计算负载300在每个激励频率处的阻抗。然后，所确定的或计算的阻抗可以被处理单元424用来使用已知技术确定负载300的频率响应。

从前述内容可以理解，本文公开的和附图中示出的装置400、500提供了一种用于确定耦合至受控电流(例如恒定电流)源的负载在负载的操作期间的阻抗和频率响应的成本有效的机制，从而有助于精确识别和验证负载，并允许控制工程师对负载进行精确的控制设计。应当注意，无论源200如何，都可以使用上面描述的以及在附图中示出的装置400、500。例如，装置400、500可以用在使用整流器作为电流源的电气系统中，以及用在以直接在线模式操作的电气系统中。

尽管在上面的公开中讨论了电动机作为负载的示例，但是本领域技术人员将理解，本公开的装置400、500可以用于测量其他类型的电负载(例如，电力电子组件、dc-dc转换器、逆变器、整流器等)的频率响应。此外，尽管在以上的讨论中给出了单相电动机作为负载的示例，但是本公开的装置(400、500)同样适用于三相电动机，在这种情况下，每相的阻抗可以通过每相使用一个装置来如上所述进行表征。附加地或备选地，可以使用诸如dq变换之类的三相分析方法来计算旋转同步坐标系中的阻抗。

应当注意，上述实施例用于说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计很多备选实施例而不脱离所附权利要求的范围。单词“包括”不排除权利要求中列出的元件或步骤之外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”不排除多个。权利要求中的任何附图标记不应理解为对其范围的限制。