專利名稱：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)機(jī)控制，尤其涉及多相無(wú)電刷電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制(PWM)控制。
背景技術(shù)：
為了控制電動(dòng)機(jī)，必須確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相對(duì)定子的位置，從而可以控制通過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組的電流以產(chǎn)生期望的轉(zhuǎn)矩。這可以利用專用位置傳感器實(shí)現(xiàn)，或者利用無(wú)傳感器位置控制方式從其它參數(shù)估計(jì)位置。
通過(guò)用控制器中的位置估計(jì)器算法替代測(cè)量轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器，無(wú)傳感器位置控制方式減少系統(tǒng)成本。該算法利用施加的相或線—線電壓、測(cè)出的相電壓以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型的知識(shí)來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置。
存在許多已知的實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制的技術(shù)，但是它們分為二大類。最既定的類型是反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)算法，其適用于從電動(dòng)機(jī)的低速到最大速來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)位置。反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)算法利用電動(dòng)機(jī)的用已知外加電壓以及已測(cè)到的電壓饋電的模型，這使得能用這些電壓堅(jiān)固地確定轉(zhuǎn)子的反電動(dòng)勢(shì)并且從而確定轉(zhuǎn)子的位置。但是這樣的算法不能檢測(cè)降到零速度的位置，因?yàn)樵诹闼俣认虏淮嬖诠z測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)。
第二類是電壓注入(voltage injection)技術(shù)，它是近年來(lái)出現(xiàn)的能在低速和靜止?fàn)顟B(tài)下確定轉(zhuǎn)子位置的技術(shù)。在電壓注入算法中，在常規(guī)施加的相電壓上疊加已知電壓信號(hào)。然后測(cè)量由該電壓信號(hào)感應(yīng)的電流變化率，從而能確定該相繞組的瞬時(shí)電感。通過(guò)計(jì)算所有三相的瞬時(shí)電感，能根據(jù)電感隨位置的改變的簡(jiǎn)單模型來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。這些電感改變趨予是由轉(zhuǎn)子凸出、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)引起的靜子齒尖的局部飽和，或者二者的組合造成的。由于該注入電壓信號(hào)不產(chǎn)生有用的動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，它減小繞組上的最大“有用”電壓。為了避免損害電動(dòng)機(jī)的功率輸出，電壓注入技術(shù)趨予和反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)技術(shù)組合使用。電壓注入技術(shù)提供從零到低速(其中低速典型地為基本速度的10-20％)，而反電動(dòng)勢(shì)技術(shù)提供低速到高速的位置，如圖1中所示。
電壓注入技術(shù)的原理如下。對(duì)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)相施加正電壓并測(cè)量造成的電流改變率。接著施加負(fù)電壓并且再次測(cè)量電流改變率。從這些施加的電壓以及測(cè)到的電流改變率，能消除未知的反電動(dòng)勢(shì)并且確定該相的瞬時(shí)電感。通過(guò)測(cè)量所有三相的瞬時(shí)電感，可以確定轉(zhuǎn)子的位置。
在圖2中示出一個(gè)已知波形的例子。該波形用于確定單相的電感。在該測(cè)試模式中對(duì)相電流三次采樣以確定電流改變的上升率和下降率。每次施加該測(cè)試模式時(shí)測(cè)量不同的相電感，從而典型地在幾毫秒的周期后知道所有三相的電感，從而可以確定位置。
利用該技術(shù)很明顯不能同時(shí)測(cè)量所有三個(gè)電感。但是，每次測(cè)量一個(gè)新電感時(shí)，計(jì)算一個(gè)新位置。該計(jì)算基于每相的最新電感值，從而盡管一個(gè)相會(huì)具有非常新的電感測(cè)量，另二個(gè)相的值會(huì)是有些舊的。
該技術(shù)可以相當(dāng)好地工作并且具有一些優(yōu)點(diǎn)，例如能在不具有電動(dòng)機(jī)參數(shù)的先有知識(shí)的情況下確定位置并且計(jì)算要求相當(dāng)?shù)?。但是，存在著一些明顯的缺點(diǎn)。一個(gè)問(wèn)題是由于不同時(shí)采樣電感，在位置測(cè)量中引入一些誤差。如果d軸和q軸電感都相對(duì)運(yùn)行條件迅速改變，該誤差會(huì)惡化，而某些理置磁鐵型電動(dòng)機(jī)會(huì)是這種情況。測(cè)量之間的延遲還在系統(tǒng)的位置響應(yīng)中引入進(jìn)一步的時(shí)間延遲。這降低驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)能力，這會(huì)是一個(gè)問(wèn)題，尤其在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。
該方法的最大問(wèn)題是產(chǎn)生噪聲。每1-2毫秒中斷PWM模式產(chǎn)生250-500赫范圍的強(qiáng)聲調(diào)。這種系統(tǒng)的實(shí)際演示提醒，按其實(shí)際噪聲情況而言它不能由大多數(shù)汽車應(yīng)用接受。
EP 0 856 937公開(kāi)一種電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)，其中在常規(guī)PWM周期期間測(cè)量有源定子線圈中的電流改變率，并使用其確定轉(zhuǎn)子位置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于包括多個(gè)相的多相無(wú)電刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路包括開(kāi)關(guān)裝置和控制裝置，開(kāi)關(guān)裝置設(shè)置成改變施加在每個(gè)相上的相電壓，而控制裝置設(shè)置成控制該開(kāi)關(guān)裝置，從而對(duì)相電壓提供PWM控制以便控制電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出，并且控制PWM電壓模式從而包含測(cè)試周期，在該測(cè)試周期期間測(cè)量至少一個(gè)相中的電流改變率并且由此確定至少一個(gè)相的電感，以確定該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。
該控制裝置最好設(shè)置成定義至少一對(duì)測(cè)試周期，從而該對(duì)測(cè)試周期之一中的相電壓和另一測(cè)試周期中的相電壓相反，并且該控制裝置設(shè)置成從該對(duì)測(cè)試周期中測(cè)到的電流確定一個(gè)相的電感。這意味著測(cè)試電壓具有為零的凈效應(yīng)，并且不必明顯修改用來(lái)確定輸出產(chǎn)生電壓的算法。
