CN111030532A - 用于感应电动机的基于磁通观测器的控制策略 - Google Patents

用于感应电动机的基于磁通观测器的控制策略 Download PDF

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Abstract

一种用于调节具有转子的感应电动机的运行的方法，包括：通过控制器的磁通观测器，使用转子的估计的d轴和q轴磁通值计算转子磁通角误差值；使用控制器的位置观测器估算转子位置，并使用d轴和q轴定子电流计算转子的滑差位置。该方法还包括：根据滑差位置和估计的转子位置估计转子磁通角；通过将转子磁通角误差值选择性地加到估计的转子磁通角上来计算校正的转子磁通角；以及使用校正的转子磁通角控制电动机的输出扭矩。逻辑开关可用于选择性地添加转子磁通角。

Description

用于感应电动机的基于磁通观测器的控制策略
背景技术
感应电动机包括定子和安装有轴承的转子，定子和转子通过小的气隙彼此分开。感应电动机的扭矩响应的非线性特性有时会导致在较高速度下扭矩误差增加，术语“扭矩误差”描述命令的扭矩水平和实际扭矩水平之间的差异。本方法旨在解决该潜在的控制问题，从而改善感应电动机的扭矩性能。
感应电动机的正确运行需要产生并实时控制旋转磁场(RMF)。RMF切割转子的导电绕组，以在转子的相绕组中产生周期性电压。相绕组中产生的电流与定子-转子小气隙内的RMF相互作用，以在RMF的旋转方向上产生扭矩。因为当转子以小于RMF的速度(即其同步速度)旋转时产生扭矩，所以感应电动机在本领域中通常称为“异步电动机”。
感应电动机中转子的滑差定义为同步速度(ns)和转子速度(nr)之间的差，滑差(s)通常表示为百分比，即：
Figure BDA0002090081150000011
同步速度可表示为：
Figure BDA0002090081150000012
其中，P表示感应电动机的极数，f是电动机的多相电源电压的频率。在某些运行条件下可能难以精确地计算感应电动机中的滑差，这反过来可能导致上述扭矩精度问题和其他性能问题。
发明内容
本文公开了一种用于调节感应电动机的运行的控制策略。感应电动机的扭矩响应可能随着温度以及电动机控制参数的饱和或变化而退化。由于这些和其他原因，感应电动机的扭矩响应倾向于是非线性的，可能导致在高电动机转速或其他条件下具有较高的扭矩误差。本控制策略旨在通过增加扭矩线性度和精度以及通过提供如下详细描述的其他性能优点来改进感应电动机控制的当前技术水平。
特别地，所公开的方法使用电动机的同步参照系中的磁通观测器来估计感应电动机的转子磁通角误差水平，术语“转子磁通角”指的是磁场线与转子导体的截面积相交的角度。然后将由控制器使用估计的直轴(d轴)和正交轴(q轴)转子磁通值确定的磁通角误差加到计算的转子磁通角上，以导出校正的磁通角度值。之后，校正的磁通角度值用于感应电动机的持续扭矩控制操作。
d-q轴变换是数学变换技术，其通常用于简化多相电路的分析，例如，诸如本发明所考虑的那些三相交流(AC)电路。如电动机控制领域的普通技术人员所理解的，d轴是产生磁通的电动机轴，而q轴是最终产生扭矩的轴。按照惯例，q轴领先d轴90°。因此，由控制器向定子发出的d轴和q轴电流命令以及在转子中形成的所得d轴和q轴电流被调节，以对电动机的扭矩操作产生期望的效果。
另外，电动机的动态模型通常包括三个参照系：d轴和q轴不旋转的静止参照系，d轴和q轴以转子速度旋转的转子参照系，以及d轴和q轴以感应电动机的同步速度旋转的同步参照系。因此，通过在同步参照系中操作，上述磁通观测器对于转子速度的持续变化而言足够稳健。
对感应电动机的控制还需要精确实时计算转子磁通角，本发明的磁通观测器也有助于提高这种计算的准确性。也就是说，磁通观测器估计d轴和q轴转子磁通，然后使用所估计的磁通值来计算转子磁通角误差值，例如，作为d轴和q轴磁通的反正切。同时，在电动机的静止参照系中运行的转子位置观测器可以用于使用来自旋转位置传感器的输入来估计转子位置，即转子的角位置。通过将转子磁通角误差应用于估计的转子磁通角来确定校正的转子磁通角。此后，校正的转子磁通角用于控制感应电动机的运行。
