识别交流异步电动机电等效电路图参量的设备和方法

摘要

识别交流异步电动机电等效电路图参量的设备和方法。该方法用于无编码器地识别所述等效电路图参量，其至少包括如下步骤：-占据转子的停止位置；-在异步电动机的α轴线方向和β轴线方向上同向馈入测试信号U

说明书

技术领域

本发明由一种用于无编码器地识别交流异步电动机的电的等效电路图参量的方法、装置、设备和方法使用为出发点。电的等效电路图参量实现了交流电动机借助于电的等效电路图组件的表征，从而使得电动机在运行中的电特性可被模拟。 

背景技术

由现有技术公知各种不同的用于确定交流电动机的电特性的方法。通常进行在电动机处的直流试验、空转试验和短路试验，以便能测量在此类运行情景中的电特性，且能由此推导出用于其它运行情况的电运行特性。为了表征异步电动机的电特性，典型地使用所谓的T型等效电路，在T型等效电路中，定子线圈和转子线圈或者电的定子特性和转子特性借助于两个欧姆电阻R₁、R′₂、两个线圈电感L_1σ、L′_2σ以及主电感L_h来模拟。借助于直流试验、空转试验和短路试验试图确定T型等效电路图的所涉及的构件参量的大小，其中，尤其在杂散电感L_1σ、L′_2σ方面通常仅可进行估计。前面提及的试验是时域方法，在时域方法中电动机运动，且所述试验要求电动机在测试环境中驱动。在短路试验时电动机必须固定，其中，可能产生过载的危险。在空转试验中，机器自由旋转地运行，其中，可能产生机械的过载。在直流试验时可确定欧姆定子电阻R₁，且在短路试验时可确定欧姆转子电阻R′₂以及杂散电感L_1σ、L′_2σ，其中，可产生机械的或电的过载的危险。基于空转试验可估计主电感L_h。 

此外，前面所提及的短路试验、空转试验和直流试验在许多情况中考虑机械传感器例如位置传感器、角度传感器或转速传感器的测量结果，以便能在各种不同的转数中推导出运行特性的相互关系。 

在图4中示出了异步电动机关于单相研究的T型等效电路图，其中，在知道所提及的等效电路图量的情形下可估计交流电动机在静止的运行情况中也就是说在恒定的转速和负载时的电运行特性。参量s标明了滑差率，也就是说旋转的转子相对回转的定子磁场的滞后。由此可确定电动机在运行特性中的导纳，该导纳根据下面的方程式得出： 

$G=\underset{‾}{Y}=\frac{s{L}_2+R_2^{\prime }}{s^2(L_{1\sigma }{L}_2+L_h{L}_{2\sigma }^{\prime })+s(L_1{R}_2^{\prime }+L_2{R}_1)+R_1{R}_2^{\prime }}$

$G=\underset{‾}{Y}\frac{a_{1}s+a_0}{b_2{s}^2+b_{1}s+b_0}$

其中， 

a₀＝R′₂，a₁＝L₂，b₀＝R₁R′₂，b₁＝(L₁R′₂+L₂R₁)，b₂＝(L_1σL₂+L_hL′_2σ)。 

上面所提及的作为传递函数G＝Y＝I₁/U₁的导纳，在假设滑差率大小s为1也就是说停止的情形下推导出。此外在公式中，s’不是表示滑差率，而是表示在拉普拉斯域中的复数频率。在空转试验、短路试验和直流试验中的参量确定基于该T型等效电路图。关于在电动机电压和电动机电流的后面示出的α/β或d/q的坐标系中的复杂的研究，可考虑相同的等效电路图参量，然而该思考方式不仅允许电动机的静止的表征，而且使得动态特性的描述成为可能。 

在三相系统中，在Y型或Δ型接线中通过两相的馈入，在缺乏中性点接地时根据定律I_u+I_v+I_w＝0相应地得出第三相的电流。出于该原因，三相系统同样可借助于两个坐标来描述，其中，为了描述总电流可考虑在复平面中的坐标系，在复平面中实部和虚部两个坐标可根据图1称为关于定子线圈的固位取向的α坐标和β坐标。α/β坐标系例如描述了电流的方向或在交流电动机的定子的静止的参考系中的转子磁通轴线。关于转动体的磁性取向，可引入旋转的第二坐标系，所述第 二坐标系的轴线称作转子的d轴线和q轴线，如其在图2中示出的那样。d轴线标明了转动体磁通的方向，而q轴线标明了对此呈直角的横向磁通轴线。定子磁场在转子的d轴线的方向上的取向在一定程度上引起转子的止位，而在转子的q轴线的方向上的定子磁场取向引起到转子上的转矩。α/β定子坐标系到旋转的d/q转子坐标系的变换可通过在定子的相位U的绕组轴线与转子磁场的纵轴线之间的转角β_k来产生。就此而言，总电动机电流I或者该总电动机电流的三个相电流I_U、I_V和I_W可在定子固定的α/β坐标系中或在与转动体一起旋转的d/q坐标系中研究。关于交流异步电动机的线电流到α/β坐标系中的换算适用下面的关系式： 

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{3}& -\frac{\sqrt{3}}{3}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right),$$\left(\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right),$

可借助于转动体角度β_k的考虑修改所述关系式，用于d/q坐标系。为了随后在数学上获取关系式，根据图2执行在α/β定子坐标系中的研究，其中，在图4中示出的T型等效电路图描述了带有馈电电压和馈电电流U₁、I₁以及U₂、I₂的单相系统中的交流异步电机的等效电路图表征。 

基于相电压U_U、U_V和U_W和线电流I_U、I_V和I_W，其根据上述的变换转化到α/β坐标系中。由此，交流异步电机的电特性可借助输入参数U₁或U₂和输出参数I₁或I₂来研究。就此而言，可执行关于α坐标和β坐标分开的研究方法，从而可得出四个传递函数或者说导纳，其中： 

