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CN103931099A - 用于同步马达的马达调节系统 - Google Patents

用于同步马达的马达调节系统 Download PDF

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CN103931099A
CN103931099A CN201280056228.1A CN201280056228A CN103931099A CN 103931099 A CN103931099 A CN 103931099A CN 201280056228 A CN201280056228 A CN 201280056228A CN 103931099 A CN103931099 A CN 103931099A
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Abstract

本发明涉及用于同步马达(1)的马达调节系统(8;22)，该同步马达具有布置成彼此错位的数量为N的定子线圈(7)，其围绕同步马达(1)的转子(4)来布置，其中，线圈电压(US)可由马达调节系统(8;22)施加给定子线圈(7)且形成线圈电流(IS)，其在与同步马达(1)的转速成比例旋转的坐标系中具有直流电流分量(ID;IDW)和横向电流分量(IQ)，其中，横向电流分量(IQ)引起在转动方向上驱动转子(4)的切向力(FT)，并且其中，直流电流分量(ID)引起垂直于转子表面作用到转子(4)上的力(FR)，其中，马达调节系统(8;22)具有直流电流发生器(20)以用于产生在旋转的坐标系中周期性变换的直流电流分量(IDW)，以便通过垂直于转子表面产生的力(FR)平衡利用马达调节系统(8;22)驱动的同步马达(1)的振动，其中，直流电流发生器构造成用于评估至少一个角度信息和调节横向电流。

Description

用于同步马达的马达调节系统
技术领域
本发明涉及一种用于同步马达的马达调节系统，该同步马达具有布置成彼此错位的数量为N的定子线圈，其围绕同步马达的转子来布置，其中，线圈电压可由马达调节系统施加给定子线圈且形成线圈电流，其在与同步马达的转速成比例旋转的坐标系中具有直流电流分量和横向电流分量，其中，横向电流分量引起在转动方向上驱动转子的切向力，并且其中，直流电流分量引起垂直于转子表面作用到转子上的力。
此外，本发明涉及一种用于调节同步马达的方法，在其中，将线圈电压施加到布置成彼此错位的数量为N的定子线圈中且形成线圈电流，该定子线圈围绕同步马达的转子来布置，其中，线圈电流在与同步马达的转速成比例旋转的坐标系中具有直流电流分量和横向电流分量，并且其中，横向电流分量引起在转动方向上驱动转子的切向力，并且其中，直流电流分量引起垂直于转子表面作用到转子上的力。
背景技术
文献DE 10 2008 023 574 A1公开了包括电马达的循环泵，该电马达由球形马达形成，其中，作为马达的球形马达可设有半球形的转子。球形马达的转子支承在球形支承处，其具有带有凸状球形表面的滑动体和带有凹状球形表面的支承座(Lagerpfanne)。转子包括多个永磁体，且定子包括彼此错位布置的多个定子线圈。在该文献中公开的球形马达由马达调节系统作为同步马达操控。
例如在带有STMicroelectronics公司的型号标记STM32的集成电路中已知用于同步马达的这种马达调节系统。已知的马达调节系统具有场定向的调节系统，在其中，定子线圈由马达调节系统施加线圈电流，其在随着同步马达的转速旋转的坐标系中具有直流电流分量和横向电流分量。横向电流分量在专业领域(Fachkreis)中已知为“交轴分量(quadrature axis component)”且根据洛伦兹力定律(Lorentzkraftregel)产生切向力，且相切于球形马达的周面起作用且由此在转动方向上旋转地驱动球形马达。已知的马达调节系统利用横向电流分量根据所期望的球形马达的转速来操控球形马达。
