CN115088180A - 交错式控制器 - Google Patents

Abstract

一种电机系统，包括电机，该电机包括：具有多个子绕组的定子，每一子绕组具有用于接收相电压的多个相连接，其中每一子绕组与每一其他子绕组电绝缘；包括多个永磁体或可激励电磁体的转子；包括多个控制部的控制器，每一控制部与相应一子绕组相关联，每一控制部被配置为监测相连接之间相关联子绕组的相电压。该系统还包括控制器，其被配置为：以设定的离散时间间隔从每一控制部获得每一相应子绕组的多个反电动势读数，使用多个所测量的反电动势读数和电机结构的先验知识来估计换向事件时序。

Description

交错式控制器

技术领域

本发明涉及用于无刷电机的控制器。

背景技术

许多电机依赖于永磁体，尽管包括感应电机和开关磁阻电机在内的其他电机类型并非如此。典型的电机通常包含一个带有磁铁或能够被磁化的转子和一个当电流通过其中的绕组时能够产生电磁场的定子。单一电导体(通常是导线)环绕分布在定子周围，有时被分组布置于分离的“槽”(用于容纳导体的凹陷)内。单一导线通常根据“绕组模式(windingpattern)”进行串联和并联。绕组模式是一种将单一导线组合在一起的方式，以便无论其如何分布于电机中，控制器均可通过向有限数量的相连接施加电压(并使电流通过)来整体作用于导线。例如，在单相电机中，电机内的所有导线最终仅通过两个点与控制器连接(即，只有两束成束的导线连接电机和控制器)。在三相电机中，电机和控制器之间通常有三个连接(如果电机通过带有中性点的“Y形连接”连接到控制器，则为四个)。高相电机则较少见。

一般来说，电机的“绕组模式”是指有限数量的相连接如何分配电机的电流流经较大数量的电导体。绕组模式决定了电机和控制器之间接口的简化。限制电机的相连接是有利的，当，例如，

(1)在电机使用寿命期间，控制器与电机之间的连接必须断开并重新连接，使得大数量的连接不甚适宜；

(2)控制器无法区分大数量的连接并管理对这些连接的电压和电流施加；

(3)控制器设于电机的较远处，无法使用挠性、实用的的电缆长距离地将大量导体互相绝缘；和/或

(4)控制器的局限性，类似于上述优点1和3的原因，意味着电机内部的相数少于或等于控制器电源的相数具有优势，该电源为诸如国家电网之类的具有三相的传统电网。

上述限制电机相连接的优点与大多数电机无关。可将优点2中“控制器可能无法处理大量连接”重新表述为“如果必须处理大量连接，控制器可能将会过于昂贵”。然而，随着半导体和计算机技术的每一次进步，这种考虑变得不那么重要了。与之对应的是，可以使用更多的相连接来改善电机的运行。正如电机几乎普遍从具有大量“槽”(用于在电机圆周上定位和分布绕组导体的通道)中获得优势，使得这些“槽”大大超过绕组的相连接数量，所以若现代的电机控制系统有机会在槽层级或者在至少比传统单相和三相相连接的简化层级更精细的层级中来检测和控制导体的运作，也可以获得优势。

发明内容

本发明的各方面阐述在所附权利要求中。

该定子可以包括多个槽，用于容纳子绕组的相。可选地，一个子绕组的一个或多个相与另外一个或多个子绕组的一个或多个相连接共享槽。容纳在同一槽内的相可以由它们各自的控制器大体上同步励磁。

本发明的一方面提供一种用于电机的控制部，该控制部被配置为监测相连接之间的相关联子绕组的相电压，并据此确定该子绕组的换向时序。

根据本发明的一方面，提供一种用于根据另一方面的电机的控制器，其中该控制器被配置为：

在设定的离散时间间隔从每一控制部获取每一相应子绕组的多个反电动势(EMF)读数；

通过以下方式估算该电机的总反电动势：

使用估计器基于该读数估计第一估计器变量的值；以及

使用该第一估计器变量估算该电机的总反电动势的值；以及

基于该总反电动势的值估计电机位置；以及

基于所估计的电机位置估计换向事件时序。

根据本发明的一个方面，提供一种网络控制器系统，其包括多个如前所述的控制器，被配置为：

从多个控制器中的每一控制器接收第一估计器变量的相应值，每一控制器与以下任一种相关联：多个子绕组或多个联动电机；

将该第一估计器变量的值组合成该第一估计器变量的总值；和

基于该总值估算该总反电动势。

根据本发明的一个方面，提供一种控制根据上述方面之一的电机的方法，该方法包括：

在设定的离散时间间隔从每一控制部获得每一相应子绕组的多个反电动势读数；

通过以下方式估算该电机的总反电动势：

使用估计器基于该读数估计第一估计器变量的值；以及

使用该第一估计器变量估算该电机的总反电动势的值；

基于该总反电动势的值估计电机位置；以及

基于所估计的电机位置估计换向事件时序。

该第一估计器变量可以是针对各离散时间间隔确定的算术平均值。

该方法还可以进一步包括通过以下方式估算该电机的总反电动势：

估计出该第一估计器变量、第二估计器变量和第三估计器变量的相应值，其中该第一估计器是正弦波的幅度，该第二估计器是该正弦波的频率，该第三估计器是该正弦波的相位，该正弦波表示该反电动势的估计；以及

基于该第一估计器变量、该第二估计器变量和该第三估计器变量的相应值估算该反电动势的值。

估计该第一估计器变量、该第二估计器变量和该第三估计器变量的相应值可以包括使用最小二乘估计(least squares estimate)。

该方法还可以包括在子绕组之间提供有相位偏移的电压，并且在估算该电机的总反电动势之前从该反电动势读数中去除该偏移。

该方法可以在电机上实施，其中该多个子绕组中的第一子绕组具有第一数量的并联导体，并且该多个子绕组中的第二子绕组具有第二数量的并联导体，第一数量的并联导体不同于第二数量的并联导体。

