無需為電機進行電流采樣的無傳感器磁場定向控制(foc)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開總體涉及電機控制器。更具體地，本公開涉及無需為電機進行電流采樣的 無傳感器磁場定向控制（FOC)。
【背景技術】
[0002] 永磁同步電機（PMSM)、無刷直流電機（BLDC)、開關磁阻電機、步進電機、以及感應 電機代表可以使用磁場定向（filed-oriented)控制（FOC)技術控制的電機類型。這些類 型的電機通常包括轉動的轉子和靜止的定子。這些電機通常由將直流（DC)輸入轉化成交 流（AC)輸出的逆變器供電。
[0003] 在FOC技術中，對逆變器的各種輸出進行控制以便調整電機的操作。"無傳感 器"FOC指的是一種方案，該方案中電機的一個或多個特性（例如電機速度或轉子位置）是 推導出的而不是使用電機上的傳感器直接測量得的。在一些無傳感器FOC技術中，向逆變 器提供DC輸入的DC總線上的電壓及由逆變器提供的兩相或三相電流的樣本被使用。在其 他無傳感器FOC技術中，由于DC總線的電流包括三相電流信息，DC總線上的電流被測量并 使用。由于這些方法使用電流樣本，它們通常要求使用一個或多個模數轉換器和一個或多 個運算放大器來捕獲這些電流樣本。
【發明內容】
[0004] 本申請提供了用于無需為電機進行電流采樣的無傳感器磁場定向控制（FOC)的 方法和裝置。
[0005] 在第一示例中，一種裝置包括無傳感器磁場定向控制（FOC)電機控制器。該電機 控制器包括脈寬調制（PWM)控制器，該脈寬調制控制器被配置為生成PWM信號并且將這些 PWM信號提供給逆變器。電機控制器還包括角度采樣器，該角度采樣器被配置為接收控制的 電壓角度信號并且響應于觸發事件將該控制的電壓角度信號提供作為輸出信號。觸發事件 是基于與逆變器的輸入或輸出關聯的電壓或電流的。電機控制器進一步包括第一組合器， 被配置為將（i)前饋電壓角度信號與（ii)基于該輸出信號的第二信號進行組合。第一組 合器被配置為生成控制的電壓角度信號。此外，電機控制器包括第二組合器，該第二組合器 被配置為將前饋電壓振幅信號與第二信號進行組合。
[0006] 在第二示例中，一種系統包括被配置為向電機供電的逆變器和無傳感器磁場定向 控制（FOC)電機控制器。該電機控制器包括脈度調制（PWM)控制器，該脈度調制控制器被配 置為生成PWM信號并且向該逆變器提供這些PWM信號。該電機控制器還包括角度采樣器， 該角度采樣器被配置為接收控制的電壓角度信號并且響應于觸發事件將控制的電壓角度 信號提供作為輸出信號。觸發事件是基于與逆變器的輸入或輸出關聯的電壓或電流的。電 機控制器進一步包括第一組合器，該第一組合器被配置為將（i)前饋電壓角度信號與（ii) 基于該輸出信號的第二信號進行組合。該第一組合器被配置為生成控制的電壓角度信號。 此外，電機控制器包括第二組合器，該第二組合器被配置為將前饋電壓振幅信號與第二信 號進行組合。
[0007] 在第三示例中，一種方法包括為向電機供電的逆變器生成脈寬調制（PWM)信號以 及使用無傳感器磁場定向控制調整這些PWM信號的生成。調整PWM信號的生成包括接收與 電機關聯的控制的電壓角度信號以及響應于觸發事件輸出該控制的電壓角度信號。觸發事 件是基于與逆變器的輸入或輸出關聯的電壓或電流的。調整PWM信號的生成還包括使用控 制的電壓角度信號識別角度誤差。調整PWM信號的生成進一步包括通過將（i)前饋電壓角 度信號與（ii)基于角度誤差的第二信號進行組合來生成電壓命令的相位角信號。控制的 電壓角度信號表示相位角信號。此外，調整PWM信號的生成包括通過將前饋電壓振幅信號 與第二信號進行組合來生成電壓命令的電壓信號，其中這些PWM信號是基于電壓命令生成 的。
【附圖說明】
[0008] 圖1根據本公開說明一種支持無需為電機進行電流采樣的無傳感器磁場定向控 制（FOC)的示例系統；
[0009] 圖2至圖4根據本公開說明一種支持無需為電機進行電流采樣的無傳感器FOC的 示例電機控制器及相關細節；以及
[0010] 圖5根據本公開說明一種用于無需為電機進行電流采樣的無傳感器FOC的示例方 法。
【具體實施方式】
[0011] 圖1根據本公開說明一種支持無需為電機進行電流采樣的無傳感器磁場定向控 制（FOC)的示例系統100。如圖1所示，系統100包括電源102、逆變器104和電機106。電 源102表示向逆變器104提供直流電力的直流（DC)電源。電源102包括用于提供DC電力 的任何適當結構，例如一個或多個電池、燃料電池、太陽能電池或其他DC電源。
[0012] 逆變器104從電源102接收DC電力并將直流電力轉化成交流（AC)形式。在此示 例中，逆變器104表示將DC電力轉化成提供給電機106的三相AC電流的三相逆變器。逆 變器104包括用于將電力從DC形式轉換成AC形式的任何適當結構。例如，逆變器104可 包括使用脈寬調制（PWM)信號驅動的若干晶體管開關。
