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永磁电动机的无 传感器式 磁场导向控制系统、方法和设备

阅读：303发布：2023-03-10

专利汇可以提供永磁电动机的无传感器式磁场导向控制系统、方法和设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制系统、方法和设备。所述无传感器式磁场导向控制系统包含克拉克变换模块、派克变换模块和角度估计模块。所述克拉克变换模块根据电动机相电流来产生正交电流信号。所述派克变换模块响应于所述正交电流信号和角信号来产生电流信号。所述角度估计模块响应于所述电流信号来产生所述角信号。所述角信号与所述永磁电动机的换向角相关。所述电流信号被控制为接近零。与角移位信号相关联的所述角信号经配置以产生三相电动机电压。，下面是永磁电动机的无传感器式磁场导向控制系统、方法和设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制系统，其特征在于，包括：
克拉克变换模块，根据多个电动机相电流来产生多个正交电流信号；
派克变换模块，响应于所述多个正交电流信号和角信号来产生电流信号；以及角度估计模块，响应于所述电流信号来产生所述角信号；
其中所述角信号与所述永磁电动机的换向角相关；所述电流信号被控制为接近零；与角移位信号相关联的所述角信号经配置以产生三相电动机电压。
2.根据权利要求1所述的无传感器式磁场导向控制系统，其特征在于，还包括：
空间向量调制模块，用于响应于所述角信号来产生所述三相电动机电压。
3.根据权利要求1所述的无传感器式磁场导向控制系统，其特征在于，所述角度估计模块包括：
比例积分控制器，用于产生速度信号；以及
滤波器，根据所述速度信号产生所述角信号，
其中所述速度信号是通过将所述电流信号控制为接近零来产生的。
4.根据权利要求3所述的无传感器式磁场导向控制系统，其特征在于，所述比例积分控制器包括：
第一增益参数；以及
第二增益参数，
其中所述第一增益参数和第二增益参数可响应于所述电流信号来编程。
5.一种用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制设备，其特征在于，包括：
克拉克变换模块，根据多个电动机相电流来产生多个正交电流信号；
派克变换模块，响应于所述多个正交电流信号和第一角信号来产生电流信号；
角度估计模块，响应于所述电流信号来产生所述第一角信号；以及
总和模块，根据所述第一角信号和角移位信号来产生第二角信号，
其中所述电流信号被控制为接近零；所述第二角信号经配置以产生三相电动机电压。
6.根据权利要求5所述的无传感器式磁场导向控制设备，其特征在于，还包括：
正弦波产生器，用于响应于所述第二角信号来产生所述三相电动机电压。
7.根据权利要求5所述的无传感器式磁场导向控制设备，其特征在于，所述角度估计模块包括：
比例积分控制器，用于产生速度信号；以及
滤波器，根据所述速度信号来产生所述角信号，
其中所述速度信号是通过将所述电流信号控制为接近零来产生的；所述比例积分控制器包括第一增益参数和第二增益参数；所述第一增益参数和第二增益参数可响应于所述电流信号来编程。
8.一种用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制方法，其特征在于，包括：
根据多个电动机相电流来产生多个正交电流信号；
响应于所述多个正交电流信号和角信号来产生电流信号；
响应于所述电流信号来产生所述角信号；
其中所述角信号与所述永磁电动机的换向角相关；所述电流信号被控制为接近零；所述角信号经配置以产生三相电动机电压。
9.根据权利要求8所述的无传感器式磁场导向控制方法，其特征在于，还包括：
响应于所述角信号和误差量值信号来产生所述三相电动机电压。
10.根据权利要求8所述的无传感器式磁场导向控制方法，其特征在于，所述产生所述角信号的步骤包括以下步骤：
通过比例积分控制器产生速度信号；以及
通过滤波来根据所述速度信号产生所述角信号，
其中所述速度信号是通过将所述电流信号控制为接近零来产生的。
11.根据权利要求8所述的无传感器式磁场导向控制方法，其特征在于，所述三相电动机电压是由正弦波产生器产生的。
12.根据权利要求10所述的无传感器式磁场导向控制方法，其特征在于，所述比例积分控制器包括第一增益参数和第二增益参数；所述第一增益参数和所述第二增益参数响应于所述电流信号来进行编程。

说明书全文

永磁电动机的无 传感器式 磁场导向控制系统、方法和设备

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于永磁(PM)电动机的无传感器式磁场导向控制(ﬁeld oriented control,简称FOC)技术，且更明确地说，涉及一种用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制系统、方法和设备。

