專利名稱：電機控制系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種用于控制電機的系統，具體而言，涉及一種用于控制電機的系統，用來消除控制電機時產生的速度脈動和驅動電機時產生的噪聲，其中的速度脈動是由驅動單旋壓縮機時產生的負載而引起的。
背景技術：
通常，為了控制電機，需要電機控制系統來識別電機的速度信息或磁通信息。現有的電機控制系統配備有速度傳感器，如分解器或脈沖編碼器，或磁通傳感器，來識別速度信息和磁通信息，但是這些傳感器安裝困難，且受安裝環境影響大，因此不可避免地增加了制造成本。
所以，開發出了多種不使用速度傳感器和磁通傳感器的電機速度控制系統。如

圖1所示，用于同步磁阻電機的無傳感器控制系統包括三相電壓發生器3，用于向驅動電機1的變流器2輸出三相電壓；估計單元4，用于根據接收到的變流器2傳送至電機1的電流iu和iv，估計電機1的轉子速度和轉角；第一減法器5，用于通過從電機1的參考速度ω*中減去估計單元4生成的估計速度 生成參考速度ω*與估計速度 之差；和速度控制器6，用于根據參考速度ω*與估計速度 之差，生成參考扭矩電流iq*。
用于同步磁阻電機的無傳感器控制系統進一步包括固定/旋轉坐標轉換器7，用于將估計單元4估計的值轉換為旋轉坐標系的值id和iq；第二減法器8，用于生成參考扭矩電流iq*和固定/旋轉坐標轉換器7的輸出值之差；磁通指令發生器9，用于按照估計速度 生成參考磁通電流id*；第三減法器10，用于生成參考磁通電流id*和實際磁通電流id之差；電流控制器11，用于根據接收到的第二減法器8和第三減法器10的輸出信號，生成參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*；和旋轉/固定坐標轉換器12，用于將電流控制器11的輸出值轉換為固定坐標系的值Vα*和Vβ*。
但是，如圖2a所示，單旋壓縮機的負載特性隨電機的轉角而改變，從而電機的速度特性在時間軸(t)上的變化如圖2b所示。更具體的，由于在驅動壓縮機的葉片時同時進行壓縮和膨脹的行程，所以會發生60～100rpm的脈動，圖2b在時間軸上繪出了電機的速度特性，顯示了這個脈動，這些脈動導致不希望的壓縮機振動或噪聲以及壓縮機性能退化。

發明內容
因此，本發明考慮到上面的問題，本發明的一個目的是提供一種用于控制電機的系統，該系統消除了由于驅動單旋壓縮機時產生的負載而引起的可能使電機的速度特性退化的脈動，從而消除了壓縮機的振動或噪聲，并防止壓縮機性能退化。
根據本發明，通過提供一種用于控制電機的系統可以實現上述及另外的目標，該系統包括三相電壓發生器，用于向驅動電機的變流器輸出三相電壓；旋轉/固定坐標轉換器，用于將電機的旋轉坐標系的參考磁通電壓和參考扭矩電壓轉換為固定坐標系的數據，并將數據輸出至三相電壓發生器；固定/旋轉坐標轉換器，用于將由變流器向電機施加的三相電流轉換為兩相電流，從而將固定坐標系的電流轉換為旋轉坐標系的電流；估計單元，用于根據接收的施加到固定/旋轉坐標轉換器的電流，估計電機的轉角及轉子速度；和控制模塊，用于從估計單元接收估計轉角和估計速度，并將參考磁通電壓和參考扭矩電壓輸出至旋轉/固定坐標轉換器，其中在參考磁通電壓和參考扭矩電壓中補償了由驅動電機時的負載引起的誤差。
附圖簡介由以下的詳細說明，結合附圖，可以更清楚地理解本發明的上述及另外的目的、特征及優點，其中圖1是現有的同步磁阻電機的控制系統的框圖；圖2a和2b分別顯示了單旋壓縮機的負載特性圖和速度特性圖；圖3是根據本發明最佳實施例的電機控制系統的框圖；圖4a至4c分別顯示了圖3中顯示的電機的負載特性圖、速度特性圖和補償信號圖；圖5是圖3中顯示的速度補償器的詳細電路圖；和圖6是根據本發明另一個最佳實施例的電機控制系統的框圖。
最佳實施方式現在，參考附圖描述本發明的最佳實施例。
