一种控制电机的方法、设备及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种控制电机的方法、设备及系统，该电机用于驱动负载，电机和负载构成系统的至少一个部分，电机包含依据施加的交流电压而产生变化磁场的定子，和依据所述定子产生的所述变化磁场而旋转的转子，所述转子以与所述施加的交流电压的频率同步的速度旋转。所述方法包含接收目标转子速度，确定所述施加的交流电压的电压值，当所述转子以目标转速旋转时，所述交流电电压值产生的磁场具有充足的磁通量以维持转子与所述施加的交流电压的所述频率同步。所述电压值依照所述目标转子速度以及包含多个模型元素的系统模型确定。
【专利说明】一种控制电机的方法、设备及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制电机的方法、设备及系统。尤其涉及(但不局限于)一种控制电机转子转速的方法。
【背景技术】
[0002]电机通常用于为各种设备的运转提供动力，这些设备包括从极小型的机器至大型的组装件，例如电梯(也称为“升降机”)。在应用中，尤其是在需要恒速电机的工业应用中，最常用的电机就是同步电机。同步电机使电机轴的转动与为电机提供动力的电网频率同
止/J/ o
[0003]通常，同步电机包含一个定子和一个转子。定子内有多个线圈或绕组，通过这些线圈或绕组可产生电流；转子则包含至少一对永久磁铁。当交流电通过定子绕组时，该绕组会产生一个变化的磁场。由此可知，在一个三相电机中，当三相交流电通过相应各自的绕组时，定子将产生一个旋转磁场。接着，这个旋转磁场将使转子开始旋转，且转子的转速与三相交流电的频率同步。最后，转子和定子之间的角度将产生一个合成净转矩，该合成净转矩规定了转子的净旋转运动。
[0004]为了保证转子随时以所需的速度在所需的方向进行净旋转运动，则必须控制转子的净转矩。注入到定子(与转子中的永久磁铁相对)中绕组的电流的位置和相位，将决定定子产生的磁通量的配置。这将影响转子中绕组产生的旋转运动，这反过来决定了转子的净转矩，继而决定了电机的效率。
[0005]控制电机的常见方法是使用各种速度和位置传感器监控转子的旋转，并调整施加至定子的电压特性，从而控制转子的旋转。然而，此类方法需要进行极大量的计算且需要额外的电子组件，因而会导致系统制造成本上升。
[0006]一种有效控制电机的方法(不使用速度和位置传感器)，是利用电流闭环矢量控制方法。这种方法采用诸如信号注入等技术来确定转子轴的位置。但是，即便这些技术不使用速度和位置传感器，它们仍要求进行大量计算且依赖于高带宽电流测量系统。
[0007]一种替代的控制电机的方式，尤其适用于低动态的电机应用(如泵和风机)，是电流开环(OL)的方法。在OL方法中，基于所需的机械速度的曲线确定电机端子电压。与电流闭环法相比，尽管电流开环法可在更低成本的硬件中实施，并且具有提高计算效率的优势，但这些方法的效率仍然极低。
【发明内容】
[0008]本发明的实施例尝试减轻至少一些上述问题。
[0009]根据本发明的一个方面，提供了一种控制电机的方法，该电机用于驱动负载。所述电机和负载构成系统的至少一个部分。所述电机包含依据施加的交流电压而产生变化磁场的定子，和依据所述定子产生的所述变化磁场而旋转的转子，所述转子以与所述施加的交流电压的频率同步的速度旋转。所述方法包含接收目标转子速度。所述方法还包含确定所述施加的交流电压的电压值，当所述转子以目标转速旋转时，所述交流电电压值产生的磁场具有充足的磁通量以维持转子与所述施加的交流电压的所述频率同步。所述电压值依照所述目标转子速度以及包含多个模型元素的系统模型确定，其中一个或多个所述模型元素表示在转子恒速旋转时，系统的一个或多个部件对转子旋转的影响；另一些模型元素表示在转子转速动态变化时，系统的一个或多个部件对转子旋转的影响。所述方法还包含向所述定子施加所述交流电压，使其在所述确定的电压值，并在所述目标转子速度所需的频率。
[0010]上述电压值由施加到所述模型的所述目标转子速度确定。
[0011]上述电压值由以下公式确定:
[0012]Vt = K' CO2 + K1CO + K,(b + K4Cd + K,
[0013]其中CO是目标转子速度；^是目标转子速度的一阶导数；历是目标转子速度的二阶导数^是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，随转子速度的平方而变化；k2是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，随转子速度而变化；k3是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，随转子速度变化率而变化；k4是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，随转子速度变化率的变化率而变化；k5是与抑制转子自由旋转的所有常数的影响相关的系数，包括静摩擦力。
