CN102282753A - 适于电动机的控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动机的控制，并且具体地但非排他性地涉及同步电动机的控制，同步电动机诸如混合式步进电动机、磁通切换型电动机、以及无刷永磁电动机和发电机。提供适于电动机的一种无传感器控制***，该电动机包括转子和定子，定子具有一个或多个相绕组以便产生定子旋转磁场，该***包括检测装置、计算装置、估算装置、误差装置以及同步装置，检测装置用于监控相绕组中的电流，提供沿着以已知角度与旋转参考系一致的实轴的实分量(I_{s_real})和正交于实分量(I_{s_real})的虚分量(I_{s_imag})，计算装置用于确定旋转电动势沿着以已知角度与旋转参考系一致的轴的实分量(E_{s_real})的值和正交于实分量(E_{s_real})的虚分量(E_{s_imag})，估算装置用于利用电动势的所估算的至少一正交分量来估算旋转电动势矢量的角位置，误差装置用于确定指示所估算的角位置与所需角位置偏差的角误差信号，同步装置用于控制电动机，这样误差信号趋于零。

Description

适于电动机的控制器

本发明涉及电动机的控制，并且更具体地但非排他性地涉及同步电动机的控制，同步电动机诸如混合式步进电动机、磁通切换型电动机、同步磁阻电动机以及无刷永磁电动机和发电机。

将意识到在所有的同步电动机及发电机中，应用到相绕组的励磁电流必须与转子位置同步以便实现转子在定子内的平稳转动。更具体地，应用到相绕组的励磁电流必须与各相绕组中感生的电动势同步地交替。

在正常运行条件下，跨越电动机相位的端电压，v_A，由下式给出：

$v_A=e_A+i_A{R}_A+\frac{d\left(L_A{i}_A\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{d\left(M_{\mathrm{AB}}{i}_B\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{d\left(M_{\mathrm{AC}}{i}_C\right)}{\mathrm{dt}}...$

它可以近似为：

$v_A=e_A+L_A\frac{d{i}_A}{\mathrm{dt}}+i_A{R}_A+M_{\mathrm{AB}}\frac{d{i}_B}{\mathrm{dt}}+M_{\mathrm{AC}}\frac{d{i}_C}{\mathrm{dt}}...---\left(1\right)$

其中下标A，B和C分别表示第一，第二和之后(如果存在)的相绕组，L_A是相绕组A的自感应系数，i_A，i_B和i_C分别是相绕组A、B以及相继相绕组的电流，R_A是相绕组A的电阻，M_Ax是第一和相继(第x个)相绕组之间的互感系数，以及e_A是由于转动在相绕组中感生的旋转电动势。旋转电动势可由下述导致：(i)由转子上的磁铁通过定子线圈的磁链中的变化导致(永磁同步电动机)或(ii)由转子磁阻随着转动变化时一个或多个定子绕组的自感应或互感系数的变化导致(同步磁阻电动机)或(iii)由可变磁阻的转子转动时在固定场绕组和电枢绕组之间的磁链变化导致(磁通切换型电动机)。

在没有位置传感器的情况下实现同步磁阻电动机、同步永磁电动机、磁通切换型电动机和步进电动机的控制是有益的。从理论上讲，如果每个相绕组(e_A)中的旋转电动势项可以与公式(1)中的其它项以电子方式区分开，那么就可以得到转子位置信息。在实际上没有传感器的估算方案中，该过程由于相绕组的电感L以一个非线性的方式依赖于流过相绕组的电流i且还依赖于转子位置的事实而复杂化，此外还由相绕组的电阻R依赖于温度的事实而复杂化。此外，如果电动机采用长电缆连接到控制器或在一定的温度范围内操作，该电阻R可以显著变化，在一些电动机中，相绕组之间的互感系数M，是微不足道的且可以忽略。在同步磁阻电动机中，自感和互感系数有显著的变化，使得基于电动机模式的无传感器方法难以执行。

前述无传感器估算方案要么忽略相绕组的电感L对电流i的依赖而导致明显的误差，要么需要使用描述电动机芯非线性特性的特定模式的机器，导致以计算密集型的方式执行以及还导致一个漫长的驱动调试过程。

在三相永磁同步电动机中，通常通过监控相绕组之一(其在励磁周期的一部分中不携带任何电流)中的旋转电动势来估算转子位置。然而，对于平稳操作而言，优选使用更为正弦的励磁方案，其中在整个电周期中在机器的所有三个相位中流动通过电流。因此简单的反电动势检测是不可能的，因而研究人员正在寻求不利用机械传感器来控制这种电动机的方法。

US 6910389和US 7299708利用磁通量估算来提供第一估算位置，并使用无功功率来提供校正的第二估算位置。这种磁通量估算涉及对电压的准确积分以及需要对电阻电压降进行非常准确的估算，因为任何误差都被积分器累计。

US 5428283利用Park矢量来确定和控制无功功率，从而确定和控制机器的功率因数。在预定功率因数下的操作可以控制转子相对于定子励磁的位置。然而，如果这些方案需要在宽范围的速度和负载下操作，那么这些方案是复杂的。

US 6850031描述了一种用于控制无传感器电动机的方法，其中无功电流得自于电动机电流和旋转相，误差电压得自于无功电流和无功电流指令值，由此获得适于电动机绕组的电压控制值。在该方案中的限制是需要建立适于无功电流的指令值，而在某些电动机中可能难以预料。该方法尤其在具有较高电感的电动机中以及在自感或互感系数随着位置而显著变化的电动机中受到限制。

US 6301136描述了通过调整参考系位置(电压矢量位置)来用于将正交电流(即虚电流矢量)控制到预定值(如零)的浮动系控制方法。该方法将电流维持在相对于电压的已知角度，但不控制励磁相对于转子的位置。

US 7075264公开了适于同步电动机的一种瞬时功率浮动系控制器。有效和无功功率的计算给出一个功率因数角。控制电动机以便维持接近于零的功率因数角。该方法的应用计算复杂。所估算的位置是两个积分控制器延缓其响应的结果。

