CN105281631B - 电动机的无传感器控制方法和使用该方法的系统 - Google Patents

电动机的无传感器控制方法和使用该方法的系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于电动机的无传感器控制方法，其通过包含反电动势(EMF)观测器和锁相环(PLL)控制器的无传感器控制器执行，所述方法包含：使用所述反EMF观测器估计所述电动机的反EMF；基于所述估计的反EMF计算与所述电动机的铁损一致的电角误差；及补偿所述计算的电角误差；将所述补偿的电角误差输入到所述PLL控制器以估计实际角度；及基于所述估计的实际角度控制所述电动机。

Description

电动机的无传感器控制方法和使用该方法的系统
技术领域
发明涉及电动机的无传感器控制方法和使用该方法的系统，且更具体地涉及这样一种电动机的无传感器控制方法和使用该方法的系统：可通过将考虑了电动机的铁损的控制模型添加到反电动势(反EMF：back electromotive force)观测器并通过该控制模型获得考虑了铁损的精确电角误差，从而在电动机的超高速驱动区域中稳定地执行无传感器控制。
背景技术
如在本领域技术人员所知的，应用于电动涡轮增压器的电动机通常非常小，因此可极大地受到其特性损耗的影响。因此，当电动机利用常规的无传感器控制方法来驱动时，其电角误差在超高速驱动区域中增加，因此不能以精确角度控制电动机，从而导致不受控的情况。
图1示出用于典型永磁电动机的控制器，参照图1，无传感器控制方法使用经测量的相电流、根据经测量的相电流估计出的d轴电压、q轴电压和电流命令来观测反EMF，以获得电角误差(Δθ)。锁相环(PLL：phase-locked loop)控制器用于将获得的电角误差变为零。所估计出的角速度信息可从消除了所获得的电角误差的锁相环控制器的输出中获得，并且可以用于电动机的矢量控制。
为获得精确的电角误差，需要确定反EMF，且可根据电动机模型得以确定反EMF。一般来说，使用不考虑铁损的电动机模型，其不适用于控制发生显著铁损的超高速电动机。因此，在控制超高速电动机时引起大的电角误差，导致常规无传感器控制方法由于所产生的大电角误差而变得不稳定。因此，难以在约50,000rpm或更大的超高速驱动区域中执行无传感器控制。
在本背景技术章节中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景的理解，因此其可以含有不构成本领域技术人员在该国已知的现有技术的信息。
现有技术文献
专利文献
专利文件1：日本公开专利公报第P2012-166776号(2012.09.06)
发明内容
因此，本发明致力于提供这样一种电动机的无传感器控制方法及使用该方法的系统：可通过将考虑了电动机的铁损的控制模型添加到反电动势(反EMF：backelectromotive force)观测器并获得考虑了铁损的精确电角误差，从而在电动机的超高速驱动区域中稳定地执行无传感器控制。另外，本发明致力于提供这样一种电动机的无传感器控制方法及使用该方法的系统，其中：电动机的铁损可通过反EMF观测器确定且可基于所确定的铁损来补偿(校正)电动机的EMF、使用所补偿的EMF计算精确的电角误差并随后在控制电动机时使用精确的电角误差。
本发明的实施例提供一种电动机的无传感器控制方法，其由包含反电动势观测器和锁相环控制器的无传感器控制器来执行，上述方法包括如下步骤：使用上述反电动势观测器估计上述电动机的反电动势；基于所估计出的反电动势计算考虑了上述电动机的铁损的电角误差；补偿所计算出的电角误差；将所补偿的电角误差输入到上述锁相环控制器以估计实际角度；以及基于所估计出的实际角度控制上述电动机。
可以使用以下公式计算考虑了铁损的上述电动机的电压(νγ、νδ)：
其中：
d、q：精确的d轴、q轴；
ωe：电动机的电角速度；
id：d轴电流；
iq：q轴电流；
idi：d轴铁损电流；
iqi：q轴铁损电流；
idm：d轴磁化电流；
iqm：q轴磁化电流；
vd：d轴电压；
vq：q轴电压；
Rs：定子相电阻；
