阅读说明：本技术 用于确定感应电机的转动的装置和方法 (Device and method for determining the rotation of an induction machine ) 是由 安西·西内尔沃 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种用于估计感应电机的转动速度和/或转动方向的装置。该装置控制感应电机的定子电压(u<Sub>u</Sub>、u<Sub>v</Sub>、u<Sub>w</Sub>),使得由定子电压构成的电压空间矢量具有固定方向,并且由感应电机的定子电流(i<Sub>u</Sub>、i<Sub>v</Sub>、i<Sub>w</Sub>)构成的电流空间矢量具有预定长度或预定的d分量。基于电流空间矢量的q分量的波形来估计转动速度和/或转动方向,其中,电流空间矢量的d分量与电压空间矢量平行,并且电流空间矢量的q分量与电压空间矢量垂直。该装置在感应电机没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定时是可用的。(The present invention proposes an apparatus for estimating the rotational speed and/or rotational direction of an induction motor. The device controls the stator voltage (u) of an induction machine u 、u v 、u w ) So that a voltage space vector composed of the stator voltage has a fixed direction and is composed of a stator current (i) of the induction motor u 、i v 、i w ) The resulting current space vector has a predetermined length or a predetermined d-component. Based on current spaceThe waveform of the q-component of the vector, where the d-component of the current space vector is parallel to the voltage space vector and the q-component of the current space vector is perpendicular to the voltage space vector, is used to estimate the rotational speed and/or rotational direction. The arrangement is usable when the induction machine does not have sufficient magnetic flux for flux-based determination of the speed and/or direction of rotation.)

用于确定感应电机的转动的装置和方法

技术领域

本公开内容涉及用于估计感应电机的转动速度和/或转动方向的装置和方法。该装置在感应电机没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定时是可用的。此外，本公开内容涉及一种用于驱动感应电机的功率电子转换器。此外，本公开内容涉及一种用于估计感应电机的转动速度和/或转动方向的计算机程序。

背景技术

在许多情况下，需要给转动的感应电机通电，该感应电机的转动速度没有被测量，并且没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定。这种情景在没有转速计或其他速度测量装置以及在断电之后转子停止转动之前但磁通量已经消失之后感应电机重新启动的应用中出现。在上述类型的应用中，向感应电机供电的装置(诸如例如功率电子转换器)利用构成转动电压空间矢量的电压使感应电机磁化。如果电压空间矢量的转动方向和/或转动速度与转子的转动方向和转动速度相差太大，则可能会产生大电流，这可能会损坏感应电机和/或向感应电机供电的装置。当电压空间矢量和感应电机的转子具有相反的转动方向时，情况可能尤其成问题。因此，需要在开始用构成转动的电压空间矢量的电压使感应电机磁化之前估计转子的转动方向，并且有利地还估计转子的转动速度。

用于估计感应电机的转动速度和/或转动方向的已知方法包括：向感应电机的定子绕组供应直流脉冲，并测量取决于转动方向和速度的定子电压。与该方法有关的挑战在于，定子电压的转动依赖分量较小，并且定子电压具有开关纹波以及与定子电阻和定子杂散电感有关的其他分量。因此，基于上述定子电压，难以足够可靠地估计转动速度和/或转动方向。

公开文献JP2007274900和EP1536552描述了用于确定自由运转的感应电机的转动速度和方向的方法。该方法基于在第一空间矢量方向上向感应电机的定子供应直流电流并且检测在与第一空间矢量方向垂直的第二空间矢量方向上感应的电流的行为。

公开文献US2012098472描述了一种用于电机控制器的机构，该电机控制器用于接合旋转电机。动力部分被配置为向电机提供动力。控件被配置为控制动力部分。控件被配置为通过向电机施加小的激励电压来搜索电机的电机频率，并且最初以作为最大频率的电压频率施加激励电压。控件被配置为跟踪电机频率，直到电机频率低于等效速度命令为止，并通过向电机施加较高的电压来接合电机。

