专利名称：用于高效能无铁心永磁电机的无传感器最优转矩控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量永磁电机的转子位置的方法和系统。更具体地，涉及一种使用无铁心永磁(PM)电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转(motoring)和发电操作的方法和系统。
背景技术：
如图1所示，永磁电机是一种交流(AC)电动机，其中通过施加垂直于永磁转子产生的场的电磁场，向旋转装置提供能量。为了控制AC永磁电机，应当始终知道转子永磁体(PM) 102、104所产生的磁场的绝对位置。磁体的位置对于确定产生期望的转矩所必需的电机的定子电流的大小非常重要。该操作被称为定子电流换向(stator current commutation)。由于磁体相对于定子106旋转，所以磁体的位置可以通过测量转子绝对角位置来计算。诸如旋转变压器和光学编码器的绝对位置传感器通常用于测量电机转子的绝对角位置。电机的角速度也可以根据位置信息来计算。常用的角位置传感器被机械地耦接至电机转子。对于某些应用，这种设备的严酷环境条件和/或对紧凑机械集成度的关注将带来挑战，特别是如果要求高运行可靠性。对于某些这种实际应用，机械式安装的位置传感器被认为是一个薄弱环节，即，关键性的单点故障(single point of failure)。对于成本敏感性应用，绝对位置传感器的高成本可能是一个问题。
发明内容
本发明采用无铁心永磁电机中的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作。在估计电机的电动势(emf)时，本发明利用无铁心电机的低的每单位电感(per unit inductance)，并且使用近似表示电机电动势的电机端电压。还包括某些补偿来抵消由于定子电流的存在引起的欧姆电压降和电感电压降所导致的任何影响。同样如下所示， 该方法利用了 d-q旋转参照坐标系变换所带来的电机电压和电流的DC性质。本发明提供了很宽范围的位置和速度感测，这使得电机即使在非常困难的起动转矩条件(诸如与内燃机相关联的条件)下仍有效地起动。此外，本发明结合了实现电机的更有效操作的转矩角优化方案。本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的由计算机实现的方法，该方法使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括获得该电机的瞬时端电压；将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压；调节永磁电机的电频率，从而将零直轴电压调整为具有零值；通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度；通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度；以及调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩。本发明的实施方式还涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的系统，该系统使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作， 包括用于获得电机的瞬时端电压的装置；用于将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为具有零值的装置；用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩的装置。此外，本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的计算机可读介质，该计算机可读介质使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括用于获得该电机的瞬时端电压的装置；用于将该瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为具有零值的装置；用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，而优化电机的转矩的装置。此外，本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的由计算机实现的方法，该方法使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括获得电机的瞬时端电压；使用数学变换将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压；调节永磁电机的电频率，从而将零直轴电压调整为零值；根据调节后的电频率来确定电机的非最终电角度；通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度；通过观测在电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度；以及调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩。本发明的实施方式还涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的系统，该系统使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作， 包括用于获得电机的瞬时端电压的装置；用于使用数学变换将该瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为零值的装置；根据调节后的电频率来确定电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度的装置；用于通过观测在电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩的装置。此外，本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的计算机可读介质，该计算机可读介质使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括用于获得该电机的瞬时端电压的装置；用于使用数学变换将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为零值的装置；用于根据调节后的电频率来确定电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度积分来确定电机的最终电角度的装置；用于通过观测在电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩的装置。
通过优选实施方式和附图来描述本发明，其中图1为传统永磁电机的示意图；图2为根据本发明优选实施方式的无位置传感器的流程图；图3为本发明的一个实施方式中的锁相环的信号流程图；图4为根据本发明一个实施方式的数学变换的图形表示；以及图5为永磁电机的无传感器转矩控制的流程图。
具体实施例方式现有技术限于电流换向的六步模式，其中电流波形是与正弦波相对的方波。为应对正弦激励(sinusoidal excitation)而设计的先前的无传感器方法遭遇着极端难题。传统上看，必须建立系统的数学模型，并且使用卡尔曼(Kalman)滤波器来完成对转子位置的估计。这些方法在本质上对数值计算很敏感，并且要求电动机设备的模型具有高精度。申请人:发现了一种提议的无传感器方法，该方法通过消除机械设备感测转子的绝对角位置的必要，克服了上述现有技术的缺陷。另外，本发明的方法使用简单的数学模型来进行电机的电压和电流的精确测量。此外，所提议的方法利用电机的测量变量来调整由于温度或者其他的操作上的影响而导致的电机参数的任何变化，从而改善了对设备的控制。图1示出了本发明的一个实施方式中使用的永磁电机。除其他以外，本发明的电动机/发电机包括无铁心转子磁体102、104，以及定子106。图2示出了如在本发明优选实施方式中所见的用于优化电机的转矩控制而确定电机的电角度的信号流图。电机模型202包括三个电压源Ea、Eb和E。，三个电阻Ra、Rb和R。， 三个电感La、Lb和L。的示意性表示，但也可以考虑其他配置。电机202能够接收指示电动机的运动的数字信号。例如，通过电机将电流矢量Iq 设定为一个非常高的DC量，电机开始旋转。将电流矢量Iq设定为高的恒定值能够使电动机的磁场矢量自身与电流矢量Iq对齐。在该初始时刻，电动机的转矩角接近零。接着，如204所图示的，频率随时间逐渐升高，从而改变电角度，并由此改变了设定电流的角度。然后，随着电流矢量Iq开始运动，电动机中的磁体追踪电流矢量I,。使电机中的磁体追踪运动的电流矢量Iq启动了电机的旋转。一旦该旋转在电机中产生足够大的电动势，位置估计器就超过闭环位置估计。此外，如标号202所示，一旦电机开始旋转，就获得瞬时电机测量变量Van、Vbn和V。n。在某点处，一旦来自电动机的反电动势高到足够可测量的量，就使用未示出的模拟数字转换器(ADC)将进入电动机的模拟电压转换为瞬时端电压Van、Vbn和Vm的三个数字Vbn和V。n的数字值，就使用数学变换206来变换
