同步电动机优化控制的制作方法

同步电动机优化控制的制作方法
【专利摘要】公开了一种同步电动机优化控制。装置和技术的表示性实施方式提供了三相AC电动机的优化控制。磁场定向控制(FOC)布置使用优化组件和技术来改进电动机的功率效率，在整个电动机速度范围上具有快速的控制响应。
【专利说明】同步电动机优化控制

【背景技术】
[0001] 永磁同步电动机（PMSM)由于其相比于其他电动机更高的可靠性和更小的尺寸而 在消费者和工业电动机应用中具有增长的采用。为了实现高效率以及低振动和听觉噪声， 磁场定向控制（F0C)方案越来越多地被用于针对风扇、泵、压缩机、齿轮电动机等的消费者 和工业PMSM控制中。
[0002] 对于高动态加载（例如，用于电力推进、压缩机等的电动机）来说，可使用快速和 准确的F0C控制环来控制电动机电流和电压以保持最大效率。在另一方面，现有F0C方案 在关键控制环中通常具有复杂的变换，这可能使得其不准或相对较慢。
[0003] 为了以最低成本进一步提高效率，经常由更少的微控制器来处理越来越多的控制 功能（例如，数字功率转换、数字功率因数校正（PFC)、多电动机F0C控制等）。新的微控制 器还包括越来越多的特征和外围设备（如，人机接口、通信等）以便在十分激烈的市场竞争 中保持优胜。然而，现有F0C控制策略可能是复杂且处理器密集型的，易于使微控制器过载 并且妨碍将微控制器功率有效分配给复杂系统功能，并且阻碍对微控制器的潜力和特征的 充分使用。
[0004] 用于无传感器F0C的现有转子位置和速度估计器包括磁通估计器、PLL估计器、滑 模观测器（SM0)等等。所有这些都可以是对电动机定子电阻R敏感的，并且波动的定子电 阻（主要归因于温度改变）可能导致对于估计的转子位置和速度的不可预测误差，从而导 致控制在低电动机速度下变得尤其不稳定。此外，在无传感器F0C中位置和速度信息不准 确的情况下，定子磁通和转子磁通不能总是彼此垂直并且因此不能使得能量效率始终最大 化。已经提出了一些技术来对定子电阻变化进行补偿，如无传感器PMSM驱动中的在线定子 电阻重估/跟踪/重校和定子电阻适配，但是它们可能是复杂的并且消耗更多的资源，包括 处理器时间。

【专利附图】

【附图说明】
[0005] 参考附图阐述详细描述。图中，附图标记的（一个或多个）最左边数字标识该附 图标记在其中首先显现的图。不同图中使用的相同附图标记指示相似或相同的项。
[0006] 对于这个讨论，图中所图示的装置和系统被示出为具有多种组件。如本文中所述 的，装置和/或系统的各种实施方式可包括更少的组件并保持在本公开的范围内。或者，装 置和/或系统的其他实施方式可包括附加组件，或所述组件的各种组合，并保持在本公开 的范围内。
[0007] 图1是根据实施方式的示例性磁场定向控制（F0C)布置的框图，其使用位置传感 器来确定转子位置和/或速度，其中可施加本文所公开的技术和装置。
[0008] 图2是根据实施方式的另一示例性F0C布置的框图，其使用位置估计器来确定转 子位置和/或速度，其中可施加本文所公开的技术和装置。
[0009] 图3是示出不同示例性坐标系的一组图示，其中一些（dq和0d坐标系）被固定至 三相电动机的运动转子，并且其它（uvw，a 0，和〇u)是静止的（或固定至电动机定子），并 且是其矢量表示，包括旋转空间矢量。
[0010] 图4图示了永磁同步电动机（PMSM)的电气子系统的等效电路及其一个矢量表示 (相量图）。
[0011] 图5包括图4的等效电路模型的两个附加相量图。
[0012] 图6是电流空间矢量与其期望位置的角度偏差（度数表示的偏差的正弦和弧度表 不的偏差角度）图。
[0013] 图7是根据实施方式的电动机控制器的迟滞的示例性图的框图。
[0014] 图8是根据实施方式的示例性PI控制器的框图。
[0015] 图9和10包括基于各种实施方式的、不出有不同电流感测技术的一组3相2电平 电压源逆变器的框图。
[0016] 图11是根据实施方式的示例性空间矢量调制器（SVM)的空间矢量图和参考矢量 逼近。