公开文献EP1049243描述了一种系统，该系统包括用于确定定子电压矢量、用于测量定子绕组电流矢量、用于基于电流和电压矢量来得出估计的或模型的定子通量矢量、以及用于基于通量矢量得出定子电流矢量需求值的装置。电流调节器产生应用定子电压矢量的值，使得定子电流被调节到需求值。

公开文献Kondo Keiichiro的“Re-stating technologies for rotationalsensorless controlled AC motors at the rotating status”(2015年第10届亚洲控制会议(ASCC)，IEEE，2015年5月31日，第1-6页)描述了与用于感应电机和永磁同步机器的旋转无传感器控制方法相关联的重新启动方法。

发明内容

以下呈现简化的发明内容，以提供对不同发明实施例的一些方面的基本理解。该发明内容不是本发明的广泛概述。它既不旨在确定本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。以下发明内容仅以简化形式呈现本发明的一些概念，作为对本发明的示例性和非限制性实施例的更详细描述的序言。

根据本发明，提供了一种新型装置，所述装置在感应电机没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定时估计所述感应电机的所述转动速度和/或转动方向。根据本发明的装置包括利用一个或多个处理器电路实施的处理系统，所述处理系统被配置为：

-控制所述感应电机的定子电压，以构成相对于所述感应电机的定子具有固定方向的电压空间矢量，

-控制所述电压空间矢量的长度，以调节所述感应电机的定子电流满足由所述定子电流构成的电流空间矢量具有预定长度的条件；以及

-基于所述电流空间矢量的q分量的波形来估计以下各项中的至少一项：所述感应电机的转子的转动速度、所述转子的转动方向，

其中，所述电流空间矢量的d分量与所述电压空间矢量平行，并且所述电流空间矢量的q分量与所述电压空间矢量垂直。

定子电流固有地由感应电机的绕组过滤，因此，与基于电压的方法相比，基于电流空间矢量的q分量的波形较容易对感应电机的转动速度和/或转动方向形成足够可靠的估计。

根据本发明，还提供了一种新型功率电子转换器，所述功率电子转换器包括：

-转换器级，其用于形成用于感应电机的定子电压，

-控制器，其用于至少部分地基于所述感应电机的定子电流来控制所述定子电压，以及

-根据本发明所述的装置，所述装置用于估计以下各项中的至少一项：所述感应电机的转子的转动速度、所述转子的转动方向。

根据本发明，还提供了一种新方法，所述方法用于在感应电机没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定时估计所述感应电机的所述转动速度和/或转动方向。根据本发明的方法包括：

-控制感应电机的定子电压，以构成相对于所述感应电机的定子具有固定方向的电压空间矢量，

-控制所述电压空间矢量的长度，以调节所述感应电机的定子电流满足由所述定子电流构成的电流空间矢量具有预定长度的条件；以及

-基于所述电流空间矢量的q分量的波形来估计以下各项中的至少一项：所述感应电机的转子的转动速度、所述转子的转动方向。

根据本发明，还提供了一种新型计算机程序，所述计算机程序用于在感应电机没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定时估计所述感应电机的所述转动速度和/或转动方向。根据本发明的计算机程序包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于控制可编程处理器执行下述动作：

-控制感应电机的定子电压，以构成相对于所述感应电机的定子具有固定方向的电压空间矢量，

-控制所述电压空间矢量的长度，以调节所述感应电机的定子电流满足由所述定子电流构成的电流空间矢量具有预定长度的条件；以及

-基于所述电流空间矢量的q分量的波形来估计以下各项中的至少一项：所述感应电机的转子的转动速度、所述转子的转动方向。

根据本发明，还提供了一种新的计算机程序产品。所述计算机程序产品包括用根据本发明的计算机程序编码的非易失性计算机可读介质，例如光盘“CD”。

在随附的从属权利要求中描述了各种示例性和非限制性实施例。

当结合附图阅读时，根据以下对具体示例性实施例的描述，将最好地理解关于构造和操作方法的示例性和非限制性实施例，以及它们的附加的目的和优点。

动词“包括”和“包含”在本文档中用作开放式限制，既不排除也不要求存在未记载的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由组合。此外，应当理解，在整个文档中使用“一”或“一个”(即单数形式)并不排除多个的情况。

