无传感器的电动机控制的制作方法
【专利摘要】本发明涉及无传感器的电动机控制。一种电动机控制系统包括功率逆变器和控制电路，所述控制电路被配置为根据基于电压的控制模式中的目标电压或根据基于电流的控制模式中的目标电流控制所述功率逆变器。所述控制器通过操作将所述控制电路的操作在所述基于电压的控制模式与所述基于电流的控制模式之间切换。所述控制器可被配置为以较低的电动机操作速度在所述基于电流的控制模式中操作所述控制电路，此时定子电流余量更重要，并且可被配置为以较高的电动机操作速度在所述基于电压的控制模式中操作所述控制电路，此时定子电压余量更重要。
【专利说明】无传感器的电动机控制
【技术领域】
[0001 ] 本发明的实施例涉及用于控制电动机的系统和方法。
【背景技术】
[0002]电动机一般包括被称为定子的静止部件和被称为转子的旋转部件。当使用驱动波形激励电动机时，转子在定子内(或围绕定子)旋转。感应电动机(有时也称为异步电动机)是一类电动机，其中通过电磁感应而非与转子的直接电连接来将电力提供给转子。
[0003]对于同步电动机，被提供给感应电动机的定子的驱动波形产生随着驱动波形的AC振荡而及时旋转的磁场。感应电动机的转子与定子磁场相比以更低的速度旋转。这种也被称为“转差(slip)”、“转差频率”或“转差速度”的旋转速度之差导致转子绕组中变化的磁通量，这在转子绕组中感应出电流。感应电流进而在转子绕组中产生磁场，这些磁场与定子产生的旋转磁场相反，从而引起转子的旋转运动。转子加速，直到感应的转子电流与转子转矩的大小平衡了施加的负载。由于同步速度旋转不会导致感应的转子电流，因此，感应电动机在正常的正向运行期间总是以低于同步速度的速度运行。
[0004]当驱动波形的频率低于转子频率时(例如在所设计的电动机速度在操作期间被电动机控制器减小的情况下)，定子产生的旋转磁场在转子上感应出与转子运动相反的旋转压力并减小电动机速度。在此操作制动模式中，转子和施加的负载的惯性在定子中导致可激励外部电动机部件(例如，给电动机提供电力的DC总线)的电压。
[0005]一种公知的控制电动机的方法是磁场定向控制或“F0C”。磁场定向控制涉及使用三个电动机输入变量控制电动机，这三个变量包括电压幅值、电压角度和频率。由于定子电流与输出转矩以及电动机的其它操作特性密切相关，因此适合使用磁场定向控制方法以根据目标定子电流操作电动机。但是，在高电动机速度上使用磁场定向控制操纵定子电流的效率较低，因为电动机在最大电压水平处或附近执行操作，消除或减少了一个输入变量(电压幅值)。
[0006]以上部分提供了与本公开相关的背景信息，此信息不一定是现有技术。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例通过提供一种控制电动机的改进系统解决了上述问题，所述电动机能够根据电动机的操作速度在不同操作模式中执行操作。
[0008]根据本发明的实施例构造的电动机控制系统包括:功率逆变器；控制电路，该控制电路被配置为根据基于电压的控制模式中的目标电压或根据基于电流的控制模式中的目标电流控制所述功率逆变器；以及控制器，该控制器用于将所述控制电路的操作在所述基于电压的控制模式与所述基于电流的控制模式之间切换。
[0009]在相关实施例中，所述控制电路包括用于产生和/或调解电动机控制信号的多个调节器。第一调节器接收差分速度信号并基于所述差分速度信号产生参考电流信号的产生转矩的分量i_f，所述差分速度信号表示参考电动机速度与估计的电动机速度之差。第二调节器接收参考速度信号并产生所述参考电流信号的产生磁通的分量idMf。
[0010]第三调节器接收差分i,信号并产生参考电压信号的产生转矩的分量V,，所述差分
i,信号表示i_f与估计的实际的电动机驱动波形的产生转矩的分量i,之差。第四调节器接收差分id信号并基于所述差分id信号产生所述参考电压信号的产生磁通的分量Vd，所述差分id信号表示itof与估计的实际的所述电动机驱动波形的产生磁通的分量id之差。
[0011]在本发明的另一实施例中，一种操作电动机控制系统的方法包括:如果参考电动机速度处于第一速度范围内，则根据目标电流产生第一电动机驱动信号，并且如果所述参考电动机速度处于第二速度范围内，则根据目标电压产生第二电动机驱动信号。所述方法进一步包括当所述目标速度在所述第一速度范围与所述第二速度范围之间变化时，将所述电动机控制系统的操作在产生所述第一电动机驱动信号与产生所述第二电动机驱动信号之间自动切换。
[0012]提供本
【发明内容】
是为了以简化的形式介绍一组选择的概念，这些概念将在下面的【具体实施方式】中进一步描述。本
【发明内容】
并非旨在识别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也并非旨在用于限制所要求保护的主题的范围。根据下面对实施例和附图的详细描述，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下面参考附图详细地描述本发明的实施例，其中:
[0014]图1是根据本发明的实施例而构造的电动机系统的框图。
[0015]图2是用于图1中的电动机系统的控制电路的示意性表示。
[0016]图3是图2中的控制电路的另选实施例的示意性表示。
[0017]图4是图1中的电动机的特定操作和性能特征的图示。
[0018]这些附图并非将本发明限于此处公开和描述的具体实施例。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地阐述本发明的原理。
【具体实施方式】
[0019]下面的对本发明的实施例的详细描述参考附图。这些实施例旨在足够详细地描述本发明的各方面，从而使本领域的技术人员能够实现本发明。可以使用其它实施例并且可以在不偏离权利要求的范围的情况下进行变化。因此，下面的详细描述不应被视为限制性的。本发明的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求被赋予的等同物的全部范围所定义。
[0020]在本说明书中，对“一个实施例”、“实施例”或“多个实施例”的提及表示被弓I用的一个或多个特征被包括在至少一个技术实施例中。在本说明中，单独提及“一个实施例”、“实施例”或“多个实施例”不一定指示同一实施例，并且也不相互排斥，除非从说明书中被这样指出和/或这对本领域的技术人员而言是显而易见的。例如，一个实施例中描述的特征、结构、操作等也可以包括在其它实施例中，但不一定包括在内。这样，本技术可以包括此处描述的实施例的各种组合和/或综合。
[0021]现在参考附图，首先参考图1，示出根据本发明的实施例构造的电动机系统10。电动机系统10广义地包括电动机12、电源14和电动机控制系统16，该电动机控制系统16用于从电源14接收电力并根据经由参考速度输入端18传送到控制系统的参考电动机速度(ωREF产生激励电动机12的驱动波形。参考电动机速度对应于期望的或目标操作电动机输出速度并且可由外部电动机控制机构(未示出)产生，该外部电动机控制机构被配置为根据本发明的特定实施方式操作电动机12。电动机控制系统16包括控制电路20，控制电路20被配置为从电源14接收输入电力，从参考速度输入端18接收参考电动机速度信号，产生驱动波形，并将驱动波形传送到电动机12。控制器22管理控制电路20的操作的特定方面，包括在基于电压的控制模式与基于电流的控制模式之间切换，下面将对此进行描述。
[0022]电源14可以是传统的交流电源，例如在住宅和商业大厦中通过标准电气插座可提供的标准115V或230V电源。电动机系统10可以是诸如洗涤机或干衣机之类电器的驱动系统的一部分，该驱动系统还包括此处未不出或未描述的其它电气和机械部件。 [0023]电动机12可以是感应电动机，在一个实施例中，是指被设定在190到200伏特之间的最大电压和4到6安培之间的最大电流上执行操作的三相、四极AC感应电动机。电动机12可被配置为在例如O到3，OOOrpm的正常操作范围内执行操作，并且能够在大大超过正常操作范围的速度上，例如达到17，000或18，OOOrpm，执行操作。超出正常操作范围的电动机操作的特征可能在于逐步减小性能特征，例如转矩减少，下面将对此进行描述。
[0024]电动机12的各种操作和性能特征(包括定子电压(Vs)、最大操作电流和输出转矩)在图4的图中示出，遍及电动机12的操作速度范围。如图4所示，电动机性能特征根据电动机是在正常操作区域还是在磁场弱化区域中执行操作而有所不同。正常操作区域对应于O到标称操作速度24的电动机输出速度，该标称操作速度24例如可以是3，000或4，OOOrpm0磁场弱化操作区域对应于标称操作速度24到最大电动机速度26，最大电动机速度26例如可以是约17，000或18，OOOrpm0当在正常操作区域中执行操作时，电动机12的速度一般遵循线性模式，并且与定子电压(Vs)成正比，同时转矩一般保持恒定。在磁场弱化区域中，定子电压保持在最大操作电压处或附近，并且转矩随着电动机输出速度增加而减小。最大操作电流由电动机12和/或控制电路20的限制定义。尽管最大操作电流一般在所有电动机操作速度上保持恒定，但是电动机定子电流(is)通常随变化的操作参数(例如变化的电动机速度和负载转矩)而波动。总定子电流(is)包括产生转矩的分量(isq)和产生磁通的分量(isd)，它们的关系由以下方程式定义:
【权利要求】
1.一种电动机控制系统,包括: 功率逆变器； 控制电路，其被配置为根据基于电压的控制模式中的目标电压或根据基于电流的控制模式中的目标电流控制所述功率逆变器；以及 控制器，其用于将所述控制电路的操作在所述基于电压的控制模式与所述基于电流的控制模式之间切换。
2.根据权利要求1的电动机控制系统，进一步包括非再生整流器，其用于接收交流电波形并产生由所述功率逆变器接收的直流电。
3.根据权利要求2的电动机控制系统，进一步包括速度估计器，其用于基于由所述整流器产生的所述直流电的至少一个特征估计电动机速度。
4.根据权利要求3的电动机控制系统，所述速度估计器是所述电动机控制系统所使用的电动机速度信息的唯一来源。