该方法可进一步包括：

将第一权重因数应用于第一子绕组的电动势读数，并将第二权重因数应用于第二子绕组的电动势读数；以及

基于根据各经相应权重因数加权后的电动势读数估算总反电动势。

该方法可进一步包括：

向第一子绕组施加第一电流并向第二子绕组施加第二电流，该第一电流不同于该第二电流；

将第一电流权重因数应用于该第一子绕组的电动势读数，并将第二电流权重因数应用于该第二子绕组的电动势读数；以及

基于根据各经相应电流权重因数加权后的电动势读数估算该电机的总反电动势值。

该第一电流可以对应于该电机的正常运行电流水平，该第二电流可以对应于低于该正常运行电流水平的电流水平。

该第一电流可以对应于高于该电机的正常运行电流水平的电流水平，该第二电流是低于该正常运行电流水平的电流水平。

该方法可进一步包括交换不同绕组之间的不同电流。

该方法可进一步包括：

从多个联动电机获取反电动势读数；

组合在每个离散时间间隔内的该多个电机中的每一电机的反电动势读数；以及

根据组合的读数来估算总反电动势。

该方法可进一步包括：

从多个控制器中的每一控制器接收第一估计器变量的相应值，每一控制器与以下任一中的相应一个相关联：多个子绕组或多个联动电机；

将第一估计器变量的值组合成第一估计器变量的总值；以及

根据该总值估算总反电动势。

该方法可包括：

在该电机运行期间，将一特定子绕组中的所有相绕组与电源断开一给定时间间隔；

在该给定时间间隔内监测此子绕组的一个或多个相电压；以及

根据监测到的该相电压确定换向时序，并且依据每一其他子绕组与该暂时与电源断开的子绕组的物理偏移，根据需要对该换向时序进行偏移以获得其他子绕组的换向时序。

该方法可包括，在所述给定时间间隔之后，监测一个或多个子绕组的一个或多个相电压并使用结果以更新所述换向时序。监测一个或多个子绕组的一个或多个相电压的步骤可包括：在该相电压的每一电周期内的一个或多个离散时间间隔期间监测一个或多个该相电压，其间所监测的相电压预期为大体上仅包括感应反电动势。

该方法可包括：

监测该第一子绕组的相绕组以获得第一换向时序数据，并将第一可靠性分数应用于该数据；

监测该电机的一个或多个其他子绕组以获得第二换向数据，并将第二可靠性分数应用于该数据；以及

通过基于相应的可靠性分数选择第一和第二换向数据中的一个或另一个来获得该第一子绕组的换向时序。

附图说明

图1是具有两个子绕组的无槽电机的轴测图；

图2在行业标准示意图中示出(a)采用单个绕组和(b)采用两个子绕组的6槽电机；

图3是示出了有两个独立子绕组的12槽电机绕组的示意图，图(a)示出以30度偏移缠绕的子绕组，图3b(b)示出以180度偏移缠绕的子绕组；

图4是电机具有“y形连接”结构的单个绕组的传统无刷电机控制器的框图；

图5是示出了具有两个子绕组的电机的“y形连接”和“三角形连接”结构示例的接线图；

图6是适用于控制具有两个子绕组的电机的控制系统的框图；

图7示出了适用于控制具有两个子绕组的电机的另一个控制系统的框图；

图8是示出随时间推移从电机内绕组的单相间测量中采集的反电动势电压数据的曲线图；

图9a是示出从相同绕组或不同绕组的三个相位偏移相间电压采集的反电动势电压数据的曲线图；

图9b为示出相移后从而彼此同相的同一数据的曲线图；

图9c为示出该数据的正弦最小均方估计的曲线图，通过将所有相位校正数据组合而计算得出(如同所有数据仅测量一个相间电压)；

图9d是示出原始数据返回其原始相位偏移的曲线图；

图10至15是示出根据实施例的方法的流程图。

具体实施方式

本公开提供了一种控制器，该控制器被分成许多个协作的部分，并且电机绕组被分成数个子绕组，每一子绕组与其他子绕组电绝缘。在传统的电机绕组中，所有单一导体都连接在一起，从而可以在绕组的任意两个连接点之间通过电流，并且循环通过连接点的每种组合，使电流通过电机中的每个导体。在一个实施例中，绕组的单一导体被分组成几个电独立的子绕组。尽管各个子绕组通过电机中的磁场相互作用，但电流不会流经彼此之间。尽管如此，一特定绕组的子绕组大体上同步励磁，即表现为形成单个的常规绕组。在一实施例中，电机可以具有多于一个的相，每一子绕组包括多个相，所有这些子绕组都与其他子绕组电绝缘，且其他子绕组中的每一子绕组都包括多个相。

通常地，数个子绕组中的每一子绕组向电机100传输的电力少于一个绕组向同一电机所传输的电力。数个绕组可以各自使用更细的导体或更少的并联导体，从而可以使电动机更易制造或减少电机内部用于导体的空间数量(增加槽填充因子或减小端绕组的尺寸)。

图1是根据一实施例的无槽电机100的等轴测图，示出了如何配置电机以具有两个子绕组110、120。在图1中，绕组以旋转偏移60度示出，各个子绕组旋转偏移是一个实施例。在另一个实施例中，子绕组可以并置，从而没有净旋转偏移。控制系统只要已知子绕组的旋转偏移量，就可以应用与每个子绕组相关的反电动势数据，并进行适当的相位校正，以完善对其它子绕组的控制。

