同步电动机驱动器中的参数不平衡的检测

技术领域

本公开涉及电动机，特别涉及用于检测同步电动机驱动器中的参数不平衡的系统和方法。

背景技术

利用同步机的电动机驱动应用可能在制造期间和/或操作期间易受参数不平衡的影响。然而，一些要求和/或规程规定某些机器满足最小的零件间变差(part-to-partvariation)。例如，对噪音、振动和声振粗糙度敏感的高性能运动控制应用(特别是涉及批量生产的性能运动控制应用，诸如电动助力转向(EPS))需要满足以下要求：规定机器满足最小的零件间变差。受到这种要求的同步电动机驱动器所表现出的参数不平衡可能难以符合这些要求。

发明内容

本公开总体涉及同步电动机驱动器中的参数不平衡的检测。

所公开的实施例的一方面包括一种用于检测同步电动机驱动器中的不平衡的系统。所述系统包括同步电动机。所述系统包括处理器和存储器。存储器包括指令，所述指令在被处理器执行时使处理器：读取输出电压信号；从输出电压信号提取参数不平衡的特征，其中，参数不平衡在同步电动机驱动器中；响应于提取参数不平衡的特征，基于同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数；确定同步电动机的至少一个相位，在所述至少一个相位中特定参数表现出参数不平衡。

所公开的实施例的另一方面包括一种用于检测同步电动机驱动器中的不平衡的方法。所述方法包括读取输出电压信号。所述方法还包括从输出电压信号中提取参数不平衡的特征。参数不平衡在同步电动机驱动器中。响应于提取参数不平衡的特征，所述方法还包括基于由所述同步电动机驱动器控制的同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数。所述方法还包括确定同步电动机的至少一个相位，在所述至少一个相位中特定参数表现出参数不平衡。

所公开的实施例的另一方面包括一种电子装置。所述电子装置包括处理器和存储器。存储器包括指令，所述指令在被处理器执行时使处理器：读取输出电压信号；从输出电压信号中提取参数不平衡的特征，其中，参数不平衡在同步电动机驱动器中；响应于提取参数不平衡的特征，基于同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数；确定同步电动机的至少一个相位，在所述至少一个相位中特定参数正在表现参数不平衡。

在以下对实施例的详细描述、所附权利要求以及附图中公开了本公开的这些和其他方面。

附图说明

通过以下结合附图阅读时的详细描述使本公开被最好地理解。要强调的是，按照惯例，附图的各种特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。

图1总体示出根据本公开的原理的参数不平衡检测和识别系统。

图2A至图2C总体示出根据本公开的原理的包含了参数不平衡的数学模型的框图。

图3更详细地示出根据一些实施例的不平衡检测器104。

图4总体示出根据本公开的原理的控制器系统。

图5是总体示出根据本公开的原理的参数不平衡检测和识别方法的流程图。

具体实施方式

以下的讨论针对所公开的主题的各个实施例。尽管这些实施例中的一个或多个可以是优选的，但是所公开的实施例不应被解释为或者被另外被用作对本公开的包括权利要求在内的范围的限制。另外，本领域技术人员将理解，以下的描述具有广泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅旨在作为那个实施例的示例，而并不意图暗示将公开的包括权利要求在内的范围限于那个实施例。

如将描述的，使用同步电动机驱动器的机器(例如，车辆、轮船、飞机、无人机、动力设备、堆场设备、泵、压缩机等)可能在制造期间和/或操作期间易受参数不平衡的影响。例如，电动机驱动器、转换器和/或其他电路可能遇到参数不平衡的情况。高性能运动控制系统应用，特别是涉及批量生产的高性能运动控制系统应用(诸如电动助力转向(EPS))会对噪声、振动和声振粗糙度敏感并且会规定最小的零件间变差。在此类系统中未检测到的和/或未校正的参数不平衡会导致整体系统性能下降和/或故障。然而，针对参数不平衡在同步电机的制造侧和/或生产侧采用严格的公差可能会很昂贵。此外，整个系统的劣化会缩短同步电动机的寿命和/或可能降低消费者购买包括同步电动机的EPS系统的可能性。因此，期望的是检测并识别参数不平衡。

某些非线性效应，诸如温度或故障模式，可能会导致在机器的行为中发生重大变化。这些非线性效应可能表现为同步电动机驱动器中的参数不平衡。这种非线性效应的检测、识别和/或校正对于改善包括同步电动机驱动器在内的控制同步电动机的机器的性能可能是有益的。

