CN116888885A - 一种无刷永磁电机 - Google Patents

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Abstract

一种无刷永磁电机具有相绕组、用于向相绕组施加电压矢量的逆变器和用于控制逆变器的控制器。逆变器具有多个高边开关和多个低边开关。控制器配置为将电机的电循环分成第一部分和不同于第一部分的第二部分，在电循环的第一部分中向相绕组施加第一组电压矢量，并且在电循环的第二部分中向相绕组施加第二组电压矢量。第二组电压矢量不同于第一组电压矢量。控制器配置为接通低边开关以施加第一组电压矢量中的每个电压矢量，然后断开所有低边开关以施加第二组电压矢量中的零电压矢量。

Description

一种无刷永磁电机
技术领域
本发明涉及无刷永磁电机和控制无刷永磁电机的方法。
背景技术
无刷永磁电机中转子的操作温度关系到位于转子组件中的永磁体的机械完整性和磁性能，以及电机轴承的预期寿命。转子的操作温度主要受转子中产生的损耗量的影响，其中很大一部分是由定子磁场的时间谐波变化引起的。这在烧结永磁体中尤其普遍。高阶相电流纹波的RMS值越高，转子永磁体中感应的涡流越高，因此磁体温度越高。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种无刷永磁电机，包括相绕组、用于向相绕组施加电压矢量的逆变器、以及用于控制逆变器的控制器，其中逆变器包括多个高边开关和多个低边开关，并且控制器配置为将电机的电循环分成第一部分和不同于第一部分的第二部分，在电循环的第一部分中向相绕组施加第一组电压矢量，在电循环的第二部分中向相绕组施加第二组电压矢量，第二组电压矢量不同于第一组电压矢量，接通低边开关以施加第一组电压矢量中的每个电压矢量，然后断开所有低边开关以施加第二组电压矢量中的零电压矢量。
根据本发明第一方面的无刷永磁电机可能是有利的，因为控制器配置为接通低边开关以施加第一组电压矢量中的每个电压矢量，然后断开所有低边开关以施加第二组电压矢量中的零电压矢量。特别地，通过接通低边开关以施加第一组电压矢量中的每个电压矢量，低边开关在电循环的第一部分期间总是接通的，这使得能够确定指示流过相绕组的电流的电流值，例如通过测量低边开关两端的电压。这对于控制方案可能是有益的，例如，其中需要这样的电流值来确定无刷永磁电机的转子位置。
此外，由于控制器配置为断开所有低边开关以施加第二组电压矢量中的零电压矢量，第二组电压矢量包括不存在于第一组电压矢量中的电压矢量，因此可以允许在电循环的第二部分中增加控制的灵活性，例如在不需要确定指示流过相绕组的电流的电流值来确定无刷永磁电机的转子位置的情况下。
控制器可以配置为接通相同的低边开关，以施加第一组电压矢量中的每个电压矢量。这可以使得能够仅使用单个电流监测器来确定指示流过相绕组的电流的电流值。
控制器可以配置为接通所有高边开关，以施加第二组电压矢量的零电压矢量。通过断开所有低边开关和接通所有高边开关获得的零电压矢量可以不在第一组电压矢量中。
控制器可以配置为接通所有低边开关，以施加第一组电压矢量中的零电压矢量。控制器可以配置为接通所有低边开关，以施加第二组电压矢量中的另一零电压矢量。在电循环的第二部分中使用两个零电压矢量可以在电循环的第二部分中对流过相绕组的电流提供更好的控制，例如，通过在电循环的相同部分中施加两个不同的零电压矢量，能够降低峰间电流纹波。峰间电流纹波的减少可减少转子中感应的涡流，与仅可施加单个零电压矢量的电循环的第一部分相比，这可以导致转子温度升高的减少。
第二组电压矢量可以包括比第一组电压矢量更多的电压矢量。这可能意味着，在电循环的相等大小的部分上测量，施加第二组电压矢量期间的有效开关频率大于施加第一组电压矢量期间的有效开关频率。因此，通过在电循环期间使用第一和第二组电压矢量的组合，与在电循环期间单独使用第一组电压矢量相比，可以实现更大的有效开关频率。更大的有效开关频率可以降低峰间电流纹波，因此可以导致转子温度升高的减少。
控制器可以配置为以第一序列施加第一组电压矢量，并以第二序列施加第二组电压矢量，第一序列包括在第一序列的中点施加的非零电压矢量，第二序列包括在第二序列的中点施加的零电压矢量。以这种方式，与电循环的第一部分相比，在电循环的第二部分中可以降低峰间电流纹波，并且与在整个电循环中利用第一组电压矢量的控制方案相比，可以实现转子温度升高的减少。
