CN103259481B - 估算永磁体电机的电角速度的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及估算永磁体电机的电角速度的方法及系统。具体地，提供基于两相固定坐标系反馈定子电流样本、以及基于采样时间（T）和电机参数所计算的无量纲增益（K）估算永磁体电机的电角速度的方法、系统和设备。

Description

估算永磁体电机的电角速度的方法及系统

技术领域

本发明总体上涉及电机。更具体地，本发明涉及估算永磁体电机的电角速度。

背景技术

最近几年中，技术的进步，以及不断演化的风格体验，已经导致汽车设计的相当大的变化。其中一个变化包括汽车尤其是替代燃料车辆诸如混合动力车辆、电动车辆和燃料电池车辆内的电气系统和驱动系统的复杂性。这种替代燃料车辆典型地使用电动马达，可能与另一致动器相结合，驱动车轮。

混合动力车辆和电动车辆（HEV）典型地包括电力牵引驱动系统，该电力牵引驱动系统包括至少一个由功率逆变器模块（PIM）用来自直流（DC）电源诸如蓄电池的功率驱动的交流（AC）电动马达。AC电动马达的马达绕组能被连接到PIM的逆变器子模块。各逆变器子模块包括一对开关，该对开关以互补的方式切换以执行快速切换功能从而将DC功率转变成AC功率。脉冲宽度调制（PWM）模块接收电压命令信号并且将PWM波形应用到电压命令信号以控制电压命令信号的脉冲宽度调制并且产生被提供给逆变器模块的逆变器子模块的切换矢量信号。当切换矢量信号被应用时，各逆变器子模块中的各对开关以互补的方式切换从而执行快速切换功能进而将DC功率转变成AC功率。该AC功率驱动AC电动马达，其接着驱动HEV的动力传动系统的轴。

矢量控制

许多现代的高性能AC马达驱动器使用场定向控制（FOC）或“矢量”控制原理以控制AC电动马达的操作。尤其是，矢量控制通常被用在变速驱动器中以控制进给到AC电动马达的电流使得能控制马达转子的机械角速度并且因此能控制由AC电动马达施加到轴的转矩。简而言之，定子相电流被测量并被转变成对应的复杂的空间矢量。这种电流矢量然后被转换成与AC电动马达的转子一起转动的坐标系统。

矢量控制需要转子的角位置信息（也就是，转子相对于“定子”或马达绕组的机械转动角位置）。通常经由反馈装置（举例来说，角位置或速度传感器）获得角位置信息。然而，在一些系统中，无传感器控制技术能用来提供角位置和/或角频率/速度信息。

基于传感器的控制

传统的马达控制系统通常包括反馈装置以提供关于马达的角频率（或“速度”）和角位置信息。许多矢量控制的马达驱动系统使用转子速度或位置传感器提供关于控制马达所需要的转子的角位置的信息。例如，能使用一些类型的用于控制反馈测量的速度或位置传感器，基于实际测量量计算转子的角位置。例如，为了确定转子的角位置，它的角速度能用速度传感器测量，并且然后能通过求速度测量值的积分获得角位置。其它场定向或矢量控制系统可以使用转子角位置传感器或直接提供绝对位置信息的转动变换器执行马达控制技术。一个这种例子将是分解器和分解器到数字转变器电路，其直接提供对应于转子的角位置的位置信息。

反馈装置和相关接口电路的成本是非常大的。去除掉用于电动马达控制系统的反馈装置（以及它的相关配线和电路）能降低HEV的成本。这样，在一些HEV中，期望消除这种速度和/或位置传感器并且用计算的估算值替换测量量。在一些系统中，可以不执行速度或位置传感器，并且无传感器控制技术，其将在下面得到描述，能用来估算角位置或频率/速度。

位置/速度传感器故障

在一些操作情况中，速度或位置传感器可能不如所预期的那样运行（举例来说，在故障期间）。例如，在一些情形中，传感器能经历故障或失效，在该情形中传感器提供的测量值将是不正确的或者完全丢失。例如，跟踪丢失（LOT）故障可能例如在马达正在它的超速区域中运转并且转子的角速度（或“马达速度”）超过位置传感器的跟踪阈值界限时发生。替代地，LOT故障还可能例如在位置传感器的内位置误差超过某一预设阈值时发生。当位置传感器经历LOT故障时，由位置传感器正常提供的转子角位置的测量值将通常是不正确的或完全丢失。这样，除非有方法估算角位置或速度，否则这是可能的，即，场定向矢量控制技术将不能如所预期的那样工作并且必须要关停电动马达驱动器，因为它依靠这种信息确保正确操作。

无传感器控制

如同上面间接提到的，无传感器控制的目的是在不使用速度或位置传感器测量实际速度/位置量的情况下获得转子角位置信息。替代地，AC电机的电磁特性能用来消除这种传感器以及它们的相关配线和接口电路的需求。已经开发了估算转子的角位置和速度的多种方法。所述方法大体上能被分类为在低马达运转速度时更好地工作的方法和在高马达运转速度时更好地工作的方法。一种能用来覆盖全部范围的马达运转速度（也就是，转子角速度）的方法是根据马达速度选择性地启用/停用两种不同的无传感器控制技术。例如，在高马达运转速度时，能启用一种无传感器控制技术，并且在低马达运转速度（或零速度）时，能启用不同的无传感器控制技术。

故障状况期间的响应：三相短路对断路响应

如同上面指出的那样，在正常操作期间，以互补的方式操作各逆变器模块中的开关使得当一个开关接通时，另一个开关切断，并且反之亦然。然而，在许多不同类型的故障状况期间，期望背离正常的互补操作并且将断路故障响应或短路故障响应应用在逆变器模块处从而使电机的转矩响应最小化。

在断路响应期间，多相逆变器中的所有开关被控制成断开。例如，能通过将断路故障响应控制信号应用到PWM模块而在逆变器模块处应用断路故障响应，从而将引起逆变器模块处的断路故障响应（也就是，使逆变器模块内的所有开关处于断开状态）。

相反，在短路响应期间，多相逆变器中的选中开关被控制成以将多相逆变器的所有相都连接到单个总线（也就是，正总线或负总线），并且多相逆变器中的所有其它未选中开关被控制成是断开的使得未选中开关不连接到单个总线（也就是，正总线或负总线）。例如，能通过将短路故障响应控制信号应用到PWM模块而在逆变器模块处应用短路故障响应，从而将引起逆变器模块处的短路故障响应。

在逆变器模块处应用断路故障响应还是短路故障响应能取决于例如电机的角速度（或“速度”）。在受让给本发明的受让人的、题为“FaultHandlingofInverterDrivenPMMotorDrives”的美国专利7,279,862B1和再发行的专利RE42,200中披露了一种确定应用断路故障响应还是短路故障响应的方法，它们的内容整体被以引用的方式结合到这里。

尽管通常能基于位置传感器的输出（或直接来自于速度传感器的读数）确定电机转子的即时角速度，如同上面所描述的那样，但是在一些操作情况中，这些传感器本身可能经历故障（举例来说，当速度/位置传感器失效时），并且因此，不能容易地确定特定的即时角速度（举例来说，来自角速度传感器的或者由位置传感器确定的读数）。在其它无传感器系统中，根本不执行这种传感器。

因为在能计算估算值之前可能必须要等待，所以估算AC电机（举例来说，PMM）的速度的现有技术会是不适当的。

将期望的是提供估算永磁体电机（PMM）的转子的角速度（和/或角位置）的改进的方法、系统和设备。还将期望的是如果这种改进的方法、系统和设备允许在某些操作情况期间快速地估算转子的角速度（和/或位置）。通过后面的具体实施方式和随附权利要求，并结合附图以及前面的技术领域和背景技术，本发明的其它可期望的特征和特点将变得显而易见。

发明内容

估算永磁体电机的速度的现有技术会是不适当的，因为在能计算估算值之前必须等待系统从瞬态响应相进入稳态相。在某些操作模式诸如三相短路操作模式中，尤其是这样的。

根据所披露的实施方式，提供估算永磁体电机（PMM）的转子的角速度（和/或角位置）的方法、系统和设备。这些改进的方法、系统和设备允许：在不必等待系统进入稳态值的情况下，例如，在三相短路操作模式的瞬态相期间当将短路故障响应施加在逆变器模块处时，估算转子的角速度（和/或位置）。

