CN113489277A - 无传感器凸极永磁同步电机及转子特性检测、启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无传感器凸极永磁同步电机及转子特性检测、启动方法，涉及电机领域。对于无传感器电机控制，包括启动时的控制，需要一种更稳健和先进的方法。本发明包括控制器，其被配置为在电机从静止状态启动时提供闭环控制，闭环控制包括被配置为至少部分地检测转子磁极性的控制器，由感测电路感测的定子的一个或多个电特性，并至少部分基于检测到的转子磁极性生成驱动命令；本技术方案基于转子磁各向异性或凸极性来检测或估计转子位置、转子转速和转子磁极性的转子特性检测。检测转子磁极性可以确定转子的方向，对于运动中的转子，还可以确定行程方向。高频注入实现转子位置检测，交流载波法实现转子磁极性检测。达到稳定和高效的目的。

Description

无传感器凸极永磁同步电机及转子特性检测、启动方法
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其涉及无传感器凸极永磁同步电机及转子特性检测、启动方法。
背景技术
在过去十年中，随着新一代电机控制技术的发展，基于无传感器的永磁同步电机(PMSM)系统已开始应用于商用风扇和风机驱动的应用。这些无传感器电机不仅可以在额定工作转速下提供高峰值效率，而且可以提供大的高效工作速度范围。此外，变速运行可使系统在非高峰时段(如夜间)以低容量运行，从而使HVAC系统实现高节能。
基于传感器的永磁同步电机系统的一个弊端是速度和/或位置传感器。也就是说，基于传感器的永磁同步电机系统使用电机外部的速度和/或位置传感器(如安装在电机轴上)，这会占用空间，以附加电子设备的形式增加成本，并且是降低电机可靠性的附加故障点。无位置传感器永磁同步电机系统不是采用外部传感器，而是依靠感应电机本身的运行特性来进行控制。在基于传感器的永磁同步电机系统中，无传感器控制通常涉及利用估计值，如估计的电机速度和/或估计的旋转角，来代替由外部传感器直接测量的控制值。
无传感器永磁同步电机系统通常消除外部传感器，如电机编码器和霍尔效应传感器，而且性能不会显著降低。为了克服直接的速度/位置传感器的不足，已采取了一些改进电机控制的方法，例如，通过根据电机的数学模型，结合开环估计器或闭环观测器，从测量的定子电压和电流中获取转子位置和速度信息。为了提高精确度，无传感器电机是指缺少与电机转子物理耦合以直接检测位置的机械结构，例如霍尔效应传感器或电机编码器，并且通常不排除传感器。例如，已知的具有闭环估计器的无传感器电机仍然包含用于测量电机控制器中的定子电流和电压的传感器，其可用于间接地估计定子位置。无传感器永磁同步电机系统有许多优点，如降低硬件复杂性、降低成本、减小尺寸、消除电缆、提高可靠性和减少维护。这种系统在恶劣环境和高速应用中也适用。然而，目前无传感器永磁同步电机系统的实现还有改进的余地，在商用风机驱动应用中，它很难提供稳定和高效的电机控制。
已知的无传感器永磁同步电机控制方法通常可分为两种主要类型，即依赖反电动势的方法和依赖信号注入的方法。反电势法估计电机在励磁下旋转产生的反电势，用于位置和速度估计。信号注入方法通常利用高频注入或其他励磁来跟踪转子的空间凸极效应图像，以提取位置信息。这两种技术通常结合基于电机数学模型的开环估计器或闭环观测器，从测量的定子电压/电流中获得转子速度信息。
静止时，转子转速为零(或接近零)，因此反电动势为零(或过低而无法可靠地与噪声区分)。这使得反电动势方法通常不适合控制电机从静止状态到运行速度。一些小型电机的应用试图通过使用制动系统(尝试并确保电机停止)和开环控制来克服这一问题，以使电机上升到反电动势可达到的转速。这在许多情况下是不可取的，如商用风机应用，其中制动系统可能无法可靠地保持转子零转速。信号注入方法通常更适合于零速和近零速运行，或者磁链观测器无法为闭环控制建立精确位置信息的任何低速范围。但是，它们也有一些缺陷。
与反电动势无传感器电机控制方法不同，信号注入无传感器电机控制方法依赖于永磁电机的磁场。因此，高频率信号注入通常只适用于有磁场的电机，例如凸极永磁同步电机(IPMSM)。在IPMSM中，永磁体不附着在转子表面，而是嵌入转子中。对于IPMSM，由于永磁体的磁导率比转子材料低，磁通路径中的有效气隙随转子位置而变化。这被称凸极效应或电机磁场饱和效应，它导致基于转子位置的定子电感的变化，进而导致定子电流的变化。因此，通过在注入高频信号期间监测定子的特性，可以估计转子位置和转子速度。
与传统的三相交流感应电机不同，永磁同步电机(PMSM)驱动系统通常采用特殊的启动方法。启动永磁电机转子对无传感器永磁同步电机系统来说是一个挑战，因为当电机处于静止状态时(例如在零速或低速时)，估计转子位置和速度的传统无传感器方法是不可靠的。例如，虽然反电动势通常与电机转速成正比，但当电机处于零速或低速时，反电动势启动方法的有意义的电压信息可能很难检测出来，因为反电动势可能无法与这些电压水平的噪声区分开来。从未知的转子位置和速度启动可能会导致启动故障或电机暂时反转。因此，传统的无传感器电机通常只处理启动时的简单情况。例如，一个简单的解决方案包括将电机停止或暂停在已知位置，在开环控制模式下运行电机以加速，直到观察者能够读取反电动势反馈以检测转子位置并将电机切换到闭环控制模式。多年来，人们开发了一些技术来改进这种“追赶”式的起步方法。虽然这些技术在小功率永磁电机中是有效的，但它们不太适合商用风机。商用风机机翼尺寸可能较大，从而产生较大的惯性，这通常会导致转子振荡或难以达到零速状态。有时，机翼上的自然风载力过大，无法通过制动保持转子，这导致这些开环启动方法在商用风机驱动应用中失败。
如上所述，在永磁同步电机系统中，有时使用依赖于磁场凸极的信号注入方法。这些方法通常不会在零或低速下检测转子位置/转速。这对信号注入法检测转子位置有重要影响。此外，已知的信号注入方法不能确定转子的磁极性，或者，如果正在移动，则无法确定转子的移动方向。对于无传感器电机控制，包括启动时的控制，需要一种更稳健和先进的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种无传感器凸极永磁同步电机，以达到稳定和高效目的。为此，本发明采取以下技术方案。
一种无传感器凸极永磁同步电机，包括：
电机壳体；
安装在电机壳体中并限定圆柱形空间的定子，所述定子具有三相定子绕组配置；
转子，其包括沿周围分布的多个凸极永磁体，使得所述转子表现出磁凸极性，所述转子可在所述圆柱形空间内旋转；
安装在电机壳体内的电机控制系统包括：
电源；
传感电路，用于感测所述定子的一个或多个电特性；
控制器，其被配置为在电机从静止状态启动时提供闭环控制，闭环控制包括被配置为至少部分地检测转子磁极性的控制器，由感测电路感测的定子的一个或多个电特性，并至少部分基于检测到的转子磁极性生成驱动命令；
驱动电路，用于在启动期间根据驱动命令对三相定子绕组结构通电，以操作电机；其中，控制器配置为通过生成在三相定子绕组配置中生成第一和第二电压脉冲的驱动命令来检测转子的磁极性，其中，感应电路配置为在第一电压脉冲期间感应第一峰值定子电流，并配置为在第二电压脉冲期间感测第二定子峰值电流，并且其中控制器被配置为基于第一定子峰值d轴电流和第二定子峰值d轴电流的比较来检测转子的磁极性。
作为优选技术手段：闭环控制包括：所述控制器被配置为根据信号注入方法来检测转子位置，驱动命令基于检测到的转子磁极性和转子位置。
