DE102020108299A1

DE102020108299A1 - Bestimmung einer anfänglichen position eines rotors einer permanentmagnet-synchronmaschine

Info

Publication number: DE102020108299A1
Application number: DE102020108299.1A
Authority: DE
Inventors: Yaojin Mo; Huaqiang Li; Jimmy Qi; Tony Zhao; Hao CAI
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2020-10-01
Also published as: US20230049780A1; US20200313591A1; CN111756297A; US11843331B2; US11444562B2

Abstract

In einem Gesichtspunkt schließt ein System zum Bestimmen einer anfänglichen Winkelposition eines Rotors einer Synchronmaschine ein Motortreibermodul, das konfiguriert ist, um der Synchronmaschine ein Motortreiberspannungssignal bereitzustellen, wobei das Motortreiberspannungssignal ausreicht, um einen elektrischen Strom in die Synchronmaschine zu induzieren; und ein Rotorpositionsbestimmungsmodul ein, das konfiguriert ist, um eine Anzeige des in der Maschine generierten Stroms zu empfangen und die Anfangsposition des Rotors basierend auf der Anzeige des in der Maschine generierten Stroms zu bestimmen. Das Motortreiberspannungssignal schließt mindestens einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt ein, wobei der erste Abschnitt während einer ersten zeitlichen Dauer eine erste Spannung ungleich Null aufweist, der zweite Abschnitt eine zweite Spannung ungleich Null während einer zweiten zeitlichen Dauer und der dritte Abschnitt während einer dritten zeitlichen Dauer eine Spannung von im wesentlichen Null aufweist, wobei der erste Abschnitt eine erste Polarität und der zweite Abschnitt eine zweite Polarität hat, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, und die erste zeitliche Dauer und die zweite zeitliche Dauer unterschiedlich sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf das Bestimmen einer Anfangsposition eines Rotors einer Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM), wie etwa eines dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronelektromotors oder eines Permanentmagnet-Synchrongenerators.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um, die einer Last bereitgestellt wird. Ein Synchronelektromotor ist ein Wechselstrommotor (AC). Im stationären Betrieb wird die Bewegung einer rotierenden Welle (zum Beispiel eines Rotors) des synchronen Elektromotors mit der Frequenz der elektrischen Wechselstromleistung synchronisiert, die an Wicklungen in einem stationären Abschnitt (wie dem Stator) des Motors angewandt wird. Ein in der Welle oder auf der Oberfläche der Welle eingebetteter Permanentmagnet dreht sich zeitgleich mit den Schwingungen der an den Statorwicklungen angewandten elektrischen Wechselstromleistung, sodass sich die Welle auch zeitgleich mit den Schwingungen der elektrischen Wechselstromleistung dreht.
KURZDARSTELLUNG
In einem Gesichtspunkt schließt ein System zum Bestimmen einer anfänglichen Winkelposition eines Rotors einer Synchronmaschine ein Motortreibermodul, das konfiguriert ist, um der Synchronmaschine ein Motortreiberspannungssignal bereitzustellen, wobei das Motortreiberspannungssignal ausreicht, um einen elektrischen Strom in die Synchronmaschine zu induzieren; und ein Rotorpositionsbestimmungsmodul ein, das konfiguriert ist, um eine Anzeige des in der Maschine induzierten Stroms zu empfangen und die Anfangsposition des Rotors basierend auf der Anzeige des in der Maschine induzierten Stroms zu bestimmen. Das Motortreiberspannungssignal schließt mindestens einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt ein, wobei der erste Abschnitt während einer ersten zeitlichen Dauer eine erste Spannung ungleich Null aufweist, der zweite Abschnitt eine zweite Spannung ungleich Null während einer zweiten zeitlichen Dauer und der dritte Abschnitt während einer dritten zeitlichen Dauer eine Spannung von im wesentlichen Null aufweist, wobei der erste Abschnitt eine erste Polarität und der zweite Abschnitt eine zweite Polarität hat, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, und die erste zeitliche Dauer und die zweite zeitliche Dauer unterschiedlich sind.
Implementierungen können eine oder mehrere der folgenden Merkmale einschließen. Die dritte zeitliche Dauer kann sich von der ersten zeitlichen Dauer oder der zweiten zeitlichen Dauer unterscheiden.
Die dritte zeitliche Dauer kann sich von der ersten zeitlichen Dauer und der zweiten zeitlichen Dauer unterscheiden.
Die erste Spannung ungleich Null und die zweite Spannung ungleich Null können unterschiedlich sein.
Das Motortreiberspannungssignal kann ein erstes Segment und ein zweites Segment einschließen, das vor oder nach dem ersten Segment auftritt, wobei das erste Segment den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt einschließen kann, das zweite Segment einen vierten Abschnitt und einen fünften Abschnitt einschließen kann, der vierte Abschnitt die erste Spannung ungleich Null, die erste zeitliche Dauer und die zweite Polarität aufweisen kann, und der fünfte Abschnitt kann die zweite Spannung ungleich Null und die erste Polarität aufweisen.
Das System kann auch eine Modulationsvorrichtung einschließen, die konfiguriert ist, um elektrische Energie von einer Gleichstromquelle zu empfangen und die elektrische Energie in das Motortreiberspannungssignal umzuwandeln.
Die Anzeige des in der Synchronmaschine induzierten Stroms kann eine Anzeige eines Stroms einschließen, der von jeder der drei Phasen der Synchronmaschine gezogen wird, und das Rotorpositionsbestimmungsmodul kann einschließen: ein Transformationsmodul, das konfiguriert ist, um die Anzeige in eine Stromkomponente der d-Achse und eine Stromkomponente der q-Achse umzuwandeln, wobei die Stromkomponente der d-Achse und die Stromkomponente der q-Achse einem rotierenden rechteckigen Koordinatensystem zugeordnet sind, das durch eine d-Achse und eine q-Achse definiert ist; ein Reglermodul, das konfiguriert ist, um die Stromkomponente der q-Achse mit einer Referenz zu vergleichen und eine erste Schätzung eines Drehwinkels des Rotors zu bestimmen; ein Komparatormodul, das konfiguriert ist, um die Stromkomponente der d-Achse mit einer früheren Stromkomponente der d-Achse zu vergleichen und eine Drehrichtung des Rotors basierend auf dem Vergleich zu bestimmen; und ein Positionsbestimmungsmodul, das konfiguriert ist, um die Position des Rotors basierend auf der ersten Schätzung des Drehwinkels des Rotors und der Drehrichtung des Rotors zu schätzen.
In einem anderen Gesichtspunkt schließt ein Verfahren zum Bestimmen einer anfänglichen Winkelposition eines Rotors in einer Synchronmaschine das Erzeugen eines Motortreiberspannungssignals ein, das mindestens einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt einschließt, wobei der erste Abschnitt während einer ersten zeitlichen Dauer eine erste Spannung ungleich Null aufweist, der zweite Abschnitt während einer zweiten zeitlichen Dauer eine zweite Spannung ungleich Null aufweist und der dritte Abschnitt während einer dritten zeitlichen Dauer eine Spannung von im Wesentlichen Null aufweist; der erste Abschnitt eine erste Polarität aufweist und der zweite Abschnitt eine zweite Polarität aufweist, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist; und die erste zeitliche Dauer und die zweite zeitliche Dauer unterschiedlich sind. Das Verfahren schließt auch das Anwenden des Motortreiberspannungssignals an der Synchronmaschine ein; Messen eines induzierten Stroms im Motor nach Anwenden des Motortreiberspannungssignals an der Synchronmaschine; und Bestimmen der anfänglichen Winkelposition des Rotors basierend auf dem gemessenen induzierten Strom.
Implementierungen können eine oder mehrere der folgenden Merkmale einschließen. Das Messen eines induzierten Stroms kann das Messen eines induzierten Stroms in jeder der drei Phasen einschließen, und das Verfahren kann auch das Bestimmen einer Stromkomponente der q-Achse aus dem gemessenen induzierten Strom in jeder der drei Phasen einschließen; Bestimmen einer Fehlermetrik durch Vergleichen der bestimmten Stromkomponente der q-Achse mit einer Referenzstromkomponente der q-Achse; Regulieren des Stroms der q-Achse, um die Fehlermetrik zu reduzieren; Bestimmen, ob die Fehlermetrik für einen Testzeitraum kleiner als eine Schwellenfehlermetrik ist; wenn die Fehlermetrik kleiner als die Schwellenfehlermetrik für die Testzeitperiode ist, Bestimmen einer Drehrichtung des Rotors; und wenn die Fehlermetrik nicht kleiner als die Schwellenfehlermetrik für die Testzeitperiode ist, Anwenden des Motortreiberspannungssignals an die Synchronmaschine.
Das Bestimmen einer Drehrichtung des Rotors kann das Vergleichen der Stromkomponente der d-Achse mit einer vorherigen Stromkomponente der d-Achse einschließen. Die Referenzstromkomponente der q-Achse kann einen Wert von Null einschließen.