在示例性实施例中，一种用于调节感应电动机的运行的方法包括经由上述控制器的磁通观测器，使用估计的转子d轴和q轴磁通值计算转子磁通角误差值。该方法还包括使用控制器的位置观测器(即，在电动机的静止参照系中工作的状态观察器)估计转子的角位置。该方法还包括使用来自控制器的d轴和q轴定子电流命令而经由位置观测器计算转子的滑差位置。
作为示例方法的一部分，控制器根据滑差位置和估计的转子位置估计转子的转子磁通角以产生估计的转子磁通角，并且还通过将转子磁通角误差值加到估计的转子磁通角上来计算校正的转子磁通角。然后，控制器使用校正的转子磁通角控制感应电动机的输出扭矩。
磁通观测器可以将转子磁通角度值计算为d轴和q轴磁通值的反正切。
计算转子磁通角误差值可以由控制器根据定子的d轴和q轴电流和电压来执行。
可选地，可以使用逻辑开关，当估计的d轴磁通值或估计的q轴磁通值的大小超过校准阈值时，逻辑开关具有接通(ON)状态。当逻辑开关处于ON状态时，转子磁通角误差值可以加到估计的转子磁通角上。替代地，控制器可以被配置为将大小在0和1之间的可变增益值应用于转子磁通角误差值，其中增益值的大小对应于估计的d轴或q轴磁通值的大小。
计算转子的滑差位置可以包括根据转子的预定电阻和预定电感以及转子和定子的预定互感来计算转子的滑差频率。
控制感应电动机的输出扭矩可以包括经由转子产生扭矩并将扭矩从感应电动机传递到所联接的负载。在一些实施例中，所联接的负载可以是机动车辆的一个或多个驱动轮。
本文还公开了一种电气系统，其具有感应电动机、旋转位置传感器和被配置成执行上述方法的控制器。
根据以下结合附图的、对执行本发明的最佳模式的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点显而易见。
附图说明
图1是具有多相感应电机的示例性电气系统的示意图，该多相感应电机连接到负载并且经由控制器使用如本文所述的磁通观测器进行控制。
图2是图1中所示的控制器的示意性逻辑流程图。
图3是可用作图2的控制器的一部分的磁通观测器在同步时间范围内的示意性逻辑流程图。
图4是描述用于使用图3中所示的磁通观测器实现控制策略的示例性方法的流程图。
对本发明可以进行各种修改和替换形式，并且一些代表性实施例在附图中以示例的方式示出并且将在本文中予以详细描述。本发明的新颖方面不限于以上列举的附图中示出的特定形式。更确切地，本发明旨在覆盖落入所附权利要求书所涵盖的本发明范围内的修改、等同物和组合。
具体实施方式
本发明允许以许多不同的形式实施。本发明的代表性实施例在附图中示出，并且将在本文中予以详细描述，应理解，这些示例被提供作为所公开原理的表示而不是对本发明的广泛方面的限制。就此而言，例如在摘要、引言、发明内容和具体实施方式部分中描述但未在权利要求书中明确阐述的元素和限制不应单独或共同地通过暗示、推论或以其他方式并入权利要求书中。
出于本具体实施方式的目的，除非明确否认，否则：单数包括复数，反之亦然；词语“和(与)”与“或(或者)”应该是连词和转折连词；词语“任何”和“所有”都应表示“任何和所有”；并且词语“包括”、“含有”、“包含”、“具有”等均应表示“包括但不限于”。此外，近似词语，诸如“约(大约)”、“几乎”、“基本上”、“近似”等在本文中可以在例如“处于、接近或接近于”或“在……的0-5％之内”或“在可接受的制造公差范围内”或其任何逻辑组合的意义上使用。
参照附图，其中相同的附图标记在若干附图中对应于相同或相似的部件，图1中示出了示例性车辆10。车辆10包括电气系统12，该电气系统具有感应电动机(ME)14形式的电机，其运行由电子控制器(C)50实时自动调节。如下特别参照图2至图4所述，控制器50接收一组输入信号(箭头CCI)，并且响应于该输入信号(箭头CCI)，产生一组输出控制信号(箭头CCO)，其包括如下参照图2至图4所详述的校正的转子磁通角。控制信号(箭头CCO)最终增加、减小或维持由感应电动机14产生的电动机扭矩水平(箭头TM)。