Ri：铁损等效电阻；
Ld：d轴电感；
Lq：q轴电感；
ψm：永磁磁通量常数；
Piron：铁损；
Ph：磁滞损耗；
Ped：涡流损耗；
eγ：估计出的d轴扩展电动势；
eδ：估计出的q轴扩展电动势；
e′γ：考虑了铁损的估计出的d轴扩展电动势；
e′δ：考虑了铁损的估计出的q轴扩展电动势。
上述反电动势观测器可以使用以下公式估计上述电动机的电压(νγ、νδ)：
可以使用以下公式计算上述电角误差(Δθ+α)：
将所补偿的电角误差输入到上述锁相环控制器以估计上述实际角度的步骤可以包括：减少考虑了铁损的上述电角误差的步骤。
另外，本发明的实施例提供一种控制包含永磁电动机的电动机的无传感器控制系统，其包括：反电动势观测器，其配置成估计上述电动机的反电动势；角误差计算器，其配置成基于所估计出的反电动势来计算考虑了上述电动机的铁损的电角误差；角误差补偿器，其配置成补偿所计算出的电角误差；以及锁相环控制器，其配置成进行以下操作：i)接收所补偿的电角误差；ii)估计实际角度；和iii)基于所估计出的实际角度控制上述电动机。
上述反电动势观测器还可以配置成使用以下公式估计电压(νγ、νδ)：
上述角误差计算器还可以配置成使用以下公式计算上述电角误差(Δθ+α)：
上述锁相环控制器还可以配置成通过减少考虑了铁损的上述电角误差来估计上述实际角度。
如上文所描述的，根据本发明的实施例，能够通过将考虑了电动机的铁损的控制模型添加到反电动势(反EMF：back electromotive force)观测器并通过该控制模型获得考虑了铁损的精确电角误差，从而在电动机的超高速驱动区域中稳定地执行无传感器控制。根据本发明的实施例，能够通过反EMF观测器确定电动机的铁损且能够基于所确定的铁损来补偿(校正)电动机的EMF、使用所补偿的EMF计算精确的电角误差并使用精确的电角误差以控制电动机。
附图说明
图1是示出用于控制典型永磁电动机的控制器的示意图。
图2是示出本发明的实施例的用于控制永磁电动机的无传感器控制系统的图。
图3是示出本发明的实施例的用于控制永磁电动机的无传感器控制方法的流程图。
图4是比较用于永磁电动机的考虑了铁损的控制模型与用于永磁电动机的没有考虑铁损的控制模型的表格图。
图5是示出本发明的实施例的用于电动机的电压公式的图。
图6是用于比较本发明的实施例的反EMF观测器的内部逻辑与其常规内部逻辑的示意图。
附图标记说明
10：电动机；
110：反电动势(EMF)观测器；
120：角误差计算器；
130：角误差补偿器；
150：锁相环(PLL)控制器。
具体实施方式
下面，参照示出本发明的实施例的附图，更全面地对本发明进行说明。本领域技术人员将认识到，所描述的实施例可以以各种不同方式修改，而均不脱离本发明的精神或范围。
此外，在本说明书中，除非明确相反地描述，否则术语“包括”及变型，例如“包含”或“具有”，将理解为暗示包含所述元件但不排除任何其它元件。
本文使用的术语仅仅是为了说明示例性实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种(a、an和the)”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数(Integer，整体)、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
应理解，本文使用的术语“车辆”(vehicle)或“车辆的”(vehicular)或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车(SUV)在内的乘用车、公交车、卡车、各种商务车、包括各种船只和船舶的水运工具、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合电动车辆、氢动力车辆、燃料电池车辆和其它代用燃料车辆(例如，来源于石油以外的资源的燃料)。本文所使用的混合动力车是具有两种以上动力源的车辆，比如汽油动力和电动力的车辆。
