专利名称：电机控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制电机的系统，具体而言，涉及一种用于控制电机的系统，用来消除控制电机时产生的速度脉动和驱动电机时产生的噪声，其中的速度脉动是由驱动单旋压缩机时产生的负载而引起的。
背景技术：
通常，为了控制电机，需要电机控制系统来识别电机的速度信息或磁通信息。现有的电机控制系统配备有速度传感器，如分解器或脉冲编码器，或磁通传感器，来识别速度信息和磁通信息，但是这些传感器安装困难，且受安装环境影响大，因此不可避免地增加了制造成本。
所以，开发出了多种不使用速度传感器和磁通传感器的电机速度控制系统。如
图1所示，用于同步磁阻电机的无传感器控制系统包括三相电压发生器3，用于向驱动电机1的变流器2输出三相电压；估计单元4，用于根据接收到的变流器2传送至电机1的电流iu和iv，估计电机1的转子速度和转角；第一减法器5，用于通过从电机1的参考速度ω*中减去估计单元4生成的估计速度 生成参考速度ω*与估计速度 之差；和速度控制器6，用于根据参考速度ω*与估计速度 之差，生成参考扭矩电流iq*。
用于同步磁阻电机的无传感器控制系统进一步包括固定/旋转坐标转换器7，用于将估计单元4估计的值转换为旋转坐标系的值id和iq；第二减法器8，用于生成参考扭矩电流iq*和固定/旋转坐标转换器7的输出值之差；磁通指令发生器9，用于按照估计速度 生成参考磁通电流id*；第三减法器10，用于生成参考磁通电流id*和实际磁通电流id之差；电流控制器11，用于根据接收到的第二减法器8和第三减法器10的输出信号，生成参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*；和旋转/固定坐标转换器12，用于将电流控制器11的输出值转换为固定坐标系的值Vα*和Vβ*。
但是，如图2a所示，单旋压缩机的负载特性随电机的转角而改变，从而电机的速度特性在时间轴(t)上的变化如图2b所示。更具体的，由于在驱动压缩机的叶片时同时进行压缩和膨胀的行程，所以会发生60～100rpm的脉动，图2b在时间轴上绘出了电机的速度特性，显示了这个脉动，这些脉动导致不希望的压缩机振动或噪声以及压缩机性能退化。
发明内容
因此，本发明考虑到上面的问题，本发明的一个目的是提供一种用于控制电机的系统，该系统消除了由于驱动单旋压缩机时产生的负载而引起的可能使电机的速度特性退化的脉动，从而消除了压缩机的振动或噪声，并防止压缩机性能退化。
根据本发明，通过提供一种用于控制电机的系统可以实现上述及另外的目标，该系统包括三相电压发生器，用于向驱动电机的变流器输出三相电压；旋转/固定坐标转换器，用于将电机的旋转坐标系的参考磁通电压和参考扭矩电压转换为固定坐标系的数据，并将数据输出至三相电压发生器；固定/旋转坐标转换器，用于将由变流器向电机施加的三相电流转换为两相电流，从而将固定坐标系的电流转换为旋转坐标系的电流；估计单元，用于根据接收的施加到固定/旋转坐标转换器的电流，估计电机的转角及转子速度；和控制模块，用于从估计单元接收估计转角和估计速度，并将参考磁通电压和参考扭矩电压输出至旋转/固定坐标转换器，其中在参考磁通电压和参考扭矩电压中补偿了由驱动电机时的负载引起的误差。
附图简介由以下的详细说明，结合附图，可以更清楚地理解本发明的上述及另外的目的、特征及优点，其中图1是现有的同步磁阻电机的控制系统的框图；图2a和2b分别显示了单旋压缩机的负载特性图和速度特性图；图3是根据本发明最佳实施例的电机控制系统的框图；图4a至4c分别显示了图3中显示的电机的负载特性图、速度特性图和补偿信号图；图5是图3中显示的速度补偿器的详细电路图；和图6是根据本发明另一个最佳实施例的电机控制系统的框图。
最佳实施方式现在，参考附图描述本发明的最佳实施例。
图3是根据本发明最佳实施例的电机控制系统的框图。参考图3，电机M的控制系统包括三相电压发生器22，用于通过向变流器21施加三相电压，使变流器21可以根据微计算机(未显示)的控制信号驱动电机M；旋转/固定坐标转换器23，用于将电机M的旋转坐标系的参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*转换为固定坐标系的磁通电压Vα*和扭矩电压Vβ*，并将磁通电压Vα*和扭矩电压Vβ*输出至三相电压发生器22；和固定/旋转坐标转换器24，用于将变流器21向电机M施加的三相电流(iu、iv、iw)转换为两相电流，从而将固定坐标系的电流转换为旋转坐标系的电流。
