用于控制旋转电机的方法和系统

技术领域

本发明涉及旋转电机的控制。

背景技术

传统的电动机驱动系统通常包括连接到电动机的电动机控制器，该电动机包括转子和定子，该定子还包括N个相，每个相包括由以串并联配置连接的一组线圈构成的绕组。电动机控制器通过对定子相绕组施加最佳换向来实现电动机驱动系统的最佳转矩产生和有效性能。为了最大化系统性能并以其最大效率运行系统，电动机控制器需要转子相对于定子的相对位置的信息。因此，电动机通常与位置传感器连接，例如一组霍尔效应传感器或光学编码器。位置传感器通常使用线束与电动机控制器连接。

如上所述的位置传感器增加了系统的成本。此外，由于暴露于高温、振动和接近高速运动的机械物体(通常是转子的一部分)，位置传感器和相关的线束易于失效。此外，位置传感器在电动机的机械封装中的放置占据了空间，因此导致电动机的机械封装不是最佳的。

已经尝试通过在不使用位置传感器的情况下控制电动机来降低系统成本并提高系统鲁棒性。现有的无传感器控制方法涉及感测或估计由于转子和定子之间的相对运动而在定子绕组中感应的反电动势电压。然而，该方法仅在转子以相对高的速度旋转时才有效。电动机的无传感器控制的另一种方法涉及在定子绕组中注入高频电压以通过利用转子凸极(rotor saliency)来确定转子的位置。然而，由于定子绕组电流中不希望的谐波，该方法导致次优的机器效率，进一步导致机器中不必要的振动和噪声。

因此，在本领域中需要一种至少解决上述问题的用于控制旋转电机的方法和系统。

发明内容

在本发明的一个方面中，本发明涉及一种用于控制旋转电机的方法。所述方法包括以下步骤：基于所述旋转电机的转子的速度确定所述旋转电机的状态。所述状态包括当所述转子的速度大于预定阈值速度时的高速状态和当所述转子的速度小于所述预定阈值速度时的低速状态。如果所述旋转电机处于所述低速状态，通过测量脉宽调制周期内所述旋转电机的定子相绕组中的电流，计算PWM内电流纹波和平均电流向量。基于所述PWM内电流纹波计算电感向量。基于所述电感向量和所述平均电流向量估计第一转子位置(P1)和第一转子速度(S1)。如果所述旋转电机处于所述高速状态，在脉宽调制周期内测量所述旋转电机的定子相绕组中的电流。在所述脉宽调制周期内确定所述旋转电机的每个定子相绕组的平均电流。基于所述脉宽调制周期内的定子相绕组中的所述平均电流来估计第二转子位置(P2)和第二转子速度(S2)。基于估计的第一转子速度(S1)和/或估计的第二转子速度(S2)在所述高速状态和所述低速状态之间选择所述旋转电机的状态。如果选择所述低速状态，则基于估计的第一转子位置(P1)更新脉宽调制信号。如果选择所述高速状态，则基于估计的第二转子位置(P2)更新脉宽调制信号。

在本发明的实施例中，将所述旋转电机的状态初始化为所述低速状态，通过向定子相绕组施加一组换向并且确定对应于每个换向的DC侧电流的值来确定所述旋转电机的所述转子相对于所述旋转电机的定子的初始位置(Pi)，并且基于导致最大电流的换向来初始化转子位置。基于所述转子的所述初始位置(Pi)向定子相绕组施加脉宽调制信号；之后，将所述旋转电机的状态确定为所述低速状态。

在本发明的另一实施例中，如果所述旋转电机被确定为处于所述低速状态，则通过测量总共N个定子相绕组中的至少N－1个定子相绕组的至少两个样本来完成对所述旋转电机的所有相的定子相绕组中的电流的测量。在一个实施例中，查是否执行了与所有N相对应的定子相绕组的电流采样。在一个实施例中，如果没有执行与所有N相对应的定子相绕组的电流采样，则重建在所述脉宽调制周期内第N相的多个电流采样。

