專利名稱：用于確定ac電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置的電機(jī)控制器、ac電機(jī)系統(tǒng)和確定ac電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于確定AC電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置的電機(jī)控制器和確定AC電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置的方法。
背景技術(shù)：
AC電機(jī)被廣泛地使用在許多應(yīng)用中，包括諸如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電扇的消費(fèi)者應(yīng)用和諸如車窗升降器控制件、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的車輛應(yīng)用等。
AC電機(jī)系統(tǒng)通常包括電機(jī)和電機(jī)控制器，電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子，電機(jī)控制器用于控制被提供以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。為了確保對(duì)電機(jī)的良好控制，例如為了滿足特定的電機(jī)性能要求，電機(jī)控制器需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 諸如位置和速度變換器的位置傳感器以及這樣的傳感器需要的電纜和連接器增加了AC電機(jī)系統(tǒng)的大小、重量和復(fù)雜度，并且成為AC電機(jī)系統(tǒng)的故障源。為了消除這樣的位置傳感器，特別是對(duì)于小型低成本電機(jī)控制器，已經(jīng)對(duì)用于為在多種不同操作條件下的不同種類電機(jī)確定電機(jī)位置的無(wú)傳感器技術(shù)進(jìn)行了很多研究。 簡(jiǎn)單的技術(shù)使用在電機(jī)中生成的感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)(EMF)。然而，轉(zhuǎn)子停止或處于低速度時(shí)，在電機(jī)中生成的反電動(dòng)勢(shì)(EMF)不足以以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確估計(jì)。
更復(fù)雜的技術(shù)基于適當(dāng)參考信號(hào)的注入和AC電機(jī)對(duì)注入的參考信號(hào)的響應(yīng)的跟蹤，以確定轉(zhuǎn)子位置。關(guān)于大部分低速度和零速度無(wú)傳感器控制技術(shù)的基礎(chǔ)是電機(jī)的d軸和q軸特性的差異的存在d軸和q軸定義了 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。該差異被用于確定轉(zhuǎn)子位置并且被稱為凸極。電機(jī)特性可以包括例如電感或電阻。凸極電機(jī)是表現(xiàn)例如取決于轉(zhuǎn)子位置的d軸和q軸中的電感的差異的凸極的電機(jī)。在永久磁體(PM)電機(jī)中，有多個(gè)凸極源，例如，轉(zhuǎn)子固有的凸極、基于飽和的凸極(定子、齒)。 典型地，如所述，例如，在US專利申請(qǐng)no. 2006/0061319和US專利no. 6， 894， 454
中，通過將載波信號(hào)與參考電壓信號(hào)結(jié)合，高頻載波信號(hào)被注入到定子中，所述參考電壓信
號(hào)控制提供給AC電機(jī)的定子的功率。作為結(jié)果的高頻分量然后被電機(jī)控制器中的處理器
處理以確定轉(zhuǎn)子位置，所述高頻分量攜帶凸極位置信息并且是來(lái)自定子的反饋電流的一部
分。反饋電流也被反饋?zhàn)鳛榭刂破髦械目刂骗h(huán)路的一部分，以控制施加給定子的功率。 例如在電機(jī)負(fù)載的改變期間，由于載波信號(hào)和參考電壓信號(hào)以及控制環(huán)路的操
作，在電機(jī)中生成高頻諧波分量。已知的無(wú)傳感器控制方法不考慮在攜帶凸極位置信息的
高頻分量和在控制環(huán)路中生成的高頻諧波分量之間引起的干擾。這種干擾影響電機(jī)控制器
在確定轉(zhuǎn)子位置方面的性能。 因此，需要改善的電機(jī)控制器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了如在所附權(quán)利要求中描述的電機(jī)控制器、AC電機(jī)系統(tǒng)、確定AC電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置的方法、計(jì)算機(jī)程序和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。


參考附圖，現(xiàn)在將僅通過示例方式描述根據(jù)本發(fā)明的確定AC電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置的方法、AC電機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)控制器。 圖1是包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電機(jī)控制器的AC電機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意框 圖2是更加詳細(xì)地示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖1的電機(jī)控制器的一些元件的簡(jiǎn)化示意框圖；禾口 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在圖1的電機(jī)控制器中使用的凸極跟蹤觀測(cè)器的簡(jiǎn)化示意框圖。
