CN102077458B - 确定永磁同步电机的电感的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在用于确定永磁同步电机的电感(Ld，Lq)的变速驱动器中实现的控制方法，该永磁同步电机包括三相(a，b，c)定子和转子，每个相面向一个方向。对于每个相，一个接一个地，所述方法包括步骤：沿着相(a，b，c)的方向，施加正向的电压矢量(V1，V3，V5)和负向的电压矢量(V2，V4，V6)预定的持续时间；在施加两个方向的电压矢量之后，测量每个相中获得的电流；基于在所有相中测量的电流，确定该转子的位置相对于定子的角度(θ)；基于确定的角度(θ)，确定该电机的磁通量(Ld)和扭矩(Lq)电感。

Description

确定永磁同步电机的电感的方法

技术领域

本发明涉及用于确定永磁同步电机(也称为PMSM)的电感的方法。本发明也涉及能够实现所述方法的变速驱动器。

背景技术

已知变速驱动器包括根据外部AC电源网络提供DC电压的整流器模块和逆变器模块(或斩波器)。此逆变器模块包括功率半导体电子器件，用于以脉冲宽度调制(PWM)模式对DC电压进行斩波，以便经由电源电缆在输出端处向电机提供脉冲的可变电压和可变转动频率。变速驱动器的控制设备以采样频率控制半导体元件的导通和断开，以利用合适的可变电压以PWM模式控制电机。

永磁同步机由于它们的简单的结构和它们的高效率，而越来越多地用在变速驱动系统中。这些电机可以被分成两大类：具有光滑或圆柱状转子的电机以及具有凸出转子的电机。对于这两类电机，重要的是知道d轴上的磁通量电感和q轴上的扭矩电感，以便获得可靠且一致的控制回路和参考模型。

专利US 6,498,452和US 7,067,997公开了用于确定同步电机的转子的初始位置的方法。这些方法特别依赖于在各相方向上电感的测量。

也应当注意Pr.M.Shroedl的著作(例如，“Sensorless Control of ACMachines at Low Speed and Standstill Based on the“INFORM”Method”，第31届IEEE工业应用会议纪要，IAS 1996，vol.1，第270到277页，6-10 Oct 1996)。

发明内容

本发明的目的是提出一种使得可以确定永磁同步电机的磁通量电感和扭矩电感的方法。

此目的由在用于确定永磁同步电机的磁通量电感和扭矩电感(Ld，Lq)的变速驱动器中实现的控制方法实现，该永磁同步电机包括三相(a，b，c)定子和转子，每个相面向一个方向，其特征在于，所述方法包括步骤：

-在每个相的方向上，施加正向的电压矢量和负向的电压矢量预定的持续时间，

-在施加两个方向的电压矢量之后，测量每个相中的电流响应，该电流响应对于每个相包括正峰值和负峰值，

-基于在所有相中测量的电流响应的正峰值和负峰值之间的不对称性，确定该转子的位置相对于定子的角度，

-按照该确定的角度的函数，确定该电机的磁通量电感和扭矩电感。

不管采用的转子的类型如何(光滑的或凸出的)以及不管凸出的类型如何(Ld＞Lq或Ld＝Lq或Ld＜Lq)，本发明的方法均适用。

根据一个特定特征，对于每个相，在正向施加的电压矢量和在负向施加的电压矢量具有完全一样的范数(norm)。

根据另一个特定特征，对于一个相，在正向电压矢量的施加和在负向电压矢量的施加引起施加如下的电压序列，包括：预定脉冲宽度的正电压脉冲、后面是具有该预定脉冲宽度的两倍的负电压脉冲、后面是该预定脉冲宽度的正电压脉冲。

根据另一个特定特征，在相中的电流响应包括正电流峰值和负电流峰值，并且该方法包括：对于每个相并且在相同的时刻，在它的上升阶段恢复正电流峰值上的两个独特的(distinct)电流值，并且在它的下降阶段恢复负电流峰值上的两个独特的电流值。

更准确地说，该方法包括确定以下值：

$\mathrm{\ΔI}{a}_{\mathrm{ave}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{a+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{a-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{a}_{\mathrm{diff}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{a+}\right|-\left|\mathrm{\δ}{I}_{a-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{b}_{\mathrm{ave}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{b+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{b-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{b}_{\mathrm{diff}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{b+}\right|-\left|\mathrm{\δ}{I}_{b-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{c}_{\mathrm{ave}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{c+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{c-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{c}_{\mathrm{diff}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{c+}\right|-\left|\mathrm{\δ}{I}_{c-}\right|}{2}.$

