估计多相旋转电机的转子的角位置的方法以及对用于这种电机的多相逆变器的控制的应用

技术领域

本发明涉及一种用于估计多相同步旋转电机的转子的角位置/旋转速度 的方法，且涉及用于多相逆变器的控制方法和装置，该多相逆变器被设计为 由直流电压源向多相同步旋转电机供电。

本发明还涉及一种多相同步旋转电机，其包括并入在这些前述装置中的 逆变器，特别地用于机动车辆中的应用。

背景技术

电驱动器在机动车辆领域中越来越普及，且实现越来越多的功能。

由于同步电机的高性能和它们的高功率密度，在机动车辆工业中多使用 同步电机。

它们特别地在混合动力电动车辆(HEV)中和电动车辆(EV)中用于 电动助力转向、空调和热机的冷却风扇中。

图1示意性地示出具有同步电机1的电驱动器。该类型的系统还通常包 括：

-由电池2构成的能量源；

-由逆变器3构成的静态转换器；

-控制单元4。

需要适当的功率逆变器3来从电池2产生可变频率和相幅的各种电压。

同步电机执行电能和机械能之间的转换。

如图1所示，与基准7(扭矩或速度)相关联的测量传感器(直流电压 供应、相电流5和角位置/旋转速度6)构成系统的控制单元4的输入端。

图2示意性地示出，在三相同步电机1的情况下控制单元4的主要元件， 所述控制单元控制逆变器3的功率电子器件，以便为电机1供应与基准对应 的正确电压。

该控制单元4的目的是允许以良好的性能在大范围的扭矩和速度内运 行。

为此，闭环控制是必要的。

电流调节部8(电流控制环路-CCL)依赖于确保在电流基准i^ref处测量 的相电流的良好控制的校正。

用于计算电流基准的单元9从扭矩/速度基准7和电机1的电参数提供 i^ref。

其将机械基准变为电学基准。

当基准电压V^ref已经被电流调节单元8计算时，矢量脉冲宽度调制单元 10或矢量PWM(空间矢量调制-SVM)在克拉克参照系(Clarkereference) 中由基准电压的分量产生必须应用于逆变器3的臂的占空比。

接下来，功率控制单元11产生用于控制逆变器3的控制信号U、V、W。

就电流调节部8而言，因为使用三相系统，控制可在多个参照系中被分 析。

已知的克拉克变换是关于三相的值在两个固定轴线(α，β)上的投影。 克拉克变换之后是轴线的旋转，其将参照系(α，β)的交流分量相对于由转 子产生的磁通转换为根据直轴线和正交轴线(axisinquadrature)的直流分量 (参照系(d，q))。克拉克变换和参照系(α，β)到参照系(d，q)的旋转 的组合被称为派克变换(Parktransformation)。

这些变换的主要优势是减小系统的量级和控制的解耦。

该类型的电机的控制需要关于电机转子的角位置和/或速度的信息6。传 统上，位置/速度信息6通过一个或两个测量传感器获得，但是已知的是，考 虑到旋转速度可通过计算角位置的相对于时间的一阶导数而获得，单个角位 置传感器通常就可以足够。

为了减小同步电机及其控制的成本，从文献US5569994已知的是可以省 去所述位置/速度传感器(一个或多个)，以便控制电机。为此，使用由电机 的各相绕组产生的电动势(emf)，以便估计转子的位置。但是，根据 US5569994的该方法没有提供在低速下测量转子的角位置的满意方案。

无论哪种情况，当需要电驱动器的安全和准确的运行时，难以省去位置 /速度传感器14、15，且控制单元4必须容忍位置/速度传感器14、15的缺 乏(deficiency)12、13。这使得可以确保在没有中断的情况下运行且符合安 全要求。

当前，在要求最高的应用中，设备的冗余被用于克服传感器故障，这使 得系统更复杂且增加其成本。

同时，软件冗余显著更有利，这是由于其开发能力以及其低成本。为此， 制造习惯上已知的“软件传感器”。

这些利用其他可行的测量值，特别是由电流传感器提供的那些，以及关 于控制的其他数据，以便重新构建遗失的信号。

例如，文献US7002318描述了一种用于车辆推进系统的具有故障容忍的 控制的方法和装置。在具有永磁体的三相电马达的转子的角位置的传感器失 效的情况下，根据相电流计算位置估计，且该位置估计被控制装置使用。但 是，将注意到，该文献没有提出用于多相同步旋转电机的任何满意的方案。

