CN1663110A - 利用独立相参数的无刷电机 - Google Patents

Abstract

一种用于多相永磁体电机的控制系统补偿了独立电机相电路元件中的物理变化。该控制系统连续地建立用于电机相绕组的开关赋能的控制电压，其与相应绕组的特定参数紧密匹配。该系统可以被应用到以下电机中，即其中每个定子相部件包括铁磁隔离的定子电磁体，电磁体芯元件彼此分立不直接接触，并且形成有分立的相绕组。可以使用数字信号处理器，其施加并入了作为常数值的参数的算法，访问关于特定相的参数用于产生适当的控制信号来为该相赋能。

Description

利用独立相参数的无刷电机

相关申请

本申请包含的主题涉及Maslov等人于2001年4月5日提交的共同未决的美国申请No.09/826,423、Maslov等人于2001年4月5日提交的共同未决的美国申请No.09/826,422、Maslov等人于2001年10月1日提交的美国申请No.09/966,102、Pyntikov等人于2001年11月27日提交的美国申请No.09/993,596，所有的上述申请与本申请共同被转让。这些申请的公开内容在此处并入列为参考。

发明领域

本发明涉及旋转式电动机，更特定地，涉及无刷永磁电机的精确控制。

发明背景

上文认定的共同未决的专利申请描述了建立用于车辆的有效电动机驱动作为对内燃机的可变替代方案的挑战。建立有效的电动机驱动的挑战。对电机绕组的电子控制脉冲赋能提供了更加灵活的管理电机特性的前景。通过控制脉冲宽度、占空系数和能量源对适当定子绕组的开关应用，可以获得在实质上区别于交流同步电机的功能上的多样性。结合该绕组使用永磁体对于限制电流消耗是有利的。

在车辆驾驶环境中，非常需要的是，在宽的速度范围中获得平稳的运行，同时在最小功率消耗下维持高的扭矩输出能力。共同未决的申请中描述的电机结构配置致力于这些目的。可将电磁体芯部分配置为环形环中的隔离的透磁结构，用以提供增加的磁通量集中度。电磁体芯部分的隔离允许在磁芯中独立地集中磁通量，同时具有最小的磁通量损失或者使得同其他电磁体部件的相互作用引起的有害互感干扰影响最小。

无刷电机应用中的精确控制性能涉及与电流反馈元件相关联的非线性前馈补偿的汇合。然而，前馈补偿表达式极大地取决于多种电路参数，诸如相电阻、相自感等等，在图1的独立电机相的等效电路图中示意性地示出了这些参数。V_i(t)表示每相电压输入，R_i表示每相绕组电阻，而L_i表示每相自感。E_i(t)表示电机每相的相反的反电动势电压，并且其可由下列表达式近似：

E_t＝(K_eiω)sin(N_rθ_i)

其中K_ei表示每相反电动势电压系数，ω(t)表示转子速度，N_r表示永磁体对的数目，而θ_i(t)表示第i相绕组和转子参考位置之间的相对位移。

由于受到机械/制造容差和其他结构特征影响的现象，每个电机相将呈现出关于每个电路元件的值的范围。影响电路参数幅度的因素包括：电磁体芯的净磁链；与电路相关的芯电感的波动；由于诸如截面积和绕组张力的制造容差的变化而引起的相绕组电阻变化；芯的磁导率的变化(涉及材料的等级以及处理和完成历史记录)；每个定子芯上的相绕组缠绕方法(均匀地缠绕或是杂乱地缠绕)或者线圈的制造质量；电磁体和永磁体相互作用的位置(即，磁路的磁导)；气隙中磁通量密度的变化，其取决于永磁体转子磁体的子组件；剩磁磁通量密度；由于外部磁场引起的偏磁场；线圈导线的形状(矩形，圆形或者螺旋形)；线圈中获得的绕组因数；可能改变芯截面容差的芯几何形状中获得的制造容差；缠绕线圈的有效长度。

典型地，电机控制策略假设参数值在整个电机上是一致的。采用一个中间参数值表示电机的所有相应电路元件。由于独立相补偿程序中的参数值失配，控制策略的过/欠补偿造成该集总参数近似通常会导致跟踪性能的下降。在定子结构被配置为独立的铁磁隔离芯部件时，该假设的参数趋向于更大的差异。因此，存在对经个别考虑的电路参数补偿的需要，其针对了分立的相绕组和定子相部件结构中的参数变化。