通常，在任何一個(gè)PWM周期期間，不存在其中電壓被反相的階段，因?yàn)樗鼈儾辉黾域?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。從而，通常需要在當(dāng)其中電壓產(chǎn)生所需的輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)的輸出產(chǎn)生周期之外于PWM周期內(nèi)添加測(cè)試周期以作為附加的周期。從而這些測(cè)試周期通常會(huì)出現(xiàn)在輸出產(chǎn)生周期之間。
最好在同一個(gè)PWM周期中一起提供這對(duì)測(cè)試周期。
該控制裝置可設(shè)置成在單個(gè)PWM周期中測(cè)量所有相的電感。在此情況下該控制裝置最好設(shè)置成在PWM周期中的若干輸出產(chǎn)生周期期間把開(kāi)關(guān)裝置切換到若干次導(dǎo)通狀態(tài)，從而產(chǎn)生所需的電動(dòng)機(jī)輸出，以及在所述測(cè)試周期期間切換到若干次導(dǎo)通狀態(tài)，其中測(cè)試周期足夠長(zhǎng)從而這些輸出產(chǎn)生周期和這些測(cè)試周期占據(jù)整個(gè)PWM周期。
替代地，可以把該控制裝置設(shè)置在單個(gè)PWM周期中只測(cè)量一些相的電感，例如在三相電動(dòng)機(jī)中，可把該控制裝置設(shè)置成在單個(gè)PWM周期中只測(cè)量二個(gè)相的電感。在此情況下，對(duì)于任何電動(dòng)機(jī)位置可以從三相中選擇出二對(duì)以供測(cè)量電感，從而PWM周期包括一個(gè)不導(dǎo)通狀態(tài)，并且最好把該控制裝置設(shè)置成在一個(gè)PWM周期中測(cè)量一對(duì)電感并且在隨后的PWM周期中測(cè)量另一對(duì)電感。該控制裝置最好設(shè)置成在相繼的PWM周期中交替地測(cè)量所述相對(duì)的電感。
在進(jìn)一步的替代中，可把該控制裝置設(shè)置成在任何一個(gè)PWM周期中只測(cè)一個(gè)相的電感。
該控制裝置最好設(shè)置成改變要對(duì)其測(cè)量電感的相，從而在若干PWM周期上測(cè)量所有相的電感。
該控制裝置最好設(shè)置成在第一PWM周期中提供第一PWM模式以能測(cè)量至少一個(gè)相的電感，和在第二PWM周期中提供不同的第二PWM模式以能測(cè)量至少一個(gè)的未在第一PWM周期中測(cè)量的相的電感，并且在第一和第二周期之間的一個(gè)PWM周期中產(chǎn)生至少一個(gè)中間PWM模式，該中間模式形狀上處于第一和第二模式的中間。這可以幫助減少噪聲。該控制裝置可以不必設(shè)置為要在中間PWM周期中測(cè)量各相的電感。
最好把該控制裝置設(shè)置成在每個(gè)PWM周期中確定電動(dòng)機(jī)的位置。可常規(guī)地把該控制裝置設(shè)置成根據(jù)各相的最新電感測(cè)量值確定電動(dòng)機(jī)的位置。
在一些情況下，最好把該控制裝置設(shè)置成確定當(dāng)其在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)期間振蕩的一個(gè)相的電感的均值和峰值、測(cè)量該相的瞬時(shí)電感，并且從電感的均值、峰值和瞬時(shí)值確定電動(dòng)機(jī)的位置。在此情況下，最好對(duì)所有能從相同的主電壓對(duì)產(chǎn)生的要求電壓測(cè)量相同二相的電感，并且當(dāng)要求電壓改變而需要不同的主電壓對(duì)并測(cè)量不同的電感對(duì)時(shí)，利用所有相的最新電感測(cè)量值確定電感的均值和峰值。
該系統(tǒng)最好還包括單個(gè)電流傳感器，其設(shè)置成在測(cè)試周期期間測(cè)量各相中的電流。在此情況下，最好把該控制裝置設(shè)置成在每個(gè)PWM周期期間利用該電流傳感器測(cè)量二個(gè)相中的電流幅值，從而確定所有相中的電流。此外，測(cè)試周期最好足夠長(zhǎng)以便能由該電流傳感器測(cè)量一個(gè)相中的電流幅值。
替代地，該系統(tǒng)可包括多個(gè)電流傳感器，每個(gè)測(cè)量一個(gè)相的電流。
對(duì)于其中每個(gè)PWM周期中只測(cè)量一個(gè)相的電感的系統(tǒng)，最好把該控制裝置設(shè)置成定義一組可以通過(guò)在二個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)間切換該開(kāi)關(guān)裝置來(lái)產(chǎn)生的要求電壓，并且至少一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)下所需的時(shí)間不足以測(cè)量電流幅值，并且對(duì)這些要求電壓添加凈電壓為零和時(shí)間長(zhǎng)到足以測(cè)量一個(gè)相中的電流幅值的附加測(cè)試周期。最好只對(duì)一些PWM周期添加這些附加的測(cè)試周期。更好地，只在電感測(cè)量測(cè)試周期以及輸出產(chǎn)生周期一起在一個(gè)PWM周期內(nèi)的二個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)的每一個(gè)不提供足以測(cè)量一個(gè)相中的電流幅值的時(shí)間的情況下添加額外的測(cè)試周期。
該系統(tǒng)最好包括一個(gè)電流傳感器和一個(gè)設(shè)置成微分該電流傳感器的輸出的微分器，從而測(cè)量相電感。


現(xiàn)參照附圖僅以例子的方式說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖中圖1示出其上使用二種已知位置感測(cè)方法的電動(dòng)機(jī)速度；圖2示出已知的用來(lái)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的一個(gè)相的電感的電壓波形；圖3是依據(jù)本發(fā)明的一種電動(dòng)機(jī)的圖；圖4是依據(jù)本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路；圖5示出圖1的電動(dòng)機(jī)中相電感隨轉(zhuǎn)子角的變化；圖6示出圖1電動(dòng)機(jī)的一相的簡(jiǎn)化電路模型；圖7示出依據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的外磁鐵轉(zhuǎn)子；圖8示出圖4系統(tǒng)的控制電路的八種狀態(tài)；圖9是示出圖4系統(tǒng)中使用的測(cè)試電壓模式的空間向量圖；圖10示出從圖9的測(cè)試電壓模式得到的相電壓和傳感器輸出；圖11是示出圖4系統(tǒng)中使用的測(cè)試電壓的另一種模式的空間向量圖；圖12示出從圖11的測(cè)試電壓模式得到的相電壓和傳感器輸出；圖13a是空間向量圖，示出圖4系統(tǒng)中用于三相電感測(cè)量的另一種測(cè)試電壓模式；圖13b示出從圖13a的模式得到的相電壓；圖13c的表概括從圖13a的模式得到的狀態(tài)。