发明内容

由于在非常由竞争性的机动车辆领域中高要求的应用，因而本发明的目 标是消除现有技术的、对于使用多项旋转电机电驱动器的控制不足。

根据第一方面，本发明涉及一种用于估计包含在多相同步旋转电机中的 转子的角位置和/或旋转速度的方法，该电机还包括定子，电机通过多相逆变 器被供电，该逆变器连接到直流电压源，多相逆变器被控制为能够将矢量脉 宽调制应用于定子。角位置通过计算作为微分代数方程的解的至少一个第一 估计量而被估计，该方程的系数取决于电机的电参数，所述电参数包括定子 的分别根据直轴和相对于由转子产生的磁通的交轴的第一和第二电感、相绕 组的电阻和由转子产生的磁通，还取决于矢量脉宽调制的基准电压、相电流 和相电流相对于时间的一阶导数；旋转速度通过计算第二估计量而被估计， 该第二估计量通过计算第一估计量相对于时间的一阶导数而获得。

根据本发明，微分代数方程在多相同步旋转电机是三相时写为：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{\hat{\theta }}=\frac{\sin \hat{\theta }(L_q{\stackrel{·}{y}}_1+R_s{y}_1-u_1)+\cos \hat{\theta }(-L_q{\stackrel{·}{y}}_2-R_s{y}_2+u_2)}{{\phi }_m+(L_d-L_q)(y_1\cos \hat{\theta }+y_2\sin \hat{\theta })}\\ \hat{\omega }=\stackrel{·}{\hat{\theta }}\end{array}\right)$

其中，

相对于时间的求导算子已知为·；

分别表示第一和第二估计量；

u＝[u₁，u₂]＝[v_sα，v_sβ]表示基准电压在克拉克参照系中的分量；

y＝[y₁，y₂]＝[i_sα，i_sβ]表示在克拉克参照系上的相电流投影；

L_d,L_d分别表示第一和第二电感；

R_s表示电阻；

Ф_m表示磁通。

根据本方法的另一个特征，第二估计量的初始值由以下表达式提供：

${\theta }_0=arctan\left(\frac{R_s{y}_2+L_q{\stackrel{·}{y}}_2-u_2}{R_2{y}_1{L}_q{\stackrel{·}{y}}_1-u_1}\right){|}_{t=0}$

根据第二方面，本发明涉及一种用于控制多相逆变器的方法，该逆变器 被设计为从直流电压源为多相同步旋转电机供电，所述电机包括转子和定 子，该方法根据转子的至少一个角位置和/或转子的旋转速度控制逆变器。

根据本发明，角位置和/或旋转速度通过根据前面简要描述的估计方法来 计算第一和第二估计量而被估计。

根据第三方面，本发明涉及一种具有故障容忍的用于控制多相逆变器的 方法，该逆变器被设计为从直流电压源为多相同步旋转电机供电，所述电机 包括转子、定子、确定转子的角位置的位置传感器和确定转子的旋转速度的 速度传感器，该方法根据至少角位置和旋转速度控制逆变器。

根据本发明，至少角位置的第一估计量和/或旋转速度的第二估计量在传 感器中的至少一个发生故障的情况下被计算，第一和第二估计量通过如上简 要描述的方法被计算。

根据第四方面，本发明涉及一种具有故障容忍的用于多相逆变器的装 置，该逆变器被设计为从直流电压源为多相同步旋转电机供电，所述装置执 行如上简要描述的具有故障容忍的控制方法，所述装置包括转子、定子、提 供转子的角位置的位置传感器和/或提供转子的旋转速度的速度传感器，所述 装置包括：