直流电流分量在专业领域中已知为“direct axis component(直轴分量)”且根据洛伦兹力定律产生垂直于转子的转子表面的力。已知的马达调节系统利用带有恒定幅度的直流电流分量操控球形马达，以便在球形马达的很高的转速的情况下实现磁场的削弱。这是必需的，因为受永磁体激励的同步马达在很高的转速的情况下即使在其卡住时感应处很高的电压(EMK)。如果感应出的电压等于供给电压，即使当负载力矩近似为零时，那时同步马达不再可变得更快。通过场的削弱可实现在马达卡住时降低感应出的电压，由此提高最大转速。然而，因为该措施降低效率，所以其仅用在特定情况中。
对于利用已知的马达调节系统驱动的球形马达，在实践中已经表明可出现由电马达和/或泵的机械、电或磁的不对称引起的机械振动。机械的不对称例如可由转子或泵叶轮、在转子与定子之间由于构件公差或由于支承的由运行引起的磨损现象的并非理想的同心位置的不平衡引起。定子场的电磁不对称例如可由于单独的线圈的公差(尤其在其布置在定子中时)且由于少许不同的线圈绕组长度而出现。在带有永磁体的转子中可出现磁的不对称，其由制成的永磁体的非对称的磁场引起。振动例如可在将球形马达用作加热循环泵时经由加热管路传递到整个加热系统上且在整个机构(Haus)中导致干扰的噪声。但同样在其他的利用已知马达控制系统驱动的同步马达中(例如在带有柱状转子的电马达中，在此力理论上已经抵消)，机械振动通过同步马达的由于力作用产生的弹性变形和少许不完美的旋转对称的构造产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于同步马达的马达调节系统，其有针对性地反作用于同步马达的机械振动，以便使得机械振动最小化且由此显著降低由同步马达发出的振动和噪声。
对于马达调节系统，根据本发明，提出的目的由此实现，即马达调节系统具有直流电流发生器(Direktstrom-Generator)以用于产生在旋转的坐标系中周期性变换的直流电流分量，以便通过垂直于转子表面产生的力平衡利用马达调节系统驱动的同步马达的振动，其中，直流电流发生器构造成用于评估至少一个角度信息和调节横向电流。
对于用于调节同步马达的方法，根据本发明，提出的目的由此实现，即，产生在旋转的坐标系中周期性变换的直流电流分量且通过施加线圈电压来预定，以便通过垂直于转子表面作用的力平衡利用马达调节系统驱动的同步马达的振动，其中，为了产生合适的周期性变换的直流电流分量，评估至少一个角度信息和调节横向电流。
通过设置直流电流发生器以用于产生随着旋转的坐标系周期性变换的直流电流分量得到这样的优点，即借助于直流电流分量通过垂直于转子表面作用的力激励转子的电磁振动，其反作用于并非所期望的机械振动，且其理想地在整体方面进行平衡。已经证实为特别有利的是可利用马达调节系统驱动的同步马达通过安装机械式传感器来测量，以便确定在特定的同步马达中实际出现的机械振动。测量结果随后作为呈参数的形式的适配信息存入马达控制系统的适配器件中。这些参数影响待由马达控制系统发送到特定的同步马达处的直流电流分量的幅度、相位和频率。由此得到这样的优点，即马达控制系统可与可由马达控制系统驱动的确定的同步马达的并非所期望的机械振动相匹配，由此通过反极的电机地产生的振动实现特别好地抑制并非所期望的机械振动。
应提到的是，在同步马达带有柱状转子和理想对称的构造的情况下，由直流电流分量产生的径向力互相抵消。即使当脉冲式的力在总额方面抵消时，其仍然在转子与定子之间在一定程度上在“气隙”中导致引起噪声的振动。在转子或定子中的或小或大的不对称同样导致振动。为此，实践已经表明，在带有柱状转子的同步马达中同样可获得所说明的平衡效应。
