專利名稱：用于電動(dòng)機(jī)的無傳感器式控制的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電動(dòng)機(jī)的控制。更具體地，本發(fā)明涉
及用于電動(dòng)機(jī)的無傳感器式控制的方法和系統(tǒng)，如用于汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 中的電動(dòng)才幾。
背景技術(shù)：
近年來，技術(shù)的進(jìn)步以及樣式的不斷嘗試使汽車設(shè)計(jì)產(chǎn) 生了顯著的變化。這些變化之一涉及汽車內(nèi)的電氣和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜 性，尤其是可選擇的燃料車輛，例如混合動(dòng)力、電動(dòng)、和燃料電池車 輛。這種可選擇的燃料車輛通常使用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輪，該電動(dòng)機(jī)可 能與其它致動(dòng)器結(jié)合。
0003常規(guī)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通常包括反饋設(shè)備或位置傳感器， 如解析器或編碼器，以提供關(guān)于電動(dòng)機(jī)的速度和位置信息。反饋設(shè)備 和有關(guān)的接口電路增加了電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的成本，這些成本在高產(chǎn)量 應(yīng)用(如汽車制造)中是高得驚人的。此外，位置傳感器及其有關(guān)的 配線增加了車輛中電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和組裝時(shí)間。由燃沖牛電池、電池和包4舌電動(dòng)才幾的混合動(dòng)力系統(tǒng)供以動(dòng) 力的電動(dòng)車輛在汽車市場中日益普遍。隨著電動(dòng)車輛的生產(chǎn)量增加， 反饋設(shè)備及有關(guān)接口電路的成本變得顯著。汽車制造商因而總是試圖 消減成本并減少車輛部件的數(shù)量。對于電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)而言，去除反 饋設(shè)備將導(dǎo)致電動(dòng)車輛的成本顯著降低。 混合動(dòng)力電動(dòng)車輛和電動(dòng)車輛目前采用各種電動(dòng)機(jī)控制 技術(shù)，如電動(dòng)機(jī)的矢量控制。矢量電動(dòng)機(jī)控制方案是高強(qiáng)度計(jì)算的電 動(dòng)機(jī)控制方案，其將三相電動(dòng)機(jī)的相電壓/電流映射到兩軸坐標(biāo)系統(tǒng)。 利用矢量控制方案激勵(lì)電動(dòng)機(jī)所使用的結(jié)構(gòu)是包括6個(gè)功率晶體管的 典型三相功率源逆變器，該6個(gè)功率晶體管對至電動(dòng)機(jī)的輸出電壓進(jìn) 行整形。矢量控制需要轉(zhuǎn)子位置信息，該信息通常經(jīng)由反饋設(shè)備或位 置傳感器獲得。位置無傳感器式控制的目的在于利用AC電機(jī)的電磁特 性獲取轉(zhuǎn)子位置信息，從而消除位置傳感器及其有關(guān)的接口電路。
提供一種控制電動(dòng)機(jī)的方法。將包括至少第一和第二周 期的信號提供給電動(dòng)機(jī)。計(jì)算與信號的第一周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī)的第一 通量值?；谒龅谝煌恐?，計(jì)算與信號的第二周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī) 的第二通量值。
0008提供一種用于控制具有繞組的汽車電動(dòng)機(jī)的方法。將包 括第一和第二周期的信號提供給電動(dòng)機(jī)?；跍y量的繞組通量和估算 的繞組通量確定繞組通量誤差?；谒隼@組通量誤差計(jì)算電動(dòng)機(jī)的 第一通量值。第一通量值包括磁通匝連數(shù)、由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢 (BEMF )、或》茲通壓連數(shù)和BEMF的組合。在下文中，將結(jié)合以下附圖描述本發(fā)明，其中相同的附
圖標(biāo)記標(biāo)識相同的元件，且

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示范性汽車的示意圖；
圖2是圖1汽車內(nèi)的逆變器系統(tǒng)的框圖；