图2在行业标准示意图中示出了根据实施例的一个6槽电机200。该电机分别缠绕有(a)单个绕组(图2a)和(b)两个子绕组(图2b)。所示的包含仅有单匝和两子绕组示例(b)的例子示出了没有相位偏移的子绕组。在此示例中，如果(b)中的子绕组110、120短接在一起(连接A1101与连接A2104连接，连接B1102与连接B2105连接，连接C1103与连接C2106连接)，则图2a中的单绕组电机(a)与图2b中的两子绕组电机(b)在功能上相同。因此，当连接到传统的单个控制器时，两子绕组电机(b)可以运行。然而，当连接到两个子控制器时，电机(b)的两个子绕组110、120可以各自传输一半总电流，从而使得每一子控制器可适配为仅为总电流的一半。此外，如果这两个子控制器构成逻辑连接控制系统的一部分，那么只要单个控制器就可以获取一个反电动势估计值(例如特定的相间电压)，则控制两个子绕组的控制系统就可以获取电机反电动势的两个独立样本——一个来自子绕组1，另一个来自子绕组2。因此，控制系统有可能通过获取多个读数以更准确地估计电机的位置。

图3示出了根据实施例的12槽电机绕组300。在每种情况下，电机具有两个独立的子绕组110、120。第一部分(a)(图3a)示出了以30度偏移缠绕的子绕组110、120，第二部分(b)(图3b)示出了以180度偏移缠绕的子绕组。第一部分(a)也以每个槽301-312仅承载来自于两个子绕组其中一个的导体的方式进行缠绕，而第二部分(b)的缠绕方式使得每个槽301-312承载来自两个子绕组的导体。一般来说，特别是在槽数较多的情况下，每个槽的子绕组数量、匝数和子绕组旋转偏移的选择是独立的设计选择。这些选择会影响驱动每一子绕组所需的电流和电压、控制器的设计以及控制器的运行对其电源稳定性的影响。旋转偏移的选择也会影响使用于控制系统中以比较和利用产生于每一子绕组的反电动势数据的方法。如果每一子绕组除了旋转偏移之外大体相同，那么每一子绕组所产生的反电动势除了时间上的偏移(或电机的旋转角度)之外也大体相同，并且可以使用包含此假设的最小均方估计(least-mean-squares estimation)进行组合。

图4以常规方式示出电机具有“y形连接”结构的单个绕组的传统无刷电机控制器401的框图400(具有用于三相的连接411、412、413和中性连接414)。控制器401包括高级逻辑(higher logic)402、缓冲器403、开关404和电压测量模块405。

图5示出了具有两个子绕组的电机的“y形连接”和“三角形连接”结构的示例。y形连接布置具有两个绕组110、120，每一绕组具有各自的相连接101～103和104～106以及中性连接107、108。三角形连接布置仅有相连接101～103和104～106。这些示例示出了子绕组彼此之间的电独立性。

根据一个实施例，提供了一种作用于所有子绕组的控制系统，而不是作用每一绕组的独立控制器，使得数据在与每一子绕组相关联的控制系统的各个功能部分之间共享。每个子绕组具有一个相关联的控制部或子控制器。在一个实施例中，控制系统包括单个控制器。在这种布置中，控制器包括与相应子绕组相关联的多个控制部。在另一个实施例中，控制系统包括控制器网络，每一控制器用作相应子绕组的控制部。由于每一子绕组通常比单个绕组传输更少的电力，因此控制系统中的每个控制器部传输的电力比单个控制器要少。因此，与用于传统单绕组电机的控制器中的半导体开关相比，控制电流流动和向每一子绕组施加电压的半导体开关(例如MOSFET或IGBT)可适配为较低的电流和功率。这种布置的优势在于，同一电动机中具有较低电流和额定功率的半导体开关可比适配于单个绕组的半导体开关更便宜和/或用途更广泛。

在电机和控制系统内部，本发明可以减小各种部件的尺寸、额定功率或成本。然而，与影响单个绕组的单个控制器相比，本发明的另一个动机是增加从电机获取的数据量。使用更多的数据，包括多个子绕组的电机的控制系统可以更准确地估计整个电机的状态和位置，从而更有效地操作电机。本发明的这个方面可以通过以下实施例来实现。

在一个实施例中，对于每一子绕组，与该子绕组相关联的控制器部(或总而言之，控制系统)测量每种相组合的电压电势，从而估计由于电机的旋转而施加在子绕组上的反电动势相电压。这与测量常规控制器中单个绕组上的相电压的常规无传感器控制器的操作类似，但本发明中多个电气独立的子绕组的存在意味着控制系统可以获取来自于每一电气独立的子绕组的数个反电动势估算。可以组合这数个估算以产生反电动势的总体估算，该总体估算比从传统电动机中的单相绕组产生的估算更精确并且可能更准确。

图6示出了根据一实施例的适用于控制具有两个子绕组、相应连接101-103和104-106的电机的控制系统600的框图。控制部构造为类似于图4中的单一控制器。每一控制部601a、601b具有高级逻辑602a、602b、缓冲器603a、603b、开关604a、604b和电压测量模块605a、605b。在图6的实施例中，有一个额外的高级“元逻辑”模块609，其能够比较和校正每个子控制器内的高级逻辑，从而通过可访问所有子控制器的元逻辑以提升每个子控制器的性能。在该示例中，元逻辑609可以访问由每个子绕组产生的反电动势电压测量数据。元逻辑基于所有可获得的反电动势数据计算电机位置的估计值。在一个实施例中，其包括应用适用于电机绕组模式的最小均方方法(least-mean-squares method)以组合来自不同子绕组的数据。一般来说，元逻辑进行的电机位置计算被认为比单独与每个子控制器相关联的高级逻辑仅利用与其自身关联的子绕组的反电动势数据所进行(或可进行)的电机位置计算更准确。

