CN102647132A - 估计同步磁阻电机启动时的转子角度和速度的方法及设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种估计同步磁阻电机启动时的转子角度和速度的方法及设备。一种估计同步磁阻电机的转子角度的方法，其中，电机包括定子和转子。首先，确定定子通量和定子电流。从定子通量计算出定子参考系中的两个正交定子通量分量。从定子电流计算出定子参考系中的两个正交定子电流分量。然后使用已知的转子直轴电感分量或转子交轴电感分量、定子通量分量以及定子电流分量计算出转子定向矢量。基于转子定向矢量来估计转子定向。

Description

估计同步磁阻电机启动时的转子角度和速度的方法及设备

技术领域

本发明涉及同步电机，并且涉及估计同步磁阻电机启动时的转子角度。

背景技术

同步电机是包括有转子和定子的交流(AC)电机，其特征是转子以与定子频率同步的方式旋转。同步电机有两种主要类型：无励磁的和直流励磁的。磁阻电机属于前一组。

在启动同步电机之前，通常必须知道电机转子的初始角度和速度。例如能够通过使用位置传感器来检测初始角度和速度。然而，位置传感器给系统增加了成本和不可靠性。因此，还开发了无位置传感器控制方法。

在无位置传感器控制中，通常在每次启动时都必须对速度和角度进行检测。传统上，利用直流(dc)磁化(DC旋转法)来强加初始角度，或者，在凸极电机的情况下，用信号注入法(AC注入法)来检测初始角度。这两种方法都可用于同步磁阻电机(SYRM)的启动过程中。

与以上方法相关联的问题是：尽管已提出信号注入方法也用于检测旋转的转子的转子速度和角度，然而以上方法仅能用于静止状态下的转子。被设计为利用永磁同步电机(PMSM)的旋转的转子进行同步的启动方法通常基于对旋转的永磁体通量的反电势(back-EMF)电压的确定，但是在SYRM中不存在这种通量。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法以及用于实施该方法的设备，以便解决以上的问题。本发明的目的是由特征为独立权利要求中所陈述的内容的方法和设备来实现的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

可以通过使用对转子的凸极加以利用的数学电机模型来确定SYRM的转子的角度和速度。需要提前知道转子的凸极。转子可以是旋转着的或者是静止的。在已知直轴(d轴)电感和/或交轴(q轴)电感的情况下，假设电机中有定子通量，则可以从SYRM的计算电压和电流模型中导出转子位置。

本公开的方法和布置的优点是：旋转的或者静止的转子仅需要一个启动过程。

另一个优点是：与AC注入法或DC旋转法相比，本方法在显著更短的时间段内启动了电机。所提出的方法用于检测角度和速度的估计持续时间可以小于20ms。典型的AC注入法需要100ms。DC旋转法可能要用几秒来完成。

在启动过程之后，d轴被磁化而控制在运行。由于在除d轴方向以外的方向上通量小，所以本方法不影响电机的旋转速度。因此，启动是平稳的。

附图说明

以下将参照附图借助于优选实施例对本公开进行更详细的描述，在附图中：

图1a、图1b和图1c示出了d轴定向的转子定向矢量和定子电流的根据转子角度的轨迹；

图2示出了适于估计同步磁阻电机的转子速度的PLL的简图；

图3示出了可以应用本公开的方法的布置。

具体实施方式

在如永磁电机和感应电机的电机类型中，转子通量分量不会是可根据定子电压积分明确地确定的。在SYRM中没有永磁体通量，因此定子通量和定子电流通过转子坐标系中的电感关系彼此直接约束。

转子坐标系中的电感由两个分量表示：d轴电感分量L_d和q轴电感分量L_q。这两个参数之间的差是磁阻电机的操作的基础。

如果所述电感分量中的至少一个是已知的，那么即使在启动时也可以对同步磁阻电机的转子定向(rotor orientation)进行估计。首先感生初始定子通量。然后确定定子通量和定子电流的值。然后，基于定子通量、定子电流和已知的转子电感分量，可以形成对转子定向的第一估计。可以从定子通量

