專利名稱：通過測定定子鐵飽和度檢測同步電梯升降機絕對位置的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及一種用于馬達角度定位方法和設(shè)備。更具體地說，本發(fā)明涉及借助于測定定子鐵飽和度計算出同步馬達電梯升降機絕對角位置的技術(shù)和設(shè)備。
背景技術(shù)：
用于電梯系統(tǒng)的永久磁體同步馬達在用于給定任務(wù)所需的尺寸方面提供多項超過傳統(tǒng)感應(yīng)式電梯升降機的優(yōu)點。然而，使用同步馬達電梯升降機的電梯系統(tǒng)必需能測定轉(zhuǎn)子絕對角度位置，即轉(zhuǎn)子磁通d軸線相對于定子極繞組的位置和方向以便能獲得最大扭矩。
當該轉(zhuǎn)子位置由于例如動力中斷之類事故而丟失時這是特別重要的。在電梯經(jīng)歷動力喪失時，電梯制動器接合以便將電梯轎廂保持就位。一旦動力恢復(fù)，當馬達制動器抬起時給予該電梯升降機的扭矩必需是可提供和受控制的，以便確保處于不平衡載荷狀態(tài)下的電梯轎廂的受控運動。
在現(xiàn)有技術(shù)電梯升降機已經(jīng)使用一種帶有標志脈沖的增量編碼器來建立轉(zhuǎn)子絕對位置。然而，這在動力喪失之后可能需要直到該電梯升降機轉(zhuǎn)滿一圈來找出該標志脈沖。在較大的電梯系統(tǒng)中，電梯升降機轉(zhuǎn)滿一圈可能導(dǎo)致電梯轎廂下降多達一米。
在一篇名為“非凸極永磁同步馬達的初始轉(zhuǎn)子角測定”的文章中描述一種使用定子鐵的飽和效應(yīng)來測定永磁同步馬達定子位置的技術(shù)。該文章發(fā)布在1997年10月5-9日路易斯安那州新奧爾良的IEEE工業(yè)應(yīng)用協(xié)會年度會議的商談記錄上。該文章描述一種方法，借此在定子的每個相繞組中施加適當大小和寬度的寬頻帶電壓脈沖。然后在該時域內(nèi)對于每個繞組測量單獨的定子峰值電流樣品并用來計算電感。由于電感會隨著定子鐵的部分飽和度以及歸因于轉(zhuǎn)子磁體位置的磁通而變化，該算法能在北極和南極之間進行識別，并因此識別該轉(zhuǎn)子的絕對位置。
然而，這種技術(shù)在例如電梯系統(tǒng)的噪聲環(huán)境中具有固有的采樣問題，這限制了結(jié)果的可重復(fù)性。這是由于產(chǎn)生的電壓脈沖固有地包括寬頻率帶。因此，在該電壓脈沖頻率帶內(nèi)的任何噪聲，例如在該電梯的交流變頻驅(qū)動裝置內(nèi)的晶體三極管開關(guān)率，或其任何諧波均影響讀出精度。還有，在這種技術(shù)情況下，轉(zhuǎn)子位置從單獨的電感測量進行計算。因此，歸因于噪聲的壞樣品能引人注目地影響電感計算。在該文章圖6中表示的試驗結(jié)果不規(guī)則曲線成為該電感測量固有錯誤的證據(jù)，因為預(yù)期的曲線應(yīng)該是平滑的正弦波曲線。
另外，為了獲得使用這種技術(shù)的適當信號噪聲比，需要例如等于或接近馬達預(yù)定電流值的非常大數(shù)值的電壓脈沖和峰值電流。這在制動系統(tǒng)上施加數(shù)量不符需要的扭矩。為了校正該扭矩，立即按照該單相電壓脈沖引發(fā)沿著相反方向的電壓脈沖以便迫使該相電流返回到零。這驅(qū)動自由回轉(zhuǎn)電流到零并促進該扭矩施加到馬達上的時間最小化。
因此對于用來測定同步馬達轉(zhuǎn)子相對于定子繞組絕對角位置的方法來說，存在改進的需要。

發(fā)明內(nèi)容
借助于提供同步馬達電梯升降機在動力喪失后的絕對角度位置測定方法，本發(fā)明可提供超越現(xiàn)有技術(shù)的多種優(yōu)點和替代物。將適當?shù)腁C電流以預(yù)定頻率引入該馬達的定子繞組，以便確定該定子電感。由于由永久磁體造成的磁通，定子護鐵的飽和度使算法能確定轉(zhuǎn)子磁通d軸線的位置和方向，并因而能確定轉(zhuǎn)子相對于該同步馬達定子的絕對位置。借助于使用多種傅里葉分析來計算定子電感，這種方法對于在諸如電梯系統(tǒng)之類的噪聲環(huán)境內(nèi)經(jīng)常產(chǎn)生的重復(fù)和隨意干擾均具有高度的抗擾性。此外，該方法的高信噪比允許引入電流與該馬達的額定電流相比相對較小，因而在該電梯的制動系統(tǒng)上施加最低的扭矩。