Das Motortreiberspannungssignal kann ein erstes Segment und ein zweites Segment einschließen, das vor oder nach dem ersten Segment auftritt, wobei das erste Segment den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt einschließen kann, das zweite Segment einen vierten Abschnitt und einen fünften Abschnitt einschließen kann, der vierte Abschnitt die erste Spannung ungleich Null, die erste zeitliche Dauer und die zweite Polarität aufweisen kann, und der fünfte Abschnitt die zweite Spannung ungleich Null und die erste Polarität aufweisen kann.
Implementierungen einer der hierin beschriebenen Techniken können ein Gerät, eine Vorrichtung, ein System und/oder ein Verfahren einschließen. Die Details einer oder mehrerer Implementierungen sind in den beigefügten Zeichnungen und der folgenden Beschreibung aufgeführt. Weitere Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen.
Figurenliste

1A ist ein Blockdiagramm eines Systems, das einen dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmotor einschließt.
1B ist eine Querschnittsansicht des Motors von 1A.
1C ist ein schematisches Schaltbild der Statorwicklungen des Motors von 1A.
1D veranschaulicht Magnetfelder eines Permanentmagneten in einem Rotor des Motors von 1A.
1E ist eine Darstellung des Rotors bezüglich der Statorwicklungen des Motors von 1A.
2A ist eine graphische Darstellung eines Beispiels eines Motortreiberspannungssignals.
2B ist eine graphische Darstellung eines Beispiels einer d-Achsen-Komponente eines Ausgangsstroms, der durch das Motortreiberspannungssignal von 2A induziert wird.
2C ist eine graphische Darstellung eines Beispiels einer q-Achsen-Komponente eines Ausgangsstroms, der durch das Motortreiberspannungssignal von 2A induziert wird.
3A ist ein Blockdiagramm eines Motorsystems.
3B ist ein Blockdiagramm eines anfänglichen Rotorpositionsbestimmungsmoduls, das in dem Motorsystem von 3A verwendet werden kann.
3C ist eine Darstellung eines Motors.
4A ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses zum Bestimmen einer Schätzung einer anfänglichen Winkelposition eines Rotors.
4B ist ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Prozesses zum Bestimmen einer Drehrichtung eines Rotors.
5 und 6 zeigen Beispiele für experimentelle Ergebnisse.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1A ist ein Blockdiagramm eines Systems 100, das einen dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmotor 110 einschließt, der eine Last 101 antreibt. Das System 100 schließt auch ein Motorsteuersystem 130 ein, das eine anfängliche Winkelposition (θ) eines Rotors 114 (1B) durch Analysieren eines erfassten Stroms 118 schätzt, der als Reaktion auf die Anwendung eines Hochfrequenz-Motortreiberspannungssignals 132 auf das Steuersystem 130 entsteht. Das Signal 132 ist insofern ein Hochfrequenzsignal, als die Frequenz des Signals 132 viel höher ist als die Nennbetriebsfrequenz des Motors 110. Somit bewegt sich der Rotor 114 nicht in Reaktion auf das Signal 132. Wie nachstehend ausführlicher erörtert wird, schließt das Hochfrequenz-Motortreiberspannungssignal 132 Merkmale ein, die es ermöglichen, die anfängliche Winkelposition (θ) des Rotors 114 mit einer größeren Genauigkeit als bei bekannten Techniken zu bestimmen. Darüber hinaus beruht die von dem Steuersystem 130 implementierte Technik nicht auf getrennten Sensoren, welche die Position des Rotors 114 erfassen.
1B ist eine Querschnittsansicht des Motors 110. Der Motor 110 schließt einen Stator 112 ein, der räumlich fixiert ist, und einen Rotor 114, der sich um eine Achse 117 dreht, wenn zeitveränderliche (Wechselstrom-) elektrische Energie an den Motor 110 angewandt wird. In dem Beispiel von 1B erstreckt sich die Achse 117 in die Seite hinein. Der Rotor 114 kann sich im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um die Achse 117 drehen. Der Stator 112 schließt eine elektrische Wicklung pro Phase ein. Somit schließt in diesem Beispiel der Stator 112 drei Wicklungen 113a, 113b, 113c (zusammen als die Wicklungen 113 bezeichnet) ein. 1C ist ein schematisches Schaltbild der Statorwicklungen 113a, 113b, 113c. In dem Beispiel von 1C sind die Wicklungen 113 in einer Y-Konfiguration angeordnet. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen möglich. Zum Beispiel können die Wicklungen 113 in einer Delta-Konfiguration verbunden sein.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1B werden, wenn ein Wechselstrom (AC) in den Statorwicklungen 113a, 113b, 113c fließt, jeweils rotierende Statormagnetfelder 115a, 115b, 115c gebildet. Der Fluss jedes Magnetfeldes 115a, 115b, 115c umgibt die jeweilige Wicklung 113a, 113b, 113c. Unter Bezugnahme auch auf 1D schließt der Rotor 114 einen Permanentmagneten 116 ein. Der Permanentmagnet 116 kann in den Rotor 114 eingebettet oder auf der Oberfläche des Rotors 114 montiert sein. Der Permanentmagnet 116 schließt einen Nordpol 116a und einen Südpol 116b an gegenüberliegenden Enden ein. Der Permanentmagnet 116 erzeugt ein konstantes Rotormagnetfeld 111. Die Magnetfeldlinien (in 1D mit einer gestrichelten Linie dargestellt) des Rotormagnetfelds 111 bilden geschlossene Schleifen, die am Nordpol 116a austreten und am Südpol 116b eintreten. Eine Wechselwirkung zwischen den Statormagnetfeldern 115a, 115b, 115c und dem Rotormagnetfeld 111 bewirkt, dass sich der Rotor 114 um die Achse 117 dreht.
1E ist eine Darstellung 119 des Rotors 114 relativ zur Achse des Magnetfelds 115a, das die stationäre Wicklung 113a umgibt. Die Winkelposition des Rotors 114 ist der Winkel θ, welcher der Winkel zwischen der Achse der Statorwicklung 113a und einer d-Achse ist. Die d-Achse ist eine Achse, die mit der Richtung des Magnetflusses durch den Permanentmagneten 116 ausgerichtet ist. Somit ist die d-Achse eine Linie, die vom Südpol 116b zum Nordpol 116a verläuft. Die d-Achse zeigt die Winkelposition des Rotors 116 an. Wenn zum Beispiel die d-Achse mit der Achse der Wicklung 113a ausgerichtet ist (wie in 1B gezeigt), beträgt die Winkelposition (θ) 0 Grad (°). Die Darstellung 119 schließt auch eine q-Achse ein, die orthogonal zur d-Achse ist. Zusammen bilden die d-Achse und die q-Achse ein rechteckiges d-q-Koordinatensystem, das sich synchron mit dem Wechselstrom dreht, der dem Stator 112 bereitgestellt wird. Der Stator 112 ist stationär und somit sind die Achsen der Wicklungen 113a, 113b, 113c räumlich fixiert.
Wie nachstehend erörtert, schätzt ein Motorsteuersystem 130 eine anfängliche Winkelposition (θ) des Rotors 114. Die anfängliche Winkelposition des Rotors 114 ist die Winkelposition des Rotors 114 vor dem Starten des Motors 110. Die Kenntnis der anfänglichen Winkelposition des Rotors 114 ist wichtig für den ordnungsgemäßen Betrieb des Motors 110. Beispielsweise kann die Winkelposition des Rotors 114 erforderlich sein, um sicherzustellen, dass der Motor 110 der Last 101 das beabsichtigte Drehmoment und/oder die beabsichtigte Drehzahl bereitstellt.
Einige frühere Systeme bestimmen die Winkelposition des Rotors 114 unter Verwendung physikalischer Sensoren, die eine Anzeige der Position des Rotors 114 bereitstellen. Die Verwendung solcher Sensoren erhöht jedoch die Komplexität und die Kosten des Systems 100. Andererseits implementiert das Steuersystem 130 einen Ansatz, der nicht auf Positionssensoren beruht, um die anfängliche Winkelposition des Rotors 114 zu bestimmen. Das Steuersystem 130 speist stattdessen das Hochfrequenz-Motortreiberspannungssignal 132 in das System 100 ein. Das Motortreiberspannungssignal 132 wird in einem Winkel Y relativ zur festen Achse der Statorwicklung 113a in das d-q-Koordinatensystem eingespeist. Das Motortreiberspannungssignal 132 wird von einem Motortreibermodul 134 in ein dreiphasiges Spannungssignal 135 umgewandelt. Eine der drei Phasenkomponenten in dem dreiphasigen Spannungssteuersignal 135 wird an jede der Statorwicklungen 113a, 113b, 113c angewandt, und entsprechende Motorenströme 118a, 118b, 118c werden in dem Motor 110 induziert.
