CN113497530A - 无传感器凸极永磁同步电机及启动电机控制方法 - Google Patents

无传感器凸极永磁同步电机及启动电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了无传感器凸极永磁同步电机及启动电机控制方法,涉及电机领域。无传感器电机的启动到运行的闭环控制，需要一种更稳健和先进的方法。本发明包括控制器，在启动期间检测转子运动，以获得启动时刻电机转速估计值；从多个不同的电机转速估计方法中选择一个作为基于启动电机转速估计的初始启动电机转速估计方法；根据选定的初始启动电机转速估算方法估算电机转速；根据提供给控制器的反馈，使用闭环控制在电机启动期间生成驱动命令，以及根据所选择的初始启动电机速度估计值获得的电机速度估计值。本技术方案采用动态高频注入速度估计方法，即使在转子以不可忽略的速度旋转时也可以使用，以达到电机稳定和高效启动。

Description

无传感器凸极永磁同步电机及启动电机控制方法
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启动电机控制方法。
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，变速运行允许系统在非高峰时段(如夜间)以低容量运行，这使得使用永磁同步电机系统的暖通空调系统实现高节能。此外，这些电控永磁同步电机系统还通过云计算等多种通信技术，为产品系统AI控制和远程控制提供广泛的传感和监控机会，以提高运行的节能性、安全性和可靠性。
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，如估计的位置角度和估计的转子速度，来代替由外部传感器直接测量的控制值。
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(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不可靠，例如基于磁通量的速度估计，通常在正常运行速度下使用是稳健和可靠的。
已知的无传感器永磁同步电机启动控制方法通常可分为两种主要类型，一种是依靠反电动势的方法，另一种是依靠信号注入的方法。反电动势启动方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信号注入或与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。
虽然反电动势电压通常与电机转速成比例，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监测出来，因为反电动势可能无法与这些电平的噪声区分开来。从未知转子位置和速度控制电机启动可能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停在已知位置，在开环控制模式下运行电机使加速，直到观察者能够读取反电动势反馈以监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”式的启动方法。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。商用风机的机翼尺寸可能较大，从而有较大的惯性，这通常会导致转子振动或难以达到零速状态。有时，施加在机翼上的自然风力过大，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中失败。
虽然下一代商用HVAC产品使用先进的永磁同步电机系统来驱动风机，但这些系统在启动过程中缺乏在低速范围内提供所需电机速度控制的能力，例如在10秒以上才能提供30-50转/ 分的稳定转速，在已知永磁同步电机系统中提供这方面类型的控制存在着重大挑战。
一些启动电机控制系统使用高频注入(“HFI”)方法，该方法依赖于凸极永磁同步电机系统中存在的磁凸极性。然而，这些方法涉及到HFI对电机响应的复杂分析，该分析要求电机处于零或非常低的速度，通常通过开环控制来实现，例如使用制动系统，其存在上述相同的问题。在高于静止水平的速度下(即零到几个RPM)，HFI可以串接电机控制，并对控制系统输出信号的响应和完整性产生负面影响。
对于无传感器电机控制，包括从启动到运行的闭环控制，无论电机的运行特性如何，都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，以达到电机稳定和高效启动目的。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，其特征在于：包括：
电机机壳；
安装在电机机壳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；
一种转子，其包括沿周向分布的多个内嵌式永磁体，使得所述转子表现出磁凸极性，所述转子可通过所述定子的三相定子绕组结构的激励而在所述圆柱形空间内旋转；
安装在电机机壳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，配置为在电机启动期间提供闭环控制，控制器配置为：
在启动期间检测转子运动，以获得启动时刻电机转速估计值；
从所述多个不同的电机转速估计方法中选择一个作为基于启动电机转速估计的初始启动电机转速估计方法；
根据选定的初始启动电机转速估算方法估算电机转速；
根据提供给控制器的反馈，使用闭环控制在电机启动期间生成驱动命令，反馈包括基于定子的一个或多个电气特性的信息，以及根据所选择的初始启动电机速度估计值获得的电机速度估计值；
驱动电路，用于根据电机启动时的驱动命令，为定子的三相定子绕组配置生成励磁信号。
作为优选技术手段：所述控制器配置为通过向磁通观测器提供电压误差矢量来获得启动电机转速估计值，其中所述电压矢量为启动时刻期间定子电流的函数获得的。
作为优选技术手段：所述控制器获得启动时刻电机速度估计值，作为启动时刻反电动势信息的函数。
作为优选技术手段：所述控制器包括一个通用dq控制器，可在第一个配置之间进行选择性配置，其中通用dq控制器编程以获得反电动势信息，并基于反电动势获得启动电机转速估计值信息，以及第二配置通用dq控制器被编程为根据直接磁通控制方法生成驱动命令。
作为优选技术手段：通用dq控制器的第一个配置包括配置用于电流控制的d控制器和配置为用于电流控制的q控制器，其中通用dq控制器的第二个配置包括配置为磁通的d控制器控件和为当前控制配置的q控制器。
作为优选技术手段：多种不同的电机速度估计方法包括高频注入(DHFI)电机速度估计方法和磁通观测器电机速度估计方法，其中，控制器响应于启动时刻速度估计低于阈值速度，选择HFI电机速度估计方法作为初始启动电机速度估计方法，其中控制器响应于启动时刻速度估计高于阈值速度选择磁通观测器电机速度估计方法临界速度。
作为优选技术手段：多种不同的电机速度估计方法包括动态高频注入(DHFI)电机速度估计方法，其中控制器选择DHFI电机速度估计方法作为初始启动电机速度估计方法响应于起始时刻速度估计低于阈值速度，其中，所述控制器被配置为除了驱动电路产生的励磁信号外，还将高频信号注入三相定子绕组配置中，从而根据DHFI电机速度估计方法来估计电机速度，感应三相定子绕组配置对驱动电路产生的组合高频信号和励磁信号的响应，将对高频信号注入的响应与感测响应解耦，根据对高频信号注入的解耦响应估计电机转速，将对励磁信号的响应与感测响应解耦，并将对励磁信号的解耦响应作为反馈提供给控制器。
作为优选技术手段：所述控制器配置为通过两个相同的移动平均滤波器将对高频信号注入的响应与感测响应解耦，并将对励磁信号的响应与感测响应解耦，其中滤波器的输出是高频 q轴电流，其中控制器配置为基于q轴电流估计电机速度，其中控制器配置为从感测响应中移除q轴电流，以将对励磁信号的响应与感测响应解耦，并提供作为输入到定子磁通量观测器的励磁信号的解耦响应。
作为优选技术手段：所述控制器配置为通过带通滤波器和带阻滤波器中的至少一个将对高频信号注入的响应与感测响应解耦，并将对励磁信号的响应从感测响应中解耦出来。
作为优选技术手段：所述控制器配置为基于定子的一个或多个电气特性和转子的磁极凸极性来获得第一个电机速度估计值，以及基于第二不同电机转速估计值，其基于定子的一个或多个电气特性和用于估计定子磁通的电机数学模型的电机转速估计。
作为优选技术手段：所述控制器配置为除了驱动电路产生的励磁信号外，还将高频信号注入三相定子绕组配置中，感测三相定子绕组配置对驱动电路产生的高频信号和励磁信号，在响应中对驱动电路产生的高频信号和励磁信号进行解耦，得到基于解耦高频信号响应的第一电机转速估计值，并根据解耦后的励磁信号响应得到电机的二次转速估计值。
作为优选技术手段：启动力矩电机转速估计值包括足以得出转子转速和转子位置的信息，其中，从所选择的电机速度估计方法获得的速度估计包括足以导出转子速度和转子位置的信息。
作为优选技术手段：控制器被编程为在无开环控制的情况下生成驱动命令。
作为优选技术手段：控制器被编程为在启动期间基于估计电机速度设置的控制标志生成驱动命令。
作为优选技术手段：所述控制器编程为基于多个控制标志(包括运动检测信号、高频注入信号、极性检测信号和观测器模式信号)在启动期间生成驱动命令。
作为优选技术手段：多种不同的电机速度估计方法包括动态高频注入(DHFI)电机速度估计方法，所述控制器被配置为根据所述DHFI来估计电机速度；电机速度估计方法，通过配置控制器以将高频信号除驱动电路生成的激励信号外注入三相定子绕组配置中，还可以感测三相定子绕组配置中对组合高频信号的响应驱动电路生成的信号和激励信号，将高频信号注入的响应与感测到的响应解耦，基于对高频信号注入的解耦的响应，估算电机速度，将感测到的激励信号的响应解耦响应，并提供对激励信号的解耦响应作为对控制器的反馈。
作为优选技术手段：所述控制器被配置为基于解耦信号在至少预定时间内维持速度，或者接收到触发信号。
作为优选技术手段：基于解耦信号，经由所述闭环直接磁通量控制将速度维持在预定范围内至少预定时间或直到接收到触发信号为止。
此外,提供一种用于上述无传感器凸极永磁同步电机的启动电机控制方法，其包括步骤：
感应定子的一个或多个电气特性；
在启动力矩期间检测转子运动，以获得启动力矩电机转速估计值；以及
从多个不同的电机转速估计方法中选择不同电机转速估计方法中的一个作为基于启动力矩电机转速估计的初始启动电机转速估计方法；
根据选定的初始启动电机转速估算方法估算电机转速；
根据提供给电机控制系统的反馈，在电机启动期间生成驱动命令，所述反馈包括基于定子的一个或多个电气特性的信息以及根据所选择的初始启动电机速度估计获得的电机速度估计值；
根据驱动电机时产生的励磁命令产生励磁信号。
作为优选技术手段：获得启动力矩电机转速估计值包括向磁通观测器提供电压矢量，其中电压矢量是作为启动力矩期间定子电流的函数而获得的。
作为优选技术手段：所述获得启动力矩电机转速估计值包括在启动时刻期间检测反电动势信息和基于反电动势信息获得启动力矩电机转速估计值。
作为优选技术手段：包括在第一个配置之间选择性地配置通用dq控制器，其中通用dq 控制器被编程以获得与转子相关的反电动势信息，第二个配置中通用dq控制器被编程以生成驱动命令根据电机启动时的直接磁通控制方法。
作为优选技术手段：选择性地将通用dq控制器配置为第一配置，包括配置用于磁通控制的d控制器和用于电流控制的q控制器，其中，选择性地将通用dq控制器配置为第二配置包括配置用于磁通量控制的d控制器和用于电流控制的q控制器。
作为优选技术手段：包括选择高频注入电机速度估计方法作为初始启动电机速度估计方法，以响应启动时刻速度估计低于阈值，并选择磁通观测器电机速度估计方法以响应起始时刻速度估计高于阈值。
作为优选技术手段：包括响应启动时刻速度估计低于阈值而选择动态高频注入电机速度估计方法，以及根据DHFI通过注入定子来估计电机速度，高频信号和由驱动电路产生的励磁信号，感测定子中对组合高频信号和励磁信号的响应，将驱动电路产生的高频信号和励磁信号中的至少一个从响应中解耦，估计电机速度基于至少一个解耦信号。
作为优选技术手段：去耦包括将高频信号注入与感测响应解耦，并通过过滤定子中对组合高频信号和励磁信号的响应，将励磁信号与感测响应解耦。
作为优选技术手段：包括根据定子的一个或多个电气特性和转子的磁显著性获得第一个电机转速估计值，以及第二个不同的电机转速估计值，其基于定子的一个或多个电气特性和电机数学模型的电机转速估计。
作为优选技术手段：启动力矩电机转速估计值包括足以导出转子转速和转子位置的信息，其中，从所选电机转速估计值获得的转速估计值包括足以导出转子转速和转子位置的信息。
作为优选技术手段：包括在不开环控制的情况下在启动期间生成驱动命令。
作为优选技术手段：包括基于控制标志在启动期间生成驱动命令，以及根据估计的电机速度在启动期间实时设置控制标志的值。
作为优选技术手段：包括基于多个控制标志在启动期间生成驱动命令；控制标志包括运动检测信号、高频注入信号、极性检测信号和观察者模式信号。
