DE102009046528B4

DE102009046528B4 - Erkennung einer Anfangspolarität für Permanentmagnet-Motorantriebe

Info

Publication number: DE102009046528B4
Application number: DE102009046528.6A
Authority: DE
Inventors: Steven E. Schulz; Constantin C. Stancu; Yo Chan Son
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: CN101826834B; DE102009046528A1; US20100171455A1; CN101826834A; US8018187B2

Abstract

Verfahren zum Ausrichten einer Steuerungsbezugsachse mit einem magnetischen Nordpol eines Innenpermanentmagnetmotors, bei welchem Rotormagnete in dessen Rotor angeordnet sind, was in verschiedenen D- und Q-Achseninduktivitäten im synchronen Bezugssystem resultiert, die Schritte umfassend: Ausrichten des synchronen Bezugssystems zu einem magnetischen Pol des Innenpermanentmagnetmotors, Injizieren eines vorbestimmten Statorstroms an eine berechnete Bezugschse des Innenpermanentmagnetmotors, welche die D-Achse des synchrone Bezugssystem darstellt; Modulieren eines Transformationswinkels mittels eines Fehlersignals, wobei der Transformationswinkel verwendet wird, um Spannungsbefehle von dem synchronen Bezugssystem zu einem stationären Bezugssystem umzuwandeln; Bestimmen einer durch den modulierten Transformationswinkel hervorgerufenen Drehmoment-Störung des Innenpermanentmagnetmotors, Bestimmen ob eine durch die Drehmoment-Störung hervorgerufene Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors größer ist als eine vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit; und Setzen der Steuerungsbezugsachse auf 180° addiert zu der berechneten Bezugsachse, falls die Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors größer ist als vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Permanentmagnetmotor-Antriebe, und insbesondere auf ein Verfahren für eine Erkennung einer Anfangspolarität für Permanentmagnetmotor-Antriebe.
Hintergrund der Erfindung
Vektorsteuerung ist eine bekannte Technik, die in der Steuerung von Hochleistungssmotorantrieben verwendet wird. Das Prinzip der Vektorsteuerung beruht auf der Ausrichtung des synchronen Bezugssystems mit einer der Flussdichten der Maschine (entweder Stator- oder Rotor-Flussdichte). Eine angemessene Steuerung und Drehmoment-Erzeugung der Maschine beruht auf akkurater Ausrichtung des synchronen Bezugssystems an der gewünschten Motorflussdichte, wie zum Beispiel eine genaue Ausrichtung am Rotormagnetnordpol. Eine ungenaue Ausrichtung wird in fehlerhafter Drehmomenterzeugung resultieren, sowie in einer möglichen Instabilität der Stromsteuerung. Daher ist es vordringlich, dass ein genaues und zuverlässiges Verfahren für die Rotorausrichtung ausgewählt wird.
Wenn eine mechanische Positionssensiervorrichtung verwendet wird, wie zum Beispiel ein Drehmelder, kann die Vorrichtung ab Werk an dem Rotormagnetnordpol ausgerichtet werden. Jedoch verwenden einige Systeme keine Positionssensiervorrichtung. Vielmehr wird ein positionssensorloser Steuerungsalgorithmus verwendet, um die Rotorposition auf Grundlage von Maschinengrößen wie Ströme und Spannungen abzuschätzen. Viele solcher positionssensorlosen Steuerungstechniken sind auf dem Markt, wobei die meisten auf dem Erkennen der Vorzugsrichtung des Motors basieren. Die Vorzugsrichtung des Motors ist die Variation von räumlicher Induktivität des Motors um den Umfang des Luftspalts herum. Zum Beispiel sind beim Innenpermanentmagnet(IPM)-Motor die Rotormagnete im Rotor untergebracht. Dies resultiert in unterschiedlichen D- und Q-Achsen-Induktivitäten (oder Vorzugsrichtung). Während herkömmliche Techniken existieren, um diese Vorzugsrichtung zu detektieren, und daher die Rotorposition-Information liefern, können diese Techniken aus dem Stand der Technik typischerweise nicht zwischen der positiven und negativen D-Achse (d. h. die Rotormagnetnord- und -südpole) unterscheiden. Typischerweise wird eine zweite Technik verwendet, um die genaue Ausrichtung mit dem Nordpol zu bestimmen, sobald die positive und die negative D-Achse identifiziert worden sind. Diese typischen Techniken umfassen jedoch im Allgemeinen aufwendige Berechnungen und/oder beträchtlichen Zeitaufwand.
Demgemäß ist es wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum einfachen und zuverlässigen Bestimmen der Rotormagnetpolausrichtung bereitzustellen. Weiterhin werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den angehängten Ansprüchen offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangegangenen Technischen Gebiet und Hintergrund genommen werden.
Die WO 2008/008 486 A2 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen der Rotorposition eines Permanentmagnetmotors.
Die US 2007/0 080 655 A1 zeigt ein Verfahren zum Erfassen der Polarität eines Rotors in einem Elektromotor.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Ausrichten einer Steuerungsbezugsachse mit einem magnetischen Nordpol eines Permanentmagnetmotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereitgestellt.
Zusätzlich wird eine sensorlose Vektorsteuerung zum Initialisieren eines Rotorpositionssignals entsprechend einer Position eines Rotors für einen Permanentmagnetmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 bereitgestellt.
