CN103650326B - 用于同步机内的角度估计的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于同步机(11)内的角度估计的设备，具有角度传感器装置(15)，其设计用于，求取用于同步机(11)的转子的转子角的事件离散的测量值并且输出根据求取的测量值的测量信号，并具有估计装置(16)，其设计用于，检测同步机(11)的电流和／或电压信号并且根据所检测的电流和／或电压信号计算同步机(11)的转子的转子角的与预期的转子角的偏差和输出根据所计算的偏差的偏差信号，还具有组合装置(17)，其设计用于，接收测量信号和偏差信号并且从测量信号和偏差信号的组合中计算用于同步机(11)的转子的转子角的估计值

Description

用于同步机内的角度估计的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于同步机内特别是永磁同步机内的角度估计的方法和设备。

背景技术

为驱动例如在用于电力驱动的车辆如电动车辆或者混动车辆的电驱技术中使用的永磁激励的同步机，需要识别转子角，也就是说同步机的转子或转动件的关于其围绕转子轴的转动运动的位置。需要该测量参量，以便使得力矩的产生与实际的转子位置相协调。

转子角例如可以借助角度传感器确定。然而这种角度传感技术，特别是具有高分辨率的角度传感技术，在制造电力驱动系统的情况下能够引起可观的成本。因此经常使用具有相应较低角度分辨率的利于成本的角度传感器。例如从文献DE102007052365A1中公开了一种方法，用于借助低分辨率的角度传感器和卡尔曼滤波器确定同步机的转子角。

另外可选的方案可以是，代替通过角度传感器测量转子角，执行基于电流和／或电压传感器的估计。在这种情况下可以使用所谓的主动的方法，也就是说这样一种方法，其中把附加的电压信号调制在在电机上施加的供电电压上并且测量在电机中通过该附加的电压信号感生的电流。在适宜设计电机的情况下，也就是说例如在足够的磁的各向异性的情况下，能够从测量的电流反推出当前的转子角。例如从Linke，M.等的文献：“Sensorless position control of PermanentMagnet Synchronous Machines without Limitation at Zero Speed”，IEEE IECON'021，2002，第674-679页，公开了无传感器的方法，其中把高频信号加入到机器的供电电压中，并且其中测量在电机内通过该高频信号感生的响应信号，其允许估计转子角。

然而用于转子角求取的已知方法仅对于规定的受限的转速范围适合。例如在使用无传感器的方法的情况下不能在所有的情况下都保证对于电动车辆或者混动车辆的电驱动装置提出的安全要求。另一方面具有低分辨率的角度传感器的方法在低转速范围内由于测量数据不够而不及其他的方法。

发明内容

存在对于用于同步机内转子角的求取角度的解决方案的需求，其在同步机的所有转速范围内都使得能够更稳健地、更可靠地和更高效率地进行力矩调节，而不必利用费用高的高分辨率的角度传感技术。

因此本发明提出一种用于同步机内的角度估计的设备，具有角度传感器装置，其设计用于，求取用于同步机的转子的转子角的事件离散的测量值并且输出根据所求取的测量值的测量信号，并具有估计装置，其设计用于，检测同步机的电流和／或电压信号并且根据所检测的电流和／或电压信号计算同步机的转子的转子角的与预期的转子角的偏差和输出根据所计算的偏差的偏差信号，还具有组合装置，其设计用于，接收测量信号和偏差信号并且从测量信号和偏差信号的组合中计算用于同步机的转子的转子角的估计值。由此能够以有利的方式在一个集成的方案中组合两种求取方法，由此能够在所有的转速范围内实现同步机的可靠的运行。

此外通过使用两种方法给出一种冗余性，该冗余性提高例如角度传感器装置的容错率。另外能够给角度传感器装置装备具有低分辨率的从而利于成本的角度传感器，其中随之产生的较小数目的测量值可以通过估计装置的偏差信号得以平衡。此外通过本发明的设备提供这样的优点：相对于同步机的已经存在的操控部件而言，不需要附加的硬件例如附加的传感器等。

