CN103703377A - 对电动机转子位置或速度的测量 - Google Patents

Abstract

用于测量电动机转子的旋转位置和/或速度的电路，包括：第一和第二输入端，用于接收随着转子的旋转位置周期变化的第一和第二输入信号且该第一和第二输入信号彼此正交变化；相位检测器电路；以及观测器电路，用于生成表示输入信号的频率和相位的估计；第一和第二估计信号周期性变化但是彼此正交，且具有相同的频率；其中相位检测器电路通过将第一输入信号和第一估计信号的乘法组合与第二输入信号和第二估计信号的乘法组合相加来确定一方面第一和第二估计信号与另一方面第一和第二输入信号间的相位差，从而产生取决于相位差的总和信号；以及其中，观测器电路取决于总和信号改变所述估计。

Description

对电动机转子位置或速度的测量

本发明涉及用于测量电动机的转子的旋转位置和旋转速度中至少之一的测量电路及方法，还涉及相关的电动机控制电路以及电动助力转向系统。

电动机控制技术领域在现有技术中已经得到了很好的研究，例如可用在诸如驱动电动助力转向(EPAS)系统的领域中。

在电动机控制中，为了正确的控制电动机的操作，通常需要能够测量电动机转子的位置，例如以将电流源切换到多相电动机的不同相位。在EPAS系统中常用的一种电动机是永磁同步电动机。其包括多个安装在电动机转子上的永磁体，带有环绕在转子周围的多个相绕组以构成定子。通过周期地给相绕组通电，可使所述转子进行旋转。

这种电动机通常具有相对低分辨率的位置传感器，例如相对于定子安装的霍尔效应传感器，其能指示永磁极在转子上的通过(passing)，从而给电动机控制电路指示出切换(或“整流换向”)对相绕组的通电的合适的时机。

然而，所期望的是去掉提供这种传感器的需求，并且潜在地还能测量转子的旋转速度。一种实现上述期望的方法是，通过测量电动机电流的变化率来确定电动机的电感，如公开为WO2004/023639的PCT专利申请中提出的。期望的是提高这种位置传感技术的性能。

根据本发明的第一方面，提供一种测量电路，用于测量电动机的转子的旋转位置和旋转速度中的至少之一，所述电路包括：

·第一和第二输入端，用于接收随着转子的旋转位置周期地变化的第一和第二输入信号，在第一和第二输入端的所述第一和第二输入信号彼此正交变化；

·相位检测器电路；以及

·观测器电路；

其中，该观测器电路布置为生成表示第一和第二输入信号的频率和相位的估计；

其中，所述相位检测器电路布置为通过将第一输入信号和第一估计信号的乘法组合与第二输入信号和第二估计信号的乘法组合相加来确定一方面第一和第二估计信号与另一方面第一和第二输入信号之间的相位差，从而产生取决于相位差的总和信号，所述第一和第二估计信号周期地变化并且在由所述估计指示的频率处具有取决于由所述估计指示的相位差的相位差，并且所述第一和第二估计信号彼此正交变化。

通过这样做，我们已确定在现有技术中的锁相环系统中不再需要采用低通滤波器，因为总和信号将不具有取决于第一和第二估计信号的频率与第一和第二输入信号的频率的总和的项。

电路可进一步包括速度估计电路，其布置为使用第一和第二输入信号并且通过确定第一和第二输入信号之一的变化率以及用该变化率除以第一和第二输入信号的另一个来输出表示电动机转子的旋转速度的速度信号。该速度确定电路可布置为使得用于除该变化率的第一或第二输入信号是第一和第二输入信号中较大的一个，用来避免因除以接近零的数而引起的误差或因除以零本身而引起的误差。

观测器电路可布置为基于相位差和速度确定电路的输出生成估计。该观测器电路可被布置为基于其估计确定第一和第二估计信号。同样地，通过使得该估计取决于该速度估计，已经发现电路将随着速度改变而跟随转子的实际速度和/或位置的精确度与现有技术中仅仅测量相位差的锁相环相比得到了改善。