Es wird außerdem ein elektrisches Motorsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 bereitgestellt.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird hiernach in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und
1 ein Vektordiagramm sowohl von stationären als auch synchronen Bezugssystemen darstellt;
2 eine Kurve für Motordrehmoment über Winkelfehler für einen Innenpermanentmagnetmotor darstellt;
3 ein Blockdiagramm eines elektrischen Motorsystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 ein Blockdiagramm einer sensorlosen Vektorsteuerung des elektrischen Motorsystems aus 3 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 ein detaillierteres Blockdiagramm des elektrischen Motorsystems aus 3 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 ein Flussdiagramm einer Erkennungsroutine einer Anfangspolarität der sensorlosen Vektorsteuerung aus 4 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
7, einschließlich 7A und 7B, Kurven von Geschwindigkeit, D-Achsen-Strombefehl, und berechneter Rotorposition mit Offset eines Innenpermanentmagnetmotors unter Verwendung der Erkennungsroutine der Anfangspolarität aus 6 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen, wobei 7A einen Innenpermanentmagnetmotor zeigt, wo die Anfangsrotorpositions-Abschätzung korrekt auf den Rotormagnetnordpol ausgerichtet ist, und 7B einen Innenpermanentmagnetmotor zeigt, wo die Anfangsrotorpositions-Abschätzung nicht korrekt auf den Rotormagnetsüdpol ausgerichtet ist.
In der bestehenden Technologie ist Vektorsteuerung eine bekannte Technik, die in der Steuerung von elektrischen Hochleistungsmotorsystemen verwendet wird, wobei Maschinengrößen wie Spannungen und Ströme als Raumvektoren behandelt werden. Mit Bezug auf 1 stellt ein Vektordiagramm 100 ein stationäres, dreidimensionales Bezugssystem mit Achsen 110, 112 und 114 dar. In Bezug auf Vektorsteuerungen für elektrische Motorsysteme wird der Motor oft als ein Modell eines Zwei-Phasen-Äquivalents des dreidimensionalen Bezugssystems, genannt ein synchrones Bezugssystem, betrachtet. Das Prinzip der Vektorsteuerung beruht auf der Ausrichtung des synchronen Bezugssystems mit einem der Flussdichten der Maschine (entweder die Statorflussdichte oder die Rotorflussdichte). Das synchrone Bezugssystem umfasst zwei orthogonale Achsen, und zwar die D-Achse 120, welche als die direkte Achse bezeichnet wird, und die Q-Achse 122, welche als die Quer-Achse bezeichnet wird. Wenn das synchrone Bezugssystem bei der elektrischen Anregungsfrequenz rotiert, werden die Spannungs- und Stromgrößen zu Gleichstromgrößen im synchronen System (unter der Annahme eines stationären sinusförmigen Betriebs) und das synchrone Bezugssystem (D- und Q-Achsen 120, 122) werden mit derselben Winkelgeschwindigkeit rotieren wie Statorstromvektor I_s 125.
Für einen Innenpermanentmagnet(IPM)-Motor ist die D-Achse typischerweise an dem Rotormagnetnordpol ausgerichtet, und die Motorstatorspannungsgleichungen können wie in Gleichungen 1 und 2 dargestellt werden, wo, im synchronen Bezugssystem, Gleichung 1 die D-Achsen-Statorspannungsgleichung ist und Gleichung 2 die Q-Achsen-Statorspannungsgleichung. Dementsprechend ist Gleichung 3 die D-Achsen-Statorflussdichte λ e / ds und Gleichung 4 ist die Q-Achsen-Statorflussdichte λ e / qs.

λ e / ds = L_di e / ds + λ_f (3) λ e / qs = L_qi e / qs (4)
In Gleichungen 1 bis 4 stellt ω_r die Winkelgeschwindigkeit des Rotors vom IPM-Motor in dem elektrischen Bezugssystem dar, R_s ist der Statorwiderstand davon, λ_f ist die magnetische Flussdichte, L_d und L_q sind die D- und Q-Achsen-Induktivitäten, V e / ds und V e / qs sind die D- und Q-Achsen-Statorspannungen, und i e / ds und i e / qs sind die D- und Q-Achsen-Statorströme. Das hochgestellte ”e” in Gleichungen 1 bis 4 bezieht sich auf die Anregung des synchronen Bezugssystems. Das Drehmoment des IPM-Motors kann wie in Gleichung 5 gezeigt dargestellt werden als: T_e = 3p / 4(λ e / dsi e / qs – λ e / qsi e / ds) (5) wobei p die Anzahl an Maschinenpolen ist. Geeignete Steuerung und Drehmomenterzeugung des Motors beruht auf genauer Ausrichtung des synchronen Bezugssystems an der gewünschten Motorflussdichte, wie zum Beispiel dem Rotormagnetnordpole. Nicht korrekte Ausrichtung resultiert in fehlerhafter Drehmomenterzeugung, und möglicher Instabilität der Stromsteuerung. Es ist daher vordringlich, dass ein akkurates und zuverlässiges Verfahren für die Rotorausrichtung ausgewählt wird.