G₁＝I_1α/U_1α，G₂＝I_1β/U_1α， 

G₃＝I_1α/U_1β，G₄＝I_1β/U_1β。 

在α轴线和β轴线方向上相同地馈入和确定且比较传递函数G₁、G₂、G₃或G₄(这些传递函数在基本上相同的或对称的等效电路图中具有相同的传递特征)的情况中，可实现分析结果的验证。为此，可以 有利地考虑的是，改变测试信号电压U_1β的高度且相应地执行带有改变的电压值的参量识别，其中，得出的参量可以作为平均值或加权的参量从各个参量识别的结果中探明。由此可避免在确定中的错误，从而可获得较正确的结果。 

为了确定交流电动机的机械特性参数，尤其为了机械部件的故障诊断或为了在运行时在机械的联合体中的机械的系统识别，由现有技术所公知的是，使用伪噪声二进制信号(PRBS)作为电测试激励。在此，机械的系统是SISO系统(信号输入信号输出)，在SISO系统中可借助于唯一的机械输入参数或电的输入参数测量唯一的机械输出参数。输入参数借助伪噪声二进制信号来激励，从而使得在输出参数中可确定SISO系统的宽带特性。借助根据频率特性的参量识别和频率变换的信号理论方法，可在知道基础的系统方程时推导出机械系统的特性参数。 

然而，在电的参数的情况下，涉及所谓的MIMO系统(多输入多输出)，在MIMO系统中必须馈入多个输入参数(线电压)且必须提取多个输出参数(线电流)。出于该原因，由用于识别机械参数的方法所公知的措施不可用于交流电动机的电的系统表征。机械系统的识别包括在SebastianVillwock的论文“Identifikationsmethoden für die automatisierte Inbetriebnahme und Zustandsüberwachung elektrischer Antriebe”， 2007，(出版物[1])中地进行说明。此外，就此而言所使用的用于机械系统的参量识别的信号理论方法在期刊文章：S.Villwock，J.M.Pacas：“Application ofthe Welch-Method for the Identifcation of Two and Three Mass Systems”，IEEE Transactions on Industrial Electronics，Vol.55，No.1，Januar2008，S.457-466(出版物[2])中进行说明。在会议文章的范围内，相似类型的方法在如下文章：P.Szczupak，J.M.Pacas：“Automatic Identification of a PMSM Drive Equipped with an Output LC-Filter”，IEEE Industrial Electronics，IECON2006，32^nd Annual Conference on November 2006，S.1143-1148(出版物 [3))中进行介绍。 

发明内容

本发明的任务是，基于交流异步电机的T型电等效电路图提出一种用于确定等效电路图特性参数的方法，其中，参量识别在无电动机的电的或机械的负荷时实现，转子停止且可通过唯一的测量对于较大的频率范围而言探明用于描述交流电动机的电特性的所有电等效电路图参量。本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。 

在本发明的第一方面中，提出了用于无编码器地识别交流异步电动机的电等效电路图参量的方法，该方法至少包括下面的步骤： 

-占据转子的停止位置； 

-在异步电动机的α和β定子轴线方向上同向(gleichsinnig)馈入测试信号U_1α、U_1β； 

-测量异步电动机的α和β轴线方向的测量信号电流I_1α、I_1β； 

-基于测试信号电压U_1α、U_1β和测量信号电流I_1α、I_1β识别异步电动机的等效电路图参量； 

其中，到异步电动机中的测试信号馈入以如下方式实现，即，使转子保持无转矩。

转子的停止位置意味着转子相对定子的角度不改变，进而在α与β轴线之间的转角是恒定的且必要时是已知的。在占据转子的停止位置之后，同向地在两个轴线方向上也就是说在定子的α轴线方向和β轴线方向上馈入测试信号。测试信号的结构确定了哪些频率成分或频率范围可被测量和能以哪个精度识别等效电路图参量，其中，参量可与测试信号的频率覆盖范围相符地提取。测试信号电压U_1α和U_1β的馈入产生被测量的测量信号电流I_1α、I_1β。用于测量两个线电流的两个线电压馈入例如可借助于2相/3相变流器实现，2相/3相变流器可依照上述的矩阵关系由两个电压U_1α和U_1β产生三相电压U_U、U_V和U_W或者可由三个测得的电流I_U、I_V和I_W变换成两个电流I_1α和I_1β。测试信号的 馈入例如可通过控制交流电动机的电动机控制设备的逆变器实现。作为备选地，可将测试信号电压直接馈入到异步电机的支线中。线电流的测量可通过同一个电流测量仪器实现，该电流测量仪器在无编码器的调节时使用在交流电动机的运行中。在时域中，所馈入的测试信号电压和测得的测量信号电流能作为数字获取的时间上的采样值来记录，且可在这些采样值的基础上提取等效电路图参量。这优选地通过频率范围分析实现，也就是说通过所记录的时域数据的频率变换和测得的传递函数G₁、G₂、G₃或G₄的频率响应的分析实现。在知道前面所提及的可表示为在频率范围中的传递函数的导纳函数的情形下，传递函数的系数可借助于合适的信号理论方法来探明，其中，这些系数可使用于识别等效电路图量R₁、R′₂、L_1σ、L′_2σ和L_h。 

在测试电压在α和β坐标方向上同向馈入期间，在机器中不产生转矩，从而使得转子无转矩且保持在其位置中。由此，可进行在电动机停止中的测量，其中，不须考虑传感器数据且可自行额外地提取在安装状态中的电动机在机械的驱动系内的参量，而驱动系的形式不影响测量结果。通过使模型的两个α/β输入端获得相同的测试信号，所产生的机器内部转矩得出为0，因为适用如下： 

$M_{\mathrm{mi}}=\frac{3}{2}p({\Psi }_{1\alpha }{I}_{1\beta }-{\Psi }_{1\beta }{I}_{1\alpha })$

