CN112740534A

CN112740534A - 多电机变换器

Info

Publication number: CN112740534A
Application number: CN201980060243.5A
Authority: CN
Inventors: S·施罗特; G·维德曼; B·斯托尔
Original assignee: Ebien Peter Mulfingen GmbH
Current assignee: Ebien Peter Mulfingen GmbH; Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2021-04-30
Also published as: DE102018124209A1; US20220045632A1; EP3861629A1; EP3861629B1; WO2020069888A1

Abstract

本发明涉及一种调节系统(1)，包括用于受调节地并行操作n个EC电动机(M1、…、Mn)的多电机变换器(PWR)，所述电动机的转子位置分别以无传感器的方式被检测且由所述公共变换器控制。

Description

多电机变换器

技术领域

本发明涉及一种用于并行操作数个电动机的无传感器多电机变换器(Mehrmotorenumrichter)以及一种在公共的多电机变换器上操作数个电动机的调节方法。

背景技术

在变换器上以无传感器或无转子位置编码器的方式操作电换向电动机(PMSM/EC电动机)时，通常是以合适的方式检测和评估施加在电动机端子上的电压以及在电动机相中流动的电流，以便测定转子位置并且使电动机相应地换向。然而，现有技术中没有令人满意的已知解决方案，能够在单独一个变换器上操作两个或数个这样的电动机(PMSM/EC电动机)。下文所提及的电动机是指无传感器控制的PMSM电动机或无传感器调节的EC电动机。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种能够在变换器上操作数个电动机的有效解决方案，这种解决方案实现成本低且具有尽可能大的应用范围。

本发明通过权利要求1的特征而达成。

本发明的基本理念是：为了在公共变换器上以无转子位置编码器的方式并行操作数个(至少两个)电换向电动机，为每个所连接的电动机单独检测相电流。此外，每个变换器输出相只需要单独一次电压检测，因为由于是并行操作电动机，所有电动机上被施加了同一个端电压。也可以替代性地采用以下方案：端电压不能被检测，而是可以根据控制器所输出的占空因数计算出来。

本发明的多电机变换器与传统变换器之间的区别主要在于检测并处理测量信号以测定数个电动机的转子位置，为此，为连接在多电机变换器上的每个电动机单独进行电流检测。

另一个方面涉及的是根据各单一电动机的相电流测定三相总和电流I_uvw。

为此，本发明提供一种控制系统，该控制系统包括用于受控地并行操作n个EC电动机M1、…、Mn的多电机变换器，分别以无传感器的方式检测电动机的转子位置，其中n≥2，该控制系统包括至少一个检测装置，该检测装置用于借助n个EC电动机的此前被测量到的相电流I_M1、…、I_Mn以及端电压U_u,v,w来至少测定n个EC电动机的转子位置和转速。所述控制系统进一步具有调节和变换装置，用于借助测定的转子位置和转速来生成d-q坐标系(空间矢量系统)中的相应的电压变量和电流变量，以便对n个电动机进行调节，以及具有连接在调节和变换装置下游的其他调节装置，为该其他调节装置提供上游调节和变换装置所输出的电压变量和电流变量，以便从中生成用于多电机变换器的切换指令，从而对n个电动机进行操作。

根据本发明，二者择一地设置以下两个调节装置。

根据第一方案，借助电流相位调节器进行受控运行。为此，所述其他调节装置具有电流相位调节器。

根据替代方案，借助d-q电流调节器进行场定向运行。为此，所述其他调节装置具有d-q电流调节器。

在本发明的优选技术方案中，如下设置：检测装置具有至少一个用于以无传感器的方式检测n个EC电动机的相电流I_M1、…、I_Mn的测量装置以及用于测定n个相电流I_M1、…、I_Mn的总和电流I_uvw的装置。

一种优选技术方案提出：检测装置具有用于至少估计或观测或测定n个电动机的转子位置

和转速ω_M1、…、ω_Mn的装置以及用于测定根据总和电流I_uvw和端电压U_u,v,w而测定的理论或估计转子位置

和转速ω_U的装置。

进一步有利地如下设置：调节和变换装置具有Clarke-Park变换器，用于至少将转子位置

和总和电流I_uvw等检测到的三相变量变换成用于调节装置的呈现为空间矢量的d-q电流变量I_{d,q_实际}。其中，dq_实际产生于对总和电流Iuvw的测量以及估计角度

