КОРРЕКЦИЯ СМЕЩЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОТОКА ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
CORRECTION OF MAGNETIC FLUX SHIFTING FOR ROTATING ELECTRICAL MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области управления вращающимися электрическими машинами. В частности, изобретение относится к способу расчета магнитного потока во вращающейся электрической машине, способу управления инвертором, программному элементу, машиночитаемому носителю, контроллеру для инвертора и системе, содержащей вращающуюся электрическую машину.
Уровень техники
Как правило, невозможно непосредственно измерить магнитный поток и крутящий момент во вращающихся электрических машинах, значения которых могут быть необходимы для управления вращающимися электрическими машинами.
Например, в длинных каналах двигателя нефтяных платформ двигатель (являющийся электрической машиной) и инвертор разделяет большое расстояние, которое может достигать десятков километров. В таких случаях управление может быть основано на длительности импульса и скалярном режиме без обратной связи, где резистивное падение напряжения не может быть точно определено. Разомкнутая система управления объединяется с динамическим управлением крутящего момента (DTC) и принципами векторного управления, при этом могут применяться аналогичные измерение аппаратными средствами и диагностика.
Ошибки в падении напряжения на резистивное сопротивление могут повлиять на точность оцениваемого магнитного потока и оцениваемого крутящего момента. Также могут быть и другие источники ошибок, которые могут привести к ошибкам в оценке магнитного потока: измерение коэффициента усиления и ошибки смещения промежуточного напряжения постоянного тока и фазных токов, неточные оценки потерь на силовых переключателях инвертора или используемый алгоритм интегрирования.
Одним из известных решений коррекции ошибок может быть оценка резистивных потерь на линии и использование оценки в интегрированном контуре. Еще одним возможным решением может быть дополнительное измерение напряжения двигателя и его применение для расчета магнитного потока.
Дополнительный способ может быть основан на оценках минимального и максимального уровней магнитного потока за один период и добавлении полученного таким способом среднего значения к оценке магнитного потока, или на непосредственном применении коррекции к вектору напряжения. Тем не менее при таком способе имеется недостаток, который может не позволить выполнить хорошую корректировку при изменении частоты двигателя.
Решения для коррекции ошибок магнитного потока можно найти в документе US 20020041171 А1, описывающем наблюдение за магнитным потоком, в TW 441161 А, описывающем адаптацию параметров на линии и в JP 2006136053 А, в котором показан блок управления коррекцией смещения магнитного потока, корректирующий электрический ток с использованием вычисленных смещенных компонентов.
Описание изобретения
Целью изобретения является обеспечение способа лучшей коррекции ошибок в разомкнутой системе управления вращающейся электрической машиной.
Эта цель достигается при осуществлении объектов изображения по независимым пунктам формулы изобретения. Дальнейшие показательные варианты осуществления изобретения являются очевидными исходя из зависимых пунктов.
Один из объектов изобретения относится к способу расчета магнитного потока во вращающейся электрической машине. Вращающейся электрической машиной может быть электрический двигатель, как, например, индукционный двигатель, синхронный или двигатель с постоянными магнитами.
Согласно варианту осуществления изобретения, подача электрического тока к вращающейся электрической машине осуществляется посредством инвертора. Инвертор может модулировать ширину импульса цепи постоянного тока для питания вращающихся электрических машин, варьируя электрическую энергию. Инвертор может содержать контроллер для управления переключателем состояний инвертора и/или для управления частотой и крутящим моментом вращающихся электрических машин.
Согласно варианту осуществления изобретения, способ содержит этапы: определение вектора напряжения инвертора; определение вектора тока инвертора; расчет оцененного вектора магнитного потока на основе вектора напряжения инвертора и вектора тока инвертора; измерение коррекции и/или ошибок вычисления за счет изменения длины оцененного вектора магнитного потока, зависящего от сравнения оцененного магнитного потока (который может быть абсолютным значением или величиной оцененного вектора магнитного потока) и контрольного магнитного потока (который может быть величиной/длиной контрольного вектора магнитного потока). Контрольный магнитный поток может быть определен на основе относительной угловой частоты вращающейся электрической машины.
