CN110870196B - 用于转子位置估计的新脉冲注入电流模式 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于估计开关磁阻(SR)机(118)的转子(120)的位置和速度的系统和方法(800)。SR机(118)包括转子(120)、定子(122)和至少一个绕组。方法(800)包括生成具有梯形形状的诊断脉冲。方法(800)还包括将诊断脉冲注入到SR机(118)的至少一个绕组中。方法(800)还包括测量流过SR机(118)的至少一个绕组的实际定子电流。方法(800)还包括使用基于观测器的估计技术计算流过至少一个绕组的估计定子电流。将估计定子电流与实际定子电流进行比较以计算误差信号。基于所述误差信号估计转子(120)的位置和速度中的至少一者。

Description

用于转子位置估计的新脉冲注入电流模式

技术领域

本公开涉及开关磁阻机。更具体地，本公开涉及用于估计开关磁阻机的转子的位置和速度的方法和系统。

背景技术

开关磁阻(SR)机由于其坚固且健壮的构造而广泛用于各种电动机控制应用。目前已知的用于控制SR机性能的系统和方法使用与SR机相关联的各种电气和/或机械参数。除其它参数以外，在静止时或在另外基本上低机器速度时，正确确定SR机的转子相对于定子的位置对于SR机的性能和效率是重要的。SR机的位置信息通常是从位置传感器(通常是安装到轴的编码器或解析器)获得的，这增加了整个驱动系统的成本和复杂性。

无传感器操作是操作SR机的关键方面。无传感器操作对于各种应用而言很重要，因为需要SR机驱动的致动器的最小包装尺寸、高可靠性和低成本。开关磁阻电动机的可靠且准确的位置感测是开发低成本高性能SR机驱动器的关键步骤。

估计转子位置的典型方法包括将三角形电流脉冲注入到定子的一个或多个空闲相位中。接着，使用基于观测器的估计方法估计流过空闲相位的定子电流。将估计定子电流与实际定子电流进行比较以生成误差信号。所述误差信号用于计算转子的估计位置和转子的估计速度。然而，通常在实际定子电流与估计定子电流之间存在延迟。这可能导致弱误差信号，即，误差信号可能不朝正侧或负侧中的一侧偏置。弱误差信号可能会造成误差信号的收敛问题。

因此，需要提供一种用于估计SR机的转子的位置和速度的方法和系统，其能够实现SR机的更高效操作和更好的性能。

发明内容

在本公开的一方面，提供了一种估计开关磁阻(SR)机的转子的位置和速度的方法。所述SR机包括所述转子、定子和至少一个绕组。所述方法包括由控制器生成用于所述SR机的诊断脉冲，其中所述诊断脉冲为梯形波形。所述方法包括由所述控制器将诊断脉冲注入到所述至少一个绕组中。所述方法还包括由所述控制器测量流过所述SR机的至少一个绕组的实际定子电流。所述方法还包括由所述控制器使用基于观测器的估计技术计算流过所述至少一个绕组的估计定子电流。所述方法还包括由所述控制器将所述估计定子电流与所述实际定子电流进行比较以计算误差信号。所述方法还包括由所述控制器基于所述误差信号估计所述转子的位置和速度中的至少一者。

在本公开的另一方面，提供了一种用于估计开关磁阻(SR)机的转子的位置和速度的控制器。所述SR机包括所述转子、定子和至少一个绕组。所述控制器电耦合到所述SR机。所述控制器被配置成生成用于所述SR机的诊断脉冲，其中所述诊断脉冲为梯形波形。所述控制器还被配置成将所述诊断脉冲注入到所述至少一个绕组中。所述控制器还被配置成测量流过所述SR机的至少一个绕组的实际定子电流。所述控制器还被配置成使用基于观测器的估计技术计算流过所述至少一个绕组的估计定子电流。所述控制器还被配置成将所述估计定子电流与所述实际定子电流进行比较以计算误差信号。所述控制器还被配置成基于所述误差信号估计所述转子的位置和速度中的至少一者。

