CN111830440A - 基于恒定占空比高频电压注入的旋转变压器偏移量检测 - Google Patents

基于恒定占空比高频电压注入的旋转变压器偏移量检测 Download PDF

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Abstract

本公开提供“基于恒定占空比高频电压注入的旋转变压器偏移量检测”。一种车辆电力系统包括电机、与所述电机电连接的逆变器以及控制器。当随着输入到所述逆变器的DC电压的改变，将由所述逆变器输出的AC电压注入所述电机时，所述控制器将所述逆变器的占空比推向恒定值，以从所述电机对所述AC电压的电流响应获取与所述电机相关联的旋转变压器偏移量信息。

Description

基于恒定占空比高频电压注入的旋转变压器偏移量检测
技术领域
本公开涉及电机操作。
背景技术
旋转变压器偏移量检测操作检测电机的旋转变压器偏移量，而不受逆变器死区时间的影响。如果估计的旋转变压器偏移量不正确，则电机的转矩精度及其控制算法可能降低。此外，如果旋转变压器偏移量误差较大，则这可导致转矩反转。
一些基于高频电压注入的旋转变压器偏移量检测方法使用固定的注入电压幅值来检测旋转变压器偏移量。然而，这些技术的精度受逆变器死区时间/逆变器非线性的影响，该逆变器死区时间/逆变器非线性是不可避免的。由于死区时间电压受DC总线电压或电池电压的影响，在不同的DC总线电压或电池电压下，精度也不一致。
发明内容
一种车辆电力系统包括DC总线、电机以及电气地位于所述DC总线与所述电机之间的逆变器。所述车辆电力系统还包括控制器，所述控制器将AC电压经由所述逆变器注入所述电机，并且响应于所述DC总线的DC电压的改变，更改所述AC电压的大小，以随着所述DC电压的改变，将所述DC电压与所述大小之比推向恒定值。
一种车辆电力系统包括电机、逆变器和控制器。当随着输入到所述逆变器的DC电压的改变，将由所述逆变器输出的AC电压注入所述电机时，所述控制器将所述逆变器的占空比推向恒定值，以从所述电机对所述AC电压的电流响应获取与所述电机相关联的旋转变压器偏移量信息。
一种用于控制车辆电力系统的方法包括：由控制器将AC电压经由逆变器注入电机，以及响应于在所述注入期间输入到所述逆变器的DC电压的改变，由所述控制器更改所述AC电压的大小，以将所述DC电压与所述大小之比推向恒定值来获取关于所述电机的旋转变压器偏移量信息。
附图说明
图1是对于给定DC总线电压，死区时间电压随角位置变化的d轴/q轴曲线图。
图2是用于旋转变压器偏移量检测的示例性查找表的曲线图。
图3是在各种转子位置和DC总线电压下重复的旋转变压器偏移量检测的示例。
图4是注入程序的流程图。
图5是检测程序的流程图。
图6是车辆的框图。
具体实施方式
本文描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采用未明确示出或描述的各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可以被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅解释为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个来示出和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中所示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实现方式所期望的。
本公开提出了基于恒定占空比高频电压注入的旋转变压器偏移量检测方法来减轻逆变器死区时间效应。注入的高频电压的幅值不再是固定值。相反，它随DC总线电压或电池电压而变化以维持相对恒定的控制器占空比输出，这可提高在所有DC总线电压条件下的旋转变压器偏移量检测精度并且提升检测一致性。
旋转变压器偏移量检测通过将高频电压信号引入电机中来实现。对于这一高频电压信号并且参考方程式(1)，将静止参考坐标系中持续旋转的高频电压矢量
Figure BDA0002451244330000031
注入电机：
Figure BDA0002451244330000032
其中Vc表示旋转电压矢量的幅值，并且ωc表示旋转电压矢量的频率。然后，观察来自电机响应的三相电流并对其进行后处理以便进行转子位置检测。然后将检测到的转子位置与旋转变压器读数进行比较，以因此确定旋转变压器偏移量值。
基于逆变器开关频率来选取注入频率。开关频率与注入频率之间的大约10比20的比率是示例性优化值。幅值Vc的选择稍后进行描述。
高频电流响应
Figure BDA0002451244330000033
具有嵌入其中的显著性信息，并且可以由方程式(2)表示：
Figure BDA0002451244330000034
其中Icp和Icn分别表示正序电流响应和负序电流响应的大小，并且
Figure BDA0002451244330000035
和
Figure BDA0002451244330000036
分别表示正序电流响应和负序电流响应的相位。
负序电流响应的相位
