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CN101496275A - 驱动装置和方法 - Google Patents

驱动装置和方法 Download PDF

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CN101496275A CNA2007800278636A CN200780027863A CN101496275A CN 101496275 A CN101496275 A CN 101496275A CN A2007800278636 A CNA2007800278636 A CN A2007800278636A CN 200780027863 A CN200780027863 A CN 200780027863A CN 101496275 A CN101496275 A CN 101496275A
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Abstract

本发明涉及一种驱动装置和方法，该驱动装置包括由变换器供电的电机，其中所述变换器包括时间离散的调节结构，该调节结构通过调节施加在电机上的电压来调节电机的定子电流，其中以时间离散的方式检测电机的电流，其中所述调节结构包括一调节器，该调节器的实际值是电流的第一电流分量，其中在所述调节器的给定值规定值之前连接有至少一个给定值限制器。

Description

驱动装置和方法
技术领域
本发明涉及一种驱动装置和一种方法。
背景技术
在EP 0179356中公开了一种用于调节感应式电机的方法。其中根据该文中的附图2，检测电机上的电流和电压。对此，由与电机的模型构造相对应的调节结构形成磁通/通量(Fluss)的实际值的分量。这些分量被输入给磁通调节器，其输出作为调节变量影响给电机供电的变流器/转换器的开关状态。
在DE 1941312中公开了一种用于控制异步电机的方法，其中应用(多个)霍尔传感器3。
在DE 19532477A1中公开了一种用于启动异步电动机的方法，其中为了启动将转矩给定值/理论值预设为0。
在DE 199752C1中公开了一种用于在异步电机上接通变换器的方法。
发明内容
因此，本发明的目的在于，改善电驱动装置的调节性能。
根据本发明，该目的通过根据在权利要求1中所给出的特征的驱动装置以及根据在权利要求17中所给出的特征的方法来实现。
关于驱动装置，本发明的重要特征在于，该驱动装置包括由变换器供电的电机，其中该变换器包括时间离散的调节结构，该调节结构通过调节施加在电机上的电压来调节电机的定子电流，其中以时间离散的方式来检测电机的电流，其中所述调节结构包括一调节器，该调节器的实际值是电流的第一电流分量，其中在该调节器的给定值规定值(Sollwertvorgabe)之前连接至少一个给定值限制器。
其中优点在于，给定值限制器可以如此设计，使得不超过变换器的调节极限，即例如由中间电路电压决定的电压调节极限。此外，该给定值限制器还可如此设计，使得不存在明显的反馈进而还不存在振荡倾向。此外，尽管如此可以实现尽可能快速地调整给定值变化，并且由此改善电驱动装置的调节性能。特别是可以如此设计调节结构，使得实际值这样变化，即该实际值总是恰好在一个时间步长/步骤、亦即时间帧(Zeitraster)之后达到施加在本来的调节器上的给定值，其中但该给定值可以由给定值限制器的输出信号产生。
在一种有利的设计方案中，在调节器的给定值规定值和给定值限制装置的输出值之间设置一时间延迟元件，特别是用于仅延迟一个时间步长。其中优点在于，可以给调节器配备一预控制装置，该预控制装置主要调整给定值的变化。因此，调节器仅还须调整无关紧要的误差。
在一种有利的设计方案中，调节器配设有一预控制装置，该预控制装置给调节器的输出值加上一与给定值规定值在时间上的变化成比例的变量。其中优点在于，通过该预控制装置就已经能很好地操控具有大致为积分特性的调节对象，从而调节器仅须补偿误差和干扰量。
在一种有利的设计方案中，给定值限制装置至少需要未延迟的给定值、时间上延迟的给定值以及调节器的输出值作为输入变量。其中优点在于，给定值限制装置可以如此设计，使得可以考虑变换器的调节极限，以及同样可以至少考虑调节对象(包括电机)的传递函数的主要部分。
在一种有利的设计方案中，调节器是无差拍/最小拍(Dead-Beat)调节器，特别是与设置在调节对象中的电机相配的无差拍调节器。其中优点在于，在调节器输入端上的实际值仅在一个时间步长、亦即时间帧内就能达到设置的给定值。
在一种有利的设计方案中，调节器是线性调节器，如P调节器、PI调节器或PID调节器，特别是具有预控制装置。其中优点在于，可应用简单而廉价的调节结构。
