用于控制電機的控制裝置和方法
【專利摘要】一種用于控制電機(22)的控制裝置(11)，電機(22)在定子上具有ks個繞組，以及在轉(zhuǎn)子上具有kr個繞組，其中ks+kr=n，以及其中，ks和kr中的任一個可為零，該控制裝置包括：輸入(12)，通過該輸入，能夠?qū)崟r地接收控制命令；以及輸出(14)，通過該輸出，能夠?qū)⒖刂泼顚崟r地輸出到電機的驅(qū)動器(21)；機器建模器件(15)，其允許對電機的特性進行實時建模；以及決策器件(16)，其操作性地連接到輸入、輸出和機器建模器件上，并且實時地允許(i)基于輸入控制命令以及對電機的特性建模的結(jié)果，來確定待輸出到電機的驅(qū)動器的控制命令，以及(ii)在輸出處輸出確定的控制命令。提供機器建模器件，以通過至少一個函數(shù)映射來對電機的特性建模，該函數(shù)映射適于使成組的電量值和機械量值和/或它們的成組的全導(dǎo)數(shù)值或偏導(dǎo)數(shù)值和/或整函數(shù)值彼此相互關(guān)聯(lián)，其中，電量和機械量包括繞組電流、繞組電壓、磁通量、機械位移和/或電磁扭矩或力；并且函數(shù)映射包括至少一個算法和/或數(shù)學(xué)方程，其基于與電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的至少一個狀態(tài)函數(shù)，以及/或者基于所述狀態(tài)函數(shù)的至少一個偏導(dǎo)數(shù)。
【專利說明】用于控制電機的控制裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及控制普通電機。特別地，本發(fā)明涉及用于控制電機的改進的控制裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]僅當(dāng)可假設(shè)其中存在電磁場的介質(zhì)為線性時，基于時變性電感矩陣的偽線性機器模型才是理論上正確的。事實上唯有在這種情況下，與η個繞組中的各個相關(guān)聯(lián)的η個通量可正確地表達(dá)成在它們的整個域中的電流的線性組合。對改進這樣的模型以結(jié)合非線性特性的任何嘗試在理論上都是不正確的，即使這在一些運行狀況下會產(chǎn)生合意的數(shù)量結(jié)果。如果有人自稱將這樣的改進模型擴展到超過其通常的有效范圍，則可產(chǎn)生嚴(yán)重錯誤的結(jié)果。
[0003]實際上，還考慮了磁性非線性性和/存在永磁體的正確的電機建模從一開始就要求理論和過程方法根部不同于今天仍然廣泛使用的方法，今天廣泛使用的方法代表了在沒有有力的計算機的情況下幾乎唯一的可實踐方式。
[0004]DE4115338A1公開了一種控制裝置，通過使用卡爾曼濾波器，該控制裝置能夠檢測和/或調(diào)整電機的轉(zhuǎn)子的位置或角速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目標(biāo)是分別提供一種用于控制η繞組電機的控制裝置和控制方法，它們可克服上面公開的限制。
[0006]本發(fā)明的特定目標(biāo)是提供比現(xiàn)有技術(shù)的裝置和方法更準(zhǔn)確和精準(zhǔn)且可改進對電機的控制的這種裝置和這種方法。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，除了別的以外，這些目標(biāo)由所附權(quán)利要求中聲明的裝置和方法實現(xiàn)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于控制電機的實時控制裝置，電機在定子上具有ks個繞組，以及在轉(zhuǎn)子上具有kr個繞組,其中，ks+kr=n,以及其中，ks和kr中的任一個可為零?？刂蒲b置包括:輸入，通過該輸入，能夠?qū)崟r地接收控制命令；以及輸出，通過該輸出，能夠?qū)⒖刂泼顚崟r地輸出到電機的驅(qū)動器；機器建模器件，其允許對電機的特性進行實時建模；以及決策器件，其操作性地連接到輸入、輸出和機器建模器件上，并且允許(i)基于輸入控制命令以及對電機的特性建模的結(jié)果，來實時地確定待輸出到電機的驅(qū)動器的控制命令，以及(ii)在輸出處實時地輸出確定的控制命令。