用于电机的控制方法和装置、以及电机控制系统与流程

1.本公开主要涉及电机控制技术领域，更具体地，涉及用于电机的控制方法和装置、以及电机控制系统。


背景技术：

2.诸如永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine，pmsm)之类的电机被广泛应用于各个领域，例如轨道交通、电动汽车、工业变频、船舶推进、家用电器、航空航天等。对于诸如pmsm之类的电机，可以采用已经发展成熟并被广泛应用的磁场定向控制(field oriented control，foc)作为电机驱动控制策略。
3.在采用foc技术控制电机的过程中，需要获取电机转子的实时位置或角度。目前，主要存在两种获取转子位置的方式。一种方式是利用传感器来检测转子位置，例如可以将诸如霍尔传感器、光栅编码器和旋转变压器之类的传感器安装至转子的轴部以获取转子的实时位置。然而，这种方式由于需要专用的传感器而使得整个系统的成本上升、体积增加、并且可靠性降低。另一种方式是无传感器位置检测，这种方式通过算法来获取转子位置，而无需使用传感器。无传感器位置检测可以通过观测反电动势或者利用电机电感的不对称效应来获取转子位置。但是，目前这些无传感器检测方式仍然存在缺陷和问题。例如，在通过观测反电动势来检测转子位置的情况下，当电机转子的转速较低或者为零时，反电动势很小而导致难以获得转子位置；在利用电机电感的不对称效应来获取转子位置的情况下，通常需要注入高频信号，这会导致高频振动和噪声，使得用户体验较差。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本公开的实施例提供了一种用于电机的控制方法和装置、以及电机控制系统。
5.在本公开的第一方面，提供了一种用于电机的控制方法，该控制方法包括：获取表示电机的定子电流的感测信号；基于与电机的输出状况有关的特性值来确定至少一个采样时段，其中每个采样时段位于用于电机的逆变器被施加了第一矢量信号的时段内或被施加了第二矢量信号的时段内，第一矢量信号是空间矢量脉宽调制中的零矢量信号，并且第二矢量信号是空间矢量脉宽调制中的有效矢量信号；基于感测信号来计算定子电流在所确定的每个采样时段中的变化率；以及基于计算出的变化率来获取电机的转子位置和转子转速中的至少一种。
6.在本公开的方案中，可以根据电机的运行工况在零矢量作用时段和/或有效矢量作用时段中进行采样，以确保采样时段足够长，使得无论何种工况都能确定定子电流的变化率或斜率，并且因此可以在各种工况中准确检测出电机的转子位置或转子转速，而无需位置传感器并且无需注入高频信号。
7.在本公开的一些实现方式中，特性值包括电压利用率，电压利用率基于针对逆变器的电压指令信号和母线电压来确定。在这种实现方式中，可以通过电压利用率准确判断
出电机的输出状况，从而确定空间脉宽调制中的有效矢量和零矢量的时间分配情况。
8.在本公开的一些实现方式中，基于与电机的输出状况有关的特性值来确定至少一个采样时段包括：如果特性值低于第一阈值，确定第一采样时段，第一采样时段位于逆变器被施加了第一矢量信号的时段内；以及如果特性值超过第二阈值，确定第二采样时段，第二采样时段位于逆变器被施加了第二矢量信号的时段内，第二阈值等于或大于第一阈值。在这种实现方式中，当电机处于诸如低速、轻载之类的工况时，可以在较长的零矢量作用时段内采样，并且当电机处于诸如高速、重载之类的工况时，可以在较长的有效矢量作用时段内采样，从而确保始终具有足够长的采样窗口。
9.在本公开的一些实现方式中，第二阈值大于第一阈值，并且基于与电机的输出状况有关的特性值来确定至少一个采样时段包括：如果特性值在第一阈值与第二阈值之间，确定第一采样时段和第二采样时段。通过这种实现方式，可以在重载与轻载之间或在高速与低速之间的过渡区间中在零矢量作用时段和有效矢量作用时段两者中均进行采样，从而可以综合考虑多种采样时段的电流斜率或变化率，以获得更准确的检测结果。
10.在本公开的一些实现方式中，基于计算出的变化率来获取电机的转子位置和转子转速中的至少一种包括：如果特性值低于第一阈值，基于针对第一采样时段计算出的变化率来获取电机的转子位置和转子转速中的至少一种；如果特性值超过第二阈值，基于针对逆变器的电压指令信号并且基于针对第二采样时段计算出的变化率，来获取电机的转子位置和转子转速中的至少一种；如果特性值在第一阈值与第二阈值之间，执行以下操作：基于针对第一采样时段计算出的变化率来确定第一位置和/或第一转速；基于针对逆变器的电压指令信号并且基于针对第二采样时段计算出的变化率，来确定第二位置和/或第二转速；基于特性值来确定第一位置和第二位置的权重系数、和/或第一转速和第二转速的权重系数；并且基于第一位置、第二位置和权重系数来获取电机的转子位置、和/或基于第一转速、第二转速和权重系数来获取电机的转子转速。在这种实现方式中，可以无需位置传感器也无需注入高频信号而在各种工况下准确地获取转子位置和转速。
