用于对三相感应电机进行表征的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于确定三相感应电机的等效电路参数的方法和装置。

背景技术

图1是总体上由附图标记100指示的已知电机系统的示意性框图。电机系统100包括三相感应电机10。感应电机系统100还包括交流(ac)电源20、整流器40、电感器50、直流(dc)链路电容器60、逆变器模块80和控制器90。

如本领域中众所周知的，整流器40和电感器50将由ac电源20所提供的ac电力转换为dc链路电容器60处的dc电源。逆变器模块80包括典型地为绝缘栅双极型晶体管(igbt)的多个开关元件。这些开关元件用于将dc链路电容器60处的dc信号转换为三个ac信号。这三个ac信号被提供给三相感应电机10的相中的每一相。控制器90为逆变器模块80的开关元件中的每一个提供切换指令。因此，控制器90能够准确地控制被提供给三相感应电机10的信号中的每一个信号的频率和相位。

控制器90可以例如用于控制三相感应电机10以便提供期望的速度和/或转矩。为了能够进行准确的控制，控制器90将三相感应电机10的电磁特性纳入考虑是有必要的。

将三相感应电机10的电磁特性纳入考虑的一种方法是使用与三相感应电机10相关的数据表信息。然而，即使在可获得此信息时，对三相感应电机10进行准确和高效的控制也经常是不够精确并且不够准确的。

使用数据表信息的一种替代方案是测量三相感应电机10自身的特性。例如，控制器90可以控制将信号注入到三相感应电机10内，并且监测对那些信号的响应。基于那些响应，控制器90可以估计三相感应电机10的各个电阻和电感。

图2是在三相感应电机、比如上文所描述的三相感应电机10静止时该三相感应电机10的等效电路。三相感应电机10包括定子绕组和转子绕组。术语‘转子绕组’此后用来涵盖转子笼、或者转子绕组两者。

总体上由附图标记200所指示的等效电路包括具有电阻值rs的定子电阻210。定子漏电感xls220具有值lls。磁化电感xh230包括三相感应电机10的互感，并且具有值lh。转子漏电感xlr240具有值llr。转子电阻250具有电阻值rr。

三相感应电机还具有转子电感值lr，该转子电感值为磁化电感xh230的电感值lh与转子漏电感xlr240的电感值llr的总和。因此：

lr＝lh+llr

三相感应电机10还具有定子电感值ls。定子电感值ls为磁化电感xh230的电感值lh与定子漏电感xls220的电感值lls的总和。因此：

ls＝lh+lls。

技术实现要素：

本发明提供了一种根据所附权利要求1所述的方法。该方法允许确定三相感应电机的等效电路参数，该三相感应电机包括定子绕组和转子绕组。该方法包括：向该定子绕组施加电流；以及改变施加至该定子绕组的电压以便将施加至该定子绕组的该电流调节为恒定电流。当所施加电压已经达到恒定电压时，终止施加该电流。然后，根据该恒定电流、这些所施加电压以及直到该所施加电压达到该恒定电压的时间段来确定这些等效电路参数。

本发明还提供了根据所附权利要求17所述的控制系统。该感应电机控制系统包括电流调节器，该电流调节器用于三相感应电机，该三相感应电机包括定子绕组和转子绕组。用于确定三相感应电机的等效电路参数的控制模块被配置用于向该定子绕组施加电流并且改变施加至该定子绕组的电压以便将施加至该定子绕组的该电流调节为恒定电流。该控制模块被配置用于：当所施加电压已经达到恒定电压时，终止施加该电流。该控制模块还被配置用于根据该恒定电流、这些所施加电压以及直到该所施加电压达到该恒定电压的时间段来确定该三相感应电机的这些等效电路参数。

本发明还提供了一种根据所附权利要求20所述的感应电机系统。该感应电机系统包括本发明的感应电机控制系统以及包括定子绕组和转子绕组的三相感应电机。

这些从属权利要求提供了本发明的实施例的细节。

本发明的方法和系统可以允许对三相感应电机进行快速表征。这种方式在现有电机被另一种电机(例如新电机)所代替并且替代电机的电路参数的准确值不可从数据表或其他来源获得的情况下可能是尤其有用的。在这种情况下，该方法和系统可以允许在首次接通电机以供正常使用之前、在短到足以引起电机系统的最小‘停机时间(down-time)’的时间段内对电机参数进行表征。

