CN108233780B - 用于检测同步机转子的永磁体存在的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种检测同步机转子的永磁体的存在的方法，其中该方法包括：向同步机的定子绕组提供(S2)电压波形的注入；获得(S3)由于电压波形的注入而在定子绕组中产生的两相电流的测量；将两相电流转换(S4)到转子参考系，以获得转子参考系中的电流波形；采样(S5)电流波形的周期的正值部分以获得采样的正值部分值，并且采样电流波形的周期的负值部分以获得采样的负值部分值；通过使用采样的正值部分值来构造(S6)第一周期性波形，并且通过使用采样的负值部分值来构造第二周期性波形；对第一周期性波形的第一频谱和第二周期性波形的第二频谱执行(S7)频率分析；以及基于第一频谱和第二频谱来确定(S8)同步机中是否存在永磁体。

Description

用于检测同步机转子的永磁体存在的方法和装置

技术领域

本公开总体涉及同步机。具体地，本公开涉及用于同步机调试的方法和装置。

背景技术

在通常的电机控制算法中，在驱动器启动时，初始的电转子位置是未知的，并且必须使用专用的识别算法。初始的电转子位置是重要的控制参数，其允许在没有反向转子旋转或超速故障的情况下，在零速度下进行受控操作。

文献中的停机解决方案主要分为两类：(1)暂态励磁测试，也称为脉冲测试，其使用以开环的方式被施加到电机的连续相的多个连续的电压脉冲。在给定的一段时间内施加这些脉冲。在每个电压脉冲结束时，提取相电流的样本。相电流的样本被用于评估电转子的位置和永磁体(PM)的磁通极性。(2)高频信号注入方法，相对于脉冲方法更先进并且准确性更高。然而，它们需要附加的信号处理技术和波形分析。

实施高频信号注入方法的两种主要方式是使用旋转注入技术或脉冲注入技术。在旋转注入方法的情况下，以恒定速度旋转的高频正弦电压矢量被施加到电机。测量的载波电流被处理，并且电转子位置和磁极性信息作为注入的旋转电压与测量的旋转电流响应之间的相位调制而被传递。

对于脉冲注入方法，在电机的转子参考系中应用随机取向的高频正弦脉冲电压矢量。电转子位置和永磁体磁通极性信息作为估计的转子参考系的载波电流响应的幅度调制而被提取。

文献中提出的解决方案通常是在特定的电机上开发的，缺乏通用的方法。因此，当应用于不同的电机时，这些解决方案需要算法修改、调整算法的特定参数或识别各种电机相关参数。这是主要的缺点，因为这种识别算法是在驱动器启动期间应用，而在此时只有电机的基本信息是可用的：额定电流、额定电压和额定频率。此外，在文献中提出的一些解决方案需要使用转子位置反馈装置。然而，对于一些应用来说，这样的装置过于昂贵或者对驱动器的可靠性具有负面影响，因此它们被省略。因此，文献中提出的一些方法不能应用于工业驱动器。

在脉冲测试(1)的情况下，问题概而言之是施加电压脉冲的持续时间。当停机操作是强制的时，这是至关重要的。因此，脉冲持续时间通常通过实验测试而事先确定，然后存储在与相应的电机相关联的驱动器的存储器中。

在高频注入方法(2)的情况下，需要事先调整用于电流调制的一些参数，或者用于位置和永磁体磁通极性解调算法的一些参数。此外，高频信号注入方法对凸极比(saliencyratio)的值(电机特定参数)是敏感的。如果对电机转子位置的解调算法不是针对特定的凸极比(通常可以大于1或小于1，因此是特定的电机设计)来设计的，那么该解调算法可能是不稳定的。此外，具有接近于1的凸极比的电机可能导致电气位置识别失败。

US20100264861公开了一种用于确定由变速驱动器驱动的电动机的磁通矢量的位置的方法。该方法在没有速度传感器或位置传感器的情况下实现，并且基于通过使用低频电流注入来检测磁通矢量的估计位置中的误差。该方法包括将第一电流矢量注入到相对于与电动机的旋转同步的参考系以第一频率旋转的第一注入参考系中，并将第二电流矢量注入到以相反于第一频率的第二频率旋转的第二注入参考系中；确定在与第一参考系同步的第一积分器模框的输出处输送的第一定子磁通感应电压，以及在与第二参考系同步的第二积分器模框的输出处输送的第二定子电压的步骤；通过使转子磁通矢量的实际位置与估计位置之间的误差最小化，调节转子磁通矢量的位置的步骤，该误差基于第二感应电压而被确定。

根据US20100264861，转子必须来回移动至少几度，因为它需要产生反电动势。然而，对于特定的工业应用来说，在参数识别期间不允许转子移动。

发明内容

本公开的目的是提供一种检测同步机的转子的永磁体的存在的方法，其解决或至少减轻了现有技术的问题。

因此，根据本公开的第一方面，提供了一种检测同步机的转子的永磁体的存在的方法，其中该方法包括：向同步机的定子绕组提供电压波形的注入；获得由于电压波形的注入而在定子绕组中产生的两相电流的测量；将两相电流转换到转子参考系，以获得转子参考系中的电流波形；采样电流波形的周期的正值部分以获得采样的正值部分值，并且采样电流波形的周期的负值部分以获得采样的负值部分值；通过使用采样的正值部分值来构造第一周期性波形，并且通过使用采样的负值部分值来构造第二周期性波形；对第一周期性波形的第一频谱和第二周期性波形的第二频谱执行频率分析；以及基于第一频谱和第二频谱来确定同步机中是否存在永磁体。

最高磁阻的轴线可以以多种方式获得，例如，通过根据本文介绍的第四方面的方法，或者使用背景技术部分中介绍的方法(1)和(2)之一。

通过根据本文介绍的第一方面的方法，在不需要事先知道同步机类型的情况下，可以确定同步机的转子中永磁体的存在。

第一周期性波形的构建可以通过使用对第一周期性波形的周期的正值部分的采样的正值部分值，并且使用具有负号的采样的正值部分值以获得第一周期性波形的周期的负值部分而被执行。