背景技术

[0002] 无刷永磁同步电动机(PMSM)是一种无传感器式PM电动机，并且是一种由交流(AC)电输入驱动的电动机。如果能够检测到无传感器式永磁电动机的启动位置，那么能够毫无冲击地启动电动机。

[0003] PMSM包括具有定子绕组(stator winding)的绕线定子(wound stator)、永磁转子(permanent magnet rotor)组合件以及感测装置，所述感测装置用于感测PM转子组合件的转子位置。感测装置通常包含霍尔传感器(hall sensor)，且霍尔传感器以恰当序列提供用于电子式切换所述定子绕组的信号，所述信号用以保持PM转子组合件的旋转。然而，感测装置中所设置的霍尔传感器增加了PMSM的成本，并且可能会造成故障而降低PMSM的可靠性。因此，需要一种用于在没有传感器的情况下进行PM电动机控制的机制。

发明内容

[0004] 本发明提供一种用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制系统、方法和设备。所述无传感器式磁场导向控制系统包括克拉克变换(Clarke transform)模块、派克变换(Park transform)模块和角度估计模块。所述克拉克变换模块根据多个电动机相电流(motor phase current)来产生多个正交电流信号。所述派克变换模块响应于所述多个正交电流信号和角信号来产生电流信号。所述角度估计模块响应于所述电流信号来产生角信号。所述角信号与所述永磁电动机的换向角(commutation angle)相关。所述电流信号被控制为接近零。与角移位信号相关联的所述角信号经配置以产生三相电动机电压。

[0005] 从另一观点来看，本发明还提供一种用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制设备。所述设备包括克拉克变换模块、派克变换模块、角度估计模块和总和(sum)模块。所述克拉克变换模块根据多个电动机相电流来产生多个正交电流信号。所述派克变换模块响应于所述多个正交电流信号和第一角信号来产生电流信号。所述角度估计模块响应于所述电流信号来产生所述第一角信号。所述总和模块根据所述第一角信号和角移位信号来产生第二角信号。所述电流信号被控制为接近零。所述第二角信号经配置以产生三相电动机电压(three phase motor voltage)。

[0006] 从另一观点来看，本发明还提供一种用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制方法。所述方法包括以下步骤。根据多个电动机相电流来产生多个正交电流信号。响应于所述多个正交电流信号和角信号来产生电流信号。响应于所述电流信号来产生所述角信号。所述角信号与所述永磁电动机的换向角相关；所述电流信号被控制为接近零；并且，所述角信号经配置以产生三相电动机电压。

[0007] 包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。所述图式说明本发明的示范性实施例，且与描述一起用以解释本发明的原理。

附图说明

[0008] 图1展示说明用于PM电动机的FOC无传感器式磁场导向控制系统的框图；

[0009] 图2展示说明滑动模式观测器(sliding mode observer)的算法(algorithm)的示意图；

[0010] 图3展示说明滑动模式观测器的框图；

[0011] 图4展示说明PMSM的等效模型的示意图；

[0012] 图5展示说明根据本发明的一个实施例的用于PM电动机的FOC无传感器式磁场导向控制系统的框图；

[0013] 图6展示说明根据本发明的一个实施例的角度估计模块的框图；

[0014] 图7展示说明根据本发明的一个实施例的比例积分(proportional integral,简称PI)控制器的框图；

[0015] 图8展示说明根据本发明的另一实施例的角度估计模块的框图；

[0016] 图9展示说明根据本发明的另一实施例的FOC无传感器式磁场导向控制系统的框图；

[0017] 图10展示根据本发明的另一实施例的由图9中的正弦波产生器产生的波形；

[0018] 图11展示说明根据本发明的一个实施例的用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制方法的流程图。

[0019] 附图标记说明：

[0020] 10：永磁同步电动机；

[0021] 12：电动势源；

[0022] 15：三相桥式驱动器(three-phase bridge driver)；

[0023] 20：克拉克变换模块；

[0024] 25：派克变换模块；

[0025] 30：克拉克逆变换(inverse Clarke transformation)模块/空间向量调制(space vector modulation,简称SVM)模块；

