专利名称：永磁体同步电机驱动器的启动方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及对电机驱动器的控制，并且尤其涉及估计永磁体同步电机(PMSM)驱动器中的转子角度(特别是在从静止启动PMSM时)的技术。
背景技术：
转子位置信息通常是具有正弦电流激励的永磁体AC电机的稳定工作所必需的。过去，从安装在电机轴上的编码器获得连续的转子位置，或者通过基于电压和电流反馈的估计算法而间接获得。后者是优选的，因为它具有更低的系统和运行成本。
然而，大多数被动转子估计方案(基于测得的电压和电流)非常复杂，并且需要精确知道电机参数例如电阻和电感。这些参数特别是定子电阻随着温度而大幅度变化。这样导致了转子角度估计的不准确性，并且导致控制的稳定性问题，降低了每安培电流的转矩，并且降低了电机工作效率。
序列号No.10/294,201描述了一种方法，其中通过锁相环(PLL)而估计转子角度，所述锁相环锁定电机的磁通量，特别是在正常运行模式中。
然而，本发明人注意到在启动期间产生的其他问题。在零速度或者低速度(＜10％)条件下，由于电机的反向EMF(BEMF)的幅度很小，因此很难准确测量或者估计电机电压。在大多数无传感器(不具有轴编码器)的控制驱动器中，基于BEMF的转子角度跟踪通常在较低速度(＜5％)下失败。因此，永磁体电机驱动器的无传感器控制需要某种启动电机的方式。在多数情况下，电机以开环(不使用反馈)方式启动。一旦电机速度拉升起来(通常＞10％)，则驱动器切换到闭环(使用电流和/或电压反馈)控制模式。然而，在从开环至闭环模式的切换中，可能由于模式转换而产生转矩和电流跳变。
因此，需要提供一种转子角度估计方案，提供最大的每安培转矩性能而不需要准确知道定子电阻或者其他电机参数。
进一步需要提供一种在启动期间估计转子角度的方案，从而提供鲁棒的启动并且降低电机启动期间转矩跳变的发生。
发明内容
本发明提供了一种估计转子角度信息以控制具有正弦反向EMF的永磁体AC电机的新颖方法。
转子角度是通过锁相环(具有相位误差补偿)而估计的，所述锁相环接收对转子磁通量的估计。转子磁通量是通过定子电压(实际电压或者额定电压)、电流、电阻和电感而获得的。
然后，通过使用新颖的角度误差校正器而消除转子角度估计误差(定子电阻随着温度改变)。所述校正器基于无功功率补偿，并且对电阻变化不敏感。而且，所述角度校正器的参考模型仅需要一个电感参数。
为了提供鲁棒的启动并且减少电机启动期间的转矩跳变，本发明使用了上述的PLL结合一种新提出的启动逻辑。所述启动逻辑包括启动序列发生器和机械模型。这些元件非常容易制造，因为它们利用了与序列号No.10/294,201中用于估计转子角度的相同的PLL积分器。
估计的通量信息被PLL在闭环模式中用于跟踪转子角度。简单的机械模型被PLL在开环模式中用于预测转子角度。启动序列发生逻辑被用于在电机启动期间提供从开环模式至闭环模式的鲁棒并且平滑的过渡。
因此，用于对PM电机进行无传感器控制的转子角度估计算法可以包括一个或者多个以下的示例特征。
(1)具有前向反馈的电感补偿的通量估计器。向量PLL锁定到所述通量估计器的输出。非理想的通量估计器与所述通量PLL结合使用以进行转子角度估计。
(2)包含在所述PLL中的相位补偿电路(F)，用于消除由于所述非理想通量估计器引入的相位误差。
(3)基于无功功率的补偿方案消除了所述转子角度估计方法对定子电阻变化的敏感性。
(4)启动序列发生器和负载模型结合所述向量PLL一起工作，从而实现鲁棒的启动和平滑的速度攀升。
本发明的其他特征和优点通过下面的参考附图对本发明实施例的描述可以更加明白。
图1是显示包含本发明第一实施例的PMSM控制系统的结构图；图2是显示图1所示的转子角度估计器的详细结构图；图3是与图2所示的结构图关联的转子磁通量估计器的电路图；图4是显示图1所示的转子角度校正器的详细结构图；图5是显示无功功率误差相对于转子角度误差(均已相对于电机额定功率归一化)之间的关系的图示；图6是显示转子角度估计器的第二实施例的结构图；图7是显示转子角度估计器的第三实施例的结构图；以及图8更加详细的显示了图7所示的转子角度估计器。
具体实施例方式
本发明在此描述为与通过固件实现的电机控制算法关联。然而，本发明的范围包括硬件、固件和软件的任何组合的实现，这些均是本领域普通技术人员可以预见的。
图1显示了所述控制方法的第一实施例的结构图。d轴是与转子的磁轴对齐的方向(本领域惯例)。
以下为图1中所列的量的定义。
id* ——额定通量电流iq* ——额定转矩电流id ——反馈通量电流iq ——转矩电流反馈ia，ib ——相位电流Rtr_Ang ——估计的转子角度C_Rs ——定子对相位的电阻Del_Ang ——角度校正器的补偿角度Vab，Vbc ——反馈线电压Vd ——通量轴反馈电压Vq ——转矩轴反馈电压We ——逆变器基本频率图1中的转子角度估计模块在图2中详细显示。输入Flx_A和Flx_B是通过由图3所示的定子电流、电压、电阻和电感形成的电机反向emf的非理想积分获得的转子磁通量。在图3中，Tf表示非理想积分器的时间常数。
