用于确定AC电机的转子的位置的电机控制器、AC电机系统和确定AC电机的转子的位置的方法

摘要

一种电机控制器(4)，用于确定AC电机的转子(9)的位置，该电机控制器包括：控制输入(12)，用于接收控制信号，输出(13)，用于提供功率控制信号，所述功率控制信号用于控制施加给所述AC电机的定子(7)的功率；输入(14)，用于接收表示所述定子中的电流的反馈信号。控制输入(12)和输出(13)通过参考路径耦合，输入(14)通过反馈路径耦合到控制输入(12)。载波信号注入元件(42)用于在注入节点将高频载波信号注入在参考路径中。电机控制器(4)被配置为根据控制信号、反馈信号和高频载波信号生成功率控制信号。位置确定元件(18)根据反馈信号生成表示转子位置的位置信号，该反馈信号包括包含转子位置信息的载波信号分量。电机控制器(4)进一步包括滤波器块(39)，滤波器块(39)被耦合在控制输入(12)和参考路径中的注入节点之间，用于在包括高频载波信号频率的频率范围内，对在参考路径中的信号进行滤波。

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定AC电机的转子的位置的电机控制器和确定AC电机的转子的位置的方法。

背景技术

AC电机被广泛地使用在许多应用中，包括诸如洗衣机、洗碗机、电扇的消费者应用和诸如车窗升降器控制件、电动助力转向系统、电子机械制动系统的车辆应用等。

AC电机系统通常包括电机和电机控制器，电机包括定子和转子，电机控制器用于控制被提供以驱动电机的功率。为了确保对电机的良好控制，例如为了满足特定的电机性能要求，电机控制器需要知道电机转子的位置。

诸如位置和速度变换器的位置传感器以及这样的传感器需要的电缆和连接器增加了AC电机系统的大小、重量和复杂度，并且成为AC电机系统的故障源。为了消除这样的位置传感器，特别是对于小型低成本电机控制器，已经对用于为在多种不同操作条件下的不同种类电机确定电机位置的无传感器技术进行了很多研究。

简单的技术使用在电机中生成的感应的反电动势(EMF)。然而，转子停止或处于低速度时，在电机中生成的反电动势(EMF)不足以以实现转子位置的准确估计。

更复杂的技术基于适当参考信号的注入和AC电机对注入的参考信号的响应的跟踪，以确定转子位置。关于大部分低速度和零速度无传感器控制技术的基础是电机的d轴和q轴特性的差异的存在：d轴和q轴定义了dq旋转坐标系。该差异被用于确定转子位置并且被称为凸极。电机特性可以包括例如电感或电阻。凸极电机是表现例如取决于转子位置的d轴和q轴中的电感的差异的凸极的电机。在永久磁体(PM)电机中，有多个凸极源，例如，转子固有的凸极、基于饱和的凸极(定子、齿)。

典型地，如所述，例如，在US专利申请no.2006/0061319和US专利no.6,894,454中，通过将载波信号与参考电压信号结合，高频载波信号被注入到定子中，所述参考电压信号控制提供给AC电机的定子的功率。作为结果的高频分量然后被电机控制器中的处理器处理以确定转子位置，所述高频分量携带凸极位置信息并且是来自定子的反馈电流的一部分。反馈电流也被反馈作为控制器中的控制环路的一部分，以控制施加给定子的功率。

例如在电机负载的改变期间，由于载波信号和参考电压信号以及控制环路的操作，在电机中生成高频谐波分量。已知的无传感器控制方法不考虑在携带凸极位置信息的高频分量和在控制环路中生成的高频谐波分量之间引起的干扰。这种干扰影响电机控制器在确定转子位置方面的性能。