因此，系统和方法(诸如本文描述的系统和方法)可以被配置为通过提供用于检测和识别参数不平衡以及基于参数不平衡执行预防动作的技术来解决上述问题。在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以被配置为使得能够检测参数不平衡、从检测到的参数不平衡中学习，并补偿参数不平衡引起的对同步电动机驱动器的影响。

在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以被配置为提供用于实时检测反馈控制的同步电动机驱动器中的相位间参数不平衡的技术。本文描述的系统和方法可以被配置为使用各种数学模型来检测参数不平衡、基于同步电动机驱动器的操作条件识别哪个参数不平衡，和/或确定同步电动机驱动器的至少一个相位，其中在所述至少一个相位处特定参数具有不平衡。

在一些实施例中，本文描述的系统和方法可以被配置为基于所识别的处于不平衡的参数和/或被确定为具有不平衡参数的至少一个相位来执行预防动作。预防动作可以包括使处于特定相位的不平衡参数重新平衡或其他合适的预防动作。

本文描述的系统和方法被配置为至少提供检测和识别同步电动机中的任何类型的参数不平衡的益处。本文描述的系统和方法适用于各种机器配置(例如，永磁体或绕线式、隐极式或凸极式、多相等)。此外，本文描述的系统和方法可以在同步电动机正在操作时由用于实时检测、识别和/或校正的处理器实施。本文描述的系统和方法也可以由制造工厂的处于生产线末端的处理器(EOL)实施。

图1总体示出根据本公开的原理的参数不平衡检测和识别系统(例如“PIDI系统”)100。PIDI系统100可以包括电流控制器102、不平衡检测器104、脉冲宽度调制器112、逆变器114、同步电动机116、电流感测组件118和电流估计组件120。应当注意的是，在PIDI系统100中可以根据需要而包括更少的或更多的组件以执行本文所公开的技术，并且所描绘的组件是用于解释性的目的。同步电动机116可以产生用于为机器(诸如本文描述的机器)供电的旋转力或线性力。PIDI系统100的各个组件可以用作同步电动机驱动器130的一部分(例如，电流控制器102、脉冲宽度调制器112、逆变器114或其某种组合)。同步电动机驱动器130可以是利用并控制传送到同步电动机116的电能的电子装置。同步电动机驱动器130可以将电压以变化的量和变化的频率馈送到同步电动机116中，从而间接地控制同步电动机116的速度和转矩。

电流控制器102可以接收命令电流(I*)，所述命令电流(I*)是由用户使用计算装置输入的或者是在默认情况下针对同步电动机116被预先编程的。在一些实施例中，在反馈控制的同步电动机驱动器130中使用电流控制器102以最小的误差跟踪命令电流。电流控制器102将输出电压信号传输到脉冲宽度调制器112。脉冲宽度调制器112可以控制在恒定时间段内输出电压信号为高相对于输出电压信号为低时的时间比例。这种控制输出电压信号为高和低时的时间比例的技术可以控制同步电动机116的方向。逆变器114可以是电压源逆变器，并且可以改变馈送到同步电动机116的电压的频率以控制同步电动机116的转矩。同步电动机116可以接收输出电压信号(V)作为输入。同步电动机116可以使用输入电压并且产生可以与命令电流相等的电流量或与命令电流不同(例如，当存在参数不平衡时)的电流量。

可以通过电流感测组件118感测从同步电动机116输出的电流(I)。可以使用能够检测电路中的电流的任何合适类型的电流感测组件118，诸如电流传感器。电流感测组件118可以向电流估计组件120提供指示电流的信号。电流估计组件可以能够接收指示电流的信号并且测量由同步电动机116输出的电流量。电流估计组件120将估计电流

电流控制器102可以接收估计电流并将其与命令电流进行比较。如果存在任何差异，则电流控制器102可以传输输出电压信号(V*)，输出电压信号将使估计电流

不平衡检测器104从电流控制器102读取输出电压信号。不平衡检测器104包括数学变换(变换块106)、参数不平衡检测器108和相位隔离110。在一些实施例中，系统100可以包括一个或多个旁路滤波器。旁路滤波器可以被配置为在变换之前使用同步帧中的带通滤波器来执行预滤波，或者在根据两倍于同步频率的脉动频率(自适应地)调谐的伪静止坐标系中使用自适应低通滤波器。