在本发明一种同样有利的技术方案(针对电流相位调节的情况)中，如下设置：调节和变换装置具有用于为电流相位调节器提供电压变量U_{d_标称}、U_{q_标称}的稳定调节器和转速调节器，所述电压变量包含根据n个电动机的转子位置和转速而测定的d-分量U_d以及由转速调节器根据转速值ω_标称、ω_U而测定的q-分量Uq。对装置的转速进行估计。估计转速通常与两个电动机的转速相符，但也可以动态地偏离两个电动机的转速(针对两个电动机的情况，偏离这两个电动机被单独估计出来的转速RLM1和RLM2)。U_{d_标称}产生于估计变量。

针对电流相位调节的情况，进一步有利地如下设置：调节装置进一步具有Clarke-Park变换器，用于借助Clarke-Park变换将电流相位调节器所获得的呈现为空间矢量的电压变量U_d,q变换成三相电压变量U_uvw，并且借助PWM调制器将该三相电压变量转换成用于变换器的切换信号。

针对场定向d-q调节的情况，如下设置：调节和变换装置具有用于为d-q电流调节器提供电流变量I_{d_标称}、I_{q_标称}的一个或数个稳定调节器以及转速调节器，所述电流变量包含根据n个电动机的估计转子位置和转速而测定的d-分量I_{d_标称}以及根据转速值ω_标称、ω_U而测定的q-分量I_{q_标称}。

针对场定向调节的情况，进一步有利地如下设置：调节装置具有Clarke-Park变换器，用于借助Clarke-Park变换将d-q电流调节器所获得的呈现为空间矢量的电压变量U_d,q变换成三相电压变量U_uvw，并且借助PWM调制器将该三相电压变量转换成用于变换器的切换信号。

可以根据例如记载于DE 102015102565 A1中的已知变体来设计转子位置估计器。

本发明的另一个方面涉及一种特别是借助前述控制系统在公共多电机变换器上操作n个并行运行的EC电动机(n≥2，也就是具有至少两个EC电动机)的方法，包括以下步骤：

a.检测n个EC电动机的各单一相电流I_M1、…、I_Mn以及端电压U_u,v,w，

b.借助n个EC电动机的此前被测量到的相电流I_M1、…、I_Mn以及端电压U_u,v,w来测定n个EC电动机的转子位置和转速，

c.借助此前所测定的转子位置以及转速生成呈现为空间矢量或者说以d-q空间矢量坐标表示的电流变量和/或电压变量，并且将所述电流变量和/或电压变量传输至调节装置，

d.借助Clarke-Park变换从呈现为空间矢量的电流变量和/或电压变量中生成三相电压变量U_uvw，并且将所述三相电压变量传送至调制器，以及

e.借助调制器从电压变量U_uvw中生成用于多电机变换器的切换指令，以便对n个EC电动机进行操作。

关于概念性术语的解释：

理论转速ω_u：

ω_u是指变换器的理论转速ω，指的是变换器所输出的三相电压系统U_uvw旋转时所用的频率。

理论转子位置

角度

和理论转子位置被称为换向角。由于这个角度对应于所有电动机的平均角度(根据各单一电动机的权重)，因此，这个角度不是真实角度，而是理论角度。

d-q电流变量I_{d,q_实际}：

在此，借助变换器的换向角

[如前所述]将所有电动机的总和电流变换成虚拟电流变量I_{d,q_实际}。这个电流变量必然是虚拟的，因为由于存在数个具有不同的可能转子位置的电动机，总体上不存在可明确测定的场定向工作电流，因此仅作为与虚拟换向角有关的调节变量。

d-q电压变量U_u,q：

调节系统的电压变量Du和Uq自然也是与所有电动机的测量到的总和电流有关的虚拟变量，因而在调节时被用作虚拟变量。

附图说明

关于本发明其他有利改进方案的特征请参阅从属权利要求，下面参照附图并结合本发明的优选实施予以详细说明。其中：

图1为根据本发明第一实施方式的用于电流相位调节的调节系统，

图2为根据本发明第二实施方式的用于场定向调节的调节系统，

图3为两个电动机M1和M2受控运行时的转矩分布曲线，

图4为受控运行时的转速分布曲线，

图5为受控运行时的估计误差，

图6为受控运行时的场定向电流分布，

图7为受控运行时两个电动机之间的角差，

图8为两个电动机M1和M2场定向运行时的转矩分布曲线，

图9为场定向运行时的转速分布曲线，

图10为场定向运行时的估计误差，

图11为场定向运行时的场定向电流分布，

图12为场定向运行时两个电动机之间的角差，

图13为转速调节器的等效电路图，

图14为d,q电流调节器的等效电路图，

图15为稳定调节器的等效电路图，以及

图16为电流相位调节器的等效电路图。

具体实施方式

下面结合两种实施方式并参照图1和图2对本发明进行详细阐述，其中，附图中的相同附图标记指向相同的结构特征和/或功能特征。

根据图1和图2的两种实施方式分别示出调节系统1，该调节系统包括用于受调节地并行操作n个EC电动机M1、M2(在此n＝2)的多电机变换器PWR，分别以无传感器的方式检测电动机的转子位置。