第二周期性波形的构建可以通过使用对第二周期性波形的周期的负值部分的采样的负值部分值，并且使用具有负号的采样的负值部分值以获得第二周期性波形的周期的正值部分而被执行。

根据一个实施例，该确定是基于从第一频谱获得的第一周期性波形的谐波畸变以及从第二频谱获得的第二周期性波形的谐波畸变。

根据一个实施例，在第一周期性波形和第二周期性波形的谐波畸变相同的情况下，确定在同步机的转子中不存在永磁体。

因此，在第一周期性波形和第二周期性波形的谐波畸变基本上相等的情况下，可以确定不存在永磁体。这可以从以下事实中得到：如果存在永磁体，那么同步机的铁芯中的饱和将是不均匀的，这将反映在不同的频谱中，特别是反映在所分析的两个周期性波形的谐波畸变的量上。如果不能检测到这种差异，那么可以得出结论，在同步机的转子中不存在永磁体。在这种情况下，同步机可以例如是同步磁阻电机。

根据一个实施例，在第一周期性波形的谐波畸变高于第二周期性波形的谐波畸变的情况下，确定同步机的转子有永磁体，并且永磁体的北极是在第一方向上。

因此，在最高磁阻的方向上同步机的铁芯中存在更高程度的饱和，这意味着磁体的北极被定向在这个方向上。

根据一个实施例，在第二周期性波形的谐波畸变高于第一周期性波形的谐波畸变的情况下，确定同步机的转子有永磁体，并且永磁体的北极是在与第一方向相反的方向上。

因此，在与最高磁阻的轴线的第一方向相反的方向上(即与第一方向成180度)，同步机的铁芯中存在更高程度的饱和，这意味着磁体的北极被定向为与第一方向成180度。

根据一个实施例，电压波形具有在同步机的铁芯中引起饱和的频率和幅度。以这种方式，可以获得受饱和影响的相电流，该相电流在转子参考系中提供第一周期性波形和第二周期性波形的频谱信息，这些信息对于确定永磁体是否存在并且确定永磁体的北极来说是必需的。

一个实施例包括，在转子参考系中沿着最高磁阻的轴线的第一方向上产生脉动电压波形，其中在步骤中，电压波形是基于脉动电压波形。

根据本公开的第二方面，提供了一种包括计算机可执行部件的计算机程序，当该计算机可执行部件通过永磁体检测器的处理电路被执行时，使得该永磁体检测器执行根据本发明的第一方面的方法。

根据本公开的第三方面，提供了一种用于检测同步机的转子的永磁体的存在的永磁体检测器，该永磁体检测器包括：处理电路以及存储介质，该存储介质包括计算机可执行部件，当该计算机可执行部件在处理电路上运行时使得该永磁体检测器：向同步机的定子绕组提供电压波形的注入；获得由于电压波形的注入而在定子绕组中产生的两相电流的测量；将两相电流转换到转子参考系，以获得转子参考系中的电流波形；采样电流波形的周期的正值部分以获得采样的正值部分值，并且采样电流波形的周期的负值部分以获得采样的负值部分值；通过使用采样的正值部分值来构造第一周期性波形，并且通过使用采样的负值部分值来构造第二周期性波形；对第一周期性波形的第一频谱和第二周期性波形的第二频谱执行频率分析；以及基于第一频谱和第二频谱来确定同步机中是否存在永磁体。

根据一个实施例，该永磁体检测器被配置成，基于从第一频谱获得的第一周期性波形的谐波畸变和从第二频谱获得的第二周期性波形的谐波畸变，确定永磁体是否在同步机中存在。

根据一个实施例，该永磁体检测器被配置成，在第一周期性波形和第二周期性波形的谐波畸变相同的情况下，确定在同步机的转子中不存在永磁体。

根据一个实施例，该永磁体检测器被配置成，在第一周期性波形的谐波畸变高于第二周期性波形的谐波畸变的情况下，确定同步机的转子有永磁体，并且永磁体的北极是在第一方向上。

根据一个实施例，该永磁体检测器被配置成，在第二周期性波形的谐波畸变高于第一周期性波形的谐波畸变的情况下，确定同步机的转子有永磁体，并且永磁体的北极是在与第一方向相反的方向上。

根据一个实施例，该永磁体检测器被配置成，产生具有在同步机的铁芯中引起饱和的频率和幅度的电压波形。

根据一个实施例，该永磁体检测器被配置成，在转子参考系中沿着最高磁阻的轴线的第一方向上产生脉动电压波形，其中永磁体检测器被配置成基于该脉动电压波形将电压波形注入到同步机的定子绕组。

根据本公开的第四方面，提供了一种用于确定同步机的转子的电转子位置的方法，其中该方法包括：a)在估计的转子参考系中的第二方向上产生脉动正弦电压波形，b)基于估计的转子参考系中第二方向上的脉动正弦电压波形，提供施加到同步机定子绕组的正弦电压波形的注入，c)获得由于正弦电压波形的注入在定子绕组中所产生的两相电流的测量，d)将两相电流转换到定子参考系，以获得第一定子参考系电流分量和第二定子参考系电流分量，e)确定与第一定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第一电流包络，以及与第二定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第二电流包络，f)基于第一电流包络和第二电流包络来确定第二方向与定子参考系之间的估计的角度，g)基于估计的角度来调整第二方向，并且利用脉冲正弦波形重复步骤b)至g)，其中第二方向被调整以用于提供正弦波形的注入，直到已经满足预定标准为止，以及h)在满足标准时，通过在步骤b)至g)的迭代中获得的估计角度，来确定最高磁阻路径(与同步机的实际转子参考系的轴线重合)相对于定子参考系的定向，并且提供电转子位置的指示。

