CN100362737C - 用于永磁同步电机驱动的转子角度估计 - Google Patents

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Abstract

一种在电机驱动控制中确定转子角度的方法，方法包括以下步骤：a)确定电机中的转子磁通量；b)根据转子磁通量估计转子角度；以及c)根据输入到电机的无功功率对估计的转子角度进行校正。步骤(a)可包括对定子电压值和电流值进行非理想积分的步骤。步骤(b)可包括通过具有相位补偿的PLL电路(F)对由非理想积分引致的相位误差进行校正的步骤。步骤(c)可包括以下步骤：(1)利用1.5*We*(C_Lq*I*I)计算第一无功功率输入值，利用1.5*(Vq*id-Vd*iq)计算第二无功功率输入值；(2)确定第一无功功率输入值与第二无功功率输入值之间的差值；以及(3)将差值应用于在步骤(b)中估计的转子角度以获得校正的转子角度。

Description

用于永磁同步电机驱动的转子角度估计
相关申请的交叉参考
本专利申请基于并要求2001年11月12日提交的第60/337,506号美国临时专利申请的优先权，在此引用该专利申请的内容以作为参考。
技术领域
本发明涉及电机驱动控制，更具体地说，本发明涉及在永磁同步电机驱动中估计转子角度的技术。
背景技术
通常，为了稳定运行具有正弦波电流激励的永磁AC(交流)电机，需要转子位置信息。过去，利用安装在电机转轴上的编码器获得连续的转子位置，或者通过基于电压和电流反馈的估计算法来间接地获得连续的转子位置。后一种方法是优选的，因为它可以降低系统和运行成本。
然而，大多数无源转子估计解决方案(基于测得的电压和电流)复杂，而且要求精确地知道诸如电阻和电感的电机参数。然而，这些参数，尤其是定子电阻，随温度的变化大。这样导致转子角度估计不准确，而且产生了控制稳定性的问题，以致降低了每安培的转矩能力，而且降低了电机的工作效率。
因此，需要有一种能够提供最大每安培转矩性能而无需精确知道定子电阻或其他电机参数的转子角度估计方案
发明内容
本发明提供了一种估计转子角度信息以用于控制具有正弦波反电动势(back EMF)的永磁交流电机的新颖方法。
利用接收转子磁通量估计值的锁相环(具有相位误差补偿)来估计所述转子角度。根据定子电压(实际电压或命令电压)、电流、电阻和电感来获得所述转子磁通量。
然后，利用新的角度误差校正器来消除转子角度估计误差(定子电阻随温度发生变化)。所述校正器基于无功功率补偿而且对电阻变化不敏感。此外，所述角度校正器的参考模型仅需要一个电感参数。
附图的简要说明
图1示出了包括本发明实施例的PMSM控制系统的方框图。
图2示出了图1所示转子角度估计器的更详细的方框图。
图3示出了与图2所示方框图有关的转子磁通量估计器的电路图。
图4示出了图1所示转子角度校正器的更详细的示意图。
图5示出了无功功率误差与转子角度误差之间的关系，其中每一个都被统一至电机额定功率。
附图的详细说明
如图1至5所示的本发明涉及一种以固件方式实现的电机控制算法。然而，本发明的范围包括硬件、固件和软件的任意组合实施方式，这些方式都应属于本技术领域内的普通技术。
