CN102224672A - 用于高效能无铁心永磁电机的无传感器最优转矩控制 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式允许优化永磁电机的转矩控制，包括：获得电机的瞬时端电压；使用数学变换将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压；调节永磁电机的电频率，从而将零直轴电压调整为具有零值；通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度；通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度；以及调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩。

Description

用于高效能无铁心永磁电机的无传感器最优转矩控制

权益声明和引用结合

本申请要求DABOUSSI.于2008年9月23日提交的名称为“SENSORLESS OPTIMUM TORQUE CONTROL FOR HIGH EFFICIENCY IRONLESS PM MACHINES”的美国临时专利申请第61/194,030号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及用于测量永磁电机的转子位置的方法和系统。更具体地，涉及一种使用无铁心永磁(PM)电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转(motoring)和发电操作的方法和系统。

背景技术

如图1所示，永磁电机是一种交流(AC)电动机，其中通过施加垂直于永磁转子产生的场的电磁场，向旋转装置提供能量。为了控制AC永磁电机，应当始终知道转子永磁体(PM)102、104所产生的磁场的绝对位置。磁体的位置对于确定产生期望的转矩所必需的电机的定子电流的大小非常重要。该操作被称为定子电流换向(stator current commutation)。由于磁体相对于定子106旋转，所以磁体的位置可以通过测量转子绝对角位置来计算。诸如旋转变压器和光学编码器的绝对位置传感器通常用于测量电机转子的绝对角位置。电机的角速度也可以根据位置信息来计算。

常用的角位置传感器被机械地耦接至电机转子。对于某些应用，这种设备的严酷环境条件和/或对紧凑机械集成度的关注将带来挑战，特别是如果要求高运行可靠性。对于某些这种实际应用，机械式安装的位置传感器被认为是一个薄弱环节，即，关键性的单点故障(single point of failure)。对于成本敏感性应用，绝对位置传感器的高成本可能是一个问题。

发明内容

本发明采用无铁心永磁电机中的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作。在估计电机的电动势(emf)时，本发明利用无铁心电机的低的每单位电感(per unit inductance)，并且使用近似表示电机电动势的电机端电压。还包括某些补偿来抵消由于定子电流的存在引起的欧姆电压降和电感电压降所导致的任何影响。同样如下所示，该方法利用了d-q旋转参照坐标系变换所带来的电机电压和电流的DC性质。本发明提供了很宽范围的位置和速度感测，这使得电机即使在非常困难的起动转矩条件(诸如与内燃机相关联的条件)下仍有效地起动。此外，本发明结合了实现电机的更有效操作的转矩角优化方案。

本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的由计算机实现的方法，该方法使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：获得该电机的瞬时端电压；将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压；调节永磁电机的电频率，从而将零直轴电压调整为具有零值；通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度；通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度；以及调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩。

本发明的实施方式还涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的系统，该系统使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：用于获得电机的瞬时端电压的装置；用于将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为具有零值的装置；用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩的装置。

此外，本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的计算机可读介质，该计算机可读介质使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：用于获得该电机的瞬时端电压的装置；用于将该瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为具有零值的装置；用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，而优化电机的转矩的装置。

此外，本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的由计算机实现的方法，该方法使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：获得电机的瞬时端电压；使用数学变换将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压；调节永磁电机的电频率，从而将零直轴电压调整为零值；根据调节后的电频率来确定电机的非最终电角度；通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度；通过观测在电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度；以及调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩。

本发明的实施方式还涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的系统，该系统使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：用于获得电机的瞬时端电压的装置；用于使用数学变换将该瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为零值的装置；根据调节后的电频率来确定电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度的装置；用于通过观测在电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩的装置。

此外，本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的计算机可读介质，该计算机可读介质使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：用于获得该电机的瞬时端电压的装置；用于使用数学变换将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为零值的装置；用于根据调节后的电频率来确定电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度积分来确定电机的最终电角度的装置；用于通过观测在电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩的装置。

