电机的位置观测器制造技术

一种用于电动机的控制系统，包括：转子；定子，具有多个相绕组；以及逆变器，通过将各个相绕组连接到第一电压电平或第二电压电平来向多个相绕组施加电压。该控制系统被配置为：测量多个相绕组中的连接到第一电压电平的第一相绕组中的电流的第一变化率；测量连接到第一电压电平的不同的第二相绕组中的电流的第二变化率；以及计算电流的第一变化率与第二变化率之差。该控制系统还被配置为使用计算出的差来获得与转子的位置有关的数据。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电机的位置观测器
本专利技术涉及不具有机械传感器的电机的控制，更具体地，涉及两种不同的无传感器控制方案的组合使用，借此，使用当以一种方案运行时收集的数据来适配当以另一种方案运行电动机时使用的电动机的模型。
技术介绍
无刷电子换向同步电动机包括永磁无刷dc和无刷ac、同步磁阻、磁通量切换和开关磁阻电动机。电子换向同步电动机依赖于知晓转子的位置来正确激励电动机中的特定相绕组，以传递所需大小和方向的扭矩。在不使用轴位置传感器的情况下检测转子位置的方法已成为许多研究的主题。现有技术方法被分成两类：a)使用在定子绕组中感应的反emf的方法，该反emf是通过永磁磁通量的旋转或当电流在绕组中流动时通过相绕组电感的变化而产生的；b)检测定子绕组的电感的位置相关变化的方法。方法(a)依赖于电动机的旋转速度足够快，使得感应emf(电动势)或反emf足够大以进行准确检测。如果有时相绕组中没有电流流动，则可以直接测量反emf。备选地，通过涉及相绕组的电压等式的解的实时计算来估计反emf。为了准确估计emf，重要的是具有相电阻和相电感的良好模型。用于反emf估计的模型完全取决于电动机的类型：转子的表面上安装有磁铁的永磁电动机，具有由于感应变化的磁感应emf和可忽略的emf；转子上没有磁铁的同步磁阻电动机，仅具有由于感应变化的感应emf；转子内内部地安装有磁铁的内部永磁电动机或永磁辅助同步磁阻电动机，在转子内具有磁路与钢路的混合，并且具有由于感应变化的磁感应emf和emf。扩展的emf的概念已得到发展，将来自不同来源的电动势贡献合并成单个项。提供用于估计emf的模型可以正确补偿速度、磁饱和、电阻随温度的变化、以及涡流效应，那么emf和扩展的emf估计方法将非常稳健，但仅当速度足够大以产生电动势时。通常，速度必须至少为额定速度的10％，才能获得可靠的数据。EMF估计方法(a)无法在低速或静止状态下使用。方法(b)依赖于自感或互感的强烈位置变化。在内部永磁电动机和同步磁阻电动机中，在转子的直轴上的电感Ld与转子的正交轴上的电感Lq之间存在显著差异。在转子上表面安装有磁铁的电动机之中，凸度较低，并且直轴电感Ld和正交轴电感Lq相似。即使当直流电感和正交电感的变化有限时，通常也会存在由永久磁铁的磁通量在钢中所产生的饱和效应引起的电感的可检测变化。电感方法(b)在低速甚至静止状态下提供非常清晰的位置数据。然而，实际的实施方式较为困难。为了测量电感，有必要在已知的定子定向上施加静态电压向量，并且测量电流的变化率。这可能涉及将两个电流样本分开有限的时间间隔，然后实施数值微分。备选地，可以使用罗戈夫斯基线圈：罗戈夫斯基线圈固有地对连结线圈的导体中的电流进行磁微分。罗戈夫斯基线圈两端的电压的单个样本提供连结线圈的电流的变化率的测量。这是主要的优点，由于它缩短了测量电流的变化率所需的时间，因此缩短了必须将逆变器保持在固定电压向量条件的时间。每个相绕组中的电流的变化率也会因该相绕组中的感应反emf而改变。有必要对两个不同的逆变器电压状态下的电流的变化率进行两次读数，使得隔离由施加电压的状态的特定变化引起的电流的变化率的差异，并且消除诸如反emf和电阻压降之类的其他因素的影响。由于需要对逆变器开关的状态变化前后的电流的变化率进行两次读数以隔离由特定电压转换引起的电流的变化率的差异，因此在该测量方法中将由于电动机转速增加而出现误差。首先，由于反emf的大小随着速度的增加而增加，因此在电动机相电流波形的整体动态范围内，由逆变器开关转换引起的电流的变化率的差异将变为较小的信号。其次，转子在电流测量的两个变化率之间行进的距离随着旋转速度而增加，使得测量不再以相同的转子角度进行。当减去两个读数以隔离电流的变化率的位置相关变化时，两个读数之间的转子所旋转的角度会引入附加的误差。