TWI754965B

TWI754965B - 電機轉子頻率估測方法

Info

Publication number: TWI754965B
Application number: TW109120347A
Authority: TW
Inventors: 曾紹凱; 許原綦; 吳昇翰; 張勝捷
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2022-02-11
Also published as: TW202201031A

Abstract

一種用以估測電機在自由滑行期間的轉子頻率的估測方法，包含：逐次以固定輸入電壓及選擇自複數個定子頻率中之一者施予電機，以進行掃頻；感測電機對應定子頻率的定子電流值；逐次計算定子電流值的定子電流斜率；自定子電流斜率由正轉負之起點及由負轉正之終點，定義目標期間；以及判斷定子頻率與轉子頻率的差值小於一設定值，以相應於目標期間之任一定子頻率，作為轉子頻率的估測值。

Description

電機轉子頻率估測方法

本揭示內容是關於一種電機轉子頻率估測方法，且特別是關於一種用以估測電機在自由滑行期間的轉子頻率的估測方法。

在電機的各種應用中，為了節能，往往會依照負載的狀況對電機進行加速或減速。在此過程中，當電機自由滑行（freewheeling）時，必須估測出電機此時的轉子頻率，才能以變頻器進行適切的追速運轉，以將電機控制到目標轉速。否則在再啟動的過程中，可能會造成啟動失敗，甚至因為過電壓過電流而導致變頻器毀損。

因此，如何準確地估測電機在自由滑行期間的轉子頻率，是本領域的重要課題之一。

本揭示內容的一態樣係關於一種估測方法。估測方法，應用於電機控制系統，用以估測電機在自由滑行期間的轉子頻率，電機控制系統包括控制器及電流感測器。估測方法包含：控制器逐次以固定輸入電壓及選擇自複數個定子頻率中之一者施予電機，以進行掃頻；電流感測器感測電機對應定子頻率的定子電流值；控制器依據定子電流值逐次計算定子電流斜率；控制器自定子電流斜率由正轉負之起點及由負轉正之終點，定義目標期間；以及進行掃頻時，控制器判斷定子頻率與轉子頻率的差值小於一設定值，以相應於目標期間之複數個時間點中之任一者的定子頻率，作為轉子頻率的估測值。

綜上所述，藉由滑差變小定子電流會下降的特性，透過逐次施予固定輸入電壓和選擇自多個定子頻率中之一者進行掃描，便能根據定子電流斜率正負轉換的時間點定義目標期間。因判斷出定子頻率接近於轉子頻率的目標期間，故可以自目標期間任一點的定子頻率指定而取得轉子頻率的估測值。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所描述的具體實施例僅用以解釋本案，並不用來限定本案，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭示內容所涵蓋的範圍。

一般而言，為了精準估測在自由滑行的電機的轉子頻率，通常是根據電機在設計或製造的參數模型以計算出轉子頻率。然而，此方法必須依照不同大小、種類、用途的電機進行參數設定，才能施予適當的電流命令和電壓命令進行掃頻，且在掃頻過程中必須持續監控輸入電流和電壓。所需耗費的估測時間較長，且可能導致估測不準確的變因也較多。此外，越複雜的計算可能會增加成本，且無法即時性地取得估測值並進行補償而造成延遲。

為了解決上述問題，本案將使用感應電機搭配V/f開迴路控制，在不需要電機參數的條件下，藉由定子電流的斜率變化判斷定子頻率接近轉子頻率的操作點，以取得轉子頻率的估測值。詳細內容將於後續段落中敘明，在此將先說明電機的運作原理和參數波形。

請參考第1A圖及第1B圖。第1A圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種電機控制系統1與一電機2電性連接的系統示意圖。第1B圖係根據第1A圖之部分實施例的電機2的等效電路圖。如第1A圖所示，電機控制系統1與電機2連接。電機控制系統1用以控制電機2。電機控制系統1至少包括控制器11、電流感測器12a、12b及功率級電路13。在本揭示的部分實施例中，電機控制系統1例如為變頻器，電機2例如為異步電動機（asynchronous motor）或感應電動機（induction motor），電機控制系統1接收外部的輸入電源AC，經功率及電路轉換成輸出電源提供給電機2，操作過程中藉由電流感測器12a、12b分別感測到a相、b相的回授電流Ia、Ib，並經類比數位轉換後提供轉換過的兩相回授電流Ia_AD、Ib_AD給控制器11進行計算，而得到電機2的定子電流Is，其餘細節稍後詳述。