如将要描述的，参数不平衡检测器108可以使用数学模型来提取参数不平衡的特征(signature)(例如，在存在参数不平衡的情况下)。参数不平衡检测器108接收输出电压信号。参数不平衡检测器108基于输出电压信号确定是否存在参数不平衡。例如，如果参数不平衡检测器108确定输出电压信号仅包括恒定部分而没有正弦部分，则参数不平衡检测器108确定在输出电压信号中不存在参数不平衡。正弦部分可以指输出电压信号的脉动部分，并且可以至少代表参数不平衡的特征。如果参数不平衡检测器108确定输出电压信号包括恒定部分和正弦部分，则因为正弦部分代表参数不平衡的特征，所以参数不平衡检测器108确定检测到参数不平衡。

可以由参数不平衡检测器108来确定关于输出电压信号的更多细节，诸如具有不平衡的特定参数。参数不平衡检测器108可以使用诸如如将要描述的数学模型进行确定，以基于同步电动机116的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数。该操作条件可以与同步电动机116的满足阈值的速度和由同步电动机输出的满足特定阈值的电流有关。此外，如将要描述的，相位隔离110确定同步电动机的至少一个相位，在该至少一个相位处特定参数具有参数不平衡。在一些实施例中，一个以上的相位可以被确定为包括参数不平衡。可以输出特定参数和/或存在参数不平衡的相位，并且控制器或电路可以执行预防动作，诸如减少不平衡以减小对同步电动机的影响、关闭同步电动机116等。

以下讨论涉及用于执行本文描述的技术的数学模型。静止参考坐标系机器模型可以表示如下：

其中，V是电压，I是电流，R是电阻，L是电感，λ是磁链，λ

其中，ΔV

其中，Δλ

可以如下应用数学变换以将脉动分量转换到伪静止诊断参考坐标系中：

可以对诊断电压进行如下进一步变型，以得到分离幅值和相位分量：

其中，V

类似地，由于电感不平衡而引起的同步参考坐标系中的电压脉动和诊断坐标系中的变换(解调)电压如下所示：

其中，ΔL

用于电感不平衡的电压幅值和相位可以通过如下以极性形式代表同步坐标系电流来获得和简化，即，假设I

其中，V

应当注意的是，对于自感或互感时的不平衡，只会造成对可以用于识别不平衡的幅值和相位的项的明显简化。

电阻不平衡感应电压项表示如下：

其中，ΔR

用于电阻不平衡的电压幅值和相位可以表示如下：

其中，V

通过用于磁链不平衡、电阻和电感的三组方程式，清楚的是，这三种不平衡仅在操作的某些区域中具有重要影响。电阻不平衡在高电流且低速时占主导地位，而磁链不平衡在低电流且高速区域处是明显的。当电流和速度两者都显著时，电感不平衡变得突出。因此，可以设置基于操作区域的诊断阈值以检测和隔离不同的效应。此外，一旦检测到处于不平衡的特定参数，就可以根据不平衡系数的相位值对于给定相位是唯一的，来确定具有不平衡的特定相位。。

图2A至图2C总体示出根据本公开的原理的对于包含参数不平衡的数学模型的框图。图2A描绘了代表上面的(13)的电感不平衡的模型200。图2B描绘了代表(8)的PM磁链不平衡的模型202。图2C描绘了代表(17)的电阻不平衡的模型204。

图3更详细地示出根据一些实施例的不平衡检测器104。变换块106使用估计位置

其中，V

当参数不平衡检测器108在任何参数中检测到不平衡时，相位隔离块110利用诊断相位φ连同当前角度命令α

其中，

注意的是，对于任何参数，当不平衡分别处于相位A、B、C时，诊断相位变为等于0、φ

图4总体示出根据本公开的原理的控制器系统400。控制器系统400包括可通信地耦接到存储器402的不平衡检测器104。不平衡检测器104可以包括处理器。处理器可以包括任何合适的处理器，诸如本文描述的处理器。存储器402可以存储在由不平衡检测器104执行时使不平衡检测器104至少执行在本文公开的技术的指令。特别地，计算机指令在由不平衡检测器104执行时可以使不平衡检测器104执行如下面参照图5进一步描述的方法500的操作。

图5是总体示出根据本公开的原理的参数不平衡检测和识别方法500的流程图。在502，方法500读取输出电压信号。电流控制器102可以产生输出电压信号。在504，方法500从输出电压信号提取参数不平衡的特征。同步电动机驱动器130具有参数不平衡。在一些实施例中，输出电压信号可以仅包括恒定部分，在一些实施例中，输出电压信号可以包括恒定部分和正弦部分。如果输出电压信号仅包括恒定部分，则对于特定参数可能没有不平衡，因为电压输出信号的正弦部分代表包括同步电动机中的不平衡类型的特征的脉动特定参数。因此，当输出电压信号包含恒定部分和正弦部分时，提取正弦部分作为参数不平衡的特征。

