用于PMSM的无传感器矢量控制的旋转角度估计组件

摘要

提供了一种永磁同步电动机(PMSM)的旋转角度估计组件，用于PMSM的无传感器矢量控制。旋转角度估计组件包括：固定磁通指令估计单元，其基于旋转角度θ和固定坐标系的电流(I

说明书

技术领域

本公开涉及永磁同步电动机(PMSM)的无传感器矢量控制系统， 更具体地，涉及用于PMSM的无传感器矢量控制的旋转角度估计组件。

背景技术

通常，需要关于转子的速度和位置的信息来控制驱动器以及控制 同步电动机，并且使用单独的位置传感器(例如，编码器或者分解器) 来检测位置。

然而，由于通过使用传感器来检测速度和位置的方法在硬件的复 杂度、昂贵的成本、低可靠性以及电气噪声方面都具有局限性，因此 其在经济和技术方面都是不足的。

由于为了解决这些局限已经提出了各种无传感器矢量控制方法， 所以无传感器控制方法可以在不安装单独位置传感器的条件下估计关 于转子的速度和位置的信息。

典型的PMSM的无传感器矢量控制方法包括利用反电动势的方法、 使用电压模型的方法、使用模型参考控制器的方法、使用状态估计组 件、卡尔曼(Kalman)滤波器、非线性控制以及智能控制的方法，但 由于它们均需要很大的计算量并且估计误差发生在低速范围，所以存 在它们不容易被有效使用的局限性。

因此，存在这样一种PMSM的无传感器矢量控制方法，其可以大大 地减少计算量并最小化估计误差。

专利号为1025640和0845110的韩国专利、公开号为2010-0058905 的韩国专利早期公开等，被认为是与电动机的无传感器矢量控制相关 的技术，但是它们均不涉及PMSM的控制方法，并且与旨在减少计算量 和提高准确度的本发明无关。

发明内容

实施例提供了一种旋转角度估计组件以及采用该组件的永磁同步 电动机(PMSM)的无传感器矢量控制系统，其在PMSM的无传感器矢量 控制中减少了PMSM的旋转角度估计的计算量，并且使估计误差最小化。

在一个实施例中，用于永磁同步电动机(PMSM)的无传感器矢量 控制的PMSM的旋转角度估计组件，包括：固定磁通指令(instruction) 估计单元，其基于旋转角度θ和固定坐标系的电流(I_sα，I_sβ)，计算旋 转磁通(λ_sd，λ_sq)和固定磁通指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)；固定磁通估计单元， 其基于固定坐标系的电压(V_sα，V_sβ)、固定坐标系的电流(I_sα，I_sβ) 以及固定磁通误差(Δλ_sα，Δλ_sβ)，计算固定磁通(λ_sα，λ_sβ)；固定磁通 误差估计单元，其使用所述固定磁通指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)与所述固定磁 通(λ_sα，λ_sβ)之间的差值来计算所述固定磁通误差(Δλ_sα，Δλ_sβ)，并 将误差反馈回所述固定磁通估计单元；以及三角函数计算单元，其基 于所述旋转磁通(λ_sd，λ_sq)和所述固定磁通(λ_sα，λ_sβ)，计算所述旋 转角度θ即转子移动的距离。

所述三角函数计算单元可最终计算所述旋转角度θ并将计算的角 度反馈回所述固定磁通指令估计单元。

所述固定磁通指令估计单元可基于固定坐标系的电流(I_sα，I_sβ)、 所述旋转角度θ、旋转坐标系的电感(L_d，L_q)以及永磁体的磁通λ_PM， 计算所述旋转磁通(λ_sd，λ_sq)。

所述固定磁通指令估计单元可以通过使用所述旋转磁通(λ_sd，λ_sq) 来补偿所述旋转角度θ，从而计算固定磁通指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)。