具體實(shí)施例方式
將參考3相永久磁體同步(PMS)電機(jī)描述本發(fā)明。應(yīng)理解的是，本發(fā)明不限制于用于3相PMS電機(jī)，并且可以應(yīng)用到任何具有凸極的AC電機(jī)，例如2相AC電機(jī)、具有埋入電機(jī)內(nèi)的或表面安裝的永久磁體的PM電機(jī)、同步磁阻電機(jī)(SynRM)、開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)、AC感應(yīng)電機(jī)(ACIM)或AC直線電機(jī)。 首先參考圖l，根據(jù)本發(fā)明，AC電機(jī)系統(tǒng)2包括具有定子7和轉(zhuǎn)子9的AC電機(jī)6、用于提供功率給定子7的功率轉(zhuǎn)換器8和根據(jù)本發(fā)明的用于控制功率轉(zhuǎn)換器8并且確定轉(zhuǎn)子9的位置的電機(jī)控制器4。功率轉(zhuǎn)換器8耦合到AC電源(未示出)，并且具有耦合到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸出。為了說(shuō)明目的，在圖1中示出了 dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。
電機(jī)控制器4包括控制輸入12，該控制輸入12用于接收包括d軸上的電流控制信號(hào)分量i/和q軸上的電流控制信號(hào)分量iq*的控制信號(hào)。在控制輸入12的控制信號(hào)例如由生成轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求的主控制器生成，諸如在車輛應(yīng)用中的主車輛控制器或消費(fèi)品洗衣機(jī)應(yīng)用中的洗衣機(jī)控制器。電流控制信號(hào)分量id*和iq*在處理塊28中被處理，并且處理塊28的輸出是在d軸上和q軸上的電壓控制信號(hào)分量u/和uq*。根據(jù)一實(shí)施例的處理塊28包括合成元件20和22以及比例積分(PI)控制器24和26，合成元件20和22被配置用于從電流
控制信號(hào)分量C和iq*中減去電流控制信號(hào)分量的校正估計(jì)id—estim—。。瓶ted和iq—estim—。。 ected。
PI控制器24和26將電流控制信號(hào)分量的校正估計(jì)id—estim—。OTe。ted和iq—estim—。。，ted與電流控制信號(hào)分量id*和iq*比較，并且其差(或'誤差'信號(hào))被電機(jī)控制器4用來(lái)調(diào)整施加到功率轉(zhuǎn)換器8的控制信號(hào)，從而電流控制信號(hào)分量的校正估計(jì)id—estim—。。r^y和i"stim—。。m^d在閉合控制環(huán)路中被調(diào)整到電流控制信號(hào)分量i/和i二在實(shí)施例中處理塊28可進(jìn)一步包括限制元件30、32和補(bǔ)償元件34、36，限制元件30、32被配置以將電機(jī)控制器4的輸出處的功率控制信號(hào)限制為由通過功率轉(zhuǎn)換器8可實(shí)現(xiàn)的輸出功率確定的預(yù)定限制；補(bǔ)償元件34、36用于將d軸和q軸中的補(bǔ)償電壓合成到在PI控制器24和26的輸出處的電壓控制信號(hào)分量。補(bǔ)償電壓可以被增加以消除在d軸和q軸之間的任何相關(guān)性，有助于實(shí)現(xiàn)d軸和q軸電流的線性和獨(dú)立的控制。 在處理塊28的輸出處的d軸上和q軸上的電壓控制信號(hào)分量ud*和uq*被耦合到濾波器塊39，并且在濾波器塊39的輸出處的經(jīng)過濾波的信號(hào)被耦合到轉(zhuǎn)換元件50，轉(zhuǎn)換元件50被耦合到載波信號(hào)注入元件42。在轉(zhuǎn)換元件50中利用由位置確定元件或凸極提取元
6件18生成的校正的轉(zhuǎn)子角度位置9 。OTrated將經(jīng)過濾波的電壓控制信號(hào)分量Ud*和Uq*從dq
旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為a |3靜止坐標(biāo)系。載波信號(hào)注入元件42將高頻載波信號(hào)Uhf(t)只注入到經(jīng)轉(zhuǎn)換的d軸上的電壓控制信號(hào)分量u/并且提供a |3靜止坐標(biāo)系中的電壓控制信號(hào)分量，a |3靜止坐標(biāo)系中的電壓控制信號(hào)分量被耦合到空間矢量調(diào)制(SVM)44并且提供在電機(jī)控制器4的輸出13處的功率控制信號(hào)。在電機(jī)控制器4的輸出13處的功率控制信號(hào)被耦合到功率轉(zhuǎn)換器8，從而控制施加到定子7的功率。因此，在控制輸入12和輸出13之間提供了參考路徑(reference path)，包括處理塊28、濾波器塊39、轉(zhuǎn)換元件50和載波信號(hào)注入元件42，在參考路徑的注入節(jié)點(diǎn)，所述載波信號(hào)注入元件42將高頻載波信號(hào)uhf (t)注入到在參考路徑中提供的電壓控制信號(hào)分量。下面參考圖2更加詳細(xì)地描述載波信號(hào)注入元件42和濾波器塊39。 空間矢量調(diào)制(SVM)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且這里將不會(huì)更加具體地描述。