更准确和可靠的电机反电动势估算意味着更准确地了解电机的状态和位置。这意味着可以以更优化的时序进行“换向”(即绕组各相之间的电流切换)。一般来说，更优化的时序可以提高电机的效率、降低噪音并提高电机的峰值扭矩和功率容量。

电机中的各个子绕组电独立，即彼此绝缘。因此，其各自的电压相当于反电动势和电机位置的独立测量值。可以使用最小均方计算来组合独立测量值，以产生比其任何输入值具有更大置信度的单一估算。当在理论上每一测量是相同数量的测量时，则算术平均值是“真实”数量的最小均方估计。因此，本发明的一种实施方式是对来自于每一子绕组的电机位置进行独立估计，然后使用算术平均将它们组合起来。例如，三个子绕组可以产生电机电气位置分别是350°、356°和2°的估计。由于对0°处的环绕问题的敏感，控制系统可以使用算术平均将这些估计值组合为359°。

组合来自不同的电独立的子绕组的数据的更巧妙方法是组合用于估算反电动势的电压测量值。控制系统可以基于综合来自所有子绕组的数据而计算电机位置的单个估计，而不是为每一子绕组计算单独的反电动势估算和电机位置估计。这种方法可以比从单独计算位置估计中计算出的结果更准确。通过比较来自不同子绕组的电压数据，可以更好地实现筛选。在生成单个位置估计的过程中，可以通过与其他子绕组产生的数据进行比较来检测或稀释“不良”或虚假数据，而不是将不良数据传递到给定子绕组的独立位置估计后再与其他独立的位置估计进行比较。最终，控制系统在计算过程的早期比较和交叉检查来自于各个电独立子绕组的数据能够减少对筛选的依赖而保持稳定且可靠的计算。相比于包括有三个电独立子绕组和“3X”个电压测量值的整个电机的位置估计，一个基于测得电压数据为给定数量(“X”个测量值)的电独立子绕组的位置估计要求对输入数据进行更多筛选以保持稳定的计算，因为使用更大的(在本示例中为三倍)数据集作为位置估计计算的输入值会产生一定量的事实筛选和稳定。

在具有多绕组的电机中，各个绕组通常不会同时产生相同的反电动势电压。一给定绕组的各个子绕组可以：

(1)相互之间存在相位偏移(如果一个子绕组的导体相对于另一个子绕组的导体周向偏移而设置)；

(2)具有不同的频率(如果一个子绕组的导体相比于另一个子绕组分布于更多数量的环绕位置之中(即如果该电机有槽，则一个绕组通过的槽比另一个绕组更多))；或

(3)具有不同的幅度(如果一个子绕组的导体沿电机长度方向穿绕许多倍于另一个绕组的导体(即，一个子绕组比另一个具有更多的“匝数”))。

然而，根据众所周知的用于最小均方正弦参数估计的数学技术，可以使用最小均方方法以组合来自各个绕组的数据。在大多数情况下，可以合理地假设所有反电动势信号具有相同的已知频率(由于电机的角动量守恒，已知与最近估计的频率相似)和已知的相位偏移(根据电动机的结构)。在这些假设下，正弦最小均方估计通常是可以直接求解的。在一般情况下，当不同的样本数据基于相位偏移(不同的子绕组)和时间(历史样本数据)分布时，可使用众所周知的回归技术逼近正弦量的最小均方估计。

图7示出了根据实施例的另一个控制系统700的框图。该控制系统适用于控制具有两个子绕组的电机。如前所述，每一控制器701a、701b具有高级逻辑702a、702b、缓冲器703a、703b、开关704a、704b和电压测量模块705a、705b。在图7的实施例中，没有如图6实施例那样的设置于本地的用于管理每一子控制器的“元逻辑”。相反，每一子控制器都根据自身的电机位置计算来运行。然而，各个子控制器在功能上并不独立；它们共享数据709，无论是计算出的位置数据、原始反电动势数据还是一些其他筛选或中间数据，因此，每一子控制器内的估计电机位置的函数获得比从其自身的相关子绕组中获得的数据更大的数据集。如此，图7所示的布置可以产生与图6所示的布置相同的保真度，但它更适合于分布式处理或通过网络连接子控制器。

图8是反电动势805跟随时间810的图形表示，带有数据点801，示出了正弦最小均方估计800比线性(算术平均)最小均方估计更有用的程度。该图示出一种极端情况，在其中，历史反电动势数据适用于整个周期。在此情况下，算术平均预计会产生0值的反电动势估计(图8中的点划线)，而正弦估计会产生更好的数据拟合(图8中的短划线)。

图9a、9b、9c和9d是反电动势905跟随时间910的图形表示，具有来自不同子绕组的数据点，示出了来自相位偏移数据901、902、903(由在相同绕组内不同相间电压测量产生，或由在不同绕组中所测量的相间电压产生)的数据如何组合以产生基于更广泛数据集和预期作为更准确的反电动势估计的正弦最小均方估计。测量到的数据如图9a所示。此处，从电机的结构可知数据具有相位偏移。如图9b所示，通过沿x轴移动数据来消除已知的相位偏移，使得所有数据具有相同的相位角。应用正弦最小均方估计算法以生成最拟合所有可用相移数据的正弦函数(如图9c所示)。这一由所有可用数据获得的估计，预期比分别从三个原始数据集中产生的三个估计中的任何一个都更为准确。上一步中产生的估计值随即通过与应用于原始数据的反向相移进行相移。因此，如图9d所示，产生了三个估计值，每个估计值都拟合一个原始数据集。以这种方式产生的每个估计值，预期可表现出更大的关于其相对应的测得的反电动势数据的最小均方误差，但更接近于真实的反电动势波形。可以做出这种断言是因为已知测量数据集之间的相位偏移是一个由电机结构导致的精确且恒定的值。因此，可假设数据相移没有引入任何误差。因为数据相移并没有引入任何误差，所以从其他相位角获取的额外数据可以减少估计中的误差，就像重复测量以减少算术平均值的误差一样。通过最小化所有(已相移)数据的最小均方误差，此过程生成了正弦最小均方估计(已相移)，对比由彼此独立的原始三个相位偏移数据集计算出的三个单独的正弦估计，此估计对所有相位上的反电动势电压的表达都更准确。由于所计算出的反电动势电压估计值在相位角(相对于每个相位偏移的反电动势电压信号)方面比从不同数据集单独计算的估计值更为准确，因此取决于此反电动势电压估计值的控制器换向时序可以更准确，使电机更有效地运行。图9的实施例示出了在使用最小二乘估计的方法中相位偏移去除(phaseoffset removal)的使用。然而，相位偏移去除也可使用于其他实施例中，例如结合简单算术平均使用。

