一种永磁同步电机控制装置、系统及方法与流程
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机控制装置、系统及方法。
背景技术：
通常，电机的绕组呈电感特性，因此电机相电流常滞后于所施加的电压。为达成效率优化、高速运转等控制目标，通常需要在各相驱动电压上施加一定的相位角调整。在一些应用中，经常采用简单计算的方法来计算相位角调整。具体为：根据测量变量，如转速、平均母线电流等系统测量值来估算所需的相位角调整。由于这些控制方案仅简单测量电机系统的某一状态变量，并未使用电机当前运行状态进行同步控制，因此在实际应用中常会出现负载意外变化时会进入转速剧烈变化甚至飞车等危险工作状态。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种永磁同步电机控制装置、系统及方法，可以解决现有技术存在的上述不足。通过在参考时刻计算电机的交轴电流值，根据电机交轴电流值自动调整电机绕组相调制信号波形的相位，进而实现电机的自动优化控制。
第一方面，本发明实施例提供了一种永磁同步电机控制装置，该装置包括：位置检测单元，用于检测电机转子的位置；参考产生单元，用于根据所述电机转子的位置确定离散的参考时刻；电流测量单元，用于确定所述离散的参考时刻对应的电机的相电流值；计算单元，用于根据所述离散的参考时刻对应的电机的相电流值，确定所述电机的交轴电流值；相位调整单元，用于根据所述电机的交轴电流值，调整电机绕组相调制信号波形的相位，其中，所述电机的交轴电流是指，在以所述电机转子磁场方向为直轴、以垂直于所述电机转子磁场方向为交轴的转子同步旋转坐标系中，电机各相相电流在交轴上的相电流矢量投影之和；驱动单元，用于根据所述电机转子的位置和相位调整后的电机绕组相调制信号波形，输出各相电机绕组的驱动信号。
具体地，本申请通过优化选取离散的参考时刻，降低控制算法的计算复杂度和实现时所需的计算量，可以实现低成本调控电机的相电流，提高电机的工作效率。
可选地，所述位置检测单元包括至少一个霍尔元件，所述霍尔元件物理安装位置根据电机本体设计和转子设计确定；所述霍尔元件，用于根据所述电机转子的磁场指向来检测所述电机转子的位置。
具体地，通过霍尔元件检测电机转子的位置，并根据电机转子的位置信号选取离散的参考时刻，降低控制算法的计算复杂度和实现时所需的计算量，可以实现低成本调控电机的相电流，提高电机的工作效率
可选地，所述参考产生单元，具体用于根据所述电机转子的位置与电机反电动势的关系在一个电角周期内，产生至少一个离散的参考时刻，所述至少一个离散的参考时刻与所述电机反电动势的幅值和相位相关；所述电流测量单元，具体用于获取每个参考时刻对应的至少一相的相电流值；所述计算单元，具体用于根据所述至少一个离散的参考时刻对应的至少一相的相电流值确定所述电机的交轴电流值。
可选地，所述计算单元，具体用于通过所述至少一个离散的参考时刻的选择，根据一相的相电流确定所述电机的交轴电流值。
可选地，所述相位调整单元，具体用于根据所述电机的交轴电流值，分别调整各相电机绕组相调制信号波形的相位，或统一调整所有相电机绕组相调制信号波形的相位。
可选地，所述驱动单元输出的所述电机绕组的驱动信号是脉冲宽度调制信号(Pulse Width Modulation，PWM)。
第二方面，本发明实施例提供了一种永磁同步电机控制系统，该系统包括：电机控制装置，包括第一方面所述的电机控制装置；功率开关电路，根据所述电机控制装置输出的驱动信号导通或关闭；同步电机，包括电机转子和定子绕组，用于通过所述功率开关电路向所述定子绕组施加驱动电压，产生旋转磁场并推动所述电机转子转动。
可选地，所述电机控制装置输出的所述驱动信号直接控制所述功率器件的导通和关闭，进而向所述定子绕组施加驱动电压；或，所述电机控制装置输出的所述驱动信号通过外部的电平转换电路控制所述功率器件的导通和关闭，进而向所述定子绕组施加驱动电压。