发明内容

本发明满足了此需要，同时维持了诸如共同未决的申请中公开的分立的且铁磁隔离的独立定子芯元件配置的优点。本发明的实现对独立相电路元件进行补偿的控制策略的能力提供了较高程度的精确控制能力，原因是每相控制环路与其相应的绕组和结构紧密匹配。通过在多相电机的控制系统中建立一个或者多个参数组、每组参数特定地与各个定子相的特性相匹配，至少部分地获得了上述能力。由根据与用于被赋能相绕组的定子相部件相关的参数产生信号的控制器管理每个相绕组的连续开关赋能。该控制提供的优点是使电机具有多种结构，并且可以将该控制施加到以下所述电机中，其中每个定子相部件包括铁磁隔离的定子电磁体，电磁体芯元件彼此分立不直接接触，并且由分立的相绕组形成。

可以使用数字信号处理器，其使用并入了作为常数值的参数的算法，用于被访问的特定相的参数用于产生适当的控制信号用于为该相赋能。取决于所选系统的状态，诸如位置、温度和其他外部条件，其他的参数是可变的。可替换地，可以为控制器提供关于每个相的分立的环路，每个环路执行包含各自相参数的控制算法。该算法可以包括基于每相中检测的电流、检测的转子位置和速度、作为至控制器的输入信号而接收的检测的条件的分量。

在电机用于跟踪可变的用户启动的输入(诸如电动车辆的操作)的应用中，本发明是特别有利的。响应于扭矩命令输入信号，由控制器根据包括关于每个相的特定参数的表达式来选择每相所需的电流轨迹。

通过下文的详细描述，对于本领域的技术人员，本发明的另外的优点将变得易于理解，其中简单地通过说明执行本发明所考虑的最佳方式，仅示出和描述了本发明的优选实施例。如将描述的，本发明可以具有其他的和不同实施例，并且在不偏离本发明的前提下，其几处细节可以在几个多种显著方面进行修改。因此，附图和描述应被认为是说明性的，而非限制性的。

附图简述

在附图中，本发明是作为示例而进行说明的，而非作为限制，并且附图中相似的参考数字表示相似的元件，其中：

图1是独立的电机相的等效电路图。

图2是根据本发明的电机控制系统的框图。

图3是用于图2系统控制的电机的独立定子芯部分绕组的开关组和驱动器的局部电路图。

图4是适用于图2控制系统的电机结构的三维剖面图。

图5是说明用于图2控制系统的扭矩控制器方法的框图。

图6是说明图5控制器方法的变化方案的局部框图。

发明详述

图2是根据本发明的电机控制系统的框图。多相电机10包括转子20和定子30。定子具有多个相绕组，其通过从d-c电源40经电子开关组42提供的驱动电流以可开关方式被赋能。开关组通过栅极驱动器46联接到控制器44。控制器44具有一个或者多个用户输入端和用于在操作期间检测的电机条件的多个输入端。由其输出提供给控制器44的多个电流传感器48中相应的一个检测每个相绕组中的电流。控制器可以具有多个用于该目的多个输入端，或者在替换方案中，来自电流传感器的信号可以被多路复用并且连接到单一的控制器输入端。转子位置传感器46连接到控制器44的另一输入端，用以提供至其的位置信号。位置传感器的输出还施加到速度近似器50，其将位置信号转换为用以施加到控制器44另一输入端的速度信号。

序列控制器可以包括微处理器或者等效的微控制器，诸如TexasInstrument的数字信号处理器TMS320LF2407APG。开关组可以包括多个MOSFET H-桥，诸如International Rectifier IRFIZ48N-ND。栅极驱动器可以包括Intersil MOSFET的栅极驱动器HIP4082IB。位置传感器可以包括任何已知的传感装置，诸如霍尔(Hall)效应器件(AllegroMicrosystems 92B5308)、巨磁阻(GMR)传感器、容性旋转式传感器、簧片开关、包括非晶传感器的脉冲线传感器、解算器、光学传感器等等。对于电流传感器48，可以使用霍尔效应电流传感器，诸如F.W.Bell SM-15。速度检测器50提供所检测位置信号的时间导数的近似。