圖3是圖1汽車內(nèi)的功率逆變器的示意圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例、用于估算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子 位置和速度的方法和/或系統(tǒng)的框圖；[0015圖5是圖4系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)^t塊的示意性框圖； 以下詳細(xì)說明實(shí)質(zhì)上僅為示范性的，且并不打算限定本 發(fā)明或其應(yīng)用及用途。另外，前述技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或 以下具體實(shí)施方式
中提出的任何明示或暗示理論并不構(gòu)成約束。此外， 雖然這里所示的示意圖描繪了元件的示例性布置，但是在實(shí)際的實(shí)施 例中可以有附加的居間元件、設(shè)備、特征或部件。也應(yīng)當(dāng)理解的是， 圖1-圖15僅為圖示性的，且可能沒有按比例畫出。 例如，在一個(gè)實(shí)施例中，將包括至少第一和第二周期的 信號提供給電動(dòng)機(jī)。計(jì)算與信號的第一周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī)的第一通量 值?；?或源于)所迷第一通量值，計(jì)算與信號的第二周期有關(guān)的 電動(dòng)機(jī)的第二通量值。然后重復(fù)該過程。第一和第二通量值可以是例如估算的磁通匝連數(shù)、估算的BEMF強(qiáng)度、估算的通量增量、估算的 BEMF增量、或它們的任何組合。 在另一實(shí)施例中，基于測量的繞組通量和估算的繞組通 量確定繞組通量誤差。電動(dòng)機(jī)的通量值(例如，磁通匝連數(shù)和/或BEMF) 基于繞組通量誤差計(jì)算。 汽車20可以為許多不同類型的汽車中的任何一種，例如 轎車、貨車、卡車、或運(yùn)動(dòng)型多用途車輛(SUV);且可以為兩輪驅(qū) 動(dòng)(2WD)(即后輪驅(qū)動(dòng)或前輪驅(qū)動(dòng))、四輪驅(qū)動(dòng)(4WD)或全輪驅(qū) 動(dòng)(AWD)。汽車20也可以包括許多不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)(致動(dòng)器)中 的任何一個(gè)或其組合，例如供以汽油或柴油燃料的內(nèi)燃機(jī)、"靈活燃 料車輛"(FFV)發(fā)動(dòng)機(jī)(即,使用汽油和酒精的混合物)、供以氣體 混合物(例如，氫氣和/或天然氣)燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)、或燃料電池、燃燒/ 電動(dòng)才幾混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)才幾、以及電動(dòng)才幾。 電子控制系統(tǒng)28與致動(dòng)器組件30、電池32和逆變器34 可操作通信。雖然未詳細(xì)示出，電子控制系統(tǒng)28包括許多傳感器和汽 車控制模塊、或電子控制單元(ECU),如逆變器控制模塊和車輛控 制器，該電子控制系統(tǒng)還包括至少一個(gè)處理器和/或存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ) 器包括存儲(chǔ)在其上(或另一計(jì)算機(jī)可讀取介質(zhì)中)的指令，用以執(zhí)行 如下所述的過程和方法。 電動(dòng)機(jī)才莫塊(或電動(dòng)機(jī)^t型)64接收連同來自通量觀測 器模塊6 8的估算通量和B E M F —起的電動(dòng)機(jī)電壓和電動(dòng)機(jī)電流作為輸 入。電動(dòng)機(jī)才莫塊64對每個(gè)取樣時(shí)間(或PWM信號的每個(gè)周期)產(chǎn)生 通量和BEMF的增量，該增量被發(fā)送給通量觀測器模塊68。通量模塊 (或通量模型)66接收電動(dòng)機(jī)電流作為輸入，并根據(jù)例如通量表產(chǎn)生 電動(dòng)機(jī)通量的測量值。在求和電路(或加法器)73處根據(jù)來自通量觀 測器模塊68的估算通量和來自通量模塊66的測量通量的差計(jì)算通量誤差。測量的通量或通量數(shù)量也用作電動(dòng)機(jī)的電流控制的前饋控制(或
去耦電流)。來自電動(dòng)機(jī)模塊64的通量誤差和增量由通量觀測器模塊 68接收作為輸入，通量觀測器才莫塊68估算電動(dòng)機(jī)通量和BEMF。 在一個(gè)實(shí)施例中，估算的通量考慮由電動(dòng)機(jī)40定子中的 繞組產(chǎn)生的通量，同時(shí)排除由電動(dòng)機(jī)40中的永久磁體產(chǎn)生的通量。該 方法的一個(gè)益處在于，所估算的通量不取決于電動(dòng)機(jī)磁體的溫度，而 是由電動(dòng)機(jī)的幾何形狀以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯的材料屬性確定。估算的 BEMF對應(yīng)于由永久磁體通量感應(yīng)的電壓，且其角度包含位置估算誤 差。如圖8所示，在一個(gè)實(shí)施例中，BEMF估算部分106僅使
