CN100557913C - 控制内部永久磁体电机的方法、提供起动转矩和发电的方法和*** - Google Patents

Abstract

一种控制具有转子和定子的内部永久磁体电机的方法。测量和旋转定子端信号以便获得同步参考系电流信号。根据利用转子产生的并包括在电流信号中的阻抗估计转子的位置。所述估计的转子位置用来控制所述电机。使用所述方法的交流发电机-起动机***可以提供高的起动转矩并在宽的速度范围内发电，同时提供可使用的效率。

Description

控制内部永久磁体电机的方法、提供起动转矩和发电的方法和***

技术领域

本发明一般地涉及内部永久磁体(IPM)电机，更具体地说，涉及在未利用位置传感器来估计转子位置的情况下对IPM电机的控制。

背景技术

交流发电机-起动机(alternator-starter)***可以在车辆中用来为发动机启动而转动发动机曲轴，并且还可以用来产生用于车辆电气辅助负载(亦称作旅馆负载)的电力。在某些发动机中，通过″运转和熄火″操作，就是说，通过根据排放物和汽油消耗量来开启发动机和关闭发动机，来减少汽油消耗量和排放物。这样的发动机在市区停停走走的行驶过程中可能需要重复启动。发动机的启动转矩一般需要比用于驱动该车辆的转矩高得多，尽管是在较短的持续时间内高得多。另一方面，需要为在从发动机怠速至发动机最大速度的宽的发动机运转范围内发电提供保证。

市场上可以购买到若干种交流发电机-起动机***。例如，这样的***可以基于改进的传统伦德尔交流发电机、感应电机、开关磁阻电机、或强磁通IPM电机。这样的***有缺点。例如，某些基于伦德尔的交流发电机有效率低的问题。基于感应电机的***可能提供差的转矩密度，并且在为在宽的速度范围内发电提供保证方面可能有困难。开关磁阻***也提供差的转矩密度和运转效率，并且具有热缺陷。虽然某些永久磁体***提供良好的转矩密度，但是，在高速情况下与高磁通相联系的高自旋损耗会降低它们的运转效率。在发生电故障，还会降低这样的***的可靠性。

发明内容

在一个实施例中，本发明针对一种控制具有转子和定子的IPM电机的方法。测量定子端信号以便获得测量信号。旋转测量信号以便获得同步参考系电流信号。根据利用转子产生的并且包含在所述电流信号中的阻抗估计转子位置，而所述估计的转子位置用来控制所述电机。

在另一个实施例中，本发明针对一种利用交流发电机-起动机***为发动机动力车辆提供起动转矩和发电的方法。测量并交流发电机-起动机***的IPM电机的定子端信号并将其进行矢量旋转，以便获得同步参考系电流信号。所述方法包括：在所述电流信号中捕获由IPM电机的转子产生的阻抗；根据所述阻抗估计转子的位置；和根据估计的转子位置控制所述IPM电机。在电机低速情况下利用注入定子绕组的高频信号捕获阻抗。

在又一个实施例中，用于发动机动力车辆的交流发电机-启动机***包括具有定子和凸极转子的内部永久磁体(IPM)电机。控制器：测量定子端信号并对其进行矢量旋转以便获得同步参考系电流信号，在所述电流信号中捕获由所述转子产生的阻抗，根据所述阻抗估计转子的位置，和根据估计的转子位置控制所述电机。

从下文中提供的详细说明将明白本发明的具有应用可能性的其他领域。应该明白，所述详细说明和具体实例，虽然示出本发明的示范性实施例，但是，仅仅是为说明的目的设计的，而不是想要限制本发明的范围。