附图说明

在下面参考附图更详细地说明示例性和非限制性实施例及其优点，在附图中：

图1示出了功率电子转换器，该功率电子转换器包括根据示例性和非限制性实施例的装置，该装置用于在感应电机没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定时估计感应电机的转动速度和/或转动方向，

图2a示出了根据示例性和非限制性实施例的装置的功能块图，

图2b示出了根据另一示例性和非限制性实施例的装置的功能块图，以及

图3示出了根据示例性和非限制性实施例的方法的流程图，该方法用于在感应电机没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定时估计感应电机的转动速度和/或转动方向。

具体实施方式

在以下描述中提供的特定示例不应被解释为限制随附的权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则在以下具体实施方式中提供的示例列表和示例组并不是详尽的。

图1示出了根据示例性和非限制性实施例的功率电子转换器100。功率电子转换器100包括用于形成用于感应电机105的定子电压的转换器级104。出于演示的目的，感应电机105的相数是三个，但是不同的相数也是可能的。在图1中，定子相电压被表示为u_u、u_v和u_w。在图1所示的示例性情况下，功率电子转换器100的输入电压是直流“DC”电压U_DC。输入电压也有可能是例如三相交流“AC”电压。在该示例性情况下，功率电子转换器可以包括例如整流器和在整流器与转换器级104之间的DC电压中间电路。转换器级104可以被配置为采用例如脉冲宽度调制“PWM”来将DC电压U_DC转换成定子电压u_u、u_v和u_w。然而，转换器级104也有可能是矩阵转换器级，该矩阵转换器级用于执行从例如三相输入AC电压到感应电机105的定子电压u_u、u_v和u_w的直接转换。功率电子转换器100还包括用于控制感应电机105的定子电压u_u、u_v和u_w的控制器103。在图1中，由控制器103传送到转换器级104的一组开关控制值用s表示。控制器103可以包括用于实施不同控制模式诸如一种或多种矢量控制模式和标量控制模式的装置。在矢量控制模式中，控制器103可以至少部分地基于感应电机105的定子电流i_u和i_v并且基于机器参数即感应电机105的电感和电阻来控制定子电压u_u、u_v和u_w。在图1所示的示例性情况下，假定定子电流i_u、i_v和i_w之和为零，并且由于i_w＝-i_u-i_v，因此控制器103仅需要两个定子电流i_u和i_v。

功率电子转换器100还包括根据示例性和非限制性实施例的装置101，该装置用于在感应电机105没有足够的磁通量用于对转动速度ω_r和/或转动方向进行基于通量的确定时估计感应电机105的转动速度ω_r和/或转动方向。

图2a示出了当装置101的处理系统102正在估计感应电机105的转动速度ω_r和/或转动方向时与处理系统102对应的示例性功能块图。处理系统102被配置为控制感应电机105的定子电压u_u、u_v和u_w，以构成相对于感应电机105的定子具有固定方向的电压空间矢量。电压空间矢量被定义为(2/3)(u_u+au_v+a²u_w)，其中，

其中，j是虚数单位。在图2a中，因为电压空间矢量相对于定子具有固定的方向，所以电压空间矢量的方向用固定到感应电机105的定子的dq坐标系的d轴表示。因此，电压空间矢量为u_d。处理系统102被配置为实施功能块211，该功能块将电压空间矢量转换成参考定子电压u_uref、u_vref和u_wref，使得u_uref＝u_dcos(θ)，u_vref＝u_dcos(θ-120°)，并且u_wref＝u_dcos(θ-240°)，其中，θ是dq坐标系的d轴与定子绕组的相u的磁轴之间的角度。角度θ可以表示为例如电角度或电弧度。由图1所示的控制器103实施的功能块212将参考定子电压u_uref、u_vref和u_wref转换成被传送到转换器级104的一组开关控制值s。