用通量誤差^W和^(yt)來建立BEMF估算值l(yt)和4W。在分別由加 法器132和134接收之前，通量誤差^(/fc)和 0O在通量觀測器增益模塊 116和118處乘以通量觀測器增益/31~/42以及取樣時(shí)間7;。BEMF估算值 K0和4W在由延遲模塊122延遲一個(gè)PWM周期之后反饋回到加法 器132和134。 數(shù)字控制器46具有由PWM引起的固有的一個(gè)周期延遲， 這可能導(dǎo)致控制和估算誤差。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的PWM和電流取樣的定時(shí)示例。在第一(或第k 個(gè))周期138期間施加到電動(dòng)機(jī)40的電壓在第三(或第(k-l)個(gè))周 期142期間被計(jì)算。對每個(gè)周期，在其開始時(shí)施加新的電壓，且同時(shí) 對電動(dòng)機(jī)電流取樣。例如，在第一周期138開始時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流表示 為, 00。為建立^(yt)所施加的電壓是在第三(或第(k-l)個(gè))周期142 期間施加的電壓(即，2))，該電壓在笫(k-2)個(gè)周期(未示出) 期間計(jì)算。
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因而，在指令電壓和由第一觀測器68對該指令電壓的觀 測值之間存在兩個(gè)周期延遲。此外，雖然除了靜態(tài)電壓之外每個(gè)變量 也可以如圖9所示更新(即，在每個(gè)周期開始時(shí))，PWM信號136尋 找的實(shí)際平均電壓在每個(gè)周期(或取樣周期)的中點(diǎn)處產(chǎn)生。這導(dǎo)致 電動(dòng)才幾40的電壓角延遲。 圖12更詳細(xì)地示出了速度和位置觀測器模塊72。速度和 位置觀測器72包括BEMF限幅器模塊162、位置誤差模塊164、增益 模塊166, 168和170、延遲模塊172、取樣時(shí)間模塊174、位置限幅器 模塊176和加法器178 - 186。增益模塊166 - 170 ( )確定速度和
位置觀測器72的動(dòng)態(tài)性能。如果存在位置誤差A(yù)e,那么估算的BEMF 大約為[0056在低速時(shí)，4可能過低而不能使用，因而在低于取決于 電動(dòng)機(jī)40磁通量的一定速度時(shí)可以由BEMF限幅器模塊162限幅。位 置誤差^t塊164在一個(gè)實(shí)施例中采用二維反正切函數(shù)獲取方程1和2 中的位置誤差。得到的位置誤差(Se(W)用于產(chǎn)生下一周期的電動(dòng)機(jī) 速度估算值(+ ,如圖12所示。位置限幅器模塊176在±180。 的電角度內(nèi)限制下一周期的位置估算值的總值(integrated value)
+ 。估算的位置和速度用于下一取樣周期，以滿足定時(shí)順序。 估算的電動(dòng)機(jī)速度^用于取代圖1-11中的 。它在圖7和8中也用于 計(jì)算增益 除了在低速時(shí)&的絕對值由BEMF限幅器模塊162限幅 之外，位置誤差^f莫塊164提供穩(wěn)健信號(robust signal)以跟蹤電動(dòng)機(jī) 的位置和速度而不管永久磁體的大小如何，該永久磁體的大小受操作 溫度和操作速度影響。因而，可以估算電動(dòng)機(jī)40的位置和速度，而不 管電動(dòng)機(jī)40的操作狀況如何。扭矩指令從高級別的控制器被發(fā)送，如扭矩控制器或車
輛控制器。扭矩指令變?yōu)殡娏髦噶頾和,':,，電流指令C和C為DC量。 [0060相位轉(zhuǎn)換才莫塊196將從電動(dòng)機(jī)40取樣的三相電流變?yōu)閮?相電流。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換模塊194提供關(guān)于根據(jù)本發(fā)明獲得的轉(zhuǎn)子位置的旋 轉(zhuǎn)變換(例如，從靜態(tài)到同步坐標(biāo))，以將兩相AC電流,a(A;)和 0O變 成兩相DC電流,:w和、，兩相DC電流^和"在加法器198和200處用 作電流反饋。 電流指令和電流反饋之間的差驅(qū)動(dòng)電流控制器190以產(chǎn) 生電壓指令《和《，電壓指令《和《也為DC量。在加法器202和204 處，前饋項(xiàng)(或去耦電壓)《(#)和《(#)用于去耦由在電流控制器190 輸出端處的、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的通量感應(yīng)的電壓。前饋項(xiàng)根據(jù)通量表％和^ 計(jì)算，如下《(#)=(^丄'"). (4) 如上文所述，位置和速度估算器62使用旋轉(zhuǎn)變換模塊192 和相位變換模塊196的輸出來估算通量和BEMF。圖14示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)的無傳感器式電動(dòng)機(jī)控制 系統(tǒng)隨電動(dòng)機(jī)速度變化的根軌跡。如圖所示， 一些極206位于虛軸(豎 軸)右邊，這隨著電動(dòng)機(jī)速度增加導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定性。