永磁辅助同步磁阻电机零或低速控制系统及方法与流程

本发明涉及永磁辅助同步磁阻电机(“pm-syr”)的可靠性和鲁棒性控制。各种实施实例涉及到以零或低速下无传感器永磁辅助同步磁阻电机控制系统的鲁棒性闭环控制启动技术。

背景技术：

1、无传感器永磁同步电机(“pmsm”)系统已经开始在一些风扇和鼓风机驱动中得到应用，例如制热、通风和制冷(“hvac”)系统以及各种其他商业和工业电机驱动的产品。无传感器永磁同步电机pmsm(也称为无传感器pmsm系统)是一种先进的电子控制电机(“ecm”)或ecm系统。无传感器pmsm系统通常不仅可以在额定工作速度下以高峰值效率运行，而且还具有相对较大的高效运行速度范围。此外，无传感器pmsm系统的变速控制，可以在非高峰时期(如夜间)实现低容量运行，这就可以节省大量能源。再进一步说，这些电子控制的pmsm系统还可以通过各种通信技术(如云通信)为人工智能控制和远程控制提供机会，以提高运营节能、可访问性、监控性、安全性和可靠性。

2、现代永磁同步电动机被设计成磁体嵌入式转子结构，通常称为内置式永磁同步电动机(“ipmsm”)。通常ipmsm使用nd-fe-b稀土永磁材料以达到所要求的，较高的电磁、机械和经济效益等性能。特别是，基于钕铁硼nd-fe-b的ipmsm可以在适当的冷却系统设计下，以较小的电机体尺寸达到一定的高功率密度或高扭矩密度，这在许多应用中是很重要的，例如电动汽车或其他电机尺寸及空间受限的应用。已知的ipmsm设计规则和原则已广泛应用于各种应用，例如工业驱动器，电动汽车电机和风力涡轮机发电机。这些用途导致对钕铁硼nd-fe-b磁铁的需求激增。然而，由于稀土磁体的供应有限，nd-fe-b磁体的价格持续上涨，从而增加了ipmsm系统的成本。出于这个成本原因，以及性能上的局限性等其它的原因，需要开发新型电机，以低成本提供相接近的性能特性。

3、如今，永磁辅助同步磁阻(pm-syr)电机由于其高性能和低成本而变得越来越有吸引力。一般来说，pm-syr电机是一种结合了永磁和同步磁阻电机特性的电动机。它有一个带有绕组线圈的定子，产生旋转磁场，还有一个带有凸极性的转子，凸极以南北磁极的模式交替，还有永磁体加入。转子磁栅形状设计和永磁体的嵌入排列产生磁阻转矩和永磁磁通转矩，以贡献电机的输出转矩。永磁体和转子中的磁阻效应的结合创造了具有高转矩密度和效率的电机。本质上，pm-syr电机已经从同步磁阻电机发展到提供更好的性能，主要是通过将磁铁插入转子磁栅来提高功率因数以及其他性能指标。

4、通常低成本的铁氧体磁体用于永磁辅助同步磁阻电机的设计和制造。同步磁阻电机一般具有较大的凸极比lq/ld，(5-6)，且磁阻转矩除由磁体产生的主磁通转矩外，在总转矩输出中占主导地位。另一方面，由于使用铁氧体磁体，与nd-fe-b稀土永磁材料相比，转子主磁通可能会较低。

5、总体而言，由于pm-syr电机本质上是一种特殊类型的ipmsm，因此风扇或鼓风机驱动应用的控制技术，例如鲁棒闭环启动控制和恶劣工作条件下的鲁棒控制，通常也适用于pm-syr电机。例如，以下美国专利中披露的技术、方法和控制策略:1)美国专利号10,784,805b1，题为“用于嵌入式永磁同步电机零或低速控制的系统和方法”，于2020年9月22日授予bojoi等人，2)美国专利。第10,819,264b1号授予bojoi等人，于2020年10月27日授予，题为“嵌入式永磁同步电机控制的鲁棒启动系统和方法”，以及3)美国专利。第11,239,772b1号授予bojoi等人，于2022年2月1日授予，题为“嵌入式永磁同步电机控制的系统和方法”，在此全部一并引用，一般适用于pm-syr电机控制。虽然ipmsm控制方法可以应用于pm-syr电机，但基于其特定性能，pm-syr电机控制仍有改进的空间。例如，本公开提供了改进的电机控制pm-syr电机在电机启动期间(即，在零或非常低的速度下)，特别是极性检测。

6、随着越来越多的商业和工业风扇和鼓风机由pm-syr电机系统驱动，因为它们能够提供更高的性能和显著的成本节约，因此需要针对pm-syr电机发展新的控制系统和方法。例如，需要一种控制策略，可以处理pm-syr电机在启动时的独特问题(例如，零或极低速度)，以提供商业和工业风扇和鼓风机驱动应用的高效率和可靠的速度控制。

