CN110720174B - 用于确定借助pwm控制的逆变器来供给的旋转的多相电机的相电流的方法 - Google Patents

用于确定借助pwm控制的逆变器来供给的旋转的多相电机的相电流的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于确定旋转的多相电机的相电流（ia、ib、ic）的方法，其中借助PWM控制的逆变器来供给所述多相电机。在此情况下，确定注入电压，所述注入电压在至少一个所规定的PWM周期中被施加。此外，针对相电流向量来确定评估方向并且根据所述评估方向来确定针对各个相电流（ia、ib、ic）的电流测量的划分。接下来，根据之前所确定的电流测量的划分来确定相电流（ia、ib、ic）。

Description

用于确定借助PWM控制的逆变器来供给的旋转的多相电机的 相电流的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定旋转的多相电机的相电流的方法，其中借助PWM控制的逆变器来供给所述多相电机。
背景技术
这样的方法例如在P. Landsmann等人的科学文献《“Silent injection forslaiency based sensorless controll by means of current oversampling”,Industrial Technology (ICIT), 2013 IEEE
International Conference, 第398-403页》中被公开。其中示出无传感的调节装置，该调节装置尝试在没有应用位置传感器的情况下确定电机的转子位置，其方式为，确定电机的相电流。在此，在小转速的情况下应用到所谓的基于各向异性的方法，该方法通过该机器的磁性的各向异性来确定转子方位。
在高动态的驱动情况下，为了产生电机的能调整的相电压，通常使用具有脉宽调制（PWM）的逆变器。逆变器的控制信号借助于空间向量调变来计算，所述空间向量调变将由调节装置所确定的、应施加的电压向量换算成PWM占空比。在常见的基于各向异性的方法情况下、诸如在S. Kim的科学文献《PWM Switching Frequency Singal InjectionSensorless Method in IPMSM, 2012, IEEE Transactions on Industry Applications》中被公开的基于各向异性的方法情况下，通过有针对性地改变电压向量来产生取决于方位的电流改变，所述电流改变通过电流测量装置在适合的时间点被检测。在此情况下，为了调准调节参量所需的电压示例性地被与高频电压叠加。通过高频电压所产生的高频电流改变包含相应的转子方位信息。
根据所使用的电流传感器和所使用的PWM操控装置而定地，每PWM周期的相电流在逆变器的一个或两个无源的开关状态中能够PWM同步地被检测。如果这些相电流在这两个无源的开关状态其中仅一个开关状态中被测量，这例如在分流测量情况下在逆变器的低侧路径中是该情况，因此有意义的是，使所述其中一个无源的开关状态在时间上最大程度地用尽，以便能够执行尽可能多次的电流测量。相反，如果可在这两个无源的开关状态中测量相电流，则也应将这两个无源的开关状态调节得相同长度。
通过各个相电流的过采样，可以减小干扰的影响并且相应地改善相电流的信噪比，就如这例如在P. Landsmann的科学文献中所示的那样。作为超采样在此情况下应理解：在逆变器的无源的开关状态之内相电流多次地被相继测量并且接下来对所测量的电流值求平均，以便获得针对相应的相电流的最终有效的值。
所确定的相电流可以接下来被变换成二维的等效系，其例如被构型为定子固定的坐标系、转子流定向的坐标系或者也可被构型为注入电压定向的坐标系。为了将高频的电流份额从基波电流中分离，可以接着执行解调制方法。根据高频的电流份额，可以接着例如确定转子方位。
发明内容
本发明涉及一种用于确定旋转的多相电机的相电流的方法，其中借助PWM控制的逆变器来供给所述多相电机。该电机可以例如是永久磁铁励磁的同步电机。该方法包括如下方法步骤：