圖3是根據本發明最佳實施例的電機控制系統的框圖。參考圖3，電機M的控制系統包括三相電壓發生器22，用于通過向變流器21施加三相電壓，使變流器21可以根據微計算機(未顯示)的控制信號驅動電機M；旋轉/固定坐標轉換器23，用于將電機M的旋轉坐標系的參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*轉換為固定坐標系的磁通電壓Vα*和扭矩電壓Vβ*，并將磁通電壓Vα*和扭矩電壓Vβ*輸出至三相電壓發生器22；和固定/旋轉坐標轉換器24，用于將變流器21向電機M施加的三相電流(iu、iv、iw)轉換為兩相電流，從而將固定坐標系的電流轉換為旋轉坐標系的電流。
電機控制系統進一步包括估計單元25和控制模塊30。估計單元25用于根據接收的施加到固定/旋轉坐標轉換器24的電流iu和iv，估計電機M的轉角和轉子速度，并將估計的電機轉角和轉子速度輸出至旋轉/固定坐標轉換器23和固定/旋轉坐標轉換器24。控制模塊30用于從估計單元24接收估計轉角和估計速度 并將電機M的旋轉坐標系的參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*輸出至旋轉/固定坐標轉換器23，以補償由驅動電機M時產生的負載所引起的誤差。
特別的，控制模塊30通過將旋轉坐標系的參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*輸出至旋轉/固定坐標轉換器23，補償由于驅動壓縮機時產生的負載所生成的電機M的速度脈動。因此，電機控制系統可以最大程度地防止由電機M的負載而產生這種脈動。
控制模塊30包括第一減法器31，用于生成電機M的參考速度ω*與估計單元25的電機M估計速度 之差；速度控制器32，用于根據從第一減法器31接收的參考速度ω*與估計速度 之差，生成控制電機M的速度的參考扭矩電流iq*；第二減法器33，用于生成速度控制器32生成的參考扭矩電流iq*和固定/旋轉坐標轉換器24生成的實際扭矩電流iq之差；磁通指令發生器34，用于根據電機M的估計速度 控制磁通，以生成參考磁通電流id*；和第三減法器35，用于生成參考磁通電流id*和固定/旋轉坐標轉換器24生成的實際磁通電流id之差。控制模塊30進一步包括電流控制器36和速度補償器37。電流控制器36用于根據電流id*和id之差，生成旋轉坐標系的參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*，并將參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*輸出至旋轉/固定坐標轉換器23。速度補償器37用于將補償信號Δiq*輸出至第二減法器33，補償信號Δiq*補償速度控制器32生成的參考扭矩電流iq*中產生的脈動。
速度補償器37根據電機轉子的轉角所確定的負載，或者根據電機M的估計速度中產生的脈動波形而生成補償信號Δiq*。最好在補償信號Δiq*和脈動波形之間存在180°相差。但是，應該注意，即使在補償信號Δiq*和脈動波形之間沒有正確提供180°相差時，脈動也被減小。
圖4a是一個負載特性圖，顯示了電機控制系統中由壓縮機壓縮/膨脹行程而引起的負載特性。參考圖4a，壓縮機的負載隨電機的轉子的轉角而周期性變化。
圖4b描述了由圖4a中顯示的電機的負載特性而引起的電機的估計速度 如圖4b所示，電機的估計速度 是由估計單元25估計的指定速度，且估計單元25生成的估計速度和估計轉角(或電機的位置)分別變為電機控制系統的實際速度和實際轉角。
參考圖4b，實線標出的估計速度 比虛線標出的參考速度ω*多很多脈動Δω。根據脈動成分Δω的幅度，確定速度補償器37生成的補償信號Δiq*的幅度。
圖4c是在時間軸上描述補償信號Δiq*的圖。補償信號Δiq*下標出的轉角θ用來在圖上說明補償信號Δiq*隨電機轉角而變化。在這種情況下，補償信號Δiq*的幅度Δ在很大程度上受圖4b的速度特性圖中顯示的脈動成分Δω的幅度的影響。
圖5是圖3中顯示的速度補償器37的詳細電路圖。
參考圖5，速度補償器37可以包括查詢單元37a，用于向查詢表中插入補償信號的基波成分，它既考慮到電機的負載特性中生成的脈動成分，又考慮到速度特性中生成的脈動成分Δω；PI(比例積分)單元37b，用于在減小速度特性中生成的脈動成分Δω的方向上，確定補償信號Δiq*的幅度Δ；和組合器37c，用于將查詢單元37a的輸出信號與PI單元37b的輸出信號相組合，生成補償信號Δiq*。