为此设有检测装置10，该检测装置用于借助两个EC电动机的此前被测量到的相电流I_M1、I_M2以及端电压U_u,v,w来至少测定两个EC电动机(M1、M2)的转子位置和转速。此外，检测装置10还被构建为用来获得理论转子位置

和总和电流I_uvw，其中总和电流I_uvw＝I_M1+I_M2，并且用作除端电压U_uvw外的用于测定转子位置

和转速ω_U等变量的输入变量。

因此，检测装置10具有被构建为用来至少测定或估计两个电动机M1、M2的转子位置

和转速ω_M1、ω_M2的装置RLM1、RLM2以及用于测定或估计根据总和电流I_uvw和端电压U_u,v,w而测定的理论转子位置

和转速ω_U的其他装置RLU。

此外，在两种实施方式中设有调节和变换装置20，用于借助测定的转子位置和转速来生成d-q坐标系中的相应的电压变量和电流变量，从而对两个电动机进行调节。为此，在两种实施方式中同样设有连接在调节和变换装置20下游的调节装置30，为该调节装置提供调节和变换装置20所输出的电压变量U_d、U_q和电流变量I_{d,q_实际}，或者在场定向调节的情况下，提供电流变量I_{d_实际}、I_{q_实际}和电流变量I_{d,q_实际}，以便从中生成用于多电机变换器PWR的切换指令SZB，以便对两个电动机进行操作。

调节和变换装置20具有Clarke-Park变换器TP，用于将转子位置

和总和电流I_uvw等检测到的三相变量变换成用于调节装置30的呈现为空间矢量的d-q电流变量I_{d,q_实际}。

因此，图1示出包含两个电动机的调节系统的结构示意图，为此设有三个无传感器转子位置测定装置RLM1、RLM2、RLU。以变换器PWR的参考坐标系为参照，转速调节器R在此测定q向上的已调电压，稳定调节器R测定d向上的已调电压。电流相位调节器R_ST负责通过基于总和相电流测量而实现的角度测定来对d-q向上的已调电压进行适当校准。而后，借助Clarke-Park变换和接下来的PWM调制器将切换指令SZB发给变换器PWR。

优选地，将根据图1的系统先加速至100转/分钟左右的(可自由定义的)极限转速。其中，转速调节器R、稳定调节器R、电流相位调节器R_ST以及转子位置测定装置RLM1、RLM2、RLU停用，或者说相应的调节回路打开。达到可自由定义的极限转速时，所有调节回路闭合。

转子位置测定装置RLM1、RLM2、RLU现在需要一定的时间来达到“稳定”。这一点首先可以醒目地呈现在场定向电流分布和变换器的估计转速分布中。大约0.4秒后，系统完全稳定。在晚一些的时间点上(例如在例示性的实施例中，当t＝0.7秒时)，发生再度激发系统的负载跃变。上述调节器对测量到的偏差产生反应并且使系统回到稳定状态。

在根据图2的实施方案中设置了场定向调节，为此，在调节装置30中设有d-q电流调节器R_dq。

转速调节器R在此测定q向上的标称电流，稳定调节器测定d向上的标称电流(分别以变换器的参考坐标系为参照)。在此情况下，下级场定向电流调节器R_dq通过与测量到的总和相电流I_{d,q_实际}进行比较来测定d-q向上的期望电压U_d,q。而后，借助Clarke-Park变换和接下来的PWM调制器将切换指令SZB发给多电机变换器PWR。

在图1和图2中同样可看到，检测装置10包括测量装置A，该测量装置用于以无传感器的方式检测两个EC电动机M1、M2的相电流I_M1、I_M2以及两个相电流的总和电流I_uvw。

根据图1的调节装置30进一步具有Clarke-Park变换器TC，用于借助Clarke-Park变换将电流相位调节器R_ST所获得的呈现为空间矢量的电压变量U_d,q变换成三相电压变量U_uvw，并且借助PWM调制器PWM将该三相电压变量转换成用于变换器PWR的切换信号SZB。