第三方面，本发明实施例提供了一种永磁同步电机控制方法，该方法包括：获取电机转子的位置；根据所述电机转子的位置确定离散的参考时刻；确定所述离散的参考时刻对应的电机的相电流值；根据所述离散的参考时刻对应的电机的相电流值，确定所述电机的交轴电流值；根据所述电机的交轴电流值，调整电机绕组相调制信号波形的相位，其中，所述电机的交轴电流是指，在以所述电机转子磁场方向为直轴、以垂直于所述电机转子磁场方向为交轴的转子同步旋转坐标系中，电机各相相电流在交轴上的相电流矢量投影之和；根据所述电机转子的位置和相位调整后的电机绕组相调制信号波形，输出各相电机绕组的驱动信号。
可选地，所述获取电机转子的位置，包括：通过至少一个霍尔元件，根据所述电机转子的磁场指向来确定所述电机转子的位置，所述霍尔元件的物理安装位置根据电机本体设计和转子设计确定。
可选地，所述根据所述电机转子的位置确定离散的参考时刻，包括：根据所述电机转子的位置与电机反电动势的关系在一个电角周期内，产生至少一个离散的参考时刻，所述至少一个离散的参考时刻与所述电机反电动势的幅值和相位相关；所述根据所述离散的参考时刻对应的电机的相电流值，确定所述电机的交轴电流值，包括：获取每个参考时刻对应的至少一相的相电流值；根据所述至少一个离散的参考时刻对应的至少一相的相电流值确定所述电机的交轴电流值。
可选地，所述根据所述至少一个离散的参考时刻对应的至少一相的相电流值确定所述电机的交轴电流值，包括：通过所述至少一个离散的参考时刻的选择，根据一相的相电流确定所述电机的交轴电流值。
可选地，所述根据所述电机的交轴电流值，调整电机绕组相调制信号波形的相位，包括：根据所述电机的交轴电流值，分别调整各相电机绕组相调制信号波形的相位，或统一调整所有相电机绕组相调制信号波形的相位。
可选地，所述电机绕组的驱动信号是PWM信号。
基于上述技术方案，本发明实施例提供的电机控制装置、系统及方法，可以根据电机转子的位置来选择在特定参考时刻的电机相电流作为控制输入，通过控制电机绕组驱动信号的相位，调控电机的相电流。通过合理选择特定的参考时刻，可有效降低控制算法的计算复杂度和实现时所需的计算量，实现低成本控制电机相电流，提高电机的工作效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机控制装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种永磁同步电机控制系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种电机转子坐标系示意图；
图4为本发明实施例提供的一种永磁同步电机控制系统结构示意图；
图5为本发明实施例提供的永磁同步电机控制集成电路结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种永磁同步电机控制方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
电机通常使用位置传感器来检测电机转子位置，特别是低成本的电机经常使用一个或多个离散位置传感器(如霍尔效应元件或霍尔效应集成电路)来检测电机转子位置，并根据转子位置信号及调制算法输出各相驱动信号，进而形成旋转磁场推动转子旋转。电机的绕组呈电感特性，因此电机相电流滞后于所施加的驱动电压。为达成效率优化等控制目标，通常需要在相调制信号上施加一定的相位调整。
图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机控制装置结构示意图。如图1所示，该实施例提供的装置包括：位置检测单元110、参考产生单元120、电流测量单元130、计算单元140、相位调整单元150以及驱动单元160。
其中，位置检测单元110用于检测电机转子位置，获取其位置信号。
可选地，位置检测单元110包括至少一个霍尔元件；霍尔元件用于根据所述电机转子的磁场指向来检测所述电机转子的位置，所述霍尔元件的物理安装位置根据电机本体设计和转子设计确定。
参考产生单元120用于根据所述电机转子的位置确定离散的参考时刻。参考产生单元120具体以转子位置信号为基准，产生离散的参考时刻。
电流测量单元130用于测量电机的相电流，获取离散的参考时刻对应的相电流值。
计算单元140用于根据离散的参考时刻及此时相电流值，计算电机的交轴电流。其中，电机的交轴电流是指，在以所述电机转子磁场方向为直轴、以垂直于所述电机转子磁场方向为交轴的转子同步旋转坐标系中，电机各相相电流在交轴上的相电流矢量投影之和。