在506，响应于提取参数不平衡的特征，方法500基于由同步电动机驱动器130控制的同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数。参数可以包括电感、电阻、永磁磁链等。操作条件对应于满足特定阈值的同步电动机的速度和满足特定阈值的同步电动机输出的电流。即，设置基于操作区域的诊断阈值来检测和隔离不同的不平衡。这些阈值可以包括第一阈值和第二阈值，其中，任何比第一阈值低的值被视为“低”，任何比第二阈值高的值被视为“高”。此外，第一阈值与第二阈值之间的值的范围可以被视为“中等”。

基于同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数包括确定输出电压信号的幅值。此外，基于同步的操作条件对具有参数不平衡的特定参数的识别是响应于在所述操作条件期间输出电压信号为非零(例如，显著)的幅值进行的。

例如，如果操作条件包括电动机的速度在第一阈值以下(例如，低)以及电流输出的量在第二阈值以上(例如，高)并且诊断电压(例如，输出电压信号)的幅值为非零，则识别出电阻不平衡。如果操作条件包括电动机的速度在第一阈值与第二阈值之间(例如，中等)以及电流输出的量在第一阈值与第二阈值之间(例如，中等)并且诊断电压的幅值为非零，则识别出电感不平衡。如果操作条件包括电动机的速度在第二阈值以上(例如，高)以及电流输出的量在第一阈值以下(例如，低)并且诊断电压的幅值为非零，则识别出磁链不平衡。

在508，方法500确定同步电动机的其中特定参数正表现处参数不平衡的至少一个相位。对至少一个相位的确定和/或对特定参数的识别可以是实时(例如，少于2秒)进行的。在一些实施例中，可以基于相位值对于该相位而言是唯一的，来确定所述至少一个相位。即，因为不平衡系数的相位值对于给定相位而言是唯一的，所以可以确定出具有不平衡的具体相位。

在一些实施例中，可以基于具有参数不平衡的特定参数、所述至少一个相位或基于前述两者来执行预防动作。例如，可以基于参数平衡和/或包括参数不平衡的相位来确定即将发生故障或已经发生了故障，并且预防动作可以包括减慢电动机、停止电动机等。

在一些实施例中，公开了一种用于检测同步电动机驱动器中的不平衡的系统。所述系统包括由同步电动机驱动器控制的同步电动机、处理器以及包括指令的存储器。指令在被处理器执行时使处理器：读取输出电压信号；从输出电压信号提取参数不平衡的特征，其中，参数不平衡在同步电动机驱动器中；响应于提取参数不平衡的特征，基于同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数；以及确定同步电动机的至少一个相位，在所述至少一个相位中特定参数表现出参数不平衡。

在一些实施例中，参数不平衡的特征对应于输出电压信号的正弦部分。在一些实施例中，操作条件对应于同步电动机的速度和由同步电动机输出的电流。在一些实施例中，为了基于同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数，指令还使处理器确定输出电压的幅值，并且响应于在该操作条件期间输出电压信号的幅值为非零，基于同步电动机的操作条件识别具有参数不平衡的特定参数。在一些实施例中，特定参数包括电感、电阻或永磁磁链中的一个。在一些实施例中，指令还使处理器实时地确定至少一个相位。在一些实施例中，指令还使处理器基于相位值对于该相位是唯一的，来确定同步电动机的至少一个相位，在所述至少一个相位中特定参数正在显示参数不平衡。在一些实施例中，指令还使处理器基于具有参数不平衡的特定参数、所述至少一个相位或基于所述特定参数和所述至少一个相位两者来执行预防动作。

在一些实施例中，公开了一种用于检测同步电动机驱动器中的不平衡的方法。所述方法包括读取输出电压信号。所述方法还包括从输出电压信号中提取参数不平衡的特征。所述方法还包括响应于提取参数不平衡的特征，基于同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数。所述方法还包括确定同步电动机的至少一个相位，在所述至少一个相位中特定参数具有参数不平衡。