附图说明

从详细说明和附图将更充分地理解本发明，附图中：

图1是按照本发明一个实施例的发动机动力车辆的交流发电机-起动机***的示意图；

图2是按照本发明一个实施例的发动机动力车辆的交流发电机-起动机***的示意图；

图3是图2的交流发电机-起动机***的逆变器和电机的示意图；

图4是按照本发明一个实施例的IPM电机的剖面图；

图5是按照本发明一个实施例的交流发电机-起动机控制***的示意图；和

图6是按照本发明一个实施例的交流发电机-起动机控制***的位置估计模块的示意图。

具体实施方式

实质上，以下对本发明的不同实施例的描述仅仅是示范性的，而绝不是用来限制本发明、其应用或使用。

图1中用标号20概括地表示发动机动力车辆的交流发电机-起动机***的实施例。启动机-交流发电机电机24由电池组28供电，例如，电池组28可以是42伏电池组。***20是皮带传动交流发电机-起动机(BAS)***，因而包括电机24和发动机32之间的带轮/皮带单元30。在另一个实施例中，***20可以是集成启动机发电机(ISG)***，其中电机24直接连接到发动机32。电机24提供低速状态下发动机启动转矩和发动机32的整个速度范围内的发电。

图2中概括地用标号120表示发动机动力车辆的交流发电机-起动机***的另一个实施例。例如，电池组122是连接到逆变器126的42伏电池组。逆变器126把电池组122的直流电压转换成用于输入到电机130的交流电压。电机130提供用于起动发动机134的启动转矩并且还提供用于车辆旅馆负载的发电。例如，电机130是一种呈现低磁通和高凸极性的IPM电机，如下面进一步描述的。在ISG***中电机130可以直接结合到发动机134，或者象BAS***中那样，电机130可以是皮带传动的，如先前参照图1所描述的那样。

控制器138为电机130和***120提供无位置传感器控制。控制器138利用通过电压检测140和电流检测144测定的电压和电流来估计电机130的转子位置。控制器138把估计的转子位置用于关于低速发动机起动和通过电机130高速发电两者的最佳效率控制。

图3中更加详细地示出逆变器126。逆变器126包括例如Hexpak模块(由El Segundo，CA的International Rectifier Corporation制造)中的6个MOSFET开关160和关联的门驱动电路(未示出)。

图4中更详细地示出电机130。电机130包括由气隙216隔开的转子208和定子212。定子212包括绕组214并且可以是与例如用于感应电机的定子相同或类似的短节距分布式绕组定子。转子208包括在转子208的缝隙或空穴224内的永久磁体220。磁体220是注射成形的，尽管也可以使用其它类型的磁体。

转子缝隙224和磁体220分布在多个屏障(亦称层)228中，例如，分布在3层中，如图4中所示，以便增大电机凸极性。一般说来，在电机凸极性高的场合，可以把气隙216中的磁通保持在弱状态。例如，在把磁体220注入转子208之后，将转子208磁化。参考以下转让给本申请的受让人的美国专利申请：2001年9月14日提交的美国专利申请No.09/952,319；2002年5月7日提交的美国专利申请No.10/140,918；2002年3月1日提交的美国专利申请No.10/087,236；和2003年5月8日提交的美国专利申请No.10/431,744，通过引用把这些专利申请的公开内容全部包括在本文中。

将屏障228的形状和布局配置成例如使转矩达到最大值而将转矩波动减到最小。可以在上述专利申请中获得例如关于电机130中的磁化和将转矩波动减至最小的附加信息。使离开转子208的外表面232足够远使得它们内的任何磁性材料难于或不可能磁化的那些转子空穴224没有磁性材料。将气隙216中的磁通保持在弱状态，以便降低自旋损耗并且减小故障的可能性。

图5中概括地用标号300表示交流发电机-起动机控制***的实施例。转矩命令T_e ^*被输入到控制***300并且由转矩限制器模块304处理。模块304根据可用的DC链路电压V_dc和估计的转子角速度ω_e来限制所述转矩命令T_e ^*。按照下面进一步描述的方式估计所述角速度ω_e。模块304输出修改的转矩命令T_e ^**。如下面进一步描述的那样产生的修改的转矩命令T_e ^**和定子磁通命令ψ^* _s用作电流命令计算模块308的指标，以便产生d轴和q轴定子电流命令l_d ^*和l_q ^*。电流命令计算模块308产生用于发动机起动和用于发电操作的最佳效率控制参数。