可选地，参考产生单元120具体用于根据所述电机转子的位置与电机反电动势的关系在一个电角周期内，产生至少一个离散的参考时刻，所述至少一个离散的参考时刻与所述电机反电动势的幅值和相位相关。电流测量单元130具体用于获取每个参考时刻对应的至少一相的相电流值。计算单元140具体用于根据所述至少一个离散的参考时刻对应的至少一相的相电流值确定所述电机的交轴电流值。
相位调整单元150用于根据所述交轴电流值，调整电机绕组相调制信号波形的相位。
可选地，根据交轴电流值可根据查找表或简单线性偏移缩放得到调整电机绕组相调制信号波形的相位值。
驱动单元160用于根据所述电机转子位置信号和所述相位调整后的电机绕组相调制信号，输出相位调整后的各相绕组的驱动信号。其中，驱动信号用于驱动所述电机转子旋转。
下面以三相电机为例，对本实施例所提供的永磁同步电机控制装置做进一步的阐述。
对于三相电机，位置检测单元110通常包括三个霍尔效应集成电路，并相隔一定电角(如120度)排列。霍尔效应集成电路根据电机转子磁场来检测转子位置并输出三相位置信号HU、HV以及HW。如图2所示，根据三相位置信号HU、HV以及HW，选取离散的参考时刻RU、RV以及RW。
具体地，当电机处于稳态运行时，电机的相电流与反电动势(Back Electromotive Force，Bemf)的相位差将接近于特定值(例如零度)。如图2所示，三相的反电动势BemfU、BemfV以及BemfW分别与三相电流Iu、Iv以及Iw分别处于相位对齐状态。可通过选择特定的参考时刻，例如可通过检测与电机反电动势波峰或波谷处对应的电机相电流，计算得出电机交轴电流值，进而换算出相调制信号的相位调整量。通过合理选择特定的参考时刻，可降低控制算法的计算复杂度和实现时所需的计算量，从而以低成本实现控制电机的相电流。
如图2所示，相参考时刻RU处，相电流Iu处对应BemfU的波谷，可选取此时刻作为一个参考时刻。该时刻相对U相位置信号的上升沿相差θ60度的时间，在一个可能的示例中，可通过位置估算单元，根据三相位置信号的周期计算相对U相位置信号的上升沿相差θ60度的时刻，作为该参考时刻的时间标记。在另一个可能的示例中，如图2所示，相参考时刻RU对应W相位置信号的下降沿，因此可以直接在W相位置信号的下降沿对应的时刻测量U相电流Iu。
相应地，BemfU的周期起点对应HU下降沿相差θ30度的时间。BemfU的波峰对应HU下降沿相差θ60度的时间。另外，相参考时刻RV对应BemfV的波谷，同时对应U相位置信号的下降沿，相参考时刻RW对应BemfW的波谷，同时对应V相位置信号的下降沿。
因此，本发明可通过霍尔元件输出的三相位置信号，获得转子位置，同时可选取特定的离散参考时刻，例如图2中的RU、RV以及RW中的至少一个参考时刻。本发明可依照一定的调制算法产生相调制信号SU、SV和SW。驱动单元160输出脉冲宽度调制信号，并通过功率开关器件向电机各相绕组施加驱动电压。如图2示意出相调制信号Su相、Sv相或Sw的相位调整。对应示意出驱动信号PWMu、PWMv或PWMw的调整。三相绕组的交变相电流IU、IV和IW形成旋转磁场，进而推动电机转子旋转。
一般而言，为满足一定的控制要求，需对相调制信号的相位，即电机绕组相调制信号波形的相位做调整。在本实施例中，相位调整单元150根据所述交轴电流，调整电机绕组相调制信号波形的相位。下面对此做进一步详述。
图3给出与电机转子磁场方向为直轴(以下简记为d轴)、以垂直于电机转子磁场方向为交轴(以下简记为q轴)的转子同步旋转坐标系示意；在参照的定子静止坐标系中，以三相相电流矢量的方向为轴，记为U、V和W，两两之间相隔120°电角。假设在某一个时刻，q轴处于图3所示位置，则交轴电流iq理论计算公式为：
Iq＝AMP·[-iU·sin(θ)-iV·sin(θ-2/3·π)-iW·sin(θ+2/3·π)] (1)
直轴电流id理论计算公式为：
Id＝AMP·[iU·cos(θ)+iV·cos(θ-2/3π)+iW·cos(θ+2/3·π)] (2)