传递函数G的频率响应在知道基础的导纳公式Y的情形下的确定使得等效电路图参量的提取成为可能。由此，可通过馈入尤其是宽带的测试信号而借助于唯一的测量说明交流电动机的等效电路图特性参数。为此使用如下信号理论方法，即，这些方法将测得的时域数据变换成频率范围数据，其中，频率响应可根据公式获取，且可借助于由频率响应的参量提取识别等效电路图参数。 

原则上，作为测试电压预设和测量电流确定的替代，同样可实现 带有测量电压获取的测试电流预设。然而，尤其功率增强的电动机具有高感应的特性，从而为了灌入呈矩形的电流开关脉冲必须供应高的驱动电压，由此可仅以高的耗费实现测试电流灌入。 

根据本发明的一种有利的改进方案，探明至少一个、尤其是所有频率响应函数：G₁＝I_1α/U_1α，G₂＝I_1β/U_1α，G₃＝I_1α/U_1β，G₄＝I_1β/U_1β，用于识别等效电路图参量，其中，频率响应函数与G₁、G₂、G₃和/或G₄的偏差可引起该方法的重复或引起故障信号发送。原则上，四个导纳函数具有相同的频率特性且得出相同的参量，因为基础的等效电路图包括对称的构件且包含相同的电阻和电感值。那么，可在存在所有四个特性参数的情形下提取四个传递函数(导纳)，其中，在四个导纳的偏差的情况中可能产生方法流程的不精确性。例如，转子可能尚未处在停止中，或可能在傅里叶变换时出现故障，例如被馈入过少或过长的信号序列或测试信号不具有均匀的频谱。在该情况中，得出在频率变化过程之间的差，据此可进行该方法的重复，或可发出故障信号，所述故障信号同样可提示异步电动机的损坏。 

根据一种有利的改进方案，测试信号是伪噪声二进制信号。测试信号应具有高带宽，以便于实现电的电动机特性的尽可能高的频率分辨率和宽带的分析。白噪声具有均匀分布的宽带的频谱。伪噪声二进制信号(PRBS)是接近白噪声的频谱的二进制信号。典型地，可假设值+1和-1，且作为对于白噪声的备选地使用。尤其有利的是信号的可再现性，其中，经常在调节技术上使用用于借助于最大长度序列分析脉冲响应的PRB信号。PRB测试信号可容易地通过线性反馈的移位寄存器产生，且可例如通过DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)或用于驱控逆变器的电动机调节器的微处理器产生。由此，每个电动机驱控电子设备可这样产生不带有更大变化的PRB信号，且作为电动机电压馈入到电动机中。 

原则上，采样的时域数据的频率范围变换为了识别在频率范围中 的等效电路图参量可任意地实现。根据本发明的一种有利的改进方案，等效电路图参量的识别可包括根据周期图方法、优选根据Bartlett方法、尤其根据Welch方法的傅里叶变换。在周期图方法的情况中，功率谱密度通过各个数据块的傅里叶变换来达到。频谱估算的质量可以改进，方法是：彼此独立的周期图的数量被平均。该方法在文献中已公知称为Bartlett方法，将在Bartlett方法中测得的信号被划分成区段。Welch方法是Bartlett提出的操作方法的扩展。为了降低泄漏效应(英文Leakage-effect)而使用此处确定的窗函数。当信号区段不是周期的、周期的整数倍时或该信号区段在边沿处不等于零时，会出现干扰的泄漏效应。Welch方法在两质量系统或三质量系统的识别中的使用已由上面所提及的出版物[2]公知。Welch方法将M采样值分裂成K子序列，该K子序列以窗函数来加权，且应用到一个傅里叶变换中。在出版物[1]中介绍的Welch方法实现了将任意数量的采样值以尽可能高的精度变换到频率范围中。在这种情况下，对时域数据加窗处理，将加窗处理后的数据划分成子序列且进行傅里叶变换，且由此探明为了确定传递函数(在该情况中为导纳函数)而可用在频率范围中的周期图。 

然而，作为对此备选地，同样可使用相关图方法，该相关图方法在文献中同样以名称BlackmanTukey估算而公知。在此，基于自相关函数(AKF)和交叉相关函数(KKF)实现频谱估算，该频谱估算由测试信号(激励信号)和测量信号(响应信号)计算。在该方式中，通过事先估算的AKF和KKF的傅里叶变换获得功率谱密度。然而，Welch方法提供了更稳固的结果。 

基于已知的传递函数例如导纳变化过程在频率范围中存在的图示，可提取交流电动机的等效电路图参量。为此，已经存在一些数字的方式。特别有利地，Levenberg-Marquardt算法可使用在本发明的一种改进方案中，以便于借助于传递函数-参量确定识别等效电路图参量。作为备选地，例如可使用根据Nelder和Mead的方法，然而其中，Levenberg-Marquardt算法尤其地在强噪声的数据记录时提供更稳固的 结果。Levenberg-Marquardt方法属于梯度方法的类别，其中，通过故障的重复的最小化可计算更好的与传递函数的系数相符的参量向量。Levenberg-Marquardt方法当前适合作为用于非线性的优化的标准方法。Levenberg-Marquardt方法是梯度方法和Hesse矩阵的倒置的混合，且在文献中也被称作最速下降法。Hesse矩阵的倒置也称为Gauss Newton方法。在出版物[1]中呈示了Levenberg-Marquardt算法的应用的详细的图示，其中，基于如下传递函数： 

$G=\underset{‾}{Y}\frac{a_{1}s+a_0}{b_2{s}^2+b_{1}s+b_0}$

且在取得系统的频率响应的情形下可确定未知的系数a₀、a₂、b₀、b₁和b₂。与上面所提及的导纳图示相比，这些系数与如下参量相符：a₀＝R′₂，a₁＝L₂，b₀＝R₁R′₂，b₁＝(L₁R′₂+L₂R₁)，b₂＝(L_1σL₂+L_hL′_2σ) 