与电感分量L_q和定子电流

的乘积之间的差计算出直轴定向的转子定向矢量如下：

${\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_d=\±({\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_s-L_q{\stackrel{\→}{i}}_s)---\left(1\right)$

等式1中的±符号表示涉及同一极的两种不同的转子定向。总体上，由于缺少永磁体感生的通量，所以在这些定向之间没有差别，因此在一些实施例中可以将符号省略。

类似地，可以使用另一个电感分量L_d来计算交轴定向的转子定向矢量如下：

${\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_q=\±({\stackrel{\→}{\mathrm{\ψ}}}_s-L_d{\stackrel{\→}{i}}_s)---\left(2\right)$

在一些实施例中，可以基于等式1或等式2中的定向矢量来形成第一估计。然后可以基于该第一估计来确定转子定向。

估计出的转子定向还可以以角度的形式表示。等式1和等式2的矢量可以用来估计转子定向角度，然后该转子定向角度可以用作第一估计。例如，可以基于定向矢量

或

的x分量和y分量之间的比率来确定第一估计，如下：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{est}}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_x}{{\mathrm{\θ}}_y}\right)+\frac{\mathrm{\π}}{2}\±\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(3\right)$

其中，θ_est是估计出的转子定向角度，θ_x和θ_y是定向矢量的x分量和y分量。±符号表示涉及同一极的两种不同的转子定向角度。

如果两个电感分量都是已知的，则还可以基于定子通量、定子电流和另一个已知的转子电感分量来形成对转子定向的第二估计。第二估计可以由定向矢量或例如使用等式3所计算出的角度来表示。可以基于第一估计和第二估计来估计转子定向。可以形成第一估计和第二估计以使得这些估计具有同一定向，并可以将这些估计一起用于估计转子定向。例如，通过将等式2的交轴定向的矢量旋转90度，可以形成直轴定向的矢量。然后可以例如通过将两个定向矢量相加起来而使用这两个矢量对转子定向进行估计。可替换地，还可以使用两个估计出的定向角度之和。

接下来公开一种用于实施本公开的方法的方式。在确定了定子通量和定子电流之后，从定子通量计算出定子参考系中的两个正交定子通量分量，并从定子电流计算出定子参考系中的两个正交定子电流分量。然后，基于定子通量分量、定子电流分量和已知的转子电感分量形成对转子定向的第一估计，并基于定子通量分量、定子电流分量和另一个已知的转子电感分量形成对转子定向的第二估计。例如通过使用等式1和等式2，可以计算出两个转子定向矢量：第一转子定向矢量以及第二转子定向矢量

如下：

${\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_{d,1}=\±({\mathrm{\ψ}}_x-L_q{i}_x+j({\mathrm{\ψ}}_y-L_q{i}_y))---\left(4\right)$

${\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_{d,2}=\±(L_d{i}_y-{\mathrm{\ψ}}_y+j({\mathrm{\ψ}}_x-L_d{i}_x))---\left(5\right)$

ψ_x和ψ_y是从定子通量计算出的定子参考系中的两个正交定子通量分量。i_x和i_y是从定子电流计算出的定子参考系中的两个正交定子电流分量。在等式5中，通过将等式2中的交向定向的矢量的实部和虚部交换并将新的实部乘以-1，将该交向定向的矢量旋转了90度。

等式4和等式5中的两个转子定向矢量都总是与转子d轴对准。这可以从图1a、图1b和图1c中看到，图1a、图1b和图1c示出了d轴定向的转子定向矢量和定子电流的根据转子角度的轨迹。随着转子相对于定子通量

转向，定子电流矢量端部遵循圆A。圆A的中心与定子通量矢量对准。在图1a、图1b和图1c中，定子通量

在x轴保持恒定，d轴电感分量L_d是2且q轴电感分量L_q是0.5。随着转子旋转了完整的电角度，定子电流矢量端部沿着圆A绕了一整圈。在单极对电机的情况下，如图1a、图1b和图1c所示的，这意味着随着转子机械地旋转了一整圈，定子电流矢量

