CN101796719B - 电机控制 - Google Patents

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Abstract

一种用于电机的控制***，包括设置用于执行控制过程的处理装置，控制过程包括检测施加至电机的电压和电机内的电流，并根据它们估算电机的旋转位置。***被进一步设置用于检测控制过程的至少一个参数，由此检测电机的停转状态。

Description

电机控制
技术领域
本发明涉及电机的控制，并且具体地涉及电机内的停转检测。本发明具体应用在永磁交流电机中，但是也可以被用在其他类型的电机中。
背景技术
为了控制电机，例如使用闭环转速控制或闭环电流控制，必须要知道电机的旋转位置。公知的是使用专门的位置传感器来检测电机的旋转位置。图1中示出了使用位置传感器的闭环转速控制***的简图。三相电机10的旋转位置由位置传感器12监测，其输出被用于通过转速计算算法14来确定电机转速W。***接收电机转速请求值W＊，通过比较器16将W＊与测量转速W相比较。测量转速和期望转速之间的差值或者叫转速误差被输入转速控制器18，其计算目标电流i＊，目标电流i＊是根据D电流矢量和Q电流矢量进行计算的，需要D电流矢量和Q电流矢量来将电机转速带向期望转速。这些都是电流比较器20的输入，电流比较器20还接收由换流器22根据电流传感器24测量的电机三相内的检测电流而生成的D电流和Q电流的测量值。电流比较器20输出电流误差，也就是测量电流和期望电流之间的差值，并将其输入电流控制器26。电流控制器26输出D电压指令值和Q电压指令值，这些指令值被输入到整流器28。整流器28将D电压指令和Q电压指令转换为相电压指令，也就是在电机的每一相内所需的电压。相电压指令被输入到PWM驱动器30，其将PWM电压施加至电机各相以生成指令电流。
对于多种应用可能都需要进行诊断，其能够检测出电机是否停转，也就是不再旋转，或者未响应通过它的电流而以足够的转速旋转。这可能是因为电机上的负载过高，或者因为电机已经由于某种物理干扰而被完全锁定。位置传感器可以被直接检查以确定电机是否正在旋转，例如如果位置传感器包括霍尔传感器，那么假如电机停转，它们将不会改变状态。
对于无传感器的位置确定***，位置传感器被去除并通过无传感器的定位算法，根据施加至电机的电压和电机内测量的电流的信息来确定位置。由于没有位置传感器，没有直接确定电机是否正在旋转的方法。因此为了监测停转就需要一种可选的检测方法。
如上所述，停转检测的基本要求是诊断能够可靠地检测到电机已锁定或以其他方式停转。停转电机状态的一个例子是施加至电机的负载大于电机能够产生的转矩，这就会导致电机转速下降到零附近。电机可能会非常缓慢地移动或者偶尔移动。如果去掉负载，电机就将正常运行。停转电机状态的另一个例子是转子已经例如由于机械结构内的碎片而被机械地锁定。电机将完全不旋转并且除非消除了锁定转子的原因，否则不太可能旋转。
已知的无传感器定位算法依赖于电机内产生的反电动势以允许确定旋转位置。在零转速或低转速下，将没有或只有很少的反电动势产生。因此当算法尝试运行而没有足够的反电动势水平时，在低转速下生成的位置通常都是错误的或者噪声很大。由位置信号得到的估算转速也因此噪声极大并且量值过高。估算的转速信号上存在的噪声水平过高，以至于即使借助信号的强力滤波，也无法允许可靠地使用阈值。因此这些已知的算法自身不适合用于检测停转状态。
发明内容
据此，本发明提供了一种用于电机的控制***，该***包括设置用于执行控制过程的处理装置，上述控制过程包括监测施加至电机的电压和电机内的电流，并根据它们确定电机的旋转位置，其中***被进一步设置用于监测控制过程的至少一个参数，由此检测电机的停转状态。
上述至少一个参数可以是在位置确定过程例如确定电机位置的算法中使用的一个参数。例如所述至少一个参数可以包括电机的估算转速、转速或加速度，或者施加至电机的电压，或者电机内测量的电流。可选地或附加地，至少一个参数可以包括在更广泛的电机控制中使用的参数，例如指令电流。在监测多个参数的情况下，可以在多个参数中只有一个处于预定范围内时检测停转状态，或者可以只在所有参数都处于各自的范围内时进行检测。
控制***可以被设置为重复地进行监测以用于检测停转状态或故障，并且被设置为只有在预定时段内停转状态或故障出现了预定次数时才确定已经发生停转。