在本發(fā)明示范實施例中上述和其它優(yōu)點借助于提供在同步馬達內(nèi)確定轉(zhuǎn)子相對于定子的位置的方法來實現(xiàn)。該方法包括將具有單獨預(yù)定頻率和預(yù)定初始相角的AC電流引入該定子的定子線圈，以及在每個該頻率周期對于該引入電流和作為結(jié)果的電壓進行預(yù)定次數(shù)的采樣。接著，該方法使用離散傅里葉變換(DFT)從該采樣電壓和電流中計算定子電感。借助于在360度周期范圍內(nèi)加大初始相位角預(yù)定次數(shù)并用每個加大的相角重復(fù)該引入、采樣和計算，該算法提供預(yù)定數(shù)量的算得定子電感。然后從算得電感的最小值確定d軸線對于定子的位置。
在本發(fā)明替代實施例中，在已經(jīng)計算多個定子電感之后將DC補償電流引入定子繞組。然后計算單獨的定子電感，并從算得的定子電感確定d軸線的方向。
在另一本發(fā)明實施例中，DC補償電流與AC電流一起引入定子繞組，然后從算得的定子電感最小值確定d軸線的方向。


圖1是具有本發(fā)明同步馬達電梯升降機的電梯系統(tǒng)示意透視圖；圖2是圖1同步馬達在沿著正d軸線的磁通與A相定子繞組對準鎖定和耦合情況下的圖解表示；圖3是圖1同步馬達在沿著q軸線的磁通與A相定子繞組對準鎖定和耦合情況下的圖解表示；圖4是圖1同步馬達在沿著負d軸線的磁通與A相定子繞組對準鎖定和耦合情況下的圖解表示；圖5是在沒有DC補償電流施加到根據(jù)本發(fā)明的定子繞組情況下，作為轉(zhuǎn)子電相位角函數(shù)的定子電感變化曲線圖；圖6是在有DC補償電流施加到根據(jù)本發(fā)明的定子繞組情況下，作為轉(zhuǎn)子電相位角函數(shù)的定子電感變化曲線圖；圖7是本發(fā)明算法的流程圖，該算法用來測定相對于定子的轉(zhuǎn)子絕對角度位置(轉(zhuǎn)子d軸線)；圖8是另一本發(fā)明實施例同步馬達實施例的圖解表示，該同步馬達具有埋入轉(zhuǎn)子鐵的多塊磁體；圖9是又本發(fā)明實施例同步馬達實施例的圖解表示，該同步馬達具有在q軸線而不是d軸線上對中的多塊磁體；而圖10是另一本發(fā)明實施例同步馬達實施例的圖解表示，該同步馬達具有凸極電氣繞線轉(zhuǎn)子。
具體實施例方式
參見圖1，根據(jù)本發(fā)明的電梯系統(tǒng)示范實施例總體地以10表示。該電梯系統(tǒng)包括電梯井道12，它具有布置在其內(nèi)以便垂直運動的電梯轎廂14。電梯轎廂14懸掛和連接在配重16上以便通過一組電梯鋼索18與其相對運動。轎廂導(dǎo)軌20和配重導(dǎo)軌22提供多根“T”形軌道，該軌道裝置分別引導(dǎo)電梯轎廂14和配重16通過井道12。由三相四極永磁同步馬達26驅(qū)動的電梯升降機24安置在電梯升降機房28內(nèi)并提供機械動力以便吊起電梯轎廂14和乘客。
電梯控制系統(tǒng)29包括交流變頻(ACVF)驅(qū)動裝置30以及電梯控制裝置34。馬達26用的電動力源用ACVF驅(qū)動裝置30通過傳輸線32供應(yīng)。因而同步馬達26的速度用改變ACVF驅(qū)動裝置30輸出頻率的方法進行控制。電梯控制裝置34通過傳輸線36接納表示電梯功能的數(shù)據(jù)，例如控制電梯轎廂14所需的電梯轎廂荷載、速度以及在井道內(nèi)的位置。該控制裝置34處理該數(shù)據(jù)并通過傳輸線38為ACVF驅(qū)動裝置30提供控制信號。ACVF驅(qū)動裝置30包括固態(tài)動力源和相關(guān)控制電路，并可包括儲存可執(zhí)行程序用的記憶電路，該程序用來測定在同步馬達內(nèi)轉(zhuǎn)子相對于定子的位置。驅(qū)動裝置30的控制電路還能精確測定施加的馬達電壓和檢測的馬達電流。連接在馬達26的軸上的編碼器(未表示)還將軸位置數(shù)據(jù)傳輸給ACVF驅(qū)動裝置30，以便使電梯控制系統(tǒng)29在正常工作期間能精確地跟蹤轉(zhuǎn)子的位置。