由此，通过探明未知的系数a₀、a₁、b₀、b₁和b₂可探明等效电路图参量L_1σ、L′_2σ、L_h、R₁和R′₂。 

根据本发明的一种有利的改进方案，已识别的等效电路图可用在逆变器控制参量的调整和/或优化中，和/或用于电动机监控。在现代的异步电机的调节中使用电动机控制设备，该电动机控制设备在快速的转速转变中或在提供可动态调节的从动能量时由于知道电的等效电路图参量而可相应地控制逆变器或者能以如下方式预先给定支线驱动电压，即，机器可优化地在无超调的情况下满足所期望的工作任务。就此而论，同义地使用控制和调节的概念。因此，电路径的等效电路图参量的获悉可用于电流调节器的参数化，该电流调节器对高动力学性能的要求作为最内部的调节器是最高的。尤其是高要求的、超越了常规的PI调节器的调节方法的调节方法要求精确地知道机械特性参数，尤其是等效电路图参量。在这种情况下，尤其可叫做状态空间调节器、无差拍调节器或模型跟踪调节设备。因为在近期尤其使用无传感器的电动机控制，所以借助于所提出的无编码器的方法可在复杂的机械环境中探明已经整合在机械的驱动系中或已更换的交流电动机的等效电路图参量，且电动机调节器在现场调整。借助于等效电路图参量可实现电特性在动态过程期间的描述，从而尤其在机器的复杂的瞬态的转 变过程的调节中实现逆变器的精确的驱控。在这种情况下，实现电动机的无超调的调节调整和优化的快速动态调节。尤其可考虑的是，将这样的优化的电动机调节在精确地知道等效电路图参量的情形下应用在印刷机、合成材料表面制造和加工机器或轧制机和包装机的领域中，在其中必须使用动态优化的电动机控制方法。尤其在四色印刷机中，在彩色印刷中的最小偏差可在电动机控制不精确时辨认出。在极其光滑和薄的合成材料表面的制造中，合成材料层的均匀的厚度仅可在优化的动态调节时达到，其中，不可出现合成材料材料的外观的污染。在等效电路图参量的分析期间，转子处在在停止状态中，且因此可在已安装的状态中在不影响从动系的情形下被电识别。调节器参数化用于逆变器的控制参量的优化，其中，等效电路图参量的偏差可例如由先前的用于电动机的故障监控或用于磨损控制的测量来考虑。尤其地，该方法在电动机的“状态监测”的情况中的使用可以是有利的，从而该方法不时重新探明特性参数、适配地匹配电动机调节器且在相对事先识别的或可预调设的参量值有明显偏差时可发出故障信号，从而可检查电动机或驱控电子机构。 

根据本发明的一个并列的方面，提出了一种用于无编码器地识别交流异步电动机的电等效电路图参量的识别装置，该识别装置适用于执行根据前面所提及的实施例中任一个所述的方法。为此，识别装置包括逆变器接口单元，该逆变器接口单元为了控制的通讯且为了转子停止确定而可与逆变器控制装置相连接。识别装置的特征在于，包括用于产生α/β测试信号的测试信号发生装置、用于将α/β测试信号变换成U/V/W控制测试信号的U/V/W变换单元、用于将测得的U/V/W测量信号电流变换成α/β测量信号电流的α/β变换单元和用于识别等效电路图参量的参量识别单元。 

由此，本发明涉及一种识别装置，所述识别装置设计为用于如下，即，实施前面所提及的方法且为此开启如下可能性，即，借助于逆变器接口单元与逆变器控制装置尤其与逆变器的半导体开关构件连通， 以便于接通它们或者查询其工作状态。通过对于很长一段时间的逆变器的禁用和/或制动器的激活可确定转子的停止。此外，例如转速传感器和旋转编码器传感器可提供关于转子的停止的信息。然而，这些传感器不需被用于参量识别，关于假设的转子停止的自发式的获悉在绝大多数情况中可以是足够的。识别装置包括可产生两通道相同的α/β测试信号的测试信号发生装置，其中，测试信号尤其是PRB噪声信号可借助于U/V/W变换单元转换成相应的U/V/W控制测试信号，该U/V/W控制测试信号可被输送给逆变器控制装置。在电动机中，控制测试信号产生在三个电动机支线中的相应的测试信号电压。此外，识别装置包括α/β变换单元和参量识别单元，所述α/β变换单元可将测得的I_U、I_V和I_W测量信号电流转换成α/β测量信号电流I_α和I_β，所述参量识别单元基于在时域中存在的测试信号电压U_α、U_β和测得的测量信号电流I_α、I_β可执行根据前面所提及的方法的参量识别。此类识别装置例如可多件式地构造，其中，为了产生测试信号可使用电动机控制设备的电动机控制器。测得的电流同样可由电动机控制设备记录。外部的计算机可读出测得的和馈入的电压和电流，将测得的和馈入的电压和电流变换到频率范围中且执行参量识别。 

根据识别装置的一种有利的改进方案，参量识别单元可包括傅里叶变换器件和参量确定器件，所述傅里叶变换器件尤其是用于将非连续的α/β采样信号值根据Welch方法进行傅里叶变换的FFT/DFT器件，所述参量确定器件尤其是Levenberg-Marquardt传递函数-参量确定器件。相应地，参量识别单元包括用于转化所馈入的和测得的电压时间采样值和电流时间采样值U_1α、U_1β、I_1α、I_1β的傅里叶变换器件和参量确定器件，所述参量确定器件基于在频率范围中存在的传递函数G₁、G₂、G₃和/或G₄可进行传递函数系数a₀、a₂、b₀、b₁和b₂的确定。为此必需的计算方法例如可在DSP、FPGA的微处理器、PC或小型计算机内执行，其中，可实现在测试信号产生、测量信号存储、傅里叶变换和参量确定之间的逻辑的和结构的分离。信号处理和随后的数字方法可有利地设置成至少部分在电动机调节器或者电动机控制设备上的 软件实施。 

