CN107659234A

CN107659234A - 三相电机的转子位置感测系统以及相关方法

Info

Publication number: CN107659234A
Application number: CN201710610938.9A
Authority: CN
Inventors: 高井和顺
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2018-02-02

Abstract

本发明涉及三相电机的转子位置感测系统以及相关方法。本发明提供一种用于感测三相永磁同步电机(PMSM)的转子位置的系统和方法，其包括与所述PMSM耦接并且致使向所述PMSM施加多个电压脉冲的控制器。定时器和/或模数转换器与所述PMSM耦接，并且由与所述PMSM耦接的三相逆变器测量多个值(测量值)。每个测量值可与所述多个电压脉冲中的一个对应并且包括与所述PMSM的电感对应的电流值或时间值。一个或多个逻辑元件基于所述测量值和一个或多个位置算法来计算所述PMSM的转子相对于所述PMSM的定子的位置。所述系统被配置为当所述转子处于停止配置时以及当所述转子处于旋转配置时计算所述转子的位置。

Description

三相电机的转子位置感测系统以及相关方法

相关专利申请的交叉引用

本申请是现正待决的2016年7月20日提交的标题为“Rotor Position SensingSystem for Three Phase Motors and Related Methods(用于三相电机的转子位置感测系统和相关方法)”且将Kazumasa Takai列为第一发明人的早期美国实用新型专利申请序列号15/215,425的部分继续申请，该实用新型专利的公开内容据此全部以引用的方式并入本文中。

技术领域

本文档的各方面整体涉及三相电机。特定实施方式涉及使用星形(Y形)配置或三角形配置的三相电机。特定实施方式涉及永磁同步电机(PMSM)。

背景技术

三相电力系统使用三个导体，每个导体承载交流电。这些电流具有相同的频率和振幅，但每个电流相对于另外两个电流的相差为三分之一。这种相位差导致在每个导体上在另一个导体上产生电压峰值之后的三分之一循环处产生电压峰值(以此类推)，这种效应可用于在电机中产生旋转磁场。存在利用此类旋转磁场的永磁同步电机(PMSM)，包括表面PMSM(SPMSM)和内嵌/内部PMSM(IPMSM)。

发明内容

用于感测电机的转子位置的系统(系统)的实施方式可包括：控制器，其与三角形配置三相永磁同步电机(PMSM)耦接，该控制器被配置为致使致使向PMSM施加多个电压脉冲；定时器和/或模数转换器(ADC)，其与PMSM和控制器耦接并且被配置为由与PMSM藕接的三相逆变器测量多个值(测量值)，测量值中的每个与多个电压脉冲中的一个对应并且包括与PMSM的电感对应的电流值或与PMSM的电感对应的时间值；以及一个或多个逻辑元件，其被配置为基于测量值并使用一种或多种位置算法来计算PMSM的转子相对于PMSM的定子的位置；其中该系统被配置为当转子处于停止配置时以及当转子处于旋转配置时计算转子的位置。

用于感测电机的转子位置的系统(系统)的实施方式可包括以下中的一者、全部或任一者：

一个或多个逻辑元件可与一个或多个分流电阻器耦接，所述分流电阻器与三相逆变器耦接。

该系统可被配置为计算不使用矢量控制(磁场定向控制)来控制的PMSM的转子的位置。

PMSM可为表面永磁同步电机(SPMSM)。

PMSM可为内嵌永磁同步电机(IPMSM)。

一个或多个逻辑元件可计算转子的位置，准确度在30度以内。

该系统可包括定时器、与定时器耦接的比较器以及信号处理器，该信号处理器与定时器耦接并且被配置为响应于来自比较器的输入来在开始配置与停止配置之间切换定时器。

一种或多种位置算法可包括

和/或

其中每个α_i包括介于0和2π之间的值，并且其中每个y_i包括测量值中的一个。

该系统可被配置为计算使用矢量控制(磁场定向控制)来控制的PMSM的转子的位置。

用于感测电机的转子位置的系统(系统)的实施方式可包括：与三角形形配置三相永磁同步电机(PMSM)耦接的控制器，该控制器被配置为将多个电压脉冲施加到PMSM；至少三个分流电阻器，其与同PMSM耦接的三相逆变器耦接；定时器和/或模数转换器(ADC)，其与至少三个分流电阻器耦接并且被配置为测量多个值(测量值)，测量值中的每个与多个电压脉冲中的一个对应并且包括与PMSM的电感对应的电流值或与PMSM的电感对应的时间值；以及一个或多个逻辑元件，其与定时器和/或ADC耦接并且被配置为基于测量值并使用一种或多种位置算法来计算PMSM转子相对于PMSM的定子的位置；其中该系统被配置为当转子处于停止配置时以及当转子处于旋转配置时计算转子的位置。

该系统可包括定时器、ADC、比较器和多路复用器，其各自与该一个或多个逻辑元件耦接。

该系统还可包括取样与保持元件(S/H)和模拟多路复用器(AMUX)，其与该一个或多个逻辑元件耦接。

一个或多个位置算法可包括

和

用于感测电机的转子位置的方法(方法)的实施方式可包括：将控制器和定时器和/或模数转换器(ADC)与三角形配置三相永磁同步电机(PMSM)耦接；使用控制器向PMSM施加多个电压脉冲；使用定时器和/或ADC由与PMSM耦接的三相逆变器测量多个值(测量值)，测量值中的每个与多个电压脉冲中的一个对应并且包括与PMSM的电感对应的电流值或与PMSM的电感对应的时间值；以及使用与PMSM耦接的一个或多个逻辑元件基于测量值并且使用一个或多个位置算法来计算PMSM的转子相对于PMSM的定子的位置；其中一个或多个逻辑元件被配置为当转子处于停止配置时以及当转子处于旋转配置时计算转子的位置；并且其中一个或多个逻辑元件被配置为计算不使用矢量控制(磁场定向控制)来控制的PMSM的转子的位置。