附图说明

通过优选实施方式和附图来描述本发明，其中：

图1为传统永磁电机的示意图；

图2为根据本发明优选实施方式的无位置传感器的流程图；

图3为本发明的一个实施方式中的锁相环的信号流程图；

图4为根据本发明一个实施方式的数学变换的图形表示；以及

图5为永磁电机的无传感器转矩控制的流程图。

具体实施方式

现有技术限于电流换向的六步模式，其中电流波形是与正弦波相对的方波。为应对正弦激励(sinusoidal excitation)而设计的先前的无传感器方法遭遇着极端难题。传统上看，必须建立系统的数学模型，并且使用卡尔曼(Kalman)滤波器来完成对转子位置的估计。这些方法在本质上对数值计算很敏感，并且要求电动机设备的模型具有高精度。

申请人发现了一种提议的无传感器方法，该方法通过消除机械设备感测转子的绝对角位置的必要，克服了上述现有技术的缺陷。另外，本发明的方法使用简单的数学模型来进行电机的电压和电流的精确测量。此外，所提议的方法利用电机的测量变量来调整由于温度或者其他的操作上的影响而导致的电机参数的任何变化，从而改善了对设备的控制。

图1示出了本发明的一个实施方式中使用的永磁电机。除其他以外，本发明的电动机/发电机包括无铁心转子磁体102、104，以及定子106。

图2示出了如在本发明优选实施方式中所见的用于优化电机的转矩控制而确定电机的电角度的信号流图。电机模型202包括三个电压源E_a、E_b和E_c，三个电阻R_a、R_b和R_c，三个电感L_a、L_b和L_c的示意性表示，但也可以考虑其他配置。

电机202能够接收指示电动机的运动的数字信号。例如，通过电机将电流矢量I_q设定为一个非常高的DC量，电机开始旋转。将电流矢量I_q设定为高的恒定值能够使电动机的磁场矢量自身与电流矢量I_q对齐。在该初始时刻，电动机的转矩角接近零。

接着，如204所图示的，频率随时间逐渐升高，从而改变电角度，并由此改变了设定电流的角度。然后，随着电流矢量I_q开始运动，电动机中的磁体追踪电流矢量I_q。使电机中的磁体追踪运动的电流矢量I_q启动了电机的旋转。一旦该旋转在电机中产生足够大的电动势，位置估计器就超过闭环位置估计。此外，如标号202所示，一旦电机开始旋转，就获得瞬时电机测量变量V_an、V_bn和V_cn。

在某点处，一旦来自电动机的反电动势高到足够可测量的量，就使用未示出的模拟数字转换器(ADC)将进入电动机的模拟电压转换为瞬时端电压V_an、V_bn和V_cn的三个数字读数，从而开始计算周期。

一旦已经获得了瞬时端电压V_an、V_bn和V_cn的数字值，就使用数学变换206来变换这些电压，数学变换206将正弦电机波形变换成DC量。这种数学变换可以是直接正交零变换(dq0)，但也可以考虑其他数学变换。dq0变换是使用电机电角度位置来进行变换的表达式。

通过建立d-q参考坐标系来实现变换，该参考坐标系具有与电机的气隙磁场对齐的d轴以及与d轴正交的q轴，即，与d轴成90°。如图4所示，如果d轴与磁场对齐，则参考坐标系的旋转频率与电机的磁场一致，并且电机开路端电压的变换将得到零直轴电压V_de以及非零交轴电压V_qe。下面将详细解释dq0变换的步骤。

直接正交零(dq0)变换是从三相静止坐标系到dq旋转坐标系的变换。这种变换以两个步骤进行，并且通过如下步骤执行：

1)从三相静止坐标系到两相αβ静止坐标系的变换；以及

2)从αβ静止坐标系到dq旋转坐标系的变换。

这些步骤的图形表示如图4所示。n维空间中的矢量表示通过坐标单位的n维矢量(基)的转置与矢量的矢量表示的乘积来实现，其元素对应于在每条坐标轴上的投影，通过它们的单位值来归一化。在三相(即，三维)空间中，其看起来是这样的：

$X_{\mathrm{abc}}=\left[\begin{array}{ccc}{a}_u& b_u& c_u\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_a\\ x_b\\ x_c\end{array}\right]$