把命令I_d ^*和l_q ^*输入到同步电流调节和动态过调制模块312，以便在同步参考系中产生电压命令V_d ^*和V_q ^*。同步至静止转换模块316利用估计的转子角位置θ_r对命令电压V_d ^*和V_q ^*进行矢量旋转。如下面进一步描述的，可以在不利用位置传感器的情况下估计所述转子角位置θ_r。

将例如V_injcos ω_injt的高频注入信号注入由转换模块316输出的静止电压(其中ω_inj是大约1KHz)，以便产生静止系命令电压V_α ^*和V_β ^*。把电压V_α ^*和V_β ^*输入到脉宽调制(PWM)逆变器320，脉宽调制逆变器320把交流三相电压加到高凸极性低通量内部永久磁体(IPM)电机324的定子绕组，如先前参照图4所描述的。

测量定子端相电流和相电压(例如如先前参照图2所论述的那样进行检测)，并且通过三相至二相转换模块328对其进行处理。模块328输出静止系电流I_ds ^s和I_qs ^s以及电压V_d ^s和V_q ^s。静止至旋转系转换模块332利用估计的转子角位置θ_r来产生同步参考系反馈电流I_ds ^e和I_qs ^e。如下面进一步描述的，无位置传感器估计模块336的实施例利用命令的d轴和q轴电压V_d ^*和V_q ^*、反馈电流I_ds ^e和I_qs ^e以及初始角速度ω_e-init来估计转子位置θ_r和角速度ω_e。

电压幅度模块340根据命令的电压V_d ^*和V_q ^*计算定子电压的幅度V_mag。磁场削弱模块344利用定子电压幅度V_mag和预定的基准电压V_ref来产生定子磁通ψ^* _s。启动/重新启动模块348使用在静止参考系中测量的定子端电压V_d ^s和V_q ^s并且估计初始角速度ω_{e_init}。还可以假设可在另一个实施例中使用估计初始角速度ω_{e_init}的另一种方法。

图6中更详细地示出无位置传感器估计模块336。模块336利用两种方法来根据命令电压和反馈电流估计转子位置和角速度。具体地说，模块336包括用于在电机运转的零速和低速条件下估计转子电位置θ_r的低速模块420。高速模块424用于在电机运转的高速条件下估计转子位置。下面进一步描述模块420和424。转变模块428把模块420和424的输出432和436合并为转子速度ω_e的函数，可以如下面进一步描述的那样获得所述函数的值，以便产生位置误差信号440。位置/速度观测器模块444利用误差信号440来估计转子位置θ_r和角速度ω_e。

更具体地说，把反馈电流i_qs ^e和i_ds ^e(以输入电流i^e _dq的形式示于图6中)以及命令电压V_d ^*和V_q ^*(以输入电压V^e _dq的形式示于图6中)输入到无位置传感器估计模块336。在低速模块420中，通过二阶带通滤波器446处理输入电流i^e _dq(在同步参考系中)，以便产生信号448。还通过二阶低通滤波器450处理电流i^e _dq，以便产生信号452，下面进一步描述。

块454提供具有信号448的在q轴的虚部的信号456。电机324的凸极性使在电机324的定子端处测量的信号的电抗以转子位置的函数的形式改变。信号456的虚部捕获如参照图5所描述的那样被注入定子电压(并且在块332与定子电流一起被矢量旋转)的注入信号V_inj cos ω_injt的高频阻抗。在块460，将信号456乘以信号sin ω_injt，从而在信号464中产生DC值。在块468，将信号464乘以增益：