Ein Stromerfassungssystem 120 (1A) erfasst einen oder mehrere der Ströme 118a, 118b, 118c als einen erfassten Strom 118. Das Stromerfassungssystem 120 kann Stromwandler, Rogowski-Spulen oder jede andere Vorrichtung einschließen, die in der Lage ist, einen Wechselstrom zu messen. Das Stromerfassungssystem 120 kann mehr als eine Erfassungsvorrichtung einschließen. Beispielsweise kann das Stromerfassungssystem 120 einen Stromsensor für jede Phase (für jede der Statorwicklungen 113a, 113b, 113c) einschließen. In einigen Implementierungen schließt das Stromerfassungssystem 120 weniger als drei Stromsensoren ein. Beispielsweise kann das Stromerfassungssystem 120 zwei Sensoren einschließen, die den in zwei der Statorwicklungen fließenden Strom messen. Bei diesen Implementierungen wird der in die andere Statorwicklung fließende Strom aus den in den beiden Statorwicklungen gemessenen Strömen berechnet. Das Stromerfassungssystem 120 bestimmt eine Stromanzeige für jeden der Ströme 118a, 118b, 118c.
Das Rotorpositionsbestimmungsmodul 136 analysiert die Anzeige des erfassten Stroms 118, um id' und iq' zu bestimmen, welche die Komponenten des erfassten Stroms 118 sind, der entlang der d-Achse bzw. der q-Achse des dq-Koordinatensystems projiziert wird. Das Rotorpositionsbestimmungsmodul 136 bestimmt die Anfangsposition (θ) des Rotors 114 mit einer Proportional-Integral (PI) -Regelungstechnik, die in Bezug auf die 3A und 3B diskutiert wurde. Wie ferner in Bezug auf die 3A-3C diskutiert, ist, wenn iq' Null ist, der Winkel Υ des eingespeisten Motortreiberspannungssignals 132 gleich θ, und die anfängliche Winkelposition des Rotors 114 ist somit bekannt (weil der Winkel Υ bekannt ist).
Ein Beispiel eines Motortreiberspannungssignals 232 ist in 2A gezeigt. 2A zeigt den Spannungspegel des Motortreiberspannungssignals 232 in Abhängigkeit von der Zeit (t). Das Motortreiberspannungssignal 232 ist ein Beispiel für das Motortreiberspannungssignal 132, und das Motortreiberspannungssignal 232 kann dem Motortreibermodul 134 bereitgestellt werden.
Das Motortreiberspannungssignal 232 ist eine Spannungswellenform, die Gesichtspunkte einer Rechteckwelle einschließt. Das Motortreiberspannungssignal 232 unterscheidet sich jedoch von einer typischen Rechteckwelle. Beispielsweise ist eine typische Rechteckwelle eine nicht sinusförmige periodische Wellenform, bei der die Amplitude bei einer konstanten Frequenz zwischen festen Minimal- und Maximalwerten mit derselben zeitlichen Dauer bei den Minimal- und Maximalspannungen wechselt. Das Motortreiberspannungssignal 232 weist Merkmale auf, die in einer typischen Rechteckwelle nicht vorhanden sind. Beispielsweise schließt das Motortreiberspannungssignal 232 eine Vielzahl von Abschnitten 241-245 ein, die nicht zwischen einem konstanten maximalen und einem konstanten minimalen Spannungswert mit einer Rate wechseln, die während des gesamten Signals 232 konstant ist.
Unter Bezugnahme auch auf 2B steigt der Strom id an, wenn eine positive Spannung V1 für eine Dauer s1 an den Motor 110 angewandt wird. Wenn eine negative Spannung V2 für eine Dauer s2 (die sich von s1 unterscheidet) an den Motor 110 angewandt wird, nimmt der Strom id ab. Wie in 2B gezeigt, bringt das Anwenden der Spannung V2 mit der negativen Polarität id auf Null. Aufgrund nichtlinearer Eigenschaften des Aufbaus und der Anordnung der Komponenten des Motors 110 (zum Beispiel die Form der Komponenten des Motors 110 und der räumlichen Anordnungen der Komponenten relativ zueinander) und nichtlinearer Eigenschaften der Materialien des Motors 110 (zum Beispiel die Materialien, die den Stator 112 und den Rotor 114 bilden) bringt eine herkömmliche Rechteckwelle id nicht zuverlässig auf Null. Dementsprechend kann die Verwendung einer herkömmlichen Rechteckwelle zum Bestimmen der anfänglichen Winkelposition des Rotors 114 zu ungenauen Ergebnissen führen.
Andererseits ist das Motortreiberspannungssignal 232 keine gewöhnliche Rechteckwelle und weist Spannungs- und Zeitdauereigenschaften auf, die es dem Motortreiberspannungssignal 232 ermöglichen, id auf Null zu bringen.
Das Motortreiberspannungssignal 232 schließt den ersten Abschnitt 241, den zweiten Abschnitt 242, den dritten Abschnitt 243, den vierten Abschnitt 244 und den fünften Abschnitt 245 ein. Die Abschnitte 241-245 sind zeitlich verbunden und bilden eine Spannungswellenform mit einem Spannungsprofil, das durch die Spannungen und zeitlichen Dauern der Abschnitte 241-245 definiert ist. Der erste Abschnitt 241 hat eine zeitliche Dauer von s1 und eine konstante Spannung von V1 über die Dauer s1. Der zweite Abschnitt 242 hat eine zeitliche Dauer von s2 und eine konstante Spannung von - V2 über die Dauer s2. Der dritte Abschnitt 243 hat eine zeitliche Dauer von s3 und eine konstante Spannung von Null (0) über die Dauer s3. Der vierte Abschnitt 244 hat eine zeitliche Dauer von s4 und eine konstante Spannung von -V1 über die Dauer s4. Der fünfte Abschnitt 245 hat eine zeitliche Dauer von s5 und eine konstante Spannung von V2 über die Dauer s5.
Genauer gesagt ist die Spannung des Motortreiberspannungssignals 232 anfänglich Null. Der erste Abschnitt 241 tritt vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 auf. Somit ist die zeitliche Dauer s1 die Zeit von t1 bis t2. Zum Zeitpunkt t1, der nach dem Zeitpunkt 0 auftritt, steigt die Spannung des Signals 232 von Null auf die Spannung V1 an. Die Spannung des Signals 232 bleibt bis zu einem Zeitpunkt t2, der nach dem Zeitpunkt t1 auftritt, auf der Spannung V1. Der zweite Abschnitt 242 beginnt zum Zeitpunkt t2 und endet zu einem Zeitpunkt t3. Somit ist die zeitliche Dauer s2 die Zeit von t2 bis t3. Zum Zeitpunkt t2 nimmt die Spannung des Signals 232 auf die Spannung -V2 ab. Die Spannung des Signals 232 bleibt bis zum Zeitpunkt t3 auf der Spannung -V2. Zum Zeitpunkt t3 steigt die Spannung des Signals 232 auf 0 an. Die Spannung des Signals 232 bleibt bis t4 bei 0. Somit ist die zeitliche Dauer s3 die Zeit von t3 bis t4. Der vierte Abschnitt 244 beginnt zum Zeitpunkt t4 und endet zu einem Zeitpunkt t5. Zum Zeitpunkt t4 nimmt die Spannung des Motortreiberspannungssignals 232 auf -V1 ab. Die Spannung des Motortreiberspannungssignals 232 bleibt bis zum Zeitpunkt t5 bei -V1. Die zeitliche Dauer s4 ist die Zeit zwischen t4 und t5. Der fünfte Abschnitt 245 beginnt zum Zeitpunkt t5 und endet zum Zeitpunkt t6. Zum Zeitpunkt t5 steigt die Spannung des Motortreiberspannungssignals 232 auf V2 an und bleibt bis zum Zeitpunkt t6 bei V2. Zum Zeitpunkt t6 kehrt die Spannung des Motortreiberspannungssignals auf 0 zurück.
Die zeitlichen Dauern s 1 und s2 sind unterschiedlich, und die zeitliche Dauer s3 kann sich von der zeitlichen Dauer s1 und/oder der zeitlichen Dauer s2 unterscheiden. Zum Beispiel kann s1 1 Millisekunde (ms) sein, s2 kann 1,25 ms sein und s3 kann 3 ms sein. Zusätzlich sind V1 und V2 unterschiedliche Spannungen. Zum Beispiel kann V1 285 Volt (V) sein und V2 kann in diesem Beispiel 0,7 (V1) oder 199,5 V sein. Somit haben der erste Abschnitt 241 und der zweite Abschnitt 242 unterschiedliche Spannungspegel und unterschiedliche Polaritäten. In dem Beispiel von 2A ist die Polarität der Spannung in dem ersten Abschnitt 241 positiv und die Polarität der Spannung in dem zweiten Abschnitt 242 ist negativ. Zusätzlich werden die Werte von V1 und V2 so ausgewählt, dass id innerhalb des Nennstromwerts des Motors 110 bleibt. Beispielsweise können V1 und V2 Spannungen sein, die dazu führen, dass id nicht mehr als 80% des Nennstromwerts des Motors 110 beträgt. In einigen Implementierungen können die Werte von V1 und V2 und/oder die Dauer s1 und s2 bestimmt werden, indem V1, V2, s1 und/oder s2 geändert werden, bis id einen vorbestimmten Pegel (zum Beispiel 80% des Nennstroms) erreicht, und dann V1, V2, s1, angepasst werden, und/oder s2, bis der Wert von id während der Dauer s3 Null ist.