可替代地或另外地，该方法可以用于在正常使用中、即在恰好电机被替换的情况的其他时间上周期性地测量电机的电路参数。这种测量可以允许电路参数的变化的值保持准确。例如，由于电机老化并且其电路参数随着时间推移而变化，电路参数的值可能发生的变化。

附图说明

现在将参考以下示意性图示进一步详细地描述本发明，在附图中：

图1是已知电机系统的示意性框图；

图2是异步电机的等效电路；

图3是根据本发明的感应电机控制系统的示意性框图；

图4是根据本发明的方法的流程图；

图5是根据本发明的另一种方法的流程图；

图6是当实现图5的流程图的方法时可以观测到的电压信号和电流信号的图形表示；

图7展示了图6的电压脉冲的细节。

图8展示了图6和图7的电压脉冲的细节。

图9展示了从将本发明的方法实际应用到感应电机上所获取的轨迹。

具体实施方式

图3是根据本发明的感应电机控制系统300的示意性框图。在所展示的实施例中，感应电机控制系统300包括：电流调节器320、逆变器模块330、传感器340、反馈路径345和控制模块350。

在图3中，电源310连接至电流调节器320。电源310向感应电机控制系统300提供电力。电源310可以例如总体上对应于图1的交流电压源20和整流器40。

电机控制系统300的电流调节器320将电源310的输出连同来自控制模块350的控制信号一起接收作为其输入。电流调节器320向逆变器模块330提供经调节的输出电流。

逆变器模块330进而向感应电机360供应电流。感应电机360包括定子绕组362和转子绕组364，该定子绕组和该转子绕组总体上对应于图2中所示的电气安排。感应电机360是三相电机。

如图3中所展示的，控制模块350向电流调节器320和逆变器模块330提供输入信号。在感应电机360的操作中，控制模块350可以精确地控制被提供至感应电机360的这些信号中的每一个信号的频率和相位。传感器340包括用于每个相的电流传感器。路径345展示了向电流调节器320供应关于被供应至感应电机360的电流的输出的数据。

控制模块350确定感应电机360的等效电路参数。感应电机360的等效电路参数总体上如参考图2所描述的那样。控制模块350被配置用于：

a)向感应电机360的定子绕组362施加电流i。此电流i可以由电流调节器320控制以采用控制模块350所命令的值ic。

b)改变施加至感应电机360的定子绕组362的电压v，以便将施加至定子绕组362的电流i调节为恒定电流ic。

c)当所施加电压v已经达到恒定电压值vc时，终止施加电流ic。

d)根据恒定电流ic的值、所施加电压v的值以及直到该所施加电压达到恒定电压vc的时间段来确定感应电机360的这些等效电路参数。

感应电机控制系统300的控制模块350可以被配置用于向感应电机360的定子绕组362施加恒定电流ic，该恒定电流ic是感应电机360在使用中时的额定工作电流。所选择的恒定电流ic可以根据感应电机360的额定工作电流而变化。然而，本发明的方法的准确度针对更接近感应电机360的额定工作电流的恒定电流ic的值可以提高。感应电机360在恒定电流ic的施加期间保持静止。

在开始施加恒定电流ic时，该电流并不流经感应电机360的电感xh230。因此，在开始施加恒定电流ic时，恒定电流ic流经定子电阻210、定子漏电感xls220、转子漏电感xlr240和转子电阻250。一旦感应电机360已经被磁化，转子电阻250就会被磁化电感xh230有效地短路。因此，一旦感应电机360已经被磁化，恒定电压vc和恒定电流ic的比值就会提供定子电阻210。

图3示出了电机控制系统300连同单独的电源310和单独的感应电机360。电机控制系统300可以与电源310和感应电机360两者中的一者或两者分开地被构建和供电。然而，在替代性安排中，电机控制系统300可以至少与感应电机360一起作为感应电机系统而被供电。

