用於確定感應電動機的轉矩的方法和裝置的製作方法

2023-05-28 23:48:41

專利名稱：用於確定感應電動機的轉矩的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確定感應電動機的轉矩的方法，其中，由定子端電壓和定子端電流通過積分並隨後進行高通濾波，求出定子的交鏈式磁通量經濾波後無直流分量的空間矢量。此外本發明還涉及一種附屬的實施本發明方法的裝置，它具有一個用於測量定子端電壓和定子端電流的測量裝置，以及一個用於計算定子的交鏈式磁通量經濾波後的空間矢量的計算裝置。
對於感應電動機的驅動任務來說，有關感應電動機輸出轉矩的認識是比較重要的，因為只有在具備這樣一種認識的前提下，才能有針對性地調節感應電動機的轉矩。例如由DE4229554C2以及JP56-79223A公開了一些用於確定在上述類型的感應電動機中的轉矩的裝置，其中，藉助於電子器件在一個所謂的計算線路中算出轉矩。在上述兩個專利文獻中，為了在確定定子的交鏈式磁通量時抑制直流分量，採用電子式高通濾波器。
由EP0621680A1公開了一種轉矩間接調節裝置，其中，在三相中的至少一相中的有功功率被調節到一個恆定值。其缺點是，在有功功率和轉矩間沒有直接關係，因此利用公知的方法只能被迫不精確地對轉矩進行調節。
利用定子的交鏈式磁通量和定子電流用於確定轉矩的另一種方法(亦即通過測量純粹的電量值而不另外採用一個轉矩傳感器)，例如已由德國專利申請公開。其目的在於，通過使定子和轉子的磁通同步，將轉矩調節為0。此時，定子的交鏈式磁通量的空間矢量按轉子角速度旋轉，這樣間接地利用變頻器電壓的基頻就能計算出電機的轉速。但這篇文獻卻沒有描述怎樣確定定子的交鏈式磁通量，以及怎樣不會積累在獲取和處理測量值時被迫產生的誤差，從而避免在確定轉矩時有不能容忍的誤差出現。
本發明的目的在於，提供一種僅僅採用電量值儘可能簡單和精確的用於確定感應電動機的轉矩的方法，其中，因數字積分和必要的高通濾波引起的誤差在很大程度上會得到校正。
此外，本發明的目的還在於提供一種實施本發明方法的裝置。
本發明的第一個目的通過一種具有權利要求1所述特徵的方法來實現。在本發明的用於確定感應電動機的轉矩的方法中，由定子端電壓和定子端電流通過數字積分和隨後進行高通濾波，計算出定子的交鏈式磁通量的空間矢量，然後乘上一個複合校正係數計算出轉矩。通過乘上複合校正係數，由數字積分和高通濾波引起的關於電網電壓的基波的幅值和相位誤差得以校正。由此計算出一個在電網電壓的基波的幅值和相位方面比較精確的交鏈磁通量值。
本發明的目的基於前言所述類型的方法這樣來實現，即，使空間矢量乘上一個複合校正係數，之後再計算出轉矩。在相應的裝置中，設置一個計算裝置，利用它，除了計算出經濾波後得到的空間矢量外，它還將該空間矢量直接乘以一個複合校正係數，並同時可由該乘積計算出轉矩。
通過高通濾波可一方面補償在測量電流和電壓值時產生的誤差，另一方面補償因下列情況產生的誤差，即，由於溫度隨不同的運行條件改變，計算定子磁通量所需的定子繞組的歐姆電阻值無法精確獲知。此外，通過高通濾波對積分時的剩餘誤差予以補償，避免了所計算出的定子的交鏈磁通量值有殘餘的偏差或漂移。而這樣的偏差或漂移可能會導致在確定轉矩時有殘餘的或擴大的誤差。
在本發明方法的一個優選的設計中，具體實施下列步驟a)按預定的時間間隔對定子的端電壓和端電流進行測量，b)由定子的端電壓和端電流的測量值計算出定子電壓或定子電流的空間矢量，c)由定子電壓或定子電流的空間矢量和一個用於定子交鏈磁通量的空間矢量的初始值，通過數字積分求出定子交鏈磁通量的一個未濾波的空間矢量，d)定子交鏈磁通量的未濾波的空間矢量為了高通濾波乘上一個預定的濾波係數，e)以這種方法求得的定子交鏈磁通量的濾波後的空間矢量被用作下面數字積分的初始值，並f)為了計算出感應電動機的實際轉矩而乘上一個複合校正係數。
