用于减少在EC马达中的转换角误差的调节装置和方法与流程

用于减少在ec马达中的转换角误差的调节装置和方法
技术领域
1.本发明涉及一种用于减少在ec马达中的转换角误差的调节装置以及一种方法。


背景技术：

2.为了例如磁场定向地操控永磁激励的同步电动机(pmsm)，必须已知转子关于定子的位置。在此，人们谈及在马达的磁周期内的角度位置，或者也谈及所谓的转换角。已知的是，为了操控ec马达，借助位置测量装置检测转子的转子位置，并且在已知实际的转子位置与借助位置测量装置检测到的转子位置之间的相对位置时计算转换偏移或者转换角误差并且在操控给马达供给的功率部件、例如以变流器形式的转换装置时使用所述转换偏移或者转换角误差。
3.因此，也被称为转换偏移或电角度偏差的转换角误差是实际的转子旋转位置与已确定的转子旋转位置或转子位置的偏差。
4.对转子位置的检测不仅可以利用绝对位置测量系统而且可以利用增量位置测量系统来进行，在所述绝对位置测量系统中直接在激活ec马达之后检测转子位置，在所述增量位置测量系统中在越过一个或多个参考标记之后才确定绝对转子位置。
5.如果已知转换偏移、也就是说在实际的转子位置与利用位置测量装置检测到的转子位置之间的相位偏差，则校正了转换偏移的、所测量的转子位置可以基于对同步电机的操控。在现有技术中就这点而言已知一系列方法，这些方法涉及检测转换偏移的主题和如何在调节装置中相应地在转换时考虑偏移的问题。
6.在以下描述中，术语“转子”和“定子”仅意指电动机的基本元件的符合功能的标记，该标记相对于外部的坐标系在位置方面改变(旋转或移位)
‑
转子
‑
或相对于外部的坐标系固定
‑
定子。尤其是在起动ec马达时值得追求的是，知道转子相对于相应配属的定子的精确的角度位置或者说方位，以便能够在转子上产生合适的转矩。在已知的方法或装置中，角度位置通过绝对位置测量装置借助传感器增量地或替代地利用在现有技术中已知的解决方案在无传感器转换时来获得。
7.为了确定转换角，由现有技术已知许多其它方法。除了通过测量诸如电感或磁饱和的电气技术参量来确定转换角的多种方法之外，还存在多种方法，这些方法基于对马达的通电和对转子的或多或少的大幅偏转的确定。
8.由de 10213375 a1已知的是，在磁场定向地调节的情况下从外部给同步电机外加运动并且在此给调节回路预先给定理论电流为零。因此，由所述调节回路激励出电压，所述电压反作用于在电动机中通过所述运动感应出的电压。从这些电压的相位中可以推断出转换角。
9.在de 4437793 a1中描述了一种用于确定转子的相位的两级方法，其中，首先粗略地并且然后精细地确定相位。在此，检测首先静止的转子的小的、通过施加电流矢量引起的偏转并且由此确定其相位。用于确定转换角的另一种可能性在于，沿任意选择的方向在同步电机上施加形成力矩的电流。转子然后被移动且与所述方向平行地定向。因此，可检测其
位置和转换角。同样在现有技术中已知各种方法，以便测定转换角误差。因此，所述转换角误差例如可以由从星形接点电压差来确定。
10.但在知道转换角以及转换角误差的情况下，不能消除转换角误差的影响。这种转换角误差可能导致马达运行的不稳定性。但在现有技术中已知的解决方案不是旨在避免转换角误差，而是旨在在调节电动机时进行调节技术上的校正。由于场弱化的电流(d电流分量)，通过星形接点电压差的相位移产生了转换角误差。
11.星形接点电压差的相位移在此表示星形接点电压差中三次谐波的分量相对于基波的相位移并且导致所述的转换角误差。所述相位移是磁极转子电压的基波与线路中的电流之间的位移，或者也是来自形成场的电流(d
‑
电流)与形成转矩的电流(q
‑
电流)的比例的反正切函数值。
12.在ec马达中，其中由于形成通量的以及通过形成转矩的电流分量而在星形接点电压差中存在明显的相位移并且因此在转子旋转位置确定中存在误差，由系统决定地在没有其它应对措施的情况下出现相应的转换角误差。正相位移在出现所谓的正反馈效应(mittkopplungseffekt)时是差的，这意味着，增大的角度误差又导致增大的电流和电流角并且这两者又导致进一步增大的角度误差并且其结果导致马达的失灵。在不利的情况下，这种正反馈阻止ec马达的按照规定的运行。
