CN105379104A - 用于转子位置估算的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于估算转子的位置的设备和方法。设备包括具有角位置的第一转子、以磁性啮合方式与所述第一转子相互作用的第二转子、用于测量所述第二转子的运动学特性的传感器和用于使用基于模型的观察器来估算所述角位置的估算装置，其中，所述估算至少基于所述第二转子的所述运动学特性。一种估算第一转子的角位置的方法包括测量第二转子的运动学特性，其中，所述第二转子以磁性啮合方式与所述第一转子相互作用；以及使用基于模型的观察器至少根据所述第二转子的所述运动学特性来估算所述第一转子的所述角位置。

Description

用于转子位置估算的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于估算第一转子的位置的设备和方法，所述第一转子以磁性啮合的方式与第二转子相互作用。

背景技术

磁性齿轮是常规机械齿轮的替代品是已知的。虽然名义上来说磁性齿轮中的两个转子的相对速度由齿轮传动比给出，但是磁性齿轮通常具有相对较低的刚性(stiffness)和非线性特性。不像常规机械齿轮，齿轮传动比不能被用来准确地将一个转子位置与另一个转子位置相关联，因为其不能瞬时保持或者不能保持在负载的条件下，特别是因为转子/场之间的相对角依赖于转矩。考虑到这些复杂性，不能简单地使用齿轮传动比由一个转子的位置确定另一个转子的位置。

永久磁体同步交流马达通常具有位于转子上的永久磁体和位于定子上的绕组。它们一般使用采用场定向控制(fieldorientedcontrol，FOC)的逆变器进行控制，这需要转子位置以便产生电流波形来驱动马达。转子的位置一般通过使用诸如位于输出轴上的编码器或者解算器等仪器通过直接测量来获得。使用转子位置，FOC确保通量(flux)与相电流正确地定向以产生最优转矩。因此，使用FOC调节脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，PWM)。例如，其确保了转子位置和所需要的三相电流之间的相位关系或者相位角，所述三相电流在时间上以120°分布，流进以120°进行空间分布(电角度)的三相绕组中，从而产生与转子磁通轴线(fluxaxis)正交(90°)的旋转定子磁通轴线。

伪直接驱动器(PseudoDirectDrive，PDD)1是一种永久磁体电机，其具有一体化的磁性齿轮；PDD电机的示例在WO2007/125284A1中有详细介绍。PDD电机可用于匹配原动机的运行速度以满足它们在诸如风力发电机和电力船舶推进装置等应用的负载的需要。第一转子10携带永久磁体的阵列并且与定子30中的绕组34相互作用以产生转矩。通常情况下，位于定子30和第一永久磁体转子10之间的第二个转子20包括铁磁性极靴22的阵列。第二个转子20通常以比第一转子10低的速度旋转，这是因为位于定子30上的永久磁体的固定阵列32与磁通量从所述第一转子10通过第二转子20时在磁场中产生的空间谐波的相互作用导致的磁性啮合原理的缘故。然而，在一些实施方式中，所述第二转子20可以以比所述第一转子10高的速度旋转。齿轮传动比由磁片22的数量与永久磁体转子10上的极对的数量之比确定。所述第一转子10在通篇中称为高速转子10，而所述第二转子20称为低速转子20。

对于使用FOC执行转子控制的PDD驱动来说，所述高速转子10的位置是需要的。对于小型PDD而言，所述高速转子10制造成是可接近的以将位置传感器与机械装置配合，如图1所示。使用可接近高速转子10，所述PDD可以通过使用直接测量所述高速转子10的位置而采用FOC。

不过，对于大型PDD，这种设计不一定能够实现，这是因为如果转矩只在所述轴的一个端部处作出反应(react)的话，会有大量的应变施加在轴和轴承上，并且还有扭力施加在极靴结构上。为了提供可靠的机械设计，对于高速转子而言优选的是完全被低速转子所封闭。然而，在这种情况下，高速转子不可接近，并且不可能为FOC去直接测量转子的位置。唯一能够用以安装测量传感器的轴是作为输出转子而被连接至负载的低速转子。然而，从这个转子获得的测量不能直接用于FOC，这是因为由于上述作用例如磁耦合的非线性、低刚性和齿轮传动比的缘故而不能反映高速转子的位置。