Der erste Abschnitt 241 und der zweite Abschnitt 242 bilden ein erstes Segment 246, und der vierte Abschnitt 244 und der fünfte Abschnitt 245 bilden ein zweites Segment 247. Die Segmente 246 und 247 sind durch den dritten Abschnitt 243 getrennt. In dem in 2A gezeigten Beispiel ist das zweite Segment 247 das gleiche wie das erste Segment 246, außer dass die Polarität des Segments 247 der Polarität des Segments 246 entgegengesetzt ist.
Als solches weist das Signal 232 Eigenschaften auf, die es von einer gewöhnlichen Rechteckwelle unterscheiden. Die Verwendung des Signals 232 zum Schätzen der anfänglichen Winkelposition (θ) des Rotors 114 liefert genauere Ergebnisse als die Verwendung einer herkömmlichen Rechteckwelle. Beispielsweise kann bei Verwendung des Motortreibersignals 232 die anfängliche Winkelposition (θ) mit einem durchschnittlichen Fehler von ungefähr +/- 4 Grad (°) oder weniger und einem maximalen Fehler von ungefähr +/- 7,7 ° geschätzt werden. Bei Ansätzen, die eine herkömmliche Rechteckwelle verwenden, ist der durchschnittliche Fehler im Allgemeinen größer. Beispielsweise kann der maximale Fehler unter Verwendung einer herkömmlichen Rechteckwelle beispielsweise +/- 10° oder mehr betragen.
In dem Beispiel von 2A sind nur das erste Segment 246 und das zweite Segment 247 gezeigt. Das Motortreiberspannungssignal 232 kann jedoch zusätzliche Instanzen des ersten Segments 246 und des zweiten Segments 247 enthalten, sodass das Motortreiberspannungssignal 232 mehrere Instanzen der in 2A gezeigten Wellenform über die Zeit einschließt.
3A ist ein Blockdiagramm eines Motorsystems 300. Das Motorsystem 300 schließt ein Motorsteuersystem 330 ein, das den Motor 110 steuert und eine anfängliche Winkelposition (θ) des Rotors 114 schätzt. Das Motorsteuersystem 330 ist ein Beispiel des Motorsteuersystems 130 von 1A.
Das Motorsteuersystem 330 schließt verschiedene Module ein, von denen einige oder alle als Softwareprogramme implementiert sein können, die verschiedene elektronische Elemente steuern. Beispielsweise können die in dem Motorsteuersystem 330 enthaltenen Module als Softwareprogramme implementiert sein, die Schaltelemente (wie Transistoren) oder andere elektronische Komponenten wie Operationsverstärker steuern. Darüber hinaus können die Softwareprogramme rechnerisch komplexe Operationen implementieren, die eine Vektorsteuerung des Motors 110 ermöglichen.
Das Motorsteuersystem 330 schließt ein elektronisches Verarbeitungsmodul 355, einen elektronischen Speicher 356 und eine Eingabe/Ausgabe (E/A) -Schnittstelle 357 ein. Das elektronische Verarbeitungsmodul 355 schließt einen oder mehrere elektronische Prozessoren ein. Die elektronischen Prozessoren des Moduls 355 können jede Art von elektronischem Prozessor sein und können eine Allzweck-Zentraleinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU), ein Mikrocontroller, ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), eine komplexe programmierbare Logikvorrichtung (CPLD) und/oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) einschließen oder nicht.
Der elektronische Speicher 356 kann jede Art von elektronischem Speicher sein, der Daten und Anweisungen in Form von Computerprogrammen oder Software speichern kann, und der elektronische Speicher 356 kann flüchtige und/oder nichtflüchtige Komponenten einschließen. Der elektronische Speicher 356 und das Verarbeitungsmodul 355 sind so gekoppelt, dass das Verarbeitungsmodul 355 auf Daten von dem elektronischen Speicher 356 zugreifen oder Daten in diesem lesen und in diesen schreiben kann.
Die E/A-Schnittstelle 357 kann eine beliebige Schnittstelle sein, die es einem menschlichen Bediener und/oder einem autonomen Prozess ermöglicht, mit dem Steuersystem 330 zu interagieren. Die E/A-Schnittstelle 357 kann beispielsweise eine Anzeige (wie eine Flüssigkristallanzeige (LCD)), eine Tastatur, einen Audioeingang und/oder -ausgang (wie Lautsprecher und/oder ein Mikrofon), eine visuelle Ausgabe (wie z. B. Lichter, Leuchtdioden (LED)), die zusätzlich zu oder anstelle des Displays, der seriellen oder parallelen Schnittstelle, einer USB-Verbindung (Universal Serial Bus) und/oder einer beliebigen Art von Netzwerkschnittstelle, z. B. Ethernet sind, einschließen. Die E/A-Schnittstelle 357 kann auch eine Kommunikation ohne physischen Kontakt über beispielsweise eine IEEE 802.11-, Bluetooth- oder eine Nahfeldkommunikationsverbindung (NFC) ermöglichen. Das Steuersystem 330 kann beispielsweise über die E/A-Schnittstelle 357 betrieben, konfiguriert, modifiziert oder aktualisiert werden.
Die E/A-Schnittstelle 357 kann es dem Motorsteuersystem 330 auch ermöglichen, mit Systemen außerhalb und entfernt von dem System 300 zu kommunizieren. Beispielsweise kann die E/A-Schnittstelle 357 eine Kommunikationsschnittstelle einschließen, die eine Kommunikation zwischen dem Motorsteuersystem 330 und einer entfernten Station (nicht gezeigt) oder zwischen dem Steuersystem 330 und einer separaten Überwachungsvorrichtung ermöglicht. Die entfernte Station oder die Überwachungsvorrichtung kann jede Art von Station sein, über die ein Bediener mit dem Motorsteuersystem 330 kommunizieren kann, ohne physischen Kontakt mit dem Motorsteuersystem 330 herzustellen. Beispielsweise kann die entfernte Station eine computergestützte Arbeitsstation, ein Smartphone, ein Tablet oder ein Laptop sein, der über ein Dienstprotokoll mit dem Motorsteuersystem 330 oder eine Fernbedienung, die über ein Hochfrequenzsignal mit dem Steuersystem 330 verbunden ist.
Das Motorsteuersystem 330 schließt ein Motortreibermodul 334 ein, das dem Motor 110 basierend auf einem Motortreiberspannungssignal 332 eine dreiphasige elektrische Leistung 335 bereitstellt. Das Motortreiberspannungssignal 332 kann ein zeitliches Spannungsprofil (beispielsweise eine Spannungsamplitude in Abhängigkeit von der Zeit) aufweisen, das dem Motortreiberspannungssignal 232 (2A) ähnlich ist. Das Motortreiberspannungssignal 332 ist ein Hochfrequenzsignal, das in einem Winkel Y relativ zu den räumlich festen Wicklungen 113 des Stators 112 eingespeist wird. Das Motorsteuersystem 330 bestimmt die Anfangsposition (θ) des Rotors 114 durch Messen eines Dreiphasenstroms 318, der in dem Motor 110 als Reaktion auf das Anwenden des Motortreiberspannungssignals 332 erzeugt wird, und Analysieren des gemessenen Stroms 318 im d-q-Koordinatensystem. Insbesondere minimiert das Motorsteuersystem 330 den Strom der q-Achse, sodass Δθ Null wird und der Wert von Υ gleich θ ist und somit die Anfangsposition (θ) bekannt ist.
In dem Beispiel von 3A wird das Motortreiberspannungssignal 332 durch ein Signalerzeugungssystem 350 erzeugt. Das Signalerzeugungssystem 350 schließt einen elektronischen Prozessor 351, einen elektronischen Speicher 352 und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 353 ein. Das Signalerzeugungssystem 350 kann beispielsweise ein Funktionsgenerator sein, der in der Lage ist, Spannungssignale basierend auf Spezifikationen zu erzeugen, die von einem Bediener bereitgestellt werden, oder basierend auf Anweisungen, die in dem elektronischen Speicher 352 gespeichert sind. Beispielsweise können die Anweisungen Eigenschaften des Motorspannungssteuersignals, wie die Amplitude des Motorsteuerspannungssignals 332, in Abhängigkeit von der Zeit angeben. Obwohl das Signalerzeugungssystem 350 in 3A als separates Element gezeigt ist, kann in einigen Implementierungen die Funktionalität des Signalerzeugungssystems 350 unter Verwendung des elektronischen Verarbeitungsmoduls 355, des elektronischen Speichers 356 und/oder der E/A-Schnittstelle 357 implementiert werden.
Das Motortreiberspannungssignal 332 wird dem Motortreibermodul 334 bereitgestellt. Das Motortreibermodul 334 schließt ein Modulationsmodul 333 und einen Wechselrichter 339 ein. Das Modulationsmodul 333 transformiert das Motortreiberspannungssignal 332 in ein dreiphasiges Spannungsbefehlssignal ua*, ub*, uc*, das dem Wechselrichtermodul 339 bereitgestellt wird. Das Modulationsmodul 333 schließt ein Transformationsmodul 331 ein, welches das Motortreiberspannungssignal 332 von dem d-q-Koordinatensystem in ein Spannungssignal umwandelt, das Komponenten entlang zweier stationärer Achsen aufweist. Beispielsweise kann das Transformationsmodul 331 die Umkehrung der Park- oder d-q-Transformation implementieren, um transformierte Spannungen uα* und uβ* zu bestimmen, die das Motortreiberspannungssignal 332 in einem zweidimensionalen stationären α-β-Koordinatensystem darstellen.