作为优选技术手段：根据动态高频注入(DHFI)电机速度估算方法估算电机速度，方法是将高频信号和驱动电路生成的励磁信号注入到定子中，并感测定子中对组合高功率的响应频率信号和激励信号，将对高频信号的响应和对激励信号的响应中的至少一个从定子响应中解耦出来，并基于解耦后的信号执行闭环直接磁通控制。
有益效果：本技术方案涉及凸极永磁电机系统的控制，可用于商用风机驱动应用的控制。本技术方案可以有效地启动永磁同步电机系统，而不考虑磁场中的操作条件，使用闭环控制从启动时刻到正常运行。
具体的,本技术方案可以包括以下特点的一个或组合：
根据不同的启动电机条件对电机进行全闭环启动控制；
·程序化转子运动监测操作，用于监测电机启动瞬间的转子运动；
·电机控制器部件的选择性配置，以提供一个通用dq控制器，用于监测转子运动、在启动期间控制电机以及在正常运行期间控制电机；
·动态高频注入(“DHFI”)，包括将高频注入(“HFI”)信号和转子运动信号与定子电流响应解耦的系统和方法；
·通过不同控制模式的各种信号操作的综合编程电机启动序列。信号和控制模式的状态根据定子反馈和从定子反馈中获得的其他信息而变化，例如，包括转子的估计速度，这些信息可根据几个因素进行不同的测量。最终，在电机转速可在大范围内变化的启动过程中，在电机控制方法之间转换的能力为闭环启动电机控制提供了一个安全、可靠的过程。
本技术方案能够启动IPMSM而不用考虑现场的启动力矩和电机运行条件，以及在启动时刻转子已经移动的情况下可靠地启动电机的能力(例如由于风力运行引起的)。在启动力矩期间获得的电机运动信息可以提供一个稳定的基础，用于电机的正常运行，在整个电机启动控制启动过程中提供和保持有效、稳健和合适的闭环电机控制。这种启动电机控制可以在不停止、减速或通过开环控制命令控制转子这些在商用风机应用中容易产生问题的情况下提供。
本技术方案另一方面涉及电机控制系统的可选择的可重构实现。与直接磁通控制相关的部件可选择性地配置为通用dq控制器，该控制器可选择性地配置为在启动时刻监测转子运动，并选择性地配置为在电机启动和正常运行期间控制电机。
本技术方案另一个方面涉及电机启动期间速度估计方法的选择。根据启动时刻监测到的转子运动，可以选择一种初始转速估计方法。此外，主动速度估计方法可以在启动过程中动态改变。在一些实施例中，可以基于电机速度的变化在启动期间实时选择合适的速度估计方法。在某些情况下，在一定的速度范围内，可以同时使用多种速度估计方法，以确保快速有效地获得可靠的速度估计值，这在有固定时间的特定方法才能提供可靠的速度估计值的情况下很有帮助。
本技术方案采用动态高频注入(“DHFI”)速度估计方法，即使在转子以不可忽略的速度旋转时也可以使用。与常规高频信号注入法一样，高频信号与电机控制驱动指令产生的励磁信号一起注入三相定子绕组装置，但是高频注入的响应与定子电流响应信号解调，以避免与转子运动相关的励磁信号的过度影响。此外，与转子运动相关的励磁响应也可以与定子电流响应解调，以避免高频注入的过度影响。适当的滤波器可以有效地对信号进行解调。DHFI法使HFI 提供可靠的速度估计值，不仅在静止速度下(例如，零或低速)，而且由于解调，在其他速度估计方法可能不可靠的低速(例如，大约5-200RPM，任何方向)也可以提供可靠的速度估计值。
附图说明
图1A-B为运行中的商用风机示意图，显示了在电机启动力矩和电机启动控制之前的旋转扇翼和气流方向。
图2为根据本发明一个实施例的IPMSM的分解图。
图3A-B为图2中IPMSM的组合前后透视图。
图4为根据本发明的一个实施例的框图。
图5为用于商用风机应用的PSMS无传感器控制的示例性启动模式。
图6为正交定子坐标系、正交转子坐标系、固定坐标系和三轴坐标系；
图7为显示代表性功能块的无传感器永磁电机控制系统图；
图8为直接磁通控制的示例性实验，其显示了具有输入、输出控制矢量变量和控制逻辑的代表性功能块；
图9为用于监测转子运动、启动电机控制和正常运行电机控制的通用dq控制器的一个实施例；
图10为无传感器永磁电机控制系统图，包括与动态高频注入相关的功能块的合并；
图11为用于无传感器永磁电机的启动电机控制的启动模式的一个实施例；
图12为一个逻辑流程图，该逻辑流程图显示了包括用于改变操作状态的速度阈值的电机启动控制方法的实施例；
图13a-c为闭环电机控制启动过程的三个图，该过程在0转速、120度转子位置角下(a) 参照或目标、实际和观测器估计速度、(b)单相电流和(C)信号状态；
图14a-c为在初始速度为-5Rpm下闭环电机控制启动过程的三个图，(a)参照或目标、实际和观测器估计速度，(b)单相电流，和(C)信号状态；
图15a-c为在初始速度为-200rpm下的闭环控制启动过程的三个图，(a)参照或目标、实际和观测器估计的速度，(b)单相电流，和(C)信号状态；
图16a-c为在初始速度300Rpm下的闭环控制启动过程的三个图，(a)参照或目标、实际和观测器估计的速度，(b)单相电流，和(C)标志状态。
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。
本发明描述了为永磁同步电机(“PMSM”)提供鲁棒启动电机控制的各种实施例。本文所述的许多实施例适用于可能缺乏鲁棒电机启动控制的商用风机驱动应用。本发明的电机控制系统和方法将结合贯穿本发明的多个不同实施例更详细地讨论，可以实现无传感器永磁电机控制的电路，包括以下特点的一个或组合：
·根据不同的启动电机条件对电机进行全闭环启动控制；
·程序化转子运动监测操作，用于监测电机启动瞬间的转子运动；
·电机控制器部件的选择性配置，以提供一个通用dq控制器，用于监测转子运动、在启动期间控制电机以及在正常运行期间控制电机；
·动态高频注入(“DHFI”)，包括将高频注入(“HFI”)信号和转子运动信号与定子电流响应解耦的系统和方法；
·通过不同控制模式的各种信号操作的综合编程电机启动序列。信号和控制模式的状态根据定子反馈和从定子反馈中获得的其他信息而变化，例如，包括转子的估计速度，这些信息可根据几个因素进行不同的测量。最终，在电机转速可在大范围内变化的启动过程中，在电机控制方法之间转换的能力为闭环启动电机控制提供了一个安全、可靠的过程。
本发明鲁棒启动控制系统和方法的实施例的一个优点是能够启动IPMSM而不用考虑现场的启动力矩和电机运行条件，以及在启动时刻转子已经移动的情况下可靠地启动电机的能力 (例如由于风力运行引起的)。在启动力矩期间获得的电机运动信息可以提供一个稳定的基础，用于电机的正常运行，在整个电机启动控制启动过程中提供和保持有效、稳健和合适的闭环电机控制。这种启动电机控制可以在不停止、减速或通过开环控制命令控制转子这些在商用风机应用中容易产生问题的情况下提供。
本发明另一方面涉及电机控制系统的可选择的可重构实现。与直接磁通控制相关的部件可选择性地配置为通用dq控制器，该控制器可选择性地配置为在启动时刻监测转子运动，并选择性地配置为在电机启动和正常运行期间控制电机。
本发明另一个方面涉及电机启动期间速度估计方法的选择。根据启动时刻监测到的转子运动，可以选择一种初始转速估计方法。此外，主动速度估计方法可以在启动过程中动态改变。在一些实施例中，可以基于电机速度的变化在启动期间实时选择合适的速度估计方法。在某些情况下，在一定的速度范围内，可以同时使用多种速度估计方法，以确保快速有效地获得可靠的速度估计值，这在有固定时间的特定方法才能提供可靠的速度估计值的情况下很有帮助。
本发明的一种速度估计方法是动态高频注入(“DHFI”)速度估计方法，即使在转子以不可忽略的速度旋转时也可以使用。与常规高频信号注入法一样，高频信号与电机控制驱动指令产生的励磁信号一起注入三相定子绕组装置，但是高频注入的响应与定子电流响应信号解调，以避免与转子运动相关的励磁信号的过度影响。此外，与转子运动相关的励磁响应也可以与定子电流响应解调，以避免高频注入的过度影响。适当的滤波器可以有效地对信号进行解调。DHFI 法使HFI提供可靠的速度估计值，不仅在静止速度下(例如，零或低速)，而且由于解调，在其他速度估计方法可能不可靠的低速(例如，大约5-200RPM，任何方向)也可以提供可靠的速度估计值。
通过参考本实施例和附图的描述，将更充分地理解和解释本发明的这些以及其他的目的、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的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施。另外，应当理解，本文中使用的措辞和术语的目的是为了描述，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成部分。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等。
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(“IPMSM”)进行鲁棒控制的系统和方法。本发明涉及一种从启动电机的任何条件对电机进行闭环启动控制的系统和方法。基于在整个启动过程中提供给电机控制反馈的启动控制是可靠且鲁棒的。无论现场的初始电机运行条件如何，本发明的系统和方法都可以自动适应以提供稳健可靠的电机启动——即使在启动期间电机转子正在移动，而不是处于静止状态(即零速或低速)。
可以基于转子转速或其他转子特性反馈的闭环方式启动电机。鲁棒启动控制系统和方法可以利用电机的闭环控制在电机的整个速度范围内使用，从任何初始速度到启动控制过程，再到任何运行速度下的正常运行控制，从而实现鲁棒电机启动控制。
本发明的系统和方法可以在没有开环控制的情况下运行，其中向电机发出的命令不是基于对电机控制器的反馈。许多其他永磁同步电机系统不需要制动系统或其他开环控制系统，因为本发明的系统和方法可以提供电机启动控制，而不必施加制动器(或另一个开环控制结构)，以确保电机处于静止状态(或另一个要求的状态)。
本发明一方面集中于在启动时刻或期间使用编程转子速度监测操作。在一些实施例中，电机控制器被配置成执行编程的转子速度监测功能，以：1)基于在启动时刻或期间的转子运动提供转子特性反馈；和2)选择在转子运动监测操作完成后使用电机启动速度检测估计(例如，磁通观测器转子速度估计或高频注入转子速度估计)。所选择的初始电机启动速度估计值可用于启动电机的初始控制，并可在整个启动过程中随电机速度的变化而动态变化。
值得注意的是，尽管本发明侧重于完全闭环控制，但一些实施例可以智能地纳入开环控制或纳入闭环制动。例如，如果转子运动监测操作检测到一个小的转子运动，而不是试图在启动 DFC中考虑转子运动(或将它作为de最小值忽略)，电机可以应用制动器完全停止电机，然后启动。这种控制可以作为开环控制提供，其中电机启动时没有电机停止的反馈，或者以闭环方式提供，其中获得进一步的反馈以确保电机停止运转。
另一方面本发明是针对高频注入的应用，不仅适用于零速和非常低的速度，其中转子的任何缓慢旋转和相应的定子响应电流在很大程度上可以忽略，而且对于高于该速度的速度(例如 10RPM和200RPM之间)，其中定子响应电流由于转子的旋转不可忽略。在本发明中，在电机转子旋转的条件下应用高频注入和处理定子电流响应的动态高频注入(“DHFI”)方法。本质上，通过以第一种合适的方式过滤定子响应电流，对高频信号注入的响应可以与转子运动相关的响应解耦。也就是说，高频响应可以与转子旋转相关的定子电流变化隔离开来。此外，通过以第二种合适的方式过滤定子响应电流，可以将高频信号从定子磁通量观测器的基本电流反馈中滤除，以避免电机控制中断。也就是说，如果HFI在转子运动时被激活，并且在磁通观测器对信号进行处理之前没有被过滤掉，估计的结果会导致输出中断或波动，从而影响系统响应，最终影响输出电机控制标志的完整性。后面将更详细地讨论可以使用各种不同的解耦方法来解耦所需的一个或多个信号。
本发明另一方面旨在并行执行多个闭环速度估计。在电机启动过程中的不同位置、不同类型的转子速度估计可以更加可靠，并且电机控制器可以配置为随着电机速度的变化在不同的速度估计方法之间切换。
启动和停止不同估计速度的方法可能会占用大量资源和/或导致时间问题。例如，对于较低的启动速度，高频注入速度估计通常更可靠，而定子磁通量观测器速度估计在较高的启动速度下通常更可靠，因此动态改变在使用速度估计的电机控制方法中可能是有意义的，比如直接磁通量控制。然而，与单独使用一种或另一种方法来估计速度不同，多个速度估计方法可以并行操作，并且控制方法可以动态地改变，其中速度估计方法的输出是多变的。一个或多个其他速度估计方法可以并行运行，以便适用于改变的速度估计方法，很容易获得非主动速度估计方法的输出。作为始终并行执行两个或更多个速度估计技术的折中方案，控制系统可以被配置成当电机速度在重叠范围内时可以并行执行的多个速度估计方法。例如，如图11所示，其中DHFI 从-ω2到ω2的电机速度范围内保持活动状态，但这仅仅是在电机转速为-ωh至ωh时的主动速度估计方法。要获得可靠的高频注入速度估计值，需要生成一个高频信号并将其注入电机定子绕组，等待定子电流响应，这可能需要花费一定的时间来解决。通过利用DHFI将HFI信号与定子电流对转子运动的响应解耦，除了利用HFI响应获得基于电机凸极性的速度估计之外，还可以进行磁通量观测器速度估计。