如第1B圖所示，V _s為定子電壓，Is為定子電流，jXs為定子漏感，Rs為定子電阻，jXm為勵磁電感，jXr為轉子漏感，Rr為轉子電阻，s為滑差（slip）。其中，滑差s的定義如式(1)所示。

式(1)

異步電動機（asynchronous motor）是以定子線圈利用電磁感應的方式使轉子產生感應電流，進而輸出轉矩而使得電動機轉動。為了要產生轉子電流，轉子的實際轉速(如式(1)中的n_r)會比定子磁場的轉速(如式(1)中的n_s)慢一些。而兩者的轉速差相對於實際轉速的比例則稱為滑差s。因此，由第1B圖和式(1)可知，當定子頻率Fs和轉子頻率Fr接近時，滑差s越小，定子等效阻抗Zs_eq(如第2A圖所示)越大。

請參考第2A圖、第2B圖和第3圖。第2A圖、第2B圖和第3圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示各種電機參數的波形示意圖。具體而言，在本案實施例中，控制器11將施予電機2固定的電壓命令，並自複數個不同的定子頻率Fs中選擇一者經由變頻器逐次施予至定子，以進行掃頻。舉例來說，控制器11先施予電機2固定的電流命令，直到電機2達穩態時，以穩態中的電壓(如第2A圖中所示30伏特)作為固定電壓命令。接著，以由高至低的順序逐次選擇不同頻率(如第2A圖中所示50赫茲至0赫茲)施予至定子，以進行掃頻。

由於滑差小於零(即，定子頻率Fs小於轉子頻率Fr)時，電機2處於發電機模式。因此，為了避免開始掃頻便對直流鏈電容進行儲能，將以由高至低的順序進行掃頻，以確保安全。此外，在本實施例中，進行掃頻的時間，每次短於0.4秒。例如，一次掃頻所需時間可約為0.3秒，但本案不以此為限，可依需求進行調整。

在掃頻過程中，如第2A圖和第2B圖所示，定子頻率Fs會逐漸接近轉子頻率Fr直到兩者相等，然後彼此數值再逐漸遠離。當定子頻率Fs逐漸接近轉子頻率Fr時，由於滑差s縮小，定子等效阻抗Zs_eq將上升，而定子電流Is將下降，如第0.1秒至0.2秒之間所示。接著，當定子頻率Fs和轉子頻率Fr相等時，定子等效阻抗Zs_eq達到最大值，而定子電流Is達到最小值，如第0.2秒所示。此外，此時的輸入功率Ps為零。接著，當定子頻率Fs低於轉子頻率Fr且數值越來越遠離時，定子等效阻抗Zs_eq將下降，而定子電流Is將上升，如第0.2秒之後所示。前述時間，第0.2秒，可定義為輸入功率Ps過零點的時間。進行掃頻遇到前述定子電流Is達到最小值，或輸入功率Ps過零點，均可作為觸發條件，以對電機2進行估測量補償。當定子頻率Fs和轉子頻率Fr接近時，彼此間的頻率的差值小於一設定值，該設定值例如為2.5赫茲，可作為判斷標準。

由此可知，根據定子等效阻抗Zs_eq達到最高點(亦即，定子電流Is達最低點)時的定子轉速Fs，取其接近的數值，略高或略低者，便能約略推估轉子頻率Fr的數值。

又如第3圖所示，定子等效阻抗Z1~Z5是分別對轉子頻率為40赫茲、30赫茲、20赫茲、10赫茲和1赫茲進行掃頻的結果。如第3圖所示，定子等效阻抗Z1~Z5分別達到最高點的時間點為X1~X5。相應於時間點X1~X5的定子轉速為Y1~Y5，即約略符合轉子頻率的40赫茲、30赫茲、20赫茲、10赫茲和1赫茲。

換言之，透過施加固定的電壓命令和不同頻率至定子進行掃頻，並感測定子電流最小值以及計算定子電流的斜率，可判斷定子頻率接近轉子頻率的時間區間，以取得轉子頻率的估測值。

請參考第4圖。第4圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種估測方法400的流程圖。為方便及清楚說明起見，下述估測方法400是配合第5圖所示實施例進行說明，但不以此為限，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可對作各種更動與潤飾。如第4圖所示，估測方法400包含操作S410、S420、S430、S440以及S450。