在根据图2的实施方案中，调节和变换装置20包括用于为d-q电流调节器R_dq提供电流变量I_{d_标称}、I_{q_标称}的稳定调节器R和转速调节器R，所述电流变量包含根据两个电动机的转子位置和转速而测定的d-分量I_{d_标称}以及根据转速值ω_标称、ω_U而测定的q-分量I_{q_标称}。此外，调节装置30具有Clarke-Park变换器TC，用于借助Clarke-Park变换将d-q电流调节器R_dq所获得的呈现为空间矢量的电压变量U_d,q变换成三相电压变量U_uvw，并且借助PWM调制器PWM将该三相电压变量转换成用于变换器PWR的切换信号SZB。

图3至图7示出多电机调节系统以受控运行的方式被使用时的例示性操作。将系统先加速至100转/分钟左右的极限转速。其中，转速调节器、稳定调节器、电流相位调节器以及转子位置测定装置最初被停用。

达到可自由定义的极限转速时，所有调节回路闭合。位置测定装置现在需要一定的时间来达到稳定。这首先在场定向电流分布(参见图6)和变换器的估计转速分布(参见图2)中变得醒目。大约0.4秒后，系统完全稳定。在大约t＝0.7秒的时间点上，发生再度激发系统的负载跃变。所述调节器对测量到的偏差产生反应并且使系统回到稳定状态。

在角差图(参见图7)中可以看到变换器的估计换向角与电动机M1和M2的真实旋转角之差。在负载跃变之前，在稳定状态下出现接近于零的角差。在发生于大约0.7秒时候的负载跃变之后，产生两度左右的偏差(角差)。

图8至图12示出使用多电机调节系统来借助FOC(场定向控制)运行时的系统行为。在此也将系统先加速至100转/分钟左右的极限转速。

其中，转速调节器、稳定调节器以及转子位置测定装置停用。达到可自由定义的极限转速时，所有调节回路闭合。系统在此相当快地达到稳定。在变换器的估计转速中只看到一个较短的峰值(参见图9)。在大约t＝0.7秒的时间点上，发生再度激发系统的负载跃变。

所述调节器对测量到的偏差产生反应并且使系统回到稳定状态。在此也相当快地恢复稳定状态。

在图12中的角差图中可以看到变换器的估计换向角与电动机M1和M2的真实旋转角之差。在负载跃变之前，在稳定状态下出现大约2.5°的角差。其原因在于为电动机M1和M2规定了20％的参数偏差。负载跃变后产生两度或四度的角差偏差。这处于预期范围内，因为由于现在负载不同了，电动机和变换器的坐标系进一步地相对扭转。

在图10中的估计误差图中绘示了电动机的真实旋转角与电动机的估计旋转角之间的当前估计误差。在负载跃变之前，估计误差为两度左右。

在负载跃变之后，负载较小的电动机M1达到接近于零的估计误差，而负载较大的电动机M2的估计误差几乎无变化。

图13示出转速调节器的等效电路图。这个转速调节器以传统PI调节器的形式进行构建。其中，将无传感器转子位置估计器所测定的实际转速ωu与例如由控制软件规定的标称转速ω_标称进行比较并且将二者之差发给PI调节器。而后，这个PI调节器在其输出端上根据调节拓扑结构测定q向上的标称电流I_q,标称和待调电压U_q。

图14示出电流调节器的等效电路图。这个电流调节器以传统PI调节器的形式进行构建。其中，将所有电动机的测量到的总和电流I_{d,q_实际}与上级转速调节器所测定的标称电流I_d,标称、I_q,标称进行比较并且将二者之差发给PI调节器。而后，这个PI调节器在其输出端上测定d向和q向上的待调电压U_d,q。

图15示出稳定调节器的等效电路图。稳定调节器原则上有诸多可行的实施变体。一种有利变体例如是根据转速差的绝对大小来测定d分量。另一种可行变体图示于上文中。其中，将变换器坐标系旋转时所用的转速与电动机[在此例示性地为两个电动机]的先估计后经适当加权的转速进行比较并发给P调节器。而后将P调节器的输出与以相同方式测定的角差相乘。将这个角差限制在1与-1之间的取值范围。

图16示出电流相位调节器及其工作原理的等效电路图。电流相位调节器的一个模块是相位检测器。这个相位检测器根据先读入后经变换的相位电流测定与期望的d电流分量有关的角度误差。接下来的PI调节器负责调准必要的平均相位偏移并获得电流中期望的d分量和q分量。PI调节器的构造与前述的电流调节器和转速调节器相同。