11.在本公开的一些实现方式中，基于感测信号来计算定子电流在所确定的每个采样时段中的变化率包括：在每个采样时段中的两个采样点处对感测信号进行采样；以及基于两个采样点的采样值来确定定子电流在该采样时段中的变化率。在这种实现方式中，可以以简单快速地获取能够确定定子电流变化率的采样值。
12.在本公开的一些实现方式中，基于感测信号来计算定子电流在所确定的每个采样时段中的变化率包括：在每个采样时段中的多对采样点处对感测信号进行采样；基于多对采样点的采样值来确定多个变化率；并且计算多个变化率的平均值作为定子电流在该采样时段中的变化率。通过这种实现方式，可以有效减少电流采样噪声的影响。
13.在本公开的一些实现方式中，控制方法还包括：基于所获取的转子位置和转子转速中的至少一种，生成用于控制逆变器的控制信号。在这种实现方式中，可以在各种工况中控制诸如永磁同步电机之类的电机的运行，而无需位置传感器并且无需注入高频信号。
14.在本公开的第二方面，提供了一种用于电机的控制装置，该控制装置包括：处理器；以及与处理器耦合的存储器，存储器具有存储于其中的指令，指令在由处理器执行时使设备执行根据第一方面的控制方法。
15.在本公开的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序
代码，计算机程序代码在被运行时执行根据第一方面的控制方法。
16.在本公开的第四方面，提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品被有形地存储在计算机可读介质上并且包括计算机可执行指令，计算机可执行指令在被执行时使设备执行根据第一方面的控制方法。
17.在本公开的第五方面，提供了一种电机控制系统，该电机控制系统包括：逆变器，被配置为驱动电机；以及控制装置，被配置为执行根据第一方面的控制方法。
18.应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
19.结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标注表示相同或相似的元素，其中：
20.图1示出了本公开的实施例可以在其中实现的电机及其控制系统的示意图。
21.图2示出了根据本公开的实施例的控制装置的示意性框图。
22.图3示出了常规cds方案中的三相pwm信号以及相电流的波形图。
23.图4示出了根据本公开的实施例的用于电机的控制方法的示意流程图。
24.图5示出了根据本公开的实施例的控制方法所对应的三相pwm信号以及相电流的波形图。
25.图6示出了根据本公开的实施例的控制装置的检测部的示意性框图。
26.图7示出了根据本公开的实施例的控制方法所对应的三相pwm信号以及相电流的波形图。
27.图8示出了根据本公开的实施例的控制方法中的转子位置和转速的权重系数分配示意图。
28.图9示出了可以用来实施本公开的实施例的示例设备900的示意性框图。
具体实施方式
29.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
30.在本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
31.图1示出了本公开的实施例可以在其中实现的电机控制系统1000的示意图。作为示例，电机控制系统1000包括电机1300，电机1300可以是永磁同步电机或者需要进行转子位置检测的其他适当类型的电机，并且电机1300可以由电机控制系统1000控制和驱动。电机控制系统1000可以包括逆变器1100和控制装置1200。逆变器1100例如可以是三相逆变
器，其三相桥臂分别连接到电机1300的定子三相绕组，以向定子三相绕组提供电流来生成驱动转子旋转所需的定子磁场。控制装置1200可以从设置在三相电路上的感测设备接收与a相、b相和c相电流有关的感测信号或测量信号，并且生成pwm信号来交替接通和关断逆变器1100中的各个桥臂上的开关器件以驱动电机1300。控制装置1200可以包括检测部1210和控制部1220，其中检测部1210可以在无需转子位置传感器的情况下利用适当的算法检测出电机1300的转子位置和转速，并且将检测出的转子位置和转速提供给控制部1220，以使控制部1220输出适当的pwm信号到逆变器1100。
32.图2示出了根据本公开的实施例的控制装置1200的示意性框图。如图2所示，检测部1210可以向控制部1220提供检测出的转子位置θ和转子转速ω。转速指令ω
ref
与检测出的转子转速ω在控制部1220的求差模块1221-1处求差，两者的差被提供给速度控制模块1222。速度控制模块1221对转速差进行诸如pi调节之类的处理，并将处理后的信号提供到电流参考计算模块1223以获得期望的电流指令。另一方面，采样模块1229对感测到的定子三相电流ia、ib和ic进行采样，并且在clark变换模块1227处对三相电流采样值进行坐标变换，以从三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系，从而获得两相电流i
α
和i
β
。两相电流i
α
和i
β
被提供到park变换模块1225，以进一步从两相静止αβ坐标系变换到两相旋转dq坐标系，从而获得d轴电流id和q轴电流iq。电流参考计算模块1223获得的电流指令与d轴和q轴电流id、iq在求差模块1221-2处求差，所得到的差被提供到电流控制模块1224进行诸如pi调节之类的处理而获得两相旋转dq坐标系下的电压指令uq和ud。逆park变换模块1226将两相旋转dq坐标系下的电压指令uq和ud进一步变换为两相静止αβ坐标系下的电压指令u
α
和u
β
，以提供到pwm模块1228来生成用于驱动逆变器1100的pwm信号。此外，两相电流i
α
和i
β
还将被提供到检测部1210，以用于确定转子位置θ和转子转速ω，其中转子转速ω被提供到求差模块1221-1，而转子位置θ被提供到park变换模块和逆park变换模块以用于实现信号和指令在静止坐标系与旋转坐标系之间的转换。
33.需要说明的是，图2所示出的控制装置1200的内部构造仅仅是示例性的，并且可以根据需要对其内部构造进行适当调整，例如可以增加、去除或替换部分模块。此外，可以理解，控制装置1200可以以软件的方式来实现，例如各个模块可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块作成单个集成电路模块来实现。此外，控制装置1200也可以任何其他适当的方式来实现，例如可以以诸如模拟电路或数字电路之类的硬件电路来实现，或者还以软件和硬件相结合的方式来实现。
34.如前文所述，在无传感器位置检测技术中，观测反电动势的方法在转速为零或转速较低的情况下无法获得转子位置，因此其应用受到了限制。相比之下，利用电机电感或电抗的不对称效应来获取转子位置则不存在这种限制。为了获得不对称的电感或电抗信息，可以向电机中注入高频电压信号，并采样和处理激励出的高频电流信号，从而从电感或电抗信息中提取出位置信号。这种方式在低转速和零转速下仍然可以检测转子位置，并且具有不依赖电机模型以及信噪比较高的优点。但是，注入的高频信号会导致高频振动和噪声。为了解决这个问题，进一步提出了电流微分无位置传感器控制(current derivative sensorless，cds)。
35.在cds方案中，利用已有的电机控制信号和反馈电流来获取转子位置，而不用向电
机注入额外的信号。这种方式具有高频信号注入的方式所具有的优点，同时避免了高频信号所引起的振动和噪声。然而，实现cds的基础和关键在于，电压作用到定子绕组期间的定子相电流的斜率或变化率是可测量的，以便利用所得到的电流斜率或变化率并借助于电机的电压方程来计算出转子位置。cds方案中的这一要求实际上使得其具有较大的实现难度，并且在一些情况下可能无法检测出电机的转子位置和转子转速。
36.图3示出了常规cds方案中的三相pwm信号以及相电流的波形图，其中在相电流波形上示出了用于对电流进行采样的采样时段或采样窗口。在采用空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，svpwm)对驱动电机的逆变器进行控制以实现foc的过程中，逆变器的三相桥臂上的开关器件可能接收到8种矢量控制信号(sa,sb,sc)，其包括6种有效矢量sv1(1,-1,-1)、sv2(1,1,-1)、sv3(-1,1,-1)、sv4(-1,1,1)、sv5(-1,-1,1)和sv6(1,-1,1)、以及2种零矢量sv0(-1,-1,-1)和sv7(1,1,1)，其中每个矢量控制信号中的“1”表示相应相的上桥臂的开关器件被接通而下桥臂被关断，并且
“‑