电机控制系统300可以被配置用于确定感应电机360在测量阶段期间的等效电路参数。然后，一旦这些参数已经被确定，电机控制系统300就可以生成用于感应电机360的正常操作的驱动电压，该生成基于所确定的感应电机360的等效电路参数。

图4是根据本发明的方法400的流程图。方法步骤410至440总体上对应于上文结合图3所描述的点a)至d)。

在步骤410处，电流调节器320向感应电机360施加电流ic。在步骤420中，由电流调节器320调节电流i以便将其值调节为恒定电流ic。控制模块350起到通过改变输出电压v来设置所施加电流i的值的作用。电流调节器320经由路径345接收关于被供应至感应电机360的电流i的输出的数据。控制模块350存储关于所施加的电压v的值的数据。

在步骤430处，电流调节器320终止施加电流i。当施加至感应电机360的电压v已经达到恒定电压值vc时，电流调节器320终止施加电流ic。再次，电流调节器320在控制模块350的控制下起作用。

在步骤440处，本发明的方法确定感应电机360的等效电路参数。此确定基于恒定电流ic的值、所施加电压的值以及直到该所施加电压达到恒定电压vc的时间段。结合图6展示了这些参数的进一步的细节。

本发明的方法400可以允许对感应电机360进行快速表征。该方法可以尤其有利的应用的示例是由另一个电机360(例如新电机)代替现有感应电机。当将新电机、比如感应电机360连接至本发明的感应电机控制系统300时，新感应电机360的电路参数的准确值可能不可从数据表或其他来源获得。在这种情况下，方法400可以允许在短到足以导致感应电机360的最小‘停机时间’的时间段内对电机参数进行表征。对电机参数的表征可以例如发生在少于15秒内，并且在许多电机的情况下可以明显更快地完成。

可替代地或另外地，方法400可以用于测量在正常使用中、在其他时间的感应电机360的电路参数。这些测量可以例如以预定间隔、或者每次电机启动时、或者在预定数量次电机启动之后进行。因此，方法400可以在除了恰好感应电机360被替换的情况之外的其他时间使用。这种测量可以允许感应电机360的电路参数的变化的值保持准确。例如，由于感应电机360老化并且其电路参数随着时间推移而变化，可能发生电路参数的值的变化。

图5是根据本发明的另一种方法500的流程图。图5应该与图6一起阅读。图6是当实现图5的流程图的方法时可以观测到的电压v信号和电流i信号的图形表示。图6的上部轨迹表示相对于时间绘制的施加至感应电机360的电压。图6的下部轨迹表示相对于时间绘制的施加至感应电机360的电流。图6的上部轨迹和下部轨迹的时间轴指示相同的时间，即，对于上部轨迹和下部轨迹而言零时间点是同一个。然而，时间标度是非线性的，并且这样做是为了使得可以在单个曲线图上示出短脉冲和长脉冲。贯穿图6至图8，利用相应的附图标记来示出波形的相应点。

图5的方法的步骤510指示由控制模块350对感应电机360的参数进行初始化。感应电机360的感兴趣参数可以包括结合图2所展示的那些参数：定子电感210的值rs；定子漏电感xls220的电感值lls；磁化电感xh230的电感lh；转子漏电感llr的电感值llr；以及转子电阻rr。

感应电机360还具有：

转子电感的值lr，其为磁化电感xh230的电感值lh和转子漏电感xlr240的电感值llr的总和。因此，lr＝lh+llr。

定子电感的值ls。定子电感值ls为磁化电感xh230的电感值lh与定子漏电感xls220的电感值lls的总和。因此，ls＝lh+lls。

在步骤510中，可以将上述参数全部初始化为零值。例如，这可以发生在首次将感应电机360连接至电机控制系统300时。

然而可替代地，在步骤510中，可以将这些参数中的部分或全部参数初始化为除零以外的值。可能发生这种情况的示例是从与感应电机360一起提供的数据表或其他信息来源知道了电机控制系统300的参数的一些值。另一个示例是电机控制系统300之前已经驱动了感应电机360。在这种情况下，电机控制系统300在进行感应电机360的那次操作之前或者作为其一部分已经执行了对上述参数中的部分或全部参数的上一测量循环。

