CN103391041B - 角度估计控制系统以及方法 - Google Patents

Abstract

一种角度估计控制系统，用于永磁马达。此角度估计控制系统包括α-β转换模块、帕克转换模块、以及角度估计模块。α-β转换模块根据多个马达相位电流来产生多个正交电流信号。帕克转换模块根据该些正交电流信号以及角度信号来产生电流信号。角度估计模块根据电流信号产生角度信号。角度信号与永磁马达的换流角度相关联。电流信号被控制为几乎等于零。角度信号还用来产生多个三相位马达电压信号。

Description

角度估计控制系统以及方法

技术领域

本发明涉及一种用于无感测器永磁马达(sensorlesspermanentmagnet(PM)motor)的角度估计的方法及控制系统，特别涉及一种无刷永磁同步马达(brushlesspermanentmagnetsynchronousmotor，PMSM)的角度估计数的方法及控制系统。

背景技术

无刷永磁同步马达(brushlesspermanentmagnetsynchronousmotor，PMSM)包括绕线式定子(woundstator)、永磁转子组件、以及用来感测转子位置的感测装置。此感测装置提供多个信号，以采用适当的顺序来电性切换定子线圈来维持永磁转子组件的旋转。一般而言，感测装置是一种霍尔感测器(hall-sensor)装置。然而，霍尔感测装置增加了无刷永磁同步马达的成本，并且可能引起可靠度的问题。因此，无感测器控制变成永磁(PM)马达控制的必要一环。

永磁马达提供了高效率、小尺寸、快速动态响应、低噪音、高可靠度等优点。永磁马达的转子场(rotorfield)必须同步于定子场(statorfield)，因此场导向控制(fieldorientedcontrol，FOC)表示一种方法，其考虑哪一通量(例如转子、定子、或气隙)作为基础，以在去耦合(decoupling)力矩与定子电流的通量产生组件的目的下用来建立参考框(referenceframe)给其它通量的其中一者。这表示转子电流(armaturecurrent)是力矩产生的原因，且激励电流(excitationcurrent)是通量产生的原因。正常来说，转子通量视为转子和气隙通量(air-gapflux)的参考框。场导向控制(FOC)的控制图解由图1所示。场导向控制是一种无感测器场导向控制系统，其包括无刷永磁同步马达(PMSM)10、三相位桥式驱动器(3-PhaseBridge)15、以及空间向量调制模块(spacevectormodulationmodule，SVM)30。α-β转换模块(Clarketransformmodule)20用来将三轴二维坐标系统(three-axistwo-dimensionalcoordinatesystem)(作为定子的参考)移动至双轴系统。其可表示为：

ia+ib+ic＝0

iβ＝ia

$\mathrm{i\α}=(\mathrm{ia}+2\×\mathrm{ib})\÷\sqrt{3}$

其中，ia、ib、以及ic为个别的马达相位电流，且iα以及iβ为双轴正交电流(two-axisorthogonalcurrents)。

帕克转换模块(Parktransformmodule)25用来将双轴正交电流iα与iβ以及角度信号θ转换至以转子通量旋转的另一双轴系统。此双轴旋转坐标系统称为d-q轴。角度信号θ表示转子角度。

Id＝iβ×cosθ+iα×sinθ

Iq＝-iβ×sinθ+iα×cosθ

反向帕克转换模块(inverseParktransformmodule)35用来由双轴旋转框d-q转换至双轴静止框α-β。

Vβ＝Vd×cosθ-Vq×sinθ

Vα＝Vd×sinθ+Vq×cosθ

反向α-β转换模块(inverseClarketransformmodule)(也称为空间向量调制模块，SVM)30用来由双轴静止框转换至三轴静止框(定子的三相位参考框)。

Vp1＝Vβ

$\mathrm{VP}2=(-\mathrm{V\β}+\sqrt{3}\×\mathrm{V\α})\÷2$

$\mathrm{VP}3=(-\mathrm{V\β}-\sqrt{3}\×\mathrm{V\α})\÷2$

此三相位(Vp1、Vp2、Vp3)是实施来产生脉宽调制信号，例如，空间向量调制(SVM)技术。

控制器(PI)40与45是比例积分(proportionalintegral，PI)控制器。控制器40与45中每一者在闭控制回路中反应于一误差信号，且尝试调整控制量以达到期望的系统响应。受控制的系数可以是可测量系统量，例如速度、力矩、或通量。误差信号是通过由即将被控制的系数的实际测量值减去该系数的期望设定而所获得。误差信号的符号指示出控制输入所要求的改变方向。