電機(jī)控制器4進(jìn)一步包括輸入14，耦合到ADC 10以用于接收來(lái)自功率轉(zhuǎn)換器8的測(cè)量電流信號(hào)；電流重構(gòu)元件16，用于從輸入14處的電流信號(hào)導(dǎo)出表示定子中的電流信號(hào)的反饋信號(hào)。在這里示出和描述的實(shí)施例中，AC電機(jī)6是3相電機(jī)，并且因此功率轉(zhuǎn)換器8是3相功率轉(zhuǎn)換器。因此，重構(gòu)元件16的功能是從測(cè)量電流信號(hào)中重構(gòu)定子中的電流信號(hào)，由于功率轉(zhuǎn)換器8的3相性質(zhì)，該重構(gòu)是必要的。定子中的電流信號(hào)包括產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量和產(chǎn)生磁通的分量以及載波信號(hào)電流分量。如在介紹中討論的，載波信號(hào)電流分量包括轉(zhuǎn)子位置信息。重構(gòu)元件16的另一功能是將接收的測(cè)量電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為a |3靜止坐標(biāo)系。因此，在重構(gòu)元件的輸出處的反饋信號(hào)包括在靜止坐標(biāo)系的a軸上的反饋信號(hào)電流分
和在靜止坐標(biāo)系的13軸上的反饋信號(hào)電流分 在由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供的操作說(shuō)明AN1930(7.6. 1部分)和操作說(shuō)明AN1931(4. 3. 2部分)中，給出了可以在根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)控制器4中使用的示例電流重構(gòu)元件的描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，電流重構(gòu)元件16可以被不同地構(gòu)造(例如，ia， ie可以通過直流總線電流的單分流(single shunt)測(cè)量而被重構(gòu))，從而提供定子電流的a |3靜止分 反饋信號(hào)電流分量i。和反饋信號(hào)電流分量ie被耦合到位置確定元件或凸極提取元件18。下面將參考圖2更加具體地描述位置確定元件18。位置確定元件18根據(jù)反饋信號(hào)的反饋信號(hào)電流分量i。和反饋信號(hào)電流分量ie生成表示轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào)。位置信號(hào)包括轉(zhuǎn)子角度位置的估計(jì)e^tim和校正的轉(zhuǎn)子角度位置e。。m。ted。另外，位置確定元件18生成轉(zhuǎn)子速度的估計(jì)"estim以及在d軸上的電流控制信號(hào)分量的校正估計(jì)id estif ted和在q軸上的電流控制信號(hào)分量的校正估計(jì)iq—estim—。。m。ted。電流控制信號(hào)分量的校正估計(jì)id—estim—emeeted和、estim—emeeted在合成元件20和22中與在控制輸入12處提供的電流控制信號(hào)分量i/和"*合成，從而提供反饋路徑以將表示定子中的電流信號(hào)的反饋信號(hào)耦合到控制輸入12，從而提供電流分量的閉環(huán)控制以控制提供給定子7的功率。因此，在輸出13處的功率控制信號(hào)取決于控制輸入12處的控制信號(hào)、作為閉環(huán)控制的一部分的反饋信號(hào)以及注入到參考路徑中的高頻載波信號(hào)CS。 現(xiàn)在參考圖2，其提供了濾波器塊39、載波信號(hào)注入元件42和位置確定元件18的更加具體的示意圖。 濾波器塊39包括濾波器元件38和40，濾波器元件38和40被配置為在包括高頻
7載波信號(hào)uhf (t)的頻率的頻率范圍內(nèi)對(duì)在參考路徑中的電壓控制信號(hào)分量ud*和uq*進(jìn)行濾波。濾波器元件38和40因此濾除或去除例如由于閉環(huán)控制的操作而引起的鄰近載波信號(hào)頻率或在載波信號(hào)頻率附近的任何諧波分量，從而電壓控制信號(hào)分量ud*和uq*的在載波信號(hào)頻率附近的頻譜是空的。在圖2中，濾波器元件38和40由帶阻濾波器(BSF) 38和40表示。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，濾波器元件38和40可以其他方式實(shí)現(xiàn)。例如，低通濾波器和高通濾波器的組合或以互補(bǔ)配置的帶通濾波器(輸入_BPF{輸入})。 然后在轉(zhuǎn)換元件50中，利用由位置確定元件18生成的校正的轉(zhuǎn)子角度位置9。。^。y，將經(jīng)過濾波的電壓控制信號(hào)分量u/和iC從dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為a |3靜止坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換元件50可以是載波信號(hào)注入元件42的一部分或者是如圖1和圖2所示的獨(dú)立元件。這種轉(zhuǎn)換元件在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。由于如下事實(shí)，即，估計(jì)的轉(zhuǎn)子角度位置^stim因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)(armature reaction)而被從實(shí)際位置偏移而校正的轉(zhuǎn)子角度位置已經(jīng)被校正以補(bǔ)償電樞反應(yīng)，校正的轉(zhuǎn)子角度位置e。。rre。y被用于轉(zhuǎn)換。下面更加詳細(xì)地描述電樞
