技术领域
背景技术
[0002] 交流
电机控制系统是一种适用于混合动
力电动车辆(Hybrid Electric Vehicle)或电动车辆(Electric Vehicle)等，通过控制交流电机来运行车辆及车辆中各种装置的系统。交流电机控制系统利用交流电机的转子
位置信息控制交流电机。交流电机控制系统为获取转子位置信息而主要使用旋转
变压器(Resolver)。
[0003]
旋转变压器是模拟方式的转子位置(
角度)检测器，设置在交流电机的旋
转轴上，根据接入的激励
信号测定转子位置，输出对应于此时测定的转子位置的交流
电压。
[0004] 这种旋转变压器输出的交流电压分为正弦信号和余弦信号输出。另外，交流电机控制系统同时还采用将旋转变压器输出的转子位置信息转换为数字值的旋转变压器数字芯片(Resolver to Digital Chip；RDC)。
[0005] 这种RDC将旋转变压器的正弦信号和余弦信号转换为数字值，但现在出于节省成本的目的，已经不再使用RDC集成
电路(IC)，而是采用由交流电机控制系统的微机(Micro Computer)中直接把旋转变压器的正弦信号和余弦信号转换为数字值，以检测转子位置的方法。
[0006] 把旋转变压器的正弦信号和余弦信号直接转换为数字值的
现有技术有利用角度
跟踪观测器(Angle Tracking observer)的方法。
[0007] 利用角度跟踪观测器的方法参见图1，该方法可通过如下数学式1表示：
[0008] 【数学式1】
[0009]
[0010] 数学式1中，F(s)是利用角度跟踪观测器的系统， 是角度跟踪观测器推定的转子位置，θ是旋转变压器推定的转子位置，k1、k2是增益，s是拉普拉斯算子。其中，增益k1、k2由如下数学式2确定：
[0011] 【数学式2】
[0012]
[0013] 数学式2中，ωn是基于角度跟踪观测器的固有
频率，ζ是基于角度跟踪观测器的阻尼因素。
[0014] 上述利用角度跟踪观测器的方法适用于
闭环系统，利用角度跟踪观测器推定的转子位置计算旋转变压器测定的转子位置的误差。
[0015] 根据这种利用角度跟踪观测器的方法，利用计算的误差推定转子位置，因此所推定转子位置的准确性高，但由于抗干扰性差，未考虑交流电机的物理特性，因此当交流电机的物理特性改变的情况下，所推定转子位置将产生误差。
发明内容
[0016] 技术问题
[0017] 为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种根据交流电机的机械特性建模，从而能够准确算出旋转变压器测定的转子位置的误差，并且能够利用算出的误差准确推定电机的转子位置的转子信息推定系统。
[0018] 技术方案
[0019] 用于达成上述目的的根据本发明
实施例的转子信息推定系统包括：旋转变压器，其测定电机的转子位置；比例积分观测器，其根据所述电机建模并推定所述电机的转子位置；以及误差算出部，其利用所述比例积分观测器推定的转子位置算出所述旋转变压器测定的转子位置的误差，其中，所述比例积分观测器根据所述电机的特性对算出的所述误差进行运算，从而能够推定所述电机的转子信息。
[0020] 所述比例积分观测器可包括：增益部，其用所述误差乘以增益并输出其结果；运算部，其对所述增益部的输出和基于所述电机的特性的变量进行运算并输出其结果；加法部，其对所述增益部的输出和所述运算部的输出进行加法运算并输出其结果；第一积分器，其对所述加法部的输出进行积分以推定所述转子信息中的转子位置；以及第二积分器，其对所述增益部的输出进行积分以推定所述转子信息中的负载
扭矩。
[0021] 所述增益部可以包括：第一增益部，其用所述误差乘以第一增益并输出其结果；第二增益部，其用所述误差乘以第二增益并输出其结果；以及第三增益部，其用所述误差乘以第三增益并输出其结果。