根据另一种实施方式，本发明提供一种用于同步机内的角度估计的方法，具有借助角度传感器求取用于同步机的转子的转子角的事件离散的测量值、检测同步机的电流和／或电压信号并且计算同步机的转子的转子角的与预期的转子角的偏差、以及通过组合所求取的测量值和所计算的偏差计算用于同步机的转子的转子角的估计值的步骤。

在一种优选的实施方式中，所述设备作为组合装置具有卡尔曼滤波器，其具有设计用于计算用于转子的动态模型的状态矢量的预测值的预测装置、和设计用于根据预测值计算修正信号的修正装置。

在这种情况下卡尔曼滤波器另外具有确定装置，其设计用于，在通过预测装置计算预测值后，确定测量信号是否具有当前的测量值，其中修正装置设计用于，如果确定装置确定存在当前的测量值，则根据测量信号计算修正信号；并且其中修正装置设计用于，如果确定装置确定不存在当前的测量值，则根据偏差信号计算修正信号。卡尔曼滤波器的使用使得能够从角度传感器装置的测量数据和利用同步机的电流和／或电压信号的估计装置的偏差数据实现一种数据联合。在这种情况下该数据联合能够有利地进行所使用的修正值的优先化：角度传感器装置的比偏差信号较不频繁地更新的测量值在存在当前值的情况下优选为计算用于卡尔曼滤波器的修正信号而得到考虑，而在正好不存在当前的或者更新的测量值的时间点，则为修正信号计算考虑估计装置的偏差信号。由此能够拦截测量值的更新频率的通过角度传感器装置引起的波动，尤其是在低转速范围内，在低转速范围内比在高转速范围内由角度传感器装置接收按趋势变少的测量值。

估计装置优选设计用于，基于同步机的电流输出信号计算转子角的偏差，所述电流输出信号通过在同步机的供电电压上叠加的测试电压信号感生。该处理方式也描述为主动的测试信号方法。由此能够把转子角的估计从本来的供电电压中解除耦合。尤其用主动的方法能够使测试电压信号在振幅和／或频率方面与同步机的运行状态适应，从而在关键的运行状态中或者在低转速的情况下持续保证稳健的角度估计。此外可以通过测试电压信号的频率的适应保证相对于供电电压的频率的频率间隔。

另外可选将估计装置设计用于，基于同步机的反向电压信号计算转子角的偏差。该方法也描述为被动的估计方法。优点在于，偏差信号能够从原本就已经存在的同步机的输出信号中确定，而不必主动地对机器的操控进行干预。尤其该被动的方法主要适合中等和较高转速，而主动的测试信号方法在转速上向上受限。

附图说明

本发明的实施方式的另外的特征和优点在下面参考附图的说明中给出。

图1是根据本发明的一种实施方式的用于同步机中的角度估计的系统的示意图；

图2是根据本发明的另一种实施方式的用于同步机中的角度估计的系统的示意图；

图3是根据本发明的另一种实施方式的、图1和2所示系统的组合装置的示意图；并且

图4是根据本发明的另一种实施方式的用于同步机中的角度估计的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出用于同步机11内的角度估计的系统的示意图。在这种情况下同步机11例如可以是永久激励的同步机。用于同步机11的三相供电电压U_abc可以通过供电电压装置12提供。在这种情况下供电电压装置12可以具有变压装置，借助它能够把供电电压信号U_q和U_d从转子固定的d-q坐标系变换为定子固定的坐标系。变压装置的输出信号可以被供给PWM(脉宽调制)信号发生器，后者对在供电电压装置12内包括的整流器进行操控。通过该整流器可以把三相供电电压U_abc供给同步机11。在这种情况下通过其电压矢量横向于转子场方向的供电电压分量U_q并且通过其电压矢量位于转子磁场方向上的供电电压分量U_d能够调节同步机11的转矩和同步机11的磁场形成。

另外系统10包括设备14，其与同步机耦合。设备14设计用于，计算用于同步机11的转子角的估计值并且向供电电压装置12回馈(rückzukoppeln)。通过估计值能够在供电电压装置12内实现矢量调节，尤其通过相应调整供电电压分量U_d和U_q实现转矩调节。