本发明的又一方面是针对多种不同控制方法之间的实时启动电机控制转换。在一个实施例中，一种综合启动控制方法应用于实时控制标志。启动过程在闭环控制下运行，初始速度为指定速度，包括静止速度(例如-10到10Rpm)、低启动速度(例如-10到-200Rpm和10到200 Rpm)、中启动速度(例如-200到-250Rpm和200到250Rpm)以及高启动速度(例如>250Rpm 和<-250Rpm)。这些速度范围是示例性的，不同的应用和实施例可以用不同的值和不同的范围来实现。在一些实施例中，可以存在额外的、不同的或更少的电机速度类别范围。在一些实施例中，特定电机速度范围及其之间的转换可以部分地由在该特定实施例中实现的特定电机速度估计方法来指示。闭环控制可以继续正常运行，包括低运行速度、中运行速度和高运行速度，这些运行速度可能因应用而异。该过程还可以处理任何一个双向旋转。在电机转速可在较大范围内变化的启动过程中，电机控制方法之间的转换能力为电机控制启动速度至运行速度提供了一个安全、可靠的启动过程。
ⅠIPMSM及电机控制系统示例综述
现将详细描述各种组件和功能块及其与电机控制系统的结合。图1A和1B说明了示例商用风机结构10的正面和侧面示意图。图中显示了示例性部件，包括风扇叶片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13通过风扇。当由永磁同步电机12驱动时，风扇10 可产生规定的气流13，以满足基于电机电子装置的配置或编程的气流要求，该电子装置通常包含在电机内。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。
在美国专利申请书中描述了适合在本发明的无传感器IPMSM实施例中使用的多个组件和控制元件。编号16/795074，标题为“从零或低速控制凸极永磁同步电机的系统和方法”，于 2020年2月19日提交给Bojoi等人，特此通过引用将其全部并入。
在一些实施例中，永磁同步电机12是一个电控电机(“ECM”)，它包括结合在一起的电机、控制器和接口。在本发明的整个过程中，ECM通常被称为一个电机或PMSM。在许多商用风机应用中，由于空间的限制，通常采用钕铁硼(NdFeB)等稀土永磁体作为转子磁体。此外，永磁同步电机可以是凸极永磁同步电机(“IPMSM”)，永磁体设置在转子内部。
图2显示了包括永磁同步电机12的商用ECM风机的一个实施例的分解图，而图3A显示了 PMSM 12的后视图，图3B显示了PMSM 12的前、轴侧透视图。所描述的电机12的实施例具有包括后端盖223、前端盖229和中间端盖225的壳体或外壳234。三个端盖可接合以协同形成电机12的外壳234。后端端盖223和中间端盖225构成包括电机控制系统224的PMSM电子设备的密封外壳。润滑剂或油封230可以环绕从电机机壳234伸出并密封前端端盖229的驱动轴 232。在替代实施例中，电机机壳可由附加的、较少的或不同的组成部件构成，这些部件基本上以任何合适的方式来容纳电机，使得电机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。电机控制系统224可以通过密封后端端盖223和密封中间端盖225的配合来被安装和密封在电机中的单独空腔中。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和随时间旋转的磁场。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。电机控制系统224可包括印刷电路板上的控制器，该印刷电路板耦合到构造中的端盖223，用于电子元件产生的热耗散。
线盖221可与后端端盖223固定或形成整体。在安装或维修期间，可以打开盖221以接近连接器222。在本实施例中，所述线盖是防水的并且包括橡胶密封件。防水电气连接器222可用于路由、连接或以其他方式耦合到电机控制系统224和定子226。在当前实施例中，三个连接器222提供用于三相电力电缆、命令电缆和传感监视电缆的连接接口。
如图6所示，在所示的实施例中的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，具有磁凸极性的特征，即电机电感(Ld，Lq)不相等。永磁体40嵌入转子37中，并且在转子37、226和定子36、228之间存在气隙39。定子228 包括可由电机控制系统224供电的绕组(a、b、c)35，以在气隙39周围产生旋转磁场。本质上，任何IPM电机配置都可以在磁体分布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装置可以提供不相等的电机电感(Ld，Lq)
在所描述的实施例中，PMSM部件的配置、布置和选择是示例性的。替代实施例可以包括附加的、不同的或更少的组件。例如，尽管在所描述的IPMSM电机的上下文中描述了当前实施例，但是使用其他类型的无传感器无刷永磁电机(BPM)、无传感器电控电机(ECM)、无传感器矢量控制电机系统或其他类型的无传感器调速电机的结构和配置等的其他实施例是可以实现的。
参照图4，现将描述根据本发明的电机控制系统224的综述。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。其它电子元件可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、结合电路、专用结合电路(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，或者以另一种方式排列它们，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电机12中的不同位置，或者它们可以位于电机12内的公共位置，例如在由后端端盖223和中间端盖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，将源电源450转换为合适的电压、电流和频率，驱动电路442基于驱动命令驱动电机定子绕组，感测电路442感测一个或多个电机特性，用于一个或多个电机控制方法或电机速度估计方法中，控制器444，用于实现一个或多个电机速度估计方法或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，以及用于向控制器444提供各种命令输入的命令输入接口446。
用于实现本文所述的鲁棒电机启动方法的各种实施例的驱动和感测电路442的部分可以是用于实现其他已知电机控制方法的相同驱动和感测电路442。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的硬件配置来实现本文所述的启动方法的实施例。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。存储器可以包含与各种控制和速度估计方法有关的各种操作参数。
控制器444可以配置转子特性检测方法，例如编号16/795074，于2020年2月19日提交于Bojoi等人，标题为“凸极永磁同步电机零速或低速控制的系统和方法”的美国专利申请书中描述的转子特性检测方法，通过引用将其全部并入。转子位置检测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，电机控制系统224的一些实施例包括将定子电流测量(iabc)转换为静止或dq参考系。转子磁极性可利用转子极性检测方法进行检测。
控制器可以检测转子位置和转子速度，例如使用定子磁通量观测器和/或高频注入法，在有或没有极性检测的情况下，确定转子在启动时刻的初始状态(例如，静止、正风运行或负风运行)，然后选择合适的相应的控制方法，例如基于转子速度和控制方法了解信息。电机控制系统可以根据检测到的初始速度以及启动过程中转子速度的变化改变速度估计值。
许多不同的控制和转子特性检测方法适合与本发明的实施例结合使用。一些实施例可以为利用闭环控制的永磁同步电机提供一种总体鲁棒启动方法，该永磁同步电机基本上是任何实际启动电机条件下的闭环控制。也就是说，在一些实施例中，无论初始电机条件如何，电机都可以通过闭环控制系统进行专门操作。闭环控制系统的基本算法可能会随着检测到的转子转速在启动过程中的变化而变化，但电机控制系统可以在不必求助于开环控制的情况下启动，而开环控制通常不足以处理系统中的干扰或变化。
参考图5，图中显示了示范性风机启动条件和电机启动期间的风扇速度。与传统的三相交流感应电机不同，同步永磁电机驱动系统采用一种启动方法。在商业和工业应用中，启动永磁同步电机的转子可能具有挑战性，例如，启动时可能不知道转子的启动条件，即转子的位置和速度，在正常运行期间可靠的转子特性检测方法在启动时可能不可靠。图5有助于示出在启动周期Tst，24期间本实施例的一些示例性风机启动条件和示例性运行。横轴显示时间t，纵轴显示转子速度ω。
该图显示了三个主要电机速度区：静止、风力运行和正常运行。基于这些示例性电机速度区，可以定义一个或多个不同的电机启动程序，其说明部分或全部电机转速区。电机控制器可配置为根据初始电机速度和闭环电机控制启动期间估计的电机速度值，将电机速度提升至运行区域的目标速度，统称为启动电机速度。例如，电机控制器可以根据所定义的电机速度情况检测不同的电机控制，然后相应地在各种电机控制功能之间转换。
图5说明了三种不同情况(S1 21、S2 22、S3 23)下启动闭环电机控制期间的估计速度。应该理解的是，当每个场景的估计速度从一个转子速度区域过渡到下一个转子速度区域时，闭环控制适应与该估计速度相关的闭环控制。这可能涉及使用不同的控制算法。对控制算法的更改可能涉及一个或多个附加的转子特性估计(例如，为了补充估计的转子特性的精度)，改变控制算法输入(例如，利用更可靠的转子特性估计值和相关值)，或使用不同的控制逻辑(例如，更适合当前估计转子特性的逻辑)。初始启动电机控制情况对应于上述主要速度区：静止、正风运行和负风运行。
观测器(例如，闭环观测器，例如磁通量定子观测器和高频角观测器)和本文描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。这些功能模块部分可以存储在控制器 444的存储器中，并且还可以形成控制器配置的一部分，使得它们成为控制器444的一部分，所述控制器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，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用于电机的驱动电路。
根据本发明实施例的径向凸极永磁同步电机30，在图6中定义了所采用的矢量参考系。电机30包括定子36、转子37和之间的气隙39。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)；这些电流值可以转换为固定坐标系(α-βaxis)31。以同步速度旋转的转子37可以处于凸极结构中，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系(d-q轴)33。例如，转子37的转子结构是两极(例如，永磁体38)转子设计，以便于解释。然而，各种实施例不限于具有两极的转子，并且与具有附加极的转子(例如10、12或更多极点)同样工作良好。
定子三相绕组(ia、ib、ic)产生旋转磁场或定子磁通矢量
Figure BDA0002930909770000161
在定子磁通量ds轴与转矩qs轴(ds-qs坐标系)32的参考坐标系上。d-q轴33表示同步转速下的转子磁通量位置，而ds-qs轴表示同步转速下的定子磁通量位置。扭矩角δ表示转子磁通轴d和定子磁通轴ds之间的角度 (弧度)。转子37相对于固定参考系(α-βaxis)31的位置可以用从α轴以弧度表示的角度θ来表示，定子相对于固定参考系(α-βaxis)31的位置可以用从α轴的角度θs弧度表示。
图6所示的参考坐标系的相对位置和各种特性通常参考工作速度区内三相绕组以同步速度产生旋转磁场的情况。然而，当三相绕组在达到同步转速之前，在启动过程中产生旋转磁场时，可以参考相同的参考系和特性。也就是说，无传感器同步永磁电机控制系统实现启动电机控制方法，以便于电机的启动操作。启动电机控制可以采用不同的策略来处理各种情况，例如特定的转子特性，包括转子位置和转子速度。例如，启动电机控制可以根据初始转子速度进行初始配置，并在启动过程中根据转子速度的变化进行重新配置。在一些实施例中，可以基于估计的转子速度和上述不同速度区的速度范围之间的比较来配置启动电机控制。
Ⅱ直接磁通量控制电机控制系统综述
现将描述电机控制系统的控制元件，包括直接磁通控制子系统和方法的结合，以提供本发明的各种特征和各方面的背景。
永磁同步电机系统的无传感器直接磁通量控制(“DFC”)，有时也称为磁场定向控制 (“FOC”)或直接转矩控制(“DTC”)，这是众所周知的，并植根于坐标系变换理论。电机电压、电流和定子磁通量矢量表示为
Figure BDA0002930909770000171
和
Figure BDA0002930909770000172
所采用的矢量参考系在图6中定义，其示出径向内部凸极永磁同步电机(IPMSM)30。具体而言，图6的IPMSM包括以下参考系：固定参考系(α-β)31、转子系(d-q)33、定子磁通量系(ds-qs)32和三相绕组参考框架(abc)。