圖14a是示出圖4系統(tǒng)中用于二相電感測(cè)量的另一種測(cè)試電壓模式的空間向量圖，而圖14b概括結(jié)果狀態(tài)；圖15a是示出圖4系統(tǒng)中用于二相電感測(cè)量的另一種測(cè)試電壓模式的空間向量圖，而圖15b概括結(jié)果狀態(tài)；圖16a是示出圖4系統(tǒng)中用于二相電感測(cè)量的另一種測(cè)試電壓模式的空間向量圖，而圖16b概括結(jié)果狀態(tài)；圖17a是示出圖4系統(tǒng)中用于單相電感測(cè)量的另一種測(cè)試電壓模式的空間向量圖，而圖17b概括結(jié)果狀態(tài)；圖18a是示出圖4系統(tǒng)中用于單相電感測(cè)量的另一種測(cè)試電壓模式的空間向量圖，而圖18b概括結(jié)果狀態(tài)；圖19a是示出圖4系統(tǒng)中用于單相電感測(cè)量的另一種測(cè)試電壓模式的空間向量圖，而圖19b概括結(jié)果狀態(tài)；圖20示出二相電感測(cè)量方案中要對(duì)電感和電流感測(cè)添加進(jìn)一步的電壓向量的空間向量圖的區(qū)域；圖21示出一種在圖4的系統(tǒng)中測(cè)量轉(zhuǎn)子位置的方法；圖22示出另一種在圖4的系統(tǒng)中測(cè)量轉(zhuǎn)子位置的方法；圖23示出圖21方法的位置測(cè)量中的測(cè)到的相電感和估計(jì)的誤差；圖24a至24d示出在切換圖14a和15a的模式的二相電感測(cè)量方法中如何控制PWM模式中的改變；圖25示出依據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的用于電流和電感測(cè)量的替代電路。
具體實(shí)施例方式
系統(tǒng)綜述參照?qǐng)D3，作為例子提供一個(gè)三相無(wú)電刷電動(dòng)機(jī)1，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)子2，該轉(zhuǎn)子例如具有六個(gè)位于其內(nèi)的埋置磁鐵4，在本例中這些磁鐵排列成沿著該轉(zhuǎn)子提供六個(gè)南北交替的極。從而該轉(zhuǎn)子定義三個(gè)繞該轉(zhuǎn)子均勻間隔的順軸或d軸以及三個(gè)設(shè)置在d軸之間的交軸或q軸。d軸和磁鐵4的磁極對(duì)齊，其中來(lái)自轉(zhuǎn)子的磁通線位于徑向，而q軸設(shè)置在d軸之間，其中來(lái)自轉(zhuǎn)子的磁通線位于切向。
定子6包括具有三組三齒8A、8B、8C的九個(gè)槽銅繞件，帶有一個(gè)共用繞組的每一個(gè)齒組形成一個(gè)相。從而在轉(zhuǎn)子的每次完整轉(zhuǎn)動(dòng)中存在三個(gè)電周期，并且任何相中的三個(gè)齒8A、8B、8C總是彼此在相同的電位置上。
參照?qǐng)D4，按星形網(wǎng)絡(luò)連接三個(gè)通常用相A、B和C標(biāo)志的電動(dòng)機(jī)繞組12、14、16。這些相繞組分別繞在定子齒8A、8B、8C上。每個(gè)線圈的一端12a、14a、16a和各自的端子12c、14c、16c連接。這些線圈的另一端12b、14b、16b連接在一起以形成星形中心17。一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)三相橋18。該橋的每個(gè)臂20、22、24包括一對(duì)以串聯(lián)連接在電源軌30和地線32之間的頂晶體管26和底晶體管28為形式的開(kāi)關(guān)。電動(dòng)機(jī)繞組12、14、16各從各自的互補(bǔ)晶體管對(duì)26、28中間抽出。通過(guò)控制器33以受控方式接通和斷開(kāi)晶體管26、28以提供施加到每個(gè)端子12c、14c、16c上的脈寬調(diào)制電勢(shì)，從而控制施加到每個(gè)繞組12、14、16二端上的電勢(shì)差，并且由此還控制流過(guò)繞組的電流。這轉(zhuǎn)而控制繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向。
在電動(dòng)機(jī)1和地之間的地線32中設(shè)置一個(gè)以電阻器34為形式的電流測(cè)量部件，從而控制器33可以測(cè)量流過(guò)所有繞組12、14、16的總電流。為了測(cè)量每個(gè)繞組上的電流，必須在其中已知對(duì)繞組的每個(gè)端子施加的電壓(并且從而知道具體相的導(dǎo)通狀態(tài))的PWM周期內(nèi)以準(zhǔn)確的時(shí)刻對(duì)總電流采樣。在地線32中和電流傳感器34相串聯(lián)地設(shè)置另一個(gè)為di/dt傳感器的傳感器36，用來(lái)測(cè)量電流的改變率。di/dt傳感器36用來(lái)測(cè)量各相的電感，并且由此測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置，如后面說(shuō)明那樣。
從圖3中會(huì)理解轉(zhuǎn)子2的電感隨電氣位置改變，因?yàn)槎ㄗ予F和轉(zhuǎn)子背鐵之間的氣隙隨位置改變，這造成定子磁通磁阻隨轉(zhuǎn)子位置改變。在圖5中示出三相A、B、C中的每個(gè)相的電感的改變。
參照?qǐng)D7，在表面磁鐵轉(zhuǎn)子60中各磁鐵62安裝在轉(zhuǎn)子芯64的表面，從而造成電感隨轉(zhuǎn)子位置改變的轉(zhuǎn)子凸起很小或沒(méi)有凸起。但是，當(dāng)某個(gè)磁鐵62經(jīng)過(guò)定子齒66時(shí)，磁鐵的角落70附近在該定子齒中出現(xiàn)局部磁飽和，其改變定子繞組的電感。從而在電感上造成隨位置的規(guī)律改變，這可以用于在與上面說(shuō)明的內(nèi)磁鐵轉(zhuǎn)子相同的方式確定轉(zhuǎn)子的位置。
由于存在相電感隨轉(zhuǎn)子位置的可預(yù)測(cè)的和穩(wěn)定的改變，可以從對(duì)相電感的知識(shí)準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子位置，在永久磁鐵(PM)電動(dòng)機(jī)中，某一特定相的電感通常在q軸和該相對(duì)齊時(shí)為最高，而當(dāng)d軸和該相對(duì)齊時(shí)為最低。于是，電感按電頻率的二倍變化，從而相電感方程會(huì)產(chǎn)生二個(gè)可能的彼此電相隔180度的轉(zhuǎn)子位置。系統(tǒng)需要判定這二個(gè)位置中哪個(gè)位置是正確的。一種適用的方法是在啟動(dòng)時(shí)施加大的正負(fù)測(cè)試電流并在得到的電感測(cè)量上比較局部磁飽和效應(yīng)，從而確定磁極性。一旦進(jìn)行一次這樣的過(guò)程，會(huì)知道磁極性并且可以總是唯一地確定轉(zhuǎn)子位置。
圖5示出的電動(dòng)機(jī)模型假設(shè)相電感隨位置正弦地從最大值Lq改變到最小值Ld。Ld和Lq代表順軸和交軸分別和該被測(cè)量的相的定子軸對(duì)齊時(shí)的相電感。
可以在復(fù)坐標(biāo)下用二個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)0和ΔL的反轉(zhuǎn)向量的和表示圖5中示出的電感改變，其中L0是平均電感而ΔL是一次循環(huán)中電感的峰峰偏差的一半，即電感的偏差的振幅。對(duì)于L0＞ΔL，它們定義成L0=Lq+Ld2ΔL=Lq-Ld2---(1a,1b)]]>給定轉(zhuǎn)子角下的電感L(θ)是這二個(gè)復(fù)反轉(zhuǎn)向量之和的實(shí)部，即L(θ)=Re{L0ejθ-ΔLe-jθ}---(2)]]>其可重新整理成L(θ)=Re{L0-ΔLe-2jθ}---(3)]]>從而三個(gè)相A、B和C上測(cè)到的相電感為L(zhǎng)A(θ)=Re{L0-ΔLe-2/θ}LB(θ)=Re{L0-ΔLe-2/[θ-2π/3]}LC(θ)=Re{L0-ΔLe-2/[θ-4π/3]}--(4)]]>
它們可重寫(xiě)成LA(θ)=L0-ΔLcos(2θ)LB(θ)=L0-ΔLcos(2[θ-2π/3])LB(θ)=L0-ΔLcos(2[θ-4π/3])--(5a)-(5c)]]>在圖5中示出該關(guān)系。如果已知這三個(gè)相電感，可以確定這三個(gè)未知變量轉(zhuǎn)子角θ、平均電感和峰電感ΔL。
可從下式得到L0L0=LA(θ)+LB(θ)+LC(θ)3---(6)]]>通過(guò)首先進(jìn)行帕克斯(Parkes)變換以計(jì)算α和β幀電感(frameinductance)來(lái)得ΔL和θLα(θ)Lβ(θ)=231cos(2π/3)cos(4π/3)0sin(2π/3)sin(4π/3)LA(θ)LB(θ)LC(θ)---(7)]]>則ΔL為ΔL=Lα2(θ)+Lβ2(θ)---(8)]]>而θ為θ=-12[tan-1(LβLα)-π]+nπ---(9)]]>其中n是任意整數(shù)，該整數(shù)是由于不能唯一確定該角度而出現(xiàn)的，其可以利用上面說(shuō)明的啟動(dòng)例程確定n。
