CN103329426A - 用于确定电机中偏移角的方法、装置和计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明建议了一种用于确定或者核实在电机（1）中转子（20）相对于定子（10）的所取定向和实际定向之间的偏移角的方法和装置。在该方法中，将该电机首先操控到准零电流状态中，在该状态中应当基本上没有电流在电机绕组中流动。接着，确定电压向量，该电压向量说明在准零电流状态期间在电机中所操控的电压的方向；并且接着将该电压向量变换到转子固定的坐标系中。基于经变换的电压向量可以确定偏移角或者关于先前所取的经校准的偏移角的角度误差。

Description

用于确定电机中偏移角的方法、装置和计算机程序

技术领域

本发明涉及用于确定电机中的偏移角的方法。本发明此外还涉及被设计用于实施本发明方法的装置和计算机程序，以及计算机可读存储介质，具有存储在其上的对应计算机程序。

背景技术

带有高功率电势的电机例如被使用在电动车辆和混合动力车辆中。在此情况下，电机可以通过用作发动机被运行在驱动模式中，而且可以通过其在制动过程期间将动能转换为电能而被运行在发电机模式中。在此，可以由该电机将转矩传输到与该电机连接的、又例如与车辆的轮子连接的轴上。该转矩在此可以根据该电机是在驱动模式中还是在发电机模式中运行而取正或负值。

恒相电机、例如同步电机（其中转子具有与定子旋转场相同的旋转频率）产生转矩，该转矩强烈地取决于在转子和定子旋转场之间的角度偏移。此外，存在大量针对电机的应用，在这些应用中电机的驱动轴的角位必须与驱动同步，也即必须精确地已知该角位。

为了能够检测角位，也即转子相对于电机定子的定向，已知各种角度传感器系统。它们通常在电机制造完成之后才安装在该电机上，以便在电机的接着的运行中始终能够确定例如关于驱动轴的当前角位的信息。在安装角度传感器时，不能总是保证角度传感器可以精确地参照电机的几何结构而固定在所希望的位置上。因此，可能存在为电机设置的角度传感器系统的零位置与该电机的实际零位置相差角度α。在此角度α被称为偏移角。该偏移角应当被尽可能精确地已知并且在控制该电机时被考虑，以便例如能够实现所希望的转矩变化曲线。

因此，在将电机和角度传感器系统结合之后，应当通过校准方法来确定该偏移角。在DE 10 2008 001 408 A1中描述了可能的校准方法。

因为在电机的使用寿命期间该偏移角可能例如由于强的机械应力而变化，因此应当在电机的运行期间时不时地检验该偏移角。

发明内容

因此存在如下需求：能够在电机的运行期间检验电机的偏移角或者能够在稍后时刻核实事先通过校准所获得的偏移角值。

这种需求可以通过独立权利要求的主题来满足。有利的扩展方案在从属权利要求中定义。

根据本发明的第一方面，建议了一种用于确定电机偏移角的方法。在此，该电机具有定子和转子。该方法包括下面的方法步骤：将电机操控到准零电流状态中；确定在所述准零电流状态期间的电压向量；将该电压向量变换到转子固定的坐标系中；并且基于该经变换的电压向量确定所述偏移角。

下面详细描述所介绍的方法的可能的特征和优点。

首先，将电机操控到所谓的准零电流状态中。该准零电流状态应当被定义为，在电机绕组中应该基本上不流动电流。换句话说，为了达到准零电流状态可以将电机操控为，使得基本上没有电流在电机中流动。在此，施加在电机绕组上的电压被选择为，使得其基本上等于在电机中当前占主导的感应磁极转子电压。换种说法，施加在电机绕组上的电压应当被调整为，使得既不在绕组中出现会对电机进行加速的电流，又不会由于在电机磁场中旋转的转子而在电机绕组中感应出明显的电流。

“基本上没有电流”在此被理解为，在电机绕组中流动的电流被选择得足够小，使得基本上没有转矩被传输给与电机连接的轴，也即与电机耦合的轴的运动状态不会通过电机改变。这尤其适于如下情况：电机在小的转速下运行，例如在低于电机的标称转速下运行。在准零电流状态期间在绕组中流动的电流例如可以小于电机的标称电流的5%，优选小于2%。

在此情况下，为了能够执行用于确定偏移角的方法，可以通过操控电机来有目的地引起准零电流状态。但是因为为此可能中断或干扰电机的正常运行，也即中断或干扰例如由驾驶员所希望并且由电机引起的车辆行驶状态，因此有利的可以是：不是将电机有目的地带入准零电流状态中来然后执行确定偏移角的方法，而是相反地等待，直到电机出于其他原因而被操控到准零电流状态中并且然后利用该机会来执行确定偏移角的方法。例如可以在电动车辆的情况下得到驾驶员所希望的行驶状况，在该行驶状况中电机应当以驾驶员有意的方式不施加转矩到轴上，也即不对车轮施加力，也即该车辆应当能够自由滚动，而不被电机施加力。