此外，应理解，一或多个以下方法或其方面可通过至少一个控制器来执行。术语“控制器”可指代包含存储器及处理器的硬件设备。存储器配置成储存程序指令，且处理器配置成执行所述程序指令，以执行下文进一步描述的一或多个处理。另外，应理解，以下方法可通过包括控制器的设备来执行，借此在本领域中已知该设备适用于执行用于电动机的无传感器控制方法，如本文中所描述。
图2是示出本发明的实施例的用于控制永磁电动机的无传感器控制系统的图。
参照图2，本发明的实施例的用于控制电动机(例如，永磁电动机)的无传感器控制系统包含：反EMF观测器110，其配置成估计电动机10的反EMF；角误差计算器120，其配置成基于由反EMF观测器110估计出的反EMF来计算考虑了电动机10的铁损的电角误差；角误差补偿器130，其配置成补偿由角误差计算器120计算得到的电角误差；以及PLL控制器150，其配置成接收补偿后的电角误差，在PLL控制器150中通过减少由于上述铁损引起的电角误差来估计实际角度，并基于估计出的实际角度控制电动机10。
图2中示出的符号如下定义所示：
-γ，δ：估计出的d轴、q轴
-ωm*：电动机的机械角速度命令值
-ωm：估计出的电动机的机械角速度(其无传感器控制结果值)
-θ：估计出的电角速度(其无传感器控制结果值)
-Δθ：电角速度误差
-iγ *：估计出的d轴电流命令值
-iδ *：估计出的q轴电流命令值
-iγ：经估计测量的d轴电流(在电流传感器之后3相/2相转换器测量的电流)
-iδ：经估计测量的d轴电流(在电流传感器之后的3相/2相转换器测量的电流)
-vγ *：估计出的d轴电压命令值
-vδ *：估计出的q轴电压命令值
-tatbtc：a、b、c相的PWM接通时间
-ib，ic：b、c相的电流(或，可允许测量3相电流中的任意2相电流。)
-扩展的经估计的d轴EMF值(观测器的结果)
-扩展的经估计的q轴EMF值(观测器的结果)
在本发明的实施例中，电动机10可为永磁电动机，例如，应用于电动涡轮增压器系统的电动机，但应理解，本发明的范围不限于此。
本发明的实施例的无传感器控制系统可包含：反EMF观测器110、角误差计算器120、角误差补偿器130、PLL控制器150，以及弱磁通量控制器11、d轴电流控制器13、矢量控制器15、逆变器17、速度控制器23、q轴电流控制器25和3相/2相转换器21，如图1中所示，图1示出用于控制典型永磁电动机的控制器。
在本发明的实施例中，弱磁通量控制器11、d轴电流控制器13、矢量控制器15、逆变器17、速度控制器23、q轴电流控制器25和/或3相/2相转换器21可与现有技术中使用的各者相同或类似，因此将省略其详细描述。
另一方面，可通过以下公式计算电动机10的电压(νγ、νδ)。
-d、q：精确的d轴、q轴
-ωe：电动机的电角速度
-id：d轴电流
-iq：q轴电流
-idi：d轴铁损电流
-iqi：q轴铁损电流
-idm：d轴磁化电流
-iqm：q轴磁化电流
-vd：d轴电压
-vq：q轴电压
-Rs：定子相电阻
-Ri：铁损等效电阻
-Ld：d轴电感
-Lq：q轴电感
-ψm：永磁磁通量常数
-Piron：铁损
-Ph：磁滞损耗
-Ped：涡流损耗
-eγ：估计出的d轴扩展EMF
-eδ：估计出的q轴扩展EMF
-e′γ：考虑了铁损的估计出的d轴扩展EMF
-e′δ：考虑了铁损的估计出的q轴扩展EMF。
可通过以下公式计算输入到反EMF观测器110的电压(νγ、νδ)。
此外，角误差计算器120可使用以下公式计算电角误差(Δθ+α)。
现将参照附图详细描述用于控制永磁电动机的方法的无传感器控制方法。
图3是示出本发明的实施例的用于控制永磁电动机的无传感器控制方法的流程图。
如图3所示，反EMF观测器110估计电动机10的反EMF(S100)，并且角误差计算器120计算由电动机10的铁损引起的电角误差(Δθ+α)(S200)。电角误差(Δθ+α)包含基于现有技术的电角误差(Δθ；图1)和考虑了电动机10的铁损的误差(α)。
