同步电机启动锁定的检测电路和方法.pdf

一种启动失败检测系统，其基于磁通量幅值信号值提供电机启动失败的指示。该磁通量幅值信号由电机磁通量估计与转子角度估计相结合而获得。该磁通量幅值信号值与高阈值和低阈值进行比较，并且如果磁通量幅值信号值超出由高阈值和低阈值所确定的范围，则指示启动失败。电机驱动系统可以被设置成在检测到电机驱动失败时尝试重启，而用户可选择重试电流、持续时间和重试的总次数。

1、  一种用于检测电机驱动系统中的启动失败的电路，其包括：
电机磁通量幅值信号产生器，其用于基于电机磁通量或转子角度估计而产生电机磁通量幅值信号；
比较器，其具有多个输入端，其中第一输入端被耦接到所述产生器，用于接收所述幅值信号，以及输出端，用于在所述多个输入端的两个或多个输入端之间产生表示比较结果的信号；
所述多个输入端中的第二输入端，其被耦接到参考值，用于与所述幅值信号的比较；以及
所述比较器输出，当所述幅值信号高于或低于所述参考值时，所述比较器输出可操作地进行指示，由此指示启动失败。

2、  根据权利要求1所述的电路，其中，所述参考值是低阈值，并且当所述幅值信号低于所述低阈值时，所述比较器产生输出进行指示。

3、  根据权利要求1所述的电路，其中，所述参考值是高阈值，并且当所述磁通量幅值信号高于所述高阈值时，所述比较器输出进行指示。

4、  根据权利要求1所述的电路还包括另一个比较器，所述比较器具有多个输入端，所述磁通量幅值信号被施加给所述另一个比较器的所述输入端之一；以及
另一个参考值，其被施加到所述另一个比较器的第二输入端，以产生在所述磁通量幅值信号和所述另一个参考值之间的所述比较的第二指示。

5、  根据权利要求4所述的电路还包括或OR门电路，其被耦接到所述比较器的所述输出端，并且如果所述比较器的任一个产生启动失败信号，则所述或门电路可操作地产生启动失败信号。

6、  根据权利要求1所述的电路还包括被耦接到所述比较器的所述输出端的门电路，用于选择性地允许或阻止所述比较器输出信号的通过。

7、  根据权利要求6所述的电路还包括被耦接到所述门电路的使能信号，用于选择性地允许或阻止所述比较器输出信号的通过。

8、  根据权利要求7所述的电路，其中，在所述磁通量幅值信号已变为有效之后，所述使能信号可操作地使能所述门电路。

9、  根据权利要求1所述的电路还包括启动产生电路，用于把启动重试能量提供给所述电机，在启动失败的检测之后，所述启动重试产生电路可操作地把启动能量提供给所述电机，以尝试重启所述电机。

10、  根据权利要求9所述的电路，其中，提供给所述电机的所述启动重试能量具有可配置的持续时间。

11、  根据权利要求9所述的电路，其中，在检测到启动失败之后，可选择的启动重试的次数被施加给所述电机。

12、  根据权利要求9所述的电路，启动重试之间的所述间隔是可配置的。

13、  一种用于检测电机驱动系统中的启动失败的方法，其包括：
产生磁通量幅值信号，其从电机磁通量或转子角度估计被获得；
把所述磁通量幅值信号与参考值进行比较，以产生启动失败指示；以及
当产生启动失败指示时，停止所述电机的启动。