DFC方法通常使用定子磁量矢量坐标(ds-qs)32实现。定子磁通量的大小是直接通过控制 ds轴电压分量来调节的。因此，ds轴成为磁通量轴
Figure BDA0002930909770000173
如图6所示。转矩通过控制qs轴电流分量进行调节。因此，如图6所示qs轴成为扭矩轴
Figure BDA0002930909770000174
图7显示了包含DFC系统的电机控制功能框图。具体而言，该控制方案利用闭环直接磁通量控制(“DFC”)62来对定子电流产生调整，所述调整可以通过发送到逆变器的脉冲宽度调制信号被转换并应用于电机的定子绕组。定子绕组的电压变化改变电机71的转速。功能框图突出显示DFC 62的各种输入和输出以及所涉及的一些功能控制元件。
沿示意图顶部设置有四个主要功能控制元件：速度控制器61、DFC 62、坐标系转换63和脉冲宽度调制(PWM)发生器64。下面将简要描述这些元件。
速度控制器61可以实现为输出转矩命令T*的比例积分(“PI”)控制，有时称为转矩基准，基于转子转速误差的输入(即转子转速基准或指令ω*之间的比较以及估计的电机转子速度) 以及最大扭矩限制。速度控制可以在单独的控制器中实现，也可以与另一个控制器结合。尽管在本发明中使用了PI算法，但本质上可以实现任何速度控制算法，例如比例积分微分(“PID”) 控制算法、模型预测控制(“MPC”)算法或其他类型的速度控制。
参考直接磁通控制62，转矩指令T*由速度控制器61提供的代表DFC 62要控制的目标转矩值。基于其各种输入，DFC 62产生试图在电机中提供转矩的输出信号。具体地，DFC62在固定坐标中输出命令电压矢量
Figure BDA0002930909770000175
当正确转换63时，处理64，并通过逆变器65施加到电机定子绕组上，产生电压信号，驱动电机71达到转矩命令指示的目标转矩值。换句话说，DFC 接收基准转矩并输出最终用于驱动逆变器65达到基准转矩的控制标志。
本实施例的坐标变换63将来自DFC的输出从固定(α-β)31转换为实时三相坐标(abc) 35。在所描述的实施例中，来自DFC的输出是固定坐标系中的电压矢量，并且坐标变换63将该电压矢量转换为可用于最终驱动电机以提供所需转矩的实时三相电压矢量。
除了四个主要功能控制元件61、62、63、64外，电机控制功能元件示意图还包括逆变器 65、电机71以及与向功能控制元件提供反馈有关的多个功能反馈元件66、67、68、69、70。逆变器65结合电控电机(“ECM”)的三相绕组，可以产生驱动电机的信号。可以根据从PWM发生器64输出的脉冲宽度调制信号来控制输入到逆变器65的DC电压，以产生所需的一组三相电流(iabc)。具体而言，PWM发生器64接收来自变换63的实时三相电压，并通过向三相绕组施加适当的电压来为逆变器65准备适当的控制标志，以产生期望的转矩角。
功能元件示意图中的一个反馈源是感应定子绕组电流的三相电流传感器70。众所周知，定子绕组中的电流与转子绕组中的电流或磁通之间存在一种关系。因此，有各种不同的基于三相绕组的感应电流方法来估计电机转子的特性，例如转子位置和转子速度。基于实验或试验的查找表(LUT)可以将定子三相电流iabc实时转换为固定参考系中的电压矢量
Figure RE-GDA0003109143790000181
给逆变器使用一个空载补偿时间69。实时的三相定子电流也可以被转换到固定坐标系，被提供给定子磁通量观测器67和DFC 62。
功能元件示意图中的其它反馈源包括电压反馈重构66，该电压反馈重构66将输入DC电压vdc和转矩角电压δabc重构为固定坐标
Figure RE-GDA0003109143790000182
中的电压矢量。
控制系统还可以包括定子磁通量观测器67，之后将与用于将三相定子电流(iabc)转换为固定坐标系中的定子电流矢量
Figure BDA0002930909770000183
的坐标变换68一起进行更详细地讨论。
本领域技术人员将理解图7所示的功能元件的细节。此外，在编号16/795074，题为“零或低速凸极永磁同步电机控制的系统和方法”，于2020年2月19日提交给Bojoi等人的美国专利申请书中描述了图7的一些功能元件，将通过引用将其全部合并。
ⅢDFC简介
现在将参考描述一个DFC实现的图8的功能示意图更详细地描述图7中的直接磁通控制 或直接磁场控制(“DFC”)62的示例。DFC 62提供了用于转矩调节的电机控制方案。如上所 述，转矩参考值T*的输入由PI速度控制器61实现的外部速度调节回路产生。DFC的输出包括 指令电压矢量
Figure RE-GDA0003109143790000184
通过转换器92转换到固定参考坐标系，以及由限制函数87作为反馈提供给 速度控制器61的最大转矩Tmax表示电机在其当前条件下可以产生的最大转矩电流限制和可用 电压。速度控制器61的防卷绕构造可使用最大扭矩Tmax。
如图7-8所示，DFC 62的实施例利用以下输入或反馈参数：
·转矩指令或参考转矩，T*
·估计定子磁通量大小
Figure BDA0002930909770000191
定子磁链矢量由磁通量观测器确定；
·由磁通观测仪提供估计的电机转子速度
Figure BDA0002930909770000192
·在固定(α-β)参考系中实测定子电流矢量
Figure BDA0002930909770000193
·由磁通观测仪提供估计的电机转子位置
Figure BDA0002930909770000194
·测量的逆变器直流电压vdc
定子磁通量观测器67可以直接或间接地提供许多这些输入(例如，估计的定子磁通量、估计的电转子速度、估计的电转子位置)。基于来自电流传感器70的三相感应电流的固定坐标系变换68，可以提供静止框架中的定子电流矢量。估计的幅值和估计的位置可以由磁链观测器67以固定参考系中定子磁通矢量大小的形式提供。如上所述，控制系统试图控制的转矩指令或转矩基准可以由在单独控制回路上操作的单独速度控制器61提供。逆变器直流电压可由来自逆变器65的直流母线电压反馈提供。
图8为DFC 62的功能示意图。通常，DFC示意图显示DFC输入、输出和各种内部参数，包括向量变量和控制逻辑。所描述的DFC 80具有两个比例积分(“PI”)控制回路，由两个 独立的控制器89、90实现。尽管以单独的功能元件示出，它们可以实现为单独的物理控制器、单个统一的控制器，或者分布在两个以上的控制器和/或其他组件上。一个控制器是流量控制 器89，称为d控制器，一个控制器是电流控制器90，称为q控制器。d控制器89将磁通误差88作为输入。磁通误差88是参考磁通λ*和实际定子磁通
Figure RE-GDA0003109143790000195
的组合。q控制器90将电流误差 91作为输入。在当前实施例中，电流误差91是参考定子正交电流
Figure RE-GDA0003109143790000196
以及正交定子电流iqs的组合。
图8所示的DFC方案80具有两个控制回路，基于磁通的控制回路89用于确定电压矢量的直轴分量，以及基于电流的控制回路90以确定电压矢量的正交分量。控制回路89与组合所示输入以确定转子运动的d分量的部件相关联并与之一起配置，而控制回路90与各种部件和功能相关联，以确定与直接分量成正交的转子运动的q分量。总之，当有效地应用于电机时，dq 电压矢量将实现或基本上实现由速度控制器61所命令的命令转矩T*。
DFC示意图包括几个附加功能元件，例如最大电压元件81、弱磁控制元件82、最大转矩电流比(“MTPA”)控制元件83、电流限制元件84。图8所示的这些功能元件和其它功能元件通常涉及一般电机控制领域中的特殊功能，并且不直接涉及本发明的特征和方向，因此将不进行详细解释或讨论。
Ⅳ通用dq控制器
本发明的一个方面是电机控制器配置为启动商业风机驱动应用的永磁同步电机，电机包括一个通用dq控制器，该控制器配置为在启动瞬间检测初始转子速度，并且启动控制系统配置为在启动过程中处理从任何初始转子速度开始的电机启动瞬间。
图7和8中所示的电机控制功能示意图和直接磁通控制功能示意图分别为电机控制和DFC 奠定了一个示范性的逻辑基础。图9描述了通用dq控制器100，其可以在电机的启动时刻期 间实施检测转子运动操作。通用dq控制器100可以被选择性地调整用途，以作为DFC方案的 一部分来充当dq控制器，或者在开始时刻协助执行检测转子运动操作。也就是说，在本发明 的一些实施例中，可以如DFC功能示意图100中所述修改DFC62，使得图8的d控制器89和q 控制器90可以充当图9中描述的提供反馈的通用dq控制器101、102，例如，在启动电机控 制开始之前，在电机的启动时刻向磁通量观测器67提供反电动势信息，以用于初始速度估计。
通用dq控制器101、102可协助获得启动时刻的速度估计值，然后自动重新配置以提供启动控制功能，以提升电机速度，并提供正常运行控制功能，以维持在运行速度下的正常运行。本发明的一个方面涉及提供电机运动信息(例如，估计的电机转子特性，例如估计的电机转子位置和估计的电机转子速度)，以识别启动时刻的电机运行速度状态。下面，我们将讨论此特性中的通用dq控制器。
DFC方案80具有图8所示的两个控制回路88和89。如在DFC方案80的改版中所示，通用dq控制器101、102可以在电流/电流控制回路配置或磁通/电流控制回路配置中操作。图9示出了如何使用开关104在不同输入之间选择性地改变dq控制器101、102的输入，以提供该选择性功能。有两个比例积分(PI)控制器，第一个是d控制器101，它是电流控制(id，id*，kp，crt，ki，crt)和磁通状态控制(lamda，lamda*，kp，flux和ki，flux)之间的可切换控制环。第二个是q控制器102，它只是一个电流控制回路。磁通和电流之间的开关104连接到d控制器101，如图9，100所示。不同的参考速度状态也通过开关104连接。这些开关可以基于d控制器101状态进行操作。开关104的状态可以响应运动检测开/关信号或者响应于基准电流的值
Figure BDA0002930909770000201
和参考角θ被设置为零，或者响应另一个合适的触发器。图9示出了基于运动检测操作是开还是关的d控制器状态变化。当运动检测信号出现，通过设置基准电流，将d控制器101配置为电流控制器(
Figure BDA0002930909770000211
和参考角θ归零。
在检测电机运动操作期间，坐标转换92输出与电机转子旋转相关的电压。坐标转换86的输出表示在转换到固定坐标系(α-β)然后转换到(d-q)参考坐标系后，由定子电流(iabc) 指示的启动力矩期间的转子运动。通过比较定子电流与零参考电流，输出dq电压表示与转子风运行运动相关的反电动势值。变换92将反电动势矢量转换为固定坐标，定子磁链观测器可利用该坐标系估计定子磁链，进而估计各种转子特性，如电机转速、电机角度和电机位置。在替代实施例中，反电动势可以以不同的方式检测或测量，并提供给磁通观测器用于初始速度估计或初始速度分类。例如，反电动势值可能不足以准确地估计电机转速，但可能足以将电机转速分类并选择初始启动转速估计方法，例如结合图11所示的类别141-147对电机初始转速进行分类。对于基于HFI的类别，速度估计可能不足以区分电机速度下降的HFI类别，但是可以执行HFI以获得更高精度的速度估计和分类，以回应使用反电动势的初始速度估计。
传统DFC配置可适用于通用dq控制器配置。经适配的DFC 100(包括通用dq控制器101、 102)可以被设置为激活磁通量观测器、以特定方式配置特定DFC 100组件并且不开启某些控制功能的特殊状态。通常，在检测转子运动操作期间，d和q控制器101、102被配置为向磁通观测器67提供反馈或变量，以计算转子速度和转子位置。在执行检测转子运动程序的时间段内，DFC不采取控制措施。相反，DFC电路被重新调整用途、编程或以其他方式配置以设置条件和基准，使得磁通观测器67接收反馈变量并计算转子速度。现在将详细描述通用dq控制器的一些附加实施例。
在一个实施例中，反电动势电压信息用于推导转子转速的起始力矩。虽然反电动势电压信息可能不足以在整个电机启动程序中用于估计转子速度，反电动势电压可以在启动时刻提供一个足够稳健可靠的初始转子转速，以选择在电机启动过程中使用的初始启动转速估计模式。如果转子在启动时刻以足够的速度移动，例如由于风力运行，则反电动势电压可以提供合适的转子速度估计值，并且模式选择可以基于反电动势导出的速度(例如，继续使用反电动势导出的速度或使用基于磁通的速度估计值)。然而，如果转子处于静止状态(即零转速或几转/分)或缓慢移动(高于几转/分，但太低而无法用反电动势电压精确地得出转子转速)，则反电动势电压可能不足以提供准确的转子速度估计值，它们足以表明转子正在缓慢移动或处于静止状态，这足以在启动时刻编程检测转子移动操作完成后，在电机启动控制期间选择使用适当的初始速度估计模式或技术。
如果检测电机速度操作检测到一个速度值，该速度值导致为初始启动电机控制选择基于高频注入的速度估计值，则可以在检测转子运动操作期间启用高频注入，以便直到高频注入的反馈是稳定的。此外，来自高频注入的信息可进一步通知初始电机控制，例如，通过识别转子处于静止状态(而不是缓慢移动)，并因此实施极性检测，如编号16/795074，标题为“从零或低速凸极永磁同步电机控制系统和方法”，于2020年2月19日提交给Bojoi等人的美国专利申请中所述，通过引用将其全部合并。