本发明通过提供一种用于使用基于模型的观测器根据第二转子的运动学特性的测量来估算第一转子的位置来解决这个问题，所述第二转子以磁性啮合的方式与所述第一转子相互作用。

发明内容

根据本发明，提供了一种设备，所述设备包括：第一转子，所述第一转子具有角位置；第二转子，所述第二转子以磁性啮合方式与所述第一转子相互作用；传感器，所述传感器用于测量所述第二转子的运动学特性；估算装置，所述估算装置用于使用基于模型的观测器估算所述第一转子的所述角位置，其中所述估算至少基于所述第二转子的所述运动学特性。

测得的所述第二转子的所述运动学特性可以包括角位置和/或角速度。

所述基于模型的观测器优选为基于降阶模型的观测器。在基于模型的观测器中实现的模型可以结合啮合作用、刚性变化和/或惯性中的任意组合。优选的是，所述模型可以结合啮合作用、刚性变化和惯性。

其中，所测得的所述第二转子的所述运动学特性包括角位置，用于估算所述第一转子的所述角位置的所述估算装置可以包括用于使用基于模型的观测器估算所述第一转子和所述第二转子之间的参照角并且由所估算的参照角和所测得的所述第二转子的角位置来计算所述第一转子的所述角位置的装置。

所述第一转子可以是不可接近去测量其运动学特性的。所述第一转子可以被所述第二转子所封闭。

所述第一转子可以包括第一多个永久磁体。所述设备可以进一步包括带有绕组的定子，所述绕组与所述第一多个永久磁体相互作用。所述定子可以进一步包括第二多个永久磁体，并且所述第二转子可以包括多个极靴。

对所述第一转子的所述角位置进行的所述估算可以进一步基于输入所述设备的至少一个输入。所述估算可以进一步基于所述绕组中的电流。所述估算可以进一步基于由所述绕组产生的电磁转矩。

所述设备可以进一步包括适合于根据所估算的所述第一转子的角位置采用场定向控制的驱动系统。所述设备可以进一步包括用于将所估算的角位置转化成采取角位置传感器的输出的形式的信号的装置。所述设备可以进一步包括用于将所估算的角位置转换至正弦和/或余弦波形的装置。所述设备可以进一步包括用于通过高频正弦波调制所述波形以产生经调制的信号的装置。所述设备可以进一步包括适合于根据所调制的信号采用场定向控制的驱动系统。

还进一步提供了一种估算第一转子的角位置的方法，所述方法包括如下步骤：测量第二转子的运动学特性，其中，所述第二转子以磁性啮合方式与所述第一转子相互作用；以及使用基于模型的观察器至少根据所述第二转子的所述运动学特性来估算所述第一转子的所述角位置。

所述第二转子的所述运动学特性可以包括角位置和/或角速度。

所述基于模型的观测器可以是基于降阶模型的观测器。在所述基于模型的观测器中采用的模型可以结合啮合作用、刚性变化和/或惯性中的任意组合。优选的是，所述模型可以结合啮合作用、刚性变化和惯性。

其中，所述第二转子的所述运动学特性包括角位置，估算所述第一转子的所述角位置的步骤可以包括使用基于模型的观测器估算参照角并且由所估算的参照角和所测得的所述第二转子的角位置来计算所述第一转子的所述角位置。

所述第一转子可以是不可接近的从而无法测量其运动学特性。所述第一转子可以被所述第二转子所封闭。

所述第一转子可以包括第一多个永久磁体。所述第一多个永久磁体可以与位于定子上的绕组相互作用。所述定子可以进一步包括第二多个永久磁体，并且所述第二转子可以包括多个极靴。

所述估算可以进一步基于至少一个输入。所述估算可以进一步基于所述绕组中的电流。所述估算可以进一步基于由所述绕组产生的电磁转矩。

所述方法可以进一步包括根据所估算的所述第一转子的角位置采用(employ)所述第一转子的场定向控制。所述方法可以进一步包括将所估算的角位置转换成采取角位置传感器的输出的形式的信号。所述方法可以进一步包括将所估算的角位置转换至正弦和/或余弦波形。所述方法以进一步包括通过高频正弦波调制所述波形以产生经调制的信号。所述方法可以进一步包括根据所调制的信号采用所述第一转子的场定向控制。