申请US 2007/0040524进一步描述了一种方法，该方法采用同步和浮动参考系的理念用于将同步电动机的功率因数控制到整数之外的值。

这些现有技术文献都没有描述一种在不使用传感器的情况下用于控制所有类型同步电动机或发电机的方法，其中该方法不依赖于高度精确的测量值或精确的电动机模型。

本发明的一个目的是提供适于电动机的无传感器控制方案，其可以直接的方式有效执行且可用于宽范围的电动机和发电机。

根据本发明，提供一种适于电动机的控制***，该电动机包括转子和定子，定子具有一个或多个相绕组以便在相对于定子的静止参考系中产生定子旋转磁场，该***包括检测装置、第一计算装置、第二计算装置、估算装置、误差装置以及同步装置，检测装置用于监控至少一相绕组中的电流，第一计算装置用于通过所监控到的电流来在相对于静止参考系旋转的旋转参考系中确定代表电流矢量的至少一分量(I_{s_real}，I_{s_imag})的值，第二计算装置用于通过所监控到的电流来确定代表在旋转参考系中旋转的电动势矢量的至少一分量(E_{s_real}，E_{s_imag})的值，估算装置用于通过代表至少一分量(E_{s_real}，E_{s_imag})的所述值来估算旋转电动势矢量角位置的值，误差装置用于确定指示所估算的角位置与所需角位置偏差的角误差信号，同步装置用于控制电动机，从而角误差信号趋于零。

不同于前述现有技术，本发明提供一种无传感器控制方案，其在数学上非常易于执行，因此可以在逆变器的每一脉宽调制周期内执行，以便维持同步于具有高带宽的转子，并且可以宽范围的速度操作以便控制所有类型的电动机和发电机，而不依赖于机器的电感、电阻和电动势特定的详细模型。根据本发明的该方法对于消除测量误差尤其有效，使其适于以低成本执行。

本发明的一个实施例可包括控制***，其中估算装置包括确定旋转电动势的正交分量比率的步骤。

本发明的一个实施例可包括控制***，其中估算装置包括确定电流的正交分量比率的步骤。

本发明的一个实施例可包括控制***，其中估算装置通过评估电流矢量正交分量比率与电动势矢量正交分量比率之间的差异，来估算电流矢量角度和旋转电动势矢量角度之间的角度差异。误差装置计算估算的角度差异和所需的角度差异之间的误差且将该误差用于同步装置中以便控制电压矢量的位置，从而将误差最小化。

在第二实施例中，适于电动机(该电动机包括转子和定子，定子具有一个或多个相绕组以便产生定子旋转磁场)的控制***，该***包括检测装置、计算装置、估算装置、误差装置、控制装置以及同步装置，检测装置用于监控至少一相绕组中的电流，提供沿实轴(以已知角度与旋转参考系一致)的实分量(I_{s_real})以及正交于实分量(I_{s_real})的虚分量(I_{s_imag})；计算装置用于确定沿以已知角度与旋转参考系一致的轴的旋转电动势的实分量(E_{s_real})的值以及正交于实分量(E_{s_real})的虚分量(E_{s_imag})；估算装置利用电动势所估算正交分量的至少之一来估算旋转电动势矢量的角位置；误差装置用于确定指示所估算的角位置与所需角位置偏差的角误差信号，误差装置还确定实电流矢量Is_real和适于实电流矢量的目标值之间的实电流误差以及确定虚电流矢量Is_imag和适于虚电流矢量的目标值之间的虚电流误差；在控制装置中确定将实电流误差最小化的实电压矢量Vs_real以及确定将虚电流误差最小化的虚电压矢量Vs_imag；同步装置同时利用电动势矢量的所估算的角位置和电动势矢量的所需角位置之间的误差来校正旋转参考系的角位置以及传送与旋转参考系的所校正的角位置一致的由控制装置确定的实电压矢量Vs_real和虚电压矢量Vs_imag。

为了可以更充分地理解本发明，现在将仅仅通过实例的方式参考附图，其中：

图1示出在定子旋转参考系中的矢量图；

图2示出在定子旋转参考系中的另一矢量图；

图3示出在定子旋转参考系中的根据本发明电动机的等效电路；

图4示出根据本发明一个实施例的电动机控制器的框图；

图5示出根据本发明一个实施例的计算程序的流程图；

图6示出根据本发明一个实施例的电动机控制器的框图；

图7，8，9和10是本发明控制器可应用于其上的电动机实例的截面图。

将参照电动机操作来描述本发明的应用。然而，本发明的方法可以应用于发电机，其中电流矢量和电动势矢量之间的相位关系将颠倒。

正如在电动机中处理的那样，通常完全以电周期和电角度对电动机进行分析。当这样做时，则在此处的分析对任何类型以及极数的所有同步电动机都是相同的。在这种分析中，通常将每一定子绕组静态定向的、随时间变化的正弦量转变成以与转子平均速度相同的速度旋转的旋转矢量的单一***。

虽然用于描述根据本发明***的数学采取正弦量，但是这些***的运作可以在无正弦电流和电压波形的情况下实时执行。实际上，在电动机中的电压和电流波形很少是完美的正弦曲线。因此用于实施本发明所描述的技术是完全有效的。

图1示出了定子电压矢量，V，包括与定子旋转参考系的实轴一致的实分量Vs_real以及正交于实轴的虚分量Vs_imag。定子旋转参考系的实轴以与定子的静止参考系成角度θ而定位。

角度θ的增长速率决定定子磁场的角旋转速度。定子静止参考系中矢量的一次旋转就对应于电动机的一个电周期。在具有p磁转子磁极的电动机中，定子的每一次机械旋转中存在p/2个电周期。

在由图2中矢量图所示的本发明的一个实施例中，易于将定子旋转参考系的位置选择成与定子电压矢量的位置相一致，因为定子电压矢量是一个已知和可控参数。在电动机正常旋转过程中，施加到电动机相绕组的定子电压可被认为是具有以可变角θ进行动作的单一分量。在该实例中，定子电压矢量V将被视为反时针方向旋转矢量，这样角度θ随时间增加。在定子旋转参考系中的单一电压矢量作为可变电压矢量通过多相逆变器或功率控制装置而施加到电动机相绕组。功率控制装置在逆变器切换中采用脉宽调制以便将所需电压施加到每个相绕组。