处理系统102被配置为实施功能块213，功能块213计算由定子电流i_u、i_v和i_w构成的电流空间矢量的d和q分量，使得：

并且

其中，i_w＝-i_u-i_v，并且电流空间矢量的d分量i_d与电压空间矢量平行，而电流空间矢量的q分量i_q与电压空间矢量垂直。在不限制一般性的情况下，可以将电压空间矢量的固定方向选择为相u的磁轴的方向，即θ＝0。在该示例情况下：

i_d＝(2/3)(i_u-i_v/2-i_w/2)并且

处理系统102被配置为实施：功能块217，该功能块217计算电流空间矢量的长度i_abs；以及功能块210，该功能块210控制电压空间矢量的长度，使得定子电流i_u、i_v和i_w满足电流空间矢量具有预定长度i_abs，ref的条件。功能块210可以是例如比例“P”调节器，比例和积分“PI”调节器，比例、积分和微分“PID”调节器，或某种其他合适的调节器。电流空间矢量的预定长度i_abs，ref可以例如在感应电机105的标称电流的峰值的30％至100％的范围内。

处理系统102被配置为实施功能块214，功能块214基于电流空间矢量的q分量i_q的波形来估计转动方向和/或转动速度ω_r。下面描述估计转动方向和/或转动速度ω_r的示例性方式。

在根据示例性和非限制性实施例的装置中，处理系统102被配置为在开始满足上述条件i_abs＝i_abs，ref时检测q分量i_q的变化方向，并且基于检测到的变化方向来确定转动方向。如图2a所示的示例性波形215所示，如果q分量i_q首先下降，则确定转动方向为正。相应地，如图2a所示的示例性波形216所示，如果q分量i_q首先上升，则确定转动方向为负。

在根据示例性和非限制性实施例的装置中，处理系统102被配置为：检测在开始满足条件i_abs＝i_abs，ref之后出现的q分量i_q的波形的第一局部极值的极性，并基于检测到的极性来确定转动方向。如图2a所示的示例性波形215所示，如果第一局部极值为负值，则确定转动方向为正。相应地，如图2a所示的示例性波形216所示，如果第一局部极值为正值，则确定转动方向为负。

在根据示例性和非限制性实施例的装置中，处理系统102被配置为：测量第一时间值T₁，第一时间值T₁指示从开始满足条件i_abs＝i_abs，ref到q分量i_q的波形达到其第一局部极值的时刻所经过的时间。处理系统102被配置为基于所测量的第一时间值T₁来估计转动速度ω_r，使得ω_r，estimate＝π/T₁/p，其中，p是感应电机105的极对的数量。

在根据示例性和非限制性实施例的装置中，处理系统102被配置为：测量至少一个第二时间值T₂，第二时间值T₂指示q分量i_q的波形的两个连续局部最大值之间或两个连续局部最小值之间所经过的时间。处理系统102被配置为基于所测量的第二时间值T₂来形成对转动速度ω_r的估计，使得ω_r，estimate＝2π/T₂/p。

在根据示例性和非限制性实施例的装置中，处理系统102被配置为应用上述示例性方式中的两种或更多种来估计转动方向和/或转动速度ω_r。虽然通过观察q分量i_q的波形的许多局部最大值和/或许多局部最小值可以使对转动速度ω_r的估计更加准确，但是这增加了获得估计所需的时间。

在根据示例性和非限制性实施例的装置中，处理系统102被配置为以上述方式中的一种或多种来估计转动速度ω_r，然后控制定子电压u_u、u_v和u_w，使得电流空间矢量以所估计的转动速度转动。电流空间矢量可以转动，例如使得通过控制电压空间矢量(2/3)(u_u+au_v+a²u_w)的长度来控制电流空间矢量(2/3)(i_u+ai_v+a²i_w)的长度，并且通过控制电压空间矢量的转动速度来控制电流空间矢量的转动速度。

在根据示例性和非限制性实施例的装置中，处理系统102被配置为基于定子电压u_u、u_v和u_w，定子电流i_u、i_v和i_w以及电流空间矢量转动时的定子电阻来估计感应电机105的气隙功率P_ag的流动方向。处理系统102被配置为在所估计的流动方向朝向感应电机的转子106时使电流空间矢量的转动速度减小，并且在所估计的流动方向从感应电机的转子中出来时使电流空间矢量的转动速度增大。当感应电机105包含的磁能基本恒定时，气隙功率可以被估计为：