附图说明

现在将通过举例方式参照如下附图对本发明的实施方式进行详细说明，其中：

图1显示了一种带有可接近的高速转子的伪直接驱动机器的剖视图；

图2显示了一种带有不可接近的高速转子的伪直接驱动机器的剖视图；

图3是一种典型的伪直接驱动机器的参照角对负载转矩的曲线图；

图4是一种典型的伪直接驱动机器的刚性对负载转矩的曲线图；

图5显示了所测得的和所估算的一种伪直接驱动机器的高速转子的角位置随时间的变化，其中，所述角位置通过对所估算的所述高度转子的速度进行积分来估算；

图6显示了所测得的和所估算的一种伪直接驱动机器的高速转子的角位置随时间的变化，其中，所述角位置使用低速转子的所测得的位置和所估算的参照角来估算；

图7A、7B和7C示意性地显示了估算伪直接驱动机器的高速转子的位置并且将所估算的位置转换至模拟解算器或者编码器的信号的设备的可能硬件实现；

图8显示了用于估算高速转子的角位置和仿真解算器或者编码器信号的设备的图示；

图9显示了降阶观测器的结构；

图10是使用低速转子传感器和实时控制器的一种伪直接驱动机器的闭合环路控制器的一个示例的示意图；

图11A显示了在一种伪直接驱动机器上进行的测试的负载转矩随时间的变化；

图11B显示了在所述测试过程中所测得的和所估算的低速转子的速度；

图11C显示了在所述测试过程中所测得的和所估算的高速转子的速度；

图11D显示了所述测试过程中电流的i_q向量；以及

图11E显示了所述测试过程中电流的i_d向量。

具体实施方式

在图2中显示了带有不可接近的高速转子10的一种典型的伪直接驱动器1。所述高速转子10包括多个永久磁体12，并且被定位在低速转子20中，所述低速转子20包括铁磁性极靴22的阵列。所述高速转子10和低速转子20以磁性啮合方式与安装在定子30上的永久磁体32相互作用。所述磁性啮合相互作用的齿轮传动比由位于高速转子10上的极对的数量与安装在低速转子20上的极靴22的数量之比来确定。所述定子30进一步包括绕组34，所述绕组34与所述高速转子10的磁场的基础谐波或者第一谐波相互作用。

如图2中所示，所述高速转子10被所述低速转子20完全封闭或者封装，并且在安装于所述低速转子20的旋转轴24上的轴承14上旋转。在这种布置中，直接测量所述高速转子10的角位置是不现实的，因为不能穿过包封低速转子20提供电连接或者不能到达位置传感器。

如上文所述，磁性啮合的低刚性和非线性意味着不能简单地使用齿轮传动比由所述低速转子的位置准确地估算所述高速转子的位置。图3显示了参照角(被定义为：θ_e＝p_hθ_h-n_sθ₀，其中，θ_h和θ₀分别是高速转子10和低速转子20的角位置，p_h是位于所述高速转子10上的极对的数量，而n_s是位于低速转子20上的极靴的数量)与负载转矩之间的典型关系，所述关系可以采用正弦函数在稳定工作区域上进行描述。当所述参照角在π/2至3π/2弧度之间时，所述磁性齿轮的刚性是负值，并且系统是不稳定的。图4显示了磁性齿轮的刚性和负载转矩之间的典型关系。如图所示，所述刚性随着负载转矩的增加而下降。

所述高速转子10的位置可以使用基于模型的观测器来估算。所述观测器是PDD1的数学表达式。所述观测器模型可以是线性的或者是非线性的，并且反映了所述PDD1的运动学。所述观测器模型可以反映啮合作用、刚性变化或者惯性，或者它们的任意组合。优选的是，所述观测器模型反映了啮合作用、刚性变化和惯性。所述观测器模型还可以反映与所述高速转子10和所述低速转子20之间的参照角速度相关联的、因为所述高速转子10中的涡流损耗和所述低速转子20中的铁损耗引起的阻尼效应，尽管这种效应一般来说是小的并且可以忽略的。适当的基于模型的观测器包括全阶观测器、降阶观测器、卡尔曼滤波器或扩展的卡尔曼滤波器。所述观测器将可控输入连接至设备，例如电流要求，以及可测量状态例如所述低速转子的运动学特性(例如角位置或者速度)，以及不能接近以进行测量的状态。因此，对于所述观测器而言，可以估算所述PPD的不能接近以进行测量的状态例如所述高速转子10的速度和描述所述高速转子10相对于所述低速转子20的位置的参照角。

采用提供所述参照角和所述高速转子10的速度的估算的所述观测器，可以估算所述高速转子10的位置。假设已经通过观测器获得了准确的速度估算，为了估算所述高速转子10的位置，可以对所估算的速度进行直接积分。然而，如图5所示，速度的直接积分导致角位置偏离真实角，这是因为采用对速度的直接积分会累积小的估算误差。