在一种有利的设计方案中，在一坐标系中由所检测的电流来确定电流分量。其中优点在于，可以应用相匹配的坐标系，特别是随同旋转(mitdrehend)的坐标系，从而计算消耗低。
在一种有利的设计方案中，变换器为每个电流分量包括一调节结构，该调节结构与用于第一电流分量的调节结构相同。其中优点在于，可在所有电流分量中避免过冲。
在一种有利的设计方案中，预控制装置设计成无差拍控制装置，亦即具有相对于设置在调节对象中的电机逆转的特性，特别是其中在此不考虑变换器的调节极限。其中优点在于，可以以这种方式设计预控制装置，使得该预控制装置在一个时间步长内就能消除实际变量与给定值变量的主要误差。
在一种有利的设计方案中，给定值限制器SB如此限制给定值，使得不超出电压调节极限，特别是其中这种情况如此发生，使得不产生其它的缺点，如由于附加反馈引起的调节电路的不稳定性。其中优点在于，不出现振荡响应(Schwingverhalten)，并且尽管如此仍可尽可能快速地且没有过冲地达到给定值。
在一种有利的设计方案中，给定值限制器如此设置，使得仅当输出变量、亦即所限制的给定值I_Soll朝向未限制的给定值变化时，对给定值的限制才起作用。其中优点在于，抑制了反馈进而以及振荡响应。
在一种有利的设计方案中，确定调节变量U和变换器的调节极限U_max及U_min之间的差值，将该差值与系数1/K相乘并合计到时间上延迟的、亦即时间上较早的给定值I_SollZ1上，其中该总和作为最大值或最小值(max、min)输入给限制器50，作为在时间上未延迟的给定值I_Soll上有效的限制值。其中优点在于，可以尽可能快速地且没有过冲地达到给定值。
在一种有利的设计方案中，限制器包括一延迟元件，该延迟元件使其输出值延迟了至少一个时间步长、亦即时间帧，并且用于在限制器内部确定变量。其中优点在于，能抑制反馈和振荡响应。
在一种有利的设计方案中，限制器包括用于抑制反馈的装置。其中优点在于，减小了振荡响应。
在一种有利的设计方案中，限制器具有最大值和最小值(max、min)以及时间上未延迟的给定值I_Soll作为输入值，其中由max和input确定较小的值，将该较小的值与限制器的时间上延迟的输出值进行比较，它们中的较大的值用作作用在input上的限制器元件的上限，其中由min和input确定较大的值，将该较大的值与限制器的时间上延迟的输出值进行比较，它们中的较小的值用作作用在input上的限制器元件的下限。其中优点在于，限制值取决于调节器输出变量，进而可以防止过冲。
在一种有利的设计方案中，限制器50的上限为 i soll max , n = i soll , n - 1 + 1 K v · ( U max - u r , n ) ，其中n表示时间步长的编号，(Umax)为电压调节极限，(ur，n)为调节器输出变量U的值，K具有与在预控制装置V中相同的值。其中优点在于，可以如此考虑调节对象的参数如K以及调节极限U_max，使得可以抑制过冲。
关于方法，本发明的重要特征在于，该方法规定用于在由变换器供电的电机中调节电机电流，其中以时间离散的方式实施该方法并且以时间离散的方式检测电机的定子电流，其中调节电机的定子电流，其中朝向给定值规定值调节电流的第一电流分量的实际值，其中给定值规定值是给定值限制器的输出，其中调节器的调节变量是施加在电机上的电压。
其中优点在于，该给定值限制器可以如此设计，使得该给定值限制器包括与调节对象和调节极限相关的参数。因此可以防止过冲。
其它的优点在从属权利要求中给出。
具体实施方式
现在借助附图更详细地阐述本发明：
在图1中示出了根据本发明的调节结构的示意图。在此，在电机械例如电机M上检测电流实际值I_Ist。该检测以时间离散的方式通过电流探测装置SA来进行，即在时间离散的调节器的每个时间步长进行一次。
因为机械的电流是多维变量，所以当机械具有三相供电装置时，电流必须作为矢量示出。
该矢量可在一坐标系如流线坐标系(Flusskoordinatensystem)、旋转坐标系等中示出。
其中在此坐标系中，附图中的电流实际值I_Ist被理解为电流分量。
对于多个电流分量，根据图1的调节结构可应用于所述电流分量中的每一个。特别是根据图1的调节结构绝对可以应用于作为I_Ist的、形成转矩的电流分量。
给定值I_Soll和实际值I_Ist输入给电流调节器/稳流器，该电流调节器根据调节误差改变调节变量。在这种情况下，电压、亦即电机M的供电装置的电压矢量的值优选为所述的调节变量。