技术实现思路

1、本发明提供了一种永磁辅助同步磁阻(pm-syr)电机鲁棒无传感器控制系统和方法。该系统和方法包括从静止状态使用闭环控制的电机的启动控制，包括电机零速度或低速度范围。这里涉及一种pm-syr转子特性检测方法，根据本公开的一个实例，包括一种信号注入方法，该方法可以检测显示转子磁各向异性或凸极性的某些电机转子特性，例如转子位置、转子速度和转子极性。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种无传感器永磁辅助同步磁阻电机，包括：

3、安装有三相定子绕组结构的定子；

4、转子，包括具有数个磁栅的电磁铁芯，各个磁栅将转子铁芯划分为数个转子主磁通路径区段以控制转子内磁通量的流动方向，其中所述各个磁栅可容纳多个永磁体，所述转子铁芯包括将所述各个转子磁通路径段连接在一起的多个表面隔磁桥；所述转子通过所述定子的三相定子绕组结构的激磁而相对于定子旋转，所述多个永磁体产生数个具有磁极性的转子磁极；

5、在各个转子磁通路径段中的至少一个与定子之间形成主磁通路径；空载漏磁通路径中的多个隔磁桥，至少一个隔磁桥被多个永磁体中至少一块的作用建立了定向磁化的磁通密度；

6、电机控制系统包括：电源；感测电路，配置为感测定子的一个或多个电气特性；控制器设置为对三相定子绕组结构施加一个正电压脉冲和一个负电压脉冲，其中正电压和负电压脉冲的大小选择如下:

7、所述正电压脉冲和负电压脉冲中的一个使所述多个表面隔磁桥中的至少一个中的定向磁化磁通密度去磁，并且所述正电压脉冲和负电压脉冲中的另一脉冲对所述多个表面隔磁桥中的至少一个中的磁通密度进行助磁；

8、检测对所述正电压脉冲的电流响应和对所述负电压脉冲的电流响应；

9、根据对所述正电压脉冲的电流响应和对所述负电压脉冲的电流响应的相对大小确定所述磁极的极性；

10、基于所确定的多个磁极的磁极极性，在电机启动时生成驱动命令；

11、驱动电路，用于在电机启动时根据驱动命令为定子的三相定子绕组结构产生励磁信号。

12、在一种实施例中，对正电压脉冲和负电压脉冲之一的电流响应是在d轴方向上的电流响应；对正电压脉冲和负电压脉冲的另一个的电流响应是在负d轴方向上的电流响应。

13、在一种实施例中，所述电磁铁芯包括多个内部隔磁桥，其将多个转子磁通路径段连接在一起以增加转子的机械完好性。

14、在一种实施例中，所述多个永磁体包括铁氧体永磁体、钕铁硼永磁体和其它稀土永磁体中的至少一种。

15、在一种实施例中，多个磁栅设计成有磁体的槽形结构，用于将磁体定位安装在磁栅内。

16、在一种实施例中，所述负电压脉冲与所述正电压脉冲具有相同幅度；使得正电压脉冲和负电压脉冲中的一个使多个表面隔磁桥中的至少一个中的定向磁化磁通密度降低饱和，并且使得正电压脉冲和负电压脉冲中的另一个使多个表面隔磁桥中的至少一个中的定向磁化磁通密度更加饱和。

17、在一种实施例中，所选的正电压脉冲和负电压脉冲的大小，使得所选的正电压脉冲和所选的负电压脉冲中的一个使所述多个表面隔磁桥中的至少一个中的定向磁通密度去饱和，同时并没有使通过所述多个表面隔磁桥中的至少一个的漏磁通径，在空载漏磁路径中方向磁化磁通密度的相反方向饱和情况有明显增加。

18、在一种实施例中，所选正电压脉冲和负电压脉冲的大小使得所述正电压脉冲和负电压脉冲中的一个使所述多个表面隔磁桥中的至少一个中的定向磁通密度降至约零特斯拉。

19、在一种实施例中，基于所述无传感器永磁辅助同步磁阻电动机的特性选择所述正电压脉冲和负电压脉冲的大小，使得所述正电压脉冲和所述负电压脉冲中的一个使所述多个表面隔磁桥中的至少一个中的定向磁化磁通密度去饱和，从而使d轴电感增加到预定门槛值以上，并且正电压脉冲和负电压脉冲中的另一个使所述多个表面隔磁桥中的至少一个中的磁通密度进一步磁化饱和，使得d轴电感保持在预定门槛值以下。