1”表示相应相的上桥臂被关断而下桥臂被接通，例如有效矢量sv1(1,-1,-1)表示a相的上桥臂接通而下桥臂关断，以及b相和c相的下桥臂接通而上桥臂关断，而零矢量sv0(-1,-1,-1)表示a相、b相和c相的所有上桥臂均被关断而所有下桥臂均被接通。根据svpwm的工作原理，任何旋转的空间矢量电压都可以通过这8种基本矢量合成得到，合成原则应满足伏-秒平衡原理。例如，在图3中，示出了一个pwm信号序列，该序列包括svpwm中的矢量sv0、sv1、sv2和sv7，它们各自被分配了一定的作用时段。由此，当这样的pwm信号序列被施加到逆变器时，与这些矢量信号相对应的基本矢量电压可以等效地合成而获得位于第一扇区的一个空间矢量电压以用于施加到定子。
37.为了通过cds技术来实现针对电机的无位置传感器控制，需要对某个固定的矢量电压作用下的定子相电流进行采样，从而获得电流斜率或变化率。此外，为了获得有意义的电流斜率或变化率，该固定的矢量电压的作用时段需要足够长以确保足够长的采样时段或采样窗口。然而，如所讨论的，空间矢量电压实际上是由多个基本矢量电压通过等效合成的方式获得的，因此，固定的矢量电压(即单个基本矢量电压)的作用时段通常较短。在一些常规方案中，会选择在零矢量作用的时段内对定子相电流进行采样，例如，如图3中所示，将采样时段sw’设置在零矢量sv7作用的时段内。当电机轻载和低速运行时，零矢量电压的作用时段较长，因此可以满足采样时段或采样窗口sw’的要求。然而，当电机重载或高速运行时，零矢量电压的作用时段将变得非常短，在一些情况下甚至为零，这将导致不存在满足需要的采样窗口，因此无法获得定子相电流的斜率或变化率以及无法检测到电机的转子位置或转子转速。
38.本公开的实施例提供了用于检测电机转子的位置和转速以及控制电机的改进方案。在本公开的实施例中，可以在不同的运行工况下采用不同的采样策略，即，在电机以轻载和低速的方式运行的情况下，在电机被施加了零矢量电压的时段对定子电流进行采样以确定电流斜率或变化率，而在电机以重载和/或高速的方式运行的情况下，在电机被施加了有效矢量电压的区间对定子电流进行采样以确定电流斜率或变化率。通过这种方式，无论处于何种工况，都可以避免采样窗口不足的问题，从而确保可以准确确定定子电流的变化率，并因此能够确定转子位置或转速。
39.图4示出了根据本公开的实施例的用于电机1300的控制方法400的示意流程图。方
法400可以在图1所示的电机控制系统1000中实现，并且由控制装置1200来执行。可以理解，上面关于图1和图2所描述的各个方面，可以适用于方法400。为了讨论的目的，将结合图1和图2来描述方法400。
40.在框401处，控制装置1200获取表示电机1300的定子电流的感测信号。作为示例，控制装置1200的采样模块1229可以从诸如电流传感器、电流互感器之类的电流感测设备获取表示电机1300的定子的三相电流大小的信号ia、ib和ic。
41.在框402处，控制装置1200基于与电机1300的输出状况有关的特性值来确定至少一个采样时段，其中每个采样时段位于用于逆变器1100被施加了第一矢量信号的时段内或被施加了第二矢量信号的时段内，第一矢量信号是空间矢量脉宽调制中的零矢量信号，并且第二矢量信号是空间矢量脉宽调制中的有效矢量信号。作为示例，与输出状况有关的特性值可以表征电机1300的运行工况，例如电机1300是否在空载或重载的情况下运行、或者是否需要以高速或低速的方式运行，这会影响电机控制过程中的零矢量电压或有效矢量电压的作用时段长度。当电机1300需要以诸如重载和高速的状态运行时，为了获得更大的功率输出，分配给有效矢量的时段变长并且分配给零矢量的时段变短。然而，当电机1300需要以诸如轻载和低速的状态运行时，由于功率输出将会很低，因此分配给有效矢量的时段变短并且分配给零矢量的时段变长。由此可见，通过观测表征电机的输出状况的特性值，可以判断出电机控制过程中的哪种矢量电压具有更长的作用时段，并因此控制装置1200或其采样模块1229可以选择将采样时段设置在具有较长时段的矢量作用期间，以确保用于确定电流变化率的采样时段足够长。例如，在轻载并且低速的情况下，零矢量sv0和sv7具有更长的作用时段，因此采样模块1229可以选择在施加零矢量sv0或sv7的时段中对电流进行采样，而在重载的情况下或者在高速的情况下，有效矢量sv1至sv6中的至少一种有效矢量具有更长的作用时段，因此采样模块1229可以选择在施加这种有效矢量的时段中对电流进行采样。此外，在轻载与重载之间的过渡区间中，可以同时在零矢量和有效矢量的作用时段内分别设置采样时段，即采样模块1229可以选择在零矢量和有效矢量的作用时段期间分别进行采样。
