CN109874395A - 用于同步电机的调控系统和用于运行同步电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调控系统和一种用于运行同步电机的方法。特别地，在此基于借助于无传感器的转子角度探测方法求取的转子角度对同步电机进行操控。为了检查无传感器地求取的转子角度的可靠性，监控q‑方向和d‑方向上的转子电感之间的差值。如果该差值低于边界值，则这表明在确定转子角度时的可能的不稳定性。

Description

用于同步电机的调控系统和用于运行同步电机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于同步电机的调控系统和一种用于运行同步电机的方法。

背景技术

电机、特别是同步电机对于研发电动车辆和混合驱动车辆的驱动方案非常重要。为了给同步电机提供所要求的转矩，在该电机的定子中产生旋转的磁场，该磁场与转子同步地旋转。为了调控同步电机和产生磁场，需要转子的当前角度。当前的转子角度在此可以借助于附加的角度传感器来求取，或者借助于用于角度确定的无传感器的方法来求取。

文献DE 10 2013 204 194 A1公开了一种用于运行同步电机的方法。在此如此设定同步电机的工作点轨迹，使得在转子固定的坐标系中同步电机的d-电感与q-电感之间的差尽可能高。对同步电机的工作点轨迹的确定借助于在转子固定的坐标系中关于有效通电值的所有可能的两-元组（Zwei-Tupel）的事先有待确定的特征曲线进行，在该坐标系中将系统响应的幅度绘制成等高线。

发明内容

本发明提出一种具有权利要求1的特征的用于运行同步电机的方法和一种具有权利要求7的特征的用于同步电机的调控系统。

据此规定：

一种用于运行同步电机的方法，该方法具有用于求取同步电机的转子角度的步骤。同步电机的转子角度在此借助于无传感器的转子角度探测来求取。该方法还包括在同步电机的转子固定的坐标系中用于确定在同步电机在极轴方向（d-轴）上的转子电感与同步电机在极隙方向（q-轴）上的转子电感之间的差值的步骤。此外，该方法包括如下步骤：如果在同步电机在极轴方向上的转子电感与同步电机在极隙方向上的转子电感之间的差的幅度低于预先给定的边界值，则舍弃所求取的转子角度。另外，该方法包括如下步骤：如果在同步电机在极轴方向上的转子电感与同步电机在极隙方向上的转子电感之间的差的幅度不低于预先给定的边界值，则使用所求取的转子角度来操控同步电机。

此外规定：

一种用于同步电机的、带有调控机构的调控系统，该调控机构被设计用于根据按照本发明的用于运行同步电机的方法来对同步电机进行场定向的调控。

本发明的优点

无传感器的用于转子角度确定的方法可以需要在极轴方向上的转子电感与极隙方向上的转子电感之间的显著的差异作为必要的特性。本发明在此基于如下认识：这种必要的特性随着同步电机的相电流增加而消失。如果在极轴方向上的转子电感与极隙方向上的转子电感之间的差的幅度减小，则在该范围内无法利用相应的方法再实现无传感器的转子角度确定。结果，会求取出错误的转子角度，这些错误的转子角度导致对同步电机的错误的操控。

因此，本发明基于如下构思：考虑到这种认识，并且针对转子角度探测规定了诊断，该诊断检查是否遵守了用于无传感器的转子角度确定的必要条件。如果在极轴方向上与极隙方向上的转子电感之间不存在足够的差，则所求取的转子角度必须被视为不可靠的并予以舍弃。而若在极轴方向上与极隙方向上的转子电感之间存在足够的差，则所求取的转子角度可以被估计为可靠的并且用于调控同步电机。

通过检查用于无传感器的转子角度确定的必要条件，可以在转子角度确定时及早地识别出可能的错误，并且能避免对同步电机的错误的操控。特别地，在没有用于可靠地确定转子角度的所需条件时，也可以如此修改对同步电机的操控，从而在转子电感中又可以产生必要的差。通过这种方式可以在宽广的使用范围内确保同步电机的运行可靠性。