[0022] 所述第一增益、所述第二增益及所述第三增益可以根据所述比例积分观测器的特性方程式确定。
[0023] 所述比例积分观测器的特性方程式可以用如下数学式表示，
[0024]
[0025] 其中，s是拉普拉斯算子，L1是第一增益，所述L2是第二增益，所述L3是第三增益，是电机的
摩擦系数， 是电机的惯性因素。
[0026] 所述比例积分观测器的特性方程式可以用如下基于三阶系统的极点的数学式表示，
[0027] α ＝ (s-β1)(s-β2)(s-β3） ＝ s3-(β1+β2+β3)2
s+(β1β2+β2β3+β3β1)-β1β2β3＝0。
[0028] 所述第一增益、第二增益、第三增益可以由根据所述特性方程式计算的如下数学式确定，
[0029]
[0030] 所述运算部可以包括：第一乘法器，其用所述第二增益部的输出乘以所述电机的惯性因素并输出其结果；运算器，其相加所述第一乘法器的输出和所述电机的输出扭矩，并减去所述第二积分器的输出并输出其结果；第二乘法器，其用所述运算器的输出乘以所述电机的惯性因素的倒数并输出其结果；第三积分器，其对所述第二乘法器的输出进行积分以推定所述转子信息中的转子速度；以及第三乘法器，其用所述第三积分器的输出乘以所述电机的摩擦系数并将其结果发送给所述运算器。
[0031] 所述运算器可以减去所述第三乘法器的输出并发送给所述第二乘法器。
[0032] 所述加法部可以加上所述第一增益部的输出并发送给所述第一积分器。
[0033] 所述第二积分器可以对所述第三增益部的输出进行积分并将其结果发送给所述运算器。
[0034] 所述误差算出部可以包括：第一乘法运算器，其用所述旋转变压器测定的转子位置的正弦信号乘以所述第一积分器输出的余弦信号并输出其结果；第二乘法运算器，其用所述旋转变压器测定的转子位置的余弦信号乘以所述第一积分器输出的正弦信号并输出其结果；以及减法器，其对所述第一乘法运算器的输出和所述第二乘法运算器的输出进行减法运算并将其结果发送给所述增益部。
[0035] 所述电机可以是永磁同步电机。
[0036] 所述电机的机械模型可以用如下数学式表示，
[0037]
[0038] 其中，Te是电机的输出扭矩，J是电机的惯性因素，ωrm是
角速度，B是摩擦系数，TL是负载扭矩。
[0039] 所述比例积分观测器可以根据如下数学式建模，
[0040]
[0041] y＝Cx
[0042]
[0043]
[0044] 其中，θrm是转子位置，ωrm是转子速度(角速度)， 是电机的负载扭矩，Bmot是电机的摩擦系数，Jmot是电机的惯性因素。
[0045] 所述比例积分观测器可以根据如下数学式建模：
[0046]
[0047]
[0048] 其中， 是推定的转子位置， 是推定的转子速度， 是推定的负载扭矩，θrm是旋转变压器的输出(转子位置)， 是电机的摩擦系数， 是电机的惯性因素， 是电机的输出扭矩，L1是第一增益，L2是第二增益，L3是第三增益。
[0049] 技术效果
[0050] 根据本发明实施例的转子信息推定系统，能够利用根据电机特性建模的比例积分观测器，准确地算出旋转变压器测定的电机的转子位置的误差。
[0051] 并且，对所算出的误差和基于电机特性的增益进行运算，能够准确地推定转子位置，能够利用准确推定的转子位置控制电机，因此能够显著提高电机控制性能。
[0052] 并且，在电机的特性发生变更的情况下，能够根据变更的电机特性相应变更比例积分观测器的增益，因此即使电机的特性发生变更也能够准确算出电机的转子信息。
附图说明
[0053] 图1为显示根据现有技术的角度跟踪观测器的具体构成的功能
框图；
[0054] 图2为简要显示根据本发明实施例的转子信息推定系统的框图；
[0055] 图3为显示根据本发明实施例的转子信息推定系统的具体构成的框图；