反應(yīng)。然而，當(dāng)電樞反應(yīng)不是問題時(shí)，估計(jì)的轉(zhuǎn)子角度位置e^im可以被用來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換。 載波信號(hào)注入元件42包括用于生成高頻載波信號(hào)(uhf(t) = UM*sin("hft))的載波信號(hào)生成器52。期望的是，選擇載波信號(hào)的頻率盡可能地高，從而實(shí)現(xiàn)從控制信號(hào)的容易的譜分離。然而，頻率選擇必須考慮與功率轉(zhuǎn)換器8的切換頻率相比頻率一定不能太高的事實(shí)。因此，載波信號(hào)的頻率通常比參考路徑中的控制信號(hào)的頻率大幾十倍。例如，載波信號(hào)可以具有在500Hz到2000Hz的范圍內(nèi)的頻率。高頻載波信號(hào)被注入在d軸上，并且因此在d軸上的高頻載波信號(hào)的電壓分量是ud hf，并且在q軸上沒有電壓分量。因?yàn)樵赿q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，d軸電流分量是產(chǎn)生電磁場(chǎng)的電流并且q軸電流分量是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流，所以通過將在q軸上的注入電壓分量保持為零(或很小)，任何不想要的轉(zhuǎn)矩也被保持為很小。在轉(zhuǎn)換元件54中，利用由位置確定元件18生成的轉(zhuǎn)子角度位置的估計(jì)9 dim，將高頻載波信號(hào)分量從dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為a |3靜止坐標(biāo)系。由于在估計(jì)坐標(biāo)系中高頻耦合阻抗的極小存在，高頻載波信號(hào)的注入和控制信號(hào)電流的估計(jì)必須在估計(jì)坐標(biāo)系中被執(zhí)行，所以，轉(zhuǎn)子角度位置的估計(jì)9 ^im被用于轉(zhuǎn)換，其中該極小對(duì)應(yīng)于凸極跟蹤觀測(cè)器(以下描述的)將穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。 轉(zhuǎn)換元件54的輸出被耦合到合成元件56和58，從而在a軸和|3軸上的經(jīng)轉(zhuǎn)換的高頻載波信號(hào)分量與在a軸和P軸上的經(jīng)過濾波的電壓控制信號(hào)分量合成，以提供a |3靜止坐標(biāo)系中的電壓控制信號(hào)分量，該電壓控制信號(hào)分量定義了用于控制給定子7的功率的功率控制信號(hào)。 功率控制信號(hào)因此包括基于輸入12處的控制信號(hào)的電壓控制信號(hào)分量以及疊加的或注入的高頻載波信號(hào)分量。高頻載波信號(hào)感應(yīng)引起在定子7中的電流信號(hào)，該電流信號(hào)根據(jù)有效轉(zhuǎn)子凸極(根據(jù)轉(zhuǎn)子位置而變化)而被幅度調(diào)制。電壓控制信號(hào)分量和高頻載波信號(hào)分量在頻譜上被充分地分離，以不要彼此干擾。轉(zhuǎn)子位置信息可以從反饋信號(hào)中提取，該反饋信號(hào)從來(lái)自功率轉(zhuǎn)換器8的測(cè)量電流信號(hào)導(dǎo)出。 位置確定元件18包括轉(zhuǎn)換元件62，該轉(zhuǎn)換元件62用于利用由位置確定元件18生成的轉(zhuǎn)子角度位置的估計(jì)e^tim，將由電流重構(gòu)元件16提供的反饋信號(hào)電流分量i。和ie從a P靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。如上，由于在估計(jì)坐標(biāo)系中高頻耦合阻抗的極小存在，高頻載波信號(hào)的注入和控制信號(hào)電流的估計(jì)必須在估計(jì)坐標(biāo)系中被執(zhí)行，所以，轉(zhuǎn)子角度位置的估計(jì)e ^im被用于轉(zhuǎn)換，其中該極小對(duì)應(yīng)于凸極跟蹤觀測(cè)器(以下描述的)
將穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。轉(zhuǎn)換元件62的輸出是基于反饋信號(hào)的在q軸上的電流控制信號(hào)分量的估計(jì)i"stim，并且被耦合到合成元件64。在控制輸入12處提供的在q軸上的電流控制信號(hào)分量iq*被合成元件64從在q軸上的電流控制信號(hào)分量的估計(jì)iq，tini中減去，以提供下述的信號(hào)，即，該信號(hào)表示在電流控制信號(hào)的估計(jì)中的誤差，并且包括反饋信號(hào)中的高頻載波信號(hào)電流分量。合成元件64的輸出被饋送到包括合成元件68和濾波器元件66的提取元件合成元件64的輸出被饋送到合成元件68的一個(gè)輸入，并且經(jīng)由濾波器元件66被饋送到合成元件68的另一個(gè)輸入。在圖2中示出濾波器元件66被實(shí)現(xiàn)為帶阻濾波器(BSF)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以以其他方式實(shí)現(xiàn)濾波器元件66。例如，可以使用具有小相位偏移的高階帶通濾波器。 