根据一种实施方式，用于借助于无传感器的转子角度探测来求取转子角度的步骤包括，在极轴方向上施加高频的测试电压信号。此外，用于求取转子角度的步骤包括，测量对所施加的高频的测试电压信号的系统响应，并且采用测得的系统响应来估计角度。通过这种方式，可以无传感器地对同步电机的转子角度进行确定，而未在同步电机中施加可感知的转矩。

根据另一种实施方式，用于确定在极轴方向上与极隙方向上的转子电感之间的差值的步骤包括，在与极轴方向不同的方向上施加高频的测试电压信号。该步骤还包括，测量对所施加的高频的信号的系统响应，并且采用测得的系统响应来估计角度。通过这种方式，可以有效地确定转子电感的差值，而无需明显的转矩。

根据一种实施方式，用于求取转子角度的高频的测试电压信号和用于确定转子电感的差值的高频的测试电压信号具有不同的工作频率。特别地，用于确定转子电感的差值的测试信号的工作频率明显不同于用于求取转子角度的工作频率。例如，用于无传感器地对转子角度予以角度确定的工作频率可以处于1kHz的范围内，而用于确定转子电感的差值的工作频率处于大约10kHz的范围内。

根据一种实施方式，该方法包括如下步骤：如果在同步电机在极轴方向上的转子电感与同步电机在极隙方向上的转子电感之间的差的幅度低于预先给定的边界值，则修改所求取的转子角度。通过修改所求取的（估计的）转子角度，也修改、即增大或减小在d-方向和q-方向上的电流。在此，修改所估计的转子角度、进而也修改所述电流可以特别地如此长时间地进行，直至在同步电机在极轴方向上与极隙方向上的转子电感之间又产生足够大的差值。

根据一种实施方式，当在同步电机在极轴方向上的转子电感与同步电机在极隙方向上的转子电感之间的差的幅度小于先前确定的转子电感差时，于是在用于舍弃所求取的转子角度的步骤中舍弃所述转子角度。通过这种方式，可以在转子电感之间的差减小之后立即确定出采取相应的应对措施。

上述设计和改进可以—只要有益—任意地相互组合。本发明的其它的设计、改进和实施方案包括在前面或下面针对各实施例所述的发明特征的未明确提及的组合。特别地，本领域技术人员在此也对本发明的相应的基本形式添加各个方面作为改进或补充。

附图说明

下面借助于在附图的示意性的图示中给出的实施例详述本发明。其中：

图1为根据一种实施方式的用于同步电机的调控系统的示意图；

图2为在同步电机的q-电感和d-电感之间的电感差与有效通电值的关系的特征曲线的示意图；并且

图3为根据一种实施方式的用于运行同步电机的方法的流程图的示意图。

具体实施方式

图1所示为用于带有逆变器5a的电的驱动单元5的调控系统10的示意图，该逆变器给同步电机5b馈送三相电流。

同步电机5b可以例如是三相同步电机。但原则上也可行的是，给同步电机设置其它数量的相。在此，对同步电机5b的调控在电的驱动单元5中起主要作用。为了利用同步电机5b提供所要求的转矩，在电机的定子中产生旋转的电场，该电场与转子同步地转动。为了产生该电场，需要转子的当前角度来进行调控。

调控系统10因此包括调控机构2，该调控机构在转子固定的d、q坐标系中对同步电机5b或驱动单元的逆变器5a进行场定向的调控。为此给调控机构2馈送目标转矩T_S，并在转子固定的d、q坐标系中动用（zurückgreifen）由第一变换机构1提供的当前的有效通电值Iq、Id。该第一变换机构1为此测量同步电机5b的相电流Ip，并把这些相电流Ip变换为有效通电值Iq、Id。