根据一些所披露的实施方式，提供永磁体电机的驱动系统，其包括控制器。控制器包括电角速度估算器模块，其被构造成基于三个或更多个固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）、以及基于采样时间（T）和电机参数（举例来说，定子电感（L_s）和定子电阻（R_s））所计算的无量纲增益（K）计算永磁体电机的估算的电角速度（ω_est(k)）。

在一个实施方式中，其中永磁体电机是表面安装式永磁体电机，电角速度估算器模块被构造成基于下面的等式计算估算的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，di_α1是第一采样点和第二采样点处的第一α轴电流差值，di_α2是第二采样点和第三采样点处的第二α轴电流差值，di_β1是第一采样点和第二采样点处的第一β轴电流差值，di_β2是第二采样点和第三采样点处的第二β轴电流差值。

在一个特定执行方式中，能分别基于下面的等式计算第一α轴电流差值（di_α1），第二α轴电流差值（di_α2），第一β轴电流差值（di_β1），和第二β轴电流差值（di_β2）：

,,,

,

其中k是对应于第一采样点的指数，K是无量纲增益，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。能基于等式：计算无量纲增益（K），其中L_s是定子电感（L_d），并且R_s是定子电阻（R_s）。

在另一实施方式中，其中永磁体电机是内置式永磁体电机，电角速度估算器模块能基于下面的等式计算内置式永磁体电机的估算的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，di_α1/β是第一采样点和第二采样点处的第一α轴/β轴电流差值，di_β1/α是第一采样点和第二采样点处的第一β轴/α轴电流差值，di_α2/β1是第二采样点和第三采样点处的第二α轴/β轴电流差值，并且di_β2/α1是第二采样点和第三采样点处的第二β轴/α轴电流差值。在这个实施方式中，无量纲增益包括无量纲增益矩阵K(k)。

在一个执行方式中，电角速度估算器模块能基于下面的等式计算无量纲增益矩阵K(k)：

，

其中k是对应于第一采样点的索引（index），α是基于d轴定子电感（L_d）、q轴定子电感（L_q）和定子电阻（R_s）计算的电机参数，并且γ是基于d轴定子电感（L_d）和q轴定子电感（L_q）计算的无量纲系数。分别基于下面的等式计算第一α轴/β轴电流差值（di_α1/β），第二α轴/β轴电流差值（di_α2/β1），第一β轴/α轴电流差值（di_β1/α），和第二β轴/α轴电流差值（di_β2/α1）：

,,

,,

其中k₁是无量纲增益矩阵K(k)的对角元素并且k₂是无量纲增益矩阵K(k)的次对角元素，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

本发明还提供如下方案：

1.一种用于计算永磁体电机的估算的电角速度的方法，包括：

确定在电角速度估算器模块处是否已经存储了三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）；

当在电角速度估算器模块处已经存储了三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）时：

在电角速度估算器模块处，基于存储在电角速度估算器模块处的三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）、以及基于采样时间（T）和电机参数所计算的无量纲增益，计算永磁体电机的估算的电角速度（ω_est(k)）。

2.如方案1所述的方法，其特征在于，电机参数包括：定子电感（L_s）和电子电阻（R_s）。

3.如方案1所述的方法，其特征在于，永磁体电机是表面安装式永磁体电机，并且其中计算步骤包括：

在电角速度估算器模块处，基于下面的等式计算表面安装式永磁体电机（SMPMM）的估算的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，其中di_α1是第一采样点和第二采样点处的第一α轴电流差值，其中di_α2是第二采样点和第三采样点处的第二α轴电流差值，其中di_β1是第一采样点和第二采样点处的第一β轴电流差值，其中di_β2是第二采样点和第三采样点处的第二β轴电流差值。

4.如方案3所述的方法，其特征在于，基于下面的等式计算无量纲增益（K）：

，

其中L_s是定子电感（L_d），并且R_s是定子电阻（R_s）。

5.如方案4所述的方法，其特征在于，分别基于下面的等式计算第一α轴电流差值（di_α1），第二α轴电流差值（di_α2），第一β轴电流差值（di_β1），和第二β轴电流差值（di_β2）：

,

,

,

,

并且其中k是对应于第一采样点的索引，K是无量纲增益，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

6.如方案1所述的方法，其特征在于，永磁体电机是内置式永磁体电机，并且其中计算步骤包括：

在电角速度估算器模块处，基于下面的等式计算内置式永磁体电机（IPMM）的估算的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，di_α1/β是第一采样点和第二采样点处的第一α轴/β轴电流差值，di_β1/α是第一采样点和第二采样点处的第一β轴/α轴电流差值，di_α2/β1是第二采样点和第三采样点处的第二α轴/β轴电流差值，并且di_β2/α1是第二采样点和第三采样点处的第二β轴/α轴电流差值。

7.如方案6所述的方法，其特征在于，无量纲增益包括基于下面的等式计算的无量纲增益矩阵K(k)：

，

其中k是对应于第一采样点的索引，α是基于d轴定子电感（L_d）、q轴定子电感（L_q）和定子电阻（R_s）计算的电机参数，并且γ是基于d轴定子电感（L_d）和q轴定子电感（L_q）计算的无量纲系数。

8.如方案7所述的方法，其特征在于，分别基于下面的等式计算第一α轴/β轴电流差值（di_α1/β），第二α轴/β轴电流差值（di_α2/β1），第一β轴/α轴电流差值（di_β1/α），和第二β轴/α轴电流差值（di_β2/α1）：

,

,

,

,

其中k₁是无量纲增益矩阵K(k)的对角元素并且k₂是无量纲增益矩阵K(k)的次对角元素，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

9.如方案1所述的方法，其特征在于，还包括：

在故障检测和确认模块处检测已经发生故障状况；和

将命令传递到断路/短路控制器模块以进入三相短路操作模式。

10.如方案1所述的方法，其特征在于，还包括：

在abc坐标系-αβ坐标系转换模块处采集三相固定坐标系反馈定子电流样本（i_sa…i_sc）；

在abc坐标系-αβ坐标系转换模块处将三相固定坐标系反馈定子电流样本（i_sa…i_sc）转换成两相固定坐标系反馈定子电流样本（(i_α(k),i_β(k)）；和

在电角速度估算器模块处存储两相固定坐标系反馈定子电流样本（(i_α(k),i_β(k)）。

11.一种用于永磁体电机的驱动系统，所述驱动系统包括：

控制器，包括：

被构造成基于三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）、以及基于采样时间（T）和电机参数所计算的无量纲增益（K）计算永磁体电机的估算的电角速度（ω_est(k)）的电角速度估算器模块。

12.如方案11所述的系统，其特征在于，电机参数包括：定子电感（L_s）和电子电阻（R_s）。

13.如方案11所述的系统，其特征在于，永磁体电机是表面安装式永磁体电机，并且其中电角速度估算器模块被构造成基于下面的等式计算表面安装式永磁体电机的估算的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，其中di_α1是第一采样点和第二采样点处的第一α轴电流差值，其中di_α2是第二采样点和第三采样点处的第二α轴电流差值，其中di_β1是第一采样点和第二采样点处的第一β轴电流差值，其中di_β2是第二采样点和第三采样点处的第二β轴电流差值。

14.如方案13所述的系统，其特征在于，基于下面的等式计算无量纲增益（K）：

，

其中L_s是定子电感（L_d），并且R_s是定子电阻（R_s）。

15.如方案14所述的系统，其中电角速度估算器模块被构造成分别基于下面的等式计算第一α轴电流差值（di_α1），第二α轴电流差值（di_α2），第一β轴电流差值（di_β1），和第二β轴电流差值（di_β2）：