所述固定磁通估计单元可以接收固定坐标系的α轴电压V_sα、固定 坐标系的α轴电流I_sα以及固定坐标系的α轴磁通误差Δλ_sα，以通过使 用公式dλ_sα/dt＝V_sα-R_sI_sα+Δλ_sα(R_s为定子电阻值)来计算固定坐标系的α 轴磁通变化比dλ_sα/dt，接收固定坐标系的β轴电压V_sβ、固定坐标系的β 轴电流I_sβ以及固定坐标系的β轴磁通误差Δλ_sβ，以通过使用公式dλ_sβ/dt ＝V_sβ-R_sI_sβ+Δλ_sβ(R_s为定子电阻值)来计算固定坐标系的β轴磁通变化 比dλ_sβ/dt，将固定坐标系的α轴磁通变化比dλ_sα/dt进行积分以输出α轴 磁通λ_sα，并且将固定坐标系的β轴磁通变化比dλ_sβ/dt的输出进行积分 以输出固定坐标系的β轴磁通λ_sβ。

所述固定磁通误差估计单元可以计算从所述固定磁通指令估计单 元输入的固定坐标系的α轴磁通指令值λ_sα^*和从所述固定磁通估计单元 输入的α轴磁通λ_sα之间的差值，计算从所述固定磁通指令估计单元输 入的固定坐标系的β轴磁通指令值λ_sβ^*和从所述固定磁通估计单元输入 的β轴磁通λ_sβ之间的差值，接收与所述α轴磁通λ_sα的差值以调整增益 并计算固定坐标系的α轴磁通误差Δλ_sα，并且接收与所述β轴磁通λ_sβ的差值以调整增益并计算固定坐标系的β轴磁通误差Δλ_sβ。

所述三角函数计算单元可以分别对所述旋转磁通(λ_sd，λ_sq)和所 述固定磁通(λ_sα，λ_sβ)应用三角函数，而得到角度θ_dq和θ_αβ，并且基 于角度θ_dq和θ_αβ输出所述旋转角度θ。

所述三角函数计算单元可以接收来自所述固定磁通指令估计单元 的旋转坐标系的d轴磁通λ_sd和旋转坐标系的q轴磁通λ_sq，从而通过使 用反正切三角函数输出基于d轴的λ_dq的角度θ_dq，接收来自所述固定磁 通估计单元的固定坐标系的α轴磁通λ_sα和固定坐标系的β轴磁通λ_sβ， 从而通过使用反正切三角函数输出基于α轴的λ_αβ的角度θ_αβ，并且获得 角度θ_dq和θ_αβ之间的差值以输出所述旋转角度θ。

在另一个实施例中，一种电动机的旋转角度估计组件的操作方法， 用于PMSM的无传感器矢量控制，所述操作方法包括：基于旋转角度θ和 固定坐标系的电流(I_sα，I_sβ)，计算旋转磁通(λ_sd，λ_sq)和固定磁通 指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)；通过固定磁通估计单元，基于固定坐标系的电压(V_sα， V_sβ)、固定坐标系的电流(I_sα，I_sβ)和固定磁通误差(Δλ_sα，Δλ_sβ)， 计算固定磁通(λ_sα，λ_sβ)；使用所述固定磁通指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)和所 述固定磁通(λ_sα，λ_sβ)之间的差值来计算所述固定磁通误差(Δλ_sα， Δλ_sβ)，并将误差反馈回所述固定磁通估计单元；以及基于所述旋转磁 通(λ_sd，λ_sq)和所述固定磁通(λ_sα，λ_sβ)，计算所述旋转角度θ即转 子移动的距离。

一个或多个实施例的细节在下文的附图和说明中进行阐述。从说 明书和附图以及从权利要求书中，其他特征将是显而易见的。

附图说明

图1为用于说明根据实施例的旋转角度估计组件的固定坐标系和 旋转坐标系之间的矢量的图。

图2为表示根据实施例的旋转角度估计组件的各部件之间的一般 关系的框图。

图3为基于根据实施例的旋转角度估计组件的电路图的框图。

图4为表示根据实施例的旋转角度估计组件应用到典型的永磁同 步电动机(PMSM)的无传感器矢量控制系统的状态的框图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述实施例的技术特征。