如同所有同步馬達特有的那樣，馬達26的旋轉(zhuǎn)速度或機械頻率(ωR)等于電動力源頻率(ωS)或者是后者的整約數(shù)。在馬達內(nèi)的極數(shù)P(對于馬達26來說P＝4)與電頻率ωS對機械頻率ωR之比有關(guān)，它遵循P＝2*(ωS/ωR)。作為實例，在四極同步馬達26中，如果動力源電頻率為每秒60周或者說每分鐘3600周，那末該馬達的實際旋轉(zhuǎn)速度將為每分鐘1800轉(zhuǎn)。因此，對于同步馬達來說，在電角度和機械度之間存在差別。對于這種情況下的四極同步馬達來說，電角度90意味著該馬達機械度僅為45的旋轉(zhuǎn)。
參見圖2，同步馬達26包括定子40，它具有如同眾所周知的那樣呈三相A、B和C布線的定子繞組。盡管馬達26是三相馬達，為了清楚起見只表示單相A定子繞組42。通過A相繞組42的DC電流的方向用下法描述箭頭尖端44指示電流從頁面向外朝讀者行進，而箭頭尾端4 6指示電流離開讀者進入頁面。該定子還包括定子護鐵48。A相定子繞組圍繞著它進行纏繞。定子護鐵48具有高磁導(dǎo)率，它提供由該線圈繞組42相內(nèi)的該DC電流產(chǎn)生的磁通50(用虛線表示)即定子電流磁通的傳導(dǎo)通路。
馬達26還包括轉(zhuǎn)子52，它與定子40對中安裝并位于后者內(nèi)部，而且兩者之間具有空氣隙54。該轉(zhuǎn)子包括鐵轉(zhuǎn)子芯56，它具有安裝在其外表面的一對永久磁體南極58和一對永久磁體北極60。北極磁體也產(chǎn)生磁通，它從北極徑向向外傳導(dǎo)如同向外指向的實線箭頭62所示。該磁通與空氣隙54相交，并通過定子護鐵48傳導(dǎo)，然后沿徑向向內(nèi)朝南極58傳導(dǎo)如同向內(nèi)指向的實線箭頭54所示。
每對北極60具有正軸線(d軸線)66，而每對南極58具有負軸線67，它們分別與每個極的聯(lián)合磁通方向即磁相量對準。每對極58和60還具有與磁體生成的最小磁通量方向?qū)实恼惠S線(q軸線)68。q軸線68可規(guī)定為對于d軸線而言剛好90電角度。在大多數(shù)但非所有情況下，d軸線剛好通過磁體中心而q軸線通過北極和南極磁體之間的空間。
在正常作業(yè)期間，ACVF驅(qū)動裝置30用監(jiān)測從安裝在馬達軸上的編碼器產(chǎn)生的標志脈沖的方法精確地跟蹤轉(zhuǎn)子52相對于定子40的位置。然而在一次動力中斷之后，轉(zhuǎn)子52的該位置暫時丟失，而轉(zhuǎn)子52，與它的相關(guān)d軸線一起，無論如何在它旋轉(zhuǎn)360°范圍內(nèi)能電梯10的安全制動器鎖定。由于馬達26的最大扭矩功率隨轉(zhuǎn)子52相對于定子40的位置而變化，在安全制動器釋放之前能測定出這一位置是十分重要的。
電梯馬達26在零速度時具有扭矩功率，它通常至少兩倍于支承最大載荷不平衡狀態(tài)所需的扭矩功率以便克服提升慣性。在零速度時，對于給定驅(qū)動電流極限值而言的峰值扭矩功率在定子電流磁通50和最大空氣隙磁通方向即d軸線66、67間的90電角度的扭轉(zhuǎn)角情況下達到。換句話說，是在定子電流磁通50沿著q軸線68對準以及空氣隙磁極磁通62和64分別沿著d軸線67、66對準情況下達到。離開90電角度峰值扭轉(zhuǎn)角的任何位置偏差θ會根據(jù)sin(90-θ)＝cos(θ)的因素使峰值扭矩功率降低，其中θ是電角度的絕對位置誤差。將θ限制到±30電角度確保峰值扭矩功率不會跌落到sin(60)＝0.886或者說13％的減少量以下。
通過改變在馬達26三相繞組內(nèi)A、B和C相的大小和/或相角，ACVF驅(qū)動裝置30無論如何能在其360度周期范圍內(nèi)使定子電流和定子電流磁通對準。因此，知道在±30電角度范圍內(nèi)絕對位置誤差θ就會確?？偸怯凶銐虻呐ぞ貋碓试S該系統(tǒng)進行受控運動以便在一次動力丟失后查出標志脈沖。一旦查出標志脈沖而且恢復(fù)動力，就能由控制系統(tǒng)29跟蹤轉(zhuǎn)子的精確位置。
在圖2中，轉(zhuǎn)子52表示為在一次動力中斷之后北極60之一鎖定在與A相定子繞組42對準狀態(tài)。由于該極的正d軸線66大致對準繞組42的中心，大多數(shù)北極磁通62耦合到繞組42上并通過在繞組42內(nèi)部的定子護鐵48傳導(dǎo)。在這個轉(zhuǎn)子52位置，來自該北極磁體60的磁通62對于使定子護鐵48飽和來說足夠大。