因此，本发明的实施例的无传感器控制方法在将电角误差(Δθ+α)输入到PLL控制器150之前，使用角误差补偿器130补偿(校正)误差(α)(S300)。在通过角误差补偿器130补偿误差(α)时，PLL控制器150通过减少电角误差来估计电动机10的实际角度(S400)，随后使用估计出的实际角度在电动机10的超高速区域中控制该电动机(S500)。
图4是比较用于永磁电动机的考虑了铁损的控制模型与用于永磁电动机的没有考虑铁损的控制模型的表格图。图4中示出的符号如下定义所示。
-d、q：精确的d轴、q轴
-ωe：电动机的电角速度
-id：d轴电流
-iq：q轴电流
-idi：d轴铁损电流
-iqi：q轴铁损电流
-idm：d轴磁化电流
-iqm：q轴磁化电流
-vd：d轴电压
-vq：q轴电压
-Rs：定子相电阻
-Ri：铁损等效电阻
-Ld：d轴电感
-Lq：q轴电感
-ψm：永磁磁通量常数
-Pirom：铁损
-Ph：磁滞损耗
-Ped：涡流损耗
可研究对常规永磁电动机的铁损的影响，以检查对本发明的实施例的电动机10的铁损的影响。
图4是示出没有考虑铁损的电动机的d轴和q轴模型以及考虑了铁损的d轴和q轴模型的图。
如图4所示，电阻器Ri的电阻等效于铁损，且电阻器Ri并联连接到电动机的电感器。因此，考虑了铁损的电动机模型不同于没有考虑铁损的电动机模型，这是因为没有考虑铁损的无传感器控制方法不能够精确地测量用于控制电动机的角度。
Piron＝Ph+Ped
铁损(Piron)可分别划分为磁滞损耗(Ph)及涡流损耗(Ped)。磁滞损耗与施加到电动机的电流频率成比例，且涡流损耗与其平方成比例。因为施加到超高速电动机的频率为施加到典型高速电动机的频率的两倍或两倍以上，所以超高速电动机的铁损为典型高速电动机的铁损的四倍或四倍以上。因此，为了控制超高速电动机，需要考虑铁损，如本文所描述的那样。
图5是示出电动机在正常轴和倾斜轴中的电压公式的图。
电动机在正常轴上的常规电压公式可利用以下公式(a)，且本发明的实施例的考虑了铁损的电动机在正常轴上的电压公式可利用以下公式(b)。
公式(a)
公式(b)
-eγ：估计出的d轴扩展EMF
-eδ：估计出的q轴扩展EMF
-e′γ：考虑了铁损的估计出的d轴扩展EMF
-e′δ：考虑了铁损的估计出的q轴扩展EMF。
根据是否考虑了电动机10的铁损，电压公式也如上(a)及(b)所示那样彼此不同。由于不能实际了解电动机的d轴及q轴，所以实质上使用分别估计d轴和q轴而得到的γ轴和δ轴。电动机在倾斜轴上的电压公式可分别利用以下公式(c)及(d)。以下公式(c)对应于常规的没有考虑铁损的电动机的电压公式，且以下公式(d)对应于本发明的实施例的考虑了铁损的电动机的电压公式。
公式(c)
公式(d)
图6是比较本发明的实施例的反EMF观测器110的内部逻辑与常规的没有考虑铁损的反EMF观测器110A的内部逻辑的示意图。
根据是否考虑电动机10的铁损，由于反EMF观测器的反EMF公式(e)及(f)彼此不同，所以反EMF观测器110A的内部逻辑应修改为反EMF观测器110的内部逻辑。以下公式(e)对应于常规反EMF公式，且以下公式(f)对应于本发明的实施例的反EMF公式。
在使用常规反EMF观测器110A时，由于没有适当地执行反EMF确定，所以可能发生电角误差。
公式(e)
公式(f)
参照图2，即使反EMF观测器110精确地估计出电动机的反EMF并计算其电角误差，在考虑了电动机的铁损的情况下，也会如在以下公式(h)中那样发生α量的附加电角误差。以下公式(g)是没有考虑电动机的铁损的常规公式。由于电动机的铁损不包含在以下公式(g)中，所以其中没有附加电角误差(α)。
在本发明的实施例中，附加电角误差(α)可通过对电动机进行模拟(仿真)及/或测试而获得，且所获得的附加电角误差(α)可由角误差补偿器130补偿(校正)。
公式(g)
公式(h)
如上文所描述的，根据本发明的实施例，能够通过将考虑了电动机的铁损的控制模型添加到反电动势观测器并通过该控制模型获得考虑了铁损的精确电角误差，从而在电动机的超高速驱动区域中稳定地执行无传感器控制。另外，根据本发明的实施例，能够通过反EMF观测器考虑电动机的铁损，基于所考虑的铁损来补偿(校正)电动机的EMF、使用所补偿的EMF计算精确的电角误差并在控制电动机时使用精确的电角误差，从而提高电动机的性能。