调控机构2在同步电机5b的转子固定的d、q坐标系中把操控电压Udq输出至第二变换机构4，该第二变换机构将操控电压Udq相应地变换为用于同步电机5b的相操控电压Up。无论第一变换机构1，还是第二变换机构4，为了变换都动用同步电机5b的转子相对于同步电机5b的定子的与时间有关的转子角度。该转子角度由观测程序（Beobachter）8产生，该观测程序又可以动用位置传感器6的所求取的转子角度，和/或动用转子角度差，该转子角度差通过角度估计算法程序7根据同步电机5b的测得的系统响应来求取。

位置传感器6可以例如通过检测在同步电机5b的星形接点（Sternpunkt）处的电压来例如检测同步电机5b的电的运行参数。所述观测程序8比如可以具有卡尔曼（Kalman）观测程序、卢恩贝格（Luenberger）观测程序、豪图斯（Hautus）观测程序或者吉尔拜尔特（Gilbert）观测程序，以用于支持所述角度观测并且对其进行可信性检测。

为了馈送角度估计算法程序7，在调控机构2与第二变换机构4之间设置了求和元件3，借助于该求和元件可以把例如特定的工作频率ωc的测试电压脉冲ud、uq加调制（aufmodulieren）到操控电压Udq上。这些测试电压脉冲ud、uq可以在输入接头3a上由控制机构9馈入，该控制机构可以接收角度估计算法程序7的观测到的角度差。

调控系统10同样适用于任何其他类型的无传感器的转子角度确定方法，也就是说，替代于馈入测试电压脉冲ud、uq，也可以采用其它方法，以便能够实现测量系统响应。例如，可以通过在合适的时间点测量星形接点处的电压，在脉冲宽度调制的相操控中考虑采用系统响应来确定转子角度。也可行的是，考虑采用测试信号方法来确定转子角度，其中，把高工作频率的测试信号加调制到操控信号上。通常，任何无传感器的、基于在同步电机5b的极轴方向上的转子电感Ld与同步电机5b的极隙方向上的转子电感Lq之间的差的确定方法都适合于馈送角度估计算法程序7以便分析角度差。

同步电机5b的系统响应尤其取决于有效通电，该有效通电的值影响在极轴方向上的转子电感Ld与极隙方向上的转子电感Lq之间的差。永久励磁的同步电机的纵向电流Id和横向电流Iq根据极轴方向上的转子电感Ld和极隙方向上的转子电感Lq及所施加的电压Ud或Uq如下变化：

这一点适用于同步电机5b的转子的角速度ωe、欧姆电阻R以及磁极转子电压（Polradspannung）u_p。此外认为，一个或多个极靴并非饱和地工作，也就是说，电流与磁通之间的关系是线性的，并且相应的电感与电流强度无关。

然而在同步电机5b的大的有效通电的情况下，出现同步电机5b的转子芯子的持续的饱和，从而电流与磁通之间的关系具有非线性。特别地，对于在转子固定的坐标系中的有效通电的特定2-元组Iq、Id会发生的是，在极轴方向上的转子电感Ld与极隙方向上的转子电感Lq之间的差消失了。无传感器的转子角度确定方法依赖于这种电感差，以便获得有效力的测量值，这些转子角度确定方法在这种工作点丧失了重要性。

下面介绍这种示例性的转子角度确定方法。为了确定角度误差，把如下测试信号[ud、uq]施加到同步电机5b上：

由于同步电机5b的高频电特性可以作为纯电感性的负载予以介绍，所以，作为对测试信号[u_d、u_q]的系统响应，得到了如下电流向量[id、iq]：

为了在每次信号处理时都由这些电流提取出（extrahieren）角度信息，需要在同步电机5b的定子固定的坐标系中的测得的相电流与转子固定的坐标系中的电流之间的关系。根据同步电机5b的估计的d-方向，对于在转子固定的坐标系中的电流，得到：

为了从转子固定的坐标系中的电流[id、iq]的测量值提取出含有角度差信息的所希望的项，可以在经过高通滤波、与工作频率ωc的卷积和随后的低通滤波之后得到含有角度差信息的如下项：

