CN109699197B - 用于估算机动车辆的交流电机的转子的位置和速度的方法及相应系统 - Google Patents

用于估算机动车辆的交流电机的转子的位置和速度的方法及相应系统 Download PDF

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Abstract

一种用于估算机动车辆的交流电机的转子的位置和速度的方法。该方法包括以下步骤：确定三相参考坐标系中电机的定子电流和三相参考坐标系中的电机的定子电压值；通过Concordia变换，基于三相参考坐标系中的定子电流确定两相参考坐标系中的定子电流的分量；通过Concordia变换，基于三相参考坐标系中的定子电压确定两相参考坐标系中的定子电压的分量；基于两相参考坐标系中的定子电压和调节参数，迭代地确定转子速度；基于转子速度和抑制参数确定电机在两相参考坐标系中的定子磁通；以及基于两相参考坐标系中的定子磁通、两相参考坐标系中的定子电流和等效电感来确定转子位置。

Description

用于估算机动车辆的交流电机的转子的位置和速度的方法及 相应系统
技术领域
本发明的技术领域是用于机动车辆的电机的控制，更具体地是对这种控制中涉及的量的估算。
背景技术
对于电机的复杂控制策略需要精确了解转子的位置和/或速度。传统地对这些机械量进行测量。
利用这种控制结构，交流电机的动态性能水平优于直流电机的动态性能水平。另一方面，这种复杂控制需要强大的数字计算机、具有高开关频率的功率部件和连接到与转子连接的发动机轴的一些附加传感器。
在电机的控制结构中使用机械传感器来测量转子的位置和/或速度会产生许多约束，这些约束可能包括传感器及其相关联的电子设备的额外成本、由于传感器安装及其布线而导致的体积庞大、传感器对其环境(温度、噪声、机械振荡、电磁兼容性等)的敏感性以及传感器或其连接部中的一个的可能故障，这些降低了系统的可靠性。
这些约束限制了传感器的使用，甚至使其不可能用在某些应用中。为此，存在一种用估算算法替换测量转子位置和角速度的机械传感器的努力，该估算算法通过使用电流和电压的测量值来估算这些量。
以下文献在现有技术中是已知的。
文献US2013/0289934A1描述了一种用于由电机的电压和电流的信号来估算定子磁通的方法，然后将其用于根据定子磁通估算电机的转子磁通。该方法还包括确定电角度及其导数。该方法仅适用于同步电机，不能转用于绕线转子电机。
文献US 2007/0194742A1描述了磁通的估算，而不涉及本质意义上的监测器，而是具有偏移的正弦信号。
文献CN102983806描述了一种用于估算定子磁通的简单技术。
文献CN102437813描述了一种用于永磁同步电机的从转子磁通回溯到转子的角度和速度的方法。此外，该文献的教导涉及通过提取转子的电压和电流的基波来广泛使用物理滤波。
文献EP3012962描述了一种用于根据磁通的估算来估算绕线转子同步电机的位置的方法。在该方法中，需要知道相位的电感和定子与转子之间的互感。
发明内容
需要一种用于控制电机的方法，该方法是对现有方法的改进，其可以应用于任何类型的交流电机(同步和异步)并且可以提供关于电机参数和测量噪声的更大的稳健性。
本发明的主题是一种用于估算机动车辆的交流电机的转子的位置和速度的方法。该方法包括以下步骤：
确定三相参考坐标系中电机的定子电流和三相参考坐标系中电机的定子电压值，
通过Concordia变换，根据三相参考坐标系中的定子电流的变化确定两相参考坐标系中的定子电流的分量，
通过Concordia变换，根据三相参考坐标系中的定子电压的变化确定两相参考坐标系中的定子电压的分量，
根据设定参数和两相参考坐标系中的定子电压的变化，迭代地确定转子的速度，
根据转子速度和抑制参数的变化确定两相参考坐标系中的电机的定子磁通，
根据两相参考坐标系中的定子磁通、两相参考坐标系中的定子电流和等效电感的变化确定转子的位置。
可以根据定子电阻、两相参考坐标系中的定子电流、两相参考坐标系中的定子电压和设定参数的变化来确定抑制参数。