作为优选技术手段：闭环控制包括：所述控制器被配置为根据信号注入方法来检测转子位置和转子速度，其中驱动命令基于检测到的转子磁极性、转子位置和转子速度。
作为优选技术手段：所述控制器被配置为根据交流载波法检测转子磁极性。
作为优选技术手段：所述控制器配置为通过生成驱动命令来检测转子磁极性，所述驱动命令在三相定子绕组配置中产生第一和第二电压脉冲，其中，感测电路被配置成在第一电压脉冲期间感测第一峰值定子电流，并且被配置成在第二第一电压脉冲期间感测第二峰值定子电流，其中所述控制器被配置成基于第一峰值定子d轴电流和第二峰值定子d轴电流的比较来检测转子磁极性。
作为优选技术手段：所述转子包括具有十个极的转子结构设计。
此外，提供另一种无传感器凸极永磁同步电机，其包括：
马达壳体；
定子安装在电机壳体中并限定圆柱形空间，该定子具有三相定子绕组构造；
转子包括多个内嵌式永磁体，所述多个内嵌式永磁体沿周向分布，使得所述转子表现出磁性，并且所述转子可在所述圆柱形空间内旋转。
安装在电机壳体中的电机控制系统，包括：
电源；
感测电路，用于感测定子的一个或多个电特性；
控制器，被配置为在电机从静止状态启动时提供闭环控制，该闭环控制包括控制器，该控制器被配置为至少部分地基于由定子感测到的定子的一个或多个电特性来检测转子的磁极性；感测电路并至少部分地基于检测到的转子磁极性来产生驱动命令；
驱动电路，用于根据驱动指令对三相定子绕组结构进行通电，以使电机在启动时运转；其中所述控制器被配置为响应于所述驱动电路以两个相反的振幅能量向所述三相定子绕组配置供能，基于从由所述感测电路感测到的所述定子的第一和第二电特性中提取的磁各向异性的差来检测转子的磁极性，脉冲。
此外，提供再一种无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：包括：
马达壳体；定子安装在电机壳体中并限定圆柱形空间，该定子具有三相定子绕组构造；
转子包括多个内嵌式永磁体，所述多个内嵌式永磁体沿周向分布，使得所述转子表现出磁性，并且所述转子可在所述圆柱形空间内旋转。
安装在电机壳体中的电机控制系统，包括：
电源；
感测电路，用于感测定子的一个或多个电特性；
控制器，被配置为在电机从静止状态启动时提供闭环控制，该闭环控制包括控制器，该控制器被配置为至少部分地基于由定子感测到的定子的一个或多个电特性来检测转子的磁极性；感测电路并至少部分地基于检测到的转子磁极性来产生驱动命令；
驱动电路，用于根据驱动指令对三相定子绕组结构进行通电，以使电机在启动时运转；其中，控制器配置为通过生成在三相定子绕组配置中生成第一和第二电压脉冲的驱动命令来检测转子的磁极性，其中控制器配置为在第一电压脉冲期间确定第一定子电流积分，并配置为确定在第二电压脉冲期间具有第二定子电流积分，并被配置为基于第一定子电流积分和第二定子电流积分的比较来检测转子磁极性。
此外，提供一种无传感器凸极永磁同步电机的转子特性检测方法，该方法包括：
产生具有第一振幅的第一脉冲电压信号；
产生具有与第一振幅相反的第二振幅的第二脉冲电压信号；
向定子注入第一脉冲电压；
感测第一定子电流响应以将第一脉冲电压注入到定子中；
将第二脉冲电压注入到定子中；
感测第二定子电流响应以将第二脉冲电压注入到定子中；
比较第一定子电流响应和第二定子电流响应；至少部分地基于比较来检测转子磁极性。
作为优选技术手段：所述定子具有能够产生磁场的三相绕组构造，其中，将所述第一脉冲电压注入到所述定子中,包括相对于所述电机沿着d轴注入所述第一脉冲电压。其中将第二脉冲电压注入到定子中包括沿着d轴注入第二脉冲电压。
作为优选技术手段：感测所述第一定子电流响应包括：在所述第一电压脉冲期间感测第一定子峰值相电流；并且其中，感测所述第二定子电流响应包括在所述第一电压脉冲期间感测第二定子峰值相电流。第二电压脉冲，并且其中比较包括比较第一峰值定子相电流和第二峰值定子电流响应，以检测转子是处于第一取向还是第二取向。
作为优选技术手段：将第二脉冲电压注入到定子中相对于第一脉冲电压偏移180度。
作为优选技术手段：从所述第一定子电流响应中提取第一磁各向异性信息，以及从所述第二定子电流响应中提取第二磁各向异性信息，其中，将所述第一定子电流响应与所述第二定子电流响应进行比较包括：比较来自第一定子电流响应的第一各向异性信息和来自第二定子电流响应的第二各向异性信息。
作为优选技术手段：检测转子的磁极性包括：检测所述转子是处于绕电机轴旋转了180度的第一方向还是第二方向。
此外，提供一种用于凸极永磁同步电机的无传感器启动方法，该方法包括：
向定子注入高频信号以估计转子位置；
感测定子对高频信号注入定子的响应；
根据感应到的定子对高频信号注入定子的响应估计转子位置；
将第一和第二脉冲电压信号注入到定子中以检测转子的磁极性，其中基于估计的转子位置注入脉冲电压信号；
感测对第一和第二脉冲电压信号注入到定子中的第一和第二定子的响应；
基于对第一和第二脉冲电压信号注入到定子中的感测到的定子响应来确定转子磁极性；
根据估算的转子位置和确定的转子磁极性，从静止状态控制电机速度。
作为优选技术手段：停止条件包括在10至-10RPM之间的速度。
作为优选技术手段：所述第一和第二定子对将所述第一和第二脉冲电压信号注入所述定子的响应包括在所述第一和第二电压脉冲期间的第一和第二峰值定子相电流信号，并且其中，确定转子磁极性包括基于第一和第二峰值定子相电流信号确定转子磁极性。
作为优选技术手段：将所述第一和第二脉冲电压信号注入到所述定子中包括：注入相移180度的所述第一和第二脉冲电压信号。
作为优选技术手段：确定转子的磁极性包括确定所述转子是处于第一方向还是第二方向，绕着电机轴旋转了180度，并且其中从静止状态控制所述电机速度包括：根据转子是处于第一方向还是第二方向，从静止状态控制电机速度。
有益效果：
本技术方案基于转子磁各向异性或凸极性来检测或估计转子位置、转子转速和转子磁极性的转子特性检测。检测转子磁极性可以确定转子的方向，对于运动中的转子，还可以确定行程方向。高频注入实现转子位置检测，交流载波法实现转子磁极性检测。该系统和方法还可以包括在检测到转子特性之后从静止状态开始的闭环启动控制。
转子特性检测不仅可以准确地检测转子位置和转子转速，还可以检测转子永磁体的磁极性和转子的顺时针或逆时针运动方向。基于转子位置和转速而不了解转子运动方向的电机控制会导致启动问题，例如意外振动、噪音等。通过在转子特性检测方法中加入转子极性检测方法，可以将电机的磁极性用于启动控制方法，从而提供更稳健和高效的启动。在一个实施例中，可使用两个电压脉冲来执行极性检测方法，其中转子位置(包括转子磁极性)是脉冲电流具有较高值的位置。当电压脉冲沿磁轴施加时，可以将脉冲注入的电压秒振幅设置为足够高以使电机饱和，这可以通过高频注入或其他方法进行估计。例如在一些实施例中，依赖于喷射特性和特定马达，可以在小于0.5秒的时间内高效且准确地获得包括转子速度和转子方向的转子位置。
将转子极性检测作为转子特性检测方法的一部分，增加了该方法的稳健性，并可用于改善启动电机控制。在极低转速下(10转/分)或逆时针方向(10转/分)检测电机的转子转速。通过将这种转子特性检测与适当先进的电机控制相结合，可以为商用风机应用提供一个在静止状态下的安全电机启动过程。例如，商用风机在顺时针或逆时针方向运行时，都可以进行稳健和高效的启动。
附图说明
