确定磁阻电机转子的转子频率和/或转子角的方法，控制装置和驱动设备

摘要

本发明涉及一种用于确定尤其不具有减振笼架的磁阻电机(2)的转子的转子频率(f)和/或转子角

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定磁阻电机转子的转子频率和/或转子角的方法。此外，本发明涉及一种用于磁阻电机的逆变器的控制装置。最后，本发明涉及一种驱动设备。

背景技术

在此关注一种磁阻电机，尤其是不具有减振笼架的同步磁阻电机。这类的同步磁阻电机不具有减振笼架，而是其在变频器上场指向地运行，这类同步磁阻电机即使在部分负载的范围中也在能提供很高的动态的同时具有非常良好的效率。相反于异步电机，不存在对动态通量构建产生“干扰”的转子时间常数，同步磁阻电机由此提供了在部分负载区域中在通量下降的情况中极其能量高效地运行的优点，但是同时也快速地磁化以响应高负载力矩的要求。磁阻电机通过去除转子损失优先地实现效率方面的优点，因为其静态地随转子旋转场同步旋转并且完全不具有绕组。与永磁激励的同步电机相比，尤其是在电机的最有利的生产成本以及在逆变器防护时的可能的成本节省方面是非常有吸引力的。

例如具有高效的信号处理器的控制装置当今提供了为表征磁阻电机的非线性建立模型和产生由此导致的复杂的算法的可行性。并不是最后出于该原因阐明了工业上对同步磁阻电机的优点在合适的应用中使用的现有的兴趣。该兴趣的应用领域之一例如是泵或者通风机的驱动装置。其通常能转数调节地驱动并且具有延长的运行时间，由此获得高的能量节省水平。这种类型的磁阻电机出于成本的原因在多数情况中可以不配置有能够测量转数和/或换向情况的传感器。特别是在通风机的情况中必要的是，接通旋转的磁阻电机，在一定程度上“捕获”驱动装置并且送回预设的输出功率。在接通扭转的或者旋转的同步磁阻电机时，逆变器必须相对于转子位置旋转正确地和相位正确地放置。相对于永磁激励的同步电机，转子仅仅由铁(和空气)构成，由此不能通过测量电机力来通常地评估转数和相位。

为了接通没有转数和位置传感器的旋转的异步电机电机和永磁激励的同步电机而存在各种各样的方法。在异步电机电机中，对转数的鉴定是足够的，因为相位不是电机参数。为此，例如可以在预定地变化的搜索频率时外加一个电流。该搜索通常在最大频率时开始并且向零运行。机器的待鉴定的转数处于最大电压点。此外，可以使用例如观察者的形势的完整电机模型。这具有大的覆盖区域并且在电机频率上振荡，当其被提供有真实的电机电压。在永磁激励的同步电机的情况中，其要求确定转数和相位。为此，例如可以测定反应出转子的转数和相位的电机力。因此使用测试脉冲法，其中产生一系列的零位矢量和脉冲锁器。

替代于在此描述的方法，在同步磁阻电机的情况中也许还有一种方法是可能的，在该方法中，如在异步电机的情况中使用观察员，其提供大的覆盖范围并且由相位和角度的预设的开始值进行振荡。

为此，M.Schroederl et al.，IEEE Transactions on power Electronics 1994年第9卷第2号的公开文献“Sonsorless Control of Reluctance Machines at Arbitrary Operating Conditions Includings Standstill”描述了一种用于确定磁阻电机的转子角的方法。为此可以提供不同的电压矢量，从而确定在d轴和q轴中的磁阻。

发明内容

本发明的目的在以给出一种如何能够可靠地运行磁阻电机的解决方案。

该目的通过一种方法，通过根据相应的独立权利要求的控制装置或者驱动设备实现。本发明的优选的设计方案是从属权利要求的内容。

根据本发明的方法用于确定磁阻电机的转子的转子频率和/或转子角，其中，磁阻电机具有带有定子绕组的定子和带有磁各向异性的转子芯的转子。该方法包括在定子绕组处施加时间序列的电压脉冲，确定在定子绕组中流动的电流的所产生的时间上的响应序列，该电流通过磁通量序列与磁各向异性的转子芯的交互作用而产生，该磁通量序列由于电压脉冲生成，并且根据电流的测定的时间上的响应序列通过控制装置确定转子频率和/或转子角。此外，为了施加时间序列的电压脉冲，利用变频器以连续重复的方式分别交替地输出具有固定值和固定方向的电压值以及脉冲锁。