优选的是，所述高速转子10的位置的估算可以使用所估算的参照角以及所测得的所述低速转子20的位置来获得。这导致所估算的高速转子位置的误差显著低于通过对所估算的速度进行直接积分求算得到的位置的误差。

描述所述高速转子10和所述低速转子20在PPD1中的运动的公式可以描写如下：

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_h}{dt}=\frac{T_e}{J_h}-\frac{T_{\max }}{J_h{G}_r}\sin \left({\mathrm{\θ}}_e\right)-\frac{B_h}{J_h}{\mathrm{\ω}}_h---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_o}{dt}=\frac{T_{max}}{J}\sin \left({\mathrm{\θ}}_e\right)-\frac{B_o}{J}{\mathrm{\ω}}_o-\frac{T_L}{J}---\left(2\right)$

θ_e＝p_hθ_h-n_sθ_o(3)

其中，ω_h、J_h、B_h分别是所述高速转子10的角速度、惯性力矩和粘滞阻尼，ω₀、J、B₀分别是角速度、所述低速转子20和负载的组合惯性和所述低速转子20和负载的组合阻尼系数。θ_e被定义为所述高速转子10和所述低速转子20之间的参照角位移，并且θ_h和θ₀分别是所述高速转子10和所述低速转子20的角位置，p_h是所述高速转子10的极对的数量，而n_s是所述低速转子20上的极靴的数量，并且是齿轮传动比。T_e、T_max和T_L分别是电磁转矩、牵出转矩和负载转矩，并且t是时间。

如上文所讨论的那样，在本发明的一个实施方式中，所述PDD驱动器构造采用附接至所述低速转子的单传感器。内部状态是不可接近去测量的，因此，基于模型的观测器(例如全阶观测器、降阶观测器、卡尔曼滤波器、扩展的卡尔曼滤波器等)可以被用来估算没有测量的状态，在这种情况中是ω_h、θ_e和T_L。

所估算的所述高速转子的位置可以通过对所估算的速度ω_h进行积分来获得。图5显示了所述PDD处在稳定状态时所测得的和锁估算的典型换向角(commutationangle)；在所测得的和所估算的换向角之间可以看到有显著的差异，这是因为速度估算的相位延迟和估算误差因积分造成的累积的缘故。所述误差瞬时大量增加并且处在负载变化条件下，这可能导致换向的损耗以及因此造成的能量输送的损耗。

优选的是，所述高速转子的所述角位置可以使用所测得的所述低速转子20的位置和所估算的参照角按照如下公式进行计算：图6显示了使用这种方法得到的估算和所测得的所述高速转子10的角位置θ_h。显然，估算误差已经显著地降低至小于1％。通过采用本文描述的可靠的观测器和硬件，所述PDD机的场定向控制所需要的换向信号可以具有与安装在所述高速转子10上的位置传感器相同的质量。应当强调的是，这种观察器的质量是关键的，因为不正确的换向角可能导致驱动操作偏离最大转矩/安培条件，或者还有转矩控制损耗一起，这可能最终导致不稳定。

场定向控制提供了与所述高速转子位置同步的电流。在使用解算器或者编码器传感器测量所述高速转子10的位置的已知构造中，所述转子10的位置可以以正弦和余弦波形的形式或者在编码器的情况中以数字脉冲的形式直接输送至所述驱动器。从那些信号向绝对转子位置的转化在所述驱动器中使用解调算法例如相位锁定回路内部地执行。采用这种经解调的信号来产生转子同步和相位电流所需要的脉冲宽度调制(PWM)。

但是，根据本发明的一个实施方式，所述高速转子10的位置可以使用基于模型的观测器来估算。由于商用驱动器已经被设计成采用某些测量装置例如解算器或者编码器等进行操作，因此在将信号输入到商用驱动器之前重构与通过测量装置例如解算器或者编码器所获得的相同形式的信号可能是必要的。图7A、7B和7C全都显示了可能的硬件实现，所述可能的硬件实现包括驱动系统100，其由AC或者DC源供电装置100供电；连接至低速转子20的负载26；用于测量所述低速转子的角速度和/或角位置的传感器28(例如解算器或者编码器)。在所示的实施方式中，所述驱动系统100包括向所述绕组34供应电流的PWM逆变器120；和解算器/编码器接口160。所述硬件进一步包括低速到高速的转换器200或者转接器(adapter)，其包括用于根据至少所测得的所述低速转子的角速度或者角位置来估算所述高速转子的角位置和/或角速度的估算装置。所述低速到高速的转换器200可以被结合到所述驱动系统100中，如图7A所示。作为替代方式，所述低速到高速的转换器200可以是独立的部件，如图7B所示。作为替代方式，所述低速到高速的转换器可以与所述传感器28一体化，如图7C所示。