其中，iq为所述电机转子同步形成的旋转坐标中电机的交轴电流值，iU、iV以及iW分别为所述三相相电流形成的静止坐标中U轴、V轴和W轴的相电流，AMP为所述三相相电流形成的静止坐标向所述电机转子同步形成的旋转坐标转换的归一化系数，2/3π为所述U轴、V轴和W轴的相电流间的方向电角，θ为在所述参考时刻的所述U轴与所述直轴的夹角。
在交轴和直轴电流的理论计算中，使用角度θ和相电流iU、iV和iW值。首先，角度θ由位置检测单元110根据三相位置信号HU、HV和HW产生。在一个电角周期内，参考产生单元120根据检测单元110输出的角度θ可以产生一个或多个参考时刻。如图2所示，RU、RV和RW为三种可选的参考时刻，但需要指出的是，参考时刻不限于图2所示。
理论上电机三相相电流之和恒为零，即恒有iU+iv+iW＝0。通过选择电机优化控制策略(如Id＝0策略时)有电机稳态运行下相电流iU、iV和iW值满足iU＝i·sinθ，iv＝i·sin(θ-2π/3)，iW＝i·sin(θ+2π/3)，即此时三相相电流的幅度相同，相位上相互延迟120度。因此，通过至少一个离散的参考时刻的选择，可以根据一相的相电流确定电机的交轴电流值。即通过参考时刻的选择，交轴电流可以只由某一相相电流计算得到。例如当θ＝2nπ±(π/2)时(其中n为整数)，iq＝±3/2AMP·i＝(±3/2AMP)·iU，此时可仅使用iU来计算交轴电流。相应地，当参考时刻做其他特殊选择时，交轴电流iq可以仅用iV或iW测量值经简单计算得到。根据选择的参考时刻通过对某一相相电流或多相相电流测量所得电流值可简单计算出交轴电流，再根据交轴电流值调整电机绕组相调制信号波形的相位。
可选地，根据交轴电流值可根据查找表或简单线性偏移缩放得到调整电机绕组相调制信号波形的相位值。
进一步地，电机各相绕组相调制信号波形的相位可以是所有相使用统一的调整，也可以是各相使用修正后的调整。这取决于诸多因素，如控制策略差异、传感器安装偏差、转子充磁均匀性、参考时刻的选择等等。
更进一步地，驱动单元160输出的相调制信号是脉冲宽度调制信号，其由相调制信号与载波调制后得到。
具体地，在电机的工作状况对瞬态性能要求不高的情况下，本申请提供的电机控制装置可以更好的发挥其低成本调控电机电流的优势。
图4为本发明实施例提供的一种永磁同步电机控制系统结构示意图，如图4所示，该实施例提供的系统包括：电机控制装置410、功率开关电路420以及同步电机430。
具体地，功率开关电路420，由功率器件组成，其导通或关闭受电机控制装置410输出的相调制信号控制。功率器件可以是金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，MOS)或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。
具体地，同步电机430，主要由电机转子和定子绕组构成，通过功率开关电路420向定子绕组施加驱动电压。绕组中所产生的交变电流将产生旋转磁场，进而推动转子转动。
以下通过图5提供的永磁同步电机控制集成电路结构示意图，详细说明上述实施例提供的电机控制装置及系统。如图5所示，该实施例提供的集成电路包括：位置检测电路510、参考产生电路520、电流测量电路530、计算电路540、相位调整电路550以及驱动电路560。
其中，位置检测电路510，根据霍尔元件产生的霍尔信号，检测电机转子位置，获取其位置信号。
参考产生电路520，以转子位置信号为基准，产生离散的参考时刻。
电流测量电路530，通过检测电机相电流，并对其进行信号放大和模数转换，并进一步获取参考时刻相电流的值。
计算电路540，根据参考时刻及此时相电流的值，计算电机的交轴电流。
相位调整电路550，根据所述交轴电流值，通过输出相位调整信息到驱动电路560，实现调整电机绕组相调制信号波形的相位。
可选地，根据交轴电流值可根据查找表或简单线性偏移缩放得到调整电机绕组相调制信号波形的相位值。
驱动电路560，根据电机转子位置信号和经所述相位调整电路调整后的调制信号波形相位，输出各相驱动信号。
位置检测电路510包括霍尔驱动电路511和周期测量电路512。需要说明的是，当所采用的霍尔元件上集成了驱动电路，霍尔驱动电路511不是必须的。
