估計(jì)多相旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的角位置的方法以及對用于這種電機(jī)的多相逆變器的控制的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)多相同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的角位置/旋轉(zhuǎn)速度的方法， 且涉及用于多相逆變器的控制方法和裝置，該多相逆變器被設(shè)計(jì)為由直流電壓源向多相同 步旋轉(zhuǎn)電機(jī)供電。
[0002] 本發(fā)明還涉及一種多相同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其包括并入在這些前述裝置中的逆變器， 特別地用于機(jī)動車輛中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003] 電驅(qū)動器在機(jī)動車輛領(lǐng)域中越來越普及，且實(shí)現(xiàn)越來越多的功能。
[0004] 由于同步電機(jī)的高性能和它們的高功率密度，在機(jī)動車輛工業(yè)中多使用同步電 機(jī)。
[0005] 它們特別地在混合動力電動車輛（HEV)中和電動車輛（EV)中用于電動助力轉(zhuǎn)向、 空調(diào)和熱機(jī)的冷卻風(fēng)扇中。
[0006] 圖1示意性地示出具有同步電機(jī)1的電驅(qū)動器。該類型的系統(tǒng)還通常包括：
[0007] -由電池2構(gòu)成的能量源；
[0008] -由逆變器3構(gòu)成的靜態(tài)轉(zhuǎn)換器；
[0009] -控制單元4。
[0010] 需要適當(dāng)?shù)墓β誓孀兤?來從電池2產(chǎn)生可變頻率和相幅的各種電壓。
[0011] 同步電機(jī)執(zhí)行電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。
[0012] 如圖1所示，與基準(zhǔn)7(扭矩或速度）相關(guān)聯(lián)的測量傳感器（直流電壓供應(yīng)、相電 流5和角位置/旋轉(zhuǎn)速度6)構(gòu)成系統(tǒng)的控制單元4的輸入端。
[0013] 圖2示意性地示出，在三相同步電機(jī)1的情況下控制單元4的主要元件，所述控制 單元控制逆變器3的功率電子器件，以便為電機(jī)1供應(yīng)與基準(zhǔn)對應(yīng)的正確電壓。
[0014] 該控制單元4的目的是允許以良好的性能在大范圍的扭矩和速度內(nèi)運(yùn)行。
[0015] 為此，閉環(huán)控制是必要的。
[0016] 電流調(diào)節(jié)部8 (電流控制環(huán)路-CCL)依賴于確保在電流基準(zhǔn)測量的相電流 的良好控制的校正。
[0017] 用于計(jì)算電流基準(zhǔn)的單元9從扭矩/速度基準(zhǔn)7和電機(jī)1的電參數(shù)提供iraf。
[0018] 其將機(jī)械基準(zhǔn)變?yōu)殡妼W(xué)基準(zhǔn)。
[0019] 當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vraf已經(jīng)被電流調(diào)節(jié)單元8計(jì)算時(shí)，矢量脈沖寬度調(diào)制單元10或矢量 PWM(空間矢量調(diào)制-SVM)在克拉克參照系（Clarkereference)中由基準(zhǔn)電壓的分量產(chǎn)生 必須應(yīng)用于逆變器3的臂的占空比。
[0020] 接下來，功率控制單元11產(chǎn)生用于控制逆變器3的控制信號U、V、W。
[0021] 就電流調(diào)節(jié)部8而言，因?yàn)槭褂萌嘞到y(tǒng)，控制可在多個(gè)參照系中被分析。
[0022] 已知的克拉克變換是關(guān)于三相的值在兩個(gè)固定軸線（α，β)上的投影?？死俗?換之后是軸線的旋轉(zhuǎn)，其將參照系（α，β)的交流分量相對于由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通轉(zhuǎn)換為根 據(jù)直軸線和正交軸線（axisinquadrature)的直流分量（參照系（d，q))?？死俗儞Q和 參照系（α，β)到參照系（d，q)的旋轉(zhuǎn)的組合被稱為派克變換（Parktransformation)。
[0023] 這些變換的主要優(yōu)勢是減小系統(tǒng)的量級和控制的解耦。
[0024] 該類型的電機(jī)的控制需要關(guān)于電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位置和/或速度的信息6。傳統(tǒng)上，位 置/速度信息6通過一個(gè)或兩個(gè)測量傳感器獲得，但是已知的是，考慮到旋轉(zhuǎn)速度可通過計(jì) 算角位置的相對于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)而獲得，單個(gè)角位置傳感器通常就可以足夠。
[0025] 為了減小同步電機(jī)及其控制的成本，從文獻(xiàn)US5569994已知的是可以省去所述位 置/速度傳感器（一個(gè)或多個(gè)），以便控制電機(jī)。為此，使用由電機(jī)的各相繞組產(chǎn)生的電動 勢（emf)，以便估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置。但是，根據(jù)US5569994的該方法沒有提供在低速下測量轉(zhuǎn) 子的角位置的滿意方案。
[0026] 無論哪種情況，當(dāng)需要電驅(qū)動器的安全和準(zhǔn)確的運(yùn)行時(shí)，難以省去位置/速度傳 感器14、15,且控制單元4必須容忍位置/速度傳感器14、15的缺乏（deficiency) 12、13。 這使得可以確保在沒有中斷的情況下運(yùn)行且符合安全要求。