设备14例如可以包括角度传感器装置15，其可以检测同步机的转子角为此角度传感器装置15可以检测转子角的事件离散的测量值，即这样的测量值，它们在规定的时间间隔被检测，其序列例如与转子的转速或者其他参数例如控制器负荷有关。事件离散的测量值可以通过角度传感器装置15处理并且作为测量信号输出。换句话说该测量信号的特征在于，其以周期性的时间间隔(变化的频率)用最后检测的测量值更新。在这种情况下更新的时间点例如与转子的转速有关。

这里通过角度传感器装置15检测的测量值的每一时间单元的数目还与所使用的角度传感器的角度分辨率有关。角度传感器的角度分辨率越低，就越稀少地用新的测量值更新测量信号。在这种情况下在本发明的意义上用于在取代测量信号的到目前为止最后的测量值的时间点通过角度传感器装置15新检测的的转子角的测量值称为当前的测量值。换句话说，当通过角度传感器装置15输出的测量信号经历最后的测量值的改变时，则存在一个当前的测量值。当测量信号的最后的测量值不改变时，例如因为转子位于两个彼此相继的测量值的检测之间的中间阶段，则不存在当前的测量值。

另外设备14包括估计装置16，其与同步机11耦合并且设计用于检测电流和／或电压信号，例如同步机11的定子固定的坐标系内的电流信号I_abc，并且根据检测的电流和／或电压信号计算转子角的与预期的转子角的偏差并且输出根据所计算的偏差的偏差信号。例如估计装置16可以检测同步机11的反向电压信号并且使用反向电压的角度依赖性借助相应的模型确定转子角的偏差这里反向电压是通过转子的转动在定子的线圈中引起的感生电压，其依赖于转子转速和转矩调节并且由此允许推断转子角

另外设备14包括组合装置17，其设计用于接收角度传感器装置15的测量信号和估计装置16的偏差信号并且从测量信号和偏差信号的组合中计算用于同步机11的转子的转子角的估计值在这种情况下该估计值可以通过一个回馈分支向供电电压装置12和估计装置16回馈。

图2是用于同步机11内角度估计的系统10的示意图。图2中的系统10与在图1中通常表示的系统的区别基本在于，组合装置17包括卡尔曼滤波器并且在估计装置16内实现主动的测试信号方法。组合装置17另外可选还作为观测结构实现。卡尔曼滤波器另外在下面结合图3详细说明。

图2中的系统10在供电电压分量U_d的路径中包括混合机构13，借助它能够在供电电压分量U_d上叠加测试电压信号U_c。为此例如可以规定，把具有振幅|U_c|和频率ω_c的测试电压信号调制到供电电压分量U_d上。这里频率ω_c例如大于被叠加的供电电压U_abc的基波的频率并且尤其具有对后者的最小的频率间距。在这种情况下测试电压信号U_c在估计的转子轴线的方向上叠加。由此在同步机11内感生电流，它的电流信号I_abc可由估计装置16检测。通过评估该电流信号，估计装置16就能够确定转子角的与预期的转子角的偏差

可以变化地保持测试电压信号U_c的振幅和／或频率。例如可以根据转速调配测试电压信号U_c的频率。在低转速的情况下例如可以选择较低的频率。可以在关键运行点使测试电压信号U_c的振幅适应同步机11的运行状态。

角度传感器装置15例如可以包括具有低角度分辨率的数字的绝对传感器，例如每一电气意义上的旋转具有六个沿的传感器。不言而喻这里也可以使用其他的传感器设备。角度传感器装置15也可以具有带或不带转动方向识别的增量式角度传感器。在后一种情况下可以规定，角度传感器的起始位置通过适宜的初始化方法得以保证。角度传感器装置15把具有测量值的测量信号交付组合装置17的卡尔曼滤波器。

另外可以选择的方案是，代替角度传感器装置15也可以使用同步机11内已经存在的角度参量，例如当角度传感器装置15故障时。例如测量值也可以从混动车辆的内燃机的角度传感器、节气门的角度传感器或者窗板刮水器的角度传感器中提取。