当电机是同步类型时，可以将等效电感设定为等于定子电感的二次项(平方项，composante quadratique)。
当电机是异步类型时，可以根据互感、定子电感和转子电感的变化来确定等效电感。
可以根据两相参考坐标系中的定子磁通和两相参考坐标系中的定子电流的变化来确定电磁转矩。
本发明的主题还在于一种用于估算机动车辆的交流电机的转子的位置和速度的系统。该系统包括：
第一装置，它用于通过Concordia变换确定作为三相参考坐标系中的定子电流的函数的、两相参考坐标系中的定子电流的分量，
第二装置，它用于通过Concordia变换确定作为三相参考坐标系中的定子电压的函数的、两相参考坐标系中的定子电压的分量，
第三装置，它用于通过迭代确定作为两相参考坐标系中的定子电压的函数的转子速度，
估算装置，它用于估算两相参考坐标系中的定子磁通，所述两相参考坐标系中的定子磁通作为转子速度、以及从用于确定测量噪声和偏差抑制参数的第四装置得到的所述参数的函数，以及
第五装置，它用于确定所述转子的位置，所述转子的位置作为两相参考坐标系中的定子磁通、两相参考坐标系中的定子电流和等效电感的函数。
所述第四装置能够确定作为两相参考坐标系中的定子电流、两相参考坐标系中的定子电压和转子的旋转速度的函数的测量噪声和偏差抑制参数。
当电机是同步类型时，可以将等效电感设定为等于定子电感的二次项。
当电机是异步类型时，可以作为互感、定子电感和转子电感的函数来确定等效电感。
该估算系统可以包括第六装置，以用于确定作为两相参考坐标系中的定子磁通和两相参考坐标系中的定子电流的函数的电磁转矩。
附图说明
通过阅读纯粹作为非限制性示例给出的以下描述并且参考如下附图，本发明的其他目的、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估算方法的主要步骤，以及
-图2示出了根据本发明的估算系统的主要元件。
具体实施方式
现在将描述允许确定电机的转子的位置和速度的数学和物理原理。
测量定子电流ia，ib和ic。电压va，vb和vc在控制级已知。
根据三相电压va，vb，vc，通过应用以下等式计算两相电压vα，vβ。
Figure BDA0001915388740000041
在多相电机的情况下，向两相参考坐标系中的投射形成本领域技术人员已知的技术的一部分。
根据三相电流ia，ib和ic，通过应用以下等式计算两相电流iα，iβ。
Figure BDA0001915388740000042
应当注意，这些变换通常被称为Concordia变换，它将与定子相关联的三相参考坐标系变为也与定子相关联的两相参考坐标系。
根据以下算法迭代地计算时刻k的速度ω(k)：
φ(0)＝0
ω(0)＝0
φ(k)＝φ(k-1)+Ts(ω(k-1)+mφ(vα(k-1)sinφ(k-1)-vβ(k-1)cosφ(k-1)))
ω(k)＝ω(k-1)+mωTs(vα(k)sinφ(k)-vβ(k)cosφ(k)) (等式3)
其中：
mφ和mω：设定参数
Ts：采样间距，以及
Φ(0)：使得可以估算速度(初始化为零)的变量。
该等式(等式3)确保了可以通过参数mφ和mω设定的速度的估算。如果这些参数的值很高，则估算更快但噪声更大。如果这些值较低，则估算收敛较慢，但噪声也较小。
两个量eα(k)和eβ(k)由以下等式定义：
eα(k)＝vα(k)Rsiα(k)+mα·Sω(k)(vβ(k)Rsiβ(k))
eβ(k)＝vβ(k)-Rsiβ(k)-mβ·Sω(k)(vα(k)-Rsiα(k)) (等式4)
其中：
Sω(k)＝1当ω(k)＞0
Sω(k)＝0当ω(k)＝0
Sω(k)＝-1当ω(k)＜0
0＜mα，mβ＜1 (等式5)
Rs：定子电阻。
通常，为两个量eα(k)和eβ(k)选择以下值：
mα＝mβ＝0.3 (等式6)
两相参考坐标系中的定子磁通
Figure BDA0001915388740000051
由以下等式估算：
Figure BDA0001915388740000052
Figure BDA0001915388740000053