端部绕了两整圈。

当定子通量与q轴对准时，d轴定向的第一转子定向矢量

具有零长度点，而当定子通量与d轴对准时，d轴定向的第二转子定向矢量具有零长度点。还可以以类似的方式计算出与q轴对准的第一转子定向矢量和第二转子定向矢量。

理论上，估计量应该在除了零长度定向之外的所有其他定向上给出理想的定向估计。在实践中，与L_d和L_q相关的参数误差会显著地影响到任何接近零长度定向处的准确度。因此，可以将第一转子定向矢量

和第二转子定向矢量

一起用于估计转子定向。由于电感分量不相等，所以使用不同电感分量的定向矢量的最大长度是不相等的。可以使用校正参数来校正矢量的长度。由此，可以形成第三定向矢量例如，如下：

${\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_{d,\mathrm{sum}}={\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_{d,1}+l{\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}}_{d,2}---\left(6\right)$

其中，l是其值可以例如基于转子电感分量之间的比率而确定的参数。

如果将两个估计量一起使用，那么可能会需要对校正符号进行选择，以便在转子坐标系的每个象限中都具有一致的定向。

转子定向角度可以基于第一转子定向矢量、第二转子定向矢量或第三转子定向矢量的x分量与y分量之间的比率来确定。转子直轴角度例如可以根据转子定向矢量和来分别利用以下转子定向角度估计量θ_est，1、θ_est，2和θ_est，sum计算出来：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{est},1}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_y-L_q{i}_y}{{\mathrm{\ψ}}_x-L_q{i}_x}\right)+\frac{\mathrm{\π}}{2}\±\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(7\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{est},2}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_x-L_d{i}_x}{L_d{i}_y-{\mathrm{\ψ}}_y}\right)+\frac{\mathrm{\π}}{2}\±\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(8\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{est},\mathrm{sum}}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_y-L_q{i}_y\±k({\mathrm{\ψ}}_x-L_d{i}_x)}{{\mathrm{\ψ}}_x-L_q{i}_x\±k(L_d{i}_y-{\mathrm{\ψ}}_y)}\right)+\frac{\mathrm{\π}}{2}\±\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(9\right)$

这些估计量的分子和分母是d轴定向的转子定向矢量

和

的y分量和x分量。与等式3类似，±符号在此处表示涉及同一极的两种不同的转子定向角度。

转子定向角度估计量θ_est，1例如可以用来产生第一估计，而转子定向角度估计量θ_est，2例如可以用来产生第二估计。如图1a、图1b和图1c所示，在定子通量接近转子的d轴的情况下，估计量θ_est，1更准确。对应地，在定子通量接近转子的q轴的情况下，估计量θ_est，2更准确。转子定向角度估计量θ_est，sum是第一转子定向角度估计量和第二转子定向角度估计量的结合。由于定向矢量

和

从不同时处于零长度点，因此，估计量θ_est，sum在任何角度都是准确的。

以上估计方法可以用来确定启动时的转子定向。因为在SYRM的转子中没有永磁体，所以每个极都有两种可能的初始角度。这些初始角度是相等的并且这些初始角度中的任何一个都可以用作为用于电机控制的转子定向。

可以按以下方式找到初始角度。首先，通过将dc电压注入到定子绕组来给电机生成小的定子通量。例如用传统的通量或电流控制器可以容易地将小的通量值控制给定子。然后可以使用各种方法对通量的值进行估计。确定定子电流的量。当已知定子通量和定子电流时，可以使用第一估计和第二估计计算出转子定向。

如果转子以未知的速度旋转，那么可以基于估计出的定向来估计速度。例如，可以简单地从转子位置的时间导数计算出速度估计。还可以利用简单的锁相环(PLL)从定向角度估计量θ_est，1、定向角度估计量θ_est，2或者这些估计量的结合来获得过滤后的速度估计。还可以使用其他方法来从估计出的转子定向获得速度估计。