电转子位置是机械转子位置乘以同步机的极对的数目。

该方法能够为各种同步机(包括市场上出现的高度非线性电机)提供可靠的初始电转子识别。所提出的解决方案还是通用的并且与电机类型无关。此外，电转子位置的确定还可以在停机状态下提供，并且不需要调节。

根据一个实施例，在步骤e)中估计的角度通过对第一电流包络和第二电流包络应用四象限反正切函数来确定。

根据一个实施例，该标准是在步骤b)至f)的后续迭代中获得的两个估计的角度之间的差小于预定值。

根据一个实施例，该标准是步骤b)至f)的预定迭代量或者步骤b)至f)的迭代要执行的预定时间量。

根据一个实施例，该转子参考系处于直-交坐标系中。

根据本发明的第五方面，提供了一种包括计算机可执行部件的计算机程序，当该计算机可执行部件通过电转子位置确定系统的处理电路执行时，使得该电转子位置确定系统执行根据本发明的第一方面的方法。

根据本发明的第六方面，提供了一种用于确定同步机的转子的电转子位置的电转子位置确定系统，其中该电转子位置确定系统包括：处理电路以及存储介质，该存储介质包括计算机可执行部件，当该计算机可执行部件在处理电路上运行时使得该电转子位置确定系统：a)在估计的转子参考系中的第二方向上产生脉动正弦电压波形，b)基于估计的转子参考系中第二方向上的脉动正弦电压波形，提供施加到同步机定子绕组的正弦电压波形的注入，c)获得由于正弦电压波形的注入在定子绕组中所产生的两相电流的测量，d)将两相电流转换到定子参考系，以获得第一定子参考系电流分量和第二定子参考系电流分量，e)确定与第一定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第一电流包络，以及与第二定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第二电流包络，f)基于第一电流包络和第二电流包络来确定第二方向与定子参考系之间的估计的角度，g)基于估计的角度来调整第二方向，并且利用脉冲正弦波形重复步骤b)至g)，其中第二方向被调整以用于提供正弦波形的注入，直到已经满足预定标准为止，以及h)在满足标准时，通过在步骤b)至g)的迭代中获得的估计角度，来确定最高磁阻路径(与同步机的实际转子参考系的轴线重合)相对于定子参考系的定向，并且提供电转子位置的指示。

根据一个实施例，该处理电路被配置成，通过对第一电流包络和第二电流包络应用四象限反正切函数来确定估计的角度。

根据一个实施例，该标准是在步骤b)至f)的后续迭代中获得的两个估计的角度之间的差小于预定值。

根据一个实施例，该标准是步骤b)至f)的预定迭代量或者步骤b)至f)的迭代要执行的预定时间量。

根据一个实施例，该转子参考系处于直-交坐标系中。

根据本公开的第七方面，提供了一种对设置有永磁体的同步机的类型进行识别的方法，其中该方法包括：在转子参考系中正交于最高磁阻轴线的方向上产生脉动电压波形；基于正交于最高磁阻轴线的脉动波形，通过功率变流器提供施加到同步机的定子绕组的电压波形的注入，其中在功率变流器饱和的情况下，或者在正交于最高磁阻轴线被注入的电压波形的幅度与沿着最高磁阻轴线被注入的电压波形的幅度的比值明显不等于1的情况下，确定该同步机是内置式永磁同步机(IPMSM)，否则该同步机是表面式永磁同步机(SPMSM)。

明显不等于1在这里意思是与1有至少15％的差别。

一个实施例包括，获得永磁体的极性，并且基于该永磁体的极性以及通过提供沿着最高磁阻轴线的电压波形的注入而获得的转子参考系中电压波形的正峰值和负峰值，确定该IPMSM是经典IPMSM还是PMaSynRM(永磁体辅助磁阻电机)。

根据本公开的第八方面，提供了一种用于对设置有永磁体的同步机的类型进行识别的同步机识别器，该同步机识别器包括处理电路以及存储介质，该存储介质包括计算机可执行部件，当该计算机可执行部件在处理电路上运行时使得该同步机识别器：在转子参考系中正交于最高磁阻轴线的方向上产生脉动电压波形；基于正交于最高磁阻轴线的脉动波形，通过功率变流器提供施加到同步机的定子绕组的电压波形的注入，其中在功率变流器饱和的情况下，或者在正交于最高磁阻轴线被注入的电压波形的幅度与沿着最高磁阻轴线被注入的电压波形的幅度的比值明显不等于1的情况下，确定该同步机是内置式永磁同步机(IPMSM)，否则该同步机是表面式永磁同步机(SPMSM)。

根据一个实施例，该同步机识别器被配置成，获得永磁体的极性，并且基于该永磁体的极性以及通过提供沿着最高磁阻轴线的电压波形的注入而获得的转子参考系中电压波形的正峰值和负峰值，确定该IPMSM是经典IPMSM还是PMaSynRM。

通常，权利要求中使用的所有术语根据其技术领域中的普通含义进行解释，除非本文另行明确地定义。所有对“一/一个/该元件、设备、部件、装置等”的引用都应该被公开解释为表示元件、设备、部件、装置等的至少一个实例，除非另有明确说明。

附图说明

现在将参考附图，通过示例来描述本发明构思的特定实施例，其中：

图1是电转子位置确定系统的示例的框图；

图2是可以由电转子位置确定系统实现的用于确定同步机转子的电转子位置的各种框的框图；

图3是示出第二方向(形成估计的转子参考系的轴线)、实际转子参考系和定子参考系之间关系的图；

图4是通过图1中的电转子位置确定系统来确定同步机转子的电转子位置的方法的流程图；

图5示出永磁体检测器的示例的框图；

图6是可以由永磁体检测器实现的用于检测永磁体的存在并确定永磁体的极性的各种框的框图；

图7是检测同步机转子的永磁体的存在的方法的流程图；

图8示出转子参考系中的电流波形、两个周期性波形的构建以及它们相应的频谱；并且

图9示出同步机类型识别器的示例的框图。

具体实施方式

现在将参考附图，在下文中更充分地描述本发明构思，其中示出了示例性实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例是作为示例提供，以使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。在整个说明书中，相同的数字指代相同的要素。

