通过可变频率信号注入对马达的无传感器控制的制作方法

1.本公开涉及用于电气马达的控制方法。本公开还涉及能够控制电气马达的变速驱动器。本公开还涉及包括变速驱动器和电气马达的电气驱动装配件。


背景技术：

2.电气马达(诸如感应马达或永磁同步马达(pmsm))通常由使用矢量控制的变速驱动器(vsd)控制。矢量控制或场定向控制(foc)使用两个正交分量来确定要发送到每个马达定子绕组的电压。一个分量定义了由定子生成的磁通量，而另一个分量对应于由马达的速度确定的扭矩。
3.foc依赖于马达的转子位置的正确获取。转子位置典型地通过光学或磁换能器(编码器)或转子中的额外绕组(旋转变压器(resolver))获得。然而，这在系统中引入了额外的复杂性，并且增加了制造成本且降低了可靠性。此外，光学编码器的使用可能是测量误差的来源，这可能会使foc性能恶化。
4.解决这些问题已引起无传感器控制策略的发展。一种类型的无传感器控制策略是高频(hf)信号注入。该策略包括向马达注入叠加在电压上的高频信号，并从由所注入的信号感应的高频电流中提取转子的位置。
5.与其他无传感器控制策略相比，高频信号注入已显示产生良好的结果，尤其是在低马达速度时。然而，还已经表明在马达中产生声学噪声、振动和附加损失。降低高频信号的振幅可以降低声学噪声，但也会降低信噪比(snr)，这使得提取高频电流中包含的信息更加困难。
6.本发明旨在提供不存在上述缺点的高频信号注入控制策略。


技术实现要素：

7.提出了用于在变速驱动器中实现的电气马达的无传感器控制的方法，其中该方法包括：
8.确定要施加到马达的控制电压；
9.向控制电压注入高频信号以获得激励电压，其中高频信号的一个或多个频率随时间变化；
10.向马达施加激励电压；
11.测量由激励电压在马达中感应的电流，其中电流包括由控制电压感应的基波电流和由高频信号感应的干扰电流；
12.解调电流信号，其中解调电流信号包括：
13.将第一有限脉冲响应滤波器施加到电流信号以提取基波电流，其中来自第一有限脉冲响应滤波器的响应的持续时间根据高频信号的一个或多个频率而变化，以及
14.从电流信号中减去基波电流以提取干扰电流；
15.确定干扰电流的纹波的振幅，纹波的振幅取决于马达的状态。
16.因此，当将激励电压施加到马达时，高频信号的一个或多个可变频率可以扩展由马达产生的声学噪声的频谱。此外，使解调电流信号以获得马达信息适配到高频信号的一个或多个变化频率。
17.以下特征可以可选地单独或与其他特征组合地实现：
18.确定纹波的振幅包括计算高频信号的零均值基元并将干扰电流乘以零均值基元；
19.确定纹波的振幅还包括施加第二有限脉冲响应滤波器，其中来自第二有限脉冲响应滤波器的响应的持续时间根据高频信号的一个或多个频率而变化；
20.高频信号的一个或多个频率随时间随机变化；
21.高频信号是正弦信号；
22.高频信号是方波信号；
23.确定控制电压包括使用电流控制器、将激励电压施加到马达包括使用脉宽调制载波将激励电压转换为脉宽调制电压，并且高频信号的基波频率在电流控制器的频率带宽和脉宽调制载波的频率定义的区间内；
24.高频信号的基波频率在250hz和1khz之间变化；
25.在马达的估计的转子参考系中确定控制电压，并且将高频信号注入到估计的转子参考系中；
26.控制方法还包括通过用基波电流和纹波的振幅更新控制电压来形成反馈环路。
27.在另一方面，提出了电气马达的变速驱动器，其包括处理器和存储器，该处理器被配置为根据上述方法中的任一种操作。
28.在另一方面，提出了电气驱动装配件，其包括变速驱动器和由所述变速驱动器控制的电气马达。
29.在又一方面，提出了包括指令的计算机可读存储介质，该指令当由处理器执行时使处理器执行上述方法。
附图说明
30.其他特征、细节和优点将在以下详细描述和附图中示出，其中：
31.图1示意性地示出了连接到电网和马达的变速驱动器的示例。
