專利名稱：用于ac電機(jī)的位置無傳感器控制算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動機(jī)的控制，更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于電動機(jī)的位置無傳感器控制的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電動機(jī)控制系統(tǒng)通常包括反饋裝置或位置傳感器(例如解算器或編碼器)，以將速度和位置信息提供給電動機(jī)。反饋裝置和與其關(guān)聯(lián)的接口電路增加了電動機(jī)控制系統(tǒng)的成本，并且這些成本可能在諸如汽車應(yīng)用的高容量應(yīng)用中成為禁止性的。另外，位置傳感器和它所關(guān)聯(lián)的線束增加了車輛的電傳動系統(tǒng)的復(fù)雜性和裝配時(shí)間。
由燃料電池、電池和包括電動機(jī)的混合系統(tǒng)提供動力的電動車輛在汽車市場中變得更加普遍。隨著電動車輛生產(chǎn)量的增加，反饋裝置和所關(guān)聯(lián)的接口電路的成本將會變得相當(dāng)大。汽車制造商面臨降低成本并減少車輛零件數(shù)量的激烈的市場壓力。從電動機(jī)控制系統(tǒng)中除去反饋裝置將會導(dǎo)致電動車輛的成本相當(dāng)大地減少。
當(dāng)今的混合電和電動車輛利用多種電動機(jī)控制技術(shù)，例如電動機(jī)的矢量控制。矢量電動機(jī)控制方案是計(jì)算密集的電動機(jī)控制方案，其將三相電動機(jī)的相電壓/電流映射到兩軸的坐標(biāo)系中。被用于激勵(lì)使用矢量控制方案的電動機(jī)的結(jié)構(gòu)是典型的三相電源換流器，其包括六個(gè)使輸出電壓適合電動機(jī)的功率晶體管。矢量控制需要轉(zhuǎn)子位置信息，其通常通過反饋裝置或位置傳感器獲得。位置無傳感器控制的目的是利用AC電機(jī)的電磁特性獲得轉(zhuǎn)子的位置信息，消除位置傳感器和它所關(guān)聯(lián)的接口電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在電和混合電動車輛動力系統(tǒng)應(yīng)用中所使用的無傳感器控制系統(tǒng)的方法和設(shè)備。本發(fā)明的無傳感器電動機(jī)控制系統(tǒng)包括低速角度位置估計(jì)方法、初始轉(zhuǎn)子極性檢測方法、在低速和高速方法之間轉(zhuǎn)換的算法、修正的Gopinath觀測器、場削弱方法和/或六步驟的操作。


圖1是本發(fā)明的控制系統(tǒng)的方框圖；圖2是說明用于本發(fā)明的控制的可能的定向框架的矢量圖；圖3是用于本發(fā)明的修正的Gopinath觀測器的方框圖；圖4是用于本發(fā)明中的六步驟操作的控制器的方框圖；以及圖5是進(jìn)入和跳出六步驟操作的轉(zhuǎn)換的狀態(tài)流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明的控制系統(tǒng)10的優(yōu)選實(shí)施例的簡圖。該控制系統(tǒng)10圖示為表示在控制器、微處理器或類似裝置中執(zhí)行的軟件以控制電動機(jī)12的一連串的方框圖。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，控制器是控制電動機(jī)12的車輛動力系統(tǒng)控制器，但是任何其它的電動機(jī)控制應(yīng)用被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。電動機(jī)可以包含動力技術(shù)，例如AC電機(jī)、同步磁阻電動機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)和內(nèi)部永磁電動機(jī)，但并不局限于此。控制系統(tǒng)的輸入是由車輛控制器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩指令Te。該轉(zhuǎn)矩指令Te由最優(yōu)轉(zhuǎn)矩/電流強(qiáng)度計(jì)算塊14處理，以生成電動機(jī)12中產(chǎn)生期望的電磁轉(zhuǎn)矩所需要的對應(yīng)的定子電流指令I(lǐng)s和電流角度指令β。在場削弱塊15中基于測量的DC連接電壓Vdc和轉(zhuǎn)子角速度ωr產(chǎn)生場削弱定子通量λfw。如果定子通量指令λ超過場削弱定子通量指令λfw。塊16將會修改指令λ和δ。