为了执行其整体控制工作，控制器50被规划为具有磁通观测器55，即在感应电动机14的同步参照系中运行的磁通量状态观测器。控制器50另外包括位置观测器56，即在感应电动机14的静止参照系中运行的、感应电机14的转子(R)16的角位置的状态观测器。磁通观测器55和位置观测器56可以体现为例如如图2和图3所示的控制器50的编程控制逻辑，其中示例性控制逻辑用于执行如下面参照图4所述的示例性方法100。
图1的控制器50可以包括一个或多个数字计算机，每个数字计算机具有处理器(P)，例如微处理器或中央处理器；存储器(M)，形式为只读存储器、随机存取存储器、电可编程只读存储器等；高速时钟；模数和数模电路；输入/输出电路和装置；以及适当的信号调节和缓冲电路。虽然为了简单说明而省略，但是控制器50可以电连接到电气系统12内的电源，诸如经由直流(DC)辅助电压总线35供电的辅助电池(BAUX)36。
图1中示意性地示出的电气系统12在本文中描述为车辆10的一部分仅用于说明目的，并且因此不将电气系统12限制为一般的车辆用途或特别的汽车应用。诸如感应电动机14的感应机广泛用于不同的制造环境、发电厂和消费产品以及非汽车应用，诸如铁路车辆、飞行器和船舶，因此这些应用可能受益于本教导的扩展。
感应电动机14可以体现为具有转子16和定子(S)19的多相/AC感应机。转子16的角位置及其转速可以使用旋转位置传感器17在离散点处测量，其中位置传感器17输出表示转子16的测量角位置的测量位置信号(箭头θrm)。位置信号(箭头θrm)可以通过低压传输导体或无线路径传送到控制器50。
在所示的车辆应用中，转子16可以经由输入离合器11(诸如摩擦离合器或液力变矩器)选择性地联接到变速器(T)20的输入构件18。变速器20可包括一个或多个内部离合器和齿轮组(未示出)，其最终将电动机扭矩(TM)从输入构件18传递到变速器输出构件22，从而产生变速器输出扭矩(TO)。尽管未在图1中示出，但是车辆10可以可选地包括内燃机和/或附加电机，其根据操作模式可以与电动机扭矩(TM)组合以提供期望水平的变速器输出扭矩(TO)。然后，变速器输出扭矩(箭头To)被传递到一个或多个驱动桥24，该驱动桥又联接到负载(在这种情况下是一组驱动轮26)。
作为图1中描绘的电气系统12的一部分，感应电机14的各个相绕组可以经由存在于AC电压总线28上的多相电压(VAC)通电。如本领域普通技术人员将理解的，多相电压(VAC)可以使用内部半导体切换和信号滤波，例如脉冲宽度调制，而作为功率逆变器模块(PIM)30的一部分产生。PIM 30的DC供电电压(VDC)(也称为DC链路电压)可以通过DC电压总线33由高电压电池组(BHV)32提供，DC电压总线33有可能连接到DC-DC电压转换器34。DC-DC电压转换器34的电压输出可以是降低的/辅助电压(VAUX)，例如12至15V或适合于存储在辅助电池(BAUX)36中的另一水平。
参照图2，示意性地描绘了用于实现本文描述的方法100的控制逻辑40，方法100的示例实施例在图4中示出。在所示实施例中，磁通观测器55包括磁通计算块(“λ”)42、磁通大小计算块(“MAG”)44和磁通误差计算块(“θerr”)46。
在磁通观测器55的外部，位置观测器56包括转子位置估计块
Figure BDA0002090081150000061
43、滑差计算块(“ωSL”)45和积分器块
Figure BDA0002090081150000062
47。在可能的实施例中，磁通观测器55根据情境使用，使得使用具有逻辑状态0/OFF或I/ON的可选逻辑开关59来触发磁通观测器55的运行，其中逻辑状态基于磁通大小计算块44的输出。逻辑切换操作由双箭头SW表示。在替代实施例中，可以连续使用磁通观测器55，使得其输出由如下所述的可变增益因子加权。无论可选逻辑开关59的ON/OFF状态如何，位置观测器56都是激活的。
在转子位置观测器56内，滑差计算块45的控制输入包括图1所示的感应电动机14的定子19的命令的d轴和q轴电流，这些电流分别表示为箭头id和iq，并且d轴和q轴电流值位于同步参照系中。然后，块45计算滑差频率(ωSL)，例如为：