该电路还可包括归一化电路，布置为用于对第一和第二输入信号进行归一化。信号的幅值不是特别重要(仅是相位和频率)，因此通过对信号的归一化可以避免因幅值变化的任何不利的影响。同样地，该归一化电路可被布置为用第一和第二信号的每一个除以第一和第二输入信号的平方和的平方根；给定第一和第二信号正周期地正交变化，该除数很可能表示每个信号的幅值，并且因此导致归一化的统一幅值。

第一和第二信号可表示电动机的电感，并且如此可取决于或作为流经电动机的至少一个相绕组的电流的导数。

根据本发明的第二方面，提供一种用于控制具有转子的电动机的电动机控制电路，该电动机控制电路包括：

·根据本发明第一方面的测量电路；

·传感器，布置为将第一和第二输入信号输出到测量电路的第一和第二输入端，第一和第二输入信号随着转子的旋转位置周期地变化；以及

·至少一个输出，指示施加给电动机的电流；

其中，电动机控制电路布置为用于根据测量电路输出的估计而改变输出。

根据本发明的第三方面，提供一种具有转子的电动机以及本发明第二方面的布置为控制电动机的电动机控制电路的组合，电动机控制电路的传感器被布置为感测转子的旋转位置。

根据本发明的第四方面，提供一种电动助力转向系统，包括：转向盘，转向机构，其可操作地将转向盘与车辆的车轮耦接，电动机，布置为在使用中给部分转向机构施加作用力，扭矩传感器，其在使用中提供指示部分转向机构所承载的扭矩的扭矩信号，以及电动机控制电路，其布置为通过在使用中生成指示被施加到根据本发明第二方面的电动机的电流的电流信号来控制电动机。

根据本发明的第五方面，提供一种测量电动机的转子的旋转位置和旋转速度至少之一的方法，该方法包括：

·接收随着转子的旋转位置周期地变化的第一和第二输入信号，所述第一和第二输入信号彼此正交变化；

·生成第一和第二估计信号，所述第一和第二估计信号周期性地变化，并且具有相同的频率但彼此正交变化；

·通过将第一输入信号和第一估计信号的乘法组合与第二输入信号和第二估计信号的乘法组合相加来确定一方面第一和第二估计信号与另一方面第一和第二输入信号之间的相位差，从而产生取决于相位差的总和信号；以及

·取决于总和信号改变第一和第二估计信号的频率。

通过这样做，我们可以确定的是不再需要像在现有技术中的锁相环系统中那样采用低通滤波器，因为总和信号将不具有取决于第一和第二估计信号的频率以及第一和第二输入信号的频率的总和的项。

该方法可进一步包括，通过确定第一和第二输入信号之一的变化率以及用该变化率除以第一和第二输入信号的另一个来估计电动机转子的速度的步骤。该方法可包括确定第一或第二输入信号哪个较大，并且使用第一和第二输入信号中的较大者来除该变化率，用来避免因除以接近零的数而引起的误差或因除以零本身而引起的误差。

该方法可包括基于相位差和速度确定电路的输出估计电动机转子的旋转位置和旋转速度中的至少一个。这样，通过使得该估计取决于速度估计，已经发现电路因为速度改变而跟随转子的实际速度和/或位置的精确度比现有技术中仅仅测量相位差的锁相环来说已经得到了改善。

该方法还包括第一和第二输入信号的归一化。信号的幅值不是特别重要(仅是相位和频率)，因此通过对信号的归一化可以避免因幅值变化的任何不利的影响。同样地，该方法可包括用第一和第二信号的每一个除以第一和第二输入信号平方和的平方根；给定第一和第二信号周期性正交变化，该除数很可能表示每个信号的幅值，并且导致归一化的统一幅值。

第一和第二信号可表示电动机的电感，并且同样的可取决于或作为流经电动机的至少一个相绕组的电流的导数。该方法可包括，典型地通过对流经电动机的至少一个相位的电流进行微分生成第一和第二信号。