图3是用于单独定子芯部分绕组的开关组和驱动器的局部电路图。定子相绕组34连接在具有4个FET的电桥电路。应当理解，可以使用任何多种已知电子开关元件，诸如例如双极型晶体管，用于在适当的方向上将驱动电流引导至定子绕组34。FET 53和FET 54串联连接跨接在电源，FET 54和FET 56也是如此。定子绕组34连接在两个串联FET电路的连接节点之间。栅极驱动器46响应于从序列控制器44接收到的控制信号来向FET的栅极端子施加激励信号。同时激励FET 53和56用于使电机电流在一个方向上流动。为使电流在相反方向流动，同时激励FET 54和55。可替换地，栅极驱动器46可以集成在序列控制器44中。

本发明的电机适用于驱动汽车、摩托车、自行车等等的车轮。图4是电机结构的剖面图，其可以安放在车辆车轮中，定子刚性安装在固定轴上并且由用于驱动车轮的转子环绕。电机10包括环形永磁体转子20，其通过径向气隙同定子隔开。转子和定子围绕旋转轴同轴配置，该旋转轴的中心位于固定轴上。定子包括多个铁磁隔离元件或者定子组。由透磁材料制成并且彼此隔开不直接接触的芯部分32具有形成在每个极上的各自绕组部分34。在本示例中，示出了7个定子组，该每个组包括沿气隙在圆周方向上分配的两个凸出的电磁体极。转子包括多个永磁体22，其围绕气隙在圆周方向上分布并且固定到环形支撑板24。关于体现了该种结构的电机的更加详细的讨论，参考上文讨论的Maslov等人的申请09/966,102。然而，应当认识到，车辆环境仅是多个使用了本发明电机的特定应用中的示例。下文更加全面描述的本发明的概念，也适用于其他永磁体电机结构，包括支撑所有相绕组的整体定子芯。

在车辆驾驶应用示例中，针对控制器的用户输入之一表示所需的由用户的油门命令指示的扭矩。加大油门表示提高速度的命令，其通过增大扭矩来实现。针对控制器处理器的另一外部输入可以包括刹车信号，其在驾驶员操作刹车踏板或者手柄时产生。处理器可以通过立刻停用电机驱动来做出响应，或者作为替代，可以通过改变驱动控制来减小扭矩和速度从而做出响应。可以施加分开的外部停用信号用以立刻响应于驾驶员的命令。

控制系统扭矩跟踪功能应通过改变外部条件(诸如驱动条件中的变化、负载梯度的变化，地形变化等等)维持关于恒定输入命令的稳定状态操作。控制系统应响应于驾驶员的油门输入，以准确地和平滑地适应扭矩命令中的变化。图5是说明扭矩控制器方法的框图，其使用考虑了所检测电机操作条件以及独立电路参数值的前馈补偿表达式来实现该目的。为了进行精确地扭矩跟踪，根据下列表达式选择每相所需的电流轨迹：

$I_{\mathrm{di}}=\left(\frac{{2\mathrm{\τ}}_d}{N_S{K}_{\mathrm{\τi}}}\right)\sin \left(N_r{\mathrm{\θ}}_i\right)$

其中I_di表示每相所需的电流轨迹，τ_d表示用户要求的扭矩命令，N_r表示相绕组的总数，K_τi表示每相扭矩传输系数，而θ_i表示第i个相绕组和转子参考点之间的相对位置上的位移。每相电流幅度取决于扭矩传输系数K_τi的每相的值。

为了建立所需的相电流，将下列每相电压控制表达式施加到用于相绕组的驱动器：

V_i(t)＝L_idI_di/dt+R_iI_i+E_i+k_se_i

图5说明了通常由参考数字60表示的方法，通过该方法，控制器使用扭矩命令输入和从相电流传感器、位置传感器和速度检测器接收的信号，实时地得到该电压控制表达式的分量。响应于油门的、外部用户要求的(所需的)扭矩命令τ_d(t)输入到控制器函数模块62，并且转子位置θ输入到控制器函数模块64。模块64基于转子位置、永磁体极对的数目(N_r)、定子相的数目(N_s)和特定相的相延迟，产生表示激励角度θ_i(t)的输出。控制函数模块64的输出馈送给控制器函数模块62。通过使用这样接收的激励角度输入，控制器函数模块62根据上文所述的表达式，确定相电流如何分布在N_s个相中，由此电机建立了用户要求的扭矩τ_d(t)。控制器函数模块66计算从模块62接收的所需相电流I_di(t)和所检测相电流I_i(t)之间的差，用以输出相电流跟踪误差信号e_i(t)。该误差信号乘以控制器函数模块68中的增益因数k_s。电流反馈增益的作用在于，通过抵御由于测量噪声和任何模型参数不准确而引起的系统干扰，增加系统整体的稳固性。模块68的输出馈送给控制器函数模块70。模块70向栅极驱动器52输出时间变化电压信号V_i(t)，用于相绕组34的选择性控制赋能。V_i(t)具有补偿电感、感应的反电动势和电阻的效应的分量。