[0056] 图4为简要显示根据本发明实施例的用于控制电机的转子信息推定方法的
流程图；
[0057] 图5为显示根据本发明实施例的旋转变压器的
输出信号的曲线图；
[0058] 图6至图8为说明根据本发明实施例的比例积分观测器的推定性能的曲线图；
[0059] 图9至图11为说明根据本发明实施例的比例积分观测器的推定误差的曲线图。
[0060] 附图标记说明
[0061] 100：旋转变压器 200：误差算出部
[0062] 210：第一乘法运算器 220：第二乘法运算器
[0063] 230：减法器 300：比例积分观测器
[0064] 310：增益部 311：第一增益部
[0065] 312：第二增益部 313：第三增益部
[0066] 320：运算部 321：第一乘法器
[0067] 322：运算器 323：第二乘法器
[0068] 324：第三积分器 325：第三乘法器
[0069] 330：加法部 340：第一积分器
[0070] 350：第二积分器 360：分配部
具体实施方式
[0071] 通过参照示出示出本发明优选实施例的附图及附图中所记载的内容，能够充分理解本发明及本发明工作上的有益效果及本发明实施例所达到的目的。
[0072] 以下参照附图说明本发明的优选实施例，以详细说明本发明。但是本发明可以通过多种不同的形态实现，而并非限定于所说明的实施例。并且，为了对本发明进行明确说明而省略与说明无关的部分，附图中相同的附图标记表示相同的构件。
[0073] 在
说明书全文中若提到某一部分“包括”某构成要素时，在没有特殊相反记载的情况下不排除其他构成要素，而是表示还可以包括其他构成要素。并且，说明书中记载的“…部”、“…器”、“模
块”、“区块”等术语表示执行至少一个功能或动作的单元，其可以由
硬件或
软件，或硬件及软件结合实现。
[0074] 参照图2，根据本发明实施例的转子信息推定系统10可包括：旋转变压器100、误差算出部200及比例积分观测器300。
[0075] 旋转变压器100是位置(角度)测定
传感器，设置在电机的
旋转轴上。当电机的转子旋转的情况下旋转变压器100的转子也同时旋转。此时，旋转变压器100可用正弦信号和余弦信号输出其转子位置信息。
[0076] 在此，电机可以是起到混合动力电动车辆及电动车辆的引擎作用的
驱动电机，例如可以是交流电机，即永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor；PMSM)。
[0077] 误差算出部200是算出旋转变压器测定的电机转子位置的误差的装置。误差算出部200可以从旋转变压器接收电机转子位置信息，以及从比例积分观测器300接收其推定的电机转子位置信息，通过上述的两种信息算出旋转变压器算出的电机转子位置的误差。
[0078] 比例积分观测器300是根据表示电机的机械特性的变量建模并推定电机转子位置的装置。这种比例积分观测器300可以对误差算出部200算出的误差和基于电机特性的增益进行运算以推定电机的转子位置，并且还可以推定电机的转子速度及电机的负载扭矩。在此，推定的电机的转子位置、转子速度及负载扭矩用作控制电机的换流器的输入(信号)。
[0079] 参照图3，旋转变压器100测定电机的转子位置，将所测定电机的转子位置以正弦信号sin(θrm)及余弦信号cos(θrm)输出。
[0080] 误差算出部200是算出旋转变压器100测定的转子位置的误差的装置,可包括第一乘法运算器210、第二乘法运算器220及减法器230。
[0081] 第一乘法运算器210可以从旋转变压器100接收表示转子位置的正弦信号sin(θrm)。第一乘法运算器210连接在比例积分观测器300的输出端，可以接收比例积分观测器300推定的关于转子位置的余弦信号 第一乘法运算器210可以用旋转变压器100提供的正弦信号sin(θrm)乘以比例积分观测器300提供的余弦信号