42.在本公开的一些实施例中，与电机1300的输出状况有关的特性值包括电压利用率，该电压利用率基于针对逆变器1100的电压指令和母线电压来确定。具体而言，电压利用率与零矢量和有效矢量的作用时段具有直接的关联性，其中如果电压利用率越高，则表示逆变器1100即将施加到电机1300上的矢量电压的幅值越接近于直流母线电压，并且因此分配给有效矢量的作用时段必然会越长，以及分配给零矢量的作用时段必然会越短；如果电压利用率越低，则表示逆变器1100即将施加到电机1300上的矢量电压的幅值远低于直流母线电压，并且因此分配给零矢量的作用时段必然会越长，以及分配给有效矢量的作用时段必然会越短。控制装置1200可以借助于电压传感器或电压互感器之类的电压感测设备来获取逆变器1100的直流母线上的母线电压ud。此外，针对逆变器1100的电压指令可以从控制装置1200内部直接获取，该电压指令可以是控制装置1200的电流控制模块1224所生成的两相旋转dq坐标系下的电压指令uq和ud、或者可以是逆park变换模块1226所生成的两相静止αβ坐标系下的电压指令u
α
和u
β
。由此，可以利用以下等式来计算电压利用率fv：
[0043][0044]
或
[0045][0046]
在等式(1)，当m＝2/3时，电压利用率最大值可以达到0.866，并且当m＝1时，电压利用率最大值可以达到0.577。
[0047]
然而，可以理解的是，与电机1300的输出状况有关的特性值并不受限于此，而可以以其他适当的方式实现，例如，当电机1300驱动的负载为固定负载时，可以测试并确定转速与零矢量和有效矢量的作用时段的关联性，由此也可以将转速指令作为特性值。
[0048]
在框403处，控制装置1200基于感测信号来计算定子电流在所确定的每个采样时段中的变化率。作为示例，在确定了采样时段之后，采样模块1229可以在所确定的采样时段对三相电流的感测信号ia、ib和ic进行采样，并且采样后的三相电流值可以在clark变化模块1227处进行clark变换以转换为两相静止αβ坐标系下的电流值i
α
、i
β
并提供给检测部1210。检测部1210基于所提供的电流值i
α
、i
β
来确定i
α
、i
β
在采样时段中的变化率，并且被确定的定子电流的变化率将用于后续的转子位置的计算。
[0049]
在框404处，控制装置1200基于计算出的变化率来获取电机1300的转子位置和转子转速中的至少一种。具体而言，在获得定子电流的变化率之后，利用cds技术中已有的电机电压方程可以计算出转子位置θ和转子转速ω。
[0050]
图5示出了根据本公开的实施例的控制方法400所对应的三相pwm信号以及相电流的波形图，其中在相电流波形上示出了用于对定子电流进行采样的采样时段和采样点。如图5所示，在本公开的一些实施例中，如果诸如电压利用率之类的特性值低于第一阈值vh1，控制装置1200或其采样模块1229确定第一采样时段sw1，该第一采样时段sw1位于逆变器1100被施加了某个零矢量信号(例如sv7)的时段内；以及如果诸如电压利用率之类的特性值超过第二阈值vh2，控制装置1200或其采样模块1229确定第二采样时段sw2，该第二采样时段sw2位于逆变器1100被施加了某个有效矢量信号(例如sv1)的时段内，第二阈值vh2等于或大于第一阈值vh1。换言之，控制装置1200或其采样模块1229可以根据特性值与阈值的比较来确定是在有效矢量的作用时段内采样还是在零矢量的作用时段内采样。
[0051]
在本公开的一些实施例中，控制装置1200可以基于两个采样点p1和p2或p3和p4的采样值来确定定子电流在该采样时段中的变化率。作为示例，在采样完成后，三相相电流在两个采样点处的采样值可以经过clark变换模块1227转换为两相静止αβ坐标系下的电流值i
α
、i
β
，并将i
α
、i
β
提供到检测部1210来计算采样时段中的i
α
的电流变化率和i
β
的电流变化率。备选地，控制装置1200可以在每个采样时段中的多对采样点处对感测信号进行采样，基于多对采样点的采样值来确定多个变化率，并且计算多个变化率的平均值作为定子电流在该采样时段中的变化率。通过这种方式，可以有效减少电流采样噪声的影响。
[0052]
图6示出了根据本公开的实施例的控制装置120的检测部121的示意性框图。永磁
同步电机pmsm在两相静止αβ坐标系下电压方程可以表示为以下等式：
[0053][0054]
其中，u
α
为pmsm的α轴电压值，u
β