作为由功率控制装置施加的定子电压的结果，相电流流动通过电动机的相绕组且流到功率控制装置以及从功率控制装置流出。随时间变化的定子电流产生一个旋转定子电流矢量，

该矢量在定子旋转参考系上的分量可由随时间变化的相电流例如通过Park变换而计算出。

旋转电动势矢量

是相绕组中旋转电动势映射到定子旋转参考系上的组合。旋转电动势可包括来自永磁电动机中磁铁旋转或通过包含可变磁阻结构的转子设计中的磁阻变化导致的分量。在同步磁阻电动机中，当转子旋转时磁阻变化导致各相绕组的自感系数变化，以及导致绕组之间的互感系数变化。因此根据本发明的旋转电动势可以是由于绕组自身电流(自感)、其它绕组中的电流(互感)或旋转永久磁铁中的电流导致的变化磁通量的任意时变组合。在某些内置式永磁电动机中，旋转电动势将包括由转子旋转时永磁磁通量和磁阻变化导致的分量。在磁通切换型电动机中，旋转电动势是与固定场绕组相互耦合的变化率而感生的。图1和图2示出矢量

和定子电流矢量之间的的关系。

由下式给出由电动机产生的转矩：

$T=\frac{\stackrel{\‾}{I_s}*\stackrel{\‾}{E_s}\cos \left(\mathrm{\γ}\right)}{\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

其中：

Y为旋转电动势矢量和定子电流之间的角度；

ω是转子的以每秒机械弧度为单位的旋转速度。

如果γ＝0以及和

矢量一致时，实现电动机以每安培最大的转矩运行。当γ＝0时，旋转电动势矢量

与定子电流矢量同相，以及转矩再次由公式(2)给出，此时转矩最大且等于：

$T=\frac{\stackrel{\‾}{I_s}*\stackrel{\‾}{E_s}}{\mathrm{\ω}}---\left(3\right)$

因此电动势矢量相对于定子电流矢量的角位置确定电动机的转矩产生。

将电量用于包含电动机所有相绕组分量的定子参考系上，图3中示出定子参考系的等效电路。在定子参考系中的各相定子电压公式由下式给出：

$\stackrel{\‾}{V_s}=\stackrel{\‾}{E_s}+j\stackrel{\‾}{I_s}{X}_s+\stackrel{\‾}{I_s}{R}_s---\left(4\right)$

其中

是定子电压、旋转电动势以及定子电流相对于定子旋转参考系的矢量大小；X_s是定子相绕组的电抗以及R_s是定子绕组的电阻。X_s也可能是与实轴和虚轴的不同分量变化的复合量。这在电动机中常见，因为当转子旋转时磁阻显著变化(因此定子电感显著变化)。电抗X_s可具有实轴和虚轴上的不同分量的这种电动机的一个实例是内置式永磁同步电动机或同步磁阻电动机。

根据下述可以实现根据本发明的电动机控制，不使用任何磁通量估算，通过简单计算指示

和

矢量相对于旋转参考系的角位置的值，确定指示角位置从所需位置偏离的一个或多个误差信号，以及在功率控制装置中控制开关的调制，这样误差信号趋于零。

在任何时间点可以测量电动机的瞬时相位电流。如果它是一个三相电动机，只需要测量三相电流的其中两个，因为三相电流相加的和为零是已知的。例如，在利用Park变换以角度θ将两相固定电流变换成定子旋转参考系之前，可以使用三相到两相的Clark变换。定子电流矢量

在定子旋转参考系中的两个正交分量是I_{s_real}和I_{s_imag}。分量I_{s_real}是定子电流与定子旋转参考系一致的有效分量，以及I_{s_imag}是与定子旋转参考系成直角(正交)的定子电流的有效量。这些正交矢量在图2中示出。

在该说明书中没有使用术语纵轴和正交轴，以避免与转子定向控制器相混淆，该控制器需要将定子电流映射到转子纵轴和正交轴。

由于

都具有实部分(实分量)和虚部分(虚分量)，因此可用实部分和虚部分将公式(4)改写成：

    V_{s_real}＝E_{s_real}+I_{s_real}*R_s-I_{s_imag}*X_s            (5)

以及V_{s_imag}＝E_{s_imag}+I_{s_imag}*R_s+I_{s_real}*X_s            (6)

如前所述，如果使用定子电感在实轴和正交轴上可能会不同的电动机(诸如同步磁阻电动机或内置式永磁电动机)的话，那么公式(5)和(6)中的X_s的值可能并不相同。

如果，如图2所示，旋转参考系选择成与定子电压矢量V一致，那么定子电压的虚分量将为零，以及公式(5)和(6)变为：

V＝E_{s_real}+I_{s_real}*R_s-I_{s_imag}*X_s            (7)

0＝E_{s_imag}+I_{s_imag}*R_s+I_s-real*X_s            (8)

这些公式可以被重新整理以便给出适于电动势矢量

实分量和虚分量的公式：

E_{s_real}＝V-I_{s_real}*R_s+I_{s_imag}*X_s           (7)

E_{s_imag}＝-I_{s_imag}*R_s-I_{s_real}*X_s            (8)

给出适于R_s和X_s的值以及获知通过逆变器传送的电压矢量幅度，在电动机旋转过程中这些公式可以进行实时估算，以便给出旋转电动势矢量在旋转参考系中的实分量和虚分量。电压矢量幅度可从逆变器中的指令脉宽调制占空比来估算或在逆变器的输出进行监控。

现在可计算电流矢量相对于定子参考系的角度，并由下述给出：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Is}}={\tan }^{-1}\left(\frac{I_{s\_\mathrm{imag}}}{I_{s\_\mathrm{real}}}\right)---\left(9\right).$

现在也可计算电动势矢量相对于定子参考系的角度，并由下述给出：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Es}}={\tan }^{-1}\left(\frac{E_{s\_\mathrm{imag}}}{E_{s\_\mathrm{real}}}\right)---\left(10\right).$