第一和第二序列可以在它们各自的电循环的第一和第二部分中重复，例如在电循环的第一部分中多次施加第一序列，在电循环的第二部分中多次施加第二序列。第一和第二序列中的相邻电压矢量可以仅通过单个开关状态而改变，例如通过单个开关接通或断开以在第一和第二序列中的相邻电压矢量之间移动。第一和第二序列可以关于它们各自的中点对称。
无刷永磁电机可以包括具有三相绕组的三相无刷永磁体，并且逆变器可以包括具有三个高边开关和三个低边开关的三相逆变器。
控制器可以采用五步空间矢量脉宽调制在电循环的第一部分中施加第一组电压矢量，并且可以采用七步空间矢量脉宽调制在电循环的第二部分中施加第二组电压矢量。五步空间矢量脉宽调制可以包括在一个开关循环期间施加五个电压矢量的序列，例如发生四个开关事件来施加五个电压矢量。所施加的五个电压矢量的序列可以包括重复的电压矢量，例如在序列中不止一次地施加相同的电压矢量。七步空间矢量脉宽调制可以包括在一个开关循环期间施加七个电压矢量的序列，例如发生六个开关事件来施加七个电压矢量。所施加的七个电压矢量的序列可以包括重复的电压矢量，例如在序列中不止一次地施加相同的电压矢量。
电循环的第一部分可以包括120度的电循环，电循环的第二部分可以包括240度的电循环。因此，指示流过相绕组的电流的电流值的确定可以在电循环的第一部分中获得，电循环的第二、更大的部分能够实现更大的控制，以相对于电循环的第一部分减小峰间电流纹波。
无刷永磁电机可以包括与接通的低边开关串联连接的电阻器，以施加第一组电压矢量中的每个电压矢量，并且控制器可以配置为在电循环的第一部分中监测电阻器两端的电压，并且使用监测的电压来确定指示在电循环的第一部分中流过相绕组的电流的电流值。这可以提供一种简单的机制，用于确定指示在电循环的第一部分中流过相绕组的电流的电流值。
控制器可以配置为使用所确定的电流值来估计无刷永磁电机的转子的位置，所确定的电流值指示在电循环的第一部分中流过相绕组的电流。
控制器可以配置为获得指示施加到电机的相绕组的电压的参考电压值，使用确定的电流值和参考电压值计算相绕组中感应的反电动势(EMF)的相位，使用计算的相绕组中感应的反EMF的相位确定相绕组中感应的反EMF的过零点，并且基于确定的过零点生成转子位置信号。
无刷永磁电机的反EMF可以具有基本上正弦的形式，并且可以从过去的测量或模拟或者从实时计算中获得在相绕组中感应的反EMF的幅值和频率。通过使用测量的电流值和参考电压值计算在相绕组中感应的反EMF的相位，该信息然后可以与已知的幅值和频率结合使用，以提供在相绕组中感应的反EMF的波形的相对精确的表示。在相绕组中感应的反EMF波形的表示然后可以用于确定在相绕组中感应的反EMF的过零点，并因此生成转子位置信号。
在相绕组中感应的反EMF的过零点意味着在正极性反EMF值和负极性反EMF值之间的转换期间反EMF值达到零的点，反之亦然。
控制器可以配置成当相绕组中感应的反EMF处于过零点时，确定无刷永磁电机的转子的对准位置。对准位置是指转子在由电机限定的两个相对磁极之间对准的位置，例如附接到转子的永磁体在由电机的定子限定的两个相对磁极之间对准的位置。
控制器可以配置为当相绕组中感应的反EMF处于过零点时确定0电角度的转子位置。
相绕组中感应的反EMF的相位可通过以下公式计算:
其中EphX是在相绕组X中感应的反EMF，Lselfp是相绕组X的自感系数，LmutualphX是相绕组X与电机的其他相绕组的互感系数，IphX是指示流过相绕组X的电流的电流值，RphX是相绕组X的电阻，VphX是表示施加到相绕组X的电压的参考电压值。
使用计算的在相绕组中感应的反EMF的相位来确定在相绕组中感应的反EMF的过零点可以包括确定在相绕组中感应的反EMF的过去的过零点，并且基于确定的过零点生成转子位置信号可以包括基于过去的过零点生成转子位置信号。
使用计算的在相绕组中感应的反EMF的相位来确定在相绕组中感应的反EMF的过零点可以包括确定在相绕组中感应的反EMF的未来的过零点，并且基于确定的过零点生成转子位置信号可以包括基于未来的过零点生成转子位置信号。
基于确定的过零点生成转子位置信号可以包括基于确定的过零点更新预先存在的转子位置信号。
当相绕组中感应的反EMF处于过零点时，确定无刷永磁电机的转子的对准位置可以包括当反EMF处于过去的过零点时，确定转子的过去的对准位置。例如，使用计算的相绕组中感应的反EMF的相位来确定相绕组中感应的反EMF的过零点可以包括确定相绕组中感应的反EMF的过去的过零点。这可以允许提供给无刷永磁电机的控制器的转子位置信号在已经确定过去的过零点之后被更新。
