用于使用磁性对准特征进行的电机的无传感器控制的系统和方法技术方案

一种用于驱动AC电机的驱动系统提供主电流激励以驱动所述AC电机，所述主电流激励包括具有量值和角度的电流向量。所述驱动系统将叠加到所述电流向量上的载波信号注入到所述AC电机，其中所述载波信号被选择以产生具有对在其操作点处的所述AC电机的磁性对准信息的敏感性的载波响应信号。所述驱动系统从所述产生的载波响应信号测量所述AC电机的至少一个磁性对准特征，且使用所述测量的至少一个磁性对准特征控制所述电流向量的定向，以便达成所述AC电机的所要的磁性操作。

【技术实现步骤摘要】
用于使用磁性对准特征进行的电机的无传感器控制的系统和方法
本专利技术的实施例大体上涉及电机。
技术介绍
随着时间的过去，电机在各行中的使用已继续变得在众多工业、商业和运输行业中更盛行。关于电机，如果它是内部电机(IPM)机器、永久磁体(PM)辅助同步磁阻机器或同步磁阻机器，那么转子或磁场的位置判定是用于机器的转矩控制的重要信息要素。为了确定电机中的转子位置的目的，可将编码器、转速计或解析器用作位置传感器。为了测量电机中的磁场位置，可使用例如霍耳效应传感器的磁场传感器。用于确定转子位置和磁场的传感器/装置可相互组合使用，其中认识到，出于电机控制的目的，可都使用用于测量磁场定向或强度的位置传感器或转子位置传感器和磁场传感器。然而，认识到，位置传感器(例如，编码器)与其电缆线路和接口电子器件一起促成电动机驱动系统成本和总体复杂性的显著部分，且常常为主要的可靠性关注点。在确定转子位置时与位置传感器的使用相关联的成本、复杂性和可靠性问题已导致电机的无传感器位置感测和控制的系统和方法的出现(即，不需要转子位置或速度传感器)。由于成本减少和可靠性改善的巨大可能性，因此无传感器控制已为主要研究难题。在行业中可用的无传感器控制方法中的多数为所谓的反EMF追踪法。反EMF追踪方法利用通过由转子的旋转造成的磁链的时间变化诱发的电动机绕组的电压。这些方法在额定速度附近表现非常好，其中反EMF电压靠近额定电压。然而，随着速度减小，反EMF量值减小且性能恶化。最终，随着速度靠近零，这些方法变得不稳定且不合格，因为反EMF减小且变得不可观测。这将反EMF追踪方法限制于开环起动可接受的HVAC型应用。归因于成本减小、可靠性改善和接口消除的其巨大可能性，数十年来，零和近零速度(或频率)无传感器控制已为主要的研究难题，且高频注入方法已为用于具有凸极性的AC电机的在零频率或近零频率上的无传感器操作的最有前景的解决方案。高频率信号注入用以追踪具有提供随转子位置或磁通量位置变化的阻抗的转子的各种AC电机的转子角位置和速度，例如在美国专利第5,585,709号、第5,565,752号、第6,131,258号、第6,069,467号、第5,886,498号和第6,639,380号中所描述。在使用高频信号注入技术时，小信号凸极性和小信号凸极性角度是用于无传感器控制的关键信息，其中使用小信号阻抗定义此凸极性。然而，关于先前使用的使用高频注入的无编码器控制，认识到，归因于在机器的高负载等级下的小信号凸极性的损失，此无编码器控制不能够成功地恢复机器的完全或几乎完全转矩能力，这是归因于在此高负载等级下的磁饱和。即，随着转矩等级(因此电流电平)增大，q轴开始饱和且最终q轴的小信号电感变得低于d轴电感，由此使凸极性追踪无传感器控制不可行。此外，交叉饱和效应使凸极性角度移位远离d轴，从而造成位置估计角度误差，即使q轴小信号电感仍然大于d轴。因此，现有高频注入方法已限于转矩密度要求低而且动态性能要求适度的应用。尤其，对于例如需要非常高的转矩密度的牵引驱动的应用，现有无传感器控制方法仅可达成小部分的所要的转矩要求，更不用说动态性能。为了解决用于零频率无编码器控制的先前描述的高频注入方法的凸极性追踪限制，已努力将设计特征并入到不使用任何位置传感器实现增大的转矩控制的电机(例如，IPM机器或同步磁阻机器)内。