那么可考虑的是，将傅里叶变换器件构造成FPGA，以便于借助静态的电路实现快速傅里叶变换，且参量识别器件实施为在电动机控制调节器的高功率DSP上的可变的计算软件。测试信号产生和测量值存储可在逆变器电动机控制设备内执行。傅里叶变换和参量识别同样可通过电动机控制设备或通过外部的具有用于与电动机控制设备通讯的接口的识别装置实现。由此，电动机控制设备可配备较低的运算性能，且高要求的信号理论上的任务在可联接到电动机控制设备处的外部的识别装置中完成，由此可节省硬件耗费。 

根据一种有利的改进方案，该装置此外可包括监控和优化单元，所述监控和优化单元安置为基于已识别的等效电路图参量来确定、优化和/或监控逆变器控制装置的控制参量。监控和优化单元接收参量识别单元的确定的等效电路图参量且可基于确定的等效电路图参量，尤其鉴于动态调节特性和/或过滤性能来优化电动机控制设备的控制参量，以便于降低异步电动机的感应特性对电网的影响。此外，可优化电动机控制的有效率的运行，且可监控电动机变化，或者在电动机故障或错误行为时发出故障信号。为此所需要的等效电路图参量可在“状态监测”的情况中通过监控和优化单元例行地在确定的时间间隔之后或例如在更换电动机或电动机部件时重新采用。 

在并列的方面中，本发明提出了一种用于无编码器地控制或者调节交流异步电动机的电动机控制设备，该电动机控制设备包括先前所描述的用于无编码器地识别电等效电路图参量的识别装置，其中，已识别的等效电路图参量可用于确定、优化和监控电动机和/或电动机控制。由此，该方面提出了一种电动机控制设备或者说电动机调节设备，该电动机控制设备或者说电动机调节设备能以通常的方式进行异步电动机的转速特性的基于传感器的或无编码器的控制或者说调节，且该电动机控制设备或者说电动机调节设备包括识别装置或与这样的识别 装置连接，且该电动机控制设备或者说电动机调节设备使用已识别的等效电路图参量，用于优化调节特性、用于确定用于驱控电动机和用于监控异步电动机的无故障的特性和/或电动机控制的电的参数。那么，所探明的等效电路图参量可用于优化地调整控制特性曲线，从而可无超调地实现动态的调节特性。由此，已识别的参量可用于优化异步电动机的电流消耗和能效，且例如使用于用于调整电子过滤器的过滤器的参数化或该已识别的参量可用于监控电动机控制设备的和/或异步电动机的无故障的特性。在已识别的参量相对经事先确定的或预先给定的等效电路图参量有可预先确定的偏差的情况中可假设故障，或者可执行等效电路图参量的重新确定。在电动机的维修或更换的情况中，电动机控制设备可适配地识别新电动机的等效电路图参量且优化地调整适应于新的电动机。电动机控制设备的这样的自校准可在工厂或在机器在客户处安装时或者在“状态监测”情况中的持续运行中进行。 

在一种有利的改进方案中作如下建议，即，电动机控制设备以如下方式安置，即，至少能在最初的调试时，优选能多次在运行寿命期间，在转子停止时进行等效电路图参量的自动化的识别，其中，在已识别的等效电路图参量与先前确定的、存储的和/或模型相关的等效电路图参量有可预调设的偏差时，可触发故障信号发送。因此，该方面建议如下，即，至少在最初的调试或者试验运转时在工厂，然而优选在“状态监测”的情况中，或在电动机的部件维修和更换时进行参量识别，其中，用于优化、调整和监控电动机的电动机控制设备可考虑等效电路图参量。由此，可创造一种“通用的”电动机控制设备，该电动机控制设备可适配地匹配于一整个系列的不同的异步电动机，其中，在电动机停止中可进行电参数的识别。电动机的时效决定的变化可通过调节器参量的适配的修正来考虑，且电动机和电动机控制监控的故障可辨认出。 

最后，在本发明的一个并列的方面中提出了前面所提及的方法的用于确定、优化和监控用于控制或者调节电气驱动的电动机调节参量 的应用，尤其是用于调整电动机控制设备或者电动机调节设备的调节参量的应用。在该方面中作如下建议，即，所探明的特性参数用于调节器优化、参数化和监控。等效电路图参量的探明例如对于异步电动机的一个产品系列而言可单次地在样机处进行，且将相应的调节参量为了为此所使用的电动机控制设备进行优化和匹配。这可在工厂实现。如果识别装置设置在电动机控制设备中或在外部可联接，则该识别装置可在电动机的已安装的状态中在初次调试时、在维修措施或例行的或持续的状态监控(“状态监测”)时进行参量的重新识别。为此，方法的部分(如频率范围变换和参量确定)可在外部的计算机上实施，且其它部分(例如测试信号的馈入和三相系统到两坐标系中的转换)可在电动机控制设备内进行。然而关键的是，已识别的等效电路图参量可用于优化的调节器参数化、过滤器调整、电的构件尺寸度量。 

附图说明

其它优点由下面的附图说明得出。在附图中示出了本发明的实施例。附图、说明书和权利要求组合地包含众多特征。本领域技术人员同样适宜将这些特征单个地研究且结合成其它有意义的组合。 