a. 在调节器采样周期期间的时间点确定注入电压，所述注入电压在至少一个PWM周期中在该时间点之后被施加用于操控电机；
b. 根据在步骤a中所确定的注入电压和/或根据电机的运行点和/或根据相电流向量的温度相关性来确定电机的相电流向量的评估方向；
c. 根据在方法步骤b中所确定的评估方向针对电机的相电流其中的每个相电流来分别确定电流测量的数目，其中所述电流测量在所述至少一个PWM周期之内在逆变器的至少一个无源的开关状态中应被执行；
d. 根据在方法步骤c中所确定的电流测量的相应数目来确定相电流，所述相电流在所述至少一个PWM周期中在电机中流动。
在此情况下有利的是：所述相电流通常具有不同的信息含量。所述信息含量在二维的坐标系中应被视为取决于方向的。该信息含量在此情况下存在于由注入电压所引起的高频的电流改变中，根据其相关性例如能够推论出电机的转子方位。在此情况下，相电流向量例如与转子方位误差有相关性。
通过针对各个相电流现在这样确定电流测量的数目，使得在确定对电流测量的划分的情况下将评估方向一并纳入，可以最频繁地测量具有最大信息含量的相电流。由此，可以针对这种相电流又改善了信噪比并且因此以更小的误差来确定存在于所述相电流中的信息。
该评估方向在此情况下这样被确定，使得其与如下相电流的方向一致，所述相电流具有最大的信息含量。这例如是如下相电流，在所述相电流的方向中高频的电流改变是最显著的。
也在通过确定电机的饱和状态来确定磁铁温度的方法中，可以改善信噪比，其方式为，选择如下评估方向，在所述评估方向中相电流向量具有尽可能大的温度相关性。
调节器采样周期在此情况下应理解为在两个调节器采样步骤之间的持续时间，所述两个调节器采样步骤用于确定施加到电机上的注入电压。所述注入电压借助调节器来被确定。所述注入电压在此由通过用于操控电机的调节器所预给定的电压和附加的高频电压来组成，其中所述预给定的电压生成相应的基波电流。该基波电流在此情况下确保：例如以预先确定的转速或者也以预给定的扭矩来对机器进行的所期望的运行。通过高频的电压，可以此外例如实现取决于方位的电流改变，其中由所述电流改变例如能够作出对电机的转子方位的推论。
因为与转子方位估计装置或温度估计装置相比被使用用于调准基波电流的电流调节装置相对于噪音要更不灵敏，对每个相电流进行的电流测量的数目的适配仅仅导致对电流调节装置可忽略地小的劣化。经改善的信噪比在这种基于各向异性的方法中此外导致更小的噪音发展。
根据之前所确定的评估方向并且例如在使用一般克拉克（Clarke）变换的情况下来执行：针对所述相电流其中的每个来确定电流测量的数目。这导致：针对具有最大信息含量的相电流来确定电流测量的最大数目。
电流测量在此情况下应理解为：相电流分别借助至少一个电流传感器来检测并且然后由至少一个模拟-数字变换器（AD变换器）来采样，以便获得针对相应的相电流的电流值。通常，在此可以假定：每个AD变换器能够对每个电流传感器采样。
逆变器的无源的开关状态应理解为如下状态，逆变器的所有高侧晶体管或者逆变器的所有低侧晶体管在所述状态中是导通的。
在按照本发明的方法的一种构型方案中规定：在方法步骤c中针对每个相电流所确定的电流测量的数目针对于所有相电流在总和上相应于在逆变器的至少一个无源的开关状态之内的电流测量的最大可能的数目。在此情况下有利的是：针对可能的电流测量的时间段被最大地用尽，以便因此进一步优化相应的相电流的信噪比。在所述至少一个无源的开关状态之内的电流测量的最大可能的数目在此尤其是取决于无源的开关状态自身的时长，但是也取决于AD变换器的采样速度的时长及其停机时间。
根据按照本发明的方法的一种构型方案规定：在方法步骤d中借助多个AD变换器来确定所述相电流其中至少之一。在此情况下有利的是：与以仅一个AD变换器相比能够总体上执行更多的电流测量，由此能够进一步改善相应的相电流的信噪比。
根据按照本发明的方法的一种构型方案规定，进行对至少一个相电流的确定，其方式为，多个AD变换器彼此以时间上偏移的方式对所述至少一个相电流进行采样。在此情况下有利的是：在所述电流测量时并不双倍地检测可能存在的干扰。以时间上偏移的方式在此应理解为：借助多个AD变换器来对相应的相电流进行的检测的时间点并不是一致的。在此情况下，采样时间点偏移出相应AD变换器的变换时间的一小部分就已经足够。