參見圖3，該圖表示轉(zhuǎn)子52鎖定在位置，在該位置來自北極的磁通62和來自南極的相等數(shù)量磁通64耦合到繞組42上。在這種情況下q軸線68大致對準繞組42的中央。因此，該北極磁通62和南極磁通64彼此相對地工作并且定子護鐵48不飽和。
參見圖4，該圖表示轉(zhuǎn)子52鎖定在南極58之一與繞組42對準的位置。在這個位置，該極的負d軸線大致對準繞組42的中心而且大多數(shù)南極磁通64耦合到繞組42上。在這種情況下來自該南極磁體58的磁通64對于磁飽和定子護鐵48來說足夠大。由于在定子鐵48飽和時繞組42的電感減小，在圖2和4中該線圈電感最小而在圖3中電感最大。
參見圖5，借助于將小AC電流引入該定子繞組并測量作為結(jié)果的電壓，可獲得作為轉(zhuǎn)子52電角函數(shù)的定子40電感變化曲線圖70。在這種情況下不施加DC定子電流，也就是說應(yīng)從圖2、3和4取消電流指示箭頭44和46，因而沒有定子電流磁通50出現(xiàn)。圖2和4的有關(guān)轉(zhuǎn)子位置用圖5的最小點72和74表示，而圖3的轉(zhuǎn)子位置用在兩者之間的最大點76表示。由于沒有DC電流來誘發(fā)定子磁通50，曲線圖70的最小點72和74等值。定子40電感(作為電角的函數(shù)測量)因此具有恒定組分加上主要包括第二諧波頻率的周期性組分。這個第二諧波組分與轉(zhuǎn)子52的磁性軸線精確對準，而且具有在正和負q軸線68內(nèi)的多個最大值76和在正和負d軸線66、67內(nèi)的多個最小值72、74。驗明這個第二諧波組分相對于該定子電參考框的角偏差就能給出轉(zhuǎn)子d軸線66、67的符合需要位置。
參見圖6，為了適當?shù)乜刂朴谰么朋w馬達，在正、負d軸線方向66、67之間加以區(qū)分也是符合需要的。作為實例，圖5上的多個最小點不能區(qū)分繞組42是與北極磁體60還是與南極磁體58對準。為了完成此事，執(zhí)行將DC補償電流施加到繞組42的附加步驟(如同在圖2、3和4中用方向箭頭44和46指示的那樣)以便提供定子電流磁通50。
如曲線圖80所示，當北極60與繞組42對準時，由該DC電流在繞組42內(nèi)產(chǎn)生的磁通50附加到來自該北極磁體60的磁通62上從而增大定于飽和度。這稍微減小在如同圖5所示的無定子電流磁通50情況下曾經(jīng)出現(xiàn)的電感從而提供最小點82。而當南極58與繞組42對準時，來自繞組42的DC電流磁通50與該南極磁通64相對從而減小定子飽和度。這稍微增大在無定子電流磁通50情況下曾經(jīng)出現(xiàn)的電感從而提供與最小點82不同值的最小點84。由于繞組42的電感對于北極60和南極58不同，人們能區(qū)分出與繞組42對準的轉(zhuǎn)子極的極性，并因此識別正、負d軸線66、67的方向。
作為替代，借助于測量在定子中除了AC電流外還引入DC補償電流情況下的電感，d軸線66、67的位置和方向均能在步驟中測定。由于這個附加DC的激勵，該鐵會取決于磁通軸線66、67的方向而更多或較少地磁性飽和，因而電感在正磁通軸線方向比在負方向表示出更小的最小值。
因此定子電感(作為電角的函數(shù)進行測量)具有恒定組分加上主要由電角的第一和第二諧波構(gòu)成的周期性組分。第二諧波組分能用來如同前文描述地測定磁通軸線的位置。而第一諧波組分能用來測定該磁通軸線的正向。
除了電感測量需用的AC組分之外還施加DC電流的另一顯著優(yōu)點是防止逆變器內(nèi)的空載時間效應(yīng)影響電感測量。如果只有AC電流用于電感測量，該馬達相電流在測量頻率時穿過零電流。開關(guān)裝置的空載時間加上來自該穿過零值的頻率處指令電壓的附加電壓組分。如果該電壓指令用于電抗計算(這是符合需要的)，這個附加電壓組分能對電感測量產(chǎn)生嚴重影響。借助于將DC組分加到電流指令上，該相電流就能不穿過零值，這明顯地改善電感測量的精度。