在上述方法中，採用一種利用按預定的時間間隔掃描的電流和電壓信號來確定交鏈磁通量的數字積分方法。
在本發明的一個優選設計中，計算裝置包含一個第一計算單元，用於計算和存儲定子電壓和定子電流的空間矢量；一個第二計算單元，用於由所存儲的定子電壓或定子電流的空間矢量和一個存儲在一個存儲器中的用於定子交鏈磁通量的空間矢量的初始值，通過數字積分求出定子交鏈磁通量的空間矢量；一個連接在後的第三計算單元，用於使所計算出的定子交鏈磁通量的空間矢量乘上一個濾波係數；以及一個第四計算單元，用於由定子電流的空間矢量、經過校正的定子交鏈磁通量的空間矢量、極數和一個校正係數計算出轉矩，其中，定子交鏈磁通量經濾波後的空間矢量被輸送到初始值存儲器的輸入口。
在本發明的另一優選設計中設置一個控制裝置，用於根據在第四計算裝置的輸出口輸出的轉矩實際值控制感應電動機的轉矩。
本發明的出發點是在例如德國專利DE19532477為其所公開的電動機控制作基礎而採用的公式(1)，通過該公式可由定子交鏈磁通量和定子電流計算出轉矩。m=23p(i)-----(1)]]>m 轉矩p 極對數Ψ∠在定子坐標系中的定子交鏈磁通量的矢量i∠定子電流的空間矢量×利用z∠1×z∠2=Re{z∠1}·Im{z∠2}-Im{z∠1}·Re{z∠2}的運算符當藉助於已知的坐標變換由可測得的定子端電流i1,2,3可直接確定定子電流的空間矢量i∠時，定子交鏈磁通量的空間矢量Ψ∠必須間接地由定子端電壓u1,2,3和定子端電流i1,2,3來求出。
定子交鏈磁通量的空間矢量Ψ∠的時間導數為ddt=u-Ri-----(2)]]>u∠定子電壓的空間矢量R定子繞組和引線的歐姆電阻在公式(2)中的電阻R要麼作為感應電動機的參數是已知的要麼可在電機上測得。
通過積分最後求出感應電動機的定子交鏈磁通量的空間矢量如下=t=01(u-Ri)dt-----(3)]]>對於一臺接在對稱的無諧波的交流電網上的理想的感應電動機來說，其交鏈磁通量在瞬態過程衰減之後在複數平面呈一個以電網頻率旋轉的圓，它的圓心點與零點重合。若電機利用變頻器或交流調節器(軟起動器)運行，交鏈磁通量矢量就以基波頻率旋轉，此時，現有的諧波在振蕩時呈圓形。
按照公式(1),(2),(3)確定轉矩的優點主要在於，除了便於確定的電阻R和已知的極對數p之外，沒有必要知道感應電動機更多的信息。
現在優選數位化地按照公式(4)進行所需的積分，例如按照梯形規則進行等距掃描^k=k-1+t2(dkdt+dk-1dt)-----(4)]]>Ψ∠k-1在第k-1步掃描所計算出的定子交鏈磁通量(經濾波後)的空間矢量； 在第k步掃描時的定子交鏈磁通量未濾波的空間矢量；Δt 掃描步長。
定子交鏈磁通量的空間矢量Ψ∠k,k-1在掃描步驟k和k-1時的時間導數 在此直接由屬於這一掃描步驟的定子端電壓和定子端電流的空間矢量u∠k,k-1,i∠k,k-1按照公式(2)求得。
如前述所言，由於在測量電流、電壓值和未精確已知的電阻R(因受溫度影響)時不可避免的誤差，以及在數字積分過程中的殘餘誤差，不採取進一步的措施就會導致所計算出的定子交鏈磁通量存在偏差或漂移，這在複數平面內表現為交鏈磁通量的圓從零點移出。最後這會給確定轉矩帶來殘存的誤差或擴大的誤差。
