CN101095278A - 内部永久磁体电机的启动和重新启动 - Google Patents

Abstract

一种启动永久磁体电机的方法。在静止参考系中检测电机定子电压。根据检测的电压估计电机转子的初始速度，并且根据估计的初始速度将控制算法的状态变量初始化。这种方法可以在任何速度下提供平滑的启动和/或重新启动。

Description

内部永久磁体电机的启动和重新启动

技术领域

本发明一般地涉及内部永久磁体(IPM)电机，更具体地说，涉及IPM电机的启动和重新启动。

背景技术

内部永久磁体电机用于许多不同的应用场合，包括(但是不限于)车辆应用场合。例如，IPM电机可以使用在车辆交流发电机-起动机(alternator-starter、)系统中，以便为发动机启动而转动发动机曲轴并且为车辆电负载发电。在某些车辆中，通过″运转和熄火″操作，就是说，通过根据排放物和汽油消耗量等级使发动机运转和熄火来节省能量和减少排放物。这样的发动机例如在市区走走停停的运行过程中可能需要重复的启动。

不仅在车辆应用场合而且在其它应用场合，在重新启动过程中若干种情况会影响IPM电机的性能。例如，控制IPM电机的处理器的故障可能使所述电机失去同步。对于IPM电机来说，在这样的情况下最好平滑地启动和重新启动。

发明内容

在一个实施例中，本发明针对一种启动永久磁体电机的方法，所述永久磁体电机是利用检测电机转子位置的一个或多个位置检测模块来控制的。在静止参考系中检测电机定子电压。根据检测的电压来估计电机转子的初始速度。根据估计的初始速度来将所述一个或多个位置检测模块中的至少一个模块初始化。

在另一种配置中，启动IPM电机的方法包括向电机提供电力和检测一个或多个定子电压。在禁用对至电机的电流的调节同时，利用所述一个或多个检测的电压来估计电机转子的初始速度和位置。在禁用对所述电机的转矩命令的同时，根据所估计的初始转子速度和位置来开始电流调节。

在又一个实施例中，一种驱动系统包括具有转子和定子的内部永久磁体(IPM)电机。控制器包括：调节对电机的电流命令的一个或多个电流调节器；把信号转到定子的门驱动器；和检测转子的定位的一个或多个位置检测模块。所述控制器：在静止参考系中测量d轴和q轴定子电压；根据所测量的电压估计转子的初始速度；和根据所估计的初始速度将所述一个或多个位置检测模块中的至少一个模块初始化。

从下文中提供的详细说明将明白本发明的应用可能性的其他方面。应当指出，以下的详细说明和具体实例虽然给出本发明的示范性实施例，但是，仅仅是为说明的目的设计的，而不是想要限制本发明的范围。

附图说明

从以下的详细说明和附图将更充分地理解本发明，附图中：

图1是按照本发明一个实施例的用于发动机动力车辆的交流发电机-起动机系统的示意图；

图2是图1中示出的交流发电机-起动机系统的逆变器和电机的示意图；

图3是按照本发明一个实施例的IPM电机的剖面图；

图4是按照本发明一个实施例的交流发电机-起动机控制系统的示意图；

图5是按照本发明一个实施例的交流发电机-起动机控制系统的位置检测模块的示意图；

图6是按照本发明一个实施例的用于启动永久磁体电机的方法的流程图；

图7A和7B是按照本发明一个实施例的用于启动永久磁体电机的方法的流程图；和

图8是按照一个实施例的用于估计初始转子速度和/或极性的模块的示意图。

具体实施方式

实质上，对本发明的不同实施例的以下描述仅仅是示范性的，而绝不是想要限制本发明、其应用或用途。为了清楚的目的，附图中相同的标号用来标识类似的元件。如在这里使用的，术语模块和/或装置是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享、专用或组合)和存储器、组合逻辑电路或提供所述功能的其它适当的组件。

一般地说，与启动和/或重新启动IPM电机有关，最好以便避免转矩波动这样的方式将用来估计转子位置的同步电流调节器和观测器的状态初始化。当电机的反电动势非常高时，在高速状态下，特别希望电流调节器的适当的初始化。