图7A中的所述系统的实现因为其简单而可能是优选的。在这个情况中，PDD1被连接至驱动系统100并且像带有商购驱动器和任何现成的传感器28的任何永磁机那样工作。但是，这需要所述驱动系统100进行软件修改以将所述低速到高速的转换器200包括在所述驱动系统100中。

作为替代方式，图7B中的所述系统的实现可能是优选的，因为其不需要修改的软件、驱动系统100或者传感器28。在这种情况中，所述转换器200可以是位于所述传感器28和所述驱动系统100之间的独立部件。在所述转换器200中，所述信号被转换成高速信号并且被馈送至所述驱动系统100。这种实现在存在噪音和/或严酷环境条件的应用中可能不是优选的。而且，所述传感器28和所述驱动系统100之间的布线系统必须进行修改，并且必须为所述转换器200提供独立的电源。但是，根据所需要的应用以及驱动模式，所述驱动系统100可以为所述转换器200提供电源。

作为替代方式，在图7C中的所述系统的实现可能是优选的，因为可以在所述传感器28中实施所述复杂度和修改。不像图7B中的所述实现，这种实现避免需要在连接和噪音问题可能出现的位置对布线系统进行修改。而且，与图7A中所示的所述实现相反的是，在这种实现中的所述驱动系统100不需要进行修改，于是所述PDD1可以由满足常规永磁电机的等级和要求的任意现成的驱动系统100来运行。但是，所述传感器28必须被设计成容纳所述转换器200的额外硬件。而且，传感器尺寸可能增加，并且可能需要新的包装系统。热量、噪音和振动还可能造成问题，这同样取决于应用和工作环境。

因此，所述高速转子的位置可以借助于观测器(根据例如等式(1)至(3)中所示的模型)进行估算，并且可以通过硬件和/或软件对所估算的角度进行转换，以重构信号从而模拟解算器或者编码器，这取决于驱动传感器输入构造。在图8中可以看到，使用所述观测器210估算所述高速转子的位置、使用仿真器230将所估算的位置转换成模拟解算器或者编码器的输出的信号并且使用所述信号作为所述驱动系统100的输入的方法的示意图。

对于使用市售现成的驱动器操作PDD，所估算的所述高速转子10的位置可以被转换成所述驱动系统100可以接受的形式。例如，来自所述观测器的所估算的角位置可以被转换成正弦波形和余弦波形并且通过来自所述驱动器的高频正弦波进行调制；然后将经调制的信号馈送至驱动解算器输入，使得所述驱动器的表现将如同所述信号已经从硬件传感器例如解算器或者编码器接收到的那样。

执行低速到高速的转换的硬件和/或软件可以采用不同的方式实现，这取决于可以获得的应用、机械约束和硬件。例如所述硬件和软件可以在独立的FPGA卡中实现以从安装在所述低速转子20上的所述解算器/编码器传感器28获得输入并且将代表所述高速转子10的速度/位置的解算器/编码器信号输出至所述驱动系统100。类似地，所述FPGA可以建设在所述驱动系统100中，或者其可以和传感器28一起作为传感器28和FPGA而被包括在一个外壳中。

可使用任何合适的方法，如手动调整、极点配置或遗传算法确定所述观测器的增益。优选的是，所述增益可以使用遗传算法(GA)进行调整，与这种调整方法相关的细节可以在M.Bouheraoua,J.Wang和K.Atallah,"ObserverbasedstatefeedbackcontrollerdesignforPseudoDirectDriveusinggeneticalgorithm,"inPowerElectronics,MachinesandDrives(PEMD2012)，第6次IETInternationalConference，2012，第1至6页上找到。

为了成功地估算所述高速转子的所述位置，用于ω_h、θ_e和T_L的反馈信号是需要的。然而，无法获得这些信号的直接测量。采用图9中所示的降解观测器由可以获得的输出y和控制u根据公式(4)来重构用于所述系统的状态向量的无法获得的部分。这些估算对于获得PDD操作所需的电子换向信号是需要的，因为所述高速转子无法接近以进行测量。