首先，在操作S410中，控制器11逐次施予電機2複數個定子頻率中選擇之一者和一固定輸入電壓以進行掃頻。具體而言，如第5圖所示，在時間點T0至時間點T2的期間，控制器11逐次選擇定子頻率Fs以由高至低的順序輸入電機2以進行掃頻。此外，在部分實施例中，為了避免過大的掃頻電流產生轉矩影響轉子的轉速，控制器11將設定電流命定為電機2的額定電流值的20%，並待定子電流Is進入穩態後的電壓作為掃頻的固定輸入之電壓，以確保定子頻率Fs在接近轉子頻率Fr之前，定子電流Is會保持遞增(如期間P0中定子電流Is維持遞增)。值得注意的是，電流命令的大小僅為方便說明的例子，並非用以限制本案。

接著，在操作S420中，電流感測器12感測電機 2的定子電流值Is。具體而言，在掃頻期間感測定子電流值Is。在部分實施例中，從估測方法100開始到結束前，可隨時感測電機2的定子電流值Is。

接著，在操作S430中，控制器11計算定子電流值Is的定子電流斜率。具體而言，在逐次掃頻期間，根據本次及前次感測到的定子電流值，計算本次定子電流即時的斜率。舉例來說，以每100微秒取樣一次的頻率進行逐次感測，將當前一筆(下稱本次)的定子電流值與前一筆(下稱前次)的定子電流值進行比較。若本次感測的定子電流值相較於前次感測的定子電流值小，則本次定子電流斜率小於零，為負值。若本次感測的定子電流值相較於前次感測的定子電流值大，則本次定子電流斜率大於零，為正值。在其他部分實施例中，可將當前N筆(即，包含本次在內的多次取樣)的定子電流值的平均值與前N筆(即，包含前次在內的多次取樣)的定子電流值的平均值進行比較。N為大於一的正整數。例如，分別取第5圖中時間點T3及T1附近各N筆定子電流值，分別計算出平均值再進行比較。如第5圖所示，時間點T3相應的平均值小於時間點T1相應的平均值，因此可判定定子電流斜率小於零。除了以資料筆數作為計算平均值的取樣標準，亦可以一個預設時段內逐次掃頻所得的定子電流值進行平均計算。例如，於第一時段(如包含第5圖中時間點T1的一段期間)逐次掃頻以計算出第一平均值，並於第二時段(如包含第5圖中時間點T3的一段期間)逐次掃頻以計算出第二平均值，再比較第一平均值和第二平均值的大小以判定定子電流斜率的正負。其中，第一時段的起始時間早於第二時段的起始時間(如時間點T1早於時間點T3)。在部分實施例中，第一時段和第二時段可部分重疊。以每100微秒感測一次為例，第一時段可為第0~1000微秒，第二時段可為第500~1500微秒。將各自十次的定子電流感測值進行平均並以其大小判定定子電流斜率的正負。其中第一時段和第二時段重疊於第500~1000微秒。值得注意的是，上述取樣頻率僅為方便說明的例子，本案並不以此為限。需說明的是，前述多種計算方法對於電流斜率的正值或負值的定義類似，此不贅述。

接著，在操作S440中，控制器11以定子電流斜率由正轉負時作為一起點，以定子電流斜率由負轉正時作為一終點，起點與終點定義一目標期間。換言之，目標期間為自定子電流斜率開始小於零到定子電流斜率轉為大於零之間的期間，亦即，在目標期間定子電流斜率始終為負值。

具體而言，如上述段落中所述，隨著定子頻率Fs接近實際轉子頻率Fr，定子等效阻抗Zs_eq將上升，定子電流Is則將下降。因此，當定子電流斜率開始由正轉負時，代表定子等效阻抗Zs_eq開始上升，亦即，定子頻率Fs正在接近實際轉子頻率Fr。故，以定子電流斜率由正轉負時作為目標期間的起點(如第5圖中的時間點T1)。

而如上述段落中所述，理論上，在定子頻率Fs和實際轉子頻率Fr相等時，定子等效阻抗Zs_eq將達到最大值，定子的電流Is則將達到最小值。因此，當定子電流斜率開始由負轉正時，代表定子等效阻抗Zs_eq的最高點已過，亦即，定子頻率Fs已開始小於實際轉子頻率Fr。故，以定子電流斜率由負轉正時作為目標期間的終點(如第5圖中的時間點T2)。