因此，在一种配置中，本发明针对一种在电机运转过程中，在启动和/或重新启动期间控制IPM电机的控制器。如下面进一步描述的，控制器利用在静止参考系中测量的电压来估计初始转子角速度。根据估计的转子速度，在启动时并且也在重新启动时，例如在发生处理器故障和复位时，控制器监视对于合适的电机状态的初始化过程。

如下面进一步描述的，可以利用硬件、软件和/或固件来实现本发明的实施例。这里参照用于IPM电机的无位置传感器控制系统描述本发明的一个或多个实施例，在题为″内部永久磁体电机的无位置传感器控制″，律师行档案号No.GP-303836的美国专利申请中进一步描述了此实施例，通过引用将其公开内容全部包括在本文中。上述专利申请在与本申请相同的日期提交并且被转让给与本申请相同的受让人。但是，还可以结合其它无位置传感器系统来设想本发明的配置。

另外，应当指出，还可以结合基于位置传感器的驱动系统来实现本发明。另外，尽管参照用于发动机动力车辆的交流发电机-起动机系统来描述本发明的配置，但是，本发明不限于此。可以设想与永久磁体电机结合的用于许多其它的和附加的应用场合的本发明的实施例。

现参见图1，图中用标号120表示用于发动机动力车辆的交流发电机-起动机系统的实施例。例如，系统120可以用于电动车辆或混合型电动车辆。电池组122是例如连接到逆变器126的42伏电池组。逆变器126把电池组122的直流电压转换成用于输入到电机130的交流电压。电机130提供用于起动发动机134的启动转矩并且为车辆电负载发电。如下面进一步描述的，电机130是例如呈现低磁通和高凸极性的IPM电机。包括一个或多个处理器(未示出)的控制器138提供对电机130和系统120的控制。如下面进一步描述的，控制器138利用经由电压检测过程140和电流检测过程144测量的电压和电流来估计电机130的转子位置。

图2中更详细地示出逆变器126。逆变器126包括例如Hexpak模块(由El Segundo，CA的International Rectifier Corporation制造)中的6个MOSFET开关160和关联的门驱动电路(未示出)。

图3中更详细地示出电机130。电机130包括由气隙216隔开的转子208和定子212。定子212包括绕组214并且可以是与例如用于感应电机的定子相同或类似的短节距分布式绕组定子。转子208包括在转子208的缝隙或空穴224内的永久磁体220。磁体220是注射成形的，尽管也可以使用其它类型的磁体。

转子缝隙224和磁体220分布在多个屏障(亦称层)228中，例如，分布在3层中，如图3中所示，以便增大电机凸极性。一般说来，在电机凸极性高的场合，可以把气隙216中的磁通保持在弱状态。例如，在把磁体220注入转子208之后，将转子208磁化。参考以下转让给本申请的受让人的美国专利申请：2001年9月14日提交的美国专利申请No.09/952,319；2002年5月7日提交的美国专利中请No.10/140,918；2002年3月1日提交的美国专利申请No.10/087,236；和2003年5月8日提交的美国专利申请No.10/431，744，通过引用把这些专利申请的公开内容全部包括在本文中。

将屏障228的形状和布局配置成例如使转矩达到最大值而将转矩脉动减到最小。可以在上述专利申请中获得例如关于电机130中的磁化和将转矩波动减至最小的附加信息。使离开转子208的外表面232足够远使得它们内的任何磁性材料难于或不可能磁化的那些转子空穴224没有磁性材料。将气隙216中的磁通保持在弱状态，以便降低自旋损耗并且减小故障的可能性。