[0027] 當(dāng)前，在要求最高的應(yīng)用中，設(shè)備的冗余被用于克服傳感器故障，這使得系統(tǒng)更復(fù) 雜且增加其成本。
[0028] 同時(shí)，軟件冗余顯著更有利，這是由于其開發(fā)能力以及其低成本。為此，制造習(xí)慣 上已知的"軟件傳感器"。
[0029] 這些利用其他可行的測量值，特別是由電流傳感器提供的那些，以及關(guān)于控制的 其他數(shù)據(jù)，以便重新構(gòu)建遺失的信號。
[0030] 例如，文獻(xiàn)US7002318描述了一種用于車輛推進(jìn)系統(tǒng)的具有故障容忍的控制的方 法和裝置。在具有永磁體的三相電馬達(dá)的轉(zhuǎn)子的角位置的傳感器失效的情況下，根據(jù)相電 流計(jì)算位置估計(jì)，且該位置估計(jì)被控制裝置使用。但是，將注意到，該文獻(xiàn)沒有提出用于多 相同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)的任何滿意的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0031] 由于在非常由競爭性的機(jī)動車輛領(lǐng)域中高要求的應(yīng)用，因而本發(fā)明的目標(biāo)是消除 現(xiàn)有技術(shù)的、對于使用多項(xiàng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)電驅(qū)動器的控制不足。
[0032] 根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)包含在多相同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子的角 位置和/或旋轉(zhuǎn)速度的方法，該電機(jī)還包括定子，電機(jī)通過多相逆變器被供電，該逆變器連 接到直流電壓源，多相逆變器被控制為能夠?qū)⑹噶棵}寬調(diào)制應(yīng)用于定子。角位置通過計(jì)算 作為微分代數(shù)方程的解的至少一個(gè)第一估計(jì)量而被估計(jì)，該方程的系數(shù)取決于電機(jī)的電參 數(shù)，所述電參數(shù)包括定子的分別根據(jù)直軸和相對于由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通的交軸的第一和第二 電感、相繞組的電阻和由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁通，還取決于矢量脈寬調(diào)制的基準(zhǔn)電壓、相電流和相 電流相對于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)；旋轉(zhuǎn)速度通過計(jì)算第二估計(jì)量而被估計(jì)，該第二估計(jì)量通過 計(jì)算第一估計(jì)量相對于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)而獲得。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明，微分代數(shù)方程在多相同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)是三相時(shí)寫為：
[0034]
[0035]其中，
[0036] 相對于時(shí)間的求導(dǎo)算子已知為·；
[0037] 成敘分別表示第一和第二估計(jì)量；
[0038]u=[Upu2] = [vsa，vsP]表示基準(zhǔn)電壓在克拉克參照系中的分量；
[0039] y=[y^ y2]=[isa，isP]表示在克拉克參照系上的相電流投影；
[0040] Ld, Ld分別表不第一和第二電感；
[0041] Rs表示電阻；
[0042] 表示磁通。
[0043] 根據(jù)本方法的另一個(gè)特征，第二估計(jì)量的初始值由以下表達(dá)式提供：
[0044]
[0045] 根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種用于控制多相逆變器的方法，該逆變器被設(shè)計(jì)為 從直流電壓源為多相同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)供電，所述電機(jī)包括轉(zhuǎn)子和定子，該方法根據(jù)轉(zhuǎn)子的至 少一個(gè)角位置和/或轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度控制逆變器。
[0046] 根據(jù)本發(fā)明，角位置和/或旋轉(zhuǎn)速度通過根據(jù)前面簡要描述的估計(jì)方法來計(jì)算第 一和第二估計(jì)量而被估計(jì)。
[0047] 根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及一種具有故障容忍的用于控制多相逆變器的方法，該 逆變器被設(shè)計(jì)為從直流電壓源為多相同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)供電，所述電機(jī)包括轉(zhuǎn)子、定子、確定轉(zhuǎn) 子的角位置的位置傳感器和確定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度的速度傳感器，該方法根據(jù)至少角位置和 旋轉(zhuǎn)速度控制逆變器。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明，至少角位置的第一估計(jì)量和/或旋轉(zhuǎn)速度的第二估計(jì)量在傳感器中 的至少一個(gè)發(fā)生故障的情況下被計(jì)算，第一和第二估計(jì)量通過如上簡要描述的方法被計(jì) 算。