专利名称：确定交流电机的初始转子位置的制作方法
技术领域：
本发明涉及确定交流电机的初始转子位置。
背景技术：
交流(AC)电机系统典型地包括包括转子和定子的电机以及电机控制器，该电机控制器用于控制被提供用来驱动电机的电压和电流。为了确保对电机的良好控制，例如，为了满足指定的电机性能要求，电机控制器需要知晓电机转子的位置。已知用于估计转子位置的多种技术。可以使用诸如位置和速度传感器的物理位置传感器，但是这类位置传感器及其关联的线缆和连接器增加了 AC电机系统的大小、重量和复杂度，并且也已经成为AC电机系统的故障源。为了消除这类位置传感器，尤其是对于小型低成本的电机控制器，已经对用于在多种不同操作条件下确定不同类别电机的转子位置的无传感器技术做了很多研究。一种简单的技术使用在电机中产生的感应反电动势(EMF)。然而，在转子静止或低速时，在电机中产生的反电动势(EMF)不足以使得能够准确地估计转子位置。更加复杂的技术基于注入叠加在驱动转矩上的适当的高频(HF)参考信号和通量控制信号，以及跟踪AC电机的定子电流对注入的参考信号的响应，从而确定转子位置。注入信号的频率比驱动电流的基础频率要高，足以与它们相区分，并且受限于控制器的阻抗和反应时间特性。绝大多数低速和零速无传感器控制技术的基础是在由与转子一起旋转的d_q坐标系定义的旋转直(direct)坐标(d轴)和正交坐标(q轴)上计算出的注入信号频率下的q轴定子电流的幅度，其中d轴与转子磁轴一致，而q轴垂直于d轴。该q轴定子电流由转子位置对定子电感的效应所产生，并且被称为凸极(saliency)。在永磁(PM)电机中，例如存在多种凸极源，诸如转子固有凸极、基于饱和的凸极(定子、齿)。美国专利申请公开No. 2006/0061319，美国专利No. 6，894，454，1998年7/8月的 IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 4 上由 Ryoji Mizutani 等 Aifi^ JCM"Current Model-Based Sensorless Drives of Salient-Pole PMSM at Low Speed and Standstill，，，以及 2005 年 1/2 月白勺 IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41，No. 1 上由 Yu-seok Jeong 等人所写的文章 Initial Rotor Position Estimation of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Machine Using Carrier-Frequency Injection Methods”公开了确定转子位置的方法，其中通过将HF信号与命令电压信号组合在一起来将HF载波或脉冲信号注入定子绕组，该命令电压信号控制提供给AC电机的定子的电流以产生磁通量分量(d轴)和转矩分量(q轴)。然后，承载凸极位置信息并且作为来自定子的反馈电流的一部分的结果HF分量被从定子电流的驱动分量中分离，并由在电机控制器中的处理器进行处理，以确定转子位置。还将反馈电流作为控制器中的控制环路的一部分反馈，以控制提供给定子的电力。这些已知的技术，其中命令电压信号被施加以与注入的HF载波信号同步产生定子驱动电流，在知晓转子的初始静止位置之前转矩被施加到转子，并且接着转子移动，延迟和干扰对转子估计位置的确定。在估计和真实的初始转子位置之间的偏差降低了施加到转子的初始启动转矩。可能执行物理的对准序列，在其中转子初始移动到对应于已知位置的位置，这随后被定义为对准，但是这也涉及将全部初始启动转矩施加到转子的延迟。另外，在2007年8月20日提交的申请人的共同待决国际专利申请PCT/ IB2007/053318公开了另一无传感器转子位置确定方法，它避免了注入的载波信号与由于控制环路例如在电机负载变化期间的操作而在电机中产生的命令电压信号的HF谐波分量之间的干扰。