为了补偿相绕组中电感的出现，项LdI_di/dt(其中dI_di/dt表示所需相电流I_di(t)的标准时间导数)输入到控制器函数模块70，以添加到相电压计算中。在控制器函数模块72处，根据接收到的τ_d(t)、θ_i(t)和ω(t)输入，进行LdI_di/dt的确定。为了补偿感应的反电动势电压，项Ei作为从控制器函数模块74到函数模块70的输入被添加到相电压计算中。通过使用反电动势系数K_ei，反电动势补偿值得自从作为对模块74的输入而接收的激励角度和速度。为了补偿由于相绕组电阻和寄生电阻而引起的压降，项R_iI_i(t)作为从控制器函数模块76到函数模块70的输入被添加到相电压计算中。

在操作中，控制器44连续地向栅极驱动器输出控制信号V_i(t)用于各自相绕组的独立赋能。栅极驱动器激励各自的开关组，由此其中选择了绕组的序列与在控制器中建立的序列相一致。该序列仅通过图5框图中一般说明的链接传输到栅极驱动器。每个连续的控制信号V_i(t)与相应相绕组中检测的特定电流和即刻检测的转子位置和速度相关，并且还与模型参数K_ei和K_τi有关，其是关于各自的相而特殊预定的。因此，对于每个得到的控制信号V_i(t)，除了及时接收检测到的检测电机反馈信号，控制器还必须访问特定于控制信号所对应的特定相的参数。由此控制器具有在多种定子相中补偿独立相的特性差异的能力。为了防止电压控制程序的过/欠补偿，所使用的每相电路参数与它们实际的相值精确地匹配。

每相扭矩传输系数K_ei表示每个相的每相扭矩贡献。该参数与施加到该相的每个电流产生的有效扭矩的比成比例。由该相建立的扭矩是相的芯材料中建立的磁通量密度的函数，其产生了有效的气隙磁通量密度。电磁体芯几何形状的设计考虑了电流密度，其是每个芯部分上的安匝数的函数，用以在不驱动芯进入饱和的情况下优化该材料中电磁感应。然而，芯材料的磁属性通常在整个定子上不是均匀的。如果电机配置有分立的铁磁隔离的独立电磁体芯，则不一致性可能甚至是更加显著的。绕组和电感的变化对于确定扭矩常数和反电动势系数参数也有贡献。如果在绕组中形成了气穴，则将存在有效磁通量积累的下降。尽管可以在一致的绕组上实现高的填充因数，但是在导线制造中仍然存在变化。因此，如果控制器使用额定的电机扭矩传输系数和额定的反电动势系数，则相属性中的变化产生了总的电机输出扭矩纹波。图5中表述的扭矩控制器方法通过施加为每个相预先确定的每相扭矩传输系数和反电动势系数，避免了这一问题。

实时地连续地执行图5中说明的计算。在优选实施例中，选择模块62中示出的表达式，提供用于跟踪扭矩的所需电流。如果除了精确地跟踪扭矩输入命令中的变化以外的因素也是重要的，则可以修改该表达式。例如，在某些车辆环境中，可能考虑加速度和减速度的程度，用以避免不必要的初步驾驶条件。因此可以改变模块62中的表达式用以适应额外的考虑。

可以在集成的执行方案中执行图5中说明的控制器方法，其中使用特定的相参数取代每个产生的控制电压输出。可替换地，控制器44可以提供用于每个定子相n的分立的控制环路，如图6的局部框图所表示的。对于N_s个电机相中的每一个，提供了相应的控制环路60_i。每个环路包括用于各自电机相的相关参数。根据适当的电机相赋能顺序来激励控制环路，并且其仅需要检测到的电机反馈信号，用于产生控制电压。