所介绍的确定偏移角的方法可以是特别有利的，因为电机在准零电流状态期间机械上固定地与轴连接。换句话说，为了执行确定偏移角的方法不需要将电机与轴去耦，而是监控何时通过对应地操控电机来操控所希望的准零电流状态就足够。

在操控准零电流状态之后，确定电压向量，该电压向量说明在准零电流状态期间在电机中所操控的电压的方向。该电压向量在此是矢量性参量，其表示在电机定子的绕组上的电压分布的方向和强度的度量。在电机的旋转运行期间，在此该电压向量与电机的转子同步地循环。

为了避免该电压向量在全局性坐标系、也即关于电机是固定的坐标系中的这种循环，接着将该电压向量变换到转子固定的坐标系中。所述转子固定的坐标系在此是关于电机的旋转的转子是固定的坐标系，也即该坐标系随着转子一起旋转。通过将该电压向量变换到这种转子固定的坐标系，可以实现，该电压向量在电机的稳定状态中同样是稳定的，也即不仅具有恒定的绝对值而且具有恒定的定向。因此，相比在时间上变化的、循环的电压向量的情况，接着可以将这种经变换的、时间上恒定的电压向量明显更简单地用来导出关于电机状态的其他信息。电压向量的该变换可以借助常见的数学方法来执行。

该电压向量尤其可以被变换到转子固定的坐标系中，使得在静止状态中将分量d和分量q分配给该电压向量。 换句话说，经变换的电压向量可以被分解成两个分量，其中分量d说明该电压向量的表现在电流方向上的矢量部分，而分量q说明与其垂直的矢量部分。

最后，可以基于经变换的电压向量来确定偏移角。在此情况下，可以确定：在操控电机时在准零电流状态中实际得到的经变换的电压向量是否与所希望的电压向量或基于事先由校准而获得的关于偏移角的认识而设定的电压向量一致。对于基于在前校准而取的偏移角与现在实际确定的偏移角不一致的情况，可以从所取的和实际确定的偏移角的差中来确定角度误差。该角度误差可以在接着对电机进行操控时被考虑，也即由电机的控制装置用来操控电机的偏移角可以被校正该角度误差。

尤其是可以从经变换的电压向量的分量d或者分量q中计算偏移角。尤其是可以从分量q和分量d中通过构成反正切值来计算偏移角的角度误差。

所确定的偏移角角度误差可以被用于事后核实偏移角。所确定的角度误差越小，由电机的控制装置所取的、在较早时刻通过校准而获得的偏移角与实际上在电机中并且由此在与该电机耦合的角度传感器系统中占主导的偏移角的偏离越小。如果所确定的角度误差超过预先给定的界限值，那么可以采取合适的措施，例如校正在电机控制装置中存放的偏移角，以便避免损坏电机或者避免次优的转矩控制。

上面描述的用于确定偏移角的方法例如可以由如下装置来执行，该装置被设计为控制电机。为此，可以设置计算机程序，该计算机程序可以作为软件由对应的控制设备引导来执行上述方法步骤。对应的计算机可读存储介质、例如可编程的微芯片（例如EEPROM）、或者CD或DVD可以包含对应的存储在其上的计算机程序，使得该计算机程序也可能事后在可编程的控制设备中被执行。

为了执行上述方法而设计的装置应当能够：当电机被操控到准零电流状态中时进行识别，并且接着确定电压向量并且将其变换到转子固定的坐标系中，以便接着能够基于经变换的电压向量来计算电机的偏移角。

上面描述的方法或上面描述的装置可以特别有利地使用在由同步电机驱动的电动车辆或混合动力车辆中。

应当指出：本发明的实施方式的特征和优点在此部分参照所建议的用于确定偏移角的方法并且部分地参照用于执行这种方法的装置来描述。但是这些特征可以以技术人员可识别的方式被任意组合或者替换。