Таким образом, сдвиг магнитного потока оцененного вектора магнитного потока, вызванный ошибками измерений и/или вычислений может быть откорректирован путем сравнения оцененного вектора магнитного потока и контрольного вектора магнитного потока (или длины векторов), который уже был определен заранее для управления инвертора. В частности, в зависимости от сравнения их длин, длина оцененного вектора магнитного потока может быть увеличена или уменьшена.
В частности, коррекция смещения может быть применена, не зная полного периода оцененного вектора магнитного потока. Таким образом, так же когда частота вращающейся электрической машины меняется, с помощью способа можно генерировать хорошую коррекцию ошибок, в частности в случае, когда меняется только длина оцененного вектора магнитного потока. Изменение только длины оцененного вектора магнитного потока может означать, что меняется только величина, а не направление оцененного вектора магнитного потока.
Это может принести, по меньшей мере, следующие преимущества: оцененный вектор магнитного потока может быть стабилизирован с помощью управления. Может быть увеличена точность расчета частоты на основе оцененного вектора магнитного потока. Может быть увеличена точность определения электромагнитного крутящего момента. Могут быть улучшены электромагнитный крутящий момент и сигналы мощности для диагностики.
Согласно варианту осуществления изобретения, способ управления вращающихся электрических машин и способ коррекции смещения оцененного вектора магнитного потока в системе управления без обратной связи могут быть использованы для двигателей с очень длинными линиями подачи питания, которые дополнительно могут быть снабжены повышающими и понижающими трансформаторами. Способ может быть использован для управления инвертора напряжения, при скалярном (разомкнутая система управления без обратной связи) управлении магнитным потоком, и/или в электрическом двигателе, который запитывается с помощью длинных линий подачи питания, и который также имеет дополнительные повышающие и понижающие трансформаторы в системе привода.
В последнем случае способ для коррекции смещения магнитного потока и коррекции электромагнитного крутящего момента в скалярном режиме с широтно-импульсной модуляцией может улучшить магнитный поток, крутящий момент, оценивание потребляемой мощности при применении приводов с длинными линиями подачи питания двигателю с понижающими и повышающими трансформаторами.
Согласно варианту осуществления изобретения, способ дополнительно содержит: уменьшение длины оцененного вектора магнитного потока, если величина оцененного магнитного потока больше, чем величина контрольного магнитного потока, и/или удлинение оцененного вектора магнитного потока, если величина оцененного магнитного потока меньше, чем контрольное значение величины магнитного потока. Таким образом, всегда, когда применяется способ коррекции ошибок, оцененный вектор магнитного потока может быть смещен в направлении (неизвестном) действительного вектора магнитного потока. Не обязательно полностью корректировать ошибки за один этап расчета. Каждый раз при применении способа корректированный оцененный вектор магнитного потока несколько менее ошибочен, чем оцененный вектор магнитного потока без коррекции.
Например, увеличение и уменьшение длины оцененного вектора магнитного потока может быть выполнено путем: определения вектора смещения посредством умножения оцененного вектора магнитного потока на коэффициент, зависящий от соотношения между величиной контрольного магнитного потока и оцененной величины магнитного потока, изменения длины оцененного вектора магнитного потока за счет добавления вектора смещения к оцененному вектору магнитного потока. Таким образом, длина оцененного вектора магнитного потока изменяется без изменения направления оцененного вектора магнитного потока. Другими словами, коэффициент может быть действительным (а не комплексным числом).
Согласно варианту осуществления изобретения, определяется разница между оцененной величиной магнитного потока и величиной контрольного магнитного потока, и коэффициент зависит от соотношения разности и оцененной величины магнитного потока. Таким образом, коррекция может быть линейно зависимой от отклонения между оцененной величиной магнитного потока от контрольной величины магнитного потока.