Figure BDA0002090081150000071
其中Rr是转子16的预定电阻，Lm是感应电动机14的预定互感，Lr是转子16的预定电感，
Figure BDA0002090081150000072
是转子16在同步参照系中(e)的d轴磁通，并且
Figure BDA0002090081150000073
和
Figure BDA0002090081150000074
是q轴和d轴电流(为简单起见，在图2中缩写为iq和id)。类似地.
Figure BDA0002090081150000075
和
Figure BDA0002090081150000076
是如下所述使用的相应的q轴和d轴电压(为简单起见，在图2中缩写为Vq和Vd)。
图2的积分器块47根据来自框45的计算的滑差频率(ωSL)进行操作以产生角度滑差位置(θSL)，然后将其馈送到求和节点60中。在求和节点60处，将滑差位置(θSL)加到估计的转子位置
Figure BDA0002090081150000077
上，其是由转子位置估计块43使用由旋转位置传感器17(也参见图1)确定的测量转子位置(箭头θrm)估计的值。求和节点60的输出是估计的转子磁通角
Figure BDA0002090081150000078
由于其用于感应电动机14的间接磁场定向控制而在本领域中也称为间接磁场定向控制角。然后将估计的转子磁通角
Figure BDA0002090081150000079
馈送到另一求和节点61并且将其加到磁通观测器55的输出上以计算校正的转子磁通角(θflx)而作为控制输出(参见图1的箭头CCO)，此后，在感应电动机14的导通转矩控制操作中，将其用作实际转子磁通角。
关于图2的磁通观测器55及其组成逻辑块42、44和46，磁通计算块42用于计算d轴和q轴转子磁通值
Figure BDA00020900811500000710
和
Figure BDA00020900811500000711
为简单起见在图2中缩写为λd和λq，再次使用上标“e”表示同步参照系。d轴磁通值可以由控制器50实时确定如下：
Figure BDA0002090081150000081
其中Ed和Eq是感应电动机14的估计的反电动势的相应d轴和q轴分量，其分别定义为：
Figure BDA0002090081150000082
Figure BDA0002090081150000083
类似地，q轴磁通值可以如下确定：
Figure BDA0002090081150000084
同样作为磁通观测器55的一部分，磁通大小计算块44从逻辑块42接收d轴和q轴磁通值，并确定每个值的相应大小。同时，磁通误差计算块46使用d轴和q轴磁通值来计算转子磁通位置误差(θerr)，例如：
Figure BDA0002090081150000085
图2中所示的可选逻辑开关59可以被配置为当d轴和q轴转子磁通值(
Figure BDA0002090081150000086
或
Figure BDA0002090081150000087
)的大小超过校准阈值时，将转子磁通位置误差(θerr)向前馈送到求和节点61。以这种方式，磁通观测器55可以在感应电动机14的特定扭矩操作区域处予以实现。
替代地，转子磁通位置误差(θerr)可以由控制器50使用范围在0和1之间的任何值并且包括0和1的可变增益因子来连续缩放，其中这样的增益因子指示块44的大小或者与块44的大小成比例。也就是说，控制器50可以被配置为将可变增益值应用于其大小与估计的d轴磁通值或估计的q轴磁通值的大小对应的转子磁通位置误差(θerr)，例如，其更大的值。
简要地参照图3，更详细地示出了图2的磁通观测器55的实现。输入可以包括复电压矢量
Figure BDA0002090081150000088
和复电流矢量
Figure BDA0002090081150000089
为简单起见，在图3中将它们分别表示为(Vdq)和(Idq)，后者经由标记为Rs’的增益块51和标记为σLs的增益块52处理，即感应电动机14的预定瞬态电感。相关变量定义如下：