并输出其结果。
[0082] 第二乘法运算器220连接在旋转变压器100的输出端，可以从旋转变压器100接收表示转子位置的余弦信号cos(θrm)。第二乘法运算器220连接在比例积分观测器300的输出端，可以接收比例积分观测器300推定的转子位置的正弦信号 第二乘法运算器220可以用旋转变压器100提供的余弦信号cos(θrm)乘以比例积分观测器300提供的正弦信号 并输出其结果。
[0083] 减法器230连接在第一乘法运算器210及第二乘法运算器220的输出端，可以接收第一乘法运算器210及第二乘法运算器220的输出信号。减法器230可以从第一乘法运算器210的输出信号减去第二乘法运算器220的输出信号并输出其结果。在此，减法器230的输出对应于旋转变压器100测定的转子位置的误差
[0084] 另外，误差算出部200算出误差时可通过如下数学式3导出：
[0085] 【数学式3】
[0086]
[0087] 数学式3中， 表示减法器230输出的误差， 表示第一乘法运算器的输出， 表示第二乘法运算器的输出。 表示旋转变压器测
定的转子位置与比例积分观测器推定的转子位置只差，其表示与减法器230输出的误差近似的值。
[0088] 比例积分观测器300是用于推定电机的转子位置、转子速度及负载扭矩等转子信息的装置，可以根据由如下数学式4表示的电机(PMSM)的机械模型建模：
[0089] 【数学式4】
[0090]
[0091] 数学式4中，Te是电机的输出扭矩，J是电机的惯性因素，ωrm是角速度，B是摩擦系数，TL是负载扭矩。此时，负载扭矩的变化将影响电机的旋转速度，因此可将负载扭矩的变化视为低频干扰，因此比例积分观测器300可根据数学式5最终建模如数学式6所示：
[0092] 【数学式5】
[0093]
[0094] y＝Cx
[0095]
[0096]
[0097] 数学式5中，θrm是转子位置，ωrm是转子速度(角速度)， 是电机的负载扭矩，Bmot是电机的摩擦系数，Jmot是电机的惯性因素。
[0098] 【数学式6】
[0099]
[0100]
[0101] 数学式6中， 是推定转子位置， 是推定转子速度， 是推定负载扭矩，θrm是旋转变压器输出(转子位置)， 是电机的摩擦系数， 是电机的惯性因素， 是电机的输出扭矩，L1是第一增益，L2是第二增益，L3是第三增益。
[0102] 如数学式6建模的比例积分观测器300可包括增益部310、运算部320、加法部330、第一积分器340、第二积分器350及分配部360。
[0103] 增益部310连接在减法器230的输出端，可以从减法器230接收旋转变压器100算出的转子位置的误差。这种增益部310可以在接收的误差乘以增益并输出其结果，增益包括第一增益、第二增益及第三增益。这种第一增益、第二增益及第三增益可以根据基于电机特性建模的比例积分观测器的特性方程式(数学式7)确定。
[0104] 【数学式7】
[0105]
[0106] 数学式7可转换成关于三阶系统中极点β1，β2，β3的特性方程式(数学式8)表示。在此，极点起到确定系统
稳定性及时间应答特性的作用。
[0107] 【数学式8】
[0108] α ＝ (s-β1)(s-β2)(s-β3) ＝ s3-(β1+β2+β3)2
s+(β1β2+β2β3+β3β1)-β1β2β3＝0
[0109] 当三阶系统中的极点
选定为如β＝β1＝β2＝β3的三重根时，可通过数学式7及数学式8如数学式9求得比例积分观测器的增益。
[0110] 【数学式9】
[0111]
[0112] 数学式9中，β是根据适用系统选定，比例积分观测器的第一增益L1、第二增益L2及第三增益L3根据选定的β确定。