Falls eine mechanische Positionssensiervorrichtung verwendet wird, wie zum Beispiel ein Drehmelder, kann die Vorrichtung ab Werk an dem Rotormagnetnordpol ausgerichtet werden. Jedoch verwenden einige Systeme keine Positionssensiervorrichtung. Vielmehr wird eine sensorlose Vektorsteuerung verwendet, um die Rotorposition auf Grundlage von Maschinengrößen wie zum Beispiel Ströme und Spannungen zu schätzen, und basiert typischerweise auf dem Erkennen der Vorzugsrichtung der Maschine. Die Vorzugsrichtung ist die Variation der räumlichen Induktivität des Motors um den Umfang eines Luftspalts um den Motor herum. In einem IPM-Motor sind die Rotormagnete in dem Rotor untergebracht, was in verschiedenen D- und Q-Achseninduktivitäten (oder Vorzugsrichtung) resultiert. Während Erkennen der Vorzugsrichtung eine Rotorpositioninformation liefern kann, unterscheidet diese Rotorpositioninformation typischerweise nicht zwischen der positiven und negativen D-Achse (das heißt, die Rotormagnetnord- und -südpole). Die vorliegende Erfindung stellt ein einfaches und effektives alternatives Verfahren zum Bestimmen der Rotormagnetpolausrichtung für geeignete Ausrichtung mit dem Nordpol bereit, sobald die positive oder negative D-Achse bestimmt worden ist.
Bei Verwendung von Sättigungseigenschaften eines IPM-Motors wird, wenn der Statorstromvektor mit der berechneten +D-Achse ausgerichtet ist, die Reluktanzflussdichte zu der magnetischen Permanentflussdichte (siehe Gleichung 1) beitragen, wodurch die Sättigung des IPM-Motors erhöht wird. Mit geeigneter Stromamplitude können Eigenschaften mit praktisch flachem Drehmoment über der Winkelposition in einem relativ breiten Bereich erzielt werden. Jedoch weist, wenn der Statorstromvektor mit der berechneten –D-Achse ausgerichtet ist, die Drehmoment/Statorstrom-Position eine sehr hohe Verstärkung auf.
Mit Bezug auf 2 zeigt eine Kurve 200 die Auftragung des gemessenen Drehmoments über dem Winkelfehler für einen typischen IPM-Typ-Motor, wo ein Statorstrom mit fester Amplitude in der –D-Achse vorgegeben wurde. Das Drehmoment ist über der Y-Achse 202 aufgetragen und der Winkelfehler ist über der X-Achse 204 aufgetragen. Nach Ausrichten des synchronen Bezugssystems mit dem Rotormagnetnordpol wurde der Winkelfehler in die Bezugssystemausrichtung eingeführt, während das Drehmoment aufgezeichnet wurde. Null und 360 Grad Winkelfehler 210, 212 sind präsent, wenn der Statorstromvektor sich auf der –D-Achse befindet, während 180 Grad Winkelfehler 214 präsent ist, wenn der Statorstromvektor sich auf der +D-Achse befindet. Neunzig und 270 Grad Winkelfehler 216, 218 entsprechen jeweils den –Q bzw. +Q-Achsen. Jede Kurve 220, 222, 224 repräsentiert eine unterschiedliche Amplitude der Strominjektion, wo die Stromamplitude von Kurve 222 (100 Ampere [rms]) das Doppelte von Kurve 220 ist (50 Ampere [rms]), und die Stromamplitude von Kurve 224 (200 Ampere [rms]) das Doppelte der Kurve 222 (100 Ampere [rms]) ist.
Die Drehmomentkurven 220, 222, 224 sind sehr steil, wenn der Winkel nahe der –D-Achse 210, 212 ist, und relativ flach nahe der +D-Achse 214 aufgrund eines Sättigungseffekts. Die Kombination der Reluktanzflussdichte und der magnetischen Flussdichte erhöht die Gesamtsättigung um den Winkel 214 herum. In einigen Fällen (in diesem Beispiel Kurve 220) ist die Drehmoment/Winkelfehler-Kurve praktisch flach nahe der +D-Achse.
Mit Bezug auf 3 umfasst ein elektrisches Motorsystem 300 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Innenpermanentmagnet(IPM)-Motor 310 mit einem damit zugeordneten magnetischen Nordpol. Ein Wechselrichter 320 stellt Motorsteuerungssignale für den IPM-Motor 310 zum Steuern seines Betriebs bereit. Eine sensorlose Vektorsteuerungsvorrichtung 330 ist mit einem Luftspalt um den IPM-Motor herum gekoppelt, um die Vorzugsrichtung des IPM-Motors 310 zu überwachen. Die sensorlose Vektorsteuerungsvorrichtung 330 bestimmt eine Position eines Rotors des IPM-Motors in Antwort auf die Vorzugsrichtung des IPM-Motors 310 und erzeugt ein Rotorpositionssignal θ_r und ein Winkelgeschwindigkeitssignal ω_r.
Eine Wechselrichtersteuerung 340 erzeugt Betriebssteuerungssignale für die Bereitstellung zu Wechselrichter 320 in Antwort auf das Rotorpositionssignal θ_r und des Winkelgeschwindigkeitssignals ω_r, welche von der sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung 330 empfangen wurden, und in Antwort auf einen Drehmomentbefehl T*, der dazu bereitgestellt wurde.