在塊14產(chǎn)生的定子電流指令I(lǐng)s和電流角度指令β被送到定子通量和轉(zhuǎn)矩角度計(jì)算塊16。塊16處理指令的定子電流Is和電流角度指令β，并將其分解成定子通量指令λ和轉(zhuǎn)矩角度指令δ，以將最大的轉(zhuǎn)矩提供給給定的定子電流幅度。
求和點(diǎn)18從定子通量指令λ中減去反饋定子通量λfb以產(chǎn)生修正量(error)。求和點(diǎn)20從轉(zhuǎn)矩角度指令δfb中減去反饋轉(zhuǎn)矩角度δfb以產(chǎn)生修正量。求和點(diǎn)18所產(chǎn)生的修正量由比例積分(PI)控制塊22處理以產(chǎn)生控制輸出。求和點(diǎn)20所產(chǎn)生的修正量由乘法塊24處理，其中其與反饋定子通量λfb相乘。在比例控制塊26中處理塊24的輸出。
PI控制塊22的輸出在求和點(diǎn)28與定子阻抗電壓降退耦項(xiàng)RsIf相加，以產(chǎn)生f軸的電壓指令Vf。比例控制塊26的輸出在求和點(diǎn)30與τ軸退耦項(xiàng)(定子阻抗電壓降加上速度電壓)ωrλfb+Rsiτ相加，以產(chǎn)生τ軸的電壓指令Vτ。Vf和Vτ在旋轉(zhuǎn)到靜止框架轉(zhuǎn)換塊32中使用估計(jì)的定子通量角度位置θf進(jìn)行處理，以將定子通量基準(zhǔn)框架電壓指令Vf和Vτ轉(zhuǎn)換為靜止框架電壓指令Vα1和Vβ1。高頻注入信號Vα_inj和Vβ_jnj在求和點(diǎn)34和36被加到靜止框架電壓指令Vα1和Vβ1，以產(chǎn)生最終的電壓指令Vα和Vβ，電壓指令Vα和Vβ產(chǎn)生施加到電動機(jī)12的實(shí)際相位電壓指令。電壓源換流器38使用兩相至三相轉(zhuǎn)換來處理最終的電壓指令Vα和Vβ，以產(chǎn)生施加到電動機(jī)12的實(shí)際的三相電壓。
由三相至兩相轉(zhuǎn)換塊40測量和處理相位電流。該塊40的輸出是靜止框架電流Iα和Iβ。靜止到旋轉(zhuǎn)框架轉(zhuǎn)換塊42使用靜止框架電流Iα和Iβ以及估計(jì)的轉(zhuǎn)子角度位置θf，以產(chǎn)生定子通量基準(zhǔn)框架反饋電流If和Iτ。
本發(fā)明進(jìn)一步包括所述電機(jī)的位置無傳感器控制，其包括在塊44的低速轉(zhuǎn)子角度位置估計(jì)方法/觀測器；在塊46的初始轉(zhuǎn)子極性檢測方法；在塊48的高速轉(zhuǎn)子角度位置估計(jì)方法/觀測器；修正的Gopinath觀測器塊50；以及無縫結(jié)合低速和高速估計(jì)方法的轉(zhuǎn)換開關(guān)54。
圖1的塊44表示本發(fā)明的低速估計(jì)方法。低速方法44使用靜止基準(zhǔn)框架定子電流分量Iα和Iβ以估計(jì)轉(zhuǎn)子角度位置θr_low。類似地，高速方法48使用靜止基準(zhǔn)框架定子電流分量Iα和Iβ以及估計(jì)的定子通量位置θf以估計(jì)轉(zhuǎn)子角度位置θr_high。開關(guān)54基于估計(jì)的轉(zhuǎn)子速度來選擇合適的轉(zhuǎn)子角度位置θr。
修正的Gopinath觀測器50處理θr、靜止框架電壓Vα和Vβ以及靜止基準(zhǔn)框架電流Iα和Iβ。修正的Gopinath觀測器50計(jì)算估計(jì)的定子通量角度θf、反饋定子通量λfb和反饋轉(zhuǎn)矩角度通量δfb。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，d軸的感應(yīng)系數(shù)比q軸的感應(yīng)系數(shù)高，并且所述電機(jī)的磁北極定向在(-)q軸方向。但是，如果所述電機(jī)的q軸的感應(yīng)系數(shù)比d軸的感應(yīng)系數(shù)高，那么提出的控制方案將仍然有效。圖2是表示用于控制的可能的定向框架的矢量圖。α軸和β軸用作靜止基準(zhǔn)框架控制。在靜止基準(zhǔn)框架中，控制變量是AC時(shí)間變化信號。優(yōu)選的是，使用旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)框架以供控制，其中控制變量是DC量。同步基準(zhǔn)框架(轉(zhuǎn)子定向的基準(zhǔn)框架，或d-q框架)和定子通量基準(zhǔn)框架(f-τ基準(zhǔn)框架)兩者都是在穩(wěn)定狀態(tài)中的具有DC控制變量的旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)框架。
