用于轉(zhuǎn)子位置估算的方法和設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于估算第一轉(zhuǎn)子的位置的設(shè)備和方法，所述第一轉(zhuǎn)子以磁性嚙 合的方式與第二轉(zhuǎn)子相互作用。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁性齒輪是常規(guī)機(jī)械齒輪的替代品是已知的。雖然名義上來說磁性齒輪中的兩個(gè) 轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度由齒輪傳動(dòng)比給出，但是磁性齒輪通常具有相對(duì)較低的剛性（stiffness) 和非線性特性。不像常規(guī)機(jī)械齒輪，齒輪傳動(dòng)比不能被用來準(zhǔn)確地將一個(gè)轉(zhuǎn)子位置與另一 個(gè)轉(zhuǎn)子位置相關(guān)聯(lián)，因?yàn)槠洳荒芩矔r(shí)保持或者不能保持在負(fù)載的條件下，特別是因?yàn)檗D(zhuǎn)子/ 場(chǎng)之間的相對(duì)角依賴于轉(zhuǎn)矩?？紤]到這些復(fù)雜性，不能簡(jiǎn)單地使用齒輪傳動(dòng)比由一個(gè)轉(zhuǎn)子 的位置確定另一個(gè)轉(zhuǎn)子的位置。
[0003] 永久磁體同步交流馬達(dá)通常具有位于轉(zhuǎn)子上的永久磁體和位于定子上的繞組。它 們一般使用采用場(chǎng)定向控制（field oriented control，F(xiàn)0C)的逆變器進(jìn)行控制，這需要轉(zhuǎn) 子位置以便產(chǎn)生電流波形來驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。轉(zhuǎn)子的位置一般通過使用諸如位于輸出軸上的編碼 器或者解算器等儀器通過直接測(cè)量來獲得。使用轉(zhuǎn)子位置，F(xiàn)0C確保通量（flux)與相電流 正確地定向以產(chǎn)生最優(yōu)轉(zhuǎn)矩。因此，使用F0C調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation， PWM)。例如，其確保了轉(zhuǎn)子位置和所需要的三相電流之間的相位關(guān)系或者相位角，所述三相 電流在時(shí)間上以120°分布，流進(jìn)以120°進(jìn)行空間分布（電角度）的三相繞組中，從而產(chǎn) 生與轉(zhuǎn)子磁通軸線（flux axis)正交（90° )的旋轉(zhuǎn)定子磁通軸線。
[0004] 偽直接驅(qū)動(dòng)器（Pseudo Direct Drive，PDD) 1是一種永久磁體電機(jī)，其具有一體化 的磁性齒輪；PDD電機(jī)的示例在W02007/125284A1中有詳細(xì)介紹。PDD電機(jī)可用于匹配原動(dòng) 機(jī)的運(yùn)行速度以滿足它們?cè)谥T如風(fēng)力發(fā)電機(jī)和電力船舶推進(jìn)裝置等應(yīng)用的負(fù)載的需要。第 一轉(zhuǎn)子10攜帶永久磁體的陣列并且與定子30中的繞組34相互作用以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。通常情況 下，位于定子30和第一永久磁體轉(zhuǎn)子10之間的第二個(gè)轉(zhuǎn)子20包括鐵磁性極靴22的陣列。 第二個(gè)轉(zhuǎn)子20通常以比第一轉(zhuǎn)子10低的速度旋轉(zhuǎn)，這是因?yàn)槲挥诙ㄗ?0上的永久磁體的 固定陣列32與磁通量從所述第一轉(zhuǎn)子10通過第二轉(zhuǎn)子20時(shí)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的空間諧波的 相互作用導(dǎo)致的磁性嚙合原理的緣故。然而，在一些實(shí)施方式中，所述第二轉(zhuǎn)子20可以以 比所述第一轉(zhuǎn)子10高的速度旋轉(zhuǎn)。齒輪傳動(dòng)比由磁片22的數(shù)量與永久磁體轉(zhuǎn)子10上的 極對(duì)的數(shù)量之比確定。所述第一轉(zhuǎn)子10在通篇中稱為高速轉(zhuǎn)子10,而所述第二轉(zhuǎn)子20稱 為低速轉(zhuǎn)子20。
[0005] 對(duì)于使用F0C執(zhí)行轉(zhuǎn)子控制的PDD驅(qū)動(dòng)來說，所述高速轉(zhuǎn)子10的位置是需要的。 對(duì)于小型PDD而言，所述高速轉(zhuǎn)子10制造成是可接近的以將位置傳感器與機(jī)械裝置配合， 如圖1所示。使用可接近高速轉(zhuǎn)子10,所述PDD可以通過使用直接測(cè)量所述高速轉(zhuǎn)子10的 位置而采用F0C。