现参考图10至15以阐述根据实施例的估算反电动势的方法。在一个实施例中，使用估计器来提供反电动势的估计值。估计器是一种统计规则，其基于所提供的数据为至少一个估计器变量提供一个或多个值。在一个实施例中，估计器包括离散时间间隔内的反电动势值算术平均值的确定，即，估计器变量是算术平均值。在一个实施例中，估计器包括多个估计器变量的确定，其中可以组合估计器变量以确定反电动势的估计值。在一个实施例中，估计器包括第一估计器变量、第二估计器变量和第三估计器变量的确定。在一个实施例中，估计器包括表示反电动势随时间变化的估计的正弦波参数的确定。在一个实施例中，第一估计器变量是正弦波的幅度，第二估计器变量是正弦波的频率，第三估计器变量是正弦波的相位。在一个实施例中，估计器包括最小二乘估计的使用。

换而言之，在一个实施例中，总反电动势是通过计算每一子绕组提供的数据的算术平均值来估算的，并且，控制器使用该总反电动势来推断关于电机的各种信息，包括速度(基于反电动势频率)、温度(基于将反电动势幅度与速度关联)和旋转角度(基于反电动势相位角)。利用从总反电动势推断出的电机旋转角度以确定换向时序，是电机控制器的主要功能。

在另一个实施例中，“总反电动势”是一个指一组信号的术语，此组信号根据电机的构造而彼此相位偏移且幅度或频率互为倍数。该总反电动势表示对来自于电机内每一相位和子绕组的每一反电动势信号的总体最佳估算，其中，考虑到各个相位和子绕组之间因电机结构而产生的所有固定偏移和差异，相应读数中的误差已被最小化。因此，总反电动势是控制器内代表电机状态的一组数据，包括其旋转位置、速度、温度或磨损状态等。根据总反电动势，可以随时计算任何相位和子绕组上的任何反电动势读数的最佳估算值。然而，本发明不限于这些实施例中的任一个，并且可以使用任何合适的估计器基于从子绕组获取的读数来估算电机的总反电动势。这些实施例中的术语相位指的是由估计器估计的相位，并且不同于上面讨论的固定相位偏移。可以结合相位偏移去除技术与相位估计来进行正弦波参数估计。

当说明书提到电机的位置或旋转位置或旋转角度时，意指其电气位置、或其转子磁极相对于其定子内导体位置的位置。这也可能或不可能意指电机轴相对于电机定子物理位置的物理旋转位置。

图10是示出了根据一实施例的方法的流程图。该方法包括：在设定的离散时间间隔从每一控制部获得每一相应子绕组的多个反电动势读数1001；使用估计器基于该读数估计第一估计器变量的值1002；使用该第一估计器变量估算电机的总反电动势的值1003；基于总反电动势的值估计电机位置1004；以及基于估计出的电机位置估计换向事件时序1005。在一个实施例中，第一估计器变量是算术平均值，而估计器是算术平均值的确定。在其他实施例中，可以有超过一个的估计器变量，例如，第一估计器值可以是正弦波的幅度，第二估计器变量可以是正弦波的频率，第三估计器可以是正弦波的相位。估计器是对正弦波参数的估计，该正弦波描述反电动势跟随时间的变化。本发明不限于任何特定的估计器或估计器变量。本领域技术人员将理解的是，可以有其他合适的具有相关联的估计器变量的估计器用于估计反电动势。

图11a是示出了根据一实施例的方法的流程图。该方法包括：估计出所述第一估计器变量、一第二估计器变量和一第三估计器变量的相应值1101a；基于第一估计器变量、第二估计器变量和第三估计器变量的相应值估算反电动势的值1101a；以及基于反电动势的估算值来估计电机位置1103a。图11b是示出了根据一实施例的方法的流程图。该方法包括：估计正弦波的幅度、频率和相位的值，其中正弦波表示反电动势跟随时间的变化1101b；基于幅度、频率和相位估计反电动势的值1102b；以及基于反电动势的估计值来估计电机位置1103b。

通常，每一子绕组和关联的控制器部向电机传输的电力少于一个绕组和一个控制器向同一电机传输的电力。因此，每一子绕组可能比单一绕组受到更少的失真，诸如回流等现象不太明显并且分布于所有绕组中。换而言之，相比于单一绕组和控制器，在每一子绕组上所测量的电压信号通常受电机电磁性能的影响较大，而受控制器电源和二极管损耗的影响较小。理想情况下电机绕组的电压完全受电机电磁的影响而完全不受控制器电源的影响。就这一点而言，测得的电压是对反电动势的良好估计，是电机位置和状况的良好指示，也是控制器何时影响换向的有用指标。具有多个子绕组的电机的控制系统，或电机本身，可以被设计为放大子绕组之间的差异，例如通过向子绕组中的一个提供较少的电力或不提供电力。在此情况下，由于控制系统电源造成的失真较小，自接收较少电力的绕组测得的电压信号可以被视为是对反电动势的更佳估计。由此，在控制系统对电机位置的总体估计中可以考虑将更大的权重赋予来自于接收较少电力的绕组的数据。