本发明的另一个实施例涉及电机控制部件的选择性配置，其在启动时刻用于初始检测转子运动操作的第一配置和用于产生启动和/或运行电机控制标志的第二配置之间(例如，直接磁通控制或磁场定向控制)。具体地说，电机控制系统部件，例如直接磁通控制子系统中的控制器，可以配置为通用dq控制器，该控制器提供电机转子初始运动信息，以识别启动时刻的电机运行速度状态。例如，在图8所示的一个实施例中，用于启动和正常运行的电机控制的电机控制部件包括两个比例积分(“PI”)控制器89、90。在正常操作期间，一个控制器可配置为基于磁通的d控制器89，另一个可配置为基于电流的q控制器90。本发明可以选择性地配置d控制器89以提供可切换的控制回路。例如，在图9所示的实施例中，通过在开始时刻的检测电机速度操作期间切换到PI控制器的输入，可以在磁通控制状态和电流控制状态之间选择性地配置d控制器101，如下将详细描述。
在启动时刻执行的编程转子运动检测操作期间，控制器101和qc控制器102可以配置为电流控制器，其误差来自(d-q)参考定子电流
Figure BDA0002930909770000221
和实际定子电流(id,iq)。如有必要，实际定子电流(id,iq)可由通用dq控制器通过平移132定子电机电流进入固定参考系，将86 进一步转换到dq参考系idq。适当的电流输入可以通过提供给DFC的各种电机控制器组件，或者可以直接路由到DFC。在图10中，定子电机电流iabc被转换为132到固定参考系(iαβ)，并进一步将86转换为dq参考系(idq)。在所描绘的实施例中，在检测转子运动操作期间，滤波后的iαβ,filt通过定子磁通量观测器67传递到DFC，尽管在替代实施例中，电流可以直接提供给DFC或不是磁通量观测器或除了磁通量观测器之外的其他控制元件。可以设置与当前状态相关联的(kp,crt,ki,crt)值。转子位置θe可设定为用于零速旋转变换。本质上，在初始检测电机运动过程中，在不到1秒的时间内，可以假定转子是静止的，以便进行初始速度检测(
Figure BDA0002930909770000222
θe全部设置为0)，而不是使用dq控制器的输出来指示电机，而是利用dq控制器的输出为速度检测提供反馈。在当前实施例中，在此配置中，如果电机正在旋转，则估计的转子电流(id,iq) 非零，dq控制器的输出将是由于非零估计转子电流和设定为零的参考转子电流之间的误差而产生的电机反电动势电压。具体地说，d和q电流控制器可以在固定参考系中以电压矢量
Figure BDA0002930909770000231
的形式提供反电势信息给磁通观测器。该反馈被图9中DFC 100中的坐标变换92和图10的系统图中的定子磁通量观测器67的固定坐标电压矢量反馈的输出。由于磁通量观测器在检测运动操作期间是活动的，它可以根据提供给dq控制器的反电动势电压，提供定子磁通量分量、定子磁通量矢量的位置、转子位置和转子速度值。
一旦转子运动检测状态被激活，通用dq控制器自动配置为电流模式，并为通用dq控制器提供反电动势值给磁通观测器(或激活HFI)以及磁通观测器有足够的时间提供可靠的速度值的等待时间。最初，磁通观测器通常会表现出与速度估计相关的超调。在500毫秒或更短的等待时间内，系统可获得可靠的速度信息，以执行启动电机控制策略。之后将结合图13-16描述检测转子运动操作的几个示例。
一旦转子运动检测操作获得稳定的转子速度，则可以使用增益kp,flux和ki,flux自动重新配置为磁通控制器，同时输入可切换为参考和实际定子磁通量(而不是参考和实际定子电流)之间的误差。在当前实施例中，用于所有旋转变换的位置可以被配置为由磁通量观测器估计的定子磁通量位置，或者是通过HFI过程得到的结果。之后dq控制器可以正常工作。
dq控制器可被称为通用dq控制器，因为它们能够提供通用功能，协助所有电机启动，从启动时刻的速度检测，到启动控制和正常运行。dq控制器的可配置性使其具有通用性，因为它们可以在一个配置中执行程序检测转子移动操作，在第二个配置中执行正常操作控制。具体地说，由于风力运行的影响，为了检测启动时刻的初始转子速度，可以将d控制器和q控制器配置为具有零初始参考速度和零参考电流的电流控制器。然后，在转子运动检测完成后，可以将d控制器重新配置或恢复为磁通控制器，以便dq控制器可以控制所有进一步的操作，例如，在启动期间和正常运行期间的电机控制。
因此，在启动时刻使用程序化的转子速度检测操作使重新配置电机控制器的DFC在启动时刻提供闭环转子特性反馈，并帮助选择在转子运动检测操作之后使用的启动速度估计完成(例如，磁通观测器转子速度估计或高频注入转子速度估计)。选择的初始电机启动速度估计值可用于启动电机的初始控制。
启动时刻或启动时刻的时间范围是指电机启动顺序开始的时间范围。开始时刻时间系的示例如图13C-16C所示，为“检测转子运动”的时间坐标系178、182、193、203。如示例所示，起始时刻时间通常小于1秒，是收集有关电机的信息以便在没有任何开环控制的情况下完成闭环控制的时间段，可从检测转子运动操作完成后生成控制命令的那一刻开始执行。
在一些实施例中，起始时刻时间可以指电机获得可靠速度估计的时间。检测转子运动操作可以是设置或固定的。在一个实施例中，在检测转子运动时间段之后，控制器被编程以检查极性检测是否适当，例如通过检查电机速度是否超出静止区域。在这种情况下，检测转子运动已经完成，但是检测时间可以覆盖极性检测时间窗口。换言之，在没有极性检测的情况下，转子运动检测及时完成，可以执行控制命令，但如果极性检测合适，则可以延长运动检测时间，增加极性检测。其他后探测转子运动操作也可以类似地编程。
例如，由于控制器在检测转子运动操作期间识别到电机处于静止状态，因此可以在检测转子运动的尾端启用HFI，以根据对HFI的响应获得精确的速度估计。如图13C和14C，速度估计值足够低，以至于极性检测179、183被用来检测转子的极性，从而检测转子的运动方向。极性检测可以被视为检测转子运动操作的一部分，也可以不考虑。一旦检测转子运动和极性检测操作完成，DFC就可以开始，如上所述。
Ⅴ动态高频注入
本发明另一方面涉及在电机以高于静止速度旋转时激活高频注入(“HFI”)。也就是说，本发明的一个方面是针对高频喷射的应用，不仅适用于可以忽略转子旋转的零转速和极低转速，而且还适用于高于该转速的转速(例如，在10RPM和200RPM之间)。电机转子应用高频注入处理定子电流响应称为动态高频注入(“DHFI”)。通常，与HFI响应相关的控制标志处理是数字化的。如果在磁通观测器对信号进行处理之前不去除高频干扰，估计结果将受到高频干扰的影响，进而影响控制系统的响应和输出控制标志的完整性。
DHFI通过在磁通观测器分析HFI信号之前将其与定子响应解耦，从而解决了这个问题。本质上，通过以第一合适的方式过滤定子响应电流，对高频信号注入的响应可以与与转子运动相关的响应解耦。也就是说，高频响应可以与与转子旋转相关的定子电流变化隔离开来。此外，如图10所示，通过以第二合适的方式过滤定子响应电流，可以将高频信号从定子磁通量观测器的基本电流反馈中滤除，以避免电机控制中断。
速度也可以高于静止状态，但仍然相当低。也就是说，速度可以落在高于静止阈值和闭环速度阈值之间，例如图6中所示的速度值S1，|ω1|<ω<|ω2|。在启动力矩和转子运动检测完成后，HFI方法可以为闭环控制提供鲁棒的位置和速度估计。一旦速度超过ω>|ω2|阈值， HFI可以关闭，闭环观察模式可以利用。也就是说，DFC将利用磁通量观测器估计的速度和位置来进行闭环控制。
在编号16/795074，于2020年2月19日提交，由Bojoi等人，标题为“凸极永磁同步电机零速或低速控制的系统和方法”的美国专利申请中公开了HFI系统和方法的几个实施例，之前通过引用将其全部并入。该HFI方法可结合本文所述的动态高频注入(“DHFI”)实施例来适应或实现。也就是说，除了在静止速度区启用HFI外，稳健的启动过程可以包括当转子在低速范围内移动时启用HFI，以估计转子位置和速度。下面，结合包含这些方面和其他方面的综合系统和方法，公开关于该实现的各种实施例的详细信息和与之相关的策略。
在一个实施例中，结合图11，通用控制基于估计的电机转子速度以不同的方式操作。具体而言，一个示例性实施例中的不同操作模式可以描述如下：
·HFI+极性检测闭环DFC。在零或非常低(例如几个RPM)的启动速度下，例如图5和11 中所示的启动速度S2，当估计的转子速度ω落在小于第一转子速度阈值的绝对值(ω<|ω1|) 的速度范围内时，具有极性检测的HFI方法可用于增强检测转子运动操作，即在一个实施例中，补充或增强基于反电动势的速度估计值。这包括高频注入和极性检测的应用和结合。结合图 10，激活HFI和极性检测可以估计电机控制系统可以使用的某些参数。例如，HFI方法可以提供鲁棒的HFI位置估计、速度估计和其他电机特性估计。这些参数可以包括与转子角估计、极性或电机对高频注入的响应有关的参数，或者它们的任何组合，这些参数可以提供给DFC或在电机控制系统的其他地方使用。这也可以称为HFI-DFC+极性。与DHFI相关联的去耦组件可以 (但不必)与HFI的这种使用相关联。
·DHFI闭环DFC。在第一阈值的绝对值和第二速度阈值的绝对值之间的低速下(|ω1|<ω <|ωh|)，例如启动速度S1或S3，如图5和11所示，其中估计的转子速度ω在143，145的速度范围内。例如，在5RPM和200RPM之间以及-5RPM和-200RPM之间。在这些速度下，如果不激活DHFI的去耦功能，高频信号不会干扰或中断控制回路，就无法可靠地启用HFI。在这些速度下，电机控制利用高频注入提供的速度估计值，控制系统也依赖于与转子运动相关的解耦或滤波定子电流。
·磁通观测器闭环DFC(DHFI激活)。一旦估计的速度达到或超过速度阈值的绝对值(ω> |ωh|)，如图11所示，磁通观测器的估计速度和位置可用于执行闭环DFC，而不是使用DHFI估计的速度和位置。对于接近磁通观测器转换阈值ωh的速度范围，高频注入可以保持启用状态，以便基于HFI的速度估计可用，直到电机速度增加到某个点，例如，至少ω2，系统确信其通常不会低于磁通观测器转换阈值ωh。例如，ωh对应于大约200RPM或-200RPM，ω2可以对应大约 250RPM或-250RPM。
应当理解，所提供的各种阈值仅仅是示例性的。此外，根据速度和RPM的单位来提供阈值，但是也可以使用不同的单位或使用不同的转子特性(例如与速度相关的不同转子特性)来提供阈值。此外，与类别限值相对应的值可以是包含的，也可以是排他的，具体取决于应用和电机控制过程的编程方式。
由于HFI方法不仅适用于零速度，而且适用于低速范围以保证位置和速度估计精度，因此基于DFC的闭环控制在大部分或全部实际启动速度范围内实现。应用于旋转电机转子情况的 HFI方法可称为动态高频注入(“DHFI”)方法。
本质上，DHFI涉及在通常不使用HFI的电机旋转情况下，将高频注入技术应用于电机控制系统，例如直接磁通控制系统。因此，高频信号被注入具有受控变量基频的运动波形中。
图10的控制方案120示出了包括HFI部分121-125和HFI解耦部分128-131的控制系统。现在将描述DHFI系统和方法的描述，以及其与具有DFC的示例性电机控制系统的结合，如图 7所示。现在参考图10，控制示意图120示出了本发明的直接磁通控制的一个实施例，该实施例包括编号16/795074，于2020年2月19日提交给Bojoi等人，标题为“凸极永磁同步电机零速或低速控制的系统和方法”的美国专利申请书中描述的高频注入和极性检测，之前通过引用将其全部并入。通过利用脉动电压矢量计数器通过查找表(LUT)121生成正弦波形，可以将高频注入与图7的电机控制系统集成。高频电压波形122可以根据选定的电压幅度来生成，该电压幅度可以与高频转子角结合使用，以将高频电压波形转换为静止参考系123中的电压矢量
Figure BDA0002930909770000261
然后，响应于使能HF标志或其它合适的触发器124，产生用于高频注入的输出电压向量
Figure BDA0002930909770000262
并注入到DFC控制系统125中。
将DHFI并入控制系统中还可以包括一个信号或其他通信作为定子磁链观测器的输入，例如以信号的形式，如EnableHF信号127。EnableHF信号127可向定子磁链观测器提供高频注入已开始或即将开始的指示。这使得定子磁链观测器能够做出相应的反应。例如，定子磁链观测器可以根据EnableHF信号是否被抛出而动态地改变其输出，如下所述。在一些实施例中，定子磁链观测器可延迟其输出，以使任何去耦功能有时间通过系统传播，并使滤波后的定子电流到达定子磁链观测器。
