用於永磁體旋轉電機的無傳感器控制系統和方法

2023-04-27 17:22:06 1

專利名稱：用於永磁體旋轉電機的無傳感器控制系統和方法
技術領域：
本發明總體涉及對旋轉電機的控制，尤其涉及對永磁體旋轉電機的無傳感器控制。
背景技術：
永磁體電機，如無刷永磁體電動機，是人們所熟知的。例如，永磁體電動機通常包括其中具有相繞組的定子，和具有永磁體、繞定子旋轉的轉子。位置傳感裝置用來指示轉子相對於定子的位置。相繞組激勵通常由固態開關控制，這些開關響應位置傳感器提供的轉子位置指示，並以合適的換向順序激勵繞組。相繞組也可以用例如正弦波激勵或控制角度的方波激勵進行激勵。
相繞組激勵依賴於使電磁場與轉子永磁體同步的方案。這包括通過位置傳感器跟蹤帶有永磁體的轉子的角位。但是，轉子位置傳感器可能非常昂貴。根據需要執行特定功能的電動機控制的水平，該成本可能佔電動機成本中很大的一部分。此外，傳感器及其配線需要佔用電動機殼體內的空間。並且，傳感器可能發生故障，這將導致電動機性能的顯著下降，甚至導致電動機無法操作。
為了消除對位置傳感器的需求，已經提出了許多「無傳感器」的電動機結構。但是，已知的用於PM電動機的無傳感器方案遠遠不能滿足要求。例如，現有技術中的無傳感器PM電機容易受噪音問題的影響，並且其性能容易隨著轉子速度而變化。此外，通常已知的無傳感器PM電機只用於對電機的正弦波或120度方波激勵。
因此，需要用於旋轉PM電機中的高性能的無傳感器控制系統，以克服現有技術的缺點。

發明內容
在本發明的一方面，提供了一種永磁體旋轉電機，如永磁體AC電動機，該電機的控制系統包括用於計算所述電機轉子速度估值的估值器。所述估值器從電機接收在第一旋轉參照系中的激勵反饋，並輸出在第二旋轉參照系中的轉子速度估值。控制器接收轉子速度請求和轉子速度估值，並響應轉子速度請求和轉子速度估值信號而輸出用於控制對電機的激勵的控制信號。
在本發明的另一方面，提供了一種控制永磁體旋轉電機的方法，所述方法包括接收轉子速度請求，並響應所述速度請求產生轉子速度命令。產生以所述命令的轉子速度旋轉的第一旋轉參照系，並且把相繞組激勵反饋從靜止參照系轉換到第一旋轉參照系。估算電機轉子的實際速度，並產生以估算的實際轉子速度旋轉的第二旋轉參照系。把所述激勵反饋從第一旋轉參照系轉換到第二旋轉參照系，並計算相激勵命令。把所述相激勵命令從第二旋轉參照系轉換到靜止參照系以用於電機的相繞組。
兩個旋轉參照系的使用在電機的速度範圍內提高了控制系統的性能。在示例實施中，根據轉子速度命令計算轉子位置命令，並且還基於其產生所述第一旋轉參照系。實際轉子位置可以根據磁體感生磁鏈估值進行估算。


本發明的其它方面和優點通過閱讀下文的詳細描述和參照附圖可以變得更為明顯，其中圖1是示出根據本發明實施例的旋轉永磁體電機系統的方框圖；圖2是示出根據本發明實施例的控制永磁體電機的方法的流程圖；圖3是在原理上示出圖1所示的永磁體電機系統的其它方面的方框圖；圖4在原理上示出了用於將信號從靜止參照系轉換到旋轉參照系的功能模塊；
圖5是在原理上示出根據本發明實施例的轉子角度和速度估值器的方框圖；圖6是在原理上示出根據本發明實施例的控制器功能模塊方面的方框圖。
本發明容許各種變形和可選形式，而在附圖中示例示出、並在本文中詳細描述了本發明的具體實施例。但是，可以理解，這裡描述的具體實施例並不用於將本發明限制到所公開的特定形式，而是相反，其旨在包括在由所附權利要求書所限定的精神和範圍內的所有變形、等同物和可選形式。
具體實施例方式