当相绕组中感应的反EMF处于过零点时，确定无刷永磁电机的转子的对准位置可以包括当反EMF处于未来的过零点时，确定转子的未来的对准位置。例如，使用计算的相绕组中感应的反EMF的相位来确定相绕组中感应的反EMF的过零点可以包括确定相绕组中感应的反EMF的未来的过零点。
相绕组中感应的反EMF可以包括正弦波形，例如具有幅值和频率。确定相绕组中感应的反EMF的过零点可以包括利用计算的相绕组中感应的反EMF的相位、表示相绕组中感应的反EMF的幅值的幅值、以及表示相绕组中感应的反EMF的频率的频率中的任意一个或任意组合。
表示相绕组中感应的反EMF幅值的幅值可以包括预定幅值，和/或表示在相绕组中感应的反EMF频率的频率可以包括预定频率。例如，预定幅值和/或预定频率可以通过先前的测量或模拟获得，并且可以存储在无刷永磁电机的控制器的存储器中。表示相绕组中感应的反EMF的幅值的幅值可以包括计算的幅值，例如实时计算的幅值，和/或表示相绕组中感应的反EMF的频率的频率可以包括计算的频率，例如实时计算的频率。表示相绕组中感应的反EMF的幅值的幅值和/或表示在相绕组中感应的反EMF的频率的频率可以是速度相关的。例如，无刷永磁电机转子的较高转速可以导致较大的幅值和/或频率。
计算相绕组中感应的反EMF的相位可以包括对以下方程进行积分：
以获得表示积分的反EMF的关系。
计算相绕组中感应的反EMF的相位可以包括将积分的反EMF等同于表示相绕组中感应的反EMF的正弦波形的积分。
控制器可以配置为利用确定的相绕组中感应的反EMF的过零点来计算转子的电周期。控制器可以配置为利用确定的相绕组中感应的反EMF的过零点来计算转子的速度。控制器可以配置为利用确定的相绕组中感应的反EMF的过零点来生成表示转子的连续位置的信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种控制无刷永磁电机的方法，无刷永磁电机包括相绕组和用于向相绕组施加电压矢量的逆变器，逆变器包括多个高边开关和多个低边开关，其中该方法包括将电机的电循环分成第一部分和不同于第一部分的第二部分，在第一部分中将第一组电压矢量施加到相绕组，在第二部分中将第二组电压矢量施加到相绕组，第二组电压矢量不同于第一组电压矢量，接通低边开关以施加第一组电压矢量中的每个电压矢量，然后断开所有低边开关以施加第二组电压矢量中的至少一个电压矢量。
根据本发明的第三方面，提供了一种包括机器可读指令的数据载体，用于无刷永磁电机的控制器的操作，以将电机的电循环分成第一部分和不同于第一部分的第二部分，在第一部分中将第一组电压矢量施加到电机的相绕组，在第二部分中将第二组电压矢量施加到相绕组，第二组电压矢量不同于第一组电压矢量，接通低边开关以施加第一组电压矢量中的每个电压矢量，然后断开所有低边开关以施加第二组电压矢量中的至少一个电压矢量。
在适当的情况下，本发明的方面的可选特征可以等同地应用于本发明的其他方面。
附图说明
图1是示出根据本发明的电机***的第一实施例的示意图；
图2是示出控制图1的电机***的方法的流程图；
图3是示出用于控制图1的电机***的波形的第一图像；
图4是示出用于控制图1的电机***的波形的第二图像；
图5是示出用于控制图1的电机***的电压矢量的示意图；
图6是示出用于控制图1的电机***的五步空间矢量脉宽调制的示意图；
图7是示出用于控制图1的电机***的七步空间矢量脉宽调制的示意图；和
图8示出了五步和七步空间矢量脉宽调制的终端功率和时间之间的关系。
具体实施方式
无刷永磁电机12在图1中示意性地示出，并且包括控制***14。如图1所示，电机12由AC市电电源16供电，尽管可以理解，通过对控制***14进行适当的修改也可以设想电机12由电池供电的实施例。
电机12包括相对于具有六个线圈的定子20旋转的两极永磁转子18。本领域技术人员将理解，本文所涉及的教导通常适用于具有不同数量的转子极和定子线圈的电机。导线缠绕在定子20周围以形成三相绕组22，三相绕组22或者以所谓的“星形结构”连接，即三相绕组22以公共中性节点联接在一起，或者以所谓的“三角结构”连接，即一个绕组的末端联接到另一绕组的始端，反之亦然。三相绕组22在本文将被称为相A、相B和相C，尽管应该理解，也可以使用其他符号，例如U、V、W。
控制***14包括整流器24、DC-DC升压转换器26、DC链路滤波器28、逆变器30、电流传感器32和控制器34。