13.此外，在具有与电流相关的电感的ec马达中不能使用许多在现有技术中已知的校正方法。


技术实现要素：

14.因此，本发明的任务在于，不降低转换角误差的后果，而是原则上避免或显著地减少由电流或由饱和引起的转换角误差。
15.所述任务通过根据权利要求1的特征组合来解决。
16.本发明的基本思想在于，借助星形接点电位来检测转子位置检测装置并且借助调节装置在尤其是使用调节回路的情况下为马达控制系统施加按照规定的场弱化的电流分量(fsk)。
17.产生反作用于ec马达的永磁体的磁场的电流分量被称为场弱化的电流分量。这种场弱化的电流分量可以是场弱化的电流(负的d电流)或对应的相位移。
18.用于减小或避免由系统决定的角度误差的中心构想是外加场弱化的电流分量(fsk)。
19.所述场弱化的电流分量的特性是与运行参量、例如电流、操控度或转矩或与运行参数相关的系统参量的相关性，因此：
20.a)电流(诸如形成转矩的电流分量iq、总电流i、中间电路电流izk)，
21.b)操控度a，
22.c)转速n，
23.d)转矩m或
24.e)由此的组合，例如在利用ec马达驱动的鼓风机中的鼓风机特性曲线。
25.另一方面涉及一种函数定义，该函数定义具有针对所述运行参数之一的场弱化的电流分量(fsk)。例如，可以将场弱化的电流分量与转矩之间的关系设置为常数、线性函数、
带有偏移的函数、或者高阶多项式。这种确定可以自由地选择或者通过预先给定确定极限的最大值和最小值来进行。
26.又一方面涉及选择合适的值域。用于场弱化的电流分量的合理的值域受到允许的边界条件的限制，例如由场弱化的电流分量fsk导致的转矩的可接受的减小。
27.根据本发明提出一种调节装置，其具体地构造用于减少通过星形电路三相连接的ec马达的转换角误差ε，该ec马达的三个相通过马达控制装置来转换，该调节装置具有转子位置检测装置，该转子位置检测装置用于借助星形电路的星形接点上的星形接点电位来检测转子的相对角度位置，以及具有调节回路，该调节回路构造用于为马达控制装置施加按照规定场弱化的电流分量以用于减少转换角误差ε
28.在本发明的另一种优选的实施方式中规定，设置有信号处理装置，该信号处理装置检测ec马达的根据场弱化的电流分量(fsk)的运行数据，以便将该运行数据输送给用于控制任务的马达控制装置的控制器。
29.本发明的另一方面除了所述的装置之外还涉及一种用于减少通过星形电路三相连接的ec马达的转换角误差ε，其三相优选在使用如之前定义的调节装置的情况下通过马达控制装置来转换，其中，根据在马达相的星形电路的星形接点上的星形接点电位来进行转子位置检测并且外加用于减少用于使马达转换的转换装置的转换角误差的场弱化的电流分量(fsk)。
30.在该方法的一种有利的设计方案中规定，所述场弱化的电流分量在其大小方面是恒定的。替代地可以规定，所述场弱化的电流分量是线性函数或非线性函数，尤其是取决于ec马达的运行参量，进一步优选取决于ec马达的转矩m或电流。然而也可设想其它运行参量，例如利用ec马达运行的鼓风机的操控度、转速或鼓风机特性曲线。
31.在根据本发明的方法的另一种有利的实施方式中规定，所述场弱化的电流分量由用于ec马达的确定的运行参数pi的曲线
32.fsk＝fsk(ε,pi)
33.的曲线变化来检测，其中，为此首先确定曲线ε＝ε(fsk)的曲线变化，该曲线变化给出所述角度偏差ε与所述场弱化的电流分量的关系并且基于此由曲线fsk(ε,pi)的交点确定用于外加的恒定的电流分量，在所述交点中确定允许的角度偏差ε
max
。
34.在本发明的另一种实施方式中规定，由分别用于不同的运行参数的相应曲线的至少两个或多个曲线变化的相应函数fsk＝fsk(ε，pi)的曲线变化来检测、优选用于ec马达的不同转矩检测所述场弱化的电流分量，并且由此获得所述运行参数与场弱化的电流分量之间的函数关系，其中，为此事先确定用于确定的运行参数的不同值(例如不同转矩)的曲线变化：
35.fsk＝fsk(ε，pi)
36.所述曲线变化给出所述角度偏差ε与所述场弱化的场电流分量之间的关系，并且基于此由曲线fsk(ε，pi)的各个交点确定用于外加的电流分量，在各个交点处分别确定了预先确定的允许的角度偏差ε
def
。这例如可以通过所确定的交点值的线性近似值或平均值形成来进行。