附图说明

本发明的实施方式在下面以非限制性设计的方式参照附图来加以描述。

图1示出电机的横截面。

图2示出在转子固定的坐标系中的电压向量。

图3示出带有本发明用于确定电机偏移角的装置的电动车辆。

这些图仅仅是粗略示意性的并且不是合乎比例的。

具体实施方式

在图1中示出了电机1，其带有定子10和转子20，定子10具有定子绕组15。流过定子绕组15的电流在左边所示的绕组区段中从图面流出并且在右边所示的绕组区段中流入图面中。由此产生的磁场具有箭头A的方向。出于清楚的原因，仅仅示出了一个单个的定子绕组15，其中通常定子绕组沿着定子的整个周边均匀地布置。转子20例如借助永磁体或者转子绕组（未示出）来被激励并且具有磁场，该磁场被定向在转子的纵向上，如由箭头B所示。在定子10和转子20之间的力与sin（α）成比例，其中α等于在由定子10产生的磁场A和由转子20产生的磁场B之间的角度。

转子20或由其产生的磁场B的当前定向可以借助角度传感器30来确定。因为角度传感器30在电机1内的实际安装位置与所希望的安装位置可能有偏差，因此由角度传感器30确定的定向角度也可能与转子的实际定向角度不同，其中所确定的定向角度由角度传感器30例如转发给电机1的控制装置。该角度差异被称为偏移角并且可以在将电机1与角度传感器30组合之后一次性通过校准来被确定。

在电机1的接着的运行期间，电机1分别借助控制装置被操控为，使得由定子10和转子20产生的磁场A、B的强度和定向相互调节为，使得由电机1产生所希望的转矩。在此情况下，为了控制电机1，在考虑偏移角的情况下采用由角度传感器30所提供的关于转子20的当前定向角度的信息。

为了在稍晚的时刻确定偏移角或者核实迄今所取的偏移角，一直等到控制装置尝试使电机处于准零电流状态。该控制装置为此将这样调节施加在电机绕组上的电压，使得其恰好等于电机中当前占主导的磁极转子电压，使得基本上应当没有电流在绕组中流动。

为了检验是否实际上实现了由控制装置所指示的准零电流状态，也即由控制装置所取的偏移角是否还等于实际上在电机中占主导的偏移角，将电压向量变换到转子固定的坐标系40中，如图2所示。在这种转子固定的坐标系40中，将电压向量表示为矢量X。该坐标系40在其横坐标上说明电压向量X的分量d并且在其纵坐标上说明电压向量X的分量q。只要由控制装置所取的偏移角是正确的，那么电压向量X就应当沿着纵坐标定向，也即仅仅具有分量q。但是如果所取的偏移包含角度误差，那么在将该电压向量变换到转子固定的坐标系40中时也会导致分量d。于是由电压向量X在坐标系40中的角度β与90°的差而得到的角度γ（也即γ=90°-β）等于该角度误差并且可以通过带有一个或两个自变量的反正切函数（也即，arctan(z)或arctan2(y,x)）来计算，例如γ=arctan d/q。这能够实现经校准或者由角度传感器系统所提供的偏移角的核实和校正。

图3示意性示出了电动车辆50，其中电机1由控制装置60控制，以便产生所希望的转矩并且通过轴70被传输给该车辆的轮子80。在此情况下，控制装置60可以是软件控制的并且可以通过对应的计算机程序被指示用于在需要时或者在合适的时机来执行上面描述的确定偏移角的方法。

Claims (10)

1.确定电机（1）中的偏移角的方法，该电机带有定子（10）和转子（20），其中该方法具有下面的步骤：

将该电机操控到准零电流状态中，使得基本上没有电流在该电机的绕组中流动；

确定电压向量（X），该电压向量说明在该准零电流状态期间在所述电机中所操控的电压的方向；

将该电压向量变换到转子固定的坐标系（40）中；

基于经变换的电压向量确定所述偏移角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压向量被变换到转子固定的坐标系中，使得在静止状态中将分量d和分量q分配给所述电压向量，其中从所述分量d和分量q的至少之一中计算所述偏移角。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，从分量q和分量d中通过构成反正切值来计算所述偏移角的角度误差（γ）。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，所述电机在准零电流状态期间被操控为，使得由该电机基本上不传输转矩到与该电机连接的轴（70）上。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其中，所述电机在准零电流状态期间机械地与该轴固定地耦合。

6.用于确定电机（1）中的偏移角的装置（60），该电机带有定子（10）和转子（20），其中该装置被设计为实施按照权利要求1至5之一的方法。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，该装置被设计为，当所述电机被操控到准零电流状态中使得基本上没有电流在该电机的绕组中流动时进行识别，并且该装置还被设计为：确定电压向量，并且将该电压向量变换到转子固定的坐标系中，并且基于经变换的电压向量来计算所述电机的偏移角。

8.带有根据权利要求6或7所述的装置的电动车辆（50）。

9.计算机程序，其被设计为，当其在计算机上执行时按照根据权利要求1至5之一的方法确定电机的偏移角。

10.计算机可读的存储介质，带有存储于其上的根据权利要求9的计算机程序。

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