图4中概括地用标号300表示交流发电机-起动机控制系统的实施例。转矩命令T_e ^*被输入到控制系统300并且由转矩限制器模块304处理。模块304根据可用的DC链路电压V_dc和估计的转子角速度ω_e来限制所述转矩命令T_e ^*。按照下面进一步描述的方式估计所述角速度ω_e。模块304输出修改的转矩命令T_e ^**。如下面进一步描述的那样产生的修改的转矩命令T_e ^**和定子磁通命令ψ^* _s用作电流命令计算模块308的指标，以便产生d轴和q轴定子电流命令l_d ^*和l_q ^*。电流命令计算模块308产生用于发动机起动和用于发电操作的最佳效率控制参数。

把命令I_d ^*和l_q ^*输入到同步电流调节和动态过调制模块312，以便在同步参考系中产生电压命令V_d ^*和V_q ^*。同步至静止转换模块316利用估计的转子角位置θ_r对命令电压V_d ^*和V_q ^*进行矢量旋转。如下面进一步描述的，可以在不利用位置传感器的情况下估计所述转子角位置θ_r。

将例如V_injcosω_injt的高频注入信号注入由转换模块316输出的静止电压(其中ω_inj是大约1KHz)，以便产生静止系命令电压V_α ^*和V_β ^*。把电压V_α ^*和V_β ^*输入到脉宽调制(PWM)逆变器320，脉宽调制逆变器320把交流三相电压加到高凸极性低通量内部永久磁体(IPM)电机324的定子绕组，如先前参照图3所描述的。

测量定子端相电流和相电压(例如如先前参照图1所论述的那样进行检测)，并且通过三相至二相转换模块328对其进行处理。模块328输出静止系电流I_ds ^s和I_qs ^s以及电压V_d ^s和V_q ^s。静止至旋转系转换模块332利用估计的转子角位置θ_r来产生同步参考系反馈电流I_ds ^e和I_qs ^e。如下面进一步描述的，无位置传感器估计模块336利用命令的d轴和q轴电压V_d ^*和V_q ^*、反馈电流I_ds ^e和I_qs ^e以及初始角速度ω_e-init来估计转子位置θ_r和角速度ω_e。

电压幅度模块340根据命令的电压V_d ^*和V_q ^*计算定子电压的幅度V_mag。磁场削弱模块344利用定子电压幅度V_mag和预定的基准电压V_ref来产生定子磁通ψ^* _s。启动/重新启动模块348的实施例(下面将进一步描述)使用静止参考系中测量的定子端电压V_d ^s和V_q ^s并且估计初始角速度ω_{e_init}。模块348还例如在处理器故障出现时根据电动机324的速度监视其它功能，如下面进一步描述的。

图5中更详细地示出无位置传感器估计模块336。模块336利用两种方法来根据命令电压和反馈电流估计转子位置和角速度。具体地说，模块336包括用于在电机运转的零速和低速条件下估计转子电位置θ_r的低速模块420。高速模块424用于在电机运转的高速条件下估计转子位置。下面进一步描述模块420和424。转变模块428把模块420和424的输出432和436合并为转子速度ω_e的函数，可以如下面进一步描述的那样获得所述函数的值，以便产生位置误差信号440。位置/速度观测器444利用误差信号440来估计转子位置θ_r和角速度ω_e。

更具体地说，把反馈电流i_qs ^e和i_ds ^e(以输入电流i^e _dq的形式示于图5中)以及命令电压V_d ^*和V_q ^*(以输入电压V^e _dq的形式示于图5中)输入到估计模块336。在低速模块420中，通过二阶带通滤波器446处理输入电流i^e _dq(在同步参考系中)，以便产生信号448。还通过二阶低通滤波器450处理电流i^e _dq，以便产生信号452，下面进一步描述。

块454提供具有信号448的在q轴的虚部的信号456。电机324的凸极性使在电机324的定子端处测量的信号的电抗以转子位置的函数的形式改变。信号456的虚部捕获如参照图4所描述的那样被注入定子电压(并且在块332与定子电流一起被矢量旋转)的注入信号V_inj cosω_injt的高频阻抗。在块460，将信号456乘以信号sinω_injt，从而在信号464中产生DC值。在块468，将信号464乘以增益：

$\frac{-2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{inj}}{L}_d{L}_q}{V_{\mathrm{inj}}(L_d-L_q)}$