本发明的实施例可具有如下优点：
稳定性：通过估计与电动机的驱动相关联的精确角度，能够在大于约50,000rpm的超高速驱动区域中稳定地控制电动机。
效率提高：通过高效地使用电动机的反EMF，能够降低加载到电动机上的电负荷，从而能提高超高速电动机系统的效率。
驾驶性(drivability)扩大：通过精确计算电动机的驱动角，甚至在大于约100,000rpm的超高速驱动区域中，也能够驱动电动机。(在现有技术中难以在在大于约50,000rpm的超高速驱动区域中驱动电动机。)
性能改善：基于关于电动机的精确角度信息，能够通过d轴和q轴电流及电压控制的效率，从而改善电动机的转矩及动力性能。
虽然已结合用于涡轮增压器的永磁电动机对上述实施例进行了描述，但上述实施例可应用于微型涡轮发电机用超高速电动机、循环压缩机用超高速电动机、泵用超高速电动机等。因此，本文中对永磁电动机的描述不应视为限制本发明的适用性。
虽然已结合目前认为是实用实施例的实施例来描述本发明，但应理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，其意在涵盖被包含在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (4)

1.一种电动机的无传感器控制方法，其由包含反电动势观测器和锁相环控制器的无传感器控制器来执行，所述方法包括如下步骤：
使用所述反电动势观测器估计所述电动机的反电动势；
基于所估计出的反电动势计算考虑了所述电动机的铁损的电角误差；
补偿所计算出的电角误差；
将所补偿的电角误差输入到所述锁相环控制器以估计实际角度；以及
基于所估计出的实际角度控制所述电动机，
其中所述反电动势观测器使用以下公式估计所述电动机的电压vγ、vδ：
其中：
Rs：定子相电阻；
ωe：电动机的电角速度；
Ld：d轴电感；
Lq：q轴电感；
Ri：铁损等效电阻；
iγ：经估计测量的d轴电流；
iδ：经估计测量的q轴电流；
e′γ：考虑了铁损的估计出的d轴扩展电动势；
e′δ：考虑了铁损的估计出的q轴扩展电动势。
2.根据权利要求1所述的无传感器控制方法，其中使用以下公式计算所述电角误差Δθ+α：
其中：
Eex＝ωe{(Ld-Lq)id+ψm}-(Ld-Lq)(piq)；
e′γ：考虑了铁损的估计出的d轴扩展电动势；
e′δ：考虑了铁损的估计出的q轴扩展电动势；
ωe：电动机的电角速度；
Ld：d轴电感；
Lq：q轴电感；
id：d轴电流；
iq：q轴电流；
ψm：永磁磁通量常数；
Ri：铁损等效电阻。
3.一种控制包含永磁电动机的电动机的无传感器控制系统，其包括：
反电动势观测器，其配置成估计所述电动机的反电动势；
角误差计算器，其配置成基于所估计出的反电动势来计算考虑了所述电动机的铁损的电角误差；
角误差补偿器，其配置成补偿所计算出的电角误差；以及
锁相环控制器，其配置成进行以下操作：
i)接收所补偿的电角误差；ii)估计实际角度；和iii)基于所估计出的实际角度控制所述电动机，
其中所述反电动势观测器还配置成使用以下公式估计电压υγ、υδ：
其中：
Rs：定子相电阻；
ωe：电动机的电角速度；
Ld：d轴电感；
Lq：q轴电感；
Ri：铁损等效电阻；
iγ：经估计测量的d轴电流；
iδ：经估计测量的q轴电流；
e′γ：考虑了铁损的估计出的d轴扩展电动势；
e′δ：考虑了铁损的估计出的q轴扩展电动势。
4.根据权利要求3所述的无传感器控制系统，其中所述角误差计算器还配置成使用以下公式计算所述电角误差Δθ+α：
其中：
Eex＝ωe{(Ld-Lq)id+ψm}-(Ld-Lq)(piq)；
e′γ：考虑了铁损的估计出的d轴扩展电动势；
e′δ：考虑了铁损的估计出的q轴扩展电动势；
ωe：电动机的电角速度；
Ld：d轴电感；
Lq：q轴电感；
id：d轴电流；
iq：q轴电流；
ψm：永磁磁通量常数；
Ri：铁损等效电阻。
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