在ACVF驅(qū)動裝置30連接到PM同步馬達26上的情況下，該驅(qū)動裝置動力部分和控制電子線路能用來測量該馬達定子電感從而確定轉(zhuǎn)子磁通軸線即d軸線66、67的位置。做此事的一種方法(算法)是施加小正弦波電流波動并觀察產(chǎn)生該電流所需的電壓。如同在后文更加詳細描述的那樣，選擇單獨的預(yù)定頻率是重要的，所述頻率會產(chǎn)生對于精確測量而言足夠高的信號水平。然后能用一種離散傅里葉變換(DFT)來計算復(fù)數(shù)定子阻抗，其虛部就是感抗。借助于測量在電周期內(nèi)的一些(例如20)點的定子電感，一種DFT方法能用來精確地引出該第二電感諧波的相位，甚至在出現(xiàn)噪聲或較高諧波組分的情況下也如此。這些電感測量能在低激勵水平和在沒有補償偏壓的情況下進行，因而不會產(chǎn)生可能使該升降機移動通過制動器的凈扭矩。然后施加DC偏流的附加步驟能用來測定d軸線方向。
作為替代，電感測量能用施加在該AC電流上的DC補償電流來進行，以便在步驟中確定d軸線的位置和方向兩者。重要的是，該DC組分基本上等于或者大于該AC組分的波幅，以便防止該相電流穿過零。DC組分相對較小也是重要的，因而由該DC電流產(chǎn)生的馬達扭矩不會不適當?shù)丶虞d于制動裝置或者造成轉(zhuǎn)子的任何運動。通常該AC電流和DC電流各自具有馬達峰值約10％的波幅，從而導(dǎo)致約為該馬達峰值20％的聯(lián)合引入AC和DC峰值電流。然而，由于計算阻抗的DFT方法的抗擾性，電感測量能以低激勵水平進行并仍然產(chǎn)生精確的結(jié)果。
參見圖7，該圖表示用來確定轉(zhuǎn)子磁通軸線(d軸線)的算法流程圖。該算法可作為電梯控制系統(tǒng)29，即ACVF驅(qū)動裝置30或控制裝置32的存儲器內(nèi)的程序來實施。在開始框100內(nèi)的程序之后，在框102中，要從ACVF驅(qū)動裝置30生成的小正弦波電流相角θ預(yù)置為零。由于將相角θ設(shè)置為0以及將它增加到360電角度，電感測量能圍繞定子護鐵48的圓周滑過。
在框104中，命令A(yù)CVF驅(qū)動裝置30以單獨預(yù)定頻率ω以及電角θ引入小AC電流，以便用于d軸線位置和d軸線方向的兩步驟測定?？扇芜x的是，如果要在步驟中測定d軸線位置和方向，附加的DC補償電流可同時引入。
考慮到在一些頻率處可能存在反復(fù)生成的噪聲，選擇適當?shù)念l率ω是重要的。作為實例，在ACVF驅(qū)動裝置30內(nèi)的晶體三極管開關(guān)頻率可能會是反復(fù)噪聲源。如果選擇預(yù)定頻率，以致于不存來自該晶體三極管開關(guān)頻率或其它噪聲生成頻率的諧波或混淆影響，那末信噪比會較高并且電感測量會更加精確。
進行到框106，每周期內(nèi)對引入電流和作為結(jié)果的電壓進行N次采樣。然后用例如DFT的傅里葉分析來測量在該引入頻率ω處施加電流的復(fù)數(shù)大小和方向即電流相量I(ω)，以及作為結(jié)果的電壓的復(fù)數(shù)大小和方向即電壓相量V(ω)。盡管在這個實施例中使用DFT，也可使用其它傅里葉分析技術(shù)，例如傅里葉變換或者快速傅里葉變換。
該DFT用下述公式來確定DFT＝X(ω)＝1/NΣx(nT)*e-jωnT(對于n＝0至N-1而言)＝a-jb，其中，X(ω)是在角θ處的電流相量I(ω)或電壓相量V(ω)；N是在頻率ω的每個時間周期內(nèi)對于引入電流或作為結(jié)果的電壓進行采樣的次數(shù)；T是采樣時間；n是從1至N的整數(shù)；x(nT)是采樣時間為nT的電流或電壓的大小；以及a和b為復(fù)數(shù)X(ω)的實數(shù)和虛數(shù)笛卡爾坐標。
DFT固有地含有顯著的抗擾性，因此電感測量能以低激勵水平進行而且仍然產(chǎn)生精確的結(jié)果。這是由于DFT包括許多N樣品來用于每次計算。因此，沒有源于噪聲的壞樣品能引人注目地影響電感計算。
進行到框108，確定在相角θ處的定子電感。在轉(zhuǎn)子鎖定情況下，復(fù)數(shù)阻抗正好相當于電阻R(θ)和電感L(θ)，其中，V(ω)/I(ω)＝R(θ)+jωL(θ)。其中ωL(θ)等于V(ω)/I(ω)的虛部。
因此L(θ)＝(1/ω)(aVbI-aIbV)/((aI)2+(bI)2)，其中，L(θ)是作為角θ函數(shù)的定于護鐵的電感；aV和bV是復(fù)數(shù)V(ω)的實數(shù)和虛數(shù)笛卡爾坐標；以及aI和bI是復(fù)數(shù)I(ω)的實數(shù)和虛數(shù)笛卡爾坐標。