因此电流矢量和电动势矢量之间的角度差异θ可由下述给出：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Is}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Es}}={\tan }^{-1}\frac{I_{s\_\mathrm{imag}}}{I_{s\_\mathrm{real}}}-{\tan }^{-1}\frac{E_{s\_\mathrm{imag}}}{E_{s\_\mathrm{real}}}---\left(11\right).$

对于小角度而言，这可近似为：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Is}}-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Es}}\≈\frac{I_{s\_\mathrm{imag}}}{I_{s\_\mathrm{real}}}-\frac{E_{s\_\mathrm{imag}}}{E_{s\_\mathrm{real}}}---\left(12\right).$

公式(12)用于简单计算指示

和矢量之间角度差异的值，并且可在数字或模拟控制器中容易地执行以便在转子旋转时进行实时操作。

以公式(11)或(12)的形式执行角度差异计算的优势在于比率大小提供电动势和电流的绝对值抵消(cancellation)。这使得该方法实质上独立于电动势的幅度随着速度和/或励磁电流的变化，且避免需要位置控制器具有关于电动机电动势特性的详细信息。

利用公式(11)和(12)的比率项也有助于抵消电流测量中的测量和比例误差，因为实分量和虚分量将包含类似的误差，上述误差被抵消。这使得测量***成本降低，允许使用简单的电子元件使得控制器以更低成本执行。本发明的一个主要优势在于可以比公式(11)少的计算要求来实现公式(12)的执行，而没有明显不利因素(penalty)。

角误差是从公式(12)或(11)计算的测量到的角度差异与适于角度差异的特定所需值之间的误差。例如，对于每安培最大转矩而言，所需在电流矢量与电动势矢量之间没有角度差异，使它们完全同相。然而，在高速下，在电动机控制中通常使得电压矢量超前以便带动电流矢量使其超前于电动势矢量，从而实现磁场弱化。在这种情况下，在高速条件下，所需具有如由公式(11)或(12)计算出的正角度差异，因此适于角度差异的所需值也将是正值。

因此，由下述给出角误差：

Angular_error＝Angular_demand-(θ_Is-θ_Es)    (13).

通过将电压矢量移动到趋于减小角误差的一个新位置可对由公式(13)计算出的角误差进行校正。正的角误差意味着电压矢量的位置需要比从其平均旋转速度计算出的正常角度增量移动地更多以便校正误差。负的角误差意味着电压矢量的位置需要比从其平均旋转速度计算出的正常角度增量移动地更少以便校正误差。实现上述的控制方案可在角误差上使用比例积分控制器，以便传送电压矢量角速度的瞬时控制。

本发明还可以采用矢量与和

矢量的叉积来用于求得矢量夹角之间的正弦函数值：

$\stackrel{\‾}{E_s}\×\stackrel{\‾}{I_s}=\left|E_s\right|\left|I_s\right|\sin \mathrm{\θ}=\left|\begin{array}{ccc}i& j& k\\ E_{s\_\mathrm{real}}& E_{s\_\mathrm{imag}}& 0\\ I_{s\_\mathrm{real}}& I_{s\_\mathrm{imag}}& 0\end{array}\right|$

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{E_{s\_\mathrm{real}}*I_{s\_\mathrm{imag}}-E_{s\_\mathrm{imag}}*I_{s\_\mathrm{real}}}{\left|E_s\right|\left|I_s\right|}---\left(14\right)$

这对于小角度(其中I_{s_imag}和E_{s_imag}与I_{s_real}和E_{s_real}相比很小)而言接近与(12)相同的公式。

因此可以通过公式(12)和误差公式(13)执行根据本发明一个实施例的同步电动机的控制。虽然公式(12)近似于适于角度的实际数学公式，但是人们已经发现，即使当角度很大以及近似值不是很准确时，其仍能工作。这是因为，虽然公式(12)中的近似值是代表反正切函数的线性函数，其总是代表正切函数的精确梯度，因此由公式(13)计算出的误差总是具有正符号(right sign)。由于控制器涉及该误差的积分以便产生电压矢量的角速度，因此控制器将集中于正确的工作点。利用比例和积分控制回路的增益可以控制响应速度。控制回路的增益也可以是非线性的，以便更近似于反正切函数，但是实践经验表明，这并非总是必要的。

维持公式(13)接近于零将通过允许电压矢量的角速度在控制回路的每次估算中瞬时改变而保持电动机在任意时刻都接近于理想操作。电压矢量的平均角速度直接关系到角误差的积分。一个外部控制回路可监控电压矢量的平均角速度以及增加或减少的电压矢量的长度，增加或减少电动机中的电流，以便增加或减少扭矩输出，从而使得电压矢量的旋转速度更接近电动机的所需角速度。这一点在图4中示出。

不像依赖于准确估算电动机中电动势的其它无传感器控制方法，根据本发明的该方法可以在没有适于公式(7)和(8)中的电动机参数(即Rs和Xs)的精确值的情况下来执行，因为小误差由两个电动势分量的比率消除。在误差误差将发生改变之前，分量值中的误差需要相当大，从而尽管在该方法中使用了近似值但是仍能保持控制器非常稳定。该稳健性(robustness)使得根据本发明的方法对于参数变化有非常大的宽容性。

由图4的框图示出了本发明的一个实施例，其利用在控制回路的每次迭代而计算出的角误差来将电压矢量的旋转瞬时速度设定到达到下一计算时间。外部控制回路将确定电压矢量的幅度。根据本发明的该方面控制电力电子逆变器101和电动机或发电机102。以预定的时间间隔或转子角度来监控(检测装置)流到电动机102或从电动机103流出的电流。由框103可将三相电流在固定定子参考系中转化成两相电流。如果电动机是两相电动机，诸如混合式步进电动机，该步骤103是没有必要的。