下面描述本發明的實施例。為了清楚起見，本說明書並不描述實際實施的所有特徵。當然應該理解，在開發任一實際實施例時，必須制定許多特定實施方案以達到實施者的特定目的，如符合系統相關和商業相關的限制條件，所述限制條件對於不同實施是不同的。此外，可以理解，這種開發嘗試是複雜和耗時的，但是，對於受益於本公開的本領域普通技術人員來說，所述嘗試將是一些常規工作。
圖1示出了根據本發明內容的旋轉永磁體電機系統10。該電機系統10包括旋轉永磁體電機，例如永磁體AC(「PMAC」)電動機12。為簡單起見，本說明書中常用到術語「電動機」。但是，受益於本公開的本領域技術人員可以理解，本發明也適用於其它類型的旋轉電機，包括電動機和發電機。PM電動機12具有常規結構，包括旋轉部件(轉子13)和靜止部件(定子14)。在所示的示例實施例中，PM電動機12是三相電機，因此定子14上的線圈是分別與電機的相A、B、C對應的可激勵相繞組14A、14B、14C。這些相繞組14A、14B、14C可以通過對電動機端子15A、15B、15C施加電源而被激勵。
將驅動器20耦合到電機12的端子15A、15B、15C上以向其提供電源。該驅動器20從控制器22接收控制輸入，控制器22被耦合到電機12上以從其接收關於激勵反饋19的反饋，所述激勵反饋例如是在端子15A、15B、15C上的電流和/或電壓。驅動器20僅以示例的形式被示出為對三相電機12提供三個電源端子，但可以理解，可以提供更多或更少的電源端子，以適應具有多於三相、少於三相、或使用了各種變換器(例如具有中性線連接)的電機。驅動器20可以是常規設計，並被設置為用來給繞組14A、14B、14C提供正弦波激勵，或者可以通過六步換向(six-step commutation)而採用方波激勵。
控制器22還接收對應於電機12的希望輸出參數的輸入命令信號，所述參數如轉子速度、輸出轉矩等。在所示實施例中，控制器22接收表示轉子13的希望旋轉速度的速度請求信號24。在下文更詳細的描述中，驅動器20響應控制器22控制對PM電機12的電源的施加，以獲得請求的速度，即控制器使希望轉速和實際轉速之間的差值最小化。
該PM電機系統12是「無傳感器」系統，其中未使用直接傳感轉子位置的裝置。而是，轉子位置和轉速是基於激勵反饋19確定的，這樣消除了因為單獨的位置傳感器而增加的成本和複雜性。
圖2總體示出了對根據本發明示例實施例的系統10的控制方法。這裡描述的不同轉換和控制方案可以通過例如經過適當編程的數字控制器來實施，所述控制器如數位訊號處理器(DSP)、微控制器或微處理器等。如上所述，控制器22接收表示轉子13的希望旋轉速度的速度請求信號24。通常，將該速度請求與實際轉子速度比較以計算出速度誤差，然後將控制規則(control law)施加到該誤差信號上以調節施加到電機端子15A、15B、15C上的電源，從而使速度誤差最小化。由於在所示系統10中沒有使用轉子位置傳感器，則使用從電機端子15A、15B、15C上獲取的信息以估算轉子的位置和速度，並且將該估值與上述速度請求信號24比較以計算出速度誤差。
參照圖2，系統接收速度請求信號24，並在方框210中根據該信號產生速度和角度命令。在方框212中，將所述速度和角度命令信號與激勵反饋19(例如相電流和/或電壓)一起用於產生第一旋轉參照系，然後將激勵反饋19從靜止的定子參照系轉換到第一旋轉參照系。
在起動(零速度)時，端子反饋信息19是無效的。因此，系統起動開環，在方框212中，使用開環起動信息(方框214)產生旋轉參照系和順序命令信號。此外，由於電機12沒有轉子位置傳感器，並由於在零速度下估算的轉子實際速度的信息是無效的，因此，第一旋轉參照系在初始是基於所命令的轉速和角度。