在上述各方面中，电动机可以是永磁电动机，典型的是永磁同步电动机。

接下来仅以示例的方式参考附图描述本发明的具体实施例，其中：

图1示出了根据本发明实施例的具有测量电路的电动助力转向(EPAS)系统；

图2示出了图1中EPAS系统电动机的截面图；

图3示意性地示出了图1中EPAS系统测量电路的功能图；

图4a示出了根据图1的实施例实施的测试过程中估计的以及实际的转子位置的曲线图；

图4b示出了图4a中估计的以及实际的转子位置间差值的曲线图；以及

图4c示出了在图4a的测试过程中施加给电动机的电流。

在附图1中示出了电动助力转向组件。该装置包括电动机1，其通过齿轮齿条型的齿轮箱3作用于传动轴2上。传动轴端接蜗轮4，该蜗轮与位于转向杆5的一部分上的轮子或者可操作的连接到转向杆的轴合作。

该转向杆承载扭矩传感器6，其适于测量由转向杆承受的扭矩。该扭矩在转弯或是将车辆反向拉到一边时通过驾驶者转动转向盘而产生。来自该传感器的输出信号T被馈送至信号处理器7形式的信号处理装置，其接收扭矩输入信号，并且通过线8a给电动机9的驱动电路输出命令。该驱动电路继而通过线8b返回指示在电动机9的绕组流动的电流的信号。

在附图2中更详细的示出了该电动机。该电动机9是三相无刷电动机，其包括具有六个嵌入磁铁14的转子12，在这种情况下，磁铁被布置为提供围绕转子在北和南之间交替的六个磁极。

定子16包括九个狭槽式铜质绕线元件，具有三组三齿18A、18B、18C，每一组齿具有形成各自的相位的公共绕组(例如13所示)。由于转子和其磁铁14具有三重循环对称，因此在转子12的每个完整旋转中都有三个电循环，意味着转子的每120度旋转都将其留在等同位置。

为了在电力周转中确定转子12的旋转位置(即，到间隔120度的转子12的三个旋转位置之一)，为信号处理器7提供了测量电路19，其功能在附图3中示出。

测量电路7具有di/dt传感器20，其接收流经电动机(典型的是流经与每个相位共有的地回路)的电流并且对其进行微分，以达到对电流改变率的两个周期性变化的指示。这些信号表示在该特定时刻相绕组的电感。

可以表示为Asin(ω₁t+φ₁)和Acos(ω₁t+φ₁)的两个信号彼此正交变化——也就是说，它们是四分之一周期异相。PCT公开WO2004/023639中给出了合适的di/dt传感器，其内容通过引用结合于此。在该文献中，使用帕克变换生成这两个信号，其中指的是L_α和L_β(根据第15页的公式7)。在这两个信号中，t是时间，A是两个信号的幅值(其二者是相同的)，ω₁是转子的角速度(单位是弧度每秒)，φ₁是相对于随机基准的相位偏移(单位也是弧度)。

di/dt传感器20向归一化电路22输出两个信号Asin(ω₁t+φ₁)和Acos(ω₁t+φ₁)。为了阻止取决于电流幅值的电路的瞬态响应，这两个信号被归一化为统一幅值。这是通过用每个信号除以该两个信号平方和的平方根来实现的；该除数始终是A，如下：

$\sqrt{A^2{\sin }^2({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1)+A^2{\cos }^2({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\φ})}=\sqrt{A^2({\sin }^2({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1)+{\cos }^2({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\φ}))}=\sqrt{A^2}=A$

其中使用了三角恒等式sin²x+cos²x＝1，sin²x以及类似术语表示(sinx)²，等等。

因而，归一化电路22的输出将是归一化为统一的原始的两个信号，并且因此可以由sin(ω₁t+φ₁)和cos(ω₁t+φ₁)来表示。

归一化电路22的输出传递到相位检测器电路24。这确定了在由下述讨论的观测器电路28计算出的频率和相位差的估计与来自归一化电路22的已归一化的信号之间的相位差。该估计作为电动机位置估计θ＝ω₂t+φ₂提供至相位检测器电路，从中相位检测器电路确定第一和第二估计信号为sin(ω₂t+φ₂)和cos(ω₂t+φ₂)。

相位检测器电路接着计算通过将一个信号的正弦项与另一个信号的余弦项相乘而得到的两个乘积之间的差，如此：

y(t)＝sin(ω₁t+φ₁)cos(ω₂t+φ₂)-cos(ω₁t+φ₁)sin(ω₂t+φ₂)