Der IPM-Motor 340 könnte in einer Pumpe, einem Kompressor, oder selbst in einem automobilen Elektroantrieb, wie zum Beispiel einem Hybridantriebmotor, verwendet werden. Erkennung der Bewegung des Rotors muss zulässig sein, um eine Fehlausrichtung zu erkennen. Im Fall von Pumpen oder Kompressoren ist dies kein Problem, da aufgrund der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Last im Fall von Pumpen und Gebläsen die Last nahe Geschwindigkeit null sehr klein ist. Für einen automobilen Vortriebsmotor sollte jedoch entweder der Motor vom restlichen System mittels Kupplungen oder anderen Mitteln getrennt werden, das heißt beispielsweise eine Last 360, um dem IPM-Motor 310 zu ermöglichen, sich während des Tests zu bewegen. Alternativ sollte ausreichend Getriebespiel vorhanden sein, um leichte Rotorbewegung ohne Störung der Last 360 zu ermöglichen. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform und für einen automobilen Vortriebsmotor stellt die Wechselrichtersteuerung 340 ein Last-Entkopplungssignal und ein Last-Wiedereinkopplungssignal für einen Last-Koppler 350 zum Koppeln und Entkoppeln der Last 360 von dem IPM-Motor 310 bereit, um die Last 360 von dem IPM-Motor 310 zu entkoppeln, während die anfängliche Polaritätserkennungsroutine der sensorlosen Vektorsteuerung 330 ausgeführt wird.
Mit Bezug auf 4 wird ein detaillierteres Blockdiagramm der sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung 330 gezeigt. Während ein Blockdiagramm in 4 verwendet wird, um die verschiedenen Funktionen der sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung 330 zu veranschaulichen, wird der Fachmann wahrnehmen, dass einige oder alle dieser funktionalen Blöcke Signale, Signalerzeugung und/oder Software für die Ausführung der hierin beschriebenen Funktionen repräsentieren. Die sensorlose Vektorsteuerungsvorrichtung 330 nutzt die verschiedenen Eigenschaften der Drehmoment/Winkelfehler-Kurve (siehe Kurven 220, 222, 224 in 2) zwischen den D-Achsen und –D-Achsen. Ein Statorstrom-Injizierer 402 injiziert einen Statorstrom mit fester Amplitude in die berechnete +D-Achse. Ein Fehlersignalerzeuger 404 stellt ein Fehlersignal für den Statorstrom-Injizierer 402 bereit, um einen Transformationswinkel durch einen vorbestimmten Motor-abhängigen Winkel zu stören, während ein Vektor-Initialisierer-Block 406 das Geschwindigkeitsantwortsignal überwacht.
Falls das synchrone Bezugssystem korrekt zu dem Magnetnordpole des Rotors des IPM-Motors 310 ausgerichtet ist, dann wird eine minimale Drehmoment-Störung durch Vektor-Initialisiererblock 406 aufgrund der Winkelstörung detektiert, da die Drehmomenteigenschaft nahe der +D-Achse praktisch flach ist. Falls jedoch das synchrone Bezugssystem inkorrekt zu dem Südpol des Rotors des IPM-Motors 310 ausgerichtet ist, dann wird eine große Drehmoment-Störung von dem Vektor-Initialisiererblock 406 erkannt, wenn der Transformationswinkel gestört wird, was in einer geringen (aber erkennbaren) Bewegung des Rotors des IPM-Motors 310 resultiert. Auf diese Weise setzt der Vektor-Initialisiererblock 406 eine Steuerungs-Bezugsachse entweder zu 180° addiert zu der berechneten Bezugsachse, falls die resultierende Geschwindigkeit des IPM-Motors 310 größer ist als eine vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit, oder zu der berechneten Bezugsachse, falls die resultierende Geschwindigkeit des IPM-Motors 310 geringer ist als oder gleich ist zu der vorbestimmten Schwellengeschwindigkeit. Ein Rotorposition-Bestimmer-Block 408 bestimmt danach die Position des Rotors des IPM-Motors in Antwort auf die Steuerungsbezugsachse und die Vorzugsrichtung des IPM-Motors und erzeugt das Rotorpositionssignal θ_r und das Winkelgeschwindigkeitssignal ω_r.
Der Vektor-Initialisiererblock 406 überwacht den Rotor anfangs, wenn er in Ruhe ist. Danach, wenn der Fehlersignalerzeuger 404 die berechnete Bezugsachse durch einen vorbestimmten Transformationswinkel (zum Beispiel mehr oder weniger als 45°) stört, was in Abhängigkeit von dem Design des Motors 310 unterschiedlich ist, und der Vektor-Initialisiererblock 406 überwacht, ob das Geschwindigkeitsantwortsignal eine vordefinierte Schwelle überschreitet, wird die anfängliche Position dann als inkorrekt zu dem Magnetsüdpol ausgerichtet angenommen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform addiert der Vektor-Initialisiererblock 406 180° zu der Drehmelder-Position und nimmt normale Motorsteuerung wieder auf. Falls der Vektor-Initialisiererblock 406 bestimmt, dass das Geschwindigkeitsantwortsignal bei oder unterhalb der vordefinierten Schwelle verbleibt, ist das synchrone Bezugssystem als korrekt ausgerichtet bestimmt, und der Vektor-Initialisiererblock 406 fährt mit normaler Motorsteuerung fort, ohne dass eine Anpassung notwendig wäre.