對于高度飽和的電機(jī)而言，d-q框架電壓方程有雙向的交叉耦合項(xiàng)，其能限制同步電流控制器的帶寬。下面的方程(1)表示說明交叉耦合效應(yīng)的d-q基準(zhǔn)框架中的定子電壓方程。
vdse=rsidse+Ld′didsedt+idse∂Ld∂iqsediqsedt-ωrλqse---(1)]]>vqse=rsiqse+Lq′diqsedt+iqse∂Lq∂idsedidsedt+ωrλdse]]>在方程(1)中，每個(gè)電壓方程的最后兩項(xiàng)是交叉耦合項(xiàng)。因?yàn)閐軸的感應(yīng)系數(shù)比q軸的感應(yīng)系數(shù)大得多，所以d軸的時(shí)間常數(shù)比q軸的長得多。由于交叉耦合項(xiàng)而引入到d軸電壓方程中的任何干擾，將由于長的時(shí)間常數(shù)而對d軸電流調(diào)整有極小的影響。然而，由于交叉耦合項(xiàng)引入到q軸電壓方程中的干擾將對q軸電流調(diào)整有相當(dāng)大影響。因此，試圖增加電流調(diào)整器帶寬將會導(dǎo)致不穩(wěn)定的操作。為了克服這些限制，期望的是，將控制器基準(zhǔn)框架改變?yōu)槎ㄗ油炕鶞?zhǔn)框架(f-τ基準(zhǔn)框架)。在定子通量基準(zhǔn)框架中的該電機(jī)的方程能如下面的方程(2)和(3)所示的來描述dλdt=vf-rsif---(2)]]>λdδdt=vτ-rsiτ-ωrλ---(3)]]>從方程(2)中可以看出，從τ軸到f軸沒有交叉耦合。然而，從f軸到τ軸有單向耦合。該單向交叉耦合在控制中容易退耦。由于上述的原因，可以看出，定子通量定向控制比轉(zhuǎn)子通量定向控制更適合該類型的電機(jī)。
圖3所示的修正的Gopinath觀測器50用于估計(jì)定子通量角度θf、反饋定子通量λfb和反饋轉(zhuǎn)矩角度δfb。靜止框架電流Iα和Iβ被輸入到觀測器。靜止到同步基準(zhǔn)框架轉(zhuǎn)換模塊60使用轉(zhuǎn)子角度位置θr，將靜止框架電流轉(zhuǎn)換為同步基準(zhǔn)框架。電機(jī)電流模塊62計(jì)算同步基準(zhǔn)框架中的電機(jī)的定子通量。同步到靜止基準(zhǔn)框架轉(zhuǎn)換模塊64使用轉(zhuǎn)子角度位置θr，將同步框架定子通量轉(zhuǎn)換為靜止基準(zhǔn)框架。
定子阻抗增益模塊66和加法器68與靜止基準(zhǔn)框架電壓Vα和Vβ以及電流Iα和Iβ一起使用，以計(jì)算靜止框架反EMF。積分器70用于對反EMF積分，以基于電壓模塊計(jì)算定子通量。
電流模塊在較低速度時(shí)更為精確，而基于計(jì)算的電壓模塊在較高速度時(shí)更為精確。因此，塊72、74和76被用來基于轉(zhuǎn)子速度將定子通量計(jì)算從電流模塊平滑地轉(zhuǎn)換到電壓模塊。方程(4)描述塊72、74和76是如何在作為電頻率ωe的函數(shù)的電壓模塊通量估計(jì)λαβ -VM與電流模塊通量估計(jì)λαβ-CM之間導(dǎo)致平滑轉(zhuǎn)換的。在方程(4)中還示出了觀測器特性函數(shù)F(s)。模塊72PI增益的設(shè)置如方程(5)中所示。塊76保證在定子通量矢量所估計(jì)的電壓模塊和電流模塊之間的最佳轉(zhuǎn)換軌跡。模塊80使用反正切函數(shù)來計(jì)算定子通量角度位置θf。
λαβ＝F(s)·λαβ-VM+[1-F(s)]·αβ-CMF(s)=s2s2+Kps+Ki·e-jα---(4)]]>α=π-tan-1(KpωeKi-ωe2)]]>其中Kp=2·ωc]]>Ki=ωc2---(5)]]>ωc＝轉(zhuǎn)換頻率修正的Gopinath觀測器50用于估計(jì)在所有速度下的定子通量角度θf。轉(zhuǎn)換開關(guān)54根據(jù)轉(zhuǎn)子速度自動選擇合適的輸入θr。
利用模塊15獲得場削弱操作。方程(6)是用于計(jì)算基于DC連接電壓和轉(zhuǎn)子速度的場削弱的定子通量指令。