Согласно варианту осуществления изобретения, коэффициент содержит фиксированное значение усиления, которое может находиться между 0,5 и 0,4, например 0,1 и 0,2. Эксперименты показали, что фиксированный коэффициент усиления этого значения приводит к хорошей сходимости ошибки коррекции.
Для экономии времени расчета можно не проводить коррекцию каждый раз при расчете оцененного вектора магнитного потока. Согласно варианту осуществления изобретения, оцененный вектор магнитного потока рассчитывается в первой дискретной временной области, а коррекция ошибок выполняется во второй дискретной временной области, один шаг второй дискретной временной области соответствует N шагам первой дискретной временной области.
Согласно варианту осуществления изобретения, вектор напряжения инвертора определяется на основе позиций переключения инвертора и напряжений на входах инвертора.
Согласно варианту осуществления изобретения, вектор тока инвертора определяется на основе токов на входах и/или выходах инвертора.
Согласно варианту осуществления изобретения, оцененный вектор магнитного потока является производным (например, в дискретной временной области) от предыдущего вектора магнитного потока, с добавлением вектора разницы и вектора потери напряжения. Вектор разницы может зависеть от контрольной угловой частоты, длины дискретного шага времени и вектора напряжения инвертора. Вектор потери напряжения может зависеть от контрольной угловой частоты, длины дискретного шага времени, заданного значения сопротивления и вектора тока инвертора.
Дополнительный аспект изобретения относится к способу управления инвертором. Согласно варианту осуществления изобретения, способ управления инвертором содержит: задание контрольной угловой частоты для вращающихся электрических машин, определение контрольного напряжения из угловой частоты, управление переключений инвертора, таких, как выходные напряжения инвертора с широтно-импульсной модуляцией, генерирование которых соответствует контрольному напряжению, определение оцененного вектора магнитного потока, как описано выше и далее; использование оцененного вектора магнитного потока для диагностики.
Дополнительный аспект изобретения относится к программному элементу (или компьютерной программе) для расчета магнитного потока во вращающихся электрических машинах, который выполняется процессором, адаптированным для выполнения этапов способа, как описано выше и далее. Например, контроллер инвертора может содержать процессор.
Дополнительный аспект изобретения относится к машиночитаемому носителю, в котором сохраняется программный элемент. Машиночитаемым носителем может быть дискета, жесткий диск, USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина) устройства хранения, ОЗУ (RAM - Random Access Memory - оперативное запоминающее устройство), ПЗУ (ROM - Read Only Memory - постоянное запоминающее устройство) и EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory - стираемое программируемое постоянное ПЗУ). Машиночитаемым носителем может быть также сеть передачи данных, например Интернет, с возможностью загрузки программного кода.
Дополнительный аспект изобретения относится к контроллеру для инвертора, адаптированному для выполнения способа, как описано выше и далее.
Дополнительный аспект изобретения относится к системе. Согласно варианту осуществления изобретения, система содержит: инвертор с контроллером, адаптированным для выполнения способа, как описано выше и далее; кабель, подключенный к выходу инвертора; вращающаяся электрическая машина, расположенная в другом географическом местоположении относительно инвертора и снабженная кабелем; при этом датчики для определения входных параметров с целью определения оцененного магнитного потока расположены исключительно в инверторе. Входными параметрами могут быть позиции переключений инвертора, напряжения в звене постоянного тока и/или выходных токов инвертора. После инвертора может быть расположен повышающий трансформатор, соединенный с кабелем. Перед вращающейся электрической машиной может быть понижающий трансформатор, присоединенный к кабелю.
Должно быть понятно, что признаки способа, как описано выше и далее, могут быть признаками системы или контроллера, и наоборот.
Технически могут быть возможны, но явно не упоминаются, также комбинации вариантов осуществлений изобретения, описанных выше и далее, а также вариантов осуществления способа и системы.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны из вариантов осуществления изобретения, описанных ниже, и будут разъяснены со ссылками на эти варианты.