例如，电机可能具有两个电独立的子绕组A和B，其绕组模式相同，但包含不同数量的并联导体。子绕组A的并联导体数量是子绕组B的3倍，电机的控制系统以将所有电流的75％输送给子绕组A、25％输送给子绕组B的方式进行配置。设计者可以预期到，在子绕组B处测量的电压比在子绕组A处测量的电压能更为准确地表示电机的反电动势。在此示例中，控制系统可以将权重因数3或基于实验或分析所得的某个其他权重因数赋予在子绕组B处测量的电压，从而使反电动势的任何最小均方估计偏向于子绕组B的测量值。

图12是示出了根据一实施例的方法的流程图。该方法包括：将第一权重因数应用于该第一子绕组的电动势读数，并将第二权重因数应用于该第二子绕组的电动势读数1201；基于根据相应权重因数加权的反电动势读数估算总反电动势1202。在一个实施例中，将第一权重因数应用于第一子绕组的电动势读数和将第二权重因数应用于第二子绕组的电动势读数可以与表示总反电动势跟随时间变化的正弦波的幅度、频率和相位的估计值连同使用，即，其中的第一估计器变量是正弦波的幅度，第二估计器变量是正弦波的频率，第三估计器变量是正弦波的相位。

将第一权重因数应用于第一子绕组的电动势读数和将第二权重因数应用于第二子绕组的电动势读数不限于确定正弦波参数估计的实施例。加权可以结合任何用于估计总反电动势的估计器应用。例如，在一个实施例中，将第一权重因数应用于第一子绕组的电动势读数和将第二权重因数应用于第二子绕组的电动势读数可以与算术平均值结合使用来估计反电动势。

在一个实施例中，可以根据绕组的物理构造，例如上述的并联导体的数量，应用不同的权重。在另一个实施例中，可以根据读数的预期可靠性进行加权。在一个实施例中，多个电机可以互联，从而能够组合来自不同电机的反电动势读数。在一个实施例中，互联电机的各个控制器可以联网。相比于来自已经进行位置等估计的电机，来自于不同电机的读数的可靠性较差。因此，来自不同电机的读数可以被赋予比来自目标电机的读数更低的权重。

在另一个示例中，电机可以具有两个子绕组A和B，其绕组模式和并联导体的数量均相同。该电机的控制系统可以随时间平均地向两个绕组传递相等的电流，但可以周期性地引入不等电流以改进其对反电动势的估计。例如，每100转数一次地，控制器可以将60％的电流传递到子绕组A，将40％的电流传递到子绕组B。也可以相反，每100转数一次地，将40％的电流传递到子绕组A并将60％传递到子绕组B。只有在电流不相等的时候，控制系统才会用权重因数对测量的电压信号进行偏置，以偏重于接收较少电流的子绕组，此子绕组的电压预期可表示更准确的反电动势估计值。考虑到当子绕组间电流不相等时通过偏置的最小均方计算得到的反电动势估计值比当子绕组间电流相等时得到的反电动势估计值更准确，通过使用包括当前电压读数的加权值和在电流不相等时获取的读数的加权值在内的反电动势最小均方估计，或者通过应用已排除当前数据集中与在不相等电流时所获取的数据偏离较大的点的模糊逻辑方法，控制系统也可以记录在电流不相等时计算的电机相位角，并以此检测或修正在相等电流时计算的反电动势估计中的误差。

图13是示出了根据一实施例的方法的流程图。该方法包括：向第一子绕组提供第一电流并且向第二子绕组提供第二电流，第一电流不同于第二电流1301；将第一电流权重因数应用于第一子绕组的电动势读数，并将第二电流权重因数应用于第二子绕组的电动势读数1302；以及基于已根据各电流权重因数加权的电动势读数以估算电机的总反电动势值1303。在一个实施例中，第一电流对应于电机正常运行下的电流水平，第二电流对应于低于该正常运行电流水平的电流水平。此处，正常运行的电流水平是指电机在预期运行状态下的电流运行水平。选择一子绕组以在设定时间段内接收较低的电流。较低的电流可以产生更准确的反电动势读数。可以对从接收较低电流的子绕组获取的读数赋予较高的权重。在一个实施例中，在设定时间段内向其他绕组提供较高的电流，以维持电动机的总功率。在一个实施例中，在不同的子绕组之间交替不同的电流。换句话说，不同的子绕组在不同时间段接收该较低电流。

图14是示出根据一实施例的方法的流程图。该方法包括：从多个联动电机或多个子绕组中获取反电动势读数1401；将来自于在每一离散时间间隔内的多个电机中的每一个的反电动势读数进行组合1402；以及根据该组合读数来估算总反电动势1403。数据从电机获得，并且以与先前实施例中处理来自单个电机的数据相同的方式进行处理。例如，在一个实施例中，可以采用数据值的算术平均。在另一个实施例中，可以基于该组合数据来估计表示反电动势跟随时间变化的正弦波参数。来自不同电机的数据的组合可以是结合单个电机的上述任何方法的组合特征。在一个实施例中，该方法可以应用于多个联动电机，其中，每一联动电机的相应控制器联网。