本公开的一个方面涉及确定同步机转子的电转子位置的方法。同步机的电转子位置通过确定最高磁阻路径而被确定，该最高磁阻路径与电转子位置重合。最高磁阻路径不是一条轴线，即它不具有方向，而是穿过实际的转子参考系或真实的转子参考系的原点延伸的一条线，其具有相对于同步机的定子参考系的定向。在检测到同步机具有磁体的情况下，这个方面可与涉及永磁体和永磁体的北极的极性/方向的检测的本公开的另一方面相关联或可不与涉及永磁体和永磁体的北极的极性/方向的检测的本公开的另一方面相关联。

尽管电转子位置(即最高磁阻路径)是用于确定永磁体的存在和极性的必需分量，但是电转子位置可以以不同于本文描述的其他备选方式而被确定，例如在美国专利US2010264861A1或在

等人发表在IECON 2012–38^th Annual Conference onIEEE Industrial Electronics Society中的论文“Initial Rotor PositionIdentification in Medium Voltage Synchronous Machines”中所公开的方式，或通过例如背景内容部分所述的其他已知方式而被确定。

本公开的另一方面涉及同步机的类型的识别。这种识别是基于最高磁阻路径的知识并且基于永磁体的极性的知识。同样，通过涉及电转子位置的确定的方面，或者通过例如如上所述的其他方法，可以获得最高磁阻路径。

将首先描述涉及电转子位置的方面，并且其涉及在估计的转子参考系(即诸如直角坐标系的旋转坐标系)中产生脉动正弦波形。脉动正弦波形在估计的转子参考系中的第二方向上产生。该第二方向可以是任意选择的方向，或者可以是预定的方向。脉动正弦波形从估计的转子参考系被转换到三相参考系中的正弦波形。正弦波形被施加到同步机的定子绕组。由于将正弦波形施加到定子绕组而在定子绕组中所产生的相电流，从测量中获得，并且被转换到定子参考系，由此获得了第一定子参考系电流分量和第二定子参考系电流分量。

确定与第一定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第一电流包络以及与第二定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第二电流包络，并且基于第一电流包络和第二电流包络获得了定子参考系与第二方向之间的估计的角度。基于估计的角度来调整第二方向并重复上述步骤。对于每次步骤迭代，最近调整的第二方向形成了用于产生施加到定子绕组的正弦波形的基础。迭代持续进行，直到预定标准已经满足为止。第二方向可以例如利用两个最近的后续估计的角度之间的差值来进行调整。可以例如对第二方向的先前值施加对应于该差值的旋转，以在估计的转子参考系中旋转脉动正弦波形。以这种方式，针对每次迭代，第二方向都将被旋转，并且第二方向将朝向同步机的实际转子参考系的轴线(此时未知)之一收敛，该轴线与最高磁阻路径或最高磁阻线重合。

参考图1，示出了电转子位置确定系统的示例。电转子位置确定系统1被配置成确定同步机的转子的电位置，并且电转子位置确定系统1包括处理电路3、存储介质5和输入单元7，该存储介质5操作性地连接到处理电路3，该输入单元7被配置成接收定子绕组的相电流的测量值并且向处理电路3提供这些测量值。

处理电路3使用合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等中的一个或多个的任何组合，其能够执行本文所公开的关于电转子位置确定的任何操作。

存储介质5可以例如被实现为存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，更具体地被实现为诸如USB(通用串行总线)存储器或闪存(诸如紧凑型闪存)的外部存储器中的装置的非易失性存储介质。存储介质5包括计算机可执行部件，当该计算机执行部件在处理电路3上运行时，使得电转子位置确定系统1执行如本文所公开的确定电转子位置的方法的步骤。

图2示出说明电转子位置确定系统1的逻辑框的示例的框图，该电转子位置确定系统1可以用于通过电转子位置确定系统1来确定同步机SM的电转子位置。图2中的任何计算框都通过处理电路3来实现。

根据图2中的示例，电压参考框9被配置成在估计的转子参考系中产生具有频率ω_inj和幅度U_inj的脉动正弦波形。具体地，电压参考框9被配置成在估计的转子参考系中的第二方向上产生脉动正弦波形。估计的转子参考系例如是在直-交(d，q)坐标系中。

脉动正弦波形被第一转换框11从估计的转子参考系转换到定子参考系，该定子参考系被固定到同步机SM的定子。

在第二转换框13中，从第一转换框11获得的旋转正弦波形被转换到三相参考系。基于由电压参考框9产生的脉动正弦波形的正弦波形从而被施加到同步机SM的定子绕组。该正弦波形通常通过逆变器而被施加到定子绕组，该逆变器通常是在第二转换框13与同步机SM之间连接的电压源逆变器，在图2中未示出。

第三转换框15被配置成将在定子绕组中测量的两相电流从三相参考系转换到定子参考系。以这种方式，获得了第一定子参考系分量和第二定子参考系分量。第一定子参考系分量和第二定子参考系分量通过包络检测器框17而被处理。包络检测器框17被配置成检测与第一定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第一电流包络以及与第二定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第二电流包络。

角度估计器框19被配置成确定在第二方向与定子参考系之间的估计的角度θ_est。估计的角度θ_est被反馈到第一转换框11，由此脉动正弦波形的第二方向基于估计的角度θ_est而被调整。将正弦波形施加到定子绕组并确定估计的角度θ_est这一过程被重复多次，并且因此针对基于当前估计的角度θ_est而被调整的多个第二方向重复这一过程。由此，在第二方向与定子参考系之间的估计的角度θ_est将朝向同步机的实际转子参考系的轴线之一收敛，该轴线由转子的电位置所限定。

图3示出定子参考系21，它是固定到同步机定子的两相正交参考系。根据示例，可以具有相对于定子参考系21的固定定向的同步机的实际转子参考系23，由于转子的停机状态，而具有直轴d和交轴q。