37.在本发明的一种同样有利的实施方式中规定，首先确定如下曲线ε＝ε(fsk)的曲线变化，所述曲线给出所述角度偏差ε与所述场弱化的电流分量fsk的关系并且由此首先由
所述变化曲线确定如下的角度偏差ε
krit
，在所述角度偏差中ec马达不再在确定的旋转稳定的运行状态中被转换，其方式为连续提高允许的角度偏差ε，只要ec马达的旋转稳定的运行状态过渡到不稳定的状态，所述不稳定的状态由在具有斜率st的切线t与曲线ε＝ε(fsk)的切线接触点上的曲线点ε
krit
来限定，其中，切线t沿曲线ε＝ε(fsk)的横坐标移动，只要直至切线t切向地贴靠在曲线ε(fsk)的曲线点上并且确定在用于场弱化的电流分量的切线t与横坐标值之间的交点。
附图说明
38.本发明的其它有利的进一步改进方案在从属权利要求中得以表征或者下面与本发明的优选的实施方式的说明一起借助附图详细示出。
39.其中：
40.图1示出根据本发明的构想的调节回路的图表；
41.图2示出函数定义的图形解释；
42.图3示出用于确定值域的图形解释；
43.图4示出用于确定场弱化的电流分量的特定的恒定值的实施例；
44.图5示出用于根据变化的运行参数(在此为转矩m)确定场弱化的电流分量的值的实施例；
45.图6示出用于确定在过渡到ec马达的不稳定的运行点的情况下的场弱化的电流分量的确定的值的实施例；
46.图7示出具有慢速调节器的鼓风机的ec马达的实施例；
47.图8示出根据相位移λ以％为单位的值确定的图形说明；
48.图9示出确定中间值的图形解释；
49.图10示出场弱化的电流分量fsk根据中间电路电流与中间电路电流的额定值的商的函数示图，以及
50.图11示出马达控制装置。
具体实施方式
51.下面参照附图1至11更详细地描述本发明，其中，只要在对附图的说明中除非另有说明，附图中相同的附图标记或标志指示相同结构和/或功能上的特征或参量。
52.图1示出根据本发明的构想的具有调节回路10的图表，其中，调节调整参量并将其传递给马达控制装置3的控制器。所述马达控制装置3控制ec马达(或者一般pmsm机器)的线路电流u、v、w。在图11中示出马达控制装置3的示例性拓扑结构。所述拓扑结构包括转子位置检测装置4、信号处理装置5、控制器6、理论值规定7(可变的fsk输入)、控制单元8、获取单元9(具有信号准备装置，必要时滤波器、偏移校正、用于检测电流的电流传感器等的测量装置)和fsk计算单元11。
53.通过获取单元9进行对马达数据的处理并且将其传递给控制器6。以这种方式实现了外加场弱化的电流分量fsk，以减小转换角误差ε。
54.图2示出函数定义的图形解释，其解释了用于减少转换角误差ε的场弱化的电流分量fsk与特定的运行参数之间的关系。因此，图2示例性地示出场弱化的电流分量fsk与转矩
m之间的函数关系，该转矩可以构造成常数(曲线a)、线性函数(曲线b)、具有偏移的函数(曲线c)或多项式函数(曲线d)、尤其是高阶多项式。在此，可以如示例性示出的那样通过预先给定最小值和最大值fsk
min
、fsk
max
来进行确定。
55.图3示出用于以电流作为运行参数为例来确定fsk的值域的图形解释。
56.在此，最大值的确定根据以下过程进行：
57.1、所接受的转矩减小：参考a(典型地在10％
‑
25％之间)；
58.2、将相同电流强度的线(例如线路电流振幅)描绘成例如线路电流，例如最大允许的恒定电流强度：参考d；
59.3、由步骤2确定转矩减小与电流线的交点：参考b；
60.4、读取最大允许的场弱化的电流分量fsk：参考c或e。
61.这样确定的四舍五入到5
°
的、对于相位移λ的典型的最大值为30
°
至45
°
。
62.用于确定最小值的方式例如通过确定fsk进行，其中进行马达运转的不稳定性(即从稳定的转换状态过渡到不稳定状态，其中例如调节器失效)。λ的典型值为
‑
15
°
到0
°
。对于本示例，λ的值域因此被确定在
‑
15
°
与45
°
之间。
63.图4示出用于确定场弱化的电流分量1的特定的恒定值的实施例。首先，在最大偏差的情况下，在此在最大转矩的情况下，根据fsk确定角度误差变化曲线ε(fsk)。ε1(fsk)的确定可以通过用fem计算或通过测量来进行。而后，在图4中确定最大允许的角度偏差ε