Mit Bezug auf 5 wird ein Blockdiagramm 500 eines typischen vektorgesteuerten stromgeregelten Motorantriebs mit dem vorgeschlagenen Erkennungsschema für die Anfangspolarität gezeigt. Strombefehle, die von dem Drehmoment T* in dem synchronen Bezugssystem erzeugt werden, I e* / ds und I e* / qs, werden jeweils für eine der Summenknoten 502 und 504 bereitgestellt. Antwortströme I e / ds und I e / qs werden auch zu den Summenknoten 502, 504 geführt. Die Ausgänge der Summenknoten 502, 504 werden mittels Synchron-System-Stromregler 506 verarbeitet, um synchrone Systemspannungsbefehle V e* / ds und V e* / qs erzeugen. Diese Spannungsbefehle V e* / ds und V e* / qs werden mittels eines Synchron-zu-stationär-Transformationsmodul 508 umgewandelt, welches Rotorposition θ_r verwendet, um die Spannungsbefehle von dem synchronen Bezugssystem zu dem stationären Bezugssystem gemäß einer herkömmlichen Koordinatentransformation umzuwandeln.
Die Ausgänge des Transformationsmoduls 508 sind die zweiphasigen alpha/beta-Spannungsbefehle V * / α und V * / β des stationären Systems.
Die alpha/beta-Spannungsbefehle werden dann zu dem zweiphasigen oder dreiphasigen Transformationsblock 510 geleitet, welcher die alpha/beta-Spannungsbefehle in die äquivalenten 3-Phasen-Signale V * / a, V * / b, und V * / c umwandelt. Die 3-phasigen Spannungsbefehle V * / a, V * / b, V * / c des stationären Systems sind die Betriebssteuerungssignale, die zu dem 3-phasigen Spannungsquellenwechselrichter 320 geleitet werden, welcher die Spannungsbefehle verarbeitet und die vorgegebenen Spannungen an Statorwicklungen des IPM-Motors 310 anwendet.
Zwei (oder drei) Statorphasenströme werden sensiert und zu einem drei- oder zwei-Phasen-Transformationsmodul 512 der Wechselrichtersteuerung 340 geleitet. Das drei- oder zwei-Phasen-Transformationsmodul 512 wandelt die dreiphasigen Ströme I_a, I_b und I_c zu äquivalenten zweiphasigen alpha/beta-Strömen I_α und I_β um, wobei ein stationär-zu-synchron-Transformationsmodul 514 die Rotorposition θ_r verwendet, um die alpha/beta-Ströme in Synchronsystem-Größen I e / ds und I e / qs umzuwandeln, welche dann für die Summierer 502, 504 bereitgestellt werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform setzt der Statorstrom-Injizierer 402 den d-Achsen-Strom, i e / ds, auf einen festen Wert (zum Beispiel 50 Ampere [rms]), während der q-Achsen-Strom, i e / qs, auf Null gesetzt wird. Der Transformationswinkel wird durch den Fehlersignalerzeuger 404 gestört, wobei die rechtecksignalförmige Impulsfolge Δθ_r für einen Summenknoten 516 zum Einführen des vorbestimmten Fehlers, Δθ_r, an der d-Achse bereitgestellt wird. Der Vektor-Initialisierer 406 führt den Test bei der Winkelgeschwindigkeit ω_r durch, um zu bestimmen, ob das Bezugssystem korrekt ausgerichtet ist oder nicht. Falls die Geschwindigkeit die vorbestimmte Schwell überschreitet, dann werden 180° zu dem Bezugssystem-Winkel hinzuaddiert.
Mit Bezug auf 6 beschreibt ein Flussdiagramm 600 das Verfahren der sensorlosen Vektorsteuerung 330 für eine Erkennung einer Anfangspolarität gemäß der vorliegenden Ausführungsform, welche mit Erkennung einer Aktivierung 602 des IPM-Motors 310 (das heißt Schalten des Motors auf EIN). Wenn die sensorlose Vektorsteuerung 330 bestimmt (Schritt 602), dass der IPM-Motor 310 aktiviert worden ist, dann bestimmt die sensorlose Vektorsteuerung 330 (Schritt 604), ob der IPM-Motor 310 von seiner Last 360 entkoppelt wurde, da die Drehmoment-Störung, welche auftreten kann, solche Störungen für die Last 360 bereitstellen könnte, es sei denn, dass die Last 360 entkoppelt ist. Schritt 604 muss für gewisse Anwendungen, wie zum Beispiel wie oben beschrieben Kompressoren und Pumpen, nicht benötigt werden.