估计装置16例如还为校准角度传感器装置15使用。尤其在拆解角度传感器装置15或者其修理后，估计装置16被设计用于执行测试脉冲方法，借助该方法能够重新校准电气角度，亦即角度传感器对电机线圈绕组和永久磁体的角位置的相对位置。在这种情况下该校准能够在重新投入运行时全自动进行。

图3是图2中的系统10的作为卡尔曼滤波器构造的组合装置17的示意图。卡尔曼滤波器17包括预测装置17a，其设计用于，根据状态矢量的一个先前的值计算用于转子的动态模型的状态矢量的预测值状态矢量例如可以是三维矢量，其例如作为状态参量描述转子角转速或者角速度和负荷转矩M的系统状态。在这种情况下状态参量可以通过物理模型彼此结合，例如通过描述状态参量彼此的依赖性的线性微分方程系统。这里预测值可以作为具有定性的干扰w的一阶马尔科夫链的环节根据状态转换矩阵A_d和控制干涉项b_du_k计算，后者模型化一个用动态控制b_d加权的操控参量u_k：

${\hat{x}}^{-}(k+1)=A_d{\hat{x}}^{+}\left(k\right)+b_d{u}_k$

此外预测装置17a可以按照公式P^-(k+1)=A_dP⁺(k)A_d ^T+Q计算为预测所预期的误差协方差的协方差矩阵P^-(k+1)，式中P⁺(k)是前面的预测步骤的修正的误差协方差矩阵，Q是随机的系统噪声w的协方差矩阵。

在预测步骤内计算更新的预测值后，确定是否存在角度传感器装置15的当前的测量值在这种情况下预测值的更新的迭代可以用比通过角度传感器装置15更新测量信号的测量值高的计算频率进行。这里该确定可以在确定装置17b内进行。

根据角度传感器装置15的当前的测量值的存在与否的确定结果，更新的预测值以及更新的误差协方差矩阵P^-(k+1)被传递给修正装置17c，在该修正装置内在当前的测量值存在的情况下基于当前的测量值或测量信号计算修正信号(计算步骤17d)。在这种情况下可以按照公式

计算修正的预测值。此外可以按照公式

P⁺(k+1)=(I-P^-(k+1)c(c^Tp^-(k+1)c+R₂)^-1c^T)P^-(k+1)

计算修正的误差协方差矩阵。其中，c^T是系统的观察矩阵，R₂是用于角度传感器装置15的测量可靠性矩阵。用于计算修正信号的相应的模型参数可以适应系统地选择。

对于不存在当前的测量值的情况，修正装置17c可以基于偏差信号计算修正信号(计算步骤17e)。然后可以按照公式

计算修正的预测值，并且按照公式

P⁺(k+1)=(I-P^-(k+1)c(c^Tp^-(k+1)c+R₁)^-1c^T)P^-(k+1)

计算修正的误差协方差矩阵，其中R₁是用于估计装置16的测量可靠性矩阵。

在各计算步骤17d或17e之后把计算装置17c的修正的值向预测装置17a回送，然后在那里能够执行新的预测步骤。在这种情况下预测和修正步骤可以迭代重复。

在这种情况下可以使卡尔曼滤波器如.比适应，使得估计值的计算以特别的方式对例如由于测量错误或者角度传感器装置15的错误功能而使测量值的预期的更新缺失做出反应。在这种情况下于是可以分开地修正角度估计。

矩阵R₁、R₂和Q也可以不必恒定，而是作为替代也根据当前的运行点(转矩和转速)来得到选择。

换句话说，为计算修正信号修正装置17c可以优先考虑角度传感器装置的测量信号的测量值。然而由于并非在每个预测步骤后都存在当前的测量值，所以修正装置17c作为辅助值考虑在每个预测步骤后估计装置16的更新的偏差信号用于计算修正信号。以这种方式也能够使用低分辨率的角度传感器稳健且精确地计算用于转子角的估计值低分辨率的角度传感器仅提供分散更新的测量值。

