CN118160210A - 旋转电机的控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定旋转电机的控制参数的方法和系统，包括：‑两相虚参考模块(17)，其被配置为基于从位置传感器接收到的旋转机的转子的轴的机械位置θ_meca的测量值来构建两个虚两相信号(x_α,x_β)；‑开环模块(19)，其被配置为使用该虚两相信号确定电速度的开环估计，电速度的开环估计称为电速度开环估计ω_estflt；‑锁相环模块(21)，其被配置为基于该两个虚两相信号(x_α,x_β)并使用从该开环模块接收的该电速度开环估计ω_estflt来生成该旋转机的实际电位置θ。

Description

旋转电机的控制

技术领域

本发明涉及旋转电机的控制领域。

背景技术

电机可用于所有工业领域。例如，一些具有高转矩、低惯性和快速响应的电机有利地用于致动器的机动化，特别是在飞行器的机载系统中。

通常来说，例如电动机的电机配备有控制或操纵设备，用于根据反馈的电数据，特别是关于转子的角位置θ的精确数据来调节其端子处的电压。这些信息通常来源于旋转变压器或位置传感器，该旋转变压器或位置传感器通常安装在电机的轴上，用于测量转子的机械角θ_meca(单位为弧度(rad))，也称为机械位置。

由旋转变压器测量的机械位置形成用于操纵电机的主要输入数据。实际上，由此导出的电位置θ_elec用于执行与电机的操纵相关联的参考系变换(例如，派克变换和逆派克变换)。

此外，关于机械位置的该信息用于估计机械旋转速度并在控制水平上执行参考系变化。通常，通过测量转子的机械位置，使用导数来估计机械速度。从机械速度推导出的电速度ω_elec可以在机器的控制水平上使用，以确保旋转同步参考系(d，q)中的轴线d和q之间的解耦合。

尽管如此，由旋转变压器生成的位置信号是不干净的，因为其包含谐波，这些谐波可能具有电机轴上的振动原点，并且可能与从旋转变压器到数字转换器(Resolver-to-Digital Converter，RDC)转换器导出的信号叠加。

此外，基于机械位置θ的导数的计算对机械速度的传统计算包含相同的谐波。任何与位置和速度这两个量叠加的谐波都可能在轴上生成扭矩振动，并在电机中生成额外的铁损耗和铜损耗。

最先进的解决方案包括使用数字低通滤波器来衰减速度和位置这两个信号的谐波含量。然而，关于速度的信息可能会衰减，因为所考虑的谐波通常具有低频特性。事实上，为了有效性，为低通滤波器选择的截止频率应该接近零频率下的连续信号。此外，由于数字低通滤波器的相移生成的延迟，关于角度的信息可能延迟。这些后果都可能危及电机控制的稳定性和可行性。

因此，本发明的目的是提出一种用于确定控制参数(位置和速度)的方法和系统，克服上述缺点，允许在没有谐波和相对于机械位置没有相移的情况下高精度地确定电位置，从而能够以高稳定性和高可靠性操纵电机。