Figure BDA0002451244330000041
由方程式(3)表示：
Figure BDA0002451244330000042
其中θe是以电角度表示的转子位置。所述转子位置包括电机转子位置信息，并且因此可以用于转子位置和旋转变压器偏移量检测。
参考方程式(4)，可以通过将离散傅里叶变换(discrete Fourier transform，DFT)应用于三相电流来估计负序电流响应的相位Xk：
Figure BDA0002451244330000043
其中N是离散傅里叶变换的样本数量(采集的样本越多，DFT结果越精确；然而，更多的样本需要更多的计算时间，这可使检测延迟)，xn是采样的高频电流复矢量Iqds，并且fc是注入信号的频率(对于正序，所述信号为正；对于负序，所述信号为负)。
在实际应用中，逆变器系统中存在死区时间和非线性。逆变器死区时间Vdead将导致逆变器的实际输出电压产生误差。因此，注入的高频电压信号不如预期的那样，并且将导致产生旋转变压器偏移量检测误差。逆变器非线性效应示出在方程式(5)和(6)中：
Figure BDA0002451244330000044
其中Tdead、Ton、Toff和Ts分别表示死区时间、导通延迟时间、关断延迟时间和脉冲宽度调制周期，Vdc是DC总线电压，Vsat是开关的通态电压降，并且Vd是二极管的正向电压降。
Figure BDA0002451244330000045
其中
Figure BDA0002451244330000046
和
Figure BDA0002451244330000047
分别表示同步参考坐标系中的d轴死区时间电压和q轴死区时间电压，并且ia、ib和ic分别表示相位A电流、相位B电流和相位C电流。在所有因素中，逆变器死区时间通常是主导因素。
图1示出在同步参考坐标系的d轴和q轴上的死区时间电压，所述死区时间电压在一个特定DC总线电压下随角位置变化。与q轴相比较，逆变器死区时间对d轴具有不同影响，并且在一个电动循环中示出六阶模式。
为了补偿逆变器死区时间的影响并且提高旋转变压器偏移量检测精度，查找表可以用来补偿误差。图2示出此类查找表旋转变压器偏移量检测的示例。使用查找表，实现针对一个特定DC总线电压或电池电压的旋转变压器偏移量检测的精度。然而，死区时间电压也是DC总线电压的函数，因此需要另外的动作来提高在各种DC总线电压下的旋转变压器偏移量检测精度。
为了实现这个目的，建议使用恒定的占空比。当DC总线电压从Vdc1改变为Vdc2时，算法也将注入的高频电压信号的大小从Vc1改变为Vc2，以保持占空比恒定，如方程式(7)中所示：
Figure BDA0002451244330000051
以这种方式，无论DC总线电压变化如何，实际的高频电压输出信号的相位滞后是固定的，并且上面提及的查找表能够在变化的DC总线电压条件下补偿逆变器死区时间效应。
图3示出在各种转子位置和DC总线电压(200V变化)下重复的旋转变压器偏移量检测结果的示例。所有结果均示出较小的旋转变压器偏移量检测误差。
图4示出用于与本文所提出的技术相关联的注入程序的算法10。在操作14处，确定是否启用基于恒定占空比高频电压注入的旋转变压器偏移量检测。如果否，则在操作14处将注入频率ωc和大小Vc设定为零。然后，算法10结束。如果是，则根据所示出的关系式(也参见方程式(7))确定调整的注入大小Vc2。在操作18处，根据所示出的关系式更新注入角θc，其中Ts是采样周期。然后，在操作20处根据所示出的关系式计算注入电压
Figure BDA0002451244330000061
Figure BDA0002451244330000062
在操作22处，使用标准技术将两相定子参考坐标系转换为三相定子参考坐标系。并且在操作24处，确定注入是否完成。如果否，则算法10返回到操作18。如果是，则算法10结束。
图5示出用于与本文所提出的技术相关联的检测程序的算法26。在操作28处，获取三相电流。在操作30处，使用标准技术将三相定子参考坐标系转换为两相定子参考坐标系。然后，在操作32处从方程式(3)和(4)估计转子位置θe。在操作34处，上面所述的查找表用来补偿逆变器死区时间误差并且获取补偿的转子位置θe_comp。在操作36处，将补偿的转子位置与旋转变压器位置读数进行比较，并且根据差值设定旋转变压器偏移量。然后，算法结束。
图6是车辆38的简化框图，所述车辆38除其他之外包括牵引电池40、DC总线42、逆变器44、电机46和控制器48。可以经由DC总线42和逆变器44将来自牵引电池40的电力提供给电机46，如本领域中已知。电力还可以在另一个方向上流动。控制器48可实现本文所设想的技术以对牵引电池40、逆变器44和电机46实行控制。控制器48例如可根据本文所构想的技术基于从电机46对施加于其的AC电压的电流响应导出的旋转变压器偏移量信息来操作电机46(例如，向其提供命令以产生指定的转矩或转速)。
某些现有的基于高频电压注入的旋转变压器偏移量检测方法使用固定的注入电压幅值来检测旋转变压器偏移量。由于逆变器死区时间效应，这些方法的精度较低并且在不同的DC总线电压或电池电压下不一致。本文提出了使用基于恒定占空比高频电压注入的旋转变压器偏移量检测方法来减轻逆变器死区时间效应。注入的高频电压信号的大小将随DC总线电压或电池电压而变化，以维持恒定的控制器占空比输出，无论逆变器死区时间/非线性效应如何，这都可以在各种DC总线电压条件下实现精确的旋转变压器偏移量检测并且具有更高的一致性。