通过使用该等式(等式7)，可以确保磁通的估算相对于传感器产生的噪声和偏差是稳健的。选择参数mα和mβ以确保收敛速度和对干扰(噪声、偏差等)的抑制。如果这两个参数为零，则不执行干扰滤波，并且估算风险不会收敛。如果这两个参数为1，则可以确保良好的滤波和对干扰的抑制，但存在出现静态误差的风险。
位于0.2和0.7之间的值确保了良好的估算质量。
此外，该等式(等式7)比现有技术中提出的估算更稳定。
根据通过应用以下等式估算的磁通来估算位置
Figure BDA0001915388740000054
Figure BDA0001915388740000061
对于同步电机，等效电感Leq由定子的电感的二次项(Lq)代替：
Leq＝Lq (等式9)
对于异步电机，等效电感Leq由定子的瞬态电感代替：
Figure BDA0001915388740000062
其中：
Ls：定子电感，
Lr：转子电感，和
M：异步电机中定子和转子之间的互感。
可以通过应用以下等式从估算的磁通和电流来估算电磁转矩Cm(k)：
Figure BDA0001915388740000063
下面描述用于由定子电流(ia，ib，ic)、定子电压(va，vb，vc)、定子电阻和等效电感Leq的知识(信息)来估算交流电机的转子的位置和速度的方法的主要步骤。这些步骤如图1所示。
在第一步骤1期间，在三相参考坐标系中确定定子电流和定子电压。应该注意，定子电压可以直接从电机的控制装置接收。
在第二步骤2期间，通过应用等式1，在两相参考坐标系中确定作为三相参考坐标系中的定子电流的函数的定子电流的分量，并且通过应用等式2，在两相参考坐标系中确定作为三相参考坐标系中的定子电压的函数的定子电压的分量。
在第三步骤3期间，通过应用等式3，确定作为两相参考坐标系中的定子电压的函数的转子的速度。
在第四步骤4期间，通过应用等式7结合等式4-6，在两相参考坐标系中确定作为转子速度、定子电阻以及两相参考坐标系中的定子电流和电压的函数的定子磁通。该估算使得可以通过由等式4定义的两个参数来抑制电流传感器上的测量噪声和偏差。这种估算与所用电机的类型无关。
在第五步骤5期间，通过应用等式8，确定作为两相参考坐标系中的定子磁通、两相参考坐标系中的定子电流、和等效电感的函数的转子的位置。
如果电机是同步类型的电机，则等效电感设定为等于定子电感的二次项。
如果电机是异步类型的电机，则通过应用等式10来确定作为互感、定子电感和转子电感的函数的等效电感。
最后，通过应用等式11来确定作为两相参考坐标系中的定子磁通和两相参考坐标系中的定子电流的函数的电磁转矩。
下面描述用于根据定子电流(ia，ib，ic)、定子电压(va，vb，vc)、定子电阻和等效电感Leq的知识来估算交流电机的转子的位置和速度的系统的主要元件。这些元件如图2所示。
第一确定装置11通过应用等式1而根据三相参考坐标系中的定子电流的变化确定两相参考坐标系中的定子电流的分量。
第二确定装置12通过应用等式2而根据三相参考坐标系中的定子电压的变化确定在两相参考坐标系中的定子电压的分量。
第三确定装置13通过应用等式3而根据两相参考坐标系中的定子电压的变化通过迭代确定的转子的速度。
估算装置15通过应用等式7并结合等式4到6而根据转子速度、定子电阻以及两相参考坐标系中的定子电流和电压的变化来估算在两相参考坐标系中的定子磁通。更具体地，第四确定装置14通过应用等式4到6而根据两相参考坐标系中的定子电流、两相参考坐标系中的定子电压、定子电阻和转子的旋转速度的变化来确定测量噪声和偏差抑制参数，并且估算装置15根据由第四确定装置确定的抑制参数的变化以及由第三装置确定的转子速度的变化来确定定子磁通。
第五确定装置16通过应用等式8而根据两相参考坐标系中的定子磁通、两相参考坐标系中的定子电流和等效电感的变化来确定转子的位置。
如果电机是同步类型的电机，则等效电感设定为等于定子电感的二次项。
如果电机是异步类型的电机，则图2中未示出的确定装置通过应用等式10而根据互感、定子电感和转子电感的变化来确定等效电感。
最后，第六确定装置17还通过应用等式11而根据两相参考坐标系中的定子磁通和两相参考坐标系中的定子电流的变化来确定电磁转矩。

