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CN101958677A - 控制无刷电机的方法及控制系统 - Google Patents

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CN101958677A CN2010102335270A CN201010233527A CN101958677A CN 101958677 A CN101958677 A CN 101958677A CN 2010102335270 A CN2010102335270 A CN 2010102335270A CN 201010233527 A CN201010233527 A CN 201010233527A CN 101958677 A CN101958677 A CN 101958677A
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Abstract

本发明涉及一种用于控制以永磁铁励磁的电子换向无刷电机，尤其是三相电机(2)的方法和控制系统，其中，具有电源频率(fN)的单相交流电源电压(UN)经过整流，并通过精简的、没有或者仅具有最小的级间耦合电路-电抗的级间耦合电路(6)，作为以双倍电源频率(2fN)脉动的级间耦合电路电压(UZ)而被输入到逆变器(8)中，所述逆变器被加以控制以便对电机(2)供电并使其换向，其中，所述控制是通过根据磁场的电流空间向量调节而实现的，其中，作为电流空间向量(i)的形成转矩的分量的q电流(iq)被调整成与永磁场相垂直，而作为电流空间向量(i)的影响磁场的分量的d电流(id)能够被沿着永磁场的方向调节。在此实现了动态的场强减弱，其中所述d电流(id)在负值区域中被预先确定为以正弦形式变化并具有双倍的电源频率(2fN)，并且其中，对于所述d电流，根据其相位和幅值进行调节，以便使q电流(iq)的波动最小化。因为作为形成转矩的分量的q电流与转矩成比例，因此尽管级间耦合电路电压(UZ)剧烈地脉动，但转矩波动仍然能够被降低到最小程度。

Description

控制无刷电机的方法及控制系统
技术领域
本发明首先涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于控制以永磁铁励磁的电子换向无刷电机(permanentmagneterregter，bürstenloser，elektronisch kommutierter Elektromotor)，尤其是三相电机的方法，其中，具有电源频率(Netzfrequenz)的单相交流电源电压经过整流，并且通过精简的、没有或者仅具有最小的级间耦合电路电抗的级间耦合电路，作为以双倍电源频率脉动的级间耦合电路电压输入到逆变器中，所述逆变器被加以控制以便对电机供电并使其换向，其中，所述控制是通过根据磁场(feldorientierte)的电流空间向量调节(Strom-Raumzeiger-Regelung)(矢量调节)而实现的，其中，作为电流空间向量的形成转矩的分量的q电流被调整成与永磁场相垂直，而作为电流空间向量的影响磁场的分量的d电流则能够被沿着永磁场的方向调节。
另外，根据权利要求5的前序部分，本发明还涉及一种相应的控制系统，该控制系统尤其在应用根据本发明的方法时使用，其具有电源整流器(Netzgleichrichter)、没有或仅具有最小的级间耦合电路电抗(Zwischenkreis-Reaktanz)的串联的精简型级间耦合电路以及通过所述级间耦合电路馈入并能够为对电机换向而进行控制的逆变器，所述控制是借助于根据磁场的电流空间向量调节方法实现的，该方法利用转速调节器将q电流预先确定为电流空间向量的形成转矩的分量。
背景技术
电子换向电机，即所谓的EC电机经常被用作通风机驱动器。这种驱动器通常包括集成有功率和信号电子电路的永磁铁励磁同步电机(PMSM)。其经常是外转子电机。