其中示例性地： 

图1示出了以星形连接形式的异步电动机定子线圈的等效电路图； 

图2示出了在两分量坐标系与三相坐标系之间的关系的图示； 

图3示意性地示出了带有鼠笼式转子的异步电动机的构造； 

图4示出了异步电动机的T型等效电路图； 

图5示出了在根据现有技术的等效电路图识别时的转子旋转运动； 

图6示出了本发明的电动机控制设备的第一实施例； 

图7示出了根据本发明的电动机控制设备的一个实施例； 

图8示出了根据本发明的方法的实施例的流程图； 

图9示意性地示出了测试信号馈入到异步电动机的数学模型中的一个实施例； 

图10示出了在使用根据本发明的方法的一个实施例时与电流I_α 和I_β相符的转矩曲线； 

图11示出了在使用根据本发明的方法时由测得的时域数据构成的导纳的绝对值相位曲线； 

图12示出了在使用根据本发明的方法时测得的和精确的机器模型的比较； 

图13示意性地示出了到异步电动机的数学模型中的不对称的测试信号馈入； 

图14示出了在根据图13的馈入时由于不对称馈入的电流I_α和I_β的转矩绝对值； 

图15示出了在根据图13的不对称馈入时的传递函数-参量提取。 

在图中，相同的或类似的组件以相同的附图标记标示。 

具体实施方式

为了阐释本发明，图1示出了交流电动机的定子线圈01的等效电路图。每个线圈支线U、V和W包括线圈电阻R_s03和线圈电感L_s05。三个线圈支线07在其第一端部处彼此连接且在其第二端部处连到逆变器输出端的三相U、V、W处。定子线圈01与以可旋转的方式支承的转子线圈11相互作用，在转子线圈中，在灌入定子线圈01的旋转的磁场时感应电压，该电压产生相反指向的转子磁场，通过该转子磁场将电动机置于旋转中。电动机11的转速滞后于定子线圈01的磁铁旋转速度，由此，电压此外感应到转子11中。滞后的度数称作滑差率s。由转子线圈11和定子线圈01构成的系统作为在三相系统U/V/W中的替代可在定子两坐标系α/β或转子两坐标系d/q中研究，由此可推导出电动机在图4中示出的T型等效电路图。 

为此，首先图2示出了带有三个坐标方向1(0°)、e^j2π/3(120°)和e^j4π/3(240°)的三相系统U/V/W相对带有实部和虚部的复平面的α/β坐标系的空间上的关联。在假设总电流I的情形下，该总电流可关于三相系统划分成三个分电流I_U、I_V和I_W。以相同的方式，电流可通过在定子 固定的复数坐标系中的分电流I_α和I_β来表示。在I_α、I_β和I_U、I_V和I_W之间的关系已进一步在上面说明。在使用复数的图示I_α和I_β的情形下，其说明了固位的定子轴线方向，且从上述的变换准则可推导出三个线电流I_U、I_V和I_W。转子具有旋转的坐标系d/q，该坐标系具有转子磁通轴线d和横向磁通轴线q。在旋转的坐标d/q与固位的坐标α/β之间的关系可通过转子转角β_k来建立。 

在图3中示意性地示出了交流异步电动机09的构造。在一种简单的实施方案中，所述交流异步电动机包括带有线圈支线U1、U2(07-U)、V1、V2(07-V)和W1、W2(07-W)的三相定子13。固位的定子线圈限定了三个线圈轴线A1、A2和A3，这些线圈轴线与在图2中所示的三个相轴线1、e^j2π/3和e^j4π/3相符。转子11包括鼠笼式转子，在其中在旋转的定子磁场中感应电压，且该鼠笼式转子的感应电流产生反向磁场，由此产生电动机09的转矩。 

最后，图4示出了带有线电流I₁、I₂和U₁、U₂的定子线圈和转子线圈的联接的等效电路图，其中，标注1代表定子线圈且标注2代表转子线圈。根据图4的等效电路图是T型等效电路图且描述了在带有R₁、L_1σ03、05和相对转子11的主电感L_h的定子线圈01和带有R′₂和L′_2σ以及同样带有主电感L_h的转子线圈的作用之间的电的关系。基于T型等效电路图，在假设滑差率＝1的情形下可推导处下面的导纳函数： 

$G=\underset{‾}{Y}=\frac{s{L}_2+R_2^{\prime }}{s^2(L_{1\sigma }{L}_2+L_h{L}_{2\sigma }^{\prime })+s(L_1{R}_2^{\prime }+L_2{R}_1)+R_1{R}_2^{\prime }}$

现在，本发明的任务是，确定在图4中说明的等效电路参数R₁、R′₂、L_1σ、L′_2σ和L_h。基于知道这些等效电路图参数，在馈入电压U_α、U_β时可预测出现的I_α、I_β，其中，所期望的转速和转矩可通过调整调节参量来优化。在此，基本的是瞬态特性的描述，其中，电动机的电特性的唯一分析提供了关于等效电路图参量的尽可能精确的识别。 

由现有技术公知用于识别这些等效电路图参量的短路试验、空转试验和直流试验。那么，图5示出了在由现有技术公知的Baumüller Nürnberg GmbH公司的b maXX5000电动机控制设备中在借助实施的纯时域方法识别前面所提及的参量时转子转角 关于时间的特性。在此，电动机实施明显的机械的运动。如果电动机联接在机械的驱动系处，则该电动机影响转子运动，从而使得结果被歪曲。结果，等效电路图参量不能在电动机的安装状态中探明。此外，额外的空转试验和短路试验是必需的，以便于获得等效电路图参量的精确的识别，其中，可出现电动机的高的机械和电负荷，这些负荷可引起电动机的损伤或毁坏。 

图6示意性地示出了电动机驱控线路16，在该电动机驱控线路中交流供电网络17的相位借助于三相桥式整流器19转换成直流中间电路21的直流电压。在直流中间电路21中设置有缓冲电容器23，该缓冲电容器使电压平滑，并且例如在电力故障时提供用于电动机09的可控的应急运行的缓冲能量。逆变器25包括三个开关桥(Schaltbrücken)，在这些开关桥中功率半导体开关元件27可相对直流中间电路21的直流电压+DC和-DC相协调地开关电动机支线U/V/W，且因此转速可变地提供用于交流电动机09的PWM形成的驱控电压U_U、U_V、U_W。每个可包括IGBT晶体管、功率晶体管或类似物的功率半导体开关元件27借助于续流二极管29来防止过压，尤其是不受穿过电动机09的感应的反作用。线电压U_U、U_V、U_W 31以及线电流I_U、I_V、I_W 33在至交流电动机09的输送导线中被量取，并且被输送给电动机控制设备35。线电压不须被必要地量取，因为所述线电压可由逆变器25预先给定，且假设预先给定的额定电压值与实际电压值相符。 