所公开的算法、过程、方法、逻辑或策略可递送到处理装置、控制器或计算机和/或由其实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，算法、过程、方法、逻辑或策略可存储为可由控制器或计算机以许多形式执行的数据和指令，所述形式包括但不限于：永久地存储在各种类型的制品上的信息，所述各种类型的制品可包括持久不可写存储介质(诸如ROM装置)；以及可变地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、CD、RAM装置以及其他磁介质和光学介质)上的信息。算法、过程、方法、逻辑或策略也可以软件可执行对象实现。替代地，它们可全部地或部分地使用合适的硬件部件来体现，所述合适的硬件部件诸如专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuits，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Arrays，FPGA)、状态机、控制器或其他硬件部件或装置，或硬件、软件和固件部件的组合。
在说明书中所使用的用词是描述用词而非限制用词，并且应当理解，可在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。如先前所述，各个实施例的特征可被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。尽管各种实施例可能已被描述为在一个或多个期望的特性方面提供优于其他实施例或现有技术现施方式的优点或相比其他实施例或现有技术实现方式是优选的，但是本领域普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实现方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维修性、重量、可制造性、易于组装等。因此，被描述为关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实现方式所期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。
根据本发明，提供了一种车辆电力系统，其具有：DC总线；电机；逆变器，所述逆变器电气地位于所述DC总线与所述电机之间；以及控制器，所述控制器被编程为将AC电压经由所述逆变器注入所述电机，并且响应于所述DC总线的DC电压的改变，更改所述AC电压的大小，以随着所述DC电压的改变，将所述DC电压与所述大小之比推向恒定值。
根据一个实施例，所述控制器进一步被配置为根据从所述电机对所述AC电压的电流响应导出的旋转变压器偏移量信息来操作所述电机。
根据一个实施例，所述旋转变压器偏移量信息进一步从包含在查找表中的数据导出。
根据一个实施例，所述逆变器的开关频率与所述AC电压的注入频率之比介于十与二十之间。
根据一个实施例，所述控制器进一步被配置为以恒定占空比注入所述AC电压。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于牵引电池，其中所述DC总线电气地位于所述牵引电池与所述逆变器之间。
根据本发明，提供了一种车辆电力系统，其具有：电机；逆变器；以及控制器，所述控制器被编程为当随着输入到所述逆变器的DC电压的改变，将由所述逆变器输出的AC电压注入所述电机时，将所述逆变器的占空比推向恒定值，以从所述电机对所述AC电压的电流响应获取与所述电机相关联的旋转变压器偏移量信息。
根据一个实施例，所述控制器进一步被编程为将所述占空比推向所述恒定值，使得在所述注入期间所述DC电压与所述AC电压的大小之比保持恒定。
根据一个实施例，所述逆变器的开关频率与所述AC电压的注入频率之比介于十与二十之间。
根据一个实施例，所述控制器进一步被配置为根据所述旋转变压器偏移量信息命令所述电机输出指定的转矩或转速。
根据一个实施例，所述旋转变压器偏移量信息进一步从包含在查找表中的数据导出。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于被配置为提供所述DC电压的牵引电池或DC总线。
根据本发明，一种用于控制车辆电力系统的方法包括：由控制器将AC电压经由逆变器注入电机，以及响应于在所述注入期间输入到所述逆变器的DC电压的改变，由所述控制器更改所述AC电压的大小，以将所述DC电压与所述大小之比推向恒定值来获取关于所述电机的旋转变压器偏移量信息。
根据一个实施例，所述逆变器的开关频率与所述注入的频率之比介于十与二十之间。
根据一个实施例，所述注入与恒定占空比输出相关联。
根据一个实施例，本发明的进一步特征在于根据所述旋转变压器偏移量信息命令所述电机输出指定的转矩或转速。
根据一个实施例，DC电压的所述改变与牵引电池或DC总线相关联。

