[发明专利]用于使用磁性对准特征的电机无传感器控制的系统和方法

说明书

一种用于驱动AC电机的驱动系统提供主电流激励以驱动所述AC电机，所述主电流激励包括具有量值和角度的电流向量。所述驱动系统将叠加到所述电流向量上的载波信号注入到所述AC电机，其中所述载波信号被选择以产生具有对在其操作点处的所述AC电机的磁性对准信息的敏感性的载波响应信号。所述驱动系统从所述产生的载波响应信号测量所述AC电机的至少一个磁性对准特征，且使用所述测量的至少一个磁性对准特征控制所述电流向量的定向，以便达成所述AC电机的所要的磁性操作。

技术领域

本发明的实施例大体上涉及电机。

背景技术

随着时间的过去，电机在各行中的使用已继续变得在众多工业、商业和运输行业中更盛行。关于电机，如果它是内部电机 (IPM)机器、永久磁体(PM)辅助同步磁阻机器或同步磁阻机器，那么转子或磁场的位置判定是用于机器的转矩控制的重要信息要素。

为了确定电机中的转子位置的目的，可将编码器、转速计或解析器用作位置传感器。为了测量电机中的磁场位置，可使用例如霍耳效应传感器的磁场传感器。用于确定转子位置和磁场的传感器/装置可相互组合使用，其中认识到，出于电机控制的目的，可都使用用于测量磁场定向或强度的位置传感器或转子位置传感器和磁场传感器。然而，认识到，位置传感器(例如，编码器)与其电缆线路和接口电子器件一起促成电动机驱动系统成本和总体复杂性的显著部分，且常常为主要的可靠性关注点。在确定转子位置时与位置传感器的使用相关联的成本、复杂性和可靠性问题已导致电机的无传感器位置感测和控制的系统和方法的出现(即，不需要转子位置或速度传感器)。由于成本减少和可靠性改善的巨大可能性，因此无传感器控制已为主要研究难题。在行业中可用的无传感器控制方法中的多数为所谓的反EMF追踪法。反EMF追踪方法利用通过由转子的旋转造成的磁链的时间变化诱发的电动机绕组的电压。这些方法在额定速度附近表现非常好，其中反EMF电压靠近额定电压。然而，随着速度减小，反EMF量值减小且性能恶化。最终，随着速度靠近零，这些方法变得不稳定且不合格，因为反EMF减小且变得不可观测。这将反EMF追踪方法限制于开环起动可接受的HVAC型应用。

归因于成本减小、可靠性改善和接口消除的其巨大可能性，数十年来，零和近零速度(或频率)无传感器控制已为主要的研究难题，且高频注入方法已为用于具有凸极性的AC电机的在零频率或近零频率上的无传感器操作的最有前景的解决方案。高频率信号注入用以追踪具有提供随转子位置或磁通量位置变化的阻抗的转子的各种AC电机的转子角位置和速度，例如在美国专利第5,585,709号、第5,565,752号、第6,131,258号、第6,069,467号、第5,886,498号和第6,639,380号中所描述。在使用高频信号注入技术时，小信号凸极性和小信号凸极性角度是用于无传感器控制的关键信息，其中使用小信号阻抗定义此凸极性。

然而，关于先前使用的使用高频注入的无编码器控制，认识到，归因于在机器的高负载等级下的小信号凸极性的损失，此无编码器控制不能够成功地恢复机器的完全或几乎完全转矩能力，这是归因于在此高负载等级下的磁饱和。即，随着转矩等级(因此电流电平)增大，q轴开始饱和且最终q轴的小信号电感变得低于d轴电感，由此使凸极性追踪无传感器控制不可行。此外，交叉饱和效应使凸极性角度移位远离d轴，从而造成位置估计角度误差，即使q轴小信号电感仍然大于d轴。因此，现有高频注入方法已限于转矩密度要求低而且动态性能要求适度的应用。尤其，对于例如需要非常高的转矩密度的牵引驱动的应用，现有无传感器控制方法仅可达成小部分的所要的转矩要求，更不用说动态性能。