应当注意，图3中的通量估计器的输入(V_A，V_B，I_A和I_B)为三相(ia，ib，Vab，Vbc)至二相的转换后信号。
转子角度估计器(图2)利用新颖的通量相位锁定环系统。频率前向反馈电路F补偿由于图3中用于获取通量的定子电压的非理想积分而产生的相位误差。通过非理想积分产生的相位误差在电路F中完全补偿。
然后，由于电阻产生的估计误差通过转子角度校正器系统进行补偿，这在下文参考图4进行描述。
图1中的转子角度校正器电路在图4中详细显示。当估计的转子角度(图1)与实际转子角度匹配时，输入到电机的无功功率(Q)的参考值等于1.5*We*(C_Lq*I*I+Flx_M*id+(C_Ld-C_Lq)*id*id)然而应当注意，对于永磁体表面安装(PMSM)电机，d轴和q轴中的气隙磁阻相同。因此，id＝0并且Ld＝Lq。因此，上述参考无功功率的公式可以简化为1.5*We*(C_Lq*I*I)实际的电机无功功率(Q)仅表示为电压和电流，可以如下计算Q＝1.5*(Vq*id-Vd*iq).
在上述公式中C_Ld——d轴电感，C_Lq——q轴电感，I ——定子电流大小，Flx_M ——转子磁体的等效磁链，Q ——终端无功功率，以及We(omega e) ——定子基本频率由于C_Ld＝C_Lq，转子角度校正可以仅通过一个电感参数(Lq或者Ld)而实现。在此例中使用了Lq。当然，本发明也适用于其他电机类型，例如内部永磁体电机，其中Ld不等于Lq，本领域普通技术人员可以很容易理解这点。
如果估计的转子角度与实际的转子角度匹配，则满足如下关系(Vq*id-Vd*iq)-We*C_Lq*I*I＝0因此，Q与(We*C_Lq*I*I)(图5中的垂直轴)之间的无功功率误差可以用于抵消任何转子角度误差(图5中的水平轴)，从而即使在磁通量估计器中使用的电阻参数存在误差的情况下(图3)，都可以保持最大的每安培转矩。
图6显示了根据本发明第二实施例的转子角度估计模块。所述系统通过消除图2所示系统中的上部Mod-2π模块而进行了简化。
图7显示了第三实施例。其中再次修改了图6所示系统。在第一和第二实施例中，PI(比例积分)调节器的两个输入被接合在一起并且同时接收来自通量解调器(Demod-Flux)的Pll_Err输出。在此实施例中，PI调节器的两个输入单独接收启动模块的各个输出，所述启动模块的两个输入均接收来自通量解调器的Pll_Err。
图8中详细显示了启动模块及其与PLL角度跟踪模块的接口。在图8中Rtr_Ang ——估计的转子角度Flx_A——估计的alpha通量Flx_B——估计的beta通量Pll_Err ——Pll误差信号Trq ——估计的电机转矩We ——逆变器基本频率图6显示了相同的PLL(图2)，模块F被移动到PLL的反馈路径上。这样做是为了向启动模块提供方便的接口连接。模块F的移动并不会影响PLL的功能，因为模块F的主要功能是对估计的转子角度(Rtr_Ang)进行移相。图2所示的PI模块在图8中被扩大，从而显示连接到启动模块的P和I路径。
图8显示了启动模块和PLL模块之间的接口。
当电机BEMF很小(＜10％)时，通量信号Flx_A和Flx_B(通过估计或者测量的电机电压而计算得到)的保真度下降，导致不准确的误差校正信号(Pll_Err)。为了解决该问题，在初始启动期间通过简单的电机模型(图8所示的负载模型)产生Pll_Err。所述负载模型仅用于启动期间的短暂持续时间。当电机频率(We)达到某个阈值时，Flx_A和Flx_B的保真度提高，并且然后从Flx_A和Flx_B计算得到Pll_Err。
在图8中，在电机启动期间，开关Sw1和Sw2在其上部位置。启动序列发生器处于其停止状态并且PI调节器的输入为零。在停止状态中，初始的电机角度被获取(通过任何公知技术，例如dc电流注入)并且初始化。在停止状态(Paking Done)完成后，Sw2被闭合而Sw1仍然处于其上部位置(开环模式)。通过由两个增益乘法器(Kt和Kf)组成的简单负载模型提供输入给PI调节器的积分器。所述Kt路径模拟电机的加速转矩，由负载转矩电流反馈(iq)供给。所述Kf路径模拟摩擦转矩，由频率(We)供给。
在某些情况下，加速转矩在电机启动期间远远大于摩擦转矩，从而在这些情况下可以去除Kf路径的使用。
当电机开始加速时，电机频率(We)也增加。一旦绝对电机频率超过某个阈值(通常为额定频率的10％)则开关Sw1闭合并且激活闭环(closed loop)模式。
尽管参考特定实施例描述了本发明，本领域技术人员容易做出各种变化和修改以及其它使用。因此，本发明并不限于在此公开的特定内容。
权利要求书(按照条约第19条的修改)根据PCT条约第19条修改的声明用修改后的权利要求中文译文第1-42项替换原始申请的权利要求中文译文第1-36项。