Eine Übersicht über die Park-Transformation und eine Clark-Transformation wird bereitgestellt, bevor das Motortreibermodul 334 ausführlicher erörtert wird. Unter Bezugnahme auch auf 3C ist eine Darstellung 319 des Motors 110 gezeigt. In der Darstellung 319 repräsentiert der Vektor Us das Hochfrequenz-Prüfsignal (wie das Motortreiberspannungssignal 332), das unter dem Winkel Y in den Motor 110 eingegeben wird. Die Komponenten uα, uβ sind die Projektionen von Us auf die α- bzw. β-Achse. Die Komponenten ud, uq sind Projektionen von Us auf die d- und q-Achse. Diese verschiedenen Komponenten werden unten diskutiert.
Die Darstellung 319 schließt die d-Achse, die mit der Richtung des Magnetflusses durch den Permanentmagneten 116 ausgerichtet ist, und die q-Achse, die orthogonal zur d-Achse ist, ein. Die d-Achse und die q-Achse definieren das d-q-Koordinatensystem. In der Darstellung 319 ist das d-q-Koordinatensystem einer A-Achse, einer B-Achse und einer C-Achse überlagert. Die A-, B- und C-Achsen sind stationäre Achsen, die den Statorwicklungen 113a, 113b bzw. 113c entsprechen. Der Motor 110 wird durch Anwenden eines dreiphasigen Spannungssignals an den Stator 112 angetrieben, wobei an jede Wicklung 113a, 113b, 113c eine Spannung einer anderen Phase angewandt wird, sodass ein dreiphasiger Strom induziert wird. Unter Verwendung der Clark-Transformation kann die an den Stator 112 angewandte dreiphasige Spannung in zwei orthogonale Stromkomponenten zerlegt werden, eine Komponente uα entlang der α-Achse und eine Komponente uβ entlang der β-Achse (die orthogonal zur α-Achse ist). Die Clark-Transformation projiziert eine dreiphasige Größe (wie den in den Wicklungen 113a, 113b, 113c fließenden Strom oder die an die Wicklungen 113a, 113b, 113c angewandte Spannung) auf ein zweidimensionales stationäres Koordinatensystem, das durch die α-Achse und die β-Achse definiert ist. Die Clark-Transformation ist in Gleichung (1) gezeigt: $i_{α β} = \frac{2}{3} [\begin{array}{l} 1 & - \frac{1}{2} & - \frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & - \frac{\sqrt{3}}{2} \end{array}] [\begin{matrix} i_{α} \\ i_{β} \\ i_{c} \end{matrix}]$
wobei ia, ib, ic die Momentanströme in den Wicklungen 113a, 113b bzw. 113c sind und i_αβ ein Vektor ist, der eine Komponente entlang der α-Achse und eine Komponente entlang der β-Achse einschließt. Die Park-Transformation dreht die stationären α-, β-Achsen mit einer Frequenz ω. Die Park-Transformation ist in Gleichung (2) gezeigt: $i_{d q} = [\begin{matrix} cos (θ) & sin (θ) \\ - sin (θ) & cos (θ) \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{α} \\ i_{β} \end{matrix}]$
wobei i_dq ein Vektor ist, der eine Komponente entlang der d-Achse und eine Komponente entlang der q-Achse einschließt, und θ die Winkelposition des Rotors 114 ist.
Die Clark-Transformation kann invertiert werden, um eine dreiphasige Größe basierend auf Komponenten im zweidimensionalen stationären αβ-Koordinatensystem zu bestimmen. Die Umkehrung der Clark-Transformation wird als inverse Clarke-Transformation bezeichnet. Die Park-Transformation kann invertiert werden, um Komponenten im zweidimensionalen stationären αβ-Koordinatensystem basierend auf Komponenten im rotierenden d-q-Koordinatensystem zu bestimmen. Die Umkehrung der Park-Transformation wird als inverse Park-Transformation bezeichnet. Obwohl die Gleichungen (1) und (2) mit Stromwerten veranschaulicht sind, können die Park- und Clark-Transformationen auch angewendet werden, um andere Größen, wie beispielsweise Spannungswerte, zu transformieren.
Zurück zu 3A kann das Motortreibermodul 334 auch ein Modulationsmodul 337 einschließen, welches das dreiphasige Spannungsbefehlssignal ua*, ub*, uc* aus den transformierten Spannungen uα* und uβ* unter Verwendung einer Raumvektor-Pulsweitenmodulationstechnik (SVPWM) erzeugt. Das Modulationsmodul 333 und das Transformationsmodul 331 können als Softwaremodul implementiert sein. Beispielsweise kann der elektronische Speicher 356 Anweisungen einschließen, die, wenn sie von dem elektronischen Verarbeitungsmodul 355 ausgeführt werden, die oben angegebenen Koordinatentransformationen ausführen.
Das dreiphasige Spannungsbefehlssignal ua*, ub*, uc* wird dem Wechselrichter 339 bereitgestellt. Der Wechselrichter 339 kann beispielsweise ein Pulsweitenmodulations-(PWM-) Wechselrichter sein. Der Wechselrichter 339 erzeugt das dreiphasige Spannungssignal 335 basierend auf dem dreiphasigen Spannungsbefehlssignal ua*, ub*, uc*. Beispielsweise kann der Wechselrichter 339 drei Halbbrückenschaltungen einschließen, die jeweils zwei in Reihe geschaltete Schaltelemente (wie beispielsweise Leistungstransistoren) einschließen. Jedes Paar von Schaltelementen empfängt eine Gleichspannung (DC) von einer Gleichstromquelle 322 (zum Beispiel einer Batterie, einer Gleichstromversorgung oder einer anderen Gleichstromquelle). In diesen Implementierungen erzeugt der Wechselrichter 339 ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Signal für jede der drei Phasen, indem Signale basierend auf dem dreiphasigen Spannungsbefehlssignal an jedes Paar von Schaltelementen angewandt werden. Die von der Gleichstromquelle 322 bereitgestellte Gleichspannung wird durch die Schaltvorgänge der Halbbrückenschaltungen in pulsbreitenmodulierte dreiphasige Wechselspannungssignale umgewandelt.
Die Ausgabe des Wechselrichters 339 ist das Spannungssignal 335. Das dreiphasige Spannungssignal 335 schließt Phasenkomponenten 335a, 335b, 335c ein. Das Spannungssignal 335 wird an den Motor 110 angewandt, und der dreiphasige Strom 318 fließt in dem Stator 112, wobei die Komponente 335a an die Wicklung 113a angewandt wird, die Komponente 335b an die Wicklung 113b angewandt wird und die Komponente 335c an die Wicklung 113c angewandt wird.
Das Stromerfassungssystem 120 misst den Dreiphasenstrom 318 und stellt dem anfänglichen Rotorpositionsbestimmungsmodul 336 Anzeigen von Strömen 318a, 318b, 318c, welche die Momentanströme in jeder Phase sind, bereit. Das anfängliche Rotorpositionsbestimmungsmodul 336 schätzt die anfängliche Position (θ) des Rotors 114 basierend auf den Anzeigen der gemessenen Ströme 318a, 318b, 318c.
Unter Bezugnahme auch auf 3B ist ein Blockdiagramm des anfänglichen Rotorpositionsbestimmungsmoduls 336 gezeigt. Das anfängliche Rotorpositionsbestimmungsmodul 336 schließt ein Transformationsmodul 361 ein, das die Anzeige des Stroms 318 empfängt. Die Anzeige des Stroms 318 schließt Anzeigen des Momentanstroms 318a, 318b, 318c ein. Beispielsweise kann die Anzeige des Momentanstroms 318a, 318b, 318c eine Information sein, wie beispielsweise numerische Daten, welche die Amplitude des Momentanstroms angeben, der von dem Stromerfassungssystem 120 zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessen wird. Das Transformationsmodul 361 wandelt die Anzeigen des Momentanstroms 318a, 318b, 318c in eine Stromkomponente auf der d-Achse und eine Komponente auf der q-Achse um. Beispielsweise kann das Transformationsmodul 361 die Clark- oder α-β-Transformation implementieren, welche die Anzeige des dreiphasigen Momentanstroms in zwei Stromkomponenten in einem stationären rechteckigen zweidimensionalen Koordinatensystem transformiert, gefolgt von der Park- oder d-q-Transformation, welche die zwei α-β-Stromkomponenten in das d-q-Koordinatensystem transformiert. Das Transformationsmodul 361 kann als Softwaremodul implementiert sein. Beispielsweise können Anweisungen zum Durchführen der von dem Transformationsmodul 361 verwendeten Koordinatentransformationen in dem elektronischen Speicher 356 gespeichert und von dem Verarbeitungsmodul 355 ausgeführt werden.
