用于永磁同步电机的无位置传感驱动器制造技术

一种无传感器电机控制算法，其可在从低速到高速的整个速度范围内单独工作。这种“融合”算法无缝融合了由高速和低速无传感器算法分别产生的位置数据。所得到的无传感器驱动器允许在永磁电机的整个速度范围内进行有效的无位置传感操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于永磁同步电机的无位置传感驱动器相关申请的交叉参考本申请基于并要求2004年1月14日提交的第60/536566号和2004年10月27日提交的第60/622440号美国临时申请的优先权，其公开被并入本文作为参考。
技术介绍
永磁电机在工业中显示出了强劲的势头，这是由于它们效率较高且尺寸较小，这要归功于转子中永磁体的出现，特别是具有正旋反电动势的永磁电机备受重视，这是因为与它们的梯形反电动势等同物相比，它们产生更少的转矩脉动。同步电机通常包括位置传感器，用于支持基于位置的控制算法。假如对这种类型电机的市场需求明显增加，用于执行电机控制和驱动的无位置传感技术的使用就会变得更有价值。实际上，与去除位置传感器相关的成本降低是大量生产中重要的利润来源。而且，由于机械位置传感器体积庞大且易于在恶劣的环境下失灵，因此用无传感器算法来替代它能够增加电机驱动的可靠性。已在文献中提及的无传感器算法可被分为以下两种截然不同的类别，即，只在高速下工作的无传感器算法和只在低速下工作的无传感器算法。迄今为止，还没有能够在整个速度范围内单独工作的无传感器算法。这样就限制了无传感器技术在伺服系统中的应用，如那些用于机器人技术和机动应用的伺服系统。所有用于永磁电机的高速无传感器算法都直接或间接地基于从电机的反电动势提取位置信息。由于反电动势实际上在低速时并不存在，因此这些技术无法在低速范围内运用。作为从反电动势提取位置信息的方法，已经提出了各种算法。例如，状态观测、卡尔曼滤波、虚拟转子位置、以及电压和电流测量已被成功用作高速无传感器方法。所有低速无传感器算法均建立在从定子电感变化提取位置信息的-->基础之上，该定子电感变化由转子凸极效应(rotor saliency)引起。因此，与高速无传感器算法不同，低速无传感器算法被限制为用于具有凸极效应的永磁电机。这种凸极效应通常是电机结构的特征，例如在IPM(interior permanent magnet，内部永磁)电机中的情况。在IPM电机中，即使在低速或零速的情况下，凭借各种激励也可检测到由转子凸极效应引起的定子电感变化。之后，检测到的定子电感变化就能用于提取位置信息。因此，低速无传感器算法可通过它们的激励方法和定子电感变化的检测方法来分类。比如，基于通过测试脉冲和电流幅度的测量，振荡矢量激励和高频阻抗的测量，振荡矢量激励和相位的测量，以及旋转矢量激励和电流解调的激励方法在低速和零速时被成功用于估计位置。因为在高速时多个必要假设变为无效，因此这些低速无传感器算法无法在高速下工作。而且，它们有一个共同的限制，即所估计的位置的极性(正极或负极)未知并且必须通过其他的方法来确定。
技术实现思路
根据这些问题，本专利技术涉及一种算法，称为“融合算法(fusionalgorithm)”，其将来自高速的和低速的无传感器算法信息融合以估计电机的位置。信息采用无缝接合，因此，所估计的位置在整个速度范围内都有效。试验结果说明，在大部分速度范围内，从融合算法所得的位置估计误差要小于单独由低速或高速算法获得的位置估计误差。而且，试验结果还表明融合算法解决了位置的极性问题，该问题为低速无传感器算法的特征。本专利技术包括：(A)电机模型，将用于整个讨论中；(B)高速无传感器算法，用于在高速时估计位置；(C)低速无传感器算法，用于在低速或零速时估计位置；(D)拟用的融合算法；(E)整个系统的试验结果，建立在新的融合算法上；以及(F)结论。从以下参考附图的本专利技术实施方式的说明中，本专利技术的其他特征和优点将显而易见。-->附图说明图1为两极IPM电机的剖视图，用于说明本专利技术的原理；图2为示出了构成部分高速无传感器算法的反电动势观测器的框图；图3为示出了用于本专利技术的高速无传感器算法和其他方面的锁相环的框图；图4为示出了低速无传感器算法的框图；图5为表示低速无传感器算法中电流反馈的相量图；图6为示出了融合算法的高电平框图；图7为示出了融合误差信号的曲线图；图8为融合算法的框图；图8A为表示激励幅度的曲线图；图9示出了试验建立的框图；图10为在273 RPM时的估计位置、实际位置以及估计值和实际值的曲线图；图11为在1000 RPM时的估计位置、实际位置以及估计值和实际值的曲线图；图12为示出了作为速度函数的估计误差的曲线图；图13为示出了位置极性解决方案的一个示例的曲线图。具体实施方式A.电机的数学模型具有凸极效应的永磁电机在它沿d轴观测的定子电感L和沿旋转坐标系的q轴观测的定子电感L之间存在恒定的差值ΔL′。在静止坐标系中，这个差值表示作为转子位置函数的L的变化。这就是图1中所示的用于IPM电机的情况，其显示出了凸极效应。对于该IPM电机，显然认为通量ΦαS的磁阻小于ΦβS，因为其大部分沿低磁阻磁性材料的长度方向流动，因此，电感Lα将会不同于Lβ。该电感变化显示于决定了电机的电动力学的微分方程式中。在旋转坐标系中通过(1)和(2)给出。-->Vdr=Ridr+Lddtidr-Lωmiqr---(1)]]>Vqr=Riqr+Lddtiqr-ΔLrddtiqr+Lωmidr+λrωm---(2)]]>其中：·Vdr和Vqr为直流电压和正交电压。·idr和iqr为直流电流和正交电流。