專利名稱：同步電機啟動鎖定的檢測電路和方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及無傳感器同步電機驅(qū)動，并特別涉及具有啟動失敗檢測的驅(qū)動。
背景技術：
永磁同步裝置(PMSM)由于高質(zhì)量電力電子和強大的信號處理微處理器的發(fā)展而被廣泛用作電動機。PMSM裝置通常比直流(DC)設備便宜并比DC裝置具有更高的性能特性。PMSM裝置更吸引人之處在于，對于給定尺寸大小其具有高效率、低維護費用和高轉(zhuǎn)矩輸出。
PMSM的運轉(zhuǎn)通常需要電機的轉(zhuǎn)子角度的同步，以獲得所需輸出特性?，F(xiàn)有PMSM包括例如解碼器或解算器的位置傳感器，以有助于使相位激勵與轉(zhuǎn)子位置同步。但是，多種應用和環(huán)境中所使用的解碼器或解算器具有多種缺點，包括損耗、可靠性、裝置尺寸和噪聲抗擾度。
用于檢測PMSM電機中的轉(zhuǎn)子位置的多種技術已經(jīng)發(fā)展為可獲得允許除去位置傳感器的無傳感器轉(zhuǎn)子位置反饋。在一些情況下，無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測技術集中于轉(zhuǎn)子凸極(saliency)和電機線圈的局部飽和(local saturation)。這些類型的系統(tǒng)具有內(nèi)部永磁(internalpermanent magnet)，對于內(nèi)部永磁而言的凸極容易測量。通過加入對永磁相對于電機線圈的位置做出響應的高頻正弦電壓或其它干擾而對轉(zhuǎn)子凸極進行檢測。但是，信號加入會產(chǎn)生與效率或聽覺噪聲相關的其它問題。
具有類似于安裝在表面上的永磁(PM)電機的最小凸極的其它類型機械系統(tǒng)使用反電動勢EMF(back EMF)來感知轉(zhuǎn)子角度。也可觀察反EMF以獲取信息來估計電機線圈中的磁通量。
用于PMSM電機的無傳感器控制的反EMF無傳感器技術存在的難點在于啟動和運行期間處于低速。雖然使用上述技術可以檢測到轉(zhuǎn)子位置，即使轉(zhuǎn)子處于靜止時也是如此，但是由于凸極檢測是不可用的，所以在啟動時對具有安裝在表面上的PM的PMSM電機進行控制存有問題。
在無傳感器電機驅(qū)動啟動期間，電機轉(zhuǎn)矩被加強到克服驅(qū)動靜摩擦(stiction)和摩擦以旋轉(zhuǎn)和加速轉(zhuǎn)子。電機軸靜摩擦和摩擦根據(jù)所施加的負載特性而改變很大。例如，暴露在低溫下的戶外泵的靜摩擦可從額定值增大很多。在一些例子中，電機軸可能被部分卡住(jammed)，這能阻止電機啟動旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，可能發(fā)生啟動失敗的情況，這意味著每安培的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩比率大大減少并且電機不能加速。另外，由于以零速或低速對無傳感器驅(qū)動中的轉(zhuǎn)子位置進行檢測存在困難，所以電機速度信息可能不精確。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于快速確定PMSM電機的啟動失敗情況的方法。提供用于確定成功啟動的電機磁通量(flux)范圍，使得能夠檢測具有超過該范圍的磁通量水平的啟動失敗。電機磁通量范圍能夠根據(jù)本申請進行調(diào)整。在正常啟動期間，電機磁通量建立并保持在某一規(guī)定范圍內(nèi)。該電機磁通量水平從無傳感器PMSM驅(qū)動中獲取，用于與該范圍進行比較，以確定是否已經(jīng)發(fā)生啟動失敗。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，在檢測到啟動失敗時提供自動重啟序列。當檢測到啟動失敗時，PMSM電機驅(qū)動進行初始化并進入重啟周期。