无需为电机进行电流采样的无传感器磁场定向控制(foc)的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开总体涉及电机控制器。更具体地，本公开涉及无需为电机进行电流采样的 无传感器磁场定向控制（FOC)。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机（PMSM)、无刷直流电机（BLDC)、开关磁阻电机、步进电机、以及感应 电机代表可以使用磁场定向（filed-oriented)控制（FOC)技术控制的电机类型。这些类 型的电机通常包括转动的转子和静止的定子。这些电机通常由将直流（DC)输入转化成交 流（AC)输出的逆变器供电。
[0003] 在FOC技术中，对逆变器的各种输出进行控制以便调整电机的操作。"无传感 器"FOC指的是一种方案，该方案中电机的一个或多个特性（例如电机速度或转子位置）是 推导出的而不是使用电机上的传感器直接测量得的。在一些无传感器FOC技术中，向逆变 器提供DC输入的DC总线上的电压及由逆变器提供的两相或三相电流的样本被使用。在其 他无传感器FOC技术中，由于DC总线的电流包括三相电流信息，DC总线上的电流被测量并 使用。由于这些方法使用电流样本，它们通常要求使用一个或多个模数转换器和一个或多 个运算放大器来捕获这些电流样本。
【发明内容】
[0004] 本申请提供了用于无需为电机进行电流采样的无传感器磁场定向控制（FOC)的 方法和装置。
[0005] 在第一示例中，一种装置包括无传感器磁场定向控制（FOC)电机控制器。该电机 控制器包括脉宽调制（PWM)控制器，该脉宽调制控制器被配置为生成PWM信号并且将这些 PWM信号提供给逆变器。电机控制器还包括角度采样器，该角度采样器被配置为接收控制的 电压角度信号并且响应于触发事件将该控制的电压角度信号提供作为输出信号。触发事件 是基于与逆变器的输入或输出关联的电压或电流的。电机控制器进一步包括第一组合器， 被配置为将（i)前馈电压角度信号与（ii)基于该输出信号的第二信号进行组合。第一组 合器被配置为生成控制的电压角度信号。此外，电机控制器包括第二组合器，该第二组合器 被配置为将前馈电压振幅信号与第二信号进行组合。
[0006] 在第二示例中，一种系统包括被配置为向电机供电的逆变器和无传感器磁场定向 控制（FOC)电机控制器。该电机控制器包括脉度调制（PWM)控制器，该脉度调制控制器被配 置为生成PWM信号并且向该逆变器提供这些PWM信号。该电机控制器还包括角度采样器， 该角度采样器被配置为接收控制的电压角度信号并且响应于触发事件将控制的电压角度 信号提供作为输出信号。触发事件是基于与逆变器的输入或输出关联的电压或电流的。电 机控制器进一步包括第一组合器，该第一组合器被配置为将（i)前馈电压角度信号与（ii) 基于该输出信号的第二信号进行组合。该第一组合器被配置为生成控制的电压角度信号。 此外，电机控制器包括第二组合器，该第二组合器被配置为将前馈电压振幅信号与第二信 号进行组合。
[0007] 在第三示例中，一种方法包括为向电机供电的逆变器生成脉宽调制（PWM)信号以 及使用无传感器磁场定向控制调整这些PWM信号的生成。调整PWM信号的生成包括接收与 电机关联的控制的电压角度信号以及响应于触发事件输出该控制的电压角度信号。触发事 件是基于与逆变器的输入或输出关联的电压或电流的。调整PWM信号的生成还包括使用控 制的电压角度信号识别角度误差。调整PWM信号的生成进一步包括通过将（i)前馈电压角 度信号与（ii)基于角度误差的第二信号进行组合来生成电压命令的相位角信号。控制的 电压角度信号表示相位角信号。此外，调整PWM信号的生成包括通过将前馈电压振幅信号 与第二信号进行组合来生成电压命令的电压信号，其中这些PWM信号是基于电压命令生成 的。
【附图说明】
[0008] 图1根据本公开说明一种支持无需为电机进行电流采样的无传感器磁场定向控 制（FOC)的示例系统；
[0009] 图2至图4根据本公开说明一种支持无需为电机进行电流采样的无传感器FOC的 示例电机控制器及相关细节；以及
[0010] 图5根据本公开说明一种用于无需为电机进行电流采样的无传感器FOC的示例方 法。
【具体实施方式】
[0011] 图1根据本公开说明一种支持无需为电机进行电流采样的无传感器磁场定向控 制（FOC)的示例系统100。如图1所示，系统100包括电源102、逆变器104和电机106。电 源102表示向逆变器104提供直流电力的直流（DC)电源。电源102包括用于提供DC电力 的任何适当结构，例如一个或多个电池、燃料电池、太阳能电池或其他DC电源。
[0012] 逆变器104从电源102接收DC电力并将直流电力转化成交流（AC)形式。在此示 例中，逆变器104表示将DC电力转化成提供给电机106的三相AC电流的三相逆变器。逆 变器104包括用于将电力从DC形式转换成AC形式的任何适当结构。例如，逆变器104可 包括使用脉宽调制（PWM)信号驱动的若干晶体管开关。