将三角恒等式

应用到该减法的两项：

$y\left(t\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{c}\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\ω}}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_2)+\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\ω}}_{2}t-{\mathrm{\φ}}_2)\\ -\sin ({\mathrm{\ω}}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_2+{\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\φ}}_1)-\sin ({\mathrm{\ω}}_{2}t+{\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\ω}}_{1}t-{\mathrm{\φ}}_1)\end{array}\right)$

y(t)＝sin(ω₁t+φ₁-ω₂t-φ₂)＝sin((ω₁-ω₂)t+φ₁-φ₂)

因此，以频率ω₁+ω₂的和变化的两项相互抵消，仅剩余以频率ω₁-ω₂的差变化并且取决于估计的和测量的信号之间的相位差φ₁-φ₂的一项。这样，当估计的信号正确地估计ω₂和φ₂时，信号y(t)将为零；如果频率或相位有微小的偏离，信号y(t)可用于指示如下所述的误差。

与现有技术的锁相环(PLL)技术不同，没有更高的频率项需要进行滤波。假定需要能使用现有的具有快速变化的速度以及频率的电动机的电路，现有技术PLL技术将需要用于消除更高频率项的可变频率滤波器，而本发明则不再需要。

归一化电路的输出同样被传递给速度检测器26。这通过对归一化信号之一进行微分并且用微分后的信号除以另一个信号来确定电动机的速度ω₁。例如，使用正弦分量作为将要被微分的分量：

$\frac{\left(\frac{d\left(\sin ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\φ})\right)}{\mathrm{dt}}\right)}{\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\φ})}=\frac{{\mathrm{\ω}}_1\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\φ})}{\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\mathrm{\φ})}={\mathrm{\ω}}_1$

然而，为避免在计算除法时精确度可能的损失或全部的误差，速度检测器电路将对两个信号中幅度较小的进行微分，并且使用幅度较大的信号作为除数。

提供观测器电路28，其接收相位检测器的输出以及所测量的速度ω₁和由观测器电路28预测的速度ω₂之间的差值(由差值电路30计算)。然后观测器电路接收这些输入并且使用它们来确定速度ω₂的新的估计以及转子12(在一个电周转内)的旋转位置θ＝ω₂t+φ₂；之后这些将用于生成两个估计信号sin(ω₂t+φ₂)和cos(ω₂t+φ₂)。

需要注意的是，相位差电路输出的值取决于相位差(以弧度为单位测量)的正弦。系统使用小的角度近似来避免需要执行反正弦运算；相位差小的时候，相位差的正弦近似等于相位差；随着差值增加，相位差的误差将增大，但是仍然具有相同的符号并且将因此导致在正确的方向上对估计进行校正。这样，下文中相位差值电路的输出被直接用作相位差。

估计ω₂和θ以两种方式进行修正：首先，根据旋转电动机的物理动力学；其次根据已经确定的相位差和速度测量估计。根据物理动力学，位置θ关于当前的速度估计ω₂成比例地增加或减少。接着，θ根据相位差δφ＝φ₁-φ₂以及速度测量估计进行修正，并且与相位差和速度测量差成比例，如下式进行计算：

θ(t+1)＝θ(t)+a₁₂ω₂(t)+b₁₁δφ+b₁₂(ω₁-ω₂(t))

其中

θ(t+1)是对位置的新观测器估计；

θ(t)是对位置的当前观测器估计；

δφ是相位差；

ω₁-ω₂(t)是计算出的速度测量差；

ω₁是测量出的速度估计；

ω₂(t)是对速度的当前观测器估计；

a₁₂是当前速度估计的比例，通常设置为等于采样之间的时间；

b₁₁是用于修正位置估计的相位差的比例，通常设置为小于1。

b₁₂是用于修正位置估计的测量出的速度估计的比例，通常设置为比采样之间的时间小。

速度估计可以使用类似的方式计算：

ω₂(t+1)＝ω₂(t)+b₂₂(ω₁-ω₂(t))