控制***可以被设置用于响应于检测到停转状态而执行停转响应动作。例如停转响应动作可以包括提供警告，和/或产生预定的控制输入。
本发明某些实施例中的锁定转子诊断的优点在于，不需要另外的硬件来满足检测锁定或以其他方式停转的电机的安全需求。不用另外的硬件即可实现节约成本并且潜在地增加了***的可靠性。
附图说明
现在将参照其余的附图对本发明的仅作为示例的优选实施例进行描述，在附图中：
图2是根据本发明实施例的电机控制***的示意图；
图3是图2的***中使用的停转检测算法的流程图；
图4示出了构成图2中***的一部分的无传感器观测器的输入和输出的示意图；
图5示出了在正常运行时由图2中***的无传感器位置确定算法确定的电机转速和加速度的样本；
图6a和6b以压缩的比例示出了图5中的样本并且示出了相关的电流测量值。
图7a和7b示出了与图6a和6b中的那些样本相对应的样本，但是其是电机在停转状态下运行时的样本；
图8是示出图2中的***如何响应停转状态检测的流程图；
图9示出了图2中的***对停转状态检测的响应；
图10示出了响应于图2***中的停转状态检测而生成的校正动作转速指令；
图11示出了响应于图2***中的停转状态检测而生成的校正电流指令；以及
图12示出了响应于图2***中的停转状态检测而生成的斜坡位置信号。
具体实施方式
参照图2，根据本发明实施例的电机控制***包括图1***中的所有组件，这些组件用相同的附图标记加上100来表示，只是位置传感器12被无传感器的位置确定算法112代替。位置确定算法接收施加至电机的指令电压，在此情况下是来自PWM驱动器128的指令相电压，还接收电机内的测量电流，在此情况下是由电流传感器124测量的相电流。位置确定算法112根据这些来确定电机的旋转位置。这样的无传感器算法的基本操作是众所周知的。
如前所述，当电机停转时，例如假如转子被锁定时，由于可忽略的反电动势，无传感器算法无法正确地运行以确定转子位置。因此无传感器算法的运行参数将与正常运行不同。例如，测量的电机位置会以不正常的方式变化，估算的电机转速和加速度也会以不正常的方式变化，并且由控制***产生的用于控制电机的电压也会以不正常的方式变化。停转检测算法正是被设置用于检测运行中的这种变化。无传感器算法通常在这些以及其他一些参数值的特定范围内运行，但是当出现停转状态时，这些参数变化的范围也将改变，以允许通过停转检测算法进行检测。
参照图3，通常，停转检测算法在步骤200开始，此时无传感器算法112开始运行。随着该算法在控制电机110期间运行，在步骤202监测无传感器算法112的运行。在步骤204，确定无传感器算法112是否正在正确地运行。如果是在正确运行，那么就在步骤206减小电机110停转状态的测量值。如果无传感器算法112没有正确运行，那么就在步骤208增大停转状态的测量值。在两种情况下，该过程都返回步骤202以在重复的过程中再次检查无传感器算法的运行。应该理解，如果以足够高的频率重复地检测到停转，则停转状态的测量值就将上升，而如果没有足够频繁地检测到停转状态，那么停转状态的测量值就将下降。如果停转状态的测量值达到预定水平，那么算法就确定电机110已经停转，并采取适当措施，以下将要更加详细地进行描述。
为了执行步骤204并确定无传感器算法是否在正确运行，可以使用多种性能的测量值，现在就描述其中的一部分。
在内部，本实施例中的无传感器算法112使用了观测器，其包括电机110的模型并被设置用于预测电机110的运行参数且将其与测量值相比较。被称为余差的预测值和测量值之间的差值被用作整体电机控制过程的一部分，而且也可以被用于停转检测。这是因为当电机110正常运行时，余差应该是很小的。在运行异常时，由于观测器没有正确运行，因此余差将会改变，并且这一点可以被用于检测停转的电机状态。
图4中示出了对于观测器在外部的输入和输出。图4示出了在观测器内部的由位置信号得出的转速计算。但是转速计算也可以如图2中所示地在观测器的外部进行。当观测器由于电机110的停转而没有正确运行时，电位置以及因此还有估算的转速都将是不正确的和带有噪声的。这些不正确的测量值将随后影响施加至电机110的电压，例如因为使用了D/Q到三相的转换，因此施加的电压将被加在错误的位置处。这些错误施加的电压将导致带有噪声的电流测量值，随后该测量值即被用于驱动观测器。利用带有噪声的转速信号，估算出的加速度(转速信号相对于时间的微分)通常会远远大于在正常运行状态下估算的加速度，并且实际上通常会大于电机在任意状态下的真实加速度。由于电机的运行参数例如电流、电压和估算加速度将会处于它们正常的数值范围之外，因此停转检测算法可以检测出运行状态中的这些改变。