图2示出了如下PLL的简图：该PLL适于基于估计出的转子定向角度θ_est来估计同步磁阻电机的转子速度。

PLL基于反馈角度项θ_PLL与转子定向角度θ_est之间的差来计算针对转子速度的估计ω_est。反馈角度项θ_PLL的值是通过使用积分装置1对反馈速度项ω_PLL求积分而计算出的，而反馈速度项ω_PLL的值是基于反馈角度项θ_PLL与转子定向角度θ_est之间的差来确定的。如图2所示，反馈速度项ω_PLL的值例如可以使用PI控制器2来确定。PI控制器2的积分部分I还用来产生速度估计ω_est。在知道了转子的速度和角度的情况下，可以开始更高水平的控制。

因为PLL估计需要时间来稳定，所以速度跟踪增加了启动过程的持续时间。如果转子处于静止状态，那么启动过程可以在检测到初始转子定向之后紧接着继续进行d轴磁化和正常的转矩控制启动。然而，在转子可能是旋转的或者处于静止状态的一般的启动过程中，仍然需要速度估计。

如图1a、图1b和图1c所示，如果定子通量保持恒定，那么对任意位置处的转子定向的跟踪会需要利用第一估计和第二估计两者以及校正符号修正。然而，如果以定子通量与转子极对的d轴之间的通量角度小于90度的方式来将定子通量控制为遵循转子的定向，那么可以仅用第一估计来跟踪定向。这例如可以通过将通量控制器用作更高级的控制来实现。还可以使用电流控制器。当定子电流在d轴方向上时，定子通量与之对准而获得通量跟踪。电流控制具有下述优点：电流控制防止电流在通量不沿着d轴方向的瞬变中增加为不必要高的值。

定向角度估计量θ_est，1例如可以用于第一估计。通常在电机的正常操作中，d轴被磁化而通量角度小于45度。当转矩被控制为零时，通量角度是零而只有d轴被磁化。在定子通量接近d轴的情况下，换句话说，在通量角度接近零的情况下，估计量θ_est，1在其最准确的区域中，而参数误差仅有小的影响。这使得该估计对转子q轴电感分量L_q的误差具有非常好的鲁棒性，其中q轴电感分量L_q在可以使用该方法之前必须是已知的。

上述方法可以与对通量的控制一起使用，以估计启动时的转子定向。设定定子控制基准的值。定子控制基准例如可以表示定子电流或定子通量的期望方向和幅度。然后基于定子控制基准来感生定子通量。最初，通量控制可以在任意方向上开始。当定子通量开始在受控方向上增加时，可以使用第一估计来确定转子定向。然后更新定子控制基准，以便定子通量遵循所确定的转子定向。

例如，可以使用等式4中的定向矢量

来计算第一估计，在这种情况下，计算出的定向表示转子d轴的方向。然后，将估计出的转子定向的值提供为通量控制器的输入，通量控制器然后开始控制通量与转子d轴的被估计出的方向对准。起初定向估计可能是非常不准确的，但是随着通量分量在d轴的被估计出的方向上增加，定向估计的准确度会改进。在启动过程的结尾处，定子通量以与转子d轴同步且同相的方式进行着旋转。

可以与通量控制同时开始利用PLL结构对速度进行估计。在启动过程的结尾，也知道了转子速度。当速度和定向稳定时，d轴可以被磁化为由更高级的控制器设定的值。如果使用以上启动过程，那么在启动过程的结尾时控制系统的所有部分都是起作用的，并且在正常控制操作开始时没有不必要的瞬变。