1.一种在电机驱动器控制中确定转子角度的方法，包括步骤a)基于电机中的转子磁通量而估计转子角度；以及b)基于输入到电机的无功功率来校正所述估计的转子角度；其中所述步骤(a)进一步包括步骤(a1)在电机启动期间根据预定电机负载模型结合启动序列发生器而估计所述转子角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述负载模型表示电机加速转矩。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述模型响应于负载转矩电流反馈(iq)。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述负载模型表示摩擦转矩。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述模型响应于电机频率(We)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(a1)在额定电机频率的可调节百分比时终止。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述可调节百分比大约为百分之十。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(a1)在开环模式中执行并且在从开环模式过渡到闭环模式时终止。
9.一种在电机驱动器控制中确定转子角度的方法，包括步骤
a)确定电机中的转子磁通量；b)基于电机中的转子磁通量并且在电机启动期间根据预定电机负载模型结合启动序列发生器而估计所述转子角度；以及c)基于输入到电机的无功功率来校正所述估计的转子角度；其中所述步骤(a)包括定子电压和电流值的非理想积分的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述负载模型表示电机加速转矩。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述模型响应于负载转矩电流反馈(iq)。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述负载模型表示摩擦转矩。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述模型响应于电机频率(We)。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述步骤(b)在额定电机频率的可调节百分比时终止。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述步骤(b)在额定电机频率的大约10％时终止。
16.根据权利要求9所述的方法，其中所述步骤(b)在开环模式中执行并且在从开环模式过渡到闭环模式时终止。
17.根据权利要求9所述的方法，其中所述步骤(a)进一步包括通过具有相位补偿的PLL电路(F)来校正由于所述非理想积分导致的相位误差的步骤。
18.一种在电机驱动器控制中确定转子角度的系统，包括第一电路，用于基于电机中的转子磁通量而估计转子角度；以及第二电路，用于基于输入到电机的无功功率来校正所述估计的转子角度；其中所述第一电路进一步在电机启动期间根据预定电机负载模型结合启动序列发生器而估计所述转子角度。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述负载模型表示电机加速转矩。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述模型响应于负载转矩电流反馈(iq)。
21.根据权利要求19所述的系统，其中所述负载模型表示摩擦转矩。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述模型响应于电机频率(We)。
23.根据权利要求18所述的系统，其中所述估计步骤在额定电机频率的可调节百分比时终止。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述估计步骤在额定电机频率的大约10％时终止。
25.根据权利要求18所述的系统，其中所述估计步骤在开环模式中执行并且在从开环模式过渡到闭环模式时终止。
26.一种在电机驱动器控制中确定转子角度的系统，包括a)第一电路，用于确定电机中的转子磁通量；b)第二电路，用于基于电机中的转子磁通量并且在电机启动期间根据预定电机负载模型结合启动序列发生器而估计所述转子角度；以及c)基于输入到电机的无功功率来校正所述估计的转子角度；其中所述第一电路执行对定子电压和电流值的非理想积分。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述负载模型表示电机加速转矩。