在方框218中，將被轉換到以命令轉速旋轉的第一參照系中的端子反饋19用於估算實際的轉子角度。在所示的示例方法中，在方框214中，在第一參照系中估算總磁鏈和磁體磁鏈。在方框216中，將該磁鏈估值轉換到定子αβ參照系中，並在方框218中用於估算轉子角度。在方框220中，基於在方框218中估算的實際轉子角度產生第二旋轉參照系，其與所估算的轉子角度同步地旋轉，以及在方框222中，在第二旋轉參照系中估算實際轉子速度。
將估算的轉子角度和速度信息(方框218，222)反饋到控制器22，並在方框224將其與角度和速度命令信號一起施加到各種控制規則中，以產生將要施加到電機端子15A、15B、15C上的合適的電壓。在方框226中，將電壓信息轉換到靜止參照系中，從而驅動器20可以把所述合適的電壓施加到電機端子15A、15B、15C上。
圖3在原理上示出了根據本發明特定實施例的PM電機系統10的其它方面。在很多應用中共同的是，使用所謂的平衡三相供電來激勵電機的相繞組。在這樣的系統中，當使用三相電動機時，三相電流的總和為零。這樣，可以使用αβ0參照系(「FoR」)。下面的公開中採用了利用平衡三相供電的PMAC電動機。
根據速度請求信號24，將用於A、B、C電動機相的角度和速度命令信號輸出到轉換模塊30，在其中產生第一(或「命令」)參照系，該參照系與命令的電機速度和命令的轉子位置同步地旋轉。換句話說，該命令參照系以上述命令的速度旋轉。這裡的命令參照系還可以稱作「QDv」參照系(「QDv-FoR」)。轉換模塊30還接收電動機端子反饋19，並將相電流和相電壓轉換到上述命令參照系。
圖4更詳細地總體示出了轉換模塊30。如上所述，將電流和電壓信號從靜止的ABC參照系(「ABC-FoR」)轉換到命令參照系，所述命令參照系以命令速度旋轉並與命令的角度(轉子位置)同步地旋轉。轉換模塊30包括電流功能模塊30A和電壓功能模塊30B。該電流和電壓功能模塊30A、30B分別接收相電流101A、101B、101C和命令電壓102A、102B、102C，這些電流電壓被提供給驅動器20以用於施加到電動機端子15A、15B、15C上。每個功能模塊30A、30B還接收角度命令信號110。將所述相電流和電壓信息從ABC-FoR轉換到αβ0-FoR，然後轉換到QDv-FoR。電流信號121、122和電壓信號123、124由轉換模塊30輸出，所述模塊表示在命令參照系中的電流和電壓。
估值器模塊32從轉換模塊30接收電流和電壓信號121-124。圖5更詳細地示出了估值器32。估值器32包括磁鏈估值器32A和角度估值器32B。所述磁鏈估值器32A接收電流和電壓信號121-124，並同時從控制器22接收速度命令信號111，以及從低通濾波器164接收轉子估算速度的過濾表示(filtered representation)163。磁鏈估值器32A計算在命令參照系中的總磁鏈和磁體感生磁鏈的估值，從而，輸出總磁鏈估值信號131、132和磁體磁鏈估值信號133、134。然后角度估值器32B接收該磁體磁鏈信號133、134和角度命令信號110，以計算實際轉子角度140的估值。所述磁體磁鏈信號133、134在命令參照系中被角度估值器32B接收，並被轉換到αβ0-FoR。然後使用αβ0-FoR中的磁通量估值用於估算轉子的角度位置，並由角度估值器32B輸出對應信號140。
將轉子角度估值信號140提供給QDv到QDr的轉換功能模塊150，該模塊使用該信息把電流和電壓信號121-124從上述命令參照系(以所述命令速度旋轉，並與所述命令角度(轉子位置)同步)轉換到第二或「轉子」旋轉參照系，該參照系與估算的實際轉子速度同步地旋轉。該轉子參照系也可以稱作QDr參照系(「QDr-FoR」)。