然后，基于以下关系确定该角度：

ΔI_diff＝ΔIa_diff+ΔIb_diffe^j2π/3+ΔIc_diffe^j4π/3etθ_r＝arctan(ΔI_diff)。

基于以下关系确定电机的磁通量电感和扭矩电感：

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{3}(\mathrm{\ΔI}{a}_{\mathrm{ave}}+\mathrm{\ΔI}{b}_{\mathrm{ave}}+\mathrm{\ΔI}{c}_{\mathrm{ave}})$

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{var}}=\frac{2}{3}(\mathrm{\ΔI}{a}_{\mathrm{ave}}\cos \left(2\mathrm{\θr}\right)+\mathrm{\ΔI}{b}_{\mathrm{ave}}\cos (2\mathrm{\θr}+2\mathrm{\π}/3)+\mathrm{\ΔI}{c}_{\mathrm{ave}}\cos (2\mathrm{\θr}+4\mathrm{\π}/3)$

ΔI_d＝ΔI_ave+ΔI_var

ΔI_q＝ΔI_ave-ΔI_var

$L_d=\frac{2/3V_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{I}_d}$

$L_q=\frac{2/3V_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{I}_q}.$

本发明还涉及一种变速驱动器，包括PWM型的逆变器，用于向永磁三相同步电机提供脉冲电压，所述变速驱动器实现上文描述的方法。

附图说明

其它的特征和优点将通过下面参考以示例方式给出并由附图示出的实施例的详细描述而变得清楚，其中：

-图1是为三相永磁同步电机供电的PWM型逆变器的简化表示；

-图2A和2B分别表示用于分别获得相a上的电压矢量V1和此相同的相a上的电压矢量V4的逆变器模块的开关的开/关组合；

-图3是在电机的每个相的方向上施加的电压的矢量表示；

-图4表示对相a施加的电压序列和在相a中获得的电流响应；

-图5是在对每个相施加图3所示的电压矢量之后对于每个相获得的电流响应的矢量表示。

具体实施方式

参考图1的简化电路图，意在控制三相永磁同步电机M的变速驱动器包括整流器模块(未示出)，一般由二极管电桥构成，向DC电源总线提供DC电压。DC总线包括正线20和负线21，总线电容器(未示出)连接在DC总线的正线20和负线21之间。DC总线通过电源电缆3为链接到电机M的逆变器模块1供电，电源电缆3为电机的三相a、b、c供电，这三相方向彼此偏移120°。对于电机M的每个相a、b、c，逆变器模块1包括IGBT或其它类型的两个功率半导体电子开关11、12(在图1中示出为简单的开关以简化图示)，使得可以由总线的DC电压Vdc产生可变电压到电机。变速驱动器还包括用于实现它的各种功能的控制、处理和存储装置。

本发明的方法适用于具有光滑转子或凸出转子的永磁同步电机。

本发明的原理是，对于每个相，在这些相的每个方向上一个接一个地施加正向的电压矢量和负向的电压矢量。因此，对于每个相a、b、c施加两个电压矢量。术语“电压矢量”应当被理解为意思是合成结果是由施加于三相的各个电压得出的矢量。图2A和2B示出了每个相的开关的动作(actuation)的组合，使得可以分别获得在该相a的方向上的正电压矢量V1和前述方向上的负电压矢量V4。对于每个相，施加的正电压矢量和负电压矢量优选地具有相同的范数，以便不产生转子的运动。施加的每个电压矢量Vi的范数取决于DC总线的电压Vdc并且具有例如电压Vdc的2/3的值。

Vi＝2/3 Vdc

参考图3，因此，在相a、b、c的方向上在正负方向施加电压矢量V1、V2、V3、V4、V5和V6。

对于一个相(相a)，使得可以在该相的方向上获得正电压矢量和负电压矢量的电压序列如图4所示。此电压序列在于由逆变器模块1在被考虑的相和另外两个相之间施加电压，并且包括预定脉冲宽度Tp的第一正电压脉冲、后面是具有该预定脉冲宽度Tp的两倍的负电压脉冲、后面是该预定脉冲宽度Tp的正电压脉冲。优化此电压序列以便不在电机上产生扭矩因此不会导致转子的运动。

采用的脉冲宽度Tp可以通过扫描各个脉冲宽度直到获得具有足够高以导致可检测的饱和效应的值的电流峰值来确定。

根据本发明，分析在被考虑的相上获得的电流响应以便从其中提取几个值。如图4所示，对于上文定义的电压序列，获得的电流响应顺序地呈现正峰值和负峰值。

分析电流响应引起，对于每个相，使用特定的采样电路恢复四个电流值。参考图4，在正电流峰值的上升阶段恢复两个电流值，并且在负电流峰值的下降阶段恢复两个电流值。对于所有相，在相同的时刻恢复这些值，负向或正向中的两次测得之间的时间间隔Δt总是相同的。对于第一正电压脉冲，例如在脉冲宽度的三分之一处(在图4中的t1处)恢复第一值Ia1+，而在接近电压脉冲的结尾处(图4中的t2处)恢复第二值Ia2+。