Claims (15)

1.一种车辆电力系统，其包括：
DC总线；
电机；
逆变器，所述逆变器电气地位于所述DC总线与所述电机之间；以及
控制器，所述控制器被编程为将AC电压经由所述逆变器注入所述电机，并且响应于所述DC总线的DC电压的改变，更改所述AC电压的大小，以随着所述DC电压的改变，将所述DC电压与所述大小之比推向恒定值。
2.如权利要求1所述的车辆电力系统，其中所述控制器进一步被配置为根据从所述电机对所述AC电压的电流响应导出的旋转变压器偏移量信息来操作所述电机。
3.如权利要求2所述的车辆电力系统，其中所述旋转变压器偏移信息进一步从包含在查找表中的数据导出。
4.如权利要求1所述的车辆电力系统，其中所述逆变器的开关频率与所述AC电压的注入频率之比介于十与二十之间。
5.如权利要求1所述的车辆电力系统，其中所述控制器进一步被配置为以恒定占空比注入所述AC电压。
6.如权利要求1所述的车辆电力系统，其还包括牵引电池，其中所述DC总线电气地位于所述牵引电池与所述逆变器之间。
7.一种车辆电力系统，其包括：
电机；
逆变器；以及
控制器，所述控制器被编程为当随着输入到所述逆变器的DC电压的改变，将由所述逆变器输出的AC电压注入所述电机时，将所述逆变器的占空比推向恒定值，以从所述电机对所述AC电压的电流响应获取与所述电机相关联的旋转变压器偏移量信息。
8.如权利要求7所述的车辆电力系统，其中所述控制器进一步被编程为将所述占空比推向所述恒定值，使得在所述注入期间所述DC电压与所述AC电压的大小之比保持恒定。
9.如权利要求7所述的车辆电力系统，其中所述逆变器的开关频率与所述AC电压的注入频率之比介于十与二十之间。
10.如权利要求7所述的车辆电力系统，其中所述控制器进一步被配置为根据所述旋转变压器偏移量信息命令所述电机输出指定的转矩或转速。
11.如权利要求10所述的车辆电力系统，其中所述旋转变压器偏移信息量进一步从包含在查找表中的数据导出。
12.一种用于控制车辆电力系统的方法，其包括：
由控制器将AC电压经由逆变器注入电机；以及
响应于在所述注入期间输入到所述逆变器的DC电压的改变，由所述控制器更改所述AC电压的大小，以将所述DC电压与所述大小之比推向恒定值来获取关于所述电机的旋转变压器偏移量信息。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述逆变器的开关频率与所述注入频率之比介于十与二十之间。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述注入与恒定占空比输出相关联。
15.如权利要求12所述的方法，其还包括根据所述旋转变压器偏移量信息命令所述电机输出指定的转矩或转速。
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