可以看出，第二方向形成具有轴线1和轴线2的估计的转子参考系25的轴线，对于该方法的每次迭代，即每当估计的角度θ_est被反馈到第一转换框11时，该第二方向朝向实际的转子参考系23转动。在图3所示的示例中，估计的转子参考系25朝向实际的转子参考系23转动，并且在差值Δθ＝θ_est–θ足够小时，尽管不知道实际的转子参考系23的定向(即不知道第二方向是正d轴还是负d轴，或者是正q轴还是负q轴)，但是第二方向将与实际的转子参考系23的轴线之一重合。

根据图3所示的示例，指示出在估计的转子参考系25的轴线1与实际的转子参考系23的d轴之间收敛，但是应当注意到，这种收敛还可能在轴线1与实际的转子参考系23的q轴之间；轴线1朝向实际的转子参考系23的哪条轴线收敛取决于所分析的同步机。

最高磁阻路径或等同的最低电感路径，通过第二方向的递归调整而被确定，在该递归调整中，由电压参考框9产生的脉动正弦波形与实际的转子参考系23的d轴或q轴(取决于同步机的类型)重合。实际的转子参考系23的这条轴线(在此时其定向未知)也可以被称为最高磁阻的轴线。在定子参考系21与实际的转子参考系23之间的角度由θ表示。在同步机中存在永磁体的情况下，确定的最高磁阻路径还与永磁体通量的轴线重合。

尽管在实行该方法时实际的转子参考系23通常处于停机状态，但是应当注意，通过补偿计算中的旋转，该算法还可以适用于旋转多个转子/一个转子参考系。

现在将参考图4，更详细地描述由电转子位置确定系统1执行的确定同步机转子的电转子位置的方法。

在步骤a)中，在估计的转子参考系中的第二方向上产生脉动正弦电压波形。

在步骤b)中，提供施加到同步机的定子绕组的正弦电压波形的注入。该正弦波形是基于转子参考系中的第二方向上的脉动正弦波形。如前所述，正弦波形通过从估计的转子参考系到三相参考系的转换而获得。

在步骤c)中，获得由于正弦电压波形的注入而产生的定子绕组中两相电流的测量。该两相电流的测量可以例如从电流传感器获得。

在步骤d)中，两相电流被转换到定子参考系以获得第一定子参考系电流分量和第二定子参考系电流分量。具体地，第一定子参考系电流分量可以是i_α并且第二定子参考系电流分量可以是i_β。

在步骤e)中，确定与第一定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第一电流包络以及与第二定子参考系分量的基波的幅度和相位相关联的第二电流包络。尽管注入的电压波形是正弦的，但是由于饱和/畸变，在步骤d)中所测量的相电流包括多种高次谐波。这就是针对两个定子参考系分量来评估基波的电流包络的原因。基波可以由例如离散傅里叶变换(DFT)获得或通过滤波获得。

当电机处于停机并且忽略电阻压降和交叉耦合效应时，第一电流包络i_αenvelope和第二电流包络i_βenvelope可以被表示如下：

其中

且

并且L_dd和L_qq是分别与d轴和q轴相关联的电感，

且

并且

其中atan2是四象限反正切函数。

在步骤f)中，基于第一电流包络和第二电流包络来确定第二方向与定子参考系之间的估计的角度θ_est。

具体地，根据一个示例，通过对第一电流包络和第二电流包络应用四象限反正切函数来确定估计的角度θ_est。对此，估计的角度θ_est可以如下获得：

在获得估计的角度θ_est时，实际的转子参考系23相对于定子参考系21的定向当然不是已知的，但是通过迭代，在所估计的角度的两个后续值之间的差值Δθ＝θ_est–θ(即Δθ＝θ_estN–θ_estN-1)可以变得很小或基本上为零，由此，估计的角度θ_est朝向实际的转子参考系23与定子参考系21之间的角度收敛。对此，当已经执行多次迭代时，第二方向与定子参考系21之间的估计的角度θ_est将等于或基本上等于定子参考系与实际的转子参考系之间的角度，即θ_est＝θ。

在步骤g)中，基于估计的角度来调整第二方向，并且利用脉冲正弦波形重复步骤b)至f)，其中第二方向被调整以用于提供正弦波形的注入，直到已经满足预定标准为止。

该标准可以例如是在步骤b)至f)的后续迭代中获得的两个估计的角度之间的差值小于预定值，即Δθ＝θ_estN–θ_estN-1小于预定值。

根据另一示例，该标准可以是步骤b)至f)的迭代的预定量、或者步骤b)至f)的迭代要被执行的预定时间量。

在步骤h)中，当标准已经满足时，最高磁阻路径相对于定子参考系21的定向通过在步骤b)至f)的迭代中获得的估计的角度θ_est而确定。因此，当满足标准时，这样获得的估计的角度被选择为第二方向与定子参考系21之间的角度，并且在这种情况下，第二方向将与实际的转子参考系23的轴线之一重合或基本重合。以这种方式，可以获得同步机转子的位置。

应当注意的是，通过上述方法，第二方向/轴线1在收敛时仅提供与实际的转子参考系的轴线的对齐，该轴线是最高磁阻的轴线，即与最高磁阻重合的轴线。通过将第二方向/轴线1与实际的转子参考系对齐，没有获得关于潜在永磁体的极性的信息。在此时，轴线1的正轴方向并未确定。该方向可以通过下面描述的方法来获得，该方法识别永磁体的存在和定向。

参考图5，示出了永磁体检测器的示例。永磁体检测器26被配置成检测同步机转子的永磁体的存在，并且包括处理电路27、存储介质29和输入单元31，存储介质29操作性地连接到处理电路27，输入单元31被配置成接收定子绕组的相电流的测量值并向处理电路27提供这些测量值。

应当注意的是，永磁体检测器和电转子位置确定系统可以是相同的系统，即电转子位置确定系统也可以包括下面描述的永磁体检测器。作为备选，永磁体检测器可以是与电转子位置确定系统分离的系统。