这样的电机可在单相或三相交流电源电压下通过下述方式来驱动：首先，将交流电源电压整流成级间耦合电路电压，接着，通过受控的逆变器将该级间耦合电路电压转换成电机驱动电压以对电机供电并使电机换向(kommutieren)。对逆变器的控制通常采取根据磁场的电流空间向量调节方法来实现，其中，q电流(q-strom)被调整为垂直于永磁场的电流空间向量的形成转矩的分量，从而获得最大化的转矩。d电流能够被沿永磁场的方向调节，并形成电流空间向量的影响磁场的分量，即形成根据电流方向来形成磁场或者减弱磁场的分量。在同步电机中，d电流一般被调节为0，以便获得最优化的有效系数。
为获得尽可能相同的、恒定的且具有最小波动(Welligkeit)(气隙转矩的波动，也就是说内部的电机转矩的波动)的电机转矩，并由此获得有利的噪声特性(尤其是在作为通风机驱动器时)，级间耦合电路电压应当是尽可能恒定的直流电压。为此，到现在为止，经过电源整流器整流并强烈脉动的直流电压都是通过至少一个平滑电容器，并在需要时通过额外的滤波扼流圈来进行平滑。为此，平滑电容器实际上必须具有相当大的电容量(例如数百μF)，因而一般均采用电解电容器(Elkos)。但是，这种电解电容器在实际使用中具有这样的缺点，即尤其具有大的结构体积，同时使用寿命却很短。
因此，目前越来越倾向于彻底放弃平滑电容器或者至少放弃电解电容器，其中，在第二种情况中采用能够长时间使用的具有更小电容量(最多仅数个μF)的薄膜电容器。由于其没有或者仅具有很小(最小化)的级间耦合电路-电抗，因而被称作“精简的级间耦合电路”，其中，通过存储元件，例如电容器和扼流圈(电抗)，可完全或者至少在很大程度上不需要将电源侧和电机侧分隔开。这意味着，精简的级间耦合电路不包含或者仅包含最小化的级间耦合电路-电抗。
利用这种“精简的级间耦合电路”技术，主要在由单相电源(通常的电源频率，例如50Hz)供电时尤其会出现问题，这是因为经过整流的直流电压以双倍的电源频率(例如100Hz)在0和峰值之间十分剧烈地脉动，其中，电压变化与正弦形的交流电源电压的数值相当。如果这时将这样的剧烈脉动的直流电压直接提供给EC电机，那么在一定的极限电压之下只能将过小的电机电流压入电机线圈中，而这样的电机电流无法将所需的转矩继续维持恒定。
发明内容
本发明的基本目的在于，以技术上有利的方式且用简单和成本经济合理的方法对具有“精简的级间耦合电路”的电子换向电机的驱动加以优化。
根据本发明，这一目的通过根据权利要求1所述的方法得以实现。权利要求5的主题是一种适用于应用所述方法的控制系统。本发明的其他有利设计方案包含在各从属权利要求及随后的说明中。
根据本发明，通过下述方式实现了动态的场强减弱：d电流在负值区域中被预先确定为正弦形曲线并具有双倍的电源频率-而且不对电源电压和/或级间耦合电路电压进行测量，而且其中，对于d电流，需要根据q电流来对d电流的相位(相对于电源频率)和幅值加以调整，从而使q电流的波动最小化。由于作为形成转矩的分量的q电流是与转矩成比例的，因此，即使级间耦合电路电压在0与峰值之间剧烈地脉动，转矩波动(气隙转矩的波动＝内部电机转矩的波动)仍然能够被最小化。
本发明基于这样的认识，即，在理想的情况下，应当对d电流动态地加以调整，从而使电流空间向量在转子固定的坐标系中总是能够被这样跟踪(nachführen)，即电压空间向量的长度(与相电压的幅值相当)在转子固定的坐标系中始终能够与在当前时刻从脉动的级间耦合电路电压中可能得到的长度一样(相电压的跟踪)。此时，形成转矩的q电流部分保持恒定。但是，为此需要精确地求解微分方程，并进行相应的技术转换。但是，通过本发明能够实现下述目的：通过随时间能够改变的d电流，能够借助于级间耦合电路电压的随时间的变化实现相电压的跟踪，从而使得到的电机相电压在足够好的近似下仍然能够由剧烈脉动的级间耦合电路电压产生。