28.根据权利要求27所述的系统，其中所述模型响应于负载转矩电流反馈(iq)。
29.根据权利要求27所述的系统，其中所述负载模型表示摩擦转矩。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述模型响应于电机频率(We)。
31.根据权利要求26所述的系统，其中所述估计步骤在额定电机频率的可调节百分比时终止。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述估计步骤在额定电机频率的大约10％时终止。
33.根据权利要求26所述的系统，其中所述估计步骤在开环模式中执行并且在从开环模式过渡到闭环模式时终止。
34.根据权利要求26所述的系统，其中所述第二电路通过具有相位补偿的PLL电路(F)来校正由于所述非理想积分导致的相位误差。
35.根据权利要求1所述的方法，其中所述校正步骤是如下执行的计算第一无功功率输入值和第二无功功率输入值；确定所述第一和第二无功功率输入值之间的关系；以及将所述关系应用到所述估计步骤中估计的转子角度以获得校正后的转子角度。
36.根据权利要求1所述的方法，其中所述估计步骤包括定子电压和电流值的非理想积分的步骤，以及通过具有相位补偿的PLL电路(F)来校正由于所述非理想积分导致的相位误差的步骤。
37.根据权利要求9所述的方法，其中所述基于输入到电机的无功功率来校正所述估计的转子角度的步骤是如下执行的计算第一无功功率输入值和第二无功功率输入值；确定所述第一和第二无功功率输入值之间的关系；以及将所述关系应用到所述步骤(b)中估计的转子角度以获得校正后的转子角度。
38.根据权利要求9所述的方法，其中所述步骤(b)包括通过具有相位补偿的PLL电路(F)来校正由于所述非理想积分导致的相位误差的步骤。
39.根据权利要求18所述的系统，其中所述第二电路基于输入到电机的无功功率通过如下方式而校正所述估计的转子角度，即计算第一无功功率输入值和第二无功功率输入值；确定所述第一和第二无功功率输入值之间的关系；以及将所述关系应用到所述估计步骤中估计的转子角度以获得校正后的转子角度。
40.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一电路执行对定子电压和电流值的非理想积分；以及其中所述第二电路通过具有相位补偿的PLL电路(F)来校正由于所述非理想积分导致的相位误差。
41.根据权利要求26所述的系统，其中所述估计的转子角度是基于输入到电机的无功功率通过如下方式而被校正的，即计算第一无功功率输入值和第二无功功率输入值；确定所述第一和第二无功功率输入值之间的关系；以及将所述关系应用到所述步骤(b)中估计的转子角度以获得校正后的转子角度。
42.根据权利要求26所述的系统，其中所述第二电路通过具有相位补偿的PLL电路(F)来校正由于所述非理想积分导致的相位误差。
权利要求
1.一种在电机驱动器控制中确定转子角度的方法，包括a)估计转子角度；以及b)基于输入到电机的无功功率来校正所述估计的转子角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤(a)进一步包括步骤(a1)在电机启动期间根据预定电机负载模型结合启动序列发生器而估计所述转子角度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述负载模型表示电机加速转矩。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述模型响应于负载转矩电流反馈(iq)。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述负载模型表示摩擦转矩。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述模型响应于电机频率(We)。
7.根据权利要求2所述的方法，其中所述步骤(a1)在额定电机频率的可调节百分比时终止。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述可调节百分比大约为百分之十。
9.根据权利要求2所述的方法，其中所述步骤(a1)在开环模式中执行并且在从开环模式过渡到闭环模式时终止。
