CN101442285B - 推导电机中参数的数值 - Google Patents

Abstract

一种电驱动系统，其包括由电子控制器控制的电机，并需要代表与该电机的运行相关联的量的控制信号。这些信号可能代表，例如，转子位置和磁通量或电流。一种控制器包括估测程序，以便使用电机的已知磁性和转子位置信号来提供对电流或者供电电压的估测。

Description

推导电机中参数的数值

技术领域

本发明涉及推导电机中参数的数值。特别的，但非排除性地，本发明涉及对无刷电机中的电流、电压或磁通量(flux)的估测。

背景技术

在最近三十年中，容易控制的半导体开关的可用性已经使很多类型的电机的电子控制成为可能，并且因此提供其速度由用户控制而不是由供电的频率控制的驱动系统。所有这些控制器或多或少依赖于代表机器的参数的控制信号。被选择使用的参数既受到应用支配，又由于不同类型的电机要求不同的控制方法而受到所控制电机的类型支配，而且还受到提供这些信号的花费支配。

一种类型的无刷电机是开关磁阻机，其典型地形成可变速度驱动系统的基础。附图1以示意形式示出典型的多相(此处是三相)开关磁阻驱动器，其中开关磁阻机12连接到负载19。单相电机也是已知的。输入直流电源11可以是电池或者经整流和滤波过的交流电。在电子控制单元14的控制之下，功率转换器13在电机12的相位绕组16两端切换由电源11(下面被称为供电或直流链路电压)提供的直流电压。对于其他形式的无刷电机，为了驱动器的适当运行，该切换或开关操作(switching)必须正确地与转子的旋转角度同步，并且可以使用转子位置变换器(transducer)15来提供对应于转子的角度位置θ的信号。

已知很多不同的功率转换器布局结构，在图2中示出其中用于多相系统的单相的一种布局结构，其中机器的相位绕组16与开关器件21和22串行连接在汇流条(busbar)26和27之间。汇流条26和27被统称为转换器的“直流链路”。能量恢复二极管23和24被连接到绕组以允许当开关21和22被打开时绕组电流回流到直流链路。被称为“直流链路电容器”的电容器25被连接在直流链路之间。

从电机到转换器的电流反馈一般被认为对于控制器的安全运行是必要的，这和许多技术在本领域中是公知的。在图2中，电阻器28串联连接较低开关22，从而以电阻器两端的电压降的形式提供与开关电流成比例的信号。类似的布置可以将电阻器置于电路的其他部分以提供对略微不同的电流的测量，但是它们中没有一个能提供与主转换器电路电隔离的信号。这些方案的进一步的缺点是，特别在功率更强的电机中，电阻器上的功率损耗变得重要。替代地，如在图1中18处概略示出的隔离形式的电流变换器可以被使用以提供在控制系统中一般较容易使用的信号，但是该变换器相当贵而且可能引入与缺乏带宽相关联的问题。增加变换器的带宽是可能的，但是将增加变换器的成本。

如图1所示，除了电流反馈，常常提供与直流链路的电压相对应的信号。因为若干原因这可能是需要的，例如，为了转换器的软启动、为了器件保护、为了确定合适的开关角度等。该信号常常由包括跨越直流链路的电阻器链的分压器提供。虽然它简单并经济，它并不提供与控制电路隔离的信号。当需要完全的隔离时(例如为了用户安全)，一般使用光隔离器件实施更复杂的电路。虽然有效，但是它们比简单的电阻器链昂贵得多。

图3示出图2中的电路的连续周期。在图3(a)中，当开关21和22在转子角度θ_on处关闭并在角度θ_off处打开时，在传导角度θ_c的持续时间内电压被施加到相位绕组。作为所施加电压的时间积分，磁通量在施加电压的同时几乎线性增长。相位绕组16中的电流增长到峰值，然后根据运行点回落。在传导周期结束时，开关被打开并且电流传送到二极管，将反向的链路电压置于相绕组两端并且因此使磁通量和电流降为零。在零电流处，二极管停止传导并且电路保持非活动状态一直到后续的传导周期的开始。

近年来，出现消除转子位置变换器的趋势并且已经发展出多个“无传感器”位置估测方法。这些方法中的多个喜欢使用代表相位电流和磁通量的参数。例如，可以监控一个或多于一个相位中的相位磁通匝数(即被施加的电压相对于时间的积分)和电流(例如通过图1中的电流变换器18或图2中的电阻器28测量的电流)。使用电机的电感变化的知识，可以计算出作为角度和电流的函数的位置。一个特别有效的方法在EP 0573198(Ray)中描述，其作为参考并入本文。