发明内容
如所附权利要求描述的，本发明提供了一种控制交流电机的方法，一种用于执行该方法的计算机程序，一种用于控制交流电机的控制器以及包括该控制器的电机装置。参考以下描述的实施例，本发明的这些以及其他方面将变得明显并得以阐述。
将参考附图，仅以示例的方式描述本发明的进一步详情、方面和实施例。附图中的元素出于简单明了的目的被图示，并且不必按比例绘制。图1是以示例的方式给出根据本发明一个实施例的用于控制交流电机的装置的示意性方框图，图2是在图1的装置中，用于确定交流电机的初始转子位置的模块的示意性方框图，图3是示出作为转子的实际位置的函数的、由图2的模块进行的初始转子位置的估计的曲线图，以及图4是示出以时间的函数形式，由图2的模块估计初始转子位置的变化的曲线图。
具体实施例方式将参照三相永磁同步电机描述本公开。应当理解，本公开不受限于使用于三相永磁同步电机，并且可以应用于任何具有凸极的AC电机，例如二相AC电机、绕线转子AC电机、永磁掩埋在电机中或者安装在表面上的永磁电机、同步磁阻电机(SynRM)、交换式磁阻电机(SRM)或者AC感应电机(ACIM)。图1示出根据本发明实施例的控制器100，用于具有转子104和定子106的交流 (AC)凸极电机102。在说明三相电机的实例中，图1的控制器在将相对定子旋转的直(D轴) 和正交⑴轴)坐标中的值变换为相对定子为静态的α、β角坐标之前，计算该值，并且随后依次将α、β角坐标变换为静态三相A、B、C分量，将A、B、C分量施加到定子106的三相绕组。应当理解，本发明可以应用于相位数为三以外的电机，在该实例中，相位分量的数量将相应地调整。图1所示的控制器接收作为直接或间接依赖于例如电机102的转子的期望速度或位置的所需转矩的函数而计算出的电流命令信号矢量i\。电流命令信号矢量i:表示在 d轴和q轴上的对应所需通量和转矩电流分量。控制器产生电压命令信号矢量11\，表示获取所需电流分量所需要的用于d轴和q轴的电机磁场和转矩电压分量的所需操作点。有多种方法可用于产生电流命令信号矢量i:和电压命令信号矢量，例如，诸如在申请人于 2008年5月16日提交的共同待决国际专利申请PCT/IB2008/051933中描述的方法。这使得能够将磁场消弱施加到命令信号矢量。在图1所示的示例中，接收电流命令输入信号矢量i:和代表定子驱动电流分量实际值的电流反馈信号矢量id(L的比较器产生电压命令信号矢量11\，差值作为输入被馈送到控制元件110，控制元件110可以对在输入和反馈信号矢量之间的差值执行比例积分操作，可能与前馈操作一起，从而产生电压命令信号矢量 u*dq,电压命令信号矢量11\的极端值在例如限幅器112中被限幅。然后，在模块114中对电压命令信号矢量U:进行派克逆变换，模块114使用转子 104的估计角位置θ e将旋转d_q坐标上的所需电压矢量分量变换为在静止两相α β角坐标上的电压命令矢量(DQ至α β变换)，从而如果角位置估计是准确的，则角坐标的坐标系与转子同步旋转。在将驱动电流施加到定子绕组106之后，选择单元116基于在操作的驱动阶段期间由派克变换元件114所使用的用于角位置的值ed来产生推导出的电压命令信号矢量02。然而，在操作的驱动阶段之前的操作的初始阶段期间，选择单元116 执行初始计算，以确立用于由派克变换元件114所使用的角位置9^的初始值θω&。组合元件117在驱动阶段期间接收值θ d，在初始阶段期间接收初始值θ ，并且将确认值作为输出提供。