合成元件68從經(jīng)過濾波的信號(hào)減去在合成元件64的輸出處的信號(hào)，以從包括凸極信息或轉(zhuǎn)子位置信息的反饋信號(hào)中提取高頻載波信號(hào)分量。提取的高頻載波信號(hào)分量hf carrier = func (position—error)被傳遞到凸極跟蹤觀測(cè)器70或位置信號(hào)生成器，該凸極跟蹤觀測(cè)器70或位置信號(hào)生成器利用在提取的高頻載波信號(hào)分量中的轉(zhuǎn)子位置信息以生成轉(zhuǎn)子角度位置的估計(jì)e^tim和轉(zhuǎn)子速度的估計(jì)"estim。凸極跟蹤觀測(cè)器70的示例性實(shí)現(xiàn)被示出在圖3中。凸極跟蹤觀測(cè)器70包括幅度檢測(cè)器80和跟蹤濾波器82。幅度檢測(cè)器利用零差探測(cè)(homodying)處理，該處理是通過將信號(hào)與在相位和頻率方面與進(jìn)入的載波頻率同步的正弦信號(hào)相乘而進(jìn)行的對(duì)信號(hào)的解調(diào)。提取的高頻載波信號(hào)分量的檢測(cè)幅度直接與估計(jì)的位置誤差成比例。得到的信號(hào)被用作到跟蹤濾波器82的輸入，該跟蹤濾波器82提供轉(zhuǎn)子角度位置的估計(jì)e^im和轉(zhuǎn)子速度的估計(jì)"^tim。下面的公開出版物提供了關(guān)于凸極跟蹤觀測(cè)器的實(shí)現(xiàn)的更多信息B.P.Lathi， Modern Digitaland AnalogCommunication Systems, Oxford University Press, USA ;3 edition (1998年3月11日)，M. Mienkina， P.Pekarek， F. Dobes :56F80x Resolver Driverand HardwareInterface, Freescale Semiconductor, Inc. Application NoteAN 1942， R. D丄orenz，Observers and State Filters in Drives and PowerElectronics， Keynote paper,IEEE IAS 0PTM 2002， Brasov， Romania, 2002年5月16-18日，和G. Ch. Hsieh， J. C. Hung，Phase-lock looptechniques_a survey, IEEE Transaction on IE， vol. 43， No.6，1996年12月。 在合成裝置64中通過從在q軸上的電流控制信號(hào)分量的估計(jì)iqjStini中減去電流控制信號(hào)分量，根據(jù)本公開的電機(jī)控制器4增強(qiáng)了在q軸上的電流控制信號(hào)分量的估計(jì)i,^im中的DC分量和其他諧波分量的衰減。這使得更易于將攜帶轉(zhuǎn)子位置信息的高頻分量濾出。 另外，通過利用合成元件68和濾波器元件66而提取高頻載波信號(hào)分量，在載波信號(hào)的頻率附近的不期望的諧波信號(hào)被去除，使得在反饋信號(hào)中的諧波信號(hào)的相位失真減小，并且因此改善了凸極跟蹤觀測(cè)器70的控制響應(yīng)。 轉(zhuǎn)換元件60利用由位置確定元件18生成的轉(zhuǎn)子角度位置的估計(jì)e ^im，將由電流重構(gòu)元件16提供的反饋信號(hào)電流分量ia和ie從a 13靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。
由于如下事實(shí)，即，估計(jì)的轉(zhuǎn)子角度位置e^im因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)而被從實(shí)際位置偏移而校正的
轉(zhuǎn)子角度位置已經(jīng)被校正以補(bǔ)償電樞反應(yīng)，校正的轉(zhuǎn)子角度位置e。。rre。ted被用于轉(zhuǎn)換。下面更加詳細(xì)地描述電樞反應(yīng)。然而，當(dāng)電樞反應(yīng)不是問題時(shí)，估計(jì)的轉(zhuǎn)子角度位置e^im可
以被用來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換。在d軸上的電流控制信號(hào)分量的校正估計(jì)id estim 。。rre。y和在q軸上的
電流控制信號(hào)分量的校正估計(jì)iq—ratini—。。，^被提供在轉(zhuǎn)換元件60的輸出處。
在控制輸入12處提供的在q軸上的電流控制信號(hào)分量iq*也被耦合到負(fù)載校正元件72。凸極依賴于施加的負(fù)載。換句話，如果在AC電機(jī)6上的負(fù)載改變，則存在反過來(lái)影響AC電機(jī)6的凸極的電樞反應(yīng)的效應(yīng)。在q軸上的電流控制信號(hào)分量iq*與負(fù)載直接相關(guān)。由于轉(zhuǎn)子9對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)，負(fù)載校正元件72為轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置提供校正。負(fù)載校正元件72可以通過查找表的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，該查找表具有對(duì)于由電流控制信號(hào)分量iq*的不同值指示的大量不同負(fù)載的估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置的校正值的列表。在另一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載校正元件72可以包括存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)AC電機(jī)的參數(shù)，從而可以基于在負(fù)載校正元件72的輸入處的電流控制信號(hào)分量iq*實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置校正的值。