滑动模式估测器(slidingmodeobserver，SMO)50是用于角度信号θ与速度的估计。图2以及图3表示滑动模式估测器50的一示范例的系统方块图以及规则系统。此规则算法的重要部分是如何计算场导向控制(FOC)所需要的换流角度信号θ，根据测量的电流以及计算的电压来估计马达位置。图4是表示无刷永磁同步马达(PMSM)10的马达模型。此马达模型包括输入电压VS，该输入电压VS被施加至由线圈电阻R、线圈电感L、以及反电动势(back-electromotiveforce)(ES)12所组成的马达。因此，在图2以及图3中的电流估测器60可表示如下：

$\frac{d\left(\mathrm{lse}\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{-R}{L}\×\mathrm{lse}+\frac{1}{L}\×(\mathrm{VS}-\mathrm{ES}-Z)$

其中，I_S是表示马达相位电流，I_se是估计的相位电流，VS是输入电压，ES是反电动势，以及Z是输出校正系数电压。

在考虑到两个马达表现、提供至两系统的相同的输入电压VS，以及与来自上述模型的估计相位电流I_se相匹配的测量马达相位电流I_S，可推测来自马达模型的反电动势ES等同于来自马达的反电动势ES。当在测量的马达相位电流I_S与估计的相位电流I_se之间的误差值(误差/I_S误差)小于一临界值Error-min时，电流估计器60在线性范围内工作。对于线性范围外的误差而言，电流估计器60的输出根据此误差值的正负号(signl而等于(+Kslide)/(-Kslide)，电流估计器60用来补偿马达模型，并通过过滤输出校正系数电压Z(通过滤波器71，例如低通滤波器(LPF))来估计反电动势ES。估计的反电动势ES更通过滤波器72(例如低通滤波器(LPF))来产生Eα与Eβ(ES的向量成分)的值(E_SF)，以用于估计的角度信号θ的计算(80)。

由于滑动模式估测器(SMO)50需要马达的系数以及用于换流角度信号θ估计的复杂计算，因此在控制上需要高速与昂贵的数字信号处理(digitalsignalprocess，DSP)。

发明内容

本发明提供一种简单的方法与装置，其可通过低成本的一般微控制器来实施无感测器的场导向控制(FOC)。

本发明提供一种角度估计控制系统，用于永磁马达。此角度估计控制系统包括α-β转换模块、帕克转换模块、以及角度估计模块。α-β转换模块根据多个马达相位电流来产生多个正交电流信号。帕克转换模块根据该些正交电流信号以及角度信号来产生电流信号。角度估计模块根据电流信号产生角度信号。角度信号与永磁马达的换流角度相关联。电流信号被控制为几乎等于零。角度信号还用来产生多个三相位马达电压信号。

本发明还提供一种角度估计控制系统，用于永磁马达。此角度估计控制系统包括α-β转换模块、帕克转换模块、角度估计模块、以及加总单元。α-β转换模块根据多个马达相位电流来产生多个正交电流信号。帕克转换模块根据该些正交电流信号以及第一角度信号来产生电流信号。角度估计模块根据电流信号产生第一角度信号。加总单元根据第一角度信号以及角度偏移信号来产生第二角度信号。电流信号被控制为几乎等于零。第二角度信号更用来产生多个三相位马达电压信号。

本发明又提供一种角度估计控制系统，用于永磁马达。此角度估计控制系统包括α-β转换模块、帕克转换模块、角度估计模块、以及减法单元。α-β转换模块根据多个马达相位电流来产生多个正交电流信号。帕克转换模块根据该些正交电流信号以及第一角度信号来产生电流信号。角度估计模块根据该电流信号产生第二角度信号。减法单元根据第二角度信号以及角度偏移信号来产生第一角度信号。电流信号被控制为几乎等于零。第二角度信号还用来产生多个三相位马达电压信号。

本发明提供一种角度估计方法，用于永磁马达。此角度估计方法包括以下步骤：根据多个马达相位电流来产生多个正交电流信号；根据该些正交电流信号以及角度信号来产生电流信号；以及根据电流信号来产生角度信号。角度信号与永磁马达的换流角度相关联。电流信号被控制为几乎等于零。角度信号还用来产生多个三相位马达电压信号。

附图说明

图1表示场导向控制(FOC)的控制图解；

图2表示滑动模式估测器的一示范例的系统方块图；

图3表示滑动模式估测器的一示范例的规则系统；

图4表示永磁同步马达(PMSM)的马达模型；

图5表示根据本发明一实施例的无感测器永磁(PM)马达的角度估计控制系统；

图6表示根据本发明一实施例的角度估计模块；

图7表示根据本发明一实施例的比例积分控制器；

图8A表示根据本发明另一实施例的无感测器永磁(PM)马达的角度估计控制系统；

图8B表示根据本发明又一实施例的无感测器永磁(PM)马达的角度估计控制系统；以及

图9表示由正弦波产生器所产生的信号波形。

[标号说明]