如可容易地看出，测得的相电流在角度差信息方面的效力与电感Lq和Ld的差有关—该差越小，对角度差的确定就越不准确。

为了抑制这种现象，有利的是，同步电机5b的工作点尽可能地选取成使得电感Lq和Ld的差保持尽可能大，也就是说，同步电机5b即使在大转矩情况下也尽可能不饱和地工作。

如由前述说明可知，为了确定转子角度的角度信息，q-电感（极隙方向上的转子电感）与d-电感（磁极转子轴方向上的转子电感）之间的差Lq-Ld是至关重要的。这种电感差可以由此得到确定：即，无传感器的转子角度探测方法为了诊断目的暂时以不同于0度的角度工作。在这种情况下，高频的测试电压信号的施加及其分析不再发生在d-方向，而是确切而言发生在与d-方向不同的方向上。特别地，为了确定转子电感的差值，可以采用任意数量的不同的测试角度。于是可以例如采用n个测试角度，这些测试角度具有360:n度的相等的角度间隔。例如可以采用一组测试角度：0度、15度、30度、…。例如0度、45度、90度、…的测试角度同样是可行的。

如果与无传感器的转子角度探测类似地对同步电机5b的转子电感之间的差值进行诊断，则所施加的测试电压脉冲的工作频率的各频率范围相互间应具有足够大的间距。例如，用于无传感器地确定转子角度的测试信号可以设有大约1kHz的频率。在这种情况下，在d-方向上对测试电压信号进行施加。为了检查转子电感的差值，在这种情况下可以例如采用大约10kHz的频率，其中，以改变的、与d-方向不同的方向施加测试电压信号。通过这种方式，可以同步地无传感器地进行转子角度确定并且同时对转子电感的差值进行检查。替代地，也可以交替地在用于求取转子角度的角度确定模式与用于确定转子电感的差值的诊断模式之间来回切换。

如果在诊断同步电机的转子电感之间的差值时发现，d-方向（极轴方向）上的转子电感和同步电机在q-方向（极隙方向）上的转子电感下降到预先给定的边界值以下（接近零），则由于上述原因，无法有效力地确定同步电机5b的转子角度。因此，在这种情况下，舍弃掉所求取的转子角度，并且由此在用于操控同步电机的调控过程中不予考虑。另一方面存在如下危险：即，无传感器的用于转子角度探测的方法求取出有错误的转子角度，并且该有错误的转子角度在操控同步电机5b时会导致不稳定。

而若q-方向和d-方向上的转子电感之间的差值高于预先给定的边界值，就可以实现可靠的无传感器的转子角度探测。在这种情况下，所求取的转子角度可以用于操控同步电机。

图2为在同步电机的d-电感和q-电感之间的电感差与有效通电值Id和Iq的关系的特征曲线K的示意图。在该特征曲线K中，把对前述的测试电压脉冲的系统响应的幅度示为各电感的差值—例如示为等高线ΔL1、ΔL2、ΔL3和ΔL4。在此，例如等高线ΔL1表明了较小的电感差，而等高线ΔL2至ΔL4分别具有连续上升的电感差。对于预先给定的转矩，可以选用有效通电值Id和Iq的不同的子组合。这一点例如用虚线T1、T2和T3表示。对于与转矩有关的工作点，例如规定根据每安培最大扭矩（MTPA）-方法所确定的工作点轨迹A1。

然而如由工作点轨迹A1的走势可见，该工作点轨迹经过具有较小电感差的工作点范围，该工作点范围在此用范围ΔL1来表示。

如果通过前述方法查明同步电机在范围ΔL1内工作，则在此无法实现可靠地无传感器地确定转子角度。因此，如果转子电感的差值下降到预先给定的边界值以下，则可以切换到另一个与转矩有关的工作点轨迹、例如工作点轨迹A2。通过这种方式，可以借助于关于在同步电机的转子电感之间的差值的信息来稳定对同步电机的操控。