Figure BDA0002090081150000091
Figure BDA0002090081150000092
Figure BDA0002090081150000093
在节点70处从电压矢量
Figure BDA0002090081150000094
和来自补偿器块(“COMP”)54的估计的反电动势(Edq)之和减去增益块51的输出，其被定义为复矢量形式的Ed+jEq，可以理解，变量j是虚数项。在节点70处减去增益块53的输出(jωe)，其中变量ωe是定子频率，并且如图所示，增益块53应用于积分器块37的输出。
在节点71处，从增益块52的输出(即，瞬态磁阻(σLs)和复电流矢量
Figure BDA0002090081150000095
(即Idq)的乘积)减去积分器块37的输出。节点71的输出被馈送到补偿器块54中以计算上面提到的估计的反电动势(Edq)。估计的反电动势(Edq)还被馈送到转子磁通计算器块57中以确定图2所示的d轴和q轴转子磁通值(
Figure BDA0002090081150000096
和
Figure BDA0002090081150000097
)(图3中的λd和λq)，并且从那里，经由转子磁通位置误差计算块46计算转子磁通位置误差(θerr)。
参照图4，本文公开的方法100使图1的控制器50能够经由有针对性地使用图2和图3的磁通观测器55来调节感应电动机14的运行。方法100的示范性实施例以步骤S102开始。
在步骤S102处，控制器50从旋转位置传感器17测量转子16的角位置，并在离散的测量位置之间估计转子位置
Figure BDA0002090081150000098
这再次发生在感应电动机14的静止参照系中。步骤S102可以包括通过图2的磁通计算逻辑块43处理图1的从旋转位置传感器17测量的转子位置(箭头θrm)。.然后，方法100前进到步骤S104。
步骤S104包括经由控制器50计算滑差频率(ωSL)，这是可以根据上面提供的等式执行的计算。然后，方法100前进到步骤S106。
在步骤S106处，图1的控制器50可以将来自步骤S102的转子速度的绝对值与校准阈值进行比较，即，
Figure BDA0002090081150000101
当超过校准阈值(CAL1)时，方法100前进到步骤S108，而当未超过校准阈值(CAL1)时，方法100前进到步骤S112作为替代。
步骤S108包括运行图2和图3的磁通观测器55，特别是磁通计算块45，用于估计转子16的d轴和q轴磁通值，图4中缩写为“λCALC”。然后，方法100前进到步骤S110。
在步骤S110处，图1的控制器50可以将来自步骤S110的磁通值的绝对值与校准阈值进行比较，例如，|λ|≥CAL2，其中λ表示如上所述的值
Figure BDA0002090081150000102
或
Figure BDA0002090081150000103
(λd和λq)。在一些实施例中，可以将各个大小与各个阈值进行比较。替代地，控制器50可以在进行阈值比较时使用总磁通大小，例如：
Figure BDA0002090081150000104
当绝对值超过阈值时，方法100前进到步骤S114，并且前进到步骤S112作为替代。
步骤S112包括将转子磁通位置误差值设定为零，即θerr＝0。然后，方法100前进到步骤S116。
步骤S114包括经由如上面参照图2和图3所述的磁通观测器55计算转子磁通角误差(θerr)，如上所述，使用估计的d轴和q轴磁通值完成计算。转子磁通角误差值的计算可以由控制器50根据图1的定子19的d轴和q轴电流和电压来执行。然后，方法100前进到步骤S116。
在步骤S116处，由图1的控制器50计算校正的转子磁通角(θflx)，即，通过选择性地将来自步骤S114的转子磁通角误差值(θerr)应用于图2的节点60输出的估计的转子磁通角
Figure BDA0002090081150000105
