电机控制中的可调脉冲注入的制作方法

本发明总体上涉及电机控制，且更具体地，涉及使用可调脉冲注入控制电机的系统和方法。

背景技术：

诸如电动机、发电系统、发电机组等的电机通常用于将一种形式的能量转换成另一种形式的能量，并且可以在电动模式下操作以将电输入转换成旋转输出或其他方式的机械输出，或者在发电模式下操作以将旋转输入或其他方式的机械输入转换成电输出。在可与电驱动器一起使用的各类电机中，开关磁阻(sr)电机坚固且节省成本，因此已受到极大的关注。典型的开关磁阻电机包括转子和定子，并且转子或定子可包括多个极柱。在操作中，诸如在电动模式中，旋转场被施加到定子上，通过磁阻效应“拉动”转子，从而产生转子转矩。

在其他因素中，在相对低速操作时适当确定磁阻电机的转子的位置和速度可以对整体性能和效率具有显著影响。一些传统的控制方案依赖于机械对准的速度轮和传感器，以在机器静止或低速操作时检测和确定转子相对于定子的位置。然而，这种基于传感器的控制方案通常需要昂贵的实现方式并且容易出错。例如，由于传感器偏斜、速度轮未机械对准等造成检测到的磁阻电机的机械转子位置存在2度误差，可相应导致电驱动器组件在满载时效率降低0.5％。

无传感器控制方案也可用于利用磁阻电机的电特征获得转子位置。例如，lyons等人的美国专利第5,525,886号中，控制系统注入电流信号来计算磁阻电机中的总电压通量。然后，lyons基于电压通量和相电流确定转子位置。尽管lyons简化了基于传感器的方案，但是lyons的方法容易造成由注入脉冲产生脉动转矩而引起噪声，特别是在轻负载条件下脉动转矩引起一些明显的转矩脉动将影响性能。性能影响可以导致更大的位置和速度估计偏差或误差，这将导致电机反向运行或锁定在低于/高于目标速度的速度。

本发明旨在克服或缓解上述问题中的一个或多个。

技术实现要素：

在一个方面，本发明涉及一种用于具有转子和定子的电机的控制系统。控制系统包括转换器电路，其与电机的定子电连通。控制系统还包括控制器，其与转换器电路电连通。控制器配置为接收第一信号，第一信号指示施加到电机的转子上的转矩或由电机的转子输出的转矩。控制器还配置为接收第二信号，第二信号指示电机的转子的转速。控制器还配置为基于第一信号或第二信号中的至少一个，确定脉冲信号的至少一个特征。另外，控制器配置为根据确定的至少一个特征，通过转换器电路将脉冲信号注入定子的一个或多个相中。此外，控制器配置为基于注入的脉冲信号，确定转子的位置。

在另一方面，本发明涉及一种用于控制具有转子和定子的电机的方法。方法包括接收第一信号，第一信号指示施加到电机的转子上的转矩或由电机的转子输出的转矩。方法还包括接收第二信号，第二信号指示电机的转子的转速。方法还包括基于第一信号或第二信号中的至少一个，确定脉冲信号的至少一个特征。另外，方法包括根据确定的至少一个特征，通过转换器电路将脉冲信号注入电机的定子的一个或多个相中。此外，方法包括基于注入的脉冲信号，确定转子的位置。

在又一方面，本发明涉及电驱动器。电驱动器包括具有转子和定子的电机。电驱动器还包括转换器电路，其与定子电连通。电驱动器还包括控制器，其与转换器电路电连通。控制器配置为接收第一信号，第一信号指示施加到转子上的转矩或由转子输出的转矩。控制器还配置为接收第二信号，第二信号指示转子的转速。控制器还配置为基于第一信号或第二信号中的至少一个，确定脉冲信号的至少一个特征。另外，控制器配置为根据确定的至少一个特征，通过转换器电路将脉冲信号注入定子的一个或多个相中。此外，控制器配置为基于注入的脉冲信号，确定转子的位置。

