用于电流源转换器的高动态控制设备制造技术

本公开涉及用于电流源转换器的高动态控制设备。介绍了用于通过实现与一个或更多个电机控制回路(68)平行的DC链路电流控制回路(63P)而具有高动态性能的电流源转换器(10)和控制方法(100)，其中用于操作电流源整流器(30)的DC链路电流控制命令值(I*dc.ref)是至少部分地独立于电机控制命令值(ω*r,T*,Ψ*)来被推导的，其中，某些实现将电流源整流器(30)驱动至其最大额定值(I*dc.max)，或者可以利用增益因子(GAINdc)将DC电流命令值(I*dc.ref)设置在电流源逆变器所需的量以上，以平衡所需的动态性能和效率，其中所述增益因子(GAINdc)能够被固定或其自身能够基于一个或更多个电机控制误差值(ωerr,Terr,Ψerr)而被调节。

【技术实现步骤摘要】
用于电流源转换器的高动态控制设备
本专利技术涉及电力转换系统，具体地涉及用于电流源转换器的高动态控制设备、用于控制电流源转换器的方法以及电机驱动器。
技术介绍
电力转换系统将输入电力从一种形式转换为另一种形式以驱动负载。电流源转换器(CSC)类型的驱动器通常包括电流源整流器(CSR)，以选择性地切换AC输入电力来产生被馈送至电流源逆变器(CSI)的DC链路电流，从而提供用于以受控速度和/或施加扭矩来驱动电机负载的单相或多相AC输出电流。电流源转换器通常用于中压应用(例如2.3-13.8kV)并且提供某些优点例如稳定性和直接输出电流控制。然而，某些应用需要半导体闸流管或能够经受高开关电压的其他电流源整流器开关，并且与CSR开关相关联的开关损失一般随开关频率而增大。对于中压驱动器，通常开关频率为大约500Hz。另外，电流源转换器通常采用具有相对较长时间常量的大的DC链路扼流圈。因此，电流源整流器的动态性能通常限于大约200Hz或更小。此外，在电机驱动应用中，整流器和电流源逆变器的开关操作通常采用多个控制回路，该多个控制回路包括用于调节DC链路电流的控制回路以及用于调节电机速度、扭矩和转子磁通等的一个或更多个电机控制回路。常规的多回路控制方法提供内部DC链路电流控制回路以及用于控制电机工作参数的一个或更多个外部回路。然而，电机驱动应用越来越要求对负载变化和/或速度或扭矩设定点的步进变化的较快动态响应，并且通过内部DC链路电流控制回路的动态限制来限制多回路嵌套的控制架构的动态响应。因此，遗留针对提供电流源转换器的较高动态操作的改进的电流源转换器和控制技术的需求。专利
技术实现思路
现在对本公开内容的一个或更多个方面进行概述以便于本公开内容的基本理解，其中，本概述不是本公开内容的详尽概括，并且既不旨在标明本公开内容的某些要素，也不旨在限定本公开内容的范围。相反地，该概述的主要目的是在下文介绍的更详细描述之前以简化的形式提出本公开内容的各种概念。本公开内容提供一种新颖的电流源转换器控制的方法，该方法通过至少部分地独立于其他电机控制回路来操作电流源调节器以便于整个电机驱动器的增强的动态性能。在某些实施方式中，DC电流控制回路是完全独立的，电流源调节器根据固定命令信号或值例如最大额定电流来工作。在其他实施方式中，在无显著效率损失的情况下，DC电流控制回路是根据命令信号或值来工作的，该命令信号或值是根据大于单位值的增益因子和逆变器电流命令量值所计算的，以提供便于电流源逆变器的高动态操作的容限，从而适配于负载瞬变和电机控制回路设定点变化。该增益因子可以是用户可调节的和/或可以是基于一个或更多个电机控制回路误差信号而被自动调节的。通过这些技术，可以提高电流源转换器的动态性能，并且可以在转换器效率和动态增强的量之间做出权衡。因此，可以利用除逆变器电流和/或电压回路之外的DC电流回路以及具有增强的向上载波频率适配性的速度回路、扭矩回路和磁通量回路来实现磁场定向控制方法，以通过提供平行的DC电流控制回路来避免或减轻与DC电流控制相关联的动态限制。根据本公开内容的一个或更多个方面提供了一种电机驱动器，该电机驱动器具有电流源整流器、电流源逆变器、中间DC电路以及控制器，该控制器通过提供逆变器开关控制信号来实现一个或更多个电机控制回路以控制电机负载的操作。