Die Stromkomponenten auf der d-Achse und der q-Achse, die aus dem gemessenen Strom 318 durch das Transformationsmodul 361 bestimmt werden, werden als id', iq' oder als id', iq' -Stromkomponenten bezeichnet. Obwohl id' und iq' Momentanstromwerte sind, existieren die Ströme id' und iq' zu anderen Zeiten, zu denen das Motortreiberspannungssignal 332 an dem Motor 110 angewandt wird. Zum Beispiel zeigt 2B ein Beispiel für die Amplitude des id'-Stroms in Abhängigkeit von der Zeit, und 2C zeigt ein Beispiel für die Amplitude des iq'-Stroms in Abhängigkeit von der Zeit.
Die aktuelle Komponente von iq' wird mit einem Zielwert 363 an einem Komparator 362 verglichen, um einen Fehlerwert zu bestimmen. Der Komparator 362 kann in Software oder Hardware implementiert sein, und der Komparator 362 ist konfiguriert, um einen Absolutwert der Differenz zwischen dem Zielwert 363 und dem iq'-Strom zu bestimmen. Der Fehlerwert ist somit der absolute Wert der Differenz zwischen dem Zielwert und der iq'-Komponente. Der Fehlerwert wird als Δiq' dargestellt. Die Gleichungen (3)-(5) veranschaulichen die Beziehung zwischen Δiq' und Δθ. Unter Bezugnahme auch auf 1E ist Δθ der Winkelfehler zwischen dem Winkel des eingespeisten Motortreiberspannungssignals 332 und der d-Achse.
Gleichung (3) repräsentiert die Stromantwort des Motors 110 als Reaktion auf ein eingespeistes Hochfrequenzspannungssignal, wie das Motortreiberspannungssignal 332: $p [\begin{matrix} i_{d'} \\ i_{q'} \end{matrix}] = \frac{1}{L_{0}^{2} - Δ L^{2}} [\begin{matrix} - Δ L c o s Δ θ + L_{0} & Δ L sin2 Δ θ \\ Δ L sin Δ θ & Δ L c o s 2 Δ θ + L_{0} \end{matrix}] [\begin{matrix} u_{d'} \\ u_{q'} \end{matrix}]$
wobei $L_{0} = \frac{L_{d} + L_{q}}{2}, Δ L = \frac{L_{d} - L_{q}}{2}, [\begin{matrix} u_{d'} \\ u_{q'} \end{matrix}]$
das Motortreiberspannungssignal 332 und Δθ der Winkel zwischen ud' und d, wie in 1E gezeigt, ist. L_d und L_q repräsentieren die Induktivitäten des Motors 110 entlang der d-Achse bzw. der q-Achse. Das Motortreiberspannungssignal 332 ist ${\begin{matrix} u_{d'} = U_{h} \\ u_{q'} = 0 \end{matrix}$
wobei Uh ein zeitliches Spannungsprofil aufweist, wie es in 2A gezeigt ist. Das Einsetzen von Gleichung (4) in Gleichung (3) und das Integrieren über einen Zeitraum führt zu: $Δ i_{q}' = K Δθ$
wobei Δiq' der bei 362 bestimmte Fehlerwert ist und K eine Verstärkungskonstante ist. Wenn Δiq' = 0 ist, ist Δθ = 0 und Υ (der Winkel, unter dem Uh relativ zu den Wicklungen 113 eingespeist wird) der gleiche wie der Winkel (θ) des Rotors 114. Somit wird durch Regulieren von Δiq' auf 0 die anfängliche Winkelposition (θ) des Rotors 114 bestimmt. Das PI-Steuermodul 364 implementiert Gleichung (5) und gibt eine Schätzung von Δθ aus, aus der die Anfangsposition (θ) des Rotors 114 bestimmt werden kann. Das Pl-Steuermodul 364 hält auch das anfängliche Rotorbestimmungsmodul 336 unter allen Betriebsbedingungen stabil.
Das Pl-Steuermodul 364 regelt Δiq' auf den Zielwert 363, der 0 sein kann. Das PI-Steuermodul 364 schließt einen Verstärker 365, einen Verstärker 366 und einen Integrator 367 ein. Der Verstärker 365 hat eine Verstärkungskonstante von Kp. Der Verstärker 366 hat eine Verstärkungskonstante von Ki. Die Verstärkungskonstanten Kp und Ki sind numerische Werte, die größer als 0 sind. Der Δiq'-Wert wird mit der Verstärkungskonstante Kp multipliziert, um Kp*Δiq' zu erzeugen. Die Menge Kp* Δiq' wird einem Addierer 368 bereitgestellt. Der Δiq'-Wert wird auch dem Verstärker 366 bereitgestellt, der den Δiq'-Wert mit der Verstärkungskonstante Ki multipliziert, um eine Menge Ki*Δiq' zu erzeugen. Der Integrator 367 integriert (Δiq'*Ki) und stellt dem Addierer 368 das integrierte Ergebnis bereit. Ki kann zum Beispiel 3,0 sein. Kp kann zum Beispiel 1,0 sein.
Der Δiq'-Wert bezieht sich auf Δθ, wie in Gleichung (5) gezeigt. Durch Addieren der Ausgabe des Verstärkers 365 und der Ausgabe des Integrators 367 bestimmt der Addierer 368 eine Schätzung von θ.
Bezugnehmend auf 1E ist θ = Υ - Δθ, wobei Y der Winkel ist, unter dem das Motorsteuerspannungssignal 332 relativ zu den Wicklungen 113 des Stators 112 eingespeist wurde. Wenn Δiq' durch das Pl-Steuermodul 364 auf Null geregelt wird, ist Δθ gleich Null. Somit ist die Schätzung von θ vom Addierer 368 gleich der Winkelposition des Rotors 114.
Die Schätzung von θ wird an das Transformationsmodul 361 zurückgeführt. Eine Anzeige des Stroms in einer anderen Probe des Dreiphasenstroms 318 wird dem Transformationsmodul 361 bereitgestellt. Die Anzeige repräsentiert den dreiphasigen Strom 318 zu einem späteren Zeitpunkt und wird als ia'_2, ib'_2, und ic'_2 dargestellt. Die Schätzung von θ wird verwendet, um die Momentanstromwerte ia'_2, ib'_2, und ic'_2 in Komponenten in dem stationären α-, β-Koordinatensystem und Komponenten auf der d-Achse und der q-Achse des rotierenden d-q-Koordinatensystems umzuwandeln. Diese transformierten Werte werden als id'_2 bzw. iq'_2 bezeichnet. Der Wert iq'_2 wird mit der Referenz 363 verglichen und das Ergebnis wird durch den PI-Regler 364 wie oben diskutiert geregelt.
Das anfängliche Rotorpositionsbestimmungsmodul 336 schließt auch ein Drehrichtungsbestimmungsmodul 370 ein, das eine Drehrichtung des Rotors 114 bestimmt. Unter Bezugnahme auch auf 1B kann sich der Rotor 114 im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um die Achse 117 drehen. Das Drehrichtungsbestimmungsmodul 370 schließt ein Vergleichsmodul 371 ein. Das Vergleichsmodul 371 analysiert id' (die d-Achsen-Komponente des dreiphasigen Stroms 318) durch Vergleichen von id'_1 mit id'_2. Beispielsweise kann id'_2 zu einem zweiten Zeitpunkt die d-Achsen-Komponente des dreiphasigen Stroms 318 sein, und id'_1 kann zu einem ersten Zeitpunkt, der zuvor auftritt, die d-Achsen-Komponente des dreiphasigen Stroms 318 vor dem zweiten Zeitpunkt sein. Wenn die Komponente id'_1 größer als die Komponente id'_2 ist, schließt das Vergleichsmodul 371 einen Schalter 372, sodass ein konstanter Wert 373, der gleich 0 ist, mit einem Addierer 378 verbunden ist. Das Vergleichsmodul 371 stellt auch sicher, dass ein Schalter 374 offen ist, sodass ein konstanter Wert 375, der gleich pi rad oder 180 Grad (°) ist, nicht mit dem Addierer 378 verbunden ist. Wenn die Komponente id'_1 kleiner als die Komponente id'_2 ist, schließt das Vergleichsmodul 371 den Schalter 374 und öffnet den Schalter 372, sodass der konstante Wert 375 mit dem Addierer 378 verbunden ist und der konstante Wert 373 nicht mit dem Addierer 378 verbunden ist.
Um θ m zu bestimmen, was die endgültige Schätzung der Winkelposition des Rotors 114 ist, wird θ dem Addierer 378 bereitgestellt, und das Richtungsbestimmungsmodul 370 stellt entweder den konstanten Wert 373 oder den konstanten Wert 375 für den Addierer 378 bereit. Der Addierer 378 addiert den konstanten Wert 373 oder den konstanten Wert 375 zu dem Wert von θ, um θm zu bestimmen. In dem Beispiel von 3C schließt das anfängliche Positionsbestimmungsmodul 336 auch einen Tiefpassfilter 379 ein. Die Ausgabe des Addierers 378 wird dem Tiefpassfilter 379 bereitgestellt. Der Tiefpassfilter 379 filtert die Ausgabe des Addierers 378, um hochfrequentes Rauschen zu entfernen, das den ordnungsgemäßen Betrieb des Systems 300 stören kann. Der Tiefpassfilter 379 kann in Hardware oder als Softwaremodul implementiert sein.
