用于确定电子换向电机的磁极转子位置的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于确定电励磁电机(3)的磁极转子位置的方法，所述方法包括下列步骤：在多个空间矢量角上、以处于这样的频率范围内的基频注入电压测试信号，在所述频率范围内在尤其错开90°的空间矢量角上存在导纳差；相关于所述电压测试信号的基频、在相应的空间矢量角上求出励磁电流指示变量的所得的相应值，作为由所述电压测试信号得到的励磁电流的傅里叶系数；以及根据所述励磁电流指示变量的变化曲线确定磁极转子位置；相关于所述电压测试信号的基频、在相应的空间矢量角上求出定子电流指示变量的所得相应值，作为由所述电压测试信号得到的定子电流的傅里叶系数；以及根据所述定子电流指示变量的变化曲线确定磁极转子位置。
【专利说明】用于确定电子换向电机的磁极转子位置的方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子换向电机，尤其是变流器供电的同步电机，此外，还涉及用于这种 类型电机的、基于磁极转子位置知识的操控方法。此外，本发明还涉及用于无传感器确定磁 极转子位置的措施。
【背景技术】
[0002] 为了操控电励磁同步电机，必须知道当前的磁极转子位置，以便可以运行或调节 该电机。磁极转子位置可以例如通过可以例如布置在转子轴上的位置传感器来检测。
[0003] 由于成本的原因以及为了降低故障几率，针对不少应用领域规定，不将位置传感 器用于探测磁极转子位置，而代之借助电变量来确定磁极转子位置。往往应用这样的方法， 即求出定子绕组中感应的电压的一段变化曲线，并将特定磁极转子位置与所述电压的过零 时刻关联。但这样的方法不准确，原因在于转数低时感应电压非常低，因此，对感应电压的 探测尤其由于干扰量而只能不准确地进行。然而，尤其在电机从静止状态加速时需要知道 磁极转子位置，原因在于，与磁极转子位置不协调的操控可能导致电机不受控制的运动。
[0004] 但若用适当的方法正确地求出磁极转子的初始位置，则当迅速地加速到一个相对 较高的转数时，该电机可能加速，此时通过对感应电压的变化曲线进行评估而求出磁极转 子位置的上述方法可以没有问题地加以应用。
[0005] 为了在电励磁的同步电机中通过对电变量的评估获得关于磁极转子位置的指示， 例如，可以规定一种励磁电流方法。这时，使定子绕组短接，并且尽可能迅速地提高流过转 子中励磁绕组的励磁电流。通过改变电机的磁化状态,现在在定子绕组中感应出电压，以便 形成在d轴的负方向上指示的定子空间矢量。可以对该电流进行评估并允许确定d轴的角 度位置，由此可以求出对磁极转子位置的指示。
[0006] 此外，可以通过在不同方向上向定子绕组中注入高频电压量，来评估转子的电不 对称性，由此可以推断出转子的位置。为此，必须彼此区分在该电机的d轴和q轴（转子固 定的坐标系）方向上高频电压脉冲的电流响应，借此可以得出关于磁极转子位置的结论。
[0007]例如，出版物J.Holtz，"InitialRotorPolarityDetectionandSensorless ControlofPMSynchronousMachines" ,IndustryApplicationsConference,41stIAS AnnualMeeting，ConferenceRecordofthe2006IEEE，V〇1. 4,8.-12.Oktober2006， S. 2004-2047中公开了一种用于根据振荡高频载波信号的注入来确定电机在静止状态下或 在低速时的磁极转子位置的方法。为了分辩通过注入高频载波信号引起的多义性磁极转子 位置信息，通过注入两个符号不同的且在估计的磁轴方向上取向的短电流脉冲，通过研究 主电感的饱和性能，确定永久磁铁的极性。然而，电机的阻尼绕组常常妨碍对饱和状态的评 估，以至于用这个方法只有在特定的条件下才能检测磁极转子位置。
[0008]在出版物FeuersSllger，S.，Pacas，M.，"InitialRotorPositionDetectionin ElectricallyExcitedMediumVoltageSynchronousMachines"，PCIM2012,Niirnberg， Germany，May8-10, 2012,中公开了一种基于注入的低频信号的方法，以便该电机的阻尼绕 组不妨碍对该电机饱和状态的评估。注入到定子绕组中的低频电压脉冲在这样的脉冲频率 中选择，在该脉冲频率上该电机在导纳的d分量和q分量之间具有最大差值。这个频率范 围通常处于IHz和几十Hz之间，使得在用这个频率范围内的电压脉冲激励时可能通过导纳 差来识别磁极转子位置。