矢量解调框104(计算装置)将来自固定转子参考系的电流以已知角度变换成定子旋转参考系以产生与定子旋转参考系对准的实电流矢量I_{s_real}和正交于定子旋转参考系的虚电流矢量I_{s_imag}。执行公式(12)的电动势分量估算器105和角度计算器106(估算装置)利用这些电流来估算电动势矢量相对于电流矢量的角位置。误差装置利用公式(13)来计算角位置相对于所需位置的偏离的角误差。为了校正角误差，同步装置重新定位电压矢量，以便将电流矢量带到相对于电动势矢量的正确位置从而在下一时间步骤传送所需的控制角度。作为同步装置的一部分，角误差项被传递到控制器110(其可具有比例积分控制器)以生成适于电压矢量调制器107的更新旋转速度和的新的角度位置，对于当前速度和负载而言，该调制器107将趋于减小角误差。用下一角位置的瞬时校正以产生平均速度的角误差积分类似于锁相回路(PLL)。将从框110估算出的速度与由用户指令所需的速度相比以便产生出速度误差。速度误差可通过另一PI控制器111以便重新计算传递到矢量调制器107的下一个电压矢量的幅度。电压矢量和其相对固定定子参考系的新角度位置在下一时间步骤中起到驱动逆变器101和电动机102的作用。

在该实施例中，用于设定电压矢量幅度的速度控制回路可被认为是一种外部控制回路，且通常会具有比由根据本发明的角误差驱动的角度控制回路更长的时间常数。以该方式，定子电压矢量可响应于角误差而快速地再同步。这将导致定子矢量旋转速度(其相继于实际转子速度)的轻微波动，该轻微波动通过增加或减少在外部控制回路中的电压矢量幅度来校正。

本发明的第二实施例利用该方法的简单变化来进一步简化计算。再次参照图1，将旋转参考系再次选择成相对于定子静止参考系成一个角度θ的旋转参考系的实轴，但是在该实施例中，假定定子电压具有实分量V_{s_real}和虚分量V_{s_imag}(电压的虚分量不再假设为零)两个分量。实轴和虚轴上的电压公式如以公式(5)和(6)给出的那样。这些公式可被重新整理以便给出适于电动势矢量实分量(与旋转参考系一致)和虚分量(正交于旋转参考系)的公式：

E_{s_real}＝V_{s_real}-I_{s_real}*R_s+I_{s_imag}*X_s            (15)

E_{s_imag}＝V_{s_imag}-I_{s_imag}*R_s-I_{s_real}*X_s            (16)

给出适于R_s和X_s(其可具有复合分量)的合适值以及利用如由逆变器施加的V_{s_real}和V_{s_imag}，在电动机旋转过程中这些公式可以进行实时估算，以便给出旋转电动势矢量在旋转参考系中的实分量和虚分量。

在该第二实施例中，电流矢量的角度和电动势矢量的角度在两个独立的控制回路中进行确定和控制。

首先，确定适于电流矢量的实分量和虚分量的目标值是非常有用的。双轴电流控制器在本领域内是众所周知的。给出适于实电流矢量和虚电流矢量的目标值，则可计算出实电压矢量和虚电压矢量，这将使得所测量的实电流矢量和虚电流矢量与目标值的偏差最小化。在大多数情况下，适于虚电流矢量的目标值将接近零，而适于实电流矢量的目标值将由电动机或发电机的扭矩需求设定。扭矩需求可依次由速度误差信号设定，该速度误差信号将确定须维持目标速度所需的扭矩。

在高速下(如前所述)，在电动机控制中通常使得电流矢量超前于电动势矢量，从而实现磁场弱化。在该实施例中，这通过将虚电流目标值设定为正值而实现，但在大多数实际情况下，虚电流目标值将小于产生电流目标值的实际转矩。

在作为发电机的机器操作中，实电流目标值将为负值，这样实际电流矢量应远离正实轴180°。

在该实施例中，假设实电压和虚电压的带宽和幅度足以将电流误差信号最小化，那么电流矢量相对于旋转参考系的角度由固定的实电流分量和虚电流分量需求固定。因此如公式(9)给出的电流角度的计算步骤没有必要成为该第二实施例的一部分。

电动势矢量相对于实轴旋转参照系的角度可用相同于第一实施例的方式利用公式(10)或更为简化的下述公式计算出：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Es}}\≈\left(\frac{E_{s\_\mathrm{imag}}}{E_{s\_\mathrm{real}}}\right)---\left(17\right).$

公式(17)用于简单计算指示

矢量相对于旋转参考系实轴的角位置的值。在该实施例中，因为电流已被控制成主要与实轴同相，或以所选择的超前角超前于实轴，通过控制逆变器的电压以便将由公式(10)或(17)计算出的角度减少到零，从而将电动势矢量与旋转参考系的实轴一致而实现机器的最佳操作。这可以在数字或模拟控制器中容易地执行以便在机器旋转时进行实时操作。一个控制器的执行将改变旋转参考系的角速度，以便将由公式(10)或(17)计算出的角度最小化。由于控制器该部分的目的是使公式(10)或(17)为零，以及由于零目标角度值可不具有比例误差或参数变化，因此该方法在对抗电动机参数变化的过程中非常稳定。

由于I_{s_real}比I_{s_imag}大，由公式(16)计算出的E_{s_imag}中的电阻项为小值。E_{s_imag}实质上与温度无关。由公式(15)计算出的E_{s_real}项不包含明显的电阻项。然而，在大多数电动机及发电机中，其将小于公式(15)中的其它电压项。虽然E_{s_real}的估算取决于温度，但是对于根据本发明方法的影响，实际上是对不影响其性能的角度控制器增益中的较小的变化。由于用以计算磁通量的端电压积分非常依赖于准确的电阻值，这与依赖于磁通量估算的所有现有技术方法是完全相反的。因此，本发明在电动机控制中具有重大突破，该控制是由随着温度或电缆长度显著变化的电阻进行的。

在本发明的一些实施例中，可以简化E_{s_real}的计算，而不使用公式(15)。在混合式步进电动机或永磁同步电动机中，电动势是由于磁转子旋转导致的，以及实电动势E_{s_real}可简化成转子速度的函数，E_{s_real}＝f(Speed)。对于永磁电动机或混合式步进电动机中，公式(17)可变成：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Es}}\≈\frac{E_{s\_\mathrm{imag}}}{f\left(\mathrm{Speed}\right)}---\left(18\right),$