[0113] 增益部310可包括第一增益部311、第二增益部312及第三增益部313。其中，第一增益部311在对应于减法器230的输出的误差乘以第一增益并输出其结果，第二增益部312在对应于减法器230的输出的误差乘以第二增益并输出其结果，第三增益部313在对应于减法器230的输出的误差乘以第三增益并输出其结果。
[0114] 运算部320可包括第一乘法器321、运算器322、第二乘法器323、第三积分器324及第三乘法器325。
[0115] 第一乘法器321连接在第二增益部312的输出端，可以接收第二增益部312的输出 可以在接收的第二增益部312的输出 乘以电机的惯性因素J并输出其结果。
[0116] 运算器322是一种加减器，其连接在第一乘法器321的输出端，可以接收第一乘法器321的输出，可以对第一乘法器321的输出 *J与电机的输出扭矩Te相加并输出其结果。
[0117] 第二乘法器323连接在运算器322的输出端，可以接收运算器322的输出，可以在运算器322的输出乘以电机的惯性因素J的倒数 并输出其结果。
[0118] 第三积分器324连接在第二乘法器323的输出端，可以接收第二乘法器323的输出，可以对第二乘法器323的输出进行积分以推定电机的转子速度
[0119] 第三乘法器325连接在第三积分器324的输出端，可以接收第三积分器324的输出，可以在第三积分器324的输出乘以电机的摩擦系数B并将结果发送给运算器322。在此，运算器322连接在第三乘法器325的输出端及第二乘法器323的输入端，可以从上述算出的输出减去第三乘法器325的输出并将结果发送给第二乘法器323。
[0120] 加法部330连接在第三积分器324的输出端及第一增益部311的输出端，可以接收第三积分器324的输出及第一增益部311的输出，可以对第三积分器324的输出与第一增益部311的输出相加并输出其结果。
[0121] 第一积分器340连接在加法部330的输出端，可以接收加法部330的输出，可以对加法部330的输出进行积分以推定电机的转子位置
[0122] 第二积分器350连接在第三增益部313的输出端，可以接收第三增益部313的输出，可以对第三增益部313的输出 进行积分以推定电机的负载扭矩TL。在此，运算器322连接在第二积分器350的输出端，可以接收第二积分器350的输出，可以从上述算出的输出再减去第二积分器350的输出TL并输出其结果。
[0123] 分配部360连接在第一积分器340的输出端，可以接收第一积分器340的输出，可以将第一积分器340的输出 分配成正弦信号 和余弦信号 输出。在此，误差算出部200的第一乘法运算器210连接在分配部360的第一输出端，可以从分配部360接收余弦信号 误差算出部200的第二乘法运算器220连接在分配
部360的第二输出端，可以从分配部360接收正弦信号 通过上述过程，误差
算出部200的减法器230可以从第一乘法运算器210的输出减去第二乘法运算器220的输出，以算出旋转变压器100的输出误差。
[0124] 参照图2至图4，根据本发明实施例的用于控制电机的转子信息推定方法可包括：测定电机的转子位置的步骤S301、算出转子位置的误差的步骤S303、利用误差推定转子信息的步骤S305及输出转子位置、转子速度及负载扭矩的步骤S307。
[0125] 在测定的步骤S301中，旋转变压器100测定电机的转子位置。在此，旋转变压器100可以用交流电压(正弦、余弦)输出电机的转子位置。
[0126] 在算出的步骤S303中，误差算出部200算出旋转变压器100测定的电机的转子位置的误差。其中，误差可通过比例积分观测器300推定的转子位置算出。
[0127] 在推定的步骤S305中，比例积分观测器300利用算出的误差推定转子信息。在此，比例积分观测器300可以用算出的误差乘以基于电机特性的增益，并适用上述说明的各种运算过程后，对最终运算出的输出信息进行积分以推定转子信息。