[0017] 图12是根据实施方式的不具有帕克（Park)反变换的示例性优化有传感器F0C布 置的框图。
[0018] 图13是根据实施方式的不具有帕克反变换的示例性优化无传感器F0C布置的框 图。
[0019] 图14是根据另一实施方式的不具有帕克反变换和克拉克（Clarke)变换的替代示 例性优化跟测F0C布置的框图。
[0020] 图15是根据另一实施方式的、快速电流控制环中不具有帕克反变换的、替代示例 性优化无传感器F0C布置的框图。
[0021] 图16是根据实施方式的不具有帕克变换和帕克反变换的示例性优化有传感器 F0C布置的框图。
[0022] 图17是根据实施方式的不具有帕克变换和帕克反变换的示例性优化无传感器 F0C布置的框图。
[0023] 图18是根据另一实施方式的不具有帕克变换和帕克反变换的替代示例性优化有 传感器F0C布置的框图。
[0024] 图19是根据另外实施方式的不具有帕克变换和帕克反变换的另外的替代示例性 优化有传感器F0C布置的框图。
[0025]图20和21是根据其他实施方式的、不具有帕克变换和帕克反变换的、优化有传感 器和无传感器F0C布置的替代示例的框图。为了清楚起见，仅示出了每个示例性F0C布置 的部分。
[0026] 图22是根据实施方式的、具有PLL观测器组件的、示例性优化无传感器F0C布置 的框图。
[0027] 图23和24图示了根据实施方式的、可与图22的F0C布置一起使用的两个示例性 PLL观测器。
[0028] 图25是根据另一实施方式的、具有PLL观测器组件的、另一示例性优化无传感器 F0C布置的框图。
[0029] 图26和27图示了根据实施方式的、可分别与图25和图22的F0C布置一起使用 的两个示例性PLL观测器。
[0030] 图28和29是根据实施方式的示例性最大效率跟踪（MET)控制策略的框图。
[0031] 图30和31是根据其他实施方式的替代示例性最大效率跟踪（MET)控制策略的框 图。

【具体实施方式】
[0032] 鍵
[0033] 作为优化的技术，磁场定向控制（F0C)(即，矢量控制）是用于三相交流（AC)电动 机的变速控制的方法，用以利用在电动机速度的整个范围上的快速控制响应来提高功率效 率。
[0034] 本公开中讨论了用于提供对三相AC电动机的优化控制的结构、组件和技术的各 种实施方式。参考图中图示的示例性三相永磁同步电动机（PMSM)装置和控制系统来讨论 结构、组件和技术。但是，这不意图是限制性的，而是为了易于讨论和说明方便。所讨论的技 术和装置可被施加到多个不同的电动机设计、控制结构等等（例如，单相和三相变频驱动、 数字相转换器、三相和单相电动机、感应电动机、再生驱动等等），并保持在本公开的范围之 内。
[0035] 下文使用多个示例对实施方式进行更加详细的解释。尽管这里和下文描述了各种 实施方式和示例，但是通过组合个体实施方式和示例的特征和元件，其他的实施方式和示 例可以是可能的。
[0036] 图1和2是示例性磁场定向控制（F0C)结构布置100的框图，其中可施加本文所 描述的技术和装置。在输入侧接收参考速度（如，电动机102的期望转速），并将脉宽调制 (PWM)电动机电压输出信号（如，三相）输出给电动机102。图1中所示的示例性F0C布置 100是有传感器版本，其使用位置传感器104经由位置计算106和速度计算108模块来确定 转子位置和/或速度。图2中所示的示例性F0C布置100为无传感器版本，其使用位置估 计器202经由速度计算模块108来确定转子位置和/或速度。
[0037] 在示例中，F0C结构布置100利用复杂笛卡尔参照系（Cartesian reference frame)变换（如，帕克变换110和帕克反变换112)在期望具有快速响应的控制环中将三相 信号变换为两个转子固定信号（如，在d，q坐标系中）或者反之亦然。这些参照系变换可 能是计算密集的并可能引入附加的计算误差，导致不期望的低电流控制环以及对动态电动 机负载的不良响应。这可能使得利用单个微控制器来处理越来越多的复合系统功能（如， 数字功率因数校正，多F0C电动机控制，数字功率转换等等）变得困难。
