用於ac電機的位置無傳感器控制算法的製作方法

2023-05-10 02:33:36

專利名稱：用於ac電機的位置無傳感器控制算法的製作方法
技術領域：
本發明涉及電動機的控制，更具體地說，本發明涉及一種用於電動機的位置無傳感器控制的方法和設備。
背景技術：
傳統的電動機控制系統通常包括反饋裝置或位置傳感器(例如解算器或編碼器)，以將速度和位置信息提供給電動機。反饋裝置和與其關聯的接口電路增加了電動機控制系統的成本，並且這些成本可能在諸如汽車應用的高容量應用中成為禁止性的。另外，位置傳感器和它所關聯的線束增加了車輛的電傳動系統的複雜性和裝配時間。
由燃料電池、電池和包括電動機的混合系統提供動力的電動車輛在汽車市場中變得更加普遍。隨著電動車輛生產量的增加，反饋裝置和所關聯的接口電路的成本將會變得相當大。汽車製造商面臨降低成本並減少車輛零件數量的激烈的市場壓力。從電動機控制系統中除去反饋裝置將會導致電動車輛的成本相當大地減少。
當今的混合電和電動車輛利用多種電動機控制技術，例如電動機的矢量控制。矢量電動機控制方案是計算密集的電動機控制方案，其將三相電動機的相電壓/電流映射到兩軸的坐標系中。被用於激勵使用矢量控制方案的電動機的結構是典型的三相電源換流器，其包括六個使輸出電壓適合電動機的功率電晶體。矢量控制需要轉子位置信息，其通常通過反饋裝置或位置傳感器獲得。位置無傳感器控制的目的是利用AC電機的電磁特性獲得轉子的位置信息，消除位置傳感器和它所關聯的接口電路。

發明內容
本發明是在電和混合電動車輛動力系統應用中所使用的無傳感器控制系統的方法和設備。本發明的無傳感器電動機控制系統包括低速角度位置估計方法、初始轉子極性檢測方法、在低速和高速方法之間轉換的算法、修正的Gopinath觀測器、場削弱方法和/或六步驟的操作。


圖1是本發明的控制系統的方框圖；圖2是說明用於本發明的控制的可能的定向框架的矢量圖；圖3是用於本發明的修正的Gopinath觀測器的方框圖；圖4是用於本發明中的六步驟操作的控制器的方框圖；以及圖5是進入和跳出六步驟操作的轉換的狀態流程圖。
具體實施例方式
圖1是本發明的控制系統10的優選實施例的簡圖。該控制系統10圖示為表示在控制器、微處理器或類似裝置中執行的軟體以控制電動機12的一連串的方框圖。在本發明優選實施例中，控制器是控制電動機12的車輛動力系統控制器，但是任何其它的電動機控制應用被認為在本發明的範圍內。電動機可以包含動力技術，例如AC電機、同步磁阻電動機、感應電動機和內部永磁電動機，但並不局限於此。控制系統的輸入是由車輛控制器產生的轉矩指令Te。該轉矩指令Te由最優轉矩/電流強度計算塊14處理，以生成電動機12中產生期望的電磁轉矩所需要的對應的定子電流指令Is和電流角度指令β。在場削弱塊15中基於測量的DC連接電壓Vdc和轉子角速度ωr產生場削弱定子通量λfw。如果定子通量指令λ超過場削弱定子通量指令λfw。塊16將會修改指令λ和δ。
在塊14產生的定子電流指令Is和電流角度指令β被送到定子通量和轉矩角度計算塊16。塊16處理指令的定子電流Is和電流角度指令β，並將其分解成定子通量指令λ和轉矩角度指令δ，以將最大的轉矩提供給給定的定子電流幅度。
求和點18從定子通量指令λ中減去反饋定子通量λfb以產生修正量(error)。求和點20從轉矩角度指令δfb中減去反饋轉矩角度δfb以產生修正量。求和點18所產生的修正量由比例積分(PI)控制塊22處理以產生控制輸出。求和點20所產生的修正量由乘法塊24處理，其中其與反饋定子通量λfb相乘。在比例控制塊26中處理塊24的輸出。