在實(shí)施例中，負(fù)載校正元件72執(zhí)行轉(zhuǎn)子角度位置的凸極跟蹤觀測(cè)器70估計(jì)e estim的相位補(bǔ)償。 一般地，調(diào)試過程被用于獲得相位補(bǔ)償表72。下面的公開出版物提供了與離線調(diào)試過程有關(guān)的更多信息JoachimHoltz and Lothar Springob :Identification andCompensation of TorqueRipple in High—Precision Permanent Magnet Motor Drives。
在3相永久磁體同步(PSM)電機(jī)的情形中，相位補(bǔ)償表72的值通過如下表示的分析計(jì)算式而獲得 9 c。mpensati。n = AfC T肌((i q* X Lq (i q) ) / W pn]) 等式1 其中 iq*是在q軸上的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流控制信號(hào)分量， Lq(iq)是與負(fù)載有關(guān)的交軸電感并且由電機(jī)制造商確定， Wpm是轉(zhuǎn)子永久磁體的磁通量。 諸如等式1那樣的分析計(jì)算式的使用避免了調(diào)試過程，并且只有磁通量的幅度值
和橫軸電感是必要的。對(duì)于其他類型的電機(jī)，可以導(dǎo)出相似的分析計(jì)算式。 在合成元件74處，由負(fù)載校正元件72提供的并且與在負(fù)載校正元件72的輸入處
的電流控制信號(hào)分量ij對(duì)應(yīng)的校正值被添加給在凸極跟蹤觀測(cè)器70的輸出處提供的轉(zhuǎn)子
角度位置的估計(jì)e^tim，從而提供校正的轉(zhuǎn)子角度位置e。。m。y。 應(yīng)當(dāng)理解的是，在可選實(shí)施例中，濾波器塊39和載波信號(hào)注入元件42可以和已知的位置確定元件一起使用，該已知的位置確定元件不包括如上所述的濾波器元件66、合成元件68和負(fù)載校正元件72。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，在負(fù)載電流瞬變的情形中，通過凸極跟蹤觀測(cè)器的提高的控制響應(yīng)和穩(wěn)定性，包括濾波器塊39、載波信號(hào)注入元件42和含濾波器元件66、合成元件68和負(fù)載校正元件72的位置確定元件的實(shí)施例與包括一個(gè)或多個(gè)如此元件的實(shí)施例相比，具有提高的性能。 總之，通過將濾波器元件設(shè)置于在注入高頻載波信號(hào)之前的參考路徑中，根據(jù)本公開的電機(jī)控制器確保在載波信號(hào)的頻率附近的不期望的頻率諧波分量被去除，這改善了相位失真并且減小了與載波信號(hào)的干擾，從而改善了攜帶凸極信息的高頻分量的提取并且因此改善了通過位置確定元件來(lái)確定轉(zhuǎn)子的位置的性能。 在具有濾波器元件的實(shí)施例中，通過從反饋信號(hào)中提取載波信號(hào)并且減去電流控制信號(hào)分量i。*，改善相位失真以及改善凸極跟蹤觀測(cè)器的響應(yīng)，進(jìn)一步提高了確定轉(zhuǎn)子位置的性能。 在具有負(fù)載校正元件的實(shí)施例中，可以對(duì)確定的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行校正以補(bǔ)償負(fù)載瞬變。 在圖1和2中所示的并且參考圖1和2描述的電機(jī)控制器4由用于執(zhí)行不同功能的一些塊或元件表示。塊可以由用于在控制器、微處理器或類似設(shè)備中的執(zhí)行的軟件實(shí)現(xiàn)。在如此的實(shí)施例中，電機(jī)控制器4可以是設(shè)備，或可以是一個(gè)或多個(gè)在整個(gè)設(shè)備上分布有不同功能的控制器、微處理器或類似設(shè)備的一部分。 在上面的描述中，高頻載波信號(hào)被注入dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸。應(yīng)當(dāng)理解的是，本
公開可以應(yīng)用到如下的配置中，即，在該配置中，高頻載波信號(hào)被注入到不同的旋轉(zhuǎn)系(例
如，旋轉(zhuǎn)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子相位偏移)或靜止坐標(biāo)系中。到靜止坐標(biāo)系中的注入技術(shù)是已知的，
并且例如當(dāng)注入是進(jìn)入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中時(shí)，由于凸極，產(chǎn)生了不同的電流電機(jī)響應(yīng)。 根據(jù)本公開的用于確定AC電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置的所述技術(shù)可以被用于在從零到中
等速度的范圍內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。在高速時(shí)，這種技術(shù)可以被使用，但是與注入技術(shù)相比，