[0009] 为了将相关频率范围的导纳差用来识别磁极转子位置，在定子绕组中注入电压测 试信号，其中必须允许励磁电流流过转子的励磁绕组，原因在于，否则在该励磁绕组中可能 出现高的过电压。采用这种方法时，这些电压测试信号必须在不同的空间矢量方向上注入 到定子绕组中，以便可以测试不同位置处的电流响应。所得的定子电流以及励磁电流的电 流响应取决于所注入的测试信号的空间矢量和转子实际的d轴之间的角度差。然而，采用 这种方法时，这些电压脉冲的方向可能不是预先确定的，而是尤其根据以前的电压脉冲的 电流响应测量结果调整的。据此，所得的电压脉冲的方向是任意的，这尤其对于以小的节 拍频率工作的中等电压换流器会导致不准确的结果，原因在于这些电压脉冲无法良好地复 制。
[0010] 作为定子电流的指示变量，在注入电压脉冲期间求出定子电流分量在脉冲方向上 的有效值。根据在所注入的脉冲第一个1/4期间励磁电流改变的符号求出励磁电流指示 符。根据定子电流分量的有效值求出直流分量以及峰值，并由此确定四个可能的磁极转子 位置角。为了选择对应于实际的磁极转子位置的磁极转子位置角，现在在所求出的磁极转 子位置角中注入两个另外的脉冲，并测量相应的指示变量。于是可以根据该定子电流指示 符有局部最大值的角度位置，以及根据励磁电流指示符的符号求出当前的磁极转子位置。 [0011] 因为尤其对于用于运行该电机的中等电压换流器，调制方法的周期持续时间由于 技术原因必须选择得比较长，所以所注入电压脉冲的产生相应地结合为了运行该电机所使 用的调制方法的周期持续时间。据此，在定子电流和励磁电流中所得的响应有显著谐波分 量，这尤其可能在之前所提及的励磁电流指示符中引入测量误差，原因在于它通过励磁电 流的测量在两个时刻形成。
【发明内容】
[0012] 因此，本发明的任务在于，提供一种经过改进的、用于求出电励磁电机在静止状态 下或在接近静止状态的范围内的磁极转子位置的方法，在应用调制方法周期持续时间较长 的中等电压换流器的情况下用此方法可能进行更可靠的评估。
[0013] 这个任务通过按照权利要求1的、用于确定电励磁电机在静止状态下的磁极转子 位置的方法，以及通过按照并列权利要求的装置、马达系统和计算机程序产品来解决。
[0014] 另外有利的实施方案在从属权利要求中给出。
[0015] 按照第一方面，规定一种用于确定电励磁电机的磁极转子位置的方法，所述方法 包括下列步骤：
[0016] ?在多个空间矢量角上，以处于这样一个频率范围内的基频，注入电压测试信号， 在该频率范围内在尤其错开90°的空间矢量角上存在导纳差；
[0017] 籲相关于该电压测试信号的基频、在相应的空间矢量角上求出所得的励磁电流指 示变量的相应数值，作为从电压测试信号得到的励磁电流的傅里叶系数；和
[0018] ?根据励磁电流指示变量变化曲线确定磁极转子位置。
[0019] 上述方法建议应用指示变量，它可以在注入电压测试信号时根据定子电流和励磁 电流的变化曲线求出。在这些电压测试信号的激励频率上，该指示变量尤其对应于傅里叶 系数。
[0020] 此外，该方法还可以包括下列步骤：
[0021] 籲相关于电压测试信号的基频、在相应的空间矢量角上求出定子电流指示变量的 所得的相应数值，作为从电压测试信号得到的定子电流的傅里叶系数；和
[0022] ?根据定子电流指示变量和励磁电流指示变量的相应变化曲线确定磁极转子位 置。
[0023] -次，这些指示变量这样选择，只对定子电流和励磁电流的处于电压测试信号激 励的频率范围内的分量进行评估。以此，仍旧不考虑谐波分量。这样求出的指示变量关于 转子电角度位置显示周期性变化曲线，其中定子电流指示符的局部最大值和励磁电流指示 符的局部最小值给出磁极转子的实际角度位置。上面建议的指示变量已经证实，在中等电 压换流器以相对较长的调制方法周期持续时间进行中等电压驱动时，比至今的方法强健得 多。
[0024] 此外，有利的是，这些注入的电压脉冲大部分在预先定义的方向上注入到定子绕 组中。这些方向可以这样选择，使得这些电压脉冲可以最优地通过中等电压换流器以较长 的调制方法周期持续时间实现。