图15是示出了根据一实施例的方法的流程图。该方法包括：从多个控制器的每一个接收第一估计器变量的相应值，每一控制器与多个联动电机的相应一个关联1501；将第一估计器变量的值组合成第一估计器变量总值1502；以及根据该总值估算总反电动势1503。在一个实施例中，第一估计器变量是每一时间间隔的数据读数的算术平均值。在另一个实施例中，可以组合多个估计器值。在一个实施例中，第一估计器变量是正弦波的幅度，第二估计器是正弦波的频率，第三估计器是正弦波的相位。组合从多个电机、单个或多个电机内的多个绕组或绕组组中获得的估计器变量值的技术可以与合适的估计器和相关的估计器变量一起使用。

可以在具有电绝缘子绕组的电机的每一子绕组中设置不同的绕组模式，从而可以针对不同的电机运行条件优化每一子绕组。例如，具有更多匝数的子绕组可以在低速下实现更有效的操作，在低速运行期间相比于其他子绕组可以更偏向使用该子绕组(该子绕组接收的电流比例或赋予其测量电压的权重因数或两者)。然而，高速运行时，由于匝数较多的子绕组上的反电动势电压大于控制系统的电源输入电压，该匝数较多的子绕组可以与其他子绕组同等使用或者完全不使用。配置具有更多匝数的子绕组以便在低速时更有效地运行，对于电机是有利的，即使该子绕组在高速运行时不会被用到且相对于满载额定性能增加了电机的成本和尺寸。

如果电机的极数很高但匝数很少，意味着电动机转子的磁极发生多次变化，但绕组中的导体能沿电机长度穿过和再次穿过以与这些磁铁相互作用的次数有限，那么此情况将促使采用具有高频开关能力的控制器，使有限匝数的导体极性的改变可以和转子中不同极性的磁铁经过同样的频繁。在此类应用中，包含电隔离子绕组的设计可采用较低的控制器开关频率。如果子绕组环绕电机相互偏移，则处理每一子绕组的控制部的运行将具有时间偏移，此时间偏移对电机的影响与增加单绕组电机的开关频率类似。例如，考虑一个具有8磁极和分布在24个槽中的3相绕组的电机。考虑该电机具有每分钟30,000转或500Hz的运行速度。由于具有8极，该电机的电频率将为2kHz。为了使用传统脉宽调制策略实现对该电机的充分控制，控制器可能需要以40kHz的内部频率运行(精确设计频率也受系统电感和电容、设计成本目标、目标效率和效率图宽度等因素的影响)。然而，如果将相同的铜导线分布到两个电独立的子绕组中，每一子绕组分布到12个槽中，则可以实现相同或相似的设计目标。在此配置中，除了沿电机的圆周彼此偏移15度外，两个电独立的子绕组是相同的。控制系统可以以相对电相位偏移为180度的1kHz的电频率操作每个子绕组。因此，每一子绕组将作为另一子绕组的额外半匝。通过这种方式，电机绕组的任务被分配到两个子绕组，且控制器可以以处理单一绕组的控制器内部频率的一半运行。如前所述，在两个子绕组之间分配电流也可以使控制器部件更容易获取或更便宜。此外，涉及电气工作频率和电流水平的系统电感和电容可以实现更平滑和更容易控制的系统，或者可为电机/控制器系统的设计提供更大的灵活性。

在一个实施例中，流经其中一个子绕组的电流可以在短时间内完全关闭(通常相当于电机一转的一小部分)。当子绕组处于此情况下时，流经其相绕组的电流很小或没有，表现为开路状态，且在其端子连接处所测量的相电压等于或几乎等于电机的反电动势。即使电机每转多圈仅执行一次，该程序也可以显著提高控制器对反电动势的估计，在每一电机子绕组中，改进后的估计随后可用于校正或偏移控制器在电动机正常运行期间观测到的相电压测量值。上述校正能让控制器更有效地运行，特别是如果配备了足够的数学能力以将机器学习或模糊逻辑应用于开路测量的相电压与正常运行期间最近测得的相电压的协调问题。

例如，一个子绕组可以在开路条件下完成一个完整的电周期，记录该周期内每个采样点的测量和滤波相电压，然后将所记录数据用作后几个转数的反电动势的估计器。在随后的转数中，控制器观察“标记数据”，例如达到某个控制器的编程器预先知道为可靠测量值的特定值、而不是发生在子绕组控制器正在对子绕组进行换向的相位角附近的子绕组相电压信号。当观察到“标记”时，控制器重新校准其对其位置的估计，从最近观察到的“标记”再次向前计数以保持对其位置的估计。该位置与相关于先前记录的反电动势估计(最近开路操作期间记录的相电压)的电机相位角相同。控制器通过以下方式确定何时对电动机进行换向：(a)基于最近观察到的由计数器递增的“标记”保持对相位角的估计；(b)保持对在上一次“开路”电机运行期间记录的每一相位反电动势函数的估计；(c)通过查找反电动势函数的值(从上述b中)和相位角估计(从上述a中)，得出每一相的反电动势的瞬时估计。将每一相位和每一子绕组的反电动势函数(b)在相位角(a)处的值与同一子绕组中的所有其他相位和所有其他子绕组中的所有相位的相同值进行比较，以确定换向时序。因此，使用从给定子绕组的偶尔“开路”操作而得出的反电动势估计值，而不是瞬时测量的相电压，来确定不同相位和子绕组中的换向时序。

通过上述使用部分反电动势数据的方法，即使是非常差或失真的相电压信号也可以偶尔提供用作“标记”的良好数据。因此，相比于不采用偶尔开路模式运行的电机或者在不具备多个不同子绕组以倍增可用数据的情况下仍如此处理的电机，在其任何子绕组上采用这种偶尔开路运行方法的电机，结合来自其每一子绕组的“标记”数据，可以在其所有子绕组中产生更可靠和正确的换向时序。此外，在包含多个不同子绕组的电机中，暂时消除流经绕组的电流以执行此方法造成的影响更小，停止一个子绕组中的电流不会使电机的整个功率输出降至零。