处理电路27使用合适的中央处理单元(CPU)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等中的一个或多个的任何组合，其能够执行本文所公开的关于永磁体检测和永磁体极性确定的任何操作。

存储介质29可以例如被实现为存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，更具体地被实现为诸如USB(通用串行总线)存储器或闪存(诸如紧凑型闪存)的外部存储器中的器件的非易失性存储介质。存储介质29包括计算机可执行部件，当该计算机执行部件在处理电路27上运行时，使得永磁体检测器26执行如本文所公开的检测永磁体的存在的方法的步骤。

图6示出说明永磁体检测器26的逻辑框的示例的框图，该永磁体检测器26可以用于检测同步机是否具有永磁体，并且在确定永磁体存在的情况下来确定该永磁体的极性。图6中的任何计算框都通过永磁体检测器26的处理电路27来实现。

根据图6中的示例，电压参考框9被配置成在转子参考系中产生具有频率ω_inj和幅度U_inj的脉动波形，例如估计的转子参考系25，估计的转子参考系25在上述过程之后具有与实际的转子参考系23的轴线重合的轴线1和轴线2。通常脉动波形是正弦的。电压参考框9被配置成在转子参考系中沿着最大磁阻(即最小电感)的轴线的第一方向上产生脉动波形。转子参考系例如是在直-交(d，q)坐标系中。

如前所述，与实际的转子参考系23的最高磁阻的轴线重合的最高磁阻路径，可以例如通过本文的上述方法或通过任何其他方法而已经被确定。

脉动波形被第一转换框11从转子参考系转换到定子参考系，该定子参考系被固定到同步机SM的定子的交参考系。

在第二转换框13中，从第一转换框11获得的旋转正弦波形被转换到三相参考系。基于由电压参考框9产生的脉动正弦波形的正弦波形从而被施加到同步机SM的定子绕组。该正弦波形通常通过逆变器而被施加，该逆变器通常在第二转换框13与同步机SM之间连接，在图6中未示出。

第三转换框15被配置成将在定子绕组中测量的两相电流从三相参考系转换到定子参考系。第四转换框16被配置成将定子参考系电流分量转换到转子参考系。这里，由于在该方法被执行的同时同步机SM的转子处于停机状态，转子参考系中的电流(被称为电流波形)通常将沿着最高磁阻的轴线。

永磁体检测器26还包括永磁体检测和极性检测框33，该永磁体检测和极性检测框33接收电流波形来执行该电流波形的频率分析，以确定同步机中是否存在永磁体。在检测到永磁体存在的情况下，永磁体检测和极性检测框33被配置成确定该永磁体的极性，这将在下文中更详细地描述。

永磁体检测器26被配置成执行如下文所述并在图7中示出的步骤S1至S8，以确定永磁体的存在。

在步骤S1中，在转子参考系中沿着最高磁阻的轴线的第一方向上产生脉动电压波形。该脉动电压波形通常是正弦电压波形。尽管电压波形在最高磁阻的轴线中是脉动的，即电压波形在正值方向与负值方向之间移动，但是“第一方向”在这里意味着脉动电压波形的初始方向(即前半个周期的方向)，该方向可以是正值方向或负值方向。

在步骤S2中，基于在沿着最高磁阻的第一方向上的脉动波形，提供施加到同步机SM的定子绕组的电压波形的注入。

在步骤S3中，获得由于电压波形的注入而在定子绕组中产生的两相电流的测量。

在步骤S4中，两相电流被转换到转子参考系以获得转子参考系中的电流波形。如上所述，这种转换包括通过第三转换框15和第四转换框16到定子参考系的转换以及进一步地到转子参考系的转换，这种转换通过处理电路27来实现。

步骤S1中产生的脉动电压波形优选地具有在同步机的铁芯中引起饱和的频率和幅度。以这种方式，步骤S3中所测量的相电流和步骤S4中所获得的相应的电流波形将被畸变，即它们与通常是正弦的、如步骤S2中施加到定子绕组的电压波形的注入相比，包括高次谐波。

在步骤S5中，电流波形的周期的正值部分被采样以获得采样的正值部分值，并且电流波形的周期的负值部分被采样以获得采样的负值部分值。

图8中示出了电流波形34的周期的正值部分35的采样点，以及电流波形的周期的负值部分37的采样点。

在步骤S6中，如图8所示，第一周期性波形39通过使用采样的正值部分值而被构造，并且第二周期性波形41通过使用采样的负值部分值而被构造。

可以通过改变正值部分值的符号以获得第一周期性波形39的周期的负值部分而构造第一周期性波形39。因此，第一周期性波形39的周期的正值部分和负值部分具有相同的形状；它们是镜像。可以通过改变负值部分值的符号以获得第二周期性波形41的周期的正值部分而构造第二周期性波形41。因此，第二周期性波形41的周期的正值部分和负值部分具有相同的形状；它们是镜像。

在步骤S7中，执行第一周期性波形的频谱和第二周期性波形的频谱的频率分析。具体地，分析作为第一周期性波形39的频谱的第一频谱43，并且分析作为第二周期性波形41的频谱的第二频谱45。为此，可以使用滤波方法或诸如傅里叶变换的频域分析工具，例如离散傅里叶变换(DFT)，例如快速傅里叶变换(FFT)。

在步骤S8中，基于第一频谱43并基于第二频谱45，确定永磁体是否存在于同步机中。

在步骤S8中，基于使用第一频谱43所获得的第一周期性波形39的谐波畸变的量、以及使用第二频谱45所获得的第二周期性波形41的谐波畸变的量而执行确定。具体地，作为示例，第一周期性波形39的特定高次谐波的第一幅度A1可以除以第一周期性波形39的基波的幅度，并且第二周期性波形41的相同特定高次谐波的第二幅度A2可以除以第二周期性波形41的基波的幅度，这提供了第一周期性波形39和第二周期性波形41的谐波畸变的量度。第一周期性波形39和第二周期性波形41中的任一波形的谐波畸变HD可以通过以下公式来计算，被称为总谐波畸变：