在線確定相電感通過(guò)測(cè)量響應(yīng)于正負(fù)測(cè)試電壓的相中的電流改變率來(lái)確定相電感。由于它從系統(tǒng)方程中消除反電動(dòng)勢(shì)項(xiàng)，這是一種堅(jiān)固的技術(shù)，如果不消除該項(xiàng)將難以準(zhǔn)確地確定并會(huì)引入測(cè)量誤差。
為了確定某個(gè)相的電感，進(jìn)行下述步驟1.對(duì)該相施加正電壓+V足夠時(shí)間以確定電流上升改變率di1/dt。
2.對(duì)該相施加負(fù)電壓-V足夠時(shí)間以確定電流下降改變率di2/dt。
圖6示出對(duì)某個(gè)相這種驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)化電路模型，其中包括外加電壓V(t)、相電感Lph和電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)e。
當(dāng)施加正測(cè)試電壓時(shí)+V-e=Lphdi1dt+Ri1---(10)]]>當(dāng)施加負(fù)測(cè)試電壓時(shí)-V-e=Lphdi2dt+Ri2---(11)]]>由于實(shí)際中采樣周期內(nèi)的電流i1和i2的平均值是相同的，并且由于差(i1-i2)是小的，所以可以忽略掉電阻部分。從而通過(guò)從(10)減掉(11)并加以整理，相電感變成Lph=di1dt-di2dt2V---(12)]]>這樣，完全從外加電壓和測(cè)到的電流改變率來(lái)確定瞬時(shí)相電感。
如現(xiàn)在要討論那樣，把控制器33設(shè)置成利用脈寬調(diào)整(PWM)控制對(duì)各相A、B、C施加的電壓，以便控制電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。
參照?qǐng)D8，三相系統(tǒng)中的各個(gè)繞組2、4、6只能和電源軌或和地線22連接，從而存在八種可能的控制電路狀態(tài)。利用1表示一個(gè)處于正電壓的相并用0表示和地連接的相。狀態(tài)1可用[100]表示以指示相A為1、相B為0和相C為0，狀態(tài)2用[110]表示，狀態(tài)3用
，狀態(tài)4用
，狀態(tài)5用
，狀態(tài)6用[101]，狀態(tài)0為
以及狀態(tài)7用[111]。狀態(tài)1到6的每個(gè)狀態(tài)是導(dǎo)通狀態(tài)，其中電流流過(guò)所有的繞組2、4、6并且按一個(gè)方向流過(guò)一個(gè)繞組和以另一個(gè)方向流過(guò)其它二個(gè)繞組。狀態(tài)0是其中所有繞組和地連接的零電壓狀態(tài)，而狀態(tài)7是其中所有繞組和電源軌連接的零電壓狀態(tài)。
狀態(tài)1、2、3、4、5和6還分別稱為+A、-C、+B、-A、+C和-B狀態(tài)，因?yàn)樗鼈兏鞔韺?duì)于一個(gè)相應(yīng)的相在繞組上按正或負(fù)方向施加電壓。例如在+A狀態(tài)下，A相和電源軌連接而另二個(gè)相和地線連接，在-A狀態(tài)下連接是相反的。
當(dāng)控制該電路以產(chǎn)生脈寬調(diào)制時(shí)，通常每個(gè)相在每個(gè)PWM周期接通和斷開(kāi)一次。每個(gè)狀態(tài)占據(jù)的時(shí)間的相對(duì)長(zhǎng)度將決定每個(gè)繞組中產(chǎn)生的磁場(chǎng)的大小和方向，并且進(jìn)而決定施加到轉(zhuǎn)子上的總轉(zhuǎn)矩的大小和方向?？梢杂酶鞣N調(diào)制算法計(jì)算這些時(shí)間長(zhǎng)度，但在本實(shí)施例中采用空間向量調(diào)制技術(shù)。
施加電壓測(cè)試模式通過(guò)在施加的PWM電壓模式中插入附加的非零狀態(tài)來(lái)在三相PWM波形引入在每個(gè)相的二端上包含正負(fù)電感測(cè)量電壓的電壓測(cè)試模式。按慣例本文所說(shuō)明的技術(shù)采用空間向量調(diào)制(SVM)，盡管可以采納任何PWM調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)該技術(shù)。
參照?qǐng)D9，在狀態(tài)向量調(diào)制系統(tǒng)中，每個(gè)PWM周期在各個(gè)狀態(tài)下渡過(guò)的時(shí)間用狀態(tài)向量調(diào)制(SVM)圖中的狀態(tài)向量表示。在這種類型的圖中，各個(gè)狀態(tài)向量是處于向量S1到S6的方向上的向量，并且這些方向的每個(gè)上的向量長(zhǎng)度代表每個(gè)PWM周期在對(duì)應(yīng)狀態(tài)下渡過(guò)的時(shí)間量。這意味著繞組上的任何期望電壓可以在該圖上用一個(gè)點(diǎn)表示，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)表示該電壓的幅值和方向的電壓向量，其可通過(guò)組合狀態(tài)向量s1、s2等產(chǎn)生，并且它的長(zhǎng)度表示每個(gè)PWM周期在該狀態(tài)下渡過(guò)的時(shí)間。
典型測(cè)試模式在圖9中示出一個(gè)表示施加到各繞組上的測(cè)試電壓的測(cè)試向量例子。圖中施加二對(duì)測(cè)試向量，它們使得能同時(shí)(即在同一個(gè)PWM周期中)測(cè)量二個(gè)相(本情況為A和C)的電感?？梢钥闯?，該模式包括正負(fù)相A向量以及正負(fù)C向量?？梢岳斫猓灰@些向量長(zhǎng)度相同，即，在狀態(tài)1和4的各個(gè)中以及在狀態(tài)2和5的各個(gè)中渡過(guò)的時(shí)間相同，來(lái)自這些測(cè)試向量的凈電壓將為零。
為了測(cè)量電流的改變率，設(shè)定傳感器和相關(guān)電路并且進(jìn)行讀數(shù)需要有限的時(shí)間。本文中把測(cè)量相電流改變率所需的最小時(shí)間定義為Tsd。從而如圖9中所示，每個(gè)向量必須為最小長(zhǎng)度Tsd。
為了使Tsd保持盡可能小，如上面說(shuō)明那樣使用一個(gè)獨(dú)立電流改變率(di/dt)傳感器36。這能以單次讀數(shù)確定電流的改變率，而為了獲得該信息電流傳感器必須采樣二次。
可以看出，圖9中示出的測(cè)試向量還允許利用位于DC(直流)鏈接的地回路中的單個(gè)電流傳感器34測(cè)量相電流。本文把單傳感器系統(tǒng)中測(cè)量電流所需的最小狀態(tài)時(shí)間定義為Tsi，并且為了確定所有三個(gè)相中的電流，必須測(cè)量至少二個(gè)彼此不相反的導(dǎo)通狀態(tài)下的電流。從而，只要存在二個(gè)來(lái)自二個(gè)相最小長(zhǎng)度為Tsi的非零向量，就可以在單個(gè)PWM周期內(nèi)確定各個(gè)相電流。
圖10示出用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖9的狀態(tài)向量的典型PWM模式。還知道對(duì)鏈接回路(link-return)電流傳感器34以及鏈接回路di/dt傳感器36所期望的典型輸出。所有相電壓走勢(shì)為高一低一高。存在三個(gè)不導(dǎo)通狀態(tài)周期，二個(gè)在狀態(tài)0下，一個(gè)在狀態(tài)7下，并且存在四個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)1、2、4和5。在導(dǎo)通狀態(tài)期間，電流的改變率di/dt大致是固定的，因?yàn)殡娏靼垂潭ㄋ俾噬仙?。電流幅值傳感器和di/dt傳感器的采樣點(diǎn)朝向相應(yīng)的導(dǎo)通狀態(tài)階段的結(jié)束處，其中，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換后電流已穩(wěn)定。
組合測(cè)試模式和施加的電壓向量。