提供機器建模器件，以通過至少一個函數(shù)映射來對電機的特性進行實時建模，該至少一個函數(shù)映射適于使成組的電量值和機械量值和/或它們的成組的全導(dǎo)數(shù)值或偏導(dǎo)數(shù)值和/或整函數(shù)值彼此相互關(guān)聯(lián)，其中，電量和機械量包括繞組電流、繞組電壓、磁通量、機械位移和/或電磁扭矩或力，并且函數(shù)映射包括至少一個算法和/或數(shù)學(xué)方程，算法和/或數(shù)學(xué)方程基于與電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的至少一個狀態(tài)函數(shù)，以及/或者基于狀態(tài)函數(shù)的至少一個偏導(dǎo)數(shù)。因此能夠準(zhǔn)確和精準(zhǔn)地控制電機，尤其是存在非線性介質(zhì)時。應(yīng)注意到的是，機器建模器件不需要對限定狀態(tài)函數(shù)的域的物理量進行任何數(shù)學(xué)變換。因而可在不執(zhí)行這種變換的情況下建模。
[0009]在一個實施例中,對機器建模器件提供與電機內(nèi)部的電磁場分布相關(guān)聯(lián)的同能量或能量和/或其至少一個偏導(dǎo)數(shù)的數(shù)值模型。數(shù)值模型呈表格形式，例如典型地來自電機的FEM(有限元方法)模擬的選定輸出。備選地，通過解析函數(shù)的數(shù)字計算獲得該表格。
[0010]在另一個實施例中，作為描述與電磁場相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)函數(shù)(例如同能量或能量)的人工智能模型(例如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和/或模糊系統(tǒng))來提供機器建模器件。
[0011]在另一個實施例中，控制裝置包括:輸入，通過該輸入，能夠接收電機的前述測量或估計的電量和/或機械量，以及其中，提供機器建模器件，以基于電機的測量量或估計量來識別與電機內(nèi)部的電磁場分布相關(guān)聯(lián)的同能量或能量和/或其偏導(dǎo)數(shù)。典型地，電機的測量量或估計量包括優(yōu)選在電機的轉(zhuǎn)子在至少一個選定角度位置上固定時測量或估計的η個繞組中的至少一個中的至少一個電流，以及跨過η個繞組中的至少一個的至少一個電壓。
[0012]可用于識別與電機內(nèi)部的電磁場分布相關(guān)聯(lián)的同能量或能量和/或其偏導(dǎo)數(shù)的其它可測量可包括η個繞組中的至少一個的至少一個電阻繞組、在電機的軸處的機械扭矩，以及/或者繞組電流中的至少一個的全一階導(dǎo)數(shù)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于控制電機的控制方法，電機在定子上具有ks個繞組，以及在轉(zhuǎn)子上具有kr個繞組,其中ks+kr=n,以及其中，ks和kr中的任一個可為零。根據(jù)該方法，實時地接收輸入控制命令；實時地對電機的特性建模；基于輸入控制命令以及對電機的特性建模的結(jié)果，來實時地確定待輸出到電機的驅(qū)動器的控制命令；以及將確定的控制命令實時地輸出到電機。通過至少一個函數(shù)映射來對電機的特性建模，該至少一個函數(shù)映射適于使成組的電量值和機械量值和/或它們的成組的全導(dǎo)數(shù)值或偏導(dǎo)數(shù)值和/或整函數(shù)值彼此相互關(guān)聯(lián)，其中，電量和機械量包括繞組電流、繞組電壓、磁通量、機械位移和/或電磁扭矩或力，并且函數(shù)映射包括至少一個算法和/或數(shù)學(xué)方程，算法和/或數(shù)學(xué)方程基于與電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的至少一個狀態(tài)函數(shù)，以及/或者基于狀態(tài)函數(shù)的至少一個偏導(dǎo)數(shù)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的實施例的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的另外的特性以及本發(fā)明的優(yōu)點將是明顯的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]根據(jù)下文給出的對本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述和附圖1-5，將更全面地理解本發(fā)明，僅以說明的方式給出詳細(xì)描述和附圖，因此它們不會限制本發(fā)明。