4A ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozesses 480 zum Bestimmen einer Schätzung einer anfänglichen Winkelposition des Rotors 114. Der Prozess 480 kann von dem elektronischen Verarbeitungsmodul 355 und dem anfänglichen Rotorpositionsbestimmungsmodul 336 des Steuersystems 330 ausgeführt werden. Der Prozess 480 wird in Bezug auf das anfängliche Rotorpositionsbestimmungsmodul 336 und das Motortreiberspannungssignal 232 von 2A diskutiert. Der Prozess 480 kann jedoch von anderen Motorsteuersystemen ausgeführt werden, die eine synchronisierte Permanentmagnetmaschine steuern.
Ein Prüfspannungssignal wird eingespeist (481). Das Prüfspannungssignal ist das Motortreiberspannungssignal 232, das in 2A gezeigt ist. Das Motortreiberspannungssignal 232 wird in einem Winkel Y relativ zu den Statorwicklungen 113 eingespeist. Das Motorsteuerspannungssignal 232 wird moduliert und/oder transformiert und verwendet, um das Spannungssteuersignal 335 zu bilden, das an den Motor 110 angewandt wird. Der dreiphasige Strom 318 fließt in dem Motor 110.
Eine q-Achsen-Stromkomponente iq' wird basierend auf einer Angabe der Eigenschaften des gemessenen dreiphasigen Stroms 318 (483) bestimmt. Beispielsweise wird die q-Achsen-Stromkomponente iq' bestimmt, indem der gemessene dreiphasige Strom 318 in ein zweidimensionales rechteckiges Koordinatensystem (α-β) projiziert wird und dann die zweidimensionalen Komponenten in das d-q-Koordinatensystem projiziert werden, um iq' zu bestimmen.
Eine Winkelposition (θ) des Rotors 114 wird basierend auf iq' (485) geschätzt. Zum Beispiel kann iq', bestimmt in (483), mit dem Zielwert 363 verglichen werden, um eine q-Strom-Fehlermetrik (Δiq') zu bestimmen. Die q-Strom-Fehlermetrik (Δiq') kann als absoluter Wert der Differenz zwischen iq' und dem Zielwert 363 bestimmt werden. Die q-Strom-Fehlermetrik (Δiq') wird so geregelt, dass die Fehlermetrik unter Verwendung des PI-Steuermoduls 364 reduziert wird. Der Zielwert 363 kann beispielsweise Null sein.
Das Pl-Steuermodul 364 bestimmt eine Vielzahl von Instanzen der q-Strom-Fehlermetrik (Δiq') über die Zeit. Die Instanzen der q-Strom-Fehlermetrik (Δiq') über einen vorbestimmten Zeitraum werden relativ zu einem Schwellenwert ausgewertet (487). Der Schwellenwert gibt an, wie nahe Δiq' am Zielwert 363 liegen soll. Die vorbestimmte Zeitdauer und die Schwellenwerte können auf dem elektronischen Speicher 356 gespeichert werden. Die vorbestimmte Zeitdauer wird als eine Zeit ausgewählt, die es dem System 300 ermöglicht, zuverlässig und stabil zu arbeiten. Beispielsweise wird die bestimmte Zeitdauer ausreichend lang eingestellt, dass eine Vielzahl von Abtastwerten der q-Strom-Fehlermetrik gesammelt wird. Die vorbestimmte Zeitdauer und/oder die Schwellenwerte können während der Lebensdauer des Motorsteuersystems 330 konstant und unveränderlich sein oder können von einem Bediener des Motorsteuersystems 330 über die E/A-Schnittstelle 357 eingestellt werden.
Wenn die q-Strom-Fehlermetrik (Δiq') gleich oder unter einem Schwellenwert für die vorbestimmte Zeitdauer ist, wird die durch das Pl-Steuermodul 364 bestimmte Schätzung von Δθ als verwendbar angesehen, und eine Schätzung von θ wird basierend auf Δθ und Υ bestimmt. Die Drehrichtung des Rotors 114 wird unter Verwendung des Drehrichtungsbestimmungsmoduls 370 bestimmt (489). Die anfängliche Winkelposition (θm) des Rotors 114 wird durch Addieren der Ausgabe des Bestimmungsmoduls 370 zu der Schätzung von θ (491) bestimmt.
Wenn die q-Strom-Fehlermetrik (Δiq') nicht gleich oder unter dem Schwellenwert für die vorbestimmte Zeitdauer ist, kehrt der Prozess 480 zu (481) zurück und eine andere Instanz des Motortreiberspannungssignals 232 wird in den Motor 110 eingespeist. Die andere Instanz des Motortreiberspannungssignals 232 kann unter einem anderen Winkel Υ in den Motor 110 eingespeist werden. Der Prozess 480 wird bei (481)-(487) fortgesetzt, bis die q-Strom-Fehlermetrik (Δiq') für eine vorbestimmte Zeitdauer gleich oder unter dem Schwellenwert ist oder bis der Prozess 480 von einem Bediener des Motorsteuersystems 330 angehalten wird.
4B ist ein Flussdiagramm eines Prozesses 489. Der Prozess 489 kann durch das Drehrichtungsbestimmungsmodul 370 ausgeführt werden. Das Bestimmungsmodul 370 kann als eine Sammlung von Anweisungen implementiert werden, die auf dem elektronischen Speicher 356 gespeichert sind. Bei Ausführung veranlassen die Anweisungen das elektronische Verarbeitungsmodul 355, den Prozess 489 auszuführen.
Das Prüfspannungssignal wird eingespeist (493). Das Prüfspannungssignal kann beispielsweise das Motortreiberspannungssignal 232 sein (2A). Der Strom id' der d-Achse wird geschätzt, indem der gemessene Strom 318 auf die d-Achse des d-q-Koordinatensystems (495) projiziert wird. Es werden mehrere Ströme der d-Achse zu jeweils unterschiedlichen Zeiten bestimmt. Ein erster d-Achsenstrom (id'_1) wird mit einem zweiten d-Achsenstrom (id'_2) verglichen (497). Der zweite Strom der d-Achse (id'_2) wird aus dem Strom bestimmt, der zu einem späteren Zeitpunkt in der Wicklung 113 fließt.
Die Drehrichtung und die Winkelposition (θm) des Rotors 114 werden basierend auf dem Vergleich (499) bestimmt. Wenn id'_1 größer als id'_2 ist, dreht sich der Rotor 114 im Uhrzeigersinn und die Winkelposition (θm) ist der Wert von (θ) von 364. Wenn id'_1 kleiner als id' 2 ist, ist die Winkelposition (θm) des Rotors 114 der Wert von (θ) plus pi im Bogenmaß oder 180 Grad, abhängig von den Einheiten von θ.
5 ist eine Tabelle 500 von beispielhaften experimentellen Ergebnissen. Die Ergebnisse in Tabelle 500 zeigen die Fähigkeit des Motorsteuersystems 330, die anfängliche Rotorposition eines Rotors in einer Synchronmaschine ähnlich dem Motor 110 zu bestimmen. Die Ergebnisse in Tabelle 500 wurden mit einem Motortreiberspannungssignal ähnlich dem Signal 232 (2A) mit V1=285 V und V2=199,5 V erhalten. Der Motor, der zum Sammeln der in Tabelle 500 gezeigten Daten verwendet wurde, war ein oberflächenmontierter Permanentmagnetmotor.
Die Tabelle schließt Ergebnisse zum Anwenden des Motorsteuersystems 300 ein, um den anfänglichen Rotorwinkel zu schätzen. Der Rotor wurde in 11 verschiedenen anfänglichen Rotorwinkeln platziert (in der Spalte ganz links in Grad angegeben) und die geschätzte anfängliche Position wurde dann unter Verwendung des Motorsteuersystems 330 bestimmt. Für jeden unterschiedlichen anfänglichen Rotorwinkel wurde die Technik zum Bestimmen der anfänglichen Rotorwinkelposition basierend auf dem Steuersystem 330 sechs verschiedene Male durchgeführt, wobei jede der sechs verschiedenen Male eine andere Prüfung war. Die resultierenden geschätzten anfänglichen Rotorwinkel werden in Grad in den Spalten unter der Überschrift „Identifikationsergebnisse (°)“ angezeigt, und die Ergebnisse jedes einzelnen Tests befinden sich in den Spalten, die als Test1, Test2, Test3, Test4, Test5, Test6 bezeichnet sind. Somit wurde für jeden in der Spalte ganz links gezeigten Anfangswinkel der Anfangswinkel durch das Motorsteuersystem 300 sechsmal geschätzt.
Wie in der Tabelle 500 gezeigt, traten der maximale durchschnittliche Fehler und der maximale Fehler über alle Tests und alle 11 bekannten Anfangswinkel bei dem Anfangswinkel von 180° auf. Der maximale durchschnittliche Fehler betrug 3,1 ° und der maximale Fehler unter verschiedenen Bedingungen betrug 7,7°.
