无需为电机进行电流采样的无传感器磁场定向控制(FOC)

摘要

本申请公开了一种包括无传感器磁场定向控制(FOC)电机控制器(108)的装置。该电机控制器包括脉宽调制(PWM)控制器(224)，该脉宽调制(PWM)控制器(224)被配置为生成PWM信号并且向逆变器(104)提供该PWM信号。电机控制器还包括角度采样器，该角度采样器被配置为接收控制的电压角度信号θ，并且该角度采样器被配置为响应于触发事件将控制的电压角度信号提供为输出信号。触发事件基于与逆变器的输入或输出关联的电压或电流。电机控制器进一步包括第一组合器(220)，该第一组合器(220)被配置为将(i)前馈电压角度信号与(ii)基于输出信号的第二信号进行组合。第一组合器被配置为生成控制的电压角度信号θ。此外，电机控制器包括第二组合器(222)，该第二组合器(222)被配置为将前馈电压振幅信号与第二信号进行组合。

说明书

技术领域

本公开总体涉及电机控制器。更具体地，本公开涉及无需为电机 进行电流采样的无传感器磁场定向控制(FOC)。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)、无刷直流电机(BLDC)、开关磁阻电机、 步进电机、以及感应电机代表可以使用磁场定向(filed-oriented)控制 (FOC)技术控制的电机类型。这些类型的电机通常包括转动的转子 和静止的定子。这些电机通常由将直流(DC)输入转化成交流(AC) 输出的逆变器供电。

在FOC技术中，对逆变器的各种输出进行控制以便调整电机的操 作。“无传感器”FOC指的是一种方案，该方案中电机的一个或多个特 性(例如电机速度或转子位置)是推导出的而不是使用电机上的传感 器直接测量得的。在一些无传感器FOC技术中，向逆变器提供DC输 入的DC总线上的电压及由逆变器提供的两相或三相电流的样本被使 用。在其他无传感器FOC技术中，由于DC总线的电流包括三相电流 信息，DC总线上的电流被测量并使用。由于这些方法使用电流样本， 它们通常要求使用一个或多个模数转换器和一个或多个运算放大器来 捕获这些电流样本。

发明内容

本申请提供了用于无需为电机进行电流采样的无传感器磁场定向 控制(FOC)的方法和装置。

在第一示例中，一种装置包括无传感器磁场定向控制(FOC)电 机控制器。该电机控制器包括脉宽调制(PWM)控制器，该脉宽调制 控制器被配置为生成PWM信号并且将这些PWM信号提供给逆变器。 电机控制器还包括角度采样器，该角度采样器被配置为接收控制的电 压角度信号并且响应于触发事件将该控制的电压角度信号提供作为输 出信号。触发事件是基于与逆变器的输入或输出关联的电压或电流的。 电机控制器进一步包括第一组合器，被配置为将(i)前馈电压角度信 号与(ii)基于该输出信号的第二信号进行组合。第一组合器被配置为 生成控制的电压角度信号。此外，电机控制器包括第二组合器，该第 二组合器被配置为将前馈电压振幅信号与第二信号进行组合。

在第二示例中，一种系统包括被配置为向电机供电的逆变器和无 传感器磁场定向控制(FOC)电机控制器。该电机控制器包括脉度调 制(PWM)控制器，该脉度调制控制器被配置为生成PWM信号并且 向该逆变器提供这些PWM信号。该电机控制器还包括角度采样器， 该角度采样器被配置为接收控制的电压角度信号并且响应于触发事件 将控制的电压角度信号提供作为输出信号。触发事件是基于与逆变器 的输入或输出关联的电压或电流的。电机控制器进一步包括第一组合 器，该第一组合器被配置为将(i)前馈电压角度信号与(ii)基于该输 出信号的第二信号进行组合。该第一组合器被配置为生成控制的电压 角度信号。此外，电机控制器包括第二组合器，该第二组合器被配置 为将前馈电压振幅信号与第二信号进行组合。

