CN102487265A - 用于自适应补偿解算器的位置误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于自适应补偿解算器的位置误差的方法，包括：从解算器数字转换器接收由解算器检测的电动机的转子的位置信息，所述解算器数字转换器将位置信息数字化；从通过对所接收的位置信息求微分而获得的值中减去理想速度来测量速度脉动，其中理想速度是从通过对位置信息求微分而获得的值中去除由位置误差引起的脉动的频率成分而获得的；通过对包括速度脉动、位置信息和理想速度的回归方程应用递归最小二乘法来估算回归方程中所包含的未知参数；通过利用所估算的未知参数和位置信息来产生位置误差模型方程，并且根据位置误差模型方程估算位置误差；以及通过从位置信息中减去所估算的位置误差来计算经补偿的位置信息。

Description

用于自适应补偿解算器的位置误差的方法

技术领域

本申请涉及一种用于补偿从解算器测量的位置信息中所包含的位置误差的方法，所述解算器是用于电动机控制的位置传感器。

背景技术

当通过矢量控制驱动永磁同步电动机时，需要该永磁同步电动机的转子的准确位置信息。典型地，解算器(例如压力传感器)可以用于识别转子的绝对位置。然而，由于解算器的变压比的差异、不平衡的激励信号、电感谐波成分的存在、以及信号处理电路上的失真，会发生信号的幅度不平衡，从而在位置信息中引起周期性的误差成分。因此，由于电动机控制性能的降低，解算器在高性能领域中的使用和有效性受到了限制。

为了减小解算器中这样的位置误差，可以把预先由精确位置传感器测量的误差信息写入存储器例如ROM(只读存储器)的表格中，并且位置误差随后可以基于所述误差信息而得到补偿(下文中的“第一相关技术”)。

可选地，解算器的输出信号可以通过使用回归方程来建模，并且随后可以使用递归最小二乘法来估算模型参数，使得模型值和所测信号之间的误差得以最小化，从而补偿解算器的输出信号(下文中的“第二相关技术”)。

在第一相关技术中，需要进行测量操作以获取存储在存储器的表格中的误差数据，并且对一个样本产品获取的这样的误差数据并不反映各产品之间的偏差。因此，根据第一相关技术，需要对每个产品执行单独的零点调整，因此需要附加的计算，这会放慢工序的效率和总体速度。

在第二相关技术中，解算器的输出信号通过估算的信号模型直接补偿。然而，由于信号是高频AC值并且对于该补偿处理需要复杂的模拟电子电路或数字信号处理系统，因此不易于实现该方案。此外，仅当测量的位置信息与计算的误差信息同步时才能够得到准确的补偿。因此，与第一相关技术相似，需要对每个产品执行单独的零点调整，因而同样需要附加的计算，这会放慢工序的效率和总体速度。

本背景技术部分中公开的信息仅用于加强对本发明的一般背景的理解，并且不应被看作是对该信息形成了本领域技术人员已知的现有技术的承认或任何形式的暗示。

发明内容

本发明致力于提供一种通过利用解算器数字转换器的输出信号来自适应补偿解算器的位置误差的装置，其不需要使用解算器的输出信号。

本发明的一示例性实施例提供了一种用于自适应补偿解算器的位置误差的装置，该装置包括位置误差估算器，其被配置成从解算器数字转换器接收由解算器检测的与电动机的转子相关的位置信息。特别地，解算器数字转换器被配置成将位置信息数字化并自适应地估算位置信息中所包含的位置误差。另外，位置误差补偿器从位置信息中减去所估算的位置误差，并且计算经补偿的位置信息。

位置误差估算器可以包括速度脉动估算部，其被配置成从通过对位置信息求微分而获得的值中减去理想速度来获取速度脉动。该理想速度可以从通过对位置信息求微分而获得的值中去除位置误差所引起的脉动频率成分而获得。位置误差估算器还包括参数估算部，其被配置成对包括速度脉动、位置信息和理想速度的回归方程应用递归最小二乘法，并且估算回归方程中所包含的未知参数。此外，位置误差建模部通过利用所估算的未知参数和位置信息来产生位置误差模型方程，并且根据位置误差模型方程估算位置误差。