通过使用上述估计和估计量，可以以许多不同的方式实施启动过程。一个实际的解决方案是仅使用定向矢量

并且控制定子电流或定子通量与d轴对准。这使得该估计对参数L_q的误差具有非常好的鲁棒性，其中参数L_q在可以使用方法之前必须是已知的。

可以使用电流或通量控制将通量和电流转向到d轴方向上。结果没有不同，但是在达到d轴对准的通量/电流之前的通量和电流变化是不同的。基于在利用启动过程的实施例中使用的总体控制结构，确定了这些选项的可行性。

图3示出了将设备21连接在供电网22与同步磁阻电机23之间的布置。电机包括定子和转子。转子交轴电感分量L_q是已知的。设备21能够使用电机控制器对电机23进行控制。在图3中，设备21是变频器，而电机控制器是逆变桥24。逆变桥24受控于通量控制器25。还可以使用其他的控制器，如电流控制器。通量控制器25使用估计出的转子定向和速度作为输入参数。如图3所示，控制器还可以使用其他的输入，如定子电流、定子电压或者定子通量。

在该布置中，确定定子通量和定子电流，以估计转子定向和速度。由此，设备包括有定子电压测量单元26和定子电流测量单元27。定子电流测量单元27还从定子电流计算出定子参考系中的两个正交的定子电流分量。

然后使用电压模块28作为用于确定定子通量的装置来确定定子通量。电压模块28按照定子电压减去电阻损耗后的积分来计算通量。电压模块28还从定子电流计算出定子参考系中的电流分量。

设备21包括第一转子定向估计器29。第一转子定向估计器29使用定子通量分量、定子电流分量、以及已知的转子电感分量中的一个转子电感分量作为输入。第一转子定向估计器29产生了对转子定向的第一估计。该定向例如可以由定向矢量或者角度来表示。第一转子定向估计器29例如可以如等式1所定义的那样，通过使用已知的转子q轴电感分量L_q、定子通量分量以及定子电流分量来计算d轴定向的第一转子定向矢量。第一转子定向估计器29例如可以用等式4中的d轴定向的第一转子定向矢量来表示转子定向，或者例如可以如等式7所定义的那样来从第一转子定向矢量计算出定向角度。

设备还包括第一转子速度估计器30。估计器30基于估计出的转子定向来对同步磁阻电机的转子速度进行估计。该方法例如可以与图2中所公开的方法以及与图2有关的描述相同。首先为反馈速度项设定初始值。然后通过对反馈速度项求积分来计算反馈角度项的值。基于反馈角度项与转子定向之间的差来确定对转子速度的估计。基于反馈角度项与转子定向之间的差来确定反馈速度项的新值。

在图3的布置启动时，转子定向是未知的。为了启动，可以对通量控制器25给出任意方向上的定子通量基准。然后，逆变桥24控制定子通量，以使得定子通量遵循定子通量基准。随着定子通量开始在定子通量基准的方向上增加，第一转子定向估计器29给出对转子定向的估计。估计出的转子定向例如可以表示转子d轴的方向。与通量控制同时开始利用转子速度估计器30对速度进行估计。

然后，基于转子定向来更新定子通量基准，以使得定子通量遵循转子定向。在图3的布置中，转子定向指向转子d轴的方向。估计出的转子d轴方向被给出为用于通量控制器25的新的定子通量定向基准。通量控制器25开始将通量控制到转子d轴方向。随着通量分量在转子d轴的方向上增加，第一估计的准确度增加。在启动过程的结尾，定子通量以与转子d轴同步且同相的方式进行着旋转。由于通量被d轴控制，所以该方法对L_q参数的误差具有鲁棒性。

如果两个转子电感分量都是已知的，那么该方法还可以包括第二转子定向估计器。第二转子定向估计器可以使用定子通量分量、定子电流分量、以及另一个已知的转子电感分量作为输入。第二转子定向估计器产生了对转子定向的第二估计。第二转子定向估计器例如可以如等式5所定义的那样，使用d轴转子电感分量L_d、定子通量分量以及定子电流分量来计算d轴定向的第二转子定向矢量。然后，第二转子定向估计器可以直接基于d轴定向的第二转子定向矢量来形成第二估计，或者例如如等式8所定义的那样使用定向角度作为第二估计。