因此，需要改善的电机控制器。

发明内容

本发明提供了如在所附权利要求中描述的电机控制器、AC电机系统、确定AC电机的转子的位置的方法、计算机程序和计算机可读介质。

附图说明

参考附图，现在将仅通过示例方式描述根据本发明的确定AC电机的转子的位置的方法、AC电机系统和电机控制器。

图1是包括根据本发明的实施例的电机控制器的AC电机系统的简化示意框图；

图2是更加详细地示出根据本发明实施例的图1的电机控制器的一些元件的简化示意框图；和

图3是根据本发明的实施例的在图1的电机控制器中使用的凸极跟踪观测器的简化示意框图。

具体实施方式

将参考3相永久磁体同步(PMS)电机描述本发明。应理解的是，本发明不限制于用于3相PMS电机，并且可以应用到任何具有凸极的AC电机，例如2相AC电机、具有埋入电机内的或表面安装的永久磁体的PM电机、同步磁阻电机(SynRM)、开关磁阻电机(SRM)、AC感应电机(ACIM)或AC直线电机。

首先参考图1，根据本发明，AC电机系统2包括具有定子7和转子9的AC电机6、用于提供功率给定子7的功率转换器8和根据本发明的用于控制功率转换器8并且确定转子9的位置的电机控制器4。功率转换器8耦合到AC电源(未示出)，并且具有耦合到模拟数字转换器(ADC)的输出。为了说明目的，在图1中示出了dq旋转坐标系。

电机控制器4包括控制输入12，该控制输入12用于接收包括d轴上的电流控制信号分量i_d^*和q轴上的电流控制信号分量i_q^*的控制信号。在控制输入12的控制信号例如由生成转矩请求的主控制器生成，诸如在车辆应用中的主车辆控制器或消费品洗衣机应用中的洗衣机控制器。电流控制信号分量i_d^*和i_q^*在处理块28中被处理，并且处理块28的输出是在d轴上和q轴上的电压控制信号分量u_d^*和u_q^*。根据一实施例的处理块28包括合成元件20和22以及比例积分(PI)控制器24和26，合成元件20和22被配置用于从电流控制信号分量i_d^*和i_q^*中减去电流控制信号分量的校正估计i_{d_estim_corrected}和i_{q_estim_corrected}。PI控制器24和26将电流控制信号分量的校正估计i_{d_estim_corrected}和i_{q_estim_corrected}与电流控制信号分量i_d^*和i_q^*比较，并且其差(或‘误差’信号)被电机控制器4用来调整施加到功率转换器8的控制信号，从而电流控制信号分量的校正估计i_{d_estim_corrected}和i_{q_estim_corrected}在闭合控制环路中被调整到电流控制信号分量i_d^*和i_q^*。在实施例中处理块28可进一步包括：限制元件30、32和补偿元件34、36，限制元件30、32被配置以将电机控制器4的输出处的功率控制信号限制为由通过功率转换器8可实现的输出功率确定的预定限制；补偿元件34、36用于将d轴和q轴中的补偿电压合成到在PI控制器24和26的输出处的电压控制信号分量。补偿电压可以被增加以消除在d轴和q轴之间的任何相关性，有助于实现d轴和q轴电流的线性和独立的控制。

在处理块28的输出处的d轴上和q轴上的电压控制信号分量u_d^*和u_q^*被耦合到滤波器块39，并且在滤波器块39的输出处的经过滤波的信号被耦合到转换元件50，转换元件50被耦合到载波信号注入元件42。在转换元件50中利用由位置确定元件或凸极提取元件18生成的校正的转子角度位置θ_corrected将经过滤波的电压控制信号分量u_d^*和u_q^*从dq旋转坐标系转换为αβ静止坐标系。载波信号注入元件42将高频载波信号u_hf(t)只注入到经转换的d轴上的电压控制信号分量u_d^*并且提供αβ静止坐标系中的电压控制信号分量，αβ静止坐标系中的电压控制信号分量被耦合到空间矢量调制(SVM)44并且提供在电机控制器4的输出13处的功率控制信号。在电机控制器4的输出13处的功率控制信号被耦合到功率转换器8，从而控制施加到定子7的功率。因此，在控制输入12和输出13之间提供了参考路径(reference path)，包括处理块28、滤波器块39、转换元件50和载波信号注入元件42，在参考路径的注入节点，所述载波信号注入元件42将高频载波信号u_hf(t)注入到在参考路径中提供的电压控制信号分量。下面参考图2更加详细地描述载波信号注入元件42和滤波器块39。