·ωm为转子的机械速度。·λr为等效磁通。·L为平均定子线圈电感。·R为定子电阻。·ΔLr为由凸极效应引起的在d轴和q轴电感之间的恒定差值。在方程式(2)中，在电机不存在凸极效应的情况下，ΔLr为零。方程式(1)和(2)可被转换到静止坐标系中，即得到方程式(3)和(4)。Vαs=Riαs+Lddtiαs+ΔLrsin(2θe)ddtiαs-Lωmiβs-λrωmsin(θe)---(3)]]>Vβs=Riβs+Lddtiβs-ΔLrcos(2θe)ddtiβr+Lωmiαr+λrωmcos(θe)---(4)]]>此处θe为转子电动位置。从(3)和(4)显然可看出电感变化ΔLr在静止坐标系中变成转子位置的正弦函数。因此，低速无传感器算法的工作就是提取位置信息。同样地，显然可看出电机反电动势λrωm在静止坐标系中也成为转子位置的正弦函数。由于在高速时有大量的反电动势，因此高速无传感器算法的工作就是提取内含的位置信息。相对于磁通正交流动的定子电流将产生由方程式(5)给出的转矩。Tm=Pλriqr---(5)]]>此处，Tm为电机转矩，P为在电机中形成的极对数目。转矩将使得转子转动，其由方程式(6)所示的微分方程所决定。Jddtωm=Tm-βm-TL---(6)]]>其中：·J为转子组件的转动惯量。-->·β为转子和定子间的阻尼系数。·TL为负载或扰动转矩。B.高速无传感器算法从方程式(3)和(4)可看出，绝对转子位置信息内含在电机反电动势项内。因此，高速无传感器算法的第一个阶段是反电动势观测。忽略本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于永磁同步电机的无位置传感驱动器，包括：驱动电路，可用于驱动永磁同步电机；以及控制模块，其接收来自所述永磁同步电机的电压和电流信息，确定所述永磁电机的转子位置，并在电机速度为零速、低速和高速时，根据所述转子位置产生控制 所述驱动电路的控制信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-1-14 60/536,566;US 2004-10-27 60/622,440;U1.一种用于永磁同步电机的无位置传感驱动器，包括：驱动电路，可用于驱动永磁同步电机；以及控制模块，其接收来自所述永磁同步电机的电压和电流信息，确定所述永磁电机的转子位置，并在电机速度为零速、低速和高速时，根据所述转子位置产生控制所述驱动电路的控制信号。2.如权利要求1所述的驱动器，其中，在相对低速时，所述控制模块根据转子电感变化得出所述转子位置。3.如权利要求2所述的驱动器，其中，所述电感变化由下式决定：Vdr=Ridr+Lddtidr-Lωmiqr...(1)]]>Vqr=Riqr+Lddtiqr-ΔLrddtiqr+Lωmidr+λrωm...(2)]]>其中：·Vdr和Vqr为直流电压和正交电压，·idr和iqr为直流电流和正交电流，·ωm为转子的机械速度，·λr为等效磁通，·L为平均定子线圈电感，·R为定子电阻，·ΔLr为由凸极效应引起的在d轴和q轴电感之间的恒定差值。4.如权利要求3所述的驱动器，其中，所述控制模块还用于控制将高频激励电压加入电机的定子中，以放大所述电感变化。5.如权利要求4所述的驱动器，其中，随着电机速度增加，所述激励电压减小。6.如权利要求5所述的驱动器，其中，所述激励电压由下式控制：Vh=max0Vhmax+Kscaleddθ‾ee(θ‾e)|θ‾e=θe...(12).]]>7.如权利要求4所述的驱动器，其中，由所述激励电压产生的电流反馈被解调模块解调。8.如权利要求7所述的驱动器，其中，所述解调模块包括滤波器、坐标系转换和锁相环。9.如权利要求1所述的驱动器，其中，在零速和低速，所述控制模块决定所述转子位置的极性。10.如权利要求1所述的驱动器，其中，当电机速度相对较高时，所述控制模块根据反电动势得出所述转子的位置。11.如权利要求10所述的驱动器，包括反电动势观测模块。12.如权利要求11所述的驱动器，其中，估计的反电动势值由下式表达：Eαβs‾≈λrωmsin(θe)-λrωmcos(θe)...(9).]]>13.如权利要求12所述的驱动器，其中，所述转子位置由下式表达：θe‾=arctanλrωmsin(θe)-λrωmcos(θe)...(10).]]>14.如权利要求11所述的驱动器，其中，锁相环从所述反电动势观测模块的输出提取转子位置。15.如权利要求1所述的驱动器，其中，所述控制模块包括：第一模块，提取和处理电感变化并在相对低速或零速下提供位置信息；以及第二模块，提取和处理反电动势变化并在相对高速下提供位置信息。16.如权利要求15所述的驱动器，其中，所述转子位置与所述电感和反电动势变化有如下关系：Vαs=Riαs+Lddtiαs+ΔLrsin(2θe)ddtiαs-Lωmiβs-λrωmsin(θe)...(3)]]>Vβs=Riβs+Lddtiβs+ΔLrcos(2θe)ddtiβs-Lωmiαs-λrωmcos(θe)...(4)]]>其中，θe为转子电动位置。17.如权利要求15所述的驱动器，还包括，合成模块，其合并所述第一和第二模块输出的位置数据，并在所有所述零速、低速和高速下传递位置数据。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉恩基龙，
申请(专利权)人：国际整流器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]