在框110中，增大引入電流的相角θ并返回到框104以便重復(fù)該過程直至θ＝360度為止。因而能圍繞定子護鐵48的圓周測量電感L(θ)。然后該程序或者在未引入DC補償電流情況下去到框112，或者在已引入DC補償電流情況下去到框116。
步進到框112，如果DC補償電流未與該AC正弦波電流一起引入，那末L(θ)將具有兩個相隔180度的相等最小值，如同在圖5中可最清楚地看出的那樣，這兩個最小值位于正d軸線和負d軸線位置。該絕對最小值可利用時域法進行計算或者利用頻域法通過求解在電頻率的第一和第二諧波處的DFT來進行計算。
一旦最小值確定，該程序就進到框114，該框用DC補償電流重復(fù)單獨的電感測量以便確定d軸線的方向。用DC補償電流(如同在圖2、3、4中用箭頭44和46所示)會產(chǎn)生DC補償電流磁通50(在圖2、3和4中看得最為清楚)，它在該DC補償電流磁通與永久磁體磁通相對時減小電感，并在該DC補償電流磁通加到永久磁體磁通時加大電感。從這個信息能確定d軸線的方向，于是程序進到框118并在那里結(jié)束。
如果DC補償電流受到前述正弦波電流的影響，該程序就階躍到框116，在那里d軸線的位置由測得的最小電感L(θ)確定。這能通過幾種技術(shù)進行計算，例如利用眾所周知的時域法，或者計算在電頻率的第一和第二諧波處的DFT之類的頻域法。
參見圖8、9和10，盡管在上文多個實施例內(nèi)描述的同步馬達是四極表面安裝的永久磁體馬達而且磁體的極在d軸線上對中，同樣的方法學(xué)也能應(yīng)用于其它類型的同步馬達。作為圖8實例是同步馬達130實施例，它具有埋入轉(zhuǎn)子134鐵中而不是安裝在轉(zhuǎn)子表面上的多塊永久磁體132。在替代實施例中，圖9表示同步馬達140，在那里磁體142在q軸線144而不是在d軸線146上對中。在這種情況下磁體142這樣取向，以致于確定d軸線146大小和方向的磁通148直接垂直于q軸線144的徑向。
作為替代，轉(zhuǎn)子可包括電磁體而不是永久磁體，例如，圖10是具有凸極纏繞轉(zhuǎn)子152的同步馬達150。轉(zhuǎn)子152包括帶有線圈156的多個凸極154，該線圈纏繞在極154上以便在需要時提供磁通。
上文已經(jīng)表示和描述多個最佳實施例，在不超越本發(fā)明精神和范圍的情況下可對其進行各種變形和替代。因此應(yīng)該理解，本發(fā)明描述只當作說明而非限制。
權(quán)利要求
1.一種用來在同步馬達中確定轉(zhuǎn)子相對于定子的位置的方法，所述方法包括將具有預(yù)定頻率和預(yù)定初始相角的AC電流引入所述定子的定子線圈；在每個所述頻率周期內(nèi)對于所述引入電流和作為結(jié)果的電壓進行預(yù)定次數(shù)的采樣；使用傅里葉分析從所述采樣電壓和電流中計算定子電感；以及從算得的所述定子電感確定轉(zhuǎn)子磁通d軸線相對于所述定子的位置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述傅里葉分析還包括離散傅里葉變換。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定頻率還包括單獨的預(yù)定頻率。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在360度周期范圍內(nèi)將所述初始相角增大預(yù)定次數(shù)。用每次增大的相角重復(fù)所述引入、采樣和計算以便提供預(yù)定數(shù)量的算得定子電感；以及從所述算得定子電感確定所述d軸線相對于所述定子的位置。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，確定還包括從所述算得定子電感最小值確定所述d軸線的位置。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括在所述定子電感已計算之后引入DC補償電流；再次計算單獨的定子電感；以及從所述已再次計算的定子電感確定所述d軸線的方向。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括將DC補償電流與所述AC電流一起引入所述定子線圈；以及從所述算得定子電感最小值確定所述d軸線的方向。