空间矢量调制(SVM)在现有技术中是已知的，并且这里将不会更加具体地描述。

电机控制器4进一步包括：输入14，耦合到ADC 10以用于接收来自功率转换器8的测量电流信号；电流重构元件16，用于从输入14处的电流信号导出表示定子中的电流信号的反馈信号。在这里示出和描述的实施例中，AC电机6是3相电机，并且因此功率转换器8是3相功率转换器。因此，重构元件16的功能是从测量电流信号中重构定子中的电流信号，由于功率转换器8的3相性质，该重构是必要的。定子中的电流信号包括产生转矩的分量和产生磁通的分量以及载波信号电流分量。如在介绍中讨论的，载波信号电流分量包括转子位置信息。重构元件16的另一功能是将接收的测量电流信号转换为αβ静止坐标系。因此，在重构元件的输出处的反馈信号包括在静止坐标系的α轴上的反馈信号电流分量i_α和在静止坐标系的β轴上的反馈信号电流分量i_β。

在由飞思卡尔半导体公司提供的操作说明AN1930(7.6.1部分)和操作说明AN1931(4.3.2部分)中，给出了可以在根据本发明的电机控制器4中使用的示例电流重构元件的描述。应当理解的是，电流重构元件16可以被不同地构造(例如，i_α，i_β可以通过直流总线电流的单分流(single shunt)测量而被重构)，从而提供定子电流的αβ静止分量。

反馈信号电流分量i_α和反馈信号电流分量i_β被耦合到位置确定元件或凸极提取元件18。下面将参考图2更加具体地描述位置确定元件18。位置确定元件18根据反馈信号的反馈信号电流分量i_α和反馈信号电流分量i_β生成表示转子位置的位置信号。位置信号包括转子角度位置的估计θ_estim和校正的转子角度位置θ_corrected。另外，位置确定元件18生成转子速度的估计ω_estim以及在d轴上的电流控制信号分量的校正估计i_{d_estim_corrected}和在q轴上的电流控制信号分量的校正估计i_{q_estim_corrected}。电流控制信号分量的校正估计i_{d_estim_corrected}和i_{q_estim_corrected}在合成元件20和22中与在控制输入12处提供的电流控制信号分量i_d^*和i_q^*合成，从而提供反馈路径以将表示定子中的电流信号的反馈信号耦合到控制输入12，从而提供电流分量的闭环控制以控制提供给定子7的功率。因此，在输出13处的功率控制信号取决于控制输入12处的控制信号、作为闭环控制的一部分的反馈信号以及注入到参考路径中的高频载波信号CS。

现在参考图2，其提供了滤波器块39、载波信号注入元件42和位置确定元件18的更加具体的示意图。

滤波器块39包括滤波器元件38和40，滤波器元件38和40被配置为在包括高频载波信号u_hf(t)的频率的频率范围内对在参考路径中的电压控制信号分量u_d^*和u_q^*进行滤波。滤波器元件38和40因此滤除或去除例如由于闭环控制的操作而引起的邻近载波信号频率或在载波信号频率附近的任何谐波分量，从而电压控制信号分量u_d^*和u_q^*的在载波信号频率附近的频谱是空的。在图2中，滤波器元件38和40由带阻滤波器(BSF)38和40表示。然而，应当理解的是，滤波器元件38和40可以其他方式实现。例如，低通滤波器和高通滤波器的组合或以互补配置的带通滤波器(输入-BPF{输入})。