方法(b)传递电感随着位置而变化的数据。电感随位置的主要变化在电动机的每个电周期中发生两次。一个电流的周期内存在两个电感变化周期。这是因为存在与北极成一线的直轴和与南极成一线的第二直轴。可以由磁铁的极性引起的电动机相绕组的电感的差异很小，在不将电流失真大量注入扭矩产生波形中，则很难检测到。这会引起附加的声音噪声，并且应避免。方法(b)的实施方式的另一考虑是，电动机相绕组的电感由于磁饱和而随着相绕组中的电流而变化。因此，在没有附加的非线性数据处理结合电动机磁结构的精确非线性模型的情况下，从电流的变化率获得的测量不会传递唯一映射到位置的电感值。因此，随着电动机速度和负载的增加，由方法(b)产生的误差非常大。
技术实现思路
本专利技术的目的是公开一种使用低速下的电感检测与高速下的电动势估计的结合来将同步电动机从低速驱动到高速的技术，借此，在低速或静止状态下的电感检测方法包括在较高的电动机速度下通过emf估计来计算或更新无传感器位置估计所需的一个或多个电动机参数的步骤。本专利技术还可以涉及使用拟合技术来内插电动机参数的数据点。电动机参数的计算可以仅在电动机调试阶段实施，或者可以当电动机在低速机制下运行时实施。可以并行运行使用电感检测和emf估计的两种方法，其中控制器取决于电动机速度而将权重分配给要使用的控制信号。在独立权利要求中罗列本专利技术的方面。附图说明为了更全面地理解本专利技术，现在将通过示例的方式对附图进行参考，在附图中：图1、图2、图3和图4是可以应用本专利技术的控制器的电机的示例的截面；图5示出了在旋转参考系中的根据本专利技术的电机的等效电路；图6示出了emf与电流同相运行的电动机的向量图；图7示出了以电流滞后emf向量的过励磁的方式运行的电动机的向量图；图8a示出了具有三相电动机的逆变器的示意图；图8b示出了处于逆变器状态V(1，0，0)的逆变器的示意图；图9示出了具有三相电动机的另一逆变器的示意图；图10是处于V(1，0，0)逆变器状态的逆变器的简化图；图11示出了三相电动机中的三个罗戈夫斯基线圈的示意图；图12示出了与通过根据本专利技术收集的数据而计算出的电流特性有关的非线性磁链；以及图13示出了在根据本专利技术的电子控制系统中发生的决策过程的流程图。具体实施方式图1示出了转子的表面上安装有磁铁的永磁同步电动机。定子241由层压钢制成。在该示例中，定子具有散布在9个槽242之间的9个齿。定子绕组通常以短节距缠绕，其中，每个齿上缠绕一个线圈，然后以120°彼此间隔的三个线圈连接在一起以产生三相绕组中的每个三相绕组。转子具有被永磁材料244的层包围的钢芯243。在该示例中，永磁层244被径向磁化以产生六极磁场。转子的旋转在定子绕组中感应出三个电动势，它们的相位相差120°(电角度)。电动机操作需要逆变器与在每个绕组中感应的内部emf同步地传递三个交流电枢电流。该电动机的相绕组的电感不会随着转子位置显著地变化。混合式步进电动机是同步电动机的另外的示例。混合式步进电动机通常具有两相、三相或五相绕组。图2示出了通过典型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电动机的控制系统，所述电动机包括：转子，具有多个相绕组的定子，以及通过将各个相绕组连接到第一电压电平或第二电压电平来向所述多个相绕组施加电压的逆变器，所述控制系统被配置为：/n测量连接到所述第一电压电平的所述多个相绕组中的第一相绕组中的电流的第一变化率；/n测量连接到所述第一电压电平的不同的第二相绕组中的电流的第二变化率；/n计算电流的第一变化率与电流的第二变化率之差；以及/n使用计算出的差来获得与所述转子的位置有关的数据。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180815 GB 1813335.5;20190311 GB 1903255.61.一种用于电动机的控制系统，所述电动机包括：转子，具有多个相绕组的定子，以及通过将各个相绕组连接到第一电压电平或第二电压电平来向所述多个相绕组施加电压的逆变器，所述控制系统被配置为：
测量连接到所述第一电压电平的所述多个相绕组中的第一相绕组中的电流的第一变化率；
测量连接到所述第一电压电平的不同的第二相绕组中的电流的第二变化率；
计算电流的第一变化率与电流的第二变化率之差；以及
使用计算出的差来获得与所述转子的位置有关的数据。