负的d电流起到了减弱场强的作用，场强的减弱使得电机在较小的端电压并因而在较小的级间耦合电路电压下仍然能够被驱动，而且仍然能够-在消耗更多电流的情况下-提供额定功率(额定转矩，额定转速)。因此，尽管级间耦合电路电压是脉动的，并且在电压值小并低于一定的极限电压时，电机在运行过程中仍然能够通过减弱场强的方式维持近乎恒定的转矩。另外，通过动态的场强减弱，在现有的电机电感中实现了动态的能量储存，并由此实现了将能量反馈到级间耦合电路中(也就是以有利的方式而无需电机利用发电机驱动，这种发电机驱动会改变转矩)以及使相电流平滑。这实际上涉及“升压变压器效应”，通过这种效应，还能够额外地提升级间耦合电路电压并进一步减小转矩波动。
作为补充，还需注意到，从当前的级间耦合电路电压中始终能够产生电压空间向量，该向量具有的最大长度为级间耦合电路电压长度的一半。在定子固定的坐标系中，三个相电压的幅值与电压空间向量在转子固定的坐标系中的长度相当。所述相电压是借助于电压空间向量，通过利用脉宽调制(PWM)的转换而由级间耦合电路电压形成的。因此，相电压的最大可能幅值与级间耦合电路电压的一半相当。
高的电机电感有利于通过d电流调制进行电压反馈。它同样也有助于电机电流的平滑，并因而有助于使转矩维持恒定。其理由陈述如下：动态的场强减弱使得在相电压达到最小程度并因此使级间耦合电路电压达到最小程度时仍然能够驱动电机而不会影响转矩。通过d电流调制进行的能量反馈虽然提高了级间耦合电路电压(升压变压器效应)，但并不是总能够达到通过场强减弱所能实现的最小电压。剩余的电压差会使得相电流在短时间内突然下跌(脉动)，从而导致转矩波动。由于电压可下降性很高，因而通过动态的场强减弱本来就必将存在的大的电机电感会像任何电感平滑电流曲线一样(能量储存)，对脉动的电流曲线进行平滑，并确保电流能够被维持在近乎恒定的水平。从用于根据级间耦合电路电压精确地求解d电流的变化的微分方程的方法中，能够得出如下结论：由于动态的场强减弱，相电压并且因而也使得级间耦合电路电压(就像前面所述的那样)所能达到的下降程度要比它们(在id电流峰值相同的情况下)通过恒定的场强减弱可能达到的下降程度更大，这是因为由于d电流的变化速度而产生的差别化的电压降会一同注入到相电压中。
在控制逆变器时，使形成转矩的q电流以不依赖于d电流的方式保持恒定，或者由转速调节器来预先确定。这意味着，随着d电流的改变而产生的动态的场强减弱(不考虑波动的减小)不会影响q电流以及相应设置的电机转速。由于d电流的变化，仅有从彼此垂直的分量所产生的电流空间向量的长度和角度发生变化。
根据本发明的控制系统首先包括EC控制器通用的组件，也就是电源整流器和通过级间耦合电路串联的逆变器，用PWM控制器控制所述逆变器以便产生与电压脉冲相应的(Spannungstaktung)(调制)以近似正弦形式变化的电机电流。为此设计了根据磁场的电流空间向量调节方法，所述方法利用转速调节器将q电流预先确定为电流空间向量的形成转矩的分量。根据本发明，控制系统具有函数发生器，该函数发生器用于预先确定出具有正弦形曲线和两倍的电源频率的动态变化的d电流以作为用于动态地减弱场强的电流分量，此外，控制系统还具有二维极限值调节器，该极限值调节器根据q电流对正弦形的d电流在相位与幅值方面进行调节，从而使得q电流的波动最小化。控制系统的附加组件，即函数发生器和极限值调节器在技术上能够相对简单且成本合理地实现。
附图说明
下面，借助于附图，对本发明以示例的方式进行详细解释。其中：
图1是作为优选实施例的根据本发明的控制系统的简化的方框电路图，
图2是用于说明的电压曲线图，以及
图3是在转子固定的笛卡尔坐标系中的电流空间向量图。
具体实施方式
首先，如图1所示，根据本发明的用于控制不具有集电器的电子换向电机2(EC-PMSM＝电子换向永磁铁励磁同步电机)的控制系统包括电源整流器4、串联的精简的级间耦合电路6以及通过所述级间耦合电路6供电并能够对电机2的换向进行控制的逆变器8。通过以简化的方式示出，但作为构造成全桥型(Vollbrücke)的电源整流器4，具有电源频率fN的单相交流电源电压UN被整流成强脉冲式的级间耦合电路电压Uz。在图2中形象地示出了该级间耦合电路电压UZ；它总是在0与峰值之间以两倍的电源频率，即2fN脉动。电压的变化与正弦形的交流电源电压UN的数值相当。