14、  根据权利要求13所述的方法还包括当检测到启动失败时重新初始化所述电机驱动系统。

15、  根据权利要求13所述的方法还包括在检测到启动失败后尝试重启所述电机。

16、  根据权利要求13所述的方法还包括把所述磁通量幅值信号与作为所述参考值的低阀值进行比较，并且当所述磁通量幅值信号低于所述低阈值时指示启动失败。

17、  根据权利要求13所述的方法还包括把所述磁通量幅值信号与作为所述参考值的高阈值进行比较，并且当所述磁通量幅值信号大于所述高阈值时指示启动失败。

18、  根据权利要求13所述的方法还包括把所述磁通量幅值信号与另一参考值进行比较，以确定启动失败是否已经发生。

19、  根据权利要求18所述的方法还包括结合所述参考值的所述比较，以获得在所述参考值之间的范围，其中，如果所述磁通量幅值信号超出所述范围，则指示电机启动失败。

20、  根据权利要求13所述的方法还包括在检测到启动失败后把启动重试提供给所述电机。

21、  根据权利要求20所述的方法还包括改变所述启动重试的所述持续时间。

22、  根据权利要求20所述的方法还包括在启动失败的检测之后把可选的启动重试的次数提供给所述电机。

23、  根据权利要求22所述的方法还包括在启动失败的检测之后，对施加到所述电机的启动重试之间的时间间隔进行配置。

24、  一种用于检测电机启动失败的系统，其包括：
装置，其用于基于电机磁通量或转子角度估计而产生磁通量幅值信号；
比较器，其被耦接到所述装置，用于接收所述磁通量幅值信号，所述比较器具有参考值输入端，由此，所述比较器输出表示所述磁通量幅值信号和所述参考值之间的比较的信号；以及
停止部，其被耦接到所述比较器输出端，并基于所述比较器输出而可操作地停止所述电机驱动的启动。