即，已将增大磁凸极性以用于高频激励的特殊转子结构(即，“D环”)并入到电机内，其中此高频激励可用于无传感器/无编码器电动机控制。转子结构将电路(短接电路、具有无源或有源元件的闭合电路)引入到转子的具体定向，使得其与定子绕组磁性耦合。转子的位置是通过将高频载波电压施加到定子和通过间接测量转子的电流(通过测量定子中的(反射的)高频载波电流响应)来测量的。如果将转子电路在相位上与高频注入对准，那么电动机的阻抗减小了。此阻抗变化用以追踪转子位置。结果，引入且维持高达必要的负载电平的小信号凸极性，而对电机性能、效率和可靠性无影响。虽然此特殊转子结构或D环的包括已经由使用高频注入无传感器控制来实现电机的增大转矩控制，但应认识到，此D环在电动机中的包括可仍然不提供电机的充分无传感器控制，因为甚至用D环，归因于在非常高转矩等级下的严重饱和，仍难以维持在机器的操作期间的所要凸极性等级。因此，需要提供一种用于允许对速度和转矩的完全工作范围控制的电机的无传感器控制的系统和方法。进一步需要此系统和方法以克服与基于凸极性追踪的控制方法相关联的缺点(例如，在机器的位置追踪和控制中的磁饱和和相位误差的效应)的方式提供此无传感器控制。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，一种用于驱动AC电机的驱动系统被配置以提供主电流激励以驱动AC电机，主电流激励包括具有量值和角度的电流向量。驱动系统还被配置成将叠加到电流向量上的载波信号注入到AC电机，其中载波信号被选择以产生载波响应信号，载波响应信号对AC电机的在其操作点处的磁性对准信息具有敏感性。驱动系统被进一步配置以从产生的载波响应信号测量AC电机的至少一个磁性对准特征，且使用测量的至少一个磁性对准特征控制电流向量的定向，以便达成AC电机的所要的磁性操作。根据本专利技术的一个实施例，在注入载波信号时，驱动系统被配置以执行当前参考系上的载波信号的定向脉动(directionalpulsating)注入，载波信号的定向脉动注入包括脉动电流注入和脉动电压注入中的一个。根据本专利技术的一个实施例，在注入载波信号时，驱动系统被配置以执行以下中的一或多个：电流坐标系d轴注入，其中载波信号沿切线方向对准电流向量；电流坐标系q轴注入，其中载波信号与电流向量对准；具有可变注入角度的电流坐标系注入；以及交替电流坐标系d轴与q轴注入。根据本专利技术的一个实施例，对于定向脉动注入，至少一个磁性对准特征包括：当信号注入器执行电流坐标系d轴脉动电流注入时，电流坐标系d轴电感、电流坐标系交叉电感和电流坐标系d轴电感与电流坐标系交叉电感的合成中的至少一个；当信号注入器执行电流坐标系q轴脉动电流注入时，电流坐标系q轴电感、电流坐标系交叉电感和电流坐标系d轴电感与电流坐标系交叉电感的合成中的至少一个；当信号注入器执行具有可变注入角度的电流坐标系电流注入时，脉动轴线电感、脉动轴线交叉电感和脉动轴线电感与脉动轴线交叉电感的合成中的至少一个；以及当信号注入器执行交替电流坐标系d轴与q轴电流注入时，电流坐标系交叉电感、有条件地测量或掺合测量的电流坐标系d轴电感和电流坐标系q轴电感和电流坐标系交叉电感与有条件地测量或掺合测量的电流坐标系d轴电感和电流坐标系q轴电感中的至少一个。