λfw=VDC·Kfw3ωr---(6)]]>在所有的操作條件下，將λfw與λ比較。較低的通量指令由控制器用作最終的通量基準(zhǔn)。如果選擇了場削弱定子通量指令λfw，那么指令計(jì)算模塊16基于新的通量指令λfw和轉(zhuǎn)矩指令Te重新計(jì)算最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩角度指令δ。
在圖4中所示的圖說明所提出的在六步驟操作期間允許轉(zhuǎn)矩調(diào)整的控制。在六步驟操作期間，固定施加到定子的電壓。因此，控制器中只有一個(gè)自由度。通過調(diào)整轉(zhuǎn)矩角度δ來控制轉(zhuǎn)矩，其又控制關(guān)于同步基準(zhǔn)框架的d軸的電壓角度α。圖5示出描述進(jìn)入和跳出六步驟操作的轉(zhuǎn)換的狀態(tài)流程圖。
參考圖4，開關(guān)100在正常操作和六步驟操作之間轉(zhuǎn)換。在正常操作期間，圖1中的圖產(chǎn)生靜止框架電壓指令Vα1和Vβ1。當(dāng)變量Flag_six變?yōu)檎鏁r(shí)，由六步驟控制模塊102提供電壓指令Vα1和Vβ1。
六步驟控制模塊102調(diào)整轉(zhuǎn)矩角度δ，其又控制施加到電機(jī)的電壓角度。使用求和點(diǎn)104對轉(zhuǎn)矩角度指令δ與轉(zhuǎn)矩角度反饋δfb進(jìn)行比較，其輸出被饋送到PI調(diào)整器106。PI調(diào)整器的初始狀態(tài)被設(shè)置成提供進(jìn)入和跳出六步驟操作的無縫轉(zhuǎn)換。前饋電壓角度計(jì)算模塊108計(jì)算更快動態(tài)性能的前饋電壓角度αff。加法器110將PI調(diào)整器輸出和前饋電壓角度αff相加以產(chǎn)生最終的電壓角度α。使用求和點(diǎn)112將電壓角度α加到轉(zhuǎn)子角度位置θr以產(chǎn)生靜止框架電壓角度。塊114利用求和點(diǎn)112的輸出和最大可用電壓(六步驟的電壓)以產(chǎn)生指令電壓Vα1和Vβ1。
圖5詳述描述圖4中的轉(zhuǎn)換標(biāo)志Flag_six的設(shè)置的狀態(tài)流程圖。整個(gè)流程圖在每個(gè)抽樣期間執(zhí)行。決策塊120將實(shí)際的轉(zhuǎn)子速度ωr與預(yù)定的最小閾值速度ωrth相比較。如果轉(zhuǎn)子速度比預(yù)定的最小閾值速度小，那么在塊122中Flag_six被設(shè)置為0(在圖1中描述的控制定向的正常定子通量)。否則，決策塊124被用于將施加的定子電壓Vm和預(yù)定的最大閾值電壓Vth相比較。如果施加的定子電壓比Vth小，那么在塊122中Flag_six被設(shè)置為0。否則，在塊126中Flag_six被設(shè)置為1(六步驟的操作)。該控制保持在該操作模式直到?jīng)Q策塊130的條件定為真。塊130檢測估計(jì)的定子通量超過指令的定子通量的情況。如果為TRUE，則有足夠的可用的電壓以退出六步驟操作，并返回正常定子通量定向控制。
應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不限于如上圖示和描述的確切的構(gòu)造，但不背離下列的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種不同的改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于具有轉(zhuǎn)子和定子的電動機(jī)的控制系統(tǒng)，其包括換流器，用于給所述電動機(jī)提供電源；控制器，用于控制所述換流器；低速控制塊，其使用在所述控制器中操作的定子電流分量來估計(jì)所述轉(zhuǎn)子的角度位置；高速控制塊，其使用在所述控制器中操作的定子通量位置和定子電流分量估計(jì)所述轉(zhuǎn)子的角度位置；轉(zhuǎn)換開關(guān)，在所述控制器中變換所述低速控制塊和所述高速控制塊之間的操作；并且其中所述換流器由六步驟操作控制。
2.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述電動機(jī)是感應(yīng)電動機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述電動機(jī)是內(nèi)部永磁電動機(jī)。