用于感测电机的转子位置的方法(方法)的实施方式可包括以下中的一者、全部或任一者：

一个或多个位置算法可包括

和

当转子处于停止配置时使用该一个或多个逻辑元件计算转子相对于定子的位置。

将定时器与PMSM耦接并且响应于来自比较器的输入使用信号处理器在开始配置与停止配置之间切换定时器。

将ADC与PMSM耦接，使用ADC将来自三相逆变器的模拟信号转换为数字信号，并且将来自ADC的数字信号传送到该一个或多个逻辑元件。

测量值可使用与一个或多个分流电阻器耦接的一个或多个元件来测量，该一个或多个分流电阻器与三相逆变器耦接。

对于本领域的普通技术人员而言，通过具体实施方式以及附图并通过权利要求书，上述以及其他方面、特征和优点将会显而易见。

附图说明

将在下文中结合附图来描述各实施方式，其中类似标号表示类似元件，并且：

图1是代表性地示出永磁同步电机(PMSM)的实施方式的元件和轴线的图；

图2是代表性地示出具有假定正弦或余弦波形的PMSM的磁场分布的曲线图；

图3是代表性地示出表面PMSM(SPMSM)的磁饱和特征的曲线图，其中SPMSM的永磁体与d轴对准；

图4是代表性地示出SPMSM的磁饱和特征的曲线图，其中SPMSM的永磁体与q轴对准；

图5A至图5B代表性地示出SPMSM的与各种转子位置对应的转子磁通量分布；

图6代表性地示出用于PMSM的电感感测波形；

图7是代表性地示出具有星形(Y形)配置的PMSM的实施方式的元件和轴线的图；

图8是代表性地示出永磁体未与定子铁芯对准(左图)以及永磁体与定子铁芯对准(右图)的内嵌/内部PMSM(IPMSM)的图；

图9是代表性地示出永磁体的磁极未与定子铁芯对准(左图)以及永磁体的磁极与定子铁芯对准(右图)的SPMSM的图；

图10A至图10B代表性地示出具有星形配置的SPMSM的与各种转子位置对应的转子磁通量分布；

图11A至图11B代表性地示出具有星形配置的IPMSM的与各种转子位置对应的转子磁通量分布；

图12代表性地示出SPMSM中的磁通量分布和预期定子电感分布；

图13代表性地示出IPMSM中的磁通量分布、磁导率分布和预期定子电感分布；

图14代表性地示出使用测量值y₁至y₆生成的PMSM的假定电感(L)波形。

图15代表性地示出使用测量值y₁至y₆生成的PMSM的假定时间值(Tmes)波形

图16代表性地示出使用测量值y₁至y₆生成的PMSM的假定电流值(Imes)波形。

图17是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的实施方式的元件的框图；

图18是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一实施方式的元件的框图；

图19是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一实施方式的元件的框图；

图20是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一实施方式的元件的框图；

图21是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一实施方式的元件的框图；

图22是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一实施方式的元件的框图；

图23是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一实施方式的元件的框图；

图24是代表性地示出三相逆变器和与其耦接的分流电阻器的实施方式的元件的图；

图25是代表性地示出三相逆变器和与其耦接的三个分流电阻器的另一个实施方式的元件的图；

图26是代表性地示出用于感测电机的转子位置的方法的流程图；

图27是代表性地示出作为图26的方法的一部分的用于测量时间值的方法的流程图；

图28是代表性地示出具有三角形形配置的PMSM的实施方式的元件和轴线的图；

图29A至图29B代表性地示出具有三角形配置的SPMSM的与各种转子位置对应的转子磁通量分布；

图30A至图30B代表性地示出具有三角形配置的SPMSM的与各种转子位置对应的转子磁导率分布；

图31代表性地示出具有三角形配置的SPMSM中的磁通量分布和预期定子电感分布；

图32代表性地示出具有三角形配置的IPMSM中的磁通量分布、磁导率分布和预期定子电感分布；

图33代表性地示出使用测量值y1至y6生成的三角形配置PMSM的假定电感(L)波形；

图34代表性地示出使用测量值y1至y6生成的三角形配置PMSM的假定时间值(Tmes)波形；

图35代表性地示出使用测量值y1至y6生成的三角形配置PMSM的假定电流值(Imes)波形；

图36是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的实施方式的元件的框图；

图37是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一个实施方式的元件的框图；

图38是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一个实施方式的元件的框图；

图39是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一个实施方式的元件的框图；

图40是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一个实施方式的元件的框图；

图41是代表性地示出用于感测电机的转子位置的系统的另一个实施方式的元件的框图；并且

图42是代表性地示出用于感测电机的转子位置的方法的流程图。

具体实施方式

本公开、其各方面以及实施方式并不限于本文所公开的具体部件、组装工序或方法元素。本领域已知的符合预期的用于三相电机的转子位置感测系统以及相关方法的许多额外部件、组装工序和/或方法元素将变得显而易见地与来自本公开的特定实施方式一起使用。因此，例如，尽管本发明公开了特定实施方式，但是此类实施方式以及实施部件可包括符合预期操作和方法的针对此类用于三相电机的转子位置感测系统和相关方法以及实施部件和方法的本领域已知的任何形状、尺寸、样式、类型、型号、版本、量度、浓度、材料、数量、方法元素、步骤等。

现在参见图1，示出了代表性地示出永磁同步电机(PMSM)2的实施方式的元件和轴线的图，其包括转子4和定子6，该定子6包括缠绕在定子铁芯元件(未示出)周围的绕组8。图1示出矢量控制(VC)示例，其中可在(d,q)坐标系中定义定子电流空间矢量，该坐标系具有沿着d轴(直流)和q轴(正交，即90度偏移)的正交分量，使得定子电流的磁通分量与d轴对准并且定子电流的扭矩分量与q轴对准。在随后的代表性示例中，d轴被定义为与磁体的N/S磁极对准，而q轴被定义为与其正交。

内嵌/内部永磁同步电机(IPMSM)表现出凸极特征，使得d轴电感小于q轴电感。换句话讲，当d轴与定子轴线(u、v或w)重叠时，预期电感为最小。图8代表性地示出具有内嵌/内部永磁同步电机(IPMSM)12配置的PMSM 10的示例，并且凸极特征可为容易可视化的。为了便于举例说明和解释，仅示出两个定子铁芯。在该代表性示例中，转子包括一对内部磁体，并且转子由硅钢形成(或由硅钢板限定)。

其他材料和配置也是可能的，但在最左侧的图中，转子的q轴与定子铁芯/绕组对准，并且在最右侧的图中，转子的d轴与定子铁芯/绕组对准。该示例中的电感可通过以下方程式给出：

其中μ是磁导率，N是线圈匝数，S是线圈横截面面积，并且l是线圈长度。

硅钢材料的磁导率高于磁体的磁导率，并且因此，当q轴与定子铁芯/绕组对准时的磁导率μq高于当d轴与定子铁芯/绕组对准时的磁导率μd。因此，电感Lq(当q轴与定子铁芯/绕组对准时)高于电感Ld(当d轴与定子铁芯/绕组对准时)，从而得到凸极特征。如所描述，为了易于解释起见使用图8中所给出的双铁芯示例，但相同特征适用于如图1所示并且与三相电机一起使用的三铁芯定子，使得三相IPMSM表现现凸极特征。

图9示出具有表面永磁同步电机(SPMSM)14配置的PMSM 10的代表性示例。如图所见，无论表面磁体的磁极N/S是与定子铁芯/绕组对准(最右侧的图)还是与其正交(最左侧的图)，磁导率均是相同的。因此，当q轴与定子铁芯/绕组对准时的磁导率μq和d轴与当定子铁芯/绕组对准时的磁导率μd相同。这样便不存在生成凸极特性的磁导率差，换句话讲，在电感Lq(当q轴与定子铁芯/绕组对准时)和电感Ld(当d轴与定子铁芯/绕组对准时)之间不存在差异。

然而，对于SPMSM，至少部分地归因于转子磁通量和定子磁饱和特性的效应，在q轴和d轴对准之间存在电感差。这在图3和图4中代表性地示出，其中Ψm是永磁体通量，Ψd和Ψq分别为沿d轴和q轴的由永磁体和定子电流形成的集成磁通量的分量，Id和Iq分别为沿d轴和q轴的定子电流分量，并且任一条曲线上的任何点处的电感L均为斜率，即，集成磁通量变化除以定子电流分量变化。可从示例中看出，Ld0大于Ld1，并且还可看出，Ld0等于Lq1，因此Lq1大于Ld1。换句话讲，尽管SPMSM被视为不具有凸极特性，但由于转子磁通量和磁饱和特性的效应，SPMSM的电感在d轴对准时比在q轴对准时更小。因此，当定子电流矢量与d轴重叠时，预期电感为最小。

基于图3-4中所示以及如上所述的特性，在图5A至图5B中给出了SPMSM的各个转子位置处的转子磁通量分布。在这个代表性示例中，该分布示出随着转子的电角度的一个旋转完成一个循环的近似正弦波形。当u轴与d轴重叠或对准时，图5A至图5B中的转子位置被定义为0度。例如，相位被表示为使得uv表示在从u相位到v相位的方向上执行通电的电流矢量，而vu表示从v相位到u相位的通电，其他命名wu、vw、wv、uw以此类推。例如，如果转子位置处于30度，则在施加wu电流矢量的情况下，预期电感为最小。

PMSM的电感可用于确定其位置。可使用方程式L＝Vdt/dI确定电感，其中L是电感，V是电压(单位函数)，并且I是电流。如果V为常数(单位函数)，则电感与时间/电流之间的关系使得小电感可指示表现出指定电流变化的小段时间或是特定时间量内的大电流变化。因此可通过向PMSM施加脉冲电压并且测量时间或电流来感测电感，如图6代表性示出，其中Tc是指定恒定时间，Imes是测量电流，Ic是指定恒定电流，Tmes是测量时间，并且CURM0是Ic感测标记。

例如，可在指定恒定时间Tc内施加电压脉冲，并且可在那个时间的结束处测量电流(Imes)。在其他实施方式中，可施加电压脉冲直至达到指定电流(Ic)并且可测量达到该电流的时间(Tmes)。在将向PMSM施加不同电压脉冲时，当电流开始衰减时(或此后某个时刻)，位置感测系统的一个或多个元件可生成CURM0信号以指示可施加下一个脉冲且/或以其他方式触发位置感测系统的其他元件。CURM0信号可基于电流多快衰减来触发一个或多个事件，并且如图6中所见，在一些PMSM中电流可快速衰减并且在其他PMSM中电流可缓慢衰减。因此，转子位置感测系统可被配置为待来自先前脉冲的电流已经完全衰减之后才发送下一个脉冲。因此，可在衰减开始时发送CURM0，并且该系统可被配置为待衰减将完成才生成下一个脉冲，或者可在衰减已经完成时发送CURM0。