图1：

10～无刷永磁同步马达(PMSM)；

15～三相位桥式驱动器(3-PhaseBridge)；

20～α-β转换模块；25～帕克转换模块；

30～反向α-β转换模块/空间向量调制模块(SVM)；

35～反向帕克转换模块；

40、45～控制器/比例积分控制器(PI)；

50～滑动模式估测器(SMO)；

ia、ib、ic～马达相位电流；iα、iβ～双轴正交电流；

I_d、I_q～电流信号；I_QREF、I_DREF～信号；

Vp1、Vp2、Vp3～三相位；V_q、V_d～信号；

Vα、Vβ～信号；θ～角度信号；

图2：

60～电流估计器；Error-min～临界值；

I_S～马达相位电流；I_se～估计的相位电流；

VS～输入电压；Z～除输出校正系数电压

图3：

60～电流估计器；71、72～滤波器(LPF)；

80～估计的角度信号θ的计算；ES～反电动势；

E_SF～ES的向量成分的值；θ～角度信号；

图4：

12～反电动势(ES)；I_S～马达相位电流；

L～线圈电感；R～线圈电阻；

VS～输入电压；

图5：

10～无刷永磁同步马达(PMSM)；

15～三相位桥式驱动器(3-PhaseBridge)；

20～α-β转换模块；25～帕克转换模块；

30～反向α-β转换模块/空间向量调制模块(SVM)；

35～反向帕克转换模块；40～控制器/比例积分控制器(PI)；

100～角度估计模块；ia、ib～马达相位电流；

iα、iβ～双轴正交电流；I_d、I_q～电流信号；

I_QREF～信号；V_q、V_d～信号；

Vα、Vβ～信号；θ～角度信号；

图6：

100～角度估计模块；110～减法器；

150～比例积分控制器(PI)；

120～积分模块；I_d～电流信号；

ω～速度信号；θ～角度信号；

图7：

151～比例积分控制器的比例项；152～比例积分控制器的积分项；

图8A：

10～无刷永磁同步马达(PMSM)；

15～三相位桥式驱动器(3-PhaseBridge)；

20～α-β转换模块；25～帕克转换模块；

90～正弦波信号产生器；95～加总单元；

100～角度估计模块；A_S～角度偏移信号；

Duty～工作周期信号；ia、ib～马达相位电流；

iα、iβ～双轴正交电流；I_d、I_q～电流信号；

V_A、V_B、V_C～三相位马达电压信号；θ、θ_A～角度信号；

图8B：

10～无刷永磁同步马达(PMSM)；

15～三相位桥式驱动器(3-PhaseBridge)；

20～α-β转换模块；25～帕克转换模块；

90～正弦波信号产生器；97～减法单元；

100～角度估计模块；A_S～角度偏移信号；

Duty～工作周期信号；ia、ib～马达相位电流；

iα、iβ～双轴正交电流；I_d、I_q～电流信号；

V_A、V_B、V_C～三相位马达电压信号；θ、θ_B～角度信号；

图9：

Duty～工作周期信号；V_A、V_B、V_C～三相位马达电压信号；

θ_A～角度信号。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

图5是表示根据本发明一实施例的无感测器永磁马达(sensorlesspermanentmagnet(PM)motor)的角度估计控制系统。此角度估计控制系统包括无刷永磁同步马达(PMSM)10、三相位桥式驱动器(3-PhaseBridge)15、空间向量调制模块(spacevectormodulationmodule，SVM)30、α-β转换模块(Clarketransformmodule)20、帕克转换模块(Parktransformmodule)25、反向帕克转换模块(inverseParktransformmodule)35、比例积分(proportionalintegral，PI)控制器40、以及角度估计模块100。帕克转换模块25产生电流信号I_d与I_q。角度估计模块100根据电流信号I_d简单地产生换流角度信号θ，换流角度信号θ与永磁(PM)的换流角度相关联。角度信号θ还耦接帕克转换模块25以及反向帕克转换模块35，以产生关于多个三相位马达电压信号的多个脉宽调制信号。

图6是表示根据本发明一实施例的角度估计模块100。角度估计模块100包括减法器110，其接收电流信号I_d，且由电流信号I_d剪去一预设值。角度估计模块100也包括比例积分(proportionalintegral)控制器(PI)150。由于预设值等于零(即Δ=I_d-0=I_d)，比例积分控制器150接收电流信号I_d以产生速度信号ω。速度信号ω是通过控制电流信号I_d使其近乎等于零而所获得的。积分模块120根据速度信号ω来产生换流角度信号θ。