假设三相体系(x_o＝0)，通过变换矩阵T将三相矢量表示变换为dq矢量表示(零轴分量为0)，变换矩阵T定义为：

$T=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)& \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]$

换句话说，从(三相坐标)到

(dq旋转坐标)的变换，称作Park变换，该变换是通过矢量X_abc与变换矩阵T相乘得到的，即X_dq＝TX_abc。根据变换矩阵T，ω是频率，t是时间，并且ω＝dθ/dt。在本发明中，变量X实际上为电压V。相反地，从dq旋转坐标到三相坐标的逆变换被计算为：X_abc＝T’X_dq，其中逆变换矩阵定义为：

$T^{\′}=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)& -\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ \cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]$

当电机旋转时，处理器确定电角度θ_e，其为转子相对于定子的位置。如图2所示，处理器通过将V_de调节为等于零来实现该确定。V_de的值使用如上所述的dq变换来计算。最初由处理器假定先前计算周期的θ_eold的测量值，并且也被输入到Dq变换器中。接下来，如图3所示，锁相环(PLL)208确定计算周期的电角度θ_e。锁相环208包括比例积分调节器210和积分器212。这种类型的PLL通常称作二类锁相环(type-II PLL)。PLL用于通过调节参考坐标系角度使V_de保持为零来追踪转子电位置的角位置。

在更普遍的意义上，锁相环是产生与参考信号的相位具有固定关系的信号的控制系统。锁相环电路响应于电动机的输入信号的频率和相位的控制，自动升高或者降低所控制的振荡器的频率，直到其在频率和相位方面都与基准相匹配。锁相环的机制可以实现为模拟或数字电路。这两种实现方式使用相同的基本结构，包括三个基本元件：相位检测器、可变电子振荡器以及通常包括分频器的反馈路径。

锁相环比较两个信号的两个频率，并产生与输入频率之间的差成比例的误差信号。然后误差信号受到低通滤波，并被用来驱动产生输出频率的电压控制振荡器。输出频率通过分频器反馈回系统的输入端，产生负反馈环。如果输出频率漂移，则误差信号增大，在相反方向上驱动电压控制振荡器(VCO)的频率，以降低误差。因此，输出被锁定为其他输入端处的频率。该输入端称为基准且通常得自频率非常稳定的晶体振荡器。从图3可以看到锁相环的基本框图。

如前所述，根据先前计算周期来假设输入到锁相环中的电角度θ_eold的初始值。该θ_eold的值和瞬时端电压V_an、V_bn和V_cn的值受到dq变换，然后输出V_de和V_qe的值。得到它之后，将V_de的值输入块208中，然后处理器从0减去V_de以确定误差值。其为误差值，这是由于最初V_de是非零值。此外，电机阻抗补偿系数也可以输入到块208中。这是因为端电压被用于确定V_de而不是电机的实际反电动势。

处理器假设永磁(PM)电机的电阻R_a、R_b和R_c接近零，因此PM电机模型中只有电感L_a、L_b和L_c。因此，由于处理器关注AC电压源的输出，但只有电压源加上电感的输出是可测量的，所以处理器确定跨过电感的电压降，即V_Lde＝IωL，V_Lde的值也被输入到锁相环212中，该值可被用于调整V_de的初始输入值，从而补偿电机的电感。

然后，所获得的误差值216由比例积分控制器310(被称为PI滤波器)来处理，以获得电频率Δf_e218，电机以该电频率旋转。

接下来，处理器通过将电频率Δf_e218乘以系数2π来确定Δθ_e的值，Δθ_e具有弧度/计算周期的单位。然后处理器通过积分器212输入来自先前计算周期的电角度θ_eold和Δθ_e，该积分器212将这些值相加，并输出电机对于该具体计算周期的新电角度θ_e1的值。

此时，处理器已经确定了电机的电角度θ_e1，电流调节器现在可以使用电角度θ_e1来调节电机的电流矢量I_q以便I_q垂直于θ_e1。逆变器对电机施加将电流矢量I_q调节为垂直于磁场矢量的电流，磁场矢量与V_q同相。

