阅读说明：本技术 用于识别电动旋转场机器的磁各向异性的方法 (Method for detecting magnetic anisotropy of an electrodynamic rotating field machine ) 是由 斯特凡·厄尔布 于 2019-07-01 设计创作，主要内容包括：描述了一种用于识别包括转子和定子的电动旋转场机器的磁各向异性的方法,该方法包括下述步骤：在注入间隔期间设定相等绝对值的注入脉冲,检测呈电流差矢量形式的相应的电流响应,以及根据电压矢量和电流差矢量确定各向异性。这种方法应该允许以简单的方式识别磁各向异性。为此,使用三相域中的注入脉冲。(A method for identifying magnetic anisotropy of an electrodynamic rotating field machine comprising a rotor and a stator is described, the method comprising the steps of setting injection pulses of equal absolute value during an injection interval, detecting a corresponding current response in the form of a current difference vector, and determining the anisotropy from a voltage vector and a current difference vector.)

用于识别电动旋转场机器的磁各向异性的方法

技术领域

本发明涉及一种用于识别包括转子和定子的电动旋转场机器的磁各向异性的方法，该方法包括下述步骤：在注入间隔期间设定相等绝对值的注入脉冲(injectionpulses)，检测呈电流差矢量形式的相应的电流响应，以及根据电压矢量和电流差矢量确定各向异性。

背景技术

例如从WO 2017/045810 A1中已知这种方法。

这种方法需要许多计算操作，特别是乘法运算，这是耗时的并且需要对应的大计算能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种识别电动旋转场机器的磁各向异性的简单方式。

该目的是通过如开头所述的方法实现的，其中，使用三相域中的注入脉冲。

使用三相域中的注入脉冲大体上使用形成闭合三角形的三个矢量(或三个矢量的多倍)。因此，仅需要三次测量。电动旋转场机器可以是同步电机和感应电机，并且该方法可以用于这些机器的无传感器控制。

在本发明的实施例中，使用三相旋转矩阵来解调制电流差矢量。利用形成呈三角形形式的闭环的注入脉冲的单个矢量分量，解调制的电流差不受各向同性分量的影响，而是仅反映转子各向异性，这是转子角度检测的相关部分。

在本发明的实施例中，三相旋转矩阵仅包括值±1和±1/2。这样实现了叠加矢量的数学简单化，并且允许在没有任何乘法运算的情况下，而是仅通过求和项和/或移位运算来计算各向异性矢量分量。

在优选实施例中，三相旋转矩阵的形式为

为

选择直角，这样得出上述值±1和±1/2。

在本发明的实施例中，三相域中的电压矢量的数量是n×3，其中，n是正整数。因此，n可以是1、2、3或更大。例如，也可以使用具有相同幅值但具有不同方向的六个注入矢量的序列，这允许构建高频载波。

在本发明的实施例中，根据预定误差e_max选择n

其中，f_out是转子的输出频率，f_sw是调制频率。这样，可以实现该方法在转子移动得越慢时变得越准确。

在本发明的实施例中，使用电子硬件电路或可编程逻辑装置来确定三相域中的电压矢量和电流差矢量。在这两种解决方案中，可以提供必要的计算能力，然而，不需要有太多的计算能力。因此，电子硬件电路或可编程逻辑装置可以保持得很小。

本发明还涉及一种非易失性计算机可读介质，其编码有用于识别包括转子和定子的电动旋转场机器的磁各向异性的计算机程序，所述计算机程序包括用于控制可编程处理器以执行下述步骤的计算机可执行指令：在注入间隔期间设定相等绝对值的注入脉冲、检测呈电流差矢量形式的相应的电流响应、以及根据电压矢量和电流差矢量确定各向异性，其特征在于，使用三相域中的注入脉冲。

附图说明

将参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出了三角形或3脉冲注入方法的示意图，

图2示出了六边形或6脉冲方法，以及

图3示出了使用两个三角形的6脉冲方法的示例。

具体实施方式

通过测量在称为注入周期的短时间间隔期间由定子电压U_S引起的定子电流I_S的变化，可以检测电机(或者通常包括转子和定子的电动旋转场机器)的磁各向异性。通过使用不同的矢量方向重复进行测量，可以确定各向异性的方向。假设场方向控制(FOC)的动态足够慢，即，FOC输出在一个三角形周期内几乎是恒定的，那么如图1所示的三个注入矢量的叠加使得总和返回到起始点而不会扰乱FOC。然而，测量由不同注入所引起的电流差允许重建电机的各向异性。

如图1所示，注入三角形的三个单矢量分量形成电压U₁、U₂、U₃的闭环，并且解调制的电流差不受各向同性分量的影响，而是仅反映转子各向异性，这是用于转子角度检测的相关部分。

使用旋转的注入分析电流差提供了独立于FOC产生的电压观察电机各向异性的优点。高频注入通常可以以例如2f_SW/3(每个调制半周期一次注入)或f_SW/3(每个调制周期一次注入)转动并且被解调制，使得三个注入矢量U₁、U₂、U₃中的每一个注入矢量均有助于各向异性分量的测量。

本发明允许叠加的矢量的数学简单化。因为为了数学简单化，使用相位U、V和W的三相矢量来表示注入电压和电流差是方便的。

其中，u_inj是注入幅值。随后使用三相旋转矩阵来解调制来自旋转注入矢量的测量的相电流差ΔI_uvw，

对于三个不同的注入电压U₁、U₂和U₃以及排列在图1所示的三角形中的注入电压，对应的矩阵结果为

所有电流差的总和给出了注入中的三相估计，对应于旋转各向异性矢量的三个相位。为了数值简单化，所有ΔI_xyz和在此乘以因子2。这允许在没有任何乘法运算的情况下，仅通过求和项和/或移位运算来计算各向异性矢量分量。