Краткое описание чертежей
Ниже варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи.
На Фиг.1 изображена система привода, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На Фиг.2 изображены компоненты контроллера, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На Фиг.3 изображены дополнительные компоненты контроллера, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На Фиг.4 изображена схема, показывающая коррекцию ошибок, в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На Фиг.5а и 5b изображен пример того, как магнитный поток корректируется в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На Фиг.6а и 6b изображен пример того, как крутящий момент корректируется в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На Фиг.7а и 7b изображен пример того, как корректируется мощность в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
В принципе, одинаковые части имеют одинаковые ссылочные обозначения на фигурах.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Общий обзор
На фиг.1 представлена система 10 привода, содержащая инвертор-источник напряжения 12, подключенный к повышающему трансформатору 14, кабели 16 и понижающий трансформатор 18, присоединенный к вращающейся электрической машине в виде электродвигателя 20. Например, кабели могут быть длиннее десяти километров. Топология используемого инвертора может быть инвертором 12 с закрепленной нейтральной точкой (NPC), но также может быть использован другой инвертор-источник напряжения, соединенный с шиной 22 постоянного тока. Цепь постоянного тока может быть снабжена выпрямителем.
Для управления инвертором 12 система содержит контроллер 24.
На фиг.2 изображены компоненты или модули контроллера 24. Модули могут быть функциональными модулями контроллера и могут быть реализованы, соответственно, как запрограммированные программные модули или процедуры. Однако для специалистов в данной области техники очевидно, что функциональные модули могут быть реализованы полностью или частично на аппаратном уровне.
REF
REF
S_REF
Контроллер 24 адаптирован для работы на принципе скалярного режима и для управления инвертором 12 таким образом, что ток генерируется с широтно-импульсной модуляцией на выходе инвертора 12. Одним входным параметром контроллера 24 является опорная частота ω, указывающая желаемую частоту вращения двигателя. Из опорной частоты ω модуль 26 опорного напряжения генерирует опорное напряжение U с помощью заданной характеристики 28 напряжение/частота.
S_REF
S_REF
a
b
c
Опорное напряжение U подается на вход модуля 30 широтно-импульсного модулятора. Модуль 30 генерирует импульс длиной 32 из опорного напряжения U и переключает состояния S, S, S полупроводниковых переключателей инвертора, реализуя импульсы 32 в виде выходных токов инвертора 14.
Управление без обратной связи, модель напряжения и оценка магнитного потока
e
На фиг.3 изображены компоненты или модули контроллера 24 для расчета вектора Ψ магнитного потока статора и электромагнитного крутящего момента T с моделью напряжения инвертора 12 и двигателя 20.
x1
y1
a
b
c
DC
a
b
c
DC
Для реализации модели напряжения модуль 34 вектора напряжения вычисляет комплексный вектор напряжения с компонентами U и U с помощью входных параметров S, S, S и U. Информация о позициях S, S, S переключений инвертора может приходить от модуля 30 широтно-импульсного модулятора, напряжение U линии постоянного тока может быть измерено с помощью датчика в линии 22 постоянного тока.
a
b
c
x1
y1
x1
y1
x1
y1
s
x1
y1
s
Кроме того, фазовые токи i, i, i, например измеренные на выходе инвертора 12, преобразуются в комплексный вектор тока с компонентами i и i посредством 3/2 преобразования в модуле 36 вектора тока. Коррекция ΔU, ΔU вектора напряжения рассчитывается из вектора i, i тока с помощью расчетного сопротивления r, и добавляется к вектору U и U напряжения. Расчетное сопротивление r может быть основано на резистивных частях обмотки статора, повышающего трансформатора 14 и кабелей 18 между инвертором и двигателем 20.
x1
y1
S_EST
х1
х2
х1
х2
x1
y1
e
Посредством интеграции результирующего вектора U, U напряжения модуль 38 вектора магнитного потока рассчитывает оцененный вектор Ψ магнитного потока с компонентами Ψ и Ψ. С помощью оцененного вектора Ψ, Ψ магнитного потока и вектора i, i тока модуль 40 вектора крутящего момента рассчитывает оцененный крутящий момент T двигателя 20.