电动机控制设备35包括控制导线，以便于按照电动机09的所期望的转速特性相位正确地驱控各个功率半导体开关元件27。在基于传感器的调节的情况中，电动机控制设备35此外与位置角度传感器和加速度传感器联接，其中，同样可联接温度传感器，用于监控电动机09 的工作温度。在无旋转编码器的场定向的调节的情况中，电动机控制设备35可仅通过识别线电压31和测得的线电流33进行逆变器开关构件27的转速优化的驱控。电动机控制设备35的调节参量可通过识别电动机09的电特性来设置，该电特性可通过在图4中示出的等效电路图进行描述。为此，电动机控制设备35包括识别装置39，如其在图7中示出的那样。 

在图7中示出了电动机控制设备35的一个实施例，该电动机控制设备包括用于提取交流异步电动机09的等效电路图参量的识别装置39。电动机控制设备35具有用于获取交流电动机09的三个线电流I_U、I_V和I_W33以及三个线电压U_U、U_V和U_W31的输入端，其中，仅两个线电压和线电流的获取是足够的，因为第三个量根据基尔霍夫定律得出。此外，电动机控制设备35包括用于发出用于操纵逆变器25的功率半导体开关元件27的逆变器开关信号的开关输出端61。逆变器开关信号61的相位正确的产生借助于是逆变器控制装置37的PWM(脉宽调制)微处理器实现，以便于无传感器地或经传感器支持地进行交流电动机09的转速调节和转矩调节。识别装置39接收线电压31和线电流33且包括α/β变换单元41，该α/β变换单元将线电压和线电流转换成复数的两坐标系的分电压U_α、U_β以及分电流I_α、I_β。将已转换的线电压和线电流馈入到参量识别单元67中，该参量识别单元一方面包括傅里叶变换器件45且另一方面包括参量提取器件47。将傅里叶变换应用到线电压的和线电流的时域数据上，从而使得这些数据存在于频率范围中且可构成在上面所限定的导纳传递函数G₁、G₂、G₃或G₄。作为导纳函数的替代，可基于另一传递函数尤其是阻抗函数或其它有意义的电函数关系式的系数且基于此确定感兴趣的参量。从传递函数的变化过程出发，参量提取器件47的参量识别单元67在知道基础的导纳描述函数的情形下可从曲线变化过程中提取待识别的系数。由此，可探明在图4中示出的等效电路图的等效电路图参量R₁、R′₂、L_1σ、L′_2σ和L_h，并且在其基础上，能进行电动机调制以及脉宽产生的参量调整的优化的优化单元49可产生用于逆变器控制装置37的参数化、优化 和监控的控制参量以及过滤参量。所述控制参量以及过滤参量被传输到PWM接口53处，进而可被传递到逆变器控制装置37处，以便于实现异步电动机的优化的调节。 

在特性参数识别的情况下，可将通过测试信号发生单元51生成的测试信号馈入。在该实施例中，作为测试信号产生伪噪声二进制信号(PRBS)，所述伪噪声二进制信号借助于U/V/W变换单元43将噪声信号均匀地作为U_α/U_β提供且分配到三个线电压U_U、U_V和U_W上。将该输入信号传输到逆变器控制装置37处，该逆变器控制装置根据逆变器25以如下方式控制，即，使电动机09根据测试信号通电。 

在图8中示出了用于执行根据本发明的方法的程序流程图的一个实施例。在步骤S1中，首先将转子带到停止位置中，在该停止位置中转数n等于0。在步骤S2中，同样地即无相位差地或带有负的符号地进行作为PRB信号的测试信号在α/β系统中到两个通道中的馈入。这是基本的前提条件，从而使得能不出现转子的转矩。从α/β测试信号中执行到线电压U_U、U_V和U_W的变换，进而驱控电动机。驱控的电压信号U(n)以及测得的电流值I(n)在时域中被采样且借助于傅里叶变换尤其是DFT(离散傅里叶变换)或FFT(快速傅里叶变换)在使用Welch方法的情形下转化到频率范围中，也就是说在该情况中转化到拉普拉斯域中，从而得出频率范围值U(k)、I(k)。在拉普拉斯域中，导纳的传递函数可表示为： 

G(k)＝I(k)/U(k)， 

该传递函数形成用于参量提取的基础。在知道传递函数的情形下，可借助于系统识别例如基于Levenberg-Marquardt算法执行参量提取，以便于由曲线变化过程探明传递函数系数a₀、a₂、b₀、b₁和b₂。由此可推导出等效电路图参量R₁、R′₂、L_1σ、L′_2σ和L_h的值，且可用于调整电动机控制参数、用于优化负荷变换或转矩变换且用于调整和设计用于电动机电流或电动机电压的过滤的过滤参量。通过获悉电路径的等效电路图参量，可进行逆变器控制装置37的参数化，其中，电动机特性 的高动力学性能可通过作为最内部的调节器的逆变器控制装置的调节特性的优化来实现。在此，因为存在电的机械参量的精确识别，可实现高要求的、远超出异步电动机的常规的PI调节器的可能性的调节方法。尤其地，可精确地调整用于状态空间调节器、无差拍调节器或模型更新调节设备的调节器参量。 