圖9和10示出對(duì)零調(diào)制指數(shù)施加的測(cè)試電壓向量，對(duì)于大于零的調(diào)制指數(shù)，測(cè)試向量必須疊加在相電流產(chǎn)生電壓要求向量上，這些電壓要求向量是按從電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生期望的輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算的。在圖11的空間向量圖中對(duì)此示出一個(gè)典型的例子。請(qǐng)求狀態(tài)向量v由二個(gè)主狀態(tài)向量+A和-C構(gòu)成，四個(gè)測(cè)試周期向量的長(zhǎng)度各為Tsd。此情況的典型PWM模式和傳感器輸出在圖12中示出。
從圖11可以看出，把測(cè)試向量疊加在要求向量上使PWM周期中可用來(lái)產(chǎn)生“有用”電壓的時(shí)間減少4Tsd。
不同測(cè)試向量模式類型的分析圖11和12的例子示出如何修改額定PWM波形，以便同時(shí)(即，在同一個(gè)PWM周期中)測(cè)量二個(gè)相的電感。但是，可以把PWM波形修改成同時(shí)測(cè)量一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)電感，每個(gè)的結(jié)果不同。
同時(shí)測(cè)量三個(gè)電感的測(cè)試向量模式圖13a示出同時(shí)測(cè)量全部三個(gè)電感所需的測(cè)試向量。要求電壓仍由二個(gè)向量+A和-C構(gòu)成，但存在六個(gè)長(zhǎng)度各為Tsd的測(cè)試電壓向量，這六個(gè)測(cè)試向量包括六個(gè)主向量+A、-A、+B、-B、+C、-C中的一個(gè)并且產(chǎn)生為零的凈電壓。很清楚，由于需要全部六個(gè)非零的向量，可用來(lái)產(chǎn)生有用電壓的時(shí)間減少6Tsd。
圖13b示出用來(lái)實(shí)現(xiàn)這些向量的一個(gè)PWM周期上的典型PWM模式，而圖13c示出對(duì)應(yīng)的狀態(tài)總計(jì)?？梢钥闯?，該P(yáng)WM模式具有二個(gè)獨(dú)特的特征。第一，它不能施加零電壓狀態(tài)向量，從而必須通過(guò)增加每個(gè)測(cè)試向量的大小、每對(duì)相反的測(cè)試向量保持長(zhǎng)度相等以保持它們的凈值為零來(lái)替代零電壓狀態(tài)。第二，某個(gè)相的操作必須和另二個(gè)相相反。換言之，用于這二個(gè)相的高側(cè)晶體管的狀態(tài)在一個(gè)PWM周期中處于低-高-低，但對(duì)第三相會(huì)是高-低-高。盡管這二個(gè)特征都是獨(dú)特的，它們?cè)谖锢砩鲜强赡艿牟⑶夷茉趯?shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)它們。
假定停滯時(shí)間為零的理想情況，可以示出按峰相電壓基波對(duì)DC鏈接電壓(在測(cè)量三相中的瞬時(shí)相電感的同時(shí)可施加該DC鏈接電壓)的一半的比值定義的最大調(diào)制指數(shù)mmax為mmax=23[1-6TsdTp]---(15)]]>其中Tp是PWM周期對(duì)于Tsd和Tsi為PWM周期Tp的10％的典型系統(tǒng)，這給出最大理論調(diào)制指數(shù)為0.46。很明顯實(shí)際情況要計(jì)及互鎖延遲(停滯時(shí)間)的影響，這會(huì)略減小該數(shù)。
該三相電感測(cè)量方法的主要優(yōu)點(diǎn)是能在每個(gè)PWM周期準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)子位置。主要缺點(diǎn)是它嚴(yán)格限制最大調(diào)制指數(shù)，并且它產(chǎn)生非常獨(dú)特的PWM模式。
同時(shí)測(cè)量二個(gè)電感的測(cè)試向量模式二相測(cè)量模式(例如上面參照?qǐng)D11說(shuō)明的模式)把為產(chǎn)生該測(cè)量模式而浪費(fèi)的時(shí)間量減少到4Tsd。由于在單個(gè)PWM周期中只測(cè)量二相，存在三種不同的可測(cè)量向量對(duì)的組合。每種組合會(huì)造成三種不同類型的模式，這取決于所要求的電壓位于SVM向量空間的哪個(gè)段上。一些模式比其它模式更容易實(shí)現(xiàn)。
圖14a示出用于狀態(tài)向量圖的段1的模式I，圖14b是對(duì)應(yīng)的狀態(tài)總計(jì)。它包括四個(gè)非零狀態(tài)向量并且是用于一特定段的自然模式，因?yàn)樗话ㄔ摱蔚亩€(gè)主狀態(tài)向量以及這些向量的逆。
圖14b示出模式II。它包括五個(gè)非零狀態(tài)向量并且包含來(lái)自相鄰段的狀態(tài)。和模式I不同，零狀態(tài)向量7不能使用，但是由于可以實(shí)現(xiàn)零狀態(tài)向量0，這不會(huì)存在任何實(shí)際實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。
圖14c示出模式III。它也包括五個(gè)非零狀態(tài)向量，但是這一次唯一能使用的零狀態(tài)向量是向量7。該模式的主要問(wèn)題在于，當(dāng)利用該模式測(cè)量三相電感時(shí)，所得到的PWM波形的一個(gè)相必須處于高-低-高，而不是低-高-低。
實(shí)際的辦法是只使用模式I和II。通過(guò)這二個(gè)模式的快速交替，可以確定全部三個(gè)相的電感。表1示出對(duì)于狀態(tài)向量圖的每個(gè)段里的相測(cè)量應(yīng)選擇哪個(gè)模式，這些段如圖9中所示。
表1

假定零互鎖延遲，對(duì)于利用任何模式的二相電感測(cè)量的最大調(diào)制指數(shù)為mmax=23[1-4TsdTp]---(16)]]>對(duì)于上面所說(shuō)明的其中Tsd和Tsi為PWM周期Tp的10％的典型系統(tǒng)，該式給出0.69的最大調(diào)制指數(shù)。
雙電感測(cè)量技術(shù)明顯提高可使用的最大調(diào)制指數(shù)。所產(chǎn)生的PWM模式非常類似標(biāo)準(zhǔn)單電流傳感器模式，并且相對(duì)容易產(chǎn)生。通過(guò)模式I和II之間的快速切換，可以確定全部三個(gè)相電感。此外，有可能利用一個(gè)相被測(cè)量二次這一事實(shí)造成的冗余來(lái)改進(jìn)位置估計(jì)的精度。
測(cè)量一個(gè)電感的向量模式圖17a和17b是用來(lái)只測(cè)量向量空間的1中的一個(gè)相A的電感的狀態(tài)向量圖和狀態(tài)總計(jì)。圖18a和18b是用于相B的對(duì)應(yīng)圖，而圖19a和19b用于狀態(tài)C。對(duì)于相A和C，可以在不對(duì)PWM模式做任何限制的情況下測(cè)量電感。但是對(duì)于相B，模式不能含有零狀態(tài)空間向量7，但這仍不會(huì)出現(xiàn)任何大的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。通常，對(duì)一給定段，測(cè)量其正負(fù)向量不和該段相鄰的相的電感所需的模式不會(huì)包含狀態(tài)向量7。