[0013] 电机106使用逆变器104提供的电流运行。例如，电机106可以包括旋转的转子 和使该转子基于来自逆变器104的电流旋转的定子。电机106包括使用来自逆变器的电流 运行的任何适当类型的电机。示例电机类型包括永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电 机、步进电机和感应电机。在特定示例中，电机106包括通常是直的转子（如磁转子）和定 子中的若干线圈（如六个线圈）。这些线圈被选择性地基于来自逆变器104的电流进行通 电和断电，这使得转子旋转。
[0014] 电机控制器108控制逆变器104的操作从而控制电机106的操作。例如，电机控制 器108可生成驱动逆变器104中的晶体管开关的PWM信号。通过控制PWM信号的占空比， 电机控制器108可控制由逆变器104向电机106提供的电流。
[0015] 在此示例中，电机控制器108接收控制的（commanded)速度信号ω #作为输入，该 信号识别电机106的期望速度。电机控制器108还可接收与DC总线110上的DC电压和/ 或DC电流关联的信号作为输入，DC总线110将来自电源102的DC电力提供给逆变器104。 电机控制器108可进一步接收与多个电流线112中的一个关联的信号作为输入，多个电流 线112将来自逆变器104的三相电流提供给电机106。电机控制器108使用这些输入来生 成用于驱动逆变器104中的晶体管开关的PWM信号。
[0016] 电机控制器108支持无传感器磁场定向控制的使用。也就是说，电机控制器108 不从安装在电机106之中或电机106之上的传感器接收传感器的测量值。相反地，电机控 制器108使用从DC总线110或一个或多个电流线112中得到的信息推断电机106的一个 或多个特性，如电机转速或转子位置。此外，电机控制器108不要求使用系统100中的任何 电流的电流采样。相反地，如下面说明的，电机控制器108可以使用与一个或多个电压或电 流关联的时序信息，而不是任何电流的实际样本，来控制电机106。
[0017] 因为如此，电机控制器108不需要包括用于采样电流的电路。这种电路通常包括 电流传感器（例如分流电阻器）、模数转换器和运算放大器。因此，这种方法可以降低电机 控制器108的尺寸和成本。下面提供了关于电机控制器108的附加细节。
[0018] 此处的组件102-112可位于使用一个或多个电机的任何适当的较大系统114的至 少一部分之内或以其他方式形成任何适当的较大系统的至少一部分。例如，较大系统114 可表示使用电机106来移动乘客或货物的车辆。然而，很多其他系统可以使用由逆变器供 电的电机，如电动滑板车或自行车、HVAC(供暖、通风和空调）系统、水泵、致动器和计算装 置或家庭娱乐装置的光盘驱动器中的电机。
[0019] 虽然图1说明支持无需为电机106进行电流采样的无传感器FOC的系统100的一 个示例，可以对图1进行各种改变。例如，电机控制器108可被耦合到DC总线110和电流 线112中的一个或二者。
[0020] 图2至图4根据本公开说明支持无需为电机106进行电流采样的无传感器FOC的 示例电机控制器108及相关细节。如图2所示，此示例中的电源102是使用整流器202和 电容器204实现的。整流器202通常运行用于将AC输入电力转换成DC输出电力。电容器 204表示将来自整流器202的DC输出电力中的变量进行平滑处理的输出电容器。整流器 202包括用于将电力从AC形式转换成DC形式的任何适当结构。电容器204包括具有任何 适当电容的任何适当的电容性结构。可以使用若干晶体管开关206实现此示例中的逆变器 104。这些晶体管开关206包括任何适当晶体管装置。
[0021] 如图2所示，电机控制器108包括增益单元208,该增益单元208将增益应用到所 控制的速度信号ω?。增益单元208输出前馈（或原始控制的）电压振幅信号。增益单元 208根据所控制的速度信号ω?将该电压振幅信号归一化，这通常在控制的电压与控制的速 度近似成正比时才有可能。增益单元208包括用于将增益应用到输入信号的任何适当的结 构。积分器210积分所控制的速度信号ω'积分器210的输出表不前馈电压角度信号。积 分器210包括用于积分信号的任何适当的结构。
[0022] 电机控制器108中的角度采样器212可被耦合到DC总线110和/或电流线112 中的至少一个。此处的角度采样器212生成输出信号，该输出信号在出现触发事件时表示 与电机106关联的所控制的电压角度。具体地，角度采样器212可以接收（来自组合器220 的）连续控制的电压角度信号Θ，该电压角度信号Θ表示与电机106关联的电压角度，并 且响应于触发事件，信号Θ在特定实例中所识别的电压角度由角度采样器212输出。该触 发事件可表示DC总线110或电流线112上的电压或电流中的过零或峰值。在此示例中，角 度采样器212可以被功能地实现为比较器212a和采样保持电