Wenn die sensorlose Vektorsteuerung bestimmt (Schritt 604), dass die Last 360 von IPM-Motor 310 entkoppelt ist, dann wird das synchrone Bezugssystem zu einem magnetischen Pol des IPM-Motors 310 ausgerichtet (Schritt 606), wobei irgendeine der aus dem Stand der Technik dem Fachmann bekannten positionssensorlosen Techniken verwendet werden. Dann injiziert der Statorstrom-Injizierer 402 einen Statorstrom auf die berechnete +D-Achse (Schritt 608). Die Injizierung wird von dem Fehlersignalerzeuger 404 gestört (Schritt 610), wobei ein Fehlersignal für den Statorstrom-Injizierer 402 bereitgestellt wird, um den Transformationswinkel zu modulieren.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird der Transformationswinkel mittels eines Fehlersignals modifiziert, der eine Rechtecksignal-Impulsfolge eines Winkelfehlers ist. Das Impulsfolgen-Fehlersignal wird durch den Fehlersignalerzeuger 404 für eine ausreichende Dauer erzeugt, um jede Geschwindigkeitsänderung in dem IPM-Motor 310 zu erkennen. Die Amplitude des Impulsfolgen-Fehlersignals sollte ausreichend klein sein, um im flachen Bereich der Drehmomentkurve 220, 222, 224 wie in 2 dargestellt zu verbleiben. Zum Beispiel sollte mit der 50 Ampere [rms]-Kurve 220 nahe 180 Grad der Winkelfehler auf weniger als ±40 Grad beschränkt werden, um innerhalb des flachen Abschnitts der Drehmoment/Winkelfehler-Kurve 220 zu verbleiben.
Jedoch sollte die Impulsfolgen-Fehlersignal-Amplitude ausreichend groß sein, um eine Geschwindigkeitserkennung auf Grundlage der erwarteten Drehmoment-Störung zuzulassen, wobei angenommen wird, dass das System inkorrekt an dem Magnetsüdpol ausgerichtet ist. Die Pulsdauer wird dann ausgewählt, um ausreichend weit zu sein, um eine Geschwindigkeitserkennung für den Fall zuzulassen, dass das System inkorrekt an dem Magnetsüdpol ausgerichtet ist. Gleichung 6 zeigt die Beziehung zwischen Drehmoment, Winkelgeschwindigkeit, und Trägheitsmoment:
wobei Δt die Pulsbreite in Sekunden und J das Trägheitsmoment des Motors in kg·m² ist. Die Geschwindigkeitsschwelle sollte so ausgewählt werden, dass sie in ausreichendem Masse über dem erwarteten Rauschpegel liegt, während ein ausreichender Abstand bereitgestellt werden sollte, um eine fehlerhafte Erkennung zu vermeiden. Im Fall inkorrekter Ausrichtung wird die Impulsamplitude die Größe des Drehmoments bestimmen, während die Pulsbreite die resultierende Geschwindigkeit wie in Gleichung 7 dargestellt bestimmt.
Die ersten und letzten Impulse können als das Anderthalbfache der Breite der nominalen Impulse gewählt werden, um einen Mittelwert der Winkelstörung von Null sicherzustellen. Auf diese Weise würde, selbst wenn der Rotor anfangs inkorrekt ausgerichtet war, die resultierende Bewegung natürlicherweise rein AC sein, und eine durchschnittliche Verschiebung des Rotors würde etwa Null sein (d. h., die Startposition wäre annähernd die gleiche wie die Endposition).
Während die Position gestört wird, überwacht (Schritt 612) der Vektor-Initialisierer die Winkelgeschwindigkeit des Rotors, und bestimmt (Schritt 614), ob die Geschwindigkeit eine vorbestimmte Geschwindigkeitsschwelle überschreitet. Falls die Geschwindigkeit die vorbestimmte Schwelle nicht überschreitet (Schritt 614), dann wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Bezugssystem als korrekt an dem Magnetnordpol ausgerichtet bestimmt, und es ist keine Anpassung notwendig. Falls jedoch die Geschwindigkeit die vorbestimmte Schwelle überschreitet (Schritt 614), dann wird bestimmt, dass das Bezugssystem inkorrekt an dem Magnetsüdpol ausgerichtet war, und 180° werden zu dem synchronen Bezugssystem hinzuaddiert (Schritt 616), bevor eine normale Steuerung des IPM-Motors 310 wieder aufgenommen werden kann (Schritt 618), einschließlich Wieder-Einkoppeln des IPM-Motors 310 an seine Last 360.
Als nächstes wird auf 7, einschließlich 7A und 7B, Bezug genommen, wobei zwei Kurven 700, 750 die vorliegende Ausführungsform im Betrieb darstellen. Kurve 700 zeigt den Fall, wo das Bezugssystem anfangs an dem korrekten Magnetnordpol ausgerichtet war. Fünfzig Ampere [rms] wurden als Signal 702 in die berechnete +D-Achse injiziert, wobei die Rotorposition durch eine Rechtecksignal-Impulsfolge mit einer 166,6 ms Periode und ±20 Grad Amplitude gestört wurde, wobei Signal 704 die berechnete Rotorposition plus der Rechtecksignalimpulsfolge zeigt. Die detektierte Motorgeschwindigkeit auf Kurve 706 verbleibt während der Testdauer praktisch Null.
Als nächstes wird auf Kurve 750 (7B) Bezug genommen, wobei der Fall gezeigt ist, wo das Bezugssystem inkorrekt an dem Magnetsüdpol ausgerichtet war. Die Störungs-Rechtecksignal-Impulsfolge, wo Signal 752 die berechnete Rotorposition plus der Rechtecksignalimpulsfolge zeigt, resultiert in Drehmomentstörung, was in Folge in Rotorbewegung resultiert. Das detektierte Geschwindigkeitssignal 754 beträgt mehr als zwanzig Umdrehungen/Minute, und kann leicht mittels Software detektiert werden. Daher kann der Vektor-Initialisierer 406 leicht das Geschwindigkeitssignal 754 erkennen, und 180° zu dem Bezugssystem (Schritt 616, 6) addieren, bevor normale Steuerung (Schritt 618, 6) wiederaufgenommen wird, da das Geschwindigkeitssignal 754 ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis liefert, wodurch ein zuverlässiges Mittel für den Vektor-Initialisierer 406 zur Verfügung gestellt wird, um die Bezugssystem-Ausrichtung zu detektieren.