在本发明中重要的是，用于调节器SR的给定值规定值在时间上延迟地输入给调节器。因为对于新的时刻已经知道新的给定值规定值，所以这使得调节结构可以通过预控制装置V以所希望的方式在时间上与新的给定值规定值同步地影响调节器SR的输出变量。然后这根据调节对象(包括电机M)的物理定律引起所检测的电流分量实际值I_IST变化，该变化作为实际值被输入给调节器SR。如果考虑时间离散的调节结构，就可以清楚地确定，调节器SR的实际值和给定值规定值属于相同的时间帧、亦即时间步长。
在本发明中特别有利的是，调节对象可以大致近似地被视为积分元件，因为电机总具有电感作为重要的性能。根据图1，将由时间上延迟的给定值规定值和时间上未延迟的给定值规定值得出的差值、亦即给定值规定值的变化输入给预控制装置V。当正确调整比例系数Kv时，由此直接地模仿调节对象的积分特性。调节器SR便仅须调整更小的误差和干扰量。
概括来说，根据本发明的调节结构具有一调节器，该调节器的给定值规定值在时间上延迟地起作用，其中该调节器与在时间上无延迟地起作用的无差拍预控制装置并联。
在本发明中重要的还有，调节变量U为调节极限所决定，因为在给电机供电的变换器中不能产生任意高的电压。尽管如此，在本发明中可以避免电流值的过冲，进而也可以避免达到电流极限以及与此相关的紧急停机和故障(错误)报告。
本来的调节器SR仅获得被传递的延迟的给定值规定值，并将该给定值规定值与已较新至少一个时间步长的实际值变量进行比较。
在本发明中重要的是，处理预设的给定值I_Soll，并且首先将该处理的结果输入至调节器。在此，应用给定值限制器SB。
这个给定值限制器SB防止超过调节变量的调节极限。对此，如此限制给定值，使得不超过电压调节极限SG，其中这种情况如此出现，使得不产生其它的缺点，如由于附加反馈引起的调节电路的不稳定性。
在此，给定值限制器SB将调节器的输出变量U、未延迟的本来的给定值I_Soll以及时间上延迟的、亦即在时间上较早的给定值I_SollZ1用作输入变量。
在此，给定值限制器如此起作用，使得只有当输出变量、亦即所限制的给定值I_Soll朝向未限制的给定值移动时，对给定值的限制才起作用。给定值限制器SB的输出变量用I_SollLim来标注。
图2示出了给定值限制器的一个具体的实施例，其中在图3中示出了限制器50的一个实施例。
图2示出，确定调节变量U和变换器的调节极限U_max以及U_min之间的差值，将该差值与系数1/K相乘并合计到时间上延迟的、亦即时间上较早的给定值I_SollZ1上。该结果作为最大值或最小值(max、min)输入给限制器50。此外，时间上未延迟的给定值I_Soll还作为输入变量input输入给限制器50。
图2考虑了以下关系式，
i soll max , n = i soll , n - 1 + 1 K v · ( U max - u r , n ) ,
其中n表示时间步长的编号，(Umax)为电压调节极限，(ur，n)为调节器输出变量U的值，K具有与在预控制装置V中相同的值。类似的关系式适用于下限制。
限制器50在图3中更详细地示出。
由input和max确定较小的值。然后，由该较小的值和限制器50的时间上延迟的输出值确定较大的值。这个值便起上限值的作用。
同样，由input和min确定较大的值。然后，由该较大的值和限制器50的时间上延迟的输出值确定较小的值。这个值便起下限值的作用。
在此，在限制器元件61中，input对上限值和下限值起作用。
也可应用已知的常见的限制器元件作为图2中的限制器50，该限制器元件根据极限值max和min来限制input。然而在这种情况下，调节结构的振荡响应或许可能由于固有反馈而发生。因此有利的是，根据图3设计限制器50。然而还可以实施其它的抑制振荡的措施。
在图4中示出了变量的值的示例性曲线，其中给定值限制在指令变量阶跃时起作用。所限制的给定值如此精确地变化，使得实际值在一个探测帧后达到该给定值。由此，调节器SR的调节误差在整个跟踪/制导(Nachführung)期间保持为0，并且调节器SR的积分器不改变其值。由此防止了实际值的过冲。
在一种根据本发明的优选实施例中，时间上的延迟恰好设计为时间离散的调节结构的一个时间步长、亦即时间帧。
调节器优选设计为时间离散的无差拍调节器。在此，该调节器如此设计，使其在一个时间步长内就已经能调整调节误差。当调节器具有Z变换形式1/(z＊G(z))的传递函数时(其中G为调节对象的传递函数)，则至少实现了前面所述的情况。
附图标记表
I_Soll     给定值
I_Ist      实际值
I_SollLim  给定值限制器SB的输出变量
U          作为调节变量的电压
SR         电流调节器
SA         电流探测装置
V          预控制装置
R          调节器
M          电机
SG         电压调节极限
SB         给定值限制器
50         限制器
61         限制器元件