尽管转速信号可以被用于检测停转，但是它仍具有一些限制。更为可靠的检测方法是使用估算的加速度值。估算的加速度值是根据转速测量值得到的，转速测量值相应地是根据位置信号得到的。位置估算值的加加速度，也就是加速度相对于时间的微分，也可以被用作提供有用信息的参数。
图5示出了在电机110正常运行期间由无传感器算法112生成的估算的电机转速和加速度的样本。从该图中能够看出，电机转速平均分布在大约1000到5500rpm的正常控制范围内，而加速度通常在大约200rpm/ms以下。图6a以更加压缩的垂直比例示出了相同的样本，而图6b示出了对于相同采样时间的电流分布。电流的分布比较复杂，但是可以注意到最大电流在80A到90A之间。
图7a和7b示出了电机110在经历转子锁定状态时的对应样本。能够看出，在垂直轴上示出的估算加速度在转子被锁定时大大增加，并且无传感器算法112没有正确运行。转速被显示在水平轴上并且能够看出在转子被锁定时，因为位置估算中的错误变化，所以仍然会生成转速。但是，绝大部分电机转速值低于1500rpm，而且大量的转速值在1000rpm以下，也就是低于电机正常运行的转速范围。同样有很大比例的样本具有200rpm/ms或更大的加速度值。同样，电流值也远远高于图6b中的值，其中大量的样本具有高于100A的电流。
估算的加速度幅值中的这种变化可以被用作停转的指示，并且在可以在加速度信号上设置一个阈值。如果绝对加速度超出该特定阈值，那么停转检测算法就检测到停转状态。电机的估算加速度被定义为电机转速自从上一次计算以来的改变除以自上一次转速计算以来的时间，也就是说：
电机加速度＝(电机转速-上一次电机转速)/自上一次加速度计算经过的时间
上一次电机转速＝电机转速
随后，如果估算的加速度超出预定值，那么停转检测诊断即可被定义为TRUE。
IF(绝对值(电机加速度)＞电机停转的最大加速度)
   停转转子诊断＝TRUE
ELSE
   停转转子诊断＝FALSE
ENDIF
在最简单的情况下，这就可以是完整的诊断。但是，在本实施例中，TRUE和FALSE值被用于图3的算法中以增大或减小停转状态的测量值，这在实践中是对实际上已经发生停转的概率的量度。只有在测量值达到预定值时，才会认为检测到停转并做出响应。
为了提高诊断的鲁棒性并防止假触发，可以利用多种增强来减小在其中运行诊断的运行区域(也就是算法将检测停转状态的参数范围)。尽管在本实施例中每一次增强是累加使用的，但是它们也可以根据需要被单独使用。
尽管由算法生成的转速估算值在停转期间噪声很大，但是其平均仍然是接近零的值。因此如果正常运行范围高于特定的转速值，那么诊断可被限制为只在低于该转速限制时运行。图6示出了在与图5中正常运行期间产生的较宽的转速范围相比较的当电机停转时有限的转速范围。因此诊断可以被扩展为只有在加速度高于预定的限制并且转速低于预定的限制时才检测停转状态。这样诊断就变成：
IF((绝对值(电机加速度)＞电机停转的最大加速度)AND(绝对值(电机速度＜电机停转的最大速度))THEN
   停转转子诊断＝TRUE
ELSE
   停转转子诊断＝FALSE
ENDIF
另一种增强是使用电流来进一步缩小运行范围。对于转速控制器，在例如在停转状态中转速下降至低于转速指令值的情况下，控制器将施加最大电流以尝试消除转速误差。图7b清楚地示出了这种情况，其中大量的样本具有高于100A的指令电流。将诊断操作限制为只有在被下达指令的高电流能够缩小运行范围并且提高鲁棒性的运行状态下才检测停转状态。这样诊断就完善成：
IF((绝对值(电机加速度)＞电机停转的最大加速度)AND(绝对值(电机速度＜电机停转的最大速度)AND(绝对值(Q轴电流)＞电机停转的最小电流))THEN
    停转转子诊断＝TRUE
ELSE
    停转转子诊断＝FALSE
ENDIF
图7a示出了停转检测算法的运行区域，也就是运行参数的范围，其中包括了具有上述增强的停转转子诊断。顶端左手边角部的矩形定义了运行区域，其中限制最大转速为1000rpm而限制最小加速度为200rpm/ms。
返回参照图3，为了使诊断具有鲁棒性，可以对停转状态的次数设置一个阈值，在诊断检测停转并对其采取行动之前必须要检测该停转状态的次数。例如，如果在预定时段例如一秒钟内发现的故障次数超出了阈值，那么即可认为是检测到停转。如果在给定时段内检测到的故障少于最小次数，那么就将其忽略。这就使得忽略偶尔的失灵并且不会累加。