-用于获取角位置的第一器件；

-用于获取旋转速度的第二器件；

-用于获取相电流的第三器件；

-按照前面简要描述的方法建立的位置的第一估计量和/或旋转速度的 第二估计量的估计器件；

-用于检测位置传感器的第一故障和/或速度传感器的第二故障的器件； 和

-在通过检测器件检测出第一和/或第二故障的情况下，用第一估计值替 换角位置和/或用第二估计值替换旋转速度的器件。

根据另外的特征，具有故障容忍的控制装置包括估计器件，该估计器件 包括：

-用于存储电机的电参数的器件；

-用于求解第一估计量的微分代数方程的器件；和

-用于第一估计量的微分的器件。

根据又一特征，具有故障容忍的控制装置还包括：

-电流调节器，根据电流基准产生基准电压，同时连接至第一、第二和 第三获取器件，或替换地连接至替换器件和第三获取器件；和

-信号发生器，其被电流调节器控制且执行矢量脉宽调制策略。

根据另一方面，本发明还涉及一种多相同步旋转电机，包括设置有如上 简要描述的具有故障容忍的控制装置的逆变器。

根据另一方面，本发明还涉及计算机存储器，包括计算机代码，所述代 码表示如上简要描述的用于控制多相逆变器的方法。

这几个说明将使得通过根据本发明的用于控制多相逆变器的方法以及 通过相应控制装置和电机提供的相对于现有技术的优势对本领域的技术人 员变得明显。

本发明的详细说明在以下描述中给出，该描述与附图相关联。应注意到， 这些图的目的仅是示出说明的文字，它们并不以任何方式构成对本发明范围 的限制。

附图说明

图1示意性地示出具有旋转电机的通常的电驱动器，该旋转电机由逆变 器供电，该逆变器设置有本发明所涉及类型的控制单元；

图2示出图1所示的控制单元的总体结构；

图3示出根据本发明的具有故障容忍的控制装置的大体结构，其有利地 代替图1的控制单元；

图4a和4b和图5a和5b是由根据本发明的具有故障容忍的控制方法提 供的估计分别与旋转速度和实际角位置之间的比较。

具体实施方式

现将结合图3描述的本发明提供了对角位置和旋转速度的测量的替换。

当角位置传感器14和用于旋转速度的传感器15故障时，用于控制逆变 器3的方法使用由电流传感器16提供的相电流测量值5、矢量PWM10的 电压基准V^ref、和电机1的电参数，以便估计角位置θ和旋转速度ω。

被角位置θ和旋转速度ω的第一和第二代数估计量使用的该输入数 据对多个已知的估计量是共用的。

但是，与在计算功率方面具有相对较高成本而不适于车载系统的其他方 法相对照，本发明具有低的代数复杂性，且其甚至在低旋转速度域中也提供 相关估计

图3示意性地示出，在三相同步电机1的情况下具有故障容忍的控制装 置17的主要元件，所述控制装置控制逆变器3的功率电子器件，以便为电 机1供应与基准对应的正确电压。

如在图2所示的控制单元4的传统实施方式中一样，该控制装置17的 目的是允许以良好的性能在大范围的扭矩和速度中运行；其再一次使用控制 单元4的基本元件。

电流调节部8确保被测量的相电流被电流传感器16控制在电流基准i^ref。

电流基准的计算单元9从电机1的电参数和扭矩/速度基准7提供i^ref。

当基准电压V^ref已经被电流调节单元8计算时，矢量PWM10在克拉克 参照系中从基准电压分量V^ref产生必须应用于逆变器3的臂的占空比。

然后功率控制单元11产生所使用的控制信号U、V、W，以便控制逆变 器3。

就电流调节部8而言，因为本发明的优选实施例与三相系统一起使用， 控制可如前述一样在多个参照系中通过克拉克和派克变换而被分析。

这些变换的主要优势是减小系统的量级和控制的解耦。

如图3清晰所示，除了控制单元4的已知元件，根据本发明的具有故障 容忍的控制装置17还包括用于估计角位置的第一估计量和旋转速度的第 二估计量的单元18。

当位置传感器14和速度传感器15故障且不再将测量值供应至电流调节 部8时，或当这些测量值在偏离量或幅度方面是错误的时，角位置的该第一 估计量和旋转速度的该第二估计量通过选择器19、20被供应给电流调节 部8。用于检测故障的装置23被设计为检测从其14、15的故障。

将注意到，角位置θ和旋转速度ω从基准电压V^ref和由与位置/速度测量 值6完全不相关的相电流5的测量值被估计。这点对于检测故障和重新构造 是重要的。

根据本发明的具有故障容忍的控制方法基于微分代数方程的使用。

总的来说，该方法的主要特征在于，如果z的每个分量z_i是代数方程的 一解，该方案的系数取决于w和其相对于时间的导数的有限数，则说值z 相对于另一值w(其被视为在一定时间区间内可获得)是“可观察的”，即：