图1A和1B为运行中的商用风机图，显示了电机启动前的旋转风扇翼和气流方向。
图2为根据本发明一个实施例的PMSM的分解图。
图3A-B为图2所示的永磁同步电机的装配前后透视图。
图4为根据本发明一个实施例的框图。
图5为用于商用风机PMSM的无传感器控制的示例性启动模式。
图6为永磁同步电机的参考轴。
图7A和7B为信号注入方法的两种可能结果。
图8为用于磁极性检测方法的示例性电压脉冲，显示了脉冲幅度、宽度和位置。
图9A为一个直接磁模型，显示了电感随着电流的增加而减小。
图9B为显示电感增加的逆磁模型。
图10A和10B为根据电流脉冲的峰值检测磁铁极性，其中信号注入方法检测d轴上的磁铁极性。
图10C和10D为根据电流脉冲的峰值检测磁铁极性，其中HFI方法检测负d轴上的磁铁极性。
图11为跟踪观测器方案图的一个实施例。
图12为示出PI控制器和积分函数的跟踪环锁相环。
图13为图12的跟踪回路的开环传递函数的频率特性图。
图14为使用具有32个样本的查找表来生成采样函数。
图15A-B为开环和闭环跟踪回路频率特性图。
图16A-D为在估计(d-q)(V)中的示例性参考电压、估计(d-q)中的电流、跟踪回路的PI控制器的输入以及在高频注入时随时间的估计位置。
图17A-C演示了转子极性检测，两个连续的电压脉冲显示电压、电流和位置校正。
图18A-C为一个完整的启动过程，包括通过应用HFI和两个脉冲进行转子极性检测来检测初始转子位置。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本发明提供了一种用于对无传感器电机(例如凸极永磁同步电机)进行鲁棒控制的系统和方法。该系统和方法包括从静止状态(包括零电机速度或低电机速度范围)使用闭环控制的电机启动控制。一种转子特性检测方法，包括根据本发明的一个实施例的信号注入方法，该信号注入方法能够检测显示转子磁各向异性或凸极效应的电机的某些转子特性，例如转子位置、转子速度和转子磁极性。转子特性检测方法可以包括转子极性检测方法。转子极性检测方法可以包括交流载波法。
转子特性检测方法不仅可以准确地检测转子位置和转子转速，还可以检测转子永磁体的磁极性和转子的顺时针或逆时针运动方向。基于转子位置和转速而不了解转子运动方向的电机控制会导致启动问题，例如意外振动、噪音等。通过在转子特性检测方法中加入转子极性检测方法，可以将电机的磁极性用于启动控制方法，从而提供更稳健和高效的启动。在一个实施例中，可使用两个电压脉冲来执行极性检测方法，其中转子位置(包括转子磁极性)是脉冲电流具有较高值的位置。当电压脉冲沿磁轴施加时，可以将脉冲注入的电压振幅设置为足够高以使电机饱和，这可以通过高频注入或其他方法进行估计。例如在一些实施例中，依赖于喷射特性和特定马达，可以在小于0.5秒的时间内高效且准确地获得包括转子速度和转子方向的转子位置。
一旦检测到初始转子位置，包括转子速度和方向，电机控制器可配置为执行启动电机控制方法，其中电机控制器使用由高级电机控制方法执行的闭环控制算法直接从零或低速控制电机的速度，例如直接磁通控制(DFC)方法。
将转子极性检测作为转子特性检测方法的一部分，增加了该方法的稳健性，并可用于改善启动电机控制。在极低转速下(10转/分)或逆时针方向(10转/分)检测电机的转子转速。通过将这种转子特性检测方法与适当先进的电机控制方法相结合，可以为商用风机应用提供一个在静止状态下的安全电机启动过程。例如，商用风机在顺时针或逆时针方向运行时，都可以进行稳健和高效的启动。
通过参考本实施例和附图的描述，将更充分地理解和理解本发明的这些和其他目的、优点和特征。
在详细解释本发明的实施例之前，应当理解，本发明不限于以下描述中所述或附图中所示的部件的操作细节或构造和布置细节。本发明可以在各种其他实施例中实现，并且可以在本文未明确公开的替代方式中实践或实验。另外，应当理解，本文中使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应被视为限制性的。“包括”和“包含”及其变体的使用意欲包括下文所列的项目及其等价物，以及附加项目及其等价物。此外，枚举可用于描述各种实施例。除非另有明确说明，枚举的使用不应被解释为将本发明限制在任何特定的顺序或数量的组件上。枚举的使用也不应被解释为从本发明的范围中排除可能与所列举的步骤或组件组合在一起的任何附加步骤或组件。将权利要求元素称为“X、Y和Z中的至少一个”的任何引用意味着分别包括X、Y或Z中的任何一个，以及X、Y和Z的任何组合，例如X，Y，Z；X，Y；X，Z；和Y，Z。
图1A和1B说明了示例性商用风机结构10的正面和侧面示意图。图中显示了示例性基本部件，包括风扇叶11、永磁同步电机(PMSM)12和轴向气流方向13。当风扇叶片11由永磁同步电机驱动以一定速度和旋转方向14运行时，叶片产生压力，推动气流通过风扇13。当由永磁同步电机12驱动时，风扇可产生规定的气流，以满足基于电机电子设备的配置或编程的气流要求，通常包括在电机本身内。叶片11也可以在没有动力的情况下旋转，这是由于自然风的流动，称为风力运行。风力运行的旋转方向可以是顺时针或逆时针，并且或多或少是随机的。
图2为永磁同步电机12的一个实施例的分解图，图3A为永磁同步电机12的后视图，图3B为永磁同步电机12的前、轴侧透视图。所描绘的马达12的实施例具有包括后端护罩223、前端护罩229和中间护罩225的壳体或外壳234。三个屏蔽可接合以协同地形成PMSM 12的外壳300。包括电机223控制系统的密封罩223和电机模块223。润滑剂密封230可以围绕从马达外壳234伸出的驱动轴232并密封前端护罩229。在对照实施例中，电机壳体可由附加的、较少的或不同的组成部件构成，这些部件基本上以任何适当的方式与电机配合，使电机12能够将电能转换为机械能，例如旋转驱动轴。
本实施例的电机12包括电机控制系统224、定子226和转子228。马达控制系统224可以例如通过后密封端护罩223和密封中护罩225的配合来安装和密封在马达中的单独空腔中。电机控制系统224能够驱动定子226的多相交流电磁铁以产生随线路电流振荡而随时间旋转的磁场。一旦处于稳定状态，转子(例如通过嵌入转子中的永磁体)与定子226同步转动，结果使定子的驱动轴232旋转。电机可包括支撑和定位转子的轴承227，以保持定子226和转子228之间的气隙小且一致。防水电气连接222，用于将电源布线、连接或以其他方式耦合到电机控制系统224和定子226。线盖221可与后端屏蔽223固定或整体形成。
在本发明的实施例中，所述电机是凸极永磁同步电机(IPMSM)。典型的凸极永磁电机转子结构，例如本实施例的转子结构，具有凸极效应的特性，即电机电感(d，q)不相等。图中示出了一个示例性IPMSM电机。7A-B.永磁体700嵌入转子228中，转子228和定子226之间存在气隙702。定子包括可由马达控制系统224供电以在气隙702周围产生旋转磁场的绕组35。本质上，任何IPM电机配置都可以在磁体布置为电机电感不相等的情况下实现。尽管所描绘的实施例包括两个磁体，但是具有附加磁体的其它布置适合提供不相等的电机电感(d，q)。
图1所示实施例中的永磁同步电机部件的配置、布置和选择。1–3A和3B是典型的。替代实施例可以具有附加的、不同的或更少的组件。例如，尽管在所描绘的PMSM电机的上下文中描述了当前实施例，但是可以实现其他实施例，其使用另一种类型的无传感器无刷永磁电机(BPM)、无传感器电换向电机(ECM)、无传感器矢量控制的电机系统，或其他类型的无传感器变速电机结构和配置。