為了進一步減小所不期望的這一後果，現在按照本發明讓定子交鏈磁通量的可數字確定的空間矢量經受高通濾波。在數字積分過程中，則在每一掃描步驟中讓所計算出的定子交鏈磁通量的空間矢量乘上一個濾波係數η，其中η小於1k=[k-1+t2(dkdt+dk-1dt)]-----(5)]]>η實現高通的濾波係數以此方式獲得的定子交鏈式磁通量的濾波後的空間矢量Ψ∠k在下一個步驟k+1中被用於按照公式(4)計算未濾波的空間矢量 對於測量濾波係數η可引用公式(6)，其中τ是一個濾波器時間常數，它優選為電網周期的1至10倍。=exp(-t)-----(6)]]>τ-濾波器時間常數對於在一個具有任意基波角頻率ω的交流電網上工作的感應電動機來說，在瞬態幹擾衰減之後，在按照公式(5)求得的定子交鏈磁通量的空間矢量的基波和事實上在感應電動機中存在的定子交鏈磁通量的基波之間，在幅值上和相位(在複數平面內的角度)上都存在一個恆定的偏差(該偏差在下面稱為交鏈磁通量的基波誤差)，而無論感應電動機是直接由交流電網饋電，還是通過一個軟起動器或交流調節器，一個變頻器或另外的控制設備間接饋電。
現在通過給按照公式(5)算得的交鏈磁通量乘上一個恆定的複合校正係數C∠，可補償上述恆定的基波誤差。由此可採用公式(1)的下列變化關係式來計算轉矩mk=23p(Ckik)-----(7)]]>C∠-用於補償誤差的複合校正係數在採用公式(5)所示的積分規則時得出校正係數C∠如下C=(+1)sincos+1+j(-1)]]>其中β=ω·Δt (8)ω-基波的角頻率，校正係數C∠與之匹配。
在採用與公式(5)所示不同的另一個數字積分方法時，複合校正係數C∠必須相應進行調整。
下面藉助附圖所示對本發明予以詳細說明，附圖中

圖1是用於實施本發明方法的裝置的方框線路圖，它帶有一個信號流程圖；圖2是在一臺30kW感應電動機的起動過程中，按照本發明計算得到的轉矩相對於真實轉矩隨時間變化的曲線圖。
在圖1所示實施例中，一臺感應電動機2的定子通過一個控制裝置4與一個三相交流電網的相線L1,L2,L3相連接。藉助於一個測量裝置6，不但測得在感應電動機2的定子線圈中流動的定子端電流i1,i2,i3，還測得定子端電壓u1,u2,u3，這些測量值被進一步傳遞給一個第一計算單元8。
第一計算單元8在本實施例中包含一個未進一步詳細示出的模擬-數字轉換器，在其中，定子端電流和定子端電壓的測量值按一個預定的掃描率被數位化。這樣就使相互對應的數字測量值之間有等距的時間間隔。第一計算單元包含變換單元8a和8b，在其中，在掃描步驟k時，由定子端電流i1,i2,i3和定子端電壓u1,u2,u3求出相應的定子電壓或定子電流的空間矢量u∠k,i∠k，這些空間矢量u∠k,i∠k在不連續的時間間隔Δt內駐留在第一計算單元的輸出端上。
在一個連接在第一計算單元8之後的第二計算單元10中，藉助於公式(2)由定子電流和定子電壓的空間矢量u∠k,i∠k以及定子電阻R，計算出相應於當前掃描步驟k時的定子交鏈磁通量的空間矢量Ψ∠k的時間導數 ，該時間導數在一個加法器102中與存儲在一個存儲器104中的前一次掃描步驟k-1時的定子交鏈磁通量空間矢量的時間導數 相加。由此得到的和值在一個乘法級106中與二分之一掃描寬度Δt/2相乘。一個存儲在一個初始值存儲器108中的初始值Ψ∠k-1與該乘積相加並輸出。
以此方法計算得到的未濾波的定子磁通量空間矢量 在一個第三計算單元12中與濾波係數η相乘，如此獲得的濾波後的定子磁通量空間矢量Ψ∠k在一個第四計算單元14中按照公式(7)與按照公式(8)確定的複合校正係數C∠以及1.5倍極對數目p、定子電流的當前空間矢量i∠k相乘。
由此在第四計算單元14的輸出端輸出所計算出的當前轉矩值mk，它作為實際值被輸送給控制裝置4，在那兒進行處理以用於調節或控制感應電動機2的轉矩m。為此，所述控制裝置4優選由單元4a和4b組成，單元4a例如是電動機控制設備，單元4b是調節器。
所濾波出的定子磁通量空間矢量Ψ∠k輸送給初始值存儲器108並作為初始值提供給下一次計算步驟k+1。