[0026] 35：派克逆变换模块；

[0027] 40、45、150：比例积分控制器；

[0028] 50：滑动模式观测器；

[0029] 60：电流观测器；

[0030] 61：混频器(mixer)；

[0031] 62：误差信号；

[0032] 63-67：步骤；

[0033] 71、72、120：低通滤波器；

[0034] 80：反正切计算块(arctangent calculation block)；

[0035] 90：正弦波信号产生器；

[0036] 95：总和单元；

[0037] 100：角度估计模块；

[0038] 110：总和模块；

[0039] 151、152：块；

[0040] AS：角移位信号；

[0041] Duty：任务信号；

[0042] Es：反电动势；

[0043] Esf：参数；

[0044] Eα、Eβ：Es的向量分量；

[0045] ia、ib、ic、Is：相电流；

[0046] iα、iβ：二轴正交电流；

[0047] Id、Iq：电流信号；

[0048] Ikt：阈值；

[0049] Ise：所估计的相电流；

[0050] IDREF、IQREF：参数；

[0051] KI、KP：增益；

[0052] KI1、KP1：原始设置；

[0053] L：绕组电感；

[0054] R：绕组电阻；

[0055] S1110、S1120、S1130：步骤；

[0056] Vd、Vq：信号；

[0057] Vp1、Vp2、Vp3：三相电动机电压信号；

[0058] Vs：输入电压；

[0059] Vα、Vβ：电压/脉宽调制信号；

[0060] VA、VB、VC：三相电动机电压信号；

[0061] x(t)、y(t)：误差信号；

[0062] Z：输出校正因子(correction factor)电压；

[0063] θ、θA：角信号；

[0064] ω：速度信号。

具体实施方式

[0065] 与老式电动机相比，PM电动机通常展现高效率、小尺寸、快速动态响应和低噪声等优点。因为PM电动机的转子磁场的速度必须等于定子磁场(stator magnetic ﬁeld)的速度，所以磁场导向控制中的转子磁链(rotor flux)、定子磁链(stator flux)和气隙磁链(air-gap flux)中的一者被视为用于为创建另一磁链的参考系(frame)的基础，以在定子的电流中将转矩分量和磁链分量进行去耦(decouple)。电枢电流负责产生转矩(torque)，且励磁电流负责产生磁链(flux)。一般来说，转子磁链被视为用于定子磁链和气隙磁链的参考系。图1中示范性说明用于PM电动机的FOC无传感器式磁场导向控制系统和设备。图1展示说明用于PM电动机的FOC无传感器式磁场导向控制系统的框图。无传感器式磁场导向控制系统包括永磁同步电动机(PMSM)10、三相桥式驱动器(three-phase bridge driver)15和空间向量调制(space vector modulation,简称SVM)模块30。克拉克变换模块20大体上经配置以将三轴二维坐标系统(参考定子)变换为二轴坐标系统。克拉克变换在电气工程中还称为α-β变换(alpha-beta transformation)。电动机10的由向量呈现的相电流可以表达为以下公式(1)到(3)。

[0066]

[0067]

[0068]

[0069] 其中ia、ib和ic是由向量呈现的电动机10的相电流。iα和iβ是映射电动机的相电流ia、ib和ic的二轴(two-axis)正交电流。

[0070] 派克变换模块25经配置以将iα、iβ和角信号θ变换为对应于转子磁链的另一二轴系统。这个二轴旋转坐标系统被称为“d-q轴”。派克变换模块25根据二轴正交电流iα和iβ产生电流信号Id和Iq。在电气工程中，派克变换还称为直接-正交-零(direct–quadrature–zero)(或dq0)变换或零-直接-正交(zero–direct–quadrature)(或0dq)变换。参数θ表示电动机10的相电流的转子角(rotor angle)。由派克变换模块25产生的电流信号Id和Iq可以表达为以下公式(4)到(5)。

[0071]

[0072]

[0073] 派克逆变换模块35用于将二轴旋转d-q系(即，信号Vd和Vq)变换为二轴固定系α-β(即，电压/脉宽调制信号Vα和Vβ)。信号Vd和Vq是由控制器40和45产生的。电压/脉宽调制信号Vα和Vβ可以表达为以下公式(6)到(7)。

[0074] Vα＝Vd×cosθ+Vq×sinθ………(6)

[0075] Vβ＝Vd×sinθ+Vq×cosθ………(7)

[0076] 克拉克逆变换模块30用于将固定二轴系α-β(stationary two-axis frame)(即，电压/脉宽调制Vα和Vβ)变换为固定三轴(stationary three-axis)(定子的三相参考系)(即，三相电动机电压信号Vp1、Vp2和Vp3)。由克拉克逆变换模块30产生的三相电动机电压信号Vp1、Vp2和Vp3可以表达为以下公式(8)到(10)。