图3为比如基于根据一种实施方式的用于运行同步电机的方法的流程图的示意图。在步骤S1中，借助于无传感器的转子角度探测方法来求取同步电机的转子角度。这一点可以例如借助于前述转子角度探测方法来进行。

在步骤S2中，确定在同步电机在d-方向（极轴方向）上的转子电感和同步电机在q-方向（极隙方向）上的转子电感之间的差值。在此，对该差值的确定在同步电机的转子固定的坐标系（d-q-坐标系）中进行。对该差值的确定可以采用前述方式通过在与d-方向不同的方向上施加高频的测试电压信号来进行。

接下来，对转子电感的所求取的差值进行检查。如果转子电感的差值低于预先给定的边界值，则在步骤S3中舍弃所求取的转子角度，并且在用于操控同步电机的调控中不予考虑。

而若转子电感的差值大于预先给定的边界值，则可以把所求取的转子角度评级为可靠的，并且在对于同步电机的操控中予以考虑。

附加于或替代于转子电感的差值与预先给定的边界值的比较，也可行的是，把转子电感的所求取的差值与转子电感的先前求取的差值相比较。如果在此查明转子电感的差值减小，则这可以已经指明在转子角度探测时肯定不稳定。相应地，在转子电感的差值减小时就已经可以采取相应的应对措施，以便维持对同步电机的调控的稳定性。

总之，本发明涉及一种调控系统和一种用于运行同步电机的方法。特别地，在此基于借助于无传感器的转子角度探测方法求取的转子角度对同步电机进行操控。为了检查无传感器地求取的转子角度的可靠性，监控q-方向和d-方向上的转子电感之间的差值。如果该差值低于边界值，则这表明在确定转子角度时的可能的不稳定性。

Claims (7)

1.一种用于运行同步电机的方法，该方法具有如下步骤：

借助于无传感器的转子角度探测来求取（S1）所述同步电机的转子角度；

在所述同步电机的转子固定的坐标系中确定（S2）在所述同步电机在极轴方向上的转子电感与所述同步电机在极隙方向上的转子电感之间的差值；

如果在所述同步电机在极轴方向上的转子电感与所述同步电机在极隙方向上的转子电感之间的差的幅度低于预先给定的边界值，则舍弃（S3）所求取的转子角度；和

如果在所述同步电机在极轴方向上的转子电感与所述同步电机在极隙方向上的转子电感之间的差的幅度不低于所述预先给定的边界值，则使用所求取的转子角度来操控（S4）所述同步电机。

2.如权利要求1所述的方法，其中，用来求取转子角度的步骤（S1）包括：在极轴方向上施加高频的测试电压信号；测量对所施加的高频的测试电压信号的系统响应；以及采用测得的系统响应来估计角度。

3.如权利要求2所述的方法，其中，用于确定所述差值的步骤（S2）包括：在与所述极轴方向不同的方向上施加高频的测试电压信号；测量对所施加的高频的信号的系统响应；以及采用测得的系统响应来估计角度。

4.如权利要求3所述的方法，其中，用于求取所述转子角度的高频的测试电压信号和用于确定所述差值的高频的测试电压信号具有不同的工作频率。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，该方法具有如下步骤：如果在所述同步电机在极轴方向上的转子电感与所述同步电机在极隙方向上的转子电感之间的差的幅度低于预先给定的边界值，则修改所求取的转子角度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，当在所述同步电机在极轴方向上的转子电感与所述同步电机在极隙方向上的转子电感之间的差的幅度小于先前确定的转子电感差时，用于舍弃所求取的转子角度的步骤（S3）舍弃所求取的转子角度。

7.一种用于同步电机（5b）的调控系统（10），调控系统具有：

调控机构（2），该调控机构被设计用于根据按照权利要求1至6中任一项所述的方法来对所述同步电机（5b）进行场定向的调控。