用于ac电机的位置无传感器控制算法
2019-11-22

用于ac电机的位置无传感器控制算法

一种用于具有定子和转子的电动机的控制系统,其包括给电动机提供电源的换流器,控制换流器的控制器,使用在控制器中操作的定子电流分量估计转子角度位置的低速控制块,使用在控制器中操作的定子通量位置和定子电流分量估计转子角度位置的高速控制块,在控制器中变换低速控制块和高速控制块之间的操作的转换开关,并且其中换流器由六步骤操作来控制。

Description

基准框架(f-"T基准框架)。在定子通量基准框架中的该电机的方程能如下面的方程(2)和(3)所示的来描述:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(3)从方程(2)中可以看出,从r轴到f轴没有交叉耦合。然而,从f轴到r轴有单向耦合。该单向交叉耦合在控制中容易退耦。由于上迷的原因,可以看出,定子通量定向控制比转子通量定向控制更适合该类型的电机。图3所示的修正的Gopinath观测器50用于估计定子通量角度6"反馈定子通量人fb和反馈转矩角度5fb。静止框架电流L和Ip收输入到观测器。静止到同步基准框架转换^^块60使用转子角度位置ef,将静止框架电流转换为同步基准框架。电机电流模块62计算同步基准框架中的电机的定子通量。同步到静止基准框架转换才莫块64使用转子角度位置A,将同步框架定子通量转换为静止基准框架。定子阻抗增益模块66和加法器68与静止基准框架电压Va和Vp以及电流L和Ip—起使用,以计算静止框架反EMF。积分器70用于对反EMF积分,以基于电压模块计算定子通量。电流模块在较低速度时更为精确,而基于计算的电压模块在较高速度时更为精确。因此,块72、74和76被用来基于转子速度将定子通量计算从电流一莫块平滑地转换到电压模块。方程(4)描述块72、74和76是如何在作为电频率①e的函数的电压模块通量估计Xaf)-VM与电流;漠块通量估计、p—cM之间导致平滑转换的。在方程U)中还示出了观测器特性函数F(s)。模块72PI增益的设置如方程(5)中所示。块76保证在定子通量矢量所估计的电压^^块和电流冲莫块之间的最佳转换轨迹。才莫块80使用反正切函数来计算定子通量角度位置0f。

基准框架(f-"T基准框架)。在定子通量基准框架中的该电机的方程能如下面的方程(2)和(3)所示的来描述:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(3)从方程(2)中可以看出,从r轴到f轴没有交叉耦合。然而,从f轴到r轴有单向耦合。该单向交叉耦合在控制中容易退耦。由于上迷的原因,可以看出,定子通量定向控制比转子通量定向控制更适合该类型的电机。图3所示的修正的Gopinath观测器50用于估计定子通量角度6"反馈定子通量人fb和反馈转矩角度5fb。静止框架电流L和Ip收输入到观测器。静止到同步基准框架转换^^块60使用转子角度位置ef,将静止框架电流转换为同步基准框架。电机电流模块62计算同步基准框架中的电机的定子通量。同步到静止基准框架转换才莫块64使用转子角度位置A,将同步框架定子通量转换为静止基准框架。定子阻抗增益模块66和加法器68与静止基准框架电压Va和Vp以及电流L和Ip—起使用,以计算静止框架反EMF。积分器70用于对反EMF积分,以基于电压模块计算定子通量。电流模块在较低速度时更为精确,而基于计算的电压模块在较高速度时更为精确。因此,块72、74和76被用来基于转子速度将定子通量计算从电流一莫块平滑地转换到电压模块。方程(4)描述块72、74和76是如何在作为电频率①e的函数的电压模块通量估计Xaf)-VM与电流;漠块通量估计、p—cM之间导致平滑转换的。在方程U)中还示出了观测器特性函数F(s)。模块72PI增益的设置如方程(5)中所示。块76保证在定子通量矢量所估计的电压^^块和电流冲莫块之间的最佳转换轨迹。才莫块80使用反正切函数来计算定子通量角度位置0f。

本发明是在电和混合电动车辆动力系统应用中所使用的无传感器控制系统的方法和设备。本发明的无传感器电动机控制系统包括:低速角度位置估计方法、初始转子极性检测方法、在低速和高速方法之间转换的算法、修正的Gopinath观测器、场削弱方法和/或六步骤的操作。附图说明图1是本发明的控制系统的方框图;图2是说明用于本发明的控制的可能的定向框架的矢量图;图3是用于本发明的修正的Gopinath观测器的方框图;图4是用于本发明中的六步骤操作的控制器的方框图;以及图5是进入和跳出六步骤操作的转换的状态流程图。具体实施方式图1是本发明的控制系统10的优选实施例的简图。该控制系统10图示为表示在控制器、微处理器或类似装置中执行的软件以控制电动机12的一连串的方框图。在本发明优选实施例中,控制器是控制电动机12的车辆动力系统控制器,但是任何其它的电动机控制应用被认为在本发明的范围内。电动机可以包含动力技术,例如AC电机、同步磁阻电动机、感应电动机和内部7Jo磁电动机,但并不局限于此。控制系统的输入是由车辆控制器产生的转矩指令Te。该转矩指令Te由最优转矩/电流强度计算块14处理,以生成电动机12中产生期望的电磁转矩所需要的对应的定子电流指令Is和电流角度指令卩。在场削弱块15中基于测量的DC连接电压Vdc和转子角速度C0r产生场削弱定子通量Xfw。如果定子通量指令X超过场削弱定子通量指令Xfw,块16将会修改指令人和S。在块14产生的定子电流指令Is和电流角度指令(3^L送到定子通量和转矩角度计算块16。块16处理指令的定子电流15和电流角度指令P,并将其分解成定子通量指令X和转矩角度指令5,以将最大的转矩提供给给定的定子电流幅度。