发明内容

本发明涉及一种用于确定旋转电机的控制参数的方法，该方法包括以下步骤：

-测量旋转机的转子的轴线的机械位置θ_meca，

-基于所述机械位置的测量值构建两个虚两相信号x_α,x_β，

-使用所述虚两相信号确定电速度的开环估计，即所谓的开环估计电速度

-将所述两个虚两相信号x_α,x_β和所述开环估计电速度注入锁相环，以及

-通过所述锁相环生成该旋转机的实际电位置θ。

该方法允许以高精度、无谐波且相对于旋转机的转子的轴线的测量位置无相移地确定电角位置。

机械位置θ_meca可以通过安装在电机轴上的位置传感器来测量。

有利地，构建所述两个虚两相信号包括以下步骤：

-通过将该机械位置θ_meca乘以电机的极对数p来计算电位置的估计，即所谓的估计电位置θ_elec，以及

-根据所述估计电位置θ_elec计算两个经归一化并且彼此偏移90°的正弦信号，从而形成所述两个虚两相信号。

有利地，估计电速度ω_estflt的确定包括以下步骤：

-在所述虚两相信号x_α,x_β的过零点处生成两个脉冲信号，

-根据所述两个脉冲信号之和以及与最大旋转速度相关联的最大有用电频率，确定电速度的初步估计，即所谓的初步电速度ω_est，以及

-通过对所述初步电速度ω_est应用选择性带通滤波器来确定开环估计电速度ω_estflt。

有利地，所述两个脉冲信号的确定包括以下步骤：

-将两个正弦虚两相信号变换为具有预定宽度的方波信号，以及

-通过检测所述方波信号的上升沿和下降沿的变化来生成所述两个脉冲信号。

有利地，通过所述锁相环生成该旋转机的实际电位置θ包括以下步骤：

-对该虚两相信号x_α,x_β应用旋转矩阵以沿着旋转同步参考系的轴线d提取虚信号的连续分量x_d，

-在零设定点伺服控制连续分量x_d，

-基于所述设定点和所述连续分量之间的偏差来确定校正器y，

-通过将所述校正器y与开环估计的电速度ω_estflt相加来确定锁相电速度ω_PLL的估计，

-通过积分所述锁相电速度ω_PLL来确定初步角位置的估计θ_v，以及

-通过补偿该电机的轴的该初步角位置的估计θ_v中的延迟来确定该电机的实际电位置。

有利地，根据第一实施例，该方法包括：通过对该锁相电速度ω_PLL应用低通有源滤波来确定该电机的实际电速度ω。

有利地，根据第二实施例，该方法包括：通过根据该旋转同步参考系的该轴线d对该虚信号的该连续分量x_d应用选择性带通有源滤波来确定该电机的实际电速度ω，然后实际电速度ω对应于锁相电速度ω_PLL。

有利地，根据第三实施例，该方法包括：通过对该电机的该实际电位置应用速度观测器来确定该电机的实际电速度ω，随后该实际电速度ω对应于由所述速度观测器获得的滤波电速度的图像。

本发明还涉及一种用于控制旋转机的方法，该方法包括根据前述方面确定控制参数。

本发明还涉及一种用于确定旋转电机的控制参数的系统，包括：

-两相虚参考系模块，其被配置为基于从位置传感器接收到的旋转机的转子的轴线的机械位置θ_meca的测量值来构建两个虚两相信号(x_α,x_β)，

-开环模块，其被配置为使用所述虚两相信号确定电速度的开环估计，即所谓的开环估计电速度

-锁相环模块，其被配置为基于所述两个虚两相信号(x_α,x_β)并使用从该开环模块接收的所述开环估计电速度来生成该旋转机的实际电位置θ。

本发明还涉及一种用于操纵旋转电机的设备，该设备包括根据上述特征所述的用于确定电参数的系统。

本发明还涉及一种旋转电机，该旋转电机包括根据上述特征所述的操纵设备。

附图说明

本发明的其他特征和优点将在参考附图阅读本发明的优选实施例后显现，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的包括用于确定电机的控制参数的系统的旋转电机。

图2示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的用于确定控制参数的系统。

图3A、图3B和图3C是根据本发明的方法示出电机位置结果的曲线。

图4是将根据现有技术获得的电速度与根据本发明的方法获得的电速度的放大比较。

图5和图6示意性地示出了根据本发明的第二优选实施例和第三优选实施例的用于确定控制参数的系统。

具体实施方式

本发明的概念是通过创建虚两相参考系并使用该两相参考系作为锁相环的输入数据，来对电机的转子的轴线的机械位置的测量信号执行数字处理，以生成无谐波的合成位置。此外，该锁相环也用于计算速度。