Das gleiche Experiment wurde zu fünf verschiedenen Zeiten über 11 verschiedene Winkel mit einer traditionellen Rechteckwelle durchgeführt. Wie die in 5 gezeigten Ergebnisse traten bei Verwendung der herkömmlichen Rechteckwelle anstelle eines Signals wie des Motortreiberspannungssignals 232 der maximale Fehler und der maximale durchschnittliche Fehler für den Anfangswinkel von 180° auf. Bei Verwendung der herkömmlichen Rechteckwelle betrug der maximale durchschnittliche Fehler jedoch 7,3° und der maximale Fehler 13,4°. Somit war der maximale durchschnittliche Fehler bei Verwendung der herkömmlichen Rechteckwelle mehr als doppelt so hoch wie der maximale durchschnittliche Fehler bei Verwendung eines Signals wie des Motortreiberspannungssignals 232.
6 zeigt ein Beispiel eines gemessenen Ausgangsstroms 680 der d-Achse eines Permanentmagnet-Synchronmotors, wenn ein Motortreiberspannungssignal wie das Signal 232 angewandt wird. Vor dem Messen des in 6 gezeigten Ausgangsstroms 680 wurden die Werte von V1 und V2 des Motortreiberspannungssignals allmählich erhöht, während der Ausgangsstrom id gemessen wurde, bis der Ausgangsstrom 680 ungefähr 80% des Nennstroms des Motors erreichte und die Ausgangsstrom-ID während der Dauer s3 Null wurde. Wie in 2A gezeigt, ist während der Dauer s3 die Spannung des Motortreiberspannungssignals Null oder V2 wird entfernt. Auf diese Weise werden die V1 und V2 für das Antriebsspannungssignal bestimmt. In 6 ist der Ausgangsstrom 680 auf einer Zeitskala aufgetragen, die 500 ms pro Teilung beträgt. Eine Wellenform 681 zeigt den Ausgangsstrom 680, der auf einer Zeitskala von 10 ms pro Teilung aufgetragen ist. Somit ist die Wellenform 681 eine herangezoomte oder vergrößerte Version des Ausgangsstroms 680 und zeigt die Details des Ausgangsstroms 680. Der Ausgangsstrom 680 schließt Bereiche ein, in denen der Strom id Null wird, ähnlich wie in 2B gezeigt.
Das Motortreiberspannungssignal mit den bestimmten V1 und V2 wurde an dem Motor angewandt und iq wurde auf Null geregelt, wie oben in Bezug auf die 3A und 3B diskutiert.
Andere Implementierungen fallen in den Schutzumfang der Ansprüche.

Claims

System zum Bestimmen einer anfänglichen Winkelposition eines Rotors einer Synchronmaschine, wobei das System umfasst: ein Motortreibermodul, das konfiguriert ist, um der Synchronmaschine ein Motortreiberspannungssignal bereitzustellen, wobei das Motortreiberspannungssignal ausreicht, um einen elektrischen Strom in der Synchronmaschine zu induzieren; und ein Rotorpositionsbestimmungsmodul, das konfiguriert ist, um eine Anzeige des in der Maschine induzierten Stroms zu empfangen und die Anfangsposition des Rotors basierend auf der Anzeige des in der Maschine induzierten Stroms zu bestimmen, wobei das Motortreiberspannungssignal mindestens einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt umfasst, der erste Abschnitt eine erste Spannung ungleich Null während einer ersten zeitlichen Dauer, der zweite Abschnitt eine zweite Spannung ungleich Null während einer zweiten zeitlichen Dauer und der dritte Abschnitt eine Spannung im wesentlichen Null während einer dritten zeitlichen Dauer aufweist, der erste Abschnitt eine erste Polarität und der zweite Abschnitt eine zweite Polarität aufweist, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, und die erste zeitliche Dauer und die zweite zeitliche Dauer unterschiedlich sind.
System nach Anspruch 1, wobei sich die dritte zeitliche Dauer von der ersten zeitlichen Dauer oder der zweiten zeitlichen Dauer unterscheidet.
System nach Anspruch 1, wobei sich die dritte zeitliche Dauer von der ersten zeitlichen Dauer und der zweiten zeitlichen Dauer unterscheidet.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Spannung ungleich Null und die zweite Spannung ungleich Null unterschiedlich sind.
System nach Anspruch 1, wobei das Motortreiberspannungssignal ein erstes Segment und ein zweites Segment umfasst, das vor oder nach dem ersten Segment auftritt, das erste Segment den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt umfasst, das zweite Segment einen vierten Abschnitt und einen fünften Abschnitt umfasst, der vierte Abschnitt die erste Spannung ungleich Null, die erste zeitliche Dauer und die zweite Polarität aufweist, und der fünfte Abschnitt die zweite Spannung ungleich Null und die erste Polarität aufweist.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Modulationsvorrichtung, die konfiguriert ist, um elektrische Energie von einer Gleichstromquelle zu empfangen und die elektrische Energie in das Motortreiberspannungssignal umzuwandeln.
System nach Anspruch 1, wobei die Anzeige des in der Synchronmaschine induzierten Stroms eine Anzeige eines Stroms umfasst, der von jeder der drei Phasen der Synchronmaschine gezogen wird, und das Rotorpositionsbestimmungsmodul umfasst: ein Transformationsmodul, das konfiguriert ist, um die Anzeige in eine Stromkomponente der d-Achse und eine Stromkomponente der q-Achse umzuwandeln, wobei die Stromkomponente der d-Achse und die Stromkomponente der q-Achse einem rotierenden rechteckigen Koordinatensystem zugeordnet sind, das durch eine d-Achse und eine q-Achse definiert ist; ein Reglermodul, das konfiguriert ist, um die Stromkomponente der q-Achse mit einer Referenz zu vergleichen und eine erste Schätzung eines Drehwinkels des Rotors zu bestimmen; ein Komparatormodul, das konfiguriert ist, um die Stromkomponente der d-Achse mit einer früheren Stromkomponente der d-Achse zu vergleichen und eine Drehrichtung des Rotors basierend auf dem Vergleich zu bestimmen; und ein Positionsbestimmungsmodul, das konfiguriert ist, um die Position des Rotors basierend auf der ersten Schätzung des Drehwinkels des Rotors und der Drehrichtung des Rotors zu schätzen.
Verfahren zum Bestimmen einer anfänglichen Winkelposition eines Rotors in einer Synchronmaschine, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines Motortreiberspannungssignals, umfassend mindestens einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt während einer ersten zeitlichen Dauer eine erste Spannung ungleich Null aufweist, der zweite Abschnitt während einer zweiten zeitlichen Dauer eine zweite Spannung ungleich Null aufweist und der dritte Abschnitt während einer dritten zeitlichen Dauer eine Spannung von im wesentlichen Null aufweist; der erste Abschnitt eine erste Polarität aufweist und der zweite Abschnitt eine zweite Polarität aufweist, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist; und die erste zeitliche Dauer und die zweite zeitliche Dauer unterschiedlich sind; Anwenden des Motortreiberspannungssignals an die Synchronmaschine; Messen eines induzierten Stroms im Motor nach Anwenden des Motortreiberspannungssignals an der Synchronmaschine; und Bestimmen der anfänglichen Winkelposition des Rotors basierend auf dem gemessenen induzierten Strom.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Messen eines induzierten Stroms das Messen eines induzierten Stroms in jeder von drei Phasen umfasst, und das Verfahren ferner umfasst: Bestimmen einer Stromkomponente der q-Achse aus dem gemessenen induzierten Strom in jeder der drei Phasen; Bestimmen einer Fehlermetrik durch Vergleichen der bestimmten Stromkomponente der q-Achse mit einer Referenzstromkomponente der q-Achse; Regulieren des Stroms der q-Achse, um die Fehlermetrik zu reduzieren; Bestimmen, ob die Fehlermetrik für einen Testzeitraum kleiner als eine Schwellenfehlermetrik ist; wenn die Fehlermetrik kleiner als die Schwellenfehlermetrik für die Testzeitperiode ist, Bestimmen einer Drehrichtung des Rotors; und wenn die Fehlermetrik nicht kleiner als die Schwellenfehlermetrik für die Testzeitperiode ist, Anwenden des Motortreiberspannungssignals an der Synchronmaschine.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bestimmen einer Drehrichtung des Rotors das Vergleichen der Stromkomponente der d-Achse mit einer vorherigen Stromkomponente der d-Achse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Referenzstromkomponente der q-Achse einen Wert von Null umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Spannung ungleich Null und die zweite Spannung ungleich Null unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: das Motortreiberspannungssignal ein erstes Segment und ein zweites Segment umfasst, das vor oder nach dem ersten Segment auftritt, das erste Segment den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt umfasst, das zweite Segment einen vierten Abschnitt und einen fünften Abschnitt umfasst, der vierte Abschnitt die erste Spannung ungleich Null, die erste zeitliche Dauer und die zweite Polarität aufweist, und der fünfte Abschnitt die zweite Spannung ungleich Null und die erste Polarität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste Spannung ungleich Null und die zweite Spannung ungleich Null unterschiedlich sind.