现在将详细讨论电机控制系统224的示例性实施例。一般来说，电机控制系统224可以包括一个或多个微控制器、微处理器和/或编程为执行本文所述功能的其他可编程电子器件。电机控制系统224可另外或可选地包括编程以执行本文所述功能的其它电子部件，或支持微控制器、微处理器和/或其他电子元件的其它电子部件。其他电子元件包括但不限于一个或多个现场可编程门阵列、片上系统、易失性或非易失性存储器、离散电路、集成电路、专用集成电路(ASICs)和/或其他硬件、软件或固件。这些组件可以以任何合适的方式进行物理配置，例如通过将它们安装到一个或多个电路板上，或者以其他方式排列它们，无论是组合成单个单元还是分布在多个单元中。这些部件可以物理分布在马达12中的不同位置，或者它们可以位于马达12内的公共位置，例如在由后端护罩223和中间护罩225形成的密封外壳内。当物理分布时，组件可以使用任何合适的串行或并行通信协议进行通信，例如但不限于SCI、WiFi、蓝牙、火线、I2C、RS-232、RS-485和通用串行总线(USB)。
参照图4，电机控制系统224的一个实施例包括多种不同电子元件的组合，包括但不限于电源电路441，以将源电源450转换为合适的电压、电流和频率，驱动电路442用于基于驱动命令驱动电机定子绕组，感测电路442用于感测一个或多个用于一个或多个电机控制方法的电机特性，控制器444，用于实现一个或多个电机控制方法，并基于感测到的电机特性向驱动电路提供驱动命令，用于监控包括一个或多个电机控制方法在内的电机操作的监控接口445，以及命令输入接口446，用于向控制器444提供各种命令输入。
用于执行各种已知电机控制方法的驱动和感测电路442和电源电路441是众所周知的，因此将详细说明。用于实现本文所述的转子特性检测方法的各种实施例(包括本文所述的高频注入转子位置和速度检测方法以及转子极性检测方法的实施例)的驱动和感测电路442可以是使用的相同的驱动和感测电路442转子转速或其它已知转子位置检测方法。例如，驱动和感测电路可以包括三相全桥拓扑，以及能够检测各种定子特性(例如定子相电流和定子电压)的感测电路。在一个实施例中，感测电路能够检测定子相电流、定子相电压和直流链路电压。也就是说，可以利用驱动和感测电路442的已知硬件配置来实现本文所述的转子特性检测方法的实施例。在替代实施例中，感测电路442可包括感测附加、不同或更少特性的电路。
控制器444可以包括存储器，或者可以访问位于共享电路板上或位于电机内其他位置的存储器。存储器可以包含与转子特性检测方法相关的各种操作参数。例如，存储器可以包括一个或多个查找表，例如在图14中以图形方式描绘的值，这里将更详细地讨论这些表。
控制器444可配置转子特性检测方法。也就是说，控制器上的软件、编程和/或逻辑可以配置为转子特性检测方法，该方法包括以下子方法：
1)一种基于电机的凸极效应检测转子位置的转子位置检测方法，例如信号注入法。信号注入方法可以是本文描述的信号注入方法之一，或者是替代的已知信号注入方法。转子位置检测还可以包括检测转子速度。
2)一种基于电机磁各向异性检测转子极性的转子极性检测方法，例如脉冲信号注入法。一个实施例的脉冲信号注入方法包括向定子施加异相电压脉冲并基于定子电流响应识别转子极性，这可以被称为交流载波方法。
用转子位置检测方法检测转子位置是指检测或估计转子相对于电机定子的位置。位置可以得到或转换成任何合适的坐标系。例如，高频注入方法的一个实施例包括将高频注入期间或之后的定子电流测量值转换为以弧度表示的转子位置，如图16A-D所示。
转子位置检测方法可检测转子转速。例如，通过检测或估计转子位置，可以检测或估计转子速度。
可使用转子极性检测方法检测转子磁极性。转子磁极性是指转子的运动方向，即顺时针或逆时针。转子极性检测方法的一个实施例包括在对准电机转子位置的d轴上施加两个电压脉冲，一个正脉冲，一个负电压脉冲。简单地说，这两个脉冲彼此相差180度，即第二个电压脉冲波形的时间偏移等于第一个电压脉冲周期的一半。在开始向定子注入第一电压脉冲后，感测电路感测到第一定子电流响应。响应可以被感测为电流A1的积分，例如电压脉冲波形的整个周期或其一部分的电流积分，例如正脉冲宽度部分(标记)或负脉冲宽度部分(空间)。响应可以通过感测峰值定子电流Ipulse1，例如第一电压脉冲期间的峰值定子相电流来交替地或另外地感测。在开始向定子注入第二电压脉冲后，感测电路感测到第二定子电流响应。第二定子电流响应可以与第一定子电流响应类似的方式测量，例如通过测量积分A2或峰值相电流Ipulse2，包括在第二电压脉冲期间的定子峰值相电流。转子极性检测方法比较第一和第二电压脉冲期间的电流响应，例如峰值定子相电流或电流积分，以检测转子是否处于围绕电机轴旋转180度的第一方向还是第二方向。
参考图4，控制器444可以处理无传感器永磁同步电机的控制，包括启动和稳态操作。控制器444可以根据一个或多个不同的控制方案来控制定子228，例如磁场定向控制(FOC)、直接转矩控制(DTC)或直接磁通控制(DFC)。
控制器可配置为根据各种不同的因素在不同的启动控制策略之间进行选择。例如，参考图5，控制器可以基于电机特性检测方法是否检测到静止状态、正风运行条件或逆风运行条件来选择适当的控制策略。控制器可以检测转子位置和转子速度，例如利用高频注入法，可以检测转子极性，例如利用转子极性检测方法，确定转子的当前状态(例如，静止、正风运行或逆风运行)，然后根据转子状态和控制方法之间的预设映射，选择合适的控制方法。
电机控制器还可以配置为根据各种因素在多种控制方法之间无缝过渡。例如，控制器444可以被配置成当马达处于静止状态时在启动时使用的第一控制方法(例如HFI方法)，然后，响应于检测不同的电机状态(例如转子特性检测方法估计超过阈值的情况下，使得磁通或其他类型的观测器能够产生可靠的信号)，控制器444可以切换到使用第二个控制方法(例如DFC，并且应用来自磁通观测器的现在可靠的估计来将马达速度斜坡到工作速度区域中的稳态)。也就是说，控制器444可以被配置成当速度非常低或甚至在零速度时使用转子速度和/或转子位置估计值，所述转子特性检测方法在低或零电机速度下提供可靠的转子位置和/或转子速度估计值，然后，在电机达到足够的速度后，使用特殊的启动电机控制方法，电机可以过渡到另一种更适合正常运行的控制方法。控制器还可以被配置成在其启动电机控制方法中考虑转子极性，例如通过从多个不同的电机控制方法中选择(如，适合于正风运行的方法、适合于静止的方法和适合于负风运行的方法)，如图5所示。或者，启动电机控制方法可以基于检测到的转子特性或者通过应用与从多个不同的电机控制方法中选择相反的特性来调整电机控制方法。
将详细描述高频注入方法的多个不同实施例及其实现。高频注入法的各种实施例可以为利用闭环控制从静止状态(零速或低速)运行的永磁同步电机提供鲁棒启动方法。
图5为示例性风扇启动条件和风扇启动过程的示意图。横轴表示时间t，纵轴表示电机速度ω，图中显示了三个电机速度区：
1.静止区：-ω1到ω1——电机转速为零或在接近零的范围内。例如，-10RPM到10RPM。
2.风力运行区：-ω1到-ω2和ω1到ω2——电机速度超出静止区，但低于工作区。例如，10RPM到300RPM和-10RPM到-300RPM。
3.操作区域：>ω2——电机速度高于电机在稳定速度控制下运行的风速范围。例如，300RPM或更高。