在本公开的又一方面，提供了一种包括开关磁阻(SR)机和控制器的电驱动器。所述开关磁阻机包括定子、转子和至少一个相绕组。所述转子可旋转地设置在所述定子附近。所述电驱动器还包括与所述SR机电通信的控制器。所述控制器被配置成生成诊断脉冲，其中所述诊断脉冲为梯形波形。所述控制器还被配置成将所述诊断脉冲注入到所述至少一个绕组中。所述控制器还被配置成测量流过所述SR机的至少一个绕组的实际定子电流。所述控制器还被配置成使用基于观测器的估计技术计算流过所述至少一个绕组的估计定子电流。所述控制器还被配置成将所述估计定子电流与所述实际定子电流进行比较以计算误差信号。所述控制器还被配置成基于所述误差信号估计所述转子的位置和速度。

附图说明

图1是包括开关磁阻(SR)机的电驱动器的示范性实施例的示意性图示；

图2是根据本发明的一个实施例的电驱动器的各种部件的示意性图示；

图3A至图3F图示了根据本发明的一个实施例的用于估计SR机的转子的位置和速度的各种示例性信号；

图4图示了根据本发明的一个实施例的估计电流波形相对于SR机的转子位置的一个实例；

图5图示了根据本发明的另一个实施例的估计电流波形相对于SR机的转子位置的另一个实例；

图6图示了根据本发明的一个实施例的诊断脉冲波形相对于时间的一个实例；

图7图示了根据本发明的另一个实施例的诊断脉冲波形相对于时间的另一实例；以及

图8是根据本公开的概念的用于估计SR机的转子的位置和速度的方法的流程图。

具体实施方式

只要可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。图1示意性地图示了示范性电驱动器100的各种部件。电驱动器100包括电源102以将功率供应到发电机104。例如，电源102可包括柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机或通常与电机相关联地使用的任何其它类型的机械能的旋转源。电源102还可以与固定应用结合使用，并且用例如风车、水力发电大坝、电池、燃料电池或任何其它合适的能量源实施。由电源102供应的功率由发电机104转换成电力。在一个实施例中，发电机104可为开关磁阻发电机，其被配置成生成三相电信号。还可以设想，发电机104可以是交流同步发电机、感应发电机、永磁发电机或本领域已知的任何其它适当类型的发电机。

由发电机104生成的电信号被供应到第一变换器106。第一变换器106继而可将电信号转换成公共总线108上的直流(DC)环节电压(link voltage)。第一变换器106包括开关、二极管和用于将发电机104提供的电信号转换成DC环节电压的其它电路。如图1所示，第一变换器106电耦合到第一控制器110。第一控制器110被配置成控制第一变换器106的操作。第一控制器110可控制公共总线108上的DC环节电压。公共总线108提供正线112和负线或接地线114，公共总线108可在所述正线和负线或接地线两端传送DC环节电压。

仍参考图1，第二变换器116连接在公共总线108两端以将电力提供到开关磁阻(SR)机118。第二变换器116可包括一系列晶体管或门控开关和二极管(未示出)，其用于选择性地启用SR机118的一个或多个相绕组或相位。例如，可使用具有六个开关和六个二极管的第二转换器116驱动三相SR机118，以选择性地启用或禁用SR机118的三个相位中的每一相。

参考图1，SR机118包括转子120，该转子可旋转地设置在固定的定子122内。在一个实施例中，SR机118被配置成作为SR电动机操作。SR机118的转子120可耦合到输出轴(未示出)，该输出轴又可被连接以驱动机械负载(未示出)。SR机118的定子122的每个相绕组或仅每个相可电耦合到第二变换器116。SR机118可被配置成响应于从第二变换器116提供到定子122的信号而引起转子120的旋转。然而，在各种其他实施例中，SR机118可被配置成作为SR发电机操作。此外，尽管图1仅示出了一个SR机118，但是可以设想，本发明将同样适用于具有多于一个SR机的系统。