PI控制塊22的輸出在求和點28與定子阻抗電壓降退耦項RsIf相加，以產生f軸的電壓指令Vf。比例控制塊26的輸出在求和點30與τ軸退耦項(定子阻抗電壓降加上速度電壓)ωrλfb+Rsiτ相加，以產生τ軸的電壓指令Vτ。Vf和Vτ在旋轉到靜止框架轉換塊32中使用估計的定子通量角度位置θf進行處理，以將定子通量基準框架電壓指令Vf和Vτ轉換為靜止框架電壓指令Vα1和Vβ1。高頻注入信號Vα_inj和Vβ_jnj在求和點34和36被加到靜止框架電壓指令Vα1和Vβ1，以產生最終的電壓指令Vα和Vβ，電壓指令Vα和Vβ產生施加到電動機12的實際相位電壓指令。電壓源換流器38使用兩相至三相轉換來處理最終的電壓指令Vα和Vβ，以產生施加到電動機12的實際的三相電壓。
由三相至兩相轉換塊40測量和處理相位電流。該塊40的輸出是靜止框架電流Iα和Iβ。靜止到旋轉框架轉換塊42使用靜止框架電流Iα和Iβ以及估計的轉子角度位置θf，以產生定子通量基準框架反饋電流If和Iτ。
本發明進一步包括所述電機的位置無傳感器控制，其包括在塊44的低速轉子角度位置估計方法/觀測器；在塊46的初始轉子極性檢測方法；在塊48的高速轉子角度位置估計方法/觀測器；修正的Gopinath觀測器塊50；以及無縫結合低速和高速估計方法的轉換開關54。
圖1的塊44表示本發明的低速估計方法。低速方法44使用靜止基準框架定子電流分量Iα和Iβ以估計轉子角度位置θr_low。類似地，高速方法48使用靜止基準框架定子電流分量Iα和Iβ以及估計的定子通量位置θf以估計轉子角度位置θr_high。開關54基於估計的轉子速度來選擇合適的轉子角度位置θr。
修正的Gopinath觀測器50處理θr、靜止框架電壓Vα和Vβ以及靜止基準框架電流Iα和Iβ。修正的Gopinath觀測器50計算估計的定子通量角度θf、反饋定子通量λfb和反饋轉矩角度通量δfb。
在本發明的優選實施例中，d軸的感應係數比q軸的感應係數高，並且所述電機的磁北極定向在(-)q軸方向。但是，如果所述電機的q軸的感應係數比d軸的感應係數高，那麼提出的控制方案將仍然有效。圖2是表示用於控制的可能的定向框架的矢量圖。α軸和β軸用作靜止基準框架控制。在靜止基準框架中，控制變量是AC時間變化信號。優選的是，使用旋轉基準框架以供控制，其中控制變量是DC量。同步基準框架(轉子定向的基準框架，或d-q框架)和定子通量基準框架(f-τ基準框架)兩者都是在穩定狀態中的具有DC控制變量的旋轉基準框架。
對於高度飽和的電機而言，d-q框架電壓方程有雙向的交叉耦合項，其能限制同步電流控制器的帶寬。下面的方程(1)表示說明交叉耦合效應的d-q基準框架中的定子電壓方程。
vdse=rsidse+Lddidsedt+idseLdiqsediqsedt-rqse---(1)]]>vqse=rsiqse+Lqdiqsedt+iqseLqidsedidsedt+rdse]]>在方程(1)中，每個電壓方程的最後兩項是交叉耦合項。因為d軸的感應係數比q軸的感應係數大得多，所以d軸的時間常數比q軸的長得多。由於交叉耦合項而引入到d軸電壓方程中的任何幹擾，將由於長的時間常數而對d軸電流調整有極小的影響。然而，由於交叉耦合項引入到q軸電壓方程中的幹擾將對q軸電流調整有相當大影響。因此，試圖增加電流調整器帶寬將會導致不穩定的操作。為了克服這些限制，期望的是，將控制器基準框架改變為定子通量基準框架(f-τ基準框架)。在定子通量基準框架中的該電機的方程能如下面的方程(2)和(3)所示的來描述ddt=vf-rsif---(2)]]>ddt=v-rsi-r---(3)]]>從方程(2)中可以看出，從τ軸到f軸沒有交叉耦合。然而，從f軸到τ軸有單向耦合。該單向交叉耦合在控制中容易退耦。由於上述的原因，可以看出，定子通量定向控制比轉子通量定向控制更適合該類型的電機。
