[发明专利]用于高效能无铁心永磁电机的无传感器最优转矩控制

说明书

权益声明和引用结合

本申请要求DABOUSSI.于2008年9月23日提交的名称为“SENSORLESS OPTIMUM TORQUE CONTROL FOR HIGH EFFICIENCY IRONLESS PM MACHINES”的美国临时专利申请第61/194,030号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及用于测量永磁电机的转子位置的方法和系统。更具体地，涉及一种使用无铁心永磁(PM)电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转(motoring)和发电操作的方法和系统。

背景技术

如图1所示，永磁电机是一种交流(AC)电动机，其中通过施加垂直于永磁转子产生的场的电磁场，向旋转装置提供能量。为了控制AC永磁电机，应当始终知道转子永磁体(PM)102、104所产生的磁场的绝对位置。磁体的位置对于确定产生期望的转矩所必需的电机的定子电流的大小非常重要。该操作被称为定子电流换向(stator current commutation)。由于磁体相对于定子106旋转，所以磁体的位置可以通过测量转子绝对角位置来计算。诸如旋转变压器和光学编码器的绝对位置传感器通常用于测量电机转子的绝对角位置。电机的角速度也可以根据位置信息来计算。

常用的角位置传感器被机械地耦接至电机转子。对于某些应用，这种设备的严酷环境条件和/或对紧凑机械集成度的关注将带来挑战，特别是如果要求高运行可靠性。对于某些这种实际应用，机械式安装的位置传感器被认为是一个薄弱环节，即，关键性的单点故障(single point of failure)。对于成本敏感性应用，绝对位置传感器的高成本可能是一个问题。

发明内容

本发明采用无铁心永磁电机中的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作。在估计电机的电动势(emf)时，本发明利用无铁心电机的低的每单位电感(per unit inductance)，并且使用近似表示电机电动势的电机端电压。还包括某些补偿来抵消由于定子电流的存在引起的欧姆电压降和电感电压降所导致的任何影响。同样如下所示，该方法利用了d-q旋转参照坐标系变换所带来的电机电压和电流的DC性质。本发明提供了很宽范围的位置和速度感测，这使得电机即使在非常困难的起动转矩条件(诸如与内燃机相关联的条件)下仍有效地起动。此外，本发明结合了实现电机的更有效操作的转矩角优化方案。

本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的由计算机实现的方法，该方法使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：获得该电机的瞬时端电压；将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压；调节永磁电机的电频率，从而将零直轴电压调整为具有零值；通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度；通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度；以及调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩。

本发明的实施方式还涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的系统，该系统使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：用于获得电机的瞬时端电压的装置；用于将瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为具有零值的装置；用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，从而优化电机的转矩的装置。

此外，本发明的实施方式涉及一种通过确定转子位置来进行无传感器转矩控制的计算机可读介质，该计算机可读介质使用无铁心永磁电机的端电压和电流来执行无传感器的电机回转和发电操作，包括：用于获得该电机的瞬时端电压的装置；用于将该瞬时端电压变换为零直轴电压和非零交轴电压的装置；用于调节永磁电机的电频率从而将零直轴电压调整为具有零值的装置；用于通过对调节后的电机的电频率应用积分器来确定永磁电机的非最终电角度的装置；用于通过对非最终电角度和来自先前计算周期的电角度进行积分来确定电机的最终电角度的装置；以及用于调节电机的电流矢量，以使电流矢量垂直于电机的最终电角度，而优化电机的转矩的装置。