$\frac{-2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{inj}}{L}_d{L}_q}{V_{\mathrm{inj}}(L_d-L_q)}$

其中ω_inj代表注入的信号的频率，L_d和L_q代表d轴和q轴电感，而V_inj代表注入的信号的电压。输出信号432包括提供给转变模块428的转子位置估计值。

现参见高速模块424，把同步参考系命令电压V^e _dq与下面将进一步描述的其他输入信号一起输入到求和块472。在块480处理由块472输出的信号476，以便产生估计的同步定子电流信号482。经由块480的处理过程基于定子电压方程，具体地说，I＝V/(Ls+R)，其中I代表定子电流，V代表定子电压，L代表定子电感，而R代表定子电阻。在块484，按照V＝jω_eLI确定电压误差信号，从求和块472减去所述电压误差信号，其中可以从启动/重新启动模块348获得角速度ω_e的值和/或由位置/速度观测器模块444估计角速度ω_e的值。把定子电流信号482输入到求和块488。如上面所描述的，电流信号452是由低通滤波器450输出的。滤波器450移除高频注入信号V_injcosω_injt。从求和块488减去滤波后的信号452，以便产生信号490，将信号490输入到比例积分(P1)控制块494，以便产生代表电压相量值的信号496。在块498处理信号496，以便产生包括如上所述提供给转变模块428的转子位置估计值的信号436。还把信号496反馈到求和块472，在求和块472，从命令电压V^e _dq减去信号496。

上述控制方法可以用来控制前述IPM电机，以便以优化的效率完成发动机启动，并且以最大功率和优化的效率发电。所述电机具有高的转矩密度，因此允许减小***体积和质量。因为上述电机产生相对较低的磁通，所以降低了自旋损耗并且电机运转是容错的。上述电机的构造很适合于批量生产，从而降低了***成本。上述***可以提供高启动转矩和在宽的速度范围内的发电，同时还提供可供使用的效率。上述控制器利用所述电机的特征来提供有效的操作。因为在估计模块中未使用位置传感器，所以改善了可靠性并且降低了成本。与其它***(包括但是不限于使用伦德尔爪极式交流发电机、感应电机、开关磁阻电机和/或其它永久磁体电机的***)对比，上述***提供改善的性能。在高速情况下，所述***利用低的电池组电压有效地以良好的效率提供高的发电功率，从而减少能量耗散因而提高了每加仑汽油行驶英里数。可以在没有很大的电池组排流以及不超过电池组功率限制的情况下进行重复的启动。

现在，从以上的描述，本专业的技术人员可以理解，可以以各种各样的形式来实现本发明的范围宽广的教导。因此，虽然已经联系本发明的特定的实例描述了本发明，但是，不应该因此限制本发明的真实的范围，因为根据对附图、说明书和以下权利要求书的研究，本专业的技术人员将明白其它修改。

Claims (18)

1.一种控制具有转子和定子的内部永久磁体电机的方法，所述方法包括：

测量定子端信号以便获得测量信号；

矢量旋转所述测量信号以便获得同步参考系电流信号；

根据利用所述转子产生的并包括在所述电流信号中的阻抗来估计转子位置；和

利用所估计的转子位置来控制所述电机。

2.如权利要求1所述的方法，其中还包括：

对同步参考系命令电压信号进行矢量旋转，以便获得静止电压；

把高频信号注入所述静止电压；和

对所述静止电压进行脉宽调制，以便获得所述定子端信号。

3.如权利要求2所述的方法，其中，估计转子位置的步骤包括：

对所述同步参考系电流信号进行滤波，以便获得具有在q轴上的虚部的信号；

把所述虚部乘以一个信号，该信号的频率与所述注入的高频信号的频率相同，以便获得DC值；和

把增益应用于所述DC值。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述增益包括：

$\frac{-2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{inj}}{L}_d{L}_q}{V_{\mathrm{inj}}(L_d-L_q)}$