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的包括用于确定电机的控制参数的系统的旋转电机。

旋转电机1(在发动机模式或发电机模式中)通常包括定子绕组3和具有p个极对(仅示出一对，即p＝1)的转子5。

旋转变压器或位置传感器9(例如霍尔效应传感器)安装在电机1的轴上以测量转子5的轴线的机械位置θ_m。

根据本发明，电机1配备有用于确定控制参数的系统11。该系统11接收由位置传感器9测量的机械位置θ_m的信号，以在不引入相移的情况下对该信号中可能存在的低频谐波进行滤波。

因此，控制参数确定系统11向控制设备13传输无谐波的、关于转子的θ位置且可能的关于旋转速度的有用信号。

控制设备13使用从控制参数确定系统11接收的干净信号以及通常的反馈电数据，来根据转子5的实际位置θ控制或操纵电机1的操作点。

控制参数确定系统11包括电子电路15，该电子电路15被配置为对由位置传感器9测量的机械位置θ_m的信号进行滤波数字处理。由此处理产生的角位置是无谐波的。电子电路15还被配置为在不重新产生谐波和不衰减信号的情况下计算所产生的机械速度。

根据本发明的一个实施例，电子电路15包括两相虚参考系模块17、开环模块19和锁相环模块21。

两相虚参考系模块17被配置为基于机械位置θ_m的测量值来构建两个虚两相信号(x_α,x_β)。

开环模块19被配置为使用虚两相信号(x_α,x_β)来确定电速度的估计，即所谓的开环估计电速度

将两个虚两相信号(x_α,x_β)和开环估计电速度注入到锁相环模块21中。锁相环模块21使用虚两相信号(x_α,x_β)作为输入数据来确定电机的电位置，同时使用开环估计电速度/>来改善位置伺服控制的动态性。这使得锁相环模块21能够生成电机1的转子5的非常精确且无谐波的实际电位置θ。

应当注意，模块17、19和21可以是硬件模块和/或软件模块。随后可由包括在电子电路15中的微处理器来进行数字处理。此外，电子电路15可以包括在控制设备13中。

图2示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的用于确定控制参数的系统。

与图1类似，控制参数确定系统11包括电子电路15，该电子电路15包括两相虚参考系模块17、开环模块19和锁相环模块21。

两相虚参考系模块17包括乘法器元件171和正交归一化元件172。乘法器元件171将从位置传感器9导出的机械位置信号θ_meca乘以电机1的极对数p。在该乘法器元件171的输出处，获得转子的角位置的电位置的估计，即所谓的以弧度为单位的估计电位置θ_elec：

θ_elec＝p·θ_meca

正交归一化元件172随后根据估计电位置θ_elec计算两个经归一化并且彼此偏移90°的正弦信号，从而形成两个虚两相信号(x_α,x_β)。

两个虚两相信号(x_α,x_β)形成两相虚参考系，从而形成用于开环19和锁相环21模块的输入数据。

开环模块(用符号表示为“flt”)19包括三个单元：脉冲生成单元191、平均值生成单元192和选择性滤波器单元193。

脉冲生成单元191被配置为在虚两相信号(x_α,x_β)的过零点处生成两个脉冲信号。更具体地，该脉冲生成单元191包括第一检测元件194和第二检测元件195以及加法元件196。

第一检测元件194和第二检测元件195被配置为在它们各自的输入信号x_α和x_α的过零点处生成脉冲，该脉冲的持续时间与与电机1的最大旋转速度相关联的最大有用电频率f_最大成反比。