根据本专利技术的一个实施例，对于定向脉动注入，至少一个磁性对准特征包括：当信号注入器执行电流坐标系d轴脉动电压注入时，电流坐标系d轴磁阻、电流坐标系交叉磁阻和电流坐标系d轴磁阻与电流坐标系交叉磁阻的合成中的至少一个；当信号注入器执行电流坐标系q轴脉动电压注入时，电流坐标系q轴磁阻、电流坐标系交叉磁阻和电流坐标系q轴磁阻与电流坐标系交叉磁阻的合成中的至少一个；当信号注入器执行具有可变注入角度的电流坐标系电压注入时，脉动轴线磁阻、脉动轴线交叉磁阻和脉动轴线磁阻与脉动轴线交叉磁阻的合成中的至少一个；以及当信号注入器执行交替电流坐标系d轴与q轴电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于驱动AC电机的驱动系统，所述驱动系统被配置以：提供主电流激励以驱动所述AC电机，所述主电流激励包括具有量值和角度的电流向量；将叠加到所述电流向量上的载波信号注入到所述AC电机，其中所述载波信号被选择以产生具有对在其操作点处的所述AC电机的磁性对准信息的敏感性的载波响应信号；从所述产生的载波响应信号测量所述AC电机的至少一个磁性对准特征；以及使用所述测量的至少一个磁性对准特征控制所述电流向量的定向，以便达成所述AC电机的所要的磁性操作。

【技术特征摘要】
2016.10.17 US 15/2958301.一种用于驱动AC电机的驱动系统，所述驱动系统被配置以：提供主电流激励以驱动所述AC电机，所述主电流激励包括具有量值和角度的电流向量；将叠加到所述电流向量上的载波信号注入到所述AC电机，其中所述载波信号被选择以产生具有对在其操作点处的所述AC电机的磁性对准信息的敏感性的载波响应信号；从所述产生的载波响应信号测量所述AC电机的至少一个磁性对准特征；以及使用所述测量的至少一个磁性对准特征控制所述电流向量的定向，以便达成所述AC电机的所要的磁性操作。2.根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于：在注入所述载波信号时，所述驱动系统被配置以执行当前参考系上的所述载波信号的定向脉动注入，所述载波信号的所述定向脉动注入包括脉动电流注入和脉动电压注入中的一个。3.根据权利要求2所述的驱动系统，其特征在于：在注入所述载波信号时，所述驱动系统被配置以执行以下中的一或多个：电流坐标系d轴注入，其中所述载波信号沿切线方向对准所述电流向量；电流坐标系q轴注入，其中所述载波信号与所述电流向量对准；具有可变注入角度的电流坐标系注入；以及交替电流坐标系d轴与q轴注入。4.根据权利要求3所述的驱动系统，其特征在于：对于所述定向脉动注入，所述至少一个磁性对准特征包括：当所述信号注入器执行电流坐标系d轴脉动电流注入时，电流坐标系d轴电感、电流坐标系交叉电感和所述电流坐标系d轴电感与所述电流坐标系交叉电感的合成中的至少一个；当所述信号注入器执行电流坐标系q轴脉动电流注入时，电流坐标系q轴电感、电流坐标系交叉电感和所述电流坐标系d轴电感与所述电流坐标系交叉电感的合成中的至少一个；当所述信号注入器执行具有可变注入角度的电流坐标系电流注入时，脉动轴线电感、脉动轴线交叉电感和所述脉动轴线电感与所述脉动轴线交叉电感的合成中的至少一个；以及当所述信号注入器执行交替电流坐标系d轴与q轴电流注入时，电流坐标系交叉电感、有条件地测量或掺合测量的电流坐标系d轴电感和电流坐标系q轴电感和所述电流坐标系交叉电感与所述有条件地测量或掺合测量的电流坐标系d轴电感和电流坐标系q轴电感中的至少一个。5.根据权利要求3所述的驱动系统，其特征在于：对于所述定向脉动注入，所述至少一个磁性对准特征包括：当所述信号注入器执行电流坐标系d轴脉动电压注入时，电流坐标系d轴磁阻、电流坐标系交叉磁阻和所述电流坐标系d轴磁阻与所述电流坐标系交叉磁阻的合成中的至少一个；当所述信号注入器执行电流坐标系q轴脉动电压注入时，电流坐标系q轴磁阻、电流坐标系交叉磁阻和所述电流坐标系q轴磁阻与所述电流坐标系交叉磁阻的合成中的至少一个；当所述信号注入器执行具有可变注入角度的电流坐标系电压注入时，脉动轴线磁阻、脉动轴线交叉磁阻和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：KK许，潘迪，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US