,

,

,

,

其中k是对应于第一采样点的索引，K是无量纲增益，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

16.如方案11所述的系统，其特征在于，永磁体电机是内置式永磁体电机，并且其中电角速度估算器模块被构造成基于下面的等式计算内置式永磁体电机的估算的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，di_α1/β是第一采样点和第二采样点处的第一α轴/β轴电流差值，di_β1/α是第一采样点和第二采样点处的第一β轴/α轴电流差值，di_α2/β1是第二采样点和第三采样点处的第二α轴/β轴电流差值，并且di_β2/α1是第二采样点和第三采样点处的第二β轴/α轴电流差值。

17.如方案16所述的系统，其特征在于，无量纲增益包括无量纲增益矩阵K(k)，其中电角速度估算器模块被构造成基于下面的等式计算无量纲增益矩阵K(k)：

，

其中k是对应于第一采样点的索引，α是基于d轴定子电感（L_d）、q轴定子电感（L_q）和定子电阻（R_s）计算的电机参数，并且其中γ是基于d轴定子电感（L_d）和q轴定子电感（L_q）计算的无量纲系数。

18.如方案17所述的系统，其特征在于，分别基于下面的等式计算第一α轴/β轴电流差值（di_α1/β），第二α轴/β轴电流差值（di_α2/β1），第一β轴/α轴电流差值（di_β1/α），和第二β轴/α轴电流差值（di_β2/α1）：

,

,

,

,

其中k₁是无量纲增益矩阵K(k)的对角元素并且k₂是无量纲增益矩阵K(k)的次对角元素，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

19.如方案11所述的系统，其特征在于，还包括：

包括开关的逆变器模块；

故障检测和确认模块，其被构造成检测已经发生故障状况并产生命令以进入三相短路操作模式；和

断路/短路控制器模块，其被构造成接收命令并产生使逆变器模块的开关被构造在三相短路操作模式中的控制信号；以及

abc坐标系-αβ坐标系转换模块，其被构造成采样三相固定坐标系反馈定子电流（i_sa…i_sc）并且将三相固定坐标系反馈定子电流样本（i_sa…i_sc）转换成两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_β(k)），并且其中电角速度估算器模块被构造成存储两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_β(k)）。

20.一种用于永磁体电机的控制器，包括：

包括开关的逆变器模块；

故障检测和确认模块，其被构造成检测已经发生故障状况并产生命令以进入三相短路操作模式；和

断路/短路控制器模块，其被构造成接收命令并产生使逆变器模块的开关被构造在三相短路操作模式中的控制信号；以及

abc坐标系-αβ坐标系转换模块，其被构造成采样三相固定坐标系反馈定子电流（i_sa…i_sc）并且将三相固定坐标系反馈定子电流样本（i_sa…i_sc）转换成两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_β(k)）；和

电角速度估算器模块，其被构造成基于三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）、以及基于采样时间（T）和电机参数所计算的无量纲增益（K）计算永磁体电机的估算的电角速度（ω_est(k)）。

附图说明

以下将结合下面的附图描述本发明，其中相同的标记表示相同的元件，并且

图1是根据其中一个所披露的实施方式的电动马达驱动系统的一个实施例的方块图。

图2是更详细地示出图1的电动马达驱动系统的一部分的一个示范性执行方式的示意图。

图3是示出根据一个实施方式的估算内置式永磁体电机（IPMM）的电角速度的方法的流程图。

图4是示出根据另一实施方式的估算表面安装式永磁体电机（SMPMM）的电角速度的方法的流程图。

图5是示出对于（1）使用估算永磁体电机（PMM）的电角速度的传统技术的系统和（2）使用估算永磁体电机（PMM）的电角速度的所披露的技术的系统来说的电角速度随时间变化的曲线图。

具体实施方式

如同这里所使用的那样，词语“示范性的”意味着“作为例子、例证或示例”。下面的具体实施方式在本质上仅仅是示范性的并且不旨在限定本发明或者本发明的应用和使用。作为“示范性的”而在这里描述的任何实施方式不必被解释为比其它实施方式优选的或有利的。在该具体实施方式中所描述的所有实施方式是为了使本领域技术人员能制造或使用本发明而不是为了限制本发明的由权利要求限定的范围而提供的示范性的实施方式。而且，不旨在受到前面的技术领域、背景技术、发明内容或下面的具体实施方式中所呈现的任何明示的或暗示的理论的限制。

在描述根据本发明的详细实施方式之前，应当看到，实施方式主要存在于涉及在不使用传感器的情况下（举例来说，当传感器对于某些原因诸如当角速度或角位置传感器不可使用或者正在经历故障时而不可用时）估算多相交流电机的电角速度的方法步骤和设备部件的组合。将会认识到，能使用硬件、软件或它们的组合执行这里所描述的本发明的实施方式。这里所描述的控制电路可以包括能使用模拟电路和/或数字电路、离散或集成模拟或数字电子电路或其组合执行的各种部件、模块、电路和其它逻辑。如在这里所使用，术语“模块”指用于执行任务的装置、电路、电子部件、和/或基于软件的部件，其在这里可以被限定在方法的上下文内。在一些执行方式中，当在这种电路中执行控制逻辑的一部分或全部时，能使用一个或多个专用集成电路（ASIC），一个或多个微处理器、和/或一个或多个基于数字信号处理器（DSP）的电路执行这里所描述的控制电路。将会认识到，这里所描述的本发明的实施方式可以包括一个或多个传统的处理器和独特的存储的程序指令，该程序指令控制所述一个或多个处理器，以与某些非处理器电路结合而在不使用传感器的情况下执行用于估算多相交流电机的电角速度的功能的一些、大部分或全部，如同这里所描述的那样。这样，这些功能可以被解释为在不使用传感器的情况下估算多相交流电机的电角速度的方法的步骤。可选地，能由不具有存储的程序指令的状态机，或者在一个或多个专用集成电路（ASIC）中，执行一些或所有功能，在专用集成电路中各功能或某些功能的一些组合被执行为自定义逻辑。当然，能使用这两种方法的组合。这样，这里将描述用于这些功能的方法和手段。进一步地，期望本领域技术人员，虽然可能由例如可用时间、当前技术和经济因素激发出非常大的努力和许多设计选择，但当被这里所披露的构思和原理引导时，将能以最少的实验容易地产生这些软件指令和程序以及IC。

AC电机的类型以及对应的电机参数

在详细描述所披露的实施方式之前，现在将在下面描述所披露的实施方式能被应用到的不同类型的交流电机的例子的一些特征和特性。

如同这里所使用的那样，术语“交流（AC）电机”通常指“使用交流电将电能转变成机械能或者反之亦然的装置或设备”。尽管AC电机可以是AC马达(举例来说，用来将其输入处的AC电能功率转变成机械能或功率的设备)，但AC电机不被限制到是AC马达，而是也可以包括用来将其原动机处的机械能或功率转变成其输出处的AC电能或功率的发电机。任何电机可以是AC马达或AC发电机。AC马达是由交流电驱动的电动马达（电动机）。

AC电机典型地包括：具有线圈的固定定子，该线圈供应有交流电以产生转动磁场；和附连到输出轴的转子。转子产生磁通量，并且它被由定子和转子通量之间的关系确定的转矩驱动。定子具有定子电阻（R_s）和定子电感（L_s）。相对于任何类型的AC电机可被测量或确定的一些参数包括：定子端子电压（V_s），其能被分解成d轴定子端子电压（V_d）、q轴定子端子电压（V_q）；定子电流（I_s），其能被分解成d轴定子电流（I_d）和q轴定子电流（I_q）；定子通量（Ψ_s），其能被分解成d轴定子通量（Ψ_d）和q轴定子通量（Ψ_q）；以及在定子绕组处所观测到的转子通量（ψ_f）。

能用来表征任何类型的电机中的性能的一些参数包括在定子端子处看到的转子通量角位置（θ_e）、在定子端子处看到的转子角位置（θ_r）、以及以弧度/秒为单位的转子速度（ω_r）。以弧度/秒为单位的电角速度（ω_e）等于以弧度/秒为单位的转子机械速度（ω_r）和电机的极对（PP）的数量的乘积（也就是，ω_e=ω_r×PP）。