对每个过零检测进行编码，使得在第一检测元件194和第二检测元件195的输出处分别获得第一脉冲信号和第二脉冲信号

下面针对第一脉冲信号的情况给出编码的示例，可以知晓的是对于第二脉冲信号/>的编码是相似的。

在开始时，输入处的正弦信号x_α被变换为在0和2之间变化的方波信号，使得最大值2指示正弦信号x_α的正变化，并且方波信号的最小值0指示x_α的负变化，如下：

然后，通过周期为Δt的脉冲对方波信号的上升沿和下降沿的变化进行检测和解释，该脉冲的周期等于：

更具体地，第一检测元件194和第二检测元件195中的每个包括两个上升沿单稳态电路和下降沿单稳态电路(未示出)，使得方波信号被注入到这两个单稳态电路中。

例如，上升沿单稳态电路相对于采样周期T_e限定如下：

其中y＝k-T_e，其中k的值是根据二进制变量u的值限定的，如下所示：

此外，以下真值表(表1)使得能够推导二进制变量u的值：

表1

应该注意的是，下降沿单稳态电路的逻辑等效于上升沿单稳态电路。唯一的区别在于二进制参数“b”的计算，其变为如下：

生成单元191的加法元件196被配置为将两个脉冲信号和/>相加在一起。因此，在该加法元件196的输出处，具有叠加信号ZC：

此外，平均值生成单元192被配置为确定电速度的初步估计，即所谓的初步电速度ω_est。该初步电速度ω_est是根据叠加信号ZC和最大有用电频率f_最大来计算的。更具体地，根据以下公式，将叠加信号ZC乘以2πf_最大并除以2：

此外，开环模块19的选择性滤波器单元193被配置为对初步电速度ω_est应用选择性带通滤波器。在该选择性滤波器193的输出处，并且因此在开环模块19的输出处，获得电速度的估计ω_estflt，即所谓的开环估计电速度。

有利地，将该开环估计电速度ω_estflt注入到锁相环模块21的位置伺服控制的直接链中，从而改善该模块21的动态性。

锁相环模块(将锁相环用符号表示为“PLL”)21是伺服控制环路，其被配置为使电位置的信号收敛到无谐波的、电机1的实际电位置θ的有用信号。该实际电位置θ是由位置传感器9测量的位置的滤波图像。锁相环模块21还被配置为提供同样无谐波的、电机的实际电速度ω。

根据第一实施例，锁相环模块21包括以下单元(或子模块)：旋转单元211、调节单元212、速度加法单元213、积分单元214、延迟补偿单元215、位置补偿单元216和有源滤波器单元217。

旋转单元211被配置为对从两相虚参考系模块17接收的虚两相信号x_α和x_β应用具有角度θ_PLL补偿的旋转矩阵。这使得根据诸如派克参考系的旋转同步参考系的轴线d能够提取虚信号的连续分量x_d。因此，虚信号的连续分量x_d可以限定如下：

x_d＝x_α·cosθ_PLL补偿+x_β·sinθ_PLL补偿

调节单元212是根据旋转同步参考系的轴线d应用于误差的比例积分型调节器。更具体地，调节单元212包括伺服控制元件221和校正器元件222。

伺服控制元件221被配置为在零设定点处伺服控制轴线d上的虚信号的连续分量x_d。设定点/>和连续分量x_d之间的偏差ε为：

校正器元件222被配置为基于设定点和连续分量x_d之间的偏差来确定校正器y。该校正器y为比例积分“PI”型，其根据去激活或激活状态表示如下：

其中，

以及，y₀＝0。

根据锁相环的参数，根据以下两个公式计算增益

锁相环的这些参数的值在下表2中限定：

表2

校正元件222的输出y是对电速度的校正(以rad/s为单位)，用于获得关于电机1的轴5的角位置的更精确信息。

将由开环模块19估计的电速度ω_estflt(基于过零点的检测)作为“前馈”预测动作注入到直接链中。这种前馈动作的优点在于改善PLL的动态性，并使环路能够收敛到轴5的速度的有用值，特别是当以非零轴速度(例如15000rpm)激活PLL时。

加法单元213是加法器，其被配置为将从校正器元件222导出的校正器y与从开环模块19注入的估计电速度ω_estflt相加。因此，在加法单元213的输出处，获得锁相电速度的估计ω_PLL：