在工业中的常识是，电驱动系统应该从转子位置变换器转移到无传感器的解决方案，其中典型的转子位置变换器是可变速度驱动器的早期版本。但是，这些无传感器系统提供的位置估测仅仅与在算法中使用的电压和电流反馈信号一样良好。在一些系统中，特别是低电压高电流系统，整个驱动器的成本的主要部分归因于电流反馈信号。类似地，高电压系统需要有效的方法来提供与控制器电隔离的代表电源电压的信号。

电机的一些应用(例如汽车用途)需要运行于相对低的电源电压(一般低于50V)。因此，尽管输出功率需求可能仅仅是几千瓦，但电流需求和运行于较高电压的大得多的驱动器中的电流需求处于同样级别。例如，运行于标称12V的电源电压下并提供4KW功率的电机可能需要来自电源的超过400A的供电。用于这种应用的相位绕组的电流变换器将需要额定大约500A的峰值，并且如果电流信号要用在位置估测的算法中，则还需要具有高带宽。因此变换器(例如三相系统的三个变换器)的总成本将占整个驱动系统的功率和控制电路的成本的很大一部分。

因此需要提供低成本的方案来推导这些电机驱动系统中的参数信息。本发明在随附的独立权利要求中限定。一些优选的特征在从属权利要求中叙述。

发明内容

根据一个实施例，提供用于推导电机中的参数数值的方法，诸如电机的电参数或磁参数。该方法包括利用转子位置变换器推导代表电机转子相对于电机定子的转子位置的位置信号，以及在电机的磁性特征基础上使用该位置信号从该参数与转子位置之间的关系来推导该参数的数值。

该参数可以是电机相位的相位电流，其可以使用转子位置和代表磁通匝数的进一步信号来推导。磁通匝数信号可以使用电压变换器推导以测量电源电压或者直流链路电压。

该参数可以是电机相位的磁通匝数或电源电压，并可以使用转子位置和进一步信号来获得，该进一步信号代表在该相位下使用电流变换器获得的相位电流。

上述方法允许用转子位置变换器来有效地代替电机的电流变换器(在多相系统中每个相位有一个)和电压变换器中的一个，该转子位置变换器可以与上述变换器中的其它一个或多于一个以及电机的磁性特征的知识一起使用来推导相关参数的数值。这与本领域的当前思路是相反的，当前思路是寻求通过使用测量的相位电流和电压信号来估测转子位置，以省掉转子位置变换器。但是，本发明人已经认识到，在特定条件下，当转子位置变换器的成本低于电流变换器或电压变换器的成本时，用转子位置变换器来省掉电流变换器或者电压变换器中的一个可能导致成本的节省。

在一个特定的实施方式中，由磁性特征限定的关系可能被存储到查询表中。当相位电流的数值从转子位置和磁通匝数中推导时，可以通过对测量的电压和先前推导的相位电流数值的存储表示来算出磁通匝数的数值。可以通过相对于时间的微分来从磁通匝数的数值推导电源电压或直流链路电压的数值。磁通匝数的数值可以从测量的电流和转子位置数值以及电机的磁性特征的知识中推导。

本发明适用于带有一个或多于一个分离的激发相位的电机。其在开关磁阻机中特别地有用。

附图说明

本发明可以以多个方式来实践，现在以示例的方式并结合附图来描述其中的一些方式，其中：

图1示出典型的现有技术的开关磁阻驱动器；

图2示出图1的功率转换器的一个相位的已知布局结构；

图3示出开关磁阻机的典型电压、磁通量和电流波形；

图4示出根据公开的实施例的电驱动系统的示意图；

图5示出用于双凸极电机(doubly salient electrical machine)的电流、磁通匝数和位置的关系；

图6示出关于图4示出的实施例的框图；

图7示出根据进一步公开的实施例的电驱动系统的示意图；

图8示出双凸极电机的磁通匝数曲线；

图9示出关于图7示出的实施例的框图；

图10示出关于图4示出的实施例的流程图；以及

图11示出关于图7示出的实施例的流程图。

具体实施方式

在下面的示例性实施例中，术语“位置变换器”用来指代硬件的物理块，其给出物理的例如光学的、电子的或者其它代表电机的可移动部件的位置的信号作为输出。在旋转电机中，该信号可代表转子的角度位置：在线性电机中，该信号可代表转变器的线性位移。例如，对于旋转电机，位置变换器可以是分解器、编码器、低分辨率光学器件或磁器件，所有这些在位置控制领域是公知的。分解器的例子是Tamagawa Seiki Ltd.的