其中H_n是n次谐波的幅度，其中n＝1时是基波。应当注意的是，通常由于第一周期性波形39和第二周期性波形41是奇函数，在它们相应的频谱(即第一频谱43和第二频谱45)中仅包括奇次谐波，并且因此分母中将仅包括奇次谐波。此外已经示出的是，如上所述，仅通过使用第一周期性波形39和第二周期性波形41中的每个波形的三次谐波的幅度来计算谐波畸变通常就足够了，在这种情况下，第一周期性波形39和第二周期性波形41中的每个波形的谐波畸变是H₃/H₁，即第一周期性波形39的谐波畸变等于第一周期性波形39的三次谐波的幅度与第一周期性波形39的基波的幅度的比值。同样的情形适用于第二周期性波形41。

在第一周期性波形39和第二周期性波形41的谐波畸变相同或基本相同的情况下，在步骤S8中确定在同步机的转子中不存在永磁体。

在第一周期性波形39和第二周期性波形41中的一个波形的谐波畸变更高的情况下，这表示永磁体的存在。

在第一周期性波形39具有比第二周期性波形41的谐波畸变更高的谐波畸变的情况下，即当考虑确定电转子位置的方法时，确定永磁体的北极位于最高磁阻的轴线的第一方向上，位于图3所示的轴线1的方向上。

在第二周期性波形41具有比第一周期性波形39的谐波畸变更高的谐波畸变的情况下，确定永磁体的北极位于与第一方向相反的方向上，即图3中的轴线1的负值方向上。

下面将描述同步机识别器和识别同步机类型的方法。这里，可以识别三种主要类别的同步机，即1)表面式永磁同步机(SPMSM)、2)内置式永磁同步机(IPMSM)和3)同步磁阻电机(SynRM)。类别2)可以被细分为类型2A)经典IPMSM和2B)永磁体辅助磁阻电机(PMaSynRM)。这些类别也可以通过下文描述的同步机识别器和方法来识别。

根据一个变型，同步机识别器和相应的方法可以依赖于前述确定最高磁阻路径的定向和永磁体极性的方法。作为备选，该方法可以与前述两种方法分开执行。

参考图9，示出了同步机类型识别器的示例。同步机类型识别器47被配置成识别同步机的类型，并且包括处理电路49、存储介质51和输入单元53，存储介质51操作性地连接到处理电路49，输入单元53被配置成接收定子绕组的相电流的测量值并向处理电路49提供这些测量值。

应当明白的是，同步机类型识别器47和永磁体检测器26可以是相同的系统，即永磁体检测器26也可以包括下面描述的同步机类型识别器。根据一个变型，同步机类型识别器47还可以是与电转子位置确定系统1相同的系统。作为备选，同步机类型识别器可以是与电转子位置确定系统1和永磁体检测器26分离的系统。

同步机类型识别器47可以被配置成执行上述的步骤S1至S8，因此将不再描述这些步骤。如前所述，在步骤S8中，确定永磁体是否存在。在步骤S8中没有永磁体被检测到的情况下，确定同步机SM是同步磁阻电机。在这种情况下，该方法已经结束。

在步骤S8中确定永磁体存在的情况下，同步机类型识别器47被配置成识别同步机的类型。

为了确定同步机是否是类别1)或类别2)，在步骤S9中，在与最高磁阻的轴线正交的方向上产生脉动电压波形。在这种情况下，脉动电压波形沿着估计的转子参考系25的轴线2而不是轴线1，该估计的转子参考系25与实际的转子参考系23对齐。在步骤S10中，基于与最高磁阻的轴线正交的方向的脉动电压波形，提供施加到同步机SM的定子绕组的电压波形的注入。再次，在步骤S9中产生的脉动电压波形优选地具有引起同步机的铁芯饱和的频率和幅度，即在估计的转子参考系中的电流波形34的基波分量接近于或等于标称电机电流。

如果被配置成注入电压波形的电压源变流器由于轴线2中的目标电流波形不可达到从而变得饱和，或者如果电压源变流器未达到饱和，但是先前在步骤S2中沿着轴线1注入的电压波形的幅度与沿着轴线2的注入电压波形的幅度之间的比值明显不等于1(例如相差15％)，那么确定同步机是类型2)，即IPMSM。注意，这里还没有确定IPMSM是上面定义的类型2A)还是类型2B)。另一方面，如果先前在步骤S2中沿着轴线1注入的电压波形的幅度与沿着轴线2的注入电压波形的幅度之间的比值约等于1，那么确定同步机是类别1)，即SPMSM。

在已经确定同步机是IPMSM的情况下，确定IPMSM是类型2A)还是类型2B)。此时，在执行步骤S1至S8的同时，在步骤S4中获得的电流波形34的正峰值和负峰值可以被确定并且被存储在存储介质51中。

同步机类型识别器47被配置成，将负峰值的绝对值与正峰值进行比较，并且分析永磁体的极性以确定IPMSM是类型2A)还是类型2B)。

在正峰值大于负峰值的绝对值并且确定永磁体的北极位于第一方向上的情况下，将在实际的转子参考系中沿着轴线1的第一方向定义为正d轴。如果反之确定负峰值的绝对值大于正峰值并且确定永磁体的北极位于与第一方向相反的方向上，那么将在实际的转子参考系中沿着轴线1的第一方向定义为负d轴。在这两种情况下，同步机是经典IPMSM。

如果正峰值大于负峰值的绝对值并且确定永磁体的北极位于与第一方向相反的方向上，那么将在实际的参考系中沿着轴线1的第一方向定义为正q轴。如果反之确定负峰值的绝对值大于正峰值并且确定永磁体的北极位于第一方向上，那么将在实际的参考系中沿着轴线1的第一方向定义为负q轴。在这两种情况下，同步机是PMaSynRM。