<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>修正的Gopinath观测器'50用于估计在所有速度下的定子通量角度ef。转换开关54根据转子速度自动选择合适的输入e,。利用模块15获得场削弱操作。方程(6)是用于计算基于DC连接电压和转子速度的场削弱的定子通量指令。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>在所有的操作条件下,将^与X比较。较低的通量指令由控制器用作最终的通量基准。如果选择了场削弱定子通量指令Xfw,那么指令计算模块16基于新的通量指令?^和转矩指令Te重新计算最优的转矩角度指令5。在图4中所示的图说明所提出的在六步骤操作期间允许转矩调整的控制。在六步骤操作期间,固定施加到定子的电压。因此,控制器中只有一个自由度。通过调整转矩角度5来控制转矩,其又控制关于同步基准框架的d轴的电压角度a。图5示出描述进入和跳出六步骤操作的转换的状态流程图。参考图4,开关100在正常操作和六步骤操作之间转换。在正常操作期间,图1中的图产生静止框架电压指令V^和Vpi。当变量Flag—six变为真时,由六步骤控制模块102提供电压指令Va!和Vpi。六步骤控制模块102调整转矩角度S,其又控制施加到电机的电压角度。使用求和点104对转矩角度指令S与转矩角度反馈^进行比较,其输出被馈送到PI调整器106。PI调整器的初始状态被设置成提供进入和跳出六步骤操作的无缝转换。前馈电压角度计算模块108计算更快动态性能的前馈电压角度(Xff。加法器110将PI调整器输出和前馈电压角度aff相加以产生最终的电压角度a。使用求和点112将电压角度a加到转子角度位置比以产生静止框架电压角度。块114利用求和点112的输出和最大可用电压(六步骤的电压)以产生指令电压V^和V^。图5详述描述图4中的转换标志Flag—six的设置的状态流程图。整个流程图在每个抽样期间执行。决策块120将实际的转子速度与预定的最小阈值速度c^th相比较。如果转子速度比预定的最小阈值速度小,那么在块122中Flag—six被设置为0(在图1中描述的控制定向的正常定子通量)。否则,决策块124被用于将施加的定子电压Vm和预定的最大阈值电压Vth相比较。如果施加的定子电压比Vth小,那么在块122中Flag—six被设置为0。否则,在块126中Flag-six被设置为1(六步骤的操作)。该控制保持在该操作模式直到决策块130的条件定为真。块130检测估计的定子通量超过指令的定子通量的情况。如果为TRUE,则有足够的可用的电压以退出六步骤操作,并返回正常定子通量定向控制。应该理解的是,本发明并不限于如上图示和描述的确切的构造,但不背离下列的权利要求所定义的本发明的精神和范围,可以对本发明进行各种不同的改变和修改。

通量位置ef以估计转子角度位置eTjligh。开关54基于估计的转子速度来选择合适的转子角度位置ef。修正的Gopinath观测器50处理静止框架电压V。和Vp以及静止基准框架电流L和Ip。修正的Gopinath观测器50计算估计的定子通量角度ef、反馈定子通量Xfb和反馈转矩角度通量5fb。在本发明的优选实施例中,d轴的感应系数比q轴的感应系数高,并且所述电机的磁北极定向在(-)q轴方向。但是,如果所述电机的q轴的感应系数比d轴的感应系数高,那么提出的控制方案将仍然有效。图2是表示用于控制的可能的定向框架的矢量图。a轴和卩轴用作静止基准框架控制。在静止基准框架中,控制变量是AC时间变化信号。优选的是,使用旋转基准框架以供控制,其中控制变量是DC量。同步基准框架(转子定向的基准框架,或d-q框架)和定子通量基准框架(f-r基准框架)两者都是在稳定状态中的具有DC控制变量的旋转基准框架。对于高度饱和的电机而言,d-q框架电压方程有双向的交叉耦合项,其能限制同步电流控制器的带宽。下面的方程(1)表示说明交叉耦合效应的d-q基准框架中的定子电压方程。v《—rz""4十rH—^一。^十I^&十:《&在方程(1)中,每个电压方程的最后两项是交叉耦合项。因为d轴的感应系数比q轴的感应系数大得多,所以d轴的时间常数比Q轴的长得多。由于交叉耦合项而引入到d轴电压方程中的任何干扰,将由于长的时间常数而对d轴电流调整有极小的影响。然而,由于交叉耦合项引入到q轴电压方程中的干扰将对q轴电流调整有相当大影响。因此,试图增加电流调整器带宽将会导致不稳定的搡作。为了克服这些限制,期望的是,将控制器基准框架改变为定子通量