图1以矢量图的形式示出了根据实施例的永磁同步电动机(PMSM) 的无传感器矢量控制方法的原理。

该矢量控制方法将施加到电动机的电流划分和控制为基于旋转坐 标系的磁通电流Id_se和转矩电流Iq_se。

PMSM的矢量控制方法固定磁通电流Id_se以匹配转子的位置θ，并且 将转矩电流Iq_se应用到PMSM的无传感器矢量控制。

为了将磁通电流Id_se与转子位置θ匹配，需要从位置传感器获取转 子位置θ。

图1示出了PMSM的矢量控制中的根据固定坐标系αβ和旋转坐标系 dq的磁通关系，用于矢量控制系统的坐标轴被划分为固定坐标系和旋 转坐标系，固定坐标系表示具有固定不旋转的坐标轴的坐标系，旋转 坐标系表示以任意角速度ω旋转的坐标系。

通过使用基于固定坐标系αβ的磁通值(λ_α，λ_β)和基于旋转坐标 系dq的磁通值(λ_d，λ_q)，通过从基于α轴的λ_αβ的角度θ_αβ中减去基于 d轴的λ_dq的角度θ_dq，能够估计转子位置θ。

一实施例通过使用基于固定坐标系αβ的定子磁通矢量λ_αβ和基于 旋转坐标系dq的转子磁通矢量λ_dq，连同反正切函数tan^-1和关于匹配实 际电动机的位置的所估计的转子位置的信息一起，来估计最终的转子 位置。

图2示出了旋转角度估计单元100，其估计旋转角度θ，也就是基 于图1的矢量图的转子移动的距离，并且旋转角度估计单元100包括 固定磁通指令估计单元10、固定磁通估计单元20、固定磁通误差估计 单元30以及三角函数计算单元40。

固定磁通指令估计单元10基于固定坐标系αβ的电流(I_sα，I_sβ) 和旋转角度θ，计算旋转磁通(λ_sd，λ_sq)和固定磁通指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)。 具体地，固定磁通指令估计单元10接收固定坐标系αβ的电流(I_sα，I_sβ) 和旋转角度θ，并使用转子磁通公式来计算固定磁通指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)。

转子磁通公式首先计算旋转磁通(λ_sd，λ_sq)，并通过使用计算结 果来最终计算固定磁通指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)。

固定磁通估计单元20基于固定坐标系αβ的电压(V_sα，V_sβ)和固 定坐标系的电流(I_sα，I_sβ)和固定磁通误差(Δλ_sα，Δλ_sβ)，来计算 固定磁通(λ_sα，λ_sβ)。具体地，固定磁通估计单元20接收固定坐标系 αβ的电压(V_sα，V_sβ)、固定坐标系αβ的电流(I_sα，I_sβ)和固定磁通 误差(Δλ_sα，Δλ_sβ)，并使用定子电压公式来计算α轴和β轴的固定磁 通(λ_sα，λ_sβ)。

固定磁通误差估计单元30使用固定磁通指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)和固定 磁通(λ_sα，λ_sβ)之间的差值来计算固定磁通误差(Δλ_sα，Δλ_sβ)，并 将该误差反馈回固定磁通估计单元。具体地，固定磁通误差估计单元 30使用固定磁通指令估计单元10输出的固定磁通指令(λ_sα^*，λ_sβ^*)与 固定磁通估计单元20输出的固定磁通(λ_sα，λ_sβ)之间的差值，来计 算α轴和β轴的固定磁通误差(Δλ_sα，Δλ_sβ)，并将该误差反馈回固定 磁通估计单元20。

三角函数计算单元40基于旋转磁通(λ_sd，λ_sq)和固定磁通(λ_sα， λ_sβ)，来计算旋转角度θ，即转子移动的距离。具体地，三角函数计算 单元40通过使用三角函数分别对由固定磁通指令估计单元10的转子 磁通公式首先计算出的旋转磁通(λ_sd，λ_sq)和由固定磁通估计单元20 输出的固定磁通(λ_sα，λ_sβ)执行计算，来得到角度θ_dq和θ_αβ。

当从角度θ_αβ中最终减去角度θ_dq时，能够计算出旋转角度θ，即转 子移动的距离，并且计算出的旋转角度被反馈回固定磁通指令估计单 元10。

旋转角度估计单元100通过固定磁通误差估计单元30和固定磁通 估计单元20之间、固定磁通估计单元20和三角函数计算单元40之间 以及固定磁通指令估计单元10和三角函数计算单元40之间的反馈， 继续计算旋转角度θ。