根据这些典型的电机速度区，可以定义不同的电机启动程序。电机控制器可配置为根据初始电机速度将电机速度提升至操作区的目标速度。例如，电机控制器可以根据检测到以下三个初始电机速度情况中的哪一个来控制电机。
1.正风运行情况：如果启动电机的速度处于正风运行区域，例如由于自然风的作用，电机控制器可以控制电机，利用闭环控制21，将电机速度从风运行区提升到运行区内的目标速度。
2.静止情况：如果电机速度在静止范围内，例如-10RPM到10RPM之间，电机控制器可以启动一个静止启动程序，包括激活闭环控制22，将电机速度从静止区域提升到操作区域内的目标速度。如果转子在静止状态下移动，可能是由于自然风的作用。
3.逆风运行情况：如果电机在负风运行速度范围内，例如小于-10RPM，电机控制器可启动闭环控制23，从逆风运行速度范围向静止速度范围倾斜，通过静止速度范围，然后继续爬坡到运行速度范围内的目标速度。
电机控制器也可以配置为在指定的启动时间段(Tst 24)内斜坡到工作速度。开始时间Tst可以限制在短的定时内，例如10秒或20秒。电机控制器可以在工作区内爬坡到目标速度，不论初始电机速度在任何速度区间内。无位置传感器永磁同步电机控制系统可以按照这种启动方法运行，以确保各种初始条件得到适当处理。
观测器(例如闭环观测器)、估计器(例如开环估计器)、模型(例如电机模型、转子模型或定子模型)和本文所述的任何其他功能模块指定控制器444或控制系统224的部件。这些功能模块的方面可以存储在控制器444的存储器中，并且还可以形成控制器配置的一部分，它们成为控制器444的一部分，使控制器444被配置为操作、接收和转换一个或多个输入并输出一个或多个输出。也就是说，这些不同的模块可以构成控制器444配置的一部分，使得控制器444被配置成结合转子特性检测方法的实施例从感测电路接收一个或多个输入，并将与电机控制方法相关联的一个或多个驱动命令输出到驱动电路马达。
所采用的矢量坐标参考30在图6中的定义，用于一般的径向凸极永磁同步电机。定子36包括三相绕组(a-b-c)35，如果通电，分别承载三相电流(ia、ib、ic)；这些可以转换成固定坐标系(α-β)31。以同步速度旋转的转子37可以处于凸极坐标中，从而在磁极中心线d轴和垂直线q轴之间产生不同的磁导率和电感，共同参考为同步转子坐标(d-q轴)33。
因此，转子位置检测方法估计d-axis
Figure BDA0002930902470000121
的位置。定子三相绕组(ia、ib、ic)在定子磁链ds轴与转矩qs轴(ds-qs)32的参考坐标系上以同步速度或定子磁链矢量
Figure BDA0002930902470000122
产生旋转磁场。用于矢量的下标“s”指定子磁链参考坐标系。d-q轴代表转子位置，ds-qs轴代表定子磁链位置，以同步速度旋转，角度称为转矩角。
通常，对于永磁同步电机，产生凸极效应的方法有两种，一种是通过电机转子结构设计来产生凸极效应，使转子在d轴和q轴磁通路径上具有不同的磁导率，通常为Lq>Ld，例如凸极永磁同步电机。第二种方法是通过增加d轴和q轴磁通路径上的饱和度来产生凸极效应，从而产生不同的磁导率。一般来说，任何一台永磁同步电机在Lq和Ld之间有显著差异(例如Lq比Ld大5％或更多)时，都会提供有意义的信号，并可用作检测转子位置和估计转速的传感器。在涉及凸极永磁同步电机的当前实施例中，电机转子结构设计提供了足以检测转子位置和估计速度的磁凸极性。
Ⅰ高频注入
众所周知，通过向定子绕组中注入高频信号，可以在没有外部传感器的情况下确定转子位置和转子转速。一般来说，这种方法是通过向定子注入高频信号，根据电机的数学模型监测定子电流，并调整高频注入信号，直到确定转子位置。
对于表面装配的永磁电机，Ld和Lq磁通路径中的有效气隙相同。永磁体具有低磁导率，在电感计算中基本上可以视为空气，这意味着Ld与Lq相同，并且表面安装的永磁电机具有低电感凸极，即无论转子的位置如何，在定子处测得的电感值都是恒定的。相反，如图6所示，对于凸极永磁电机，磁铁嵌入转子材料(例如铁或钢)内，并且由于永磁体具有较低的磁导率，磁通路径中的有效气隙随转子位置而变化。这被称为磁凸极效应，它会导致定子的电感随转子位置的变化而变化。
高频注入法的基本概念是，当高频注入电压通过d轴注入IPMSM，转子位置如图6所示，测量的电流将处于最高水平，因为磁通路径通过转子的永磁体而具有最低的电感。这意味着电机阻抗处于最小值。当高频电压通过q轴注入电机，而转子磁铁处于相同位置时，由于没有通过转子的任何永久磁铁，因此测量的电流处于最低水平，电机阻抗处于最大值。这意味着转子磁极的位置可以通过电机的凸极效应来检测。
例如，在启动时，假设电机控制器不知道转子永磁体产生的磁极的实际位置(即转子位置未知)。控制器可以假定任意轴，并将其定义为d轴(见图6)，有时也称为假定磁极轴。然后在假设的d轴上注入高频电压信号，通过定子电流测量跟踪实际磁极位置。
基本高频注入数学模型可用于HFI启动方法，以确定估计的转子位置。电机控制器可配置为根据HFI电机模型注入信号，以确定转子位置和/或转子速度。现在将更详细地讨论HFI电机模型。
如图6所示，结合电机转子坐标(直轴，d和正交轴，q)，描述了用于高频注入的无传感器IPM电机的磁模型。
Figure BDA0002930902470000131
Ldh,Lqh,Ldqh＝Lqdh是与(d，q)平面33中的操作点相对应的微分电感，如图6所示。
与磁模型(1)中的电感相对应的平均和差分电感可定义为：
Figure BDA0002930902470000132
使用复符号并使用复共轭电流矢量
Figure BDA0002930902470000133
高频磁场模型(1)变为：
Figure BDA0002930902470000134
模型(3)的新表达式强调正、负序电流分量的影响。可以看到，负序电流矢量旋转的角度定义为：
Figure BDA0002930902470000135
高频磁模型磁通量与电流的倒数[1]由(3)获得：
Figure BDA0002930902470000136
其中：
Figure BDA0002930902470000141
根据高频电机模型，当正弦高频电压叠加在基波电压上时，电机绕组中会出现正弦高频电流。高频电流包含与转子位置相关的信息，这些信息可以通过解调算法提取，然后应用于跟踪观测器。
如图6所示，模型(4)可转换为静止参考系(α,β)31，使用对称变换：
Figure BDA0002930902470000142
以及
Figure BDA0002930902470000143
模型(4)变为：
Figure BDA0002930902470000144
式中
Figure BDA0002930902470000145
是图6中的电机转子位置33。
提供了一种使用脉冲载波的高频注入方法。在一个实施例中，具有脉动载波的高频注入方法使用以恒定载波频率ωh(rad/s)叠加在估计的d轴电压分量上的脉动电压矢量，例如：
Figure BDA0002930902470000146
估算转子参考坐标系
Figure BDA0002930902470000147
中相应的高频电流矢量分量为：
Figure BDA0002930902470000148
其中
Figure BDA0002930902470000149
为实际转子坐标(d,q)与估计坐标