回归方程可以通过以下表达式来表达：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ripple}}\left(i\right)=\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_1^0-\mathrm{\ω}\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_2^0+2\mathrm{\ω}\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_3^0-2\mathrm{\ω}\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_4^0,$

其中ω_ripple(i)表示第i个位置信息θ_i的速度脉动，ω表示理想速度，并且和表示已知参数。

位置误差模型方程可以用以下表达式表达：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ep}}\left(i\right)=\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{1p}^0+\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{2p}^0+\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{3p}^0+\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{4p}^0,$

其中θ_Ep(i)表示第i个位置信息的估算位置误差。

本发明的另一示例性实施例提供了一种包括上述装置、解算器和解算器数字转换器的系统。

本发明的又一示例性实施例提供了一种由上述装置执行的方法和记录有用于执行所述方法的计算机程序的计算机可读记录介质。

有利地，可以容易地实现解算器的位置误差补偿，从而自动地使各产品之间的偏差得到适应。因此，可以防止由位置误差引起的电动机控制性能的降低，并且可以展现出最大控制性能。例如，可以使电流和转矩的脉动最小化，可以减小速度测量脉动以增强利用速度信息的控制功能，并且可以使电流脉动最小化以提高可获得的有效电压，从而确保最大输出区域。

此外，由于本发明的示例性实施例可以通过由处理器、控制器等执行的软件方式实现，而不取决于外部独立的物理单元，所以可以以较低的成本简单地补偿解算器的位置误差。此外，由于不需要使用昂贵的高精度位置传感器来确保解算器的性能，所以可以以甚至更低的成本来实现高性能解算器系统。

本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点根据结合在本文中的附图以及一起用于解释本发明的某些原理的本发明的下列详细说明将是明显的或者将在附图以及下列详细说明中更详细地阐述。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的装置的配置图；

图2是图1的速度脉动测量部的详细配置图；

图3是图1的参数估算部的详细配置图；

图4是图1的位置误差建模部的详细配置图；

图5是示出根据本发明的示例性实施例的方法的流程图；

图6A至6D是示出根据本发明的示例性实施例的实验结果的图。

应该理解的是，附图不一定要依比例，而是呈现出说明本发明的基本原理的各种特征的稍微简化的表示。本文中公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由期望的特定应用和使用环境来确定。

在附图中，附图标记在附图的几幅图中始终指代本发明的相同或等效部分。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的各种实施例，其实例在附图中示出并在下面说明。虽然将结合示例性实施例说明本发明，但是应理解的是，本说明并非意在将本发明限于那些示例性实施例。相反，本发明意在不仅覆盖示例性实施例，而且覆盖可包括在如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替代形式、改型、等效形式和其它实施例。

应该理解的是，本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般的具有电动机的机动车辆(诸如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客车)、包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车以及其它代用燃料车(例如从除石油以外的资源中取得的燃料)。如本文中所述，混合动力车是具有两个或更多个动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。

图1示出根据本发明的示例性实施例的装置10。用于自适应补偿解算器的位置误差的装置10包括位置误差估算器12和位置误差补偿器16。位置误差估算器12包括速度脉动测量部13、参数估算部14和位置误差建模部15。用于自适应补偿解算器的位置误差的系统1还包括解算器20和解算器数字转换器30。

解算器20检测电动机(诸如永磁同步电动机)的转子的绝对位置。为了该操作，解算器20由通过激励放大器22放大的激励参考电压操作。由解算器20检测出的位置信息被作为正弦信号和余弦信号输出到解算器数字转换器30。

解算器数字转换器30将位置信息数字化并输出位置信息。数字化的位置信息θ被分别输入到速度脉动测量部13、参数估算部14、位置误差建模部15和位置误差补偿部16。位置误差补偿部16从所测量的位置误差θ中减去由位置误差建模部15估算的位置误差θ_Ep，并且计算经补偿的位置信息θ_c。