转子位置估计可使用一些假定和数学运算来进行，如现将描述。如果假定转子磁通量在理想条件下表现出近似正弦波形并且以某种方式给出磁通量数据，则可通过曲线拟合来估计正弦波形，如图2中代表性地示出，其中多个测量值y₁至y₆(或直到任何y_i)用于拟合曲线。下面将给出的一些数学运算基于正交检测和最小二乘法。

可使用模型方程式y＝Asin(ωt+θ)，其中A是振幅，y是测量值或测量数据，ω是角速度，t是测量时间，并且θ是指示转子位置的相位。由于曲线拟合算法使用最小二乘法，因此可忽略yi的任何DC偏移。

当测量时间和测量数据分别被定义为(t1,t2,t3,…t_N)和(y₁,y₂,y₃,…y_N)时，模型方程式可如下书写：

以上方程式可被书写为Y＝GP，其中：

如果添加了测量误差E，则可将方程式书写为Y＝GP+E或E＝Y-GP。通过最小二乘法求得P的解，该解得到E的平方范数的极值，如下：

||E||²＝E^*·E

＝(Y^*-P^*G^*)(Y-GP)

＝Y^*Y-Y^*GP-P^*G^*Y+P^*G^*GP

＝Y^*Y-2Y^*GP+P^*G^*GP

Y^*G＝P^*G^*G

P^*＝Y^*G(G^*G)^-1

P＝(G^*G)^-1G^*Y

P＝G⁺ Y (方程式2)

其中：

Y^*，P^*，G^*；伴随矩阵

G⁺＝(G^*G)^-1G^*；伪逆矩阵

如果G⁺通过分配给方程式2的方程式1的内容得出，则可得出P。

P＝G⁺Y

P＝(G^T G)^-1 G^T Y；G^T＝G^*因为G是实数

项必须为零，因为测量周期仅为一个电循环，并且每个测量时间间隔必须相同，因此方程式变为：

因此，方程式3和4给出了估算的转子位置，并且：

如果没有使用模型方程式y＝Asin(ωt+θ)，而是使用模型方程式y＝Acos(ωt+θ)，则如下得出估算的转子位置：

以上方程式可被书写为Y＝GP，其中：

P＝G⁺ Y

P＝(G^T G)^-1 G^T Y；G^T＝G^*因为G是实数

项必须为零，因此方程式变为：

从图5A至图5B中可以看出，项ωt_i可具有以下介于0和2π之间(或介于0和5π/3之间)的值：ωt₁＝0、ωt₂＝π/3、ωt₃＝2π/3、ωt₄＝π、ωt₅＝4π/3、ωt₆＝5π/3。

概括地说，估算方程式能够被定义为如下。当模型方程式为y＝Asin(ωt+θ)时：

当模型方程式为y＝Acos(ωt+θ)时：

例如，图17示出了用于感测电机的系统(系统)22的代表性实施方式。系统所耦接的电机为具有转子18和定子20的星形配置三相永磁同步电机(PMSM)16。三相逆变器26与PMSM耦接并从前置驱动器接收UH、VH、WH、UL、VL和WL信号。通过非限制性示例，三相逆变器可具有图24所示的三相逆变器128的配置，其中UH信号控制开关Q1H，VH信号控制开关Q2H，WH信号控制开关Q3H，UL信号控制开关Q1L，VL信号控制开关Q2L，WL信号控制开关Q3L，以向线路UOUT、VOUT和WOUT输出三相电力，这些线路使用星形配置与PMSM耦接。三相逆变器与电压VM耦接并且分流电阻器42(标记为Rs)也与其耦接，作为系统22的一部分。

可诸如通过控制正常驱动信号处理器和/或电感测量信号处理器的主要状态控制器来控制三相逆变器128的开关以实现所需电流矢量。例如，如果需要uv电流矢量，可打开Q1H和Q2L并关闭其他所有开关，使得所示的电流为Rs电压。可根据需要以其他方式更改开关，从而实现wu、wv、uw、vw和vu电流矢量。

图17示出两条线路耦接在Rs的任一侧上并输入至放大器(AMP)40。正常驱动信号处理器用于控制前置驱动器，但系统22包括多路复用器36，其耦接在正常驱动信号处理器与前置驱动器之间以便从正常驱动信号处理器和电感测量信号处理器(信号处理器)44接收信号。多路复用器36由主要状态控制器(控制器)24控制，该主要状态控制器24还可与正常驱动信号处理器通信。因此，为了确定PMSM的转子的位置，控制器24可使用多路复用器36来更改前置驱动器的输入，由此使得来自信号处理器44的输入用于使用前置驱动器生成电压脉冲。

在该代表性示例中，来自正常驱动信号处理器的输入不被前置驱动器接收，而信号处理器44正在使用前置驱动器驱动电压脉冲。然而，在一些实施方式中，多路复用器36可用主要状态控制器切换，使得从正常驱动信号处理器到前置驱动器的信号仅被短暂地切断，而来自信号处理器44的信号被通过并且接着来自正常驱动信号处理器的信号被允许继续。在此类实施方式中，正常驱动信号处理器信号可在电压脉冲之间被切换回打开(或换句话讲，多路复用器36被切换以允许那个信号通过)。在其他实施方式中，可不允许从正常驱动信号处理器到前置驱动器的信号通过多路复用器36，直到已经实现确立转子的位置所需的所有电压脉冲为止。在其他实施方式中，可控制正常驱动信号处理器以直接驱动电压脉冲，而不是出于该目的利用信号处理器44。

每当发生电压脉冲时，AMP 40将接收信号。在实施方式中，该信号由AMP 40放大并被传递，使得一个信号将被传递到比较器32，而另一个信号被传递到模数转换器(ADC)30。在其他实施方式中，信号可仅被传递到比较器或仅被传递到ADC。比较器与定时器28通信地耦接，并且定时器与多路复用器34通信地耦接。ADC 30与多路复用器34通信地耦接，并且还与正常驱动信号处理器通信地耦接。

许多逻辑元件38与多路复用器34和正常驱动信号处理器耦接，并且用于确定转子位置。如上所述的时间测量(Tmes)方法或电流测量(Imes)方法均可用于确定转子位置。如果使用Tmes方法，则在过程中使用定时器。例如，信号处理器44可致使定时器在初始化电压脉冲时启动，或在其他实施方式中，可致使定时器在电流达到从比较器传送到信号处理器44的第一电平时启动。当电流达到从比较器传送到信号处理器44的Ic电平(某个预定电流电平)时，接着可通过信号处理器44致使定时器停止(但在其他实施方式中，从比较器到定时器的一个或多个信号可用于直接启动和/或停止定时器)。这样，系统22结合每个电压脉冲测量电流测量达到指定电流电平经过的时间。如先前相对于图6所论述，这可用于确定PMSM的电感，其继而可与一个或多个算法一起用于确定转子位置。

在代表性示例中，存在六个用于转子位置计算的电压脉冲，但可以理解在其他实施方式中可使用更少或更多个电压脉冲。每当电压脉冲被施加新yi值，包括测量时间Tmes(或测量电流Imes，如果使用那种方法的话)时，从定时器向多路复用器34传送信号。多路复用器通过Tmes/Imes磁通量分布数据转换器39输出信号，该转换器接着在线路上进一步往下输出。由于在该示例中系统22正使用Tmes来计算转子位置，因此主要状态控制器24将控制多路复用器34，使得来自定时器的信号经过多路复用器。因此，在代表性示例中，测量值yi为测量时间值Tmes。

逻辑元件38被配置为使用测量值yi来计算转子的位置。例如，方程式tan^-1(σ_b/σ_a)是上文给出的方程式5的简写形式。因此，σ_b代表Asin(θ)，σ_a代表Acos(θ)，但由于这些项中的每个为总和(如方程式5所指出的那样)，因此可在图17中看到，这些值中的每个都是用对各个值Za_i和Zb_i求和的一个或多个逻辑元件来计算的。各个Za_i和Zb_i值被传送到使用一个或多个逻辑元件的求和元件，其执行如方程式5中给出的正弦/余弦运算和/或任何其他所需运算，这些运算利用值ωt_i和y_i。

图17中所示的a_i值为sin(ωt_i)或cos(ωt_i)，并且图17中所示的b_i值为cos(ωt_i)或-sin(ωt_i)，具体取决于使用的是哪个模式(电流或时间测量)。如方程式5/5A所指出的那样，通过逻辑元件38执行求和。执行反正切运算以获得θ值，该值指示转子相对于定子的位置(在各个实施方式中，准确度在30度以内)。该值被传送到正常驱动信号处理器。ωt_i值已在上文进行描述并且为常数，这些值可存储在内存中、由用户输入或由系统基于N值来计算。