AC电机通常能被分为同步AC电机或异步AC电机。在同步电机中，定子的转动磁场将转矩施加在转子的磁场上使它稳定地转动。在永磁体电机中，由永磁体产生转子上的磁场。因为处于稳定状态，所以它被称作同步的，转子的角速度与定子中的转动磁场的角速度相匹配。因为它不依赖于感应，所以同步电机能以刚好供给速度或供给速度的约数转动。

同步AC电机能包括永磁体电机和同步磁阻电机。PMAC电机包括表面安装式永磁体电机（SMPMM）（surfacemountpermanentmagnetmachines）和内置式永磁体电机（IPMM）（interiorpermanentmagnetmachines）。同步电机具有能被分解成d轴定子电感（L_d）和q轴定子电感（L_q）的定子电感（L_s）。定子端子处看到的转子通量角位置（θ_e）等于定子端子处看到的转子角位置（θ_r）。在同步电机中，以弧度/秒为单位的同步角速度（ω_e）等于以弧度/秒为单位的转子速度（ω_r）。电（角）速度等于转子机械（角）速度乘以同步电机的定子极对的数量。同步速度是转动场的速度，并且与定子电压或电流频率成正比并且与极的数量成反比。此外，应当指出，在永磁体AC电机的情形中，在定子绕组处所观测的转子通量（ψ_f）由永磁体引起。

已经提供了关于同步PMM的一些背景信息，现在将参考图1-4描述在不使用角速度或位置传感器的情况下估算多相交流PMM的电角速度的方法、系统和设备。能在三相短路操作模式期间应用所披露的估算多相交流PMM的电角速度的方法、系统和设备。根据一些所披露的实施方式、方法、系统和设备，可以在估算可被计算之前在三相短路操作模式的瞬态相期间（举例来说，当在逆变器模块处应用短路故障响应时）估算ACPMM的转子的电角速度（和/或电角位置）而不必等待系统进入稳态值。

图1是根据所披露的实施方式的PMM驱动系统100的一个实施例的方块图。PMM驱动系统100经由连接到三相ACPMM120的三相脉冲宽度调制（PWM）逆变器模块110控制三相ACPMM120使得三相ACPMM120能通过调节控制三相ACPMM120的电流命令有效地使用提供给三相PWM逆变器模块110的DC输入电压（Vdc）139。在一个特定执行方式中，PMM驱动系统100能用来控制HEV中的转矩。

然而，在下面对一个特定的非限制性执行方式的描述中，应当认识到，所示的实施方式仅仅是一个非限制性实施例并且所披露的实施方式能被应用到包括更少相或更多相的任何类型的多相ACPMM。在所示的执行方式中，三相ACPMM120经由三个逆变器极连接到三相逆变器模块110并且基于从逆变器模块110接收的三相电流信号产生机械功率（转矩X速度）。在一些执行方式中，使用位置传感器182（在图1中未示出，但是在图2中示出）测量转子的角位置（θr）121或“轴位置”。转子的角位置（θr）121相对于时间的导数能用来产生三相ACPMM120的角速度（ωr）138。根据所披露的实施方式，当转子的角位置（θr）121和角速度（ωr）138不可用时（举例来说，在传感器故障期间），估算的电角速度（ω_est）158可被计算并且用于计算估算的电角位置（θ_est）162。

下面将参考图2提供三相电压源逆变器110的一个可能执行方式的更详细的描述。

PMM驱动系统100包括转矩-电流映射模块140、同步坐标系电流调节器模块170、同步-固定转换模块102、αβ坐标系-abc坐标系转换模块106、脉冲宽度调制（PWM）模块108、三相PWM逆变器110、abc坐标系-αβ坐标系转换模块127、固定-同步转换模块130、故障检测和确认模块150、以及包括电角速度估算器模块156、电角位置估算器模块160和断路/短路控制器模块164的控制器200。

转矩-电流映射模块140接收转矩命令（Te*）、基于转子/轴位置输出（θr）121的导数产生的轴的角速度（ωr）138或估算的电角速度（ω_est）158、以及DC输入电压（V_DC）139作为输入，取决于执行方式可能与多种其它系统参数一起。转矩-电流映射模块140使用这些输入产生d轴电流命令（Id*）142和q轴电流命令（Iq*）144，其将使电机120产生在经由无传感器估算所产生的估算的电角速度（ω_est）158或角速度（ωr）138处的命令转矩（Te*）。尤其是，转矩-电流映射模块140使用输入将转矩命令信号（Te*）136映射成d轴电流命令信号（Id*）142和q轴电流命令信号（Iq*）144。同步坐标系d轴和q轴电流命令信号（Id*，Iq*）142，144是作为时间函数具有恒定值的DC命令。

abc-αβ转换模块127接收从电机120反馈的测量的三相固定坐标系反馈定子电流（Ia…Ic）122-124。abc-αβ转换模块127使用这些三相固定坐标系反馈定子电流122-124执行abc坐标系到αβ坐标系的转换以将三相固定坐标系反馈定子电流122-124转换成两相固定坐标系反馈定子电流（Iα,Iβ）128，129。能使用任何已知的转换技术包括使用下面的等式（1）中所限定的矩阵执行abc-αβ转换。

(1)

在等式（1）中，转换矩阵和换算系数乘以代表三相固定坐标系反馈定子电流122-124的列向量产生代表两相固定坐标系反馈定子电流（Iα,Iβ）128，129的列向量。

固定-同步转换模块130接收两相固定坐标系反馈定子电流（Iα,Iβ）128，129以及测量的转子角位置（θr）121或估算的电角位置（θ_est）162，并且产生（举例来说，处理或转变）这些两相固定坐标系反馈定子电流（Iα,Iβ）128，129以产生同步坐标系d轴电流信号（Id）132和同步坐标系q轴电流信号（Iq）134。固定-同步转变过程在本领域中是众所周知的并且为了简短将不详细描述。

同步坐标系电流调节器模块170接收同步坐标系d轴电流信号（Id）132，同步坐标系q轴电流信号（Iq）134，d轴电流命令（Id*）142和q轴电流命令（Iq*）144，并且使用这些信号产生同步坐标系d轴电压命令信号（Vd*）172和同步坐标系q轴电压命令信号（Vq*）174。对于稳态操作来说，同步坐标系电压命令信号（Vd*，Vq*）172、174是作为时间函数具有恒定值的DC命令。因为电流命令在同步坐标系中是DC信号，所以与AC固定坐标系电流命令相比，它们更易于调节。电流到电压的转化过程能被执行为比例-积分（PI）控制器，其在本领域中是已知的并且为了简短将不详细描述。

同步-固定转换模块102接收同步坐标系d轴电压命令信号（Vd*）172和同步坐标系q轴电压命令信号（Vq*）174，与转子位置输出（θr）121或估算的电角位置（θ_est）162一起。响应于这些输入，同步-固定转换模块102执行dq到αβ的转换以产生α轴固定坐标系电压命令信号（Vα*）104和β轴固定坐标系电压命令信号（Vβ*）105。固定坐标系α轴和β轴电压命令信号（Vα*，Vβ*）104，105在固定坐标系中并且因此作为时间函数具有为正弦波而变化的值（其间隔90度）。同步-固定转化过程在本领域中是众所周知的并且为了简短将不详细描述。

αβ－abc转换模块106接收固定坐标系电压命令信号（Vα*，Vβ*）104，105，并且基于这些信号，产生被发送到PWM模块108的固定坐标系电压命令信号（Vas*…Vcs*）107（也被称作“相电压信号”或“相电压命令信号”）。能使用任何已知的转换技术包括使用在下面的等式（2）中所定义的矩阵执行αβ-abc转换：

(2)

在等式（2）中，转换矩阵和换算系数乘以代表固定坐标系电压命令信号（Vα*,Vβ*）104,105的列向量产生代表固定坐标系电压命令信号（Vas*…Vcs*）107（或“相电压命令信号”）的列向量。