在本发明的另一实施例中，如果所述旋转电机被确定为处于所述高速状态，则通过测量总共N个定子相绕组中的至少N－1个定子相绕组的至少一个样本来完成对所述旋转电机的所有相的定子相绕组中的电流的测量。在一个实施例中，检查是否执行了与所有N相对应的定子相绕组的电流采样。在一个实施例中，如果没有执行与所有N相对应的定子相绕组的电流采样，则重建在所述脉宽调制周期内第N相的多个电流采样。

在本发明的另一实施例中，基于假定的转子位置、DC总线电压和施加到所述电机的PWM信号来估计在所述定子相绕组中流动的平均电流，并且将所估计的平均电流与所确定的平均电流进行比较。在一个实施例中，所述第二转子位置(P2)和所述第二转子速度(S2)的估计是通过基于所估计的平均电流与所确定的平均电流之间的差值的误差度量来校正的。

在另一方面，本发明涉及一种用于控制旋转电机的系统。所述系统包括：脉宽调制器，用于将脉宽调制信号施加到所述旋转电机的定子相绕组；多个半导体电力开关，用于接收脉宽调制信号并将所述信号转换为用于所述旋转电机的定子相绕组的AC电压；多个电流感测装置，用于感测与所述旋转电机的相对应的所述定子相绕组中的电流；以及控制单元。所述控制单元被配置用于基于所述旋转电机的转子的速度，在当所述转子的速度大于预定阈值速度时的高速状态和当所述转子的速度小于所述预定阈值速度时的低速状态之间，确定所述旋转电机的状态。如果所述旋转电机处于所述低速状态，所述控制单元被配置用于通过测量脉宽调制周期内所述旋转电机的定子相绕组中的电流，计算PWM内电流纹波和平均电流向量；基于所述PWM内电流纹波计算电感向量；基于所述电感向量和所述平均电流向量估计第一转子位置(P1)和第一转子速度(S1)。如果所述旋转电机处于所述高速状态，所述控制单元被配置用于在脉宽调制周期内测量所述旋转电机的定子相绕组中的电流。所述控制单元还被配置用于在所述脉宽调制周期内确定所述旋转电机的每个定子相绕组的平均电流；基于所述脉宽调制周期内的定子相绕组中的平均电流来估计第二转子位置(P2)和第二转子速度(S2)；基于估计的第一转子速度(S1)和/或估计的第二转子速度(S2)在所述高速状态和所述低速状态之间选择所述旋转电机的状态。如果选择所述低速状态，则所述控制单元被配置用于基于估计的第一转子位置(P1)更新脉宽调制信号；以及如果选择所述高速状态，则所述控制单元被配置用于基于估计的第二转子位置(P2)更新脉宽调制信号。

在本发明的一个实施例中，所述控制单元被进一步配置用于执行以下步骤：将所述旋转电机的状态初始化为所述低速状态；通过向定子相绕组施加一组换向并且确定对应于每个换向的DC侧电流的值来确定所述旋转电机的所述转子相对于所述旋转电机的定子的初始位置(Pi)，并且基于导致最大电流的换向来初始化转子位置；基于所述转子的所述初始位置(Pi)向定子相绕组施加脉宽调制信号；之后，将所述旋转电机的状态确定为所述低速状态。

在本发明的另一实施例中，所述多个电力开关包括三相H桥，所述三相H桥具有布置在三个H桥臂中的六个半导体电力开关，使得每个臂具有高功率半导体开关和低功率半导体开关。在一个实施例中，所述系统被配置为使用空间向量调制技术来基于中心对准的PWM生成脉宽调制信号。

在本发明的另一实施例中，所述系统具有电流监测器，所述电流监测器被配置成：在所述高速状态期间，每脉宽调制周期每相测量一个电流样本，基本上在零序换向的中心进行电流采样；以及，在所述低速状态期间，每脉宽调制周期每相位测量两个电流样本，与所述零序换向的中心基本上等距地执行电流采样。

在本发明的另一实施例中，所述系统具有至少两个电流感测装置，其中，每个电流感测装置测量流过每个H桥臂的低功率半导体开关的电流。在替代实施例中，所述系统具有至少两个电流感测装置，其中，每个电流感测装置与定子相绕组串联连接。