在步骤520处，控制模块350命令向感应电机360的定子绕组362供应短电压脉冲。图6中的电压脉冲620指示步骤520中所施加的短电压脉冲。电流调节器不一定用于电压脉冲。可以向感应电机360施加全dc链路电压。然后，使用测量之间的快速间隔来监测上升电流。测量之间的间隔可以例如是0.01毫秒。当达到期望电流时，可以然后关闭dc链路电压的供应，该期望电流足以提供对电流变化率的准确测量。在非限制性说明性示例中，电压脉冲620的持续时间可以在范围0.02毫秒至3毫秒内。

可以将电压脉冲620的大小(上文一般称为dc链路电压)设置为将在感应电机360的正常操作中施加的全dc电压。

在一些应用中，正常工作电压可以恰好是提供感应电机360的‘额定电流’的电压。这通常发生在电机处于以下应用中：在该应用中，该电机可能必须持续运行非常长的时间段，并且不能允许过热和切断。

在其他应用中，可能不期望感应电机360处于持续使用中。在这些应用中，可以安装更小的感应电机360，并且然后该感应电机以大于其额定电流的100％的电流运行。例如，可间歇性地为将不持续运行的感应电机360供应例如高达其额定电流的160％。当在正常操作中将存在这样延长的中断使得这些中断将允许感应电机360冷却时，额定电流的160％对于正常操作而言可以是可接受的。电机的许多使用需要这种明显的中断。一些电机仅运行持续一小部分时间，并且在此类应用中，常规地将安装以高于其额定电流的电流运行的‘小型’电机。

图6中的电流脉冲630示出了在电压脉冲620的施加期间流动至感应电机360的电流i。如所展示的，电流脉冲630具有上升的初始部分。

在步骤530中，控制模块350确定在电压脉冲620的施加期间上升电流脉冲630的变化率。对上升电流脉冲630的变化率的确定引起了对总漏电感值(即，定子漏电感lls与转子漏电感llr的总和)的确定。

我们可以将电压脉冲620的大小表示为v620，将在施加电压脉冲所持续的时间t630内达到的电流大小表示为i630。可以然后使用以下公式计算总漏电感：

lls+llr＝(v620xt630)/i630

在步骤540中，控制模块350使用定子电阻rs的假设值与所确定的漏电感lls和llr的总值一起来设置待施加至感应电机360的短电流脉冲的值。

如同样在步骤540中所示的，电流调节器320向感应电机360施加的电流脉冲660的幅值可以是在正常操作中将被施加至感应电机360的定子绕组362的最大电流的50％。这个电流脉冲被展示为图6的下部轨迹中的电流脉冲660。所产生的电压脉冲被示出为图6的上部轨迹中的电压脉冲665。电压脉冲665具有初始波峰667，接着是平稳期，并且最终为总体上平坦的电压部分669。

电压脉冲660的持续时间可以是几百毫秒。在非限制性说明性示例中，电压脉冲660的持续时间可以在范围0.1秒至0.5秒内。在另一个非限制性说明性示例中，电流脉冲660的初始恒定电流可以包括在感应电机的正常工作电流的30％与70％之间的电流。

短电压脉冲620和电流脉冲660仅仅可以通过改变跨图6的时间轴的标度而在图6中清楚地示出。如果尚未这样做，而是替代地针对时间轴使用线性标度，则将不会在时间轴上解析电压脉冲620。替代地，其将仅仅作为差量函数出现，并且不清楚其准确形式。

在步骤550处，控制模块350还确定定子电阻rs的近似值以及转子电阻rr的近似值。这些近似值可根据与电压脉冲665的初始波峰667和总体上平坦的电压部分669相对应的电压v的大小来推导出。

在步骤560处，控制模块350使用漏电感lls与llr的总和以及rs和rr的近似值来对电流调节器320进行调谐。然后，控制模块350使得电流调节器320将电流脉冲注入感应电机360的定子绕组362。电流脉冲的幅值是在正常操作中定子绕组362的电流的100％。电流调节器320改变供应至感应电机360的电压v，以便确保电流脉冲的幅值是恒定电流ic。因此，步骤560总体上对应于图4的步骤410和420。