根據(jù)本發(fā)明，PMSM驅(qū)動能被配置用于特定次數(shù)的啟動重試，具有用于啟動重試嘗試的可選的重啟轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，提供啟動失敗檢測，其作為轉(zhuǎn)子角度估計電路的附加，例如在2002年11月12日提交的申請序列號為10/294,201的、名為“對于永磁同步電機驅(qū)動(IR-2130)的轉(zhuǎn)子角度估計”的待審的申請中所述的。啟動失敗檢測器由轉(zhuǎn)子角度估計器中的矢量旋轉(zhuǎn)器的輸出獲得輸入磁通量幅值，并把該磁通量幅值與高閾值和低閾值進行比較，以確定磁通量幅值是否處于適當范圍內(nèi)。如果來自轉(zhuǎn)子角度估計器的磁通量幅值超過范圍，則指示啟動失敗情況，并且把驅(qū)動設置為默認序列以關閉電機控制信號，并且如果需要，重啟具有增大的啟動電流(可配置的)的啟動序列。
對于成功的啟動，電機磁通量水平應該保持在一定帶限(bandlimit)內(nèi)。如果轉(zhuǎn)子磁通量超過帶限，則能檢測到啟動失敗。當檢測到啟動失敗時，驅(qū)動將重新初始化并進入重啟周期。驅(qū)動能夠被配置用于可變次數(shù)的啟動重試和用于啟動重試的重啟轉(zhuǎn)矩的可變值。電機磁通量水平能容易地從無傳感器控制驅(qū)動中獲取，如上文所述的序列號為10/294,201(IR-2130)的申請中所述的那樣。


圖1A和1B分別是永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的示意性方框圖；圖2是對于轉(zhuǎn)子角度估計器的系統(tǒng)方框圖；圖3是對于啟動檢測電路的系統(tǒng)方框圖；圖4A-4C例示了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)參數(shù)的圖表。
具體實施例方式
圖1A例示了具有無傳感器位置檢測的電機驅(qū)動系統(tǒng)。圖1B例示了對于具有表示電機電流和轉(zhuǎn)子位置的輸入Ud和Uq以及輸出id、iq和θ的無傳感器控制的控制系統(tǒng)圖。
現(xiàn)參考圖2，對于轉(zhuǎn)子角度估計器的系統(tǒng)方框圖如圖示20所示。圖示20中所示的轉(zhuǎn)子角度估計器與鎖相環(huán)一起工作，在鎖相環(huán)中，鎖相環(huán)誤差PLL_ERR基于結合所估計的轉(zhuǎn)子角度和磁通量信號而被確定，所估計的轉(zhuǎn)子角度和磁通量信號以Alpha和Beta表示。轉(zhuǎn)子角度估計器的工作在相關的申請序列號為10/294,201(IR-2130)的申請中被描述，該申請的內(nèi)容被并入作為參考。矢量旋轉(zhuǎn)器塊22提供兩個輸出D和Q，其中只有輸出Q被用作磁通量的閉環(huán)跟蹤(closed looptracking of flux)。鎖相環(huán)通過迫使鎖相環(huán)誤差PLL_ERR為零而處于穩(wěn)態(tài)進行工作。比例積分器PI補償器24有助于迫使輸出Q，并且PLL_ERR的值因此為零。雖然矢量旋轉(zhuǎn)器塊22的輸出D不用于轉(zhuǎn)子角度估計，但是輸出D上的信號包括關于電機磁通量幅值的信息，并根據(jù)本發(fā)明用于檢測啟動失敗。
現(xiàn)參考圖3，對于啟動失敗檢測的系統(tǒng)方塊圖例示為圖示30。圖3例示了在圖示20的轉(zhuǎn)子角度估計器中所提供的所有的相同特征以及附加的啟動失敗檢測電路。矢量旋轉(zhuǎn)器塊22提供了來自輸出D的磁通量幅值信號，其被用于評估對于啟動失敗檢測的閾值范圍。起初，在驅(qū)動啟動期間，輸出D上的磁通量幅值信號由于啟動時系統(tǒng)中的瞬變現(xiàn)象而無效。因此，開始序列發(fā)生器(start sequencer)或控制信號32被用于使能與(AND)門33處的啟動失敗檢測。一旦來自輸出D的磁通量幅值信號有效時，該信號可用來確定磁通量幅值是否處在規(guī)定范圍內(nèi)，以確定啟動失敗是否已經(jīng)發(fā)生。因此，控制信號32在規(guī)定的延遲后使能啟動檢測失敗指示，以使能磁通量幅值信號變?yōu)橛行В@得磁通量幅值水平范圍上的正確讀數(shù)(reading)。