由于測(cè)試模式只含有用于一個(gè)相的測(cè)試向量，這不再保證PWM波形中存在足以測(cè)量二個(gè)相電流的時(shí)間。例如，如果在圖17a的例子中-C向量短于Tsi，則在任何其中測(cè)量相A的電感的PWM周期中只能測(cè)量相A中的電流。參照?qǐng)D18a和19a，雖然測(cè)量相B和C的電感，但只要向量+A比Tsi長(zhǎng)則可以測(cè)量二個(gè)相電流。這樣，為了成功地實(shí)現(xiàn)單電流傳感器電流測(cè)量，必須在段的某些區(qū)中添加長(zhǎng)度為Tsi的附加測(cè)試向量以便含有足夠的時(shí)間來(lái)測(cè)量要求單電流感測(cè)的二個(gè)相電流中的一個(gè)。在圖20中示出這些可應(yīng)用的區(qū)?？梢钥闯?，對(duì)于+A或-A主向量的Tsi之內(nèi)的區(qū)，當(dāng)測(cè)量相A的電感時(shí)需要附加測(cè)試向量，對(duì)于+B或-B主向量的Tsi之內(nèi)的區(qū)，當(dāng)測(cè)量相B的電感時(shí)需要附加測(cè)試向量，并且對(duì)于+C或-C主向量的Tsi之內(nèi)的區(qū)。當(dāng)測(cè)量相C的電感時(shí)需要附加測(cè)試向量。對(duì)于靠近該相圖中心在二個(gè)狀態(tài)向量的Tsi之內(nèi)的區(qū)，需要附加的測(cè)試向量以測(cè)量二個(gè)電感，同時(shí)保持完整的單個(gè)傳感器電流測(cè)量。
圖20還示出能同時(shí)測(cè)量一個(gè)相電感和二個(gè)相電流的測(cè)試向量模式的操作限制。用于零互鎖延遲的最大調(diào)制指數(shù)為mmax=min{23[1-2TsdTp],43[1-Tsj+2TsdTp]}---(16)]]>其中函數(shù)min{x，y}回送x和y中較小的一個(gè)。
對(duì)于上面說(shuō)明的Tsd和Tsi為PWM周期Tp的10％的典型系統(tǒng)，最大調(diào)制指數(shù)應(yīng)為min{0.92，0.93}＝0.93可以通過(guò)不測(cè)量第二相電流或者通過(guò)不測(cè)量其中需要附加的測(cè)試向量的區(qū)的電感來(lái)提高最大調(diào)制指數(shù)。但是，如上面的結(jié)果示出那樣，對(duì)于實(shí)際實(shí)現(xiàn)，添加附加的測(cè)試向量不明顯減小最大調(diào)制指數(shù)。
單相電感測(cè)量方式給出最高的最大調(diào)制指數(shù)，從而以最高速度運(yùn)行。它通常比二相方法產(chǎn)生稍差的精度和稍差的位置估計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但是提供高的采樣率，這不是特別容易看到的。
確定位置的方法一旦知道各相的電感，可以通過(guò)求解式(5(a)-5(c))確定轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)同時(shí)測(cè)量全部三個(gè)相電感時(shí)，該過(guò)程是直接的。但是，當(dāng)一次只能測(cè)量二個(gè)或一個(gè)電感時(shí)，為了確定位置必須組合舊的和新的電感測(cè)量。組合這些測(cè)量的方式會(huì)影響位置信號(hào)的精度和動(dòng)態(tài)特性。
從三個(gè)同時(shí)的電感測(cè)量確定位置當(dāng)同時(shí)測(cè)量全部三個(gè)相電感時(shí)，可以通過(guò)解出聯(lián)立方程(5(a)-5(c))直接確定轉(zhuǎn)子位置。該方法會(huì)賦予位置信號(hào)最大帶寬和最高精度。
從相鄰電感測(cè)量確定位置當(dāng)在每個(gè)PWM周期中只測(cè)量一個(gè)或二個(gè)電感時(shí)，可以通過(guò)利用在該采樣時(shí)刻未對(duì)其進(jìn)行測(cè)量的相的較舊電感測(cè)量估計(jì)位置。圖21示出其中成對(duì)測(cè)量電感的情況。在時(shí)刻t2，可以通過(guò)利用B相和C相電感的當(dāng)前值(LB2和LC2)以及時(shí)刻t1的前一個(gè)PWM周期中的A相電感的前一個(gè)采樣值(LA1)來(lái)確定位置。由于舊的相A電感時(shí)間上向前外推，會(huì)在計(jì)算出的位置中存在小誤差。但是，如果一個(gè)采樣時(shí)刻Δt期間轉(zhuǎn)子行進(jìn)的角Δθ小，位置誤差也會(huì)小。
圖23示出當(dāng)成對(duì)測(cè)量電感時(shí)從該方法算出的轉(zhuǎn)子位置的模擬誤差。可以看出，位置誤差以四倍于電頻率的速率正弦變化。試驗(yàn)上已發(fā)現(xiàn)，最大誤差約等于Δθ的三分之一。還應(yīng)注意，由于該估計(jì)基于目前的和以前的測(cè)量，因?yàn)闀r(shí)間延遲的增加，位置信號(hào)的帶寬會(huì)略小于同時(shí)三個(gè)讀數(shù)下的帶寬。
當(dāng)一次只測(cè)量一個(gè)電感時(shí)，如圖22中所示，從三個(gè)不同采樣時(shí)刻測(cè)到的電感計(jì)算位置。經(jīng)驗(yàn)上，位置誤差略小于Δθ的三分之二，這幾乎是當(dāng)成對(duì)測(cè)量電感時(shí)的誤差的二倍。
可以看出，減小同時(shí)得到的電感測(cè)量的數(shù)量會(huì)降低信號(hào)的精度和帶寬，但是只要測(cè)量足夠頻繁，信號(hào)品質(zhì)的下降是小的。
利用上面的技術(shù)，能以此用其它已知電壓注入技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高得多的速率計(jì)算位置信號(hào)。因?yàn)檫@一點(diǎn)，能在一些應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)中對(duì)位置信號(hào)施加濾波以改進(jìn)信號(hào)品質(zhì)。尤其，可以把位置饋送到觀察者以給出更準(zhǔn)確的表達(dá)。
潛在的噪聲問(wèn)題從上面的討論會(huì)理解，與三相技術(shù)相比二相和單相電感測(cè)量技術(shù)是實(shí)用得多的解決辦法。但是，為了利用這些方法得到準(zhǔn)確的高帶寬位置信號(hào)，必須在二相技術(shù)下快速切換二個(gè)測(cè)試向量模式(模式I和II)或者在單相技術(shù)下快速切換三個(gè)測(cè)試向量(相A、B和C)。
圖24a至24d示出用于在段1中實(shí)現(xiàn)二相技術(shù)的典型PWM模式?？梢钥闯?，要從圖24a中所示的與圖14a對(duì)應(yīng)的模式I到達(dá)圖24d中所示的與圖15a對(duì)應(yīng)的模式II，用于相A和B的波形必須向右偏移相當(dāng)小的距離(Tsd)，而用于相C的波形必須向左偏移大距離。在許多情況下，這種不連續(xù)跳躍會(huì)造成電流不連續(xù)，從而導(dǎo)致不可接受的噪聲水平。從而在數(shù)個(gè)PWM循環(huán)中實(shí)現(xiàn)該跳躍。在本情況中，采用三循環(huán)修正，二個(gè)圖24b和24c的中間模式插在模式I和模式II之間。在其中采用這些中間模式的PWM周期期間，電感測(cè)量是不可能的。但是對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，電感測(cè)量頻率通常仍是足夠的。
可以理解，所需的中間模式的數(shù)量決取于具體應(yīng)用，并且在一些情況中該數(shù)量可能必須遠(yuǎn)大于二個(gè)。還可理解，對(duì)于單相電感測(cè)量也可以采取對(duì)中間模式的使用。
替代技術(shù)-確定L0和ΔL一種確定轉(zhuǎn)子位置的替代技術(shù)是使用對(duì)平均和峰電感參數(shù)L0和ΔL的知識(shí)。如果知道這些參數(shù)，通過(guò)從式7(a)-7(c)求解適當(dāng)方程能從單相電感測(cè)量確定位置。這具有不必每次采樣都在不同相電感測(cè)量間切換而是可以為一個(gè)完整段上的電感測(cè)量利用同一個(gè)相的優(yōu)點(diǎn)。這可以減小上面參照?qǐng)D24a至24d說(shuō)明的潛在的聲音噪音問(wèn)題。另外，如果成對(duì)地測(cè)量電感，有可能利用額外變量的冗余性修正測(cè)量中的任何不準(zhǔn)確。