然后在转换元件50中，利用由位置确定元件18生成的校正的转子角度位置θ_corrected，将经过滤波的电压控制信号分量u_d^*和u_q^*从dq旋转坐标系转换为αβ静止坐标系，转换元件50可以是载波信号注入元件42的一部分或者是如图1和图2所示的独立元件。这种转换元件在现有技术中是已知的。由于如下事实，即，估计的转子角度位置θ_estim因为电枢反应(armature reaction)而被从实际位置偏移而校正的转子角度位置已经被校正以补偿电枢反应，校正的转子角度位置θ_corrected被用于转换。下面更加详细地描述电枢反应。然而，当电枢反应不是问题时，估计的转子角度位置θ_estim可以被用来执行转换。

载波信号注入元件42包括用于生成高频载波信号(u_hf(t)＝U_M*sin(ω_hft))的载波信号生成器52。期望的是，选择载波信号的频率尽可能地高，从而实现从控制信号的容易的谱分离。然而，频率选择必须考虑与功率转换器8的切换频率相比频率一定不能太高的事实。因此，载波信号的频率通常比参考路径中的控制信号的频率大几十倍。例如，载波信号可以具有在500Hz到2000Hz的范围内的频率。高频载波信号被注入在d轴上，并且因此在d轴上的高频载波信号的电压分量是u_{d_hf}，并且在q轴上没有电压分量。因为在dq旋转坐标系中，d轴电流分量是产生电磁场的电流并且q轴电流分量是产生转矩的电流，所以通过将在q轴上的注入电压分量保持为零(或很小)，任何不想要的转矩也被保持为很小。在转换元件54中，利用由位置确定元件18生成的转子角度位置的估计θ_estim，将高频载波信号分量从dq旋转坐标系转换为αβ静止坐标系。由于在估计坐标系中高频耦合阻抗的极小存在，高频载波信号的注入和控制信号电流的估计必须在估计坐标系中被执行，所以，转子角度位置的估计θ_estim被用于转换，其中该极小对应于凸极跟踪观测器(以下描述的)将稳定的平衡点。

转换元件54的输出被耦合到合成元件56和58，从而在α轴和β轴上的经转换的高频载波信号分量与在α轴和β轴上的经过滤波的电压控制信号分量合成，以提供αβ静止坐标系中的电压控制信号分量，该电压控制信号分量定义了用于控制给定子7的功率的功率控制信号。

功率控制信号因此包括基于输入12处的控制信号的电压控制信号分量以及叠加的或注入的高频载波信号分量。高频载波信号感应引起在定子7中的电流信号，该电流信号根据有效转子凸极(根据转子位置而变化)而被幅度调制。电压控制信号分量和高频载波信号分量在频谱上被充分地分离，以不要彼此干扰。转子位置信息可以从反馈信号中提取，该反馈信号从来自功率转换器8的测量电流信号导出。

位置确定元件18包括转换元件62，该转换元件62用于利用由位置确定元件18生成的转子角度位置的估计θ_estim，将由电流重构元件16提供的反馈信号电流分量i_α和i_β从αβ静止坐标系转换为dq旋转坐标系。如上，由于在估计坐标系中高频耦合阻抗的极小存在，高频载波信号的注入和控制信号电流的估计必须在估计坐标系中被执行，所以，转子角度位置的估计θ_estim被用于转换，其中该极小对应于凸极跟踪观测器(以下描述的)将稳定的平衡点。转换元件62的输出是基于反馈信号的在q轴上的电流控制信号分量的估计i_{q_estim}，并且被耦合到合成元件64。在控制输入12处提供的在q轴上的电流控制信号分量i_q^*被合成元件64从在q轴上的电流控制信号分量的估计i_{q_estim}中减去，以提供下述的信号，即，该信号表示在电流控制信号的估计中的误差，并且包括反馈信号中的高频载波信号电流分量。合成元件64的输出被馈送到包括合成元件68和滤波器元件66的提取元件：合成元件64的输出被馈送到合成元件68的一个输入，并且经由滤波器元件66被馈送到合成元件68的另一个输入。在图2中示出滤波器元件66被实现为带阻滤波器(BSF)。然而，应当理解的是，可以以其他方式实现滤波器元件66。例如，可以使用具有小相位偏移的高阶带通滤波器。

