CN104184381B - 使用状态观测器确定同步电机中转子的位置和速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用状态观测器确定同步电机中转子的位置和速度的方法。本发明涉及一种使用电机的电流的状态观测器和输入的信号来确定同步电机(4)中转子的位置和速度的方法。因此，通过本发明，位置信息是准确的，尤其是在低速时，不需使用位置检测器。本发明还涉及一种用于控制同步电机的控制方法和系统(1)，其考虑到确定的转子位置(2)。

Description

使用状态观测器确定同步电机中转子的位置和速度的方法

技术领域

本发明涉及同步电机的控制范围，尤其是用于机动车辆。

背景技术

同步电机包括旋转的部件，转子，以及静止的部件，定子。该转子可由永磁体或DC供电的线圈以及磁路组成，则它被称为电磁体。定子包括三相，每一相连接有至少一个线圈(也称为绕组)，并且这三个线圈被供以功率和电压。外力被用于旋转转子：定子线圈(绕组)中的交变电流所感应出的磁场导致转子旋转。该旋转场的速度被称为“同步速度”。

为了控制这种电机，实时了解转子的角位置和速度是重要的。实际上，以电机转矩矢量控制的常规方式使用关于位置的信息。被称为矢量控制是因为，对于产生应用所需转矩的机器，在其中流通的电流必须保持同相并且与转子的位置同步。因此，控制电机的装置将电压施加到电机的端子上，这些电压由转矩控制算法提供。

位置检测器，例如霍尔效应或感应类型的，通常用于了解转子的位置。然而，低成本的位置探测器不足够准确，尤其对于高转速，因此它们无法实现电机转矩的精确控制。另外，这些检测器可能遭遇故障或具有测量噪声，由此产生测量的不确定性。例如，位置检测器的使用被描述于英国专利申请GB-1,214,331A。另一个选择包括使用精确的位置检测器，诸如高分辨率增量编码器或称为分解器的绝对值检测器，基于旋转磁性元件的检测或基于光学干涉测量原理的检测器，但它们的主要缺点是昂贵。

现有技术的另一个方案是通过根据电测量估算物理量来重构转子的位置，物理量随着转子的位置而变化。位置的估算可被划分为两大类：

·基于电机控制中特定信号的输入，其需要在电机的端子上施加特定电压，从而根据对电机的电测量来确定位置。例如，法国专利申请FR-2,623,033A1描述了两个非供电相中短脉冲的输入。特定信号的输入包括关于电机控制的约束，其不能实现电机在运行期间的最优控制，

·在电机输入端不需要特定信号，它们仅基于其性能的通过实时估算器的数学描述，实时估算器也被称为观测器，但它的缺点是在接近零或低电机转速的情况下，不能提供精确的估算。例如，法国专利FR-2,781,318B1公开了一种估算转子的旋转角度的方法，这是通过根据由电压传感器提供的信号计算得到的。美国专利申请US2010-237,817A描述了观测器的使用，其利用等效电动势模型。

为了克服现有解决方案的缺点，已知的“组合”方案使用了用于低转速的位置检测器，以及用于高速的估算方法。例如，本申请人的申请号为FR-11/03,994的专利申请描述了这样一种组合方案，其具有一种算法来确定高转速电机的位置和速度。然而，这些组合的方案总是需要使用用于低电机转速的检测器。此外，现有技术的方案并不具有足够的精度用于控制电机，实际上，在开发出称为卡尔曼滤波观测器的观测器之前，它们中的一些采用近似法。此外，这些观测器中的一些需要许多复杂的计算。

本发明的目的在于采用一一种使用针对电机的电流状态观测器和信号的输入来确定同步电机转子的位置和速度的方法。因此，通过本发明，位置信息是准确的，尤其是在低速下，不需使用位置检测器。实际上，信号输入使描述了电机动态特性的模型可被观察，包括在停止时，并且有效地防止了测量噪音。