通常，速度控制器32的輸出信號是電流iq*，它作為旋轉坐標系q-軸的電流指令。電流指令通常由DC(直流)值表示，使得在減小由負載特性引起的脈動成分Δω時存在限制。于是，需要速度補償器37將考慮了扭矩特性的補償信號施加到速度控制器32的輸出信號iq*上。
如圖4a所示，在構造壓縮機時確定負載特性、脈動成分和轉子的轉角之間的關系。更具體的，在建立了壓縮機的結構，同時保持電機轉子和葉片之間的預定相對距離的情況下，可以建立負載特性、脈動成分、轉角之間的恒定關系。
速度補償器37通過查詢單元37a生成補償信號，其中查詢單元37a具有考慮了所述恒定關系的基波成分，從而速度補償器37補償了由脈動成分引起的基波成分。
另外，電機控制系統進一步包括限幅器38a和38b，用于限制施加到旋轉/固定坐標轉換器23的參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*的最小/最大值，從而得到穩定的電流控制器36輸出信號Vd*和Vq*。
圖6是根據本發明另一個最佳實施例的電機控制系統的框圖。參考圖6，電機M的控制系統包括三相電壓發生器22，用于通過向變流器21施加三相電壓，使變流器21可以根據微計算機(未顯示)的控制信號驅動電機M；旋轉/固定坐標轉換器23，用于將電機M的旋轉坐標系的參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*轉換為固定坐標系的磁通電壓Vα*和扭矩電壓Vβ*，并將磁通電壓Vα*和扭矩電壓Vβ*輸出至三相電壓發生器22；固定/旋轉坐標轉換器24，用于將變流器21施加至電機M的三相電流(iu、iv、iw)轉換為兩相電流，從而將固定坐標系的電流轉換為旋轉坐標系的電流；和估計單元25，用于根據接收的施加至固定/旋轉坐標轉換器24的電流iu和iv，估計電機M的轉角和轉子速度，并將估計的電機轉角和轉子速度輸出至旋轉/固定坐標轉換器23和固定/旋轉坐標轉換器24。
控制系統進一步包括控制模塊40。控制模塊40包括第一減法器41，用于生成電機M的參考速度ω*與估計單元25估計的速度 之差；速度控制器42，用于根據從第一減法器41接收的參考速度ω*與估計速度 之差，生成控制電機M的速度的參考扭矩電流iq*；第二減法器43，用于生成參考扭矩電流iq*和實際扭矩電流iq之差；磁通指令發生器44，用于根據估計速度 控制磁通，以生成參考磁通電流id*；第三減法器45，用于生成參考磁通電流id*和實際磁通電流id之差；電流控制器46，用于根據第二減法器43和第三減法器45的輸出信號，生成參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*，并將參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*輸出至旋轉/固定坐標轉換器23；和速度補償器47，用于向第一減法器41輸出補償信號Δω*，以補償因電機負載而在從第一減法器41產生的速度差信號中生成的脈動。
速度補償器47使用與顯示了第一實施例的圖3中相同的原則而構造，但是與圖3的速度補償器37不同的是，它輸出至第一減法器41的補償信號Δω*是作為對速度指令值的補償值，而不是對電流指令值的補償值。
與圖3中顯示的第一最佳實施例的電機方式相同，根據本發明另一最佳實施例的電機可以進一步包括限幅器48a和48b，用于限制施加到旋轉/固定坐標轉換器23的參考磁通電壓Vd*和參考扭矩電壓Vq*的最小/最大值，從而得到穩定的電流控制器46輸出信號Vd*和Vq*。
下面將詳細介紹一種用于控制電機的方法。
步驟(a)中，生成電機的參考速度和估計速度之差。
步驟(b)中，根據步驟(a)中生成的速度差，生成用于控制電機速度的參考扭矩電流，同時根據估計的電機速度控制磁通，從而生成參考磁通電流。
步驟(c)中，生成參考扭矩電流和電機的實際扭矩電流之差，同時生成參考磁通電流和實際磁通電流之差，使得在上面的步驟(b)中生成的參考扭矩電流中不存在由電機負載引起的脈動。
步驟(d)中，依靠上面的步驟(c)的差值，生成參考磁通電壓和參考扭矩電壓，然后將其傳送至三相電壓發生器，以向驅動電機的變流器輸出三相電壓。