32.图2示意性地示出了用于实现操作图1的马达的控制方法的控制系统的示例。
33.图3示意性地示出了图2的控制系统的细节。
34.图4示意性地示出了图2的控制系统的另一个细节。
35.图5示出了在图2的控制系统中使用的信号的示例。
具体实施方式
36.图1是根据本公开的电气驱动装配件10的示意图。电气驱动装配件10可以用于各种工业设置。例如，它可以驱动供暖、通风和空调(hvac)系统的风扇。作为另一示例，它还可用于驱动污水设施的水泵。作为又一示例，它可以驱动装配线上的传送机。本领域技术人员可以设想许多其他工业应用。
37.电气驱动装配件10包括变速驱动器12(或vsd)和电气马达14。
38.优选地，电气马达14是ac(交流)马达14，优选地是同步马达，诸如永磁同步马达
(pmsm)或同步磁阻马达(synrm)。
39.变速驱动器12电气连接到电气马达14。变速驱动器12根据控制方法控制电气马达14的操作。变速驱动器12使得电气马达14能够以应用所需的速度操作。变速驱动器12还允许控制电气马达14对负载的扭矩输出。
40.变速驱动器12总体上包括整流器模块16、dc(直流)电源总线18和逆变器模块20。
41.整流器模块16包括二极管桥，该二极管桥被配置为将由电网g提供的三相ac电压转换为dc电压。可以将整流器模块12输出的dc电压施加到dc电源总线18。
42.dc电源总线18包括由总线电容器c
bus
连接在一起的两条电源线，该总线电容器c
bus
被配置为稳定总线18的电压。dc电源总线18的输出可以连接到逆变器模块20。
43.逆变器模块20包括多个开关臂，每个开关臂包括功率晶体管，例如igbt(绝缘栅双极型晶体管)类型的功率晶体管。逆变器模块20可以旨在于切断由dc电源总线16供应的电压，以实现能操作电气马达14的可变输出电压。
44.此外，变速驱动器12包括处理器proc。处理器proc控制变速驱动器12的其他电气组件。处理器proc被配置为根据控制方法操作。处理器proc可以包括用于由操作系统管理的计算的电子电路。
45.变速驱动器12还包括非暂时性机器可读或计算机可读存储介质，例如存储器或存储装置单元mem，由此非暂时性机器可读存储介质用由处理器proc可执行的指令编码，机器可读存储介质包括用于操作处理器proc以根据控制方法执行的指令。根据本公开的计算机可读存储装置可以是存储可执行指令的任何电子、磁、光或其他物理存储设备。计算机可读存储装置可以是例如随机存取存储器(ram)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、存储驱动器和光盘等。
46.图2示出了变速驱动器12用来控制马达14的操作的控制系统。控制系统使得变速驱动器12能够根据下述控制方法操作。
47.控制方法包括，在步骤101，确定控制电压u0。控制电压u0是当施加到马达14时将使该马达在应用所需的条件下操作的电压。例如，控制电压u0可以使得马达14能够以期望的速度操作。
48.在此，在步骤101确定马达14的控制电压u0是通过场定向控制或foc来实现的。
49.图3更详细地示出了使用foc确定控制电压u0的步骤101。
50.如图所示，确定控制电压u0依赖于参考速度ω
ref
、通量参考φ
ref
和关于马达14的状态的信息。速度参考ω
ref
是为应用而期望操作马达14的速度。通量参考φ
ref
可以从速度参考ω
ref
和马达规格中导出。这里，关于马达14的状态的信息包括由马达14产生的通量φ和实际速度ω。
51.关于马达的状态的信息是从马达14处进行的测量导出。控制系统是闭环系统。换言之，确定控制电压u0是通过在马达14的操作期间接收关于马达14的瞬时状态的反馈来实现的。变速驱动器12基于接收到的反馈来调整控制电压u0。