Somit ist einsehbar, dass die sensorlose Vektorsteuerung 330 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Erkennen einer Rotormagnetpolarität für den IPM-Motor 310 beim Starten für elektrische Motorsysteme 300 unter Verwendung einer sensorlosen Vektorsteuerung 330 bereitstellt. Die Technik kann schnell und mit minimaler Störung für die Rotorposition ausgeführt werden. Magnetausrichtungs-Erkennung wird durch das hohe Signal/Rausch-Verhältnis des Geschwindigkeitssignals 754 ermöglicht, welche das rasche Erreichen einer Erkennung einer Anfangspolarität zulässt, während eine Störung der Rotorposition und Akustikrauschen des IPM-Motors 310 minimiert wird.

Claims

Verfahren zum Ausrichten einer Steuerungsbezugsachse mit einem magnetischen Nordpol eines Innenpermanentmagnetmotors, bei welchem Rotormagnete in dessen Rotor angeordnet sind, was in verschiedenen D- und Q-Achseninduktivitäten im synchronen Bezugssystem resultiert, die Schritte umfassend: Ausrichten des synchronen Bezugssystems zu einem magnetischen Pol des Innenpermanentmagnetmotors, Injizieren eines vorbestimmten Statorstroms an eine berechnete Bezugschse des Innenpermanentmagnetmotors, welche die D-Achse des synchrone Bezugssystem darstellt; Modulieren eines Transformationswinkels mittels eines Fehlersignals, wobei der Transformationswinkel verwendet wird, um Spannungsbefehle von dem synchronen Bezugssystem zu einem stationären Bezugssystem umzuwandeln; Bestimmen einer durch den modulierten Transformationswinkel hervorgerufenen Drehmoment-Störung des Innenpermanentmagnetmotors, Bestimmen ob eine durch die Drehmoment-Störung hervorgerufene Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors größer ist als eine vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit; und Setzen der Steuerungsbezugsachse auf 180° addiert zu der berechneten Bezugsachse, falls die Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors größer ist als vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Setzens der Steuerungsbezugsachse auf die berechnete Bezugsachse, falls die Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors geringer ist als oder gleich ist zu der vorbestimmten Schwellengeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Innenpermanentmagnetmotor mit einer Last für einen Betrieb dafür gekoppelt ist, und wobei der Schritt des Injizierens des vorbestimmten Statorstroms den Schritt umfasst: Entkoppeln der Last von dem Innenpermanentmagnetmotor in Antwort auf eine Aktivierung des Innenpermanentmagnetmotors; und Injizieren des vorbestimmten Statorstroms an der berechneten Bezugsachse, wobei das Verfahren weiterhin den Schritt des Wieder-Koppelns der Last mit dem Innenpermanentmagnetmotor nach den Schritten des Setzens der Steuerungsbezugsachse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Injizierens des vorbestimmten Statorstroms den Schritt des Injizierens des vorbestimmten Statorstroms an der vorbestimmten Bezugsachse in Antwort auf eine Aktivierung des Innenpermanentmagnetmotors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens der Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors den Schritt des Überwachens eines Innenpermanentmagnetrotorgeschwindigkeitsantwortsignals umfasst, um zu bestimmen, ob die Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors größer ist als die vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einführens eines vorbestimmten Fehlers den Schritt des Störens der berechneten Bezugsachse durch einen vorbestimmten Transformationswinkel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Störens des berechneten Bezugswinkels den Schritt des Modulierens des Transformationswinkels der berechneten Bezugsachse durch einen größeren oder kleineren vorbestimmten Winkel umfasst.
Sensorlose Vektorsteuerung zum Initialisieren eines Rotorpositionssignals entsprechend einer Position für einen Innenpermanentmagnetmotor, bei welchem Rotormagnete in dessen Rotor angeordnet sind, was in verschiedenen D- und Q-Achseninduktivitäten im synchronen Bezugssystem resultiert, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Statorstrom-Injizierer zum Injizieren eines vorbestimmten Statorstroms an einer berechneten Bezugsachse des Innenpermanentmagnetmotors, welche die D-Achse des synchrone Bezugssystem darstellt, und welche zu einem magnetischen Pol des Innenpermanentmagnetmotors ausgerichtet ist; einen mit dem Statorstrom-Injizierer gekoppelten Fehlersignal-Erzeuger zum Bereitstellen eines Fehlersignals für den Statorstrom-Injizierer zum Modulieren eines Transformationswinkels mittels des Fehlersignals, wobei der Transformationswinkel verwendet wird, um Spannungsbefehle von dem synchronen Bezugssystem zu einem stationären Bezugssystem umzuwandeln;; und einen Vektorinitialisierer zum Bestimmen einer durch den modulierten Transformationswinkel hervorgerufenen Drehmoment-Störung des Innenpermanentmagnetmotors, und zum Bestimmen ob eine durch die Drehmoment-Störung hervorgerufene Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors größer ist als eine vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit, nachdem der vorbestimmte Fehler eingeführt worden ist, wobei der Vektorinitialisierer die Steuerungsbezugsachse für die positionssensorlose Vektorsteuerung auf 180° setzt, und zwar addiert zu der berechneten Bezugsachse, falls die Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors größer ist als die vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit, und die Steuerungsbezugsachse für die positionssensorlose Vektorsteuerung zu der berechneten Bezugsachse setzt, falls die Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors geringer ist als oder gleich ist zu der vorbestimmten Schwellengeschwindigkeit.
