使用状态观测器确定同步电机中转子的位置和速度的方法
【专利摘要】本发明涉及使用状态观测器确定同步电机中转子的位置和速度的方法。本发明涉及一种使用电机的电流的状态观测器和输入的信号来确定同步电机(4)中转子的位置和速度的方法。因此，通过本发明，位置信息是准确的，尤其是在低速时，不需使用位置检测器。本发明还涉及一种用于控制同步电机的控制方法和系统(1)，其考虑到确定的转子位置(2)。
【专利说明】使用状态观测器确定同步电机中转子的位置和速度的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及同步电机的控制范围，尤其是用于机动车辆。
【背景技术】
[0002]同步电机包括旋转的部件，转子，以及静止的部件，定子。该转子可由永磁体或DC供电的线圈以及磁路组成，则它被称为电磁体。定子包括三相，每一相连接有至少一个线圈(也称为绕组)，并且这三个线圈被供以功率和电压。外力被用于旋转转子:定子线圈(绕组)中的交变电流所感应出的磁场导致转子旋转。该旋转场的速度被称为“同步速度”。
[0003]为了控制这种电机，实时了解转子的角位置和速度是重要的。实际上，以电机转矩矢量控制的常规方式使用关于位置的信息。被称为矢量控制是因为，对于产生应用所需转矩的机器，在其中流通的电流必须保持同相并且与转子的位置同步。因此，控制电机的装置将电压施加到电机的端子上，这些电压由转矩控制算法提供。
[0004]位置检测器，例如霍尔效应或感应类型的，通常用于了解转子的位置。然而，低成本的位置探测器不足够准确，尤其对于高转速，因此它们无法实现电机转矩的精确控制。另夕卜，这些检测器可能遭遇故障或具有测量噪声，由此产生测量的不确定性。例如，位置检测器的使用被描述于英国专利申请GB-1，214，331A。另一个选择包括使用精确的位置检测器，诸如高分辨率增量编码器或称为分解器的绝对值检测器，基于旋转磁性元件的检测或基于光学干涉测量原理的检测器，但它们的主要缺点是昂贵。
[0005]现有技术的另一个方案是通过根据电测量估算物理量来重构转子的位置，物理量随着转子的位置而变化。位置的估算可被划分为两大类:
[0006].基于电机控制中特定信号的输入，其需要在电机的端子上施加特定电压，从而根据对电机的电测量来确定位置。例如，法国专利申请FR-2，623，033A1描述了两个非供电相中短脉冲的输入。特定信号的输入包括关于电机控制的约束，其不能实现电机在运行期间的最优控制，
[0007].在电机输入端不需要特定信号，它们仅基于其性能的通过实时估算器的数学描述，实时估算器也被称为观测器，但它的缺点是在接近零或低电机转速的情况下，不能提供精确的估算。例如，法国专利FR-2，781，318B1公开了一种估算转子的旋转角度的方法，这是通过根据由电压传感器提供的信号计算得到的。美国专利申请US2010-237，817A描述了观测器的使用，其利用等效电动势模型。
[0008]为了克服现有解决方案的缺点，已知的“组合”方案使用了用于低转速的位置检测器，以及用于高速的估算方法。例如，本 申请人:的申请号为FR-ll/03，994的专利申请描述了这样一种组合方案，其具有一种算法来确定高转速电机的位置和速度。然而，这些组合的方案总是需要使用用于低电机转速的检测器。此外，现有技术的方案并不具有足够的精度用于控制电机，实际上，在开发出称为卡尔曼滤波观测器的观测器之前，它们中的一些采用近似法。此外，这些观测器中的一些需要许多复杂的计算。
[0009]本发明的目的在于采用一一种使用针对电机的电流状态观测器和信号的输入来确定同步电机转子的位置和速度的方法。因此，通过本发明，位置信息是准确的，尤其是在低速下，不需使用位置检测器。实际上，信号输入使描述了电机动态特性的模型可被观察，包括在停止时，并且有效地防止了测量噪音。
【发明内容】
[0010]本发明涉及一种确定凸极同步电机的转子的位置Θ的方法，其中测量了所述电机的各相的电流im和电压um。该方法执行以下步骤:
[0011]a)施加一电压Uinip在所述电机的所述相上，
[0012]b)构建所述电机中流通的总磁通量X α 0的状态模型，所述磁通量X α 0是所述转子的位置的函数，
[0013]c)通过总磁通量Xae的所述状态模型以及所述测量的电流1和电压Um，构建所述转子的电流;?和速度?的状态观测器，以及
[0014]d)通过速度?的所述状态观测器以及所述施加的电压Uimp来确定转子的所述位置d。