三相PWM逆变器模块110连接到PWM模块108。PWM模块108用于控制相电压命令信号（Vas*…Vcs*）107的脉冲宽度调制（PWM）。基于工作循环波形产生切换矢量信号（Sa...Sc）109，所述工作循环波形未在图1中示出，但是替代地在PWM模块108处内部地产生以在各PWM周期期间具有特定工作循环。PWM模块108基于工作循环波形（在图1中未示出）修改相电压命令信号（Vas*…Vcs*）107以产生切换矢量信号（Sa...Sc）109，其中它提供到三相PWM逆变器模块110。PWM模块108中执行的特定调制算法能是任何已知的调制算法包括空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）技术以控制脉冲宽度调制（PWM）从而形成交流（AC）波形，其基于DC输入139以变化的角速度驱动三相AC供能电机120。

切换矢量信号（Sa...Sc）109控制PWM逆变器110中的开关的切换状态以在各相A，B，C处产生三相电压命令。切换矢量信号（Sa...Sc）109是在各PWM周期期间具有特定工作循环的PWM波形，其由在PWM模块108处内部地产生的工作循环波形确定。

如同上面所描述的那样，使用切换矢量信号（Sa...Sc）109控制逆变器模块110中的开关的切换状态以产生三相固定坐标系反馈定子电流122-124。在正常操作期间，控制三相逆变器模块110使得同一逆变器子模块115-117或“腿”中的两个开关不同时接通以阻止DC供应被存储。这样，同一逆变器子模块115-117中的开关以互补的方式操作（在正常操作期间）使得当一个关断时另一个接通并且反之亦然。为了进一步解释，在任何特定时间时在给定相（A…C）中，其中一个开关关断并且另一个开关接通（也就是，在特定逆变器子模块中的两个开关必需具有相反的接通/关断状态）。这样，对于特定的逆变器子模块，该逆变器子模块中的两个开关的接通/关断状态能被表示为二进制数1或二进制数0。例如，当给定相中的上部开关接通（并且下部开关关断）时，位值将是一（1），并且给定相中的下部开关接通（并且上部开关关断）时，位值将是零（0）。

如同将在下面解释的那样，当传感器故障发生时，应当不同地操作逆变器模块，并且这样做的话，能应用断路故障响应或短路故障响应。

三相PWM逆变器模块110接收DC输入电压（Vdc）和切换矢量信号（Sa...Sc）109，并且使用它们在逆变器极处产生以变化的角速度（ω_r）驱动三相ACPMM120的三相交流（AC）电压信号波形。

三相电机120接收由PWM逆变器110产生的三相电压信号并且以命令转矩Te*136产生电机输出。

尽管在图1中未示出，但是系统100也可以包括连接到三相ACPMM120的轴并且由三相ACPMM120的轴驱动的齿轮。测量的反馈定子电流（Ia-Ic）122-124被感测、采样并提供给abc-αβ转换模块127，如同上面所讨论的那样。

图2是包括连接到三相ACPMM120的三相电压源逆变器110的电机驱动系统的一部分的方块图。应当指出，图1中的三相电压源逆变器110和三相电机120不被限制到这个执行方式；相反，图2仅仅是在一个特定的实施方式中如何能执行图1的三相电压源逆变器110和三相电机120的一个实施例。

如同在图2中所示的那样，三相ACPMM120具有连接到电机端子A、B、C的三个定子或电机绕组120A、120B、120C，并且三相PWM逆变器模块110包括电容器180和三个逆变器子模块115、117和119。在这个特定实施方式中，在相A中，逆变器子模块115连接到电机绕组120A，在相B中逆变器子模块117连接到电机绕组120B，并且在相C中，逆变器子模块119连接到电机绕组120C。电机绕组A、B、C（120A、120B、120C）在中性点（N）120D处被连接在一起。进入到电机绕组A120A的电流从电机绕组B，C，120B-120C流出，进入到电机绕组B120B的电流从电机绕组A和C，120A，120C流出，并且进入到电机绕组C120C的电流从电机绕组A和B，120A，120B流出。

合成相或定子电流（Ia-Ic）122，123，124流过相应的定子绕组120A-C。横过各定子绕组120A-120C的从相到中性点的电压分别被标识为V_an,V_bn,V_cn，其中在各定子绕组120A-120C中所产生的反电动势（EMF）电压分别被示为E_a,E_b,E_c，各自分别被示为与定子绕组120A-120C串联连接。如众所周知，这些反EMF电压E_a,E_b,E_c是由永磁体转子的转动在相应的定子绕组120A-120C中感应的电压。尽管未示出，但电机120能连接到驱动轴。

逆变器110包括包含双开关182/183，184/185的第一逆变器子模块115，包含双开关186/187，188/189的第二逆变器子模块117，和包含双开关190/191，192/193的第三逆变器子模块119。这样，逆变器110具有六个固态可控的切换装置182、184、186、188、190、192，和六个二极管183、185、187、189、191、193，以适当地切换复合电压（V_DC）139并且提供三相ACPMM120的定子绕组120A、120B、120C的三相通电。在正常操作状况期间，通过将合适的控制信号109提供给单独的逆变器子模块115、117、119而控制逆变器子模块115、117、119内的固态切换装置182、184、186、188、190、192的切换，因此控制分别提供给电机绕组120A-120C的逆变器子模块115、117、119的输出。三相逆变器模块110的逆变器子模块115、117、119产生的所得到的定子电流（Ia…Ic）122-124被提供给电机绕组120A、120B、120C。取决于逆变器模块110的逆变器子模块115、117、119中的开关182、184、186、188、190、192的开/关状态，电压V_an,V_bn,V_cn和节点N处的电压随着时间而波动。反电动势（EMF）电压E_a,E_b,E_c不受逆变器切换的影响，而仅仅受到马达速度的影响。

三相断路和短路状态

当故障发生（举例来说，传感器故障或失效）时，应当以受控的方式关停ACPMM120。这样，能应用两种故障响应中的一种：断路故障响应或短路故障响应。取决于ACPMM120的角速度以及它是否超过转变角速度（举例来说，大约7,000rpm）而确定应用哪种响应。

当AC电机120以低于转变角速度的角速度转动时，控制器200的断路/短路控制器模块164应当促使PWM模块108使逆变器模块110应用断路故障响应并且迫使逆变器模块的所有开关关断（也就是，断路）。这使AC电机120置于不受控的发电机模式（UCG模式）使得AC电机120不产生电流并且不产生破坏转矩。

另一方面，如果AC电机120正在以高于转变角速度的角速度转动，那么UCG模式以逐渐增加的角速度逐渐增加地产生更多的电流，其逐渐增加地产生更大破坏转矩。因此，当AC电机120以高于转变角速度的角速度转动时，控制器200的断路/短路控制器模块164避免切换到断路故障响应。

当角速度在转变角速度以下时，短路响应逐渐增加地产生更多的来自AC电机120的电流（当角速度从零rpm增加时）并且最初地在低rpm时逐渐增加产生更大的破坏转矩，但是当rpm接近转变角速度时产生减小的转矩。

根据所披露的实施方式，当角位置传感器和/或角速度传感器（或者“速度传感器”）经历故障时，故障被检测到并且故障标记被提供给控制器200。控制器200能接收两相固定坐标系反馈定子电流（Iα,Iβ）128，129。基于这些两相固定坐标系反馈定子电流（Iα,Iβ）128，129，控制器200的电角速度估算器模块156能估算转子的机械角速度，并且然后产生提供给PWM模块108的控制信号202-1…201-3以使断路故障响应或短路故障响应在逆变器模块110处得到应用。控制信号201将（1）使逆变器模块110内的所有开关打开，或者（2）使逆变器模块110内的选中的一些开关（举例来说，182、186、190或184、188、192）关闭使得逆变器模块110的所有相被连接到单个总线（举例来说，正总线或负总线），同时逆变器模块110中的所有其它未选中开关（184，188，192，或182，186，190）保持打开使得未选中开关不连接到单个总线（举例来说，正总线或负总线）。