25、  根据权利要求24所述的系统还包括重启部，其用于在启动失败的检测之后重新初始化和重启所述电机驱动系统。

26、  根据权利要求24所述的系统，其中，所述参考值是可编程的。

27、  根据权利要求24所述的系统，其中，所述装置、比较器和启动失败指示在软件中被执行。

28、  根据权利要求24所述的系统还包括用于重启所述电机的重启产生组件，在启动失败的检测之后，所述重启产生组件可操作地把能量提供给所述电机。

29、  根据权利要求28所述的系统，其中，所述重启产生组件是可配置的，以便在重启失败的检测之后，改变提供给所述电机的所述重启能量的所述持续时间。

30、  根据权利要求28所述的系统，其中，在重启失败的检测之后，所述重启产生组件可操作地把多次重启尝试施加给所述电机。

31、  根据权利要求30所述的系统，其中，在重启失败的检测之后，所述重启产生组件可操作地在施加给所述电机的重启之间选择性地设置时间间隔。

同步电机启动锁定的检测电路和方法
技术领域
本发明主要涉及无传感器同步电机驱动，并特别涉及具有启动失败检测的驱动。
背景技术
永磁同步装置(PMSM)由于高质量电力电子和强大的信号处理微处理器的发展而被广泛用作电动机。PMSM装置通常比直流(DC)设备便宜并比DC装置具有更高的性能特性。PMSM装置更吸引人之处在于，对于给定尺寸大小其具有高效率、低维护费用和高转矩输出。
PMSM的运转通常需要电机的转子角度的同步，以获得所需输出特性。现有PMSM包括例如解码器或解算器的位置传感器，以有助于使相位激励与转子位置同步。但是，多种应用和环境中所使用的解码器或解算器具有多种缺点，包括损耗、可靠性、装置尺寸和噪声抗扰度。
用于检测PMSM电机中的转子位置的多种技术已经发展为可获得允许除去位置传感器的无传感器转子位置反馈。在一些情况下，无传感器转子位置检测技术集中于转子凸极(saliency)和电机线圈的局部饱和(local saturation)。这些类型的系统具有内部永磁(internalpermanent magnet)，对于内部永磁而言的凸极容易测量。通过加入对永磁相对于电机线圈的位置做出响应的高频正弦电压或其它干扰而对转子凸极进行检测。但是，信号加入会产生与效率或听觉噪声相关的其它问题。
具有类似于安装在表面上的永磁(PM)电机的最小凸极的其它类型机械系统使用反电动势EMF(back EMF)来感知转子角度。也可观察反EMF以获取信息来估计电机线圈中的磁通量。
用于PMSM电机的无传感器控制的反EMF无传感器技术存在的难点在于启动和运行期间处于低速。虽然使用上述技术可以检测到转子位置，即使转子处于静止时也是如此，但是由于凸极检测是不可用的，所以在启动时对具有安装在表面上的PM的PMSM电机进行控制存有问题。
在无传感器电机驱动启动期间，电机转矩被加强到克服驱动静摩擦(stiction)和摩擦以旋转和加速转子。电机轴静摩擦和摩擦根据所施加的负载特性而改变很大。例如，暴露在低温下的户外泵的静摩擦可从额定值增大很多。在一些例子中，电机轴可能被部分卡住(jammed)，这能阻止电机启动旋转。在这种情况下，可能发生启动失败的情况，这意味着每安培的驱动转矩比率大大减少并且电机不能加速。另外，由于以零速或低速对无传感器驱动中的转子位置进行检测存在困难，所以电机速度信息可能不精确。
发明内容
根据本发明，提供一种用于快速确定PMSM电机的启动失败情况的方法。提供用于确定成功启动的电机磁通量(flux)范围，使得能够检测具有超过该范围的磁通量水平的启动失败。电机磁通量范围能够根据本申请进行调整。在正常启动期间，电机磁通量建立并保持在某一规定范围内。该电机磁通量水平从无传感器PMSM驱动中获取，用于与该范围进行比较，以确定是否已经发生启动失败。
根据本发明的另一特征，在检测到启动失败时提供自动重启序列。当检测到启动失败时，PMSM电机驱动进行初始化并进入重启周期。根据本发明，PMSM驱动能被配置用于特定次数的启动重试，具有用于启动重试尝试的可选的重启转矩。
根据本发明的另一特征，提供启动失败检测，其作为转子角度估计电路的附加，例如在2002年11月12日提交的申请序列号为10/294,201的、名为“对于永磁同步电机驱动(IR-2130)的转子角度估计”的待审的申请中所述的。启动失败检测器由转子角度估计器中的矢量旋转器的输出获得输入磁通量幅值，并把该磁通量幅值与高阈值和低阈值进行比较，以确定磁通量幅值是否处于适当范围内。如果来自转子角度估计器的磁通量幅值超过范围，则指示启动失败情况，并且把驱动设置为默认序列以关闭电机控制信号，并且如果需要，重启具有增大的启动电流(可配置的)的启动序列。
对于成功的启动，电机磁通量水平应该保持在一定带限(bandlimit)内。如果转子磁通量超过带限，则能检测到启动失败。当检测到启动失败时，驱动将重新初始化并进入重启周期。驱动能够被配置用于可变次数的启动重试和用于启动重试的重启转矩的可变值。电机磁通量水平能容易地从无传感器控制驱动中获取，如上文所述的序列号为10/294,201(IR-2130)的申请中所述的那样。
附图说明
图1A和1B分别是永磁同步电机驱动控制系统及其控制系统的示意性方框图；
图2是对于转子角度估计器的系统方框图；
图3是对于启动检测电路的系统方框图；
图4A-4C例示了根据本发明的系统参数的图表。
具体实施方式
图1A例示了具有无传感器位置检测的电机驱动系统。图1B例示了对于具有表示电机电流和转子位置的输入Ud和Uq以及输出id、iq和θ的无传感器控制地控制系统图。