然而，已经证实为特别有利的是根据本发明的马达控制系统用来控制球形马达。由于球形马达的转子建造得并不对称，即使在球形马达的转子理想地旋转对称地建造的情况下并未抵消由直流电流分量引起的径向力，且由此可将径向力非常有效地用来平衡球形马达的并非所期望的机械振动。
上述说明的平衡效应还可由此获得，即代替直流电流发生器设置直流电压发生器(Direktspannungs-Generator)。直流电压发生器现在可通过产生在旋转的坐标系中周期性变换的直流电压分量同样平衡利用马达调节系统驱动的同步马达的振动，因为通过有针对性的电压预定来设定所期望的直流电流，这如同上面说明的那样。由此得到不仅在带有直流电流发生器的实施方案中而且在带有直流电压发生器的实施方案中设定周期性变换的直流电流分量，以便平衡由电马达和/或泵引起的振动。
附图说明
下面根据附图进一步阐述根据本发明的马达控制系统的其他有利的设计方案。其中，
图1显示了球形马达的分解图，其利用根据图5或根据图6的马达调节系统作为同步马达来操控；
图2显示了通过四个极磁化的球形马达的转子的施加的永磁场(Permanent-Magnetfeldausprägung)；
图3象征性地显示了当横向电流分量施加到定子线圈中时作用到球形马达的转子上的力；
图4象征性地显示了当直流电流分量施加到定子线圈中时作用到球形马达的转子上的力；
图5显示了带有直流电流发生器的马达控制系统的框图；
图6显示了带有直流电压发生器的马达控制系统的框图。
具体实施方式
图1显示了带有半球形的转子的马达更确切地说球形马达1的分解图，其可利用根据图5或根据图6的马达调节系统作为同步马达来操控。球形马达1包括电马达2(其带有定子3、转子4)和泵送件5，在泵送件中泵送输送介质。密封件6密封泵送件5与电马达2。
转子4具有多个永磁体元件且构造为带有两个北极和两个南极的四极永磁体。图2显示了转子4的转子磁场RM的施加的永磁场，其中，在图2中左边示出了转子4的球形部件的俯视图，而在图2中右边示出了转子4的侧视图。
对于每个磁极对，电马达2的定子3具有N=3的、布置成彼此错位相应120度的定子线圈，其中，在图3中象征性地示出了这些定子线圈7中的一个。在马达利用马达调节系统作为同步马达操控时，由定子线圈施加与同步马达的转速成比例旋转的定子磁场MS，其与永久的转子磁场RM共同作用且以期望的转速驱动转子。为了简单起见，在与同步马达的转速成比例旋转的坐标系中说明同步马达的定子线圈中的电流和电压。还作为Clark和Park变换已知的操作将带有120度(该角度适用于3相的驱动)旋转的坐标的固定的三轴坐标系的变量变换到带有处成彼此正交的轴的两轴坐标系中。这种Clark和Park变换在马达控制系统中早已已知且已经在可在市场上获得的集成电路中实现。
对于转子中的两极的永磁体(一对极对)，定子磁场和因此还有坐标系以同步马达的单倍的(einfachen)转速旋转。对于四极的转子磁场(两对极对)，例如对于球形马达1的转子4，坐标系以同步马达的两倍转速旋转。这相应适用于更高的极数。根据图5的马达调节系统现在在与球形马达1的转速成比例旋转的坐标系中将线圈电压US施加到定子线圈7中，由此与定子线圈7的电的性能相关地形成线圈电流IS，其具有直流电流分量ID和横向电流分量IQ，其中，在两个电流分量之间得到90度的相位差。
在图3中，在定子线圈7中形成横向电流分量IQ，其与转子磁场RM相互作用。通过在线圈电流IS与转子磁场RM之间的相互作用(洛伦兹力，Lorentzkraft)，在球形马达1的转子4上作用有切向力FT，其以预定的转速驱动转子4。
在图4中，在定子线圈7中形成有直流电流分量ID，其与转子磁场RM相互作用。通过在线圈电流IS与转子磁场RM之间的相互作用，在球形马达1的转子4上作用有垂直于转子表面4的力FR。如在图4中借助转子4的侧视图可见的那样，径向力FR的垂直于转子表面作用的力分量的轴向分量由于球形马达1的转子4的不对称而相叠加且形成轴向力FA。