仍参考图1，第二变换器116电耦合到第二控制器124。第二控制器124被配置成控制第二变换器116的操作。第二控制器124可被配置成将控制信号提供到第二变换器116以选择性地对SR机118的一个或多个相绕组通电。在各种实施例中，第二控制器124被配置成估计SR机118的转子120的位置和速度。第二控制器124可被配置成将诊断脉冲提供到第二变换器116。诊断脉冲被配置成由第二转换器116注入到SR机118的相位中。诊断脉冲可为电流脉冲或电压脉冲。在一个实施例中，诊断脉冲为梯形波形。具体地，第二控制器124可被配置成生成诊断脉冲，所述诊断脉冲被注入到定子122的至少一个空闲或非控制相中。可由第二控制器124配置诊断脉冲的一个或多个参数，例如，诊断脉冲的持续时间，诊断脉冲的平顶部分的持续时间以及量值。

可使用处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、电子控制模块ECM、电子控制单元ECU或用于电子控制第一变换器106和第二变换器116的任何其它合适的装置中的一个或多个来实施第一控制器110和第二控制器124。第一控制器110和第二控制器124可被配置成根据用于基于转子120相对于定子122的速度和/或位置以及电驱动器100的其它操作特性操作电驱动器100的预定算法或指令集来进行操作。此算法或指令集可被预编程或并入到如本领域中通常已知的第一控制器110和/或第二控制器124可访问的存储器，和/或设置在第一控制器和/或第二控制器内的存储器中。

图2图示了在本发明的示范性实施例中的电驱动器100的各种部件。如参考图1所论述，第二控制器124被配置成确定SR机118的转子120的速度和转子120的位置中的至少一者。参考图2，第二控制器124包括相位控制模块202，其被配置成提供待供应到SR机118的一个或多个相位的信号。在一个实施例中，相位控制模块202提供待供应到定子122的空闲或非控制相的参考信号。在一些实施例中，相位控制模块202可被配置成接收流过定子122的不同相位的电流的测量值。可以按照SR机118的期望控制的实施方式向相位控制模块202供应来自速度控制模块(未示出)和/或转矩控制模块(未示出)的反馈。

第二控制器124包括诊断脉冲模块204，其被配置成生成表示诊断脉冲的信号。诊断脉冲模块204提供诊断脉冲，其被注入到定子122的至少一个空闲或非控制相中。在一个实施例中，诊断脉冲为梯形波形。在各种实施例中，诊断脉冲可具有除梯形形状之外的形状。诊断脉冲模块204可被配置成当SR机118在零处、近似在零处操作时或在另外相对较低的机器速度操作时提供用于注入的诊断脉冲。此外，诊断脉冲模块204可被配置成根据关于转子120的位置和/或速度的最新已知或最近评估的反馈，改变与诊断脉冲相关联的一个或多个参数。

来自相位控制模块202和诊断脉冲模块204的信号被提供到第二变换器116以馈送到SR机118的适当相位中。参考图2，第二控制器124还包括电流估计器模块206，所述电流估计器模块用以估计流过诊断脉冲被注入的定子122的那些相位的电流。第二控制器124可被配置成将与空闲或非控制相有关的信息提供到电流估计器模块206。本领域中已知的各种中间步骤可在电流估计器模块206估计电流时进行。例如，电流估计器模块206可基于磁通量、电压和电流之间的预编程关系以及SR机118的预定电性质来估计定子电流。在一个实施例中，使用基于观测器的估计技术来估计定子电流。