旋转角度估计单元的每个部件通过图3被详细描述，图3为表示 旋转角度估计单元100的具体电路构造的框图。

<固定磁通指令估计单元10>

固定磁通指令估计单元10包括第一旋转坐标转换单元101、第二 旋转坐标转换单元102、第一旋转磁通计算单元103、第二旋转磁通计 算单元104、第一固定坐标转换单元105以及第二固定坐标转换单元 106。

第一旋转坐标转换单元101接收固定坐标系的α轴电流I_sα和旋转 角度θ以便于使用转子磁通公式，并且坐标转换为旋转坐标系的d轴电 流值I_sd。

第二旋转坐标转换单元102接收固定坐标系的β轴电流I_sβ和旋转 角度θ，并且坐标转换为旋转坐标系的q轴电流值I_sq。

第一旋转磁通计算单元103接收第一旋转坐标转换单元101的d 轴电流I_sd，并利用转子磁通公式即λ_sd＝L_dI_sd+λ_PM，来计算旋转坐标系 的d轴磁通λ_sd，其中，L_d为旋转坐标系的d轴电感，λ_PM为通过永磁体 的磁通。

第二旋转磁通计算单元104接收第二旋转坐标转换单元102的q 轴电流I_sq，并利用转子磁通公式即λ_sq＝L_qI_sq，来计算旋转坐标系的q 轴磁通λ_sq，其中，L_q为旋转坐标系的q轴的电感。

旋转坐标系的d轴磁通λ_sd和q轴磁通λ_sq被输入到三角函数计算单 元40。

第一固定坐标转换单元105为为了使用转子磁通公式而补偿坐标 转换后的值的补偿器，其通过利用第一旋转磁通计算单元103的输出 来补偿旋转角度θ以坐标转换到固定坐标系，并输出固定坐标系的α轴 磁通指令值λ_sα^*。

第二固定坐标转换单元106通过利用第二旋转磁通计算单元104 的输出来补偿旋转角度θ以坐标转换到固定坐标系，并输出固定坐标系 的β轴磁通指令值λ_sβ^*。

<固定磁通估计单元20>

固定磁通估计单元20包括第一固定磁通变化比计算单元201、第 二固定磁通变化比计算单元202、第一积分器203以及第二积分器204。

第一固定磁通变化比计算单元201接收固定坐标系的α轴电压V_sα、 固定坐标系的α轴电流I_sα以及固定坐标系的α轴磁通误差Δλ_sα，将定 子电压公式V_sα＝R_sI_sα+dλ_sα/dt(R_s为定子电阻值)主项变换为公式dλ_sα/dt ＝V_sα-R_sI_sα+Δλ_sα(R_s为定子电阻值)，并计算固定坐标系的α轴磁通 变化比dλ_sα/dt。

第二固定磁通变化比计算单元202接收固定坐标系的β轴电压 V_sβ、固定坐标系的β轴电流I_sβ以及固定坐标系的β轴磁通误差Δλ_sβ， 将定子电压公式V_sβ＝R_sI_sβ+dλ_sβ/dt(R_s为定子电阻值)，主项变换为公 式dλ_sβ/dt＝V_sβ-R_sI_sβ+Δλ_sβ(R_s为定子电阻值)，并计算固定坐标系的β 轴磁通变化比dλ_sβ/dt。

第一积分器203将第一固定磁通变化比计算单元201的输出进行 积分，以输出固定坐标系的α轴磁通λ_sα。

第二积分器204将第二固定磁通变化比计算单元202的输出进行 积分，以输出固定坐标系的β轴磁通λ_sβ。

第一积分器203和第二积分器204输出的α轴磁通λ_sα和β轴磁通 λ_sβ，被输入到三角函数计算单元40。

<固定磁通误差估计单元30>

固定磁通误差估计单元30包括第一减法器301、第二减法器302、 第一控制器303以及第二控制器304，并且执行对估计的固定坐标系 α-β轴磁通进行补偿的功能，误差通过PI控制器进行补偿，并输入到 固定磁通估计单元20。