20、在一种实施例中，基于无传感器永磁辅助同步磁阻电机的特性选择正电压脉冲和负电压脉冲的大小，并且使得d轴电感响应于正电压脉冲和负电压脉冲产生门槛值差。

21、在一种实施例中，电机控制系统在启动时刻检测转子位置以获得启动时刻电机位置和具有未知磁极性的多个转子磁极的位置。

22、在一种实施例中，电机控制系统通过计算低速转子运动来检测在启动时刻的低速转子运动和具有未知磁极性的多个转子磁极的位置。

23、本发明实施例还提供了一种用于确定无传感器永磁辅助同步磁阻电机磁极的方法，所述无传感器永磁辅助同步磁阻电机包括具有三相定子绕组结构的定子和包含具有多个磁栅的转子，该磁栅可以是具有多个永磁体和多个表面隔磁桥的多个磁栅；其中，所述多个永磁体产生多个具有磁极性的转子磁极，所述确定磁极性的方法包括：

24、选择一个正电压和负电压脉冲的幅值，使：

25、所述正电压脉冲和负电压脉冲中的一个使所述多个表面隔磁桥中的至少一个的定向磁化磁通密度去磁，并且所述正电压脉冲和负电压脉冲中的另一脉冲使所述多个表面隔磁桥中的至少一个中的磁通密度助磁；

26、对转子的三相定子绕组配置施加正负电压脉冲；

27、检测对正电压脉冲的电流响应；

28、检测对负电压脉冲的电流响应；

29、基于对正电压脉冲的电流响应和对负电压脉冲的电流响应来确定多个磁极的磁极性。

30、在一种实施例中，对正电压脉冲和负电压脉冲中的一个的电流响应是在d轴方向上的电流响应，并且对正电压脉冲和负电压脉冲中的另一个的电流响应是在负d轴方向上的电流响应。

31、在一种实施例中，确定多个磁极的磁极性包括根据多个转子磁极的已知位置以及对正电压脉冲的电流响应和对负电压脉冲的电流响应的相对大小来确定多个磁极的磁极性。

32、在一种实施例中，多个永磁体可以包括多个铁氧体磁体、多个钕铁硼磁体和多个稀土磁体中的一种。

33、在一种实施例中，负电压脉冲和正电压脉冲具有相同的幅度；使得正电压脉冲和负电压脉冲中的一个使多个表面隔磁桥中的至少一个中的定向磁化磁通密度去饱和，并且使得正电压脉冲和负电压脉冲中的另一个使多个表面隔磁桥中的至少一个中的定向磁化磁通密度助饱和。

34、在一种实施例中，选择正电压脉冲和负电压脉冲的幅度包括选择这样的幅度，即正电压脉冲和负电压脉冲中的一个使多个表面隔磁桥中的至少一个中的定向磁化磁通密度去饱和，同时不会引起所述空载漏磁路径中相反的方向通过所述多个表面隔磁桥中的至少一个定向磁化磁通密度发生过渡饱和。

35、在一种实施例中，选择正电压脉冲和负电压脉冲的大小包括选择正电压脉冲和负电压脉冲的大小，使得正电压脉冲和负电压脉冲中的一个使多个表面隔磁桥中的至少一个的定向磁化磁通密度降低到约零特斯拉。

36、在一种实施例中，选择正电压脉冲和负电压脉冲的大小包括基于无传感器永磁辅助同步磁阻电机的特性选择正电压脉冲和负电压脉冲的大小，使得其中一个正电压脉冲和负电压脉冲使其去饱和在多个表面隔磁桥中的至少一个中定向磁化磁通密度，使d轴电感增加到预定门槛值以上，并且正电压脉冲和负电压脉冲的另一个进一步磁化多个表面电桥中的至少一个中的磁通密度，使d轴电感保持在预定门槛值以下。

37、在一种实施例中，选择正电压脉冲和负电压脉冲的大小包括基于无传感器永磁辅助同步磁阻电机的特性选择正电压脉冲和负电压脉冲的大小，使得d轴电感响应于正极产生门槛值差和负电压脉冲。

38、在一种实施例中，包括在启动时刻检测转子位置以获得启动时刻电机位置以及具有未知磁极性的多个转子磁极的位置。

39、在一种实施例中，包括在启动时刻检测低速转子运动，以及通过用检测到的低速转子运动速度来检测具有未知磁极的多个转子磁极的位置。

40、本发明实施例还提供了一种用于在启动极性检测时选取用于激励无传感器永磁辅助同步磁阻电机定子的正电压脉冲和负电压脉冲大小的方法，无传感器永磁辅助同步磁阻电机包括具有三相定子绕组结构的定子和包含具有数个磁栅的电磁铁芯转子，该磁栅含有多个永磁体和多个表面隔磁桥，所述多个永磁体产生多个具有磁极性的转子磁极，所述确定磁极性的方法包括：