在圖2中，在一個轉矩/時間-曲線圖表中，真實的轉矩m對應於曲線a，按照本發明確定的轉矩對應於曲線b，時間t為橫坐標。從該附圖中可看到，在起動階段最初增加的偏差被得以校正，從起動過程開始之後的大約0.7秒處起，在實際轉矩和所計算出的轉矩之間的不同實際上就已經可以被忽略。因而通過按照本發明計算轉矩，可以完全避免所計算出的轉矩與真實轉矩之間有殘餘的或擴大的誤差。
這樣，利用本發明就可以實現，由複合校正係數C∠和相對於電網電壓基波的定子交鏈磁通量空間矢量相乘得到的乘積漸近地相當於定子交鏈磁通量的精確值。這一點是通過確定校正係數使通過積分方法和高通濾波所產生的誤差漸近地得以消失來實現的。
為了計算複合校正係數，比較有利地採用z-變換首先使積分規則進行z-變換(z)=[(z)z+t2((z)+(z)z)-----(11)]]>(z)(z-)=t2(z)(z+1)-----(12)]]>(z)=t2z+1z-(z)-----(13)]]>用於Ξ∠k的z-變換如下Z{K}=Z{exp(jk)}=zz-exp(j)-----(14)]]>(z)=t2z+1z-zz-exp(j)-----(15)]]>Ψ∠(z)可進一步被分成(z)=t21exp(j)-[z(exp(j)+1)z-exp(j)z(+1)z-]---(16)]]>在上述公式的括號中具有分母(z-η)的第二項在反變換之後是一個乘以ηk的乘積，該乘積由於η＜1在大k值時接近於消失為零。而第一項則正好相反，在經過反變換之後它又轉換成如下形式的一個空間矢量t2exp(j)+1exp(j)-exp(jk)-----(17)]]>現在複合校正係數C∠必須這樣來確定，即，它能使數字計算出的交鏈磁通量的空間矢量在大的k值時相當於Ξ∠k的精確積分，亦即 由此得出Ct2exp(j)+1exp(j)-=1j-----(18)]]>C=2[exp(j)-]j[exp(j)+1]-----(19)]]>通過進一步的變換，產生一個實數分母以及分開的實部和虛部，最後對於複合校正係數得出上面已提出過的公式(8)C=(+1)sincos+1+j(-1)]]>其中β=ω·Δt藉助於上述積分規則計算出的交鏈磁通量的空間矢量Ψ∠k乘上複合校正係數C∠後，隨著用於電網電壓基波的k值的增加漸近地過渡成精確值。
在知道下列參數-電網電壓基波的角頻率ω-濾波係數η-掃描步長Δt之後只需計算一次就能求出複合校正係數C∠，該校正係數隨後可存儲在一個ROM中。為了在電機運轉期間確定轉矩，只需進行一次複數乘法。若採用其它求積分的算法或其它實現高通濾波的算法，就必須還要生成其它複合校正係數C∠。這些校正係數同樣按上述規則進行計算。
在一個實際應用的例子中得出-高通濾波係數η=0.999-電網電壓基波的角頻率ω=2*π*f=314.159s-1-掃描步長Δt:100μs由此得出複合校正係數C∠=1.0005827965-j*0.018628515在一個計算機中計算這些參數可滿足精確的預定要求。
權利要求
1．一種用於確定一感應電動機(2)的轉矩(mk)的方法，其中，由定子端電壓(u1,u2,u3)和定子端電流(i1,i2,i3)通過積分並隨後進行高通濾波，求出定子的交鏈式磁通量經濾波後無直流分量的空間矢量(Ψ∠k)，其特徵在於，所述濾波後的空間矢量(Ψ∠k)為了校正由積分和高通濾波引起的相對於電網頻率基波的幅值和相位誤差，與一個複合校正係數相乘(C∠)，藉助於這樣校正的空間矢量，計算出該感應電動機輸出的轉矩(mk)。
2．如權利要求1所述的方法，其特徵在於，對所述複合校正係數(C∠)進行選擇，使得由該複合校正係數(C∠)和一個數字計算出的定子交鏈磁通量的空間矢量(Ψ∠k)相乘得到的乘積相對於電網電壓基波漸近地趨於精確值。
3．如權利要求2所述的方法，其特徵在於，這樣來確定所述校正係數(C∠)，即，使得由數字積分和高通濾波產生的誤差漸近地趨於消失。