磁阻电机尤其设计成不具有减振笼架的同步磁阻电机。磁阻电机的定子尤其具有3相交流绕组。转子由磁各向异性的构造构成，转子尤其能够具有相应的电流锁止器，也就是空气填充的区域，其被布置使得产生取决于方向的磁导。

在定子绕组上施加时间序列的电压脉冲。例如为此能够利用变频器以连续重复的方式相应交替地输出具有固定值和固定方向的电压值和脉冲锁。由于电压的原因而形成时间上变化的磁通量。该时间上变化的磁通量由于磁各向异性的转子芯的原因现在导致电流的取决于转子的角度的相应序列。这尤其利用转子位置角度或者转子角度的信息来调制。

基于这样的认识，即在转子芯存在磁各向异性的情况中，相对于转子在圆形轨迹上前进的磁通空间矢量通常导致电流空间矢量或者电流矢量的扭曲的椭圆形轨迹。该电流空间矢量能够根据电流强度的时间上的走向确定。电流强度的时间上的走向例如可以利用电流传感器检测。控制装置例如可以设计为根据测量到的电流确定电流空间矢量。根据转子芯的几何形状和/或确定的电流强度然后能够确定转子频率和/或转子角。

在转子坐标中导致的电流轨迹的椭圆形轨道由正序系统分量和逆序系统分量的叠加得出。电流的正序系统分量始终在磁通的方向中指向。电流的逆序系统分量包含有转子角的信息并且因此能够确定转子频率和/或转子角。

定子固定地进行观察，并且由此出于定子固定地静止的磁通量矢量的视角看，电流的正序系统分量表现为在磁通的方向中的同大小矢量或者错置推移。电流的逆序系统分量表现为环绕的矢量，并且以双倍的转子频率在前进的转子角的旋转方向中在圆形轨迹上旋转。两个分量的叠加导致了具有错置推移的圆形轨迹。错置推移除了电机参数之外还取决于控制振幅，并且能够在电机参数已知的情况中进行计算或者在电机参数未知的情况中进行测量。利用已知的错置推移因此能够从测量出的电流序列在减去错置推移之后从保留的逆序系列分量序列中确定出转子频率和/或转子角。

在一个设计方案中，为了确定转子频率和/或转子角，借助控制装置的相位调节回路提供电流的相位和/或频率。这种相位调节回路称为相位锁定回路(Phase-Locked-Loop PLL)。在相位调节回路的输出端处的高信号品质由此实现了以高质量直接确定转子频率和/或转子角。

在另一个设计方案中，控制装置包含至少一个计数器和/或探测器，尤其是峰值探测器，借助该峰值探测器确定所确定的电流的最大值的数量和/或在电流的时间走向的至少两个相邻最大值之间的时间间距。相应的计数器也能够用于确定在电流的电流过零之间的时间。根据最大值的时间位置例如能够确定转子角。根据在至少两个相邻最大值之间的间距能够以简单的方式测定转子的转子频率或转数。

在一个设计方案中，在转子静止或者在转子相对于定子旋转的情况中确定转子频率和/或转子角。该方法的特征在于，对转子频率和/或转子角的确定不仅能在静止的转子的情况中而且能够在旋转的转子的情况中执行。因此，转子频率和/或转子角能够不依赖于磁阻电机的当前运行状态来确定。

在一个设计方案中，逆变器基于确定的转子频率和/或转子角接通到磁阻电机。根据确定出的转子频率和/或确定出的转子角可以实现逆变器接通到旋转的磁阻电机。因此，逆变器能够以简单的和可靠的方式转数正确地和相位正确地与磁阻电机电连接。