兩個旋轉參照系(QDv-FoR和QDr-FoR)的使用在電機12的整個速度範圍內提供了更好的響應和高性能。由於命令參照系即使在起動時也與轉子參照系以幾乎相同的速度旋轉，因此，顯著減小了所需的控制器和估值器的增益。所述兩個旋轉參照系在系統達到穩定狀態時會迅速會聚，這樣第一和第二旋轉參照系將同步旋轉。第一和第二旋轉參照系以相同的速度旋轉的結果是，磁體磁鏈和總磁鏈的估值變成「DC」量，從而允許估值器誤差在穩定狀態時變為零。
轉換模塊150輸出在轉子參照系中的電流信號151、152和電壓信號153、154。在特定實施例中，過濾電流信號151、152並將其與輸入信號155、156一起提供給速度估值器。然後，速度計算器160使用轉子參照系中的電流和電壓信號151-156來計算實際轉子速度的估值162。將轉子角度和速度估值信號140、162和磁鏈估值信號131、132反饋給控制器22。圖6中更詳細地總體示出了控制器22。控制器22包括角度和速度命令發生器22A和磁通量控制器22B。角度和速度命令發生器22A接收速度請求信號24和估算速度信號162，並響應其輸出角度和速度命令信號110、111。
磁通量控制器22B包括在轉子參照系(與估算的實際轉子速度同步地旋轉)中操作的QDr磁通量控制器170。該QDr磁通量控制器170把磁鏈估值信號131、132從命令參照系(QDv-FoR)轉換到轉子參照系(QDr-FoR)。將速度命令111和估算的實際速度140、以及被轉換的磁鏈信號131、132施加到適當的控制規則，以產生在轉子參照系或QDr-FoR中的命令電壓信號。
更具體的是，在QDr磁通量控制器170中，比較命令速度111與估算速度162，並將在QDv FoR中的總磁鏈估值131、132轉換到QDr FoR中。從預定映射和所述速度誤差產生QDr FoR中的總磁鏈座標。將前饋項添加到磁鏈座標中並形成磁鏈誤差。最後，通過作用在QDr FoR磁鏈誤差上的QDr FoR磁鏈控制規則而產生QDr命令電壓。在可選實施例中，使用電流控制器來替代QDr磁鏈控制器170以控制電流而不是磁通量。
然後，在轉換功能模塊172中，將所述命令電壓信號從QDr-FoR轉換到靜止αβ0-FoR，再轉換到ABC-FoR，該模塊輸出電壓命令信號102A、102B、102C。但是，在起動或者零轉速時，端子反饋19對於QDr磁鏈控制器170的操作是無效的。因此，在本發明的示例實施例中包括開環起動控制器174。該起動控制器174從角度和速度命令發生器22A接收速度命令信號110，以產生開環角度命令信號。將合適的增益係數施加到該角度命令信號上，以為每個電機相產生開環起動電壓命令。將所述開環起動電壓命令提供給轉換模塊172，以產生合適的電壓命令信號102A、102B、102C。在其它示例實施例中，沒有使用開環起動控制器174，而是由QDr磁鏈控制器170產生需要的開環起動功能，該控制器170產生表示額定負載特徵的QDr FoR磁鏈座標部分。
附圖中提供了詳細的方框圖，示出了根據本發明實施例的示例控制系統的轉換和計算的詳細內容。
下面描述用於實施上述控制系統的示例方案。假設PM電機12由利用三相平衡供電的PMAC電動機組成。理想PMAC電動機的相磁鏈模型可以矩陣形式表示如下 同一PMAC電機的電(電壓)公式通常如下 磁體感生磁鏈可以寫為 磁體磁鏈對時間的微分可以寫為
公式1-4的每一個均可通過使用C和C_inv轉換到αβ0FoR。轉換公式如下fαβ0＝C·fabc (5)fabc＝C_inv·fαβ0 (6) 如下將公式1-4轉換到αβ0-FoR。理想PMAC電動機的相磁鏈模型公式1在αβ0-FoR參照系中被寫為 當Ra＝Rb＝Rc時，同一PMAC電動機的電(電壓)公式公式2在αβ0-FoR參照系中被寫為 磁體感生磁鏈的公式3在αβ0坐標系下被寫為