[0025] 此外，该磁极转子位置可以在励磁电流指示变量变化曲线的最小值的位置上确 定。
[0026] 按照一个实施方式，可以求出励磁电流指示变量的基本振荡的奇分量和偶分量的 振幅，其中该磁极转子位置根据奇分量和偶分量的振幅求出。
[0027] 可以规定，该磁极转子位置作为这样的角度位置确定，在该角度位置上定子电流 指示变量的变化曲线有局部最大值，而相应的励磁电流指示变量的符号为负。
[0028] 此外，可以求出定子电流指示变量二次谐波奇分量和偶分量的振幅，其中根据奇 分量和偶分量的振幅求出磁极转子位置的多义性指示，其中在预先给定的估计的磁极转子 位置的方向上注入另一个电压测试信号，以便通过然后测量的励磁电流指示变量的符号来 消除该多义性。
[0029] 该电压测试信号尤其可以采取方波脉冲形式注入。
[0030] 按照另一个方面，提出一种用于确定电励磁电机磁极转子位置的装置，其中该装 置形成以：
[0031] ?在多个空间矢量角上，以处于这样一个频率范围内的基频，注入电压测试信号， 在该频率范围内在尤其错开90°的空间矢量角上存在一个导纳差；
[0032] 籲相关于电压测试信号的基频，在相应的空间矢量角上，求出励磁电流指示变量 的所得相应数值，作为由电压测试信号得到的励磁电流的傅里叶系数；以及
[0033] ?根据励磁电流指示变量的变化曲线确定磁极转子位置。
[0034] 按照另一个方面，规定一种带有电机、用于运行该电机的驱动电路和上述装置的 马达系统。
[0035] 按照再一个方面，规定一种含有程序代码的计算机程序产品，当该程序代码在数 据处理装置上运行时，执行上述方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 现将结合附图和下文的描述详细阐述实施方式。附图中：
[0037] 图1示出带有通过驱动电路操控的电励磁电机的马达系统的示意图；
[0038] 图2示出图1电励磁电机中定子绕组和励磁绕组的示意图；
[0039] 图3示出同步电机的导纳频率特性；
[0040] 图4示出用于图示用于确定电机磁极转子位置的方法的流程图；
[0041] 图5a和5b示出可能的电压测试信号的随着时间的示例性变化曲线和电压测试信 号在空间矢量方向上的定子电流分量的相应脉冲响应；
[0042] 图6a至6c示出在与实际的磁极转子位置（励磁电流的d分量）有不同角度差 ΛY= 0°，Λγ= 90°和Λγ= 180°时对注入的电压测试信号的脉冲响应；而
[0043] 图7a和7b示出所注入的电压脉冲在该空间矢量角上的定子电流和励磁电流指示 变量的归一化变化曲线。
【具体实施方式】
[0044] 图1示出带有驱动电路2和一个（在下文描述的示例中是三相的）电励磁电机3 的马达系统1的示意图。驱动电路2用来为电励磁电机3的定子绕组31提供相电压U、V、 W以及在相导线5上提供相应的相电流。驱动电路2中用于产生相电压U、V、W的部分可 以例如形成为B6换流器23,其中该B6换流器具有多个逆变器电路22,其分别带有两个串 联的半导体开关21，它们可以优选形成为功率半导体开关，例如，形成为功率M0SFET、晶闸 管、IGBT、IGCT等。驱动电路2从所提供的电源电压Uvots获得用于运行电机3的电能。
[0045] 此外，可以设置具有励磁电流换流器71的励磁电路7。该励磁电流换流器71由低 于电源电压Uvots的励磁电源电压Ue供电，并被形成以在励磁电流导线6上为电机3的磁极 转子，亦即，转子33中的励磁绕组32提供励磁电压E或励磁电流，其中该励磁电压E或励 磁电流例如可以通过（未示出的）滑触头传递到转子33上。作为替代方案，还可以借助于 励磁电压E产生转子33外部的磁场，它从外面注入到转子33中。
[0046] 相导线5可以设有用于测量相电流的相电流检测器8,而励磁电流导线6可以设有 用于测量励磁电流的励磁电流检测器9。
[0047] 通过控制单元4对驱动电路2进行操控，控制单元4按照调制方法或换向方案操 控设置在驱动电路2中的半导体开关21，以便使相导线5或励磁电流导线6与电源电压Uvots 的高电源电势Uh或者低的电源电势队连接。驱动电路2将励磁电流检测器9与相电流检 测器8连接，以便获得有关流过的相电流和流过的励磁电流的指示。驱动电路2用来提供 三个相电压U，V，W(对应于电机3的三相），它们分别引起空间矢量角、空间矢量的振幅和 由此得到的、相应取向的定子磁场。