整流器24是二极管的全波桥，其整流AC市电电源16的输出以提供DC链路电压。
DC-DC升压转换器26是任何合适的升压转换器，其提升DC链路电压并将提升的DC链路电压供应给逆变器30。在一些实施例中，应当理解，可以省略DC-DC升压转换器。
DC链路滤波器28包括电容器，电容器平滑由逆变器30的开关引起的相对高频率的纹波。
逆变器30包括六个功率开关Q1-Q6的全桥，其将DC链路电压联接到相绕组22。功率开关Q1-Q6响应于控制器34提供的信号而被控制，这将在下文中更详细地描述。功率开关Q1、Q3和Q5是高边开关，功率开关Q2、Q4和Q6是低边开关。成对的高边和低边开关定义了逆变器30的支路，例如成对的Q1和Q2、Q3和Q4以及Q5和Q6各自定义了图1中逆变器30的支路。
图1中的电流传感器32包括位于逆变器30的对应于开关Q1和Q2的支路A的低边的分流电阻器RshuntA。
控制器34以下面将进一步详细描述的方式控制逆变器30的功率开关Q1-Q6的操作。控制器34包括具有处理器、存储设备和多个***设备(例如ADC、比较器、定时器等)的微控制器。存储设备存储由处理器执行的指令，以及由处理器使用的控制参数。
如图1所示，控制器34操作多个控制块来控制电机12。虽然在图1中显示为形成控制器34的一部分的控制块，但是应当理解，也可以设想控制块被存储和/或运行在控制器34的单独部件上的实施例。
图1的控制块包括功率查找表36、3D查找表38、电压参考发生器40、开关定时发生器42、开关控制器44和转子位置计算器46。
控制图1的电机12以获得期望的功率，因此控制器34从功率查找表36中获得参考功率PREF。参考功率PREF连同估计的转子速度ωe(其计算将在下文中描述)和DC链路电压VDC一起用于索引3D查找表38，以获得期望的电压幅值||v||*和期望的电压相位δ*。
期望的电压幅值||v||*和期望的电压相位δ*连同估计的转子位置信号θe(其计算将在下文中讨论)和DC链路电压VDC一起被传递到电压参考发生器40。电压参考发生器40生成将要施加到三相绕组22的每个的电压的α-β轴上的正交表示，其中正交电压表示为和正交电压/>和/>的计算如下:
其中||v||*为期望电压幅值，θe为估计的转子位置信号，δ*为期望相电压，Ts为1/fsw，fsw为采样频率，ωe为估计的转子速度。
正交电压和/>被传递到开关定时发生器42，开关定时发生器42配置为根据空间矢量脉宽调制方法生成开关定时Ta、Tb、T0。
开关定时Ta、Tb、T0具有以下关系:
T0＝Ts-Ta-Tb
使用以下关系来计算开关定时Ta和Tb:
计算取决于vREFposition的值，如下表1所示。
表1
开关定时Ta、Tb、T0的值被传递到开关控制器44，开关控制器44基于开关定时Ta、Tb、T0使用空间矢量脉宽调制来控制逆变器30的六个功率开关Q1-Q6。
下文将更详细地描述所使用的空间矢量脉宽调制技术的细节，但是现在足以说明控制器34能够控制六个功率开关Q1-Q6的开关，使得施加适当的电压来驱动转子18的旋转。
从上面的讨论中可以理解，为了控制转子18的旋转，需要了解转子位置和转子速度。如现在将要讨论，控制器34采用无传感器方案来估计转子18的位置和速度，并且响应于估计的转子18的位置和速度来控制逆变器30的功率开关Q1-Q6的操作。
为了采用如图1所示的无传感器方案，控制器34包括转子位置计算器46。转子位置计算器46包括过零估计器48、电周期计算器50和位置信号发生器52。
在图1的实施例中，仅利用了与相绕组A相关的值，尽管可以理解，下面的讨论同样适用于相绕组B或相绕组C。
在没有任何显著的饱和或显著性的情况下，任何相绕组22的电压方程可以表示为
其中EphX是在相绕组X中感应的反EMF(EMF)，LselfphX是相绕组X的自感系数，Lmutualph是相绕组X与电机的其他相绕组的互感系数，IphX是指示流过相绕组X的电流的电流值，RphX是相绕组X的电阻，VphX是指示施加到相绕组X的电压的参考电压值。
过零估计器48使用该电压方程来估计相绕组A中反EMF的过零，现在将对此进行描述。
过零估计器48从分流电阻器RshuntA接收信号IA，信号IA表示指示流过相绕组A的电流的电流值。过零估计器48还接收来自3D查找表38的期望电压相位δ*和来自电压参考发生器的正交电压在待施加到三个相绕组中的每个的电压的α-β轴上的正交表示中，正交电压/>对应于施加到相绕组A的电压，并且因此/>可以被视为指示施加到相绕组A的电压的参考电压值，而无需进一步处理。在利用相绕组B和/或C的情况下，可能需要对正交电压/>和/>进行进一步处理，以获得指示施加到相绕组B或C的电压的参考电压值。