控制器实现与一个或更多个电机控制回路平行的DC电流控制回路以根据至少部分地独立于一个或更多个电机命令信号或值而推导的至少一个DC电流命令信号或值，提供用于转换AC输入电力的整流器开关控制信号以调节提供至中间DC电路的DC电流。在某些实施方式中，控制器通过根据恒定DC电流命令例如电流源整流器的最大额定DC电流而提供整流器控制信号来实现独立于一个或更多个电机控制回路的DC电流回路，并且在某些实现中，控制器可以使用户能够调节电流命令。此外，在各种实施方式中，控制器利用调制指数、根据来自至少一个电机控制回路的至少一个逆变器电流命令信号或值来向逆变器提供经脉冲宽度调制的开关控制信号，所述调制指数是根据通过整流器DC电流值而按比例调整的至少一个逆变器电流命令信号或值的量值来计算的。在某些实施方式中，CSC转换器控制器基于DC电流命令信号或值来提供整流器控制信号，所述DC电流命令信号或值被计算为来自一个或更多个电机控制回路的一个或更多个逆变器电流命令信号或值的量值与增益值的乘积，其中该增益值大于1.0，例如在某些实现中为约1.1-1.5。此外，在某些实施方式中，控制器可以被编程为使用户能够调节增益值。在一些实施方式中，控制器通过针对电机控制回路误差的增大而选择性地增大增益，并且反之亦然，来根据一个或更多个电机控制回路误差信号或值——例如速度误差、扭矩误差、磁通误差等——来自动地调节增益值。以此方式，基于需求来增大通过非单位值增益因子所提供的额外容限以便于高动态响应，并且随着电机控制接近所期望的工作条件，减小增益以避免过度的效率损失。控制器的某些实现在电机驱动器上电时和电机驱动器上电之后的预定时间内、利用最大额定DC电流命令信号或值来操作电流源整流器，并且其后，利用被计算为逆变器电流命令信号或值的量值与增益值的乘积的DC电流命令信号或值来操作电流源整流器，其中该增益值大于1.0。以此方式，在电机驱动器启动时，控制器可以潜在地适应高扭矩要求，并且其后，控制器根据非单位值增益来控制整流器以提高效率和随后所需的高动态性能。本公开内容的其他方面提供一种用于电流源转换器控制的方法，该方法包括：通过根据至少一个负载命令信号或值而提供电流源逆变器开关控制信号，来实现一个或更多个负载控制回路；至少部分地独立于至少一个负载命令信号或值来计算DC电流命令信号或值；以及通过根据DC电流命令信号或值提供整流器开关控制信号，来实现与一个或更多个负载控制回路平行的DC电流控制回路。根据本公开内容的其他方面，提供一种非暂态计算机可读介质，所述非暂态计算机可读介质具有用于执行电机驱动控制方法的计算机可执行指令。附图说明以下描述和附图详细阐述了本公开内容的某些说明性实现，这些实现指示了其中可以实施本公开内容的各种原理的若干示例性方式。然而，所示出的示例未穷举本公开内容的许多可能实施方式。将在下面的结合附图考虑的具体实施方式中阐述本公开内容的其他目的、优点和新颖特征，其中：图1是示出根据本公开内容的一个或更多个方面的实现平行DC电流控制回路的示例性电流源转换器(CSC)AC电机驱动器的示意图；图2是示出根据本公开内容的利用独立于其他控制回路而被控制的平行DC电流回路来实现多回路控制方案的电机驱动控制器的第一实施方式的细节的示意性dq坐标图；图3是示出具有根据基于所要求的逆变器电流值、利用非单位值增益值所计算的命令值而操作的平行DC电流回路的另一电机驱动控制器实施方式的细节的示意性dq坐标图；图4是示出根据图3的控制配置的CSC电机驱动器的启动操作的流程图；图5是示出在图1和图3的CSC电机驱动器的启动期间随时间变化的DC电流回路参考命令值的曲线图；图6是示出根据本公开内容具有根据速度误差值而确定的可调节增益的平行DC电流回路的第三电机驱动控制器实施方式的细节的示意图；以及图7是示出具有作为最内部回路的DC电流回路的嵌套控制回路配置的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电机驱动器(10)，包括：电流源整流器(30)，其包括根据多个整流器开关控制信号(62a)中的相应一个整流器开关控制信号能够单独工作的多个整流器开关器件(S1‑S6)以提供受控DC电流(Idc)；中间DC电路(40)，其包括至少一个电感(Ldc1，Ldc2)以及第一DC电流通路和第二DC电流通路，所述第一DC电流通路和所述第二DC电流通路与所述电流源整流器(30)的相应的第一DC输出节点和第二DC输出节点耦接；电流源逆变器(50)，其包括多个逆变器开关器件(S7‑S12)，所述多个逆变器开关器件(S7‑S12)根据多个逆变器开关控制信号(66a)中的相应一个逆变器开关控制信号能够单独工作以选择性地将所述中间DC电路(40)的所述第一DC电流通路和所述第二DC电流通路中的相应的一个DC电流通路与相应的AC输出节点耦接，以提供用于驱动电机负载(6)的受控AC输出电流(is.u,is.v,is.w)；以及控制器(60)，其被编程为通过以闭合回路方式、根据至少一个电机命令信号或值(ω*r,T*,Ψ*)来提供所述逆变器开关控制信号(66a)以使所述电流源逆变器(50)选择性地转换来自所述中间DC电路(40)的DC电流以调节提供至所述电机负载(6)的所述AC输出电流(is.u,is.v,is.w)，来实现用于控制所述电机负载(6)的至少一个工作参数(ωr,T,Ψ)的至少一个电机控制回路(68)，所述控制器(60)被编程为通过以闭合回路方式、根据至少一个DC电流命令信号或值(I*dc.ref)来提供所述整流器开关控制信号(62a)以使所述电流源整流器(30)选择性地转换AC输入功率以调节由所述电流源整流器(30)提供至所述中间DC电路(40)的所述DC电流(Idc)，来实现与所述至少一个电机控制回路(68)平行的DC电流控制回路(63P)，所述至少一个DC电流命令信号或值(I*dc.ref)是至少部分地独立于所述至少一个电机命令信号或值(ω*r,T*,Ψ*)来被推导的。...

【技术特征摘要】
2013.10.01 US 14/042,7561.一种电机驱动器(10)，包括：电流源整流器(30)，其包括根据多个整流器开关控制信号(62a)中的相应一个整流器开关控制信号能够单独工作的多个整流器开关器件(S1-S6)以提供受控DC电流(Idc)；中间DC电路(40)，其包括至少一个电感(Ldc1，Ldc2)以及第一DC电流通路和第二DC电流通路，所述第一DC电流通路和所述第二DC电流通路与所述电流源整流器(30)的相应的第一DC输出节点和第二DC输出节点耦接；电流源逆变器(50)，其包括多个逆变器开关器件(S7-S12)，所述多个逆变器开关器件(S7-S12)根据多个逆变器开关控制信号(66a)中的相应一个逆变器开关控制信号能够单独工作以选择性地将所述中间DC电路(40)的所述第一DC电流通路和所述第二DC电流通路中的相应的一个DC电流通路与相应的AC输出节点耦接，以提供用于驱动电机负载(6)的受控AC输出电流(is.u,is.v,is.w)；以及控制器(60)，其被编程为通过以闭合回路方式、根据至少一个电机命令信号或值(ω*r,T*,Ψ*)来提供所述逆变器开关控制信号(66a)以使所述电流源逆变器(50)选择性地转换来自所述中间DC电路(40)的DC电流以调节提供至所述电机负载(6)的所述AC输出电流(is.u,is.v,is.w)，来实现用于控制所述电机负载(6)的至少一个工作参数(ωr,T,Ψ)的至少一个电机控制回路(68)，所述控制器(60)被编程为通过以闭合回路方式、根据至少一个DC电流命令信号或值(I*dc.ref)来提供所述整流器开关控制信号(62a)以使所述电流源整流器(30)选择性地转换AC输入功率以调节由所述电流源整流器(30)提供至所述中间DC电路(40)的所述DC电流(Idc)，来实现与所述至少一个电机控制回路(68)平行的DC电流控制回路(63P)，所述至少一个DC电流命令信号或值(I*dc.ref)是至少部分地独立于所述至少一个电机命令信号或值(ω*r,T*,Ψ*)来被推导的，其中，所述控制器(60)被编程为通过在所述电