[0048] 图2中示出电励磁电机3的示意图。可以看出，由于定子绕组31引起的电感31 与三个相电压U、V、W关联，而且通过它们供以电流。转子33设有励磁绕组32,它引起相应 的电感31。定子电压的、其方向分别对应于转子33中励磁绕组32的取向的电流和电压矢 量分量对应于定子电压的空间矢量的d分量，与此垂直延伸的方向对应于定子电压的空间 矢量的q分量。d分量和q分量分别对应于转子固定的坐标系的方向。
[0049] 图3示出在流过励磁绕组32的励磁电流恒定的情况下，该电机3类型的同步电机 的绝对导纳|γ|以及相对的|Yd|/|Yq|的导纳频率特性。这样的频率特性对于同步电机是 典型的，并在IHz和几十Hz之间的频率范围内在定子电压的d分量和q分量之间造成很大 的振幅特性差异，然而对于较高的频率只有小差异。据此，在以高频的激励电压激励定子绕 组31时，磁极转子位置、亦即转子位置只能在一定条件下通过对导纳差的评估来识别。
[0050] 下文将根据图4的流程图详细描述用于确定电机3的转子33的磁极转子位置的 方法。
[0051] 在步骤S1，在定子绕组31中注入电压测试信号，更确切地说采用使电机3的导纳 |Yd|、IYtJ的d分量和q分量之间有显著差别的频率范围内的频率。然而，在定子绕组31 中该电压测试信号的该注入只在流过励磁绕组32的励磁电流被允许的情况下进行，原因 在于否则在励磁绕组32上将可能出现过电压。此外，该励磁电流导致转子33磁化，它在施 加电压测试信号时可能导致电机3不符合期望的运动。因此，电压测试信号的振幅一般应 该不超过额定电压的2 %，优选不超过额定电压的1 %，尤其不超过额定电压的0. 5%。这些 电压测试信号这样地施加在定子绕组31上，使得在定子绕组31中可以注入不同的空间矢 量角，以便在不同的空间矢量角上对相应的电流响应进行评估。
[0052] 所注入的电压测试信号的空间矢量角在下文中称为Ypuls。在下文中所有提到的 空间矢量角均理解为电位置角（电磁极转子位置），因此包括电极对数。
[0053] 采用该方法时，在定子绕组中依次注入具有下列空间矢量角的电压测试信号：
[0054] Ypuls,i=i〇A Ypuls i= 0,1，2·· ·(n-1)
[0055] 其中η表示所注入的脉冲数。采用该方法时，该脉冲数η可以在数值3或更大的 值上任意调整。
[0056]ΛYri1s表示所注入的电压测试信号空间矢量的两个角度之间恒定的角度距离。 该角度距离ΛYpuls必须选择得满足下列两个方程式：
[0057] η · Δ γ Puls = 180°
[0058] 或者
[0059] η · Δ γ Puls = 360°
[0060] 若按这里描述的指令选择参数η和ΛY ，则利用在步骤S4a或者S4b中描述的 方法可以求出转子位置。
[0061] 要指出，视评估方法（见步骤S5b)而定，可以注入具有没有预先确定的角度值的 附加电压测试信号空间矢量（见步骤S5b)。
[0062] 各定子电压可以通过坐标变换如下地算出：
[0063]uα (t) = Upuls(t)cos(YPuls)
[0064] U0 (t) = Upuls (t) sin(yPuls)
[0065]uuo (t) =ua (t) =Upuls(t)cos( yPuls)
[0066]uvo (t) = Uci(t)cos(120° )+ue (t)cos(30° ) = Upuls(t)cos( Ypuls-I^O0 )
[0067] uWQ(t) = u a (t)cos(240° )+ue (t)cos(150。）= Up^Wcosi； Yp^-240。）
[0068] 其中，ua (t)、ue (t)是定子电压的、在定子固定的坐标系上彼此错开90°的电压 分量，而uucl(t)、uTO(t)、uwcl(t)分别对应于为了通过有效地彼此错开120°布置的定子绕组 31产生定子电压的电压空间矢量的各分量。
[0069] 这些电压测试信号例如可以选择为脉冲形式的电压，原因在于它们在相对较小振 幅值上可以通过该驱动电路2以最简单的方式来复制。