图7是表示根据本发明一实施例的比例积分控制器。比例积分控制器的比例项151是将输入信号(误差信号)乘上增益K_P，导致比例积分控制器产生控制响应，作为误差幅值的函数。比例积分控制器的积分项152是用来估计微小稳态误差。积分项152计算误差信号的连续累积总计(continuousrunningtotal)。此累积的稳态误差信号乘上增益K₁。

图8A是表示根据本发明另一实施例的无感测器永磁(PM)马达的角度估计控制系统。此角度估计控制系统包括无刷永磁同步马达(PMSM)10、三相位桥式驱动器(3-PhaseBridge)15、α-β转换模块(Clarketransformmodule)20、帕克转换模块(Parktransformmodule)25、正弦波信号产生器90、以及角度估计模块100。帕克转换模块25产生电流信号I_d。角度估计模块100根据电流信号I_d产生角度信号θ。角度信号θ还反馈至帕克转换模块25。加总单元95根据角度信号θ与角度偏移信号A_S来产生另一角度信号θ_A。角度偏移信号A_S用来适用不同的永磁(PM)马达以及/或弱磁控制。

角度信号θ_A以及工作周期信号Duty耦合至正弦波产生器90，以产生关于三相位(相位A、相位B、以及相位C)马达电压信号V_A、V_B、与V_C的多个脉宽调制信号。正弦波产生器90具有两个输入，包括振幅输入(振幅)以及相位角输入(相位角)。振幅输入耦合工作周期信号Duty。相位角输入耦合角度信号θ_A。图9是表示由正弦波产生器90所产生的信号波形。三相位马达电压信号V_A、V_B、与V_C的振幅是由工作周期信号Duty所编程。三相位马达电压信号V_A、V_B、与V_C的角度是由角度信号θ_A所决定。

图8B是表示根据本发明又一实施例的无感测器永磁(PM)马达的角度估计控制系统。此角度估计控制系统包括无刷永磁同步马达(PMSM)10、三相位桥式驱动器(3-PhaseBridge)15、α-β转换模块(Clarketransformmodule)20、帕克转换模块(Parktransformmodule)25、正弦波信号产生器90、以及角度估计模块100。帕克转换模块25产生电流信号I_d。角度估计模块100根据电流信号I_d产生角度信号θ。角度信号θ_A以及工作周期信号(Duty)耦合至正弦波产生器90，以产生关于三相位(相位A、相位B、以及相位C)马达电压信号V_A、V_B、与V_C的多个脉宽调制信号。减法单元97根据角度信号θ与角度偏移信号A_S来产生另一角度信号θ_B。角度信号θ_B还反馈至帕克转换模块25。

根据上述，本发明提供一种简单的方法与装置，其可通过低成本的一般微控制器来实施无感测器的场导向控制(FOC)。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (6)

1.一种角度估计控制系统，用于一永磁马达，包括：

一α-β转换模块，根据多个马达相位电流来产生多个第一电流信号，其中，该多个第一电流信号为正交电流信号；

一帕克转换模块，根据该多个第一电流信号以及一第一角度信号来产生一第二电流信号；

一角度估计模块，根据该第二电流信号产生该第一角度信号；以及

一加总单元，根据该第一角度信号以及一角度偏移信号来产生一第二角度信号；

其中，该第二电流信号被控制为几乎等于零，且该第二角度信号还用来产生多个三相位马达电压信号。

2.根据权利要求1所述的角度估计控制系统，还包括：

一正弦波产生器，根据该第二角度信号来产生该多个三相位马达电压信号。

3.根据权利要求1所述的角度估计控制系统，其中，该角度估计模块包括：

一比例积分控制器，产生一速度信号；以及

一积分模块，根据该速度信号产生该第一角度信号；

其中，该速度信号是通过控制该第二电流信号成为几乎等于零而所产生。

4.一种角度估计控制系统，用于一永磁马达，包括：

一α-β转换模块，根据多个马达相位电流来产生多个第一电流信号，其中，该多个第一电流信号为正交电流信号；

一帕克转换模块，根据该多个第一电流信号以及一第一角度信号来产生一第二电流信号；

一角度估计模块，根据该第二电流信号产生一第二角度信号；以及

一减法单元，根据该第二角度信号以及一角度偏移信号来产生该第一角度信号；

其中，该第二电流信号被控制为几乎等于零，且该第二角度信号还用来产生多个三相位马达电压信号。

5.根据权利要求4所述的角度估计控制系统，还包括：

一正弦波产生器，根据该第二角度信号来产生该多个三相位马达电压信号。

6.根据权利要求4所述的角度估计控制系统，其中，该角度估计模块包括：

一比例积分控制器，产生一速度信号；以及

一积分模块，根据该速度信号产生该第二角度信号；

其中，该速度信号是通过控制该第二电流信号成为几乎等于零而所产生。