CN103109453A - 用于无传感器地确定电机的转子位置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无传感器地确定转子位置(

_el)的方法，以运行电子换向的电机(2)，包括以下步骤:由一个或多个电机电流和电机电压确定在电机(2)的线圈中的感应电压(U_ind);和由感应电压(U_ind)与估计的感应电压(Û_ind)的偏差(ΔU_ind)估计转子位置(

_el)和/或速度数据(ω_el)。

Description

用于无传感器地确定电机的转子位置的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种电子换向的电机，其中通过确定感应电压以无传感器的方式确定转子的转子位置。本发明尤其涉及一种用于无传感器地确定转子位置的方法。

现有技术

为了电机的电子换向，需要确定转子的转子位置（在转子的旋转机器情况下），以便由此确定要施加的旋转(磁)场和/或场矢量的瞬时方向和强度。除了大量的基于传感器的探测转子位置的方法以外，越来越多地使用这样的方法，在该方法中，借助于电参数，例如借助于电压和电流，来确定转子位置。

这些方法中的一种方法称为反电动势（Back-EMF）法，其中，由在电机的相之一中的感应电压确定转子位置。在此情况下，确定的转子位置被分配给感应电压的过零的一个位置。由于为了测量感应电压，必需无电流地切换在其处应该测量感应电压的相应的相联接头，因此反电动势法的使用在选择合适的电流图形（通电流模式）下被限制用于电子换向。此外，借助于反电动势法来确定转子位置一般仅仅在这样的电机中才完全有可能，即在该电机中感应电压描绘一种近似正弦形的变化曲线并且相电压不经由逆变器调节，因为在逆变器情况下相联接头不能够被无电流地切换。

因此，为了测量感应电压，按照预定的脉冲宽度调制设置电流图形的中断的形式的消隐间隔。在消隐间隔期间，相关的相，在该相下将预料到感应电压的过零，被无电流地切换并且实施感应电压的大小和/或其梯度的测量，以确定在消隐间隔期间感应电压的过零的时间点。

但是，设置消隐间隔与在运行电机时发出噪声的增大相关联。一般地，采用反电动势法不可能实现对例如噪声特性有利的持久的电压预设(没有消隐间隔)。感应电压的变化曲线与纯粹的正弦曲线的偏差越大，用于无传感器地运行正弦式电机的已知方法的品质因数就越降低，例如在无传感器的、场取向的调节情况下。

因此本发明的目的在于提供一种方法和一种装置，借此在非正弦形的电压下也可以无传感器地确定转子位置。

本发明的公开

该目的通过按照权利要求1所述的用于无传感器地确定转子位置的方法以及按照并列的权利要求所述的装置和电机系统来实现。

另外的有利的设计方案在从属权利要求中给出。

按照第一方面，一种用于无传感器地确定转子位置的方法，以运行电子换向的电机，所述方法包括以下步骤:

-由一个或多个电机电流和电机电压确定在电机的线圈中的感应电压;和

-由感应电压与估计的感应电压的偏差估计转子位置和/或速度数据（信息）。

上述方法的一种构思在于，间接地经由感应电压的估计误差来掌握转子位置。在此情况下，感应电压的变化曲线可以不是正弦曲线形的，如其尤其是在较小结构尺寸的电机中发生的那样。

修正和可选地滤波借助于非线性的估测器来实施，该估测器借助于线路模拟（Streckennachbildung）估计感应电压。依据在估计的感应电压和测量的感应电压之间的偏差，借助于线性化计算转子位置和角速度的误差。该转子位置和角速度接着被导回到估测器的线路模拟中，以便修正估计的转子位置和估计的角速度。以这种方式，即使在产生感应电压的非正弦曲线的电机中也可以无传感器地获得转子位置和角速度。

此外可以规定，通过以下方式实施转子位置和速度数据的确定，

-其中将感应电压的偏差线性化，以获得在当前的转子位置和估计的转子位置之间的偏差和/或在当前的速度数据和估计的速度数据之间的偏差，

-其中将转子位置和/或速度数据的偏差输送给一个虚拟控制段（环节），以确定估计的转子位置和估计的速度数据; 和

-其中将估计的转子位置和估计的速度数据逆算到估计的感应电压。

可以规定，使用转子位置和速度数据的偏差，以修正估计的转子位置和估计的速度数据。

此外，通过对感应电压进行采集（扫描）或滤波产生的失真（畸变）通过借助于传递函数适配的线性化来修正，以获得在当前的转子位置和估计的转子位置之间的偏差和/或在当前的速度数据和估计的速度数据之间的偏差，其中，逆算的估计的感应电压用相同的传递函数加载。

按照另一个方面，一种用于无传感器地确定转子位置、以运行电子换向的电机的装置，包括:

-计算块，其用于由一个或多个电机电流和电机电压确定在电机的线圈中的感应电压;和

-估测器，其用于由感应电压与估计的感应电压的偏差估计转子位置和/或速度数据。

此外，该装置可以包括:

-线性化块，其用于将感应电压的偏差线性化，以便获得在当前的转子位置和估计的转子位置之间的偏差和/或在当前的速度数据和估计的速度数据之间的偏差，和

-逆算块，其用于将估计的转子位置和/或估计的速度数据逆算到估计的感应电压。

按照另一个方面，设置一种具有电机和上述装置的电机系统。

按照另一个方面，设置一种计算机程序产品，其含有程序编码，当程序编码在数据处理单元上被执行时，它实施上述方法。

附图简述

以下借助于附图详细说明本发明的优选实施方式。附图中:

图1显示了具有电子换向的电机、用于以无传感器方式运行的电机系统的一个框块图;和

图2显示了一个用于由感应电压确定实际的转子位置的功能块图。

实施方式的描述

图1显示了用于运行电机2的电机系统1。电机2最好实施成无刷的，也就是说，电子换向的电机，例如形式为同步电机，异步电机，磁阻机械或类似机器。电机2是多相的并且为了运行将相电压经由相线3施加到电机2上。相电压在驱动电路（激励电路）4中产生。在电机2被设计成发电机的情况下，驱动电路4经由相线3接收电压和电流，该驱动电路4在这种情况下作为转换器电路来运行。

以下从驱动电动机作为电机2出发。

为了运行电机2，依据经由控制线路5提供给驱动电路4的控制信号，驱动电路4在时间上依次地将相电势施加到相线3上。为此，一个供给源（未示出）与驱动电路4连接，该供给源提供用于运行电机2的电能。

在控制单元6中依据电机2的转子的转子位置和可选地依据转子速度或转子的转数产生控制信号。控制单元6例如可以设计成微控制器。

在本情况下电机系统1应该以无传感器的方式设计并且转子位置和/或转速由相电压和相电流导出。为此一种常用的方法是借助于所谓的反电动势法确定感应电压。在反电动势法中，在电机2的相支线中的，也就是说在相线3中的感应电压U_ind的变化过程（变化曲线）被确定并且将感应电压U_ind的过零的时间点分配给固定的转子位置。

相电流I_s和可选地相电压U_s可以在驱动电路4中进行测量并且输送给控制单元6。按照下面的电机微分方程式可以确定感应电压U_ind。

其中，R对应于绕组电阻和L对应于电感。

备选地，可以依据预定的控制信号推算出电机电压。但是。由于各种不同的原因测量可能是必需的:

-在断开的末端级和驱动装置的机械的运动期间，转子位置必须是已知的；

-为了改善驱动质量，必须提高提供的相电压的精度；

-在一些运行状态下可能希望使用二极管特性线取代受控开关(MOSFET，IGBT…)并且这意味着要测量。

在电机电压的测量中，一般地，由于时钟脉冲式的端电压，探测到的信号必须进行强烈滤波。电机电流的信号被处理，以便它们得到相同的传递函数。因此在计算的感应电压下此外获得相同的失真并且因此也获得转子位置的误差。在所建议的配置中可以撤销所需的滤波，因为转子位置估测器也可以具有滤波器作用。误差信号的较强的噪声在此处可以被接受。

感应电压U_ind被作为空间矢量确定并且感应电压U_ind的变化曲线基本上取决于电机的几何结构并且尤其在具有小的尺寸的电动机情况下常常不是正弦形的。

位置和转速的确定通过非线性的估测器16实施。非线性的估测器16的功能通过图2的功能块简图示出。非线性的估测器16的功能最好完全地在控制单元6实施。如前所述，控制单元6接收涉及相电压和相电流U_s，I_s的数据（信息）并且按照上面的电机微分方程式由此计算出瞬时的（当前的）感应电压U_ind。

这种计算在计算块11中进行。在计算块11中计算的感应电压U_ind被输送给差分器12，估计的感应电压Û_ind在也被输送给该差分器。在按上面的公式(或用其它的方法)计算的U_ind和估计的感应电压Û_ind之间形成电压差ΔU_ind。估计值在以下通过在相关的参数上面的顶部符号显示。

估计的感应电压Û_ind由在逆算块13中按照:

其中

和，

的计算得出，

其中，ω_el对应于作为速度数据的转速的数据。

在使用滤波器来预处理相电压和/或相电流的信号的情况下，计算的感应电压U_ind用传递函数T(s)滤波。为了补偿，估计的感应电压Û_ind也可以用相同的传递函数T(s)滤波。