机驱动器(10)上电时、根据所述DC电流命令信号或值(I*dc.ref)提供所述整流器开关控制信号(62a)，来实现所述DC电流控制回路(63P)，其中在所述电机驱动器(10)上电时和所述电机驱动器(10)上电之后的预定时间段内，所述DC电流命令信号或值(I*dc.ref)被设置为所述电流源整流器(30)的最大额定DC电流(Idc.max)，并且其后，所述DC电流命令信号或值(I*dc.ref)被计算为来自所述至少一个电机控制回路(68)的至少一个逆变器电流命令信号或值(i*inv.d,i*inv.q)的量值与增益值(GAINdc)的乘积，其中所述增益值(GAINdc)大于1.0。2.根据权利要求1所述的电机驱动器(10)，其中，所述控制器(60)被编程为通过以闭合回路方式、根据恒定DC电流命令信号或值(I*dc)提供所述整流器开关控制信号(62a)以使所述电流源整流器(30)选择性地转换AC输入功率以调节由所述电流源整流器(30)提供至所述中间DC电路(40)的所述DC电流(Idc)，来实现独立于所述至少一个电机控制回路(68)的所述DC电流控制回路(63P)。3.根据权利要求2所述的电机驱动器(10)，其中，所述恒定DC电流命令信号或值(I*dc.ref)代表所述电流源整流器(30)的最大额定DC电流(Idc.max)。4.根据权利要求2所述的电机驱动器(10)，其中，所述控制器(60)被编程为使用户能够调节所述恒定DC电流命令信号或值(I*dc.ref)。5.根据权利要求2所述的电机驱动器(10)，其中，所述控制器(60)被编程为利用调制指数(m)、根据来自所述至少一个电机控制回路(68)的至少一个逆变器电流命令信号或值(i*inv.d,i*inv.q)来提供经脉冲宽度调制的逆变器开关控制信号(66a)，其中所述调制指数(m)是根据所述至少一个逆变器电流命令信号或值(i*inv.d,i*inv.q)的、通过所述DC电流(Idc)的值而被按比例调整的量值来被计算的。6.根据权利要求1所述的电机驱动器(10)，其中，所述控制器(60)被编程为通过以闭合回路方式、根据DC电流命令信号或值(I*dc.ref)来提供所述整流器开关控制信号(62a)，来实现所述DC电流控制回路(63P)，其中所述DC电流命令信号或值(I*dc.ref)被计算为来自所述至少一个电机控制回路(68)的至少一个逆变器电流命令信号或值(i*inv.d,i*inv.q)的量值与增益值(GAINdc)的乘积，其中所述增益值(GAINdc)大于1.0。7.根据权利要求6所述的电机驱动器(10)，其中，所述增益值(GAINdc)在1.1和1.5之间。8.根据权利要求7所述的电机驱动器(10)，其中，所述控制器(60)被编程为使用户能够调节所述增益值(GAINdc)。9.根据权利要求7所述的电机驱动器(10)，其中，所述控制器(60)被编程为根据针对所述至少一个电机控制回路(68)所计算的至少一个误差信号或值(ωerr,Terr,Ψerr)来自动地调节所述增益值(GAINdc)，其中所述控制器(60)针对所述至少一个误差信号或值(ωerr,Terr,Ψerr)的增大而选择性地增大所述增益值(GAINdc)，并且反之亦然。10.根据权利要求6所述的电机驱动器(10)，其中，所述控制器(60)被编程为使用户能够调节所述增益值(GAINdc)。11.根据权利要求6所述的电机驱动器(10)，其中，所述控制器(60)被编程为根据针对所述至少一个电机控制回路(68)所计算的至少一个误差信号或值(ωerr,Terr,Ψerr)，在预定义范围内自动地调节所述增益值(GAINdc)，其中所述控制器(60)针对所述至少一个误差信号或值(...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢苗·罗亚克，马尼什·潘德，戴景娅，南相宇，赫杉·艾纳比，
申请(专利权)人：洛克威尔自动控制技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US