合成元件68从经过滤波的信号减去在合成元件64的输出处的信号，以从包括凸极信息或转子位置信息的反馈信号中提取高频载波信号分量。提取的高频载波信号分量hf carrier＝func(position_error)被传递到凸极跟踪观测器70或位置信号生成器，该凸极跟踪观测器70或位置信号生成器利用在提取的高频载波信号分量中的转子位置信息以生成转子角度位置的估计θ_estim和转子速度的估计ω_estim。凸极跟踪观测器70的示例性实现被示出在图3中。凸极跟踪观测器70包括幅度检测器80和跟踪滤波器82。幅度检测器利用零差探测(homodying)处理，该处理是通过将信号与在相位和频率方面与进入的载波频率同步的正弦信号相乘而进行的对信号的解调。提取的高频载波信号分量的检测幅度直接与估计的位置误差成比例。得到的信号被用作到跟踪滤波器82的输入，该跟踪滤波器82提供转子角度位置的估计θ_estim和转子速度的估计ω_estim。下面的公开出版物提供了关于凸极跟踪观测器的实现的更多信息：B.P.Lathi，Modern Digital and AnalogCommunication Systems，Oxford University Press，USA；3 edition(1998年3月11日)，M.Mienkina，P.Pekarek，F.Dobes：56F80x Resolver Driverand Hardware Interface，Freescale Semiconductor，Inc.Application NoteAN 1942，R.D.Lorenz，Observers and State Filters in Drives and PowerElectronics，Keynote paper，IEEE IAS OPTIM 2002，Brasov，Romania，2002年5月16-18日，和G.Ch.Hsieh，J.C.Hung，Phase-lock looptechniques-a survey，IEEE Transaction on IE，vol.43，No.6，1996年12月。

在合成装置64中通过从在q轴上的电流控制信号分量的估计i_{q_estim}中减去电流控制信号分量，根据本公开的电机控制器4增强了在q轴上的电流控制信号分量的估计i_{q_estim}中的DC分量和其他谐波分量的衰减。这使得更易于将携带转子位置信息的高频分量滤出。

另外，通过利用合成元件68和滤波器元件66而提取高频载波信号分量，在载波信号的频率附近的不期望的谐波信号被去除，使得在反馈信号中的谐波信号的相位失真减小，并且因此改善了凸极跟踪观测器70的控制响应。

转换元件60利用由位置确定元件18生成的转子角度位置的估计θ_estim，将由电流重构元件16提供的反馈信号电流分量i_α和i_β从αβ静止坐标系转换为dq旋转坐标系。由于如下事实，即，估计的转子角度位置θ_estim因为电枢反应而被从实际位置偏移而校正的转子角度位置已经被校正以补偿电枢反应，校正的转子角度位置θ_corrected被用于转换。下面更加详细地描述电枢反应。然而，当电枢反应不是问题时，估计的转子角度位置θ_estim可以被用来执行转换。在d轴上的电流控制信号分量的校正估计i_{d_estim_corrected}和在q轴上的电流控制信号分量的校正估计i_{q_estim_corrected}被提供在转换元件60的输出处。

在控制输入12处提供的在q轴上的电流控制信号分量i_q^*也被耦合到负载校正元件72。凸极依赖于施加的负载。换句话，如果在AC电机6上的负载改变，则存在反过来影响AC电机6的凸极的电枢反应的效应。在q轴上的电流控制信号分量i_q^*与负载直接相关。由于转子9对负载变化的响应，负载校正元件72为转子的估计位置提供校正。负载校正元件72可以通过查找表的方式来实现，该查找表具有对于由电流控制信号分量i_q^*的不同值指示的大量不同负载的估计的转子位置的校正值的列表。在另一个实施例中，负载校正元件72可以包括存储器，该存储器用于存储AC电机的参数，从而可以基于在负载校正元件72的输入处的电流控制信号分量i_q^*实时计算对转子的估计位置校正的值。