在本发明的实施方式的该示例中，在驱动电流施加到定子绕组106之后，诸如增量编码器或测速发电机的物理相对位置传感器118与位置和速度计算器120 —起产生用于角位置的值θ d，例如，这可能需要转子的至少一个完整机械旋转(机械对准)，以正确地注册与转子的磁通量对准的转子位置，在本发明的该实施例中这可能得以避免。在无传感器算法用于在电机驱动期间确定转子位置的实例中，该算法可以开始于本发明的该实施例提供的初始位置确定。然后将选定的电压命令信号矢量(02施加到空间矢量调制元件122，空间矢量调制元件122计算关于三相A、B、C电压分量的占空比，通过对主电源供电的逆变器124的三个开关腿的脉冲宽度调制，将A、B、C电压分量施加到定子106的三相绕组。用于派克(DQ至α β)变换逆变换和用于空间矢量调制的适当技术是已知的，并且在例如美国专利说明书6，163，128中提及。反馈路径包括将三相定子电流分量iA、iB、转换为数字值的模数转换器 (ADC) 126。三相至两相电流重建元件1 计算在α β静止角坐标中的等效信号矢量i a e， 将iae作为输入提供给选择单元116。派克变换模块130将α β静止角坐标变换为旋转 d-q坐标，以产生作为输入被提供给比较器108的反馈电流信号矢量id(1 &e。与派克逆变换模块114 一样，向派克变换模块130提供相同的转子104的估计角位置θε。比较器108、控制元件110、变换模块114和选择单元116构成这样一种模块该模块用于确定所述转子的估计角位置θ e，以及用于使用该估计角位置θ e来产生作为旋转坐标中的命令信号1\的函数的、静止坐标中的驱动转矩和通量信号(0。多种技术可以用于电流重建元件128，诸如在Freescale Semiconductor (飞思卡尔半导体公司)提出的 Application Note AN I93O (7· 6· 1 节)和 Application Note AN193K4.3.2节)中提供的内容。然而，应当理解，可以将电流重建元件1 构建地不一样，例如，可以通过DC总线电流的单分路测量来重建i α e。在结合图1，由图2图示的本发明实施例的示例中，电机受到包括以下各项的方法的控制确定转子的估计初始角位置θ _、θ ，以及使用估计初始角位置θ _、θ 来产生作为旋转坐标中的命令信号矢量的通量和转矩分量的函数的、静止坐标中的驱动信号矢量e。转子的估计初始角位置的确定包括产生高频参考信号矢量作为旋转坐标中的d轴分量u*d—HF ；变换d轴分量以产生静止坐标中的对应的高频参考信号矢量u*a HF ；将对应于静止坐标中的高频参考信号矢量0 HF的电压施加于电机的定子绕组106 ；变换静止坐标中的对应的高频定子电流信号矢量iA、iB、ic> ia e，以产生旋转坐标中的对应的q轴定子电流分量Ituff ；产生作为q轴定子电流分量i,—HF的函数的、转子的估计初始角位置θ 轴、θ初始；使用估计初始角位置θ轴、θ 始，来调整旋转坐标，并进而调整对应于静止坐标中的高频参考信号矢量(e HF的电压和q轴定子电流分量Itl lff ；以及产生作为调整后的q轴定子电流分量ItuffW函数的、转子的调整后的估计初始角位置θ$ 、θ 在转子104静止时并且在将对应于驱动信号矢量0的电压初始施加到定子绕组106之前，执行对转子的估计初始角位置θ tt、θ 的确定，并且产生转子的调整后的估计初始角位置θ _、θ 始。使用调整后的估计初始角位置来产生静止坐标中的驱动信号矢量的初始值。具体而言，图2示出控制器100中的选择单元116的示例。选择单元116包括输入元件202，输入元件202接收频率《HF下的高频(HF)参考信号《*HFt，ω HF足够高使得HF 参考信号所见的定子绕组的阻抗的电抗部分大大高于阻抗的电阻部分，电抗部分基本为电感性的。在本发明的实施方式的一个示例中，频率ωΗΡ的范围是500赫兹至2000赫兹。