[0077] Vp1＝Vβ………(8)

[0078]

[0079]

[0080] 这些三相电动机电压信号(Vp1、Vp2、Vp3)被应用来通过空间向量调制(SVM)技术产生脉宽调制(pulse width modulation)信号。

[0081] 控制器40和45是对闭合控制环路(closed control loop)中的误差信号做出响应的比例积分(PI)控制器。闭合控制环路经配置以调整控制量来达到所要的系统响应。控制参数可以是表示可测量的量的速度、转矩或磁链。误差信号是通过将用于控制的所要参数(即，IQREF和IDREF)减去那个参数的实际测量值来获得的。误差信号的正负号指示控制输入所需要的方向。

[0082] 滑动模式观测器(SMO)50经配置以用于产生角信号θ和估计电动机的速度。图2展示说明滑动模式观测器(sliding mode observer)的算法(algorithm)的示意图。输入电压Vs表示施加到图1中的电动机10的输入电压，参数Is表示电动机10的相电流，且参数Ise表示电动机10的所估计的相电流。电流观测器60接收输入电压Vs且输出表示所估计的相电流的所估计的相电流Ise，并且通过混频器61将所估计的相电流Ise与相电流Is进行组合以产生误差信号62。将误差信号62输入到确定步骤中。确定步骤63确定误差信号62是否小于内置值Error-min。如果误差信号62小于内置值Error-min，那么在步骤64中将输出校正因子电压Z设为零。如果误差信号62不小于内置值Error-min，那么算法进行到确定步骤65来确定误差信号62是否大于零。如果误差信号62不大于零，那么在步骤66中输出校正因子电压Z等于负参数-Kslide。如果误差信号62大于零，那么在步骤67中输出校正因子电压Z等于正参数+Kslide。

[0083] Z是输出校正因子电压。所述算法着重于计算FOC方案所需要的换向角(commutation angle)信号θ。图1中的电动机10的位置和估计是根据所测量的电流和所计算的电压来计算的。

[0084] 图3展示说明滑动模式观测器的框图。滑动模式观测器50包括电流观测器60、低通滤波器(LPF)71和72以及反正切计算块(arctangent calculation block)80。图4展示说明PMSM的等效模型的示意图。PMSM的等效模型500包括施加到PMSM的电动机输入电压Vs、绕组电阻R、绕组电感L和电动势源(EMF)Es12。以下描述应与图3和图4组合。Ise、L、R、t、Vs和Es之间的关系可以表达为公式(11)。

[0085]

[0086] 其中Ise是所估计的相电流；Vs是PMSM的输入电压；Es是反电动势；Z是输出校正因子电压。

[0087] 应考虑两种电动机条件。在第一种条件下，向两个系统馈入相同输入电压Vs，并且在第二种条件下，所测量的电流Is应与来自模型的所估计的电流Ise匹配。因此，假定模型的反电动势Es与电动机的反电动势Es相同。当误差信号的值小于Error-min时，电流观测器60在线性范围内操作。对于在线性范围外的误差信号，电流观测器60的输出是(+Kslide)/(-Kslide)，这取决于误差信号的正负号。电流观测器60用于补偿图4中的电动机模型，且通过经由低通滤波器71对校正因子Z进行滤波来估计反电动势Es。所估计的反电动势Es经进一步配置以针对所估计的角信号θ通过滤波器72产生Eα和Eβ(Es的向量分量)的值(经由反正切计算块80)。由LPF72根据所估计的反电动势Es产生参数Esf。所估计的角信号θ可以表达为公式(12)。

[0088]

[0089] 因为图1中的滑动模式观测器(SMO)50需要准确的电动机参数和复杂的计算来估计换向角信号θ，所以需要高速且昂贵的数字信号处理器(DSP)来进行这个运算。本发明提供一种允许通过较低成本的微控制器来实施FOC无传感器式磁场导向控制系统且实现高性能的简单方法。

[0090] 图5展示说明根据本发明的一个实施例的用于PM电动机的FOC无传感器式磁场导向控制系统的框图。无传感器式磁场导向控制系统包括永磁同步电动机(PMSM)10、三相桥式驱动器15、用于克拉克逆变换模块/空间向量调制(SVM)模块30、克拉克变换模块20、派克变换模块25、派克逆变换模块35、比例积分(PI)控制器40和角度估计模块100。派克变换模块25产生电流信号Id和Iq。角度估计模块100简单地根据电流信号Id产生换向角信号θ。换向角信号θ进一步耦合到派克变换模块25和派克逆变换模块35以针对三相电动机电压信号产生电流信号Iq和Id、电压/脉宽调制信号Vα和Vβ。其它块的描述可以参考图1的描述。

