CN112425061A

CN112425061A - 用于确定绕线转子同步电机的转子的位置和速度的方法

Info

Publication number: CN112425061A
Application number: CN201980045704.1A
Authority: CN
Inventors: M·科泰希; A·梅萨利; M·加恩斯
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2021-02-26
Also published as: FR3084222A1; EP3824540A1; WO2020016001A1; FR3084222B1; EP3824540B1

Abstract

本发明涉及一种用于对由三相逆变器供电的绕线转子同步机器的转子的速度和位置进行估计的方法，该方法包括：独立于该电机的参数、诸如该电机的定子电感值而根据位置增益参数(K_e)以及所计算的误差(ε)的符号(0¹¹)估计该转子的位置(Θ)的步骤；以及独立于该电机的参数、诸如该电机的定子电感值而根据速度增益参数(K_(J)以及所计算的误差(ε)的符号(0¹¹)估计转子速度

的步骤。

Description

用于确定绕线转子同步电机的转子的位置和速度的方法

技术领域

本发明涉及绕线转子同步电机领域。

更具体地，本发明涉及用于确定绕线转子同步电机的转子的位置和速度的方法。

背景技术

为了控制绕线转子同步电机(缩写为WRSM)，通常需要知道转子的位置和速度。

现有技术已知的一种解决方法包括在该机器的机械轴上安装一个或多个机械的位置传感器和速度传感器。

然而，这些机械传感器价格昂贵、体积庞大、对环境(温度、噪声、机械振荡、电磁兼容性等)敏感，并且会降低系统的可靠性。

因此，为了避免使用机械传感器，已经开发了不使用机械传感器的控制方法，以确保与使用机械传感器进行控制的方法相比质量等同或甚至更好的控制。

通常，这些不使用传感器的控制方法使用在闭环模式下仅基于电流的测量结果来估计机械位置/速度的算法，也称为软件传感器。

还已知的是用于通过注入高频信号来估计转子的位置/速度的方法，如文献US2004070360 A1中所描述的，该方法具有允许较少地依赖于机器参数进行检测的效果。

然而，这些方法仍然取决于电机的参数，并且更具体地对于WRSM而言，取决于转子所经历的定子电感。另外，这些技术依赖于了解注入信号的特性，诸如幅度和频率。

因此，需要一种更可靠并且更少地依赖于绕线转子同步电机的参数的用于估计位置/速度的方法。

发明内容

为此，提出了一种用于估计由三相逆变器供电的绕线转子同步机器的转子的速度和位置的方法，该方法包括：

-测量该绕线转子同步机器的输入端处的三相电流的步骤；

-将所测得的三相电流变换为两相参考系的步骤；

-第一部分包括：

-在该机器的输入端处注入高频电压信号的步骤；

-用于确定该转子的位置估计的误差值(ε)的解调步骤；

其特征在于，该方法包括第二部分，该第二部分包括：

-计算该位置估计误差的符号的步骤；

-独立于该电机的参数、诸如该电机的定子电感值而根据位置增益参数、由此计算出的该误差的符号估计该转子的位置的步骤；以及

-独立于该电机的参数、诸如该电机的定子电感值而根据速度增益参数、由此计算出的该误差的符号估计该转子的速度的步骤。

因此，可以仅从独立于电机的参数估计转子的速度和位置，这提高了稳健性以及适应于任何绕线转子机器的简便性。

有利地并且以非限制性的方式，在给定时刻估计的该转子的位置的步骤作为在前一时刻估计的位置以及在该前一时刻估计的速度的函数。因此，通过这种循环模式方法来估计位置，可以获得快速、简单和稳健的估计。

有利地并且以非限制性的方式，在给定时刻估计的该转子的位置的步骤作为在前一时刻估计的速度的函数。因此，通过这种循环模式方法来估计速度，可以获得快速、简单和稳健的估计。

有利地并且以非限制性的方式，该方法还实施了根据该误差的符号以及在该前一时刻估计的加速度计算加速度的步骤。因此，可以获得稳健且独立于电机参数的加速度估计。

有利地并且以非限制性的方式，该方法还包括根据该误差的符号以及在该前一时刻估计的加速度动态范围值计算加速度动态范围的步骤。因此，可以获得稳健且独立于电机参数的加速度动态范围的估计。该估计允许改善该方法的其他估计。