在現(xiàn)有技術(shù)系 統(tǒng)中，有時(shí)需要將通量觀測器和電流控制器的極設(shè)置成朝左側(cè)移動(dòng)， 以避免隨著電動(dòng)機(jī)速度增加出現(xiàn)這種不穩(wěn)定極。 其它實(shí)施例可在除了汽車之外的裝置中(例如，水運(yùn)工 具和航空器)中采用上述系統(tǒng)和方法。電動(dòng)機(jī)和功率逆變器可以具有 不同數(shù)量的相位，如2個(gè)或4個(gè)。可以使用其它形式的功率源，如電 流源和包括二極管整流器、可控硅逆變器、燃料電池、感應(yīng)器、電容 器和/或它們?nèi)魏谓M合的負(fù)載。 雖然至少 一 個(gè)示范性實(shí)施例已經(jīng)在前述詳細(xì)說明中進(jìn)行 了闡述，應(yīng)當(dāng)理解的是，存在有大量的變型。也應(yīng)當(dāng)理解的是，示范 性實(shí)施例或數(shù)個(gè)示范性實(shí)施例僅為示例，且不以任何方式限定本發(fā)明 的范圍、應(yīng)用或構(gòu)造。相反，前述詳細(xì)說明為本領(lǐng)域技術(shù)人員提供實(shí) 施實(shí)施例或數(shù)個(gè)實(shí)施例的便利路線圖。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以對元件的功能和布置進(jìn)行各種改變而不偏離所附權(quán)利要求書及其合法等價(jià)物所 闡述的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種控制電動(dòng)機(jī)的方法，包括將包括至少第一和第二周期的信號提供給電動(dòng)機(jī)；計(jì)算與信號的第一周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī)的第一通量值；和基于所述第一通量值計(jì)算與信號的第二周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī)的第二通量值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于還包括在第二循環(huán)期 間測量流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流，其中第二通量值的計(jì)算還基于在第二周期 期間溯'J量的流經(jīng)電動(dòng)才幾的電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，第一周期在第二周期 之前發(fā)生。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，第一和第二通量值均 包括磁通匝連數(shù)、由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(BEMF)、或磁通匝連數(shù) 和BEMF的組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述信號包括第三周期。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于還包括在第三循環(huán)期 間測量流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流，其中笫二通量值的計(jì)算還基于在第三周期 期間測量的流經(jīng)電動(dòng)才幾的電流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，第三周期在第一周期 之前發(fā)生。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，第一通量值的計(jì)算包 括在第 一周期期間測量流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，第二通量值的計(jì)算包 括確定與在第三周期期間測量的流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流有關(guān)的電壓。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，信號的第一周期在 信號的第二周期之前發(fā)生，且信號的第三周期在信號的第 一周期之前 發(fā)生。