最后在步驟(e)中，變流器使用上面的步驟(d)中接收到的三相電壓，控制電機。
更具體的，步驟(c)包括c1)參考存儲了補償信號的基波成分的查詢表，該補償信號既考慮了在電機的負載特性中生成的脈動成分，又考慮了在速度特性中生成的脈動成分；c2)在減小速度特性中生成的脈動成分的方向上，確定補償信號的幅度；和c3)根據步驟(c1)和(c2)的確定結果，生成補償信號，并從參考扭矩電流和實際扭矩電流之差中消除由電機負載引起的脈動。
進一步，為了在步驟(a)，而不是步驟(c)中，從參考扭矩電流和實際扭矩電流之差中消除由電機負載引起的脈動，可以參考查詢表生成補償信號，從而消除存在于估計速度和參考速度之差中的脈動。
從上面的說明可以清楚地看出，根據本發明的電機控制系統包括三相電壓發生器，用于向驅動電機的變流器輸出三相電壓；旋轉/固定坐標轉換器，用于將電機的旋轉坐標系的參考磁通電壓和參考扭矩電壓轉換為固定坐標系的數據，并將數據輸出至三相電壓發生器；和固定/旋轉坐標轉換器，用于將由變流器向電機施加的三相電流轉換為兩相電流，從而將固定坐標系的電流轉換為旋轉坐標系的電流。另外，該電機控制系統進一步包括估計單元和控制模塊。估計單元用于根據接收到的施加于固定/旋轉坐標轉換器的電流，估計電機的轉角及轉子速度。控制模塊用于從估計單元接收估計轉角和估計速度，并將電機的參考磁通電壓和參考扭矩電壓輸出至旋轉/固定坐標轉換器，從而補償由驅動電機時生成的負載所引起的誤差。因此，該電機控制系統大大減小了壓縮機的噪聲和振動，而不受電機啟動時壓縮機的壓縮/膨脹行程所生成的負載的影響，并防止壓縮機性能退化。
盡管出于說明的目的披露了本發明的優選實施例，本領域技術人員可以理解，在不脫離所附權利要求限定的本發明范圍和精神的情況下，可以有各種改進、添加和替換。
權利要求
1.一種電機控制系統，包括三相電壓發生器，用于向驅動電機的變流器輸出三相電壓；旋轉/固定坐標轉換器，用于將電機的旋轉坐標系的參考磁通電壓和參考扭矩電壓轉換為固定坐標系的數據，并將該數據輸出至三相電壓發生器；固定/旋轉坐標轉換器，用于將由變流器向電機施加的三相電流轉換為兩相電流，從而將固定坐標系的電流轉換為旋轉坐標系的電流；估計單元，用于根據接收的施加到固定/旋轉坐標轉換器的電流，估計電機的轉角及轉子速度；和控制模塊；用于從估計單元接收估計轉角和估計速度，并將參考磁通電壓和參考扭矩電壓輸出至旋轉/固定坐標轉換器，其中補償了由驅動電機時的負載所引起的誤差。
2.根據權利要求1所述的系統，其中的控制模塊包括第一減法器，用于生成電機的參考速度與估計單元估計的電機估計速度之差；速度控制器，用于根據從第一減法器接收的參考速度與估計速度之差，生成控制電機速度的參考扭矩電流；第二減法器，用于生成參考扭矩電流和實際扭矩電流之差；磁通指令發生器，用于根據估計速度控制磁通，以生成參考磁通電流；第三減法器，用于生成參考磁通電流和實際磁通電流之差；電流控制器，用于根據第三減法器生成的輸出差，生成參考磁通電壓和參考扭矩電壓；和速度補償器，用于向第二減法器輸出補償信號，補償信號補償了在速度控制器生成的參考扭矩電流中產生的脈動。
3.根據權利要求2所述的系統，其中的速度補償器根據通過電機轉子的轉角而識別出的負載，生成補償信號。
4.根據權利要求2所述的系統，其中的速度補償器根據在電機的估計速度中生成的脈動波形，生成補償信號。
5.根據權利要求4所述的系統，其中的補償信號和脈動波形互相錯開180度相角。
6.根據權利要求4所述的系統，其中的速度補償器包括查詢單元，用于向查詢表中插入補償信號的基波成分，它既考慮到電機的負載特性中生成的脈動成分，又考慮到速度特性中生成的脈動成分；PI(比例積分)單元，用于在減小速度特性中生成的脈動成分的方向上，確定補償信號的幅度；和組合器，用于將查詢單元的輸出信號與PI單元的輸出信號相結合，生成補償信號。
7.根據權利要求1所述的系統，其中的控制模塊包括第一減法器，用于生成電機的參考速度與估計單元估計的電機估計速度之差；速度控制器，用于根據從第一減法器接收的參考速度與估計速度之差，生成控制電機速度的參考扭矩電流；第二減法器，用于生成參考扭矩電流和實際扭矩電流之差；磁通指令發生器，用于根據估計速度控制磁通，以生成參考磁通電流；第三減法器，用于生成參考磁通電流和實際磁通電流之差；電流控制器，用于根據第三減法器生成的輸出差，生成參考磁通電壓和參考扭矩電壓；和速度補償器，用于向第一減法器輸出補償信號，補償信號補償了由于電機負載而在第一減法器生成的速度差信號中生成的脈動。
8.根據權利要求7所述的系統，其中的速度補償器根據通過電機轉子的轉角而識別的負載，生成補償信號。
9.根據權利要求7所述的系統，其中的速度補償器根據在電機的估計速度中生成的脈動波形，生成補償信號。
10.根據權利要求9所述的系統，其中的補償信號和脈動波形互相錯開180度相角。
11.根據權利要求9所述的系統，其中的速度補償器包括查詢單元，用于向查詢表中插入補償信號的基波成分，它既考慮到電機的負載特性中生成的脈動成分，又考慮到速度特性中生成的脈動成分；PI(比例積分)單元，用于在減小速度特性中生成的脈動成分的方向上，確定補償信號的幅度；和組合器，用于將查詢單元的輸出信號與PI單元的輸出信號相結合，生成補償信號。
12.一種用于控制電機的方法，包括a)生成電機的參考速度和估計速度之差；b)生成參考扭矩電流，以根據步驟(a)中生成的速度差控制電機速度，同時根據電機的估計速度控制磁通，并生成參考磁通電流；c)生成參考磁通電流和實際磁通電流之差，同時生成參考扭矩電流和電機的實際扭矩電流之差，從而補償電機在步驟(b)中生成的參考扭矩電流中所產生的脈動；d)根據步驟(c)生成的各差值，生成參考磁通電壓和參考扭矩電壓，并將參考磁通電壓和參考扭矩電壓傳送至三相電壓發生器，該三相電壓發生器向驅動電機的變流器輸出三相電壓；和e)使變流器在接收到步驟(d)中生成的三相電壓后控制電機。
13.根據權利要求12所述的方法，其中的步驟(c)包括c1)參考存儲了補償信號的基波成分的查詢表，該補償信號既考慮了在電機的負載特性中生成的脈動成分，又考慮了在速度特性中生成的脈動成分；c2)在減小速度特性中生成的脈動成分的方向上，確定補償信號的幅度；和c3)根據步驟(c1)和(c2)的確定結果，生成補償信號，并從參考扭矩電流和實際扭矩電流之差中消除由電機負載引起的脈動。
14.一種用于控制電機的方法，包括a)生成電機的參考速度和估計速度之差，以補償由于電機負載而在估計速度中生成的脈動成分；b)生成參考扭矩電流，以根據步驟(a)中生成的速度差控制電機速度，同時根據電機的估計速度控制磁通，并生成參考磁通電流；c)生成參考磁通電流和實際磁通電流之差，同時生成參考扭矩電流和電機的實際扭矩電流之差，；d)根據步驟(c)生成的各差值，生成參考磁通電壓和參考扭矩電壓，并將參考磁通電壓和參考扭矩電壓傳送至三相電壓發生器，該三相電壓發生器向驅動電機的變流器輸出三相電壓；和e)使變流器在接收到步驟(d)中生成的三相電壓后控制電機。
15.根據權利要求14所述的方法，其中的步驟(c)包括c1)參考存儲了補償信號的基波成分的查詢表，該補償信號既考慮了在電機的負載特性中生成的脈動成分，又考慮了在速度特性中生成的脈動成分；c2)在減小速度特性中生成的脈動成分的方向上，確定補償信號的幅度；和c3)根據步驟(c1)和(c2)的確定結果，生成補償信號，并從參考速度和估計速度之差中消除由電機負載引起的脈動。
全文摘要
本發明涉及一種用于控制電機的系統和方法。旋轉/固定坐標轉換器將旋轉坐標系的參考磁通電壓和參考扭矩電壓轉換為固定坐標系的數據，并將該數據輸出至三相電壓發生器。固定/旋轉坐標轉換器將變流器向電機施加的三相電流轉換為兩相電流。估計單元根據接收的施加于固定/旋轉固定轉換器的電流，估計電機的轉角和轉子速度。控制模塊從估計單元接收估計轉角和估計速度，并將電機的參考磁通電壓和參考扭矩電壓輸出至旋轉/固定坐標轉換器，以補償由驅動電機時的負載所引起的誤差。于是，該控制系統大大減少了壓縮機的噪聲和振動，而不受電機啟動時由壓縮機的壓縮/膨脹行程而生成的負載的影響，并且防止壓縮機的性能退化。
文檔編號H02P21/05GK1489278SQ0312345
公開日2004年4月14日 申請日期2003年5月13日 優先權日2002年10月10日
發明者鄭達浩, 元俟喜, 吳在胤, 李炅勛 申請人:Lg電子株式會社