附图说明

图1是具有用于控制电机的控制系统的电驱动器的示例性实施例的示意图；

图2是由图1的控制系统实现的控制方案的示例性实施例的示意图；

图3是示出示例性注入脉冲信号的曲线图；

图4是示出电流峰值与转矩值之间的示例性关系的曲线图；

图5是示出电流峰值与转速值之间的示例性关系的曲线图；

图6是示出注入时间与转速之间的示例性关系的曲线图；并且

图7是用于控制图1中电机的方法的示例性实施例的流程图。

具体实施方式

图1示出了可用于在电源102和一个或多个电负载104之间传送电力的电驱动器100的示例性实施例。如本文所用，传送电力包括电力的双向传输。当电力从装置102传输到装置104时，装置102可充当电源，装置104可充当负载。另一方面，当电力从装置104传输到装置102时，装置104可充当电源，装置102可充当负载。因此，根据电力传输方向，102或104中的任一个可充当电源，而另一个可充当负载。为了简单起见，在以下描述中，除非另有说明，装置102将被称为电源，而装置104将被称为负载。在特定操作条件情况下，装置102和装置104的实际功能对于本领域技术人员是清楚的。

参考图1，电源102可以包括柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机，或通常与移动工具、工业机器等结合使用的任何其他机械或旋转能量源。可替代地，电源102可以包括通常与固定型应用(诸如风车、水电坝、电池、燃料电池或任何其他适当能量源)结合使用的电源。电负载104可以包括消耗和/或使用由电驱动器100向其提供的电力的一个或多个装置或部件。例如，对于工业作业机械或移动作业车辆，电负载104可以包括用于操作机械上的工具的一个或多个马达和/或用于使相关车辆运动的一个或多个牵引马达。

由电源102提供的机械能可以通过电驱动器100转换成电力，以供所连接的电负载104使用。相反地，电负载104和/或电驱动器100可以供应电力以向电源102提供机械动力。如图1所示，例如，电驱动器100可以通过电机106(例如，开关磁阻(sr)电机等)与电源102连通。电机106可以包括可旋转地设置在固定定子112内的转子110。转子110可以通过联接器108(或在其他实施例中，通过曲轴、齿轮系、液压回路等)刚性地且可旋转地联接到电源102的输出端。定子112可以包括相绕组，诸如图1所示的111a、111b和111c，其可以通过转换器电路116电耦合到公共总线114上。

如图1所示，电机106可以是具有三个相(a、b和c)的多相磁阻电机。在此类示例中，定子112的相绕组可以分别与各自的相关联。例如，在图1的实施例中，相绕组111a与相a关联，相绕组111b与相b关联，相绕组111c与相c关联。相a、相b以及相c中的每一个可以由通入定子112的电流独立供电并由转换器电路116控制，这将在下文更详细地讨论。虽然电机106在图1的实施例中被示出为具有三个相，但是可以使用任何数目的相，并且本文公开的系统和方法适用于具有任何数目的相的任何电机。

在发电模式操作中，由于电机106的转子110(其由电源102提供的旋转动力驱动)在定子112内旋转，因此可以在定子112内感应产生电流并供应给转换器电路116。在一些实施例中，在定子112内感应产生的电流可以是交流电流(ac)。转换器电路116可以将ac电流转换成直流电流(dc)，以通过公共总线114将直流电流(dc)分配给电负载104和/或任何其他装置。公共总线114可以提供端子118，诸如正端子、负端子和/或接地线端子，在这些端子之间，公共总线114可以在电驱动器100的一个或多个电并联装置之间传送总线电压或直流环节(dclink)电压。电负载104可以包括用于将转换器电路116提供的dclink电压转换成用于操作与电驱动器100关联的一个或多个装置的适当电信号的电路。

在电动模式操作中，或者当电负载104成为电源时，电机106可以充当电动机，其响应于从公共总线114通过转换器电路116向定子112及其关联的相绕组提供电力而使转子110旋转。

如图1所示，转换器电路116可以包括串联的晶体管或门控开关120以及二极管122，用于选择性地使能电机106的相绕组，相绕组可以与各自的相(诸如相a、相b和相c)关联。例如，在图1所示的实施例中，电机106可以具有三个相a、b和c，并且可以由具有六个开关120和六个二极管122的转换器电路116驱动，用于选择性地使能或止能三个相a、b和c中的每一个。可以通过门信号来使能或止能开关120中的每一个。如本文所用，术语“使能”可与“接通”互换，并且术语“止能”可与“关断”互换。电驱动器100可以包括外部或次级电源124(例如，电容器、电池等)，当电机106在发电模式下操作时，外部或次级电源可以存储由转换器电路116转换的dc电力，并且当电机106在电动模式下操作时，外部或次级电源可以在公共总线114的正、负极端子118之间提供dc电力以使电流通过分别使能的开关120和二极管122。电驱动器100还可以包括控制系统126，控制系统126配置为，尤其是，确定电机106的转子110相对于定子112的位置并且基于所确定的转子位置来控制电机106的操作。