[0006] 不過，對(duì)于大型TOD，這種設(shè)計(jì)不一定能夠?qū)崿F(xiàn)，這是因?yàn)槿绻D(zhuǎn)矩只在所述軸的 一個(gè)端部處作出反應(yīng)（react)的話，會(huì)有大量的應(yīng)變施加在軸和軸承上，并且還有扭力施 加在極靴結(jié)構(gòu)上。為了提供可靠的機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)于高速轉(zhuǎn)子而言優(yōu)選的是完全被低速轉(zhuǎn)子 所封閉。然而，在這種情況下，高速轉(zhuǎn)子不可接近，并且不可能為FOC去直接測(cè)量轉(zhuǎn)子的位 置。唯一能夠用以安裝測(cè)量傳感器的軸是作為輸出轉(zhuǎn)子而被連接至負(fù)載的低速轉(zhuǎn)子。然而， 從這個(gè)轉(zhuǎn)子獲得的測(cè)量不能直接用于FOC，這是因?yàn)橛捎谏鲜鲎饔美绱篷詈系姆蔷€性、低 剛性和齒輪傳動(dòng)比的緣故而不能反映高速轉(zhuǎn)子的位置。
[0007] 本發(fā)明通過提供一種用于使用基于模型的觀測(cè)器根據(jù)第二轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的 測(cè)量來估算第一轉(zhuǎn)子的位置來解決這個(gè)問題，所述第二轉(zhuǎn)子以磁性嚙合的方式與所述第一 轉(zhuǎn)子相互作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種設(shè)備，所述設(shè)備包括：第一轉(zhuǎn)子，所述第一轉(zhuǎn)子具有角位 置；第二轉(zhuǎn)子，所述第二轉(zhuǎn)子以磁性嚙合方式與所述第一轉(zhuǎn)子相互作用；傳感器，所述傳感 器用于測(cè)量所述第二轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；估算裝置，所述估算裝置用于使用基于模型的觀 測(cè)器估算所述第一轉(zhuǎn)子的所述角位置，其中所述估算至少基于所述第二轉(zhuǎn)子的所述運(yùn)動(dòng)學(xué) 特性。
[0009] 測(cè)得的所述第二轉(zhuǎn)子的所述運(yùn)動(dòng)學(xué)特性可以包括角位置和/或角速度。
[0010] 所述基于模型的觀測(cè)器優(yōu)選為基于降階模型的觀測(cè)器。在基于模型的觀測(cè)器中實(shí) 現(xiàn)的模型可以結(jié)合嚙合作用、剛性變化和/或慣性中的任意組合。優(yōu)選的是，所述模型可以 結(jié)合嚙合作用、剛性變化和慣性。
[0011] 其中，所測(cè)得的所述第二轉(zhuǎn)子的所述運(yùn)動(dòng)學(xué)特性包括角位置，用于估算所述第一 轉(zhuǎn)子的所述角位置的所述估算裝置可以包括用于使用基于模型的觀測(cè)器估算所述第一轉(zhuǎn) 子和所述第二轉(zhuǎn)子之間的參照角并且由所估算的參照角和所測(cè)得的所述第二轉(zhuǎn)子的角位 置來計(jì)算所述第一轉(zhuǎn)子的所述角位置的裝置。
[0012] 所述第一轉(zhuǎn)子可以是不可接近去測(cè)量其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的。所述第一轉(zhuǎn)子可以被所述 第二轉(zhuǎn)子所封閉。
[0013] 所述第一轉(zhuǎn)子可以包括第一多個(gè)永久磁體。所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括帶有繞組的 定子，所述繞組與所述第一多個(gè)永久磁體相互作用。所述定子可以進(jìn)一步包括第二多個(gè)永 久磁體，并且所述第二轉(zhuǎn)子可以包括多個(gè)極靴。
[0014] 對(duì)所述第一轉(zhuǎn)子的所述角位置進(jìn)行的所述估算可以進(jìn)一步基于輸入所述設(shè)備的 至少一個(gè)輸入。所述估算可以進(jìn)一步基于所述繞組中的電流。所述估算可以進(jìn)一步基于由 所述繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。
[0015] 所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括適合于根據(jù)所估算的所述第一轉(zhuǎn)子的角位置采用場(chǎng)定 向控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括用于將所估算的角位置轉(zhuǎn)化成采取角位置傳 感器的輸出的形式的信號(hào)的裝置。所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括用于將所估算的角位置轉(zhuǎn)換至 正弦和/或余弦波形的裝置。所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括用于通過高頻正弦波調(diào)制所述波形 以產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制的信號(hào)的裝置。所述設(shè)備可以進(jìn)一步包括適合于根據(jù)所調(diào)制的信號(hào)采用場(chǎng)定 向控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