发明内容

本发明涉及一种确定凸极同步电机的转子的位置θ的方法，其中测量了所述电机的各相的电流i_m和电压U_m。该方法执行以下步骤：

a)施加一电压u_imp在所述电机的所述相上，

b)构建所述电机中流通的总磁通量χ_αβ的状态模型，所述磁通量χ_αβ是所述转子的位置的函数，

c)通过总磁通量χ_αβ的所述状态模型以及所述测量的电流i_m和电压U_m，构建所述转子的电流

和速度

的状态观测器，以及

d)通过速度

的所述状态观测器以及所述施加的电压u_imp来确定转子的所述位置

根据本发明，针对低于或基本等于100rpm的转子转速应用该方法。

有利地，所述施加的电压u_imp具有大于所述电机的控制电压的幅值U_c以及大于所述电机的控制频率的高频f_c。

有利地，所述幅值U_c大致为10V，且所述频率f_c大致为1kHz。

优选地，在复平面中用这种类型的方程：

来描写施加的电压u_imp，其中j是复数，且θ_c是位置，以致于

根据本发明的一个实施例，通过实施以下步骤来构建在电机中流通的总磁通量χ_αβ的所述状态模型：

i)通过变换所测量的电流i_m和电压U_m，在Concordia参考坐标系中确定电压u_αβ和电流i_αβ。

ii)通过这种类型的方程：

确定磁通量χ_αβ的所述动态值，其中R是所述电机绕组的阻抗。

有利地，通过实施以下步骤来构建电流和转子速度的所述状态观测器：

i)通过这种类型的方程：

根据所述磁通量χ_αβ的所述状态模型，确定电流i_αβ的状态表示，其中Φ是由所述电 机的永磁体产生的磁通，且(L_d，L_q)是所述电机的直接和正交的电感，

且

A＝4λ²η²ω²+R²η²，B＝4η⁴ω²+R²λ²，

ii)通过使x＝i_α+ji_β和u＝u_α+ju_β，在复平面中变换所述状态表示，其中j是复数，以及

iii)通过这种类型的方程：

确定电流和转子速度的所述状态观测器，其中

是归一化的电流测量值，k₁，k₂，g是增益，其使所述观测器的收敛被管控。

此外，可以通过以下步骤确定所述转子的位置

i)使用这种类型的方程：

其中ω_c＝2πf_c根据 速度的所述状态观测器以及所述施加的电压u_imp确定系数以及

ii)根据这种类型的方程：

通过系数和测量 的电流x来确定所述转子的所述位置其中φ是估算电流的截止频率f_c的低通滤波器引 起的相移。

此外，本发明涉及一种控制同步电机的方法，其中实施以下步骤：

-根据上述方法确定所述电机的位置

和速度

以及

-根据所确定的位置和速度控制所述同步电机的转矩。

本发明还涉及一种控制同步电机的系统，该系统适于实施上述的控制方法。

本发明还涉及一种车辆，特别是涉及一种混合动力或电动车辆，其包括至少一个同步电机，所述车辆还包括上述的控制系统。

附图说明

通过阅读非限制方式给出的实施例后续的说明并参照附图，根据本发明的方法的其它特征和优点将变得显而易见，其中：

-图1示出了根据本发明的同步电机的控制，并且

-图2是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

需要提醒的是，根据本发明的方法和系统适用于凸极同步电机。该同步电机可以是永磁体、受控激励或双激励的类型。此类电机包括旋转的部件，转子，以及静止的部件，定子。旋转部件包括至少一个磁体(或电磁体)。该定子包括至少三个分布在三相之间的线圈，这些线圈被交替地供电，从而产生适合于旋转所述转子的磁场。线圈由框架支撑，框架也被称为壳体。

图1示出了通常由三相组成的同步电机的控制。电机(4)设有测量相电压和电流的装置；这些测量装置未示出。电机的控制装置(1)由确定所述电机(4)转子的位置和速度的装置(2)以及控制电机(4)转矩的装置(3)组成。转子位置和速度确定装置(2)根据电流i_m和电压U_m的测量确定转子的位置和速度。这些是电机(4)的三相中的每一相的电流和电压。转矩控制装置(3)根据位置θ和速度ω以及电流i_m和电压U_m施加电压于电机端子上，以便为电机(4)提供转矩给定值至。确定装置(2)施加电压u_imp在电机(4)上。