如图1所示，控制系统126可以包括转换器电路116、与转换器电路116的开关120连通的至少一个控制器128、以及与控制器128连通的存储器130。存储器10可以设置在控制器128内部和/或外部。控制器128可以电耦合到开关120以选择性地接合开关120和来自电机106的不同相的相电流。控制器128还可以在电机106的操作中监测电机106的电特征、公共总线114的总线电压或dclink电压等。存储器130可以可检索地存储一个或多个算法、电机数据、不同电机参数之间的预定关系、诸如查找表和/或映射形式的预编程模型、或者可以由控制器128访问并与电机106的操作相关的任何其他信息。

控制器128可以采用处理器、微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)、电子控制模块(ecm)、电子控制单元(ecu)、或者用于对控制系统126的功能进行电子控制的任何其他合适装置中的一个或多个来实现。控制器128可以配置为根据预定算法或指令集来操作，预定算法或指令集基于转子110相对于定子112的转速和/或位置或者电驱动器100的其他操作特征来控制电驱动器100和/或电机106。这样的算法或指令集可以预编程或嵌入到与控制器128关联或至少可由控制器128访问的存储器130中。此外，由控制器128实现的算法或指令可以被分类为诸如图2中示意性示出的那些模块化装置中。

图2示出了用于操作电机106的控制方案134的示例性实施例。如上所述，控制方案134可以在控制器128上实现并且配置为确定转子110相对于电机106的定子112的位置。如图2所示，控制方案134可以包括测量模块136，测量模块136配置为监测电机106的相电流或至少通过每个空闲相(例如，空闲相是指通过关断与该相连接的转换器电路116的相应开关来“止能”的相)的电流，并且将所测量相电流的相应数据传送给在控制器128上实现的一个或多个模块以执行计算和/或操作任务。控制方案134还可以包括反馈回路138，反馈回路138提供关于最新获知或最近确定的转子位置的数据或转子位置反馈数据，以在控制器128执行一个或多个计算或操作时进行参考。

控制方案134可以进一步实现脉冲注入模块140，脉冲注入模块140配置为将脉冲信号注入电机106的(一个或多个)相关相中。在一些实施例中，脉冲注入模块140可以配置为将在可调注入时间中具有可调电流峰值的脉冲信号注入定子112的一个或多个相(例如，一个或多个空闲或非控制相)中。脉冲信号可以包括多个脉冲周期比相电流的周期低得多的高频脉冲。例如，脉冲周期可以在0.1-1毫秒的范围内，并且可以间隔大约0.01-0.1毫秒的周期。脉冲注入时间(例如，施加脉冲信号的开始或结束时间)、电流峰值(例如，脉冲幅度)以及脉冲信号一致性可以至少部分地基于测量模块136提供的测量相电流和反馈回路138提供的转子位置反馈数据。然后，注入的脉冲信号可以传送到积分器模块142，积分器模块142对脉冲信号进行积分以计算脉冲信号所注入的电机106的相位中感应产生的相应总通量值。

在总通量值确定之后，控制方案134可以配置为由总通量值确定与脉冲信号所注入的相位相应的自感应或去耦通量值。因为总通量值是去耦通量值与互通量值(例如，由电机106的给定相组的互耦引起的通量)之和，所以控制方案134可以基于总通量值与互通量值之间的差来确定去耦通量值。例如，控制方案134可以采用加法器144等来从总通量值中减去互通量值，从而独立出去耦通量值。为了确定互通量，控制方案134可以包括互通量模型146，其基于电机106的操作状态输出或估计互通量值。例如，互通量模型146可以提供一个或多个预编程查找表、映射等，将相电流和转子位置的不同组合与不同互通量值相关。使用这样的预定模型，控制方案134可以基于测量模块136测量的相电流和反馈回路138提供的转子位置来确定互通量值。