[0016]圖1示意性地展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于控制η繞組電機的控制裝置。
[0017]圖2示意性地展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的驅(qū)動器和η繞組電機。
[0018]圖3示意性地展示嵌在線圈繞組(左上部分)中的感測繞組，以及在徑向橫截面中展示具有轉(zhuǎn)子和定子的電機，轉(zhuǎn)子和定子兩者都具有嵌在其中的線圈繞組和感測繞組。
[0019]圖4a_b示意性地展示用于測量靜止電機的扭矩的兩個組件，該組件能夠控制軸角。相應(yīng)的圖的右部在俯視圖中展示安裝在電機中的組件，而相應(yīng)的圖的左部則是沿著俯視圖的線A-A得到的橫截面。
[0020]圖5示意性地展示用于測量在從驅(qū)動器到電機的功率連接中的電流的全電流導(dǎo)數(shù)的組件。該組件的特征在于感測線圈與通往電機的功率連接串聯(lián)連接，或者布置成圍繞通往電機的功率連接。
【具體實施方式】
[0021]在以下描述中，為了闡明而非限制，闡述了具體細(xì)節(jié)，諸如特定技術(shù)和應(yīng)用，以便提供對本發(fā)明的透徹理解。但是，對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的將是，可在與這些具體細(xì)節(jié)無關(guān)的其它實施例中實踐本發(fā)明。在其它情形中，省略了對眾所周知的技術(shù)的詳細(xì)描述，以避免不必要的細(xì)節(jié)使本發(fā)明的描述模糊不清。
[0022]在圖1中示意性地展示根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于控制η繞組電機的實時控制器或控制裝置11。電機在定子上具有ks個繞組，以及在轉(zhuǎn)子上具有kr個繞組，其中ks+kr=n，以及其中，ks和kr中的任一個可為零?？刂蒲b置11包括:輸入12，通過該輸入12，能夠接收控制命令，可選地輸入13，通過該輸入13，能夠接收電機的測量量或估計量；以及輸出14，通過該輸出14，能夠?qū)⒖刂泼钶敵龅诫姍C的驅(qū)動器?？刂蒲b置進一步包括機器建模器件15和決策器件16，優(yōu)選作為設(shè)有適當(dāng)?shù)能浖奈⑿陀嬎銠C裝置來提供它們。
[0023]圖2示意性地展示驅(qū)動器21，例如變速驅(qū)動器(VSD)系統(tǒng)，控制裝置11可布置在驅(qū)動器21中。驅(qū)動器21操作性地連接到η繞組電機22上，以驅(qū)動η繞組電機22。
[0024]提供控制裝置11的機器建模器件15，以通過使用模型來對電機22的特性建模，該模型基于與電機22內(nèi)部的電磁場分布相關(guān)聯(lián)的狀態(tài)函數(shù)，以及/或者基于它的至少一個偏導(dǎo)數(shù)。狀態(tài)函數(shù)可為與電機22內(nèi)部的電磁場分布相關(guān)聯(lián)的能量(但更好的是同能量)，或其偏導(dǎo)數(shù)。決策器件16操作性地連接到輸入12、13、輸出14和機器建模器件15上，并且提供決策器件16,以基于輸入控制命令，以及機器建模器件15對電機的特性執(zhí)行建模的結(jié)果，來確定待在輸出14處輸出到電機22的控制命令，和/或測量量或估計量13。后續(xù)，決策器件在輸出14處輸出確定的控制命令。建模器件可直接連接到輸入12、13和輸出14上。
[0025]可用以下方程系統(tǒng)描述電機22的基于同能量的模型，其特征在于一個活動部件
(“轉(zhuǎn)子”)圍繞軸線旋轉(zhuǎn):
【權(quán)利要求】