仍参考图2，第二控制器124包括测量模块208，其用以测量通过诊断脉冲被注入的定子122的那些相位的实际电流。第二控制器124可被配置成将与空闲或非控制相相关的信息提供到测量模块208。可以使用本领域普通技术人员已知的测量实际相电流的各种技术。第二控制器124还包括电流误差处理模块210，其耦合到电流估计器模块206和测量模块208。电流误差处理模块210可被配置成计算电流估计器模块206估计的相电流与测量模块208测量的实际电流之间的误差。可使用本领域已知的比较器电路来实施电流误差处理模块210。可采用递归过程来最小化估计相电流与实际相电流之间的误差。由电流误差处理模块210计算出的误差可用于后续阶段以使用基于观测器的估计技术估计转子120的位置和/或速度。

参考图2，第二控制器124包括耦合到电流误差处理模块210的位置估计模块212。位置估计模块212可被配置成基于电流误差处理模块210生成的误差来估计转子位置。在一个实施例中，位置估计模块212可以使用基于观测器的估计技术来估计转子位置。当估计相电流匹配实际相电流时，基于观测器的估计转子位置可收敛到SR机118的对应实际转子位置。本领域普通技术人员将显而易见的是，位置估计模块212可以采用本领域已知的其他位置估计技术来估计转子位置。估计转子位置可作为反馈提供到诊断脉冲模块204以用于控制SR机118的操作。

在各种实施例中，第二控制器124可利用位置估计模块212估计的转子位置来控制SR机118的操作。更具体地，第二控制器124可直接计算或替代地访问例如查找表、图等的一个或多个预定义模型，所述预定义模型被预编程在存储器(未示出)中且针对不同机器状态内插不同转子位置。例如，预定义模型可能能够基于给定相电流、相电压、解耦磁通量值等来指示转子位置。

仍然参考图2，第二控制器124包括耦合到电流误差处理模块210的速度估计模块214。速度估计模块214可被配置成基于电流误差处理模块210生成的误差来估计转子速度。在一个实施例中，速度估计模块214可以使用基于观测器的估计技术来估计转子速度。当估计相电流匹配实际相电流时，基于观测器的估计转子速度可收敛到SR机118的对应实际转子速度。本领域普通技术人员将显而易见的是，速度估计模块212可以采用本领域已知的其他速度估计技术来估计转子速度。估计转子速度可以作为反馈提供给诊断脉冲模块204以用于控制SR机118的操作。

在各种实施例中，第二控制器124可以利用位置估计模块212估计的位置和速度估计模块214估计的速度来控制SR机118的操作。更具体地，第二控制器124可直接计算或替代地访问例如查找表、图等的一个或多个预定义模型，所述预定义模型被预编程在存储器(未示出)中，且针对不同机器状态内插不同转子位置和/或转子速度。例如，预定义模型可能能够基于给定相电流、相电压、解耦磁通量值等来指示转子位置和/或速度。

一旦获得转子的位置和速度，第二控制器124可被配置成确定可基于转子位置和/或转子速度导出的与SR机118有关的其它参数。此外，第二控制器124可被配置成控制第二变换器116，且根据转子位置信息和/或从其导出的任何额外信息来对SR机118的相位通电。

图3A至图3C图示了根据本发明的一个实施例的用于估计转子位置的各种示例性信号。图3A示出了可在注入梯形诊断脉冲时由测量模块208测量的实际相电流信号302。此外，图3A示出了可由电流估计器模块206估计的估计相电流信号304。注意，在图3A至图3C所示的示例性实施例中，认为在测量相电流与估计相电流之间不存在时间延迟。

图3B图示了电流误差处理模块210生成的误差信号306。误差信号306图示了相对于零误差线307的误差值。通过从估计相电流信号304减去实际相电流信号302来生成误差信号306。图3C图示了可由电流误差处理模块210生成的符号信号308。符号信号308表示误差信号306相对于零线309的正符号或负符号。参考图3B和图3C，误差信号306为强误差信号，因为对应的符号信号308朝向一侧偏置(在此实例中为负)，导致误差的更快收敛。