根据图1，如果需要，级间耦合电路6可包括具有很小电容量的级间耦合电路电容器Czk。该级间耦合电路电容器可以是价格便宜的小型薄膜电容器。但是，对于平滑级间耦合电路电压UZ而言，该级间耦合电路电容器Czk是不够的，因此所述级间耦合电路电压UZ同样是强烈脉动的(参见图2)。
逆变器8是包括具有6个电门的桥接电路(三相电流-全桥)的功率放大器，其在图1中未详细绘出。
在图1中被极为简化地绘成方框的电机2包括三个尤其是星形连接的绕组相，所述绕组相由逆变器8控制以便以公知的方式生成旋转场。此外，所述控制系统是以通常的根据磁场的电流空间向量调节方法(矢量调节)来工作的。
对此请参考图3所示的示意图。图3涉及的是在转子固定的笛卡尔坐标系中的示意图。水平轴d标明了永磁铁磁场的定向(请参见示例性地绘出的具有S和N极的磁铁)。轴q垂直于水平轴d延伸。作为示例，绘出了电流空间向量i，其由两个电流分量产生，即q电流iq与d电流id，所述q电流是被调整成垂直于永磁场(d轴)的形成转矩的分量，所述d电流是被调整为沿磁场方向影响磁场的分量，因而不形成转矩。在同步电机中，d电流一般被调节为0，以便通过q电流在最优化的效率下获得最大的转矩。这样，产生的电流空间向量i与q电流iq的最小值相当。
形成转矩的q电流iq被维持恒定，但优选通过转速调节器10来预先确定和调节。为调整及预先确定出一定的转速n，设置有任意的控制元件12。对逆变器8的控制是通过PWM发生器14根据电机2的转子旋转角实现的。
如果这时把由于精简的级间耦合电路6的原因而如图2所示的强烈脉动的级间耦合电路电压UZ直接提供给电机2，那么在一定的极限电压UG之下只能将过小的电机电流压入电机线圈中，所述电机电流不能将所需的转矩继续维持恒定。
因此根据本发明，控制系统以新型的动态减弱场强的方式工作，其中，d电流id在负值区域中被预先确定为以正弦形式变化并具有双倍的电源频率，即2fN。在这里，对于被预先确定为额定值的d电流，根据其相对于交流电源电压UN的相位并根据其幅值加以调整，以便使q电流iq的波动最小化。这种调节的顺序原则上是任意的(1.相位和2.幅值，或者相反)。由于对d电流id进行了调制，因而所产生的相电流在幅值-相位方面也得到了调制。
此外根据图1，所述控制系统具有函数发生器16，该函数发生器用于预先确定出具有正弦形曲线和两倍的电源频率的动态变化的d电流id以作为用于动态地减弱场强的电流分量。另外，设置有与所述信号发生器16连接在一起的二维极限值调节器18，该极限值调节器是这样设计的，即其根据为此而受到监控的q电流iq对正弦形的d电流id在相位与幅值方面进行调整，以便使q电流的波动最小化。由此，所产生的电机相电压能够以足够好的精确度实时地根据脉动的级间耦合电路电压UZ的变化而地变化。
由于根据本发明的动态的场强减弱以及在所述控制系统之内为此进行的过程，尤其是通过d电流的动态变化，因而有利地实现了将能量动态地储存到现有的电机电感中的额外效果。这些储存的能量被反馈到级间耦合电路6中，由此提高了级间耦合电路电压UZ。因此，这里涉及升压变压器效应。这种升压变压器效应也对减小q电流的波动并因此也对减小转矩的波动具有有利的影响。通过电机电感对相电流进行的平滑同样起到了像能量储存一样的作用，通过d电流用于反馈以及用于平滑相电流的电机电感被看作能量储存器，对该能量储存器能够以有利的方式进行操作而无需依赖于转矩的形成。
对于拥有大的相电感以便一方面能够使相电压具有大的电压降，另一方面又对相电流加以额外平滑(低通特性)的电机，根据本发明的动态的场强减弱具有特别好的效果。
另外，对于相电流的频率(相频率)小于脉动的级间耦合电路电压的频率(就像已述及的那样可能遗留一定的剩余波动)的电机，所述方法能够起到特别好的作用。由此产生的高频电流扰动可以通过绕组的低通特性滤去，这样就稳定(平滑)了电流曲线并因而也稳定(平滑)了转矩。