在图5中示出了马达调节系统8，利用其将球形马达1作为同步马达来操控，其中，马达调节系统8构造为场定向的力矩调节系统。马达调节系统8具有变压器9，在其中设置有整流器10和三相变换器11。施加到整流器10处的例如230V和50Herz的电源电压在整流器10中进行整流且利用平滑电容器C(Glättkondensator)进行平滑处理。将已平滑的直流电压输送给三相变换器11，此外，为三相变换器11从马达调节级12输送有调节信息RI，其为每个定子线圈7预定随着坐标系旋转的线圈电压US。三相变换器11为三个定子线圈7中的每个施加相应于调节信息RI的线圈电压IS，对此在定子线圈7中相应形成线圈电流IS。
马达调节级12具有反馈级13，为其从球形马达1输送转速和/或位置信息PI。反馈级13构造成用于评估转速和/或位置信息PI且给出角度信息WI。角度信息WI含有关于转子4的实际的角度位置更确切地说转子角度θ的信息，且因此还含有关于球形马达1的实际转矩的信息。
马达调节级12具有变换级14，可为其从在线圈电流IS的输入线路处的电流传感器输送电流信息SI。变换级14构造成用于评估电流信息SI和角度信息WI。附加地，变换级14构造成用于根据Clark和Park变换变换所评估的信息且在静止的坐标系中发出调节直流电流RDI和调节横向电流RQI。
马达调节级12具有加法级(Addditionsstufen)或减法级(Subtraktionsstufen)15和16，其中，在第一级15中，从球形马达1的根据期望的转速预定的横向电流分量IQ减去调节横向电流RQI(理论值减去实际值)。在第二级16中，从预定的直流电流分量ID减去调节直流电流RDI。线圈电流IS的由加法级或减法级15和16相加的电流分量输送给PID调节器17和18，其构造成用于发出用于横向电流分量RQ的调节信息和用于直流电流分量RD的调节信息，然而仍然在旋转的坐标系中。借助于逆变换级19将用于横向电流分量和直流电流分量的调节信息RQ和RD在静止的三相坐标系中根据Clark和Park反变换进行逆变换。逆变换级19构造成用于将调节信息RI发送给三相变换器11。
上述说明的马达调节系统仅概括地进行了阐述，因为马达调节系统的所说明的级是已知的且已在可在市场中得到的集成电路中实现。对于以这种马达调节系统驱动的球形马达1，在实践中已经表明可出现机械振动。调查已经得出振动由此出现，即液压力、无电刷的永磁体激励的球形马达1的并不理想的磁的构造、垂直于转子表面指向的永久振荡的和电磁的力，由此，力且尤其轴向力振荡地作用到转子或泵叶轮上。振动例如可在球形马达用作加热循环泵的情况下通过加热管路传递到整个加热系统上且在这个机构中引起干扰噪声。同样的情况适用于柱体马达，此处，在转子与定子之间的缝隙中的振荡的力产生导致噪声的振动。
根据本发明的马达调节系统1现在具有直流电流发生器20，可为其从反馈级13输送确定的角度信息WI，其还含有关于球形马达1的实际的转速的信息。直流电流发生器20评估角度信息WI、调节横向电流RQI和存在于马达调节系统8中的其他信息，以便在球形马达1中产生与机械振动反极的振动。直流电流发生器20为此构造成用于产生变化分量更确切地说周期性变换的直流电流分量IDW，其在第一级中15与调节直流电流RDI一起被从恒定的直流电流分量ID的理论值中减去。
下面借助具体的示例阐述如何由直流电流发生器20计算周期性变换的直流电流分量IDW或在IDW中必须以哪种频率进行计算。理想地，沿着在转子4与定子3之间的气隙正旋地施加转子磁场RM。然而，取决于加工技术(例如由于转子的磁化或由于马达构造型式本身)，除了初级波(Grundwelle)之外，还在转子磁场RM中出现更高的谐波。在该具体的示例中，存在第五高级波(Oberwelle)，即，转子磁场RM的通量密度的数值可利用以下公式来估测：