[0070] 图5a中作为示例示出一个可能的电压测试信号随时间的变化曲线，所述电压测 试信号可以通过驱动电路2的脉宽调制产生。定子电流分量在电压测试信号的空间矢量方 向上相应的脉冲响应在图5b中示为iPuls(t)。这些定子电流分量可以通过以角度Ypuls的 坐标变换根据测量的相电流算出。由此，这些定子电流分量iMs(t)具有与电压测试信号的 空间矢量角相对应的空间矢量角。下列公式有效：
[0071]ipuis(t) =iu(t)cos(yPuls)+iv(t)cos(120°-yPuls)+iff(t)cos(240YPuls)·
[0072] 该电压测试信号的频率优选对应于这样的频率，在该频率上可以识别d轴和q轴 之间的导纳差。所得的定子电流和所得的励磁电流取决于所注入的电压空间矢量Ypuls的 角度和磁极转子位置Y之间的角度差Δγ=Ypuls-Y,并据此允许确定磁极转子位置。
[0073] 在注入各电压测试信号期间，在相应方向上测量和/或求出所得的定子电流和励 磁电流，并相关于电压测试信号uPuls(t)的空间矢量角Ypuls存储所得的定子电流和励磁电 流，以便进行评估。
[0074]图6a至6c中示出在不同的角度差Λγ= 0°、Λγ= 90。以及Λγ= 180° 上定子电流和励磁电流的脉冲响应。为了对电压测试信号的电流响应进行评估，需要集中 在各指示变量的情况下有关定子电流和励磁电流随着时间的变化曲线的信息。为此，将脉 冲方向iPuls(t)上的定子电流分量用于求出定子电流指示变量Iailsa，以及将励磁电流分量 用于求出励磁电流指示变量if,：[。在步骤S2算出这两个新的指示变量和if』如下：
【权利要求】
1. 用于确定电励磁电机（3)的磁极转子位置的方法，所述方法包括下列步骤： ?在多个空间矢量角上、以处于这样的频率范围内的基频注入电压测试信号，在所述频 率范围内在尤其错开90°的空间矢量角上存在导纳差； ?相关于所述电压测试信号的基频、在相应的空间矢量角上求出励磁电流指示变量的 所得的相应值，作为由所述电压测试信号得到的励磁电流的傅里叶系数；以及 ?根据所述励磁电流指示变量的变化曲线确定磁极转子位置。
2. 根据权利要求1的方法，其中，所述磁极转子位置被确定在所述励磁电流指示变量 的变化曲线的最小值位置上。
3. 根据权利要求2的方法，其中，求出所述励磁电流指示变量的基本振荡的奇分量和 偶分量的振幅，其中，所述磁极转子位置根据奇分量和偶分量的振幅求出。
4. 根据权利要求1的方法，包括另外的步骤： ?相关于所述电压测试信号的基频、在相应的空间矢量角上求出定子电流指示变量的 所得相应值，作为由所述电压测试信号得到的定子电流的傅里叶系数； ?根据所述定子电流指示变量和所述励磁电流指示变量的相应变化曲线确定磁极转子 位置。
5. 根据权利要求4的方法，其中所述磁极转子位置被确定为这样的角度位置，在所述 角度位置上所述定子电流指示变量的变化曲线具有局部最大值，而且相应的励磁电流指示 变量的符号为负。
6. 根据权利要求4或5的方法，其中求出所述定子电流指示变量的二次谐波的奇分量 和偶分量的振幅，其中根据所述奇分量和偶分量的振幅求出磁极转子位置的多义性指示， 其中在预先给定的估计的磁极转子位置的方向上注入另一个电压测试信号，以便通过然后 测量的励磁电流指示变量的符号消除所述多义性。
7. 根据权利要求1至6中任一项的方法，其中所述电压测试信号采取周期性矩形脉冲 的形式注入。
8. 用于确定电励磁电机（3)的转子位置的装置，其中所述装置形成以： ?在多个空间矢量角上、以处于这样的频率范围内的基频注入电压测试信号，在所述频 率范围内尤其在错开90°的空间矢量角上存在导纳差； ?相关于电压测试信号的基频、在相应的空间矢量角上求出励磁电流指示变量的所得 相应值，作为由所述电压测试信号得到的励磁电流的傅里叶系数；以及 ?根据所述励磁电流指示变量的变化曲线确定所述转子位置。
9. 计算机程序产品，包含程序代码，当所述程序代码在数据处理装置上运行时，执行根 据权利要求1至7中任一项的方法。
【文档编号】H02P21/00GK104426447SQ201410648374
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2013年8月26日
【发明者】S·福伊尔萨恩格, M·帕卡斯, C·斯图兹 申请人:Abb技术有限公司