[0128] 在输出的步骤S307中，比例积分观测器300输出为控制电机而推定的转子信息。其中，转子信息可以有电机的转子位置、电机的转子速度及电机的负载扭矩，转子信息中的转子位置可以进行反馈，在算出的步骤S303中用于误差算出部算出误差。
[0129] 参照图5，可以确认相对于时间的理想旋转变压器100的输出(Ideal Resolver Angle)与实际旋转变压器100的输出(Real Resolver Angle)，实际旋转变压器的输出由于物理特性而包括与电机的旋转周期相同的
正弦波(畸变信号)。因此，将旋转变压器的输出转换为数字值的观测器必须能够准确测定这种畸变信号，而根据本发明实施例的比例积分观测器能够准确测定畸变信号，能够通过准确推定的畸变信号推定电机的转子信息。
[0130] 参照图6，图6中(a)显示电机的旋转速度为500rpm的情况下，实际旋转变压器的输出、现有观测器的输出及根据本发明实施例的比例积分观测器的输出。图6中(b)为放大图6中(a)的预定部分的示意图。在此，现有的观测器是指角度跟踪观测器。
[0131] 参照图7，图7中(a)显示电机的旋转速度为2000rpm的情况下，实际旋转变压器的输出、现有观测器的输出及根据本发明实施例的比例积分观测器的输出。图7中(b)是放大图7中(a)的预定部分的示意图。在此，现有观测器是指角度跟踪观测器。
[0132] 参照图8，图8中(a)显示电机的旋转速度为4000rpm的情况下，实际旋转变压器的输出、现有观测器的输出及根据本发明实施例的比例积分观测器的输出。图8中(b)是放大图8中(a)的预定部分的示意图。其中，现有观测器是指角度跟踪观测器。
[0133] 图6中，实际旋转变压器的输出、现有观测器的输出及根据本发明实施例的比例积分观测器的输出几乎无差异，但在图7及图8中，实际旋转变压器的输出、现有观测器的输出及根据本发明实施例的比例积分观测器的输出的差异则在增大。这表示随着电机速度增大，现有观测器的输出发生延迟，而根据本发明实施例的比例积分观测器比现有观测器更快推定转子位置。
[0134] 参照图9，显示电机的旋转速度为500rpm的情况下，现有观测器推定的转子位置和根据本发明实施例的比例积分观测器推定的转子位置的误差。
[0135] 参照图10，可确认电机的旋转速度为2000rpm的情况下，现有观测器推定的转子位置和根据本发明实施例的比例积分观测器推定的关于转子位置的误差。
[0136] 参照图11，可确认电机的旋转速度为4000rpm的情况下，现有观测器推定的转子位置和根据本发明实施例的比例积分观测器推定的关于转子位置的误差。
[0137] 如以上参照图9至图11所述，在整个速度区域中，根据本发明实施例的比例积分观测器的误差小于现有观测器的误差。例如，当电机的旋转速度为4000rpm的情况下，现有观测器的正常状态误差是±3.683度，过渡状态误差(溢出最大值)是27.75度。然而，根据本发明实施例的比例积分观测器的正常状态误差是±0.210度，过渡状态误差是7.22度。
[0138] 因此，根据本发明实施例的转子信息推定系统利用新建模的比例积分观测器，能够准确推定电机转子位置。
[0139] 根据本发明实施例的方法可通过计算机可读存储介质上的编码实现。计算机可读存储介质包括存储有
计算机系统可读数据的任意种类的存储介质。存储介质例如可以是ROM、RAM、CD-ROM、磁盘、
软盘、光盘等，另外也可以以载波(例如通过因特网传输)实现。并且，计算机可读存储介质可以分散在通过网络连接的
计算机网络上，以分散方式存储计算机可读编码并执行。
[0140] 本发明参照附图所示实施例进行了说明，但这只是举例说明，本发明所属领域的普通技术人员可在这
基础上做多种变更、得到其他等同实施例。
[0141] 因此，本发明的真正技术保护范围以本发明所记载的技术方案为准。