max
(参考g)。由曲线g和ε1(fsk)的交点确定fsk的值，在此为f1。补充地，可设想设置安全系数s，从而由与曲线ε1(fsk)的交点得到fsk的偏离值，该曲线在图4中用参考f2表示。
64.图5示出用于根据变化的运行参数(在此是对于两个不同的转矩值的转矩m)确定场弱化的电流分量fsk的值的另一种实施例。为此，对于两个转矩值中的每一个重复上述fsk确定的过程，由此从曲线ε1和曲线ε2的两个曲线ε(fsk)中进行交点。因此得到两个fsk值(图5中的参考a和b)。这两个fsk值现在与分别所选择的转矩有关。通过例如线性插值建立在转矩m与fsk之间的简单函数关系。
65.选择相同的方式，以便例如获得在电流或其它运行参数与fsk之间的函数关系。
66.图6示出用于确定在过渡到ec马达的不稳定的运行点的情况下的场弱化的电流分量的确定的值的一种实施例。为此规定，首先确定给出角度偏差ε与场弱化的电流分量fsk的关系的曲线ε＝ε(fsk)的曲线变化。示出这种示例性的曲线。由此，现在如下由变化曲线确定临界的角度偏差ε
krit
，其中ec马达不再能够被转换到确定的旋转稳定的运行状态中。相应的点ε
krit
位于具有斜率st(优选st＜1.5)的切线t的切线贴靠点上，所述切线t相切地设置在曲线ε＝ε(fsk)上，其中，切线t沿着曲线ε＝ε(fsk)的横坐标移动，只要直至切线t相切地贴靠在曲线ε(fsk)的所述临界曲线点上。切线t和横坐标fsk之间的交点为相应的场弱化的电流分量得出图6中的具有参考f的值。
67.图7示出具有慢速调节器13的鼓风机的ec马达2.2的一种实施例。该实施例包括电源接头12、变流器2.1(整流器2.1.1和马达侧的变流器2.1.2)，其提供具有中间电路电流i*
zk
的测量的中间电路。在所述中间电路上连接有具有fsk调节装置13(具有额定值λ＝fsk)的ec马达2。ec马达2驱动鼓风机2.3。
68.具有附图标记11的fsk计算单元用于确定场弱化的电流分量fsk并且在该实施例中根据以下计算方法进行限制：
69.fsk＝λ＝k1·
i*
zk
k2，其中，k1＝10
°
/0.8和k2＝3.75
°
70.参考图8至图10解释用于计算fsk的因数k1和k2的值的确定。在图8中，对误差值ε/ε
max
的值确定以％为单位根据相位移λ来进行。用附图8中的参考1表示ε/ε
max
＝1的曲线，因此这限定了允许的误差极限。通过逐步地或连续地改变λ，首先在最小负载状态下测量误差值ε/ε
max
(参见图8中的参考2)。对于这种情况确定低于规定的误差极限值的值λ。为此，在该实施例中得出：i*
zk,min
～0.1，其对应于2
°
的相位角(参见图8中的参考3)。
71.然后在最高负荷状态下进行相同的操作方式。为此，在该实施例中得出：i*
zk,max
～0.9，其对应于11
°
的相位角(参见图8中的参考4)。
72.在随后的步骤中分别选择5
°
和15
°
的值(参见图8中的参考5)。
73.在图9中得到中间值的确定的图形解释，并且图10示出场弱化的电流分量fsk根据中间电路电流与中间电路电流的额定值的商的函数示图。
74.因此需要通过测量在i*
zk,min
和i*
zk,max
之间的中间值来确定与fsk的函数关系，这在下面参照图9来阐述(参见图9中的参考1)。
75.根据如在图8中用于确定最小值和最大值的步骤来描述用于中间值的相应的测量(也就是说涉及图8中的参考1至4)。在该示例中，所测量的中间值示出了在fsk与中间回路电流i*
zk
之间的函数关系中的几乎线性的上升，这在图10中可以看出(参见图10中的参考2)。
76.现在，从图8中还采用5
°
和15
°
的值(这些值相应于图10中的参考3和5)，从而由斜率和所确定的值得出上述函数关系：fsk＝λ＝(10
°
/0.8)
·
i*
zk
3.75
°
。
77.在测量的范围之外，对于较小的电流值保持最小的fsk值，并且对于较大的电流值利用计算的函数线性地外插fsk的值。
78.本发明在其实施方式方面并不局限于上面给出的优选的实施例。更确切地说，可设想一些变型方案，它们将所描绘的解决方案同样也应用在原则上不同类型的实施方式当中。