过零估计器48还从位置信号发生器52接收先前估计的转子位置信号θe。这使得转子位置信号能够基于来自过零估计器48的输出被更新。
使用自感LselfphA、电机的相绕组A与其它相绕组的互感LmutualphA以及相绕组A的电阻RphA(这些是已知的量)，结合信号IA和正交电压过零估计器48能够以下面的方式确定相绕组A中感应的反EMF的过零点，信号IA是指示流过相绕组A的电流的电流值，正交电压是指示施加到相绕组A的电压的参考电压值。
对电压方程进行积分，得出代表积分反EMF的关系如下:
其中–a和a是测量区间开始和结束时的边界值。这个值被表示为Bemfinteg。
在相绕组22中感应的反EMF也可以通过具有以下方程的正弦波形相当精确地近似：
其中E(t)是反EMF，A是反EMF的幅值，ω是反EMF的角频率(单位为弧度/秒)，是反EMF的相位(单位为弧度)。Noise(t)表示反EMF信号中存在的任何噪声。反EMF方程的噪声分量的积分接近于零，因此实际上可以忽略不计。
如果我们让Fs为-h至h测量区间内的采样频率，让s为采样时间，t为时间(单位是秒)，使得s＝Fst，则值Bemfinteg_norm也可以写为采样区间[-h，h]上的正弦反EMF波形的估计积分：
如果我们代入s＝(Fs/ω)x，则我们得到：
可以看出，上面给出的积分的归一化常数是A.(Fs/ω)，其中Fs是采样频率。还可以观察到，积分限是反EMF角度(单位为弧度)的测量区间的一半。
幅值A与电机速度呈线性关系，通常用电机特定常数M100K表示，即100000RPM速度下的幅值(单位为伏特)。该常数取决于电机结构，随温度轻微地变化，并且可以通过电机12的再同步阶段期间的表征来确定。因此，幅值由下式给出：
其中，fRPM是电机转速(单位为RPM)，pp是转子的极对的数量(本例中为1)。
因此，反EMF积分的归一化常数变为：
表达式(60Fs)/(pp·105)等于四极电机在100000RPM下每个电周期的采样数量，即在特定M常数的速度下。这可以被认为是频率归一化因子，而M.103可以被认为是幅值归一化因子。
因此，从已知的反EMF的幅值和频率值可以看出，我们可以使用以下关系计算相绕组中感应的反EMF的相位，对于单位幅值，周期为2π的情况：
从上面反EMF方程的积分中，我们知道：
然后，通过利用指示流过相绕组的电流的电流值、指示施加到相绕组的电压的参考电压值，并将分母的幅角转换成弧度，我们可以确定的值。然后通过应用反正弦函数获得相位/>
一旦计算出相位，对于给定的转子速度，存储在存储器中的已知的幅值和/或频率值，或者实际上对于给定的转子速度计算出的幅值和/或频率值，可以与相位结合使用，以确定在相绕组22中感应的反EMF的过零点，例如使用反EMF波形的表示。
图2的流程图示出了确定转子18的位置的方法100。
方法100包括测量102指示流过相绕组A的电流的电流值，并且提供104指示施加到相绕组A的电压的参考电压值。方法100包括使用测量的电流值和参考电压值计算106在相绕组A中感应的反EMF的相位，并且使用计算的相绕组中感应的反EMF的相位确定108相绕组中感应的反EMF的过零点。该方法包括并且使用110计算的相绕组中感应的反EMF的相位来生成转子位置信号。
在相绕组22中感应的反EMF的过零点的了解允许计算各种值，这些值可以由电周期计算器50和位置信号发生器52使用，以生成估计的转子位置信号θe。特别地，过零估计器48输出从先前的反EMF过零点到最近的采样周期的开始的时间周期bemfzc_to_sofs，以及从先前的反EMF过零点到最近的采样周期结束的时间周期bemfzc_to_eofs的值，bemfzc_to_sofs和bemfzc_to_eofs连同哪个相被采样的指示Ph_sampled输出到电周期计算器50，在这种情况下是相A。
采样周期相对于反EMF的先前的过零的中间周期角度mid_period_angle可以取决于的值使用反正弦函数计算：
中间周期时间mid_period_time由以下公式推导：
其中Ta_old是先前已知或先前计算的电周期。
然后从先前的反EMF过零点到最近采样周期开始的时间周期bemfzc_to_sofs，以及从先前的反EMF过零点到最近采样周期结束的时间周期bemfzc_to_eofs计算如下：