[0013] 電機106使用逆變器104提供的電流運行。例如，電機106可以包括旋轉的轉子 和使該轉子基于來自逆變器104的電流旋轉的定子。電機106包括使用來自逆變器的電流 運行的任何適當類型的電機。示例電機類型包括永磁同步電機、無刷直流電機、開關磁阻電 機、步進電機和感應電機。在特定示例中，電機106包括通常是直的轉子（如磁轉子）和定 子中的若干線圈（如六個線圈）。這些線圈被選擇性地基于來自逆變器104的電流進行通 電和斷電，這使得轉子旋轉。
[0014] 電機控制器108控制逆變器104的操作從而控制電機106的操作。例如，電機控制 器108可生成驅動逆變器104中的晶體管開關的PWM信號。通過控制PWM信號的占空比， 電機控制器108可控制由逆變器104向電機106提供的電流。
[0015] 在此示例中，電機控制器108接收控制的（commanded)速度信號ω #作為輸入，該 信號識別電機106的期望速度。電機控制器108還可接收與DC總線110上的DC電壓和/ 或DC電流關聯的信號作為輸入，DC總線110將來自電源102的DC電力提供給逆變器104。 電機控制器108可進一步接收與多個電流線112中的一個關聯的信號作為輸入，多個電流 線112將來自逆變器104的三相電流提供給電機106。電機控制器108使用這些輸入來生 成用于驅動逆變器104中的晶體管開關的PWM信號。
[0016] 電機控制器108支持無傳感器磁場定向控制的使用。也就是說，電機控制器108 不從安裝在電機106之中或電機106之上的傳感器接收傳感器的測量值。相反地，電機控 制器108使用從DC總線110或一個或多個電流線112中得到的信息推斷電機106的一個 或多個特性，如電機轉速或轉子位置。此外，電機控制器108不要求使用系統100中的任何 電流的電流采樣。相反地，如下面說明的，電機控制器108可以使用與一個或多個電壓或電 流關聯的時序信息，而不是任何電流的實際樣本，來控制電機106。
[0017] 因為如此，電機控制器108不需要包括用于采樣電流的電路。這種電路通常包括 電流傳感器（例如分流電阻器）、模數轉換器和運算放大器。因此，這種方法可以降低電機 控制器108的尺寸和成本。下面提供了關于電機控制器108的附加細節。
[0018] 此處的組件102-112可位于使用一個或多個電機的任何適當的較大系統114的至 少一部分之內或以其他方式形成任何適當的較大系統的至少一部分。例如，較大系統114 可表示使用電機106來移動乘客或貨物的車輛。然而，很多其他系統可以使用由逆變器供 電的電機，如電動滑板車或自行車、HVAC(供暖、通風和空調）系統、水泵、致動器和計算裝 置或家庭娛樂裝置的光盤驅動器中的電機。
[0019] 雖然圖1說明支持無需為電機106進行電流采樣的無傳感器FOC的系統100的一 個示例，可以對圖1進行各種改變。例如，電機控制器108可被耦合到DC總線110和電流 線112中的一個或二者。
[0020] 圖2至圖4根據本公開說明支持無需為電機106進行電流采樣的無傳感器FOC的 示例電機控制器108及相關細節。如圖2所示，此示例中的電源102是使用整流器202和 電容器204實現的。整流器202通常運行用于將AC輸入電力轉換成DC輸出電力。電容器 204表示將來自整流器202的DC輸出電力中的變量進行平滑處理的輸出電容器。整流器 202包括用于將電力從AC形式轉換成DC形式的任何適當結構。電容器204包括具有任何 適當電容的任何適當的電容性結構。可以使用若干晶體管開關206實現此示例中的逆變器 104。這些晶體管開關206包括任何適當晶體管裝置。
[0021] 如圖2所示，電機控制器108包括增益單元208,該增益單元208將增益應用到所 控制的速度信號ω?。增益單元208輸出前饋（或原始控制的）電壓振幅信號。增益單元 208根據所控制的速度信號ω?將該電壓振幅信號歸一化，這通常在控制的電壓與控制的速 度近似成正比時才有可能。增益單元208包括用于將增益應用到輸入信號的任何適當的結 構。積分器210積分所控制的速度信號ω'積分器210的輸出表不前饋電壓角度信號。積 分器210包括用于積分信號的任何適當的結構。
[0022] 電機控制器108中的角度采樣器212可被耦合到DC總線110和/或電流線112 中的至少一個。此處的角度采樣器212生成輸出信號，該輸出信號在出現觸發事件時表示 與電機106關聯的所控制的電壓角度。具體地，角度采樣器212可以接收（來自組合器220 的）連續控制的電壓角度信號Θ，該電壓角度信號Θ表示與電機106關聯的電壓角度，并 且響應于觸發事件，信號Θ在特定實例中所識別的電壓角度由角度采樣器212輸出。該觸 發事件可表示DC總線110或電流線112上的電壓或電流中的過零或峰值。在此示例中，角 度采樣器212可以被功能地實現為比較器212a和采樣保持電