P_ag＝u_u i_u+u_v i_v+u_w i_w-R_s(i_u ²+i_v ²+i_w ²)，

其中，R_s是定子电阻。如果估计的气隙功率朝向转子流动，则感应电机105用作电机，并且转动速度即电流空间矢量的转动速度的估计过高。相应地，如果估计的气隙功率从转子流出，则感应电机105用作发电机，并且转动速度(即，电流空间矢量的转动速度)的估计过低。

在根据示例性和非限制性实施例的装置中，处理系统102被配置为监测在开始满足上述条件I_abs＝I_abs，ref之后的预定时间段内q分量i_q的波形是否达到局部极值。如果转子转动如此慢使得在上述时间段内q分量i_q没有达到局部极值，则转子会被定子电流磁化，并且可以在上述时间段之后使用用于已磁化的转子的合适的已知的速度检测方法。换句话说，处理系统102可以被配置为响应于在上述时间段内没有达到局部极值的情况、基于具有在上述时间段期间生成的磁通量的感应电机105的行为来估计转动速度ω_r和/或转动方向。用于已磁化的转子的速度检测方法可以包括例如：布置一系列定子短路；测量定子的短路电流；以及基于所测量的短路电流来估计速度和/或转动方向。

图2b示出了与根据示例性和非限制性实施例的装置的处理系统对应的示例性功能块图。图2b所示的功能块图对应于当处理系统在估计感应电机105的转动速度ω_r和/或转动方向时的处理系统。在该示例性情况下，处理系统被配置为控制电压空间矢量的长度，使得定子电流i_u、i_v和i_w满足下述条件：电流空间矢量具有预定的d分量i_d，ref，即i_d＝i_d，ref。电流空间矢量的预定的d分量i_d，ref可以例如在感应电机105的标称电流的峰值的20％至70％的范围内。图2b所示的功能块210b、211b、212b、213b和214b可以分别类似于图2a所示的功能块210-211。图2b所示的示例性实施例比图2a所示的示例性实施例需要更少的计算，因为在图2b所示的示例性实施例中没有计算电流空间矢量的长度。然而，在某些情况下，由于例如当使用图2a所示的示例性实施例时感应电机105的饱和状态可以得到较好的控制，所以图2a所示的示例性实施例可以提供较好的结果。

图1所示的处理系统102可以用一个或多个处理器电路来实施，每个处理器电路可以是设置有适当软件的可编程处理器电路、专用硬件处理器(例如特定用途集成电路“ASIC”)、或者可配置的硬件处理器(例如现场可编程门阵列“FPGA”)。此外，处理系统可以包括一个或多个存储器装置，每个存储器装置可以是例如随机存取存储器“RAM”电路。在许多功率电子转换器中，可以使用功率电子转换器的控制系统的硬件来实施根据示例性和非限制性实施例的用于估计转动速度和/或转动方向的装置。

上述装置101是包括下述项的装置的示例：

-用于控制感应电机的定子电压以构成相对于感应电机的定子具有固定方向的电压空间矢量的装置，

-用于控制电压空间矢量的长度，以调节感应电机的定子电流满足一条件的装置，该条件是以下条件中的一个条件：a)由定子电流构成的电流空间矢量具有预定长度；b)电流空间矢量具有与电压空间矢量平行的预定的d分量，以及

-用于基于电流空间矢量的q分量的波形估计感应电机的转子的转动速度和/或转子的转动方向的装置，该q分量与电压空间矢量垂直。

图3示出了根据示例性和非限制性实施例的方法的流程图，该方法用于在感应电机没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定时估计感应电机的转动速度和/或转动方向。该方法包括以下动作：

-动作301：控制感应电机的定子电压，以构成相对于感应电机的定子具有固定方向的电压空间矢量，

-动作302：控制电压空间矢量的长度，以调节感应电机的定子电流满足一条件，该条件是以下条件中的一个条件：a)由定子电流构成的电流空间矢量具有预定长度；b)电流空间矢量具有与电压空间矢量平行的预定的d分量，以及