在本发明的另一个实施例中，所述电流监测器的模拟测量带宽基本上大于施加到所述定子相绕组的PWM信号的频率的10倍。

在本发明的另一实施例中，所述系统被配置为根据包括所估计的第一转子速度(S1)和所估计的第二转子速度(S2)的变量来改变所述脉宽调制器的频率。

附图说明

将参考本发明的实施例，其示例可在附图中示出。这些图旨在说明而非限制。尽管在这些实施例的上下文中一般性地描述了本发明，但是应当理解，并不旨在将本发明的范围限于这些特定实施例。

图1示出了根据本发明实施例的控制旋转电机的方法的流程图。

图2示出了根据本发明实施例的在操作中的旋转电机的转子的速度随时间的示例性变化。

图3示出了根据本发明实施例的基于三个电流变化量的PWM内电流纹波。

图4示出了根据本发明实施例的基于DC总线侧电流变化的重建的PWM内电流纹波，该DC总线侧电流变化是使用每个定子绕组相中的单独电流变化来构造的。

图5示出了根据本发明实施例的用于估计转子位置和转子速度的经过训练的估计模型的流程图。

图6示出了根据本发明实施例的用于控制旋转电机的系统。

图7示出了根据本发明实施例的用于控制旋转电机的系统。

图8示出了根据本发明实施例的使用基于中心对准PWM的空间向量调制技术和零序换向中的电流采样方案的PWM信号生成。

具体实施方式

本发明涉及一种用于控制旋转电机的方法和系统。更具体地，本发明涉及一种用于旋转电机的无传感器控制的方法和系统。

图1示出了根据本发明实施例的用于控制旋转电机的方法200中所涉及的方法步骤的流程图。为了控制旋转电机，定义旋转电机的状态。在本发明中，当旋转电机的转子的速度小于预定阈值速度时，旋转机的状态被定义为低速状态，当转子的速度大于预定阈值速度时，旋转机的状态被定义为高速状态。参照图2，图2示出了在操作下的旋转电机的转子的速度随时间的变化，其中，转子的速度限定在三个区域中。如图2所示，当旋转电机从静止位置起动时，旋转电机的状态被定义为低速状态，直到转子速度保持小于第一预定阈值速度(N2)。此后，当转子速度超过第一预定阈值(N2)时，只要转子速度保持大于第二预定阈值速度(N1)，就将旋转电机的状态定义为高速状态。当转子速度下降到第二预定阈值速度(N1)以下时，旋转电机的状态再次被定义为低速状态。

如图1所示，在步骤2A中，在从停止位置开始旋转电机的控制时，控制单元将旋转电机的状态初始化为低速状态。在步骤2B，控制单元确定旋转电机的转子相对于旋转电机的定子的初始位置(Pi)。这是通过将一组换向施加到定子相绕组，确定与每个换向对应的DC侧电流的值，并且基于导致最大电流的换向启动转子位置来完成的。在步骤2C，基于转子的初始位置(Pi)将脉宽调制信号施加到定子相绕组，由此初始化旋转电机的控制。方法200还包括测量DC总线电压的步骤2D。

在步骤2E，基于旋转电机的转子的速度在高速状态和低速状态之间确定旋转电机的状态，如在上文中解释的。当如在步骤2A到步骤2D中初始化旋转电机的控制时，旋转电机的状态首先被确定为低速状态。之后，基于转子的速度定义旋转电机的状态。在将旋转电机的状态确定为低速状态的情况下的旋转电机的控制所涉及的方法步骤与在将旋转电机的状态确定为高速状态的情况下的旋转电机的控制所涉及的方法步骤分开。

如果确定旋转状态处于低速状态，则方法200移动到步骤2F，否则方法200移动到步骤2M。在步骤2F，测量旋转电机的所有相的定子相绕组中的电流。这通过测量总共N个定子相绕组中的至少N－1个定子相绕组的至少两个样本来完成。在步骤2G，检查是否执行了对应于所有N相的定子相绕组的电流采样。如果对应于所有N相的定子相绕组的电流采样被执行，则方法200移动到步骤2I，否则方法200移动到步骤2H，其中，由于对应于所有N相的定子相绕组的电流采样没有被执行，所以脉宽调制周期内的第N相的多个电流采样被重建。通过利用在单个时刻流过所有相绕组的电流总和为零的事实来实现这种重建。参考图8，其示出了如前所述的用于重建第N相的电流的示例性电流采样方案。其中，图8所示的电流采样方案涉及三相电动机，其中在作为空间向量调制的一部分的零换向内进行每个PWM周期每个相的两个电流采样的测量，使得每个相的两个电流采样与零换向的中心大致等距。这完成了与旋转电机的所有N相对应的定子相绕组的电流采样。