为pmsm的β轴电压值，r为电机定子电阻，∑l为均值电感，即d轴电感ld和q轴电感lq的平均值，δl为差值电感，即(l
d-lq)/2，θ为转子实时位置，ω为转子实时转速，p为微分算子，并且ψf为电机永磁体磁链。
[0055]
基于等式(2)，可以推导出电机运行在零矢量和有效矢量的作用时段下的转子位置θ和转子转速ω的离散计算过程，该计算过程如图6中的框图所示。在图6中，采样获得的电流值i
α
、i
β
分别被提供到模块1213和模块1214。借助于延迟单元和求差计算，模块1213和模块1214可以分别计算电流值i
α
和电流值i
β
的变化率，并将计算出的变化率用于后续转子位置的计算。
[0056]
在本公开的一些实施例中，如果特性值低于第一阈值vh1，基于针对第一采样时段sw1计算出的变化率来获取电机1300的转子位置θ和转子转速ω中的至少一种；如果特性值超过第二阈值vh2，基于针对逆变器1100的电压指令u
α
和u
β
并且基于针对第二采样时段sw2计算出的变化率，来获取电机1300的转子位置θ和转子转速ω中的至少一种。具体而言，特性值低于第一阈值vh1时的采样时段sw1位于零矢量sv7的作用时段中，此时的电压幅值是零，因此等式(2)中的u
α
和u
β
为零，并且图6中的转子位置计算过程无需考虑u
α
和u
β
。然而，特性值超过第二阈值vh2时的采样时段sw2位于有效矢量sv1的作用时段中，此时的电压幅值非零，因此图6中的转子位置计算过程除了电流变化率之外还需要考虑u
α
和u
β
。如图6所示，开关模块1211和特征值比较模块1212可以相互配合，以便在采样时段位于零矢量作用时段时将开关模块1211切换到零值，而在采样时段位于有效矢量作用时段时将开关模块1211切换到有效的u
α
和u
β
并提供到后续的计算过程中。
[0057]
图7示出了根据本公开的备选实施例的控制方法400所对应的三相pwm信号以及相电流的波形图，其中在相电流波形上示出了用于对定子电流进行采样的采样时段和采样点。在本公开的一些实施例中，第二阈值vh2大于第一阈值vh1，并且如果特性值在第一阈值vh1与第二阈值vh2之间，确定第一采样时段sw1和第二采样时段sw2两者。具体而言，特性值位于第一阈值和第二阈值之间表明电机1300的运行工况处于过渡区间，即处于重载与轻载之间、或低速与高速之间，在这种情况下可以在零矢量(例如sv7)的作用时段内和有效矢量(例如sv1)的作用时段内均进行采样。
[0058]
图8示出了根据本公开的备选实施例的控制方法400中的转子位置和转速的权重系数分配示意图。在本公开的一些实施例中，如果特性值在第一阈值th1与第二阈值th2之间，控制装置1200执行以下操作：基于针对第一采样时段sw1计算出的变化率来确定第一位置和/或第一转速；基于针对逆变器1100的电压指令信号u
α
和u
β
并且基于针对第二采样时段sw2计算出的变化率，来确定第二位置和/或第二转速；基于特性值来确定第一位置的权重系数w1和第二位置的权重系数w2、和/或第一转速的权重系数w1和第二转速的权重系数w2；
并且基于第一位置、第二位置和权重系数w1和w2来获取电机的转子位置θ、和/或基于第一转速、第二转速和权重系数w1和w2来获取电机1300的转子转速ω。具体而言，在电机1300的运行工况处于过渡状态的情况下，控制装置1200可以针对采样时段sw1的电流采样值计算转子位置和转速，同时可以针对采样时段sw2的电流采样值计算另一转子位置和转速。控制装置1200可以基于特性值来为计算出的两种转子位置或转速分别分配不同的权重系数。例如，在过渡区中，随着诸如电压利用率之类的特性值的增大，权重系数w1从1至0线性减小，并且权重系数w2从0至1线性增大。可以基于以下等式来计算出最终估计出的转子位置θe或转子转速ωe：
[0059]
θe＝θ
zero
*w1+θ
active
*w2
[0060]
或
[0061]
ωe＝ω
zero
*w1+ω
active
*w2
[0062]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0063]
其中θ
zero
表示第一位置，θ
active
表示第二位置，ω
zero
表示第一转速，并且ω
active
表示第二转速。
[0064]
通过本公开的实施例，可以根据电机的运行工况在零矢量作用时段和/或有效矢量作用时段中进行采样，以确保采样时段足够长，使得无论何种工况都能获得定子电流的变化率或斜率，并且因此能够在没有位置传感器的情况下准确检测出电机的转子位置或转子转速，从而实现对诸如永磁同步电机之类的电机的控制和驱动。