当信号处理器44控制ADC发出相关信号时，另外将电机电流Im从ADC传送到正常驱动信号处理器。在图17的实施方式中，PMSM不是通过矢量控制来控制，但无论如何系统22(其包括Rs、AMP 40、定时器、比较器、ADC、多路复用器34、逻辑元件38、主要状态控制器、电感测量信号处理器和多路复用器36)能够使用电压脉冲并测量电流通过每次脉冲达到某个电平经过的时间，由此确定PMSM转子的位置，如之前所述。正常驱动信号处理器可使用初始转子位置信息θ_ini和电机电流信息Im来确定如何控制前置驱动器，从而根据需要以最佳方式增大、维持或减小转子的速度。系统22可在转子处于停止配置时以及还在转子处于旋转配置时使用。

在使用系统22的其他方法中，可在指定时间量内施加电压脉冲，并且可测量达到的电流(Imes)而非时间。在这种情况下，可使用每个脉冲将信号通过多路复用器34从ADC传送到Tmes/Imes-磁通量分布数据转换器39。在一些实施方式中，可使用比较器来确定电流何时通过每个脉冲达到峰值，并且可将其传送到信号处理器44，该信号处理器随后可控制ADC，使得ADC指示峰值电流电平的信号通过多路复用器34发送至Tmes/Imes-磁通量分布数据转换器39作为y_i值。然后通过使用以上在方程式5A中所述的关系的逻辑元件来执行数学运算。在该运算条件下，控制器24将控制多路复用器34，使得来自ADC的信号被传送到逻辑元件。可使用许多不同的逻辑元件配置和组织来执行方程式5和/或5A的运算。

现在将给出与具有星形(Y)配置的PMSM特别相关的描述和数学运算。现在参见图7，可定义各个轴。u轴、v轴和w轴是具有与相应定子铁芯对准的轴的固定轴。a轴是与u轴平行的固定轴，b轴是a轴的正交轴(换句话讲，从a轴偏移90度)。η轴是与a轴的相位差为δ的固定轴，并且ξ轴是η轴的正交轴。d轴位于转子磁通量的轴上，并且q轴是d轴的正交轴(这些是旋转轴)。θ角是a轴和d轴之间的相位差。在该代表性示例中，当u轴与d轴平行时，转子位置被定义为0度。角为θ+δ。可在图的中心处看到PMSM转子的永磁体的北极和南极(N/S)。

以上针对IPMSM和SPMSM的d轴和q轴电感的描述适用，即d轴的电感小于q轴的电感。图10A至图10B示出应用于具有星形配置的SPMSM的SPMSM的转子磁通量分布和转子位置，并且该分布示出大致为正弦曲线的波形，转子的一次电角度旋转完成一个循环。这基本上与先前图5A至图5B中所示的情况相同。图11A至图11B示出应用于具有星形配置的IPMSM的IPMSM的磁导率分布和转子位置。该分布示出正弦波形，转子的一次电角度旋转具有两个循环。如先前所述，uv是指电流矢量相位，其中以u相位到v相位的方向执行通电，vu是指以从v相位到u相位的方向执行通电，并且vw、wv、wu和uw类似地定义。

图12示出SPMSM的示例，其中转子位置处于30度。在该位置，当输入wu电流矢量时，由于磁饱和特性，预期定子电感为最小，当uw电流矢量为输入时，预期电感为第二小。图13示出IPMSM的示例，其中转子位置处于30度。当输入wu电流矢量时，由于μ分布和磁饱和特性，预期电感为最小。当输入uw电流矢量时，预期电感为第二小。电感分布可表示为μ和磁饱和特性的叠加分布，并且电感分布被视为具有通量分布的倍频。

使用以下假定来进行特别用于具有星形配置的PMSM的转子位置估算：转子磁通量具有正弦波形，即使存在某些扭曲；电感分布具有通量分布的频率的双倍；正弦波形的相位将指示转子位置；并且虽然电感分布展示磁通量分布的双倍频率，但磁饱和特征解决双倍函数问题。通过曲线拟合来估算正弦波形。

通电模式vu、vw、uw、uv、wv和wu之间的关系被定义为：α₁＝wu、α₂＝wv、α₃＝uv、α₄＝uw、α₅＝vw、α₆＝vu。因此，α_i是通电电流矢量相位并且具有π/3间隔。如图7和图10A至图11B所示，当在ab轴上定义α_i时，α_i值为如下：α₁＝π/6，α₂＝π/2，α₃＝5π/6，α₄＝7π/6，α₅＝3π/2，α₆＝11π/6。因此，它们介于0和2π之间(或0和11π/6之间)的范围内。

当2α_i为零或π/2的整数倍数时，正弦或余弦函数的值变成零。为了避免这个问题，引入ηξ坐标系和如上所述：

因此，α_i使用δ进行偏置并如下定义：

其中i＝1、2、3、4、5或6(尽管在其他实施方式中，可使用六个以上的值)。设置了项δ，以避免2α_i变成π/2的整数倍数或零的情况(例如，将δ设置为等于π/24有效)。图14至图16示出电感(L)、Tmes、Imes与测量数据(或测量值)y_i之间的关系。图14代表性地示出使用测量值y₁至y₆生成的PMSM的假定电感(L)波形。图15代表性地示出使用测量值y₁至y₆生成的PMSM的假定时间值(Tmes)波形。图16代表性地示出使用测量值y₁至y₆生成的PMSM的假定电流值(Imes)波形。

以下数学运算基于最小二乘法。当根据图10A至图11B使用Tmes执行测量时，给出的模型方程式为其中A是振幅，y是测量数据或测量值，α是ηξ坐标系上的测量电流矢量相位，是指示ηξ坐标系上的转子位置的相位。如果α和y已知，则通过求解A和来求解方程式。在另一方面，如果使用Imes执行测量，给出的模型方程式为因为曲线拟合算法使用最小二乘法，因此可忽略y的DC偏差。

当曲线拟合算法为并且每个测量电流相位被定义为(α₁,α₂,α₃,…α_N)时，模型方程式如下所示：

以上方程式可被书写为Y＝GP，其中：

||E||²＝E^*·E

＝(Y^*-P^*G^*)·(Y-GP)

＝Y^*Y-Y^*GP-P^*G^*Y+P^*G^*GP

＝Y^*Y-2Y^*GP+P^*G^*GP

Y^*G＝P^*G^*G

P^*＝Y^*G(G^*G)^-1

P＝(G^*G)^-1G^*Y

P＝G⁺Y (方程式4B)

其中：

Y^*，P^*，G^*；伴随矩阵

G⁺＝(G^* G)^-1G^*；伪逆矩阵

如果G⁺通过分配给方程式4B的方程式3B的内容得出，则可得出P。

P＝G⁺ Y

P＝(G^T G)^-1 G^TY；G^T＝G^*因为G是实数

项必须为零，因为αi是相同间隔并且在模型方程式的正好一个周期内，所以方程式变成：

因此，如下所示：

并且：

当模型方程式为时，每个测量电流相位被定义为(α₁,α₂,α₃,…α_N)，并且模型方程式被示为如下：

以上方程式可被书写为Y＝GP，其中：

||E||²＝E^*·E

＝(Y^*-P^*G^*)·(Y-GP)

＝Y^*Y-Y^*GP-P^*G^*Y+P^*G^*GP

＝Y^*Y-2Y^*GP+P^*G^*GP

Y^*G＝P^*G^*G

P^*＝Y^*G(G^*G)^-1

P＝(G^*G)^-1G^*Y

P＝G⁺Y (方程式4C)

其中：

Y^*，P^*，G^*；伴随矩阵

G⁺＝(G^* G)^-1 G^*；伪逆矩阵

如果G⁺通过分配给方程式4C的方程式3C的内容得出，则可得出P。

P＝G⁺ Y

P＝(G^T G)^-1 G^T Y；G^T＝G^*因为G是实数

项必须为零，因为αi是相同间隔并且在模型函数的正好一个周期内，所以方程式变成：

因此，如下所示：

因此，当模型方程式为时，可使用以下算法：

并且，当模型方程式为时，可使用以下算法：

使用以下过程来确定θ，因为该模型方程式是具有双倍角变量的三角函数。

其中

τ_a＝θ_b-α_k

然后将方程式7A或7B和方程式8-10用于实际运算。例如，现在参见图18，其中给出了用于感测电机的转子位置的系统(系统)46的代表性示例。系统46与具有星形配置的PMSM耦接，并且在许多方面类似于先前所描述的系统22，不同之处在于逻辑元件47被特别配置为执行方程式7A/7B和方程式8至10的运算。如之前所述，PMSM具有星形配置，并且可使用电压脉冲，然后使用测量时间(Tmes)或测量电流(Imes)，以便确定转子的位置。