其中f(Speed)将电动势角度估算器标准化，抵消电动势幅度随速度的变化。

在磁通切换型电动机中，已知旋转电动势与励磁电流和速度两者是成比例的，因此E_{s_real}可简化成与速度和励磁电流乘积相关的函数。

在本发明的一些实施例中，可进一步简化公式(17)以避免E_{s_real}的任何计算或除E_{s_real}的需要。公式(17)再进一步简化为：

θ_Es≈k*E_{s_imag}                        (19)，

其中k是一个比例系数或增益。比例系数或增益可以是控制器任意参数的函数或可通过本领域中已知的任意方法来进行调整，从而用于稳定控制回路。

在磁通切换型机器中，将存在可适当简化的一个实例。在这种机器中，电动势的幅度由速度和励磁电流两者决定。在高速下的操作往往伴随着较低的励磁电流以便实现磁场弱化，因此在电动机的整个操作范围内电动势幅度的变化可能不会太显著(与永磁电动机相比，在永磁电动机中电动势总是随速度增加)。利用该简化的公式(19)显示通过将电动势的虚分量幅度最小化而实现对电动势角度的控制，而不需要计算实际的电动势即实电动势。由于用励磁电流可以实现磁通切换型电动机中的磁场弱化，对增加(advance)电流矢量的需求减少。因此利用公式(16)的虚电动势计算中的电阻非常小，上述使得整个方法基本上与绕组电阻无关，由此在电动机宽温度范围内都非常稳定，而不需要任何补偿。

如果θ_Es是正值，那么电动势矢量可以被认为是超前于参考系位置，以及例如误差项可与PI控制器配合使用，以便计算适于旋转参考系的新的较高角速度，从而将由公式(10)，(17)，(18)或(19)所计算出的角度最小化。这在加速电动机中会发生，其加速电动机中电动机的转矩大于负载转矩以及转子加速超前于旋转参考系。

如果θ_Es是负值，那么电动势矢量可以被认为是滞后于参考系位置，以及例如误差项可与PI控制器配合使用，以便计算适于旋转参考系的新的较高角速度，从而将由公式(10)，(17)，(18)或(19)所计算出的角度最小化。这在电动机的转矩小于负载转矩的电动机中会发生，以及转子减速使得电动势滞后于旋转参考系。旋转参考系的速度校正将保持电动机在理想的工作点运行。

以公式(10)，(17)或(18)的形式执行角度计算的优势在于比率大小提供电动势分量的绝对值抵消。这使得该方法完全独立于电动势的幅度随着速度和/或励磁电流的变化，且避免需要位置控制器具有关于电动机电动势特性的详细信息。还避免需要角度控制器的增益随速度显著变化、简化其实施、缩短计算环路以及允许根据本发明的***一非常高的带宽执行。

利用图5的流程图示出该第二实施例的简单执行。

(i)测量电动机或发电机中的电流以及计算电流矢量的实分量和虚分量。

(ii)然后利用公式(15)和(16)计算电动势矢量的实分量和虚分量。

(iii)计算定子旋转参考系的下一位置以便使得电动势矢量相对于定子旋转参考系实轴的角位置最小化。

(iv)设定适于实电流矢量和虚电流矢量的目标值。定子旋转参考系的下一位置可超前或滞后于一个所需位置，或可比所需速度移动地更快或更慢，以及可以利用该信息来设定适于电流矢量的实分量和虚分量的目标值。

(v)计算实电流和虚电流与目标值之间的误差。

(vi)实轴和虚轴上的电流控制回路确定实电压矢量和虚电压矢量，这将每轴上的电流误差最小化。

(vii)利用矢量调制器将实电压矢量和虚电压矢量输出到处于定子旋转参考系新位置的逆变器。该步骤同时校正电压幅度以便减小实电流和虚电流误差，以及定子旋转坐标系的下一位置移动成使得电动势矢量相对于定子旋转参考系实轴下一位置的角位置的偏差最小化。

由于本发明的实施步骤如此简单以致于不要求复杂的电动机模型，如图5所示的步骤可在低成本的微控制器中非常快地实施。本发明的实施提供了具有高带宽的通用性极强、简单以及成本低廉的电动机控制***。

图6示出第二实施例以控制框图那样实施。根据本发明的该方面对电力电子逆变器101和电动机或发电机102进行控制。利用检测装置以预定时间间隔或转子角度对流到电动机102或从电动机102流出的电流进行监控。检测装置可为电动机内的电流传感器或可为变频器中的电流传感器。在三相电动机中，只需要测量三相的其中两个，因为三相电流相加的和为零是已知的。由框103可将三相电流在固定定子参考系中转化成两相电流。如果电动机是两相电动机，诸如混合式步进电动机，该步骤103是没有必要的。

矢量解调框104形成计算装置的第一部分并将来自固定转子参考系的电流以已知角度变换成定子旋转参考系以产生与定子旋转参考系对准的实电流矢量分量I_{s_real}和正交于定子旋转参考系的虚电流矢量分量I_{s_imag}。

计算装置的第二框105利用这些电流分量来估算电动势的分量。另一框120执行公式(10)，(17)，(18)或(19)来计算电动势矢量相对于定子旋转参考系的角度估算值。误差装置确定电动势矢量的所估算位置和电动势矢量所需位置之间的角误差信号。在框121中计算旋转参考系的下一位置，同步装置124利用其将电压矢量移动到新位置从而带动电动势矢量更接近在下一时间步骤的相对于定子旋转参考系的准确位置。

在该实施例中，误差装置还确定实电流矢量和虚电流矢量相对于目标值(122)的误差。控制装置(123)确定实电压矢量和虚电压矢量以便将实电流矢量和虚电流矢量的误差最小化。在矢量调制框或同步装置(124)中将这些新电压矢量与在框121中计算出的新角度位置结合使用以便在固定定子参考系中产生电压矢量V_α和V_β。对于三相电动机而言，这两个固定电压矢量经过另一两相到三相转换125来在下一时间步骤中驱动逆变器101和电动机102。