[0065]
图9示出了可以用来实施本公开的实施例的示例设备900的示意性框图。设备900可以被用于实现图1和图2中的控制装置1200。如图9所示，设备900包括计算单元901，其可以根据存储在随机存取存储器(ram)和/或只读存储器(rom)902的计算机程序指令或者从存储单元907加载到ram和/或rom 902中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram和/或rom 902中，还可存储设备900操作所需的各种程序和数据。计算单元901和ram和/或rom 902通过总线903彼此相连。输入/输出(i/o)接口904也连接至总线903。
[0066]
设备900中的多个部件连接至i/o接口904，包括：输入单元905，例如键盘、鼠标等；输出单元906，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元907，例如磁盘、光盘等；以及通信单元908，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元908允许设备900通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
[0067]
计算单元901可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元901的一些示例包括但不限于中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、各种专用的人工智能(ai)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(dsp)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元901执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法400。例如，在一些实施例中，方法400可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元907。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ram和/或rom和/或通信单元908而被载入和/或安装到设备900上。当计算机程序加载到ram和/或rom并由计算单元901执行时，可以执行上文描述的方法400的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元901可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法400。
[0068]
用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来
编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0069]
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、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或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0070]
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
[0071]
尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

技术特征：
1.一种用于电机的控制方法，包括：获取表示所述电机的定子电流的感测信号；基于与所述电机的输出状况有关的特性值来确定至少一个采样时段，其中每个采样时段位于用于所述电机的逆变器被施加了第一矢量信号的时段内或被施加了第二矢量信号的时段内，所述第一矢量信号是空间矢量脉宽调制中的零矢量信号，并且所述第二矢量信号是空间矢量脉宽调制中的有效矢量信号；基于所述感测信号来计算所述定子电流在所确定的每个采样时段中的变化率；以及基于计算出的变化率来获取所述电机的转子位置和转子转速中的至少一种。2.根据权利要求1所述的控制方法，其中所述特性值包括电压利用率，所述电压利用率基于针对所述逆变器的电压指令信号和母线电压来确定。