用于pm馬達(dá)的位置檢測的輸入向量集合的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求在2014年9月24日提交的名為"Initial Position Detection of Permanent Magnet Machines Using Voltage Signals"的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)?2/054, 498 的權(quán)益，其內(nèi)容在此通過引用整體并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 所公開的實(shí)施例涉及永磁馬達(dá)（PMM)，并且更具體地涉及確定PMM的角位置以便 由馬達(dá)控制器用于PMM的位置、速度或電流/扭矩控制。
【背景技術(shù)】
[0004] 電動(dòng)馬達(dá)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)器。電動(dòng)馬達(dá)包括DC馬達(dá)和AC馬達(dá)。一種 類型的AC馬達(dá)是AC感應(yīng)馬達(dá)。AC感應(yīng)馬達(dá)通常由耦接到三相逆變器的電動(dòng)馬達(dá)控制器提 供的三相交流電流驅(qū)動(dòng)。AC馬達(dá)包括具有線圈的外部靜止定子，該線圈被提供交流電流以 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感生出電流。隨著電流流過轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生第二磁 場，該第二磁場與來自定子的磁場相互作用以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子附接到輸出軸，該輸出軸被旋 轉(zhuǎn)磁場給予扭矩。轉(zhuǎn)子場和定子場的相互作用造成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，其可以用于做功。
[0005] 另一種類型的AC馬達(dá)是PMM。PMM具有位于轉(zhuǎn)子上的永磁體和位于定子上的銅繞 組。在定子繞組中的交流電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場與來自轉(zhuǎn)子磁體的磁場相互作用 以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。定子電流振蕩的頻率確定轉(zhuǎn)子的角速度和產(chǎn)生的角位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 該內(nèi)容被提供以便以簡化形式引入所公開的概念的簡要選擇，這些概念將在以下
【具體實(shí)施方式】中被進(jìn)一步描述，【具體實(shí)施方式】包括提供的附圖。該
【發(fā)明內(nèi)容】
不旨在限制要 求保護(hù)的主題范圍。
[0007] 所公開的實(shí)施例包括永磁體馬達(dá)（PMM)馬達(dá)控制器，其實(shí)現(xiàn)用于控制N相PMM的 電流或電壓感測控制，其包括所公開的馬達(dá)控制系統(tǒng)和相關(guān)的轉(zhuǎn)子角位置確定（APD)算法 和速度估算算法。Aro系統(tǒng)包括：控制器（Aro控制器）塊，其確定位置檢測系統(tǒng)的狀態(tài)和 位置檢測算法的最終輸入信號(hào)；信號(hào)產(chǎn)生器（SIG GEN)塊，其耦接到PMM的定子端子以提供 用于產(chǎn)生電壓或電流輸入矢量集的信號(hào)；以及估算（EST)塊，其實(shí)現(xiàn)AH)算法和速度估算算 法。
[0008] 與所公開的Aro算法一起使用的控制方案可以是場定向控制（FOC)。然而，所公 開的Aro算法獨(dú)立于控制系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兛梢栽谙辔蛔鴺?biāo)中操作，相位坐標(biāo)去除了對(duì)FOC的 需要?？梢允褂玫钠渌刂品桨赴ǎ涸讦?β框架（frame)中操作的馬達(dá)控制器，其中 每個(gè)坐標(biāo)中的電壓/電流被獨(dú)立控制，接著經(jīng)由空間矢量（SV)產(chǎn)生器變換到A/B/C框架 (frame)。馬達(dá)控制器還可以在A/B/C框架內(nèi)操作以允許直接控制每個(gè)馬達(dá)相位的電壓/ 電流。
[0009] 所公開的角位置確定系統(tǒng)和相關(guān)方法確定在零速度或接近零速度的初始角位置。 處理器具有存儲(chǔ)Aro系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)器，該Aro系統(tǒng)包括：實(shí)施Aro控制器塊的Aro控制器 算法、實(shí)施SIG GEN塊的SIG GEN算法和實(shí)施EST塊的估算器算法。該處理器被編程來實(shí) 施APD控制器算法以執(zhí)行進(jìn)行SIG GEN算法的步驟以便：施加（force)包括電壓或電流矢 量的相位矢量集一次一個(gè)到定子繞組的定子端子，測量最終定子電流或電壓水平，實(shí)施根 據(jù)測量到的電流或電壓水平產(chǎn)生N維電流矢量或電壓矢量的AH)算法，以及使用該N維電 流矢量或電壓矢量來確定角位置。
[0010] 相位矢量集包括用于施加到N個(gè)定子繞組中的每一個(gè)的正幅值矢量和負(fù)幅值矢 量。所使用的電流矢量或電壓矢量的幅值全部都足夠小以至不能移動(dòng)轉(zhuǎn)子，并且針對(duì)給定 馬達(dá)，用于施加相應(yīng)矢量的持續(xù)時(shí)間基本上固定。
【附圖說明】