8.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述傅里葉分析還包括使用公式DFT＝X(ω)＝1/NΣx(nT)*e-jωnT(對于n＝0至N-1)＝a-jb，其中，X(ω)是所述引入電流在所述預(yù)定頻率ω處的電流相量I(ω)，或者是所述作為結(jié)果的電壓在所述預(yù)定頻率ω處的電壓相量V(ω)；N是在所述頻率ω的每個周期內(nèi)對于所述引入電流或作為結(jié)果的電壓進行采樣的次數(shù)；T是采樣時間；n是從1至N的整數(shù)；x(nT)是采樣時間為nT的所述電流或電壓的大??；以及a和b為復(fù)數(shù)X(ω)的實數(shù)和虛數(shù)笛卡爾坐標。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，計算定子電感還包括從V(ω)/I(ω)的虛部計算所述定子電感。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，計算還包括使用公式L(θ)＝(1/ω)(aVbI-aIbV)/((aI)2+(bI)2)，其中，L(θ)是作為所述預(yù)定相角θ函數(shù)的所述定子電感；aV和bV是所述復(fù)數(shù)V(ω)的實數(shù)和虛數(shù)笛卡爾坐標；以及aI和bI是所述復(fù)數(shù)I(ω)的實數(shù)和虛數(shù)笛卡爾坐標。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述預(yù)定頻率選擇成使其與至少一重復(fù)生成噪聲的源的頻率或頻率諧波無關(guān)。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述引入的AC電流與所述馬達的額定電流相比相對較小。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述引入的AC和DC電流不大于所述額定電流的20％。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述同步馬達包括電梯升降機。
15.一種電梯系統(tǒng)，它包括電梯轎廂；電梯升降機，它具有用來提升所述電梯轎廂的同步馬達；控制系統(tǒng)，它包括用來驅(qū)動所述同步馬達的驅(qū)動系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)具有存儲器，它又包括用于可編程序的存儲器，所述可編程序通過將具有預(yù)定頻率和預(yù)定初始相角的AC電流引入所述定子的定子線圈來確定在所述同步馬達內(nèi)轉(zhuǎn)子相對于定子的位置；在每個所述頻率周期內(nèi)對所述引入電流和作為結(jié)果的電壓進行預(yù)定次數(shù)的采樣；利用傅里葉分析從所述采樣電壓和電流計算定子電感；以及從算得的所述定子電感確定轉(zhuǎn)子磁通d軸線相對于所述定子的位置。
16.如權(quán)利要求15所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，所述傅里葉分析還包括離散傅里葉變換。
17.如權(quán)利要求15所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)定頻率還包括單獨的預(yù)定頻率。
18.如權(quán)利要求15所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，還包括在360度周期范圍內(nèi)將所述初始相角增大預(yù)定次數(shù)；用每次增大的相角重復(fù)所述引入、采樣和計算以便提供預(yù)定數(shù)量的算得定子電感；以及從所述算得定子電感確定所述d軸線相對于所述定子的位置。
19.如權(quán)利要求18所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，測定還包括從所述算得定子電感最小值確定所述d軸線的位置。