磁體感生磁鏈對時間的微分的公式4在αβ0坐標系下被寫為 求解公式9以得到αβ0下的電流的結果如下 將公式13代入公式10得 公式14可以簡化如下
解出上述磁鏈對時間的微分的結果如下 用於建立系統狀態模型的另一公式是轉矩公式。假定負載轉矩是完全慣性的 解出角速度(ωr_dot) 從公式13中替換Iα(t)和Iβ(t)，結果如下
化簡併以總磁鏈和磁體感生磁鏈λf_x’s和λx』_s的形式表達轉矩公式，唯一得出 利用公式17、16、11和12的，可以將λα、λβ、λf_α、λf_β作為狀態變量而表達狀態方程。
由於公式右邊的第二項包含狀態變量的積，因此公式21是非線性的。在假定估值器的收斂比由「過去值(past value)」所限定的操作點的變化快得多時，則公式22關於狀態變量的「過去值」(由xxxx_nom表示過去值)是線性變化的。但是，由於上述推薦方案使用αβ變量，因此變量估值以對應於電動機電頻率的循環頻率變化。當電動機電頻率接近線性估值器的「極點」時，上述假設將基本「瓦解」。如果將估算變量轉換到附在轉子上的參照系中，在其中狀態變量會變為穩態操作下的DC量，則可以緩解上述問題。
可以從公式13中推導出用於從磁鏈估值得出αβ電流估值(Iα_hat(t)和Iβ_hat(t))的計量方程(measurement equation)，其表示如下 靜止αβ0-FoR和QDv-FoR(與命令速度值θv(t)同步地旋轉)之間的轉換可以寫為 αβ0-FoR和QDv-FoR變量之間的關係是fQDv＝KQDv_αβ·fαβ (27)fαβ＝KQDv_αβ_inv·fQDv (28)下面把公式16、20從αβ0-FoR轉換到QDv-FoR。通過以λf_α(t)、λf_β(t)替換cos(θr(t))和sin(θr(t))項而重新表示公式16，並以矢量形式表示公式20。

用狀態變量λα(t)、λβ(t)、λf_α(t)和λf_β(t)重新表示公式30為 現在利用公式(28)所述的關係替換αβ變量，把公式29和31轉換到QDv-FoR 公式32的左邊展開為 用公式24給出的KQDv_αβ乘以公式35的兩邊得 解出d/dt(λqv(t))和d/dt(λdv(t))得 公式34也可以簡化如下 使用公式11和12(下面重寫的公式11和12隻具有αβ項)推導出λf_α(t)、λf_β(t)和d/dt(λf_α(t))、d/dt(λf_β(t))之間的關係。
公式11和12包含 利用公式28所示關係轉換αβ0-FoR中的變量，從而把公式38轉換到QDv-FoR(以角速度θv(t)旋轉)。
公式39的左邊如下展開 公式40的兩邊都乘以KQDv_αβ。
求出d/dt(λf_qv(t))和d/dt(λf_dv(t))為 公式42的可以簡化為如下形式。
公式36、37和43這三個公式可以用來建立系統狀態模型，被如下重寫 五個狀態變量 的非線性狀態方程可以寫為 下面，把公式13轉換到QDv-FoR以得出QDv-FoR中的計量方程。將公式13重寫如下 下面示出了僅以αβ-FoR磁通量項表示的公式13
替換αβ-FoR變量得到 下面示出公式46兩邊都乘以KQDv_αβ。
用標準的狀態變量形式，估算的QDv-FoR電流可以表示為 公式48(如上)和公式44(重寫為如下)一起形成了標準形式的系統狀態模型。
下面考慮上述系統狀態方程的兩個修改。首先是公式44的線性化
符號「xxx_1」表示變量的最終值(last value)。在使用上述估值器形式的情況下，假設所有狀態相對於估值器的收斂速率幾乎不變。計量方程48保持不變。在假設公式49的「A」矩陣的所有矩陣元基本不變下，可以利用極點配置(pole placement)設計「增益預定」的觀測器。極點配置問題變為求解下述公式以得出K。