实际上，对于根据本发明的方法，电压u_imp被输入(施加)到电机。该电压具有高频f_c，从而不会影响电机控制；输入电压的频率f_c高于电机控制信号的频率：以下的不等式可以写成：ω_c＝2πf_c＞＞ω。例如，输入电压的频率f_c是1kHz的量级，处在低速的转子的旋转频率是50Hz的量级。信号输入使得模型是可观察的，包括在停止状态下，而且鲁棒地防止了测量噪音。

此外，施加的电压u_imp的幅值U_c高于电机控制电压的幅值。例如，施加的电压u_imp的幅值U_c为10V的量级。利用这种频率f_c和这种幅值U_c，施加的电压u_imp对于电机的控制没有影响，而且其运行不受干扰，特别是在电机的工作频率很低的时候。

符号

在说明书中使用以下符号：

u：电机各相的端子上的电压

i：电机各相中流通的电流

θ：转子位置，其对应于电机转子相对于定子的旋转角度

ω：转子速度，其对应于电机转子相对于定子的旋转速度

u_imp：施加(输入)在电机上的电压

U_c：施加在电机上的电压u_imp的幅值。它可以选自10V的量级

f_c：施加在电机上的电压u_imp的频率。它可以选自1kHz的量级。值得提醒的是，ω_c＝2πf_c

χ：通过电机的总磁通量

R：电机线圈的阻抗；它是一个实验获得的已知参数(制造商的数据)

L_d：所述电机的直接电感，它是已知的电机参数(制造商的数据或实验获得)

L_q：所述电机的正交电感，它是已知的电机参数(制造商的数据或实验获得)

Φ：由所述电机的永磁体产生的磁通，是制造商的数据或可实验获得的数据

x：复平面中的电流的状态表示

φ：连续滤波器引起的相移，该相移是该滤波器的函数，而且是已知的(取决于输入信号的基频)

k₁，k₂，g：校正变量，使状态观测器的收敛被管控

c₁，c₂，a₁：状态观测器变量。

我们还使：

A＝4 λ²η²ω²+R²η²，B＝4η⁴ω²+R²λ²，

α＝-σBe^jψ，

δ＝σλ，ε＝-ση以及

这些符号，由_m索引，代表所测量的值。所估算的值由扬抑符表示。时间导数是由点来表示。由_αβ索引的符号意味着在Concordia参考坐标系中表示的数。j对应于复数。在复平面中，数的复共轭是由所考虑的数上方的线段(segment)表示的。

本发明可以确定同步电机转子的角位置θ和速度ω，所述电机设有测量所述电机各相的电压和电流的装置。根据本发明的方法适于确定转子尤其在低电机转速或电机停止时的位置θ和速度ω。针对低于或基本等于100rpm的电机转速可以被认为是低电机转速。对于其它电机转速，根据本发明的观测器可能精确性变低。为了克服这个缺点，另一算法可用于这些电机转速，例如在申请号为FR-11/03,994的本申请人的专利申请中所述的。

图2描述了根据本发明的方法的各个步骤：

1)构建磁通的状态模型(MOD(χ))

2)构建电流和速度状态观测器(OBS

3)通过滤波来估算位置(FIL)。

在这些步骤之前，测量电机各相中的电流i和电压u。

通过控制提供给同步电机各相中的电力的电压和电流，控制同步电机的转矩。为了最优地控制该电机，需要测量相端子处的电压u_m以及在其中流通的电流i_m。

1)构建磁通的状态模型(MOD(χ))

利用所测量的或甚至滤波的信息，就能重构总磁通量。对于凸极同步电机，它是通过电机的磁通量，即磁体的通量加上由于磁电枢反应导致的通量(即由于转子)。磁通量的重构可以通过使用通量动态表示来实现。