在图9中示意性地示出了测试信号发生单元51的测试信号到作为在Matlab-Simulink仿真的情况中的α/β模型的交流电动机59的数学模型中的馈入。测试信号发生单元51产生伪噪声二进制信号，该伪噪声二进制信号被时钟脉冲地提供给通常以16kHz时钟脉冲频率也就是说62.5μs时钟脉冲周期工作的逆变器控制装置37。因为α/β电动机模型59能以一定程度上类似的信号来调制，所以插入采样提高单元55，该采样提高单元由经粗略采样的16kHz测试信号产生一定程度上连续的测试信号。将该测试信号通过测试信号增强器57增强且同向无相位偏差且无符号变换地作为电动机电压U_α/U_β馈入到α/β异步电动机模型59中。在此，利用Matlab-Simulink实现仿真，以便于执行方法的在数学上的验证。出现的转矩可根据如下公式确定： 

$M_{\mathrm{mi}}=\frac{3}{2}p({\Psi }_{1\alpha }{I}_{1\beta }-{\Psi }_{1\beta }{I}_{1\alpha })$

基于数字仿真，线电流的变化过程和上述的转矩计算规则的两个部件的磁链通过信号记录单元69来记录，由此得出为0的所产生的转矩。相应地可得出如下结论，即，在基于该方法的输出方程中在测试信号同向馈入时预期停止的无转矩的转子。 

在图11中示出了在导纳函数G＝Y的0-1kHz的频率范围上的绝对值变化过程和相位变化过程，该导纳函数由已识别的电系统和由精确的机械模型推导出。可清楚辨认的是，传递函数G₁至G₄几乎与精确的机械模型相一致。由此，可借助于数字仿真证实理论模型的验证。基 于在时域中测得的采样的线电压和线电流，可推导出交流电动机09的电特性的几乎相同的系统表征。 

在图12中再次示出了探明的机械模型的绝对值曲线和相位曲线，相对精确的机械模型概括地探明了各个传递函数G₁至G₄的绝对值曲线和相位曲线。仅在靠近1kHz的最上面的频率范围中，在相位曲线中得出小的偏差，其中，绝对值曲线|G|完全一致。出于该原因如下是有利的，即，确定所有四个传递函数G₁至G₄，且必要时进行加权平均，以便于补偿可能的误差，例如补偿傅里叶变换的或参量提取的不精确性。 

作为对称馈入的反例，在图13中介绍了测试信号发生单元51的测试信号仅到α通道中的馈入，而在β通道中馈入几乎恒定的直流电压信号。为此，测试信号发生单元51包括α测试信号发生器件63和β测试信号发生器件65。α测试信号发生器件63产生伪噪声二进制信号，该伪噪声二进制信号以逆变器控制装置37的典型的时钟脉冲频率以16kHz被提供且借助于采样率提高单元55转换到在一定程度上时间连续的信号上，其中，信号的增强借助于测试信号增强器57接在下游。测试信号的和信号电流的时间曲线借助于信号记录单元69来获取。将PRB信号作为电压U_α馈入到交流电动机59的机械的模型中。与此并行地，β测试信号发生器件65产生恒定电压，该恒定电压作为U_β馈入到交流电动机59的模型中。 

在图14中示出了转矩方程式的两个部分结果以及以其驱动转子的总转矩。可清楚辨认出的是，在测试信号的不对称的馈入的情况中产生将转子11置于旋转中的转矩，其中，在该情况中参量识别同样取决于机械驱动系的形式。最后，图15示出了传递函数或者说导纳G₁至G₄的评估，该评估相应地提供完全不同的值，其中，相位曲线和绝对值曲线在实践上是不重要的。由此作如下说明，即，测试信号在电动机09的两个坐标方向α和β上的仅一次同向的馈入产生了可用的结果。 

本发明的原则上的思想基于交流电动机在两坐标空间α/β中的信号理论研究，其中，借助于宽带测试信号(优选为PRB信号)的对称的馈入，作为电动机电流存在的分析信号在频率范围内可优选地借助于Welch方法来变换。在此基础上，可由所馈入和测得的信号可提取传递函数，且借助于优选为Levenberg-Marquardt算法的参量识别方法来评估基础的系统描述参量。通过获悉传递函数的根据公式的关系，可识别各个函数参量，进而表征电动机的电特性。本发明的特别的重点在于特别的馈入形式、传递函数的结构和分析规则，在其中在转子的停止状态中实现电等效电路图参数的确定。该方法描绘了电动机在大工作频率范围或者转速范围上的瞬态特性且可用于调整、优化和监控电动机。尤其在使用在电动机控制设备中时可提供通用的电动机控制设备，通用的电动机控制设备可适配地在工厂或在安装电动机之后在与机械的从动系联接时用于确定电动机特性。由此，描述机器的参量的保护电动机的且快速的确定成为可能。该方法可在软件技术上在现存的电动机控制设备例如Baumüller b_maXX-电动机控制设备和伺服调节器尤其是b_maXX1000-5000中改进，并且开启描述电动机的参量的自动的识别和监控。 

附图标记列表 

01  异步电动机的定子线圈等效电路图 

03  线圈电阻 

05  线圈电感 

07  U/V/W线圈支线 

09  异步电动机 

11  带有短路线圈的转子 

13  定子 

15  异步电动机的定子线圈的等效电路图 

16  电动机驱控线路 

17  交流供电网络 

19  三相桥式整流器 

21  直流中间电路 

23  缓冲电容器 

25  逆变器 

27  功率半导体开关元件 

29  续流二极管 

31  线电压 

33  线电流 

35  电动机控制设备 

37  逆变器控制装置 

39  识别装置 

41  α/β变换单元 

43  U/V/W变换单元 

45  傅里叶变换器件 

47  参量确定器件 

49  优化单元 

51  测试信号发生单元 

53  逆变器接口单元 

55  采样率提高单元 

57  测试信号增强器 

59  α/β异步电动机模型 

61  逆变器开关信号 

63  α测试信号发生器件 

65  β测试信号发生器件 

67  参量识别单元 

69  信号记录单元。