如图5所示，对于相a，因此存在，对于正峰值，在t1处恢复的值Ia1+和在t2处恢复的值Ia2+，并且对于负峰值，在t3处恢复的值Ia1-和在t4处恢复的值Ia2-。对于其它相的电流响应的每一个，在相同的时刻执行相同的测量。因而，对于相b，存在获得的值Ib2+、Ib1+、Ib2-、Ib1-，对于相c，存在获得的值Ic2+、Ic1+、Ic2-、Ic1-。

然后，基于这些电流值，目的是对于每个相，确定负向和正向中的电流变化。然后获得：

δI_a+＝|I_a2+|-|I_a1+|

δI_a-＝|I_a2-|-|I_a1-|

δI_b+＝|Ib₂₊|-|I_b1+|

δI_b-＝|I_b2-|-|I_b1-|

δI_c+＝|I_c2+|-|I_c1+|

δI_c-＝|I_c2-|-|I_c1-|

相应的矢量如图5所示。

尽管在正向和负向施加于每个相的电压是相等的，但是由于电动机的磁饱和效应，对于同一个相获得的电流值不是对称的。在实践中，对施加于每个相的电压脉冲的电流响应取决于转子的位置。为了考虑磁饱和效应，因此对于每个相计算正向和负向中的变化的平均值以及正向和负向中的变化之间的差，换句话说：

$\mathrm{\ΔI}{a}_{\mathrm{ave}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{a+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{a-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{a}_{\mathrm{diff}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{a+}\right|-\left|\mathrm{\δ}{I}_{a-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{b}_{\mathrm{ave}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{b+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{b-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{b}_{\mathrm{diff}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{b+}\right|-\left|\mathrm{\δ}{I}_{b-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{c}_{\mathrm{ave}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{c+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{c-}\right|}{2}$

$\mathrm{\ΔI}{c}_{\mathrm{diff}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{c+}\right|-\left|\mathrm{\δ}{I}_{c-}\right|}{2}$

由上文呈现的差得到的矢量被定义如下：

ΔI_diff＝ΔIa_diff+ΔIb_diffe^j2π/3+ΔIc_diffe^j4π/3

差矢量ΔI_diff的方向是磁饱和最显著的方向，也就是沿着转子所在的轴d。因此，由角度θ_r定义的转子的位置可以直接由矢量ΔI_diff推出，以使得：

θ_r＝arctan(ΔI_diff)

但是，本发明的目的不是确定转子的位置而是确定磁通量电感Ld和扭矩电感Lq。为此，本发明的方法使用对于每个相在两个方向计算的平均值ΔIa_ave，ΔIb_ave，ΔIc_ave。基于为每个相在两个方向获得的电流的平均值，这使得可以平均根据电流是负向还是正向而不同的饱和效应。

此外，众所周知对于每个相确定的电流包括恒定分量和依赖于上文定义的角度θ_r的两倍的余弦的可变分量。常数分量具有值：

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{3}(\mathrm{\ΔI}{a}_{\mathrm{ave}}+\mathrm{\ΔI}{b}_{\mathrm{ave}}+\mathrm{\ΔI}{c}_{\mathrm{ave}})$

根据同步电机的高频标准模型，可变分量ΔI_var的幅度可以在解调平均值之后确定。

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{var}}=\frac{2}{3}(\mathrm{\ΔI}{a}_{\mathrm{ave}}\cos \left(2\mathrm{\θr}\right)+\mathrm{\ΔI}{b}_{\mathrm{ave}}\cos (2\mathrm{\θr}+2\mathrm{\π}/3)+\mathrm{\ΔI}{c}_{\mathrm{ave}}\cos (2\mathrm{\θr}+4\mathrm{\π}/3)$

基于常数分量ΔI_ave和可变分量ΔI_var，可以确定当沿着转子的磁通量轴d和扭矩轴q施加电压矢量时应当获得的最大和最小电流值。然后获得：

ΔI_d＝ΔI_ave+ΔI_var

ΔI_q＝ΔI_ave-ΔI_var

然后由以下关系推出电感Ld、Lq：

$L_d=\frac{2/3V_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{I}_d}$

$L_q=\frac{2/3V_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{I}_q}$

Vdc是DC总线的电压，Δt是在正峰值或负峰值上的两次电流测量之间测量的时间。

Claims (6)