上述介紹的反EMF技術(shù)在高速時(shí)更加有效。 在前面的說(shuō)明書中，本發(fā)明已經(jīng)參考其實(shí)施例的具體示例來(lái)描述。然而，明顯的是，在不脫離由所附權(quán)利要求提出的本發(fā)明的較寬保護(hù)范圍的情況下，可以做出多種修改和改變。
權(quán)利要求
一種電機(jī)控制器(4)，用于確定AC電機(jī)的轉(zhuǎn)子(9)的位置，所述電機(jī)控制器包括控制輸入(12)和輸出(13)，所述控制輸入(12)用于接收控制信號(hào)，所述輸出(13)用于提供功率控制信號(hào)，所述功率控制信號(hào)用于控制施加給所述AC電機(jī)的定子(7)的功率，所述控制輸入(12)和所述輸出(13)通過參考路徑耦合；輸入(14)，用于接收表示所述定子中的電流的反饋信號(hào)，所述輸入(14)通過反饋路徑耦合到所述控制輸入(12)；載波信號(hào)注入元件(42)，用于在注入節(jié)點(diǎn)將高頻載波信號(hào)注入到所述參考路徑中，所述電機(jī)控制器(4)被配置為根據(jù)所述控制信號(hào)、所述反饋信號(hào)和所述高頻載波信號(hào)生成所述功率控制信號(hào)；和位置確定元件(18)，用于根據(jù)所述反饋信號(hào)生成表示所述轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào)，所述反饋信號(hào)包括包含轉(zhuǎn)子位置信息的載波信號(hào)分量，所述電機(jī)控制器(4)的特征在于濾波器塊(39)，耦合在所述控制輸入(12)和所述參考路徑中的所述注入節(jié)點(diǎn)之間，用于在包括所述高頻載波信號(hào)頻率的頻率范圍內(nèi)，對(duì)在所述參考路徑中的信號(hào)進(jìn)行濾波。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)控制器(4)，進(jìn)一步包括處理塊(28)，耦合到所述控制輸入(12)和所述反饋路徑，用于接收所述控制信號(hào)和所述反饋信號(hào)，所述處理塊被配置為比較所述控制信號(hào)和所述反饋信號(hào)、并控制所述功率控制信號(hào)，使得在閉環(huán)控制下所述反饋信號(hào)趨向于所述控制信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電機(jī)控制器，其中所述濾波器塊(39)包括帶阻濾波器、帶通濾波器、以及低通濾波器和高通濾波器的組合的至少之一。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的電機(jī)控制器，其中所述位置確定元件(18)包括第一輸入，用于接收所述反饋信號(hào)(ia、ie);第二輸入，用于接收所述控制信號(hào)的分量(iq*);轉(zhuǎn)換元件(62)，耦合到所述第一輸入以用于根據(jù)所述反饋信號(hào)提供控制信號(hào)的估計(jì)，所述估計(jì)包括含轉(zhuǎn)子位置信息的載波信號(hào)分量；合成元件(64)，用于從所述控制信號(hào)的分量減去所述控制信號(hào)的所述估計(jì)，以提供包括所述載波信號(hào)分量的差控制信號(hào)；提取元件(66，68)，用于從所述差控制信號(hào)中提取所述載波信號(hào)分量，以提供提取的載波信號(hào)分量；禾口位置信號(hào)生成器(70)，用于根據(jù)所述提取的載波信號(hào)分量生成所述位置信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的布置，其中所述提取元件包括濾波器元件(66)和合成元件(68)，所述濾波器元件(66)用于在包括所述高頻載波信號(hào)頻率的頻率范圍內(nèi)對(duì)所述差控制信號(hào)進(jìn)行濾波，所述合成元件(68)用于從經(jīng)過濾波的差控制信號(hào)中減去所述差控制信號(hào)，以提供所述提取的載波信號(hào)分量。
6. 根據(jù)前面的權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的布置，進(jìn)一步包括負(fù)載校正元件(72)和合成元件(74)，所述負(fù)載校正元件(72)用于生成由于所述轉(zhuǎn)子對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)的、所述轉(zhuǎn)子的位置的校正值，所述合成元件(74)用于將所述校正值與所述位置信號(hào)合成以生成校正的位置信號(hào)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的布置，其中所述負(fù)載校正元件(72)包括用于接收所述控制信號(hào)的分量(iq*)的輸入；和查找表，所述查找表包含對(duì)于所述控制信號(hào)的分量(iq*)的不同值的不同校正值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的布置，其中所述負(fù)載校正元件(72)包括用于接收所述控制信號(hào)的分量(i。*)的輸入；和用于利用下面等式生成校正值的裝置其中—compensation是所述校正值iq*是所述控制信號(hào)分量，Lq(iq)是與負(fù)載有關(guān)的橫軸電感，Wpm是所述轉(zhuǎn)子(9)的磁體的磁通量。
9. 一種AC電機(jī)系統(tǒng)，包括AC電機(jī)(6)，具有定子(7)和轉(zhuǎn)子(9);功率轉(zhuǎn)換器(S)，用于向所述定子(7)提供功率；和如前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電機(jī)控制器(4)，用于確定所述AC電機(jī)(6)的所述轉(zhuǎn)子(9)的位置。