控制所述基于模型的观测器的公式为：

$\stackrel{\·}{x}=f\left(x\right)+Bu+w\left(t\right)$

y＝Cx+v(t)，(4)

其中：

x＝[x_ax_b]

x_a＝ω_o

x_b＝[ω_h，θ_e，T_L]^T

$B={\[0,\frac{1}{J_h},0,0\]}^T---\left(5\right)$

C＝[1，0，0，0]

U＝T_e

w(t)是与模型不确定性相关联的过程噪音，并且v(t)表示测量噪音。x和y分别表示状态向量和输出向量。假设阻尼效应是可以忽略不计的,并且负载转矩的变化速率是零或者其与所述观测器的运动学响应相比变化相对较慢，所述向量方程f(x)给出如下：

f(x)＝[f₁(x)，f₂(x)，f₃(x)，f₄(x)]^T

$f_1\left(x\right)=\frac{T_{\max }}{J}\sin \left({\mathrm{\θ}}_e\right)-\frac{T_L}{J}$

$f_2\left(x\right)=-\frac{T_{\max }}{J_h{G}_r}\sin \left({\mathrm{\θ}}_e\right)$

f₃(x)＝-n_sω_o+p_hω_h(6)

f₄(x)＝0

雅可比矩阵 $F\left(x\right)=\frac{\∂f(X,U)}{\∂X}$ 给出如下：

$F\left(x\right)=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& \frac{T_{\max }}{J}\cos \left({\mathrm{\θ}}_e\right)& -\frac{1}{J}\\ 0& 0& -\frac{T_{\max }}{J_h{G}_r}\cos \left({\mathrm{\θ}}_e\right)& 0\\ -n_s& p_h& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]---\left(7\right)$

有关观测器增益矩阵给出如下：

K_xb＝A_bb-LA_ab

K_y＝A_ba-LA_aa(8)

K_u＝G_b-LG_a

$A_{bb}=\left[\begin{array}{ccc}0& -\frac{T_{\max }}{J_h{G}_r}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{er}\right)& 0\\ p_h& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

$A_{ab}=\[\begin{array}{ccc}0& \frac{T_{\max }}{J}\cos \left({\mathrm{\θ}}_{er}\right)& -\frac{1}{J}\end{array}\]$

A_ba＝[0，-n_s，0^]T

A_aa＝[0]

G_a＝0

$G_b={\[\frac{1}{J_h},0,0\]}^T$

其中θ_er是额定转矩时的参照角。

所述观测器设计包括找到观测器增益矩阵L，其可以被选择为任意设定K_xb的特征值，并且因此调节状态估算误差的表现。所述观测器的极点通常远离封闭回路反馈系统的主导极点的左边设置。因此，所述低速转子的速度ω₀通过编码器直接测量，并且由所述观测器估算所述高速转子的速度ω_h、参照角θ_e和负载转矩T_L。观测器增益L可以使用GA调整，使得可以使观测器输出和仿真系统输出之间的误差最小化。经调整的观测器增益矩阵L对于具体的PDD1是特定的，因为它的值取决于所述系统的参数例如惯性、齿轮传动比、阻尼、刚性等。

图10显示了只有低速转子可以测量的反馈系统的可能的实时实现的示意性实施例。附接至负载26的所述低速转子20的速度/位置使用增量式编码器28测量；所测得的信号经由编码器输入340传到dSPACE实时控制器300，在所述dSPACE实时控制器300处执行算法以使用观测器310确定所述高速转子的位置。模拟解算器330将图6中所示的估算位置转换至正弦和/或余弦波形，波幅由驱动解算器输入170指定并且通过从驱动解算器接口提供的8kHz正弦波进行进一步的调制。采用这种方法，所述驱动系统100可以接收如同从硬件解算器提供的那样的重构解算器样信号。所述驱动系统100藉由三相逆变器通过使用来自多路复用器400的位置信号和由dSPACE300中的速度控制器320发送的i_q电流需求进行电流调节和电子换向。