1.一种在用于确定永磁同步电机的磁通量电感和扭矩电感(Ld，Lq)的变速驱动器中实现的控制方法，该永磁同步电机包括三相(a，b，c)定子和转子，每个相面向一个方向，其特征在于，所述方法包括步骤：

-在每个相(a，b，c)的方向上，施加正向的电压矢量(V1，V3，V5)和负向的电压矢量(V2，V4，V6)预定的持续时间，

-在施加两个方向的电压矢量之后，测量每个相中的电流响应，该电流响应对于每个相包括正峰值和负峰值，

-基于在所有相中测量的电流响应的正峰值和负峰值之间的不对称性，确定该转子的位置相对于定子的角度(θ_r)，

-作为确定的角度(θ_r)的函数，确定该电机的磁通量电感(Ld)和扭矩电感(Lq)，

对于一个相，正向电压矢量的施加和负向电压矢量的施加引起施加以下电压序列，包括：预定脉冲宽度(Tp)的正电压脉冲、后面是具有该预定脉冲宽度(Tp)的两倍的负电压脉冲、后面是该预定脉冲宽度(Tp)的正电压脉冲。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个相(a，b，c)，在正向施加的电压矢量和在负向施加的电压矢量具有完全一样的范数。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量的电流响应包括正电流峰值和负电流峰值，并且其特征在于，该方法包括，对于每个相并且在相同的时刻，在它的上升阶段恢复该正电流峰值上的两个独特的电流值(Ia1+，Ia2+，Ib1+，Ib2+，Ic1+，Ic2+)，并且在它的下降阶段恢复该负电流峰值上的两个独特的电流值(Ia1-，Ia2-，Ib1-，Ib2-，Ic1-，Ic2-)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，它包括确定以下值：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ia}}_{\mathrm{ave}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{a+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{a-}\right|}{2}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ia}}_{\mathrm{diff}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{a+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{a-}\right|}{2}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ib}}_{\mathrm{ave}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{b+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{b-}\right|}{2}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ib}}_{\mathrm{diff}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{b+}\right|-\left|\mathrm{\δ}{I}_{b-}\right|}{2}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ic}}_{\mathrm{ave}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{c+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{c-}\right|}{2}$

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ic}}_{\mathrm{diff}}=\frac{\left|\mathrm{\δ}{I}_{c+}\right|+\left|\mathrm{\δ}{I}_{c-}\right|}{2}$

其中δI_a+、δI_a-、δI_b+、δI_b-、δI_c+、δI_c-表示，对于每个相，基于在获得的正电流峰值和负电流峰值上恢复的电流值计算的电流变化；ΔIa_ave、ΔIb_ave和ΔIc_ave表示对于相a、b和c的正向和负向中的电流变化的平均值；以及ΔIa_diff，ΔIb_diff，ΔIc_diff表示对于相a、b和c的正向和负向中的电流变化之间的差。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，基于以下关系确定该角度：

ΔI_ddiff＝ΔIa_diff+ΔIb_diffe^j2π/3+ΔIc_diffe^j4π/3etθ_r＝arctan(ΔI_diff)

其中ΔI_diff表示由所述差得到的差矢量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，基于以下关系确定该电机的磁通量电感和扭矩电感：

$\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{ave}}=\frac{1}{3}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{Ia}}_{\mathrm{ave}}+{\mathrm{\ΔIb}}_{\mathrm{ave}}+{\mathrm{\ΔIc}}_{\mathrm{ave}})$

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{var}}=\frac{2}{3}({\mathrm{\ΔIa}}_{\mathrm{ave}}\cos \left(2\mathrm{\θr}\right)+{\mathrm{\ΔIb}}_{\mathrm{ave}}\cos (2\mathrm{\θr}+2\mathrm{\π}/3)+{\mathrm{\ΔIc}}_{\mathrm{ave}}\cos (2\mathrm{\θr}+4\mathrm{\π}/3)$

ΔI_d＝ΔI_ave+ΔI_var

ΔI_q＝ΔI_ave-ΔI_var

$L_d=\frac{2/3V_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{I}_d}$

$L_q=\frac{2/3V_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{I}_q}$

其中，ΔI_var表示对于每个相确定的电流的可变分量，ΔI_d和ΔI_q是当沿着转子的磁通量轴d和扭矩轴q施加电压矢量时应当获得的最大和最小电流值，V_dc是直流电总线电压，以及Δt是在正峰值或负峰值上的两次电流测量之间测量的时间。