本发明的实施范围不限于前述优选实施例。凡是运用图示解决方案的技术变体，即便以完全不同的方式进行实施，也落入本发明的范围。

Claims

1.一种调节系统(1)，包括用于受控地并行操作n个EC电动机(M1、…、Mn)的多电机变换器(PWR)，分别以无传感器的方式检测所述电动机的转子位置，其中n≥2，所述调节系统包括：

a.至少一个检测装置，用于借助所述n个EC电动机(M1、…、Mn)的此前被测量到的相电流I_M1、…、I_Mn和可选择的端电压U_u,v,w来至少测定所述n个EC电动机(M1、…、Mn)的转子位置和转速，

b.调节和变换装置(20)，用于借助所述测定的转子位置和转速来生成d-q坐标系中的相应的电压变量和电流变量，以便对所述n个电动机进行调节，

c.连接在所述调节和变换装置(20)下游的调节装置(30)，为所述调节装置提供所述调节和变换装置(20)所输出的电压变量和电流变量，以便从中生成用于所述多电机变换器的切换指令(SZB)，从而对所述n个电动机进行操作。

2.根据权利要求1所述的调节系统(1)，其特征在于，所述调节装置(30)具有电流相位调节器(R_ST)。

3.根据权利要求1所述的调节系统(1)，其特征在于，所述调节装置(30)具有d-q电流调节器R_dq。

4.根据权利要求1、2或3所述的调节系统(1)，其特征在于，所述检测装置具有至少一个用于以无传感器的方式检测所述n个EC电动机(M1、…、Mn)的相电流I_M1、…、I_Mn的测量装置(A)。

5.根据权利要求4所述的调节系统(1)，其特征在于，所述检测装置(10)具有用于至少测定或估计所述n个电动机(M1、…、Mn)的转子位置

和转速ω_M1、…、ω_Mn的测定装置(RLM1、…、RLMn)以及用于测定根据所述总和电流I_uvw和所述端电压U_u,v,w而测定的理论转子位置

和转速ω_U的测定装置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的调节系统(1)，其特征在于，所述调节和变换装置(20)具有Clarke-Park变换器(TP)，用于至少将所述转子位置

和所述总和电流I_uvw等三相变量变换成用于所述调节装置(30)的呈现为空间矢量的d-q电流变量I_{d,q_实际}。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的调节系统(1)，其特征在于，所述调节和变换装置(20)具有用于为所述电流相位调节器(R_ST)提供电压变量U_d、U_q的稳定调节器(R)，所述电压变量包含根据所述n个电动机的转子位置和转速而测定的d-分量U_d以及根据转速值ω_标称、ω_U而测定的q-分量Uq。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的调节系统(1)，其特征在于，所述调节装置(30)具有Clarke变换器(TC)，用于借助Clarke-Park变换将所述电流相位调节器(RST)所获得的呈现为空间矢量的电压变量U_d,q变换成三相电压变量U_uvw，并且借助PWM调制器(PWM)将所述三相电压变量转换成用于所述变换器(PWR)的直流电压切换信号(SZB)。

9.根据权利要求3至6中任一项所述的调节系统(1)，其特征在于，所述调节和变换装置(20)具有用于为所述d-q电流调节器(R_dq)提供电流变量I_{d_标称}、I_{q_标称}的稳定调节器(R)，所述电流变量包含根据所述n个电动机的转子位置和转速而测定的d-分量I_{d_标称}以及根据转速值ω_标称、ω_U而测定的q-分量I_{q_标称}。

10.根据权利要求3至6和9中任一项所述的调节系统(1)，其特征在于，所述调节装置(30)具有Clarke-Park变换器(TC)，用于借助Clarke-Park变换将所述d-q电流调节器(R_dq)所获得的呈现为空间矢量的电压变量U_d,q变换成三相电压变量U_uvw，并且借助PWM调制器(PWM)将所述三相电压变量转换成用于所述变换器(PWR)的切换信号(SZB)。

11.一种借助根据权利要求1至10中任一项所述的调节系统(1)在公共多电机变换器(PWR)上操作n个(n≥2)并行运行的EC电动机的方法，包括以下步骤：

a.检测所述n个EC电动机(M1、…、Mn)的各单一相电流I_M1、…、I_Mn以及可选的端电压U_u,v,w，

b.借助所述n个EC电动机(M1、…、Mn)的此前被测量到的相电流I_M1、…、I_Mn以及端电压U_u,v,w来测定所述n个EC电动机(M1、…、Mn)的转子位置和转速，

c.借助所测定的转子位置以及转速生成呈现为空间矢量的电流变量和/或电压变量，并且将所述电流变量和/或电压变量传输至调节装置(30)，

d.借助Clarke-Park变换从呈现为空间矢量的电流变量和/或电压变量中生成三相电压变量U_uvw，并且将所述三相电压变量传送至调制器(PWM)；

e.借助所述调制器(PWM)从电压变量U_uvw中生成用于多电机变换器(PWR)的切换指令(SZB)，以便对所述n个EC电动机的运行进行控制。