输入元件202产生同相分量HF，正交分量基本为0，u*d HF施加到类似于派克逆变换模块114 的派克逆变换模块204。派克逆变换模块204产生信号矢量(e HF，其被施加到受定时器 208控制的三输入选择器206的第一输入。派克逆变换模块204使用转子104的初始估计角位置θ tt。选择器206的输出是被施加到空间矢量调制元件122的信号矢量U*a02，空间矢量调制元件122计算由逆变器IM施加到定子106的三相绕组的三个相位A、B、C电压分量的占空比，以在定子绕组106中产生对应的电流。类似于派克变换模块130，派克变换模块209从电流重建元件1 接收信号矢量 iae，并且使用转子104的初始估计角位置θ 将信号矢量iae的α β静止角坐标变换为旋转d-q坐标。通过将元件209的输出与HF参考信号的正交分量COS(co\Ft)在混频器210中进行零差(homodyne)，并且在低通滤波器212中选择DC分量，来选择正交分量 id”滤波器212的输出在缓冲放大器214中被放大，而缓冲放大器214的输出是代表转子 104的初始位置估计的值θ _，值θ 被施加到派克逆变换模块204和派克变换模块209。 受定时器208控制的三输入选择器216具有接收默认零值的第一输入，以及接收信号θ fi 的第二和第三输入。将选择器216的输出施加到检测永磁极性的极性检测单元218的输入。 极性检测单元218还接收信号矢量(0JF,并提供针对其解决转子位置南北不确定性的对应输出信号矢量HF—PM，输出信号矢量HF—PM被施加到选择器206的第二输入。在美国专利说明书2004/0070362中提供了可以在本发明的该实施例中使用的适当极性检测器的示例。选择器206的第三输入从派克逆变换模块114接收电压命令信号矢量0。受定时器208控制的三输入选择器220具有接收默认零值的第一和第二输入。极性检测单元218还提供对应于其输入θ 的输出θ ，但是对于θ ，转子位置的南北不确定性得到解决，并将其施加到选择器220的第三输入。在操作中，在驱动电流施加到定子绕组106之前的初始操作阶段期间，在绕组没有励磁并且转子静止时，定时器208将选择器206、216和220初始设置为这样的状态在该状态下，它们将其第一输入上的值传递到其输出。当将HF参考信号《HFt施加到输入元件 202时，派克逆变换模块204所使用的用来产生信号矢量U*ae HF的初始估计角位置值θ fi 等于默认零值。施加到空间矢量调制元件122的信号矢量(02对应于转子角位置为零的初始假设。派克变换模块209使用相同的零默认值θ _，将对应的定子电流信号矢量ia0 变换为旋转d-q坐标，并且正交分量Ituff与转子位置的第一估计一阶成比例。以下等式适用
权利要求
1.一种控制交流电机的方法，所述交流电机具有转子(104)和定子绕组(106)，所述方法包括确定所述转子的估计初始角位置(θ tt，θ ω )，并且使用所述估计初始角位置(Θ轴， θ初始)来产生静止坐标中的驱动信号矢量(U*ae)作为旋转坐标中命令信号矢量(i\)的通量和转矩分量的函数，所述确定所述转子的估计初始角位置的步骤包括产生高频参考信号矢量作为旋转坐标中的d轴分量(U*d HF)；变换所述d轴分量以产生静止坐标中的对应高频参考信号矢量HF)；将与静止坐标中的所述高频参考信号矢量(U*ae—HF)对应的电压施加于所述电机的所述定子绕组(106)；变换静止坐标中的对应高频定子电流信号矢量(iA，iB，ie，iae)以产生旋转坐标中的对应q轴定子电流分量Gtuff)；根据所述q轴定子电流分量(i,—HF)产生所述转子的估计初始角位置(Θ tt，θ ；使用所述估计初始角位置 (θ fi, θ初始)来调整所述旋转坐标并且接下来调整与静止坐标中的所述高频参考信号矢量 (u*a 0 JF)对应的所述电压以及所述q轴定子电流分量Gtuff)；以及，产生所述转子的调整后的估计初始角位置(Θ tt，θ 作为调整后的所述q轴定子电流分量(、,)的函数，其中在所述转子(104)静止时并且在将与所述驱动信号矢量(U*ae)对应的电压初始施加于所述定子绕组(106)之前，执行确定所述转子的估计初始角位置(Θ _，θ 的步骤以及产生所述转子的调整后的估计初始角位置(Θ tt，θ 的步骤，并且其中使用所述调整后的估计初始角位置来产生静止坐标中的所述驱动信号矢量的初始值。
2.如权利要求1所述的控制交流电机的方法，其中产生所述转子的估计初始角位置 (Θ _，θ 作为所述q轴定子电流分量(iq—HF)的函数的步骤包括将所述q轴定子电流分量Gqjif)与正交于所述d轴分量(Sin(c^HFt))的信号(C0S(a^HFt))进行混合。
3.如权利要求1或2所述的控制交流电机的方法，其中调整与静止坐标中的所述高频参考信号矢量HF)对应的所述电压以及所述q轴定子电流分量Gqhf)的步骤包括 调整对所述d轴分量(U*d—HF)的所述变换，以及调整对静止坐标中的所述定子电流信号矢量 (iae)的所述变换。
4.如以上权利要求中的任何一项所述的控制交流电机的方法，其中在将与所述驱动信号矢量(U*ae)对应的电压初始施加于所述定子绕组(106)之后产生静止坐标中的所述驱动信号矢量0)的步骤包括下述进一步步骤确定所述转子(104)的估计角位置(9e)。
5.如权利要求4所述的控制交流电机的方法，其中确定所述转子的估计角位置的所述进一步步骤使用来自物理转子位置传感器(118)的信号(ed)。
6.如以上权利要求中的任何一项所述的控制交流电机的方法，其中产生所述转子的调整后的估计初始角位置(Θ tt，θ 作为调整后的所述q轴定子电流分量Gtuff)的函数的步骤包括校正估计初始角位置极性。
7.一种包含计算机程序元件的计算机可读介质，所述计算机程序元件包括指令，所述指令用于执行在如以上任何一项权利要求所述方法中的下述步骤变换所述d轴分量以产生静止坐标中的对应高频参考信号矢量HF)；变换静止坐标中的对应高频定子电流信号矢量(iae)以产生旋转坐标中的对应q轴定子电流分量(i,—HF)；根据所述q轴定子电流分量(、—HF)产生所述转子的估计初始角位置(θ轴，θ初始)；使—用所述估计初始角位置(θ 轴，θ tt始)来调整所述旋转坐标并且接下来调整与静止坐标中的所述高频参考信号矢量 (u*a0 JF)对应的所述电压和所述q轴定子电流分量Gtuff)；以及，在转子(104)静止时并且在将与驱动信号矢量对应的电压初始施加于定子绕组(106)之前，产生所述转子的调整后的估计初始角位置(Θ tt，θ 作为调整后的所述q轴定子电流分量(、,)的函数。
8.一种用于控制交流电机的控制器，所述交流电机具有转子(104)和定子绕组(106)， 所述控制器包括模块(116，117，120)，用于确定所述转子的估计初始角位置(Θ _，θ始)，并且用于使用所述估计初始角位置(Θ轴，θ 来产生静止坐标中的驱动信号矢量 (u*a0)作为旋转坐标中的命令信号矢量(i\)的通量和转矩分量的函数，所述模块包括 用于产生高频参考信号矢量作为旋转坐标中的d轴分量(U*d HF)的元件Q02)；用于变换所述d轴分量以产生静止坐标中的对应高频参考信号矢量(u*ae HF)的元件Q04)；用于将与静止坐标中所述高频参考信号矢量(u*ae HF)对应的电压施加于所述电机的所述定子绕组 (106)的元件(122)；用于变换静止坐标中的对应高频定子电流信号矢量(iA，iB，ic, ia0) 以产生所述旋转坐标中的对应q轴定子电流分量Gtuff)的元件(128，130)；用于产生所述转子的估计初始角位置(θ tt，θ 作为所述q轴定子电流分量Gq hf)函数的元件(210， 212，214)，所述元件被配置为使用所述估计初始角位置(Θ _，θ 来调整所述旋转坐标并且接下来调整与静止坐标中的所述高频参考信号矢量HF)对应的所述电压和所述q轴定子电流分量(i,—HF)，以及产生所述转子的调整后的估计初始角位置(θ tt，θ 作为调整后的所述q轴定子电流分量Gtuff)的函数，其中所述元件被配置为在转子(104)静止时并且在将与所述驱动信号矢量(u*a 0)对应的电压初始施加于所述定子绕组(106)之前，执行确定所述转子的估计角位置(Θ _，θ ω )的步骤和产生所述转子的调整后的估计角位置(Θ tt，θ 的步骤，并且其中所述模块包括用于使用所述调整后的估计角位置来产生静止坐标中的所述驱动信号矢量0) 的初始值的元件(120，117)。
9.如权利要求8所述的用于控制交流电机的控制器，其中用于产生所述转子的估计初始角位置(Θ轴，θ 作为所述q轴定子电流分量Gqhf)的函数的所述元件(210，212， 214)包括用于将所述q轴定子电流分量(iq HF)与正交于所述d轴分量(Sin(c^HFt))的信号(COS(o^HFt))进行混合的元件。
10.如权利要求8或9所述的用于控制交流电机的控制器，其中用于变换所述d轴分量HF)的所述元件(204)和用于变换静止坐标中的所述定子电流信号矢量(iA，iB，ic, ia0)的所述元件(128，130)被配置为调整与静止坐标中的所述高频参考信号矢量(u*a 0 HF)对应的所述电压和所述q轴定子电流分量(、—HF)。
11.如权利要求8至10中的任何一项所述的用于控制交流电机的控制器，其中所述模块被配置为在将与所述驱动信号矢量对应的电压初始施加于所述定子绕组(106) 之后，使用用于确定所述转子(104)的估计角位置(Θ _，θ 的进一步元件来产生静止坐标中的所述驱动信号矢量(u*ae)。
12.如权利要求11所述的用于控制交流电机的控制器，包括物理转子位置传感器 (118)，并且其中用于确定所述转子的估计角位置(Θ _，θ 的所述进一步元件被配置为使用来自所述物理转子位置传感器(118)的信号(θ d)。
13.如以上权利要求中的任何一项所述的用于控制交流电机的控制器，其中用于产生所述转子的调整后的估计初始角位置(Θ tt，θ 作为调整后的所述q轴定子电流分量Gtuff)的函数的所述元件(210，212，214)包括用于校正估计初始角位置极性的元件 (218)。
14.电机装置，包括交流电机(102)和如权利要求8至13中的任何一项所述的用于控制所述交流电机的控制器(100)。
全文摘要
确定AC电机的转子的估计初始角位置包括将对应于高频参考信号矢量(u*αβ_HF)的电压施加于电机的定子绕组(106)，并且产生作为所得到的q轴定子电流分量iq_HF的函数的、转子的估计初始角位置θ轴、θ初始，使用估计角位置θ轴、θ初始来调整信号矢量从静止到旋转坐标的变换且反之亦然，并且产生作为调整后的q轴定子电流分量iq_HF的函数的、转子的调整后的估计角位置θ轴、θ初始。在转子(104)静止时并且在将对应于驱动信号矢量u*αβ的电压初始施加到定子绕组(106)之前，执行转子的初始估计角位置θ轴、θ初始的确定以及转子的调整后的初始估计角位置θ轴、θ初始的产生，并且使用调整后的估计角位置来产生静止坐标中的驱动信号矢量命令u*αβ的初始值。在施加定子电流之后进行的转子的估计角位置的确定可以使用不同的方法，诸如物理相对位置传感器。
文档编号H02P21/14GK102273063SQ200980153654
公开日2011年12月7日 申请日期2009年1月5日 优先权日2009年1月5日
发明者彼得·巴拉佐维克, 罗曼·菲尔卡 申请人:飞思卡尔半导体公司