4．如上述任一項權利要求所述的用於確定一感應電動機(2)的轉矩(mk)的方法，其特徵在於下列步驟a)按預定的時間間隔(Δt)對定子的端電壓(u1,u2,u3)和端電流(i1,i2,i3)進行測量，b)由定子的端電壓(u1,u2,u3)和端電流(i1,i2,i3)的間斷測量值計算出定子電壓的空間矢量(u∠k)和定子電流的空間矢量(i∠k)，c)由定子電壓的空間矢量(u∠k)和定子電流的空間矢量((i∠k))和一個用於定子交鏈磁通量的空間矢量的初始值(Ψ∠k-1)，通過數字積分求出定子交鏈磁通量的一個未濾波的空間矢量( )，d)定子交鏈磁通量的未濾波的空間矢量( )為了被高通濾波乘上一個預定的濾波係數(η)，e)以這種方法求得的定子交鏈磁通量的濾波後的空間矢量(Ψ∠k)作為定子交鏈磁通量的空間矢量的初始值(Ψ∠k-1)被用於下面的數字積分步驟中，f)為了計算出感應電動機的現實轉矩(mk)，使該濾波後的空間矢量(Ψ∠k)乘上一個複合校正係數(C∠)。
5．如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述濾波係數(η)由時間間隔(Δt)和一個濾波器時間常數(τ)按照公式=exp(-t)-----(6)]]>求出，在此，該濾波器時間常數(τ)是電網周期的1至10倍。
6．一種實施如上述任一項權利要求所述方法的裝置，它具有一個用於測量定子端電壓(u1,u2,u3)和定子端電流(i1,i2,i3)的測量裝置(6)，以及一個用於計算定子的交鏈式磁通量經濾波後的空間矢量(Ψ∠k)的計算裝置(8,10,12,14)，其特徵在於，所述計算裝置被設計成，使濾波後的空間矢量(Ψ∠k)與一個複合校正係數(C∠)相乘，並由該乘上複合校正係數(C∠)的濾波後的空間矢量(Ψ∠k)計算出轉矩(mk)。
7．如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述複合校正係數(C∠)按下式求得C=(+1)sincos+1+j(-1)]]>其中β=ω·Δt(8)在此，對於積分和高通濾波適用下列邊界條件k=[k-1+t2(dkdt+dk-1dt)]-----(5)]]>=exp(-t)-----(6)]]>τ-濾波器時間常數。
8．如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述計算裝置具有一個第一計算單元(8)，用於計算定子電壓空間矢量(u∠k)和定子電流空間矢量(i∠k)；一個第二計算單元(10)，用於由定子電壓和定子電流的空間矢量(u∠k,i∠k)和一個存儲在一個初始值存儲器(108)中的用於定子交鏈磁通量的空間矢量的初始值(Ψ∠k-1)，通過數字積分求出定子交鏈磁通量的未濾波的空間矢量( )；一個連接在後的第三計算單元(12)，用於使定子交鏈磁通量的未濾波的空間矢量( )乘上一個濾波係數(η)，以計算出定子交鏈磁通量的濾波後的空間矢量(Ψ∠k)；以及一個第四計算單元(14)，用於由定子電流的空間矢量(i∠k)、定子交鏈磁通量的濾波後的空間矢量(Ψ∠k)、極對數(p)和一個校正係數(C∠)計算出轉矩(mk)，其中，定子交鏈磁通量的濾波後的空間矢量(Ψ∠k)被輸送到初始值存儲器(108)的輸入口。
9．如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，設有一個控制裝置(4)，它根據在第四計算單元(14)的輸出口輸出的轉矩(mk)實際值來控制感應電動機(2)的轉矩。
全文摘要
本發明涉及一種用於確定一感應電動機(2)的轉矩(m
文檔編號H02P21/12GK1319179SQ99811163
公開日2001年10月24日 申請日期1999年9月9日 優先權日1998年9月21日
發明者格爾德·格裡彭特羅格, 迪薩德·朗格爾迪爾 申請人:西門子公司