ω_PLL＝y+ω_{est flt}

之后，积分单元214被配置为积分锁相电速度ω_PLL。随后在积分单元214的输出处，获得参考信号x_α的初步角位置θ_v的估计，如下所示：

其中：

如果使能_PLL＝0,则

如果使能_PLL＝1,则

延迟补偿单元215被配置为补偿对初步角位置θ_v的估计的延迟。通过考虑电机轴的旋转(其用于生成旋转矩阵中使用的位置且为采样步长量级)来补偿该延迟。因此，在延迟补偿单元215的输出处，获得如下限定的补偿角位置θ_PLL补偿：

θ_PLL补偿＝T_e·z^-1·ω_PLL+z^-1θ_v

此外，用于补偿电机1的轴的角位置的单元216被配置为使锁相环估计的角度回到基准x_α。实际上，锁相环基于以下方程的求解：

这相当于求解以下三角方程：

x_α·cosθ_PLL补偿+x_β·sinθ_PLL补偿＝0

此三角方程的求解导致以下解(模2π)：

该解给出了电机1的实际电位置。

此外，当锁相环被去激活时，从该锁相环导出的信号被抵消：

其中，

有利地，锁相环模块21包括有源滤波器217，该有源滤波器217被配置为对锁相电速度ω_PLL应用低通有源滤波以确定电机1的轴的实际电速度ω。该滤波是根据下面的等式进行的：

以及,

其中，

ξ_flt＝0.707,二阶滤波器的阻尼因子

滤波器的截止角频率

图3A-图3C是根据本发明的方法的示出电机位置结果的曲线。

更具体地，图3A示出了从测量电机1的位置的位置传感器9导出的信号S1。该信号S1显示了低频谐波的存在。

图3B示出了无谐波电机1的位置的理论理想信号S2。

图3C示出了根据本发明的方法或系统处理的电机1的位置的信号S3。可以注意到，该信号S3是无谐波的，并且与图3B中的理想信号S1叠加。这显示了根据本发明的系统和方法在从受干扰的位置测量值中提取有用信息方面的有效性。

图4是将根据现有技术获得的电速度与根据本发明的方法获得的电速度的放大比较。

该图中的电速度与涡轮机在宽速度范围内的启动轮廓有关。

更具体地，曲线C1显示了根据现有技术获得的具有应用于位置测量值的滤波导数的电速度的信号。曲线C2显示了如果测量位置是无谐波时的电速度的理想理论信号。曲线C3显示了根据本发明的方法获得的电速度的信号。曲线C3的外观与显示了谐波滤波的有效性的理想曲线C2的外观相同。此外，曲线C3仅与C2非常轻微地偏移，显示了根据本发明的电速度的衰减的最小化。

图5示意性地示出了根据本发明的第二优选实施例的控制参数确定系统。

该第二实施例与图2的实施例的不同之处仅在于，第二实施例包括选择性带通有源滤波器，该滤波器应用于锁相环输入处的(根据旋转同步参考系的轴线d的虚信号的)连续分量x_d上。在这种情况下，图2的低通有源滤波器217被移除。实际上，根据该第二实施例的实际电速度ω对应于锁相电速度ω_PLL。

图6示意性地示出了根据本发明的第三优选实施例的用于确定控制参数的系统。

该第三实施例与图2的实施例的不同之处仅在于，第三实施例包括应用于电机的实际电位置的信号的速度观测器417。速度观测器417被配置为获得滤波电速度的图像。在这种情况下，图2的低通有源滤波器被移除。根据该第三实施例的实际电速度ω对应于由速度观察器获得的图像。

因此，本发明使得能够衰减甚至消除谐波。此外，本发明使得通过避免信号的偏移或衰减能够保持位置测量值的准确性和完整性。在转子的轴线的测量位置和数字处理位置之间不会生成任何额外的相移。此外，本发明还使得能够计算无谐波和无衰减的位置和速度控制信号或数据。这些控制数据被用作控制单元的输入数据，从而能够实现电机的非常稳定和非常精确的操纵。