此方法下做出的位置估計(jì)對(duì)L0和ΔL的值的誤差非常靈敏。諸如電動(dòng)機(jī)溫度的因素造成這些值在操作期間偏移，從而最好在線估計(jì)這些值并且盡可能頻繁地更新它們。這可以按上面那樣的方式進(jìn)行，即，從各個(gè)相取相繼的電感讀數(shù)，并利用各個(gè)相的電感的新、舊測(cè)量的組合確定L0和ΔL。一種尤其方便的用來(lái)完成此的方式是成對(duì)測(cè)量電感，并且在一個(gè)整段上測(cè)量相同的對(duì)，例如利用圖14a的模式I對(duì)整個(gè)段1測(cè)量。當(dāng)從一個(gè)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)段時(shí)，在一次采樣的最大延遲之內(nèi)知道所有三個(gè)電感，從而可以確定L0和ΔL。主要的準(zhǔn)則是足夠頻繁地更新L0和ΔL以觀察任何參數(shù)漂移。每次要求的電壓從狀態(tài)向量圖的一個(gè)段移動(dòng)到下一個(gè)段時(shí)進(jìn)行更新通常為實(shí)現(xiàn)此提供足夠快的更新速率。
在其中q軸電感明顯隨轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中(例如一些埋置磁鐵電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中)，該技術(shù)不那么成功。在這情況下，可以把L0和ΔL的快速變化預(yù)料成是機(jī)器轉(zhuǎn)矩輸出上的快速變化。在一些情況下可以利用電動(dòng)機(jī)特性模型以前饋方式對(duì)此加以補(bǔ)償。但是，在此是不可能的情況下，通常上面參照?qǐng)D21和22說(shuō)明的方法更合適。
測(cè)量電流的改變率可以利用一些方法確定相繞組中電流的改變率(di/dt)以便能確定電感。一種方法是在每個(gè)相繞組中放置一個(gè)電流傳感器，在一個(gè)時(shí)刻測(cè)量電流，短時(shí)間后再次測(cè)量電流并且計(jì)算差。該技術(shù)還適用單電流傳感器技術(shù)。例如在圖4的實(shí)施例中可以除去di/dt傳感器并且利用電流傳感器34的多次采樣測(cè)量電流的改變率。該技術(shù)的缺點(diǎn)是取二次電流測(cè)量以確定di/dt所需的時(shí)間。這可能造成不實(shí)用的大Tsd值。此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的量化限制可能產(chǎn)生分辨率非常低的di/dt信號(hào)。
在圖4的系統(tǒng)中通過(guò)在DC鏈接返回路徑中使用di/dt傳感器36來(lái)克服這些問(wèn)題。該傳感器為確定電流的改變率只需要采樣一次，這可以明顯減小Td并且改善di/dt信號(hào)的分辨率。
參照?qǐng)D25，在一替代方案中，該電流傳感器包括一個(gè)電阻器100和一個(gè)差分放大器102，該差分放大器的輸出隨電阻器100上的電壓變化并且從而隨流過(guò)它的電流變化。模擬微分器104設(shè)置成微分來(lái)自該電流傳感器的信號(hào)。接著把微分后的電流測(cè)量信號(hào)輸入到數(shù)字控制器106上的一個(gè)分立的A/D端口上，從而能同時(shí)確定電流和電流改變率。盡管微分器可能對(duì)噪聲敏感，但可在PMM邊緣之間測(cè)量信號(hào)，從而對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲相對(duì)不敏感。通過(guò)在幾個(gè)PWM周期上采樣輸入并取平均值可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減小噪聲。
以和圖1所示類似的方式，通過(guò)組合所述的反電動(dòng)勢(shì)觀察器技術(shù)和電壓注入技術(shù)，已說(shuō)明的實(shí)施例可以在整個(gè)速度范圍上提供無(wú)傳感器控制。所說(shuō)明的實(shí)施例是特定為在單電流傳感器系統(tǒng)中使用而設(shè)計(jì)的，這使它們對(duì)于汽車應(yīng)用是理想的。對(duì)已知系統(tǒng)唯一需要添加的硬件是用在DC鏈接返回線中的單個(gè)di/dt傳感器以及微控制器上的附加ADC端口。如果利用模擬微分器微分來(lái)自電流傳感器的信號(hào)，可以進(jìn)一步減少物理傳感器的數(shù)量。
但是會(huì)理解，本發(fā)明也可以應(yīng)用于帶有多個(gè)電流傳感器的系統(tǒng)，其中電動(dòng)機(jī)的每個(gè)相具有一個(gè)電流傳感器。這種系統(tǒng)成本高于單電流傳感器系統(tǒng)，但在某些應(yīng)用中是優(yōu)選的。
為了克服噪聲問(wèn)題，本發(fā)明的系統(tǒng)把適當(dāng)?shù)臏y(cè)試電壓模式加入到PWM模式中，而不是采用中斷PWM以注入獨(dú)立的測(cè)試模式的方法。由于不中斷PWM，和已知電壓注入系統(tǒng)相比可以明顯降低測(cè)試模式造成的噪聲。
另外，由于在大多數(shù)情況下可以把測(cè)試電壓加入到每個(gè)PWM循環(huán)中，可以比已知技術(shù)頻繁得多地確定相電感，這改進(jìn)了位置估計(jì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性。這還允許采用新技術(shù)從電感計(jì)算位置。
應(yīng)理解，本發(fā)明還可以應(yīng)用于其它類型的無(wú)電刷機(jī)器，包括其中存在某種程度的轉(zhuǎn)子凸出的同步磁阻電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種用于包括多個(gè)相的多相無(wú)電刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路包括開(kāi)關(guān)裝置和控制裝置，該開(kāi)關(guān)裝置設(shè)置成改變施加在每個(gè)相上的相電壓，該控制裝置設(shè)置成控制該開(kāi)關(guān)裝置從而對(duì)相電壓提供PWM控制以控制電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出，其特征在于，該控制裝置還設(shè)置成控制PWM電壓模式從而包含測(cè)試周期、在該測(cè)試周期期間測(cè)量至少一個(gè)相中的電流改變率并且由此確定至少一個(gè)相的電感，從而確定該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成定義至少一對(duì)測(cè)試周期，從而該對(duì)測(cè)試周期之一中的相電壓和該對(duì)測(cè)試周期中另一測(cè)試周期中的相電壓相反，并且該控制裝置設(shè)置成從該測(cè)試周期對(duì)中測(cè)到的電流確定一個(gè)相的電感。
3.依據(jù)權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，在同一個(gè)PWM周期內(nèi)提供這對(duì)測(cè)試周期。
4.依據(jù)上述任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成在單個(gè)PWM周期內(nèi)測(cè)量所有相的電感。
5.依據(jù)權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成在一個(gè)PWM周期中的若干輸出產(chǎn)生周期期間把該開(kāi)關(guān)裝置切換到若干次導(dǎo)通狀態(tài)，從而產(chǎn)生所需的電動(dòng)機(jī)輸出，以及，在所述測(cè)試周期期間切換到若干次導(dǎo)通狀態(tài)，其中，測(cè)試周期足夠長(zhǎng)從而所述輸出產(chǎn)生周期和所述測(cè)試周期占據(jù)整個(gè)PWM周期。
6.依據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成在單個(gè)PWM周期中只測(cè)量一些相的電感。
7.依據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成在單個(gè)PWM周期中只測(cè)量二個(gè)相的電感。