现在可以通过应用Clarke变换来确定各向异性矢量的a和b分量。

Δa＝2Δu-Δv-Δw

假设转子各向异性是正弦分布的，则Δa和Δb表现出正弦和余弦振荡，各向异性角可以计算为

这是随后的转子位置检测的基础。

相当于3脉冲方法，幅值相同但具有不同方向的六个注入矢量的序列也允许构建高频载波。载波通常可以在2f_SW/6(每个调制半周期一次注入)或f_SW/6(每个调制周期一次注入)转动并且被解调制，使得六个注入矢量U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆中的每个注入矢均有助于各向异性分量的测量，如图2所示。为了数学简单化，使用相位U、V和W的三相矢量来表示注入电压和电流差仍然是方便的。

注入幅值u_inj定义了六个矢量的长度

使用三相旋转矩阵来解调制来自旋转注入矢量的测量的相电流差ΔI_uvw

对于六个不同的注入电压U₁、U₂、U₃、U₄、U₅、U₆，得到如下对应的矩阵结果：

所有电流差的总和再次给出了所述注入中的六个相位估计，对应于旋转各向异性矢量的三个相位。为了数值简单化，所有ΔI_xyz和在此乘以因子2。这允许在没有任何乘法运算的情况下而仅通过简单的求和项和/或移位运算(在乘以因子2的情况下)来计算各向异性分量。

可以通过应用Clarke变换再次计算各向异性矢量的正弦和余弦项。

Δa＝2Δu-Δv-Δw

假设转子各向异性是正弦分布的，那么可以使用下述等式从三相量直接计算转子角：

不失一般性，六个脉冲不能一个接一个地产生，如

U＝[U₁，U₂，U₃，U₄，U₅，U₆]

然而，可以按任意顺序排列，例如，如

U＝[U₁，U₃，U₅，U₄，U₆，U₂]

这对应于如图3所示的两个小三角形的产生。

这再次允许使用U₁、U₃及U₅的更快求和项Δu₁₃₅、Δv₁₃₅及Δw₁₃₅进行简化计算

Δu₁₃₅＝+2ΔI_u1-ΔI_v1-ΔI_w1-ΔI_u3-ΔI_v3+2ΔI_w3-ΔI_u5+2ΔI_v5-ΔI_w5

Δv₁₃₅＝-ΔI_u1+2ΔI_v1-ΔI_w1+2ΔI_u3-ΔI_v3-ΔI_w3-ΔI_u5-ΔI_v5+2ΔI_w5

Δw₁₃₅＝-ΔI_u1-ΔI_v1+2ΔI_w1-ΔI_u3+2ΔI_v3-ΔI_w3+2ΔI_u5-ΔI_v5-ΔI_w5

以及U₂、U₄及U₆的Δu₂₄₆、Δv₂₄₆及Δw₂₄₆

Δu₂₄₆＝+ΔI_u2-2ΔI_v2+ΔI_w2-2ΔI_u4+ΔI_v4+ΔI_w4+ΔI_u6+ΔI_v6-2ΔI_w6

Δv₂₄₆＝+ΔI_u2+ΔI_v2-2ΔI_w2+ΔI_u4-2ΔI_v4+ΔI_w4-2ΔI_u6+ΔI_v6+ΔI_w6

Δw₂₄₆＝-2ΔI_u2+ΔI_v2+ΔI_w2+ΔI_u4+ΔI_v4-2ΔI_w4+ΔI_u6-2ΔI_v6+ΔI_w6它们等同于来自上述3脉冲方法的求和项进行处理。将六边形细分为两个三角形的优点使得各向异性测量准确两倍，同时保持了磁场方向控制(FOC)的相同带宽。

可以扩展3脉冲和6脉冲方法的结果，以创建用于各向异性分析的高精度方法。也就是说，对于n个三角形注入，测量噪声另外减少1/n倍。然而，最大FOC带宽保持不变，因为三角形形状保证总注入总是在每三个样本之后返回其原点。

测量准确性的唯一剩下的限制是变化的转子位置。由于注入方法假设不变的转子位置，因此平均结果的精度取决于输出频率。因此，可以得出平均方法，其基于转子的估计的输出频率f_out使用最小的n_min个三角形。在每个调制周期进行一次注入，三角形周期3/f_sw可以被称为选择的最大误差e_max。因此，可以认为：

也就是说，作为固有特性，该方法在转子移动得越慢时变得越准确。

作为示例，对于一个机械度的最大误差e_max＝1/360，f_sw＝8kHz，并且f_out＝1Hz。n_min可以被估计为

n_min≈7.4

这意味着，至少有七个三角形用于平均得到的各向异性矢量，由1Hz(或60rpm)的实际转子移动引入的误差小于1度。在30rpm时，已经可以使用14个三角形来检测具有相同定位误差的转子位置，使得平均值准确两倍。

应该记住的是，FOC的带宽不受较大平均时间的影响，因为转子位置可以假设为不变，而FOC仍然以高达f_sw/3的带宽作用。如上所述，由于三相域中的各向异性矢量由简单的求和项给出，所以可以使用电子硬件电路或可编程逻辑装置很容易地实现。

可编程逻辑装置可以在用于识别包括转子和定子的电动旋转场机器的磁各向异性的程序下运行，该计算机程序包括用于控制可编程处理器以执行下述步骤的计算机可执行指令：在注入间隔期间设定相等绝对值的注入脉冲、检测呈电流差矢量形式的相应的电流响应、以及根据电压矢量和电流差矢量确定各向异性，其中，使用三相域中的注入脉冲。