[0014]当上述系统恒速运转时，所述电压通过以下公式计算:
[0015]VT(Constantspeed) — w +K2 W +K5
[0016]其中Co是目标转子速度^是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，其随转子速度的平方而变化；K2是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，其随转子速度而变化；k5是与抑制转子自由旋转的所有常数的影响相关的系数，包括静摩擦力。
[0017]当上述系统以动态速度运转时，所述电压通过以下公式计算:
[0018]VTidynamicspeed) = K1Jb + K4m
[0019]其中&是目标转子速度的导数；运是目标转子速度的二阶导数；K3是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，其随转子速度变化率而变化；k4是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，其随转子速度变化率的变化率而变化。
[0020]上述模型的系数Kn由用户选择。
[0021]上述模型被设置用于使电机效率的最大化与降低电机异步的风险相平衡。
[0022]当上述目标转子速度高于或者低于所述电机的当前速度时，所述电机的速度是动态变化的。
[0023]当上述目标转子速度高于所述电机的当前速度时，所述电压值会增长一个附加
量。
[0024]上述方法还包括在向所述定子施加所述交流电压，使其在所述确定的电压值之后，改变所述施加的交流电压的频率至所述目标转子速度所需的频率。
[0025]所述方法可以是开环电机控制方法。
[0026]根据本发明的另一方面，提供了一种控制电机的设备，所述电机包含依据施加的交流电压而产生变化磁场的定子，和依据所述定子产生的所述变化磁场而旋转的转子，所述转子以与所述施加的交流电压的频率同步的速度旋转。所述设备包含设置用于执行本文所述的电机控制方法的处理器。
[0027]根据本发明的又一方面，提供了 一种系统，其包含电机。所述电机包含依据施加的交流电压而产生变化磁场的定子，和依据所述定子产生的所述变化磁场而旋转的转子，所述转子以与所述施加的交流电压的频率同步的速度旋转。该系统也包含用于控制本文所述电机的设备。
[0028]上述系统还包含负载，所述负载由所述电机驱动。
[0029]本发明的实施例具有低能耗、低散热量的优点。另外，本发明的实施例将复杂用户配置的需求降至最低。对于一个给定的系统效率，本发明的一些实施例达到既定效率所需少的计算和信号处理工作量较少。
[0030]本发明的实施例将通常用于异步电机的普通电流开环控制应用于包括永磁(PM)电机在内的同步电机。这种实施例提供了简单的电机控制。这种实施例也提供了简单的设置。
[0031]本发明的实施例涉及一种方法，当给定恒定输出频率(或速度)需求时，所述方法使用简单的负载和电机模型来计算最优的电压值。在施加的输出频率(或速度)发生任何动态变化之前，通过所述负载和电机的简单模型按照规定修改电压输出。最终的电压输出使效率和避免异步的稳健性之间达到平衡。
[0032]在本发明的实施例中，在给定的负载动态速度曲线下，所述系统比标准开环电压需求方法更加有效。这是由于所需终端电压是基于恒定的速度设置的，只有当动态速度变化产生时，才增加电压值以补偿差值。
[0033]本发明的实施例可进一步提供低速度/转矩控制，当电机旋转时，转换为电流闭环矢量方法。
[0034]除本文所述外，本发明的实施例还可用于其他类型的同步电机和负载模型。
[0035]本发明的实施例的目标在于，通过降低低负载转矩时的电压值以最大程度地提高系统效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]以下将结合参考【专利附图】
【附图说明】本发明的典型实施例:
[0037]图1所示为一个同步电机；
[0038]图2所示为所需的频率或速度与施加的电压之间的关系；
[0039]图3所示为电机随时间变化的各种运转状态。
[0040]在所有描述和附图中，同样的参考数字指的是同样的部件。
【具体实施方式】
[0041]图1示出了一个电机设置，其包含定子10和转子20。所述定子20和转子10为圆形且同轴，转子10安装在定子20内部。
[0042]定子10包含三组绕组11、12、13，这三组绕组等距地分布在定子10的圆周上。每个绕组都布置为具有穿过其中的平衡三相电流的其中一相，其中为每个相组件提供等量电流，且各个相组件之间以120°的相位进行分离。三个绕组11、12、13的相位分离有效抵消了机械分离，以通过定子10提供正弦磁场分布。[0043]转子20包含单个固定条形磁铁形式的磁元件21，该条形磁铁从转子20的第一侧面向转子20的第二侧面运行，其中转子的第二侧面与其第一侧面相对。转子绕其轴旋转，而其轴沿转子纵向运行(详情参见图1)。