图3D至图3F图示了根据本发明的另一个实施例的用于估计转子位置的各种示例性信号。图3D示出了可在注入梯形诊断脉冲时由测量模块208测量的实际相电流信号310。此外，图3D示出了可由电流估计器模块206估计的估计相电流信号312。注意，在图3D至图3F所示的示例性实施例中，考虑测量相电流与估计相电流之间的时间延迟。

图3E图示了电流误差处理模块210生成的误差信号314。误差信号314示出了相对于零误差线315的误差值。通过从估计相电流信号312减去实际相电流信号310来生成误差信号314。图3F图示了电流误差处理模块210生成的符号信号316。符号信号316表示误差信号314相对于零线317的正符号或负符号。参考图3E和图3F，误差信号314为强误差信号，因为对应的符号信号316朝向一侧偏置(在此实例中为负)，导致误差的更快收敛。因此，使用梯形诊断脉冲使得更好地估计转子位置和/或转子速度。

图4图示了根据本发明的另一个实施例的估计相电流波形400相对于转子位置的一个实例。估计相电流波形400为具有平顶部分402的梯形形状。图5图示了根据本发明的另一个实施例的估计相电流波形502相对于转子位置的另一个实例。

图6图示了根据本发明的实施例的相对于时间的示例性诊断脉冲波形602。在各种实施例中，第二控制器124被配置成改变与诊断脉冲相关联的一个或多个参数以更好地估计转子位置和/或转子速度。在一个实施例中，第二控制器124被配置成改变对应于波形602的平顶部分的持续时间。参考示范性波形602，第二控制器124控制波形602的上升沿的持续时间T1，从而保持波形602的频率恒定。持续时间T1表示诊断脉冲波形602的上升时间。本领域的普通技术人员将理解，可以存在各种其他方式来控制对应于波形602的平顶部分的持续时间。

参考图6，第二控制器124可以配置注入目标604以限制诊断脉冲波形602的上升。在一个实施例中，注入目标604可以是控制器根据SR机118的一个或多个参数预定的最大注入电流。在各种实施例中，第二控制器124可以改变注入目标604，以便调整波形602的平顶部分的持续时间。参考图6，注入目标604被设定成高于诊断脉冲波形602的最大值，因此平顶部分由上升时间的到期即持续时间T1触发。平顶部分的持续时间在图6中显示为T2。在各种实施例中，第二控制器124可被配置成改变持续时间T1或注入目标604中的至少一者以改变波形602的平顶部分。

图7图示了根据本发明的实施例的相对于时间的另一示例性诊断脉冲波形702。在此实施例中，第二控制器124以某一值配置注入目标704，使得诊断脉冲波形702在从开始起的持续时间T3之后到达注入目标704，所述持续时间小于波形702的上升时间。换句话说，波形702的平顶部分由注入目标704触发。与具有较高值的注入目标704的平顶部分相比，这得到具有较长持续时间T4的平顶部分。因此，第二控制器124可以控制波形702的平顶部分的持续时间以更好地估计转子位置和/或转子速度。

工业适用性

一般来说，前述公开可应用在与开关磁阻(SR)机或用作电动机和/或发电机的任何其它合适的电机相关的各种应用中。具体地，所公开的系统和方法可用于提供对电机的更高效控制，所述电机例如是通常与发电机、工业作业车辆以及所属领域中常用的任何其它类型的移动和静止机器的电驱动器相关联地使用的SR机。

更具体地，本公开提供了估计SR机的转子的位置和速度的更简化和准确的无传感器方法。另外，本文公开的系统和方法用以提供对转子位置和转子速度的更准确且可靠的估计，使得此后的SR机的操作更有效地进行。

参考图8，图示了估计SR机118的转子120的位置和速度的方法800。在步骤802处，第二控制器124生成用于SR机118的诊断脉冲。诊断脉冲为梯形波形。在步骤804处，第二控制器124将诊断脉冲注入到SR机118的至少一个定子绕组中。可将诊断脉冲注入到定子122的至少一个空闲或非控制相中。在各种实施例中，诊断脉冲可以是电流脉冲或电压脉冲。在步骤806处，第二控制器124测量流过诊断脉冲被注入的至少一个定子绕组的实际定子电流。第二控制器124包括测量模块208，其被配置成测量实际定子电流。