方法500的步骤560中所施加的电流脉冲被展示为图6的下部迹线中的电流脉冲670。为了将电流脉冲620保持在恒定电流ic而供应至感应电机360的电压v被展示为电压脉冲675。结合图7进一步地讨论电压脉冲675。

在步骤570处，控制模块350根据以下各项来计算感应电机360的定子电阻rs、转子电阻rr和磁化电感值lh：

a.恒定电流ic的值；以及

b.在电流脉冲670期间所施加电压v的值，例如被示出为电压脉冲675的电压值。

图7展示了具有被示出为图6中的电压脉冲675的一般形式的电压脉冲700。

电压脉冲700的初始部分710随着图6的下部轨迹的电流脉冲670的开始而升高。电压脉冲700的第二部分720表示电压v的变化，这些变化确保供应至感应电机360的电流i保持尽可能地接近恒定电流ic。

电压脉冲700的第三部分730表示电压v的下降。在第三部分730期间，经过感应电机360的磁化电感xh230的电流上升至恒定值。再次参见图2的等效电路。

电压脉冲700的点740是第三部分730结束的点，其为电压v变得水平的点。电压脉冲700的点740表示经过感应电机360的磁化电感xh230的电流已经达到最终恒定值ic的点。在图7上将第一部分710的开始与点740之间的时间指示为时间段t1。

电压脉冲700的第四部分750表示感应电机360的磁化电感xh230有效地充当至感应电机360的转子电阻250的短路的情形。根据图2可以看出这是正确的。第四部分750的电压电平是vc。电压电平vc表示跨具有电阻rs的定子电阻210两端的电压。因此，vc是恒定电流ic与定子电阻rs的乘积。因此：

rs＝vc/ic

因此，使用上文给出的针对rs的关系式，所测得电压vc和已知电流ic提供了rs的值。

电压脉冲700的第五部分760对应于电流脉冲670结束。在非限制性示例中，电流调节器320可以施加该电流持续0.3s至7s范围内的持续时间。

图8展示了具有被示出为图6中的电压脉冲675和图7中的电压脉冲700的一般形式的电压脉冲800。

第一区域880被示出为具有虚交叉阴影线。第一区域880的高度等于所测得电压vc并且宽度等于所测得时间段t1。

电压脉冲800的第三部分830表示电压v的下降。第三部分830的外推部分835被示出为从第三部分830的线性区域的左端上升。可以基于第三部分830的下降率和第一部分810的位置来计算外推部分835，例如，作为第三部分830的线性区域的、具有与第三部分830相同梯度的延续。当第三部分830的线性区域具有复杂形式时，可以使用曲线拟合方式来绘制外推部分835。

外推部分835继续，直到峰值点838。峰值点838在电压脉冲800的第一部分810的垂直上方。在峰值点838处的电压v是vp，如在电压轴上所指示的。

在图8的右上方处，区域836更详细地重现了电压脉冲800的外推部分835和峰值点838。在区域836内，相对于电压脉冲800的主图示，在扩展时间标度上示出了外推部分835和峰值点838。外推部分835已经被示出为第三部分830的线性区域朝向左上方的、穿过变化的第二部分820的线性延伸。外推部分835结束于峰值点838处，该峰值点位于电压脉冲800的第一部分810的正上方。

在未计算外推部分835的实施例中，可以将电压830的峰值vp的估计值选择为变化的第二部分820上的点。将选择朝向中间范围(即，远离第二部分820的波峰和波谷)的点。该点将朝向第二部分820的左部。

第二区域890被示出为紧靠在第一区域880上方。第二区域890表示在电压脉冲800下方、在第一部分810与点840之间的区域减去第一区域880。因此，第二区域890可以被计算为位于电压脉冲800的第一区域880的顶部边缘上方、但是位于组合的第三部分830与外推部分835下方的总区域。