[0044]由于磁兀件21与正弦磁场分布的磁相互作用，因此定子10的正弦磁场分布将驱动转子20旋转。图1中的箭头22所指为转子20由此产生的旋转。
[0045]图1的电机设备用于驱动负载，且通过控制设备对所述电机进行控制。电机、负载和设备共同组成一个大型的整体系统。
[0046]现在将详细说明控制如图1所示电机的方法。
[0047]该方法使用开环方法，降低处理的复杂性并减少执行时所需的物理组件。进一步地，所述的方法尽可能提供接近90°的转矩角，同时通过保持转矩角在90°以下以降低转子与定子异步的风险，从而最大程度地提高系统的效率。
[0048]为提供这种优化的开环控制方法，本发明根据一个整体系统的模型来计算向定子10施加的电压。等式I中显示了系统的简单机械模型，其中系统的负载，即抑制电机自由旋转的整个系统的部件总和将作为转子轴的机械速度《的函数进行计算。
【权利要求】
1.一种控制电机的方法，该电机用于驱动负载，所述电机和负载构成系统的至少一个部分，所述电机包含依据施加的交流电压而产生变化磁场的定子，和依据所述定子产生的所述变化磁场而旋转的转子，所述转子以与所述施加的交流电压的频率同步的速度旋转，所述方法包含: 接收目标转子速度； 确定所述施加的交流电压的电压值，当所述转子以目标转速旋转时，所述交流电电压值产生的磁场具有充足的磁通量以维持转子与所述施加的交流电压的所述频率同步；其中，所述电压值依照以下确定: 所述目标转子速度；以及 包含多个模型元素的系统模型， 其中一个或多个所述模型元素表示在转子恒速旋转时，系统的一个或多个部件对转子旋转的影响；另一些模型元素表示在转子转速动态变化时，系统的一个或多个部件对转子旋转的影响；以及 向所述定子施加所述交流电压，使其在所述电压值，并在所述目标转子速度所需的频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电压值由施加到所述模型的所述目标转子速度确定。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电压值由以下公式确定:
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述系统恒速运转时，所述电压通过以下公式计算:
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述系统以动态速度运转时，所述电压通过以下公式计算:
VTUh—speed) = K2^> + K4岳 其中士是目标转子速度的导数；m是目标转子速度的二阶导数；K3是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，其随转子速度变化率而变化；K4是与抑制转子自由旋转的系统所有部件的影响相关的系数，其随转子速度变化率的变化率而变化。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述模型的系数Kn由用户选择。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模型被设置用于使电机效率的最大化与降低电机异步的风险相平衡。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述目标转子速度高于或者低于所述电机的当前速度时，所述电机的速度是动态变化的。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当所述目标转子速度高于所述电机的当前速度时，所述电压值会增长一个附加量。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括: 在向所述定子施加所述交流电压，使其在所述确定的电压值之后，改变所述施加的交流电压的频率至所述目标转子速度所需的频率。
11.根据权利要求1或10所述的方法，其特征在于，所述方法是开环电机控制方法。
12.—种控制电机的设备，其特征在于，所述电机包含依据施加的交流电压而产生变化磁场的定子，和依据所述定子产生的所述变化磁场而旋转的转子，所述转子以与所述施加的交流电压的频率同步的速度旋转，所述设备包括: 处理器，其被设置用于执行权利要求1至11任一所述的方法。
13.—种系统,其特征在于,包括: 电机，其包含依据施加的交流电压而产生变化磁场的定子，和依据所述定子产生的所述变化磁场而旋转的转子，所述`转子以与所述施加的交流电压的频率同步的速度旋转；以及 如权利要求12所述的设备。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，其中所述系统还包含负载，所述负载由所述电机驱动。
【文档编号】H02P21/02GK103795318SQ201310507729
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2012年10月26日
【发明者】西蒙·大卫·哈特 申请人:控制技术有限公司