其中ω_inj代表所述注入的高频信号的频率，L_d和L_q代表d轴和q轴电感，而V_inj代表所述注入的高频信号的电压。

5.如权利要求4所述的方法，其中，估计转子位置包括：

利用同步参考系命令电压信号来估计同步定子电流；和

利用所述估计的同步定子电流来估计所述转子位置。

6.如权利要求5所述的方法，其中利用所述同步参考系命令电压信号的步骤包括：

按照V＝jω_eLI把误差信号应用于所述同步参考系命令电压信号，以便获得修正的电压，其中ω_e代表角速度；和

按照I＝V/(Ls+R)处理所述修正的电压，以便获得所述估计的同步定子电流，

其中I代表定子电流，V代表定子电压，L代表定子电感，而R代表定子电阻。

7.如权利要求6所述的方法，其中利用所述估计的同步定子电流的步骤包括：

对所述同步参考系电流信号进行滤波，以便移除所述高频信号；

把滤波后的同步参考系电流信号与所述估计的同步定子电流相加，以便获得相加的电流信号；和

利用比例积分控制器控制所述相加的电流信号，以便估计所述转子位置。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述估计是在没有利用转子位置传感器的情况下进行的。

9.如权利要求1所述的方法，其中还包括把多个磁体放入所述转子内的多个缝隙中并使所述缝隙中的若干缝隙空着，以便产生所述阻抗。

10.一种利用交流发电机-起动机***为发动机动力车辆提供起动转矩和发电的方法，所述方法包括：

测量所述交流发电机-起动机***的内部永久磁体电机的定子端信号并对其进行矢量旋转，以便获得同步参考系电流信号；

在所述电流信号中捕获由所述内部永久磁体电机的转子产生的阻抗；

根据所述阻抗估计所述转子的位置；和

根据所述估计的转子位置控制所述内部永久磁体电机；

在所述内部永久磁体电机的低速情况下利用注入内部永久磁体电机的定子中的高频信号来捕获所述阻抗。

11.如权利要求10所述的方法，其中还包括：

把多个磁体分布在所述转子内的多个缝隙中，以便形成屏障；和

使所述缝隙中的若干缝隙空着。

12.如权利要求10所述的方法，其中还包括：

按照I＝V/(Ls+R)来捕获所述电机的高速状态下的所述阻抗，以便获得估计的同步定子电流，

其中I代表定子电流，V代表定子电压，L代表定子电感，而R代表定子电阻；和

利用比例积分控制器处理所述估计的同步定子电流，以便估计所述转子位置。

13.如权利要求12所述的方法，其中还包括把转子位置的低速估计值与转子位置的高速估计值合并，所述合并基于所述电机的速度。

14.一种用于发动机动力车辆的交流发电机-起动机***，所述***包括：

具有定子和凸极转子的内部永久磁体电机；和

控制器，所述控制器：

测量内部永久磁体电机的定子端信号并对其进行矢量旋转，以便获得同步参考系电流信号；

捕获所述电流信号中由所述转子产生的阻抗；

根据所述阻抗估计所述转子的位置；和

根据所估计的转子位置控制所述电机。

15.如权利要求14所述的交流发电机-起动机***，其中所述控制器：

利用第一算法捕获低速状态下的阻抗，并且利用第二算法捕获高速状态下的阻抗；和

根据所述电机的速度合并所述算法的输出，以便估计所述转子位置。

16.如权利要求15所述的交流发电机-起动机***，其中所述控制器利用注入所述定子的高频信号来捕获所述低速状态下的阻抗和同步参考系命令电压信号，以便捕获所述高速状态下的阻抗。

17.如权利要求14所述的交流发电机-起动机***，其中所述转子包括由缝隙中的多个磁体形成的多个屏障，并且使若干缝隙空着。

18.如权利要求14所述的交流发电机-起动机***，其中所述磁体包括注塑磁体。

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