10.一种在电机驱动器控制中确定转子角度的方法，包括a)确定电机中的转子磁通量；以及b)在电机启动期间根据预定电机负载模型结合启动序列发生器而估计所述转子角度；其中所述步骤(a)包括定子电压和电流值的非理想积分的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述负载模型表示电机加速转矩。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述模型响应于负载转矩电流反馈(iq)。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述负载模型表示摩擦转矩。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述模型响应于电机频率(We)。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述步骤(b)在额定电机频率的可调节百分比时终止。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述步骤(b)在额定电机频率的大约10％时终止。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述步骤(b)在开环模式中执行并且在从开环模式过渡到闭环模式时终止。
18.根据权利要求10所述的方法，其中所述步骤(a)进一步包括通过具有相位补偿的PLL电路(F)来校正由于所述非理想积分导致的相位误差的步骤。
19.一种在电机驱动器控制中确定转子角度的系统，包括第一电路，用于估计转子角度；以及第二电路，用于基于输入到电机的无功功率来校正所述估计的转子角度。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述第一电路在电机启动期间根据预定电机负载模型结合启动序列发生器而估计所述转子角度。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述负载模型表示电机加速转矩。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述模型响应于负载转矩电流反馈(iq)。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述负载模型表示摩擦转矩。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述模型响应于电机频率(We)。
25.根据权利要求20所述的系统，其中所述估计步骤在额定电机频率的可调节百分比时终止。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述估计步骤在额定电机频率的大约10％时终止。
27.根据权利要求20所述的系统，其中所述估计步骤在开环模式中执行并且在从开环模式过渡到闭环模式时终止。
28.一种在电机驱动器控制中确定转子角度的系统，包括a)第一电路，用于确定电机中的转子磁通量；以及b)第二电路，用于在电机启动期间根据预定电机负载模型结合启动序列发生器而估计所述转子角度；其中所述第一电路执行对定子电压和电流值的非理想积分。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述负载模型表示电机加速转矩。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述模型响应于负载转矩电流反馈(iq)。
31.根据权利要求29所述的系统，其中所述负载模型表示摩擦转矩。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述模型响应于电机频率(We)。
33.根据权利要求28所述的系统，其中所述估计步骤在额定电机频率的可调节百分比时终止。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述估计步骤在额定电机频率的大约10％时终止。
35.根据权利要求28所述的系统，其中所述估计步骤在开环模式中执行并且在从开环模式过渡到闭环模式时终止。
36.根据权利要求28所述的系统，其中所述第二电路通过具有相位补偿的PLL电路(F)来校正由于所述非理想积分导致的相位误差。
全文摘要
一种在电机驱动器控制中确定转子角度的方法，包括步骤a)确定电机中的转子磁通量；b)基于转子磁通量估计转子角度；以及c)基于输入到电机的无功功率校正所述估计的转子角度。步骤(a)可以包括定子电压和电流值的非理想积分的步骤。步骤(b)可以包括通过具有相位补偿的PLL电路(F)校正由于所述非理想积分导致的相位误差的步骤。步骤(c)可以包括步骤(1)计算第一无功功率输入值1.5*We*(C_Lq*I*I)和第二无功功率输入值1.5*(Vq*id－Vd*iq)；(2)确定所述第一和第二无功功率输入值之间的差值；以及(3)将所述差值应用到在步骤(b)中估计的转子角度以获得校正后的转子角度。在更高的电机频率下，所述估计的转子角度是基于转子磁通量的。在更低的频率下，它是基于与启动序列发生逻辑电路结合使用的预定电机负载模型的。
文档编号G06F19/00GK101014956SQ200480043500
公开日2007年8月8日 申请日期2004年7月1日 优先权日2004年7月1日
发明者E·Y·Y·何 申请人:国际整流器公司