11. 一種用于控制具有繞組的汽車電動(dòng)機(jī)的方法，包括 將包括第一和第二周期的信號提供給電動(dòng)機(jī)； 基于測量的繞組通量和估算的繞組通量確定繞組通量誤差；和基于所述繞組通量誤差計(jì)算電動(dòng)機(jī)的第一通量值，第一通量值包括磁通匣連數(shù)、由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(BEMF)、或磁通臣連數(shù)和BEMF 的組合。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，第一通量值與信號 的第一周期有關(guān)，所述方法還包括基于第一通量值計(jì)算與信號的第二 周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī)第二通量值，第二通量值包括磁通匝連數(shù)、由電動(dòng) 機(jī)產(chǎn)生的BEMF、或》茲通匪連數(shù)和BEMF的組合。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述信號還包括第 三周期，所述方法還包括在第三周期期間測量流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流，其 中第二通量值的計(jì)算還基于在第三周期期間測量的流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，PWM信號的第一 周期在PWM信號的第二周期之前發(fā)生，且PWM信號的第三周期在 PWM信號的第 一周期之前發(fā)生。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，笫一通量值的計(jì)算 包括在P W M信號的第 一 周期期間測量流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流，第二通量值 的計(jì)算包括確定與在PWM周期第三周期期間測量的流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流 有關(guān)的電壓。
16. —種汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括 電動(dòng)機(jī)；連接到所述電動(dòng)機(jī)的直流(DC)功率源；連接到電動(dòng)機(jī)和DC功率源的功率逆變器，用于從DC功率源接收 DC功率并提供交流(AC)功率給電動(dòng)機(jī)；和處理器，所述處理器與電動(dòng)機(jī)、DC功率源和功率逆變器可操作通信，所述處理器配置成提供包括至少第 一和笫二周期的信號給電動(dòng)機(jī)； 計(jì)算與信號的第一周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī)的第一通量值；和基于所述第一通量值計(jì)算與信號的第二周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī)的 第二通量值。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于第一和第二 通量值均包括磁通匝連數(shù)、由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(BEMF)、或磁 通匝連數(shù)和BEMF的組合。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于所述信號包 括第三周期，所述處理器還配置成在第三周期期間測量流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的 電流，其中第二通量值的計(jì)算還基于在第三周期期間測量的流經(jīng)電動(dòng) 才幾的電流。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于所述處理器 還配置成在第二周期期間測量流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流，其中第二通量值的 計(jì)算還基于在第二周期期間測量的流經(jīng)電動(dòng)機(jī)的電流。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于所述信號是 脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號，其中PWM信號的第一周期在PWM信號 的第二周期之前發(fā)生，且PWM信號的第三周期在PWM信號的第一周期 之前發(fā)生。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電動(dòng)機(jī)的無傳感器式控制的方法和系統(tǒng)。具體而言提供了用于控制電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)和方法。將包括至少第一和第二周期的信號提供給電動(dòng)機(jī)。計(jì)算與信號的第一周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī)的第一通量值。基于所述第一通量值計(jì)算與信號的第二周期有關(guān)的電動(dòng)機(jī)的第二通量值。
文檔編號B60L15/00GK101445065SQ200810178808
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者N·R·帕特爾, S·E·舒爾茨, Y·C·森 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司