图2示出图1的速度脉动测量部13的详细配置。速度脉动测量部13包括位置信息微分单元131、理想速度计算单元133和速度脉动计算单元135。位置信息微分单元131对速度信息θ求微分并且获取速度信息ω′。理想速度计算单元133包括低通滤波器(LPF)以计算理想速度ω。速度脉动计算单元135从速度信息ω′中减去理想速度ω并且计算并输出速度脉动。

位置信息微分单元131从自解算器数字转换器30接收的位置信息θ中减去先前位置信息Z^-1并且获取位置增量x。然后，位置信息微分单元131对位置增量x执行模运算(mod(x，2π))，并且获取经补偿的位置信息。此外，位置信息微分单元131把经补偿的位置信息除以采样周期Ts并且获取速度信息ω′。这里，Z^-1表示被称为Z域的离散时间系统中的早先时间的一个采样。因此，早先时间的两个采样可以用Z^-2来表示。同时，由于从解算器数字转换器30输出的位置信息具有0至2π的有限范围，因此在间断点0或2π附近，可能会在差值中发生误差。然而，由于如上所述对位置增量x执行模运算，因此这样的误差可以得到补偿。

以这样的方式获取的速度信息ω′反映了位置误差的影响。因此，为了测量速度脉动ω_ripple，需要采用排除了位置误差的影响的理想速度ω。理想速度ω是从通过对位置信息求微分而获得的速度信息中去除由位置误差引起的脉动的频率成分而获取的。理想速度计算单元133通过使用截止频率被设置为去除位置误差所引起的速度成分的LPF，来计算去除了由位置误差引起的脉动频率成分的理想速度ω。速度脉动计算单元135通过从速度信息ω′中减去理想速度ω来计算速度脉动并输出计算出的速度脉动。

图3示出图1的参数估算部14的详细配置。参数估算部14包括回归方程产生单元141和参数估算值计算单元143。回归方程产生单元141通过使用从速度脉动估算部13接收的理想速度ω和从解算器数字转换器30接收的位置信息θ，根据下面的表达式产生回归方程式。

[表达式1]

${\mathrm{\θ}}_E\left(i\right)={\mathrm{\ψ}}_0+\underset{n=1}{Q}(\sin \mathrm{n\θ}\·{\mathrm{\ψ}}_n+\cos \mathrm{n\θ}\·{\mathrm{\ψ}}_n)$

[表达式2]

${\mathrm{\θ}}_E\left(i\right)=\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_1^0+\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_2^0+\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_3^0+\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_4^0+{\mathrm{\ψ}}_5^0$

[表达式3]

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ripple}}\left(i\right)\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_1^0-\mathrm{\ω}\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_2^0+2\mathrm{\ω}\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_3^0-2\mathrm{\ω}\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_4^0={\mathrm{\ψ}}^T\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{\ψ}}^0$

在表达式1至3中，Ψ表示未知参数，i表示第i顺序。在表达式2和3中，Ψ的上标0表明对应的参数不是基于通式(诸如表达式1)的值，而是实际值。在表达式3中，T表示转置矩阵。

表达式1表明位置误差θ_E(i)可以表达为傅立叶级数。通过反映在大多数情况下基波和二次谐波的幅度在位置误差中占主导而获得表达式2。也就是，通过将表达式1近似为两个频率成分而获得表达式2。表达式3是通过对表达式2求微分而获得的。

当表达式3以这样的方式最终被获得时，参数估算值计算单元143对表达式3应用递归最小二乘法，并且分别对未知参数计算估算值未知参数

的估算值是通过应用递归最小二乘法，使得通过测量得到的速度脉动ω_ripple与通过估算得到的速度脉动ω_ripple之间的误差的平方最小化，而确定的一组参数。

图4示出图1的位置误差建模部15的详细配置。位置误差建模部15把由参数估算部14估算的一组未知参数

和位置信息θ应用于表达式4，并且计算位置误差的估算值θ_Ep。

[表达式4]

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ep}}\left(i\right)=\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{1p}^0+\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{2p}^0+\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{3p}^0+\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{4p}^0$