这些值被传递到电周期计算器50。
电周期计算器50使用下式计算在相绕组22中感应的反EMF的过零之间的电周期：
Taperiod＝bemfZC_to_eofsold+deltaT-bemfZC_to_eofs
其中，bemfZC_to_eofsold是从先前计算或已知的反EMF过零到先前采样周期结束的先前计算的时间周期，deltaT由下式给出，deltaT＝timerendA-timerendAold，其中，timerendA是采样结束时的定时器值。
电周期计算器50向位置信号发生器52输出计算的电周期Taperiod和从先前的反EMF过零点到最近采样周期结束的时间周期bemfzc_to_eofs，该时间周期也被称为相位延迟phaseAdelay，同时还使用计算的由给出的转子速度来索引3D查找表38。
位置信号发生器52使用以下关系生成估计的转子位置信号θe：
其中t是运行时间，在采样周期结束时，即在timerendA时，该时间被重置为零。
估计的转子位置信号θe以在相绕组A中感应的反EMF的负过零到正过零为参考，估计的转子位置信号θe被传递到电压参考发生器40，以用于如上所述控制电机12。
以这种方式，控制器34可以以无传感器的方式获得估计的转子位置信号θe，而不需要传感器或额外的硬件部件。上面讨论的各个时间周期之间的关系可以在图3和图4中看到。
在图1的实施例中，在估计的转子位置信号θe的生成中仅利用相绕组A，并且估计的转子位置信号θe仅在每个电循环更新一次，即每360电角度更新一次。
从上面的讨论可以看出，对指示流过相绕组A的电流的电流值的了解对于生成估计的转子位置信号θe是必要的，因此，指示流过相绕组A的电流的电流值需要被测量足够长的时间，以在转子18的位置的估计中提供期望的精度。在本实施例中，指示流过相绕组A的电流的电流值在整个三分之一电循环(即120度)中测量。这是通过图1中的电流传感器32实现的，即位于对应于开关Q2的逆变器30的支路A的低边的分流电阻器RshuntA。
考虑到这一点，可以看出需要一种控制方案，其中开关Q2在整个三分之一的电循环(即120度)中被激活。
在这种情况下，控制器34在120度电循环期间采用五步空间矢量脉宽调制控制方案，其中需要使用分流电阻器RshuntA来测量电流。参考图5和图6，示出了这种五步空间矢量脉宽调制控制方案。
对于传统的空间矢量脉宽调制，在电循环的60度周期中利用四个电压矢量，v0(000)、v7(111)以及由VREFposition定义的与参考电压矢量相邻的两个电压矢量，其中0表示相应的六个功率开关Q1-Q6中的低边一个导通，1表示相应的六个功率开关Q1-Q6中的高边一个导通。因此，例如，对于电压矢量v1，对应于相A的高边开关导通，而相B和相C的低边开关导通，这通常标记为(100)。与参考电压矢量相邻的两个电压矢量中的一个每60度电循环改变一次，从而导致在电循环的不同60度段中使用不同的开关循环。传统的空间矢量脉宽调制中使用的不同电压矢量如图5所示。
在期望测量流过相绕组A的电流的120度电循环中，控制器34采用利用五步空间矢量脉宽调制的开关循环，如图6所示。五步空间矢量脉宽调制不同于上述传统的空间矢量脉宽调制，因为使用了三个电压矢量而不是四个，省略了零电压矢量v7(111)。在图6所示的开关循环实施例中，使用的三个电压矢量是v0(000)、v3(010)和v4(011)。因此，可以看出，对于图6所示的五步空间矢量脉宽调制，在施加每个电压矢量v0(000)、v3(010)和v4(011)期间，低边开关Q2接通。电压矢量v0(000)、v3(010)和v4(011)在开关循环中依次施加，只有单个开关在相邻施加的电压矢量之间改变状态。例如，如图6所示，施加的电压矢量序列为v0、v3、v4、v3、v0。
图6所示的开关循环在电循环的60度部分重复几次，在此期间，期望监测流过相绕组A的电流，连同另一个五步空间矢量脉宽调制开关循环，该开关循环利用电压矢量v0(000)、v4(011)和v5(001)，该开关循环也共享低边开关Q2在施加每个电压矢量期间被接通的共同特征，其在电循环的另一60度部分被施加。
通过采用上述五步空间矢量脉宽调制，流过相绕组A的电流可以在120度的电循环内被监测，从而能够使用上述确定转子18位置的方法100。