电机控制系统进一步包括估计单元25和控制模块30。估计单元25用于根据接收的施加到固定/旋转坐标转换器24的电流iu和iv，估计电机M的转角和转子速度，并将估计的电机转角和转子速度输出至旋转/固定坐标转换器23和固定/旋转坐标转换器24。控制模块30用于从估计单元24接收估计转角和估计速度 并将电机M的旋转坐标系的参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*输出至旋转/固定坐标转换器23，以补偿由驱动电机M时产生的负载所引起的误差。
特别的，控制模块30通过将旋转坐标系的参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*输出至旋转/固定坐标转换器23，补偿由于驱动压缩机时产生的负载所生成的电机M的速度脉动。因此，电机控制系统可以最大程度地防止由电机M的负载而产生这种脉动。
控制模块30包括第一减法器31，用于生成电机M的参考速度ω*与估计单元25的电机M估计速度 之差；速度控制器32，用于根据从第一减法器31接收的参考速度ω*与估计速度 之差，生成控制电机M的速度的参考扭矩电流iq*；第二减法器33，用于生成速度控制器32生成的参考扭矩电流iq*和固定/旋转坐标转换器24生成的实际扭矩电流iq之差；磁通指令发生器34，用于根据电机M的估计速度 控制磁通，以生成参考磁通电流id*；和第三减法器35，用于生成参考磁通电流id*和固定/旋转坐标转换器24生成的实际磁通电流id之差。控制模块30进一步包括电流控制器36和速度补偿器37。电流控制器36用于根据电流id*和id之差，生成旋转坐标系的参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*，并将参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*输出至旋转/固定坐标转换器23。速度补偿器37用于将补偿信号Δiq*输出至第二减法器33，补偿信号Δiq*补偿速度控制器32生成的参考扭矩电流iq*中产生的脉动。
速度补偿器37根据电机转子的转角所确定的负载，或者根据电机M的估计速度中产生的脉动波形而生成补偿信号Δiq*。最好在补偿信号Δiq*和脉动波形之间存在180°相差。但是，应该注意，即使在补偿信号Δiq*和脉动波形之间没有正确提供180°相差时，脉动也被减小。
图4a是一个负载特性图，显示了电机控制系统中由压缩机压缩/膨胀行程而引起的负载特性。参考图4a，压缩机的负载随电机的转子的转角而周期性变化。
图4b描述了由图4a中显示的电机的负载特性而引起的电机的估计速度 如图4b所示，电机的估计速度 是由估计单元25估计的指定速度，且估计单元25生成的估计速度和估计转角(或电机的位置)分别变为电机控制系统的实际速度和实际转角。
参考图4b，实线标出的估计速度 比虚线标出的参考速度ω*多很多脉动Δω。根据脉动成分Δω的幅度，确定速度补偿器37生成的补偿信号Δiq*的幅度。
图4c是在时间轴上描述补偿信号Δiq*的图。补偿信号Δiq*下标出的转角θ用来在图上说明补偿信号Δiq*随电机转角而变化。在这种情况下，补偿信号Δiq*的幅度Δ在很大程度上受图4b的速度特性图中显示的脉动成分Δω的幅度的影响。
图5是图3中显示的速度补偿器37的详细电路图。
参考图5，速度补偿器37可以包括查询单元37a，用于向查询表中插入补偿信号的基波成分，它既考虑到电机的负载特性中生成的脉动成分，又考虑到速度特性中生成的脉动成分Δω；PI(比例积分)单元37b，用于在减小速度特性中生成的脉动成分Δω的方向上，确定补偿信号Δiq*的幅度Δ；和组合器37c，用于将查询单元37a的输出信号与PI单元37b的输出信号相组合，生成补偿信号Δiq*。
通常，速度控制器32的输出信号是电流iq*，它作为旋转坐标系q-轴的电流指令。电流指令通常由DC(直流)值表示，使得在减小由负载特性引起的脉动成分Δω时存在限制。于是，需要速度补偿器37将考虑了扭矩特性的补偿信号施加到速度控制器32的输出信号iq*上。