为了进一步解释，当断路故障响应被应用在逆变器模块110处时，断路故障响应控制信号201被设计成使来自PWM模块108的输出信号109打开逆变器模块110内的所有开关182、184、186、188、190、192，并且因此将逆变器模块110中的开关182、184、186、188、190、192有效地放置在打开状态中（也被称作三相断路故障响应）。通过打开逆变器模块110中的所有开关182、184、186、188、190、192，这迫使逆变器模块的所有开关关断（也就是，断路），其使AC电机120置于不受控的发电机模式（UCG模式）使得AC电机120不产生电流。

相反，当短路故障响应被应用在逆变器模块110处时，关闭响应控制信号201被设计成使来自PWM模块108的输出信号109关闭逆变器模块110内的选中的一些开关（举例来说，182、186、190或184、188、192）以将逆变器模块110的所有相连接到单个总线（举例来说，正总线或负总线），并且使逆变器模块110中的所有其它未选中开关（184，188，192或182，186，190）是断开的使得未选中开关不连接到单个总线（举例来说，正总线或负总线）。同样地，这被称作短路故障响应，其中逆变器模块110中的一半开关处于短路状态。逆变器模块110内的所选中的一些开关（举例来说，182、186、190或184、188、192）将逆变器模块110的所有相连接到单个总线（举例来说，正总线或负总线），并且未选中的开关（184，188，192或182，186，190）是断开的（并且不连接到单个总线）。应用这种短路故障响应逐渐增加地产生来自AC电机120的更多的电流（当电角速度从零rpm增加时）并且最初地在低rpm时逐渐增加地产生更大的破坏转矩，但是当rpm接近转变角速度时产生减小的转矩。

故障检测和确认模块150接收机械角速度（ωr）138或估算的电角速度（ω_est）158，并且基于该输入，产生提供给控制器200的电角速度估算器模块156，电角位置估算器模块160和断路/短路控制器模块164的启用/停用信号151。电角速度估算器模块156，电角位置估算器模块160和断路/短路控制器模块164受到用来使控制器200的那些模块156、160、164启用或停用的启用/停用信号151的控制。控制器200的这些模块156、160、164仅当它接收到来自故障检测和确认模块150的启用信号151时启用。否则，控制器200的这些模块156、160、164接收停用信号151并且是不可操作的。换句话说，仅仅当故障检测和确认模块150确定已经检测和确认了传感器故障时才启用或激活控制器200的这些模块156、160、164。故障检测和确认模块150的许多不同的执行方式在本领域中是已知的，并且取决于执行方式，能使用任何已知的故障检测和确认模块150。在可选实施方式中，电角速度估算器模块156和电角位置估算器模块160能以连续方式运行，使得合适的替代速度估算总是存在并且在模块150检测到故障时立即准备使用。

控制器200的电角速度估算器模块156使用两相固定坐标系反馈定子电流（Iα,Iβ）128，129，与采样周期（T_s）152和电机参数154（举例来说，定子电阻（R_s），能被分解成d轴定子电感（L_d）和q轴定子电感（L_q）的定子电感（L_s））一起，以计算估算的电角速度（ω_est）158，如同将在下面参考图3和4描述的那样。

电角位置估算器模块160能使用估算的电角速度（ω_est）158计算估算的电角位置（θ_est）162。

断路/短路控制器模块164能接收估算的电角速度（ω_est）158和/或估算的电角位置（θ_est）162，并且当启用时，能产生用来控制PWM模块108的控制信号201。在一个实施方式中，当断路/短路控制器模块164接收到估算的电角速度（ω_est）158时，断路/短路控制器模块164基于估算的电角速度（ω_est）158确定在逆变器模块110处应当应用断路故障响应还是短路故障响应，并且然后能产生提供给PWM模块108以使断路故障响应或短路故障响应被应用在逆变器模块110处的控制信号202-1…201-3。提供给PWM模块108的控制信号202-1…201-3能被称作断路故障响应控制信号201，或短路故障响应控制信号201。

在一个实施方式中，断路/短路控制器模块164比较估算的电角速度（ω_est）158与转换角速度阈值（ω_Tth）。在一个执行方式中，转换角速度阈值（ω_Tth）能是固定的预定角速度并且基于多相电PMM的参数性能来限定。在另一执行方式中，转换角速度阈值（ω_Tth）能是可调节的预定角速度并且基于根据多相电机的温度和电压源的电压中的至少一个所调节的多相电机的参数性能来限定。

在任一执行方式中，当断路/短路控制器模块164确定估算的电角速度（ω_est）158小于或等于转换角速度阈值（ω_Tth）时，断路/短路控制器模块164产生将引起逆变器模块110处的断路故障响应的断路故障响应控制信号201-1…201-3。当断路故障响应被应用在逆变器模块110时，断路故障响应控制信号201被设计成使来自PWM模块108的输出信号109断开逆变器模块110内的所有开关182、184、186、188、190、192，并且因此将逆变器模块110中的开关182、184、186、188、190、192有效地置于断开状态中（也被称作三相断路故障响应）。

当断路/短路控制器模块164确定估算的电角速度（ω_est）158大于转换角速度阈值（ω_Tth）时，断路/短路控制器模块164产生将引起逆变器模块110处的短路故障响应的短路故障响应控制信号201-1…201-3。当短路故障响应被应用在逆变器模块110时，闭合响应控制信号201被设计成使来自PWM模块108的输出信号109闭合逆变器模块110内的所选中的一些开关（举例来说182、186、190或184、188、192）以将逆变器模块110的所有相连接到单个总线（举例来说，正总线或负总线），并且将逆变器模块110中的所有其它未选中的开关（184、188、192、或182，186，190）断开使得未选中的开关不连接到单个总线（举例来说，正总线或负总线）。统称地，这可被称作三相短路操作模式或短路故障响应，其中逆变器模块110的一半开关处于短路状态。

估算电角速度的传统方法

根据一种传统方法，能如下地估算永磁体电机（PMM）的电角速度（ω_est）。能通过如下的等式（3）计算两相固定坐标系反馈定子电流（Iα,Iβ）的大小（I_s）：

(3)。

能使用如下的等式（4）计算两个采样周期之间的定子电流的大小变化（?I_s）：

(4),

其中i_α(k)是状态空间矢量的第一（或当前）采样点（或PWM信号的第一循环）处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是在第一（或当前）采样点（或PWM信号的第一循环）处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_α(k+1)是状态空间矢量的第二采样点（或PWM信号的第二循环）处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k+1)是在状态空间矢量的第二采样点（或PWM信号的第二循环）处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

能通过如下的等式（5），基于定子电流的大小变化（?I_s）计算估算的电角速度（ω_est）：

(5),

尽管在正常操作模式期间单独使用这些样本（(i_α(k),i_α(k+1),i_β(k),i_β(k+1))可能是有效的，但是在其它情况中，诸如在三相短路操作模式期间，被计算的估算的电角速度（ω_est）会非常振荡和/或取决于例如三相短路时刻的最初状况和/或电机参数。此外，因为必需等待系统从三相短路操作的瞬态相进入到稳态相，所以估算ACPMM的速度的这些传统方法会是不适当的。这样，因为估算会被延迟一等待时间（举例来说，在PMM的三相短路操作模式期间定子电流的DC部件衰减到稳态值所需要的时间），所以估算PMM的电角速度（或角速度）的现有技术会是不适当的。在许多实际系统中，诸如混合动力车辆或电动车辆中，诸如使用永磁体电机的那些，这在最终性能方面会是有问题的和/或不可接受的。

改进的电角速度的估算

根据所披露的实施方式，提供估算永磁体电机（PMM）的电角速度（和/或角位置）的方法、系统和设备。如同将在下面描述的那样，导出用于定子电流的差分（或微分）方程，并且消除了对同步坐标系d轴通量分量和q轴通量分量的初始值和稳态值（Ψdss,Ψqss）的依赖。如同将在下面解释的那样，使用该差分方程计算的估算的速度或“电角速度”显示对于PMM（举例来说，表面安装式PMM，内置式PMM，和其它低凸极性电机）来说的非常快速收敛。这些方法、系统和设备允许在三相短路操作模式的瞬态相期间（举例来说，当短路故障响应被应用在逆变器模块时）估算电角速度（和/或角位置）而不必等待系统进入稳态值。能在三相短路定子电流的瞬态值衰减到稳态值之前在三相短路操作模式期间使用所披露的实施方式。所披露的实施方式能帮助减少计算永磁体电机的估算的电角速度（或角位置）所需要的时间。所披露的实施方式能用来在速度和/或位置传感器不可用时估算PMM的电角速度。所披露的实施方式能帮助增加估算的电角速度的精确性。所披露的实施方式能帮助对电机参数变化的稳健性。