因此，多路复用器34与先前所描述的多路复用器相同，并且允许测量值yi(不管是Tmes还是Imes值)传到逻辑元件47，使得可计算PMSM的转子的位置。图18所示的ai值为-cos(2α_i)或cos(2α_i)，并且图18所示的bi值为sin(2α_i)或-sin(2α_i)，这取决于正在使用哪个模式(电流或时间测量)。αi的值也可被描述为等于π/6+δ+(i-1)(π/3)。i的值大于或等于1并且小于或等于N(如所描述，在一些实施方式中，i＝1,2,3,4,5,6)。如方程式7A/7B所指出的那样，通过逻辑元件47执行求和。使用方程式7A/7B来计算值，并且从其减去δ值以获得θ_a值，如方程式8所指出的那样。接着使用方程式9从θ_a值计算θ_b值。然后使用方程式10从θ_b值计算θ值。系统46类似于系统22，因此与非矢量控制PMSM一起使用。

图18标示出了先前所述的一些信号，这也适用于图17。Mes_sel为模式选择信号，该信号从主要状态控制器传送到复用器34，以确定是否允许Tmes或Imes信号通过(具体取决于测量的是时间还是电流)。将模式_sel信号从主要状态控制器传送到多路复用器36以在正常操作与初始转子传感器位置感测操作之间切换。Mes_pls信号是用于执行位置感测的测量脉冲信号。在实施方式中，Mes_pls信号自身可为电压脉冲，但在其他实施方式中，它只是用于实行电压脉冲的信号。TIM_cnt是从信号处理器44到定时器以启动/停止定时器的控制信号。ADC_cnt是用于ADC将Imes值传送到逻辑元件(并且将Im值传送到正常驱动信号处理器)的控制信号。CMP_out是传送到信号处理器44并且传送到主要状态控制器的比较器输出。θ_ini表示系统所计算出的初始转子位置。

图19示出用于感测电机的转子位置的系统(系统)48的代表性示例，该系统类似于系统46，不同之处在于它被配置为矢量控制。包括额外的放大器和ADC元件，使得两个电机电流信号Iv和Iu被发送至正常驱动信号处理器以进行矢量控制。因此，AMP 50和AMP 52两者均与单个分流电阻器Rs耦接。来自AMP 50的输出被传送到比较器用于Tmes测量(用于当使用Tmes模式时)，并且来自AMP 50的输出也被传送到ADC 54，其被转换为数字信号并且接着被发送到正常驱动信号处理器作为进行矢量控制的信号Iu。另外，来自ADC 54的输出被传送到多路复用器34，但如果主要状态控制器已经将多路复用器切换到Imes模式，则仅被传到逻辑元件47。当使用ADC_cnt信号通过信号处理器44进行控制时，将ADC 54输出传送到多路复用器34和正常驱动信号处理器。AMP 52将模拟信号传送到ADC 56，并且ADC 56将这个信号转换为数字信号并将其转发到正常驱动信号处理器作为进行矢量控制的信号Iv。CMP_out信号被转发到信号处理器44和主要状态控制器两者。正常驱动信号处理器因此使用初始转子位置信号θini以及矢量控制电流信号Iv和Iu来根据需要最佳地增大、维持或减小PMSM的转子的速度。

图20示出了用于感测电机的转子位置的系统(系统)58的实施方式，该系统在许多方面类似于系统48，不同之处在于三相逆变器具有不同的配置并且三个分流电阻器Rsu、Rsv和Rsw用于转子位置测量。图20的三相逆变器具有图25的三相逆变器130的配置。相同信号用于控制相同开关，如先前针对三相逆变器128所述，但三个分流电阻器与其耦接，如图所见：Rsu、Rsv和Rsw。

使用了额外的放大器和多路复用器，并且主要状态控制器用于控制额外的多路复用器。AMP 60跨Rsw耦接，AMP 62跨Rsv耦接，AMP 64跨Rsu耦接。多路复用器66确定是转发来自AMP 60还是来自AMP 62的信号，并且多路复用器68确定是转发来自多路复用器66还是来自AMP 64的信号。此外，来自多路复用器66的输出被传送到ADC 70，该ADC通过信号处理器44进行控制，以将Iv信号发送至正常驱动信号处理器和多路复用器74。来自AMP 64的输出被传送到ADC 72，该ADC将经过转换的数字信号Iu转发到正常驱动信号处理器和多路复用器74。

Ph_sel信号为分流电阻器选择信号，并且用于确定在Tmes或Imes测量中使用哪个分流电阻器。例如，假定每个多路复用器的顶部输入与1位置对应并且底部输入与0位置对应，如果Ph_sel信号为1，则多路复用器66将与Rsw对应的Tmes或Imes值转发到多路复用器68，然后该值被进一步转发到比较器和ADC 70，再从该处转发到多路复用器34，并且它还将作为Iv信号被转发到正常驱动信号处理器。此外，AMP 64将与同Rsu相关的Tmes或Imes值的放大信号作为I-u信号转发到正常驱动信号处理器。因此，在这种情况下，Rsw和Rsu分流电阻器用于测量(无论是Tmes测量还是Imes测量)。

在另一方面，如果Ph_sel信号为0，则多路复用器66将与Rsv对应的Tmes或Imes值转发到多路复用器68，但多路复用器68将与Rsu对应的Tmes或Imes值转发到比较器。RsvTmes或Imes值将被转发到ADC 70并且将用于生成Iv，并且Rsu Tmes或Imes值也将被转发到ADC 72，再从该处转发到多路复用器74并向前转发到多路复用器34，并且其也将作为信号Iu被转发到正常驱动信号处理器。因此，在这种情况下，分流电阻器Rsv和Rsu用于测量(不管其是Tmes测量还是Imes测量)。在任一种情况下，正常驱动信号处理器将所接收的的θini值用于转子位置并且将Iv和Iu值用于矢量控制。PMSM再次与其他示例一样为具有星形配置的PMSM，并且可为SPMSM或IPMSM。CMP_out信号被转发到信号处理器44和主要状态控制器两者。

在其他实施方式中，可使用其他元件和配置以使得例如，分流电阻器Rsu、Rsv或Rsw中的任一者可用于比较器以及时间测量(Tmes)和/或电流测量(Imes)。

此外，主要状态控制器可用于控制信号处理器44和/或正常驱动信号处理器以选择三相逆变器的哪些开关打开或关闭来实现所需电流矢量。例如，参见图25，如果需要uv电流矢量，将Q1H和Q2L打开并关闭其他所有开关，电流显示为Rsv电压。其他配置将产生Rsu或Rsw电压以及wu、wv、uw、vw和vu电流矢量。

图21示出用于感测电机的转子位置的系统(系统)76的代表性示例，该系统在许多方面类似于系统58，不同之处在于多路复用器66之前的放大器60和62被多路复用器82之后的单个放大器(AMP)78替代。因此，少使用一个放大器，但信号选择和转发如上文针对系统58所述。多路复用器82转发与Rsw或Rsv对应的Tmes或Imes信号，并且这在一条线路上使用AMP 78来放大并且在另一条线路上转发到ADC 86。AMP 80放大与Rsu对应的Tmes或Imes信号，并且将其转发到多路复用器84和ADC 88。多路复用器90将来自ADC 86或ADC 88的输入转发到多路复用器34。除了放置在多路复用器之后的一个放大器来代替在那个多路复用器之后的两个放大器之外，系统76的元件的操作与系统58的类似定位的元件相似或相同。CMP_out信号被转发到信号处理器44和主要状态控制器两者。因此，系统76用于矢量控制型星形配置PMSM(不管SPMSM还是IPMSM)的转子位置测量或计算。

图22示出用于感测电机的转子位置的系统(系统)92的代表性示例，该系统在许多方面类似于系统76，不同之处在于可用单个采样并保持元件(S/H)106和模拟多路复用器(AMUX)108来替代ADC 88和多路复用器90。S/H和AMUX元件可包括在单个逻辑元件或单元中，或者可为多个元件。因此，AMP 94从多路复用器98接收信号并且将其转发到多路复用器100以及S/H 106/AMUX 108。AMP 96将信号转发到多路复用器100以及S/H 106/AMUX 108。ADC 102将来自S/H 106/AMUX 108的信号转发到多路复用器34和正常驱动信号处理器。因此，相同线路用于将信号Iu、Iv传送到正常驱动信号处理器。除了用组合式S/H/AMUX元件替换一个多路复用器和一个ADC并且移除通往正常驱动信号处理器的一条通信线路之外，系统92的元件的操作与系统76的类似定位的元件相似或相同。CMP_out信号被转发到信号处理器44和主要状态控制器两者。Ph_sel信号用于控制S/H106、AMUX 108、多路复用器100和多路复用器98。因此，系统92用于矢量控制型星形配置PMSM(不管SPMSM还是IPMSM)的转子位置测量或计算。

图23示出用于感测电机的转子位置的系统(系统)110的代表性示例，其在许多方面与系统92相同，不同之处在于如在先前示例中那样再次存在三个AMP代替具有在多路复用器之后的一个AMP。因此，多路复用器118从AMP 112和AMP 114接收信号，并且将这些信号中的一者转发到多路复用器120，而来自AMP 112和114的输出还均被传送到取样与保持元件(S/H)124/模拟多路复用器(AMUX)126。来自AMP 116的输出被传送到多路复用器120并且还被传送到S/H 124/AMUX 126。来自S/H 124/AMUX126的输出被转发到ADC 122。除了添加一个AMP并且将一个多路复用器重新定位在两个AMP之后代替在一个AMP之前之外，系统110的元件的操作与系统92的类似定位的元件相似或相同。CMP_out信号被转发到信号处理器44和主要状态控制器两者。Ph_sel信号用于控制S/H 124、AMUX126、多路复用器120和多路复用器118。因此，系统110用于矢量控制型星形配置PMSM(不管SPMSM还是IPMSM)的转子位置测量或计算。

图26示出表示用于感测电机的转子位置的方法(方法)132的流程图，其可用于感测或计算星形配置矢量控制型或非矢量控制型PMSM(不管SPMSM还是IPMSM)的转子位置。该流程图方法代表性地示出了利用Tmes测量的方法(可针对Imes测量示出具有一些变化的类似流程图)。设置比较器阈值(以确定何时达到Ic值以用于Tmes测量或确定何时达到Imes峰值以用于Imes测量)并且进行第一y_i测量y₁以测量与wu电流矢量对应的Tmes。该测量与i＝1对应。进行第二y_i测量y₂以测量与wv电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝2对应。进行第三测量y₃以测量与uv电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝3对应。进行第四测量y₄以测量与uw电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝4对应。进行第五测量y₅以测量与vw电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝5对应。进行第六测量y₆以测量与vu电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝6对应。在Imes示例中，可改为测量与每个电流矢量对应的Imes值。

然后使用方程式7A或方程式7B确定位置(具体取决于测量的是Tmes还是Imes，在本例中测量的是Tmes)，之后使用方程式8-10计算之前所述的转子位置。

图27代表性地示出用于测量时间值134的方法(方法)，该方法是图26的每个y_i测量步骤的一部分。将定时器清零，然后切换三相逆变器输出以对应Ph_sel信号，从而选择电流矢量wu、wv、uv、uw、vw或vu。然后启动定时器。等待时间开始，直至比较器输出信号以指示已达到电流电平，在该点定时器停止。三相逆变器输出关闭(即电压脉冲结束)并且测量的Tmes值为测量值y_i。然后等待周期开始，以确保定子线圈能量完全衰减，在此后可再次开始该过程。尽管在该代表性示例中是以特定顺序测量电流矢量，在其他实施方式中可以其他顺序测量它们。

类似于方法134但用于测量Imes的方法可包括利用比较器来确定何时控制一个或多个ADC将Imes信号转发到多路复用器34以进行处理。例如，比较器可确定电流何时达到峰值，并且在该时间点，可发送信号至信号处理器44以控制ADC将信号转发到多路复用器34。这可针对每个电流矢量wu、wv、uv、uw、vw和vu进行，如上文针对Tmes测量所述。

在用于感测电机的转子位置的系统的实施方式中，也可使用定时器和/或比较器，诸如结合信号处理器44和/或一个或多个ADC，以提供电压脉冲。在实施方式中，分流电压或换句话讲跨分流电阻器的电压为测量电压或者为用于确定转子的位置的参考电压。在实施方式中，在不直接感测转子的速度或位置的情况下感测或计算转子位置(正如本文所述的所有示例)。

本文所述用于感测电机的转子位置的系统无需施加用于感测转子位置的高频电压(例如可使用低于电机实际操作频率的频率)并且可能具有少量随机噪声。因为本文所述的系统能够用于矢量控制和非矢量控制电机，所以可将它们应用于传统电机系统。当应用于非矢量控制电机时，可能不需要由系统执行任何坐标变换函数。这些系统可在使用非常少的计算的情况下感测转子位置，如本文已经示出。

本文描述的系统可能够检测准确度在小于30度内的电角度，并且如图所示，可使用或不使用取样与保持(S/H)元件，具体取决于所使用的配置。测量电流不需要很大，并且不需要事先将波形数据存储在存储器中。本文所述的系统不需要使用反电动势(BEMF)来确定转子的位置。本文所述的系统可用于可靠且安静地启动电机，因为正弦驱动将具有直接在启动阶段施加的恰当矢量电流。本文所述的系统可允许具有较少传感器的转子驱动器用于电风扇和类似的元件，因为可消除启动时的转子振动。本文所述的系统可通过使得电机启动较稳健来增大产品可靠性。

现将给出与具有三角形配置的PMSM特别相关的描述和数学运算。现在参见图28，可定义各种轴线。vu轴、vw轴和wu轴是轴线与对应定子铁芯对准的固定轴。a轴是与vu轴平行的固定轴，并且b轴是a轴的正交轴(换句话讲，从a轴偏移90度)。η轴是与a轴具有相位差δ的固定轴，并且ξ轴是η轴的正交轴。d轴位于转子磁通量的轴上，并且q轴是d轴的正交轴(这些是旋转轴)。θ角是a轴和d轴之间的相位差。在该代表性示例中，当vu轴与d轴平行时，转子位置被定义为0度。角为θ+δ。可在图的中心处看到PMSM转子的永磁体的北极和南极(N/S)。

以上针对IPMSM和SPMSM的d轴和q轴电感的描述适用，即d轴的电感小于q轴的电感。图29A至图29B示出应用于具有三角形配置的IPMSM的IPMSM的转子磁通量分布和转子位置，并且该分布示出大致为正弦曲线的波形，转子的一次电角度旋转完成一个循环。图30A至图30B示出具有三角形配置的IPMSM的转子磁导率和转子位置，并且该分布示出大致为正弦曲线的波形，转子的一次电角度旋转完成两个循环。虽然未示出具有三角形配置的SPMSM的通量分布和转子位置，但读者可基于与具有星形配置的电机相关的先前图式的SPMSM和IPMSM曲线图之间的差异来想象这些内容将如何与IPMSM的那些不同。

如先前所述，vu意指以从v端子到u端子的方向执行通电的电流矢量相位，uv意指以从u端子到v端子的方向执行通电，并且类似地定义vw、wv、wu和uw。

图31示出SPMSM的示例，其中转子位置处于0度。在该位置，当输入vu电流矢量时，由于磁饱和特性，预期定子电感为最小，当vu电流矢量为输入时，预期电感为第二小。图32示出IPMSM的示例，其中转子位置处于0度。当输入vu电流矢量时，由于μ分布和磁饱和特性，预期电感为最小。当输入uv电流矢量时，预期电感为第二小。电感分布可被表示为μ与磁饱和特征的叠加分布，并且看到电感分布具有通量分布的双倍频率。

使用以下假定来进行特别用于具有三角形配置的PMSM的转子位置估算：转子磁通量具有正弦波形，即使存在某些扭曲；电感分布具有通量分布的频率的双倍；正弦波形的相位将指示转子位置；并且虽然电感分布展示磁通量分布的双倍频率，但磁饱和特征解决双倍函数问题。通过曲线拟合来估算正弦波形。

针对三角形配置，通电模式vu、vw、uw、uv、wv和wu之间的关系被定义为：α₁＝vu，α₂＝vw，α₃＝uw，α₄＝uv，α₅＝wv，α₆＝wu。因此，α_i是通电电流矢量相位并且具有π/3间隔。如图28和图29A至图30B所示，当在ab轴上定义α_i时，α_i值为如下：α₁＝0，α₂＝π/3，α₃＝2π/3，α₄＝π，α₅＝4π/3，α₆＝5π/3。因此，它们介于0-2π之间(或0-5π/3)的范围内。

因此，初始在ηξ坐标系上执行估算操作，并且此后，使用和δ来计算θ。因此，α_i使用δ进行偏置并如下定义：

其中i＝1、2、3、4、5或6(尽管在其他实施方式中，可使用六个以上的值)。设置了项δ，以避免2α_i变成π/2的整数倍数或零的情况(例如，将δ设置为等于π/24有效)。图33至图35示出电感(L)、Tmes、Imes与测量数据(或测量值)y_i之间的关系。图33代表性地示出了使用测量值y₁至y₆生成的三角形配置PMSM的假定电感(L)波形。图34代表性地示出了使用测量值y₁至y₆生成的三角形配置PMSM的假定时间值(Tmes)波形。图35代表性地示出了使用测量值y₁至y₆生成的三角形配置PMSM的假定电流值(Imes)波形。

以下数学运算基于最小二乘法。当基于图29A至图30B使用Tmes执行测量时，给出的模型方程式为其中A是振幅，y是测量数据或测量值，α是ηξ坐标系上的测量电流矢量相位，并且是相位，其指示ηξ坐标系上的转子位置。如果α和y已知，则通过求解A和来求解方程式。在另一方面，如果使用Imes执行测量，给出的模型方程式为因为曲线拟合算法使用最小二乘法，因此可忽略y的DC偏差。

当曲线拟合算法为并且每个测量电流相位被定义为(α1,α2,α3,…αN)时，模型方程式如下所示：

以上方程式可被书写为Y＝GP，其中：

如果添加测量误差E，则方程式可被写成Y＝GP+E或E＝Y-GP。通过最小二乘法求得P的解，该解得到E的平方范数的极值，如下：

||E||²＝E^*·E

＝(Y^*-P^*G^*)·(Y-GP)

＝Y^*Y-Y^*GP-P^*G^*Y+P^*G^*GP

＝Y^*Y-2Y^*GP+P^*G^*GP

Y^*G＝P^*G^*G

P^*＝Y^*G(G^*G)^-1

P＝(G^*G)^-1G^*Y

P＝G⁺Y (方程式4D)

其中：

Y*，P*，G*；伴随矩阵

G⁺＝(G*G)-¹G*；伪逆矩阵

如果G⁺通过分配给方程式，则可得出P。

P＝G⁺Y

P＝(G^T G)-¹G^T Y；G^T＝G*因为G是实数

因此，如下给出

以及：

以上方程式可被书写为Y＝GP，其中：

||E||²＝E*·E

＝(Y*-P*G*)·(Y-GP)

＝Y*Y-Y*GP一P*G*Y+P*G*GP

＝Y*Y-2Y*GP+P*G*GP

Y*G＝P*G*G

P*＝Y*G(G*G)-¹

P＝(G*G)-¹G*Y

P＝G⁺Y(方程式4E)

其中：

Y^*，P^*，G^*；伴随矩阵

G⁺＝(G^* G)^-1)G^*；伪逆矩阵

如果G⁺通过分配给方程式，则可得出P。

P＝G⁺Y

P＝(G^T G)^-1G^T Y；G^T＝G^*因为G是实数

因此，如下给出

因此，当模型方程式为时，可使用以下算法：

并且，当模型方程式为时，可使用以下算法：

其中

τ_a＝θ_b-α_k

然后将方程式7A或7B和方程式8A至10A用于实际运算。例如，现在参见图36，给出用于感测电机的转子位置的系统(系统)142的代表性示例。系统142与三角形配置三相永磁同步电机(PMSM)136耦接，并且表示转子138和定子140。系统142在许多方面类似于先前所描述的系统46，不同之处在于逻辑元件144被特别配置为执行方程式7A/7B和方程式8A至10A的运算。正如先前所述的系统，可使用电压脉冲，并且接着测量时间(Tmes)或测量电流(Imes)以便确定转子的位置。三相逆变器26具有图24的三相逆变器128的配置。

因此，多路复用器34与先前所描述的多路复用器相同，并且允许测量值y_i(不管是Tmes还是Imes值)传到逻辑元件144，使得可计算PMSM的转子的位置。图36中所示的a_i值为-cos(2α_i)或cos(2α_i)，图36中所示的b_i值为sin(2α_i)或-sin(2α_i)，具体取决于使用的是哪个模式(电流或时间测量)。α_i的值也可被描述为等于δ+(i-1)(π/3)。i的值大于或等于1并且小于或等于N(如所描述，在一些实施方式中，i＝1,2,3,4,5,6)。如方程式7A/7B所指出的那样，通过逻辑元件144执行求和。使用方程式7A/7B来计算值，并且从其减去δ值以获得θ_a值，如方程式8A所指出的那样。然后使用方程式9A从θ_a值计算θ_b值。然后使用方程式10A从θ_b值计算θ值。系统142类似于系统46，因此与非矢量控制PMSM一起使用。

向不同信号给予各种标签。Mes_sel为模式选择信号，该信号从主要状态控制器传送到复用器34，以确定是否允许Tmes或Imes信号通过(具体取决于测量的是时间还是电流)。将模式_sel信号从主要状态控制器传送到多路复用器36以在正常操作与初始转子传感器位置感测操作之间切换。Mes_pls信号是用于执行位置感测的测量脉冲信号。在实施方式中，Mes_pls信号自身可为电压脉冲，但在其他实施方式中，它只是用于实行电压脉冲的信号。TIM_cnt是从信号处理器44到定时器以启动/停止定时器的控制信号。ADC_cnt是用于ADC将Imes值传送到逻辑元件(并且将Im值传送到正常驱动信号处理器)的控制信号。CMP_out是传送到信号处理器44并且传送到主要状态控制器的比较器输出。θ_ini表示系统所计算出的初始转子位置。

图37示出用于感测电机的转子位置的系统(系统)146的代表性示例，该系统类似于系统142，不同之处在于它被配置为矢量控制。包括额外的放大器和ADC元件，使得两个电机电流信号Iv和Iu被发送至正常驱动信号处理器以进行矢量控制。因此，AMP 50和AMP 52两者均与单个分流电阻器Rs耦接。来自AMP 50的输出被传送到比较器用于Tmes测量(用于当使用Tmes模式时)，并且来自AMP 50的输出也被传送到ADC 54，其被转换为数字信号并且接着被发送到正常驱动信号处理器作为进行矢量控制的信号Iu。另外，来自ADC 54的输出被传送到多路复用器34，但如果主要状态控制器已经将多路复用器切换到Imes模式，则仅被传到逻辑元件144。当使用ADC_cnt信号通过信号处理器44进行控制时，将ADC 54输出传送到复用器34和正常驱动信号处理器。AMP 52将模拟信号传送到ADC 56，并且ADC 56将这个信号转换为数字信号并将其转发到正常驱动信号处理器作为进行矢量控制的信号Iv。CMP_out信号被转发到信号处理器44和主要状态控制器两者。正常驱动信号处理器因此使用初始转子位置信号θini以及矢量控制电流信号Iv和Iu来根据需要最佳地增大、维持或减小三角形配置PMSM的转子的速度。三角形配置PMSM可为SPMSM或IPMSM。

图38示出用于感测电机的转子位置的系统(系统)148的实施方式，其在许多方面类似于先前所述的系统76，不同之处在于被配置为供与三角形配置电机一起使用并且使用逻辑元件144。三相逆变器具有图25的三相逆变器130的配置。相同信号用于控制相同开关，如先前针对三相逆变器128所述，但三个分流电阻器与其耦接，如图所见：Rsu、Rsv和Rsw。该信号选择和转发如上文针对系统58所描述。多路复用器82转发与Rsw或Rsv对应的Tmes或Imes信号，并且这在一条线路上使用AMP 78来放大并且在另一条线路上转发到ADC 86。AMP80放大与Rsu对应的Tmes或Imes信号，并且将其转发到多路复用器84和ADC 88。多路复用器90将来自ADC 86或ADC 88的输入转发到多路复用器34。除了系统被配置为供与三角形配置PMSM(IPMSM或SPMSM)一起使用并且使用逻辑元件144之外，系统148的元件的操作与系统76的类似定位的元件相似或相同。CMP_out信号被转发到信号处理器44和主要状态控制器两者。因此，系统148用于矢量控制型星形配置PMSM(不管SPMSM还是IPMSM)的转子位置测量或计算。