如此一來，藉由定子電流斜率在正負值轉換的時間點，便能判斷出在此目標期間(如第5圖中的期間P1)中的定子頻率Fs是接近於轉子頻率Fr的。

最後，在操作S450中，定子頻率Fs中相應於目標期間之一者均接近於轉子頻率Fr，故進行掃頻時，控制器11先判斷定子頻率Fs和轉子頻率Fr彼此接近且兩者頻率的差值小於一設定值，該設定值例如為2.5赫茲，再以所判斷相應於目標期間的複數個定子頻率Fs中之任一者作為轉子頻率Fr的估測值。在一較佳實施例中，進行掃頻時，控制器11以相應於目標期間之一中間點的定子頻率Fs，作為該轉子頻率Fr的一估測值，通常於該目標期間的中間點，電流斜率下降幅度將開始趨緩。具體而言，如第5圖所示，可選定期間P1中任一時間點作為操作點。根據此操作點所對應的定子頻率Fs(即，頻率F1到頻率F2之間相應一者)作為轉子頻率Fr的估測值。換言之，在時間點T2後，將時間點T2所對應的定子頻率Fs(即，頻率F2)再加上一個補償值作為轉子頻率Fr的估測值，其中補償值為操作點所對應的定子頻率Fs(即，頻率F1到頻率F2之間的某一數值)和頻率F2的差值。

進一步詳細來說，由定子頻率和實際轉子頻率的波形圖(如第2A圖)中可知，雖然理想上在定子頻率Fs和實際轉子頻率Fr相等時，定子電流Is應為最小值，然而，實務上會因暫態或濾波導致訊號落後，使得定子電流達最小值的時間點出現延遲，如第2B圖中定子電流Ir所示。因此，控制器11若以電流感測器12感測到定子電流為最小值的時間點作為操作點，取得的估測值會低於實際的轉子頻率Fr。

在第5圖之實施例中，在定子電流Is才剛開始下降(如時間點T1)時，不會是定子頻率Fs最接近轉子頻率Fr的時候。此外，由於訊號延遲，在定子電流Is達到最低點(如時間點T2)時，也不會是定子頻率Fs最接近轉子頻率Fr的時候。因此，操作點可選定在期間P1中不是靠近時間點T1，也不是靠近時間點T2的另一個時間點，如期間P1a中之一者。

例如，在部分實施例中，操作點可選定期間P1的中間點，如時間點T3。根據時間點T3所對應的定子頻率Fs(即頻率F3)作為轉子頻率Fr的估測值，此時轉子電流Is下降幅度開始趨緩，或電流斜率下降幅度開始趨緩。或者，在其他部分實施例中，操作點可選定在期間P1中後半段但靠近中間點的一個時間點，如期間P1b中之一者，亦即，始於時間點T3但不超過時間點T4中之一者，以避免估測受到前述訊號延遲的影響。根據期間P1b中的一個時間點所對應的定子頻率Fs(即頻率F3到頻率F4之間相應一者)作為轉子頻率Fr的估測值。

如此一來，藉由定子頻率和轉子頻率相近時，定子等效阻抗Zs_eq會上升而定子電流會下降的特性，利用固定輸入電壓以不同頻率施予定子進行掃描，便能根據定子電流斜率正負值轉換的時間點，推測出定子頻率接近於轉子頻率的目標期間，進而選定適當的操作點以取得轉子頻率的估測值。此時定子頻率Fs和轉子頻率Fr接近，彼此間的頻率的差值小於一設定值，該設定值例如為2.5赫茲。

請參考第6圖。第6圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種電機轉速對時間的波形示意圖。如第6圖所示，在階段S1中，電機2由靜止加速至額定轉速。在階段S2中，電機以市電進行運轉。在階段S3中，當切斷市電後，電機將自由滑行。此時，可利用上述估測方法100對轉子的實際轉速進行估測，以取得轉子頻率Fr的估測值。在階段S4中，變頻器或本案的控制器11可依據轉子頻率的估測值進行追速運轉。如此一來，在階段S4中，電機2便能降速至目標低速。

雖然本文將所公開的方法示出和描述為一系列的步驟或事件，但是應當理解，所示出的這些步驟或事件的順序不應解釋為限制意義。例如，部分步驟可以以不同順序發生和/或與除了本文所示和/或所描述之步驟或事件以外的其他步驟或事件同時發生。另外，實施本文所描述的一個或多個態樣或實施例時，並非所有於此示出的步驟皆為必需。此外，本文中的一個或多個步驟亦可能在一個或多個分離的步驟和/或階段中執行。