圖3所示的修正的Gopinath觀測器50用於估計定子通量角度θf、反饋定子通量λfb和反饋轉矩角度δfb。靜止框架電流Iα和Iβ被輸入到觀測器。靜止到同步基準框架轉換模塊60使用轉子角度位置θr，將靜止框架電流轉換為同步基準框架。電機電流模塊62計算同步基準框架中的電機的定子通量。同步到靜止基準框架轉換模塊64使用轉子角度位置θr，將同步框架定子通量轉換為靜止基準框架。
定子阻抗增益模塊66和加法器68與靜止基準框架電壓Vα和Vβ以及電流Iα和Iβ一起使用，以計算靜止框架反EMF。積分器70用於對反EMF積分，以基於電壓模塊計算定子通量。
電流模塊在較低速度時更為精確，而基於計算的電壓模塊在較高速度時更為精確。因此，塊72、74和76被用來基於轉子速度將定子通量計算從電流模塊平滑地轉換到電壓模塊。方程(4)描述塊72、74和76是如何在作為電頻率ωe的函數的電壓模塊通量估計λαβ -VM與電流模塊通量估計λαβ-CM之間導致平滑轉換的。在方程(4)中還示出了觀測器特性函數F(s)。模塊72PI增益的設置如方程(5)中所示。塊76保證在定子通量矢量所估計的電壓模塊和電流模塊之間的最佳轉換軌跡。模塊80使用反正切函數來計算定子通量角度位置θf。
λαβ＝F(s)·λαβ-VM+[1-F(s)]·αβ-CMF(s)=s2s2+Kps+Kie-j---(4)]]>=-tan-1(KpeKi-e2)]]>其中Kp=2c]]>Ki=c2---(5)]]>ωc＝轉換頻率修正的Gopinath觀測器50用於估計在所有速度下的定子通量角度θf。轉換開關54根據轉子速度自動選擇合適的輸入θr。
利用模塊15獲得場削弱操作。方程(6)是用於計算基於DC連接電壓和轉子速度的場削弱的定子通量指令。
fw=VDCKfw3r---(6)]]>在所有的操作條件下，將λfw與λ比較。較低的通量指令由控制器用作最終的通量基準。如果選擇了場削弱定子通量指令λfw，那麼指令計算模塊16基於新的通量指令λfw和轉矩指令Te重新計算最優的轉矩角度指令δ。
在圖4中所示的圖說明所提出的在六步驟操作期間允許轉矩調整的控制。在六步驟操作期間，固定施加到定子的電壓。因此，控制器中只有一個自由度。通過調整轉矩角度δ來控制轉矩，其又控制關於同步基準框架的d軸的電壓角度α。圖5示出描述進入和跳出六步驟操作的轉換的狀態流程圖。
參考圖4，開關100在正常操作和六步驟操作之間轉換。在正常操作期間，圖1中的圖產生靜止框架電壓指令Vα1和Vβ1。當變量Flag_six變為真時，由六步驟控制模塊102提供電壓指令Vα1和Vβ1。
六步驟控制模塊102調整轉矩角度δ，其又控制施加到電機的電壓角度。使用求和點104對轉矩角度指令δ與轉矩角度反饋δfb進行比較，其輸出被饋送到PI調整器106。PI調整器的初始狀態被設置成提供進入和跳出六步驟操作的無縫轉換。前饋電壓角度計算模塊108計算更快動態性能的前饋電壓角度αff。加法器110將PI調整器輸出和前饋電壓角度αff相加以產生最終的電壓角度α。使用求和點112將電壓角度α加到轉子角度位置θr以產生靜止框架電壓角度。塊114利用求和點112的輸出和最大可用電壓(六步驟的電壓)以產生指令電壓Vα1和Vβ1。
圖5詳述描述圖4中的轉換標誌Flag_six的設置的狀態流程圖。整個流程圖在每個抽樣期間執行。決策塊120將實際的轉子速度ωr與預定的最小閾值速度ωrth相比較。如果轉子速度比預定的最小閾值速度小，那麼在塊122中Flag_six被設置為0(在圖1中描述的控制定向的正常定子通量)。否則，決策塊124被用於將施加的定子電壓Vm和預定的最大閾值電壓Vth相比較。如果施加的定子電壓比Vth小，那麼在塊122中Flag_six被設置為0。否則，在塊126中Flag_six被設置為1(六步驟的操作)。該控制保持在該操作模式直到決策塊130的條件定為真。塊130檢測估計的定子通量超過指令的定子通量的情況。如果為TRUE，則有足夠的可用的電壓以退出六步驟操作，並返回正常定子通量定向控制。