根据按照本发明的方法的一种构型方案来规定：在方法步骤d中在至少一个无源的开关状态的中间（Mitte）进行电流测量。在此情况下，所述至少一个无源的开关状态的中间应理解为：电流测量的测量时间点在无源的开关状态的时间上的中间的前后来被执行。在此情况下有利的是，如果平均的测量时间点处在无源的开关状态的中间中并且因此在PWM开始时或者在中间居中的PWM操控情况下处在PWM中间，则PWM操控对所测量的相电流的影响能够被忽略不计。
在按照本发明的方法的一种构型方案中规定，在方法步骤d中相应的相电流的电流测量彼此镜像对称地进行。在此情况下有利的是，由此出发：在无源的开关状态中的相电流几乎线性地下降。在此情况下，通过镜像对称地采样相应的相电流和接下来的对所采样的电流值的求平均来确定针对所有相的相电流，所述相电流在平均的测量时间点流动。镜像对称应理解为：如果例如应测量第一相电流和第二相电流，首先测量第一相电流一次，接下来测量第二相电流一次并且接着再次地测量所述第一相电流一次。
根据按照本发明的方法的一种构型方案来规定：在方法步骤c中，针对关于方向而最大程度地与评估方向偏离的相电流来将零确定作为电流测量的数目，其中该相电流在方法步骤d中借助第一基尔霍夫定律根据其余的相电流来被确定。在此情况下有利的是：关于方向而最大程度地与评估方向偏离的相电流也具有最小的信息含量。所述相电流于是根本并不被测量，而是由其余相电流来计算。因此，可以针对其余的信息更丰富的相电流执行更多的电流测量，由此能够针对所述相电流来进一步改善信噪比。所述关于方向而最大程度地与评估方向偏离的相电流由此来被限定：在所述相电流情况下指向评估方向的单位向量和指向相电流方向的单位向量的标积的数值是最小的。这阐明：能够将相电流的方向视为“轴（Achse）”并且因此也总是必须考虑相电流的相反方向、也即关于方向而言类似相电流的负值。
根据按照本发明的方法的一种构型方案来规定：在方法步骤d之后进行方法步骤e和方法步骤f，其中在方法步骤e中，根据在方法步骤c中针对每个相电流所确定的电流测量的数目和/或根据在方法步骤b中所确定的评估方向来确定克拉克变换，并且其中在方法步骤f中，根据克拉克变换和在方法步骤d中所确定的、自身的电流测量的数目大于零的相电流来确定在评估方向上的相电流向量。
在此情况下有利的是：在评估方向上的电流分量特别有效地被计算，因为自身的电流测量的数目等于零的相电流并不在计算中被使用。
本发明此外涉及电机，其中所述电机以旋转的方式和多相的方式来构型并且借助PWM控制的逆变器来被供给。该电机被设立用于，执行按照本发明的方法。
附图说明
图1示出了按照本发明的用于确定旋转的多相电机的相电流的方法的实施例，其中借助PWM控制的逆变器来供给所述多相电机。
图2示出针对在图1中所示的方法和借助AD变换器所执行的相应相电流的电流测量的时间点的示例性的相电流-时间图表。
图3示出多相电机的实施例，该多相电机被设立用于执行按照本发明的方法。
具体实施方式
图1示出按照本发明的方法的第一实施例。借助该方法来确定借助PWM控制的逆变器所供给的、三相的、旋转的电机的相电流ia、ib、ic。根据所确定的相电流ia、ib、ic能够例如估计电机的转子方位。
在开始，在方法步骤a中，在调节器采样周期期间的时间点确定注入电压，该注入电压在至少一个PWM周期中在该时间点之后被施加用于操控电机。该注入电压借助调节器来确定。该注入电压在此由通过用于操控电机的调节器所预给定的电压和附加的高频电压组成，其中所述预给定的电压生成相应的基波电流。该基波电流在此情况下确保：例如以预先确定的转速或者也以预给定的扭矩来对机器进行的所期望的运行。通过高频的电压，可以此外例如实现取决于方位的电流改变，其中由所述电流改变例如能够作出对电机的转子方位的推论。