[0016] 還進(jìn)一步提供了一種估算第一轉(zhuǎn)子的角位置的方法，所述方法包括如下步驟：測(cè) 量第二轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，其中，所述第二轉(zhuǎn)子以磁性嚙合方式與所述第一轉(zhuǎn)子相互作用； 以及使用基于模型的觀察器至少根據(jù)所述第二轉(zhuǎn)子的所述運(yùn)動(dòng)學(xué)特性來估算所述第一轉(zhuǎn) 子的所述角位置。
[0017] 所述第二轉(zhuǎn)子的所述運(yùn)動(dòng)學(xué)特性可以包括角位置和/或角速度。
[0018] 所述基于模型的觀測(cè)器可以是基于降階模型的觀測(cè)器。在所述基于模型的觀測(cè)器 中采用的模型可以結(jié)合嚙合作用、剛性變化和/或慣性中的任意組合。優(yōu)選的是，所述模型 可以結(jié)合嚙合作用、剛性變化和慣性。
[0019] 其中，所述第二轉(zhuǎn)子的所述運(yùn)動(dòng)學(xué)特性包括角位置，估算所述第一轉(zhuǎn)子的所述角 位置的步驟可以包括使用基于模型的觀測(cè)器估算參照角并且由所估算的參照角和所測(cè)得 的所述第二轉(zhuǎn)子的角位置來計(jì)算所述第一轉(zhuǎn)子的所述角位置。
[0020] 所述第一轉(zhuǎn)子可以是不可接近的從而無(wú)法測(cè)量其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。所述第一轉(zhuǎn)子可以 被所述第二轉(zhuǎn)子所封閉。
[0021] 所述第一轉(zhuǎn)子可以包括第一多個(gè)永久磁體。所述第一多個(gè)永久磁體可以與位于定 子上的繞組相互作用。所述定子可以進(jìn)一步包括第二多個(gè)永久磁體，并且所述第二轉(zhuǎn)子可 以包括多個(gè)極靴。
[0022] 所述估算可以進(jìn)一步基于至少一個(gè)輸入。所述估算可以進(jìn)一步基于所述繞組中的 電流。所述估算可以進(jìn)一步基于由所述繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。
[0023] 所述方法可以進(jìn)一步包括根據(jù)所估算的所述第一轉(zhuǎn)子的角位置采用（employ)所 述第一轉(zhuǎn)子的場(chǎng)定向控制。所述方法可以進(jìn)一步包括將所估算的角位置轉(zhuǎn)換成采取角位置 傳感器的輸出的形式的信號(hào)。所述方法可以進(jìn)一步包括將所估算的角位置轉(zhuǎn)換至正弦和/ 或余弦波形。所述方法以進(jìn)一步包括通過高頻正弦波調(diào)制所述波形以產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制的信號(hào)。 所述方法可以進(jìn)一步包括根據(jù)所調(diào)制的信號(hào)采用所述第一轉(zhuǎn)子的場(chǎng)定向控制。
【附圖說明】
[0024] 現(xiàn)在將通過舉例方式參照如下附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明，其中：
[0025] 圖1顯示了一種帶有可接近的高速轉(zhuǎn)子的偽直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器的剖視圖；
[0026] 圖2顯示了一種帶有不可接近的高速轉(zhuǎn)子的偽直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器的剖視圖；
[0027] 圖3是一種典型的偽直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器的參照角對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的曲線圖；
[0028] 圖4是一種典型的偽直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器的剛性對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的曲線圖；
[0029] 圖5顯示了所測(cè)得的和所估算的一種偽直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器的高速轉(zhuǎn)子的角位置隨時(shí) 間的變化，其中，所述角位置通過對(duì)所估算的所述高度轉(zhuǎn)子的速度進(jìn)行積分來