第一减法器301计算从固定磁通指令估计单元10输入的固定坐标 系的α轴磁通指令值λ_sα^*和从固定磁通估计单元20输入的α轴磁通λ_sα之间的差值。

第二减法器302计算从固定磁通指令估计单元10输入的固定坐标 系的β轴磁通指令值λ_sβ^*和从固定磁通估计单元20输入的β轴磁通λ_sβ之间的差值。

第一控制器303接收来自第一减法器301的差值，通过公式 K_Pα+K_Iα/S(K_Pα为比例增益，K_Iα为积分增益，S为复变量)进行比例 积分(PI)控制以调整增益，并且计算固定坐标系的α轴磁通误差Δλ_sα。

第二控制器304接收来自第二减法器302的差值，通过公式 K_Pβ+K_Iβ/S(K_Pβ为比例增益，K_Iβ为积分增益，S为复变量)进行PI 控制以调整增益，并且计算固定坐标系的β轴磁通误差Δλ_sβ。

α轴磁通误差Δλ_sα和β轴磁通误差Δλ_sβ被反馈回固定磁通估计单 元20。

<三角函数计算单元40>

三角函数计算单元40包括第一反正切单元401、第二反正切单元 402以及旋转角度减法单元403。

第一反正切单元401接收来自固定磁通指令估计单元10的旋转坐 标系的d轴磁通λ_sd和旋转坐标系的q轴磁通λ_sq，并通过利用反正切三 角函数输出基于d轴的λ_dq的角度θ_dq。

第二反正切单元402接收来自固定磁通估计单元20的固定坐标系 的α轴磁通λ_sα和固定坐标系的β轴磁通λ_sβ，并通过利用反正切三角函 数输出基于α轴的λ_αβ的角度θ_αβ。

旋转角度减法单元403得到角度θ_αβ和θ_dq之间的差值，从而输出旋 转角度θ，并且该旋转角度θ被反馈回固定磁通指令估计单元10。

当得到旋转角度θ时，就能够得到转子的速度W_e，因此根据实施 例的PMSM的无传感器矢量控制系统接收来自旋转角度估计单元100的 旋转角度θ和速度W_e，并对PMSM进行控制。

图4为表示根据实施例的旋转角度估计单元100被应用到逆变器 控制典型PMSM的无传感器矢量控制系统的状态的框图，通过该图能够 理解旋转角度估计单元100的输出，即旋转角度θ和速度W_e，是如何 被输入到PMSM控制单元1中的。

实施例的技术范围包括旋转角度估计单元100所应用于的PMSM的 无传感器矢量控制系统。

由于该实施例描述了一种获得定子磁通矢量和转子磁通矢量的方 法，所以通过应用定子电路的电压公式和转子电路的磁通公式，转子 电路的磁通公式被坐标转换为定子磁通公式，然后对定子磁通矢量被 补偿以最终获得定子磁通矢量和转子磁通矢量。

通过对最终的定子磁通矢量和转子磁通矢量应用三角函数tan^-1来 得到角度θ_αβ和θ_dq，并且关于PMSM的位置信息θ通过使用公式 θ＝θ_αβ-θ_dq来估计。

由于该方法便于实施，所以便于将其有效地应用到产品，并且由 于一起使用了定子电压公式和转子公式，所以在低速和高速时的位置 信息的估计误差都会被最小化。

而且，除了PMSM的无传感器矢量控制系统以外，作为替代，根据 实施例的旋转角度估计单元100也可以被应用到具有位置传感器和速 度传感器的矢量控制系统中。

根据实施例，由于同时使用了定子电压公式和转子公式，所以能 够快速并且准确地估计出转子在低速和高速时的旋转角度，并且通过 将估计的旋转角度应用到PMSM的无传感器矢量控制，能够提供更可靠 和经济的PMSM的无传感器矢量控制系统。

虽然已经参考一些其说明性的实施例描述了实施例，但应当理解 的是，本领域技术人员能够想出将落入本公开原理的范围内的许多其 他修改和实施例。更特别地，在本公开、附图和所附权利要求书的范 围之内，对主题组合布置的构成部件和/或布置进行各种变形和修改是 可能的。除了对构成部件和/或布置的变形和修改之外，可选的使用对 本领域技术人员来说也将是显而易见的。