Claims (8)

1.一种用于估算机动车辆的交流电机的转子的位置和速度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
测量三相参考坐标系中电机的定子电流和三相参考坐标系中电机的定子电压的值；
通过Concordia变换，根据三相参考坐标系中的定子电流的变化确定两相参考坐标系中的定子电流的分量，
通过Concordia变换，根据三相参考坐标系中的定子电压的变化确定两相参考坐标系中的定子电压的分量，
根据设定参数和两相参考坐标系中的定子电压的变化，迭代地确定转子的速度，
根据转子速度和抑制参数的变化确定两相参考坐标系中的电机的定子磁通，
根据两相参考坐标系中的定子磁通、两相参考坐标系中的定子电流和等效电感的变化确定转子的位置，
其中，根据定子电阻、两相参考坐标系中的定子电流、两相参考坐标系中的定子电压和设定参数的变化来确定所述抑制参数，
对于同步电机，等效电感Leq由定子的电感的二次项Lq代替：
Leq＝Lq
对于异步电机，等效电感Leq由定子的瞬态电感代替：
Figure FDA0003589694940000011
其中：
Ls：定子电感，
Lr：转子电感，和
M：异步电机中定子和转子之间的互感。
2.根据权利要求1所述的估算方法，其中，当电机是同步类型时，等效电感设定为等于定子电感的二次项。
3.根据权利要求1所述的估算方法，其中，当电机是异步类型时，根据互感、定子电感和转子电感的变化来确定等效电感。
4.根据前述权利要求中任一项所述的估算方法，其中，根据两相参考坐标系中的定子磁通和两相参考坐标系中的定子电流的变化来确定电磁转矩。
5.一种用于估算机动车辆的交流电机的转子的位置和速度的系统，其特征在于，该系统包括：
第一装置，用于通过Concordia变换确定作为三相参考坐标系中的定子电流的函数的、两相参考坐标系中的定子电流的分量；
第二装置(12)，用于通过Concordia变换确定作为三相参考坐标系中的定子电压的函数的、两相参考坐标系中的定子电压的分量；
第三装置(13)，用于通过迭代确定作为两相参考坐标系中的定子电压的函数的、转子的速度；
估算装置(15)，用于估算作为转子速度和测量噪声和偏差抑制参数的函数的、两相参考坐标系中的定子磁通，该测量噪声和偏差抑制参数得自用于确定所述参数的第四装置；
第五装置(16)，用于确定作为两相参考坐标系中定子磁通、两相参考坐标系中定子电流和等效电感的函数的转子的位置，
其中，第四确定装置(14)能够确定作为两相参考坐标系中的定子电流、两相参考坐标系中的定子电压和转子的旋转速度的函数的测量噪声和偏差抑制参数，
对于同步电机，等效电感Leq由定子的电感的二次项Lq代替：
Leq＝Lq
对于异步电机，等效电感Leq由定子的瞬态电感代替：
Figure FDA0003589694940000021
其中：
Ls：定子电感，
Lr：转子电感，和
M：异步电机中定子和转子之间的互感。
6.根据权利要求5所述的估算系统，其中，当电机是同步类型时，所述等效电感被设定为等于定子电感的二次项。
7.根据权利要求5所述的估算系统，其中，当电机是异步类型时，确定装置确定作为互感、定子电感和转子电感的函数的等效电感。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的估算系统，包括第六装置(17)，该第六装置用于确定作为两相参考坐标系中的定子磁通和两相参考坐标系中的定子电流的函数的电磁转矩。
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