 TS2605N1。相对地，术语“位置估测算法”指代已被编码在软件中的数学关系，当向该软件提供合适的输入信号时，其提供代表位置的估测输出。该位置估测算法不包括任何硬件。

特别地，位置变换器诸如转子位置变换器15包括与电机的可移动部件(如转子)相关联的第一部分，以及与电机的静止部件诸如定子相关联的第二部分。该第一部分在和可移动部件一起相对于第二部分移动时影响第二部分的输出。该输出可以代表可移动部件相对于静止部件的绝对位置，或者可以代表两个部件之间的相对运动。可以通过两部分之间的任何物理耦连，例如光学耦连(透射或反射)、电子耦连(例如电容性耦连)或者磁性耦连(例如基于Hall效应)来影响该输出。

本发明人已经发现，特别是当用于位置估测的多个电流变换器的总成本超过单个位置变换器的成本时，使用无传感器位置探测可带来很小的经济利益，并且因此，如果可以作出其它的规定来提供电流信息给该驱动器以保证其正确运行，则使用位置变换器可以表现出整体的成本节约。

图4中概略地示出一个实施例。与图1共用的相似部分被相应地标记。应注意图4没有电流变换器但是具有被包括在控制系统14’中的电流估测算法40。如上所述，位置变换器15可以是测量转子的角度位置并提供适当信号给控制系统14’的任何适当的硬件器件。

该电流估测算法将位置θ和磁通匝数ψ作为其输入。磁通匝数由相位电压在导通周期上的时间积分给出，即：

$\mathrm{\ψ}={\∫}_o^{\mathrm{\θcond}}v-\mathrm{iR\; dt}$

在积分周期的开始(导通周期的开始)，电流已知为零，所以相位电流i的正确数值可以被插入到公式1中。随着积分的进行，电流被估测(如下所述)，所以最近可用的估测电流数值可以被插入到该公式中。由于相位绕组两端的电压差(公式1中的iR项)一般远小于相位电压(v)，这是可接受的近似。

假定已知磁通匝数和转子位置，通过参考电机的磁性特征，电流估测算法可以提供电流估计。例如，对于磁性双凸极电机，如图5所示，磁通匝数、位置和电流之间有着唯一的关系。图5所表示的数据可以保持在一个或多于一个表格中，数据的每个向量由转子角度和磁通匝数索引。通过用已知的角度数值(来自位置变换器)和磁通匝数(来自上面的公式1)，电流可以被估测。

这样，确定的电流数值可以以正如其被电流变换器所提供一样的方式被用于驱动系统的控制。例如，该方法可以同时施加到多相驱动系统的每一个相位，且因此估测的电流可以被合并(考虑正确的相位偏移和流动方向)以给出直流链路电流和/或供电电流的估测。

公式1的求解必须以与控制系统需要的响应相适应的速度完成。典型地，对电机的电流控制方面最苛刻的要求是在故障发生时，控制器必须在对例如功率器件造成破坏之前关闭系统。这可能暗示需要50毫秒的周期时间来求解公式1和查询表格。但是，在小型低电压系统中，电机的每个单元电阻率一般较高，并且可能允许系统是“电阻受限”的，即相位绕组的电阻足以将电流限制为不会造成功率器件遇险的数值。这个事实缓和了控制器中对高带宽的要求并且使得该实施例特别适合于低电压高电流驱动系统。

图6是概略地示出上述方法中使用的组件的框图。来自转子位置变换器15的位置信号根据需要被解码并且被存储在合适的寄存器60中。直流链路上的电压被抽样并被存储在合适的寄存器62中。此外的寄存器64保持最近计算的电流值。在相位周期开始时，电流是零，并且寄存器64被置为零。在方法的每次迭代结束时，寄存器64被更新。此外的寄存器65保持相位电阻R的数值。该数值可以是固定的也可以变化的，例如随着相位绕组的温度变化。积分器66使用寄存器62、64和65的数值来积分V-iR。存在很多合适的积分方法，例如梯形积分法、Runge-Kutta法等，都是数值积分领域的技术人员所公知的。

积分器66的输出代表推导的磁通匝数的数值，该数值和从寄存器60处可用的转子位置的数值一起形成对查询表(或其它数据表示)68的数据输入。该输入被用来查询数据(在图5中以图表形式示出)以生成所需的电流值。同样的，存在很多存储、查询和以数值或函数形式内插数据的方法，这都是本领域所公知的，其可被使用以生成所需结果。然后电流值可被用在控制系统中，并可被用来更新寄存器64。该估测程序接着再次开始，从而持续更新的电流值是可用的。