用于磁阻电机的逆变器的根据本发明的控制装置设计用于执行根据本发明的方法。这样的控制装置例如可以包括相应的信号处理器。在控制装置上可以运行相应的调节代码。因此能够以简单的和成本低廉的方式提供用于磁阻电机的逆变器的控制装置。

根据本发明的驱动设备包括磁阻电机，逆变器，其与磁阻电机电连接，以及包括根据本发明的控制装置，其用于对逆变器进行驱控。磁阻电机尤其设计成没有减振笼架的同步磁阻电机。逆变器尤其能够设计成变频器。这种的驱动设备例如可以用于泵或者用于通风机。

参考根据本发明的方法提出的优选的设计方案及其优点相应地适用于根据本发明的控制装置以及根据本发明的驱动设备。

本发明的另外的特征由权利要求、附图和附图描述中获得。所有提出的在说明书中所述的特征组合以及接下来在附图描述中所述的和/或在附图中单独示出的特征和特征组合不仅仅能够应用在相应说明的组合中，而且也能够应用在另外的组合中或者但是也能单独地使用。

附图说明

现在根据优选的实施例以及参考附图进一步对本发明进行说明。图中示出：

图1是磁阻电机的转子坐标系，其中示出了电流矢量和磁通量矢量以及其轨迹；

图2是磁阻电机的定子坐标系，其中示出了电流矢量和磁通量矢量以及其轨迹；

图3是定子坐标系，其中记录了电流的测量值；

图4是磁阻电机的定子坐标系和转子坐标系；

图5是驱动设备的评估装置；

图6是具有磁阻电机、逆变器、测量装置和控制装置的驱动设备；以及

图7是根据第二设计方案的根据图6的驱动设备。

具体实施方式

当前，磁阻电机2的转子频率f和/或转子角应该被确定。磁阻电机2尤其设计成不具有减振笼架的同步磁阻电机。磁阻电机2具有当前没有示出的、带有相应的定子绕组10的定子。此外，磁阻电机2具有在此没有示出的转子，其具有转子芯，该转子芯设计为磁各向异性的。转子芯可以由叠片组形成并且具有相应的磁通锁止件-也就是空气填充的区域或者空隙，由此获得磁各向异性的设计方案。根据确定的转子频率f和/或根据确定的转子角尤其逆变器6能够与旋转的磁阻电机2转数正确地和相位正确地连接。

在图1中示出了转子坐标系，即其具有d轴和q轴。在转子坐标系中，磁阻电机2的物理参数作为复数平面中的矢量示出。d轴示出了转子坐标系的实部分量并且在大磁导的方向中。q轴示出了转子坐标系的虚部分量并且在小磁导方向中。在当前的实施例中，转子以频率ω旋转。在转子坐标系中磁通量Φ以磁通量矢量标示。磁通量矢量定子固定地静止地外加。在转子坐标系中，磁通量Φ或者磁通量矢量在理想的线性的观察时以频率ω环形地出现在圆形的轨迹上。

通过磁通量Φ在定子绕组10中引起电流I。磁阻电机2的转子或者其转子芯具有磁各向异性，转子因而具有取决于方向的磁导。基于该特性，相对于转子在圆形轨迹上前进的所外加的磁通量Φ引起电流矢量的相应轨道，其描述了电流I。电流I的或者电流矢量的轨道由转子芯的几何设计或者磁各向异性给出。在当前的实施例中，考虑到转子系统产生电流矢量的椭圆形轨道。

图2现在示出了根据图1的来自磁通量矢量的透视图的走向，也就是在定子坐标系中。该定子坐标系具有α轴和β轴。α轴示出了实部分量并且β轴示出了定子坐标系的虚部分量。磁通量矢量或者磁通量Φ当前表现为静止的。描述了电流I的电流矢量可以分解成正序系统分量I₀和逆序系统分量I’。正序系统分量I₀处于至磁通量Φ的相位中。逆序分量I’在旋转转子的方向上以双倍的频率2ω旋转。电流I的时间变化由逆序系统分量I’的时间变化获得。