eigenvals(A-K·C)＝Desired_poles(50)其中的A、K、C定義如下 在降階實施中，其中ωr(t)不直接由估值器估算，所述狀態和增益矩陣變為
降階狀態方程可寫為 一旦估算出λf_qv(t)和λf_dv(t)，可利用公式25將這些量轉換回αβ0-FoR。
可以利用角度(第四象限atan函數)計算轉子位置估值(θr_hat(t))。
θr_hat(t)＝angle(λf_α_hat(t)，λf_β_hat(t)) (59)可以從αβ0-FoR中的公式9、10(相磁鏈模型和理想PMAC電動機的電方程)中推導出計算轉子速度(ωr(t))的方法。因此，轉子速度的計算不僅僅可以基於求相磁鏈的微分，還可以通過以「最小二乘」法求解兩個公式而得出一個變量。這樣提供了對於參數變化更準確(robust)的轉子速度估值。將只含有αβ分量的公式9、10重寫如下 將公式9對時間求微分得 現在可以將公式60代入公式10以形成完整的電壓方程。
利用轉子位置估值將公式61轉換到QDr-FoR(與轉子同步旋轉)。首先利用公式28所述關係替換αβ變量。
公式62的右邊最後一項如下展開 用KQDr_αβ乘以公式63的兩邊得 公式64可以被看作具有一個未知數。以ωr(t)作為獨立變量表示公式64為
以「最小二乘」法解公式65得出ωr(t) 這裡pinv(X)定義為pinv(X)＝(XT·X)-1·XT(67)從而，求出ωr(t)為 以通常的2x1A矩陣表示pinv(X)函數為 用ωr(t)替換ωv(t)，可以從公式57中推導出系統在QDr FoR中的磁鏈控制規則。
狀態變量λf_qr(t)、λf_dr(t)(磁鏈的磁體感生部分)及其微分是不可控的。公式70可以簡化為僅含有兩個可控的狀態變量λqr(t)、λdr(t)及其微分，並包括λf_qr(t)、λf_dr(t)作為外部固定輸入。

控制輸入為Vqr和Vdr。如下所示，如果Vqr(t)和Vdr(t)都含有消去項(canceling term)，則可以消除λqr(t)和λdr(t)對ωr(t)的依賴Vqr_tot＝Vqr_cancelling+Vqr_tracking (72)Vdr_tot＝Vdr_cancelling+Vdr_tracking (73)替換消去項和跟蹤項(tracking term)得Vqr_tot＝ωr(t)·λdr(t)+Vqr_track (74)Vdr_tot＝(-1)·ωr(t)·λqr(t)+Vdr_track (75)λqr_ref和λdr_ref的選擇通常依賴於電機所需的轉矩。在該特定實施的特定電動機模型的QDr-FoR中，λf_qr＝λf，λf_dr＝0。以λqr、λdr、λf_qr、λf_dr表示的QDr-FoR中的轉矩公式表式為 描述QDr-FoR中的磁體感生磁鏈的項λf_qr和λf_dr，給出如下 由於λf_dr＝0，因此λqr可以取任意值，而不影響電動機在該特定實施的電動機模型的特定情況下產生的轉矩。意識到這點後，當需要得到每單位安培的最大轉矩時(Iqr＝0)，可以使λqr_ref與λf相等。
可以將公式77代入公式76。
如果設計機械系統為完全慣性的，則Te＝Tm＝J*ω_dot，狀態方程可以用狀態矢量 項表達，其中ωr_m為轉子的機械角速度。
Vqr(t)和Vdr(t)可以利用公式74、75替換
簡化公式80得到 公式81描述了一個三狀態線性系統。在特定實施中，上述系統包含對λqr、λdr反饋的比例積分(「PI」)調節、和對ωr_m的PI調節。可以將跟蹤輸入(tracking input)Vqr_track和Vdr_track表示為PI反饋控制規則。
為了求出P和I增益，可以定義兩個新的狀態，其表示λqr(t)和ωr_m(t)對時間的積分。