DC
a
b
c
Значения, вычисленные контроллером 24, содержат ошибки из-за падения напряжения на полупроводниках инвертора и пассивных компонентах, таких как фильтры, кабели, соединяющие клеммы двигателя и инвертора, ошибки измерений напряжения U постоянного тока и измерений фазных токов i, i, i.
Далее управление без обратной связи двигателем 20, выполняемое с помощью контроллера 24 и соответствующих этапов вычислений, модель напряжения и оценка магнитного потока будут описаны более подробно.
<mrow><msubsup><mtext>u</mtext><mtext>S</mtext><mrow><mrow><mo>(</mo><mtext>k</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Модель напряжения основывается на общем уравнении напряжения
статора в (k) координатах, которое определяется следующим образом:
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msubsup><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><msub><mrow /><mi>S</mi></msub></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>j</mi><msub><mi>ω</mi><mi>k</mi></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><msub><mrow /><mi>S</mi></msub></mrow><mi>k</mi></msubsup><mtext>               (1)</mtext></mrow>
S
S
k
k
i - ток статора, Ψ - вектор магнитного потока статора и ω - угловая частота двигателя. В координатах статора ω=0 и уравнение (1) напряжения становится следующим:
<mrow><msubsup><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><msubsup><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><msub><mrow /><mi>S</mi></msub></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext>               (2)</mtext></mrow>
S
Вектор Ψ магнитного потока статора определяется посредством уравнения:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mi></mi><mtext>            (3)</mtext></mrow>
S
S
u - напряжение статора, а основная гармоника i тока статора может быть определена следующим образом:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>i</mi><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi></mrow></msup><mtext>                 (4)</mtext></mrow>
S
S
В разомкнутом контуре регулирования, в скалярном режиме вектор Ψ магнитного потока статора вычисляется с помощью уравнения (3), в котором r включает все резистивные потери на пути от выхода инвертора до клеммы двигателя.
Ошибки при оценке магнитного потока
S_EST
S
S_EST
e
S_EST
S
S
Ошибка в интеграле (3) оказывает влияние на неверно оцененный (статорный) вектор Ψ магнитного потока (который может быть вычислен аналогично Ψ в формуле (3)). За счет ошибок в оцененном векторе Ψ магнитного потока вычисляется неточный крутящий момент T, который является векторным произведением оцененного вектора Ψ магнитного потока и вектора i тока. Влияние ошибок при интеграции более заметно на низких частотах. На очень низких частотах может потребоваться дополнительная коррекция напряжения, вследствие высоких потерь напряжения из-за сопротивления r. Частота ω, при которой может требоваться коррекция, может зависеть от применения и от падения напряжения.
S_EST
e
Если воздействие ошибки при интеграции разомкнутого контура регулирования не скорректировано, то оцененный вектор Ψ магнитного потока смещается от первоначального направления. В результате, вычисленный крутящий момент T и оцененная мощность на валу (в зависимости от крутящего момента) может колебаться.
S_EST
Ошибка интеграции изображена на фиг.4. Оцененный вектор Ψ магнитного потока зацикливается с угловой частотой ω вокруг точки E, отличающейся от начала координат комплексной x-y-плоскости.
S_EST
Ошибки, которые приводят к отклонению оцененного вектора Ψ магнитного потока, происходят в двух случаях: во-первых, измеренное промежуточное напряжение может быть меньше реального напряжения постоянного тока, во-вторых, может возникнуть ошибка смещения в измеренных фазовых токах, которая приводит к компоненту постоянного тока в фазовых токах и, наконец, приводит к нестабильной интеграции. Эти факты могут быть выведены из следующих уравнений.