本发明的方法适用于混合式步进电机，其通常具有两个、三个和五个相绕组。两个实施例可适于具有对框103和125进行合适选择以便匹配相绕组数目的这种电动机。根据本发明的比例方法的优点是特别有利于减少由参数变化导致的误差。此外，该计算和更新能力，在每个脉宽(pwm)周期中计算和更新矢量位置的能力在混合式步进电动机中是非常重要的，因为电周期由于转子磁极数量很高而导致非常短。因此根据本发明的方法使得在没有位置传感器的情况下可以控制这些电动机。

其它无刷永磁同步电动机(正弦和梯形类型)可受益于本发明的方法。将本发明应用于无刷永磁同步电动机具有比现有技术中对于这种电动机的无传感器控制方案优越的下述优势。不需要电动机关于旋转电动势与速度特性的信息，所有需要的就是对绕组电阻的合理估算，因为该方法对于该值中的误差具有惊人的宽容性。在无刷永磁电动机，电抗通常小于电阻，因此在完全忽略公式(7)及(8)中的无功电压项的情况下仍可非常成功地应用本发明的方法。

磁通切换型电动机是一种具有转子和定子的电动机，转子没有磁铁或绕组，定子携带场绕组或永久磁铁和电枢绕组，电枢绕组具有任意数目的电枢相，包括一个、两个、三个和五个。如同所有的同步电动机，电枢旋转电动势以与转子速度成比例的频率交替。在定子中具有场绕组的磁通切换型电动机中，旋转电动势的幅度取决于转子的速度和励磁电流的幅度。根据本发明对磁通切换型电动机的控制完全避免了对励磁电流进行测量以便在旋转电动势和励磁电流之间建立关系的需要。根据本发明的方法控制每相绕组的电枢电流使其与处于那个相绕组的电动势同相，而无需获知电动势的幅度。这是通过控制传送到电动机的电压矢量瞬时角度以便维持电流与电动势的角度同步来完成的。因此在本发明中执行的比例计算对于转子上无位置传感器的磁通切换型电动机的控制做出了重大突破。磁通切换型电动机的转子简单构造使它们适于高速运转。在较高的旋转速度下，电枢绕组的电抗可明显高于电阻。在这些条件下，公式(7)和(8)中的电阻项可被忽略。在本发明的第二实施例中，通过简化获得计算环路上的进一步优势。

根据本发明的方法用于同步磁阻电动机是特别有利的。在这些电动机中，电动机模型是非常复杂的，以及现有技术的无传感器技术难于在低成本微控制器中实施。根据本发明的该非常简单的方法将良好地工作，仅仅需要两个参数，绕组电阻(尽管这并不需要是准确的)和电感值，当转子处于其相对于定子绕组的峰值扭矩位置时电感值代表相绕组的电感。由本发明描述的基本原理的改进可包括使得电感值为相绕组中峰值电流的函数，从而代表钢铁中的磁饱和效应。

所描述的本发明的两个实施例中利用了旋转参考系的所选择位置，以便使得矢量的正交分量之一等于零或允许正交矢量之一被控制到零。在第一实施例中，将旋转参考系选择成与电压矢量一致，因此没有必要具有任何正交电压矢量。在第二实施例中，旋转参考系的位置被选择成紧密跟随旋转电动势的位置，允许控制器将电动势矢量相对于该参考系的角度位置最小化。显然通过对公式和目标值的合适选择可在任意其它参考系上实施本发明。

通过正确选择适于主要量的正负号可实现四象限(电动/发电，顺时针/逆时针)机器的操作。在假设矢量逆时针旋转的情况下本说明书对本发明进行了描述。电动机的实际方向将取决于机器中的相序。矢量的旋转方向可以颠倒，这样矢量顺时针旋转。在定子坐标系位置中的负角度增量(负速度)有利于实现上述。

矢量保持尽可能地接近实轴，但I_{s_real}的值将是负的，使得电流在相位上与实轴成180°异相。以该方式，由公式(2)或(3)计算出的转矩为负值。负转矩保持负速度，以满足在第三象限中旋转电动机的需求。如果电动势矢量的所估算角位置是正的(θ_Es＞0)，则通过将负角度增量在定子参考系中减慢(负性变小)而对误差进行校正。将误差加到负的角速度以便校正误差。这与在正方向上进行的校正含义相同。一台机器也可以通过使得I_{s_real}矢量方向成为反向以便产生瞬时的负转矩而从电动瞬间改变到发电。然后该机器将开始减慢，θ_Es将被视为小于零，E_s位置中的负误差将减小在定子参考系中的角度增量，以确保定子参考系紧密跟踪转子位置。因此该方案的数学实施在四个象限操作之间是连续的。

在图7，8，9和10中示出可根据本发明进行控制的同步电动机的实例。

图7示出了三相磁通切换型机器。定子200具有12个齿201和在上述齿之间的12个槽202。定子槽承载定子绕组。六个槽承载场绕组，进行了六场槽绕组，每个场槽携带的电流与下一个场槽携带的电流为相反的方向，以便形成一个六极磁场。其它六个槽承载三相绕组或电枢绕组，A1和A2和A3。磁通切换型机器210由钢层压而成，且不承载绕组或永久磁铁。在该实例中，转子具有五个齿211。随着励磁电流提供给场绕组，转子在定子内的旋转感生成120°分开的三个交流电压。如果三个电枢相绕组连接到一个三相逆变器，则电枢电流与感应电动势同步地传送给绕组，从而实现连续地电动或发电。

混合式步进电动机是同步电动机的另外一个实例。混合式步进电机通常具有两个，三个或五个相绕组。图8示出了通过典型的两相混合式步进电动机一端的横截面。

图8的两相混合式步进电动机包括定子221和转子222，这两者都由电工级钢层叠构成。定子具有八个磁极223，每相对应四个，磁极223在一组齿224的尖端变宽。每个定子磁极223具有为短节距相线圈225形式的绕组。这些线圈225通常串联连接以便形成两个独立的电动机相绕组A和B。转子在其每一端部处具有许多径向间隔的齿226(一般为50个)，且转子结合永久磁铁(该永久磁贴产生沿着机轴的静态磁通量)。这使得转子的齿在机器一端全部为N极，而转子的齿在转子另一端全部为S极。在转子222一端处的齿226相对于在转子222另一端处的齿226有半个齿距的偏移。转子齿距与定子221的齿距相同。在两相定子绕组中感生的电动势来自转子的旋转。A相的电动势与B相的电动势有90°的相移。