在步骤808处，第二控制器124被配置成估计流过诊断脉冲被注入的至少一个定子绕组的定子电流。第二控制器124设置有用于计算估计定子电流的电流估计器模块206。在一个实施例中，使用基于观测器的估计技术来估计定子电流。在步骤810处，第二控制器124被配置成计算电流估计器模块206估计的定子电流与测量模块208测量的实际定子电流之间的误差。第二控制器124设置有电流误差处理模块210以计算误差。可采用递归过程来最小化估计定子电流与实际定子电流之间的误差。在步骤812处，由电流误差处理模块210计算出的误差用于估计转子120的位置和速度中的至少一者。

尽管参考以上实施例已经特别地示出并描述了本公开的各方面，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离所公开的内容的精神和范围的情况下，可通过对所公开的机器、系统和方法的修改而设想到各个附加实施例。这样的实施例应当被理解为落入如根据权利要求书及其任何等同物所确定的本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种估计开关磁阻(SR)机(118)的转子(120)的位置和速度的方法(800)，所述SR机(118)包括所述转子(120)、定子(122)和至少一个绕组，所述方法(800)包括；

由控制器(124)生成用于所述SR机(118)的诊断脉冲，其中所述诊断脉冲为梯形波形；

由所述控制器(124)将所述诊断脉冲注入到所述至少一个绕组中；

由所述控制器(124)测量流过所述SR机(118)的至少一个绕组的实际定子电流；

由所述控制器(124)使用基于观测器的估计技术计算流过所述至少一个绕组的估计定子电流；

由所述控制器(124)将所述估计定子电流与所述实际定子电流进行比较以计算误差信号；以及

由所述控制器(124)基于所述误差信号估计所述转子(120)的位置和速度中的至少一者。

2.根据权利要求1所述的方法(800)，还包括控制对应于所述诊断脉冲的平顶部分的持续时间。

3.根据权利要求2所述的方法(800)，其中，基于所述诊断脉冲的上升持续时间和注入目标中的至少一者来控制对应于所述平顶部分的持续时间。

4.根据权利要求1所述的方法(800)，还包括基于所述转子(120)的位置和速度中的至少一者来控制所述SR机(118)。

5.根据权利要求1所述的方法(800)，还包括在空闲时间期间将所述诊断脉冲注入到所述至少一个绕组中。

6.根据权利要求1所述的方法(800)，其中，所述诊断脉冲为电流脉冲。

7.一种用于估计开关磁阻(SR)机(118)的转子(120)的位置和速度的控制器(124)，所述SR机(118)包括所述转子(120)、定子(122)和至少一个绕组，其中所述控制器(124)电耦合到所述SR机(118)，所述控制器(124)被配置成：

生成用于所述SR机(118)的诊断脉冲，其中所述诊断脉冲为梯形波形；

将所述诊断脉冲注入到所述至少一个绕组中；

测量流过所述SR机(118)的至少一个绕组的实际定子电流；

使用基于观测器的估计技术计算流过所述至少一个绕组的估计定子电流；

将所述估计定子电流与所述实际定子电流进行比较以计算误差信号；以及

基于所述误差信号估计所述转子(120)的位置和速度中的至少一者。

8.根据权利要求7所述的控制器(124)，还被配置成控制对应于所述诊断脉冲的平顶部分的持续时间。

9.根据权利要求8所述的控制器(124)，还被配置成基于所述诊断脉冲的上升持续时间和注入目标中的至少一者控制对应于所述平顶部分的持续时间。

10.根据权利要求7所述的控制器(124)，还被配置成基于所述转子(120)的估计位置控制所述SR机(118)。

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