由于场定向的调节，因此施加正旋电流，其中IQ=I，且ID=0，或通过施加的线圈电压US来如此设定，即利用B1来设定恒定的且与转子角度θ无关的转矩。此外，带有B1的标准电流馈电(Standard-Bestromung)并未引起径向力FR。在转子磁场RM中带有第五高级波的正旋电流之间的相互作用一方面引起转矩波动，这在具体情况下并未导致其他问题。然而，另一方面通过
在定子线圈7的每个单独的绕组处产生垂直于转子表面指向的力FR。如果考虑到其他的两个绕组，那么得到
在此特别重要的是出现的垂直于转子表面作用的力FR，其带有6倍频率，因为单独的绕组的分力相加。因此在提供的球形马达1中出现合成的轴向力，其引起带有6倍的电频率或带有12倍的机械频率的振动。
因此，为了抑制或排除振动，利用所说明的方法以以下公式来预定周期性变换的直流电流分量IDW：
其中，可利用θ1对相位进行精确匹配，而可利用c对幅度进行精确匹配。因为在这种情况下径向力FR直接取决于横向电流分量IQ，这当然使得同样有意义的是对幅度c直接与横向电流分量IQ成比例地进行加权。
温度同样可对轴向力和球形马达1的振动有影响。如果温度改变，则转子磁场RM的强度同样减小。在产生周期性变换的直流电流分量IDW的情况下，直流电流发生器20可考虑到该效应，其中，为了确定温度可设置温度传感器，或为了估计温度可考虑数学模型。温度在此形成在马达调节系统8中存在的经评估的其他信息的一个示例，以便产生最优匹配的周期性变换的直流电流分量IDW。
通过设置直流电流发生器20和施加线圈电压US，以便设定周期性变换的直流电流分量IDW，得到这样的优点，即，周期性变换的且尤其轴向的振动作用到转子4上且在理想情况下在整体方面平衡机械振动。因此，球形马达1可明显更安静地运行，这例如在将球形马达1用作循环泵时在机构的加热系统中带来显著的优点。
此外，在直流电流发生器20中现在设置有适配器件21，可为其输送通过测量球形马达1的振动确定的适配信息AI，直流电流发生器20构造成利用该适配信息产生与待控制的球形马达1特别好地匹配的直流电流分量IDW。轴向振动例如可借助于一个或多个霍尔传感器来测量，其安装在球形马达1处的一个或多个部位处。确定的测量值作为参数存储在适配器件21的存储器件中且在确定与球形马达1相匹配的变换的直流电流分量IDW的情况下进行了考虑。附加地，将此类同步马达，即例如球形马达或带有柱状转子的电马达存储在适配器件21中，以便达到相应很好地匹配待调节的同步马达。因此得到这样的优点，即实际上可在整体方面平衡球形马达1的机械振动且球形马达1由此特别安静地运转。
在意义方面，相同的情况同样适用于柱状马达，在此轴向振动并未导致噪声，而是在转子与定子之间的间隙中的径向振动导致噪声。
图6显示了带有直流电压发生器23的马达控制系统22的框图。在此，根据图5的马达控制系统22的构造相应于根据图6的马达控制系统8的构造，其中，代替直流电流发生器20，直流电压发生器23产生周期性变换的直流电压分量UDW，其经由在PID调节器17之后的第三加法级24相加。同样在该马达控制系统22中，为定子线圈7施加线圈电压US，其相应含有由直流电压发生器23产生的直流电压分量UDW。
同样在该马达控制系统22中，将适配器件25设置在直流电压发生器23中是有利的。利用马达控制系统22获得如其在上面借助马达控制系统8阐述的那样相同的优点。
可提及的是还可取消在马达调节系统8和22中的反馈级，且角度信息WI可通过电的参数(电流和电压)用数学方法来确定。
可提及的是根据本发明的马达调节系统可与带有不同数量N的定子线圈、转子中的极和相位的同步马达相匹配以用于在同步马达中进行操控。
可提及的是还可类似地执行用来相减的预定的直流电流分量ID和调节直流电流RDI的叠加。

Claims (9)