如图4a所示，在构造压缩机时确定负载特性、脉动成分和转子的转角之间的关系。更具体的，在建立了压缩机的结构，同时保持电机转子和叶片之间的预定相对距离的情况下，可以建立负载特性、脉动成分、转角之间的恒定关系。
速度补偿器37通过查询单元37a生成补偿信号，其中查询单元37a具有考虑了所述恒定关系的基波成分，从而速度补偿器37补偿了由脉动成分引起的基波成分。
另外，电机控制系统进一步包括限幅器38a和38b，用于限制施加到旋转/固定坐标转换器23的参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*的最小/最大值，从而得到稳定的电流控制器36输出信号Vd*和Vq*。
图6是根据本发明另一个最佳实施例的电机控制系统的框图。参考图6，电机M的控制系统包括三相电压发生器22，用于通过向变流器21施加三相电压，使变流器21可以根据微计算机(未显示)的控制信号驱动电机M；旋转/固定坐标转换器23，用于将电机M的旋转坐标系的参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*转换为固定坐标系的磁通电压Vα*和扭矩电压Vβ*，并将磁通电压Vα*和扭矩电压Vβ*输出至三相电压发生器22；固定/旋转坐标转换器24，用于将变流器21施加至电机M的三相电流(iu、iv、iw)转换为两相电流，从而将固定坐标系的电流转换为旋转坐标系的电流；和估计单元25，用于根据接收的施加至固定/旋转坐标转换器24的电流iu和iv，估计电机M的转角和转子速度，并将估计的电机转角和转子速度输出至旋转/固定坐标转换器23和固定/旋转坐标转换器24。
控制系统进一步包括控制模块40。控制模块40包括第一减法器41，用于生成电机M的参考速度ω*与估计单元25估计的速度 之差；速度控制器42，用于根据从第一减法器41接收的参考速度ω*与估计速度 之差，生成控制电机M的速度的参考扭矩电流iq*；第二减法器43，用于生成参考扭矩电流iq*和实际扭矩电流iq之差；磁通指令发生器44，用于根据估计速度 控制磁通，以生成参考磁通电流id*；第三减法器45，用于生成参考磁通电流id*和实际磁通电流id之差；电流控制器46，用于根据第二减法器43和第三减法器45的输出信号，生成参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*，并将参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*输出至旋转/固定坐标转换器23；和速度补偿器47，用于向第一减法器41输出补偿信号Δω*，以补偿因电机负载而在从第一减法器41产生的速度差信号中生成的脉动。
速度补偿器47使用与显示了第一实施例的图3中相同的原则而构造，但是与图3的速度补偿器37不同的是，它输出至第一减法器41的补偿信号Δω*是作为对速度指令值的补偿值，而不是对电流指令值的补偿值。
与图3中显示的第一最佳实施例的电机方式相同，根据本发明另一最佳实施例的电机可以进一步包括限幅器48a和48b，用于限制施加到旋转/固定坐标转换器23的参考磁通电压Vd*和参考扭矩电压Vq*的最小/最大值，从而得到稳定的电流控制器46输出信号Vd*和Vq*。
下面将详细介绍一种用于控制电机的方法。
步骤(a)中，生成电机的参考速度和估计速度之差。
步骤(b)中，根据步骤(a)中生成的速度差，生成用于控制电机速度的参考扭矩电流，同时根据估计的电机速度控制磁通，从而生成参考磁通电流。
步骤(c)中，生成参考扭矩电流和电机的实际扭矩电流之差，同时生成参考磁通电流和实际磁通电流之差，使得在上面的步骤(b)中生成的参考扭矩电流中不存在由电机负载引起的脉动。
步骤(d)中，依靠上面的步骤(c)的差值，生成参考磁通电压和参考扭矩电压，然后将其传送至三相电压发生器，以向驱动电机的变流器输出三相电压。
最后在步骤(e)中，变流器使用上面的步骤(d)中接收到的三相电压，控制电机。
更具体的，步骤(c)包括c1)参考存储了补偿信号的基波成分的查询表，该补偿信号既考虑了在电机的负载特性中生成的脉动成分，又考虑了在速度特性中生成的脉动成分；c2)在减小速度特性中生成的脉动成分的方向上，确定补偿信号的幅度；和c3)根据步骤(c1)和(c2)的确定结果，生成补偿信号，并从参考扭矩电流和实际扭矩电流之差中消除由电机负载引起的脉动。
进一步，为了在步骤(a)，而不是步骤(c)中，从参考扭矩电流和实际扭矩电流之差中消除由电机负载引起的脉动，可以参考查询表生成补偿信号，从而消除存在于估计速度和参考速度之差中的脉动。
从上面的说明可以清楚地看出，根据本发明的电机控制系统包括三相电压发生器，用于向驱动电机的变流器输出三相电压；旋转/固定坐标转换器，用于将电机的旋转坐标系的参考磁通电压和参考扭矩电压转换为固定坐标系的数据，并将数据输出至三相电压发生器；和固定/旋转坐标转换器，用于将由变流器向电机施加的三相电流转换为两相电流，从而将固定坐标系的电流转换为旋转坐标系的电流。另外，该电机控制系统进一步包括估计单元和控制模块。估计单元用于根据接收到的施加于固定/旋转坐标转换器的电流，估计电机的转角及转子速度。控制模块用于从估计单元接收估计转角和估计速度，并将电机的参考磁通电压和参考扭矩电压输出至旋转/固定坐标转换器，从而补偿由驱动电机时生成的负载所引起的误差。因此，该电机控制系统大大减小了压缩机的噪声和振动，而不受电机启动时压缩机的压缩/膨胀行程所生成的负载的影响，并防止压缩机性能退化。
尽管出于说明的目的披露了本发明的优选实施例，本领域技术人员可以理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明范围和精神的情况下，可以有各种改进、添加和替换。
权利要求
1.一种电机控制系统，包括三相电压发生器，用于向驱动电机的变流器输出三相电压；旋转/固定坐标转换器，用于将电机的旋转坐标系的参考磁通电压和参考扭矩电压转换为固定坐标系的数据，并将该数据输出至三相电压发生器；固定/旋转坐标转换器，用于将由变流器向电机施加的三相电流转换为两相电流，从而将固定坐标系的电流转换为旋转坐标系的电流；估计单元，用于根据接收的施加到固定/旋转坐标转换器的电流，估计电机的转角及转子速度；和控制模块；用于从估计单元接收估计转角和估计速度，并将参考磁通电压和参考扭矩电压输出至旋转/固定坐标转换器，其中补偿了由驱动电机时的负载所引起的误差。
2.根据权利要求1所述的系统，其中的控制模块包括第一减法器，用于生成电机的参考速度与估计单元估计的电机估计速度之差；速度控制器，用于根据从第一减法器接收的参考速度与估计速度之差，生成控制电机速度的参考扭矩电流；第二减法器，用于生成参考扭矩电流和实际扭矩电流之差；磁通指令发生器，用于根据估计速度控制磁通，以生成参考磁通电流；第三减法器，用于生成参考磁通电流和实际磁通电流之差；电流控制器，用于根据第三减法器生成的输出差，生成参考磁通电压和参考扭矩电压；和速度补偿器，用于向第二减法器输出补偿信号，补偿信号补偿了在速度控制器生成的参考扭矩电流中产生的脉动。
3.根据权利要求2所述的系统，其中的速度补偿器根据通过电机转子的转角而识别出的负载，生成补偿信号。
4.根据权利要求2所述的系统，其中的速度补偿器根据在电机的估计速度中生成的脉动波形，生成补偿信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其中的补偿信号和脉动波形互相错开180度相角。
6.根据权利要求4所述的系统，其中的速度补偿器包括查询单元，用于向查询表中插入补偿信号的基波成分，它既考虑到电机的负载特性中生成的脉动成分，又考虑到速度特性中生成的脉动成分；PI(比例积分)单元，用于在减小速度特性中生成的脉动成分的方向上，确定补偿信号的幅度；和组合器，用于将查询单元的输出信号与PI单元的输出信号相结合，生成补偿信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中的控制模块包括第一减法器，用于生成电机的参考速度与估计单元估计的电机估计速度之差；速度控制器，用于根据从第一减法器接收的参考速度与估计速度之差，生成控制电机速度的参考扭矩电流；第二减法器，用于生成参考扭矩电流和实际扭矩电流之差；磁通指令发生器，用于根据估计速度控制磁通，以生成参考磁通电流；第三减法器，用于生成参考磁通电流和实际磁通电流之差；电流控制器，用于根据第三减法器生成的输出差，生成参考磁通电压和参考扭矩电压；和速度补偿器，用于向第一减法器输出补偿信号，补偿信号补偿了由于电机负载而在第一减法器生成的速度差信号中生成的脉动。
8.根据权利要求7所述的系统，其中的速度补偿器根据通过电机转子的转角而识别的负载，生成补偿信号。
9.根据权利要求7所述的系统，其中的速度补偿器根据在电机的估计速度中生成的脉动波形，生成补偿信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其中的补偿信号和脉动波形互相错开180度相角。
11.根据权利要求9所述的系统，其中的速度补偿器包括查询单元，用于向查询表中插入补偿信号的基波成分，它既考虑到电机的负载特性中生成的脉动成分，又考虑到速度特性中生成的脉动成分；PI(比例积分)单元，用于在减小速度特性中生成的脉动成分的方向上，确定补偿信号的幅度；和组合器，用于将查询单元的输出信号与PI单元的输出信号相结合，生成补偿信号。
12.一种用于控制电机的方法，包括a)生成电机的参考速度和估计速度之差；b)生成参考扭矩电流，以根据步骤(a)中生成的速度差控制电机速度，同时根据电机的估计速度控制磁通，并生成参考磁通电流；c)生成参考磁通电流和实际磁通电流之差，同时生成参考扭矩电流和电机的实际扭矩电流之差，从而补偿电机在步骤(b)中生成的参考扭矩电流中所产生的脉动；d)根据步骤(c)生成的各差值，生成参考磁通电压和参考扭矩电压，并将参考磁通电压和参考扭矩电压传送至三相电压发生器，该三相电压发生器向驱动电机的变流器输出三相电压；和e)使变流器在接收到步骤(d)中生成的三相电压后控制电机。
13.根据权利要求12所述的方法，其中的步骤(c)包括c1)参考存储了补偿信号的基波成分的查询表，该补偿信号既考虑了在电机的负载特性中生成的脉动成分，又考虑了在速度特性中生成的脉动成分；c2)在减小速度特性中生成的脉动成分的方向上，确定补偿信号的幅度；和c3)根据步骤(c1)和(c2)的确定结果，生成补偿信号，并从参考扭矩电流和实际扭矩电流之差中消除由电机负载引起的脉动。
14.一种用于控制电机的方法，包括a)生成电机的参考速度和估计速度之差，以补偿由于电机负载而在估计速度中生成的脉动成分；b)生成参考扭矩电流，以根据步骤(a)中生成的速度差控制电机速度，同时根据电机的估计速度控制磁通，并生成参考磁通电流；c)生成参考磁通电流和实际磁通电流之差，同时生成参考扭矩电流和电机的实际扭矩电流之差，；d)根据步骤(c)生成的各差值，生成参考磁通电压和参考扭矩电压，并将参考磁通电压和参考扭矩电压传送至三相电压发生器，该三相电压发生器向驱动电机的变流器输出三相电压；和e)使变流器在接收到步骤(d)中生成的三相电压后控制电机。
15.根据权利要求14所述的方法，其中的步骤(c)包括c1)参考存储了补偿信号的基波成分的查询表，该补偿信号既考虑了在电机的负载特性中生成的脉动成分，又考虑了在速度特性中生成的脉动成分；c2)在减小速度特性中生成的脉动成分的方向上，确定补偿信号的幅度；和c3)根据步骤(c1)和(c2)的确定结果，生成补偿信号，并从参考速度和估计速度之差中消除由电机负载引起的脉动。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制电机的系统和方法。旋转/固定坐标转换器将旋转坐标系的参考磁通电压和参考扭矩电压转换为固定坐标系的数据，并将该数据输出至三相电压发生器。固定/旋转坐标转换器将变流器向电机施加的三相电流转换为两相电流。估计单元根据接收的施加于固定/旋转固定转换器的电流，估计电机的转角和转子速度。控制模块从估计单元接收估计转角和估计速度，并将电机的参考磁通电压和参考扭矩电压输出至旋转/固定坐标转换器，以补偿由驱动电机时的负载所引起的误差。于是，该控制系统大大减少了压缩机的噪声和振动，而不受电机启动时由压缩机的压缩/膨胀行程而生成的负载的影响，并且防止压缩机的性能退化。
文档编号H02P21/05GK1489278SQ0312345
公开日2004年4月14日 申请日期2003年5月13日 优先权日2002年10月10日
发明者郑达浩, 元俟喜, 吴在胤, 李炅勋 申请人:Lg电子株式会社