应当注意的是，由同步机类型识别器47所执行的方法不一定必须包括步骤S1至S8。例如，在最高磁阻的轴线是已知的并且永磁体的极性是已知的情况下，并且如果电流波形34的正峰值和负峰值是先前已知的，那么根据步骤S9和S10产生并注入在轴线2上的电压波形，并且结合永磁体极性分析来执行正峰值与负峰值的比较，就足以确定IPMSM是经典类型还是PMaSynRM类型。

以上主要参照几个示例来描述本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了以上公开的实施例以外的其他实施例，同样可以在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内。

Claims (15)

1.一种检测同步机（SM）的转子的永磁体的存在的方法，其中所述方法包括：

向所述同步机（SM）的定子绕组提供电压波形的注入，

获得由于所述电压波形的注入而在所述定子绕组中产生的两相电流，

将所述两相电流转换到转子参考系，以获得所述转子参考系中的电流波形（34），

采样所述电流波形的周期的正值部分（35）以获得采样的正值部分值，并且采样所述电流波形（34）的周期的负值部分（37）以获得采样的负值部分值，

通过使用所采样的正值部分值来构造第一周期性波形（39），并且通过使用所采样的负值部分值来构造第二周期性波形（41），

对所述第一周期性波形（39）的第一频谱（43）和所述第二周期性波形（41）的第二频谱（45）执行频率分析，以及

基于从所述第一频谱（43）获得的所述第一周期性波形（39）的谐波畸变和从所述第二频谱（45）获得的所述第二周期性波形（41）的谐波畸变是否相同，来确定所述同步机（SM）中是否存在永磁体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一周期性波形（39）和所述第二周期性波形（41）的谐波畸变相同的情况下，确定在所述同步机（SM）的转子中不存在永磁体。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述第一周期性波形（39）的谐波畸变高于所述第二周期性波形（41）的谐波畸变的情况下，确定所述同步机（SM）的转子具有永磁体，并且所述永磁体的北极是在第一方向上，所述第一方向是在所述转子参考系中沿着最高磁阻的轴线的方向。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在所述第二周期性波形（41）的谐波畸变高于所述第一周期性波形（39）的谐波畸变的情况下，确定所述同步机（SM）的转子具有永磁体，并且所述永磁体的北极是在与所述第一方向相反的方向上。

5.根据权利要求1至2中任一项权利要求所述的方法，其中所述电压波形具有在所述同步机（SM）的铁芯中引起饱和的频率和幅度。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中所述谐波畸变包括高次谐波的畸变，所述高次谐波是三次谐波。

7.根据权利要求1至2中任一项权利要求所述的方法，包括在所述转子参考系中沿着最高磁阻的轴线的第一方向上产生脉动电压波形，其中在向所述同步机（SM）的定子绕组提供电压波形的注入的步骤中，所述电压波形是基于所述脉动电压波形。

8.一种计算机可读存储介质，所述存储介质包括计算机可执行部件，当所述计算机可执行部件通过永磁体检测器（26）的处理电路执行时，使得所述永磁体检测器（26）执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.一种永磁体检测器（26），用于检测同步机（SM）的转子的永磁体的存在，所述永磁体检测器（26）包括：

处理电路（27），和

存储介质（29），所述存储介质（29）包括计算机可执行部件，当所述计算机可执行部件在所述处理电路（27）上运行时使得所述永磁体检测器（26）：

向所述同步机（SM）的定子绕组提供电压波形的注入，

获得由于所述电压波形的注入而在所述定子绕组中产生的两相电流，

将所述两相电流转换到转子参考系，以获得所述转子参考系中的电流波形（34），

采样所述电流波形（34）的周期的正值部分（35）以获得采样的正值部分值，并且采样所述电流波形（34）的周期的负值部分（37）以获得采样的负值部分值，

通过使用所采样的正值部分值来构造第一周期性波形（39），并且通过使用所采样的负值部分值来构造第二周期性波形（41），

对所述第一周期性波形（39）的第一频谱（43）和所述第二周期性波形（41）的第二频谱（45）执行频率分析，并且

基于从所述第一频谱（43）获得的所述第一周期性波形（39）的谐波畸变和从所述第二频谱（45）获得的所述第二周期性波形（41）的谐波畸变是否相同，来确定所述同步机（SM）中是否存在永磁体。

10.根据权利要求9所述的永磁体检测器（26），其中所述永磁体检测器（26）被配置成：在所述第一周期性波形（39）和所述第二周期性波形（41）的谐波畸变相同的情况下，确定在所述同步机的转子中不存在永磁体。

11.根据权利要求9或10所述的永磁体检测器（26），其中所述永磁体检测器被配置成：在所述第一周期性波形（39）的谐波畸变高于所述第二周期性波形（41）的谐波畸变的情况下，确定所述同步机的转子具有永磁体，并且所述永磁体的北极是在第一方向上，所述第一方向是在所述转子参考系中沿着最高磁阻的轴线的方向。

12.根据权利要求11所述的永磁体检测器（26），其中所述永磁体检测器被配置成：在所述第二周期性波形（41）的谐波畸变高于所述第一周期性波形（39）的谐波畸变的情况下，确定所述同步机的转子具有永磁体，并且所述永磁体的北极是在与所述第一方向相反的方向上。

13.根据权利要求9至10中任一项所述的永磁体检测器（26），其中所述永磁体检测器被配置成：产生具有在所述同步机的铁芯中引起饱和的频率和幅度的电压波形。

14.根据权利要求9至10中任一项所述的永磁体检测器（26），其中所述谐波畸变包括高次谐波的畸变，所述高次谐波是三次谐波。

15.根据权利要求9至10中任一项所述的永磁体检测器（26），其中所述永磁体检测器（26）被配置成在所述转子参考系中沿着最高磁阻的轴线的第一方向上产生脉动电压波形，其中所述永磁体检测器被配置成基于所述脉动电压波形，将所述电压波形注入到所述同步机（SM）的所述定子绕组。

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