有利地并且以非限制性的方式，计算该加速度的步骤作为在该前一时刻估计的加速度动态范围值的函数。因此，可以获得甚至更准确的加速度值。

有利地并且以非限制性的方式，位置增益参数和速度增益参数是在该前一时刻估计的加速度动态范围值的函数。因此，可以获得自适应增益，从而改善位置估计和速度估计。

有利地并且以非限制性的方式，位置增益参数和速度增益参数是在该前一时刻估计的加速度值的函数。因此，可以获得自适应增益，从而改善位置估计和速度估计。

本发明还涉及一种组件，该组件包括绕线转子同步电机以及用于实施如前所述的方法的设备。

本发明还涉及一种包括如前所述的组件的机动车辆。

附图说明

参考附图，通过阅读以下以指示性但非限制性方式给出的本发明的具体实施例的描述，本发明的其他具体特征和优点将变得明显，在附图中：

-图1是根据本发明的方法的示意图；

-图2是根据本发明的方法中采用的转子和计算轴的示意性表示；

-图3是根据本发明的第一实施例的计算转子的位置估计和速度估计的步骤的示意图；

-图4是根据本发明的第二实施例的计算转子的位置估计和速度估计的步骤的示意图；以及

-图5是根据本发明的第三实施例的计算转子的位置估计和速度估计的步骤的示意图。

具体实施方式

一种用于估计绕线转子同步机器的转子的速度和位置的方法包括测量10三相电流的步骤以及两个不同的部分：处理信号的第一部分11(特别地包括注入高频(HF)信号和提取误差表达)以及根据所注入的信号进行估计的第二部分12。

首先，该方法实施了测量10绕线转子同步机器的输入端处的三相电流i_a、i_b、i_c的步骤。该绕线转子同步机器由三相逆变器供电。然而，该步骤不是必须在该方法的第一部分11之前执行，该步骤也可以在该方法的第一部分11期间执行，例如，在需要涉及所测得的三相电流值i_a、i_b、i_c之前执行。

该方法的第一部分11包括实施用于注入高频信号(通常称为脉动技术)的方法。换言之，通过在估计的旋转参考系

中将高频信号(此处为高频电压)添加到逆变器的输入电压来进行注入。

本领域技术人员已知的脉动技术允许将高频电压注入到估计的派克参考系

参考图2，根据以下等式将派克参考系相对于角度

定向，该角度对应于转子20的位置估计：

其中：

V_c是所注入的高频电压的幅度。

是所注入的高频电压的频率。

通过应用以下等式从所测得的三相电流推导所测得的两相电流

该等式(1)描述了根据该方法的测量步骤10进行的三相电流i_a、i_b、i_c的测量，以及根据肯考迪亚(Concordia)变换的稳态三相两相变换αβ。

假设所估计的旋转轴

上的电流为零(假设这些轴是去耦合的)，然后通过将所获得的两相电流

旋转角度

以得到所估计的旋转轴

中的单个测量结果。

实际上，尽管认为轴

上的电流

近似为零，但实际上它是误差

的函数。这就是为什么实施所谓的跟踪算法方法是有用的，该方法使该位置误差ε最小化以便恢复转子的正确位置θ。换言之，由于电流

与位置误差

成比例，因此寻求消除该电流的角度值

在这种情况下

然后应用解调步骤，此处是本领域技术人员已知的外差解调步骤。在该步骤中，电流

乘以sinω_ct，然后通过应用低通滤波器来对该结果进行滤波，此处该低通滤波器是一阶的，但是该低通滤波器还可以是二阶或者更高阶。

因此，可以通过以下等式(3)和(4)计算误差：

其中：

Ld、Lq对应于该机器的参考系d、q的定子电感，

Vc是所注入的信号的幅度；并且

ω_c是所注入的信号的脉动。

现在，该误差函数ε仍然取决于机器的参数，此处是机器的参考系d、q中的定子电感Ld、Lq。

因此，为了使估计方法独立于机器的参数，该方法包括根据所注入的信号获得估计的第二部分12，这比现有技术的方法更稳健。

根据本发明的第一实施例，参考图3，根据以下等式定义一个独立的参数，该参数被称为估计量参数σ，或者更简单地称为估计量：

并且当

其中：

因此，所获得的估计量σ独立于机器的参数、尤其独立于电感值，并且与同等式(3)有关的所注入的信号的特性解耦。

仅需要误差

的符号即可在给定的时刻k+1通过根据以下等式提出的创新估计量(8)(9)估计交流电机的位置和速度，而无需机械传感器：

其中

如果

如果

如果

选择参数K_θ和K_ω以确保收敛的快速性和对干扰(抖动、偏移等)的抑制。例如，可以定义K_θ＝1并且K_ω＝1500，这确保了良好的质量估计和有限的时间稳定性。Ts是估计量的采样周期。