10. —種確定AC電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置的方法，包括在控制輸入(12)處接收控制信號(hào)；在輸出(13)處提供用于控制施加到所述AC電機(jī)的定子(7)的功率的功率控制信號(hào)，所述控制輸入(12)和輸出(13)通過參考路徑耦合；在輸入(14)處接收表示在所述定子中的電流的反饋信號(hào)，所述輸入(14)通過反饋路徑耦合到所述控制輸入(12);在注入節(jié)點(diǎn)將高頻載波信號(hào)注入到參考路徑中，其中所述功率控制信號(hào)根據(jù)所述控制信號(hào)、所述反饋信號(hào)和所述高頻載波信號(hào)而生成；禾口根據(jù)所述反饋信號(hào)生成表示所述轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào)，所述反饋信號(hào)包括包含轉(zhuǎn)子位置信息的載波信號(hào)分量，所述方法的特征在于通過耦合在所述控制輸入(12)和所述注入節(jié)點(diǎn)之間的濾波器塊(39)，在包括所述高頻載波信號(hào)頻率的頻率范圍內(nèi)，對(duì)在所述參考路徑中的信號(hào)進(jìn)行濾。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中生成表示所述轉(zhuǎn)子的位置的位置信號(hào)的步驟包括接收所述反饋信號(hào)(ia、ie);接收所述控制信號(hào)分量(iq*);根據(jù)所述反饋信號(hào)提供控制信號(hào)的估計(jì)，所述估計(jì)包括含轉(zhuǎn)子位置信息的載波信號(hào)分從所述控制信號(hào)的分量減去所述控制信號(hào)的所述估計(jì)，以提供包括所述載波信號(hào)分量的差控制信號(hào)；從所述差控制信號(hào)中提取所述載波信號(hào)分量，以提供提取的載波信號(hào)分量；禾口根據(jù)所述提取的載波信號(hào)分量生成所述位置信號(hào)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中提取的步驟包括在包括所述高頻載波信號(hào)頻率的頻率范圍內(nèi)對(duì)所述差控制信號(hào)進(jìn)行濾波；和從經(jīng)過濾波的差控制信號(hào)中減去所述差控制信號(hào)，以提供所述提取的載波信號(hào)分量。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10、11或12所述的方法，進(jìn)一步包括生成由于所述轉(zhuǎn)子對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)的、所述轉(zhuǎn)子的位置的校正值；并且將所述校正值與所述位置信號(hào)合成以生成校正的位置信號(hào)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中生成校正值的步驟包括接收所述控制信號(hào)的分量(iq*);和利用下面等式生成校正值，<formula>formula see original document page 4</formula> 等式1其中—compensation是所述校正值iq*是所述控制信號(hào)的分量，Lq(iq)是與負(fù)載有關(guān)的橫軸電感，Wpm是所述轉(zhuǎn)子(9)的磁體的磁通量。
15. —種計(jì)算機(jī)程序，包括程序指令，所述程序指令被用來(lái)當(dāng)所述程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求10到14的任何一項(xiàng)所述的方法的各步驟。
16. —種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，承載根據(jù)權(quán)利要求15所述的計(jì)算機(jī)程序。
全文摘要
一種電機(jī)控制器(4)，用于確定AC電機(jī)的轉(zhuǎn)子(9)的位置，該電機(jī)控制器包括控制輸入(12)，用于接收控制信號(hào)，輸出(13)，用于提供功率控制信號(hào)，所述功率控制信號(hào)用于控制施加給所述AC電機(jī)的定子(7)的功率；輸入(14)，用于接收表示所述定子中的電流的反饋信號(hào)?？刂戚斎?12)和輸出(13)通過參考路徑耦合，輸入(14)通過反饋路徑耦合到控制輸入(12)。載波信號(hào)注入元件(42)用于在注入節(jié)點(diǎn)將高頻載波信號(hào)注入在參考路徑中。電機(jī)控制器(4)被配置為根據(jù)控制信號(hào)、反饋信號(hào)和高頻載波信號(hào)生成功率控制信號(hào)。位置確定元件(18)根據(jù)反饋信號(hào)生成表示轉(zhuǎn)子位置的位置信號(hào)，該反饋信號(hào)包括包含轉(zhuǎn)子位置信息的載波信號(hào)分量。電機(jī)控制器(4)進(jìn)一步包括濾波器塊(39)，濾波器塊(39)被耦合在控制輸入(12)和參考路徑中的注入節(jié)點(diǎn)之間，用于在包括高頻載波信號(hào)頻率的頻率范圍內(nèi)，對(duì)在參考路徑中的信號(hào)進(jìn)行濾波。
文檔編號(hào)H02P21/14GK101779371SQ200780100205
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月20日
發(fā)明者彼得·巴拉佐維克, 羅曼·菲爾卡 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司