其中ω_inj代表注入的信号的频率，L_d和L_q代表d轴和q轴电感，而V_inj代表注入的信号的电压。输出信号432包括提供给转变模块428的转子位置估计值。

现参见高速模块424，把同步参考系命令电压V^e _dq与下面将进一步描述的其他输入信号一起输入到求和块472。在块480处理由块472输出的信号476，以便产生估计的同步定子电流信号482。经由块480的处理过程基于定子电压方程，具体地说，I＝V/(Ls+R)，其中I代表定子电流，V代表定子电压，L代表定子电感，而R代表定子电阻。在块484，按照V＝jω_eLI确定电压误差信号，从求和块472减去所述电压误差信号，其中可以从启动/重新启动模块348获得角速度ω_e的值和/或由位置/速度观测器模块444估计角速度ω_e的值。把定子电流信号482输入到求和块488。如上面所描述的，电流信号452是由低通滤波器450输出的。滤波器450移除高频注入信号V_injcosω_injt。从求和块488减去滤波后的信号452，以便产生信号490，将信号490输入到比例积分(P1)控制块494，以便产生代表电压相量值的信号496。在块498处理信号496，以便产生包括如上所述提供给转变模块428的转子位置估计值的信号436。还把信号496反馈到求和块472，在求和块472，从命令电压V^e _dq减去信号496。

如下面描述的，在一个实施例中，启动/重新启动模块348根据测量的定子电压估计初始转子速度。模块348根据这样的信息监视控制系统300中合适的状态的初始化。图6中概括地用标号500表示启动/重新启动模块348的一种配置的状态流程图。在步骤504，进行加电排序，接着是在步骤508的停止状态或模式。在步骤510，执行无位置传感器启动。在预定的时间间隔内，例如，在200毫秒时间间隔内，控制继续处于无传感器启动模式。在步骤512，进行稳定化。在预定的时间间隔内，例如，在100毫秒时间间隔内，控制继续处于稳定化模式。在步骤516，控制进入运行模式，并且无限期地继续处于运行模式。在步骤520，若检测到复位，那么，控制在步骤504返回到加电排序模式。

下面参照图7A和7B中概括地用标号550表示的流程图更详细地描述上述各种模式。在停止模式508，在步骤554禁用逆变器320的门驱动开关。在无传感器启动510过程中，逆变器320的门驱动开关继续处于被禁用状态。在步骤556，禁用电流调节器312。在此配置中，在无传感器启动510过程中不执行用于估计转子位置的低速模块420和高速模块424。在步骤558，在静止参考系中测量d轴和q轴定子电压V_d ^s和V_q ^s，并且如下面进一步描述的，根据测量的电压估计转子208的初始角速度ω_{e_init}和位置θ_{r_init}。在步骤560，确定估计的初始角速度ω_{e_init}是否小于预定的极性检测阈速度。若是，那么，在步骤562，把标志LOWSPEEDMODE设定为″True″。若否，在步骤562把标志LOWSPEEDMODE设定为″False″。

在稳定化512过程中，在步骤568测试标志LOWSPEEDMODE。若LOWSPEEDMODE是″True″，那么，将低速检测算法初始化并且执行低速检测算法。具体地说，在步骤570，利用初始角速度ω_{e_init}和位置θ_{r_inrt}将低速检测模块420初始化。在步骤572，将电流调节器312初始化。在步骤574，启用电流调节器312和逆变器320的门驱动开关，并且禁用转矩命令(例如，把转矩箝位在零转矩T_e ^*命令)。

在步骤576，利用下面进一步描述的极性检测模块检测初始转子极性。因此，在稳定化512过程结束时，确定转子极性与北极对齐。在步骤578，利用低速模块420进行低速位置检测。