2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述系统还被配置为：使用与所述转子的位置有关的所述数据来确定所述转子相对于所述定子的位置，并且使用确定出的位置来控制所述电动机的操作。


3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述系统被配置为基本上同时测量电流的第一变化率和电流的第二变化率。


4.根据权利要求1、2或3所述的控制系统，包括位于所述第一相绕组和所述第二相绕组附近的至少一个传感器线圈，其中，所述系统被配置为测量所述传感器线圈中的电压以确定电流的第一变化率和电流的第二变化率。


5.根据权利要求4所述的控制系统，其中，所述传感器线圈是罗戈夫斯基线圈，被布置为使得所述第一相绕组中的电流在第一方向上流过所述罗戈夫斯基线圈且所述第二相绕组中的电流在与所述第一方向相反的第二方向上流过所述罗戈夫斯基线圈，以便计算电流的第一变化率与电流的第二变化率之差。


6.根据权利要求1或2所述的控制系统，包括：
第一罗戈夫斯基线圈，被布置为使得所述第一相绕组中的电流流过所述第一罗戈夫斯基线圈；
第二罗戈夫斯基线圈，被布置为使得所述第二相绕组中的电流流过所述第二罗戈夫斯基线圈；以及
差分放大器，连接到所述第一罗戈夫斯基线圈和所述第二罗戈夫斯基线圈，以便计算电流的第一变化率与电流的第二变化率之差。


7.根据权利要求6所述的控制系统，其中，所述系统被配置为测量所述多个相绕组中的第三相绕组中的电流的第三变化率，所述系统还包括：
第三罗戈夫斯基线圈，被布置为使得所述第三相绕组中的电流流过所述第三罗戈夫斯基线圈；以及
第二差分放大器，连接到所述第一罗戈夫斯基线圈和所述第三罗戈夫斯基线圈，以便计算电流的第一变化率与电流的第三变化率之差，其中，所述系统还被配置为使用所述第一变化率与所述第三变化率之差来获得与所述转子的位置有关的另外的数据。


8.根据权利要求7所述的控制系统，其中，所述系统被配置为当所述第三相绕组连接到所述第一电压电平时，测量电流的第三变化率。


9.根据权利要求7或8所述的控制系统，包括：第三差分放大器，连接到所述第二罗戈夫斯基线圈和所述第三罗戈夫斯基线圈，以便计算电流的第二变化率与电流的第三变化率之差，其中，所述系统还被配置为使用所述第二变化率与所述第三变化率之差来获得与所述转子的位置有关的另外的数据。


10.根据权利要求6至9中的任一项所述的控制系统，其中，所述差分放大器或每个差分放大器是运算放大器。


11.根据前述权利要求中的任一项所述的控制系统，其中，所述系统还被配置为：
当所述第一相绕组和所述第三相绕组连接到相同的所述第一电压电平或所述第二电压电平时，测量所述第三相绕组中的电流的第三变化率和所述第一相绕组中的电流的第四变化率；
计算电流的第三变化率与电流的第四变化率之差；以及
使用计算出的电流的第三变化率与电流的第四变化率之差来获得与所述转子的位置有关的第二数据。


12.根据权利要求11所述的控制系统，其中，所述系统还被配置为：
当所述第二相绕组和所述第三相绕组连接到相同的所述第一电压电平或所述第二电压电平时，测量所述第二相绕组中的电流的第五变化率和所述第三相绕组中的电流的第六变化率；
计算电流的第五变化率与电流的第六变化率之差；以及
使用计算出的电流的第五变化率与电流的第六变化率之差来获得与所述转子的位置有关的第三数据。


13.根据权利要求11或12所述的控制系统，其中，所述系统还被配置为使用所述数据以及所述第二数据和/或所述第三数据来确定所述转子的位置。


14.根据权利要求13所述的控制系统，其中，所述控制系统还被配置为通过基于确定出的位置使所述多个相绕组中的电流同步来控制所述电动机。


15.一种用于电动机的控制系统，所述电动机包括：转子，具有多个相绕组的定子，以及通过将各个相绕组连接到第一电压电平或第二电压电平来向所述多个相绕组施加电压的逆变器，所述控制系统被配置为：
测量所述多个相绕组中的连接到所述第一电压电平的第一相绕组中的电流的第一变化率；
测量连接到所述第二电压电平的不同的第二相绕组中的电流的第二变化率；
测量连接到所述第二电压电平的不同的第三相绕组中的电流的第三变化率；
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【专利技术属性】
技术研发人员：查尔斯·波洛克，海伦·波洛克，
申请(专利权)人：泰克尼莱克有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB