CN103066911B

CN103066911B - 估算电机转子角的方法及系统

Info

Publication number: CN103066911B
Application number: CN201210389179.5A
Authority: CN
Inventors: L.思亚贾拉简
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-10-15
Also published as: BR102012025991B1; US8810169B2; EP2587662B1; JP6184073B2; EP2587662A3; CN103066911A; AU2012238266A1; BR102012025991B8; JP2013090567A; EP2587662A2; BR102012025991A2; US20130093372A1

Abstract

估算电机转子角的方法及系统。从耦合到永磁电机的编码器中存储位置样本。数据处理器确定连续位置样本之间的第一位置变化以及连续的第一位置变化之间的第二变化。数据处理器确定每个第一位置变化是否普遍增加、减少或恒定。根据第一位置变化是否普遍增加或减少而将校正运动因数应用于每个存储的位置样本。数据处理器根据位置样本中的特定样本以及与该位置样本中的该特定样本相对于相应时间相关联的对应的第一位置变化来估算电机的最终转子角。

Description

估算电机转子角的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种估算电机转子角或转子位置的方法和系统。

背景技术

电机或电发动机可以具有永磁的转子和定子为特征。例如，电机可包括永磁(PM)发动机、内部永磁(IPM)发动机或IPM同步发动机。电机可能具有通过应用常规方法难以精确估算的转子角或转子位置。

存在估算电机初始转子位置的若干不同的常规技术方法。在第一种方法的情况下，由于发动机的反电动势（反- EMF）电压是转子相对于定子位置的函数，因此传感器可从多相交流发动机的未激励相的反-EPM波形中提取转子位置信息。然而，在发动机以低转速运行的情况下，第一种方法不适于估算转子位置，因为反-EMF电压经常太低而不能在低于速度阈值（例如，100转每分钟）的低转速处精确地检测到。此外，在电机的一个或多个带电流相中来自开关瞬态的电磁噪声或干涉可在估算转子位置时导致误差。

在第二种方法的情况下，计算机根据电机的相电压和相电流来估算转子位置。例如，计算机可以与卡尔曼滤波器关联以估算转子位置。第二种方法通常计算强度大，并且容易受到量化误差、截断误差和测量不精确的影响。当发动机以低于速度阈值（例如，100转每分钟（RPM））的低速运行时，第二种方法的转子位置估算可能由于例如积分函数的漂移而不精确。为了足够精确，第二种方法通常需要补偿与温度变化相关的发动机参数的变化，这促使了计算的复杂性。

在第三种方法的情况下，基于不对称的转子结构或磁饱和，用永磁发动机中的转子凸极估算转子位置。第三种方法可使用输入到发动机控制端子内的注入的高频试验信号。虽然第三种方法在发动机的低转速处工作，并且通常独立于转子速度，但第三种技术不能与非凸极式永磁发动机，这种没有转子凸极的表面贴装式、永磁交流发动机一起使用。因此，需要一种改进的方法和系统，用于估算电机的转子角或转子位置，从而解决上述不足中的一个或多个。

发明内容

在一个实施例中，用于估算电机的转子角的方法和系统接收来自编码器的位置样本，该编码器耦合到永磁电机。位置样本被存储在数据存储装置中。数据处理器确定连续的位置样本之间的第一多个第一位置变化（例如，Δ_P1）。数据处理器确定连续的第一位置变化之间的第二多个第二变化（例如，Δ_P2）。数据处理器确定每个第一位置变化（例如，Δ_P1）是否普遍增加、减少或恒定。校正运动因数（例如，速度因数( Δ_P1 * n) +加速度因数( Δ_P2* m))根据第一位置变化是否普遍增加或减少而被应用于每个存储的位置样本。数据处理器基于位置样本中的特定样本以及与所述位置样本中的所述特定样本相对于相应时间相关联的对应的第一位置变化来估算电机的最终转子角。

附图说明

图1A是估算电机转子角或转子位置的系统的一个实施例的方框图。

图1B是图1A的传感器的更为详细及传感器与数据处理系统的关系的方框图。

图2是与图1A一致的电子数据处理系统的方框图。

图3是估算电机转子角或转子位置的方法的第一实施例的流程图。

图4是估算电机转子角或转子位置的方法的第二实施例的流程图。

图5是估算电机转子角或转子位置的方法的第三实施例的流程图。

图6是估算电机转子角或转子位置的方法的替代实施例的流程图。

具体实施方式

根据一个实施例，图1A公开了控制发动机117（例如，内部永磁（IPM）发动机）或其他交流电机的系统。在一个实施例中，除了发动机117以外，该系统可称为逆变器或发动机控制器。

系统包括电子模块、软件模块或两者。在一个实施例中，发动机控制器包括电子数据处理系统120，以支持存储、处理或执行一个或多个软件模块的软件指令。电子数据处理系统120在图1A中用虚线表示并更为具体地显示在图2中。

数据处理系统120耦合到逆变器电路188。逆变器电路188包括驱动或控制开关半导体（例如，绝缘栅双极晶体管（IGBT）或其他功率晶体管）以输出用于发动机117的控制信号的半导体驱动电路。逆变器电路188又耦合到发动机117或电机。

发动机117与传感器115（例如，位置传感器、解析器或编码器位置传感器）相关联，传感器115与发动机轴126或转子相关联。发动机轴126表示为虚线，因为发动机轴126可以或可以不机械连接或耦合到传感器115。如果传感器115未机械连接或耦合到发动机轴126，则传感器115感测电磁场或与安装在发动机轴126或转子上的一个或多个磁铁相关联的场。

传感器115或发动机117（或电机）耦合到数据处理系统120以便例如连同其他可能的反馈数据或信号一起，提供反馈数据（例如，电流反馈数据，如i_a,i_b,i_c）、原始位置信号。其他可能的反馈数据包括但不限于绕组温度读数、逆变器电路188的半导体温度读数、三相电压数据或用于发动机117的其他热或性能信息。

在一个实施例中，扭矩命令生成模块105耦合到d-q轴电流生成管理器109（例如，d-q轴电流生成查找表）。当应用在如发动机117的矢量控制交流电机的情况下时，d-q轴电流指的是直轴电流和交轴电流。d-q轴电流生成管理器109的输出和电流调节模块107（例如，d-q轴电流调节模块107）的输出被供给加法器119。加法器119的一个或多个输出（例如，直轴电流数据( i_d *)和交轴电流数据( i_q *)）又被提供或耦合到电流调整控制器111。

电流调整控制器111能够与脉宽调制（PWM）生成模块112（例如，空间矢量PWM生成模块）通信。电流调整控制器111接收相应的d-q轴电流命令(例如，i_d*和i_q*)和实际的d-q轴电流（例如，i_d和i_q），并输出对应的d-q轴电压命令(例如，v_d*和v_q*命令)，以便输入到PWM生成模块112。

在一个实施例中，例如，PWM生成模块112将直轴电压和交轴电压数据从两相数据表示转换成三相表示（例如，三相电压表示，诸如v_a*、v_b*和v_c*），以便控制发动机117。PWM生成模块112的输出耦合到逆变器188。

逆变器电路188包括诸如开关半导体的功率电子器件，以产生、修改及控制施加到发动机117的脉宽调制信号或其他交流信号（例如，脉冲、方波、正弦或其他波形）。PWM生成模块112为逆变器电路188内的驱动级提供输入。逆变器电路188的输出级提供了控制发动机的脉宽调制电压波形，或其他电压信号。在一个实施例中，逆变器188由直流(DC)电压总线供电。

发动机117（或电机）与传感器115（例如，解析器、编码器、速度传感器、或其他位置传感器或速度传感器）关联，传感器115估算发动机轴126的角位置、发动机轴126的速度或速率以及发动机轴126的旋转方向中的至少一个。传感器115可安装在发动机轴126上或与其构成整体。可替代地，传感器115可包括非接触式传感器或磁场传感器（图1B中的206），其与发动机轴126间隔开。传感器115的输出能够与初级处理模块114（例如，位置和速度处理模块）通信。在一个实施例中，传感器115可耦合到将模拟位置数据或速率数据分别转换成数字位置或速率数据的模拟到数字转换器（未显示）。在其他实施例中，传感器115（例如，数字位置编码器）可为发动机轴126或转子提供位置数据或速率数据的数字数据输出。

初级处理模块114的第一输出（例如，用于发动机117的位置数据和速度数据）被传送到相位变换器113（例如，三相到两相电流的Park转换模块），相位变换器113将测量电流的相应的三相数字表示转换成测量电流的对应的两相数字表示。初级处理模块114的第二输出（例如，速度数据）被传送到计算模块110（例如，已调节电压与速度比模块）。

感测电路124的输入耦合到发动机117的端子，以便感测至少所测量的三相电流和直流(DC)总线（例如，高压DC总线，其可为逆变器电路188提供DC功率）的电压水平。感测电路124的输出耦合到模拟到数字转换器122，以便将感测电路124的输出数字化。模拟到数字转换器122的数字输出又耦合到次级处理模块116（例如，直流(DC)总线和三相电流处理模块）。例如，感测电路124与发动机117相关联以便测量三相电流（例如，应用于发动机117的绕组的电流，感应到绕组内的反EMF，或两者）。

初级处理模块114以及次级处理模块116的某些输出馈给相位变换器113。例如，相位变换器113可应用Park转换或其他变换方程（例如，本领域普通技术人员所知的适当的某些变换方程），以基于来自次级处理模块116的数字三相电流数据和来自传感器115的位置数据来将测量的电流三相表示转换成电流的两相表示。相位变换器113模块的输出耦合到电流调整控制器111。

初级处理模块114和次级处理模块116的其他输出可耦合到计算模块110（例如，已调节电压与速度比计算模块）的输入。例如，初级处理模块114可提供下述数据中的一个或多个：用于转子的速度数据（例如，发动机轴每分钟126转）、用于转子的加速度数据、角位置数据、初始转子角、最终转子角、或逆变器开关电路188或逆变器启动时的初始转子角。次级处理模块116可提供直流电压的测量水平（例如，在运输工具的直流(DC)总线上）。为逆变器电路188供电的DC总线上的直流电压水平由于各种因素可能会波动或变动，这些因素包括但不限于环境温度、电池情况、电池荷电状态、电池电阻或阻抗、燃料电池状态（如果适用）、发动机负载情况、相应的发动机扭矩和对应的运算速度，以及运输工具的电负载（例如，电驱动的空调压缩机）。计算模块110被连接为次级处理模块116和dq-轴电流生成管理器109之间的中间体。除了其他东西之外，计算模块110的输出可调节或冲击d-q轴电流生成管理器109产生的当前命令，以补偿直流总线电压中的波动或变化。

温度估算模块104、电流成形模块106、以及端电压反馈模块108耦合到dq -轴电流调节模块107或能够与其通信。d-q轴电流模块107又可与dq-轴电流生成管理器或加法器119通信。

温度估算模块104估算或确定转子永磁或磁铁的温度。在一个实施例中，温度估算模块104可根据位于定子上、与定子热交换或固定到发动机117的壳体的一个或多个传感器来估算转子磁铁的温度。

在另一个可替代的实施例中，转子磁铁温度估算模块104可用安装在转子或磁铁上或靠近该转子或磁铁的温度检测器（例如，耦合到无线发射器的热敏电阻或红外热传感器）来代替，其中检测器提供表示该磁铁或多个磁铁的温度的信号（例如，无线信号）。

在一个实施例中，该方法或系统可以下述方式操作。扭矩命令生成模块105通过运输工具数据总线118接收输入控制数据消息，例如速度控制数据消息、电压控制数据消息、或扭矩控制数据消息。扭矩命令生成模块105将所接收的输入控制消息转换成扭矩控制命令数据316。

d-q轴电流生成管理器109选择或确定与相应扭矩控制命令数据以及相应的检测的发动机轴126的速度数据相关联的直轴电流命令数据及交轴电流命令数据。例如，d-q轴电流生成管理器109通过访问下述中的一个或多个来选择或确定直轴电流命令、交轴电流命令：（1）使相应的扭矩命令联系到对应的直轴电流及交轴电流的查找表、数据库或其他数据结构；（2）使相应的扭矩命令联系到对应的直轴电流及交轴电流的二次方程或线性方程组；或（3）使相应扭矩命令联系到对应的直轴电流及交轴电流的规则集（例如，if-then规则）。发动机117上的传感器115有助于为发动机轴126提供检测的速度数据，其中，初级处理模块114可将传感器115提供的位置数据转换成速度数据。

电流调节模块107（例如，d-q轴电流调节模块）基于来自转子磁铁温度估算模块104和电流成形模块106和端电压反馈模块108的输入数据，提供电流调节数据以调节直轴电流命令数据和交轴电流命令数据。

电流成形模块106可基于一个或多个下述因素来确定交轴(q-轴)电流命令和直轴(d-轴)电流命令的校正或初步调节：例如，发动机117上的扭矩负载和发动机117的速度。温度估算模块104可根据所估算的转子温度变化来生成q-轴电流命令和d-轴电流命令的次级调节。端电压反馈模块108可根据控制器电压命令对电压极限，向d-轴电流命令和q-轴电流命令提供第三调节。电流调节模块107可提供考虑了初步调节、次级调节以及第三调节中的一个的总的电流调节。

在一个实施例中，发动机117可包括内部永磁(IPM)电机或同步IPM电机（IPMSM）。IPMSM与常规的感应电机或表面贴装式PM电机（SMPM）相比具有许多有利的优点，作为示例，诸如高效率、大功率密度、宽恒功率工作范围、无需维修。

传感器115 (例如，轴或转速检测器）可包括下述中的一个或多个：直流发动机、光编码器、磁场传感器（例如霍尔效应传感器）、磁阻传感器以及解析器（例如，无刷解析器）。在一种结构中，传感器115包括位置传感器，在位置传感器中，位置数据以及相关的时间数据被处理以便确定发动机轴126的速度或速率数据。在另一种配置中，传感器115包括速度传感器，或者速度传感器与积分器的组合，以确定发动机轴的位置。

在又一种配置中，传感器115包括机械耦合到发动机117的发动机轴126用以确定发动机轴126速度的辅助、紧凑型直流发电机，其中，该直流发电机产生与发动机轴126的转速成比例的输出电压。在再一种配置中，传感器115包括具有光源的光编码器，其将信号传送到与轴126耦合的旋转物体并且在光检测器处接收反射的或衍射的信号，其中，所接收信号的脉冲（例如，方波）的频率可与发动机轴126的速度成比例。在一种附加的配置中，传感器115包括具有初级绕组和次级绕组的解析器，其中，初级绕组被给送有交流电，其中，次级绕组中感应的电压随着转子的转动频率而变化。

图1B显示了图1A的传感器115（例如，编码器）的示例性例子及传感器与电子数据处理系统120的关系。在一个实施例中，传感器115将位置数据或一个或多个表示转子角的信号传送给数据处理器264、初级处理模块114或该两者。例如，位置数据可包括绝对位置数据、增量位置数据，而信号可包括一个或多个脉宽调制信号、差分信号、矩形波信号或正信弦号。在一种可能的配置中，传感器115可经由第三数据端口272(在图2中)传递到电子数据处理系统120和数据处理器264（在图2中），其中，数据处理器264包括（例如，图1B的）控制器数字信号处理器256。

如图1B所示，传感器115包括磁场传感器206（例如，霍尔效应传感器阵列）、编码器数字信号处理器204、脉宽调制（PWM）接口252和增量接口254。在一个替代的实施例中，PWM接口252和增量接口254可由一个或多个数据端口（例如，串行数据端口或通用串行数据端口）替换。

磁场传感器206耦合到编码器数字信号处理器204，以便与编码器数字信号处理器204通信。编码器数字信号处理器204又耦合到PWM接口252和增量接口254。互连磁场传感器206、编码器数字信号处理器204、PWM接口252和增量接口254的线包括物理数据路径（例如，一个或多个数据总线）、逻辑数据路径（例如，软件模块之间的通信）或该两者。

控制器数字信号处理器256进一步包括捕获输入端201和具有计数器202的解码器200（例如，正交解码器）。在一个实施例中，捕获输入端201包括数据端口、解调器或用于对来自传感器115的绝对位置数据或脉冲调制信号的脉冲边沿进行解码的脉冲边沿解码器。解码器200可包括正交解码器，或正交解码器和计数器202的组合。在配置中，解码器200可检测、解码或解调位置数据、一个或多个脉宽调制信号或表示估算的电机117转子角的其他信号。例如，计数器202可包括解码器内的计数器，以便对磁场传感器206在对应的时间间隔期间所输出的脉宽调制信号的脉冲边沿的数量进行计数或跟踪。

在一种配置中，计数器202与正交解码器200相关联（或与正交解码器200的一部分相关联）。计数器202可设置成补偿计数中的最终转角，该计数是基于编码器分辨率自动度量或调节的。例如，可将计数器202同步到传感器115（例如，编码器）的PWM信号（其例如由PWM接口252所输出），以利于根据编码器分辨率被自动度量或调节的计数。

在图1B中，磁场传感器206感测或观察与电机（例如，发动机117）的轴126或转子的旋转相关联的磁场中的磁场或变化。磁场传感器206为数字信号处理器204提供所观察的磁场数据。编码器数字信号处理器204又根据所观察的磁场数据来估算转子角或速率。脉宽调制200接口例如输出表示转子角或初始转子角的脉宽调制信号。控制器数字信号处理器256或数据处理器264执行初级处理模块114的补偿软件指令或校正方程，以便提高由传感器115提供的估算的转子角或速率的准确度，正如该文件中进一步详细说明的。

在图2中，电子数据处理系统120包括电子数据处理器264、数据总线262、数据存储器件260以及一个或多个数据端口（268、270、272、274和276）。数据处理器264、数据存储装置260及一个或多个数据端口耦合到数据总线262，以支持数据在数据处理器264、数据存储装置260以及一个或多个数据端口之间或之中的通信。

在一个实施例中，数据处理器264可包括电子数据处理器、微处理器、微控制器、可编程序逻辑阵列、逻辑电路、算术逻辑单元、专用集成电路、数字信号处理器、比例-积分-微分（PID）控制器、或其他数据处理装置。

数据存储装置260可包括用于存储数据的任意磁、电子或光学装置。例如，数据存储装置260可包括电子数据存储装置、电子存储器、非易失性电子随机存取存储器、一个或多个电子数据寄存器、数据锁存器、磁盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器等。

如图2所示，数据端口包含第一数据端口268、第二数据端口270、第三数据端口272、第四数据端口274和第五数据端口276，尽管可使用任意合适数量的数据端口。每个数据端口例如可包括收发机和缓冲存储器。在一个实施例中，每个数据端口可包括任意的串行或并行输入/输出端口。

在如图2所示的一个实施例中，第一数据端口268耦合到运输工具数据总线118。运输工具数据总线118又耦合到控制器266。在一种配置中，第二数据端口270可耦合到逆变器电路188；第三数据端口272可耦合到传感器115；第四数据端口274可耦合到模拟到数字转换器122；以及，第五数据端口276可耦合到端电压反馈模块108。模拟到数字转换器122耦合到感测电路124。

在数据处理系统120的一个实施例中，扭矩命令生成模块105与电子数据处理系统120的第一数据端口268相关联或由其支持。第一数据端口268可耦合到运输工具数据总线118，例如控制器区域网( CAN)数据总线。运输工具数据总线118可经由第一数据端口268将具有扭矩命令的数据总线消息提供给扭矩命令生成模块105。运输工具操作员可经由用户接口，例如油门、踏板、控制器266或其他控制装置产生扭矩命令。

在某些实施例中，传感器115和初级处理模块114可与数据处理系统120的第三数据端口272相关联或由其支持。

通常，数据处理器264可执行、确定、计算或解答本文件中提出的任何方程或数学表达式，或落入权利要求范围内的其变形，以促进确定电发动机117或电机的转子的有角度的转子位置或初始转子位置。

图3是估算电机（例如，电发动机或发电机）的转子角的方法的流程图。该方法可用于确定启动逆变器开关电路188或逆变器时发动机的转子角或初始角位置，而不管指引脉冲（index pulse）是否可从例如传感器115得到，或由其提供。图3的方法开始于步骤S100。

在步骤S100中，初级处理模块114或数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器）从耦合到永磁电机（例如，发动机117）的编码器或传感器115接收位置样本（例如，位置数据）。按照可以交替方式或累计方式应用的各种过程执行步骤S100。在第一过程的情况下，所接收的位置样本被表示为脉宽调制信号，其中，脉宽调制信号的工作循环与电机17的位置或转子角成比例。在第二过程的情况下，所接收的位置样本被按照下述方程表示为脉宽调制信号：

，

其中，P是估算的位置值，其是电机117的转子角的表示或与电机117的转子角成比例，t_on是以时间为单位的（例如，在传感器115的编码器输出( 252、254）或在正交解码器200处的）采样信号的导通工作循环部分的脉宽，t_off是以时间为单位的（例如，在传感器115的编码器输出( 252、254）或在正交解码器200处的）采样信号的关断工作循环部分的脉宽，D以时间为单位，近似等于最大可能脉宽持续时间（例如，用于特定的相应传感器115）。

在步骤S102中，数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）或初级处理模块114将位置样本存储在数据存储装置260中。

在步骤S104中，初级处理模块114或数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）确定连续位置样本之间的第一多个第一位置变化（例如，Δ_P1）。

在步骤S106中，初级处理模块114或数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）确定连续的第一位置变化之间的第二多个第二变化（例如，Δ_P2）。例如，第二变化表示每单位时间的第一位置变化的导数。

在步骤S108中，初级处理模块114或数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）确定各第一位置变化是否普遍增加、减少或恒定。

在步骤S110中，初级处理模块114或数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）根据第一位置变化是否普遍增加或减少而将校正运动因数（例如，速度因数( Δ_P1 *n) +加速度因数( Δ_P2* m)）应用于每个存储的位置样本。例如，校正运动因数按照下列方程式来确定：

C = Δ_P1 * n + Δ_P2 * m

其中，C是校正运动因数；Δ_P1是第一位置变化；n等于t/T，其中，t = t_final -t_initial和T = 1/f_PWM;Δ_P2是第二位置变化，m等于( n ( n+ 1)) /2;以及，f_PWM是编码器115输出的脉宽调制信号的频率，其中，信号的工作循环表示转子角。

在步骤S112，初级处理模块114或数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）根据位置样本中的一个特定样本的以及与该位置样本中的该特定样本相对于相应时间相关联的对应的第一位置变化，估算电机117的最终转子角或转子位置。步骤S112可按照各种技术来执行，其可被单独或一起应用。在第一种技术中，如果第一位置变化普遍增加一个时间间隔，则数据处理器264将校正运动因数增加到与位置样本相关联的初始转子角，以便估算最终转子角。在第二种技术中，如果第一位置变化普遍减少一个时间间隔，则数据处理器264将校正运动因数从与位置样本相关联的初始转子角减去，以便估算最终转子角。在第三种技术中，如果第一位置变化对于一段时间间隔恒定或近似为零，则（例如，对于接收数据位置样本的至少一段时间间隔或采样周期，暂时）不使用校正运动因数来估算最终转子角。正如这里所使用的，近似为零应意味着零加上或减去五分之一。

图4的方法类似于图3的方法，除了图4的方法进一步包括步骤S114。图3和图4中的相同步骤或过程用相同的附图标记来表示。

在步骤S114中，初级处理模块114或数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）补偿估算最终转子角中消逝的处理时间和传播延迟，或确定补偿的最终转子角。在一替代的实施例中，初级处理模块114或数据处理器264补偿在估算最终转子角或在确定补偿的最终转子角中消逝的处理时间或传播延迟。传播延迟是指样本（例如，位置数据样本）被（从磁场传感器206（例如，传感器115上的霍尔传感器阵列，其可包括专用集成电路(ASIC））提取直到样本被转换并且作为角数据可在PWM接口（252）和增量接口（254）得到时的时间之间的延迟或时间量。所消逝的处理时间包括第一时间和第二时间之间的差，其中，第一时间是何时从作为数据处理器264或初级处理模块114的编码器115接收特定位置样本（例如，在步骤S100中），以及其中第二时间是何时估算最终转子角（例如，在步骤S112中）。例如，消逝的时间可等于或成比例于n，其中，n等于t/T，其中，t = t_final - t_initial而T = 1/f_PWM。初级处理模块114或数据处理器264使用消逝的处理时间期间的转子速度、转子加速度数据或该两者来估算要增加到步骤S112的最终转子角的补偿位置分量，以便确定用于补偿与消逝的处理时间或传播延迟相关联的最终位置中的任意误差的补偿最终转子角。

图5的方法类似于图3的方法，除了图5的方法进一步包括步骤S116。图3和图5中的相同步骤或过程用相同的附图标记来表示。

在步骤S116中，如果电机（例如，117）在启动时旋转，则初级处理模块114或数据处理器264用基于编码器分辨率而自动度量的计数形式的最终转子角（例如，补偿转子角）更新控制器数字信号处理器256上的解码器200（例如，正交解码器）的计数器202。

图6的方法示意了用于估算电机转子角的方法的一个替代实施例。图6的方法开始于步骤S600。

在步骤S600中，数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）或初级处理模块114从耦合到永磁电机117的编码器115接收作为脉宽调制信号的位置样本。

在步骤S602中，数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）或初级处理模块114将控制器数字信号处理器256或数据处理器264中的解码器200同步到编码器115输出的脉宽调制(PWM)信号的上升沿。例如，编码器115的PWM输出（例如，252）可连接到正交解码器200的选通脉冲输入或控制器数字信号处理器256，以利于将解码器或控制器数字信号处理器256同步到编码器115输出的信号的脉冲上升沿。

在步骤S604中，数据处理器264（例如，控制器数字信号处理器256）或逻辑电路增大解码器200的计数器202（图1B），从而基于对随着采样周期的每个脉宽调制信号的上升沿、下降沿或两者的检测来估算最终的转子位置。例如，如果编码器115的PWM输出（例如，252）连接到正交解码器200（例如，正交解码器）的选通脉冲输入，则在检测到选通脉冲事件时，正交解码器计数器202被复位成零，并且在每次相继检测到边缘时，绝对位置返回的值被更新到正交解码器。因此，一旦正交解码器200被同步以检测边缘，则正交解码器200，进而编码器115和电子数据处理系统120（例如，数据处理器264或控制器数字信号处理器256）可以较高的精度追踪转子的位置。

在此公开的包括图1A到图6的方法和系统均非常适于完成对电机（例如，电发动机）中的转子的转子角或位置的精确估算，而不管转子的旋转速度（例如，转子的低旋转速度，诸如100 RPM或更低）如何，并且不管电机的转子是否具有转子凸极。另外，包括图1A到图6的方法和系统，并不依赖于任何发动机参数，并且也无需电压相位或电流相位信息来估算转子角。这里公开的方法和系统非常适合应用于实际上任何类型的电发动机，并且比某些已有的配置计算强度要少，该已有的配置例如是使用电压相位和电流相位来估算转子位置的配置。例如，这里公开的方法和系统提供了在不需要表征特定发动机的磁场或磁极配置或不需要在某些旋转速度范围内唯一可用的感测反电动势的情况下，对电机启动时转子角和初始转子角的精确估算。

有利地，这里公开的方法和系统有利于在对来自编码器的指引脉冲没有任何需要的情况下，确定初始转子角，从而在发动机处于静止或在控制器启动而旋转时确定初始转子角。相反，在应用合适的运动校正因数（例如，以提供初始的位置校正给正交解码器或编码器作为反馈数据或反馈信号）的情况下，根据发动机在启动时是静止还是移动，估算初始的转子角。

已经描述了优选的实施方式，可进行多种修改而不脱离所附的权利要求书中限定的本发明范围将变得明显。

Claims

1.一种估算电机的转子角的方法，所述方法包括：

从耦合到永磁电机的编码器接收位置样本；

将所述位置样本存储在数据存储装置中；

确定连续位置样本之间的第一多个第一位置变化；

确定连续第一位置变化之间的第二多个第二变化；

确定每个第一位置变化是否普遍增加、减少或恒定；

基于第一位置变化是否普遍增加或减少而将校正运动因数应用于每个存储的位置样本,其中，校正运动因数按照下列方程式来确定：

C = Δ_P1 * n + Δ_P2 * m

其中，C是校正运动因数；Δ_P1是第一位置变化；n等于t/T，其中，t = t_final - t_initial而T= 1/f_PWM;Δ_P2是第二位置变化，m等于( n ( n+ 1)) /2;以及，f_pwm是所述编码器输出的脉宽调制信号的频率，其中，所述信号的工作循环表示所述转子角；以及

基于所述位置样本中的特定样本以及与所述位置样本中的所述特定样本对应于相应时间相关联的对应的第一位置变化，估算所述电机的最终转子角。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所接收的位置样本被表示为脉宽调制信号，其中，所述脉宽调制信号的工作循环与所述电机的位置或转子角成比例。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所接收的位置样本被表示为按照下述方程的脉宽调制信号：

,

其中，P是估算的位置值，其与电机的转子角成比例，t_on是以时间为单位的采样信号的导通工作循环部分的脉宽，t_off是以时间为单位的采样信号的关断工作循环部分的脉宽，D以时间为单位，近似等于最大可能脉宽持续时间。

4.如权利要求1所述的方法，其中，如果所述第一位置变化普遍增加一段时间间隔，则将校正运动因数增加到与位置样本相关联的初始转子角，从而估算所述最终转子角。

5.如权利要求1所述的方法，其中，如果所述第一位置变化普遍减少一段时间间隔，则将校正运动因数从与位置样本相关联的初始转子角减去，从而估算所述最终转子角。

6.如权利要求1所述的方法，其中，如果第一位置变化恒定一段时间间隔，则不使用校正运动因数来估算最终转子角。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

如果所述电机在启动时旋转，则用基于编码器分辨率而自动度量的计数形式补偿的最终转子角更新解码器或数字信号处理器的计数器。

8.一种估算电机的转子角的系统，所述系统包括：

耦合到永磁电机的编码器；

初级处理模块，其用于从所述编码器接收位置样本并且将所述位置样本存储在数据存储装置中；

所述初级处理模块的数据处理器，其确定连续位置样本之间的第一多个第一位置变化，确定连续的第一位置变化之间的第二多个第二变化，以及确定每个第一位置变化是否普遍增加、减少或恒定；

所述数据处理器基于所述第一位置变化是否普遍增加或减少而将校正运动因数应用于每个存储的位置样本，校正运动因数按照下列方程式来确定：

C = Δ_P1 * n + Δ_P2 * m

所述数据处理器基于所述位置样本中的特定样本以及与所述位置样本中的所述特定样本相对于相应时间相关联的对应的第一位置变化，估算所述电机的最终转子角。

9.如权利要求8所述的系统，其中，所接收的位置样本表示为脉宽调制信号，其中，所述脉宽调制信号的工作循环与所述电机的位置或转子角成比例。

10.如权利要求9所述的系统，其中，所接收的位置样本表示为按照下述方程的脉宽调制信号：

，

其中，P是估算的位置值，其与所述电机的所述转子角成比例，t_on是以时间为单位的采样信号的导通工作循环部分的脉宽，t_off是以时间为单位的采样信号的关断工作循环部分的脉宽，D以时间为单位，近似等于最大可能脉宽持续时间。

11.如权利要求8所述的系统，其中，如果所述第一位置变化普遍增加一段时间间隔，则将所述数据处理器配置为或指示为将校正运动因数增加到与位置样本相关联的初始转子角，从而估算所述最终转子角。

12.如权利要求8所述的系统，其中，如果所述第一位置变化普遍减少一段时间间隔，则将所述数据处理器配置为或指示为将校正运动因数从与位置样本相关联的初始转子角减去，从而估算所述最终转子角。

13.如权利要求8所述的系统，其中，如果所述第一位置变化恒定或近似为零一段时间间隔，则所述数据处理器不使用校正运动因数或将校正运动因数设置为零来估算所述最终转子角。

14.如权利要求8所述的系统，其中，所述数据处理器补偿传播延迟或估算所述最终转子角中消逝的处理时间。

15.如权利要求8所述的系统，进一步包括：

耦合到所述编码器的控制器数字信号处理器；

所述控制器数字信号处理器的计数器，所述计数器设置成以基于编码器分辨率而自动度量的计数形式补偿最终转子角。