如果五步空间矢量脉宽调制用于整个电循环，即360度的电循环，则与利用具有四个电压矢量的传统的空间矢量脉宽调制的控制方案相比，有效开关频率将会降低，即所谓的七步空间矢量脉宽调制，其在图7中相对于利用v0(000)、v1(100)、v2(110)和v7(111)的开关循环示出。实际上，五步空间矢量脉宽调制的有效开关频率是七步空间矢量脉宽调制的有效开关频率的三分之二。
申请人已经观察到，与七步空间矢量脉宽调制相比，使用五步空间矢量脉宽调制可能导致峰间电流纹波增加，这导致在转子18的永磁体中感应出更高的涡流，并因此导致磁体温度增加和转子损耗增加。
假设仅需要在120度的电循环中应用5步空间矢量脉宽调制来获得上述估计转子18的位置的方法100所需的电流测量值，则本发明的控制器34在120度的电循环中实施五步空间矢量脉宽调制，然后在剩余的240度的电循环中实施七步空间矢量脉宽调制。
从图7的示例开关循环可以看出，在电循环的一个60度周期的七步空间矢量脉宽调制期间，使用电压矢量v0(000)、v1(100)、v2(110)和v7(111)。很明显，零电压矢量v7(111)是通过接通所有高边开关Q1、Q3、Q5并且断开所有低边开关Q2、Q4、Q7来施加的电压矢量。电压矢量v0(000)、v1(100)、v2(110)和v7(111)在开关循环中依次施加，只有单个开关在相邻施加的电压矢量之间改变状态。例如，如图7所示，施加的电压矢量序列为v0、v1、v2、v7、v2、v1、v0。图7的开关循环可以在电循环的60度部分上重复，连同利用零电压矢量v0(000)和v7(111)结合各自的相邻电压矢量对v2(110)和v3(010)、v5(001)和v6(101)以及v6(101)和v1(100)的开关循环也施加于各自的60度的电循环的部分。通过在240度的电循环中施加包括零电压矢量v1(111)的该更大的电压矢量组，其中对于上述方法100不需要测量流过相绕组A的电流，可以降低转子损耗和转子温度。
图8示出了五步和七步空间矢量脉宽调制以及本发明的控制器34所采用的混合五步和七步空间矢量脉宽调制的终端功率随时间变化的曲线图。从该曲线图中，可以推断出本文讨论的降低峰间电流纹波的益处。
尽管上面讨论了需要测量流过相绕组A的电流以实现方法100，但是应该理解，也可以利用相B或相C，其中分流电阻器的定位用作电流传感器32，并且使用五步空间矢量脉宽调制施加的电压矢量被相应地修改。同样，应理解的是，在使用两个相来估计转子14的位置的情况下，可能需要两个分流电阻器，并且因此对于240度的电循环可能需要五步空间矢量脉宽调制，对于剩余的120度的电循环应用七步空间矢量脉宽调制。

Claims (20)

1.一种无刷永磁电机，包括相绕组；逆变器，用于向所述相绕组施加电压矢量；和控制器，用于控制所述逆变器；其中所述逆变器包括多个高边开关和多个低边开关，并且所述控制器配置为将所述电机的电循环分成第一部分和不同于第一部分的第二部分；在所述电循环的第一部分中向所述相绕组施加第一组电压矢量；在所述电循环的第二部分中向所述相绕组施加第二组电压矢量，所述第二组电压矢量不同于所述第一组电压矢量；接通低边开关以施加所述第一组电压矢量中的每个电压矢量；以及断开所有低边开关以施加所述第二组电压矢量中的零电压矢量。
2.根据权利要求1所述的无刷永磁电机，其中所述控制器配置为接通所有低边开关，以施加所述第一组电压矢量中的零电压矢量。
3.根据权利要求1或2所述的无刷永磁电机，其中所述控制器配置为接通所有低边开关，以施加所述第二组电压矢量中的另一零电压矢量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的无刷永磁电机，其中所述第二组电压矢量包括比所述第一组电压矢量更多的电压矢量。
5.根据前述权利要求中任一项所述的无刷永磁电机，其中所述控制器配置为以第一序列施加所述第一组电压矢量，并以第二序列施加所述第二组电压矢量，所述第一序列包括在所述第一序列的中点处施加的非零电压矢量，所述第二序列包括在所述第二序列的中点处施加的零电压矢量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的无刷永磁电机，其中所述无刷永磁电机包括三相无刷永磁电机，所述三相无刷永磁电机具有三相绕组，并且所述逆变器包括三相逆变器，所述三相逆变器具有三个高边开关和三个低边开关。