一旦已经检测到锁定或以其他方式停转的电机，那么***就可以采取多种可行的动作进行响应，其中的某些动作尝试克服停转状态，而其中的某些动作则不然。参照图8，用于响应检测到停转状态的过程在步骤300开始，此时无传感器算法112开始，然后过程前进到算法正常运行的步骤302。过程随后继续到达步骤304，在此利用图3中的过程检查电机110的停转。如果没有检测到停转，过程就循环返回到步骤302。但是，如果检测到停转，那么过程就继续到达步骤306，在此执行停转或锁定的转子动作。一旦已经执行了该动作，过程在步骤308处检查无传感器算法是否已经回到了正常运行。如果是，那么过程就返回到步骤302，但是如果不是，过程就在步骤310处结束，在此情况下，例如可以报告无法恢复的停转状态。
停转或锁定的转子动作可以包括以下步骤中的任意一个或多个。
可以给出警告用于外部动作。例如，参照图9，在电动液压式车辆转向***中，其中电机被用于驱动泵以提供液压转向助力，无传感器的停转检测算法可以产生输出警告信号，该信号被设置用于在电机110停转的情况下在车辆内的显示单元上生成警告。
电机控制***可以通过进入预定流程以尝试消除停转状态来响应停转检测。例如对于泵应用，可以使得电机改变运行方向，并由此以反向驱动泵直至正常或者以反向驱动泵直至其先前运行的状态以尝试去除任何可能有的碎片。也可以在电机的运行中实施其他受控的变化以尝试去除碎片。参照图10，这种类型的校正动作可以通过校正动作转速指令来实施，该指令被输入控制***以代替正常的转速指令。校正动作转速指令可以具有固定的本质，或者也可以取决于例如最近的电机运行参数。可选地，如图11中所示，校正动作可以通过校正动作电流指令来实施，该指令被输入电流控制器以代替根据转速的电流指令。同样，该指令可以是固定的响应或者取决于某些参数。作为另一种选择，其也可以作为直流电压被施加至电机，但是这不是优选的，这是由于对于能够生成的电流的控制是有限的。
参照图12，另一种能够实施的停转转子动作是施加固定的斜坡位置信号以代替由无传感器算法输出的位置信号。这样的斜坡位置信号对应于转子在恒定转速下的旋转，其能够被用于以固定的频率旋转电压矢量以尝试消除停转的电机状态。
作为另一种可能性，在检测停转时，电机控制可以被禁用，也就是说，可以切断给电机的供电。可选地，***可以不做任何事而继续控制电机。
这些动作可以被无限地应用、应用固定的时段或者直到停转电机诊断表明已经恢复了正常运行为止。

Claims (14)

1.一种用于电机的控制***，所述***包括被设置用于执行无传感器位置确定算法的处理装置，所述算法包括监测施加至电机的电压和电机中的电流，并根据它们确定电机的旋转位置，其中所述***被进一步设置为监测用于所述算法中的、所述电机的估算加速度或估算转速是否处于其正常的数值范围之外，由此检测电机的停转状态。
2.如权利要求1所述的控制***，被设置用于如果所述估算加速度高于预定值，则检测停转状态。
3.如权利要求1所述的控制***，被设置用于如果所述估算转速低于预定值，则检测停转状态。
4.如前述权利要求1-3中任一项所述的控制***，被设置为重复地进行监测以检测停转状态，并且被设置为只有在预定时段内停转状态出现了预定次数时才确定已经出现了停转。
5.如前述权利要求1-3中任一项所述的控制***，被设置用于响应于检测到停转状态而执行停转响应动作。
6.如权利要求5所述的控制***，其中所述停转响应动作包括提供警告。
7.如权利要求5所述的控制***，其中所述停转响应动作包括产生预定的控制输入。
8.如权利要求7所述的控制***，其中所述控制输入是电流指令。
9.如权利要求7所述的控制***，其中所述控制输入是转速指令。
10.如权利要求7所述的控制***，其中所述控制输入是位置信号。
11.如权利要求6所述的控制***，其中所述停转响应动作包括产生预定的控制输入。
12.如权利要求11所述的控制***，其中所述控制输入是电流指令。
13.如权利要求11所述的控制***，其中所述控制输入是转速指令。
14.如权利要求11所述的控制***，其中所述控制输入是位置信号。
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