Уравнение (3) магнитного потока может быть записано в форме:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>-</mo><mi></mi><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub></mrow></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mtext>           (5)</mtext></mrow>
Ошибка вектора магнитного потока статора может быть выражена как разница между вектором магнитного потока статора и оцененным вектором магнитного потока (уравнение 7):
<mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub><mtext>       (6)</mtext></mrow>
S_EST
S
S
r - оцененное сопротивление, r - заранее установленное оцененное сопротивление и Δr - ошибка при оценке.
Вектор ошибки магнитного потока статора описывается следующим образом:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mtext>       (7)</mtext></mrow>
Вместе с уравнением (5) это дает:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>-</mo><mi></mi><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub></mrow></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mi></mi><mo>-</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi></mi><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi></mi><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></mrow></mstyle><mtext>           (8)</mtext></mrow>
и
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub><mtext> </mtext><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle><mtext>           (9)</mtext></mrow>
С уравнением (4) вектор ошибки магнитного потока становится:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>j</mi><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub></mrow><mi>ω</mi></mfrac><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mtext>             (10)</mtext></mrow>
S
S
В уравнении (10) можно обратить внимание, что вектор ΔΨ ошибки магнитного потока статора пропорционален ошибке в сопротивлении Δr статора и обратно пропорционален угловой частоте ω.
S
Если смещается вектор тока, то оценка магнитного потока статора сдвигается от начала координат на величину, увеличенную на Δr.
EL
S
S
Оцениваемый крутящий момент T может быть рассчитан векторным умножением вектора Ψ магнитного потока статора и тока i статора. Ошибка магнитного потока непосредственно влияет на ошибку крутящего момента.
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>E</mi><mi>L</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>×</mo><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mtext>       (11)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>E</mi><mi>L</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>E</mi><mi>L</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>r</mi><mi>S</mi></msub></mrow><mi>ω</mi></mfrac><msubsup><mi>i</mi><mi>S</mi><mn>2</mn></msubsup><mtext>                            (12)</mtext></mrow>
S
Ошибка крутящего момента пропорциональна ошибке сопротивления Δr статора и обратно пропорциональна угловой скорости ω.
Следовательно, ошибки вектора магнитного потока статора и ошибки электромагнитного крутящего момента малы на более высокой скорости, но очень велики, если угловая скорость ω близка к нулю.
Коррекция ошибок оценки магнитного потока
Далее содержится пояснение алгоритма коррекции смещения магнитного потока в системах с разомкнутым контуром регулирования, которая может быть выполнена посредством модуля 38 вектора магнитного потока:
Как правило, в скалярном режиме разомкнутого контура регулирования вектор магнитного потока оценивается с помощью уравнения (3) интегрирования. Смещение магнитного потока статора от точки начала координат приводит к колебанию оцененного крутящего момента, сопровождаемые хорошо рассчитываемыми колебаниями мощности.
S_EST
S_EST_PRELIMINARY
С помощью алгоритма коррекции оцененный вектор Ψ магнитного потока статора рассчитывается в дискретной временной области. Сначала на вычислительном временном уровне или временном этапе Tsl предварительное значение вектора Ψ магнитного потока статора определяется согласно уравнению (13):
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi><mo>_</mo><mi>P</mi><mi>R</mi><mi>E</mi><mi>L</mi><mi>I</mi><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi><mi>A</mi><mi>R</mi><mi>Y</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>k</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mi>N</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>s</mi><mn>1</mn><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>I</mi><mi>N</mi><mi>V</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mtext>    (13)</mtext></mrow>
S_EST_PRELIMINARY
S_EST
INV
DC
x1
y1
INV
Ψ[k] - предварительное значение вектора магнитного потока статора на k-м цикле вычисления, которое основано на последней действительной оценке магнитного потока статора Ψ[k]. Далее, u - вектор напряжения инвертора, который рассчитывается с помощью измерения промежуточного напряжения U и позиций переключения. Компоненты u и u от u могут быть рассчитаны посредством модулей 34 и 36 (см. выше).