3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其中基于与所述电机的输出状况有关的特性值来确定至少一个采样时段包括：如果所述特性值低于第一阈值，确定第一采样时段，所述第一采样时段位于所述逆变器被施加了第一矢量信号的时段内；以及如果所述特性值超过第二阈值，确定第二采样时段，所述第二采样时段位于所述逆变器被施加了第二矢量信号的时段内，所述第二阈值等于或大于所述第一阈值。4.根据权利要求3所述的控制方法，其中所述第二阈值大于所述第一阈值，并且基于与所述电机的输出状况有关的特性值来确定至少一个采样时段包括：如果所述特性值在所述第一阈值与所述第二阈值之间，确定所述第一采样时段和所述第二采样时段。5.根据权利要求4所述的控制方法，其中基于计算出的变化率来获取所述电机的转子位置和转子转速中的至少一种包括：如果所述特性值低于所述第一阈值，基于针对所述第一采样时段计算出的所述变化率来获取所述电机的转子位置和转子转速中的至少一种；如果所述特性值超过所述第二阈值，基于针对所述逆变器的电压指令信号并且基于针对所述第二采样时段计算出的所述变化率，来获取所述电机的转子位置和转子转速中的至少一种；如果所述特性值在所述第一阈值与所述第二阈值之间，执行以下操作：基于针对所述第一采样时段计算出的所述变化率来确定第一位置和/或第一转速；基于针对所述逆变器的电压指令信号并且基于针对所述第二采样时段计算出的所述变化率，来确定第二位置和/或第二转速；基于所述特性值来确定所述第一位置和所述第二位置的权重系数、和/或所述第一转速和第二转速的权重系数；并且基于所述第一位置、所述第二位置和所述权重系数来获取所述电机的转子位置、和/或基于所述第一转速、第二转速和所述权重系数来获取所述电机的转子转速。6.根据权利要求1所述的控制方法，其中基于所述感测信号来计算所述定子电流在所确定的每个采样时段中的变化率包括：在每个采样时段中的两个采样点处对所述感测信号进行采样；以及基于所述两个采样点的采样值来确定所述定子电流在该采样时段中的变化率。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其中基于所述感测信号来计算所述定子电流在所确定的每个采样时段中的变化率包括：在每个采样时段中的多对采样点处对所述感测信号进行采样；基于所述多对采样点的采样值来确定多个变化率；并且计算所述多个变化率的平均值作为所述定子电流在该采样时段中的变化率。8.根据权利要求1所述的控制方法，还包括：基于所获取的转子位置和转子转速中的至少一种，生成用于控制所述逆变器的控制信号。9.一种用于电机的控制装置，包括：处理器；以及与所述处理器耦合的存储器，所述存储器具有存储于其中的指令，所述指令在由处理器执行时使所述设备执行根据权利要求1-8中任一项所述的控制方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序代码，所述计算机程序代码在被运行时执行权利要求1至8中的任一项所述的控制方法。11.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品被有形地存储在计算机可读介质上并且包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时使设备执行根据权利要求1至8中任一项所述的控制方法。12.一种电机控制系统，包括：逆变器，被配置为驱动电机；以及控制装置，被配置为执行根据权利要求1至8中任一项所述的控制方法。

技术总结
本公开的实施例提供了用于电机的控制方法和装置以及电机控制系统。该控制方法包括：获取表示电机的定子电流的感测信号；基于与电机的输出状况有关的特性值来确定至少一个采样时段，其中每个采样时段位于用于电机的逆变器被施加了第一矢量信号的时段内或被施加了第二矢量信号的时段内，第一矢量信号是空间矢量脉宽调制中的零矢量信号，并且第二矢量信号是空间矢量脉宽调制中的有效矢量信号；基于感测信号来计算定子电流在所确定的每个采样时段中的变化率；以及基于计算出的变化率来获取电机的转子位置和转子转速中的至少一种。通过本公开的方案，可以确保在各种工况下都能够确定定子电流的变化率或斜率，并因此准确检测出电机的转子位置和转速。电机的转子位置和转速。电机的转子位置和转速。


技术研发人员：叶东林 周爱弟 李奇
受保护的技术使用者：华为技术有限公司
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2023/9/22