因此，在时刻k+1可以独立于机器参数而仅根据在前一时刻估计的位置

在前一时刻估计的速度

以及根据位置估计误差的符号σ来计算转子的估计位置

在时刻k+1还可以独立于机器参数而仅根据在前一时刻估计的速度

以及根据位置误差的符号σ来计算转子的估计速度

因此，通过使用限定估计量σ的等式(7)，可以获得相对稳健的位置和速度的估计。

根据本发明的第二实施例，参考图4，可以进一步提高转子的速度和位置的估计的稳健性。

为此，基于以下等式(13)、(14)和(15)提出了另一种计算方式，该计算模式相对于根据等式(8)和(9)的第一实施例的模型进行了扩充。

本发明的第二实施例考虑了转子的速度的动态范围，目的是校正加速阶段的速度和位置的估计误差。

因此，第一实施例的估计等式(8)和(9)被以下等式替代：

其中函数S由前面的等式(10)、(11)和(12)定义。

因此，本发明的该第二实施例的估计量包括估计机器的转子的位置

速度

以及加速度

因此，该估计量使得可以通过考虑速度的动态范围来抵消机器加速阶段的速度和位置估计偏差，而不会以任何方式涉及了解机器的机械参数(惯性、负载扭矩、取决于轮胎和道路的特性的摩擦力)，这允许避免使用机械系统观察器。

此外，本发明的第二实施例允许独立于机器的机械参数的知识而经由加速度(速度动态范围)的估计获得关于机器的扭矩预算的信息。

参考图5，源自本发明第二实施例的本发明第三实施例也通过设法减少加速度的波动来修改估计等式(13)、(14)和(15)，其效果是允许获得对位置和速度的更准确的估计。

然后，通过以下等式(16)、(17)、(18)和(19)给出修改的估计等式：

其中函数

由等式(10)、(11)和(12)定义。

因此，根据前一时刻k的误差符号在时刻k+1计算加速度动态范围值

然后，根据等式(18)的时刻k+1的加速度值是在前一时刻k计算的加速度动态范围值

的函数。

第四实施例(未表示)包括根据基于等式(15)的加速度估计来调整等式(13)和(14)的位置估计量和速度估计量的增益，以及根据加速度的动态范围(19)调整等式(16)、(17)、(18)的位置估计量、速度估计量和加速度估计量的增益。

这使得进行更加准确的估计。因此，针对第二实施例的等式(13)、(14)的估计量调整的增益由以下等式(20)至(22)定义：

并且针对第三实施例的等式(16)、(17)和(18)的估计量调整的增益是：

其中函数

由等式(10)、(11)和(12)定义。

Claims

1.一种用于对由三相逆变器供电的绕线转子同步机器(20)的转子(20)的速度和位置进行估计的方法，该方法包括：

-测量该绕线转子同步机器(20)的输入端处的三相电流(i_a，i_b，i_c)的步骤；

-将所测得的三相电流(i_a，i_b，i_c)变换为两相参考系

的步骤；

-第一部分(11)包括：

-在该机器的输入端处注入高频电压信号的步骤；

-用于确定该转子(20)的位置估计的误差值(ε)的解调步骤；其特征在于，该方法包括第二部分(12)，该第二部分包括：

-计算该位置估计误差(ε)的符号(σ)的步骤；

-独立于该电机的参数、诸如该电机的定子电感值而根据位置增益参数(K_θ)、由此计算出的该误差(ε)的符号(σ)估计该转子的位置

的步骤；以及

-独立于该电机的参数、诸如该电机的定子电感值而根据速度增益参数(K_ω)、由此计算出的该误差(ε)的符号(σ)估计该转子的速度

的步骤。

2.如权利要求1所述的估计方法，其特征在于，在给定时刻(k+1)估计该转子的位置

的步骤作为在前一时刻(k)估计的位置

以及在该前一时刻(k)估计的速度

的函数。

3.如权利要求1或2所述的估计方法，其特征在于，在给定时刻(k+1)估计的该转子的速度

的步骤作为在该前一时刻(k)估计的速度

的函数。

4.如权利要求1至3中任一项所述的估计方法，其特征在于，该方法还实施了根据该误差(ε)的符号(σ)以及在该前一时刻(k)估计的加速度

计算加速度

的步骤。

5.如权利要求1至4中任一项所述的估计方法，其特征在于，该方法还包括根据该误差(ε)的符号(σ)以及在该前一时刻(k)估计的加速度动态范围值

计算加速度动态范围

的步骤。

6.如权利要求5所述的估计方法，其特征在于，计算该加速度

的步骤作为在该前一时刻(k)估计的加速度动态范围值

的函数。

7.如权利要求4至6中任一项所述的估计方法，其特征在于，位置增益参数(K_θ)和速度增益参数(K_ω)是在该前一时刻(k)估计的加速度动态范围值

的函数。

8.如权利要求5和6中任一项所述的估计方法，其特征在于，位置增益参数(K_θ)和速度增益参数(K_ω)是在该前一时刻(k)估计的加速度值

的函数。

9.一种组件，该组件包括绕线转子同步电机以及用于实施如权利要求1至8中任一项所述的方法的设备。

10.一种机动车辆，该机动车辆包括如权利要求9所述的组件。