在本发明的可选实施方式中，可通过处理器进一步优化角度θ_e1。在该具体实施方式中，处理器调整电机的电频率，并确定进入到电机的逆变器中的DC电力增加还是减少。如果电力减少，则处理器在该方向上继续，直到电力增加，此时，处理器已经确定了Δθ_eoptimize的值。然后该值Δθ_eoptimize可以与θ_e1的值一起输入至求和块222，以确定优化后的电机的电角度θ_e。

在本发明的另一实施方式中，使用低通滤波器324对Dq变换后的输出进行滤波，以降低由于电机的非理想波形和开关噪声所引起的噪声。低通滤波器是使低频率信号通过而使高于截止频率的信号衰减(降低其幅度)的滤波器。每个频率的实际衰减量随着滤波器而不同。前馈频率f_eff也被输入到锁相环308，并且用于确定电机的更加优化的电角度。

图5示出本发明的一个实施方式中用于优化永磁电机的转矩的流程图。在步骤502中，获得永磁电机的端电压。例如，可以使用模拟数字转换器来获得端电压。此后，在步骤504中，然后使用数学变换，将瞬时端电压变换为零直轴电压V_de和非零交轴电压V_qe。数学变换可以为直接正交零变换。在步骤506中，调整电机的电频率f_e，从而将零直轴电压V_de调整为具有零值。接下来，在步骤508中，通过对调节后的电频率F_e应用积分器来确定电机的电角度Δθ_e。在步骤510中，通过对先前计算周期的电角度θ_eold和电角度Δθ_e应用锁相环积分器来获得最终电角度θ_e1。然后，在步骤512中，为电机确定最优转矩角Δθ_eoptimize。在步骤514中，通过对最终电角度θ_e1和最优转矩角Δθ_eoptimize应用求和节点来获得电机的新电角度θ_enew。最后，在步骤516中，调节电机的电流矢量，使得电流矢量垂直于电机的新电角度θ_enew。

因此，如现在可以完全理解的，根据本发明实施方式的上述方法、系统和计算机可读介质提供了一种优化永磁电机的转矩控制的非常有效的方法。

已经通过优选实施方式描述了本发明。然而，在不背离如所附权利要求及其法定等价物所限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (6)

1.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的方法，所述方法使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作，包括：

获得所述电机的瞬时端电压；

将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压；

调节所述永磁电机的电频率，从而将所述零直轴电压调整为具有零值；

通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定所述永磁电机的非最终电角度；

通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度；以及

调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩。

2.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的系统，所述系统使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作，包括：

用于获得所述电机的瞬时端电压的装置；

用于将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；

用于调节所述永磁电机的电频率从而将所述零直轴电压调整为具有零值的装置；

用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定所述永磁电机的非最终电角度的装置；

用于通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度的装置；以及

用于调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩的装置。

3.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的计算机可读介质，所述计算机可读介质使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作，包括：

用于获得所述电机的瞬时端电压的装置；

用于将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；

用于调节所述永磁电机的电频率从而将所述零直轴电压调整为具有零值的装置；

用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定所述永磁电机的非最终电角度的装置；

用于通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度的装置；以及

用于调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩的装置。

4.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的由计算机实现的方法，所述方法使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作，包括：

获得所述电机的瞬时端电压；

将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压；

调节所述永磁电机的电频率，从而将所述零直轴电压调整为零值；

根据调节后的电频率确定所述电机的非最终电角度；

通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度；

通过观测在所述电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度；以及

调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩。

5.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的系统，所述系统使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作，包括：

用于获得所述电机的瞬时端电压的装置；

用于将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；

用于调节所述永磁电机的电频率从而将所述零直轴电压调整为零值的装置；

用于根据调节后的电频率来确定所述电机的非最终电角度的装置；

用于通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度的装置；

用于通过观测在所述电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度的装置；以及

用于调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩的装置。

6.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的计算机可读介质，所述计算机可读介质使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：

用于获得所述电机的瞬时端电压的装置；

用于将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；

用于调节所述永磁电机的电频率从而将所述零直轴电压调整为零值的装置；

用于根据调节后的电频率来确定所述电机的非最终电角度的装置；

用于通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度积分来确定所述电机的最终电角度的装置；

用于通过观测在所述电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度的装置；以及

用于调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩的装置。

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