然后，基于第一估计和第二估计对转子角度进行估计。在启动的情况中，控制器例如可以控制电机控制装置将dc电压注入到定子，并由此生成小的定子通量。使定子通量保持恒定。然后利用第一转子角度估计器和第二转子角度估计器两者对任意位置处的转子角度进行跟踪。

以上参照了上述方法和相关的设备根据示例性实施例而执行的各个功能来对该方法和设备进行了描述。要理解的是，这些元件和功能中的一个或更多个可以以硬件配置的方式来实施。例如，各个部件可以包括：被配置成执行计算机可读指令(例如计算机可读软件)的计算机处理器；非易失性计算机可读记录介质，诸如被配置成存储这样的计算机可读指令的存储器元件(例如ROM、快闪存储器、光存储器等)；以及被配置成由计算机处理器在执行计算机可读指令的同时用作工作存储器的易失性计算机可读记录介质(例如RAM)。还可以将上述方法和相关的设备配置成根据模拟信号、数字信号和/或数字信号与模拟信号的结合来进行感测、生成和/或操作以执行其意图的功能。

对本领域技术人员明显的是，可以以各种方式实施本发明概念。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可在权利要求的范围内进行变化。

Claims (10)

1.一种估计同步磁阻电机在启动时的转子定向的方法，所述电机包括定子和转子，其中，所述转子在转子坐标系中的电感由如下两个转子电感分量表示：转子交轴电感分量(L_q)和转子直轴电感分量(L_d)，并且所述转子电感分量中的至少一个是已知的，其中，所述方法包括下述步骤：

感生定子通量，

确定所述定子通量和定子电流，

基于所述定子通量、所述定子电流和已知的转子电感分量来形成对所述转子定向的第一估计，

基于所述第一估计来确定所述转子定向。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：

设定定子控制基准的值，

基于所述定子控制基准来感生所述定子通量，

更新所述定子控制基准，使得所述定子通量遵循所确定的转子定向。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述两个转子电感分量都是已知的，并且确定所述转子定向包括：

基于所述定子通量、所述定子电流和另一个已知的转子电感分量来形成对所述转子定向的第二估计，

基于所述第一估计和所述第二估计来确定所述转子定向。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述转子定向包括：

基于所述转子电感分量之间的比率来确定校正参数的值，以及

使用所述校正参数来校正定向矢量的长度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，形成对所述转子定向的第一估计包括：

根据所述定子通量与已知的电感分量和所述定子电流的乘积之间的差，计算出第一转子定向矢量，以及

基于所述第一转子定向矢量来形成所述第一估计。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，形成对所述转子定向的第一估计包括：

根据所述定子通量与已知的电感分量和所述定子电流的乘积之间的差，计算出第一转子定向矢量，以及

基于所述第一转子定向矢量的x分量与y分量之间的比率来形成所述第一估计。

7.根据权利要求3所述的方法，其中，形成对所述转子定向的第二估计包括：

根据所述定子通量与另一个已知的电感分量和所述定子电流的乘积之间的差，计算出第二转子定向矢量，以及

基于所述第二转子定向矢量来形成所述第二估计。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述方法包括基于所估计出的转子定向来估计同步磁阻电机的转子速度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，估计所述转子速度包括以下步骤：

设定反馈速度项的值，

通过对所述反馈速度项求积分计算出反馈角度项的值，

基于所述反馈角度项与转子角度之间的差来确定对所述转子速度的估计，以及

基于所述反馈角度项与所述转子角度之间的差来确定所述反馈速度项的新值。

10.一种适于连接到同步磁阻电机的设备，所述电机包括定子和转子，其中，所述设备包括：

用于控制定子通量的装置，

用于确定所述定子通量和定子电流的装置，

用于基于已知的转子电感分量、所述定子通量、所述定子电流来形成对转子角度的第一估计的装置，以及

用于基于所述第一估计来估计所述转子角度的装置。

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