在本公开内容中，仅示出和描述了本发明的优选实施例以及其多种功能中的几个示例。应当理解，本发明能够用于多种其他组合和环境中，并且能够在此处表达的发明概念的范围内进行变化和修改。例如，在图5所说明的控制方法中，可以从接收到的τ_d(t)、θ_i(t)输入，通过参考存储在查询表中的值，实时地确定所需的每相电流I_di(t)。将针对每个定子相提供查询表。

如可以认识到的，可以在除了车辆驾驶以外的广的应用范围中使用本发明的电机。尽管其在车辆驾驶实现中是优选的，其中转子环绕定子，但是在定子环绕转子的其他应用中，也可以找到有利的应用。因此，处于本发明考虑范围之中的是，每个内部和外部环形部件可以包括定子或者转子，并且可以包括电磁体组或者永磁体组。

Claims (15)

1.一种用于多相永磁体电机的控制系统，该电机具有多个定子相部件和转子，每个定子相部件包括形成在芯元件上的相绕组，所述系统包括：

多个可控开关，每个相绕组分别连接到一个或者多个开关和电源，用于为相绕组选择性赋能；和

控制器，其具有存储于其中的多个控制参数，该控制参数包括至少一组控制参数，每个组是针对不同的各自定子相部件基于其物理特性而特别确定的；

其中响应于由控制器根据与用于被赋能相绕组的定子相部件相关的控制参数组产生的控制信号来为相绕组赋能。

2.权利要求1的控制系统，其中所述控制器包括数字信号处理器。

3.权利要求1的控制系统，其中所述控制器配置有用于每个定子相的分立的控制环路，每个相环路配置施加关于各自电机相的参数组，用以产生关于各自相绕组的控制信号。

4.权利要求1的控制系统，其中每个定子相部件的芯元件包括铁磁隔离的定子电磁体，电磁体芯元件彼此隔开不直接接触，并且相绕组形成在每个芯元件上。

5.权利要求2的控制系统，进一步包括电流传感器，其联接到每个相绕组并且连接到数字信号处理器的输入端，其中数字信号处理器根据得自相关相绕组的电流传感器的输出来产生每个连续的控制信号。

6.权利要求3的控制系统，进一步包括转子位置传感器，其具有联接到所述数字信号处理器的输出端，用以提供至该数字信号处理器的位置信号。

7.权利要求6的控制系统，其中速度信号产生器联接在位置传感器输出端和数字信号处理器之间，用以提供至该数字信号处理器的速度信号。

8.权利要求1的控制系统，其中所述一组控制信号包括取决于相的扭矩传输系数。

9.权利要求8的控制系统，其中所述控制参数还另外包括同每个定子相相关的取决于相的反电动势系数。

10.一种用于实时连续地控制多相永磁体电机的方法，该电机具有：多个定子相绕组，每个绕组在芯元件上；和转子，该方法包括以下步骤：

向控制器输入命令信号，该控制器具有存储于其中的多个控制参数，该控制参数包括至少一组控制参数，每个组是针对各自定子相部件基于其物理特性而特别确定的；

其中响应于由控制器根据与要被赋能的每个各自相绕组相关的参数组产生的控制信号来为相绕组赋能。

11.权利要求10的方法，其中连续赋能的步骤包括检测待赋能的每个相绕组中的电流，并且用于为每个绕组赋能的控制信号与在各自绕组中检测到的电流相关。

12.权利要求11的方法，其中定子包括用于每个相绕组的铁磁隔离的定子电磁体，该芯元件彼此隔开不直接接触，并且每个参数组与芯元件和相绕组的特定结构属性相关。

13.权利要求11的方法，进一步包括以下步骤：检测转子位置，并且其中控制信号与检测到的位置相关。

14.权利要求10的方法，其中所述一组控制参数包括取决于相的扭矩传输系数。

15.权利要求14的方法，其中用户启动的命令信号表示所需的电机扭矩，并且连续地为相绕组赋能的步骤根据下列表达式独立地跟踪所需的扭矩：

$I_{\mathrm{di}}=\left(\frac{2{\mathrm{\τ}}_d}{N_S{K}_{\mathrm{\τi}}}\right)\sin \left(N_r{\mathrm{\θ}}_i\right)$

其中I_di表示每相所需的电流轨迹，τ_d表示用户要求的扭矩命令，N_r表示相绕组的总数，K_τi表示每相扭矩传输系数，而θ_i表示第i个相绕组和转子参考点之间的相对位置上的位移。

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