上文对图7的讨论以rs的计算结束。然而，图8中的电压vp是驱动恒定电流ic经过具有电阻值rs的定子电阻210与具有电阻值rr的转子电阻250的组合所需的电压v。根据图2可以看出这是正确的。在电流脉冲670的开始处，磁化电感xh230将呈现出对电流的非常高的阻抗。所以，在电流脉冲670的开始处，并且在rs已知的情况下，可以使用以下关系式：

rr＝(vp/ic)-rs

或者

rr＝(vp-vc)/ic

因此，vp和vc的值与已知的ic值一起提供了rr的测量结果。

剩余的感兴趣变量是感应电机360的磁化电感xh230的值lh。第二区域890取决于在时间段t1期间经过感应电机360的磁化电感xh230增大的电流。磁化电感xh230的值lh越大，在达到点840之前磁化电感xh230中产生的通量越大，并且因此第二区域890的范围越大。以下关系式提供了磁化电感xh230的值lh

lh＝(第二区域890的积分)/ic

当计算了外推部分835并且其为线性的时，第二区域890是三角形。第二区域890的底部具有长度t1。第二区域890的高度为vp-vc。因此，针对磁化电感xh230的值lh的式子可以被改写为：

lh＝[t1×(vp-vc)]/(2ic)

更一般地，当第二区域890具有更复杂的形式时：

lh＝∫(v-vc)dt/ic

当所施加电流的上升时间相对较长时，控制模块350和电流调节器320可以被认为充当‘低带宽’电流控制器。在此，‘带宽’意味着电流调节器320将电流注入感应电机360的定子绕组362需要多少时间，即，电流的平均上升时间。如果例如达到电流ic的上升时间相对较短，则电流调节器320的带宽被认为是‘高’。相反，如果上升时间相对较长，则电流调节器320的带宽‘低’。

因此，已经确定了感应电机360的等效电路参数。然后，控制模块350能够在持续或间歇的正常操作中驱动感应电机360。在操作中，感应电机控制系统300将借助对驱动电压的频率和相位的控制基于所确定的等效电路参数来生成用于感应电机360的驱动电压。

图9展示了从将本发明的方法实际应用到感应电机上所获取的轨迹。

图9中的下部轨迹a示出了与图6中的电流脉冲670相对应的电流脉冲670。

图9中的上部轨迹示出了总体上与图8中的电压脉冲800相对应的电压脉冲。第一部分810对应于图8中的第一部分810。峰值点838、第二部分820和第三部分830都对应于图8中的电压脉冲800的类似编号的部分。峰值点838提供了峰值电压vp的测量结果。

点840表示与图8中的点840相对应的、第三部分830的结束。第一部分810与点840之间的时间是时间t1的测量结果。与图8的第五部分850相对应的第五部分850的电压电平提供了vc的测量结果。

再次参考图3，感应电机控制系统300可以使用上文结合图4至图8所描述的方法来确定感应电机360的等效电路参数。该方法还可以检测感应电机控制系统300中逆变器模块330的非线性的影响。

因此，电机控制系统300包括用于感应电机360的电流调节器320。控制模块350确定感应电机360的等效电路参数，并且被配置用于：

a)向感应电机360的定子绕组362施加电流i；

改变施加至定子绕组362的电压v，以便将电流i调节为恒定电流ic；

b)当所施加电压v已经达到恒定电压vc时，终止施加电流i；

c)根据以下各项确定等效电路参数：恒定电流ic的值；所施加电压v的值；以及直到所施加电压达到恒定电压vc的时间段。

感应电机控制系统300可以具有控制模块350，该控制模块被配置用于向定子绕组362施加恒定电流ic，该恒定电流等于或接近感应电机360在使用中时的额定工作电流，其中，感应电机360在恒定电流ic的施加期间保持静止。感应电机控制系统300可以进一步被配置用于借助对驱动电压的频率和相位的控制基于所确定的等效电路参数来生成用于感应电机360的驱动电压。

感应电机控制系统300可以与感应电机系统集成或者作为感应电机系统的一部分被供电，该感应电机系统还包括三相感应电机360。

上文所描述的本发明的实施例仅仅通过举例的方式来提供。本领域的技术人员将会知道在不偏离本发明的范围的情况下可以进行的许多修改、变化以及替换。本申请的权利要求书旨在涵盖如落在本发明的精神和范围内的所有这样的修改、变化和替换。