图39示出用于感测电机的转子位置的系统(系统)150的实施方式，其在许多方面类似于系统58，不同之处在于被配置为供与矢量控制型三角形配置PMSM(IPMSM或SPMSM)一起使用并且具有用于执行方程式7A/7B和8A至10A的运算的逻辑元件144。另外，这些运算和元件与先前相对于系统58所描述的那些相似。

图40示出用于感测电机的转子位置的系统(系统)152的实施方式，其在许多方面类似于系统92，不同之处在于被配置为供与矢量控制型三角形配置PMSM(IPMSM或SPMSM)一起使用并且具有用于执行方程式7A/7B和8A至10A的运算的逻辑元件144。另外，这些运算和元件与先前相对于系统92所描述的那些相似。

图41示出用于感测电机的转子位置的系统(系统)154的实施方式，其在许多方面类似于系统110，不同之处在于被配置为供与矢量控制型三角形配置PMSM(IPMSM或SPMSM)一起使用并且具有用于执行方程式7A/7B和8A至10A的运算的逻辑元件144。另外，这些运算和元件与先前相对于系统110所描述的那些相似。

图42示出表示用于感测电机的转子位置的方法(方法)156的流程图，其可用于感测或计算三角形配置矢量控制型PMSM(不管SPMSM还是IPMSM)的转子位置。该流程图方法代表性地示出了利用Tmes测量的方法(可针对Imes测量示出具有一些变化的类似流程图)。设置比较器阈值(以确定何时达到Ic值以用于Tmes测量或确定何时达到Imes峰值以用于Imes测量)并且进行第一y_i测量y₁以测量与vu电流矢量对应的Tmes。该测量与i＝1对应。进行第二y_i测量y₂以测量与vw电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝2对应。进行第三测量y₃以测量与uw电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝3对应。进行第四测量y₄以测量与uv电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝4对应。进行第五测量y₅以测量与wv电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝5对应。进行第六测量y₆以测量与wu电流矢量对应的Tmes，该测量与i＝6对应。针对Imes方法，可改为测量与每个电流矢量对应的Imes值。

然后使用方程式7A或方程式7B计算位置(具体取决于测量的是Tmes还是Imes，在本例中测量的是Tmes)，之后使用方程式8A至10A计算先前所述的转子位置。

图27代表性地示出用于测量时间值134的方法(方法)，该方法是图42的每个y_i测量步骤的一部分。将定时器清零，然后切换三相逆变器输出以对应Ph_sel信号，从而选择电流矢量wu、wv、uv、uw、vw或vu。然后启动定时器。等待时间开始，直至比较器输出信号以指示已达到电流电平，在该点定时器停止。三相逆变器输出关闭(即电压脉冲结束)并且测量的Tmes值为测量值yi。然后等待周期开始，以确保定子线圈能量完全衰减，在此后可再次开始该过程。尽管在该代表性示例中是以特定顺序测量电流矢量，在其他实施方式中可以其他顺序测量它们。

在各种实施方式中，用于感测电机的转子位置的系统包括一个或多个逻辑元件，其与一个或多个分流电阻器耦接，该一个或多个分流电阻器与三相逆变器耦接。

在各种实施方式中，用于感测转子位置的系统被配置为计算不使用矢量控制(磁场定向控制)来控制的PMSM的转子的位置。

在各种实施方式中，用于感测转子位置的系统中的PMSM包括表面永磁同步电机(SPMSM)。

在各种实施方式中，用于感测转子位置的系统中的PMSM包括内嵌永磁同步电机(IPMSM)。

在各种实施方式中，用于感测转子位置的系统被配置为计算使用矢量控制(磁场定向控制)来控制的PMSM的转子的位置。

在各种实施方式中，用于计算转子位置的一个或多个位置算法包括以下中的一者：

和

在各种实施方式中，用于感测转子位置的方法包括将定时器与PMSM耦接并且响应于来自比较器的输入使用信号处理器在开始配置与停止配置之间切换定时器。

在各种实施方式中，用于感测转子位置的方法使用测量值，其中测量值是使用与一个或多个分流电阻器耦接的一个或多个元件来测量的，该一个或多个分流电阻器与三相逆变器耦接。

在以上描述提到用于三相电机的转子位置感测系统和相关方法以及实施部件、子部件、方法和子方法的特定实施方式的地方，应当易于显而易见的是，可在不脱离其精神的情况下做出许多修改，并且这些实施方式、实施部件、子部件、方法和子方法可应用于其他用于三相电机的转子位置感测系统和相关方法。

Claims

1.一种用于感测电机的转子位置的系统，所述系统包括：

控制器，所述控制器与三角形配置三相永磁同步电机(PMSM)耦接，所述控制器被配置为致使多个电压脉冲被施加到所述PMSM；

定时器和模数转换器(ADC)中的一者，所述定时器和所述ADC中的一者与所述PMSM和所述控制器耦接并且被配置为由与所述PMSM耦接的三相逆变器测量多个值(测量值)，所述测量值中的每个与所述多个电压脉冲中的一个对应并且包括与所述PMSM的电感对应的电流值和与所述PMSM的电感对应的时间值中的一者；以及

一个或多个逻辑元件，所述一个或多个逻辑元件被配置为基于所述测量值并且使用一个或多个位置算法来计算所述PMSM的转子相对于所述PMSM的定子的位置；

其中所述系统被配置为当所述转子处于停止配置时以及当所述转子处于旋转配置时计算所述转子的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个逻辑元件在30度的准确度以内计算所述转子的位置。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括所述定时器、与所述定时器耦接的比较器以及信号处理器，所述信号处理器与所述定时器耦接并且被配置为响应于来自所述比较器的输入而在开始配置与停止配置之间切换所述定时器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个位置算法包括以下中的一种：

<mrow> <msup> <mi>tan</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

和

<mrow> <msup> <mi>tan</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中每个α_i包括介于0和2π之间的值，并且其中每个y_i包括所述测量值中的一个。

5.一种用于感测电机的转子位置的系统，所述系统包括：

至少三个分流电阻器，所述至少三个分流电阻器与同所述PMSM耦接的三相逆变器耦接；

定时器和模数转换器(ADC)中的一者，所述定时器和所述ADC中的一者与所述至少三个分流电阻器耦接并且被配置为测量多个值(测量值)，所述测量值中的每个与所述多个电压脉冲中的一个对应并且包括与所述PMSM的电感对应的电流值和与所述PMSM的电感对应的时间值中的一者；以及

一个或多个逻辑元件，所述一个或多个逻辑元件与所述定时器和所述ADC中的所述一者耦接并且被配置为基于所述测量值并且使用一个或多个位置算法来计算所述PMSM的转子相对于所述PMSM的定子的位置；

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述系统包括所述定时器、所述ADC、比较器以及多路复用器，各自与所述一个或多个逻辑元件耦接。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述系统还包括与所述一个或多个逻辑元件耦接的取样与保持元件(S/H)和模拟多路复用器(AMUX)。

8.一种用于感测电机的转子位置的方法，所述方法包括：

将控制器以及定时器和模数转换器(ADC)中的一者与三角形配置三相永磁同步电机(PMSM)耦接；

使用所述控制器将多个电压脉冲施加至所述PMSM；

使用所述定时器和所述ADC中的所述一者由与所述PMSM耦接的三相逆变器测量多个值(测量值)，所述测量值中的每一者与所述多个电压脉冲中的一者对应并且包括与所述PMSM的电感对应的电流值和与所述PMSM的电感对应的时间值中的一者；以及

使用与所述PMSM耦接的一个或多个逻辑元件基于所述测量值并且使用一个或多个位置算法来计算所述PMSM的转子相对于所述PMSM的定子的位置；

其中所述一个或多个逻辑元件被配置为当所述转子处于停止配置时以及当所述转子处于旋转配置时计算所述转子的位置；并且

其中所述一个或多个逻辑元件被配置为计算不使用矢量控制来控制的PMSM的转子的位置。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：当所述转子处于所述停止配置时使用所述一个或多个逻辑元件来计算所述转子相对于所述定子的位置。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括：将所述ADC与所述PMSM耦接，使用所述ADC将来自所述三相逆变器的模拟信号转换为数字信号，并且将来自所述ADC的所述数字信号传送到所述一个或多个逻辑元件。