1. 一种用于同步马达(1)的马达调节系统(8;22)，该同步马达具有布置成彼此错位的数量为N的定子线圈(7)，其围绕所述同步马达(1)的转子(4)来布置，其中，线圈电压(US)可由所述马达调节系统(8;22)施加给所述定子线圈(7)且形成线圈电流(IS)，其在与所述同步马达(1)的转速成比例旋转的坐标系中具有直流电流分量(ID;IDW)和横向电流分量(IQ)，其中，横向电流分量(IQ)引起在转动方向上驱动所述转子(4)的切向力(FT)，并且其中，直流电流分量(ID)引起垂直于转子表面作用到所述转子(4)上的力(FR)，其特征在于，所述马达调节系统(8;22)具有直流电流发生器(20)以用于产生在旋转的坐标系中周期性变换的直流电流分量(IDW)，以便通过垂直于转子表面产生的力(FR)平衡利用所述马达调节系统(8;22)驱动的同步马达(1)的振动，其中，所述直流电流发生器构造成用于评估至少一个角度信息和调节横向电流。
2. 根据权利要求1所述的马达调节系统(8;22)，其特征在于，所述直流电流发生器(20)具有适配器件(21)，通过测量所述同步马达(1)的振动确定的适配信息可输送给该适配器件(21)，所述马达调节系统(8;22)构造成用于利用该适配信息产生与待控制的所述同步马达(1)相匹配的变换的直流电流分量(IDW)。
3. 根据上述权利要求中任一项所述的马达调节系统(8,22)，其特征在于，所述马达调节系统(8;22)优化成用于调节带有半球状或柱状转子的马达(1)。
4. 根据上述权利要求中任一项所述的马达调节系统(22)，其特征在于，代替所述直流电流发生器，直流电压发生器(23)构造成用于产生在旋转的坐标系中周期性变换的直流电压分量(UDW)，以便通过垂直于转子表面指向的力平衡利用所述马达调节系统(22)驱动的同步马达(1)的所产生的振动。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的马达调节系统(8;22)，其特征在于，所述马达调节系统(8;22)由场定向的调节系统形成。
6. 一种用于调节同步马达(1)的方法，在其中，将线圈电压(US)施加到布置成彼此错位的数量为N的定子线圈(7)中且形成线圈电流(IS)，该定子线圈围绕所述同步马达(1)的转子(4)来布置，其中，所述线圈电流(IS)在与所述同步马达(1)的转速成比例旋转的坐标系中具有直流电流分量(ID,IDW)和横向电流分量(IQ)，并且其中，所述横向电流分量(IQ)引起在转动方向上驱动所述转子(4)的切向力(FT)，并且其中，所述直流电流分量(ID)引起垂直于转子表面作用到所述转子(4)上的力(FR)，其特征在于，
产生在旋转的坐标系中周期性变换的直流电流分量(IDW)且通过施加线圈电压(US)来预定，以便通过垂直于转子表面作用的力(FR)平衡利用所述马达调节系统(8;22)驱动的同步马达(4)的振动，其中，为了产生合适的周期性变换的直流电流分量，评估至少一个角度信息和调节横向电流。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，执行测量所述同步马达(1)的振动，且使用在此确定的适配信息以用于产生与待控制的同步马达(1)相匹配的变换的直流电流分量(IDW)。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，代替变换的直流电流分量(IDW)，施加在旋转的坐标系中周期性变换的直流电压分量(UDW)，以便通过垂直于转子表面作用的力平衡利用马达调节系统(22)驱动的同步马达(1)的所产生的振动。
9. 一种包括同步马达(1)和用于所述同步马达(1)的马达调节系统(8;22)的系统，其特征在于，根据权利要求1所述的马达调节系统(8;22)用于调节球形马达(1)。
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