52.这里，马达处进行的测量是“无传感器”的。控制方式为无传感器控制方法。这意味着反馈完全依赖于由嵌入在变速驱动器12中的电流传感器提供的电流测量。没有安装在马达14上的外部传感器，诸如轴编码器等，以向变速驱动器12提供关于马达14的状态的反馈。
53.如图3所示，确定马达14的控制电压u0包括使用速度控制器和通量控制器。在步骤
1010，速度控制器从参考速度ω
ref
和马达14的实际速度ω导出扭矩产生电流iq。在步骤1011，通量控制器从通量参考φ
ref
和马达14的实际通量φ来导出磁化电流id。速度控制器和通量控制器可以使用比例积分(pi)控制来导出扭矩产生电流和磁化电流。扭矩产生电流iq和磁化电流id是两个正交信号。
54.在步骤1012，确定控制电压u0还包括使用电流控制器。电流控制器将两个正交信号iq、id转换成控制电压u0。电流控制器可以使用马达14处进行的电流测量来转换两个正交信号iq、id。应当注意，根据foc确定的控制电压u0还包括两个正交分量(为了简单起见，这里没有表示)。
55.确定控制电压u0还包括，在步骤1013，改变控制电压u0的参考系。实际上，控制电压u0可以在转子参考系或定子参考系中表达。典型地，控制电压u0最初是在转子参考系的估计中确定的，然后被转换为定子参考系。在定子参考系中表示的控制电压u0定义了要施加到定子绕组的电压，以从马达14获得所期望的速度或扭矩。
56.返回图2，该控制方法包括，在步骤102，将高频信号s0注入控制电压u0中以获得激励电压u1。激励电压u1是控制电压u0和高频信号s0的组合。换言之，高频信号s0整合控制电压u0。
57.高频信号s0可以是包括多个频率的信号，特别是基波频率和任意数量的谐波频率。例如，高频信号s0可以是方波信号。方波信号的使用简化了高频信号s0的合成。或者，高频信号s0可以是正弦信号或任何其他形状的信号。
58.高频信号s0的一个或多个频率随时间变化。高频信号s0的一个或多个频率随时间随机变化。换言之，高频信号s0的一个或多个频率不遵循重复模式。当激励电压u1被施加到马达14时，高频信号s0的随机变化扩展了电机14中产生的声学噪声的频谱。可以实现马达14中产生的可听噪声的降低。
59.高频信号s0的一个或多个频率高于用于在步骤101确定控制电压u0的电流控制器的频率带宽。因此，高频信号s0不干扰所期望的马达14的操作。例如，高频信号s0的基波频率可以在250hz和1khz之间变化。
60.在所示的示例中，在估计的转子参考系中注入高频信号s0。或者，可以在定子参考系中注入高频信号s0。此外，可以在形成控制电压u0的任一正交分量中注入高频信号s0。
61.控制方法包括，在框103，将激励电压u1转换为脉宽调制电压u
pwm
。将激励电压u1转换为脉宽调制电压u
pwm
使用的是脉宽调制载波u
car
。使用脉宽调制载波u
car
是指用脉宽调制载波u
car
调制激励电压u1。
62.脉宽调制载波u
car
的频率高于高频信号s0的基波频率。例如，脉宽调制载波u
car
的频率可以在2到16khz之间。因此，高频信号s0的基波频率在由电流控制器的频率带宽和脉宽调制载波u
car
的频率定义的区间内。优选地，高频信号s0的基波频率接近脉宽调制载波u
car
的频率，以免干扰所期望的马达14的操作。
63.应当注意，图2示出了单相控制系统22。这只是为了简化。典型地，电气马达14将是三相马达。在这种情况下，在步骤103转换激励电压u1为马达14的三相中的每一相生成脉宽调制电压u
pwm
。
64.控制方法包括，在步骤104，将激励电压u1施加到马达14。这里，将以脉宽调制电压u
pwm
形式的激励电压u1发送到变速驱动器12的转换器20以操作马达14。马达14将通过以速
度ω旋转并在定子绕组中产生电流y来对激励电压u1作出反应。
65.控制方法包括，在步骤106，测量在操作期间由马达14感应的电流y。如上所述，由变速驱动器12提供电流测量。在步骤106测量的电流y包括基波电流ya和干扰电流ybs1。