在第三示例中，一种方法包括为向电机供电的逆变器生成脉宽调 制(PWM)信号以及使用无传感器磁场定向控制调整这些PWM信号 的生成。调整PWM信号的生成包括接收与电机关联的控制的电压角 度信号以及响应于触发事件输出该控制的电压角度信号。触发事件是 基于与逆变器的输入或输出关联的电压或电流的。调整PWM信号的 生成还包括使用控制的电压角度信号识别角度误差。调整PWM信号 的生成进一步包括通过将(i)前馈电压角度信号与(ii)基于角度误差 的第二信号进行组合来生成电压命令的相位角信号。控制的电压角度 信号表示相位角信号。此外，调整PWM信号的生成包括通过将前馈 电压振幅信号与第二信号进行组合来生成电压命令的电压信号，其中 这些PWM信号是基于电压命令生成的。

附图说明

图1根据本公开说明一种支持无需为电机进行电流采样的无传感 器磁场定向控制(FOC)的示例系统；

图2至图4根据本公开说明一种支持无需为电机进行电流采样的 无传感器FOC的示例电机控制器及相关细节；以及

图5根据本公开说明一种用于无需为电机进行电流采样的无传感 器FOC的示例方法。

具体实施方式

图1根据本公开说明一种支持无需为电机进行电流采样的无传感 器磁场定向控制(FOC)的示例系统100。如图1所示，系统100包括 电源102、逆变器104和电机106。电源102表示向逆变器104提供直 流电力的直流(DC)电源。电源102包括用于提供DC电力的任何适 当结构，例如一个或多个电池、燃料电池、太阳能电池或其他DC电 源。

逆变器104从电源102接收DC电力并将直流电力转化成交流 (AC)形式。在此示例中，逆变器104表示将DC电力转化成提供给 电机106的三相AC电流的三相逆变器。逆变器104包括用于将电力 从DC形式转换成AC形式的任何适当结构。例如，逆变器104可包括 使用脉宽调制(PWM)信号驱动的若干晶体管开关。

电机106使用逆变器104提供的电流运行。例如，电机106可以 包括旋转的转子和使该转子基于来自逆变器104的电流旋转的定子。 电机106包括使用来自逆变器的电流运行的任何适当类型的电机。示 例电机类型包括永磁同步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机、步进 电机和感应电机。在特定示例中，电机106包括通常是直的转子(如 磁转子)和定子中的若干线圈(如六个线圈)。这些线圈被选择性地基 于来自逆变器104的电流进行通电和断电，这使得转子旋转。

电机控制器108控制逆变器104的操作从而控制电机106的操作。 例如，电机控制器108可生成驱动逆变器104中的晶体管开关的PWM 信号。通过控制PWM信号的占空比，电机控制器108可控制由逆变 器104向电机106提供的电流。

在此示例中，电机控制器108接收控制的(commanded)速度信 号ω^*作为输入，该信号识别电机106的期望速度。电机控制器108还 可接收与DC总线110上的DC电压和/或DC电流关联的信号作为输 入，DC总线110将来自电源102的DC电力提供给逆变器104。电机 控制器108可进一步接收与多个电流线112中的一个关联的信号作为 输入，多个电流线112将来自逆变器104的三相电流提供给电机106。 电机控制器108使用这些输入来生成用于驱动逆变器104中的晶体管 开关的PWM信号。

电机控制器108支持无传感器磁场定向控制的使用。也就是说， 电机控制器108不从安装在电机106之中或电机106之上的传感器接 收传感器的测量值。相反地，电机控制器108使用从DC总线110或一 个或多个电流线112中得到的信息推断电机106的一个或多个特性， 如电机转速或转子位置。此外，电机控制器108不要求使用系统100 中的任何电流的电流采样。相反地，如下面说明的，电机控制器108 可以使用与一个或多个电压或电流关联的时序信息，而不是任何电流 的实际样本，来控制电机106。

因为如此，电机控制器108不需要包括用于采样电流的电路。这 种电路通常包括电流传感器(例如分流电阻器)、模数转换器和运算放 大器。因此，这种方法可以降低电机控制器108的尺寸和成本。下面 提供了关于电机控制器108的附加细节。

此处的组件102-112可位于使用一个或多个电机的任何适当的较 大系统114的至少一部分之内或以其他方式形成任何适当的较大系统 的至少一部分。例如，较大系统114可表示使用电机106来移动乘客 或货物的车辆。然而，很多其他系统可以使用由逆变器供电的电机， 如电动滑板车或自行车、HVAC(供暖、通风和空调)系统、水泵、致 动器和计算装置或家庭娱乐装置的光盘驱动器中的电机。