$\forall i\in \{1,...,n.\},H_i(z_i,w,\stackrel{·}{w},...)=0$

其中，H_i是多项式方程，符号·表示相对于时间的求导算子。

该方程限定代数可观察性的条件。

本发明主体已经有利地将该理论应用于具有内部永磁体的三相同步电 机1的建模。

同步电机模型1的状态的表示与以下电参数一起使用：

-在参照系(d，q)中的定子的第一和第二电感L_d，L_q；

-定子的相绕组的电阻R_s；

-由转子的磁体产生的磁通Ф_m。

由估计单元18执行的计算的输入数据是：

-在克拉克参照系中的基准电压V^ref的分量

u＝[u₁，u₂]＝[v_sα，v_sβ]

-在该同一克拉克参照系中的相电流5的投影

y＝[y₁，y₂]＝[i_sα，i_sβ]。

第一和第二估计量的表达式则作为微分代数方程的解被获得，该方程系 数取决于电机1的电参数、基准电压V^ref、和被测量的电流以及它们相对于 时间的一阶导数：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{\hat{\theta }}=\frac{\sin \hat{\theta }(L_q{\stackrel{·}{y}}_1+R_s{y}_1-u_1)+\cos \hat{\theta }(-L_q{\stackrel{·}{y}}_2-R_s{y}_2+u_2)}{{\phi }_m+(L_d-L_q)(y_1\cos \hat{\theta }+y_2\sin \hat{\theta })}\\ \hat{\omega }=\stackrel{·}{\hat{\theta }}\end{array}\right)$

第一估计量的初始值θ₀由该第一表达式确定，考虑到旋转速度ω在时 刻t＝0时为零：

${\theta }_0=arctan\left(\frac{R_s{y}_2+L_q{\stackrel{·}{y}}_2-u_2}{R_2{y}_1{L}_q{\stackrel{·}{y}}_1-u_1}\right){|}_{t=0}$

将注意到可通过有限差的近似被计算。

通过本发明主体成功地执行了多个测试，用于验证估计量的准确性的目 的。

第一测试在低功率工作台(大约1.1kW)上执行。所使用的同步电机1 具有2000rpm的名义速度和1.5Nm的初始扭矩，凸极比(salienceratio)为 1.28。电机1在加载条件下和无负载条件下均被测试。

在低旋转速度(直至200rpm)域中的试验结果在图4a、4b、5a和5b 中呈现。

图4a示出第一估计量根据时间的发展(以虚线)和被测量的旋转速度 的发展(以实线)。发现这些曲线在瞬态阶段22之后的稳定状态21中几乎 重叠。

示出估计误差的图4b确认该事实，因为第一误差在稳定状态21中几乎 为零，在瞬态阶段22中最大值为2.5％。

参考第二估计量(其根据时间的发展(以虚线)在图5a中示出)，在开 始22期间可注意到与实际角位置的发展(以实线)相比的、较大的差0.53rd。 如图5b清晰所示，当转子开始旋转时，第二估计量朝向稳定值收敛，具有 第二微小误差0.15rd。

低速下的振荡主要由相电流测量值5的低准确性导致。

应意识到，本发明不简单地限于上述优选实施例。

上述根据本发明的具有故障容忍的控制方法和装置的优选实施例涉及 三相同步电机，所述三相同步电机包括具有永磁体的转子。

转子的磁通可还完全或部分地由转子绕组产生。

但本发明并非仅涉及三相电机1。

包括数量多于三个相的多相同步电机1的建模(通过微分代数方程以便 构造第一和第二位置/速度估计量)将使得可以制造另外的、为该电机1供电 的逆变器3的、具有故障容忍的控制装置，这将具有与上述控制装置相同的 优势。

特别地，在双三相类型的六相电机(其分析已知为能够分解为两个偏移 的三相系统的分析)的情况下，第一和第二估计量将与那些类似，其表达式 对于三相同步电机1如上给出。

由于根据本发明的控制方法的低代数复杂性，其可以在微处理器或微控 制器的存储器中被编程或微编程的指令的形式被容易地执行。

本发明由此并入所有可行的变体实施例，只要这些变体保持在后附权利 要求所限定的范围内。