在描述一些示范性的实施方式之前，将提供用来推导出在三相短路操作模式的瞬态相期间估算PMM的电角速度（ω_est）的等式的描述。

在三相短路操作模式期间，可以如下在等式（6）到（12）所示书写同步通量分布的微分方程：

(6),

其中

(7),

(8),

(9),

(10),

(11),

(12),

并且其中Ψd是同步坐标系d轴通量分量，Ψq是同步坐标系q轴通量分量，Rs是定子电阻，Ld是同步坐标系d轴电感分量，Lq是同步坐标系q轴电感分量，ωe是实际电角速度，ΨPM是永磁体通量，t是时间，A是状态空间矩阵并且B是输入矩阵。能求解等式6以提供三相短路操作模式中的通量分布，如下：

(13),

其能被重写为：

(14)。

如同在等式（14）中所示的那样，同步坐标系d轴通量分量（Ψd），和同步坐标系q轴通量分量（Ψq）取决于初始通量状况，通量的稳态值（其中“ss”表示给定速度的稳态值），以及取决于状态转换矩阵（A）的响应的指数部分。同步坐标系d轴通量分量的稳态值（Ψdss）和q轴通量分量的稳态值（Ψqss）能用如下的等式（15）书写：

(15)。

这样，同步坐标系d轴通量分量的稳态值（Ψdss）和q轴通量分量的稳态值（Ψqss）取决于状态转换矩阵（A）和输入矩阵（B）。状态转换矩阵（A）取决于电机参数和实际电角速度（ω_e），并且输入矩阵（B）取决于电机参数，实际电角速度（ω_e），和永磁体通量（ΨPM）。截止机械速度（ω₁,ω₂）能被定义为使得：，其能被重写为。可如下根据等式（16A）和（16B）定义速度（ω₁,ω₂）：

(16A),

(16B)。

能如下根据等式（17）到（20）计算转换矩阵的值（e^At）：

(17)

(18)

(19),

其中

(20)

对于不同值的实际机械速度（ω_e）与速度（ω₁），不同地计算指数值（e^At）。

内置式永磁体电机（IPMM）的速度估算

图3是一流程图，示出了根据本发明的一个实施方式的估算内置式永磁体电机（IPMM）的电角速度（ω_est）的方法300。

在310处，故障检测和确认模块150检测到已经发生故障状况（举例来说，反馈装置已经经历故障或失效），并且将命令（启用信号151）发送到断路/短路控制器模块164以进入三相短路操作模式。在一个实施方式中，故障状况能是来自传感器（举例来说，速度和/或位置传感器）的输出是不可用的。

在320处，abc坐标系-αβ坐标系转换模块127采样三相固定坐标系反馈定子电流（i_sa…i_sc）122-124。

在330处，abc坐标系-αβ坐标系转换模块127将三相固定坐标系反馈定子电流样本（i_sa(k)…i_sc(k)）转换或转变成两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_β(k)），并且电角速度估算器模块156存储所述样本用以进一步的处理。当已经获得了三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）并且已经将它们存储在电角速度估算器模块156处时，电角速度估算器模块156然后能使用两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）产生内置式永磁体电机（IPMM）的估算的电角速度（ω_est(k)）。

在340处，电角速度估算器模块156确定是否已经获得和存储了三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）。如果是，那么方法300进行到350。如果否，那么方法300循环回到320使得能获得额外的样本。

当已经获得了三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）并且已经将它们存储在电角速度估算器模块156处时，在350处，电角速度估算器模块156使用两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）产生内置式永磁体电机（IPMM）的估算的电角速度（ω_est(k)）。

从通量等式，通过消除初始位置和初始通量值，可如下在等式（21）到（25）推导出定子电流的差分等式：

(21)

(22),

(23),

(24),

(25),

其中，K(k)是无量纲增益矩阵，并且k是对应于第一采样点的索引（举例来说，对应于特定采样点或PWM信号的特定循环的值），T是采样时间，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，γ是基于d轴定子电感（L_d）和q轴定子电感（L_d）计算的无量纲系数，α是基于d轴定子电感（L_d）、q轴定子电感（L_d）和定子电阻（R_s）计算的电机参数，并且J是等同于虚数单位的矩阵。

在一个实施方式中，能基于如下的等式（26）到（32）在电角速度估算器模块156处计算估算的电角速度（ω_est(k)）：

(26),

其中

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32),

其中di_α1/β是第一α轴/β轴电流差值，其中di_α2/β1是第二α轴/β轴电流差值，其中di_β1/α是第一β轴/α轴电流差值，并且di_β2/α1是第二β轴/α轴电流差值，k₁是无量纲增益矩阵K(k)的对角元素并且k₂是无量纲增益矩阵K(k)的次对角元素。

表面安装式永磁体电机（SMPMM）的速度估算

图4是一流程图，示出了根据本发明的另一实施方式的估算表面安装式永磁体电机（SMPMM）的电角速度（ω_est）的方法400。

事件410-430与事件310-330相同并且为了简明将不再重复。

在440处，电角速度估算器模块156确定是否已经获得和存储三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）。如果是，那么方法400进行到450。如果否，那么方法400循环回到420使得能获得额外的样本。当已经获得和存储三个或更多个两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）时，在450处，电角速度估算器模块156使用两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_α(k+1),i_α(k+2),i_β(k),i_β(k+1),i_β(k+2)）产生表面安装式永磁体电机（SMPMM）的估算的电角速度（ω_est(k)）。

对于SMPMM，上面的无量纲增益矩阵等式（23）简化成如下的无量纲常数（K）：

(33)。

换句话说，对于SMPMM，（用于IPMM的等式（23）的）无量纲增益矩阵简化为带有对角元素（K）的对角矩阵。

能基于如下的等式（34）到（38）计算估算的电角速度（ω_est(k)）：

(34),

其中

(35),

(36),

(37),

(38),

其中di_α1是第一α轴电流差值，di_α2是第二α轴电流差值，di_β1是第一β轴电流差值，di_β2是第二β轴电流差值，K(k)是无量纲增益矩阵并且k是对应于特定采样点或PWM信号的特定循环的值，T是采样时间，L_s是能被分解成d轴定子电感（L_d）和q轴定子电感（L_q）的定子电感，并且R_s是定子电阻。

图5示出了对于使用估算永磁体电机（PMM）的电角速度的传统方法的系统来说的电角速度随时间变化的曲线510。相对比，曲线520示出了对于使用估算PMM的电角速度的所披露技术的系统来说的电角速度随时间的变化。与曲线510相比，曲线520示出了估算的电角速度更快地收敛，并且具有改进的精确性。

在一个示范性的执行方式中，能在诸如混合动力/电动车辆（HEV）的操作环境中执行多相电机。在一些示范性的执行方式中，所披露的控制方法和技术能应用到使用在混合动力/电动车辆中的永磁体电机。然而，本领域技术人员将会认识到，相同或类似的方法和技术能应用在期望在不使用角速度（或“电角频率”）传感器或角位置传感器的情况下控制包括多相交流电机的多相系统的操作的其它系统的环境中。在这点上，这里所披露的任何构思都能被大体应用到“车辆”，并且如同这里所使用的那样，术语“车辆”广泛地指具有AC电机的无生命的运输机构。此外，术语“车辆”不受到任何特定推进技术诸如汽油或柴油燃料的限制。相反，车辆还包括混合动力车辆、电池电动车辆、氢车辆、以及使用各种其它替代燃料操作的车辆。

此外，上面所描述的电机以及功率逆变器可以具有不同数量的相，诸如两个或更多个。可以使用其它形式的功率源，诸如电流源以及包括二极管整流器、可控硅变流器、燃料电池、电感、电容和/或它们的任何组合的负载。