解耦高频注入信号可启用DHFI功能。在一个实施例中，通过两种滤波技术来提供去耦，所述滤波技术被描述为counterHF LUT 128、移动平均滤波器130和求和注入131。当设计的高频信号注入125处的系统电压时，电机系统可以在响应电流iabc 132中对注入作出反应。响应或反应电流高频信号可与运动波形解耦，并输入到高频角度观测器129，来估计位置和速度，参考编号16/795074，题为“零或低速凸极永磁同步电机控制的系统和方法”，于2020年2 月19日提交给Bojoi等人的美国专利申请中规定的位置和速度，之前通过引用将其全部合并。响应或反应高频电流信号也可以从图7中的定子磁链观测器67的基本电流反馈中解耦出来，以避免HFI操作的中断。
在一个实施例中，可以使用为DHFI方法设计的两个相同的移动平均滤波器(MAF)130来实现解耦。MAF可以作为一个带通滤波器，只允许高频信号通过，并从信号中去除对励磁信号或基本运动波形的响应。滤波器130的输出是作为高频观测器129的输入的反馈高频q轴电流。高频观测器可以使用该滤波响应电流在低速下(例如，小于500RPM，并且通常在小于200RPM 的速度下)生成位置和速度估计值。该滤波器还可以用作设计用于从基本波形中去除高频信号的带阻滤波器，如130、131的组合所示。也就是说，可以从原始信号中减去相同带通滤波器的输出，从而可以去除馈送给高频角度观测器的信号的高频部分。该带阻滤波器的输出可以作为定子磁链观测器67的电流反馈输入。在替代实施例中，可以使用单个带通或带阻滤波器来解耦对高频信号的响应和对励磁信号的响应。
图10介绍了一种成功获取精确位置和速度信息以确保DFC在相当低的速度范围(例如|ω1| <ω<|ωh|)的功能的技术。与将高频信号注入零转速或静止状态下的转子(如众所周知的高频干扰方法)不同，DHFI涉及将高频干扰扩展到旋转转子中，通常由于转子移动时存在的定子响应电流波动被认为是没有用的。也就是说，当转子运动时，线路上会出现实时变化的电压、电流波形或运动波形。与电力线通信技术类似，在电机控制过程中，可以在指令电压124、125 的运动波形上注入高频信号，然后对高频感应注入的定子响应信号进行处理，以指令电压的运动波形为信号载体，得到转速和位置数据。此外，在HFI信号被下载以进行位置和速度估计的处理之后，系统可以滤除高频信号以保持运动波形130的纯度。这种先注入高频信号，获取位置和速度数据，然后从运动波形中滤除高频信号的过程，称为动态高频注入。
在根据本发明的DHFI方法的一个实施例中，电机控制器可以在零速或静止区以及在相当低的速度范围内使用高频注入，在较高速度下使用定子磁通量观测器，以获得整个启动过程中闭环控制的可靠速度估计。在一些实施例中，将高频注入转子特性检测方法集成到直接磁通量控制方法中，直到磁通量观测器能够为闭环控制生成稳定的估计速度信号。该过程包括向DFC 系统中注入高频信号，并在获得HFI估计速度信号后将高频注入与系统解耦。也就是说，在电机以一定速度启动时，可以将高频干扰波形加到正弦电压波形中。高频注入能够获得可靠的信号，该信号可用于电机转速估计，即使在电机处于低速时也是如此。然后，一旦利用高频注入来获得用于估计电机速度的信号，就可以从提供给直接磁通控制的感应电机信号中过滤出HFI 波形，例如使用一对移动平均滤波器(MAF)。特别重要的是，当转子旋转时，可以从感测到的电机信号中实时滤除高频干扰波形，这可以称为动态高频注入(“DHFI”)。转子移动时动态解耦HFI的能力为电机控制系统提供了同时使用基于高频注入的技术和其他技术的能力，这些技术由于感应到的定子响应信号上存在高频信号而无法执行。
在一些实施例中，一旦HFI估计的速度达到或超过速度阈值ωh，HFI就可以被停用。在其他实施例中，即使在HFI估计的速度达到或超过高速阈值ωh之后，HFI仍然保持活动，但是DFC 切换监测模式，例如利用定子磁通观测器的速度估计。通过这种方式，DHFI可以保持活跃，以便不仅在速度达到高速阈值|ωh|之前，而且在图5中闭环控制21、23期间的任何速度期间，直到估计的速度高于第二速度阈值的绝对值(ω>|ω2|)。
DHFI功能，特别是将转子运动信号引起的响应与定子电流响应(也包括对高频注入的响应)解耦的能力，使闭环DFC操作具有准确的速度估计。也就是说，如果没有DHFI提供的解耦，提供给DFC的速度估计将是不可靠的。虽然DHFI功能可以在整个电机启动过程中实现更平稳、更稳健的过渡，但它也可以提供在启动过程中有目的地和有意地在低速范围内运行一段时间的能力，例如超过10-15秒。能够在启动期间保持10秒或更长时间的低速，并在整个过程中进行准确的速度估计，这对于HVAC产品上层系统中的某些传感和保护功能非常有用。在没有DHFI的情况下，在闭环DFC中以如此低的转速运行很长时间(例如超过10秒)的能力是不可行的。然而，使用DHFI，控制器可以被编程为故意以高于静止的速率(例如20-60Rpm 或30-50Rpm)将速度保持在预定的时间量(例如10秒)内，或者直到向控制器提供另一个触发为止。
Ⅵ启动策略和程序
(A)系统启动准备
例如，在电机启动时，包括启动前的时间以及启动前、即将启动或启动时，应适当准备并小心计算自举电容器的电流偏移和充电。应在所有绝缘栅双极晶体管(“IGBT”)关闭的情况下计算电流偏移，这通常包括禁用脉冲宽度调制(“PWM”)。然后，应加载自举电容器，例如，使用高相位占空比(即低侧IGBT的低导通时间)。
(B)检测转子运动的通用dq控制器
在电机启动时刻或启动时刻确定转子速度是本发明一些实施例中包含的电机控制的一个方面。如本文所述，磁通观测器可以利用本发明的通用dq控制器的实施例来处理电机速度检测和位置检测。在启动时刻，在任何主动控制或相关反馈有机会在系统中传播之前，系统根据定子电流值对正在进行的转子运动的自然响应初始化某些参数并获得初始速度信息。也就是说，检测转子运动的操作不是电机控制回路，而是程序化的预控制操作。因此，在控制回路开始之前，控制系统可以快速激活磁链观测器以获取速度信息，例如，在检测转子运动操作期间，由于风运行中转子的旋转而产生的反电动势信息，而不是通过逆变器。
如图9的功能元件示意图100所示，在该状态期间，可以通过使用在固定(α-β)参考系θe＝0中实现的电流控制配置来操作电机，参见图9。d控制器和q控制器作为电流控制器运行，输入端的参考电流为零，
Figure BDA0002930909770000291
与启动和正常运行期间不同，控制器不提供控制电机的指令或参考电压。相反，在一个实施例中，dq控制器以反电动势电压的形式向磁通观测器提供其输出。例如，如果电机旋转，则dq控制器的输出为电机反电动势电压。当磁通观测器被激活时，它提供定子磁通分量、定子磁通矢量的位置、转子位置和转子速度值。
在这个配置的实施例中，一旦激活该状态，就可以使用磁通观测器提供可靠速度值的等待时间，因为在开始时速度估计通常会超调。等待时间大约为0.5秒，甚至更短。在等待时间过后，一个可靠的速度信息为系统执行启动策略和过程做好了准备。
(C)启动控制策略和程序
参考图5和11以及图11中所示的控制参数，现在将详细描述综合描述电机启动控制策略和过程。启动控制策略的一个示例性实施例可以通过可设置和清除以提供实时或近实时控制的多个信号来执行。
(1)引入速度ωh
图5显示了电机速度(y轴)随时间(x轴)的曲线图。图5和图11中示出了多个不同的阈值速度值。图11还包括取决于行程旋转的高速阈值ωh和-ωh。阈值可以仅针对一个方向配置，或者可以配置为双向旋转，并且尽管阈值在两个方向上被描述为相等，但不一定是这样。此外，在本公开的整个过程中，可以在不参考方向或符号的情况下参考该速度值和其他速度值，应当理解为，即使在不使用绝对值符号的情况下，也可以通过它们的绝对值|ωh|来指代该速度阈值和其他速度阈值。该速度阈值是这样一个阈值，在该阈值下，电机控制系统被配置为激活用于无传感器控制的磁通观测器，如图11所示。当估计的转子速度达到并超过阈值转速ω>|ωh|时，电机控制系统被配置为改变无传感器滞后状态并更新观测器模式。例如，高速阈值ωh可以是 200RPM，磁通观测器速度阈值ω2可以是250RPM。磁链观测器的速度阈值可以是磁链观测器能够一致地为控制系统提供精确的转子速度估计值的速度。引入阈值高速ωh低于(或高于-ωh) 阈值速度ω，此时DHFI关闭。阈值高速ωh和磁通观测器阈值速度ω之间的速度差距可根据应用情况进行配置，例如启动电机控制的爬升率或其他因素的单独或组合。
此外，在速度阈值ωh和DHFI关闭阈值速度ω2之间选择速度间隙的另一个考虑因素是，在达到磁通观测器阈值速度ω2后，速度可能会下降到较低的速度。电机启动控制系统可被配置为在速度范围或窗口同时维持两个或更多速度估计资源，以确保从第一估计速度过程平稳过渡到第二估计速度过程。
(2)信号介绍
本发明的控制系统的一些实施例可以配置为基于控制系统的逻辑或状态的一个或多个信号来操作。现在将参照图11详细描述配置为在一个实施例中使用的示例性信号。
(a)无传感器信号。控制系统可配置成根据特定的速度估计方法来估计电机转子速度。该方法可基于无传感器滞后的变化而动态更新，以便利用与最新无传感器滞后值相关联的速度估计方法来确定未来的速度估计值。也就是说，转子速度估计值将落在转子速度范围152的某个地方，并且无传感器信号将相应地更新。每个无传感器滞后值与特定的速度区或一组速度区 141-147相关联，并且与特定的速度估计方法和配置相关联。在一些实施例中，速度区可以与能够并行或串联执行的多个速度估计方法和配置相关联。
在一些实施例中，当估计的电机速度接近操作速度水平时，可以并行地执行多个闭环速度估计，例如由定子磁通观测器进行的速度估计和通过高频注入的速度估计。启动方法可以包括选择适当的速度。选择可以基于一组标准，例如基于预定义的标准选择两个估计速度中的一个，例如，如果磁通观测器检测到高于阈值的速度，则认为磁通观测器速度可靠并加以利用，否则选择HFI速度进行启动电机控制。或者，估计转速的选择可以包括基于由并行速度估计输出的一个或多个不同估计转速的一个或多个应用一个或多个统计函数，以选择过渡期间的适当转子转速估计。选择过程可以包括用于选择两个或多个并行速度估计中哪个更可靠并选择该速度估计的准则，或者选择过程可以包括用于基于两个或多个并行速度估计来插值或以其他方式定义速度估计的准则。在一些实施例中，并行速度估计不作条件处理，而是在马达控制回路的正常过程中执行，但仅在适当情况到达时才参考。在其它实施例中，速度估计是按顺序而不是并行地执行的。
此外，当多个速度估计方法/配置与速度区相关联时，可以关联默认方法/配置，或者逻辑语句可以确定速度估计配置和方法。在图11所示的实施例中，有五个无传感器信号状态148，如下所示：
·SensorlessFlag＝1：速度范围-ω2<ω≤-ωh，图11，147，基于内部磁通观测器转子速度和转子位置的DFC；DHFI停用；
·SensorlessFlag＝2：速度范围，-ωh<ω<ωh，图11，146，DFC基于内部磁通观测器转子速度和转子位置，DHFI激活；
·SensorlessFlag＝3：速度范围，-ωh<ω<ωh，图11，143、144、145，DHFI激活(DFC基于HF角度观测器129)；在-ω1<ω<ω1时DFC基于HF角度观测器129加上极性检测；
·SensorlessFlag＝4：速度范围，ωh≤ω<ω2，图11，142，基于凸极磁通观测器转子速度和转子位置的DFC；DHFI激活；
·SensorlessFlag＝5：速度范围，ω>ω2，图11，141DFC基于凸极磁通观测器转子速度和转子位置；DHFI停用；
无传感器滞后增量数字也是速度爬升控制序列。启动时刻的任何初始速度都可以通过 SensorlessFlag＝5从启动时刻的任何无传感器滞后数加速到正常的DFC操作。例如，如果 SensorlessFalg为2，则控制序列为2、3、4和5。
(b)观测器模式。
在本实施例中，ObserverMode信号有两种状态：ObserverMode＝0和ObserverMode＝1。
在ObserverMode＝0时：在该模式下，定子磁通观测器通常配置为利用HFI角度观测器129 (见图10)的输出，根据转子磁场模型确定转子速度和转子位置。也就是说，定子对高频注入的电流响应可以反馈给HFI角度观测器129，该观测器可以确定转子转速和转子位置。尽管 HF角观测器129示出为单独的功能元件，它还可以与定子磁链观测器结合，这样定子磁通观测器的子模块可以根据是否向观测器提供高频定子电流响应或正常定子电流响应来处理速度估计。在本实施例中，obsermode＝0和SensorlessFlag＝3一致(即，估计的速度低于速度阈值，-ωh<ω<ωh)。
在ObserverMode＝1时:在此模式下，定子磁通观测器不使用HFI观测的位置角。相反，磁通观测器在内部估计转子位置和转速。该模式对应于SensorlessFlag＝1、2和4、5，其中转子位置和速度由磁通观测器估计。在转子速度估计值超过磁通观测器阈值2之前，DHFI仍处于启用状态，此后，DHFI关闭，因为控制系统(1)为磁通观测器提供了足够的提前期来稳定；以及(2)转子转速足够高，转子转速不太可能低于转子转速，此时凸极磁通观测器估计值可能不可靠，基于HFI的转速估计值可能更合适。
(c)EnableHF。在当前实施例中，EnableHF信号具有两个状态。
EnableHF＝0:HFI操作被禁用。HFI观测位置设置为磁通观测器提供的转子位置，转子极性检测激活时除外。
EnableHF＝1:HFI操作被启用。高频信号从HFI 125注入电机控制系统。HFI允许控制系统更准确地估计转子位置和转子速度。此外，定子磁通观测器接收标记并利用HF角观测器129 来提供输出转子位置和转子速度。