位置误差补偿部16从所测量的位置误差θ中减去由位置误差建模部15估算的位置误差θ_Ep并且计算经补偿的位置信息θ_c。

图5是解释根据本发明的示例性实施例的装置的操作的流程图。当输出由解算器20检测出的电动机的转子的位置信息(S501)时，解算器数字转换器30将位置信息数字化(S502)。数字化的位置信息θ被分别提供给速度脉动测量部13、参数估算部14、位置误差建模部15和位置误差补偿部16。

在步骤S503，速度脉动测量部13根据上述方法测量速度脉动ω_ripple。在步骤S504，参数估算部14通过使用位置信息θ、理想速度ω和速度脉动ω_ripple，根据上述方法估算回归方程中所包含的未知参数。在步骤S505，位置误差建模部15通过使用估算的未知参数Ψ_p和位置信息θ，根据上述方法估算位置误差。在步骤S506，位置误差补偿部16根据上述方法，通过从位置信息θ中减去估算的位置误差θ_Ep来获取经补偿的位置信息θ_c。

本发明的示意性实施例包括根据图5的流程图的方法和记录有用以执行所述方法的计算机程序的计算机可读记录介质。也就是，本发明可以实施为包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、压缩盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可以分布在网络连接的计算机系统或远程信息处理服务器中使得计算机可读介质以分布式方式被存储和执行。

图6A至6D是示出通过把根据本发明的示例性实施例的方法应用于实际电动机系统而获得的实验结果的图。在该实验中使用的电动机系统是应用于将要投放到北美市场的HYUNDAI SONATA HYBRID(项目名称：YF)和KIA OPTIMA HYBRID(项目名称：TF)的电动机系统。

图6A示出未知参数随着时间流逝而收敛于恒定的位置误差。

图6B示出在补偿位置误差之前和之后的速度脉动随时间的变化。根据本发明的示例性实施例，可以看出与位置误差补偿之前的速度脉动的变化相比，位置误差补偿之后的速度脉动的变化被显著减小。

图6C示出从三个车辆样本估算出的参数值。作为实验结果，可以看出所测量的速度脉动的80％被减小(100rpm→24rpm)，并且对于车辆样本之间的分布自适应地估算参数。

图6D示出各车辆样本之间的位置误差比较。可以看出各车辆样本之间的位置误差不存在取决于电动机的转子位置的偏差。

出于例证和说明的目的，已经给出了本发明的具体示例性实施例的上述说明。它们并非意在是无遗漏的或者将本发明限制于所公开的精确形式，并且明显的是，根据上述教导，许多改型和变型都是可能的。选择和说明示例性实施例是为了解释本发明的某些原理和它们的实际应用，从而使本领域技术人员能够做出和利用本发明的各种示例性实施例及其各种替代形式和改型。本发明的范围应该由所附权利要求和它们的等价形式限定。

Claims (11)

1.一种用于自适应补偿解算器的位置误差的装置，所述装置包括：

位置误差估算器，其被配置成从解算器数字转换器接收由所述解算器检测的电动机的转子的位置信息，其中所述解算器数字转换器被配置成将所述位置信息数字化并自适应地估算所述位置信息中所包含的位置误差；以及

位置误差补偿器，其被配置成从所述位置信息中减去所估算的位置误差，并且计算经补偿的位置信息。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述位置误差估算器包括：

速度脉动估算部，其被配置成从通过对所述位置信息求微分而获得的值中减去理想速度来获取速度脉动，其中所述理想速度是从通过对所述位置信息求微分而获得的值中去除所述位置误差所引起的脉动的频率成分而获得的；

参数估算部，其被配置成对包括所述速度脉动、所述位置信息和所述理想速度的回归方程应用递归最小二乘法，并且估算所述回归方程中所包含的未知参数；以及

位置误差建模部，其被配置成通过利用所估算的未知参数和所述位置信息来产生位置误差模型方程，并且根据所述位置误差模型方程估算所述位置误差。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述回归方程通过以下表达式表达：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ripple}}\left(i\right)=\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_1^0-\mathrm{\ω}\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_2^0+2\mathrm{\ω}\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_3^0-2\mathrm{\ω}\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_4^0$