读数，从而开始计算周期。一旦已经获得了瞬时端电压Van、vbn 这些电压，数学变换206将正弦电机波形变换成DC量。这种数学变换可以是直接正交零变换(dqO)，但也可以考虑其他数学变换。dqO变换是使用电机电角度位置来进行变换的表达式。通过建立d-q参考坐标系来实现变换，该参考坐标系具有与电机的气隙磁场对齐的d轴以及与d轴正交的q轴，S卩，与d轴成90°。如图4所示，如果d轴与磁场对齐，则参考坐标系的旋转频率与电机的磁场一致，并且电机开路端电压的变换将得到零直轴电压Vde 以及非零交轴电压\e。下面将详细解释dqO变换的步骤。直接正交零(dqO)变换是从三相静止坐标系到dq旋转坐标系的变换。这种变换以两个步骤进行，并且通过如下步骤执行1)从三相静止坐标系到两相α β静止坐标系的变换；以及2)从α β静止坐标系到dq旋转坐标系的变换。这些步骤的图形表示如图4所示。η维空间中的矢量表示通过坐标单位的η维矢量(基)的转置与矢量的矢量表示的乘积来实现，其元素对应于在每条坐标轴上的投影，通过它们的单位值来归一化。在三相(即，三维)空间中，其看起来是这样的
权利要求
1.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的方法，所述方法使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作，包括获得所述电机的瞬时端电压；将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压； 调节所述永磁电机的电频率，从而将所述零直轴电压调整为具有零值； 通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定所述永磁电机的非最终电角度； 通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度；以及调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩。
2.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的系统，所述系统使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作，包括用于获得所述电机的瞬时端电压的装置；用于将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置； 用于调节所述永磁电机的电频率从而将所述零直轴电压调整为具有零值的装置； 用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定所述永磁电机的非最终电角度的装置；用于通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度的装置；以及用于调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩的装置。
3.—种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的计算机可读介质，所述计算机可读介质使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作， 包括用于获得所述电机的瞬时端电压的装置；用于将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置； 用于调节所述永磁电机的电频率从而将所述零直轴电压调整为具有零值的装置； 用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定所述永磁电机的非最终电角度的装置；用于通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度的装置；以及用于调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩的装置。
4.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的由计算机实现的方法，所述方法使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作，包括获得所述电机的瞬时端电压；将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压； 调节所述永磁电机的电频率，从而将所述零直轴电压调整为零值； 根据调节后的电频率确定所述电机的非最终电角度；通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度；通过观测在所述电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度；以及调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩。
5.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的系统，所述系统使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和/或发电操作，包括用于获得所述电机的瞬时端电压的装置；用于将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置； 用于调节所述永磁电机的电频率从而将所述零直轴电压调整为零值的装置； 用于根据调节后的电频率来确定所述电机的非最终电角度的装置； 用于通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定所述电机的最终电角度的装置；用于通过观测在所述电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度的装置；以及用于调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩的装置。
6.一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的计算机可读介质，所述计算机可读介质使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括用于获得所述电机的瞬时端电压的装置；用于将所述瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置； 用于调节所述永磁电机的电频率从而将所述零直轴电压调整为零值的装置； 用于根据调节后的电频率来确定所述电机的非最终电角度的装置； 用于通过对所述非最终电角度和来自先前计算周期的电角度积分来确定所述电机的最终电角度的装置；用于通过观测在所述电机的逆变器中的DC电力供应来优化电角度的装置；以及用于调节所述电机的电流矢量，以使所述电流矢量垂直于所述电机的最终电角度，从而优化所述电机的转矩的装置。
全文摘要
本发明的实施方式允许优化永磁电机的转矩控制，包括获得电机的瞬时端电压；使用数学变换将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压；调节永磁电机的电频率，从而将零直轴电压调整为具有零值；通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度；通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度；以及调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩。
文档编号H02P21/00GK102224672SQ200980146650
公开日2011年10月19日 申请日期2009年9月23日 优先权日2008年9月23日
发明者扎赫尔·阿布达拉赫·达布西, 斯科特·加勒特·伯曼 申请人:威罗门飞行公司