在角度传感器装置15故障的情况下电驱动系统能够在紧急运行方式(所谓的“跛行回家功能”)被驱动。为此组合装置17仅能利用估计装置16的偏差信号来调节同步机11。为保证稳定的运行可靠性，在这种情况下例如可以限制同步机11的转速范围或者输出功率。还可以规定，提高叠加的高频信号的频率，以便能够稳健地探测感生的电流信号。

图4是用于同步机尤其永久激励的同步机中的角度估计的方法20的示意图。在第一步骤21中借助角度传感器求取用于同步机的转子的转子角的事件离散的测量值，并且检测同步机的电流和／或电压信号并且计算同步机的转子的转子角的与预期的转子角的偏差。在第二步骤22中在卡尔曼滤波器中首先计算用于转子的动态模型的状态矢量的预测值。在第三步骤23中确定是否存在当前的测量值。如果确定当前的测量值存在，则在步骤24中根据该当前的测量值计算预测值的修正信号。然而如果确定当前的测量值不存在，则在步骤25中根据所计算的偏差计算预测值的修正信号。

Claims (9)

1.用于同步机(11)内的角度估计的设备，具有：

角度传感器装置(15)，其设计用于，求取用于同步机(11)的转子的转子角的事件离散的测量值并且输出根据所求取的测量值的测量信号；

估计装置(16)，其设计用于，检测同步机(11)的电流和/或电压信号并且根据所检测的电流和/或电压信号计算同步机(11)的转子的转子角的与预期的转子角的偏差和输出根据所计算的偏差的偏差信号；和

组合装置(17)，其设计用于，接收测量信号和偏差信号并且从测量信号和偏差信号的组合中计算用于同步机(11)的转子的转子角的估计值其中，组合装置(17)具有卡尔曼滤波器或者观测结构，其具有设计用于计算用于转子的动态模型的状态矢量的预测值的预测装置(17a)、和设计用于根据预测值计算修正信号的修正装置(17c)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，卡尔曼滤波器或者观测结构另外具有确定装置(17b)，其设计用于，在通过预测装置(17a)计算预测值后，确定测量信号是否具有当前的测量值其中修正装置(17c)设计用于，如果确定装置(17b)确定存在当前的测量值则根据测量信号计算修正信号；并且其中修正装置(17c)设计用于，如果确定装置(17b)确定不存在当前的测量值则根据偏差信号计算修正信号。

3.根据权利要求1到2之一所述的设备，其中，估计装置(16)设计用于，基于同步机(11)的电流信号计算转子角的偏差所述电流信号通过在同步机(11)的供电电压上叠加的测试电压信号(U_c)感生。

4.根据权利要求1到2之一所述的设备，其中，估计装置(16)设计用于，基于同步机(11)的反向电压信号计算转子角的偏差

5.根据权利要求1到2之一所述的设备，其中，角度传感器装置(15)包括数字的绝对传感器、具有转动方向识别的增量式角度传感器或者不具有转动方向识别的增量式角度传感器。

6.用于同步机(11)内的角度估计的方法，具有以下步骤：

借助角度传感器(15)求取用于同步机(11)的转子的转子角的、事件离散的测量值

检测同步机(11)的电流和/或电压信号并且计算同步机(11)的转子的转子角的与预期的转子角的偏差

通过组合所求取的测量值和所计算的偏差计算用于同步机(11)的转子的转子角的估计值

其中，计算估计值的步骤在卡尔曼滤波器(17)或者观测结构内执行并且具有以下步骤：

计算用于转子的动态模型的状态矢量的预测值；

确定是否存在当前的测量值

如果当前的测量值存在，则根据当前的测量值计算预测值的修正信号，并且如果不存在当前的测量值则根据所计算的偏差计算预测值的修正信号。

7.根据权利要求6所述的方法，另外具有以下步骤：

在同步机(11)的供电电压上叠加测试电压信号(U_c)；和

基于同步机(11)的由测试电压信号(U_c)感生的电流信号计算转子角的偏差

8.根据权利要求7所述的方法，其中，测试电压信号(U_c)在振幅和/或频率方面适应同步机(11)的运行状态。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，转子角的偏差的计算基于同步机(11)的反向电压信号进行。