7.根据前述权利要求中任一项所述的无刷永磁电机，其中所述控制器在所述电循环的第一部分中采用五步空间矢量脉宽调制施加所述第一组电压矢量，并在所述电循环的第二部分中采用七步空间矢量脉宽调制施加所述第二组电压矢量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的无刷永磁电机，其中所述电循环的第一部分包括所述电循环的120度，所述电循环的第二部分包括所述电循环的240度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的无刷永磁电机，其中所述无刷永磁电机包括电阻器，所述电阻器与接通的低边开关串联连接，以施加所述第一组电压矢量中的每个电压矢量，并且所述控制器配置为在所述电循环的第一部分中监测所述电阻器两端的电压，并且使用所监测的电压来确定电流值，所述电流值指示在所述电循环的第一部分中流过所述相绕组的电流。
10.根据权利要求9所述的无刷永磁电机，其中所述控制器配置为使用所确定的电流值来估计所述无刷永磁电机的转子的位置，所述电流值指示在所述电循环的第一部分中流过所述相绕组的电流。
11.根据权利要求10所述的无刷永磁电机，其中所述控制器配置为获得参考电压值，所述参考电压值指示施加到所述电机的相绕组的电压；使用确定的电流值和所述参考电压值计算所述相绕组中感应的反EMF的相位；使用计算的所述相绕组中感应的反EMF的相位确定所述相绕组中感应的反EMF的过零点；以及基于确定的过零点生成转子位置信号。
12.根据权利要求11所述的无刷永磁电机，其中所述相绕组中感应的反EMF的相位使用以下方程来计算：
其中EphX是所述相绕组X中感应的反EMF，LselfphX是所述相绕组X的自感系数，LmutualphX是所述相绕组X与所述电机的其他相绕组的互感系数，IphX是指示流过所述相绕组X的电流的电流值，RphX是所述相绕组X的电阻，VphX是指示施加到所述相绕组X的电压的参考电压值。
13.根据权利要求11或12所述的无刷永磁电机，其中确定所述相绕组中感应的反EMF的过零点包括利用计算的所述相绕组中感应的反EMF的相位、表示所述相绕组中感应的反EMF幅值的幅值、以及表示所述相绕组中感应的反EMF频率的频率中的任何一个。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的无刷永磁电机，其中计算所述相绕组中感应的反EMF的相位包括对以下方程进行积分，以获得表示积分的反EMF的关系
15.根据权利要求14所述的无刷永磁电机，其中计算所述相绕组中感应的反EMF的相位包括将积分的反EMF等同于表示所述相绕组中感应的反EMF的正弦波形的积分。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的无刷永磁电机，其中所述控制器配置为利用确定的所述相绕组中感应的反EMF的过零点来计算所述转子的电周期。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的无刷永磁电机，其中所述控制器配置为利用确定的所述相绕组中感应的反EMF的过零点来计算所述转子的速度。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的无刷永磁电机，其中所述控制器配置为利用确定的所述相绕组中感应的反EMF的过零点来生成表示所述转子的连续位置的信号。
19.一种控制无刷永磁电机的方法，所述无刷永磁电机包括：相绕组；逆变器，用于向所述相绕组施加电压矢量；所述逆变器包括多个高边开关和多个低边开关，其中所述方法包括：将所述电机的电循环分成第一部分和不同于第一部分的第二部分；在所述第一部分中向所述相绕组施加第一组电压矢量；在所述第二部分中向所述相绕组施加第二组电压矢量，所述第二组电压矢量不同于所述第一组电压矢量；接通低边开关以施加所述第一组电压矢量中的每个电压矢量；以及断开所有低边开关以施加所述第二组电压矢量中的至少一个电压矢量。
20.一种数据载体，包括机器可读指令，用于无刷永磁电机的控制器的操作，以将所述电机的电循环分成第一部分和不同于第一部分的第二部分；在所述第一部分中向所述电机的相绕组施加第一组电压矢量；在所述第二部分中向所述相绕组施加第二组电压矢量，所述第二组电压矢量不同于所述第一组电压矢量；接通低边开关以施加所述第一组电压矢量中的每个电压矢量；以及断开所有低边开关以施加所述第二组电压矢量中的至少一个电压矢量。
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