虽然图1说明支持无需为电机106进行电流采样的无传感器FOC 的系统100的一个示例，可以对图1进行各种改变。例如，电机控制 器108可被耦合到DC总线110和电流线112中的一个或二者。

图2至图4根据本公开说明支持无需为电机106进行电流采样的 无传感器FOC的示例电机控制器108及相关细节。如图2所示，此示 例中的电源102是使用整流器202和电容器204实现的。整流器202 通常运行用于将AC输入电力转换成DC输出电力。电容器204表示将 来自整流器202的DC输出电力中的变量进行平滑处理的输出电容器。 整流器202包括用于将电力从AC形式转换成DC形式的任何适当结 构。电容器204包括具有任何适当电容的任何适当的电容性结构。可 以使用若干晶体管开关206实现此示例中的逆变器104。这些晶体管开 关206包括任何适当晶体管装置。

如图2所示，电机控制器108包括增益单元208，该增益单元208 将增益应用到所控制的速度信号ω^*。增益单元208输出前馈(或原始 控制的)电压振幅信号。增益单元208根据所控制的速度信号ω^*将该 电压振幅信号归一化，这通常在控制的电压与控制的速度近似成正比 时才有可能。增益单元208包括用于将增益应用到输入信号的任何适 当的结构。积分器210积分所控制的速度信号ω^*。积分器210的输出 表示前馈电压角度信号。积分器210包括用于积分信号的任何适当的 结构。

电机控制器108中的角度采样器212可被耦合到DC总线110和/ 或电流线112中的至少一个。此处的角度采样器212生成输出信号， 该输出信号在出现触发事件时表示与电机106关联的所控制的电压角 度。具体地，角度采样器212可以接收(来自组合器220的)连续控 制的电压角度信号θ，该电压角度信号θ表示与电机106关联的电压角 度，并且响应于触发事件，信号θ在特定实例中所识别的电压角度由 角度采样器212输出。该触发事件可表示DC总线110或电流线112 上的电压或电流中的过零或峰值。在此示例中，角度采样器212可以 被功能地实现为比较器212a和采样保持电路(S/H)212b。比较器212a 将来自DC总线110或电流线112的输入与参考信号REF比较。参考 信号REF可表示(过零检测的)零值或(峰值检测的)一些其他已知 值。当检测到过零或峰值时，比较器212a使采样保持电路212b采样 并输出所控制的电压角度信号θ。以这种方式使用角度采样器212避免 需要由电机控制器108进行电流采样。角度采样器212包括用于响应 于触发事件输出电压角度的任何适当的结构。

角度采样器212的输出信号被提供给滤波器214，该滤波器214过 滤该输出信号并且将所过滤的信号提供给组合器216。所过滤的信号表 示与电机108关联的实际的电压角度信号θ_c。滤波器214包括用于过 滤信号的任何适当结构，例如低通滤波器。组合器216将角度信号θ_c与参考角度信号θ_c^*进行组合，参考角度信号θ_c^*可由任何适当的源提 供。来自组合器216的信号是识别参考角度信号θ_c^*与实际角度信号θ_c之间的差异的角度误差信号，这意味着该来自组合器216的信号识别 角度误差。组合器216包括用于将输入进行组合的任何适当结构。

角度误差被提供给比例积分(PI)控制器218，该比例积分(PI) 控制器218确定如何基于所识别的角度误差调整电机控制器108的操 作。通常，PI控制器218运行以校正(来自增益单元208和积分器210 的)前馈电压振幅信号和前馈电压角度信号。因此PI控制器218生成 提供给两个组合器220、222的控制信号，这两个组合器220、222修 改前馈电压振幅和电压角度信号。PI控制器218包括用于在电机控制 器中提供比例积分控制的任何适当结构。

组合器220将来自PI控制器218的控制信号与积分器210的输出 进行组合。组合器220输出信号θ，该信号θ表示电压命令(command) 的修改的相位角。来自组合器220的信号θ被作为控制的电压角度信 号提供给角度采样器212并且提供给PWM控制器224。组合器222将 来自PI控制器218的控制信号与增益单元208的输出进行组合。组合 器222输出电压信号V_q^*，电压信号V_q^*表示电压命令的修改的振幅。 电压信号V_q^*被提供给PWM控制器224。每个组合器220、222包括用 于将输入进行组合的任何适当结构。