[0015]根据本发明，针对低于或基本等于10rpm的转子转速应用该方法。
[0016]有利地，所述施加的电压Uimp具有大于所述电机的控制电压的幅值U。以及大于所述电机的控制频率的高频f。。
[0017]有利地，所述幅值U。大致为10V，且所述频率f。大致为IkHz。
[0018]优选地，在复平面中用这种类型的方程=Uimp=Uce夂来描写施加的电压Uimp，其中j是复数，且Θ。是位置，以致于次=2成。
[0019]根据本发明的一个实施例，通过实施以下步骤来构建在电机中流通的总磁通量X a 0的所述状态模型:
[0020]i)通过变换所测量的电流in和电压U111，在Concordia参考坐标系中确定电压Uae和电流i a 。
[0021]ii)通过这种类型的方程:b = -Ri?)3+Uap，镝定磁通量X a g的所述动态值,其中R是所述电机绕组的阻抗。
[0022]有利地，通过实施以下步骤来构建电流和转子速度的所述状态观测器:
[0023]i)通过这种类型的方程:
[0024]
【权利要求】
1.一种确定凸极同步电机(4)的转子的位置Θ的方法，其中测量了所述电机的各相的电流im和电压Um，其特征在于执行了以下步骤: a)施加一电压Uimp在所述电机(4)的所述各相上， b)构建所述电机(4)中流通的总磁通量Xα 0的状态模型，所述磁通量X α 0是所述转子的位置的函数， c)通过磁通量Xae的所述状态模型以及所述测量的电流1和电压Um，构建所述转子的电流;?和速度?的状态观测器，以及 d)通过速度?的所述状态观测器以及所述施加的电压Uimp，确定转子的所述位置6。
2.如权利要求1所述的方法，其中针对低于或基本等于10rpm的转子的转速应用所述方法。
3.如前述权利要求任意一项所述的方法，其中所述施加的电压Uimp具有大于所述电机(4)的控制电压的幅值U。以及大于所述电机⑷的控制频率的高频f。。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述幅值U。大致为10V，所述频率f。大致为1kHz。
5.如权利要求3或4任意一项所述的方法，其中在复平面中用这种类型的方程:Uimp=Ucei描写施加的电压Uimp，其中j是复数，θ c是位置，以致于
6.如前述权利要求任意一项所述的方法，其中通过实施以下步骤构建在电机(4)中流通的总磁通量X a 0的所述状态模型: i)通过变换所测量的电流乜和电压Um，在Concordia参考坐标系中确定电压Uae和电流 i a e， ii)通过这种类型的方程:
来确定磁通量Xae的所述动态值，其中R是所述电机⑷绕组的阻抗。
7.如权利要求6所述的方法，其中通过实施以下步骤来构建电流和转子速度的所述状态观测器: i)通过这种类型的方程:
根据所述磁通量Xae的所述状态模型来确定电流iae的状态表示，其中Φ是由所述电机的永磁体产生的磁通，
.(Ld, Lq)是所述电机的直接和正交的电
以及
ii)通过使X= ia+ji0和u = ua+jue，在复平面中变换所述状态表示，其中j是复数，以及iii)通过这种类型的方程:
确定电流和转子速度的所述状态观测器，其中yn=||是归一化的电流测量值，k1； k2，g是增益，其使所述观测器的收敛被管控。
8.如权利要求5和7所述的方法，其中通过以下步骤确定所述转子的位置& i)使用这种类型的方程:
其中 ω。2jIf。，
根据速度?的所述状态观测器以及所述施加的电压Uimp确定系数&，以及ii)根据这种类型的方程
通过系数和测量的电流X来确定所述转子的所述位置么其中Φ是估算电流?的截止频率f。的低通滤波器引起的相移。
9.一种控制同步电机(4)的方法，其中实施以下步骤: -使用前述权利要求任意一项中的方法，确定所述电机的转子的位置^和速度?，以及 -根据所确定的位置和速度控制所述同步电机的转矩。
10.一种控制同步电机(4)的系统，其特征在于，该系统适于应用如权利要求9所述的控制方法。
11.一种车辆，特别是一种混合动力或电动车辆，其包括至少一个同步电机(4)，其特征在于，所述车辆还包括如权利要求10所述的控制系统。
【文档编号】H02P25/02GK104184381SQ201410284799
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2013年5月21日
【发明者】W·迪布 申请人:Ifp新能源公司