Интеграл потерь напряжения за счет сопротивления и тока статора рассчитывается согласно (14):
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>L</mi><mi>O</mi><mi>S</mi><mi>S</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mi>N</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>s</mi><mn>1</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mtext>       (14)</mtext></mrow>
S_EST
Оцененное значение вектора Ψ магнитного потока статора на k-м цикле вычисления корректируются посредством (14),
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi><mo>_</mo><mi>P</mi><mi>R</mi><mi>E</mi><mi>L</mi><mi>I</mi><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi><mi>A</mi><mi>R</mi><mi>Y</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mi>N</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>s</mi><mn>1</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mtext>    (15)</mtext></mrow>
S_EST
Поскольку оцененный вектор Ψ рассчитывается из интеграции напряжения, в открытом алгоритме интеграции магнитного потока могут возникать ошибки, которые могут быть видны в виде сдвига от первоначального местоположения начала координат на комплексной плоскости (см. фиг.4). Сдвиг оцененного вектора магнитного потока влияет на колебания в рассчитанных крутящем моменте и мощности. Действительные сигналы используются для целей управления и диагностики, для чего необходима определенная точность. Последующий алгоритм для коррекции сдвига оцененного вектора магнитного потока корректирует вектор смещения магнитного потока и улучшает точность оценки крутящего момента и мощности.
OFFSET
Вектор Ψ смещения магнитного потока статора определяется с помощью (16)
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>O</mi><mi>F</mi><mi>F</mi><mi>S</mi><mi>E</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ψ</mi><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>R</mi><mi>E</mi><mi>F</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>ψ</mi><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>       (16)</mtext></mrow>
S_REF
S_EST
S_REF
REF
S_REF
Ψ - контрольная величина магнитного потока статора, a |Ψ| - амплитуда или величина, или длина оцененного вектора магнитного потока статора. Контрольная величина Ψ магнитного потока статора может быть получена из контрольной частоты ω, которая используется для расчета u (см фиг.2 и соответствующее описание).
OFF_COMPENSATE
Корректированный вектор Ψ смещения магнитного потока определяется с помощью (17):
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>O</mi><mi>F</mi><mi>F</mi><mo>_</mo><mi>C</mi><mi>O</mi><mi>M</mi><mi>P</mi><mi>E</mi><mi>N</mi><mi>S</mi><mi>A</mi><mi>T</mi><mi>E</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>P</mi><mi>g</mi><mi>a</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>O</mi><mi>F</mi><mi>F</mi><mi>S</mi><mi>E</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mtext>       (17)</mtext></mrow>
Pgain - значение усиления для вектора сдвига магнитного потока и может иметь значение между 0.1 и 0.2.
Выражение в скобках в формуле (16) - первый действительный коэффициент. Pgain в формуле (17) - второй действительный коэффициент. В сумме, (корректированный) вектор сдвига магнитного потока рассчитывается с помощью умножения оцененного вектора магнитного потока и действительного коэффициента, являющегося произведением первого и второго действительных коэффициентов.
Для коррекции ошибок, вектор (17) смещения корректированного магнитного потока добавляется к интегральному уравнению (18) резистивных потерь напряжения:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi><mo>_</mo><mi>P</mi><mi>R</mi><mi>E</mi><mi>L</mi><mi>I</mi><mi>M</mi><mi>I</mi><mi>N</mi><mi>A</mi><mi>R</mi><mi>Y</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>N</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>s</mi><mn>1</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>S</mi><mo>_</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>O</mi><mi>F</mi><mi>F</mi><mo>_</mo><mi>C</mi><mi>O</mi><mi>M</mi><mi>P</mi><mi>E</mi><mi>N</mi><mi>S</mi><mi>A</mi><mi>T</mi><mi>E</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>    (18)</mtext></mrow>
S_EST
S_EST
S_REF
S_EST
S_EST
S_REF
Из уравнений с (16) по (18) можно вывести, что оцененный вектор Ψ магнитного потока укорачивается, если величина Ψ оцененного магнитного потока больше, чем контрольная величина Ψ магнитного потока, и оцененный вектор Ψ магнитного потока укорачивается, если величина оцененного вектора Ψ магнитного потока меньше, чем контрольная величина Ψ магнитного потока.