8.依據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的任何位置，可以從三個(gè)相選擇二對(duì)要測(cè)量其的電感的相，從而PWM周期包括零電壓狀態(tài)，并且該控制裝置設(shè)置成在一個(gè)PWM周期中測(cè)量一對(duì)相的電感和在下一個(gè)PWM周期中測(cè)量另一對(duì)相的電感。
9.依據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成在相繼的PWM周期中在所述二對(duì)相之間交替地執(zhí)行電感測(cè)量。
10.依據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成在任何一個(gè)PWM周期中只測(cè)量一個(gè)相的電感。
11.依據(jù)權(quán)利要求5至10中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成改變要對(duì)其測(cè)量電感的相，從而在若干PWM周期上測(cè)量所有相的電感。
12.依據(jù)權(quán)利要求8至10中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成在第一PWM周期中提供第一PWM模式以能測(cè)量至少一個(gè)相的電感，以及在第二PWM周期中提供不同的第二PWM模式以能測(cè)量至少一個(gè)未在第一PWM周期中測(cè)量的相的電感，并且在該第一和第二周期之間的一個(gè)PWM周期中產(chǎn)生至少一個(gè)中間PWM模式，該中間模式在形狀上處于該第一和第二模式的中間。
13.依據(jù)權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成不在中間PWM周期中測(cè)量相的電感。
14.依據(jù)上述任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成在每個(gè)PWM周期中確定電動(dòng)機(jī)的位置。
15.依據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成根據(jù)每個(gè)相的最新電感測(cè)量值確定電動(dòng)機(jī)的位置。
16.依據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成確定一個(gè)相的、在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)期間振蕩的電感的均值和峰值，測(cè)量該相的瞬時(shí)電感，并且從該電感的均值、峰值和瞬時(shí)值來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的位置。
17.依據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中，對(duì)所有能從相同的主電壓對(duì)產(chǎn)生的要求電壓測(cè)量相同二相的電感，并且當(dāng)要求電壓改變以便需要不同的主電壓對(duì)并測(cè)量不同的電感對(duì)時(shí)，利用所有相的最新電感測(cè)量值確定電感的均值和峰值。
18.依據(jù)上述任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，還包括設(shè)置成在測(cè)試周期期間測(cè)量各相中的電流的單個(gè)電流傳感器。
19.依據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中，該控制裝置設(shè)置成在每個(gè)PWM周期期間利用該電流傳感器測(cè)量二個(gè)相中的電流幅值，從而確定所有相中的電流。
20.依據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中，各個(gè)測(cè)試周期足夠長(zhǎng)，以便能由該電流傳感器測(cè)量一個(gè)相中的電流幅值。
21.依據(jù)權(quán)利要求19的系統(tǒng)，當(dāng)從屬于權(quán)利要求10時(shí)，其中，把該控制裝置設(shè)置成定義一組可以通過(guò)在二個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)間切換該開(kāi)關(guān)裝置而產(chǎn)生的要求電壓，并且至少一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)所需的時(shí)間不足以允許測(cè)量電流幅值，以及，對(duì)這些要求電壓添加凈電壓為零和時(shí)間長(zhǎng)到足以測(cè)量一個(gè)相中的電流幅值的附加測(cè)試周期。
22.依據(jù)權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中，只在一些脈寬調(diào)制周期中添加這些附加的測(cè)試周期。
23.依據(jù)權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中，僅當(dāng)電感測(cè)量測(cè)試周期以及輸出產(chǎn)生周期一起不能在一個(gè)PWM周期內(nèi)的二個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)的每一個(gè)中提供足夠時(shí)間以充許測(cè)量一個(gè)相的電流幅值時(shí)，添加額外的測(cè)試周期。
24.依據(jù)上述任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，包括一個(gè)電流傳感器和一個(gè)設(shè)置成微分該電流傳感器的輸出的微分器，從而測(cè)量相電感。
25.依據(jù)權(quán)利要求24的系統(tǒng)，當(dāng)從屬于權(quán)利要求18時(shí)，其中，使用單個(gè)電流傳感器用于電流幅值的測(cè)量和電感量測(cè)。
26.依據(jù)權(quán)利要求1至17中任一權(quán)利要求的系統(tǒng)，還包括多個(gè)用來(lái)測(cè)量各相中的電流的電流傳感器。
27.依據(jù)權(quán)利要求26的系統(tǒng)，其中，所述電流傳感器包括用于每個(gè)所述相的一個(gè)電流傳感器。
28.一種用于控制包括多個(gè)相的多相無(wú)電刷電動(dòng)機(jī)的方法，該系統(tǒng)包括一個(gè)包含設(shè)置成改變施加在每個(gè)相上的相電壓的開(kāi)關(guān)裝置的驅(qū)動(dòng)電路，該方法包括控制該開(kāi)關(guān)裝置，從而對(duì)相電壓提供PWM控制以控制電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出，其特征在于，該方法還包括控制PWM電壓模式以包含測(cè)試周期、在該測(cè)試周期期間測(cè)量至少一個(gè)相中的電流的改變率、并且由此確定至少一個(gè)相的電感，從而確定該電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。
29.一種基本上如參照附圖中的圖3至10、圖11和12、圖13a至13c、圖14a至16b、圖17a至19b、圖20、圖21至23、圖24a至24d或圖25說(shuō)明的用于多相無(wú)電刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于三相無(wú)電刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用用于位置感測(cè)的一種算法，其測(cè)量電動(dòng)機(jī)各相的電感并從測(cè)到的電感確定位置。為了減小噪聲，在測(cè)試周期T
文檔編號(hào)H02P6/16GK1689220SQ03823806
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月3日
發(fā)明者杰弗里·R·科爾斯, 康奈爾·威廉斯 申請(qǐng)人:Trw有限公司