Figure BDA00029309024700001410
之间的角度误差。
方程(10)表明，估计的q轴高频电流分量的振幅包含位置误差信息，因此可以通过无传感器方法提取。在对转子位置进行精确估计的情况下，稳态运行时q轴高频分量应为零。
Ⅱ脉冲注入转子磁极性检测
前面描述的带有脉冲载波的HFI方法在跟踪电机d轴时具有180度的不确定性，并且检测到在一个电气周期内两次变为零的误差。也就是说，HFI法可以根据磁体相对于定子的位置来确定转子位置，但不能确定永磁体的极性。例如，参照图7A-B，HFI方法可以确定永久磁铁的位置如图7A-B所示。然而，无法区分7A和7B的极性因此无法区分两个不同转子的位置。这是因为HFI法依赖于磁凸极效应，这在d轴上是相同的，不管哪个永久磁铁是北极哪个是南极。
因此，可能出现两种情况，如图7A-B所示，在第一种情况下，HFI位置检测方法检测电机d轴(正)。在这种情况下，转子的实际主磁通轴41、转子估计的主磁通轴42和转子磁通链矢量位置43在图7A中一致。在第二种情况下，HFI方法检测负d轴，参考图7B，转子的实际主磁链轴44和转子磁链矢量位置46一致，但转子的估计主磁链轴为45，与实际的主磁链轴44相差180度。
因此，在执行HFI方法之后，需要进行额外的测试来确定检测到的轴是正d轴(图7A)还是负d轴(图7B)，即检测磁铁极性。
一个特殊的电压波形可以作为检测参照来进行极性检测。在一个实施例中，波形包括两个电压脉冲，+Vpulse和–Vpulse脉冲，其相位相差180度，即第二个电压脉冲波形在时间上偏移等于其周期的一半。图8为在检测轴上和在负检测轴上具有一定振幅Vpulse,51和时间tpulse长度,52的两个电压脉冲，该距离为电机转子磁极跨距长度53。
假设低速范围(-10—+10RPM)或无转子移动，则检测到的d轴电压方程为：
Figure BDA0002930902470000151
忽略定子电阻上的电压减小，则(11)变成：
Figure BDA0002930902470000152
d轴电压包括两个电压脉冲54，其定义如图8所示：
Figure BDA0002930902470000153
当正电流(以及磁励力MMF)由于磁铁沿正d轴产生时，可以检测到电机饱和度，如图9A-B所示。
如图9A所示，其中一个脉冲与磁通方向一致，从而增加定子铁的磁化强度，并驱动直轴电感Ld进入饱和状态。当电流在外加电压脉冲方向上累积时，直轴电感Ld 61的值减小。
另一个电流脉冲与磁通量方向相反，这将使定子饱和，并且直轴电感Ld 62将增加，如图9B所示。
当注入电压脉冲的伏-秒值相同时，电流脉冲的振幅将不同，如图10A或图10B所示，其中Ipulse1>Ipulse2，如图10A所示，即转子轴的正方向，图10A中的正确磁铁极性72显示估计的q轴与实际q轴重叠。图10A-D中总结了这两种可能的情况。
在第一种情况下，结合图10A-B，第一个电流脉冲71高于第二个电流脉冲72，因此HFI方法提供了与实际转子位置73和74相匹配的正确估计转子位置。在第二种情况下，结合图10C-D，第二脉冲76大于第一脉冲75，因此HFI方法提供了负磁极性(负D轴)。因此，HFI方法提供的位置必须用180电角度77和78进行校正。因此，极性检测方法能够区分转子相对于磁体磁极的位置。
Ⅲ跟踪观测器
跟踪观测器的一个实施例如图11所示，在基于图6中的(d,q)坐标的估计转子坐标
Figure BDA0002930902470000161
下进行。该跟踪观测器可在控制器444、电机控制系统224中的其他地方或与系统通信的单独控制器中实现。
图11描绘了示出跟踪观测器80的一个实施例的框图。在所描绘的实施例中，将来自感测电路442的测量三相电流(ia、ib、ic)输入到固定坐标系变换函数84，将三相电流转换为固定坐标系(α,β)31,，它又可以被输入到d-q变换函数86，将感测到的固定坐标系电流转换到d-q坐标，参考33，输入到跟踪观测器80。在替代实施例中，电流可以直接转换为d-q系，或者可以使用不同的参考系将电流输入到跟踪观测器中。
d-q坐标中的合成感测电流idq被输入到跟踪观测器80并通过带通滤波器88，该滤波器从电流分量
Figure BDA0002930902470000162
中提取注入的高频分量。特别是，在启动时，基频为零，因此滤波器可以不活动。当转子以低速运行时，例如由于风的运行而产生RPM，该滤波器将被激活，以获取转子、idh和iqh.缓慢移动时的位置。
根据解调功能90使用解调频率Fdemod 81解调iqh电流，得到的解调信号包括包含实际转子位置和估计转子位置之间的误差的电流分量；产生的信号εHF(跟踪回路误差)被应用于PI控制器92，其输出是估计的转子速度
Figure BDA0002930902470000163
图14描绘了PI控制器的功能的一个实施例。估计的速度被输入到积分器94以获得估计的转子位置
Figure BDA0002930902470000164
控制器444可配置为选择注入频率和电压幅度。在一个实施例中，注入频率足够高以获得快速响应(例如小于200毫秒)并降低对定子电阻的灵敏度。例如，注入频率的实际值包括500赫兹至1千赫之间，但超出该范围的值可能是有效的。
可以选择高频电压振幅以获得电流的某个高频振幅。在高频时，定子电阻可以忽略不计。假设完美定向vdh＝Vh·cos(ωht),vqh＝0，高频d轴电流峰值可近似为：
Figure BDA0002930902470000165
控制器注入电压Vh，其提供0.3-0.5A范围内的d轴高频电流的振幅，这提供了合理的信噪比，例如，-50V—+50V的注入电压对于某些应用来说是一个可实现的值。
解调方程可以定义为：
Figure BDA0002930902470000166
其中
Figure BDA0002930902470000171
如果将解调方程(15)应用于(10)给出的高频估计q轴分量，则PI控制器的输入(HF跟踪回路的误差)变为：
Figure BDA0002930902470000172
其中
Figure BDA0002930902470000173
启动是在空载时进行的，因此交叉饱和电感Ldqh可以忽略，因此，可以将(16)简化为：
Figure BDA0002930902470000174
对于小的定位误差，我们可以假设
Figure BDA0002930902470000175
因此应用于PI控制器的跟踪回路误差是：
Figure BDA0002930902470000176
高频分量cos(2ωht)应远远高于PI控制器的频宽，因此，有效的跟踪回路误差是由于PI控制器将作为高频分量cos(2ωht)的低通滤波器(LPF)而在实际位置和估计位置之间的误差：
Figure BDA0002930902470000177
从(15)可以看出，解调函数的峰值取决于电机参数。
如(17,18)所示，跟踪回路控制器误差是实际转子位置与估计转子位置之间的误差。因此，如图12所示，跟踪环路与PLL方案等效。
跟踪环路PLL的开环传输函数为:
Figure BDA0002930902470000178
其中kp,HF是PI比例增益，ki,HF是积分值，
Figure BDA0002930902470000179
是调整零值。
HOL(s)的频率特性图如图13所示。交叉频率ωcHF(接近闭环操作的频宽ωbwHF)等于比例增益，而相位裕度与相位裕度ΦPM,HF直接相关，102见(21)：