现参考图2，对于转子角度估计器的系统方框图如图示20所示。图示20中所示的转子角度估计器与锁相环一起工作，在锁相环中，锁相环误差PLL_ERR基于结合所估计的转子角度和磁通量信号而被确定，所估计的转子角度和磁通量信号以Alpha和Beta表示。转子角度估计器的工作在相关的申请序列号为10/294,201(IR-2130)的申请中被描述，该申请的内容被并入作为参考。矢量旋转器块22提供两个输出D和Q，其中只有输出Q被用作磁通量的闭环跟踪(closed looptracking of flux)。锁相环通过迫使锁相环误差PLL_ERR为零而处于稳态进行工作。比例积分器PI补偿器24有助于迫使输出Q，并且PLL_ERR的值因此为零。虽然矢量旋转器块22的输出D不用于转子角度估计，但是输出D上的信号包括关于电机磁通量幅值的信息，并根据本发明用于检测启动失败。
现参考图3，对于启动失败检测的系统方块图例示为图示30。图3例示了在图示20的转子角度估计器中所提供的所有的相同特征以及附加的启动失败检测电路。矢量旋转器块22提供了来自输出D的磁通量幅值信号，其被用于评估对于启动失败检测的阈值范围。起初，在驱动启动期间，输出D上的磁通量幅值信号由于启动时系统中的瞬变现象而无效。因此，开始序列发生器(start sequencer)或控制信号32被用于使能与(AND)门33处的启动失败检测。一旦来自输出D的磁通量幅值信号有效时，该信号可用来确定磁通量幅值是否处在规定范围内，以确定启动失败是否已经发生。因此，控制信号32在规定的延迟后使能启动检测失败指示，以使能磁通量幅值信号变为有效，并获得磁通量幅值水平范围上的正确读数(reading)。
由矢量旋转器块22的输出D所提供的磁通量幅值被施加到比较器35和36的输入端，以确定磁通量幅值信号是否处在给定范围内。优选地，把磁通量幅值信号与高阈值FLXHITHR和低阈值FLXLOTHR进行并行比较，以立即确定磁通量幅值是否处于由阀值FLXHITHR和FLXLOTHR所指定的范围内。阈值FLXHITHR和FLXLOTHR与磁通量幅值信号一起被分别施加到比较器35和36的比较器输入端。在比较器35和36的输出端上提供比较的结果。如果磁通量幅值低于高阈值FLXHITHR，则比较器35的输出为逻辑零或低电平。如果磁通量幅值大于低阈值FLXLOTHR，则比较器36的输出也为逻辑零或低电平。在正常启动序列中，比较器35和36的输出都是零，并且不产生启动失败检测指示。该比较在经过一定时间间隔(可配置的)后被执行。这样做是为了保证用于正常(normal)磁通量建立的足够时间。
如果磁通量幅值大于高阈值FLXHITHR，则比较器35的输出被设置为逻辑“1”或高电平，以指示磁通量幅值超出高磁通量阈值的限度。如果磁通量幅值低于低阈值FLXLOTHR，则较器36的输出被设置为逻辑“1”或高电平，以指示磁通量幅值超出低磁通量阈值的限度。如果比较器35和36的任一个的输出产生逻辑“1”或高电平，则指示启动失败检测。
现参考图4A-4C，根据本发明的示例性结果例示在图表41-43中。图4A中的图表41示出了对于电机电流、所计算的转子角度和所计算的磁通量的正常启动的结果。图4B中的图表42例示了启动失败的检测。在该例中，电机轴被卡住，并且磁通量幅值超出阈值限度，导致电机停止运转。在图4C的图表43中，电机轴从一开始就被卡住，并产生了启动失败检测。根据本发明的一个特征，开始自动重启以试图确定被卡住的轴是否已经自由，或者锁定情况是否已经被排除。在图4C例示的图表43中，三次自动启动尝试在点A、B和C处进行，而在点C处重启尝试之前释放电机轴。因此，在第三次尝试重启电机时，该轴没有被卡住，并且电机能够如常启动和运转。在每次重启尝试的情况下，对照高阈值FLXHITHR和低阈值FLXLOTHR测量磁通量幅值，以确定电机轴是否被卡住或是自由的。
在实现本发明的过程中可能有多个变量，包括改变自动重启尝试的次数，改变重启尝试之间的延迟时间，改变在重启尝试期间提供给电机的功率等。例如，在本发明的一个实施例中，一旦检测到启动失败，下一次自动重启能把更高的启动电流水平施加给电机，以尝试释放被堵住的轴。例如，能够根据应用和环境来配置所施加的电流量和时间周期，以试图恢复电机轴的运行。
例如，磁通量幅值参数由于下列原因发生变化，即，在时间上随着电机驱动系统使用年限增加，或由于环境条件导致的恶化，或经受高负载或严酷环境。当电机驱动系统老化时，可以改变启动电流限度阈值，以适于电机驱动系统，使得电机驱动系统中的启动失败检测能够继续如常运行。
而且，当重启时，脉冲、或更具体的施加到电机的、可以具有任意波形的重试能量(energy)能以多种不同配置进行改变。例如，重启脉冲或重试的次数可改变，使得在观察到启动失败之前可以尝试三次重启。脉冲之间的时间周期可改变，例如在重启尝试之间可使用更长或更短的间隔。可以改变脉冲或重试的持续时间，使得更长或更短的脉冲被施加给电机，以提供更多或更少的电流和转矩。
在本发明的另一变体中，高阈值或低阈值能够在硬件中进行预设，或是可编程的。例如，如果电机用在不同应用中，或者要经受用于启动的变动条件，则可以基于手动设置或自动感知把可选的一系列阈值提供给比较器。
虽然本发明已经关于其特殊实施例进行了描述，但是对于本领域技术人员而言许多其它的改变和修改以及用途将是显而易见的。因此，优选的，本发明不受限于这里的具体公开内容，仅受限于所附的权利要求。