[0011] 現(xiàn)在將參考附圖，附圖沒有必要按照比例繪制，其中：
[0012] 圖IA是磁通密度B的曲線圖，以及針對(duì)諸如鐵的典型PMM定子芯材料，磁通密度 B如何隨著磁場強(qiáng)度H變化。圖IB是示出工作點(diǎn)與轉(zhuǎn)子的角位置之間的關(guān)系的B-H曲線。 圖IC是針對(duì)典型PMM定子芯，磁通量Φ隨著電流I變化的曲線圖。
[0013] 圖2A根據(jù)示例性實(shí)施例描繪了具有用于實(shí)施電流感測控制以控制三相PMM的馬 達(dá)控制器的馬達(dá)控制系統(tǒng)的框圖，馬達(dá)控制器具有實(shí)施電流感測控制的所公開的角位置 確定系統(tǒng)，該角位置確定系統(tǒng)包括:AH)控制器塊，其確定角位置確定系統(tǒng)的狀態(tài)并且指定 SIG GEN塊和APD算法需要的期望信號(hào)；SIG GEN塊，其被耦接到定子端子以提供用于產(chǎn)生 電壓輸入矢量集的信號(hào)；以及EST塊。
[0014] 圖2B根據(jù)示例性實(shí)施例描繪了具有用于實(shí)施電壓感測控制以控制三相PMM的馬 達(dá)控制器的馬達(dá)控制系統(tǒng)的框圖，馬達(dá)控制器具有所公開的角位置確定系統(tǒng)，該角位置確 定系統(tǒng)包括：AH)控制器塊，其確定角位置確定系統(tǒng)的狀態(tài)并且指定SIG GEN塊和APD算法 需要的期望信號(hào)；SIG GEN塊，其被耦接到定子端子以提供用于產(chǎn)生電流輸入矢量集的信 號(hào)；以及EST塊。
[0015] 圖3是根據(jù)示例性實(shí)施例描繪了實(shí)施圖2A或圖2B中所示的馬達(dá)控制器的示例性 微控制器單元（MCU)芯片的框圖。
[0016] 圖4是根據(jù)示例性實(shí)施例示出通過使用輸入相位矢量集確定PMM的轉(zhuǎn)子的角位置 的示例性方法的步驟的流程圖。
[0017] 圖5示出將所公開的APD算法應(yīng)用于表面安裝的PMM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其以10度增量 示出轉(zhuǎn)子的計(jì)算角位置與轉(zhuǎn)子的實(shí)際角位置之間的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 參照附圖描述示例性實(shí)施例，其中類似的附圖標(biāo)記用于指代類似或者等同的元 件。所例示的動(dòng)作或者事件的順序不應(yīng)被理解為限制性的，因?yàn)橐恍﹦?dòng)作或者事件可以按 照不同順序發(fā)生和/或與其它動(dòng)作或者事件同時(shí)發(fā)生。此外，一些例示動(dòng)作或者事件可以 不被要求以實(shí)現(xiàn)本公開的方法。
[0019] 并且，如本文所用，在沒有進(jìn)一步規(guī)定的情況下，術(shù)語"耦合到"或者"與...耦 合"（等）旨在描述間接或者直接電連接。因而，如果第一裝置"耦接"到第二裝置，則該連 接可以是通過直接電連接（其中僅僅在路徑上有寄生特性），或者經(jīng)由包括其他裝置和連 接件的中間項(xiàng)的間接電連接來實(shí)現(xiàn)。針對(duì)間接耦接，中間項(xiàng)一般不修改信號(hào)的信息，但是可 以調(diào)節(jié)其電流水平、電壓水平和/或功率水平。
[0020] 在下文展開所公開的角位置算法之前，需要解釋說明馬達(dá)磁阻對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)子的角位 置的依賴性。表面安裝的PMM的磁模型假設(shè)定子電阻和電感值是恒定的，只要磁性系統(tǒng)（馬 達(dá)繞組、馬達(dá)定子磁極、馬達(dá)轉(zhuǎn)子永磁體）沿著B/H曲線的線性區(qū)域（如在PMM的鐵定子芯 的典型B/H曲線中所示）操作，這就是正確的。圖IA針對(duì)給定轉(zhuǎn)子角位置描繪了隨著以A/ m為單位的磁場強(qiáng)度H變化的以特斯拉為單位（1特斯拉=lWb/m2)的磁通密度B，其示出B 通常如何隨著H變化。請(qǐng)注意B與電壓成比例（Wb = V ·秒/弧度）并且H與定子繞組電 流成比例。
[0021] 可以注意到在圖IA中存在針對(duì)正和負(fù)B場強(qiáng)度的在零與Bmag之間的線性區(qū)域、 非線性區(qū)域和飽和區(qū)域。通過由安裝到PMM的轉(zhuǎn)子的永磁體產(chǎn)生的磁通來確定B/H曲線上 的工作點(diǎn)，如在圖IA中的點(diǎn)（Hmag，Bmag)所示。工作點(diǎn)的精確位置依賴于永磁體的場強(qiáng)度、 由流過定子繞組的電流產(chǎn)生的鐵芯的場強(qiáng)度和永磁體相對(duì)于定子繞組的取向。
[0022] 圖IB是示出工作點(diǎn)與轉(zhuǎn)子取向（角位置）之間的關(guān)系的B-H曲線。在一個(gè)電周 期（2JT)內(nèi)，PMM定子芯的磁工作點(diǎn)隨著與定子繞組的幾個(gè)取向有關(guān)的轉(zhuǎn)子角位置而變化。 曲線上的點(diǎn)之間的距離依賴于轉(zhuǎn)子相對(duì)于通電的定子繞組的取向、定子繞組中的電流水平 和定子芯材料的磁導(dǎo)率。請(qǐng)注意磁通密度的零值對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子上的磁體取向與定子繞組正交 時(shí)的情況（參見配置3和配置7)。
[0023] 通過在定子芯的截面上對(duì)B積分，并且沿著閉合磁通路徑對(duì)H積分，B/H曲線可以 被轉(zhuǎn)換成如圖IC所示的ψ/l (例如，磁通量相對(duì)于定子電流）曲線，其示出PMM定子芯的 典型Φ-I曲線。針對(duì)ΡΜΜ，Ψ/Ι曲線上的工作點(diǎn)由這些磁體產(chǎn)生的磁通量（