在一些实施例中，参数不平衡的特征对应于输出电压信号的正弦部分。在一些实施例中，操作条件对应于同步电动机的速度和由同步电动机输出的电流。在一些实施例中，基于同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数的步骤还包括确定输出电压信号的幅值，并且响应于在该操作条件期间输出电压信号的幅值为非零，基于同步电动机的操作条件识别具有参数不平衡的特定参数。在一些实施例中，特定参数包括电感、电阻或永磁磁链中的一个。在一些实施例中，所述方法还包括实时地确定至少一个相位。在一些实施例中，所述方法还包括基于相位值对于该相位是唯一的来确定同步电动机的其中特定参数表现出参数不平衡的至少一个相位。在一些实施例中，所述方法还包括基于具有参数不平衡的特定参数、至少一个相位或基于所述特定参数和所述至少一个相位两者来执行预防动作。

在一些实施例中，一种电子装置包括处理器和存储器。存储器包括指令，指令在被处理器执行时使处理器：读取输出电压信号；从输出电压信号中提取参数不平衡的特征，其中，参数不平衡在同步电动机驱动器中；响应于提取参数不平衡的特征，基于同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数；确定同步电动机的其中特定参数表现出参数不平衡的至少一个相位。

在一些实施例中，参数不平衡的特征对应于输出电压信号的正弦部分。在一些实施例中，操作条件对应于同步电动机的速度和由同步电动机输出的电流。在一些实施例中，为了基于同步电动机的操作条件来识别具有参数不平衡的特定参数，指令还使处理器确定输出电压信号的幅值，并且响应于在该操作条件期间输出电压信号的幅值为非零，基于同步电动机的操作条件识别具有参数不平衡的特定参数。

上述讨论旨在说明本发明的原理和各个实施例。一旦充分理解上述公开内容，许多变化和修改对于本领域技术人员而言将变得显而易见。所附权利要求意图被解释为包含所有这样的变化和修改。

本文使用词语“示例”旨在用作示例、实例或说明。本文描述为“示例”的任何方面或设计不一定被解释为优选或优胜于其他方面或设计。相反，词语“示例”的使用意图呈现一种具体方式的概念。如在该申请中所使用的，术语“或(或者)”意图指包含性的“或(或者)”而非排他性的“或(或者)”。即，除非另外指明或通过上下文而清楚，否则“X包括A或(或者)B”意图指任何自然包含性的排列。即，如果X包括A；X包括B；或者X包括A和B两者，则在前述实例的任一实例下都满足“X包括A或(或者)B”。另外，本申请以及所附权利要求中使用的冠词通常应当被解释为指“一个或多个”，除非另外指明或通过上下文而清楚地指向单数形式。此外，术语“实施方式”或“一种实施方式”的使用始终不意图指同一实施例或实施方式，除非如此描述。

实现本文描述的系统、算法、方法、指令等可以在硬件、软件或其任何组合中来实现。硬件可以包括例如计算机、知识产权(IP)核、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列、光学处理器、可编程逻辑控制器、微代码、微控制器、服务器、微处理器、数字信号处理器或任何其他合适的电路。在权利要求书中，术语“处理器”应当被理解为包含前述硬件中的或者是单独的或者是组合的任何一种。术语“信号”和“数据”可互换使用。

如本文所使用的，术语模块可以包括设计成与其他组件一起使用的打包功能硬件单元、由控制器(例如，执行软件或固件的处理器)可执行的一组指令、被配置为执行特定功能的处理电路以及与更大的系统接口的自包含的硬件或软件组件。例如，模块可以包括专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电路、数字逻辑电路、模拟电路、离散电路、门和其他类型的硬件的组合、或者前述的组合。在其他实施例中，模块可以包括存储由控制器可执行的指令以实现模块的特征的存储器。

此外，在一个方面，例如，本文描述的系统可以使用具有计算机程序的通用计算机或通用处理器来实现，该计算机程序在被执行时执行本文描述的相应的方法、算法和/或指令中的任一个。另外或替代地，例如，可以利用专用计算机/处理器，所述专用计算机/处理器可包含用于执行本文描述的方法、算法或指令中的任一个的其他硬件。

此外，本发明的实施方式的所有或一部分可以采取可从例如计算机可用介质或计算机可读介质访问的计算机程序产品的形式。计算机可用介质或计算机可读介质可以是例如可以有形地包含、存储、通信或传输程序以供任何处理器使用或与任何处理器相关联地使用的任何装置。介质可以是例如电子、磁性、光学、电磁或半导体器件。其他合适的介质也是可以的。

已经描述了上述实施例、实施方式和方面以使本发明能够容易理解，并且上述实施例、实施方式和方面不限制本发明。相反，本发明意图涵盖包括在所附权利要求的范围内的各种修改和等同布置，其范围将被赋予最广泛的解释以包含法律所允许的所有这样的修改和等同结构。