由矢量旋轉(zhuǎn)器塊22的輸出D所提供的磁通量幅值被施加到比較器35和36的輸入端，以確定磁通量幅值信號是否處在給定范圍內(nèi)。優(yōu)選地，把磁通量幅值信號與高閾值FLXHITHR和低閾值FLXLOTHR進行并行比較，以立即確定磁通量幅值是否處于由閥值FLXHITHR和FLXLOTHR所指定的范圍內(nèi)。閾值FLXHITHR和FLXLOTHR與磁通量幅值信號一起被分別施加到比較器35和36的比較器輸入端。在比較器35和36的輸出端上提供比較的結果。如果磁通量幅值低于高閾值FLXHITHR，則比較器35的輸出為邏輯零或低電平。如果磁通量幅值大于低閾值FLXLOTHR，則比較器36的輸出也為邏輯零或低電平。在正常啟動序列中，比較器35和36的輸出都是零，并且不產(chǎn)生啟動失敗檢測指示。該比較在經(jīng)過一定時間間隔(可配置的)后被執(zhí)行。這樣做是為了保證用于正常(normal)磁通量建立的足夠時間。
如果磁通量幅值大于高閾值FLXHITHR，則比較器35的輸出被設置為邏輯“1”或高電平，以指示磁通量幅值超出高磁通量閾值的限度。如果磁通量幅值低于低閾值FLXLOTHR，則較器36的輸出被設置為邏輯“1”或高電平，以指示磁通量幅值超出低磁通量閾值的限度。如果比較器35和36的任一個的輸出產(chǎn)生邏輯“1”或高電平，則指示啟動失敗檢測。
現(xiàn)參考圖4A-4C，根據(jù)本發(fā)明的示例性結果例示在圖表41-43中。圖4A中的圖表41示出了對于電機電流、所計算的轉(zhuǎn)子角度和所計算的磁通量的正常啟動的結果。圖4B中的圖表42例示了啟動失敗的檢測。在該例中，電機軸被卡住，并且磁通量幅值超出閾值限度，導致電機停止運轉(zhuǎn)。在圖4C的圖表43中，電機軸從一開始就被卡住，并產(chǎn)生了啟動失敗檢測。根據(jù)本發(fā)明的一個特征，開始自動重啟以試圖確定被卡住的軸是否已經(jīng)自由，或者鎖定情況是否已經(jīng)被排除。在圖4C例示的圖表43中，三次自動啟動嘗試在點A、B和C處進行，而在點C處重啟嘗試之前釋放電機軸。因此，在第三次嘗試重啟電機時，該軸沒有被卡住，并且電機能夠如常啟動和運轉(zhuǎn)。在每次重啟嘗試的情況下，對照高閾值FLXHITHR和低閾值FLXLOTHR測量磁通量幅值，以確定電機軸是否被卡住或是自由的。
在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中可能有多個變量，包括改變自動重啟嘗試的次數(shù)，改變重啟嘗試之間的延遲時間，改變在重啟嘗試期間提供給電機的功率等。例如，在本發(fā)明的一個實施例中，一旦檢測到啟動失敗，下一次自動重啟能把更高的啟動電流水平施加給電機，以嘗試釋放被堵住的軸。例如，能夠根據(jù)應用和環(huán)境來配置所施加的電流量和時間周期，以試圖恢復電機軸的運行。
例如，磁通量幅值參數(shù)由于下列原因發(fā)生變化，即，在時間上隨著電機驅(qū)動系統(tǒng)使用年限增加，或由于環(huán)境條件導致的惡化，或經(jīng)受高負載或嚴酷環(huán)境。當電機驅(qū)動系統(tǒng)老化時，可以改變啟動電流限度閾值，以適于電機驅(qū)動系統(tǒng)，使得電機驅(qū)動系統(tǒng)中的啟動失敗檢測能夠繼續(xù)如常運行。
而且，當重啟時，脈沖、或更具體的施加到電機的、可以具有任意波形的重試能量(energy)能以多種不同配置進行改變。例如，重啟脈沖或重試的次數(shù)可改變，使得在觀察到啟動失敗之前可以嘗試三次重啟。脈沖之間的時間周期可改變，例如在重啟嘗試之間可使用更長或更短的間隔。可以改變脈沖或重試的持續(xù)時間，使得更長或更短的脈沖被施加給電機，以提供更多或更少的電流和轉(zhuǎn)矩。