电流测量电路530包括信号放大电路531和模数转换器532，用于完成电流信号的放大和模数转换。经过模数转换后，计算电路540将在数字域计算交轴电流。
以三相电机为例，对交轴电流的计算进一步阐述。
基于图3所示的旋转坐标系，交轴电流iq和直轴电流id的理论计算公式参见公式(1)和公式(2)。
角度θ由参考产生电路520产生，与所述参考时刻是一一对应的。在一个电周期内，可以设置一个或多个参考时刻。如前所述，当选择合适的参考时刻时，交轴电流可以只由某一相相电流测量值经简单计算得到。此时，相电流的检测和计算电路540将简化。
具体地，驱动电路560包括：占空比控制电路561、调制信号产生电路562、三角载波产生电路563、PWM产生电路564以及电平转换电路565。
占空比控制电路561，用于产生脉冲宽度调制信号占空比的控制信号。
调制信号产生电路562，用于接收相位调整电路550输出的相位调整信息，通过调制算法及占空比的控制信号产生相调制信号。
三角载波产生电路563，用于产生固定频率的三角载波。
PWM产生电路564，用于利用所述三角载波调制所述相调制信号产生脉冲宽度调制信号。
电平转换电路565，将所述脉冲宽度调制信号的电平转换为适合于控制功率器件的导通和关闭的相驱动信号。
可选地，在本发明实施例中，占空比控制电路561通过控制相调制信号的幅度来决定脉冲宽度调制信号的占空比。
可选地，在本发明实施例中，对三角载波和相调制信号进行采样与比较，从而获取对应的脉冲宽度调制信号。
需要说明的是，电平转换电路565可以不包括在驱动电路560之内。此时，驱动电路560输出的脉冲宽度调制信号可能无法直接控制功率器件的导通和关闭，而需通过外部的电平转换电路对功率器件实施控制。
需要说明的是，本发明实施例还提供一种电机控制芯片，该芯片包括图5所示的电机控制集成电路和功率器件。其中，图5所示的电机控制集成电路和功率器件可以制作在同一衬底上，也可以分别制作在不同衬底上并通过封装结合在一起。
相应地，图6为本发明实施例提供的一种永磁同步电机控制方法流程示意图，如图6所示，该实施例提供的电机控制方法包括步骤610至步骤660：
在步骤610，获取电机转子的位置。
具体地，检测电机转子位置，获取其位置信号。
在步骤620，根据所述电机转子的位置确定离散的参考时刻。
具体地，以转子位置信号为基准，产生离散的参考时刻。
在步骤630，确定所述离散的参考时刻对应的电机的相电流值。
具体地，检测电机的相电流，获取离散的参考时刻对应的相电流值。
在步骤640，根据所述离散的参考时刻对应的电机的相电流值，确定所述电机的交轴电流值，其中，所述电机的交轴电流是指，在以所述电机转子磁场方向为直轴、以垂直于所述电机转子磁场方向为交轴的转子同步旋转坐标系中，电机各相相电流在交轴上的相电流矢量投影之和。
在步骤650，根据所述电机的交轴电流值，调整电机绕组相调制信号波形的相位。
在步骤660，根据所述电机转子的位置和调整相位后的电机绕组相调制信号波形，输出各相电机绕组的驱动信号。
可选的，根据交轴电流值可根据查找表或简单线性偏移缩放得到调整电机绕组相调制信号波形的相位值。
可选地，在一个电周期内，可以选取一个或多个参考时刻，并计算相应的交轴电流，进而对电机绕组相调制信号波形的相位进行一次或多次的调整。相位调整可以是所有相使用统一的调整，也可以是各相使用修正后的调整。
本发明属于电机控制领域，特别涉及永磁同步电机的控制装置、系统、集成电路、芯片及方法，通过在离散的参考时刻通过测量相电流计算出电机的交轴电流值，根据交轴电流值调整电机绕组相调制信号波形的相位，进而实现电机的自动优化控制。具体而言在于：首先，通过霍尔元件检测电机转子位置，获取其位置信号，并据此产生离散的参考时刻；其次，根据参考时刻及此时相电流值,计算电机的交轴电流值；最后，根据所述交轴电流值，调整电机绕组相调制信号波形的相位，以达成电机在效率等方面的控制目标。本发明通过优化选择合适的参考时刻，可低成本实现电机的相电流控制，可在系统可靠性、成本、性能、实现难度等方面取得综合优势。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。
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