若在步骤568 LOWSPEEDMODE是″False″，那么，把低速估计模块420和高速估计模块424两者都初始化，并且既执行低速估计又执行高速估计。具体地说，在步骤580，利用初始角速度ω_{e_init}和位置θ_{r_init}把低速估计模块420和高速估计模块424初始化。假设θ_{r_init}(从如下面进一步描述的那样检测的电压获得的)是正确地对齐(aligned)的。在步骤582，将电流调节器312初始化。在步骤584，启用电流调节器312和逆变器320的门驱动开关，并且禁用转矩命令(例如，将转矩箝位在零转矩T_e ^*命令)。

在步骤586，增大观测器444的带宽以便加速收敛。在步骤588，使用低速模块420进行低速位置估计，并且使用高速模块424进行高速估计。如先前参照图5所述，把两个模块的结果合并。当控制处在运行模式516时，在步骤590，启用命令转矩T_e ^*并且使观测器444的带宽回到其以前的设定值。

图8中用标号600概括地表示用于估计初始转子速度和/或极性的模块的实施例。按照以下公式，根据测量的定子电压(用复矢量V^s _dq表示)确定初始转子速度：

$\left|\mathrm{\ω}\right|=\frac{\sqrt{{V_d^s}^2+{V_q^s}^2}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}}---\left(1\right)$

其中ω代表转子速度，V_d ^s代表在d轴检测的电压，V_q ^s代表在q轴检测的电压，而λ_PM代表磁链。具体地说，在块608确定数值

并且在块612将该数值除以λ_PM，以便获得转子速度ω的绝对值。按照以下公式确定ω的极性：

$\mathrm{sign}\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{sign}\left(\frac{V_q^s\∫V_d^s\mathrm{dt}-V_d^s{\∫V}_q^s\mathrm{dt}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}^2}\right)---\left(2\right)$

具体地说，在块628，把在块620确定的V^s _dq的复共轭与在块624确定的V^s _dq的积分相乘。在块632确定所述乘积的虚部，并且在块636将所述虚部除以λ² _PM。在块640确定块636的结果的符号，并且或者用1或者用-1来表示所述符号。在乘法器块644，将转子速度ω的绝对值乘以1或-1，以便获得ω_{e_init}的值。可以通过求ω_{e_init}的积分来获得转子位置θ_{r_jnit}。

上述实施例可以在任何速度下，甚至在满载条件下提供平滑的启动和/或重新启动。当上述驱动系统进入运行状态时，转矩命令开始以适当的斜率上升并且迅速地达到平衡。因而，在遇到复位状态之后，驱动系统可以实现无缝运行重启，因而改善了驱动系统可靠性。上述控制器既对基于位置传感器的驱动系统起作用又对无位置传感器驱动系统起作用。

现在，从以上的描述，本专业的技术人员可以理解，可以以各种各样的形式来实现本发明的范围宽广的教导。因此，虽然已经结合其特定的实例来描述本发明，但是，不应该如此限制本发明的真实范围，因为，一旦研究附图、说明书和以下的权利要求书时，本专业的技术人员将明白其它的修改。

Claims (21)

1.一种启动永久磁体电机的方法，所述永久磁体电机是利用检测电机转子位置的一个或多个位置检测模块来控制的，所述方法包括：

在静止参考系中检测电机定子电压；

根据所述检测的电压估计所述电机的转子的初始速度；和

根据所述估计的初始速度将所述一个或多个位置检测模块中的至少一个模块初始化。

2.如权利要求1所述的方法，其中还包括：

确定所述估计的初始速度是否超过预定的阈值；和

根据所述确定获得低速转子速度估计值和高速转子速度估计值中的至少一个。

3.如权利要求2所述的方法，其中获得低速估计值和高速估计值，所述方法还包括根据所述估计的初始速度合并所述低速估计值和高速估计值。

4.如权利要求1所述的方法，其中还包括：

在所述初始化之后，在维持零转矩命令的同时启用门驱动开关。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述初始化包括：

将低速位置检测模块初始化；和

若所述估计的初始速度超过阈值，那么将高速位置检测模块初始化。

6.如权利要求5所述的方法，其中将低速位置检测模块初始化包括确定所述转子的初始位置的极性。

7.如权利要求6所述的方法，其中按照以下公式确定所述极性：

$\mathrm{sign}\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{sign}\left(\frac{V_q^s\∫V_d^s\mathrm{dt}-V_d^s\∫V_q^s\mathrm{dt}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}^2}\right)$