(d)极性检测。极性检测信号有两种状态。
PolarityDe＝0，当速度ω>|ω1|超出速度范围144时，HFI操作将被禁用。当PolarityDe＝1 时，当转子转速在144(-ω1≤ω≤ω1)的转速范围内时，启用HFI操作。
下表1显示了电机控制系统的一个实施例的直接磁通控制如何在闭环控制的不同状态下运行
表1：控制变量和状态表
状态 速度ω SensorlessFlag ObserverMode EnableHF PolarityDe
1 ω≤-ω<sub>2</sub> 1 1 0 0
2 ω<sub>2</sub>&lt;ω≤-ω<sub>h</sub> 2 1 1 0
3 -ω<sub>h</sub>&lt;ω&lt;ω<sub>h</sub> 3 0 1 0
4 ω<sub>1</sub>≤ω≤ω<sub>1</sub> 3 0 1 1
5 ω<sub>h</sub>≤ω&lt;ω<sub>2</sub> 4 1 1 0
6 ω≥ω<sub>2</sub> 5 1 0 0
(3)电机启动和运行控制方法
图12为用于永磁同步电机的通用电机控制方法的示例性实施例的流程图160，包括检测转子运动、通过正常运行的电机控制进行启动电机控制。电机控制(如有)可完全采用闭环控制。这些实施例特别适用于商用风机应用或任何其他应用中，其中电机转子可能经历风力运行或使初始电机启动条件未知或不可靠的其他力。下面将详细描述流程图。
响应于启动命令或其他启动触发，电子电机控制器可配置为初始化状态或电机启动准备阶段161。在此状态下的典型操作包括补偿计算和自举电容器充电，以及其他电机初始化操作。
在初始化之后和开始时刻，电机控制系统进入检测转子运动状态162。如本发明前面所讨论的，在该状态期间，电机控制器可配置为执行转子运动检测，该检测可包括根据预定转子速度估计方法的转子速度估计。转子运动检测过程可包括根据初始转子速度估计值设置启动闭环控制的各种信号。一般来说，电机控制器可以可靠地检测到转子的初始转速降到大约5转/分。通过初始转子速度估计，可以相应地设置控制标志，从而为启动控制配置控制系统。
具体而言，在检测转子运动状态结束时，可以检查SensorlessFlag，并根据SensorlessFlag控制电机控制。
如果SensorlessFlag不等于3 164，控制系统进入A，169，跳过零速度和静止启动步骤的过程。
如果SensorlessFlag为3 163，其中转子速度估计值低于速度阈值的绝对值ω≤|ωh|，则使EnableHF设置为1，这将或已经触发电机控制系统激活高频注入电路，并将高频信号注入控制系统。由此，定子磁链观测器接收并利用(例如，通过DFC的)初始(即起始力矩)HFI 观测角。然后，控制系统通过检查极性检测状态是否为PolarityDe＝1来检查估计的转子速度是否低于极性速度阈值ω1 166。如果是，则控制系统通过触发两个电压脉冲的应用来执行检查位置极性动作167，以识别转子167的极性。在电压脉冲期间，高频注入被禁用，但转子位置几乎没有变化，因为极性检测很快，转子以非常慢的速度移动。转子极性检查后，HF注入再次接通，基于DHFI的DFC闭环控制通过调用GO状态168执行初始启动速度控制，这允许控制系统进入与DHFI-DFC相关联的B处的启动过程。
如果估计速度大于极性速度阈值ω1165，则无需进行极性检测，因此系统控制进入GO状态， 168，B。在B接收状态，系统在172检查SensorlessFlag＝3，并获取DHFI位置和速度输出，以供给DFC闭环控制，直到到达状态173。
系统在A处检查速度169。如果速度ω>|ω2|，则使用带有磁通观测器估计的DFC控制， 174没有DHFI。如果转速ω≤|ω2|，则系统检查转速是否ω>|ωh|，171，例如200Rpm。如果观测器的输出磁通不大于系统的绝对磁通量，则系统的输出磁通量取绝对值。系统为闭环DFC， DHFI输出速度范围为ω≤|ωh|，173。然而，控制系统即使在负启动速度的情况下可能通过零速到正旋转方向，也不需要进行极性检测。
在171状态下，如果ω>|ωh|，磁通观测器利用其内部位置和速度进行DFC，直到速度达到ω>|ω2|，173。在状态174中，在速度绝对值为ω>|ω2|之后，DHFI操作被禁用(例如，高于250rpm)。如果SensorlessFlag＝1，在175，转子处于反向旋转方向，系统向下通过零速区，从而进入状态169，DFC闭环控制通过启动过程进入状态176下的正常DFC操作。
该方法在正、负两种速度下都能工作，也能使电机减速到零速度而没有任何问题。对于绝对速度高于|ω2|(250rpm)，磁通观测仪工作良好。
应用去耦可防止DHFI组件影响DFC系统。适当的电流滤波和电压指令的选择可以通过去除信号中的DHFI分量来保证观测器的解耦。当前实施例中的滤波器是移动平均滤波器(MAV) 130。在替代实施例中，可以使用不同的滤波器来解耦HFI组件。例如，从500hz到800hz的注入频率可以提供足够的带宽。
Ⅶ实验和模拟结果
本发明的实施例包括控制系统，并且可以实现到商用风机系统中。模拟和试验均取得了良好的效果。其中一些结果是为了详细说明系统如何从不同的状态开始并改变速度以达到最终目的速度。
在转向实验和模拟结果之前，值得注意的是，电机控制系统60的启动程序是鲁棒的，并且可以在没有常规永磁同步电机控制系统常见的闭环控制间隙的情况下实施。也就是说，本发明的实施例能够在没有开环控制的情况下完全操作。永磁同步电机的开环控制是指输出改变电机运行的命令的控制系统，但缺少反馈回路，因此开环控制系统的输出，例如电压矢量、转矩指令或其他影响电机控制的信号，不受电机所产生变化的影响关于输出，如改变(或缺少变化) 转子转速和位置或其他电机特性。开环控制在某些电机应用中尤其有问题，例如商业风机应用，在这些应用中，初始转子速度和位置未知或不可靠，例如，由于风。也就是说，永磁同步电机的开环启动控制要么假设永磁同步电机处于静止状态，要么向制动系统发出指令，希望，但无法验证电机是否处于静止状态。在某些应用中，这已经足够了，但在许多应用中，这些解决方案是不切实际和不可靠的。以下示例有助于说明检测转子运动操作和闭环控制，无论电机启动时是否存在转子运动，都可以解释和控制电机的运行。
图13-16为根据本发明实施例的IPMSM的四种不同启动情况下与电机启动相关的若干图。对于所有图表，时间在x轴上以秒为单位进行说明。图13a、14a、15a和16a，电机速度在y 轴上以每分钟转数(RPM)表示，图中显示了磁通观测器速度估计用于电机控制的位置(即 observermode＝1)，以及HFI速度估计用于电机控制的位置(即observermode＝0)。图13b、14b、 15b和16b，其中一个三相定子电流的幅值ia在y轴上以安培(A)表示。图13c、14c、15c 和16c，无传感器信号和enableHF信号以及statedrive信号沿y轴显示。enableHF信号是二进制的，可以是on或off。如果激活，无传感器信号可以是1-5，如图11所示(如果不活动则为0)。Statedrive吸纳后可以在启动控制启动之前驱动初始操作。在statedrive＝1时，检测转子运动的准备工作启动。在statedrive＝5时，执行编程的检测转子运动操作。在statedrive＝9时，执行极性检测操作。并且，在statedrive＝0时，初始操作顺序结束，电机空闲或通过无传感器信号完成到启动电机控制的切换。
具体参考图13A-C，这个例子显示了DFC闭环启动过程，初始速度为0rpm，初始位置角为 120度。图13a显示参考、观察和实际速度173；图13b显示A相电流波形，图13c显示随着电机控制实时执行而变化的信号状态。
启动时，可首先激活运动检测178，以检测转子初始速度。由于检测到的速度低于极性阈值转速ω1，HFI 174可用于估计转子位置角。由于低速或零速，执行175极性检测。在极性检测期间179，HFI被禁用。在极性检测期间，监测两个电流两个脉冲175。在本实施例中，振幅的第二负脉冲大于第一正脉冲，表示位置角必须作为基于极性检测结果的动作而增加180度。实际初始位置角为120度。图13C中可以看到SensorlessFlag＝3。
极性检测后，由于转子位置角被估计，运动检测结束，同时DHFI再次启用180。DFC闭环控制的dq控制器进入，ObserverMode＝0，如图13a的区域171所示。转子速度通过使用基于 DHFI的估计速度上升并快速跟随参考速度。控制器保持ObserverMode＝0状态，直到速度阈值ωh，此时控制器变为ObserverMode＝1状态，SensorlesFlag＝4，DHFI启用。在图13b和13c 中，可以看到DHFI波形增加A相基频电流176，直到DHFI速度ω2被禁用177为止。
具体来说，当速度达到ω2时，DHFI被禁用，控制器将ObserverMode＝1状态，SensorlesFlag＝5，系统切换到使用磁通观测器来估计闭环直接磁通控制的位置和速度，驱动转子爬升，直到启动过程完成，电机达到其目标正常运行速度。
图14a-c显示初始转速为-5Rpm时的起动过程。在运动检测183之后，由于检测到的初始低速，执行极性检测。在极性检测181期间，第一正峰值幅度大于第二负峰值振幅，表示基于极性检测结果的位置角与正极方向一致。与图14的检测结果相比，位置角是正确的
图15a-c显示了一个闭环控制起动过程，初始实际转速为-200Rpm。这个实际的电机速度值对于电机控制器来说是未知的，但有助于理解电机控制器的操作和检测转子运动的操作。
运动检测193指示速度在极性检测窗口(-ω1,ω1)之外，但在激活DHFI窗口(-ω2,ω2)内。因此，DHFI被激活，这由enableHF信号196被设置为1来证明。ObserverMode 191被设置为 0，sensorlessFlag 195被设置为3，因为-200Rpm的初始估计电机速度落在DHFI闭环DFC窗口内(-ωh,ωh)。在本实施例中，DHFI DFC阈值|ωh|为200Rpm。一旦检测转子运动操作完成，在这种情况下，由于0.8秒的预编程时间到期，因为obsermode＝0和SensorlessFlag＝3，通过磁通观测器67从HF角观测器129获得估计的速度，并馈送给DFC62用于DHFI-DFC闭环控制194，直到估计的电机速度超过200Rpm初始磁通观测器阈值|ωh|。也就是说，在DHFI-DFC 闭环控制194下，电机速度上升并通过零速度从负旋转方向192传递到正旋转方向192。然后，在通过初始磁通观测器阈值时，无传感器信号197将其状态改变为4，并且监测模式198变为 1，通过DHFI激活磁通观测器DFC。在本实施例中，由于DHFI已经被激活，磁通观测器速度估计已经自动地与基于HFI的速度估计并行地准备。当超过200Rpm阈值时，磁通观测器被视为更可靠的速度估计值，并提供给控制系统，而不是基于HFI的速度估计值。然而，根据DHFI，高频注入和解耦一直持续到速度估计达到或超过稳定磁链观测器阈值。
回到检测转子运动操作193进行更深入的讨论，电机控制器通过将参考转子位置θ*、参考 d转子电流id*和参考q转子电流iq*设置为零，假设电机速度为零。在图15A中，在检测转子运动操作193期间，基准速度ωref为0。在通用dq控制器实施例中，基准位置和电流为零可以是通用dq控制器重新配置为输出反电动势信息或电压并启用适当的DFC 62组件而不启用DFC 62的控制功能的电流控制器的触发条件。也就是说，在这种配置中，固定系
Figure BDA0002930909770000361
中的电压矢量表示与电机旋转相关的反电动势信息。此外，在该配置中，磁通观测器67可以基于提供给它的反电动势信息在运动检测操作期间检测转子速度。检测转子运动操作启动和磁通观测器准确估计电机速度可能需要一段时间(例如，大约50到500毫秒，但通常不到100毫秒)。图15A 示出磁通观测器如何在小时间之后输出基于所提供的反电动势信息稳定的估计速度ωm,obs。由于磁通观测器的基本配置和操作，它通常会在一开始超过正确的转子速度值，然后稳定下来以匹配实际电机速度。
在程序化检测转子运动操作193结束时，如果观察到的电机速度稳定，则可以编程电机控制器，以根据观察到的速度过渡到电机启动控制。
图16A-C在300Rpm的初始转速下显示了闭环控制起动过程。运动检测操作203提供300Rpm 的初始估计电机速度，因此不触发DHFI或极性检测。无传感器信号被设置为5，并且DFC闭环控制驱动转子速度上升201，直到到达运行目标速度。
在上述四个例子中的每一个例子中，图13-16，检测转子运动操作178、182、193、203 后的初始估计电机转速分别为0Rpm、-5Rpm、-200Rpm和300Rpm。该值可与查找表或其他条件编程结合使用，以将电机控制器初始配置为图11所示的启动电机控制状态141-147之一。启动电机控制状态控制电机在电机起动期间153的操作，因为电机转速152随时间而改变，通常是递增，朝向正常工作速度。启动电机控制状态可由不同的电机转速阈值来定义。例如，在图13-16，|ω1|＝10,|ωh|＝200,|ω2|＝250。因此，如上所述，对于通过检测转子运动操作观察到的速度约为-200rpm的图15A，由于在本实施例中如何处理边缘情况，电机启动控制将转换到DHFI闭环DFC。