在实施例中，负载校正元件72执行转子角度位置的凸极跟踪观测器70估计θ_estim的相位补偿。一般地，调试过程被用于获得相位补偿表72。下面的公开出版物提供了与离线调试过程有关的更多信息：JoachimHoltz and Lothar Springob：Identification and Compensation of TorqueRipple in High-Precision Permanent Magnet Motor Drives。

在3相永久磁体同步(PSM)电机的情形中，相位补偿表72的值通过如下表示的分析计算式而获得：

θ_{_compensation}＝Arc Tan((i_q^*×L_q(i_q))/Ψ_pm)     等式1

其中：

i_q^*是在q轴上的产生转矩的电流控制信号分量，

L_q(i_q)是与负载有关的交轴电感并且由电机制造商确定，

Ψ_pm是转子永久磁体的磁通量。

诸如等式1那样的分析计算式的使用避免了调试过程，并且只有磁通量的幅度值和横轴电感是必要的。对于其他类型的电机，可以导出相似的分析计算式。

在合成元件74处，由负载校正元件72提供的并且与在负载校正元件72的输入处的电流控制信号分量i_q^*对应的校正值被添加给在凸极跟踪观测器70的输出处提供的转子角度位置的估计θ_estim，从而提供校正的转子角度位置θ_corrected。

应当理解的是，在可选实施例中，滤波器块39和载波信号注入元件42可以和已知的位置确定元件一起使用，该已知的位置确定元件不包括如上所述的滤波器元件66、合成元件68和负载校正元件72。然而，应当理解的是，在负载电流瞬变的情形中，通过凸极跟踪观测器的提高的控制响应和稳定性，包括滤波器块39、载波信号注入元件42和含滤波器元件66、合成元件68和负载校正元件72的位置确定元件的实施例与包括一个或多个如此元件的实施例相比，具有提高的性能。

总之，通过将滤波器元件设置于在注入高频载波信号之前的参考路径中，根据本公开的电机控制器确保在载波信号的频率附近的不期望的频率谐波分量被去除，这改善了相位失真并且减小了与载波信号的干扰，从而改善了携带凸极信息的高频分量的提取并且因此改善了通过位置确定元件来确定转子的位置的性能。

在具有滤波器元件的实施例中，通过从反馈信号中提取载波信号并且减去电流控制信号分量i_q^*，改善相位失真以及改善凸极跟踪观测器的响应，进一步提高了确定转子位置的性能。

在具有负载校正元件的实施例中，可以对确定的转子位置进行校正以补偿负载瞬变。

在图1和2中所示的并且参考图1和2描述的电机控制器4由用于执行不同功能的一些块或元件表示。块可以由用于在控制器、微处理器或类似设备中的执行的软件实现。在如此的实施例中，电机控制器4可以是设备，或可以是一个或多个在整个设备上分布有不同功能的控制器、微处理器或类似设备的一部分。

在上面的描述中，高频载波信号被注入dq旋转坐标系的d轴。应当理解的是，本公开可以应用到如下的配置中，即，在该配置中，高频载波信号被注入到不同的旋转系(例如，旋转系相对于转子相位偏移)或静止坐标系中。到静止坐标系中的注入技术是已知的，并且例如当注入是进入旋转坐标系中时，由于凸极，产生了不同的电流电机响应。

根据本公开的用于确定AC电机的转子的位置的所述技术可以被用于在从零到中等速度的范围内的电机转动速度。在高速时，这种技术可以被使用，但是与注入技术相比，上述介绍的反EMF技术在高速时更加有效。

在前面的说明书中，本发明已经参考其实施例的具体示例来描述。然而，明显的是，在不脱离由所附权利要求提出的本发明的较宽保护范围的情况下，可以做出多种修改和改变。