綜上所述，本案透過應用上述各個實施例中，藉由滑差變小定子電流會下降的特性，透過施予固定輸入電壓和多個定子頻率進行掃描，便能根據定子電流斜率正負轉換的時間點，判斷出定子頻率接近於轉子頻率的目標期間，以取得轉子頻率的估測值。在不需利用電機參數的條件下，有效縮短估測時間，並提高估測的精準度。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，所屬技術領域具有通常知識者在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:電機控制系統

11:控制器

12a,12b:電流感測器

13:功率級電路

2:電機

Ia,Ib,Ia_AD,Ib_AD:回授電流

Vs:定子電壓

Is:定子電流

jXs:定子漏感

Rs:定子電阻

jXm:勵磁電感

jXr:轉子漏感

Rr:轉子電阻

s:滑差

Fs:定子頻率

Fr:轉子頻率

Zs_eq:定子等效阻抗

Is,Ir:定子電流

Ps:輸入功率

X1~X5:時間點

Y1~Y5:定子頻率

Z1~Z5:定子等效阻抗

400:估測方法

S410,S420,S430,S440,S450:操作

P0,P1,P1a,P1b:期間

T0,T1,T2,T3,T4:時間點

F1,F2,F3,F4:頻率

S1,S2,S3,S4:階段

第1A圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種電機控制系統與一電機電性連接的系統示意圖。第1B圖係根據第1A圖之部分實施例的電機的等效電路圖。第2A圖、第2B圖和第3圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示各種電機參數的波形示意圖。第4圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種估測方法的流程圖。第5圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種估測參數的波形示意圖。第6圖係根據本揭示內容之部分實施例繪示一種電機轉速對時間的波形示意圖。

400:估測方法 S410,S420,S430,S440,S450:操作

Claims

一種估測方法，應用於一電機控制系統，用以估測一電機在一自由滑行期間的一轉子頻率，該電機控制系統包括一控制器及一電流感測器，該估測方法包含：該控制器逐次以一固定輸入電壓及選擇自複數個定子頻率中之一者施予該電機，以進行掃頻；該電流感測器感測該電機對應該定子頻率的一定子電流值；該控制器依據該定子電流值逐次計算一定子電流斜率；該控制器自該定子電流斜率由正轉負之一起點以及由負轉正之一終點，定義一目標期間；以及進行掃頻時，該控制器判斷該定子頻率與該轉子頻率的差值小於一設定值，以相應於該目標期間之複數個時間點中之任一者的該定子頻率，作為該轉子頻率的一估測值。
如請求項1所述之估測方法，其中該控制器以在該目標期間的中間點時，該電機被施予的該定子頻率作為該估測值。
如請求項1所述之估測方法，其中該控制器在進行掃頻時，以在一第一時間點時該電機被施予的該定子頻率作為該估測值，該第一時間點位於該目標期間的後半段。
如請求項3所述之估測方法，其中在該控制器進行掃頻時，以在一第二時間點時該電機被施予的該定子頻率作為該估測值，該第二時間點位於該目標期間的中間。
如請求項1所述之估測方法，其中在該控制器進行掃頻時，將該複數個定子頻率以由高到低的順序逐次選擇，並施予至該電機。
如請求項1所述之估測方法，其中該固定輸入電壓為該控制器以一電流命令施予該電機後，該電機到達穩態時的電壓值，該電流命令為該電機一額定電流值的百分之二十。
如請求項1所述之估測方法，其中該設定值為2.5赫茲。
如請求項2所述之估測方法，其中在該控制器進行掃頻時，每次的時間短於0.4秒。
如請求項1所述之估測方法，其中計算該定子電流斜率包含：在該控制器進行掃頻時，比較包含本次的複數個定子電流值的一第一平均值與包含前次的複數個定子電流值的一第二平均值；若該第一平均值小於該第二平均值，則該控制器判斷本次的定子電流斜率為負值；以及若該第一平均值大於該第二平均值，則該控制器判斷本次的定子電流斜率為正值。
如請求項9所述之估測方法，其中該控制器於一第一時段進行掃頻以計算該第一平均值，以及於一第二時段進行掃頻以計算該第二平均值，其中該第一時段與該第二時段部份重疊。