公式82可以利用公式83重新表示為 利用公式84擴充公式81可以得到新的狀態方程
輸入λqr_int_ref(t)和θr_m_ref(t)是虛擬的，其來源於(ωr_m_ref-ωr_m)和(λqr_ref-λqr)的積分部分。公式85可以分解為兩個獨立公式 然後通過選擇Kλqr_P、Kλqr_I、Kλdr_P、Kωr_m_P、Kωr_m_I，把控制器的設計變為配置公式86、87的極點。
上述特定實施例僅僅是示例性的，對於受益於本發明的本領域技術人員顯然的是，可以以不同但等效的方式對本發明進行修改和實施。例如，可以在上述各種轉換中包括諧波，從而允許用方波激勵相繞組。另外，這裡所示的結構或設計細節只能由下面的權利要求書的描述限制。因此，很明顯，可以對上述公開的具體實施例進行變化和修改，並且所有這些變形應被認為落在本發明的範圍和精神內。從而，在下面的權利要求書中給出本文請求保護的範圍。
權利要求
1.一種控制永磁體旋轉電機的方法，所述電機包括定子和相對於所述定子旋轉的轉子，所述定子在其中具有多個可激勵相繞組，所述方法包括接收轉子速度請求；響應所述速度請求產生轉子速度命令；產生第一旋轉參照系，其以所述命令的轉子速度旋轉；接收相繞組激勵反饋；將所述相繞組激勵反饋從靜止參照系轉換到所述第一旋轉參照系；估算實際轉子位置；產生第二旋轉參照系，其與所述估算的實際轉子位置同步地旋轉；將所述激勵反饋從所述第一旋轉參照系轉換到所述第二旋轉參照系；估算實際轉子速度；計算相激勵命令；以及將所述相激勵命令從所述第二旋轉參照系轉換到所述靜止參照系。
2.如權利要求0所述的方法，還包括根據所述轉子速度命令計算轉子位置命令，並且其中根據所述轉子位置命令產生所述第一旋轉參照系。
3.如權利要求0所述的方法，其中接收相繞組激勵反饋包括測量相電流。
4.如權利要求0所述的方法，還包括響應所述相激勵命令激勵所述相繞組。
5.如權利要求0所述的方法，其中激勵所述相繞組包括將正弦波激勵電流施加到所述相繞組上。
6.如權利要求0所述的方法，還包括利用三相平衡供電激勵所述相繞組，其中將所述相繞組反饋從所述靜止參照系轉換到所述第一旋轉參照系包括將所述激勵反饋從ABC參照系轉換到αβ0參照系。
7.如權利要求0所述的方法，還包括根據所述激勵反饋估算總相磁鏈和磁體感生磁鏈。
8.如權利要求0所述的方法，還包括根據所述估算的磁體感生磁鏈估算所述實際轉子位置。
9.如權利要求0所述的方法，還包括利用三相平衡供電激勵所述相繞組，其中估算所述實際轉子位置包括將所述估算的磁體感生磁鏈從所述第一旋轉參照系轉換到所述αβ0參照系。
10.如權利要求0所述的方法，其中估算所述實際轉子速度包括求解兩個方程以解出一個未知數。
11.一種用於包括轉子和定子的永磁體旋轉電機的控制系統，所述控制系統包括估值器，其可以用於計算轉子速度的估值，所述估值器具有輸入端，用於從所述永磁體旋轉電機接收第一旋轉參照系中的激勵反饋；以及輸出端，用於提供第二旋轉參照系中的所述轉子速度估值；以及控制器，其具有輸入端，用於接收轉子速度請求和所述轉子速度估值；所述控制器還具有輸出端，用於提供控制信號，以響應所述轉子速度請求和轉子速度估值信號控制對所述永磁體旋轉電機的激勵。
12.如權利要求0所述的控制系統，還包括功能模塊，其可以用於將所述激勵反饋從靜止參照系轉換到所述第一旋轉參照系。
13.如權利要求0所述的控制系統，其中所述控制器還包括角度控制器，其可以用於響應所述轉子速度請求計算轉子位置命令，其中所述功能模塊被連接到所述控制器上以接收所述轉子位置命令，並響應所述轉子位置命令產生所述第一旋轉參照系，使所述第一旋轉參照系與所述請求的轉子速度同步地旋轉。