其中ω_ripple(i)表示第i个位置信息θ_i的速度脉动，ω表示所述理想速度，并且和

表示已知参数。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述位置误差模型方程通过以下表达式表达：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ep}}\left(i\right)=\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{1p}^0+\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{2p}^0+\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{3p}^0+\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{4p}^0,$

其中θ_Ep(i)表示第i个位置信息的估算位置误差。

5.一种系统，包括：

解算器，其被配置成检测电动机的转子的位置信息；

解算器数字转换器，其被配置成接收由所述解算器检测的所述位置信息并将所述位置信息数字化；

位置误差估算器，其被配置成从所述解算器数字转换器接收位置信息并自适应地估算所述位置信息中所包含的位置误差；以及

位置误差补偿器，其被配置成从所述位置信息中减去所估算的位置误差，并且计算经补偿的位置信息。

6.一种包含由控制器执行的可执行程序指令的计算机可读介质，所述可执行程序指令包括：

从解算器数字转换器接收由解算器检测的电动机的转子的位置信息的程序指令，所述解算器数字转换器将所述位置信息数字化；

从通过对所接收的位置信息求微分而获得的值中减去理想速度来测量速度脉动的程序指令，其中所述理想速度是从通过对所述位置信息求微分而获得的值中去除由位置误差引起的脉动的频率成分而获得的；

通过对包括所述速度脉动、所述位置信息和所述理想速度的回归方程应用递归最小二乘法来估算所述回归方程中所包含的未知参数的程序指令；

通过利用所估算的未知参数和所述位置信息来产生位置误差模型方程，并且根据所述位置误差模型方程估算所述位置误差的程序指令；以及

通过从所述位置信息中减去所估算的位置误差来计算经补偿的位置信息的程序指令。

7.如权利要求6所述的计算机可读介质，其中所述回归方程通过以下表达式表达：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ripple}}\left(i\right)=\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_1^0-\mathrm{\ω}\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_2^0+2\mathrm{\ω}\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_3^0-2\mathrm{\ω}\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_4^0$

其中ω_ripple(i)表示第i个位置信息θ_i的速度脉动，ω表示所述理想速度，并且

和

表示已知参数。

8.如权利要求7所述的计算机可读介质，其中所述位置误差模型方程通过以下表达式表达：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ep}}\left(i\right)=\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{1p}^0+\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{2p}^0+\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{3p}^0+\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{4p}^0,$

其中θ_Ep(i)表示第i个位置信息的估算位置误差。

9.一种方法，包括：

由控制器从解算器数字转换器接收由解算器检测的电动机的转子的位置信息，所述解算器数字转换器将所述位置信息数字化；

由所述控制器从通过对所接收的位置信息求微分而获得的值中减去理想速度来测量速度脉动，其中所述理想速度是从通过对所述位置信息求微分而获得的值中去除由位置误差引起的脉动的频率成分而获得的；

由所述控制器通过对包括所述速度脉动、所述位置信息和所述理想速度的回归方程应用递归最小二乘法来估算所述回归方程中所包含的未知参数；

由所述控制器通过利用所估算的未知参数和所述位置信息来产生位置误差模型方程，并且根据所述位置误差模型方程估算所述位置误差；以及

由所述控制器通过从所述位置信息中减去所估算的位置误差来计算经补偿的位置信息。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述回归方程通过以下表达式表达：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ripple}}\left(i\right)=\mathrm{\ω}\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_1^0-\mathrm{\ω}\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_2^0+2\mathrm{\ω}\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_3^0-2\mathrm{\ω}\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_4^0$

其中ω_ripple(i)表示第i个位置信息θ_i的速度脉动，ω表示所述理想速度，并且和

表示已知参数。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述位置误差模型方程通过以下表达式表达：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Ep}}\left(i\right)=\sin {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{1p}^0+\cos {\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{2p}^0+\sin 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{3p}^0+\cos 2{\mathrm{\θ}}_i\·{\mathrm{\ψ}}_{4p}^0,$

其中θ_Ep(i)表示第i个位置信息的估算位置误差。

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