根据本发明的一个实施例，磁通量的状态模型是通过执行以下步骤构建的：

i)通过变换测量的电压和电流，在Concordia参考坐标系中确定电压

和 电流

需要提醒的是，Concordia变换是电气工程中用以利用两相模型来建模三相 系统的数学工具。

ii)Concordia参考坐标系中磁通的状态表示被表示如下：

该定律产生于焦耳/法拉第定律。

此外，

是二维向量，其表示穿过电机绕组的总磁通，它不是已知的或被测 量的。它可以构成为如下形式：

其中Φ是由永磁体产 生的磁通，参数和取决于直接和正交电感(L_d，L_q)。

2)构建电流和速度状态观测器(OBS

在该步骤中，我们通过前面步骤中确定的通量状态模型以及电压和电流的测量，构建了电流以及速度的状态观测器。在自动化和信息理论中，状态观测器是用状态表示形式表示的模型的扩展。当系统的状态不可测量时，允许根据动态系统的模型和其他量(i_m，u_m)的测量来重构该状态的观测器被构建。

根据本发明的一个实施例，所述电流和转子速度状态观测器是通过执行以下步骤构建的：

根据磁通量χ_αβ的状态表示以及磁通量的表达式，通过这种类型的方程：

来确定电流i_αβ的状态表示，其中Φ是由所述电机的永磁体产生的磁通，且(L_d，L_q)是所述电机的直接和正交的电感，

且

A＝4λ²η²ω²+R²η²，B＝4η⁴ω²+R²λ²，

ii)通过使x＝i_α+ji_β和u＝u_α+ju_β在复平面中变换所述状态表示，其中j是复数，等效模型可以采用以下形式：

其中α＝-σBe^jψ，

δ＝σλ，ε＝-ση；以及

iii)考虑到所研究的模型是周期性的系统，微分方程的解可以表示为以下形式：

其中

。

θ_c是相对于施加在电机上的电压u_imp的位置，所以从而通过这种类型 的方程：

我们可以确定电流和转子速度(或电频率)的状 态观测器，其中是归一化的电流测量值，k₁，k₂，g是增益，其使所述观测器的收敛被管 控。

3)通过滤波来估算位置(FIL)。

在此步骤中，通过旋转速度的状态观测器以及测量的电流和施加的电压，我们确定转子的位置。

根据本发明的一个实施例，速度

的估算用于确定参数a₁、c₁和c₂。在稳定运行条件下，结果获得以下类型的方程：

根据该系统可确定参数C₂。

获得的转子位置估算的最终步骤包括在将测量的电流(不是估算的电流)乘以项之后进行滤波。这样形成一种带通滤波器，其对高频进行滤波，并因此对所施加电压产 生的频率f_c进行滤波。在这种情况下，滤波器的输出可以被写为如下：

其中φ是滤波器引起的相移，该相移是已知的。因此，电机 转子的角位置θ的估算可以通过这种类型的方程来计算：

该相移取决于输入信号的基频，尤其是根据本发明的实施例的电流。

根据本发明的方法可以结合于本申请人的申请号为FR-11/03,994的专利申请中所述的方法：对于低速(例如＜100rpm)，应用根据本发明的方法，而对于其它速度(例如＞100rpm)，应用现有专利申请的方法。

本方法的所有步骤由计算机工具执行，尤其是电机的控制器。因此，转子的位置和速度可以被实时确定。实际上，根据本发明的方法的优点之一在于，它很容易在线实施，并且因此可以容易地集成在电动/混合动力的车辆计算器中。

本发明还涉及一种控制同步电机的方法，其中实施以下步骤：

-通过输入上述施加的电压u_imp，根据上述方法确定所述电机的转子的位置θ和速度ω，以及

-根据位置θ和所确定的速度ω，控制所述同步电机的转矩。这一步骤可以使用任何常规的电机转矩矢量控制的装置来执行，除了转子的位置和速度，还考虑到测量的电压和电流。考虑到电机控制的位置和速度，这能够精确地确定电机的性能，这使得能够完成适于其操作的控制。