基于针对给定相组确定的去耦通量值，控制方案134可以采用去耦通量模型148来确定相应的转子位置。去耦通量模型148可以采用根据适于电机106静止或低速操作的转子位置、相电流和去耦通量值或自感应通量值之间的已知关系而预编程一个或多个查找表、映射等。例如，基于计算出的去耦通量值和测量模块136测量的相电流，去耦通量模型148可以确定当前转子位置的估计值。控制方案134还可以提供输出模块150以对所确定的转子位置执行任何附加计算。例如，输出模块150可以配置为导出转子速度和/或方向以进一步协助转换器电路116和/或电机106的控制。转子位置数据还可以由反馈回路138反馈给控制方案134用于进一步的迭代。

图3是示出示例性脉冲信号160、161的曲线图。参考图3，脉冲信号160/161可以各自包括多个脉冲，并且可以具有限定其属性的一个或多个特征。一个特征是脉冲信号的电流峰值，如图3所示。脉冲信号的电流峰值是指脉冲信号中脉冲的幅度，也称为电流高度、信号高度、信号峰值等。另一个特征是脉冲信号的注入时间，如图3所示。脉冲信号的注入时间是指将脉冲信号施加或注入电机106的一个或多个相中的开始或结束时间。施加/注入脉冲信号的开始和结束时间可以影响施加脉冲信号的持续时间，也称为注入窗口。因为注入窗口的确切持续时间取决于转子110的转速，所以注入窗口的长度以及脉冲注入的开始/结束可以由转子位置的电角度来量化，其中转子旋转整圈量度360电角度。因此，当注入的脉冲信号从开始到结束所跨越的电角度数量少时，注入窗口“短”。注意，除了转子转速之外的其他情况，注入窗口短不一定意味着实际持续时间也短。

在一些实施例中，注入的脉冲信号(例如，160、161)可以引起脉动转矩。当由转子110输出的转矩或施加到转子110的转矩相对较小时，由注入的脉冲信号引起的脉动转矩可产生明显的转矩脉动，其又可以影响电机106的性能。在一些情况下，性能影响可以导致位置/速度估计偏差/误差，其将导致电机106反向操作或锁定在低于/高于目标速度的速度。为了减轻由注入的脉冲信号引起的脉动转矩的影响，控制器128可以基于转子110的转矩和/或转速来调制电流峰值和/或注入时间。

返回参考图2，控制方案134可以配置为从转矩控制模块152接收第一信号，第一信号指示施加到转子110上的转矩或由转子110输出的转矩。控制方案134还可以配置为从速度控制模块154接收第二信号，第二信号指示转子154的转速。转矩控制模块152和速度控制模块154可以位于控制方案134的外部。在一些实施例中，转矩控制模块152和/或速度控制模块154可以是控制方案134的一部分。在一些实施例中，控制方案134可以从152/154之外的模块接收转矩和/或转速信息。例如，转速信息可以由反馈回路138提供。

图4-6示出了电流峰值/注入时间与用于调制或调节电流峰值和/或注入时间的转矩/转速之间的示例性关系。

图4示出了电流峰值与转矩之间的示例性关系(例如，通过曲线162)。参考图4，当施加到转子110上的转矩或由转子110输出的转矩较小时(例如，电动模式中当负载较轻时)，电机106的相电流也可以相对较小。在这种情况下，用于估计位置的注入脉冲信号可以保持在或调节到相对较低的水平。例如，如图4所示，当转矩较小时，脉冲的电流峰值可以较小。一旦转矩开始增大(例如，电动模式中当实际负载开始增加时)，电流峰值也可以增加，如曲线162的斜坡部分所示。在一些实施例中，电流峰值可以与转矩成比例地增加。例如，电流峰值可以与转矩线性相关，如图4中的第一斜率值slope1量化。在一些实施例中，不管转矩值如何，电流峰值可以保持在最低水平以提供必要的位置信息。在这种情况下，当转矩低于预定下转矩阈值时，可以将电流峰值箝位在下限电流峰值处。类似地，在一些实施例中，不管转矩值如何，电流峰值可以保持在最高水平。在这种情况下，当转矩大于预定上转矩阈值时，可以将电流峰值箝位在上限电流峰值处。

类似地，也可以基于转子110的转速来调制或调节电流峰值。图5示出了电流峰值与转速之间的示例性关系(例如，通过曲线164)。参考图5，当转子110的转速较低时，用于估计位置的注入脉冲信号可以保持在或调节到相对较低的水平。例如，如图5所示，当转速较低时，脉冲的电流峰值可以较小。一旦转速开始增大，电流峰值也可以增加，如曲线164的斜坡部分所示。在一些实施例中，电流峰值可以与转速成比例地增加。例如，电流峰值可以与转速线性相关，如图5中的第二斜率值slope2量化。在一些实施例中，不管转速如何，电流峰值可以保持在最低水平以提供必要的位置信息。在这种情况下，当转速低于预定下转速阈值时，可以将电流峰值箝位在下限电流峰值处。类似地，在一些实施例中，不管转速值如何，电流峰值可以保持在最高水平。在这种情况下，当转速高于预定上转速阈值时，可以将电流峰值箝位在上限电流峰值处。