在计算的U_ind和估计的感应电压Û_ind之间的电压差ΔU_ind作为用于计算的感应电压的计算误差将借助于线性化在转子位置Δ

_el和/或角速度/转速Δω_el的误差的线性化块14中进行计算。相应地进行偏差的计算[ε]:

如果

相当小，则有

。

在使用滤波器来预处理相电压和/或相电流的信号的情况下，可以规定，该线性化考虑传递函数T(s)。使用函数F₂代替函数F。

为了获得函数F₂，在恒定的转速下通过对电机常数K_{E α}和K_Eß滤波产生的形状误差与角速度相关地被包含在内。

线性化块14用于将感应电压U_ind的误差换算成状态参数 _el，ω_el的误差[ε]。状态参数

_el，ω_el的误差和感应电压U_ind的误差之间的关系描述如下:

在使用卡尔曼（Kalman）滤波器情况下，可以与误差的确定相同地来换算噪声系数R。

借助于虚拟控制段（控制环节）15，现在依据转子位置和/或角速度的先前确定的线性化的误差来确定估计的转子位置

和估计的角速度

。利用观察者的示例，这如下地进行:

其中对应有

。

虚拟控制段15的传递函数

则为:

传递函数[H]的分母N(s)则为N(s)=det[A₀]。多项式N(s)的极点决定传递函数[H]的动态特性。传递函数的动态特性决定虚拟控制段15对观察的参数的瞬态响应。如此选择矩阵[G]，即调整出希望的瞬态振荡动态特性。

接下来，如前所述，在逆算块13中，用于转子位置

和转速

的估计的参数被逆算成估计的感应电压Û_ind并且输送给差分器12。

基于虚拟控制段15的P-T2特性，该虚拟控制段以剩留的调节偏差（控制误差）响应斜坡激励（Rampenanregung）。剩留的调节偏差利用在频率范围中的终值定理确定如下:

剩留的调节偏差由此取决于估计的角加速度(通过输入G矩阵确定)和虚拟控制段15的调整的动态特性。通过该加速度α_el预计的调节偏差可以为了修正被加到估计的角速度

上。

Claims (8)

1.用于无传感器地确定转子位置(

_el)的方法，以运行电子换向的电机(2)，所述方法包括以下步骤:

-由一个或多个电机电流和电机电压确定在电机(2)的线圈中的感应电压(U_ind); 和

-由感应电压(U_ind)与估计的感应电压(Û_ind)的偏差(ΔU_ind)估计转子位置

和/或速度数据

。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，实施对转子位置(

_el)和速度数据(ω_el)的确定，

-其中将感应电压(U_ind)的偏差线性化，以获得在当前的转子位置(

_el)和估计的转子位置

之间的偏差(Δ

_el)和/或在当前的速度数据(ω_el)和估计的速度数据

之间的偏差(Δω_el)，

-其中将转子位置(

_el)和/或速度数据(ω_el)的偏差(Δ

_el，Δω_el)输送给一个虚拟控制段，以确定估计的转子位置

和估计的速度数据

; 和

-其中将估计的转子位置和估计的速度数据

逆算到估计的感应电压(Û_ind)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，使用转子位置和/或速度数据的偏差(Δ

_el，Δω_el)，以修正估计的转子位置和估计的速度数据

。

4.根据权利要求2至3所述的方法，其中，借助于与速度相关的线性化来修正通过对感应电压(U_ind)的采集或滤波产生的失真，以获得在当前的转子位置(

_el)和估计的转子位置

之间的偏差和/或在当前的速度数据(ω_el)和估计的速度数据

之间的偏差，其中，逆算的估计的感应电压(Û_ind)被用相同的传递函数加载。

5.用于无传感器地确定转子位置、以运行电子换向的电机的装置，所述装置包括:

-计算块(11)，其用于由一个或多个电机电流和电机电压确定在电机(2)的线圈中的感应电压(U_ind); 和

-估测器(16)，其用于由感应电压(U_ind)与估计的感应电压(Û_ind)的偏差(ΔU_ind)估计转子位置

和/或速度数据

。

6.根据权利要求5所述的装置，包括:

-线性化块(14)，其用于将感应电压的偏差线性化，以便获得在当前的转子位置和估计的转子位置

之间的偏差和/或在当前的速度数据和估计的速度数据

之间的偏差，和

-逆算块(13)，其用于将估计的转子位置和/或估计的速度数据

逆算到估计的感应电压(Û_ind)。

7.电机系统(1)，其包括电机(2)和根据权利要求5或6所述的装置。

8.计算机程序产品，其含有程序编码，当程序编码在数据处理单元上被执行时，它实施根据权利要求1至4中任一项所述的方法。

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