在方法步骤b中，可以接下来根据在方法步骤a中所确定的注入电压来确定评估方向。所述评估方向在此情况下例如遵循高频的电压喷射的方向，所述电压喷射相对于用于调准调节参量所需的电压而言附加地被馈入。这原因在于，通过高频的电压所产生的高频的电流改变包含相应的转子方位信息，其中电流改变的方向与高频的电压喷射的方向有相关性。如果现在例如假定，总的转子方位信息被包含在相电流ia中，则针对相电流向量确定相电流ia的方向作为评估方向。
在方法步骤b之后在方法步骤c中确定，在至少一个PWM周期之内在逆变器的至少一个无源的开关状态中针对三个相电流ia、ib、ic其中的每个应该执行多少次的电流测量。这在此情况下根据在方法步骤b中所确定的评估方向来确定。因为在方法步骤b中示例性地在相电流ia的方向上确定了评估方向，针对相电流ia的电流测量的数目被最大化，以便针对相电流ia来优化信噪比。相电流ib可以此外仅被分派得到一来作为电流测量的数目并且相电流ic甚至被分派得到零来作为电流测量的数目。最大数目的电流测量例如取决于AD变换器的采样时间和其停机时间。因此，可以总体上对于每个无源的开关状态来仅执行受限数目的电流测量，所述受限数目的电流测量然后相应地能够被分到各个相电流ia、ib、ic。
接下来，在方法步骤d中确定相电流ia、ib、ic，其中所述确定根据在方法步骤c中所确定的相应的数目的电流测量来进行。在此需要对相电流ib的一次的电流测量，以便能够明确地确定相电流向量。针对该相电流ic，如之前已经提及的那样，在该情况下根本不需要电流测量，因为其能够例如如下地借助第一基尔霍夫定律由相电流ia和相电流ib来确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
。
可选地，能够在方法步骤d之后还进行方法步骤e和方法步骤f。在此情况下，在方法步骤e中根据在方法步骤c中针对相电流其中的每个所确定的电流测量的数目来确定克拉克变换或者也根据在方法步骤b中所确定的评估方向来确定克拉克变换。在方法步骤f中接下来根据在方法步骤f中所确定的克拉克变换和在方法步骤d中所确定的自身的电流测量的数目大于零的相电流来确定在评估方向上的相电流向量。在该示例中，为了评估所使用的克拉克变换因此仅具有相电流ia和ib的相关性。
图2示出针对在图1中所示的方法和借助AD变换器所执行的相应的相电流的电流测量的时间点的示例性的相电流-时间图表。所示出的是：随着时间t的相电流ia和ib的变化过程。此外，示出PWM周期10的时长，其中该PWM周期10具有PWM开始11和PWM中间12。此外，第一AD变换器AD1和第二AD变换器AD2的采样行为被示出，其中第一AD变换器和第二AD变换器AD1和AD2在需要情况下分别能够经由电流传感器来采样所有相电流ia、ib和ic。在此情况下不仅在PWM开始11前后也在PWM中间12前后执行电流测量。
如在图1中所描述的，应该最大次数地测量相电流ia，因为其具有最大信息含量。出于该原因，借助第一AD变换器AD1在PWM开始11前后二次地采样相电流ia并且仅一次地采样相电流ib，这导致电流值ia（0）、ib（0）和ia（1）。相反，借助第二AD变换器AD2仅在PWM开始11前后测量相电流ia，这相应地导致电流值ia（2）、ia（3）和ia（4）。
应注意，相电流ia和ib由第一AD变换器AD1彼此镜像对称地采样。因此，相电流ia的这两次测量将相电流ib的测量包围。此外，AD变换器AD1和AD2彼此轻微偏移地进行采样。
通过AD变换器AD1和AD2进行的电流测量的执行和划分在接下来的PWM周期的PWM中间12前后和PWM开始前后相应地被重复。
为了于是最终有效地确定相电流ia、ib和ic，针对相电流ia所检测的电流值ia（0）、ia（1）、ia（2）、ia（3）和ia（4）被求平均。此外，针对相电流ib来采用所检测的电流值ib（0）并且借助第一基尔霍夫定律由被求平均的相电流ia和相电流ib来计算相电流ic。