4.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述電動機(jī)是同步磁阻電動機(jī)。
5.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述電動機(jī)是三相電動機(jī)。
6.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步包括Gopinath觀測器。
7.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換開關(guān)在額定電機(jī)速度的百分之十以下操作所述第一電動機(jī)速度控制塊。
8.如權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中所述的轉(zhuǎn)換開關(guān)在額定電機(jī)速度的百分之五以上操作所述第二電動機(jī)速度控制塊。
9.一種控制電動機(jī)的無傳感器方法，其包括提供在控制器中操作的低速轉(zhuǎn)子角度位置塊；提供在所述控制器中操作的高速轉(zhuǎn)子角度位置塊；提供在所述控制器中操作的初始轉(zhuǎn)子極性檢測塊；在所述低速轉(zhuǎn)子角度位置塊和所述高速轉(zhuǎn)子角度位置塊之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以確定所述電動機(jī)的速度；以及用六步驟操作來控制所述電動機(jī)的速度。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括在車輛中操作所述電動機(jī)。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括確定處于靜態(tài)的所述電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁位置的步驟。
12.一種用于車輛的動力系統(tǒng)，其包括電動機(jī)，其功能地耦合到所述車輛的輪子；換流器，用于給所述電動機(jī)提供電源；控制器，用于控制所述換流器；低速控制塊，其使用在所述控制器中操作的定子電流分量估計(jì)轉(zhuǎn)子角度位置；高速控制塊，其使用在所述控制器中操作的定子通量位置和定子電流分量估計(jì)所述轉(zhuǎn)子角度位置；轉(zhuǎn)換開關(guān)，其在所述控制器中變換所述低速控制塊和所述第二高速控制塊之間的操作；以及其中所述換流器由六步驟操作控制。
13.如權(quán)利要求12所述的動力系統(tǒng)，其中所述電動機(jī)是感應(yīng)電動機(jī)。
14.如權(quán)利要求12所述的動力系統(tǒng)，其中所述電動機(jī)是內(nèi)部永磁電動機(jī)。
15.如權(quán)利要求12所述的動力系統(tǒng)，其中所述電動機(jī)是同步磁阻電動機(jī)。
16.如權(quán)利要求12所述的動力系統(tǒng)，其中所述電動機(jī)是三相電動機(jī)。
17.如權(quán)利要求12所述的動力系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換模塊基于所述電動機(jī)的速度變換所述第一控制模塊和所述第二控制模塊之間的操作。
18.如權(quán)利要求12所述的動力系統(tǒng)，其中所述電動機(jī)包括內(nèi)部永磁轉(zhuǎn)子。
全文摘要
一種用于具有定子和轉(zhuǎn)子的電動機(jī)的控制系統(tǒng)，其包括給電動機(jī)提供電源的換流器，控制換流器的控制器，使用在控制器中操作的定子電流分量估計(jì)轉(zhuǎn)子角度位置的低速控制塊，使用在控制器中操作的定子通量位置和定子電流分量估計(jì)轉(zhuǎn)子角度位置的高速控制塊，在控制器中變換低速控制塊和高速控制塊之間的操作的轉(zhuǎn)換開關(guān)，并且其中換流器由六步驟操作來控制。
文檔編號H02P6/18GK1809956SQ200480017338
公開日2006年7月26日 申請日期2004年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月23日
發(fā)明者S·E·舒爾茨, N·R·帕特爾, J·M·納加施馬, S·K·蘇爾, B·-H·貝 申請人:通用汽車公司