在如上所述的步骤2I，通过在脉宽调制周期内测量旋转电机的定子相绕组中的电流来计算PWM内电流纹波(ΔX)。PWM内电流纹波(ΔX)被定义为脉宽调制周期内在定子相绕组中的电流的改变或变化。电流随PWM周期的这种改变或变化与定子绕组的电感有关，该电感是转子在旋转电机中的位置的指示。图3示出了相对于示例性旋转电机的所有三相的电流改变或变化。如图3所示，PWM内电流纹波(ΔX)由与旋转电机的三相对应的三个单独的电流变化量(ΔX

此外，在步骤2J，通过在脉宽调制周期内测量旋转电机的定子相绕组中的电流来计算平均电流向量(Y)。平均电流向量(Y)表示定子相绕组中的电流大小。在图3所示的实施例中，平均电流向量(Y)由针对三相(Y

在步骤2K，基于PWM内电流纹波(ΔX)计算电感向量。对于具有低电感和电阻比的定子相绕组，PWM内电流纹波(ΔX)中包含的值通常较大。类似地，对于具有高电感和电阻比的定子相绕组，PWM内电流纹波(ΔX)中包含的值通常较小。电感向量表示旋转电机的转子的位置。这是因为定子相绕组的电感随着转子位置的变化而变化，这是由于凸极电机中的凸极效应或非凸极电机中的磁饱和或其组合。总之，可以从电感向量推断转子位置。

在步骤2L，基于电感向量和平均电流向量(Y)估计第一转子位置(P1)和第一转子速度(S1)。基于电感向量推断转子位置和转子速度，并且使用平均电流向量(Y)来补偿由定子相绕组中流动的电流引起的磁饱和的影响。方法200然后继续到步骤2P。

如上所述，如果旋转电机的状态未被确定为低速状态，即，旋转电机的状态被确定为高速状态，则方法200从步骤2E移动到步骤2M。在步骤2M，在脉宽调制周期内测量旋转电机的定子相绕组中的电流。这通过测量在总共N个定子相绕组中的至少N－1个定子相绕组的至少一个样本而测量针对旋转电机的所有相的定子相绕组中的电流来完成。在步骤2N，检查是否执行了与所有N相对应的定子相绕组的电流采样。如果与所有N相对应的定子相绕组的电流采样被执行，则方法200移动到步骤2P，否则方法200移动到步骤2O，其中，由于与所有N相对应的定子相绕组的电流采样没有被执行，所以脉宽调制周期内针对第N相的多个电流采样根据与上述相同的原理被重建，即，在单个时刻流过所有相绕组的电流的总和为零。方法200然后移动到步骤2P。

在步骤2P，在脉宽调制周期内确定旋转电机的每个定子相绕组的平均电流。在步骤2Q，基于脉宽调制周期内定子相绕组中的平均电流来估计第二转子位置(P2)和第二转子速度(S2)。在如图5的流程图所描绘的本发明的一个实施例中，第二转子位置(P2)和第二转子速度(S2)的估计是借助于包括定子绕组的电感和电阻的知识的旋转电机的经训练的估计模型来完成的。动态估计模型用于基于假定的转子位置、在步骤2D中测量的DC总线电压和施加到电机的PWM信号来估计在定子相绕组中流动的电流。然后在步骤2P将如此测量的估计电流与确定的平均电流进行比较。估计电流和确定的平均电流之间的差被称为误差度量，并且该误差度量用于进一步校正第二转子位置和第二转子速度的估计，使得误差度量的值保持接近于零。

在步骤2R，根据图2中描述的实施例，基于估计的第一转子速度(S1)和/或估计的第二转子速度(S2)在高速状态和低速状态之间选择旋转电机的状态。在一个实施例中，旋转电机的状态基于估计的第一转子速度(S1)和估计的第二转子速度(S2)的组合。在本发明的实施例中，在步骤2R中如此选择的旋转电机的状态作为在步骤2E中的旋转电机的确定的状态被馈送，即，在步骤2R中选择的旋转电机的状态用作在步骤2E中的旋转电机的确定的状态。