應該理解的是，本發明並不限於如上圖示和描述的確切的構造，但不背離下列的權利要求所定義的本發明的精神和範圍，可以對本發明進行各種不同的改變和修改。
權利要求
1.一種用於具有轉子和定子的電動機的控制系統，其包括換流器，用於給所述電動機提供電源；控制器，用於控制所述換流器；低速控制塊，其使用在所述控制器中操作的定子電流分量來估計所述轉子的角度位置；高速控制塊，其使用在所述控制器中操作的定子通量位置和定子電流分量估計所述轉子的角度位置；轉換開關，在所述控制器中變換所述低速控制塊和所述高速控制塊之間的操作；並且其中所述換流器由六步驟操作控制。
2.如權利要求1所述的控制系統，其中所述電動機是感應電動機。
3.如權利要求1所述的控制系統，其中所述電動機是內部永磁電動機。
4.如權利要求1所述的控制系統，其中所述電動機是同步磁阻電動機。
5.如權利要求1所述的控制系統，其中所述電動機是三相電動機。
6.如權利要求1所述的控制系統，進一步包括Gopinath觀測器。
7.如權利要求1所述的控制系統，其中所述轉換開關在額定電機速度的百分之十以下操作所述第一電動機速度控制塊。
8.如權利要求1所述的控制系統，其中所述的轉換開關在額定電機速度的百分之五以上操作所述第二電動機速度控制塊。
9.一種控制電動機的無傳感器方法，其包括提供在控制器中操作的低速轉子角度位置塊；提供在所述控制器中操作的高速轉子角度位置塊；提供在所述控制器中操作的初始轉子極性檢測塊；在所述低速轉子角度位置塊和所述高速轉子角度位置塊之間進行轉換，以確定所述電動機的速度；以及用六步驟操作來控制所述電動機的速度。
10.如權利要求9所述的方法，進一步包括在車輛中操作所述電動機。
11.如權利要求9所述的方法，進一步包括確定處於靜態的所述電動機的轉子磁位置的步驟。
12.一種用於車輛的動力系統，其包括電動機，其功能地耦合到所述車輛的輪子；換流器，用於給所述電動機提供電源；控制器，用於控制所述換流器；低速控制塊，其使用在所述控制器中操作的定子電流分量估計轉子角度位置；高速控制塊，其使用在所述控制器中操作的定子通量位置和定子電流分量估計所述轉子角度位置；轉換開關，其在所述控制器中變換所述低速控制塊和所述第二高速控制塊之間的操作；以及其中所述換流器由六步驟操作控制。
13.如權利要求12所述的動力系統，其中所述電動機是感應電動機。
14.如權利要求12所述的動力系統，其中所述電動機是內部永磁電動機。
15.如權利要求12所述的動力系統，其中所述電動機是同步磁阻電動機。
16.如權利要求12所述的動力系統，其中所述電動機是三相電動機。
17.如權利要求12所述的動力系統，其中所述轉換模塊基於所述電動機的速度變換所述第一控制模塊和所述第二控制模塊之間的操作。
18.如權利要求12所述的動力系統，其中所述電動機包括內部永磁轉子。
全文摘要
一種用於具有定子和轉子的電動機的控制系統，其包括給電動機提供電源的換流器，控制換流器的控制器，使用在控制器中操作的定子電流分量估計轉子角度位置的低速控制塊，使用在控制器中操作的定子通量位置和定子電流分量估計轉子角度位置的高速控制塊，在控制器中變換低速控制塊和高速控制塊之間的操作的轉換開關，並且其中換流器由六步驟操作來控制。
文檔編號H02P6/18GK1809956SQ200480017338
公開日2006年7月26日 申請日期2004年6月22日 優先權日2003年6月23日
發明者S·E·舒爾茨, N·R·帕特爾, J·M·納加施馬, S·K·蘇爾, B·-H·貝 申請人:通用汽車公司