图1示出该控制方法的方框图。d轴的取向与转子的磁轴一致(在文献中使用的常规方式)。
下表是图1中列出的各个量的定义。
id<sup>*</sup>     -磁通量电流命令
iq<sup>*</sup>     -转矩电流命令
id     -磁通量电流反馈
iq     -转矩电流反馈
ia、ib     -相电流
Rtr_Ang     -估计的转子角度
C_Rs     -定子每相位电阻
Del_Ang     -来自角度校正器的补偿角度
Vab，Vbc     -线电压反馈
Vd     -磁通量轴电压反馈
Vq     -转矩轴电压反馈
We     -逆变器(inverter)基频
图2详细示出了图1所示的转子角度估计模块。输入FLX_A和FLX_B是通过对电机反馈emf(电动势)进行非理想积分(non-ideaintegration)获得的转子磁通量，该电机反馈emf由定子电流、电压、电阻以及电感形成，如图3所示。在图中，Tf表示非理想积分器的时间常数。
请注意，到图3所示磁通量估计器的输入(V_A、V_B、I_A和I_B)简单地为3相(ia、ib、Vab、Vbc)到2相的变换信号。
转子角度估计器(图2)采用了新颖的磁通量锁相环系统。频率前馈电路F对由于非理想积分定子电压而产生的相位误差进行补偿，在图3中对定子电压进行非理想积分是为了获得磁通量。非理想积分所产生的相位误差在电路F中得到了完全补偿。
然后，利用以下将结合图4进行说明的转子角度校正器系统对因为电阻而产生的估计误差进行补偿。
图4详细示出了图1所示的转子角度校正器电路。当估计的转子角度(图1)与实际转子角度相配时，输入到电机的无功功率(Q)的参考值等于：
1.5*We*(C_Lq*I*I+Flx_M*id+(C_Ld-C_Lq)*id*id)
然而，请注意，对于永磁表面安装(PMSM)电机而言，d轴和q轴中的气隙磁阻相同。因此，id＝0且Ld＝Lq。因此，参考无功功率的上述公式可被简化为：
1.5*We*(C_Lq*I*I)
然后，利用以下公式计算仅由电压和电流形式表达的实际电机无功功率(Q)：
Q＝1.5*(Vq*id-Vd*iq)。
在上述公式中：
C_Ld-d轴电感
C_Lq-q轴电感
I-定子电流幅度
FLX_M-转子磁体的等效磁通匝连数(flux linkage)
Q-端子无功功率，并且
We(欧米伽e)-定子基频。
由于C_Ld＝C_Lq，所以仅利用一个电感参数(Lq或Ld)就可以实现转子角度校正。在本例中使用Lq。当然，本技术领域内的普通技术人员应该能够预见到，本发明还适用于其他类型的电机，例如其中Ld不等于Lq的内装式永磁电机。
如果估计的转子角度与实际转子角度相配，则满足下面的关系：
(Vq*id-Vd*iq)-We*C_Lq*I*I＝0
这样，Q与(We*C_Lq*I*I)之间的无功功率误差(图5中的纵轴)可被用于消除任何转子角度误差(图5中的横轴)，从而即使当磁通量估计器内采用的电阻参数中存在误差时仍可以保持每安培的最大转矩(图3)。
尽管结合本发明的特定实施例对本发明进行了描述，但是对本领域的熟练技术人员而言，许多其他变换、修改以及其他用途都是显而易见的。因此，本发明并不局限于在此具体公开的内容。