在本發(fā)明的另一變體中，高閾值或低閾值能夠在硬件中進行預設，或是可編程的。例如，如果電機用在不同應用中，或者要經(jīng)受用于啟動的變動條件，則可以基于手動設置或自動感知把可選的一系列閾值提供給比較器。
雖然本發(fā)明已經(jīng)關于其特殊實施例進行了描述，但是對于本領域技術人員而言許多其它的改變和修改以及用途將是顯而易見的。因此，優(yōu)選的，本發(fā)明不受限于這里的具體公開內(nèi)容，僅受限于所附的權利要求。
權利要求
1.一種用于檢測電機驅(qū)動系統(tǒng)中的啟動失敗的電路，其包括電機磁通量幅值信號產(chǎn)生器，其用于基于電機磁通量或轉(zhuǎn)子角度估計而產(chǎn)生電機磁通量幅值信號；比較器，其具有多個輸入端，其中第一輸入端被耦接到所述產(chǎn)生器，用于接收所述幅值信號，以及輸出端，用于在所述多個輸入端的兩個或多個輸入端之間產(chǎn)生表示比較結果的信號；所述多個輸入端中的第二輸入端，其被耦接到參考值，用于與所述幅值信號的比較；以及所述比較器輸出，當所述幅值信號高于或低于所述參考值時，所述比較器輸出可操作地進行指示，由此指示啟動失敗。
2.根據(jù)權利要求1所述的電路，其中，所述參考值是低閾值，并且當所述幅值信號低于所述低閾值時，所述比較器產(chǎn)生輸出進行指示。
3.根據(jù)權利要求1所述的電路，其中，所述參考值是高閾值，并且當所述磁通量幅值信號高于所述高閾值時，所述比較器輸出進行指示。
4.根據(jù)權利要求1所述的電路還包括另一個比較器，所述比較器具有多個輸入端，所述磁通量幅值信號被施加給所述另一個比較器的所述輸入端之一；以及另一個參考值，其被施加到所述另一個比較器的第二輸入端，以產(chǎn)生在所述磁通量幅值信號和所述另一個參考值之間的所述比較的第二指示。
5.根據(jù)權利要求4所述的電路還包括或OR門電路，其被耦接到所述比較器的所述輸出端，并且如果所述比較器的任一個產(chǎn)生啟動失敗信號，則所述或門電路可操作地產(chǎn)生啟動失敗信號。
6.根據(jù)權利要求1所述的電路還包括被耦接到所述比較器的所述輸出端的門電路，用于選擇性地允許或阻止所述比較器輸出信號的通過。
7.根據(jù)權利要求6所述的電路還包括被耦接到所述門電路的使能信號，用于選擇性地允許或阻止所述比較器輸出信號的通過。
8.根據(jù)權利要求7所述的電路，其中，在所述磁通量幅值信號已變?yōu)橛行е?，所述使能信號可操作地使能所述門電路。
9.根據(jù)權利要求1所述的電路還包括啟動產(chǎn)生電路，用于把啟動重試能量提供給所述電機，在啟動失敗的檢測之后，所述啟動重試產(chǎn)生電路可操作地把啟動能量提供給所述電機，以嘗試重啟所述電機。
10.根據(jù)權利要求9所述的電路，其中，提供給所述電機的所述啟動重試能量具有可配置的持續(xù)時間。
11.根據(jù)權利要求9所述的電路，其中，在檢測到啟動失敗之后，可選擇的啟動重試的次數(shù)被施加給所述電機。
12.根據(jù)權利要求9所述的電路，啟動重試之間的所述間隔是可配置的。
13.一種用于檢測電機驅(qū)動系統(tǒng)中的啟動失敗的方法，其包括產(chǎn)生磁通量幅值信號，其從電機磁通量或轉(zhuǎn)子角度估計被獲得；把所述磁通量幅值信號與參考值進行比較，以產(chǎn)生啟動失敗指示；以及當產(chǎn)生啟動失敗指示時，停止所述電機的啟動。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法還包括當檢測到啟動失敗時重新初始化所述電機驅(qū)動系統(tǒng)。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法還包括在檢測到啟動失敗后嘗試重啟所述電機。