1.一種用于實時地控制和/或識別電機(22)的控制裝置(11)，所述電機在定子上具有ks個繞組，以及在轉(zhuǎn)子上具有kr個繞組,其中，ks+kr=n,以及其中，ks和kr中的任一個可為零，所述控制裝置包括: -至少一個輸入(12)，通過所述輸入能夠接收控制命令；以及至少一個輸出(14)，通過所述輸出，能夠?qū)λ鲭姍C的驅(qū)動器(21)輸出控制命令； -機器建模器件(15)，其允許對所述電機的特性進行實時建模；以及 -決策器件(16)，其操作性地連接到所述輸入、所述輸出和所述機器建模器件上，并且允許:(i)基于輸入控制命令以及對所述電機的特性實時建模的結(jié)果，來實時地確定待輸出到所述電機的驅(qū)動器的控制命令；以及(ii)在所述輸出處實時地輸出確定的控制命令，其中 -提供所述機器建模器件，以通過至少一個函數(shù)映射來對所述電機的特性進行建模，所述至少一個函數(shù)映射適于使成組的電量值和機械量值和/或它們的成組的全導(dǎo)數(shù)值或偏導(dǎo)數(shù)值和/或整函數(shù)值彼此相互關(guān)聯(lián)， -所述電量和機械量選自由下者組成的組:繞組電流、繞組電壓、磁通量、機械位移、電磁扭矩和力， 其特征在于: -所述函數(shù)映射包括至少一個算法或數(shù)學(xué)方程，所述至少一個算法或數(shù)學(xué)方程基于與所述電機內(nèi)部的電磁場相關(guān) 聯(lián)的至少一個狀態(tài)函數(shù)，或者基于所述狀態(tài)函數(shù)的至少一個偏導(dǎo)數(shù)，以及 -所述狀態(tài)函數(shù)的模型是基于與所述電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的同能量或能量的模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于，所述機器建模器件能夠?qū)λ鲭姍C的特性進行實時建模，而不需要對限定所述狀態(tài)函數(shù)的域的物理量進行任何數(shù)學(xué)變換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制裝置，其特征在于，所述模型基于以下方程系統(tǒng)或其離散化形式:
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制裝置，其特征在于，所述模型基于以下方程系統(tǒng)或其離散化形式:
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的控制裝置，其特征在于，在表中以數(shù)字形式，或者作為解析函數(shù)或人工智能描述符或其離散化形式來對所述機器建模器件提供與所述電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的同能量或能量，其中，所述人工智能描述符優(yōu)選是一組人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和/或模糊推理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的控制裝置，其特征在于，所述控制裝置包括至少一個輸入(13)，通過所述輸入，能夠接收所述電機的測量量或估計量，以及其中，提供所述機器建模器件，以基于所述電機的測量或估計的電量和/或機械量，來識別與所述電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的同能量或能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制裝置，其特征在于，所述電機的測量量或估計量包括在所述電機的轉(zhuǎn)子在至少一個選定角度位置上固定時測量或估計的在所述η個繞組中的至少一個中的至少一個電流，以及跨過所述η個繞組中的至少一個中的至少一個的電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制裝置，其特征在于，所述電機的測量量或估計量包括在所述電機的轉(zhuǎn)子在所述至少一個選定角度位置上固定時，在所述η個繞組中的至少一個的至少一個繞組電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的任一項所述的控制裝置，其特征在于，所述電機的測量量或估計量包括在所述電機的軸處的機械扭矩。
10.一種用于電機的驅(qū)動器(21)，包括權(quán)利要求1至9中的任一項所述的控制裝置(11)。
11.一種設(shè)有驅(qū)動器(21)電機(22)，所述驅(qū)動器(21)包括權(quán)利要求1至9中的任一項所述的控制裝置(11)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電機，其特征在于，所述驅(qū)動器與所述電機結(jié)合而形成單個本體。