PWM控制器224从组合器222接收由电压信号V_q^*所定义的电压 命令，并且从组合器220接收相位角信号θ。PWM控制器224使用电 压命令来控制逆变器104。在此示例中，PWM控制器224包括正弦/ 余弦计算器226和空间矢量PWM(SVPWM)生成器228。正弦/余弦 计算器226使用来自组合器220、222的这两个输入来生成三相电压信 号V_a^*、V_b^*和V_c^*。在特定示例中，正弦/余弦计算器226可以如下生成 电压信号V_a^*、V_b^*和V_c^*：

$V_a^{*}=-V_q^{*}\sin \left(\theta \right);---\left(1\right)$

$V_b^{*}=-V_q^{*}\sin (\theta -\frac{2\pi }{3});$和   (2)

$V_c^{*}=-V_q^{*}\sin (\theta +\frac{2\pi }{3}).---\left(3\right)$

虽然这些等式仅使用正弦运算，由于也可以使用余弦运算，计算 器226被描述为“正弦/余弦”计算器。

三相电压信号定义在电机106的三个相位期间应用的电流。 SVPWM生成器228使用电压信号V_a^*、V_b^*和V_c^*生成用于驱动逆变器 104中的晶体管开关206的PWM信号。例如，SVPWM生成器228可 以基于电压信号V_a^*、V_b^*和V_c调整PWM信号的占空比。

正弦/余弦计算器226包括用于识别电机的不同相位的控制电压的 任何适当结构。在一些示例中，可以使用查找表实现正弦/余弦计算器 226。SVPWM生成器228包括用于使用空间矢量形式的脉冲宽度调制 生成PWM信号的任何适当结构。

在特定示例中，可以使用硬件组件来实现图2中所示的电机控制 器108的各种组件。在其他示例中，可以使用体现在至少一个存储器 或其他计算机可读介质上并由至少一个处理装置执行的软件/固件指令 来实现图2所示的电机控制器108的各种组件。在另外其他的示例中， 图2所示的电机控制器108的一些组件可以使用硬件组件来实现，而 图2中示出的电机控制器108的其他组件可以使用软件/固件指令来实 现。

在图2中，电机控制器108支持使用磁场定向控制，这通常包括 控制提供给电机106的电流，同时以矢量表示这些电流。电机106作 为三相位的时间依赖的系统以及速度依赖的系统，可以通过投射来转 换到双坐标的时间不变的同步系统中。这两个坐标轴被称为d和q轴。 通常，可以将电机106的行为如下建模(注意此处PMSM被用作示例)：

V_d＝i_d*R_s+L_d*pi_d-ω*Ψ_q；   (4)

V_q＝i_q*R_s+L_q*pi_q+ω*Ψ_d；   (5)

Ψ_d＝i_d*L_d+Ψ_m；和   (6)

Ψ_q＝i_q*L_q。   (7)

项Ψ_d和Ψ_q分别表示d和q轴中的磁链，并且i_d和i_q分别表示d 和q轴中的定子电流。同样，V_d和V_q分别表示d和q轴中的定子电压， 并且L_d和L_q分别表示d和q轴中的定子电感。进一步地，Ψ_m表示电 机106的转子中的永磁体的磁链，并且R_s表示定子电阻。此外，ω表 示电机的电角速度，并且p表示微分在稳态下，i_d和i_q是DC值， 因此i_d和i_q的微分是零。即使在瞬态下，i_d和i_q的微分仍然较小。因此， 可以得到以下：

V_d≈i_d*R_s≈0；   (8)

V_q＝i_q*R_s+ω*Ψ_m≈ω*Ψ_m；   (9)

Ψ_d≈Ψ_m；和   (10)

Ψ_q≈0。   (11)

在稳态下，可以由此得到以下：

V≈V_q≈ω*Ψ_m。   (12)

等式(12)示出了转子象限位置与结果电压命令近似一致以 恰当地控制电机。这无需任何复杂估计器便可提供近似转子位置，从 而支持无传感器操作。同样，由于系统延迟或低分辨率，结果电压命 令是个具有较小影响或没有影响的实时命令。没有FOC时，电流矢量 的电机矢量图(表示提供给电机的电流)可表现为如图3A所示。如 图3A所示，电流矢量沿两个轴延伸。用FOC时，电流id被控制为 零(i_d＝0)并且如图3B所示考虑到图3B中的结果电压矢量与 结果电流矢量彼此近似一致的事实，功率因数接近于1.0。