[0038] 通常，如图1和2中所示，F0C结构布置100使用克拉克变换114把从电流计算级 115输出的3相电流Iu，Iv和/或Iw (由模数转换器（ADC) 116测量；ADC转换可由PWM单 元118等进行触发）变换到静止a 参照系而成为I a和I 0 (其在稳定状态下为正弦 信号）。帕克变换112被用于将I a和I 0变换到另一转子坐标系d_q，分别成为Id和Iq。 Id和Iq为F0C100控制环的反馈信号并且在稳定状态下近似为常数。
[0039] PI控制器130,120和122单独用于速度和电流控制，以实现可控的电动机速度、 转矩和气隙磁通。一般而言，磁通生成分量Id被控制为0。还可以将Id控制为负值（即， 弱磁控制）以扩展电动机102的运行速度范围。速度PI控制器130的输出为转矩生成分 量Iq的参考电流。PI控制器120,122输出电压Vd和Vq，为了电动机102的期望转速，电 动机102的相在d_q参照系下应当具有该输出电压。Vd和Vq在稳定状态下同样近似为常 数。
[0040] 在各个示例中，帕克反变换112用于将所得到的电压Vd和Vq变换到静止a-运参 照系而成为Va和VP ,Va和在稳定状态下为正弦信号。电压矢量（Va，VP)的幅值 和角度是空间矢量调制（SVM)调制器124的参考电压，调制器124用于控制PWM单元118， 以创建来自3相2电平电压逆变器126的3相正弦波输出，用以驱动电动机102的相。
[0041] 在一些情况下，如果不希望微控制器执行笛卡尔到极坐标变换计算，则笛卡尔到 极坐标系变换128可以忽略。在该情况下，可将电压Va和VP直接送给SVM调制器124。 如果需要，还可以规律获得逆变器126的DC链路电压（VDC)(通常使用分压器）的ADC116 的值以用于SVM124的计算。上述控制环重复自身以实现所要求的电动机102的控制。
[0042] 对于有传感器F0C布置100来说，如图1中所示，转子位置P和速度《可从转子 位置传感器104 (如编码器、旋转变压器、霍尔传感器等）获得，或者对于无传感器F0C布置 100来说，如图2中所示，转子位置P和速度《可从位置估计器202获得。转子位置和速度 计算以及速度PI控制130构成慢控制环，因为电动机机械时间常数通常远大于电气时间常 数。图1和2中示出的其他计算方块构成快电流控制环并且应当尽可能快地进行计算。 [0043] 对于某些成本敏感的消费者和工业电动机驱动如风扇、泵、压缩机和齿轮电动机 而言，相比于有传感器的版本，诸如图2中所示的无传感器F0C结构布置100可能是更好的 选择。例如，无传感器F0C布置100经常使用软件转子位置和速度估计器202来取代（一个 或多个）更加昂贵的传感器（如编码器、磁角度传感器、霍尔传感器等）。在汽车解决方案 等的情况下，可以包含无传感器F0C布置100来作为冗余系统，从而例如在传感器驱动F0C 布置100故障时作为有传感器版本的备份。
[0044] 用于无传感器F0C布置100的一些转子位置和速度估计器202使用准确电动机 102参数信息（诸如定子电阻R和定子电感L)来对转子位置和/或速度进行估计，并因此 对R和L的变化敏感。然而，电动机定子电阻R可能高度依赖于温度。例如，如果温度从 20°C上升40°C，作为常用电动机绕组材料的铜和铝的电阻增加超过15% (铜和铝的电阻率 温度系数在20°C时约为+0. 39% /°C )。这样的随机电阻变化可能会给位置和速度估计器 202引入误差并可能使得控制性能（特别是在低速下）恶化。
[0045] 另外，一些无传感器F0C布置100可能非常复杂并经常使用三个PI控制器，从而 使得实现平滑电动机启动和微调以达到特定电动机的最佳系统性能变得困难和耗时。在 无传感器F0C中的位置和速度信息不精确的情况下，定子磁通和转子磁通不能总是相互垂 直，并且因此不能使得能量效率始终最大化。