Claims (22)

1.一种在电机驱动控制中确定转子角度的方法，包括以下步骤：
a、确定电机中的转子磁通量；
b、根据所述转子磁通量估计所述转子角度；以及
c、利用1.5*We*(C_Lq*I*I+Flx_M*id+(C_Ld-C_Lq)*id*id)计算第一无功功率输入值，利用1.5*(Vq*id-Vd*iq)计算第二无功功率输入值；确定所述第一无功功率输入值与第二无功功率输入值之间的差值；以及将所述差值应用于所述步骤b中估计的转子角度以获得校正的转子角度，
其中，We为逆变器基频，C_Lq为q轴电感，C_Ld为d轴电感，Flx_M为转子磁体的等效磁通匝连数，I为定子电流幅度，Vd为磁通量轴电压反馈，Vq为转矩轴电压反馈，id为磁通量电流反馈，iq为转矩电流反馈。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a包括对定子电压值和电流值进行非理想积分的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤b包括通过具有相位补偿的锁相环电路(F)对由所述非理想积分引起的相位误差进行校正的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述电机是永磁表面安装电机时，利用1.5*We*(C_Lq*I*I)计算所述第一无功功率输入值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤a包括根据定子电阻，电感，电压和电流值进行电机反馈电动势的非理想积分的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机是内装式永磁电机。
7.一种在电机驱动控制中确定转子角度的方法，包括以下步骤：
估计转子角度；以及
利用1.5*We*(C_Lq*I*I+Flx_M*id+(C_Ld-C_Lq)*id*id)计算第一无功功率输入值，利用1.5*(Vq*id-Vd*iq)计算第二无功功率输入值；确定所述第一无功功率输入值与第二无功功率输入值之间的差值；以及将所述差值应用于所述估计的转子角度以获得校正的转子角度，
其中，We为逆变器基频，C_Lq为q轴电感，C_Ld为d轴电感，Flx_M为转子磁体的等效磁通匝连数，I为定子电流幅度，Vd为磁通量轴电压反馈，Vq为转矩轴电压反馈，id为磁通量电流反馈，iq为转矩电流反馈。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述电机是永磁表面安装电机时，利用1.5*We*(C_Lq*I*I)计算所述第一无功功率输入值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述电机是内装式永磁电机。
10.一种在电机驱动控制中确定转子角度的系统，包括：
a)第一电路，用于确定所述电机中的转子磁通量；
b)第二电路，用于根据所述转子磁通量估计所述转子角度；以及
c)第三电路，用于根据输入到所述电机的无功功率对所述估计的转子角度进行校正，包括：利用1.5*We*(C_Lq*I*I+Flx_M*id+(C_Ld-C_Lq)*id*id)计算第一无功功率输入值，利用1.5*(Vq*id-Vd*iq)计算第二无功功率输入值；确定所述第一无功功率输入值与第二无功功率输入值之间的差值；以及将所述差值应用于所述估计的转子角度以获得校正的转子角度，
其中，We为逆变器基频，C_Lq为q轴电感，C_Ld为d轴电感，Flx_M为转子磁体的等效磁通匝连数，I为定子电流幅度，Vd为磁通量轴电压反馈，Vq为转矩轴电压反馈，id为磁通量电流反馈，iq为转矩电流反馈。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一电路对定子电压值和电流值执行非理想积分。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第二电路通过具有相位补偿的锁相环电路(F)对由所述非理想积分引致的相位误差进行校正。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，当所述电机是永磁表面安装电机时，所述第三电路利用1.5*We*(C_Lq*I*I)计算所述第一无功功率输入值。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一电路根据定子电阻，电感，电压和电流值进行电机反馈电动势的非理想积分。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述电机是内装式永磁电机。
16.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统与所述电机的端子连接，用以测量所述转子磁通量。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述电机是永磁表面安装电机。
18.一种在电机驱动控制中确定转子角度的系统，包括：
用于估计转子角度的电路；以及
校正电路，用于利用1.5*We*(C_Lq*I*I+Flx_M*id+(C_Ld-C_Lq)*id*id)计算第一无功功率输入值，利用1.5*(Vq*id-Vd*iq)计算第二无功功率输入值；确定所述第一无功功率输入值与第二无功功率输入值之间的差值；以及将所述差值应用于所述估计的转子角度以获得校正的转子角度，
其中，We为逆变器基频，C_Lq为q轴电感，C_Ld为d轴电感，Flx_M为转子磁体的等效磁通匝连数，I为定子电流幅度，Vd为磁通量轴电压反馈，Vq为转矩轴电压反馈，id为磁通量电流反馈，iq为转矩电流反馈。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，当所述电机是永磁表面安装电机时，所述校正电路利用1.5*We*(C_Lq*I*I)计算所述第一无功功率输入值。
20.根据权利要求10和18之一所述的系统，其特征在于，所述系统与所述电机的端子连接，用以测量所述第一和第二无功功率输入。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述电机是永磁表面安装电机。
22.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述电机是内装式永磁电机。
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