Figure BDA0002930902470000181
PI控制器可按以下步骤配置：
1.施加所需的跟踪环路频宽ωbwHF(rad/s)
kp,HF＝ωbwHF(rad/s) (22)
2.施加跟踪回路的期望相位裕度ΦPM,HF,deg
Figure BDA0002930902470000182
为了避免超调，相位裕度可以设置在一定的度数范围内，例如70-80。频宽的选择与响应时间和注入的高频信号有关。实际的相位裕度可以在注入频率
Figure BDA0002930902470000183
范围内。
可以选择用于磁极性检测的脉冲注入电压和时间，以获得正d轴上的深度饱和。电流脉冲值可以等于或高于电机额定峰值。可根据d轴磁通与d轴电流的变化自动选择数值(d轴上的直接磁模型)。或者，可以使用试错法来选择用于磁极性检测的脉冲注入电压和时间。
ⅣHFI w/极性检测数值举例
高频注入信号的频率可以选择为采样频率的子倍数。这使得(9)中使用的cos(ωht)的生成可以和采样频率同步执行。此外，子倍数可以是偶数。在一个示例性实施例中，被测电机的所选注入频率(MUT)为500Hz，即一个高频周期的32个样本。三角函数在控制程序中使用预先计算的查找表(LUT)生成，如图14,111和112所示。
参考图12，使用具有32个样本的LUT生成sin(ωht),cos(ωht)系列。
在示例性实施例中，MUT是一种无传感器的永磁同步电机，其电感：
Figure BDA0002930902470000184
对于500Hz的注入频率，高频d轴电抗为：
Xdh＝2·π·fh·Ldh＝2·π·500·0.036＝113.09Ω (25)
MUT定子电阻在25℃时为2.33，因此定子电阻远小于d轴高频电抗。
为便于解释，MUT高频电压振幅可选择为50V，因此d轴电流的峰值为：
Figure BDA0002930902470000191
举例来说，使用振幅Vh＝50V的脉冲电压，在fh＝500hz的注入频率下，解调函数的峰值为：
Figure BDA0002930902470000192
Figure BDA0002930902470000193
可在电机启动前计算(28)，并将其存储在电机控制系统224内的存储器中，例如在数据库、变量或查找表中，以便在实施中进行实时计算。
跟踪回路的频宽选择为25Hz，而相位裕度选择为80度，用(29)和(30)分别计算跟踪回路的PI控制器的增益：
kp,HF＝ωbwHF＝2·π·fbw＝2·π·25＝157(rad/s) (29)
Figure BDA0002930902470000194
跟踪回路的开环和闭环传递函数的频率特性图如图15A-B所示，其中已显示闭环实际频宽约为30hz，121，开环传递函数的相位为25hz，约为-100度，由此产生80度的相位裕度，122。
对于转子极性检测，脉冲注入电压和时间可如下选择，对于MUT，选择了以下值(Ts是对应于16kHz的采样时间)：
Figure BDA0002930902470000195
MUT的磁通量为λm＝0.185(Vs)(25℃)，因此施加在电机上的总伏-秒数约为额定磁通量的50％。该值可以是选择转子极性检测的伏-秒数的度量。附加磁通的增加取决于电机的磁模型。例如，对于不同的电机MUT相对于磁通量增加了100％，这与它的模型一致。
采用交流载波法的HFI适用于550W无刷永磁电机，该电机配备有650mm的叶片。采用交流载波法的HFI的有效性如图16A-D所示。
图16A为在d轴上注入电压峰值50V，图16B显示d轴电流峰值约为0.4A。图16C显示注入期间的PI误差。参考图16D，估计位置θHF显示了平滑的响应，几乎没有超调。此外，尽管注入信号被设置为200ms，但是响应时间小于100ms。
这里描述了一个磁铁极性检测的例子。图17A显示由HFI位置检测施加在估计d轴上的两个电压脉冲141、142，其振幅为50V和-50V。参照图17B，第一个脉冲143，Ipulse1(1.663A)的振幅低于第二个脉冲144，Ipulse2(2.386A)的振幅。结果，脉冲注入检测到电机转子处于负电机d轴配置中，如图10C-10D所示。因此，磁通观测器角度初始化为：
Figure BDA0002930902470000201
在图17C中，由于π以上的翻转，观测者角度145显示为负值。
图18A-C中显示了从零速度直接观测的完整启动程序的示例。在图18A中，在开始时刻，HFI 151用于检测转子位置，其波形与图16A相同。在检测到初始转子位置之后，通过施加两个电压脉冲152来执行极性检测和验证，如图17A-C所示。在这两个步骤之后，获得估计的位置，并且闭环控制153被激活，例如DFC控制。图18B显示在闭环控制之后，参考速度曲线和估计速度曲线是吻合的。图18C显示了稳定控制的两个参考量的固定坐标。
转子特性检测方法，包括用于转子速度和位置检测的高频注入和用于转子极性检测的脉冲注入，可以检测出具有转子磁各向异性的BPM电机的特性。特别强调，采用交流载波HFI方法检测转子磁极性是有效和稳健的。一旦检测到初始位置和转子磁极性，电机控制器就可以在速度控制中基于直接磁链控制(DFC)的闭环控制，从低速直接启动电机。
这种带有极性检测的HFI法具有很强的鲁棒性，能够在零转速和低速(几转/分)顺时针或逆时针旋转时提供转子位置。因此，本发明提供了在商用风机应用中从静止状态开始的合适的启动过程。
方向性术语，例如“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“内部”、“外部”等用于帮助描述本发明基于插图中所示实施例的方向。方向术语的使用不应被解释为将本发明限制在任何特定方向上。
上述描述是本发明当前实施例的描述，可以在不偏离所附权利要求的情况下进行各种更改，这些内容将根据专利法的原则(包括等同原则)进行解释。本详述出于说明目的，不应解释为对本发明的所有实施例的详尽描述，也不应将权利要求的范围限制为结合这些实施例所示出或描述的特定元素。例如，且不限于，所描述的本发明的任何单个元件可以被提供基本相似功能或以其他方式提供适当操作的替代元件代替。这包括当前已知的替代元件，如本领域技术人员目前可能已知的元件，以及将来可能开发的替代元件，本领域技术人员在开发后可以识别为替代元件的元件等。此外，所公开的实施例包括组合描述以及可以协同提供益处等多个特征。本发明不仅限于那些包括所有这些特征或提供所有所述优点的实施例，除非在已发布的权利要求中另有明确规定。

Claims (19)

1.一种无传感器凸极永磁同步电机，包括：
电机壳体；
安装在电机壳体中并限定圆柱形空间的定子，所述定子具有三相定子绕组配置；
转子，其包括沿周围分布的多个凸极永磁体，使得所述转子表现出磁凸极性，所述转子可在所述圆柱形空间内旋转；
安装在电机壳体内的电机控制系统包括：电源；
传感电路，用于感测所述定子的一个或多个电特性；
控制器，其被配置为在电机从静止状态启动时提供闭环控制，闭环控制包括被配置为至少部分地检测转子磁极性的控制器，由感测电路感测的定子的一个或多个电特性，并至少部分基于检测到的转子磁极性生成驱动命令；
驱动电路，用于在启动期间根据驱动命令对三相定子绕组结构通电，以操作电机；其中，控制器配置为通过生成在三相定子绕组配置中生成第一和第二电压脉冲的驱动命令来检测转子的磁极性，其中，感应电路配置为在第一电压脉冲期间感应第一峰值定子电流，并配置为在第二电压脉冲期间感测第二定子峰值电流，并且其中控制器被配置为基于第一定子峰值d轴电流和第二定子峰值d轴电流的比较来检测转子的磁极性。