可以通过控制角度误差(如图2中的组合器216所识别的)而不 是控制i_d和i_q电流来利用电机控制器108实现无传感器FOC。在传统 无传感器FOC中，利用电流样本作为反馈来控制电机电流。在图2中， 使用角度采样器212来控制和获取角度误差。如上所述，角度采样器 212在相位或DC总线电流的过零或峰值处或者在相位电压的过零处识 别角度误差。

图4示出将角度误差控制为大约等于1.0的功率因数的示例。此处， Δσ表示电流矢量与q轴之间的角度。如上所述，FOC的目标是使 这样理想上电流矢量与q轴之间的任何角度是电机106控制 下的角度误差。实际上，由于FOC中功率因数可以近似(但不确切地) 为1.0，在电机106的控制下总是可能有一些未移除的小的非零角度误 差。电机控制器108因此调整电机106的操作以试着将角度误差最小 化。

在图4中，如果Δσ>0，这意味着对电机106的电压命令引导电 机的电流响应。这种情况下，相位角信号θ应该慢慢减小以使功率因 数接近于1.0，并且PI控制器218可以使用负反馈来降低角度误差。 同时，如果Δσ>0，电机转子落后于电压命令，并且较高的振幅电压 信号V_q^*可使电机转子加速。如果Δσ<0，转子引导所控制的位置，并 且较低的振幅电压信号V_q^*可以使转子减速。因此，PI控制器218可以 使用正反馈为电机106调整电压命令的振幅。

虽然图2至图4展示了支持无需为电机106进行电流采样的无传 感器FOC的电机控制器108的一个示例及相关细节，可以对图2至图 4进行各种改变。例如，图2示出的功能划分仅用于说明。图2中的各 个组件可被合并、进一步再分或者根据特定需求添加遗漏的组件及附 加的组件。同样，图3A、图3B及图4示出的示例矢量仅用于说明。

图5根据本公开说明用于无需为电机进行电流采样的无传感器 FOC的示例方法500。如图5所示，在步骤502接收了控制的速度和 参考电压角度。这可以包括例如电机控制器108从任何适当来源接收 控制的速度信号ω*和参考角度信号θ_c*。还在步骤504接收控制的电 压角度信号。这可以包括例如角度采样器212接收组合器220的输出 (信号θ)。

在步骤506处使用控制的电压角度信号来识别角度误差。这可以 包括例如角度采样器212在相位或DC总线电流的过零或峰值处或在 相位电压的过零处输出控制的电压角度信号。这还可以包括滤波器214 过滤角度采样器212的输出信号并且组合器216识别滤波器214输出 的角度信号θ_c与参考角度信号θ_c^*之间的差异。

在步骤508处使用角度误差生成电压命令。这可以包括例如PI控 制器218使用识别的角度误差生成控制信号。这还可以包括组合器222 使用控制信号修改前馈电压振幅信号。组合器222输出的值可表示电 压命令的控制电压V_q^*。这可以进一步包括组合器220将控制信号与前 馈电压角度信号进行组合以生成电压命令的相位角θ。

在步骤510处生成三相控制电压，并且在步骤512处生成针对逆 变器的PWM信号。这可以包括例如PWM控制器224使用控制电压 V_q^*和相位角θ生成电压信号V_a^*、V_b^*和V_c^*。这还可以包括PWM控制 器224使用电压信号V_a^*、V_b^*和V_c^*为逆变器104中的晶体管开关206 生成PWM信号。在步骤514处将这些PWM信号提供给逆变器。

以这种方式，电机控制器108可以无需使用电流采样向电机106 提供无传感器FOC控制。这可以降低电机控制器108的尺寸和成本同 时仍实现电机106的精确控制。

虽然图5说明用于无需为电机进行电流采样的无传感器FOC的方 法500的一个示例，可以对图5进行各种改变。例如，虽然图5被示 出为一系列步骤，图5中的各步骤可以重叠、并行发生、以不同的顺 序发生或者发生任意次数。

普通技术人员将认识到可对所描述的实施例进行修改，并且还认 识到在所要求的发明的范围内任何其他实施例都是可能的。