[0091] 图6展示说明根据本发明的一个实施例的角度估计模块的框图。角度估计模块100包括总和模块110、比例积分(PI)控制器150和LPF120。总和模块110将电流信号Id和零信号(zero signal)O相加以产生PI控制器150的输入信号。PI控制器150经耦合以接收电流信号Id以用于产生速度信号ω。通过控制所述电流信号Id近似等于零来导出速度信号ω。滤波器120用于根据速度信号ω产生换向角信号θ。

[0092] 图7展示说明根据本发明的一个实施例的比例积分(proportional integral,简称PI)控制器的框图。在块151中通过将输入信号(即，误差信号X(t))乘以第一增益(即，增益KP)来形成PI控制器150的比例项(proportional term)，且PI控制器150经配置以产生作为误差量值的函数的控制响应。PI控制器150的积分项(integral term)用于消除小稳态误差。PI控制器150的积分项计算误差信号的连续总量。在块152中将这个累积的稳态误差信号乘以第二增益(即，增益KI)。误差信号x(t)、y(t)、增益KP和KI之间的关系可以表达为公式(13)：

[0093] y(t)＝KP×x(t)-KI∫x(t)dt………(13)

[0094] 图8展示说明根据本发明的另一实施例的角度估计模块的框图。角度估计模块100包括比例积分(PI)控制器150。PI控制器150经配置以接收电流信号Id以用于产生速度信号ω。通过控制所述Id信号近似等于零来导出速度信号ω。滤波器120用于根据速度信号ω产生换向角信号θ。比例积分(PI)控制器150包括用于PI控制的两个参数，例如第一增益KP和第二增益KI。为了确保电流信号Id在环路的线性区中操作，块115确定电流信号Id的值是否大于阈值Ikt。如果电流信号Id的值小于阈值Ikt，那么将第一增益KP和第二增益KI设为原始设置KP1和KI1。如果电流信号Id的值大于阈值Ikt，那么将把第一增益KP和第二增益KI分别设为KP2和KI2以获得不同环路响应和操作。

[0095] 图9展示说明根据本发明的另一实施例的FOC无传感器式磁场导向控制系统的框图。所述FOC无传感器式磁场导向控制系统包括永磁同步电动机(PMSM)10、三相桥式驱动器15、克拉克变换模块20、派克变换模块25、正弦波信号产生器90和角度估计模块100。派克变换模块25通过接收二轴正交电流iα和iβ信号来产生电流信号Id。角度估计模块100根据电流信号Id来产生角信号θ。角信号θ进一步反馈到派克变换模块25。求和单元95根据角信号θ和角移位信号AS来产生另一角信号θA。角移位信号AS用于适应各种PM电动机且/或用于弱磁控制(weak magnet control)。

[0096] 角信号θA和任务信号(duty signal)Duty耦合到正弦波产生器90以针对三相电动机电压信号(相位A、相位B和相位C)产生脉宽调制信号。正弦波产生器90具有两个输入，包含量值输入和相位角输入。量值输入耦合到任务信号Duty。相位角输入耦合到角信号θA。

[0097] 图10展示根据本发明的另一实施例的由图9中的正弦波产生器产生的波形。三相电动机电压信号VA、VB和VC的振幅由任务信号Duty编程。三相电动机电压信号VA、VB和VC的角由角信号θA确定。

[0098] 图11展示说明根据本发明的一个实施例的用于永磁电动机的无传感器式磁场导向控制方法的流程图。在本实施例中，所述无传感器式磁场导向控制方法适用于图5的设备。在步骤S1110中，克拉克变换模块20根据多个电动机相电流(即，相电流ia、ib和ic)产生多个正交电流信号(即，二轴正交电流iα和iβ信号)。在步骤S1120中，派克变换模块25响应于所述多个正交电流信号(即，二轴正交电流iα和iβ信号)和角信号θ来产生电流信号Id。在步骤S1130中，角度估计模块100响应于电流信号Id来产生角信号θ。角信号θ与永磁电动机10的换向角相关。电流信号Id被控制为接近零。与角移位信号AS相关联的角信号θ经配置以产生三相电动机电压(即，相位A、相位B和相位C)。与电子组件的详细致动组合的技术已经在本发明的上述实施例中进行描述。

[0099] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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