66.基波电流ya是由控制电压u0感应的基波电流。将在步骤102处不注入高频信号s0的情况下测量基波电流ya。基波电流ya可以被反馈到控制步骤101以更新控制电压u0。特别地，电流控制器可以使用基波电流ya。
67.干扰电流ybs1是由高频信号s0感应的干扰电流。干扰电流ybs1是振幅由纹波yb调制的、注入的高频信号s0的基元s1。纹波yb的振幅是马达对高频信号s0的响应的振幅，并且包含关于步骤101处用于确定控制电压u0的马达的状态的信息。因此，纹波yb的振幅可以反馈到控制块101以更新控制电压u0。特别地，纹波yb的振幅可以提供由速度控制器和通量控制器使用的速度ω和通量φ。
68.该方法包括，在步骤107，解调步骤106处测量的电流y。解调电流y包括将干扰电流ybs1与基波电流ya分离。解调电流y还包括确定干扰电流ybs1的纹波yb的振幅。因此可以将基波电流ya和纹波yb的振幅反馈到控制步骤101以更新控制电压u0。如上所述，控制系统22是闭环控制系统22。
69.图4中更详细地示出了解调信号的框107。
70.如图4所示，解调电流y包括，在框1071，将第一有限脉冲响应(fir)滤波器施加到电流信号y。fir滤波器的响应具有有限的持续时间，并且不依赖于滤波器的先前输入。来自第一脉冲响应滤波器的响应的持续时间因此可以适配到高频信号s0的一个或多个频率。来自第一脉冲响应滤波器的响应的持续时间可以对应于高频信号s0的一个或多个频率。因此，有限脉冲响应滤波器可以从电流y中适当地移除干扰电流ybs1。可以从电流y中提取基波电流ya。
71.解调电流还包括，在步骤1072，从电流y中减去基波电流ya。因此，干扰电流ybs1与电流y分离。可以从电流y中提取干扰电流ybs1。
72.解调电流y包括确定纹波yb的振幅，纹波yb携带关于马达14的状态的信息。因此，步骤101处由速度控制器和通量控制器的实际速度ω和通量φ可以根据纹波yb的振幅确定。
73.确定纹波yb的振幅包括，在步骤1073，计算高频信号s0的零均值基元s1。零均值基元s1应理解为在高频信号s0的每个周期内平均为零的基元。
74.确定纹波yb的振幅包括，在步骤1074，将高频信号s0的零均值基元s1与干扰电流ybs1相乘。需要说明的是，将高频信号s0的零均值基元s1与干扰电流ybs1相乘还包括对高频信号s0的零均值基元s1进行转置。因此可以从干扰电流ybs1中提取纹波yb。
75.确定纹波yb的振幅包括，在步骤1075，将第二有限脉冲响应施加到纹波yb。换言之，步骤1075包括取干扰电流ybs1乘以零均值基元s1的滑动平均值。该滑动平均值对应于纹波yb的振幅。如上所述，有限脉冲响应滤波器特别适配到干扰电流ybs1的一个或多个变化频率。
76.图5示出了可以在步骤102注入控制电压u0中的高频信号s0和作为注入的高频信号s0的结果而感应的干扰电流ybs1的示例。
77.这里，高频信号s0是方波信号。当高频信号s0为方波信号时，在步骤1073解调干扰电流ybs1时，可以容易地计算出高频信号s0的零均值基元s1。
78.如图所示，干扰电流ybs1是三角信号，高频信号s0的基元s
l
在振幅上由纹波yb调制。如上所述，可以使用注入的高频信号s0的基元s1来提取纹波yb。
79.此外，在所示示例中，干扰电流ybs1的频率在第一持续时间tl内为高，并且在第二持续时间t2内为低。在步骤1071和1075施加的第一有限脉冲响应滤波器和第二有限脉冲响应滤波器的响应的持续时间可以适配到第一持续时间t1，然后适配到第二持续时间t2。因此，电流解调适合于由高频信号s0感应的电流y的一个或多个变化频率。
80.本公开不限于上述仅有的示例，而是易于受到本领域技术人员可获得的变化的影响。例如，可以在控制方法中实现进一步的信号处理块，例如放大、滤波、逻辑步骤。