图3示出了在定子坐标系中对于电流I的一系列测量值5。在磁阻电机2中，磁通量Φ例如产生作为具有恒定方向的高频连续脉冲链{Φ_k}。当前使用括号的记录来描述系列。为此，利用变频器以连续重复的形式相应交替地输出具有固定值和固定方向的电压值以及脉冲锁{U_k，Z_k}。在施加电压U_k时构建出磁通量矢量，接下来在使用脉冲锁Z_k的情况中再次瓦解磁通量矢量。因此，在连续的重复中以该方式将用于磁通量{Φ_k}的必要的脉冲链在一定程度上发射到电机中。

由此获得的定子电流脉冲链{I_k}的映像根据测量值5示出。测量值5在定子坐标系中形成具有相对于原点O错置推移I₀的圆形轨迹。错置推移由电流I_k的正序系统分量I₀导致。包含的圆形轨迹由逆序系统分量I’导致并且包含转子角的信息。在已知的正序系统分量I₀或者错置推移的情况中，因此可以由电流{I_k}的、在减去I₀之后的测量值5确定出转子频率f和/或转子角

错置推移在电机参数已知的情况中或者事先计算出来，或者在不知道电机参数的情况中通过测量值5的算数平均值来事先确定。可替换的是，该确定事先通过由测量值5的最大值和最小值形成平均值来实现。

图4示出了磁阻电机2的空间矢量图。该空间矢量图包括定子坐标系和相对于该定子坐标系旋转的转子坐标系。在此可见，通过电压脉冲序列{U_k，Z_k}产生磁通量Φ或者磁通量矢量，其是定子固定的并且相关于α轴具有固定的方向。通过电压脉冲{U_k，Z_k}获得一系列电流矢量{I_k}，其值I_k，I_k+1，I_k+2处于具有错置推移的圆上。一系列的逆序系统分量{I’_k}＝{I_k}-I₀在{I_k}减去错置I₀之后产生并且在附图中通过从I₀至值I_k的连接矢量标示，该一系列逆序系统分量相应包含如所示的双倍的转子角的信息以及双倍的转子频率f的信息。

图5示出了评估装置3的示意图，用于确定转子频率f和/或转子角电流{I_k}的时间响应序列被输送给评估装置3，该电流例如利用电流传感器7检测。此外，从电流{I_k}中减去错置推移I₀。因此，电流{I_k}的一系列的逆序系统分量{I’_k}被提供给相位调节回路4。该相位调节回路4尤其以电压信号{U_k}的频率节拍地运行。通过装置11能够确定出逆序系统分量{I’_k}的时间变化的角幅度。还将错置角Π添加给角幅度。此外，利用装置12以因数2对电流角度和电流频率进行缩减。利用相位调节回路4可以确定转子频率f和/或转子角

图6示出了根据第一实施例的驱动设备1。该驱动设备1包括磁阻电机2。此外，驱动设备1包括控制装置3。此外，驱动设备1包括逆变器6，其尤其设计成变频器。逆变器6与定子绕组11电连接。在本实施例中，定子绕组11具有三个相位。现在电压脉冲U_k外加到定子绕组中。这引起在定子绕组10中的电流I，该电流通过电流传感器7检测。

图7示出了根据另一个实施例的驱动设备1。取代相位调节回路4设置有相应的计数器8，其能够确定在电流I的时间走向的过零之间的时间并因此能够确定转子频率f。此外设置有探测器9，尤其是最大/最小探测器的形式，其能够根据电流I的最大值确定转子角或者相位。

利用根据图6和7的驱动设备1能够可靠地确定出转子频率f和转子角例如，利用电压U_k的1kHz的频率，在识别时长为50ms时能够确定出从0Hz至大约±100Hz的转子频率f。在较高的频率时能提高功率。

由于信号能量较小，用于确定转子频率f和/或转子角的方法在一定程度上是无噪音的和无转矩的。此外，逆变器6能够转数正确地和相位正确地接通到旋转的磁阻电机2上。