41、在正负d轴电流值范围内，使得特定结构的无传感器永磁辅助同步磁阻电动机的表面隔磁桥磁通密度具有如下特征：

42、确定d轴电流值和对应的d轴拐点电流值，其中d轴电流值使表面隔磁桥磁通密度降低，以维持或实现漏磁的磁去饱和，其中相应d轴拐点的电流值使表面隔磁桥磁通密度降低，以维持或实现漏磁磁路去饱和；

43、为选择极性检测正电压和负电压脉冲选择电压脉冲幅度:

44、其中一个正电压脉冲和负电压脉冲产生识别的d轴电流值，该电流值使表面隔磁桥磁通密度退磁，以维持或实现漏磁的磁去饱和；

45、正电压脉冲和负电压脉冲的另一个脉冲产生识别出的对应的d轴拐点电流值，该电流值助磁表面隔磁桥磁通密度，以保持或实现漏磁更加饱和。

46、在一种实施例中，包括:

47、确定一系列d轴电流值和相应的d轴拐点电流值，其中d轴电流值使表面隔磁桥磁通密度去磁，维持或实现漏磁不饱和，其中对应的d轴拐点电流值使表面隔磁桥磁通密度去磁，维持或实现漏磁不饱和；

48、为极性检测正电压和负电压脉冲选择电压脉冲幅度，使：

49、正电压脉冲和负电压脉冲中的一个产生在d轴电流值范围内的d轴电流值，使表面隔磁桥磁通密度退磁，维持或实现漏磁路的磁不饱和；

50、正电压脉冲和负电压脉冲的另一个产生相应的d轴拐点电流值，使表面隔磁桥磁通密度助磁化，以保持或实现漏磁路更饱和。

51、在一种实施例中，对于多个不同转子位置时，使得在正、负d轴电流值范围内，表面隔磁桥磁通密度具有以下特征：

52、其中，确认d轴电流值范围及对应的d轴拐点电流值包括，识别多个不同转子位置的d轴电流值范围及对应的d轴拐点电流值。

53、在一种实施例中，特定的电机设置包括四极永磁铁氧体同步磁阻电机设置。

54、在一种实施例中，特定的电机设置包括四极永磁稀土同步磁阻电机设置。

55、在一种实施例中，特定的电机设置包括四极永磁钕铁硼磁铁同步磁阻电机设置。

56、由于pm-syr(特别是铁氧体pm-syr)的独特特性，传统的ipmsm转子特性检测方法并不准确。本发明提供了一种改进的pm-syr电机转子特性检测方法，该方法可以基于转子隔磁桥中漏磁通路径的饱和度改变所引起的定子电感变化来检测转子位置、转子速度和转子极性。

57、在极性检测过程中，转子隔磁桥漏磁通路径饱和度改变引起了定子电感变化，这就使得采用低电流脉冲就可提高极性检测的鲁棒性和可靠性成为可能。电机设计中，在特定的工作状态下，主磁通路径和漏磁通路径的磁通密度的可变性是极性检测的关键，也影响极性检测的有效性。极性检测的有效性可以在电机设计阶段进行有限元仿真验证，以确保基于初始转子速度/位置检测方法(例如，高频注入方法)实现可靠启动的有效性。

58、由于磁性能较低，基于铁氧体pm-syr电机在未饱和的主磁通路径上建立了低磁通密度。此外，多层转子磁栅产生一个大的磁阻效应。因此，定子绕组电流产生的定子磁场磁动势(mmf)不能使主磁路饱和，但可使隔磁桥中的漏磁路饱和。正是由于隔磁桥中漏磁通路径的饱和，使得高频注入方法能够基于转子表面结构上的凸极性设置来检测转子位置。此外，可以利用隔磁桥中受定子电流影响使漏磁通路径磁饱和度产生了变化并影响到定子电抗的改变，从而使在静止或低速时确定转子极性成为现实。

59、通过参考当前实施例和附图的描述，本发明的优点和特征将会被更充分地理解和领会。

60、在详细说明本发明的实施例之前，应理解本发明不限于操作细节，也不限于以下描述中所述或附图中所示的部件的构造和布置细节。本发明可以在各种其他实例中实施，并且可以以本文未明确披露的替代方式实施或执行。此外，应理解，此处使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应被视为限制性的。“包括”和“包括”及其变体的使用旨在包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目及其等同物。此外，枚举可用于各种实例的描述。除非另有明确说明，否则列举的使用不应被解释为将本发明限制为任何特定的组分顺序或数量。也不应将列举的使用解释为从本发明的范围中排除可能与所列举的步骤或组件组合或组成所列举的步骤或组件的任何附加步骤或组件。将权利要求要素引用为“x、y和z中的至少一个”的任何引用意味着单独包括x、y或z中的任何一个，以及x、y和z的任何组合，例如x、y、z；x、y；x、z；y、z。