PDD已经使用如图10中所示的设置在额定转矩条件下进行测试，其中驱动循环如下：

·所述PDD开始加速至100rpm(低速转子)；

·两秒钟后，将相当于100Nm的PDD额定转矩的负载转矩施加在所述低速转子上3秒钟的时间；

·移除所述负载并且所述PDD在没有负载的情况下继续运行1秒钟，然后开始降速至零rpm；

·将所述PDD在相反方向上加速至-100rpm并且同时施加100Nm的负载4秒钟；以及

·在时间t＝14秒钟时将参照速度设定为零，其中所述PDD降速并且在时间t＝15秒钟时停止。

图11A显示了上述驱动循环的转矩波形，并且图11B显示了在这个驱动循环的过程中所测得的所述低速转子的速度。

图11C显示了所测得的和所估算的所述高速转子的速度；在这个级别上，所测得的和所估算的速度之间的差异是不能察觉的。将所述PDD在两个方向上驱动以确保针对所述高速转子10所估算的角位置在两个方向上都是准确的。这是实际系统的结果，其中所述低速转子的速度使用传感器(增量式编码器)直接测量。所估算的所述高速转子的速度使用所述观测器进行实时估算。

所述PDD在这样的速度模式下工作，其中所述控制器调节所述PDD的电流以符合速度要求；一旦将转矩被至所述PDD之后，所述速度控制器将通过请求更多的电流以对抗负载来保持对速度要求的追踪。如上所述，在这种测试中，所述PDD加速至100rpm(低速转子)，两秒钟之后，通过负载机器施加相当于100Nm的负载转矩3秒钟，然后在t＝5秒钟时消除所述转矩，并且设定在t＝6秒钟时所述PDD的速度为零。在时间t＝8秒钟时，将所述PDD在相反的方向上驱动，同时从所述负载机器从静止不动施加相当于100Nm的负载转矩，在t＝12秒钟时所述PDD再保持在相同的速度下驱动2秒钟，然后使其降速并且在t＝14秒钟时停止。由此可见，所述PDD的所述低速转子保持速度追踪而不受到外部负载转矩的影响。所述PDD在这个实施例中使用的额定转矩是约100Nm，并且施加于所述PDD的所述负载转矩相当于其额定转矩。

在时间t＝2至3秒钟以及t＝5至6秒钟时注意到的速度下降是对负载转矩变化的正常瞬时响应；稳定状态时期是3至5秒钟以及9至12秒钟之间的时期，其中所述PDD遵从在100Nm的负载转矩下100rpm的设定速度。

图11D和11E显示了在上述测试过程中测得的电流的两个向量i_q和i_d；在图11D中显示的电流是i_q，而在图11E中显示的电流是i_d。i_q和i_d是电流的分别与直轴(d)和正交轴(q)相关联的向量。i_q是所述电流的转矩产生向量，而i_d具有通过降低反电动势从而导致转矩产生量降低而降低永久磁体励磁通量的作用。使用i_d降低转矩已知为弱磁控制或者弱场控制。在一些PDD应用中，场弱化是期望的，因为带有给定最大电压的机器的速度范围增加，不过转矩/安培会降低。电流的这两个向量之间的关系由换向角进行决定，并且当需要场弱化时，可以改变换向角以允许注入d轴电流。但是，在上述测试中，所述PDD没有在场弱化中运行，并且所述电流的i_d向量应当是最小的。

在上述测试中，希望最大转矩/安培，以便所述PDD以最大效率运行。因此，i_d被保持为尽可能地接近零以避免场弱化。在这个测试中，所估算的所述高速转子的位置被用于换向。如果使用所述基于模型的观测器的所述高速转子位置估算足够准确，那么i_d在整个测试过程中应当相对接近于零。

如从图11D所看到的那样，在上述测试过程中，所述电流i_q随速度需求而变化，并且随所述负载转矩而变化。但是，如从图11E中所看到的那样，i_d在所述测试的过程中保持接近于零。因此，所述测试的结果表明所估算的所述高速转子的位置准确到足以能够正确换向。

所述硬件和算法可以被构造成适合于数字或者模拟形式的解算器或者编码器以便将两者用于输入和输出用途。而且，所述软件和硬件都可以容易地与所述驱动系统100一体化、与传感器28一体化、或者以独立方式构建，其中其可以被用来将所述传感器28与所述驱动系统100连接，并且能够适应于不同的协议，如图7A、7B和7C所示。

虽然上文已经结合伪直接驱动机器描述了具体实施方式，但是上述原理可以等效地应用于包括磁性齿轮的任意设备。特别是，用于估算转子的位置的一种类似装置可以被用在使用可变磁性齿轮例如在国际专利公报WO2009/103993A1中描述的那些可变磁性齿轮的设备中。

Claims (40)