Claims (17)

1.一种驱动装置，包括由变换器供电的电机，其中所述变换器包括时间离散的调节结构，所述调节结构通过调节施加在电机上的电压来调节电机的定子电流，其中以时间离散的方式检测电机的电流，其特征在于，所述调节结构包括一调节器，所述调节器的实际值是电流的第一电流分量，其中在所述调节器的给定值规定值之前连接有至少一个给定值限制器。
2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，在所述调节器的给定值规定值和给定值限制装置的输出值之间设置有一时间延迟元件，特别是用于仅延迟一个时间步长。
3.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述调节器配设有一预控制装置，所述预控制装置给调节器的输出值加上与给定值规定值在时间上的变化成比例的变量。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述给定值限制装置至少需要未延迟的给定值、时间上延迟的给定值以及调节器的输出值作为输入变量。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述调节器是无差拍调节器，特别是与设置在调节对象中的电机相配的无差拍调节器。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述调节器为线性调节器，如P调节器、PI调节器或者PID调节器，特别是具有预控制装置。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，在一坐标系中由所检测的电流确定电流分量。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述变换器为每个电流分量包括一调节结构，所述调节结构与用于第一电流分量的调节结构相同。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述预控制装置设计为无差拍控制装置，亦即具有相对于设置在调节对象中的电机逆转的特性，特别是其中在此不考虑变换器的调节极限。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述给定值限制器(SB)限制给定值，使得不超出电压调节极限，特别是其中这种情况如此发生，使得不产生其它的缺点、如由于附加反馈引起的调节电路的不稳定性。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述给定值限制器设置成，使得仅当输出变量、亦即所限制的给定值(I_Soll)朝向未限制的给定值变化时，对给定值的限制才起作用。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，确定调节变量U和所述变换器的调节极限U_max以及U_min之间的差值，将该差值与系数1/K相乘并合计到时间延迟的、亦即时间较早的给定值I_SollZ1上，其中所述总和作为最大值或最小值(max、min)输入给限制器(50)，作为在时间上未延迟的给定值I_Soll上有效的限制值。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述限制器(50)包括一延迟元件，所述延迟元件使其输出值延迟了至少一个时间步长、亦即时间帧，并用于在所述限制器(50)内部确定变量。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述限制器(50)包括用于抑制反馈的装置。
15.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述限制器(50)具有最大值和最小值(max、min)以及时间上未延迟的给定值I_Soll作为输入值，其中由max和input确定较小的值，将该较小的值与限制器(50)的时间上延迟的输出值进行比较，并且该较小的值和该输出值中的较大的值用作作用在input上的限制器元件(61)的上限，其中由min和input确定较大的值，将该较大的值与限制器(50)的时间上延迟的输出值进行比较，并且该较大的值和该输出值中的较小的值用作作用在input上的限制器元件(61)的下限。
16.根据前述权利要求中至少一项所述的驱动装置，其特征在于，所述限制器(50)的上限为 i soll max , n = i soll , n - 1 + 1 K v · ( U max - u r , n ) , 其中n表示时间步长的编号，(Umax)为电压调节极限，(ur，n)为调节器输出变量U的值，K具有与在预控制装置V中相同的值。
17.一种用于在由变换器供电的电机中调节电机电流的方法，其中以时间离散的方式实施所述方法并且以时间离散的方式检测电机的定子电流，其中调节电机的定子电流，其特征在于，朝向给定值规定值调节电流的第一电流分量的实际值，其中所述给定值规定值是给定值限制器的输出，其中所述调节器的调节变量是施加在电机上的电压。
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