2.根据权利要求1所述的无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：闭环控制包括：所述控制器被配置为根据信号注入方法来检测转子位置，驱动命令基于检测到的转子磁极性和转子位置。
3.根据权利要求1所述的无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：闭环控制包括：所述控制器被配置为根据信号注入方法来检测转子位置和转子速度，其中所述驱动命令基于检测到的转子磁极性、转子位置和转子速度。
4.根据权利要求1所述的无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：所述控制器被配置为根据交流载波法检测转子磁极性。
5.根据权利要求1所述的无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：所述控制器配置为通过生成驱动命令来检测转子磁极性，所述驱动命令在三相定子绕组配置中产生第一和第二电压脉冲，其中，感测电路被配置成在第一电压脉冲期间感测第一峰值定子电流，并且被配置成在第二电压脉冲期间感测第二峰值定子电流，其中所述控制器被配置成基于第一峰值定子d轴电流和第二峰值定子d轴电流的比较来检测转子磁极性。
6.根据权利要求1所述的无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：所述转子包括具有十个极的转子结构设计。
7.一种无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：包括：
马达壳体；
定子安装在电机壳体中并限定圆柱形空间，该定子具有三相定子绕组构造；
转子包括多个内嵌式永磁体，所述多个内嵌式永磁体沿周向分布，使得所述转子表现出磁性，并且所述转子可在所述圆柱形空间内旋转；
安装在电机壳体中的电机控制系统，包括：
电源；
感测电路，用于感测定子的一个或多个电特性；
控制器，被配置为在电机从静止状态启动时提供闭环控制，该闭环控制包括控制器，该控制器被配置为至少部分地基于由定子感测到的定子的一个或多个电特性来检测转子的磁极性；感测电路并至少部分地基于检测到的转子磁极性来产生驱动命令；
驱动电路，用于根据驱动指令对三相定子绕组结构进行通电，以使电机在启动时运转；其中所述控制器被配置为响应于所述驱动电路以两个相反的振幅能量向所述三相定子绕组配置供能，基于从由所述感测电路感测到的所述定子的第一和第二电特性中提取的磁各向异性的差来检测转子的磁极性脉冲。
8.一种无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：包括：
马达壳体；定子安装在电机壳体中并限定圆柱形空间，该定子具有三相定子绕组构造；
转子包括多个内嵌式永磁体，所述多个内嵌式永磁体沿周向分布，使得所述转子表现出磁性，并且所述转子可在所述圆柱形空间内旋转；
安装在电机壳体中的电机控制系统，包括：
电源；
感测电路，用于感测定子的一个或多个电特性；
控制器，被配置为在电机从静止状态启动时提供闭环控制，该闭环控制包括控制器，该控制器被配置为至少部分地基于由定子感测到的定子的一个或多个电特性来检测转子的磁极性；感测电路并至少部分地基于检测到的转子磁极性来产生驱动命令；
驱动电路，用于根据驱动指令对三相定子绕组结构进行通电，以使电机在启动时运转；其中，控制器配置为通过生成在三相定子绕组配置中生成第一和第二电压脉冲的驱动命令来检测转子的磁极性，其中控制器配置为在第一电压脉冲期间确定第一定子电流积分，并配置为确定在第二电压脉冲期间具有第二定子电流积分，并被配置为基于第一定子电流积分和第二定子电流积分的比较来检测转子磁极性。
9.一种无传感器凸极永磁同步电机的转子特性检测方法，其特征在于：该方法包括：
产生具有第一振幅的第一脉冲电压信号；
产生具有与第一振幅相反的第二振幅的第二脉冲电压信号；
向定子注入第一脉冲电压；
感测第一定子电流响应以将第一脉冲电压注入到定子中；
将第二脉冲电压注入到定子中；
感测第二定子电流响应以将第二脉冲电压注入到定子中；
比较第一定子电流响应和第二定子电流响应；至少部分地基于比较来检测转子磁极性。
10.根据权利要求9所述的转子特性检测方法，其特征在于：所述定子具有能够产生磁场的三相绕组构造，其中，将所述第一脉冲电压注入到所述定子中,包括相对于所述电机沿着d轴注入所述第一脉冲电压；其中将第二脉冲电压注入到定子中包括沿着d轴注入第二脉冲电压。
11.根据权利要求9所述的转子特性检测方法，其特征在于：感测所述第一定子电流响应包括：在第一电压脉冲期间感测第一定子峰值相电流；并且其中，感测所述第二定子电流响应包括在所述第一电压脉冲期间感测第二定子峰值相电流；第二电压脉冲，并且其中比较包括比较第一峰值定子相电流和第二峰值定子电流响应，以检测转子是处于第一取向还是第二取向。
12.根据权利要求9所述的转子特性检测方法，其特征在于：将第二脉冲电压注入到定子中相对于第一脉冲电压偏移180度。
13.根据权利要求9所述的转子特性检测方法，其特征在于：从所述第一定子电流响应中提取第一磁各向异性信息，以及从所述第二定子电流响应中提取第二磁各向异性信息，其中，将所述第一定子电流响应与所述第二定子电流响应进行比较包括：比较来自第一定子电流响应的第一各向异性信息和来自第二定子电流响应的第二各向异性信息。
14.根据权利要求9所述的转子特性检测方法，其特征在于：检测转子的磁极性包括：检测所述转子是处于绕电机轴旋转了180度的第一方向还是第二方向。
15.一种用于凸极永磁同步电机的无传感器启动方法，其特征在于：该方法包括：
向定子注入高频信号以估计转子位置；
感测定子对高频信号注入定子的响应；
根据感应到的定子对高频信号注入定子的响应估计转子位置；
将第一和第二脉冲电压信号注入到定子中以检测转子的磁极性，其中基于估计的转子位置注入脉冲电压信号；
感测对第一和第二脉冲电压信号注入到定子中的第一和第二定子的响应；
基于对第一和第二脉冲电压信号注入到定子中的感测到的定子响应来确定转子磁极性；
根据估算的转子位置和确定的转子磁极性，从静止状态控制电机速度。
16.根据权利要求15所述的无传感器启动方法，其特征在于：停止条件包括在10至-10RPM之间的速度。
17.根据权利要求15所述的无传感器启动方法，其特征在于：所述第一和第二定子对将所述第一和第二脉冲电压信号注入所述定子的响应包括在所述第一和第二电压脉冲期间的第一和第二峰值定子相电流信号，并且其中，确定转子磁极性包括基于第一和第二峰值定子相电流信号确定转子磁极性。
18.根据权利要求15所述的无传感器启动方法，其特征在于：将所述第一和第二脉冲电压信号注入到所述定子中包括：注入相移180度的所述第一和第二脉冲电压信号。
19.根据权利要求15所述的无传感器启动方法，其特征在于：确定转子的磁极性包括确定所述转子是处于第一方向还是第二方向，绕着电机轴旋转了180度，并且其中从静止状态控制所述电机速度包括：根据转子是处于第一方向还是第二方向，从静止状态控制电机速度。
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