1.一种设备，所述设备包括：

第一转子，所述第一转子具有角位置；

第二转子，所述第二转子以磁性啮合方式与所述第一转子相互作用；

传感器，所述传感器用于测量所述第二转子的运动学特性；

估算装置，所述估算装置用于使用基于模型的观测器来估算所述第一转子的所述角位置，其中所述估算至少基于所述第二转子的所述运动学特性。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二转子的所述运动学特性包括角位置和/或角速度。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一转子以比所述第二转子高的角速度运动。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述基于模型的观测器是基于降阶模型的观测器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述基于模型的观测器实现结合啮合作用、刚性变化和/或惯性的模型。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中：

所述第二转子的所述运动学特性包括角位置；并且

用于估算所述第一转子的所述角位置的所述估算装置包括用于使用基于模型的观测器来估算参照角并且由所估算的参照角和所测得的所述第二转子的角位置来计算所述第一转子的所述角位置的装置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，不可接近所述第一转子去测量其运动学特性。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一转子被所述第二转子所封闭。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第一转子包括第一多个永久磁体。

10.根据权利要求9所述的设备，所述设备进一步包括带有绕组的定子，所述绕组与所述第一多个永久磁体相互作用。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述定子进一步包括第二多个永久磁体，并且所述第二转子包括多个极靴。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述估算进一步基于输入所述设备的至少一个输入。

13.根据权利要求10或者11所述的设备，其中，所述估算进一步基于所述绕组中的电流。

14.根据权利要求10或者11所述的设备，其中，所述估算进一步基于由所述绕组产生的电磁转矩。

15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备进一步包括适合于根据所估算的所述第一转子的角位置采用所述第一转子的场定向控制的驱动系统。

16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，所述设备进一步包括用于将所估算的角位置转换成采取角位置传感器的输出的形式的信号的装置。

17.根据权利要求1至14中任一项所述的设备，所述设备进一步包括用于将所估算的角位置转换至正弦和/或余弦波形的装置。

18.根据权利要求17所述的设备，所述设备进一步包括用于通过高频正弦波调制所述波形以产生经调制的信号的装置。

19.根据权利要求18所述的设备，所述设备进一步包括适合于根据所述经调制的信号采用场定向控制的驱动系统。

20.一种估算第一转子的角位置的方法，所述方法包括如下步骤：

测量第二转子的运动学特性，其中，所述第二转子以磁性啮合方式与所述第一转子相互作用；以及

使用基于模型的观察器至少根据所述第二转子的所述运动学特性来估算所述第一转子的所述角位置。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二转子的所述运动学特性包括角位置和/或角速度。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述第一转子以比所述第二转子高的角速度运动。

23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，其中，所述基于模型的观测器是基于降阶模型的观测器。

24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中，所述基于模型的观测器实现结合啮合作用、刚性变化和/或惯性的模型。

25.根据权利要求20至24中任一项所述的方法，其中：

所述第二转子的所述运动学特性包括角位置；并且

估算所述第一转子的所述角位置的步骤包括使用基于模型的观测器估算参照角并且由所估算的参照角和所测得的所述第二转子的角位置来计算所述第一转子的所述角位置。

26.根据权利要求20至25中任一项所述的方法，其中，不可接近所述第一转子去测量其运动学特性。

27.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，其中，所述第一转子被所述第二转子所封闭。

28.根据权利要求20至27中任一项所述的方法，其中，所述第一转子包括第一多个永久磁体。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述第一多个永久磁体与定子上的绕组相互作用。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述定子进一步包括第二多个永久磁体，并且所述第二转子包括多个极靴。

31.根据权利要求20至30中任一项所述的方法，其中，所述估算进一步基于至少一个输入。

32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述估算进一步基于所述绕组中的电流。

33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述估算进一步基于由所述绕组产生的电磁转矩。

34.根据权利要求29所述的方法，所述方法进一步包括根据所估算的所述第一转子的角位置采用所述第一转子的场定向控制。

35.根据权利要求20至34中任一项所述的方法，所述方法进一步包括将所估算的角位置转换成采取角位置传感器的输出的形式的信号。

36.根据权利要求20至33中任一项所述的方法，所述方法进一步包括将所估算的角位置转换至正弦和/或余弦波形。

37.根据权利要求36所述的方法，所述方法进一步包括通过高频正弦波调制所述波形以产生经调制的信号。

38.根据权利要求37所述的方法，所述方法进一步包括根据所述经调制的信号采用所述第一转子的场定向控制。

39.一种设备，所述设备基本上如前文参照附图所述并且如附图中所示。

40.一种估算第一转子的角位置的方法，所述方法基本上如前文参照附图所述并且如附图中所示。