在步骤2S，控制单元检查在步骤2R选择的状态。如果旋转电机的状态被选择为低速状态，则方法200移动到步骤2T，其中，基于估计的第一转子位置(P1)更新施加到定子相绕组的脉宽调制信号。相反地，如果旋转电机的状态被选择为高速状态，则方法200移动到步骤2U，其中，基于估计的第二转子位置(P2)更新施加到定子相绕组的脉宽调制信号。

在另一方面，本发明涉及一种用于控制旋转电机的系统100。图6示出了根据本发明实施例的用于控制旋转电机的系统100。在一个实施例中，系统100连接到直流电压电流源110，例如为系统100和旋转电机供电的电池。如图6所示，系统100包括：脉宽调制器120，用于将脉宽调制信号施加到旋转电机的定子相绕组；多个半导体电力开关130，用于接收脉宽调制信号并将信号转换为用于旋转电机的定子相绕组的AC电压；多个电流感测装置140，用于感测与旋转电机的相对应的定子相绕组中的电流；和控制单元150，被配置成用于执行如上所述的方法步骤2A到2U。

在本发明的实施例中，多个半导体电力开关130包括三相H桥，该三相H桥具有布置在三个H桥臂中的六个半导体电力开关130AH、130BH、130CH、130AL、130BL、130CL，使得每个臂具有高功率半导体开关和低功率半导体开关。结果，三相H桥具有总共三个高功率半导体开关130AH、130BH、130CH和三个低功率半导体开关130AL、130BL、130CL。在一个实施例中，多个电力开关130包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在本发明的实施例中，系统100被配置为使用空间向量调制技术来基于如图8所示的中心对准的脉宽调制而生成脉宽调制信号。

在本发明的另一实施例中，多个电流感测装置140包括至少两个电流感测装置，其中每个电流感测装置测量流过每个H桥臂的低功率半导体开关130AL、130BL、130CL的电流。图6所示的实施例描述了三个电流感测装置140A、140B、140C，其中，每个电流感测装置测量流过每个H桥臂的低功率半导体开关130AL、130BL、130CL的电流。在如图7所示的本发明的替代实施例中，多个电流感测装置140包括至少两个电流感测装置，其中，每个电流感测装置与定子相绕组串联连接。在一个实施例中，多个电流感测装置140包括三个电流感测装置140A、140B、140C，其中，每个电流感测装置与对应于示例性三相旋转电机的三个定子相绕组串联连接。

如图6所示，系统100还包括电流监测器160，其被配置为当旋转电机的状态为高速状态时，每个脉宽调制周期每相测量一个电流采样，其中，基本上在零序换向的中心执行电流采样。电流监测器160还被配置为当旋转电机的状态是低速状态时，每个脉宽调制周期每相测量两个电流采样，其中，与零序换向的中心基本上等距地执行电流采样。

为了精确地检测脉宽调制周期内的电流改变或变化，电流感测装置140优选地具有足够大的模拟测量带宽，优选地超过施加到定子相绕组的PWM信号的频率的10倍。

在操作中，系统100经由脉宽调制器120被配置成在旋转电机的转子的不同速度下为定子相绕组生成不同频率的PWM信号，并且针对三相H桥的不同臂生成PWM占空比值，如图8所示。PWM占空比值由从脉宽调制器接收的1与0的比例定义。在低速状态期间PWM信号的较低频率允许更精确地测量电流改变或变化，因为低PWM频率允许提供PWM周期内的第一个电流样本与最后一个电流样本之间的增加的持续时间。在高速状态期间的较高PWM频率允许转子的每单位运动有更多数量的电流样本，并且相应地允许到定子相绕组的PWM信号的更大更新速率，因此导致更好的控制带宽。

有利地，本发明提供了一种用于控制旋转电机的方法和系统，由此提供了对旋转电机的无传感器控制，因此取消了对诸如电动机中的霍尔传感器这样的传感器的要求。这允许电动机的最佳机械封装。

此外，本发明的方法提供了在旋转电机的所有操作速度，尤其是低速下对旋转电机的无传感器控制，而不增加定子相绕组中的不希望的谐波电流。

虽然已经参照特定实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。