图10示出图解说明根据上述方法推导相位电流i的数值的方法步骤的流程图。在步骤100，在相位周期开始时，电流被初始化为零。应该理解，如果机器在连续电流模式下运行，则相位电流i也可以被初始化为适当推导的非零值。在步骤102，获得针对θ和电压的测量数值，而在步骤104，V-iR被积分以得到磁通匝数ψ的数值。在步骤106，θ和ψ的数值被使用以得到相位电流i的数值。在步骤108，使i的数值可用于控制系统并存储该数值以备下一次迭代。然后，在步骤108以后，该方法返回到步骤102。一旦到达相位周期的结束，该方法返回步骤100并且为下一个相位周期做好准备。

图7示出另一个实施例。其与图4相似，区别之处在于没有从直流链路到控制器14″的电压反馈。相反，控制器接收来自(多个)电流变换器18的相位电流反馈。控制器14″具有嵌入其中的电压估测算法40′。当使用时，转子位置变换器15提供所需的位置信号，而(多个)电流变换器18提供相位电流的信息。如果电流变换器18是隔离的器件(例如，Hall效应器件或者零通量器件)，则对控制系统的输入可以被完全地从高电压直流链路中隔离出来。

电源电压的大小可以从电流信号、转子位置信号和电机的磁性特征中获得。图8以合适的形式示出双凸极电机的特性，其中磁通匝数被示为相位电流和转子位置的函数。与前面的实施例相同，该数据可以保持在一个或多于一个查询表中。在此，数据通过转子位置和电流来索引，这允许使用数据管理的任何公知内插方法得到磁通匝数。知道磁通匝数、转子角度和电流后，公式1可以被使用来通过估测v＝dψ/dt+iR而获得电源电压v的数值。变化率dψ/dt可以这样估测：对存储的先前推导的磁通匝数数值进行差分；磁通匝数的存储数值和当前估测值；或者用来数值计算信号的变化率的多种方法中的任何一个。

此外，或者替代地，磁通匝数信号可以被直接用作电机的磁通量控制器的一个控制信号。由于电机的转矩输出更直接地与磁通量相关而非与电流相关，磁通量控制器有时候优选为电流控制器以实现对转矩的紧密控制。该实施例适合于这种控制器。

由于直流链路的电压响应于外部干扰时仅将缓慢地变化，该实施例中控制器不需要非常高的带宽。其主要的优势是提供了与直流链路的完全电压隔离，使得该实施例特别适合于高电压系统，此处现有技术的隔离方法麻烦而又昂贵。

图9是概略地示出与图7和图8相关的上述方法中使用的组件的框图。来自转子位置变换器15的位置信号根据需要被解码并且被存储到合适的寄存器90中。相位电流被取样并存储到合适的寄存器92中。此外的寄存器95保持相位电阻R的数值。该数值可以是固定的也可以是变化的，例如随相位绕组的温度变化。寄存器90和92的数值形成对数据查询表(或者其它数据查询装置)96的输入。该输入被用来查询数据(在图8中以图表形式示出)以生成所需的磁通匝数的数值。同样地，存在本领域公知的很多不同的存储、查询和内插数据的方法，其可以被使用来生成所需结果。接着如果磁通量控制需要，磁通匝数ψ可以用在控制系统中。这在图9中用虚线箭头指示。

微分器97对ψ进行微分以获得dψ/dt。多种微分方法是适合的，这都是数值微分领域的技术人员所公知的。计算器98计算(dψ/dt+iR)以给出电源电压V的数值。该数值现在可以如同测量数值被使用的方式一样地被控制系统利用。该估测程序接着再次开始，以使连续更新的电压数值是可用的。应理解如果不需要V的数值来进行控制，例如如果控制直接基于磁通匝数ψ，则不需要微分器97、额外的寄存器95和计算器98。

图11示出图解说明涉及图7、图8和图9的上述方法的方法步骤的流程图。在步骤110，θ的数值和电流值被测量并被存储并且接着在步骤112中被用来查询(或者确定)磁通匝数ψ的数值。该数值接着被微分和被用来在步骤114中计算相位电压的数值，该相位电压的数值被输出以在步骤116中用于控制电机。如上所述，一些控制方案使用磁通匝数信号来控制。使用这些控制方案时，输出用来控制电机的磁通匝数ψ的替代步骤118可以接续在步骤112之后。在步骤116或118后，根据情况，该方法返回到步骤110并开始进一步的迭代。

