同步電動機優化控制的制作方法
【專利說明】同步電動機優化控制
【背景技術】
[0001] 永磁同步電動機（PMSM)由于其相比于其他電動機更高的可靠性和更小的尺寸而 在消費者和工業電動機應用中具有增長的采用。為了實現高效率以及低振動和聽覺噪聲， 磁場定向控制（F0C)方案越來越多地被用于針對風扇、泵、壓縮機、齒輪電動機等的消費者 和工業PMSM控制中。
[0002] 對于高動態加載（例如，用于電力推進、壓縮機等的電動機）來說，可使用快速和 準確的F0C控制環來控制電動機電流和電壓以保持最大效率。在另一方面，現有F0C方案 在關鍵控制環中通常具有復雜的變換，這可能使得其不準或相對較慢。
[0003] 為了以最低成本進一步提高效率，經常由更少的微控制器來處理越來越多的控制 功能（例如，數字功率轉換、數字功率因數校正（PFC)、多電動機F0C控制等）。新的微控制 器還包括越來越多的特征和外圍設備（如，人機接口、通信等）以便在十分激烈的市場競爭 中保持優勝。然而，現有F0C控制策略可能是復雜且處理器密集型的，易于使微控制器過載 并且妨礙將微控制器功率有效分配給復雜系統功能，并且阻礙對微控制器的潛力和特征的 充分使用。
[0004] 用于無傳感器F0C的現有轉子位置和速度估計器包括磁通估計器、PLL估計器、滑 模觀測器（SM0)等等。所有這些都可以是對電動機定子電阻R敏感的，并且波動的定子電 阻（主要歸因于溫度改變）可能導致對于估計的轉子位置和速度的不可預測誤差，從而導 致控制在低電動機速度下變得尤其不穩定。此外，在無傳感器F0C中位置和速度信息不準 確的情況下，定子磁通和轉子磁通不能總是彼此垂直并且因此不能使得能量效率始終最大 化。已經提出了一些技術來對定子電阻變化進行補償，如無傳感器PMSM驅動中的在線定子 電阻重估/跟蹤/重校和定子電阻適配，但是它們可能是復雜的并且消耗更多的資源，包括 處理器時間。
【附圖說明】
[0005] 參考附圖闡述詳細描述。圖中，附圖標記的（一個或多個）最左邊數字標識該附 圖標記在其中首先顯現的圖。不同圖中使用的相同附圖標記指示相似或相同的項。
[0006] 對于這個討論，圖中所圖示的裝置和系統被示出為具有多種組件。如本文中所述 的，裝置和/或系統的各種實施方式可包括更少的組件并保持在本公開的范圍內。或者，裝 置和/或系統的其他實施方式可包括附加組件，或所述組件的各種組合，并保持在本公開 的范圍內。
[0007] 圖1是根據實施方式的示例性磁場定向控制（F0C)布置的框圖，其使用位置傳感 器來確定轉子位置和/或速度，其中可施加本文所公開的技術和裝置。
[0008] 圖2是根據實施方式的另一示例性F0C布置的框圖，其使用位置估計器來確定轉 子位置和/或速度，其中可施加本文所公開的技術和裝置。
[0009] 圖3是示出不同示例性坐標系的一組圖示，其中一些（dq和0d坐標系）被固定至 三相電動機的運動轉子，并且其它（uvw，a 0，和〇u)是靜止的（或固定至電動機定子），并 且是其矢量表示，包括旋轉空間矢量。
[0010] 圖4圖示了永磁同步電動機（PMSM)的電氣子系統的等效電路及其一個矢量表示 (相量圖）。
[0011] 圖5包括圖4的等效電路模型的兩個附加相量圖。
[0012] 圖6是電流空間矢量與其期望位置的角度偏差（度數表示的偏差的正弦和弧度表 不的偏差角度）圖。
[0013] 圖7是根據實施方式的電動機控制器的遲滯的示例性圖的框圖。
[0014] 圖8是根據實施方式的示例性PI控制器的框圖。
[0015] 圖9和10包括基于各種實施方式的、不出有不同電流感測技術的一組3相2電平 電壓源逆變器的框圖。
[0016] 圖11是根據實施方式的示例性空間矢量調制器（SVM)的空間矢量圖和參考矢量 逼近。
[0017] 圖12是根據實施方式的不具有帕克（Park)反變換的示例性優化有傳感器F0C布 置的框圖。
[0018] 圖13是根據實施方式的不具有帕克反變換的示例性優化無傳感器F0C布置的框 圖。
[0019] 圖14是根據另一實施方式的不具有帕克反變換和克拉克（Clarke)變換的替代示 例性優化跟測F0C布置的框圖。
[0020] 圖15是根據另一實施方式的、快速電流控制環中不具有帕克反變換的、替代示例 性優化無傳感器F0C布置的框圖。
[0021] 圖16是根據實施方式的不具有帕克變換和帕克反變換的示例性優化有傳感器 F0C布置的框圖。
[0022] 圖17是根據實施方式的不具有帕克變換和帕克反變換的示例性優化無傳感器 F0C布置的框圖。
[0023] 圖18是根據另一實施方式的不具有帕克變換和帕克反變換的替代示例性優化有 傳感器F0C布置的框圖。
[0024] 圖19是根據另外實施方式的不具有帕克變換和帕克反變換的另外的替代示例性 優化有傳感器F0C布置的框圖。
[0025]圖20和21是根據其他實施方式的、不具有帕克變換和帕克反變換的、優化有傳感 器和無傳感器F0C布置的替代示例的框圖。為了清楚起見，僅示出了每個示例性F0C布置 的部分。