13.一種用于控制電機(22)的控制方法，所述電機在定子上具有ks個繞組，以及在轉(zhuǎn)子上具有kr個繞組,其中，ks+kr=n,以及其中，ks和kr中的任一個可為零,所述方法包括以下步驟: -實時地接收輸入控制命令； -實時地對所述電機的特性建模； -基于所述輸入控制命令以及對所述電機的特性建模的結(jié)果，來實時地確定待輸出到所述電機的驅(qū)動器(21)的控制命令；以及 -將確定的控制命令實時地輸出到所述電機的驅(qū)動器，其中 -通過至少一個函數(shù)映射來對所述電機的特性建模，所述至少一個函數(shù)映射適于使成組的電量值和機械量值和/或它們的成組的全導(dǎo)數(shù)值或偏導(dǎo)數(shù)值和/或整函數(shù)值彼此相互關(guān)聯(lián)，并且 -所述電量和機械量選自由下者組成的組:繞組電流、繞組電壓、磁通量、機械位移、電磁扭矩和力， 其特征在于: -所述函數(shù)映射包括至少一個算法或數(shù)學(xué)方程，所述至少一個算法或數(shù)學(xué)方程基于與所述電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的至少一個狀態(tài)函數(shù)，以及/或者基于所述狀態(tài)函數(shù)的至少一個偏導(dǎo)數(shù)；以及 -所述建?；谂c所述電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的同能量或能量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，根據(jù)模擬以數(shù)字形式，作為解析函數(shù)或其離散化形式來提供與所述電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的同能量或能量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，-實時地測量或估計所述電機的電量和/或機械量；以及 -基于測量量或估計量來識別與所述電機內(nèi)部的電磁場相關(guān)聯(lián)的同能量或能量。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述電機的測量量包括所述η個繞組中的至少一個中的至少一個電流，以及跨過所述η個繞組中的至少一個的電壓，其中，在所述電機的轉(zhuǎn)子在至少一個選定角度位置上固定時測量或估計電流和電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述電機設(shè)有至少一個單獨的感測繞組，該至少一個單獨的感測繞組關(guān)于電壓表示所述電機的η個繞組之中的一個；并且測量的跨過所述一個繞組的電壓與跨過所述單獨的感測繞組的電壓成比例。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中的任一項所述的方法，其特征在于，所述電機的測量或估計量包括在所述電機的軸處的機械扭矩，以及其中，通過機械組件而基于至少一個測壓元件來測量或估計機械扭矩。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18中的任一項所述的方法，其特征在于，所述電機的測量量或估計量包括所述電機的η個繞組中的至少一個中的至少一個電流的全時間導(dǎo)數(shù)，以及其中，所述至少一個電流的所述全時間導(dǎo)數(shù)直接由對其值敏感的傳感器測量，以及其中，優(yōu)選地，所述傳感器是布置在導(dǎo)體周圍的感測線圈，例如羅戈夫斯基線圈，所述導(dǎo)體傳導(dǎo)所述電流之中的所述至少一個電流，并且跨過所述感測線圈的電壓與所述電流之中的所述至少一個電流的所述全時間導(dǎo)數(shù)成比例；或者，所述傳感器是與傳導(dǎo)所述電流之中的所述至少一個電流的導(dǎo)體串聯(lián)連接的經(jīng)校準(zhǔn)電感器，并且跨過所述經(jīng)校準(zhǔn)電感器的電壓與所述電流之中的所述至少一個電流的全時間導(dǎo)數(shù)成比例。
【文檔編號】G05B17/02GK103620946SQ201280032591
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月30日
【發(fā)明者】P.坦卡, R.坎錢 申請人:Abb 技術(shù)有限公司