根据本发明的方法也可以与设置在所述级间耦合电路中的升压变压器结合应用，所述升压变压器能够将级间耦合电路电压的瞬时值至少提高到临界的极限电压并由此平滑所述级间耦合电路电压。此外，特别有利的是，电机绕组端部的漏磁电感能够被用作驱动升压变压器的电感。一种相应的方法是较早的欧洲专利申请EP 09163651的主题，在此全面参考了该专利申请。
本发明并不限制于前面已经说明和描写过的实施例，其也包括所有在发明意义上起同样功能的结构。另外，本发明迄今为止也不限于在独立权利要求中限定的特征组合，其也可以被定义为已被全部公开的单个特征的某些特征的任意一种其他的组合方式。这意味着，原则上并在实践中，独立权利要求中所述的每一个单个特征都可以删去，或者说，独立权利要求中所述的每一个单个特征都可以被在本申请中其他地方所公开的单个特征所取代。就此而言，各权利要求仅应被理解为对于一个发明的一种最初表述尝试。

Claims (6)

1.用于控制以永磁铁励磁的电子换向无刷电机，尤其是三相电机(2)的方法，其中，具有电源频率(fN)的单相交流电源电压(UN)经过整流，并通过精简的、没有或者仅具有最小的级间耦合电路电抗的级间耦合电路(6)，作为以双倍电源频率(2fN)脉动的级间耦合电路电压(UZ)而被输入到逆变器(8)中，所述逆变器被加以控制以便对电机(2)供电并使其换向，其中所述控制是通过根据磁场的电流空间向量调节而实现的，其中，作为电流空间向量(i)的形成转矩的分量的q电流(iq)被调整成与永磁场相垂直，而作为电流空间向量(i)的影响磁场的分量的d电流(id)能够被沿着永磁场的方向调节，
其特征在于，所述方法使场强动态地减弱，其中所述d电流(id)在负值区域中被预先确定为以正弦形式变化并具有双倍的电源频率(2fN)，并且其中，对于所述d电流，根据其相位和幅值进行调节，以便使q电流(iq)的波动最小化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述q电流(iq)以不依赖于所述d电流(id)的方式由转速调节器(10)预先确定。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过动态的场强减弱，实现了在现有的电机电感中的动态的能量储存，并由此实现了将能量反馈入级间耦合电路(6)中以及使相电流平滑。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述方法应用于具有大的相电感的电机(2)和/或相频率小于级间耦合电路电压(UZ)的脉冲频率的电机(2)。
5.用于电子换向无刷电机，尤其是三相电机(2)的控制系统，所述控制系统尤其是在应用根据前述权利要求之一所述的方法时使用，其具有电源整流器(4)、没有或仅具有最小的级间耦合电路电抗的串联的精简型级间耦合电路(6)以及通过所述级间耦合电路(6)供电并能够借助于根据磁场的电流空间向量调节方法而对电机(2)的换向进行控制的逆变器(8)，其中所述电流空间向量调节方法利用转速调节器(10)将q电流(iq)预先确定为电流空间向量(i)的形成转矩的分量，
其特征在于，所述控制系统具有函数发生器(16)，该函数发生器用于预先确定出具有两倍的电源频率(2fN)且在负值区域内具有正弦形曲线的动态变化的d电流(id)以作为用于动态地减弱场强的电流分量，此外，所述控制系统还具有极限值调节器(18)，该极限值调节器根据q电流(iq)在相位与幅值方面对正弦形的d电流(id)进行调节，从而使得q电流(iq)的波动最小化。
6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述电机(2)被构造为三相同步电机，并且尤其是被构造为外转子电机。
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