[0026] 圖22是根據實施方式的、具有PLL觀測器組件的、示例性優化無傳感器F0C布置 的框圖。
[0027] 圖23和24圖示了根據實施方式的、可與圖22的F0C布置一起使用的兩個示例性 PLL觀測器。
[0028] 圖25是根據另一實施方式的、具有PLL觀測器組件的、另一示例性優化無傳感器 F0C布置的框圖。
[0029] 圖26和27圖示了根據實施方式的、可分別與圖25和圖22的F0C布置一起使用 的兩個示例性PLL觀測器。
[0030] 圖28和29是根據實施方式的示例性最大效率跟蹤（MET)控制策略的框圖。
[0031] 圖30和31是根據其他實施方式的替代示例性最大效率跟蹤（MET)控制策略的框 圖。
【具體實施方式】
[0032] 鍵
[0033] 作為優化的技術，磁場定向控制（F0C)(即，矢量控制）是用于三相交流（AC)電動 機的變速控制的方法，用以利用在電動機速度的整個范圍上的快速控制響應來提高功率效 率。
[0034] 本公開中討論了用于提供對三相AC電動機的優化控制的結構、組件和技術的各 種實施方式。參考圖中圖示的示例性三相永磁同步電動機（PMSM)裝置和控制系統來討論 結構、組件和技術。但是，這不意圖是限制性的，而是為了易于討論和說明方便。所討論的技 術和裝置可被施加到多個不同的電動機設計、控制結構等等（例如，單相和三相變頻驅動、 數字相轉換器、三相和單相電動機、感應電動機、再生驅動等等），并保持在本公開的范圍之 內。
[0035] 下文使用多個示例對實施方式進行更加詳細的解釋。盡管這里和下文描述了各種 實施方式和示例，但是通過組合個體實施方式和示例的特征和元件，其他的實施方式和示 例可以是可能的。
[0036] 圖1和2是示例性磁場定向控制（F0C)結構布置100的框圖，其中可施加本文所 描述的技術和裝置。在輸入側接收參考速度（如，電動機102的期望轉速），并將脈寬調制 (PWM)電動機電壓輸出信號（如，三相）輸出給電動機102。圖1中所示的示例性F0C布置 100是有傳感器版本，其使用位置傳感器104經由位置計算106和速度計算108模塊來確定 轉子位置和/或速度。圖2中所示的示例性F0C布置100為無傳感器版本，其使用位置估 計器202經由速度計算模塊108來確定轉子位置和/或速度。
[0037] 在示例中，F0C結構布置100利用復雜笛卡爾參照系（Cartesian reference frame)變換（如，帕克變換110和帕克反變換112)在期望具有快速響應的控制環中將三相 信號變換為兩個轉子固定信號（如，在d，q坐標系中）或者反之亦然。這些參照系變換可 能是計算密集的并可能引入附加的計算誤差，導致不期望的低電流控制環以及對動態電動 機負載的不良響應。這可能使得利用單個微控制器來處理越來越多的復合系統功能（如， 數字功率因數校正，多F0C電動機控制，數字功率轉換等等）變得困難。
[0038] 通常，如圖1和2中所示，F0C結構布置100使用克拉克變換114把從電流計算級 115輸出的3相電流Iu，Iv和/或Iw (由模數轉換器（ADC) 116測量；ADC轉換可由PWM單 元118等進行觸發）變換到靜止a 參照系而成為I a和I 0 (其在穩定狀態下為正弦 信號）。帕克變換112被用于將I a和I 0變換到另一轉子坐標系d_q，分別成為Id和Iq。 Id和Iq為F0C100控制環的反饋信號并且在穩定狀態下近似為常數。
[0039] PI控制器130,120和122單獨用于速度和電流控制，以實現可控的電動機速度、 轉矩和氣隙磁通。一般而言，磁通生成分量Id被控制為0。還可以將Id控制為負值（即， 弱磁控制）以擴展電動機102的運行速度范圍。速度PI控制器130的輸出為轉矩生成分 量Iq的參考電流。PI控制器120,122輸出電壓Vd和Vq，為了電動機102的期望轉速，電 動機102的相在d_q參照系下應當具有該輸出電壓。Vd和Vq在穩定狀態下同樣近似為常 數。
[0040] 在各個示例中，帕克反變換112用于將所得到的電壓Vd和Vq變換到靜止a-運參 照系而成為Va和VP ,Va和在穩定狀態下為正弦信號。電壓矢量（Va，VP)的幅值 和角度是空間矢量調制（SVM)調制器124的參考電壓，調制器124用于控制PWM單元118， 以創建來自3相2電平電壓逆變器126的3相正弦波輸出，用以驅動電動機102的相。
[0041] 在一些情況下，如果不希望微控制器執行笛卡爾到極坐標變換計算，則笛卡爾到 極坐標系變換128可以忽略。在該情況下，可將電壓Va和VP直接送給SVM調制器124。 如果需要，還可以規律獲得逆變器126的DC鏈路電壓（VDC)(通常使用分壓器）的ADC116 的值以用于SVM124的計算。上述控制環重復自身以實現所要求的電動機102的控制。
[0042] 對于有傳感器F0C布置100來說，如圖1中所示，轉子位置供和速度《可從轉子 位置傳感器104 (如編碼器、旋轉變壓器、霍爾傳感器等）獲得，或者對于無傳感器F0C布置 100來說，如圖2中所示，轉子位置P和速度《可從位置估計