14.如權利要求0所述的控制系統，其中所述估值器包括角度估值器，其可以用於計算轉子位置估值，其中所述第二旋轉參照系響應所述估算的轉子位置被產生，使得所述第二旋轉參照系與所述估算的轉子速度和位置同步地旋轉。
15.如權利要求0所述的控制系統，其中所述估值器包括磁鏈估值器，其可以用於根據所述接收的激勵反饋計算所述永磁體旋轉電機的總相磁鏈和磁體感生磁鏈的估值，其中所述角度估值器接收所述磁體感生磁鏈估值，並且其中根據所述磁體感生磁鏈估值計算所述轉子位置估值。
16.如權利要求0所述的控制系統，其中所述控制器包括起動控制器，其可以用於產生開環控制信號，用於響應所述轉子速度請求控制對所述永磁體旋轉電機的激勵。
17.如權利要求0所述的控制系統，其中所述角度控制器還可以用於響應所述轉子速度請求計算轉子速度命令，並且其中所述控制器還包括被耦合到所述角度控制器上的起動控制器，所述起動控制器可以用於產生開環控制信號，用於響應所述轉子速度命令控制對所述永磁體旋轉電機的激勵。
18.一種永磁體旋轉電機系統，包括定子，其在其中具有多個可激勵相繞組；轉子，其被設置為相對於所述定子旋轉；驅動器，其被連接在所述相繞組上用於向其提供電源；估值器，其被耦合在所述相繞組上以接收第一旋轉參照系中的激勵反饋，所述估值器根據所述激勵反饋計算第二旋轉參照系中的轉子速度估值；以及控制器，其具有用於接收轉子速度請求的輸入端，所述控制器被連接到所述估值器上以接收所述轉子速度估值，所述控制器向所述驅動器提供控制信號，用於響應所述轉子速度請求和轉子速度估值信號控制施加到所述相繞組上的電源。
19.如權利要求0所述的永磁體旋轉電機系統，其中所述驅動器給所述相繞組提供正弦波激勵電流。
20.如權利要求0所述的永磁體旋轉電機系統，其中所述驅動器利用三相平衡供電提供激勵電流。
21.如權利要求0所述的永磁體旋轉電機系統，還包括功能模塊，其可以用於將所述激勵反饋從靜止參照系轉換到所述第一旋轉參照系。
22.如權利要求0所述的永磁體旋轉電機系統，其中所述控制器包括角度控制器，其可以用於響應所述轉子速度請求計算轉子位置命令，並且其中所述功能模塊被連接到所述控制器上以接收所述轉子位置命令，並響應所述轉子位置命令產生所述第一旋轉參照系，使所述第一旋轉參照系與所述請求的轉子速度和位置同步地旋轉。
23.如權利要求0所述的永磁體旋轉電機系統，其中所述估值器包括角度估值器，其可以用於計算轉子位置估值，其中所述第二旋轉參照系響應所述估算的轉子位置而被產生，使得所述第二旋轉參照系與所述估算的轉子速度同步地旋轉。
24.如權利要求0所述的永磁體旋轉電機系統，其中所述估值器包括磁鏈估值器，其可以用於根據所述激勵反饋計算所述永磁體旋轉電機的總相磁鏈和磁體感生磁鏈的估值，其中所述角度估值器接收所述磁體感生磁鏈估值，並根據所述磁體感生磁鏈估值計算所述轉子位置估值。
25.如權利要求0所述的永磁體旋轉電機系統，其中所述控制器包括起動控制器，其可以用於產生開環控制信號，用於響應所述轉子速度請求控制施加到所述相繞組上的電源。
全文摘要
一種永磁體旋轉電機控制系統和方法，其包括用於計算所述電機轉子速度估值的估值器。所述估值器從電機接收第一旋轉參照系中的激勵反饋，並輸出第二旋轉參照系中的轉子速度估值。控制器接收轉子速度請求和轉子速度估值，並響應所述轉子速度請求和轉子速度估值信號，輸出控制信號用於控制所對述電機的激勵。所述第一旋轉參照系以所述命令的轉子速度旋轉，所述第二旋轉參照系以所述估算的實際轉子速度旋轉。
文檔編號H02P6/14GK1748357SQ200380109649
公開日2006年3月15日 申請日期2003年12月9日 優先權日2002年12月11日
發明者J·G·馬爾欽凱維奇 申請人:艾默生電氣公司