如图13a、14a、15a和16所示。，电机控制器将参考转子速度ωref设置为零，作为编程检测转子运动操作的一部分。然后，在启动期间，参考电机速度ω*是电机启动控制期间的爬升速率，如图7所示，输入到速度控制器61中。图13a、14a和15a中，转子实际速度ωm分别为零、-5Rpm和-200Rpm，因此检测转子速度操作可实现HFI，而不是将反电动势电压信息传递给定子磁通观测器。就图13b-c和14b-c而言，由于电机速度估计值在10Rpm的极性检测阈值内，极性检测179，183被激活。对于图16a，转子实际速度ωm超出DHFI范围，因此检测转子速度操作将反电动势电压信息传递给定子磁通观测器，定子磁通观测器进而估计转子速度ωm,obs。在每种情况下，当启动电机控制在检测转子运动操作之后开始时，电机控制器具有可靠和鲁棒的速度估计值。要么是因为检测到足够的转子运动，检测转子运动操作将反电动势信息传递给定子磁通观测器，要么是因为检测转子运动操作没有检测到足够的转子运动并激活HFI，以便可以获得基于HFI的速度估计值。在每种情况下，检测到的速度ωm,obs(这可以包括任何速度估计方法，因为速度估计最终通过磁通观测器路由)在短时间内达到稳定的输出，小于500毫秒，在所描述的情况下小于100毫秒。控制系统可以利用稳定的速度估计来执行适当的电机控制策略，例如通过识别观察者速度的速度区域和设置适当的无传感器信号来触发适当的控制模式。该配置或模式选择可在检测转子运动操作的尾端执行，如图13-16所示，在检测转子运动操作结束前，或在检测转子运动操作完成后的单独操作中，无传感器信号发生变化。
方向性术语，例如“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“内部”和“外部”等，用于根据图示中所示实施例的方向来帮助描述本发明。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 (30)

1.一种无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：包括：
电机机壳；
安装在电机机壳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；
一种转子，其包括沿周向分布的多个内部永磁体，使得所述转子表现出磁凸极性，所述转子可通过所述定子的三相定子绕组结构的激励而在所述圆柱形空间内旋转；
安装在电机机壳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，配置为在电机启动期间提供闭环控制，控制器配置为：
在启动期间检测转子运动，以获得启动时刻电机转速估计值；
从多个不同的电机转速估计方法中选择一个作为基于启动电机转速估计的初始启动电机转速估计方法；根据选定的初始启动电机转速估算方法估算电机转速；
根据提供给控制器的反馈，使用闭环控制在电机启动期间生成驱动命令，反馈包括基于定子的一个或多个电气特性的信息，以及根据所选择的初始启动电机速度估计值获得的电机速度估计值；
驱动电路，用于根据电机启动时的驱动命令，为定子的三相定子绕组配置生成励磁信号。
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：所述控制器配置为通过向磁通观测器提供电压误差矢量来获得启动电机转速估计值，其中电压矢量为启动时刻期间定子电流的函数获得的。
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：所述控制器获得启动时刻电机速度估计值，作为启动时刻反电动势信息的函数。
4.根据权利要求3所述的无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：所述控制器包括一个通用dq控制器，可在第一个配置之间进行选择性配置，其中通用dq控制器编程以获得反电动势信息，并基于反电动势获得启动电机转速估计值信息，以及第二配置通用dq控制器被编程为根据直接磁通控制方法生成驱动命令。
5.根据权利要求4所述的无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：通用dq控制器的第一个配置包括配置用于电流控制的d控制器和配置为用于电流控制的q控制器，其中通用dq控制器的第二个配置包括配置为磁通的d控制器控件和为当前控制配置的q控制器。
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：多种不同的电机速度估计方法包括高频注入电机速度估计方法和磁通观测器电机速度估计方法，其中，控制器响应于启动时刻速度估计低于阈值速度，选择HFI电机速度估计方法作为初始启动电机速度估计方法，其中控制器响应于启动时刻速度估计高于阈值速度选择磁通观测器电机速度估计方法临界速度。
7.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：多种不同的电机速度估计方法包括动态高频注入DHFI电机速度估计方法，其中控制器选择DHFI电机速度估计方法作为初始启动电机速度估计方法响应于起始时刻速度估计低于阈值速度，其中，所述控制器被配置为除了驱动电路产生的励磁信号外，还将高频信号注入三相定子绕组配置中，从而根据DHFI电机速度估计方法来估计电机速度，感应三相定子绕组配置对驱动电路产生的组合高频信号和励磁信号的响应，将对高频信号注入的响应与感测响应解耦，根据对高频信号注入的解耦响应估计电机转速，将对励磁信号的响应与感测响应解耦，并将对励磁信号的解耦响应作为反馈提供给控制器。
8.根据权利要求7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两个相同的移动平均滤波器将对高频信号注入的响应与感测响应解耦，并将对励磁信号的响应与感测响应解耦，其中滤波器的输出是高频q轴电流，控制器配置为基于q轴电流估计电机速度，控制器配置为从感测响应中移除q轴电流，以将对励磁信号的响应与感测响应解耦，并提供作为输入到定子磁通量观测器的励磁信号的解耦响应。
9.根据权利要求7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带通滤波器和带阻滤波器中的至少一个将对高频信号注入的响应与感测响应解耦，并将对励磁信号的响应从感测响应中解耦出来。
10.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：所述控制器配置为基于定子的一个或多个电气特性和转子的磁极凸极性来获得第一个电机速度估计值，以及第二个不同，基于定子的一个或多个电气特性和用于估计定子磁通的电机数学模型的电机转速估计。
11.根据权利要求10所述的无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：所述控制器配置为除了驱动电路产生的励磁信号外，还将高频信号注入三相定子绕组配置中，感测三相定子绕组配置对驱动电路产生的高频信号和励磁信号，在响应中对驱动电路产生的高频信号和励磁信号进行解耦，得到基于解耦高频信号响应的第一电机转速估计值，并根据解耦后的励磁信号响应得到电机的二次转速估计值。
12.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：启动力矩电机转速估计值包括足以得出转子转速和转子位置的信息，其中，从所选择的电机速度估计方法获得的速度估计包括足以导出转子速度和转子位置的信息。
13.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：控制器被编程为在无开环控制的情况下生成驱动命令。
14.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：控制器被编程为在启动期间基于估计电机速度设置的控制标志来生成驱动命令。
15.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：所述控制器编程为基于多个控制标志在启动期间生成驱动命令，控制标志包括运动检测标志、高频注入标志、极性检测标志和观测器模式标志。
16.一种用于权利要求1-15任一权利要求所述无传感器凸极永磁同步电机的启动电机控制方法，其特征在于包括步骤：
感应定子的一个或多个电气特性；
在启动力矩期间检测转子运动，以获得启动力矩电机转速估计值；以及
从多个不同的电机转速估计方法中选择不同电机转速估计方法中的一个作为基于启动力矩电机转速估计的初始启动电机转速估计方法；
根据选定的初始启动电机转速估算方法估算电机转速；
根据提供给电机控制系统的反馈，在电机启动期间生成驱动命令，所述反馈包括基于定子的一个或多个电气特性的信息以及根据所选择的初始启动电机速度估计获得的电机速度估计值；
根据驱动电机时产生的驱动指令为定子产生励磁信号。
17.根据权利要求16所述的启动电机控制方法，其特征在于：获得启动力矩电机转速估计值包括向磁通观测器提供电压矢量，其中电压矢量是作为启动力矩期间定子电流的函数而获得的。
18.根据权利要求16所述的启动电机控制方法，其特征在于：所述获得启动力矩电机转速估计值包括在启动时刻期间检测反电动势信息和基于反电动势信息获得启动力矩电机转速估计值。
19.根据权利要求18所述的启动电机控制方法，其特征在于：包括在第一个配置之间选择性地配置通用dq控制器，其中通用dq控制器被编程以获得与转子相关的反电动势信息，第二个配置中通用dq控制器被编程以生成驱动命令根据电机启动时的直接磁通控制方法。
20.根据权利要求18所述的启动电机控制方法，其特征在于：选择性地将通用dq控制器配置为第一配置，包括配置用于磁通控制的d控制器和用于电流控制的q控制器，其中，选择性地将通用dq控制器配置为第二配置包括配置用于磁通量控制的d控制器和用于电流控制的q控制器。
21.根据权利要求16所述的启动电机控制方法，其特征在于：包括选择高频注入HFI电机速度估计方法作为初始启动电机速度估计方法，以响应启动时刻速度估计低于阈值，并选择磁通观测器电机速度估计方法以响应起始时刻速度估计高于阈值。
22.根据权利要求16所述的启动电机控制方法，其特征在于：包括响应启动时刻速度估计低于阈值而选择动态高频注入电机速度估计方法，以及根据DHFI通过注入定子来估计电机速度，高频信号和由驱动电路产生的励磁信号，感测定子中对组合高频信号和励磁信号的响应，将驱动电路产生的高频信号和励磁信号中的至少一个从响应中解耦，估计电机速度基于至少一个解耦信号。
23.根据权利要求22所述的启动电机控制方法，其特征在于：去耦包括将高频信号注入与感测响应解耦，并通过过滤定子中对组合高频信号和励磁信号的响应，将励磁信号与感测响应解耦。
24.根据权利要求16所述的启动电机控制方法，其特征在于：包括根据定子的一个或多个电气特性和转子的磁极凸极性获得第一个电机转速估计值，以及基于第二不同电机转速估计值，其基于定子的一个或多个电气特性和电机数学模型的电机转速估计。
25.根据权利要求16所述的启动电机控制方法，其特征在于：启动力矩电机转速估计值包括足以导出转子转速和转子位置的信息，其中，从所选电机转速估计值获得的转速估计值包括足以导出转子转速和转子位置的信息。
26.根据权利要求16所述的启动电机控制方法，其特征在于：包括在不开环控制的情况下在启动期间生成驱动命令。
27.根据权利要求1所述的所述的无传感器凸极永磁同步电机，其特征在于：多种不同的电机速度估计方法包括动态高频注入DHFI电机速度估计方法，所述控制器被配置为根据所述DHFI来估计电机速度；电机速度估计方法，通过配置控制器以将高频信号除驱动电路生成的激励信号外注入三相定子绕组配置中，还可以感测三相定子绕组配置中对组合高频信号的响应驱动电路生成的信号和激励信号，将高频信号注入的响应与感测到的响应解耦，基于对高频信号注入的解耦的响应，估算电机速度，将感测到的激励信号的响应解耦响应，并提供对激励信号的解耦响应作为对控制器的反馈。
28.根据权利要求27所述的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基于解耦信号在至少预定时间内维持速度，或者接收到触发信号。
29.根据权利要求16所述的启动电机控制方法，其特征在于：根据动态高频注入DHFI电机速度估算方法估算电机速度，方法是将高频信号和驱动电路生成的励磁信号注入到定子中，并感测定子中对组合高功率的响应频率信号和激励信号，将对高频信号的响应和对激励信号的响应中的至少一个从定子响应中解耦出来，并基于解耦后的信号执行闭环直接磁通控制。
30.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：基于解耦信号，经由所述闭环直接磁通量控制将速度维持在预定范围内至少预定时间或直到接收到触发信号为止。
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