5.根据权利要求3的电动机控制系统，所述控制电路包括 第一调节器，其用于根据目标电动机速度的大小和/或所述目标电动机速度与估计的电动机速度之差产生参考电流信号，所述估计的电动机速度由所述速度估计器产生；以及 第二调节器，其用于根据测量的电流与所述参考电流信号的值之差调节所述参考电流信号。
6.根据权利要求5的电动机控制系统，所述第一调节器和所述第二调节器分别包括比例积分控制器。
7.根据权利要求1的电动机控制系统，进一步包括用于执行以下操作的电路:接收根据旋转参考坐标系的第一参考电压值，将所述第一参考电压值转换为根据静止参考坐标系的第二参考电压值，并且将所述第二参考电压值传送到所述功率逆变器。
8.根据权利要求1的电动机控制系统，所述控制电路包括用于执行间接磁场定向控制的电路部件。
9.根据权利要求1的电动机控制系统，所述控制器被配置为当所述电动机控制系统在最大电压水平附近执行操作时，将所述电动机控制系统的操作从所述基于电流的控制模式切换为所述基于电压的控制模式。
10.根据权利要求9的电动机控制系统，所述控制器被配置为在电动机操作的磁场弱化范围内将所述电动机控制系统的操作从所述基于电流的控制模式切换为所述基于电压的控制模式。
11.根据权利要求1的电动机控制系统，进一步包括频率产生电路，其用于确定与电动机驱动信号关联的频率。
12.—种操作电动机控制系统的方法，所述方法包括: 如果参考电动机速度处于第一速度范围内，则根据目标电流产生第一电动机驱动信号; 如果所述参考电动机速度处于第二速度范围内，则根据目标电压产生第二电动机驱动信号；以及 当所述目标速度在所述第一速度范围与所述第二速度范围之间变化时，将所述电动机控制系统的操作在产生所述第一电动机驱动信号与产生所述第二电动机驱动信号之间自动切换。
13.根据权利要求12的方法，进一步包括 使用非再生整流器接收交流电波形并产生直流电， 将所述直流电传送到功率逆变器，以及 通过所述第一电动机驱动信号或所述第二电动机驱动信号控制所述功率逆变器。
14.根据权利要求13的方法，进一步包括使用所述直流电的至少一个电特征估计电动机速度。
15.根据权利要求14的方法，产生所述第一电动机驱动信号的步骤包括 根据目标电动机速度和/或所述目标电动机速度与所述估计的电动机速度之差调节参考电流信号值，以及 根据估计的电流与目标电流之差调节所述参考电流信号值。
16.根据权利要求15的方法，产生所述第一电动机驱动信号的步骤包括 如果所述目标电动机速度大于所述估计的电动机速度，则增加所述参考电流信号值，并且如果所述目标电动机速度小于所述估计的电动机速度，则减小所述参考电流信号值，以及 如果所述目标电流大于所述估计的电流，则增加所述参考电流信号值，并且如果所述目标电流小于所述估计的电流，则减小所述参考电流信号值。
17.根据权利要求12的方法，进一步包括从所述第一或第二控制电路接收根据旋转参考坐标系的第一参考电压值，将所述第一参考电压值转换为根据旋转参考坐标系的第二参考电压值，以及将所述第二参考电压值传送到所述功率逆变器。
18.根据权利要求12的方法，产生所述第一电动机驱动信号的步骤包括执行间接磁场定向控制。
19.根据权利要求12的方法，进一步包括当所述电动机控制系统在最大电压水平附近执行操作时，将所述电动机控制系统的操作在产生所述第一电动机驱动信号与产生所述第二电动机驱动信号之间切换。
20.根据权利要求12的方法，进一步包括当所述电动机在磁场弱化范围内操作时，将所述电动机控制系统的操作在产生所述第一电动机驱动信号与产生所述第二电动机驱动信号之间切换。
21.—种电动机控制系统,包括: 功率逆变器； 控制电路，其被配置为根据基于电压的控制模式中的目标电压或根据基于电流的控制模式中的目标电流控制所述功率逆变器，所述控制电路包括 第一调节器，其用于接收差分速度信号并基于所述差分速度信号产生参考电流信号的产生转矩的分量i_f，所述差分速度信号表示参考电动机速度与估计的电动机速度之差； 第二调节器，其用于接收参考速度信号并产生所述参考电流信号的产生磁通的分量Idref ? 第三调节器，其用于接收差分i,信号并产生参考电压信号的产生转矩的分量\，所述差分i,信号表示i_f与测量的实际的电动机驱动波形的产生转矩的分量i,之差； 第四调节器，其用于接收差分id信号并基于所述差分id信号产生所述参考电压信号的产生磁通的分量Vd，所述差分id信号表示idMf与测量的实际的所述电动机驱动波形的产生磁通的分量id之差；以及 控制器，其用于将所述电动机控制系统的操作在所述基于电压的控制电路与所述基于电流的控制电路之间切换。
22.根据权利要求21的电动机控制系统，所述控制电路包括输入端，其用于在所述基于电压的控制模式中执行操作时接收与所述电动机关联的最大电压值。
【文档编号】H02P27/06GK103973190SQ201310636402
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年1月29日
【发明者】M·波兹克, D·马塞提克 申请人:尼得科电机有限公司