在一些情况下，基于转矩确定的电流峰值可以与基于转速确定的电流峰值相同或基本相同。在这种情况下，电流峰值可以是基于转矩确定的值或基于转速确定的值。在其他情况下，基于转矩确定的电流峰值可以与基于转速确定的电流峰值不同。在这种情况下，控制器128可以选择两个值中较大的一个。

图6示出了注入时间与转速之间的示例性关系(例如，通过曲线166)。参考图6，当转子110的转速较低时，用于估计位置的注入脉冲信号的开始或结束时间可以保持在或调整到相对较小的值(例如，以电角度表示)。在一些实施例中，注入时间可以影响脉冲信号注入的注入窗口。例如，如图6所示，当转速较低时，可以将脉冲的注入时间调节到或保持在较小的值。这又可以造成注射窗口较小。一旦转速开始增大，注入时间也可以增加，如曲线166的斜坡部分所示。在一些实施例中，注入时间可以与转速成比例地增加。例如，注入时间可以与转速线性相关，如图6中的第三斜率值slope3量化。在一些实施例中，不管转速如何，注入时间可以保持在最小水平以提供必要的位置信息。在这种情况下，当转速低于预定下转速阈值时，可以将注入时间箝位在下限注入时间值。类似地，在一些实施例中，不管转速值如何，注入时间可以保持在最大水平。在这种情况下，当转速高于预定上转速阈值时，可以将注入时间箝位在上限注入时间值。

图7示出了用于控制电机106的方法的示例性实施例的流程图。如图7所示，示例性方法开始于步骤210，其中控制器128可以接收第一信号(例如，来自转矩控制模块152的信号)，第一信号指示施加到转子110上或由转子110输出的转矩。在步骤220，控制器128可以接收第二信号(例如，来自速度控制模块154或反馈回路138的信号)，第二信号指示转子110的转速。在步骤230，控制器128可以基于第一信号或第二信号中的至少一个，确定脉冲信号(例如，图3中的160、161)的至少一个特征(例如，电流峰值或注入时间或其两者)。例如，控制器128可以根据图4所示的关系基于扭矩确定电流峰值、根据图5所示的关系基于转速确定电流峰值、和/或根据图6所示的关系基于转速确定注入时间。在步骤240，控制器128可以根据所确定的至少一个特征将脉冲信号注入定子112的一个或多个相。例如，脉冲信号可以由图2所示的脉冲注入模块140注入。在步骤250，控制器128可以基于注入的脉冲信号确定转子位置。例如，可以通过对脉冲信号进行积分(例如，使用积分器模块142)、独立出去耦通量(例如，使用加法器144来减去互通量)以及计算估计的转子位置(例如，使用去耦通量模型148)来估计转子位置。

工业实用性

一般地，前述发明在涉及诸如开关磁阻(sr)电机的电机或用作电动机和/或发电机的任何其他合适的电机的各种应用中具有实用性。具体地，所公开的系统和方法可以用于更加有效地控制通常与发电机、工业作业车辆以及本领域中常用的其他类型机器的电驱动器关联使用的电机。本发明还可以用通常与工业和消费产品应用关联使用的其他变速驱动器来实施。本发明还可以与(通常与汽车、航空航天以及其他类似移动应用关联的)集成起动器、发电机等一起使用。

更具体地，本发明提供了一种用于在静止和低速操作中操作电机的装置，其不依赖于复杂且昂贵的转子位置传感器来可靠地反馈转子位置。特别地，在此公开的系统和方法提供更精确、节省成本且无传感器的用于确定转子位置的装置，以更有效地操作电机。因此，本发明还能够在使用转子位置传感器不实用的应用情况下实现电机以及关联的电驱动器。

本领域技术人员应当清楚，可以对所公开的控制系统进行各种修改和变化。通过考虑所公开的控制系统的说明书和实践，其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和实施例仅被认为是示例性的，真正的范围由所附权利要求及其等同物表示。