如上所述，这可以使用图2的逻辑开关59或使用表示来自图2的框44的磁通大小的可变增益值选择性地发生。然后，校正的转子磁通角(θflx)用于控制图1的感应电动机14的扭矩水平。
也就是说，知晓校正的转子磁通角(θflx)使得控制器50能够精确地确定何时增加或减少d轴和/i轴电流以及增加或减少多少，同时减弱d轴电流用于削弱转子磁通。反过来，对于特定的DC链路电压，减弱后的磁通增强精确控制感应电动机14的效率和功率因数以及实现期望的扭矩响应的能力。这样，方法100和相关联的控制器50提供针对图1的示例性感应电动机14的实时转矩控制的计算机相关技术的具体改进。
已经参照所示实施例详细描述了本发明的各方面。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的范围的情况下进行修改。本发明不限于本文公开的精确构造和组合物。因此，从前面的描述显而易见的修改属于由所附权利要求书限定的本发明的范围内。此外，本构思明确地包括前述元素和特征的组合和子组合。

Claims (9)

1.一种电气系统，包括：
感应电动机，具有转子和定子；
旋转位置传感器，被配置为输出表示所述转子的测量角位置的位置信号；和
控制器，被程控为通过执行指令来调节所述感应电动机的运行，其中所述指令的执行使控制器执行以下操作：
经由磁通观测器，使用所述转子的估计的d轴磁通值和估计的q轴磁通值计算转子磁通角误差值，其中，所述磁通观测器在所述感应电动机的同步参照系中运行；
使用所述位置信号和位置观测器估计所述转子的位置，从而产生估计的转子位置，其中，所述位置观测器在所述感应电动机的静止参照系中运行；
经由所述位置观测器，使用所述定子的d轴电流和q轴电流计算所述转子的滑差位置；
根据所述滑差位置和所估计的转子位置估计所述转子的磁通角，从而产生估计的转子磁通角；
通过选择性地将所述转子磁通角误差值加到所估算的转子磁通角上来计算校正的转子磁通角；以及
使用所校正的转子磁通角控制所述感应电动机的输出扭矩。
2.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述磁通观测器被配置为使用所述d轴和q轴磁通值的反正切来计算所述转子磁通角度值。
3.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器被配置为根据所述定子的d轴和q轴电流以及d轴和q轴电压来计算所述转子磁通角误差值。
4.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器被配置为通过所述控制器的磁通计算逻辑块处理从所述旋转位置传感器测量的转子位置来估计所述转子的位置。
5.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器包括逻辑开关，当所估计的d轴磁通值或所估计的q轴磁通值的大小超过校准阈值时，所述逻辑开关具有接通状态，其中，所述控制器被配置为当所述逻辑开关处于所述接通状态时，将所述转子磁通角误差值加到所估计的转子磁通角上。
6.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器被配置为将大小在0和1之间的增益值应用于所述转子磁通角误差值，并且其中，所述增益值的大小对应于所估计的d轴磁通值或所估计的q轴磁通值的大小。
7.根据权利要求1所述的电气系统，其中，所述控制器被配置为通过根据所述转子的预定电阻、所述感应电动机的预定互感和所述转子的预定电感计算所述转子的滑差频率并且然后使用所述滑差频率导出所述滑差位置来计算所述滑差位置。
8.根据权利要求1所述的电气系统，还包括联接到所述转子的负载，其中，所述控制器被配置为经由所述转子产生扭矩并从所述感应电动机向所述负载传递扭矩。
9.根据权利要求8所述的电气系统，其中，所述电气系统是机动车辆的一部分，并且其中，所联接的负载是所述机动车辆的一组驱动轮。
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