图3示出多相电机（100）的实施例，该电机被设立用于，执行按照本发明的方法。该电机100在此情况下具有定子-转子单元110。由逆变器120来供给所述定子-转子单元110，该逆变器例如能够被构型为B6桥。该逆变器120又由PWM生成单元130来操控，所述PWM生成单元将从电流调节器140所接收的预给定值转换成相应的PWM采样比。该电流调节器140被设立用于，对定子-转子单元110的相电流ia、ib和ic采样，然而这在此并不被示出。此外，电机100可以具有处理单元150，该处理单元被设立用于，这样控制电流调节装置，使得相电流ia、ib和ic借助按照本发明的方法、例如按照图1来被确定。

Claims (9)

1.用于确定旋转的多相电机的相电流（ia、ib、ic）的方法，其中借助PWM控制的逆变器来供给所述多相电机，所述方法包括如下方法步骤：
a.在调节器采样周期期间的时间点确定注入电压，所述注入电压在至少一个PWM周期（10）中在所述时间点之后被施加用于操控所述电机；
b.根据在步骤a中所确定的注入电压和/或根据所述电机的运行点和/或根据相电流向量的温度相关性来确定所述电机的相电流向量的评估方向；
c. 根据在方法步骤b中所确定的评估方向针对所述相电流（ia、ib、ic）其中的每个相电流来分别确定电流测量的数目，其中所述电流测量在所述至少一个PWM周期（10）之内在所述逆变器的至少一个无源的开关状态中应被执行；
d.根据在方法步骤c中所确定的电流测量的相应数目来确定所述相电流（ia、ib、ic），所述相电流在所述至少一个PWM周期（10）中在所述电机中流动。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
在所述方法步骤c中针对每个相电流（ia、ib、ic）所确定的电流测量的所述数目针对于所有相电流（ia、ib、ic）在总和上相应于在所述逆变器的至少一个无源的开关状态之内的电流测量的最大可能的数目。
3.根据权利要求1或2中任意一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤d中借助多个AD变换器来确定所述相电流（ia、ib、ic）其中至少之一。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进行对所述至少一个相电流（ia、ib、ic）的确定，其方式为，所述多个AD变换器彼此以时间上偏移的方式对所述至少一个相电流（ia、ib、ic）进行采样。
5.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤d中在所述至少一个无源的开关状态的中间进行所述电流测量。
6.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤d中所述相应的相电流（ia、ib、ic）的所述电流测量彼此镜像对称地进行。
7.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤c中，针对关于方向而最大程度地与所述评估方向偏离的所述相电流（ia、ib、ic）来将零确定作为所述电流测量的数目，其中所述相电流（ia、ib、ic）在方法步骤d中借助第一基尔霍夫定律根据其余的所述相电流（ia、ib、ic）来被确定。
8.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其特征在于，在所述方法步骤d之后进行方法步骤e和方法步骤f，其中在所述方法步骤e中，根据在方法步骤c中针对所述相电流（ia、ib、ic）其中的每个相电流所确定的电流测量的数目和/或根据在方法步骤b中所确定的评估方向来确定克拉克变换，并且其中在方法步骤f中，根据所述克拉克变换和在方法步骤d中所确定的、自身的电流测量的数目大于零的相电流（ia、ib、ic）来确定在评估方向上的所述相电流向量。
9.电机（100），其中所述电机以旋转的方式和多相的方式来构型并且借助PWM控制的逆变器（120）来被供给，其特征在于，所述电机（100）被设立用于，执行根据权利要求1至8中任意一项所述的方法。
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