技术人员应理解本发明可以同样有效地应用于作为电动机或者发电机的电机和带有单相或多相的电机，并且在不偏离本发明的情况下，对公开的布置的变化是可能的，特别是对于控制器中算法的实施细节。显然的还有，虽然利用开关磁阻机描述了本技术，但本技术可涉及具有独立提供相位的任何机器。而且，虽然以旋转电机的形式描述了本发明，本发明同样可应用于线性电机，该线性电机具有轨道形式的定子和在其上移动的移动部件。词语“转子”在本领域中用于指代旋转电机和线性电机的可移动部分，并在本文以此方式进行解读。因此，上述若干实施例的说明是以示例的形式作出的而不是为了限制的目的。本领域技术人员应该明白可以对控制方法进行小的改变而保证上述操作无重大变化。本发明仅意图被所附的权利要求限制。

Claims (14)

1.一种推导开关磁阻机中的磁通匝数的数值的方法，所述开关磁阻机包括转子和定子并具有限定磁通匝数、电流和转子位置之间的关系的磁性特征，所述方法包括：

从转子位置变换器获得代表转子位置的位置信号；

从电流变换器获得电流信号；以及

基于所述位置信号、所述电流信号和所述关系推导在一相位下的磁通匝数的所述数值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中推导所述数值包括使用所述位置信号和所述电流信号访问查询表以推导所述数值。

3.根据权利要求1所述的方法，其包括从推导的磁通匝数的数值中推导电源电压的数值。

4.根据权利要求3所述的方法，其包括使用磁通匝数的估测数值来推导磁通匝数的变化率以及推导作为所述变化率的函数的电源电压的数值。

5.根据权利要求1-4中的任何一项所述的方法，其中所述转子位置变换器包括与所述转子相关联的第一部分和与所述定子相关联的第二部分，两部分中的一个被布置以影响另一个，从而产生代表所述转子的位置或者所述转子相对于所述定子的运动的输出。

6.一种推导开关磁阻机中的电源电压的数值的方法，所述开关磁阻机包括转子和定子并具有限定电源电压、电流和转子位置之间的关系的磁性特征，所述方法包括：

从转子位置变换器获得代表转子位置的位置信号；

从电流变换器获得电流信号；以及

基于所述位置信号、所述电流信号和所述关系推导在一相位下的电源电压的所述数值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述转子位置变换器包括与所述转子相关联的第一部分和与所述定子相关联的第二部分，两部分中的一个被布置以影响另一个，从而产生代表所述转子的位置或者所述转子相对于所述定子的运动的输出。

8.一种用于推导开关磁阻机中的磁通匝数的数值的系统，所述开关磁阻机包括转子和定子并具有限定磁通匝数、电流和转子位置之间的关系的磁性特征，所述系统包括：

用来获得代表转子位置的位置信号的转子位置变换器；

用来获得电流信号的电流变换器；

用来存储代表所述关系的数据的装置；以及

用来基于所述位置信号、所述电流信号和所述数据推导在一相位下的磁通匝数的数值的装置。

9.根据权利要求8所述的系统，其包括使用所述位置信号和所述电流信号查询所述数据以推导磁通匝数的数值的装置。

10.根据权利要求8所述的系统，其包括用于从推导的磁通匝数的数值推导电源电压的数值的装置。

11.根据权利要求10所述的系统，其包括使用磁通匝数的估测数值来推导磁通匝数的变化率以及推导作为所述变化率的函数的电源电压的数值的装置。

12.根据权利要求8到11中的任一项所述的系统，其中所述位置变换器包括与所述转子相关联的第一部分和与所述定子相关联的第二部分，两部分中的一个被布置以影响另一个，从而产生代表所述转子的位置或者所述转子相对于所述定子的运动的输出。

13.一种用于推导开关磁阻机中的电源电压的数值的系统，所述开关磁阻机包括转子和定子并具有限定电源电压、电流和转子位置之间的关系的磁性特征，所述系统包括：

用来获得代表转子位置的位置信号的转子位置变换器；

用来获得电流信号的电流变换器；

用来存储代表所述关系的数据的装置；以及

用来基于所述位置信号、所述电流信号和所述数据推导在一相位下的电源电压的数值的装置。

14.根据权利要求13所述的系统，其中所述位置变换器包括与所述转子相关联的第一部分和与所述定子相关联的第二部分，两部分中的一个被布置以影响另一个，从而产生代表所述转子的位置或者所述转子相对于所述定子的运动的输出。

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