此方法的另一个潜在优势是大量并置或微小偏移的子绕组可以用方波连续激励，从而合成正弦曲线激励。这可以想象为由小步长创建的正弦波(net resulting sinewave)激励。随着每一连续的子绕组从“关闭”切换到“正导通”或“关闭”切换到“负导通”，该创建的正弦波会在电压处升高或降低一步。当达到电机的峰值时，第一个子绕组返回到“关闭”状态，该创建的正弦波向零电压状态趋近一小步，依此类推，直到所有子绕组都“关闭”，然后此过程在极性翻转时再次开始。电机中使用的磁铁性质、电机的几何结构和/或电机的特定占空比可能表明正弦曲线激励将是最佳的，但通常情况下，提供方波激励的控制器更便宜或更鲁棒。在上述示例中，由子绕组的连续激励所产生的阶跃合成的正弦波不需要单个子控制器以比创建的正弦波的基频更快的速度进行切换，相比例如必须使用更传统的脉宽调制控制策略创建相同正弦波的控制器要慢得多。此外，发生在特定子绕组上的每一切换事件仅切换与该子绕组相关的电流量，例如在更传统的脉宽调制控制策略中，仅切换总电流的一小部分。

Claims (16)

1.一种电机系统，包括有：

电机，包括有：

定子，具有多个子绕组，每一子绕组具有用于接收相电压的多个相连接，其中，每一所述子绕组与每一其他所述子绕组电绝缘；

转子，包括有多个永磁体或可激励电磁体；

控制器，包括多个控制部，每一控制部与相应一子绕组相关联，每一控制部被配置为在相连接之间监测所述相关联子绕组的相电压；

控制器，被配置为：

在设定的离散时间间隔从每一控制部获取每一所述相应子绕组的多个反电动势读数；

使用所述多个测得的反电动势读数和所述电机的结构的先验知识来估计换向事件时序。

2.根据权利要求1所述的电机系统，其中，使用多个反电动势读数和所述电机的结构的先验知识来估计换向事件时序的步骤包括有：

使用从所述电机的结构的先验知识得出的最小均方估计器函数来确定所述多个测得的反电动势读数的最小均方拟合；以及

使用所述最小均方拟合确定换向事件时序。

3.根据权利要求1所述的电机系统，所述控制器被配置为通过以下方式估计所述电机的总反电动势：

使用估计器基于所述读数估计第一估计器变量的值；以及

使用所述第一估计器变量估算所述电机的总反电动势的值；以及

基于所述总反电动势的值估计电机位置；以及

基于所述估计出的电机位置估计换向事件时序。

4.根据权利要求3所述的电机系统，其中，所述总反电动势是各个离散时间间隔内的反电动势读数的算术平均值。

5.根据权利要求3或4所述的电机系统，进一步配置为通过以下方式估算所述电机的总反电动势：

估计出所述第一估计器变量、一第二估计器变量和一第三估计器变量的相应值，其中,所述第一估计器是正弦波的幅度，所述第二估计器是所述正弦波的频率，所述第三估计器是所述正弦波的相位，所述正弦波表示对所述总反电动势的估算；以及

基于所述第一估计器变量、所述第二估计器变量和所述第三估计器变量的相应值估算所述总反电动势的值。

6.根据权利要求5所述的电机系统，配置为使用最小二乘估计法估计所述第一估计器变量、所述第二估计器变量和所述第三估计器变量的相应值。

7.根据权利要求4所述的电机系统，配置为在所述子绕组之间施加具有相位偏移的电压，并且进一步配置为在估算所述电机的总反电动势之前从所述反电动势读数中移除所述偏移。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电机系统，进一步配置为控制电动机，其中所述多个子绕组的第一子绕组具有第一数量的并联导体，所述多个子绕组的第二子绕组具有第二数量的并联导体，所述第一数量的并联导体不同于所述第二数量的并联导体。

9.根据前述权利要求任一项所述的电机系统，进一步配置为将第一权重因数应用于测得的反电动势读数。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的电机系统，进一步配置为：

向一第一子绕组施加第一电流并向一第二子绕组施加第二电流，所述第一电流不同于所述第二电流，其中，所述控制器被进一步配置为：

将第一电流权重因数应用于所述第一子绕组的测得的反电动势读数，并将第二电流权重因数应用于所述第二子绕组的测得的反电动势读数。

11.根据权利要求10所述的电机系统，其中，所述第一电流对应于所述电机正常运行的电流水平，所述第二电流对应于低于所述正常运行电流水平的电流水平。

12.根据权利要求10所述的电机系统，其中，所述第一电流对应于高于所述电机的正常运行电流水平的电流水平，所述第二电流为低于所述正常运行电流水平的电流水平。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的电机系统，进一步配置为交换不同绕组之间的不同电流。

14.根据前述权利要求中任一项所述的且包括有与所述首次提及的电机结合成多个联动电机的一个或多个附加电机的电机系统，所述系统进一步配置为：

从所述多个联动电机获得反电动势读数；

组合在每个离散时间间隔内的所述多个电机中的每一个的反电动势读数；以及

基于组合的读数来估算所述总反电动势。

15.根据前述权利要求中任一项所述的电机系统，其中，所述多个控制部交换与其各自换向时序有关的数据，并使用此数据进行校正。

16.一种电机，包括有：

定子，具有多个子绕组，每一子绕组具有用于接收相电压的多个相连接，其中，每一所述子绕组与每一其他所述子绕组电绝缘；

转子，包括有多个永磁体或可激励电磁体；

控制器，包括有多个控制部，每一控制部与相应一子绕组相关联，每一控制部被配置为在相连接之间监测所述相关联子绕组的相电压，并从而确定所述子绕组的换向时序。

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