其中ω代表转子速度，V_d ^s代表在d轴检测的电压，V_q ^s代表在q轴检测的电压，而λ_PM代表磁链。

8.如权利要求1所述的方法，其中按照以下公式估计所述初始速度：

$\left|\mathrm{\ω}\right|=\frac{\sqrt{V_d^{s^2}+V_q^{s^2}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}}$

其中ω代表转子速度，V_d ^s代表在d轴检测的电压，V_q ^s代表在q轴检测的电压，而λ_PM代表磁链。

9.如权利要求1所述的方法，其中检测定子电压的步骤包括测量d轴和q轴定子电压。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述方法是在没有利用位置传感器的情况下执行的。

11.一种启动IPM电机的方法，包括：

向所述电机提供电力并且检测一个或多个定子电压；

在禁用对至所述电机的电流的调节的同时，使用所述一个或多个检测的电压估计所述电机的转子的初始速度和位置；和

在禁用至所述电机的转矩命令的同时，根据所述估计的初始转子速度和位置开始电流调节。

12.如权利要求11所述的方法，其中还包括利用所述估计的初始转子速度和位置来确定转子速度和位置的低速估计值和高速估计值中的至少一个。

13.如权利要求12所述的方法，其中确定低速估计值和高速估计值，所述方法还包括根据所述估计的初始转子速度来合并所述估计值。

14.如权利要求12所述的方法，其中还包括按照以下公式来确定估计的初始转子位置的极性：

$\mathrm{sign}\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{sign}\left(\frac{V_q^s\∫V_d^s\mathrm{dt}-V_d^s\∫V_q^s\mathrm{dt}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}^2}\right)$

其中ω代表转子速度，V_d ^s代表在d轴检测的电压，V_q ^s代表在q轴检测的电压，而λ_PM代表磁链。

15.如权利要求11所述的方法，其中所述估计包括按照以下公式估计所述初始速度：

$\left|\mathrm{\ω}\right|=\frac{\sqrt{V_d^{s^2}+V_q^{s^2}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}}$

其中ω代表转子速度，V_d ^s代表在d轴检测的电压，V_q ^s代表在q轴检测的电压，而λ_PM代表磁链。

16.如权利要求11所述的方法，其中还包括：

启用对所述电机的转矩命令；和

把观测器的带宽设置成运行时设定值；

所述启用和设置是在所述开始之后进行的。

17.如权利要求11所述的方法，其中所送方法是在检测到复位状态之后自动地执行的。

18.一种驱动系统，包括：

具有转子和定子的内部永久磁体(IPM)电机；和

控制器，所述控制器包括：调节对所述电机的电流命令的一个或多个电流调节器；把信号转到所述定子的门驱动器；和检测所述转子的定位的一个或多个位置检测模块；

其中所述控制器：

在静止参考系中测量d轴和q轴定子电压；

根据所测量的电压估计所述转子的初始速度；和

根据所估计的初始速度将所述一个或多个位置检测模块中的至少一个模块初始化。

19.如权利要求18所述的驱动系统，其中在将所述至少一个位置检测模块初始化之后，所述控制器启用所述一个或多个电流调节器和门驱动器。

20.如权利要求18所述的驱动系统，其中所述控制器按照以下公式估计所述初始速度

$\left|\mathrm{\ω}\right|=\frac{\sqrt{V_d^{s^2}+V_q^{s^2}}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{PM}}}$

其中ω代表转子速度，V_d ^s代表在d轴测量的电压，V_q ^s代表在q轴测量的电压，而λ_PM代表磁链。

21.如权利要求18所述的驱动系统，其中还包括根据所述一个或多个位置检测模块的估计值提供转子速度和位置的观测器；其中，在所述控制器将所述位置检测模块初始化之后，所述控制器增大所述观测器的带宽以便加速所述提供操作。

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