Sensorlose Vektorsteuerung nach Anspruch 8, weiterhin umfassend einen Rotorposition-Bestimmer, der mit dem Vektorinitialisierer gekoppelt ist, und die Position des Rotors des IPM-Motors in Antwort auf die Bezugsachse bestimmt.
Sensorlose Vektorsteuerung nach Anspruch 8, wobei der Vektorinitialisierer ein Innenpermanentmagnetrotorgeschwindigkeitsantwortsignal überwacht, um zu bestimmen, ob die Geschwindigkeit des Innenpermanentmagnetmotors größer ist als die vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Fehlersignalerzeuger das Fehlersignal erzeugt, um die berechnete Bezugsachse durch einen vorbestimmten Transformationswinkel zu stören.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Fehlersignalerzeuger das Fehlersignal erzeugt, um die berechnete Bezugsachse durch Modulieren des Transformationssignals der berechneten Bezugsachse um einen größeren oder kleineren vorbestimmten Winkel zu stören.
Elektrisches Motorsystem, umfassend: einen Innen-Permanentmagnet(IPM)-Motor mit einem damit zugeordneten magnetischen Nordpol; einen mit dem IPM-Motor gekoppelten Wechselrichter zum Bereitstellen von Motorsteuerungssignalen für den IPM-Motor zur Steuerung des Betriebs desselben; eine mit dem IPM-Motor gekoppelte sensorlose Vektorsteuerung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 zum Bestimmen einer Vorzugsrichtung des IPM-Motors und Erzeugen eines Rotorpositionssignals und eines Winkelgeschwindigkeitssignals in Antwort auf die Vorzugsrichtung des IPM-Motors; eine mit der sensorlosen Vektorsteuerung und dem Wechselrichter gekoppelte Wechselrichtersteuerung zum Erzeugen von Betriebssteuerungssignalen in Antwort auf das Rotorpositionssignal und das Winkelgeschwindigkeitssignal und zum Bereitstellen der Betriebssteuerungssignale für den Wechselrichter zum Steuern des Betriebs desselben.
Elektrisches Motorsystem nach Anspruch 13, wobei der Vektorinitialisierer die Steuerungsbezugsachse auf die berechnete Bezugsachse setzt, falls die Geschwindigkeit des IPM-Motors geringer ist als oder gleich ist zu der vorbestimmten Schwellengeschwindigkeit.
Elektrisches Motorsystem nach Anspruch 14, der Vektorinitialisierer ein Innenpermanentmagnetrotorgeschwindigkeitsantwortsignal überwacht, um zu bestimmen, ob die Geschwindigkeit des IPM-Motors größer ist als die vorbestimmte Schwellengeschwindigkeit oder geringer ist als oder gleich ist zu der vorbestimmten Schwellengeschwindigkeit.
Elektrisches Motorsystem nach Anspruch 13, wobei die Wechselrichtersteuerung ein Rotorpositionbestimmungssignal für den Statorstrom-Injizierer zum Initiieren einer Injizierung des vorbestimmten Statorstroms an der berechneten Bezugsachse des IPM-Motors in Antwort auf eine Erkennung einer Aktivierung des IPM-Motors.
Elektrisches Motorsystem nach Anspruch 16, weiterhin umfassend einen Last-Koppler zum Koppeln des IPM-Motors mit einer Last für den Betrieb desselben, wobei die Wechselrichtersteuerung mit dem Last-Koppler gekoppelt ist und ein Last-Entkopplungssignal dorthin liefert, nachdem die Aktivierung des IPM-Motors erkannt worden ist und vor Bereitstellen des Rotorpositionbestimmungssignals für den Statorstrom-Injizierer, wobei die Wechselrichtersteuerung ein Last-Wiedereinkopplungssignal für den Last-Koppler bereitstellt zum Wiedereinkoppeln der Last an den IPM-Motor nach Bestimmen, dass die sensorlose Vektorsteuerung die Steuerungsbezugsachse für die positionssensorlose Vektorsteuerung gesetzt hat.
Elektrisches Motorsystem nach Anspruch 13, wobei der Fehlersignalerzeuger das Fehlersignal erzeugt, um die berechnete Bezugsachse durch einen vorbestimmten Transformationswinkel zu stören.
Elektrisches Motorsystem nach Anspruch 18, wobei der Fehlersignalerzeuger das Fehlersignal erzeugt, um die berechnete Bezugsachse durch Modulieren des Transformationswinkels der berechneten Bezugsachse mit einem größeren oder kleineren vorbestimmten Winkel.
Elektrisches Motorsystem nach Anspruch 13, wobei der IPM-Motor einen elektrischen Motor umfasst, der aus der Gruppe von elektrischen Motoren umfassend Pumpenmotoren, Kompressormotoren, automobile Elektro-Antriebsmotoren und automobile Hybrid-Antriebsmotoren ausgewählt ist.