20.如權(quán)利要求19所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，還包括在所述定子電感已計算之后引入DC補償電流；再次計算單獨的定子電感；以及從所述已再次計算的定子電感確定所述d軸線的方向。
21.如權(quán)利要求19所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，還包括將DC補償電流與所述AC電流一起引入所述定子線圈；以及從所述算得定子電感最小值確定所述d軸線的方向。
22.如權(quán)利要求16所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，所述傅里葉分析還包括使用公式DFT＝X(ω)＝1/NΣx(nT)*e-jωnT(對于n＝0至N-1)＝a-jb，其中，X(ω)是所述引入電流在所述預(yù)定頻率ω處的電流相量I(ω)，或者是所述作為結(jié)果的電壓在所述預(yù)定頻率ω處的電壓相量V(ω)；N是在所述頻率ω的每個周期內(nèi)對于所述引入電流或作為結(jié)果的電壓進行采樣的次數(shù)；T是采樣時間；n是從1至N的整數(shù)；x(nT)為采樣時間為nT的所述電流或電壓的大??；以及a和b是復(fù)數(shù)X(ω)的實數(shù)和虛數(shù)笛卡爾坐標。
23.如權(quán)利要求22所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，計算還包括從V(ω)/I(ω)的虛部計算所述定子電感。
24.如權(quán)利要求23所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，計算還包括使用公式L(θ)＝(1/ω)(aVbI-aIbV)/((aI)2+(bI)2)，其中，L(θ)是作為所述預(yù)定相角θ函數(shù)的所述定子電感；aV和bV是所述復(fù)數(shù)V(ω)的實數(shù)和虛數(shù)笛卡爾坐標；而aI和bI是所述復(fù)數(shù)I(ω)的實數(shù)和虛數(shù)笛卡爾坐標。
25.如權(quán)利要求15的電梯系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)定頻率選擇成使其與至少一重復(fù)生成噪聲的源的頻率或頻率諧波無關(guān)。
26.如權(quán)利要求15所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，所述引入的AC電流與所述馬達的額定電流相比相對較小。
27.如權(quán)利要求26所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，所述引入的AC和DC電流不大于所述額定電流的20％。
28.如權(quán)利要求15所述的電梯系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動系統(tǒng)還包括交流變頻驅(qū)動裝置。
全文摘要
表示一種在同步馬達電梯升降機中確定轉(zhuǎn)子相對于定子位置的方法和設(shè)備。該方法包括將具有預(yù)定頻率和預(yù)定初始相角的AC電流引入該定子的定子線圈，以及在每個該頻率周期內(nèi)對于該引入電流和結(jié)果電壓進行預(yù)定次數(shù)的采樣。接著，該方法使用離散傅里葉變換從該采樣電壓和電流中計算定子電感。借助于在360度周期范圍內(nèi)加大初始相位角預(yù)定次數(shù)并用每個加大的相角重復(fù)該引入、采樣和計算，該算法提供預(yù)定數(shù)量的算得定子電感。然后從算得電感的最小值確定d軸線對于定子的位置。
文檔編號B66B1/28GK1491478SQ02804870
公開日2004年4月21日 申請日期2002年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月12日
發(fā)明者D·J·馬文, T·A·西蒙茲, V·佩特羅維克, M·舍帕, A·韋基奧蒂, D J 馬文, 碌, 羋尬, 西蒙茲 申請人:奧蒂斯電梯公司