S_REF
S_real
S_EST1
S_real
OFF1
S_EST2
S_real
S_EST2
OFF2
Это показано на фиг.4. Контрольный вектор магнитного потока может иметь такую же или схожую величину Ψ, как и действительный магнитный поток статора Ψ. В том случае, если оцененный вектор Ψ магнитного потока меньше, чем действительный вектор магнитного потока Ψ, то вектор магнитного потока удлиняется за счет вектора смещения Ψ. В том случае, если оцененный вектор Ψ магнитного потока больше, чем действительный вектор Ψ магнитного потока, то вектор Ψ удлиняется за счет вектора смещения Ψ. В любом случае, после коррекции оцененный вектор магнитного потока оказывается ближе к действительному магнитному потоку и, следовательно, оказывается менее ошибочным относительно действительного вектора магнитного потока. Цель коррекции заключается в коррекции смещения, а не в адаптации амплитуды магнитного потока.
После коррекции вектор смещения магнитного потока может быть использован для коррекции ошибки крутящего момента:
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>E</mi><mi>L</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>E</mi><mi>L</mi><mo>−</mo><mi>E</mi><mi>S</mi><mi>T</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>ψ</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>O</mi><mi>F</mi><mi>F</mi><mo>_</mo><mi>C</mi><mi>O</mi><mi>M</mi><mi>P</mi><mi>E</mi><mi>N</mi><mi>S</mi><mi>A</mi><mi>T</mi><mi>E</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mover accent="true"><mi>i</mi><mo>→</mo></mover><mi>S</mi></msub><mtext>             </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>19</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Электромагнитный крутящий момент (19) и угловая скорость определяют оцениваемую мощность.
Последующие фигуры 5a, 5b, 6a, 6b, 7a и 7b показывают моделированные и расчетные данные магнитного потока Ψ, крутящий момент T и мощность P, при этом на фиг.5a, 6a и 7a коррекция магнитного потока, согласно настоящему изобретению, отсутствует, а на фиг.5b, 6b и 7b магнитный поток корректируется согласно алгоритму, как описано выше.
Данные моделируются при устойчивом состоянии работы двигателя 20 на малой скорости (0.05 от максимальной скорости) и с нагрузкой, составляющей 10%.
S_real
S_EST
S_EST
На фиг.5a и 5b изображен действительный магнитный поток Ψ и оцененный вектор Ψ магнитного потока на комплексной плоскости. Как может быть видно на фиг.5a и 5b, смещение вектора Ψ из точки начала координат на фиг.5a корректируется с помощью алгоритма.
real
S_EST
S_EST
На фиг.6a и 6b изображен действительный крутящий момент T и оцениваемый крутящий момент Ψ. Как может быть видно на фиг.6a и 6b, большинство вариаций оцениваемого момента Ψ на фиг.6a корректируется по алгоритму на фиг.6b.
real
EST
EST
На фиг.7a и 7b изображена действительная мощность P на валу и оцениваемая мощность P на валу. Как может быть видно на фиг.7a и 7b, большинство вариаций оцениваемого крутящего момента P на фиг.7a корректируются по алгоритму на фиг.7b.
Изобретение было проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и предшествующем описании. Такая иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или показательные, но не как ограничивающие, при этом изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Специалистам в данной области техники могут быть понятными и осуществимыми другие изменения раскрытых вариантов осуществления изобретения, а также применение на практике заявленного изобретения после изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает других элементов или этапов, а неопределенный артикль «a» или «an» не исключает множественности. Один процессор или контроллер, или другой элемент может выполнять функции нескольких отдельных пунктов, изложенных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные мероприятия приведены в различных взаимозависимых пунктах, не означает, что комбинация этих мероприятий не может быть использована для получения преимущества. Любые цифровые ссылки в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие объем изобретения.