[0046] 公开的F0C控制技术和结构包括优化的和更快速的控制环，以及减少的CPU时间 利用。在不具有帕克反变换112的情况下，F0C布置100能够优化和加速快控制环，这将有 益于具有高动态加载（诸如压缩机、用于电力推进的电动机）的F0C电动机控制。其还减 少了 CPU负载并为复杂系统中的其他目的（如，数字PFC，多F0C电动机驱动，HMI，通信） 节省了宝贵的CPU时间，因此微控制器的潜力和特性能得到充分的使用。相反，利用优化的 F0C，用户能够选择具有更小计算能力和更低成本的微控制器来完成相同质量的F0C电动 机控制。
[0047] 在各个实施方式中，一个或多个F0C布置100的模块或组件（如，PI控制器120， 122,130,变换 110,112,114,128,1302,1402,1802,1902, 2102,调制器 124,计算 108,115) 以及其他组件可实施在硬件、固件、软件等或其组合中。
[0048] 此外，一些公开的技术可以使用对象或者面向对象的软件开发环境被容易地实现 在软件中，对象或者面向对象的软件开发环境提供可用在各种计算机或工作站平台上的便 携式源代码。替代地，所公开的技术和/或布置可以部分或全部实施在使用标准逻辑电路 或VLSI设计的硬件中。
[0049]另外，所公开的过程可以容易地实施在软件中，该软件能存储在计算机可读存储 介质（如存储器存储设备）上，在与控制器和存储器合作的编程通用计算机、专用计算机、 微处理器等上执行。在这些实例中，所述实施方式的布置和过程可以被实施为：嵌入在个人 计算机上的程序（诸如小应用程序（applet)、JAVA?或CGI脚本）、驻留在服务器或计算 机工作站上的资源、嵌入在专用通信布置或布置组件中例程等等。这些布置还可通过把布 置和/或过程物理合并到软件和/或硬件系统（诸如测试/建模装置的硬件和软件系统） 中来实施。
[0050] 针对F0C布置的示例件坐标系
[0051] 在各种实施方式中，F0C结构布置100可使用用于3相单极对PMSM电动机的下述 坐标系（此外，该公开同样可用于多极对电动机和其他类型的电动机）。下面给出了坐标系 的概述，包括对坐标系及其关系的解释。
[0052]

【权利要求】
1. 一种磁场定向控制（K)C)结构，被布置成向电动机提供变速控制，包括： 调制器，被布置成接收表示电动机转子的期望旋转位置和/或期望速度的向量，并基 于所述向量输出多个控制信号W调节电动机的旋转位置和/或速度，所述向量包括复数电 压空间矢量的量值和角度，所述角度被布置成W恒定的用户定义的速度改变； 开关，被布置成在开环操作和闭环操作之间切换所述FOC结构；W及 一个或多个反馈环，被布置成基于对一个或多个电动机绕组电流值的处理调节所述复 数电压空间矢量的量值。
2. 根据权利要求1的FOC结构，进一步包括：脉宽调制（PWM)单元，被布置成接收所述 多个控制信号并基于所述向量输出PWM信号W调节电动机的旋转位置和/或速度。
3. 根据权利要求1的FOC结构，进一步包括；电压源逆变器组件，被布置成接收PWM信 号并基于所述向量输出H相正弦波给电动机的绕组W调节电动机的旋转位置和/或速度。
4. 根据权利要求1的FOC结构，进一步包括：克拉克变换模块，被布置成将两相或H相 电动机绕组电流值坐标变换到静止两相参照系。
5. 根据权利要求1的FOC结构，进一步包括；笛卡尔到极坐标变换模块，被布置成将一 组两相静止坐标变换为极坐标电流空间矢量的角度和量值。
6. 根据权利要求1的FOC结构，进一步包括：迟滞控制器，被布置成在所述FOC结构处 于开环操作中时确定用于电动机的启动的的电压/频率值，W及当所述FOC结构处于稳定 状态的闭环操作中时确定复数电压空间矢量的量值。
7. 根据权利要求1的FOC结构，进一步包括；迟滞控制器，被布置为迫使电动机的定子 磁通垂直于电动机的转子磁通。
8. 根据权利要求1的FOC结构，其中当所述FOC结构在开环操作和闭环操作之间进行 切换时，所述复数电压空间矢量的量值改变。
9. 根据权利要求1的FOC结构，其中所述复数电压空间矢量的角度包括所述FOC结构 的输入转速的积分。
10. 根据权利要求1的FOC结构，其中所述FOC结构基于所述用户定义的速度确定所述 复数电压空间矢量的角度并且不具有转子位置传感器或转子位置估计器。
11. 一种用于电动机的变速控制设备，包括： 调制器组件，被布置为接收表示电动机转子的期望旋转位置和/或期望速度的向量， 并基于所述向量输出多个控制信号W调节电动机的旋转位置和/或速度，所述向量包括复 数电压空间矢量的量值和角度，所述角度被布置成W恒定的用户定义的速度改变； 脉宽调制（PWM)单元，被布置为接收所述多个控制信号并基于所述多个控制信号输出 PWM信号； 电压源逆变器组件，被布置为接收所述PWM信号并基于所述PWM信号输出正弦波给电 动机绕组W对电动机的旋转位置和/或速度进行调节； 开关，被布置为在开环操作和闭环操作之间切换所述变速控制设备；W及 包括迟滞控制器和比例-积分（PI)控制器的反馈环，被布置为基于对一个或多个电动 机绕组电流值的处理W及基于所述变速控制设备处于开环操作还是闭环操作来调节所述 复数电压空间矢量的量值。
12. 根据权利要求11的变速控制设备，进一步包括：计算设备，被布置为计算一个或 多个变换，包括基于一个或多个电动机绕组电流值的笛卡尔静止坐标到电流空间向量的变 换。
13. 根据权利要求11的变速控制设备，其中所述变速控制设备在启动期间W开环操作 运行，并且在电动机达到用户定义的电动机速度时切换至闭环操作。
14. 一种方法，包括： 在调制器处接收表示电动机转子的期望旋转位置和/或期望速度的向量，所述向量包 括量值和角度，所述角度被布置成W恒定的用户定义的速度改变； 在所述调制器处输出多个控制信号W基于所述向量调节电动机的旋转位置和/或速 度； 当电动机达到用户定义的转速时从开环操作模式切换到闭环操作模式； 通过反馈环，基于对一个或多个电动机绕组电流值的处理来调节所述向量的量值；W 及 基于所述接收和所述调节为电动机提供变速控制。
15. 根据权利要求14的方法，进一步包括；在不使用位置估计器或位置传感器的情况 下，通过对输入转速进行积分来确定复数电压空间矢量的角度。
16. 根据权利要求14的方法，进一步包括；在运行在开环操作模式中时确定用于电动 机启动的电压/频率值，W及在运行在稳定状态的闭环操作模式中时确定所述复数电压空 间矢量的量值。
17. 根据权利要求14的方法，进一步包括；在运行在闭环操作模式中时，通过迟滞控制 器迫使电动机的定子磁通垂直于电动机的转子磁通。
18. 根据权利要求14的方法，进一步包括；当在开环操作和闭环操作之间进行切换时 改变所述复数电压空间矢量的量值。
19. 根据权利要求14的方法，进一步包括：在脉宽调制（PWM)单元处接收所述多个控 制信号，W及在PWM单元处输出PWM信号W对电动机的旋转位置和/或速度进行调节。
20. 根据权利要求14的方法，进一步包括；在电压源逆变器组件处接收PWM信号，并输 出H相正弦波给电动机绕组W调节电动机的旋转位置和/或速度。
21. 根据权利要求14的方法，进一步包括；在克拉克变换模块处将电动机绕组电流值 坐标变换到静止两相参照系。
22. 根据权利要求14的方法，进一步包括；在开环操作模式中使用电压/频率控制启 动电动机，使电动机速度逐渐上升到用户定义的速度，W及针对电动机的稳定状态操作切 换至闭环操作模式。
23. 根据权利要求22的方法，进一步包括；在达到用户定义的速度之后，跟踪电动机的 最大能量效率，包括W恒定速度改变所述向量的角度，并且并发地控制所述向量的量值W 迫使电动机的定子磁通垂直于电动机的转子磁通，W及针对电动机的稳定状态操作过渡至 闭环操作模式。
【文档编号】H02P21/14GK104467599SQ201410310338
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年5月12日 优先权日:2013年5月12日
【发明者】颜呈强, 郭俊杰, 罗秉诺, 黄诗茗, 赵涛 申请人:英飞凌科技股份有限公司