图9示出了一个具有定子231和转子233的同步磁阻电动机。示出定子具有24个槽232，但是12个和36个也很常见。定子槽包含分布式的三相绕组。转子233是由钢层压而成并且包含作为磁通屏障的开槽。这产生高和低磁组的轴，这样，如果定子绕组产生一个四极磁场，转子将对准磁通屏障，这样定子磁通量沿低磁阻路径行进。由于可以使用许多不同的转子结构，但是其目的是传送最大比率的磁组变化。在该电动机中，在定子绕组中不存在用于感生电动势的旋转磁铁；当转子旋转时通过定子绕组的自感变化以及相绕组之间的互感变化而产生转矩。这种电动机已知难以控制和保持同步。根据本发明的方法提供解决这一问题的方案。

作为对同步磁阻电动机的增强，永久磁铁可***到转子开槽内以便更进一步增加磁性以及提高产生的转矩。这种机器已知为内置式永磁同步电动机。

图10是一种更为常见的永磁同步电动机。定子241同样通过钢层压而成。在该实例中，定子具有穿插在9个槽242中的9个齿。定子绕组通常是具有短节距的绕组，围绕每个齿绕一个线圈，彼此间隔120°的三个线圈连接到在一起以便产生三相绕组的每一绕组。转子243具有由一层永磁材料层包绕的钢铁芯。在该实例中，永久磁铁径向磁化成产生六极磁场。转子旋转在定子绕组感生相位上以120°(电角度)偏移的三个电动势。作为电动机的操作需要一个逆变器，以便以与每个绕组中感生的内部电动势同步地传送三个交流电枢电流。

虽然这些电动机的构造非常不同，但是它们作为电动机或发电机都需求获得最佳操作，需要对定子电流的精确控制以便维持与转子位置同步。必须在宽范围的速度和负载下以及当负载或速度可快速变化时的动态条件下来实现上述。尽管这些电动机的操作原则非常不同，但是经证实根据本发明的方法适于控制所有这些机型，具有非常有效的计算时间，允许其在低成本的微控制器中实施。

Claims (16)

1.一种适于电动机的控制***，该电动机包括转子和定子，定子具有一个或多个相绕组以便在相对于定子的静止参考系中产生定子旋转磁场，该***包括检测装置、第一计算装置(104)、第二计算装置(105)、估算装置、误差装置以及同步装置，检测装置用于监控至少一相绕组中的电流，第一计算装置(104)用于从所监控到的电流来在相对于静止参考系旋转的旋转参考系中确定代表电流矢量的至少一分量(I_{s_real}，I_{s_imag})的值，第二计算装置(105)用于通过所监控到的电流来确定代表在旋转参考系中旋转的电动势矢量的至少一分量(E_{s_real}，E_{s_imag})的值，估算装置用于从代表至少一分量(E_{s_real}，E_{s_imag})的所述值来估算旋转电动势矢量角位置的值，误差装置用于确定指示所估算的角位置与所需角位置偏差的角误差信号，同步装置用于控制电动机，从而角误差信号趋于零。

2.根据权利要求1所述的控制***，其中第一计算装置(104)用于通过所监控到的电流来确定代表电流矢量沿着以已知角度与旋转参考系一致的实轴的实分量(I_{s_real})的值和代表正交于实分量(I_{s_real})的电流矢量的虚分量(I_{s_imag})的值。

3.根据权利要求1或2所述的控制***，其中第二计算装置(105)用于从所监控到的电流来确定代表电动势矢量沿着以已知角度与旋转参考系一致的实轴的实分量(E_{s_real})的值和代表正交于实分量(E_{s_real})的电动势矢量的虚分量(E_{s_imag})的值。

4.根据权利要求3所述的控制***，其中第二计算装置(105)用于确定电动势矢量的正交分量(E_{s_real}，E_{s_ima})的比率。

5.根据任一前述权利要求所述的控制***，其中误差装置用于确定电流矢量的实分量(I_{s_real})和适于电流矢量实分量的目标值之间的实电流误差以及电流矢量的虚分量(I_{s_imag})和适于电流矢量虚分量的目标值之间的虚电流误差。

6.根据权利要求5所述的控制***，其中使得实电流误差最小化的电压矢量实分量(V_{s_rea})被确定，以及使得虚电流误差最小化的电压矢量虚分量(V_{s_imag})被确定。

7.根据权利要求6所述的控制***，其中同步装置利用电动势矢量的所估算角位置和电动势矢量的所需角位置之间的误差来校正旋转参考系的角位置，以及传送与旋转参考系的所校正角位置一致的电压矢量实分量(Vs_real)和电压矢量虚分量(Vs_imag)。

8.根据权利要求7所述的控制***，其中电动势矢量的所需角位置与旋转参考系的实轴一致。

9.根据权利要求7或8所述的控制***，其中代表所需角度差异的值根据运行速度或负载而变化。

10.根据任一前述权利要求所述的控制***，其中第一计算装置(104)用于确定电流矢量的正交分量(I_{s_real}，I_{s_imag})的比率。

11.根据任一前述权利要求所述的控制***，其中估算装置通过评估电流矢量正交分量(I_{s_real}，I_{s_imag})比率的函数与电动势矢量正交分量(E_{s_real}，E_{s_imag})比率的函数之间的差异来估算代表电流矢量角度和电动势矢量角度之间的角度差异的值。

12.根据权利要求11所述的控制***，其中误差装置用于确定代表角度差异的值和代表所需角度差异的值之间的误差。

13.根据权利要求12所述的控制***，其中代表所需角度差异的值接近于零。

14.根据权利要求11或12所述的控制***，其中同步装置包括用于依赖于角误差信号来控制定子电压角度的装置。

15.根据权利要求1所述的控制***，其中估算装置仅仅利用电动势矢量虚分量(E_{s_imag})来估算代表电动势矢量角位置的值。

16.根据权利要求1所述的控制***，其中估算装置利用电动势矢量虚分量(E_{s_imag})除以转子速度的函数来估算代表电动势矢量角位置的值。

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