尽管在前面的具体实施方式中已经呈现了至少一个示范性的实施方式，但是应当认识到，存在多种变形。也应当认识到，一个或多个示范性的实施方式仅仅是实施例，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或构造。相反，前面的具体实施方式将为本领域技术人员提供执行所述一个或多个示范性的实施方式的方便的路线图。应当理解，在不脱离本发明的如在随附权利要求以及其法定等同物中所阐述的范围的情况下可以对元件的功能和排列作出各种变化。

Claims (20)

1.一种用于计算永磁体电机的电角速度的方法，包括：

确定在电角速度估算器模块处是否已经存储至少三个两相固定坐标系反馈定子电流样本；

当在电角速度估算器模块处已经存储至少三个两相固定坐标系反馈定子电流样本时：

在电角速度估算器模块处，基于存储在电角速度估算器模块处的至少三个两相固定坐标系反馈定子电流样本、以及基于采样时间（T）和电机参数所计算的无量纲增益，计算永磁体电机的电角速度（ω_est(k)）。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，电机参数包括：定子电感（L_s）和定子电阻（R_s）。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，永磁体电机是表面安装式永磁体电机，并且其中计算步骤包括：

在电角速度估算器模块处，基于下面的等式计算表面安装式永磁体电机（SMPMM）的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，其中di_α1是第一采样点和第二采样点处的第一α轴电流差值，其中di_α2是第二采样点和第三采样点处的第二α轴电流差值，其中di_β1是第一采样点和第二采样点处的第一β轴电流差值，其中di_β2是第二采样点和第三采样点处的第二β轴电流差值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，基于下面的等式计算无量纲增益（K）：

，

其中L_s是定子电感，并且R_s是定子电阻。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，分别基于下面的等式计算所述第一α轴电流差值（di_α1）、所述第二α轴电流差值（di_α2）、所述第一β轴电流差值（di_β1）、和所述第二β轴电流差值（di_β2）：

,

,

,

,

并且其中k是对应于第一采样点的索引，K是无量纲增益，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，永磁体电机是内置式永磁体电机，并且其中计算步骤包括：

在电角速度估算器模块处，基于下面的等式计算内置式永磁体电机（IPMM）的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，di_α1/β是第一采样点和第二采样点处的第一α轴/β轴电流差值，di_β1/α是第一采样点和第二采样点处的第一β轴/α轴电流差值，di_α2/β1是第二采样点和第三采样点处的第二α轴/β轴电流差值，并且di_β2/α1是第二采样点和第三采样点处的第二β轴/α轴电流差值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，无量纲增益包括基于下面的等式计算的无量纲增益矩阵K(k)：

，

其中k是对应于第一采样点的索引，α是基于d轴定子电感（L_d）、q轴定子电感（L_q）和定子电阻（R_s）计算的电机参数，并且γ是基于d轴定子电感（L_d）和q轴定子电感（L_q）计算的无量纲系数。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，分别基于下面的等式计算第一α轴/β轴电流差值（di_α1/β），第二α轴/β轴电流差值（di_α2/β1），第一β轴/α轴电流差值（di_β1/α），和第二β轴/α轴电流差值（di_β2/α1）：

,

,

,

,

其中k₁是无量纲增益矩阵K(k)的对角元素并且k₂是无量纲增益矩阵K(k)的次对角元素，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在故障检测和确认模块处检测已经发生故障状况；和

将命令传递到断路/短路控制器模块以进入三相短路操作模式。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在abc坐标系-αβ坐标系转换模块处采集三相固定坐标系反馈定子电流样本；

在abc坐标系-αβ坐标系转换模块处将所述三相固定坐标系反馈定子电流样本转换成两相固定坐标系反馈定子电流样本；和

在电角速度估算器模块处存储两相固定坐标系反馈定子电流样本。

11.一种用于永磁体电机的驱动系统，所述驱动系统包括：

控制器，包括：

被构造成基于至少三个两相固定坐标系反馈定子电流样本、以及基于采样时间（T）和电机参数所计算的无量纲增益（K）计算永磁体电机的电角速度（ω_est(k)）的电角速度估算器模块。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，电机参数包括：定子电感（L_s）和定子电阻（R_s）。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，永磁体电机是表面安装式永磁体电机，并且其中电角速度估算器模块被构造成基于下面的等式计算表面安装式永磁体电机的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，其中di_α1是第一采样点和第二采样点处的第一α轴电流差值，其中di_α2是第二采样点和第三采样点处的第二α轴电流差值，其中di_β1是第一采样点和第二采样点处的第一β轴电流差值，其中di_β2是第二采样点和第三采样点处的第二β轴电流差值。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，基于下面的等式计算无量纲增益（K）：

，

其中L_s是定子电感，并且R_s是定子电阻。

15.如权利要求14所述的系统，其中电角速度估算器模块被构造成分别基于下面的等式计算第一α轴电流差值（di_α1），第二α轴电流差值（di_α2），第一β轴电流差值（di_β1），和第二β轴电流差值（di_β2）：

,

,

,

,

其中k是对应于第一采样点的索引，K是无量纲增益，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

16.如权利要求11所述的系统，其特征在于，永磁体电机是内置式永磁体电机，并且其中电角速度估算器模块被构造成基于下面的等式计算内置式永磁体电机的电角速度（ω_est(k)）：

，

其中T是采样时间，di_α1/β是第一采样点和第二采样点处的第一α轴/β轴电流差值，di_β1/α是第一采样点和第二采样点处的第一β轴/α轴电流差值，di_α2/β1是第二采样点和第三采样点处的第二α轴/β轴电流差值，并且di_β2/α1是第二采样点和第三采样点处的第二β轴/α轴电流差值。

17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，无量纲增益包括无量纲增益矩阵K(k)，其中电角速度估算器模块被构造成基于下面的等式计算无量纲增益矩阵K(k)：

，

其中k是对应于第一采样点的索引，α是基于d轴定子电感（L_d）、q轴定子电感（L_q）和定子电阻（R_s）计算的电机参数，并且其中γ是基于d轴定子电感（L_d）和q轴定子电感（L_q）计算的无量纲系数。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，分别基于下面的等式计算第一α轴/β轴电流差值（di_α1/β），第二α轴/β轴电流差值（di_α2/β1），第一β轴/α轴电流差值（di_β1/α），和第二β轴/α轴电流差值（di_β2/α1）：

,

,

,

,

其中k₁是无量纲增益矩阵K(k)的对角元素并且k₂是无量纲增益矩阵K(k)的次对角元素，i_α(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_α(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相α轴分量，i_β(k)是第一采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，i_β(k+1)是第二采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量，并且i_β(k+2)是第三采样点处的固定坐标系反馈定子电流样本的两相β轴分量。

19.如权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括：

包括开关的逆变器模块；

故障检测和确认模块，其被构造成检测已经发生故障状况并产生命令以进入三相短路操作模式；和

断路/短路控制器模块，其被构造成接收命令并产生使逆变器模块的开关被构造在三相短路操作模式中的控制信号；以及

abc坐标系-αβ坐标系转换模块，其被构造成采样三相固定坐标系反馈定子电流并且将所述三相固定坐标系反馈定子电流样本转换成两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_β(k)），并且其中电角速度估算器模块被构造成存储两相固定坐标系反馈定子电流样本（i_α(k),i_β(k)）。

20.一种用于永磁体电机的控制器，包括：

包括开关的逆变器模块；

故障检测和确认模块，其被构造成检测已经发生故障状况并产生命令以进入三相短路操作模式；和

断路/短路控制器模块，其被构造成接收命令并产生使逆变器模块的开关被构造在三相短路操作模式中的控制信号；以及

abc坐标系-αβ坐标系转换模块，其被构造成采样三相固定坐标系反馈定子电流并且将三相固定坐标系反馈定子电流样本转换成两相固定坐标系反馈定子电流样本；和

电角速度估算器模块，其被构造成基于至少三个两相固定坐标系反馈定子电流样本、以及基于采样时间（T）和电机参数所计算的无量纲增益（K）计算永磁体电机的电角速度（ω_est(k)）。