此外，本发明涉及一种控制同步电机的系统，其适于实施上述控制方法。这种用于控制电机(4)的系统(1)在图1中示出。电机的控制装置(1)由确定电机(4)转子的位置和速度的装置(2)以及控制电机(4)转矩的装置(3)组成。装置(2)根据电流i_m和电压U_m的测量确定了电机(4)转子的位置和速度。这些是电机(4)的三相中的每一相的电流和电压。转矩控制装置(3)根据内部温度、速度ω以及电流i_m和电压U_m，施加电压于电机端子上，以便提供转矩给定值至电机(4)。

该控制系统可用于车辆上的同步电机，尤其是电动或混合动力的汽车中。然而，所述的控制系统不局限于该应用，它适用于所有的同步电机的应用。

Claims (10)

1.一种确定凸极同步电机(4)的转子的位置θ的方法，其中测量了所述电机的各相的电流i_m和电压U_m，其特征在于执行了以下步骤：

a)施加一电压u_imp在所述电机(4)的所述各相上，所施加的电压u_imp具有大于所述电机(4)的控制电压的幅值U_c以及大于所述电机(4)的控制频率的高频f_c，所施加的电压u_imp对于所述电机(4)的控制没有影响并且所述电机(4)的运行不受干扰，

b)构建所述电机(4)中流通的总磁通量χ_αβ的状态模型，所述磁通量χ_αβ是所述转子的位置的函数，

c)通过磁通量χ_αβ的所述状态模型以及所述测量的电流i_m和电压U_m，构建所述转子的电流

和速度

的状态观测器，以及

d)通过速度

的所述状态观测器以及所述施加的电压u_imp，确定转子的所述位置

2.如权利要求1所述的方法，其中针对低于或等于100rpm的转子的转速应用所述方法。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述幅值U_c为10V，所述频率f_c为1kHz。

4.如权利要求1所述的方法，其中在复平面中用这种类型的方程：

描写施加的电压u_imp，其中j是复数，θ_c是位置，以致于

5.如权利要求1所述的方法，其中通过实施以下步骤构建在电机(4)中流通的总磁通量χ_αβ的所述状态模型：

i)通过变换所测量的电流i_m和电压U_m，在Concordia参考坐标系中确定电压u_αβ和电流i_αβ，

ii)通过这种类型的方程：

来确定磁通量χ_αβ的动态值，其中R是所述电机(4)绕组的阻抗。

6.如权利要求5所述的方法，其中通过实施以下步骤来构建电流和转子速度的所述状态观测器：

i)通过这种类型的方程：

根据所述磁通量χ_αβ的所述状态模型来确定电流i_αβ的状态表示，其中Φ是由所述电机的永磁体产生的磁通，ω是转子速度，

且

L_d和L_q是所述电机的直接和正交的电感，

以及

A＝4λ²η²ω²+R²η²，B＝4η⁴ω²+R²λ²，

ii)通过使x＝i_α+ji_β和u＝u_α+ju_β，在复平面中变换所述状态表示，其中j是复数，以及

iii)通过这种类型的方程：

确定电流和转子速度的所述状态观测器，其中

是归一化的电流测量值，k₁，k₂，g是增益，其使所述观测器的收敛被管控。

7.一种控制同步电机(4)的方法，其中实施以下步骤：

-使用前述权利要求任意一项中的方法，确定所述电机的转子的位置

和速度

以及

-根据所确定的位置和速度控制所述同步电机的转矩。

8.一种控制同步电机(4)的系统，其特征在于，该系统适于应用如权利要求7所述的控制方法。

9.一种车辆，其包括至少一个同步电机(4)，其特征在于，所述车辆还包括如权利要求8所述的控制系统。

10.如权利要求9所述的车辆，其特征在于，所述车辆是一种混合动力或电动车辆。

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