Claims (12)

1.一种用于确定旋转电机的控制参数的方法，包括以下步骤：

-测量电机(1)的转子(5)的轴线的机械位置θ_m；

-基于所述机械位置的测量值构建两个虚两相信号(x_α,x_β)；

-在所述虚两相信号(x_α,x_β)的过零点处生成两个脉冲信号；

-根据所述两个脉冲信号之和以及与最大旋转速度相关联的最大有用电频率，确定电速度的初步估计，所述电速度的初步估计称为初步电速度ω_est；-通过对所述初步电速度ω_est应用选择性带通滤波器来确定开环估计电速度ω_estflt；

-将所述两个虚两相信号(x_α,x_β)和所述开环估计电速度注入锁相环；以及

-通过所述锁相环生成所述电机(1)的实际电位置θ。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过安装在所述电机(1)的轴上的位置传感器(9)进行对机械位置θ_meca的测量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，构建所述两个虚两相信号包括以下步骤：

-通过将机械位置θ_meca乘以所述电机(1)的极对数p来计算电位置的估计，所述电位置的估计称为估计电位置θ_elec；以及

-根据所述估计电位置θ_elec计算两个经归一化并且彼此偏移90°的正弦信号，从而形成所述两个虚两相信号。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个脉冲信号的确定包括以下步骤：

-将两个正弦虚两相信号变换为具有预定宽度的方波信号；以及

-通过检测所述方波信号的上升沿和下降沿的变化来生成所述两个脉冲信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述锁相环生成所述电机(1)的实际电位置θ包括以下步骤：

-对所述虚两相信号x_α,x_β应用旋转矩阵以根据旋转同步参考系的轴线d提取虚信号的连续分量x_d；

-在零设定点伺服控制连续分量x_d；

-基于所述设定点和所述连续分量之间的偏差来确定校正器y；

-通过将所述校正器y与由所述开环估计的电速度ω_estflt相加来确定锁相电速度ω_PLL的估计；

-通过积分所述锁相电速度ω_PLL来确定初步角位置的估计以及

-通过补偿所述电机的所述轴(5)的所述初步角位置的估计中的延迟来确定所述电机(1)的实际电位置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括：通过对所述锁相电速度ω_PLL应用低通有源滤波(217)来确定所述电机(1)的实际电速度ω。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括：通过根据所述旋转同步参考系的所述轴线d对所述虚信号的所述连续分量x_d应用选择性带通有源滤波(317)来确定所述电机(1)的实际电速度ω，实际电速度ω对应于锁相电速度ω_PLL。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括：通过对所述电机的所述实际电位置应用速度观测器(417)来确定所述电机的实际电速度ω，所述实际电速度ω对应于由所述速度观测器获得的滤波电速度的图像。

9.一种用于控制旋转电机的方法，包括：根据前述权利要求中任一项确定控制参数。

10.一种用于确定旋转电机的控制参数的系统，包括：

-两相虚参考系模块(17)，其被配置为基于从位置传感器接收到的旋转机的转子的轴线的机械位置θ_meca的测量值，来构建两个虚两相信号(x_α,x_β)；

-开环模块(19)，其被配置为：在所述虚两相信号(x_α,x_β)的过零点处生成两个脉冲信号；根据所述两个脉冲信号之和以及与最大旋转速度相关联的最大有用电频率，确定电速度的初步估计，所述电速度的初步估计称为初步电速度ω_est；以及通过对所述初步电速度ω_est应用选择性带通滤波器来确定开环估计电速度ω_estflt；以及

-锁相环模块(21)，其被配置为根据所述两个虚两相信号(x_α,x_β)并使用从所述开环模块接收的所述开环估计电速度来生成所述旋转机的实际电位置θ。

11.一种用于控制旋转电机的设备，包括根据权利要求10所述的用于确定电参数的系统(11)。

12.一种旋转电机，包括根据权利要求11所述的控制设备(13)。