16.根據(jù)權利要求13所述的方法還包括把所述磁通量幅值信號與作為所述參考值的低閥值進行比較，并且當所述磁通量幅值信號低于所述低閾值時指示啟動失敗。
17.根據(jù)權利要求13所述的方法還包括把所述磁通量幅值信號與作為所述參考值的高閾值進行比較，并且當所述磁通量幅值信號大于所述高閾值時指示啟動失敗。
18.根據(jù)權利要求13所述的方法還包括把所述磁通量幅值信號與另一參考值進行比較，以確定啟動失敗是否已經(jīng)發(fā)生。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法還包括結合所述參考值的所述比較，以獲得在所述參考值之間的范圍，其中，如果所述磁通量幅值信號超出所述范圍，則指示電機啟動失敗。
20.根據(jù)權利要求13所述的方法還包括在檢測到啟動失敗后把啟動重試提供給所述電機。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法還包括改變所述啟動重試的所述持續(xù)時間。
22.根據(jù)權利要求20所述的方法還包括在啟動失敗的檢測之后把可選的啟動重試的次數(shù)提供給所述電機。
23.根據(jù)權利要求22所述的方法還包括在啟動失敗的檢測之后，對施加到所述電機的啟動重試之間的時間間隔進行配置。
24.一種用于檢測電機啟動失敗的系統(tǒng)，其包括裝置，其用于基于電機磁通量或轉(zhuǎn)子角度估計而產(chǎn)生磁通量幅值信號；比較器，其被耦接到所述裝置，用于接收所述磁通量幅值信號，所述比較器具有參考值輸入端，由此，所述比較器輸出表示所述磁通量幅值信號和所述參考值之間的比較的信號；以及停止部，其被耦接到所述比較器輸出端，并基于所述比較器輸出而可操作地停止所述電機驅(qū)動的啟動。
25.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)還包括重啟部，其用于在啟動失敗的檢測之后重新初始化和重啟所述電機驅(qū)動系統(tǒng)。
26.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中，所述參考值是可編程的。
27.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)，其中，所述裝置、比較器和啟動失敗指示在軟件中被執(zhí)行。
28.根據(jù)權利要求24所述的系統(tǒng)還包括用于重啟所述電機的重啟產(chǎn)生組件，在啟動失敗的檢測之后，所述重啟產(chǎn)生組件可操作地把能量提供給所述電機。
29.根據(jù)權利要求28所述的系統(tǒng)，其中，所述重啟產(chǎn)生組件是可配置的，以便在重啟失敗的檢測之后，改變提供給所述電機的所述重啟能量的所述持續(xù)時間。
30.根據(jù)權利要求28所述的系統(tǒng)，其中，在重啟失敗的檢測之后，所述重啟產(chǎn)生組件可操作地把多次重啟嘗試施加給所述電機。
31.根據(jù)權利要求30所述的系統(tǒng)，其中，在重啟失敗的檢測之后，所述重啟產(chǎn)生組件可操作地在施加給所述電機的重啟之間選擇性地設置時間間隔。
全文摘要
一種啟動失敗檢測系統(tǒng)，其基于磁通量幅值信號值提供電機啟動失敗的指示。該磁通量幅值信號由電機磁通量估計與轉(zhuǎn)子角度估計相結合而獲得。該磁通量幅值信號值與高閾值和低閾值進行比較，并且如果磁通量幅值信號值超出由高閾值和低閾值所確定的范圍，則指示啟動失敗。電機驅(qū)動系統(tǒng)可以被設置成在檢測到電機驅(qū)動失敗時嘗試重啟，而用戶可選擇重試電流、持續(xù)時間和重試的總次數(shù)。
文檔編號H02P6/20GK1829068SQ200610007680
公開日2006年9月6日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權日2005年2月25日
發(fā)明者何英賢 申請人:國際整流器公司