-动作303：基于电流空间矢量的q分量的波形估计感应电机的转子的转动速度和/或转子的转动方向，该q分量与电压空间矢量垂直。

根据示例性和非限制性实施例的方法包括：

-在开始满足与定子电流有关的条件时，检测电流空间矢量的q分量的变化方向，以及

-基于检测到的变化方向来确定转动方向。

根据示例性和非限制性实施例的方法包括：

-检测在开始满足与定子电流有关的条件之后出现的电流空间矢量的q分量的波形的第一局部极值的极性，以及

-基于检测到的极性来确定转动方向。

根据示例性和非限制性实施例的方法包括：

-测量第一时间值，该第一时间值指示从开始满足与定子电流有关的条件到电流空间矢量的q分量的波形达到第一局部极值的时刻所经过的时间，以及

-基于所测量的第一时间值来估计转动速度。

根据示例性和非限制性实施例的方法包括：

-测量至少一个第二时间值，该至少一个第二时间值指示电流空间矢量的q分量的波形的两个局部最大值之间或两个局部最小值之间所经过的时间，以及

-基于所测量的至少一个第二时间值来估计转动速度。

根据示例性和非限制性实施例的方法包括：基于电流空间矢量的q分量的波形来估计转动速度，并且随后控制定子电压以使电流空间矢量以所估计的转动速度转动。

根据示例性和非限制性实施例的方法包括：

-当电流空间矢量以所估计的转动速度转动时，基于定子电压、定子电流和定子电阻来估计感应电机的气隙功率的流动方向，

-当估计的流动方向朝向感应电机的转子时，使电流空间矢量的转动速度减小，并且

-当估计的流动方向从感应电机的转子出来时，使电流空间矢量的转动速度增大。

根据示例性和非限制性实施例的方法包括：

-监测在开始满足与定子电流有关的条件之后的预定时间段内，电流空间矢量的q分量的波形是否达到局部极值，以及

-响应于在预定时间段内没有达到局部极值的情况、基于具有在预定时间段期间生成的磁通量的感应电机的行为来估计转动速度和/或转动方向。

在根据示例性和非限制性实施例的方法中，与定子电流有关的条件是：电流空间矢量具有预定长度，并且该预定长度在感应电机的标称电流的峰值的30％至100％的范围内。

在根据示例性和非限制性实施例的方法中，与定子电流有关的条件是：电流空间矢量具有预定的d分量，并且该预定的d分量在感应电机的标称电流的峰值20％至70％的范围内。

根据示例性和非限制性实施例的计算机程序包括计算机可执行指令，该计算机可执行指令用于控制可编程处理器执行与根据上述示例性和非限制性实施例中的任一者的方法有关的动作。

根据示例性和非限制性实施例的计算机程序包括软件模块，该软件模块用于在感应电机没有足够的磁通量用于对转动速度和/或转动方向进行基于通量的确定时估计感应电机的转动速度和/或转动方向。这些软件模块包括计算机可执行指令，该计算机可执行指令用于控制可编程处理器执行下述动作：

-控制感应电机的定子电压以构成相对于感应电机的定子具有固定方向的电压空间矢量，

-控制电压空间矢量的长度，以调节感应电机的定子电流满足一条件，该条件是以下条件中的一个条件：a)由定子电流构成的电流空间矢量具有预定长度；b)电流空间矢量具有与电压空间矢量平行的预定的d分量，以及

-基于电流空间矢量的q分量的波形估计感应电机的转子的转动速度和/或转子的转动方向，该q分量与电压空间矢量垂直。

上述软件模块可以是例如用适合所考虑的可编程处理器的编程语言实施的子程序和/或功能。

根据示例性和非限制性实施例的计算机程序产品包括用根据示例性实施例的计算机程序编码的计算机可读介质，例如光盘“CD”。

对根据示例性和非限制性实施例的信号进行编码以携带限定根据示例性实施例的计算机程序的信息。

在以上给出的具体实施方式中提供的非限制性的、具体的示例不应被解释为限制随附的权利要求的范围和/或适用性。此外，除非另有明确说明，否则本文档中呈现的任何示例列表或示例组都不是穷举性的。