其中

ω₂(t+1)是对速度的新观测器估计

b₂₂是用于修正观测速度估计的测量出的速度估计的比例

系数a和b的值可以调整为根据需要控制和适应观测器的性能。

接着，输出电动机转子的旋转位置θ和转子速度ω₂的估计值，并且可在信号处理器7中使用这些估计值以便以任何合适的方式控制相位13的转换。

附图4a到4c中示出了一些展示原型系统的结果的曲线图。图4c示出了在大约37秒长的测试运行期间，施加到测试电动机的相位的电流。图4a示出了实际电动机位置(由适合的位置编码器所测量，轨迹线以“enc”示出)，以及由观测器电路确定的估计值θ(轨迹线以“est”示出)两者。从图4a可知，两条轨迹线几乎是难以分辨的。

图4b示出了实际测量值和估计测量值之间的差值，并且如此示出了图4a的“enc”和“est”轨迹线之间的差值。这表明在测量中存在一些误差，但是一般处于比较低的水平，而是随着施加到电动机的电流的增大而增大。

尽管上述实施例已用图3中所示的描述为电路及诸如此类的功能所描述，但该方法可以在适合的微处理器中实施，例如现场可编程门阵列或者甚至任何适当编程的通用微处理器。

Claims (17)

1.一种用于测量电动机的转子的旋转位置和旋转速度中的至少一个的测量电路，所述电路包括：

第一和第二输入端，用于接收随着转子的旋转位置周期地变化的第一和第二输入信号，在所述第一和第二输入端的所述第一和第二输入信号彼此正交变化；

相位检测器电路；以及

观测器电路；

其中，所述观测器电路布置为生成指示所述第一和第二输入信号的频率和相位的估计；

其中，所述相位检测器电路布置为通过将第一输入信号和第一估计信号的乘法组合与第二输入信号和第二估计信号的乘法组合相加来确定一方面第一和第二估计信号与另一方面第一和第二输入信号之间的相位差，从而产生取决于相位差的总和信号，所述第一和第二估计信号周期地变化并且在由所述估计指示的频率处具有取决于由所述估计指示的相位差的相位差，并且所述第一和第二估计信号彼此正交变化；以及

其中，观测器电路布置为取决于总和信号改变所述估计。

2.根据权利要求1所述的测量电路，进一步包括速度估计电路，其布置为接收第一和第二输入信号，并且通过确定第一和第二输入信号之一的变化率以及用该变化率除以第一和第二输入信号中的另一个来输出指示电动机转子的旋转速度的速度信号。

3.根据权利要求2所述的测量电路，其中，速度确定电路布置为使得用于除该变化率的第一或第二输入信号是第一和第二输入信号中较大的一个。

4.根据前述任一权利要求所述的测量电路，其中，观测器电路布置为基于相位差和速度确定电路的输出生成所述估计。

5.根据前述任一权利要求所述的测量电路，包括归一化电路，布置为用于对第一和第二输入信号进行归一化。

6.根据权利要求5所述的测量电路，其中，所述归一化电路布置为用第一和第二信号中的每一个除以第一和第二输入信号的平方和的平方根。

7.一种用于控制具有转子的电动机的电动机控制电路，所述电动机控制电路包括：

根据前述任一权利要求所述的测量电路；

传感器，布置为将第一和第二输入信号输出到所述测量电路的第一和第二输入端，所述第一和第二输入信号随着转子的旋转位置周期地变化；以及

至少一个输出，其指示施加给电动机的电流，

其中，所述电动机控制电路布置为取决于所述测量电路输出的所述估计而改变所述输出。

8.一种具有转子的电动机以及根据权利要求7所述的电动机控制电路的组合，布置为控制所述电动机，所述电动机控制电路的传感器被布置为感测转子的旋转位置。

9.一种电动助力转向系统，包括：转向盘，可操作地将所述转向盘耦接到车辆的车轮的转向机构，布置为在使用中向部分转向机构施加作用力的电动机，在使用中提供指示由所述部分转向机构所承载的扭矩的扭矩信号的扭矩传感器，以及电动机控制电路，其布置为通过在使用中生成指示被施加到根据权利要求7所述的电动机的电流的电流信号来控制所述电动机。

10.一种测量电动机的转子的旋转位置和旋转速度中的至少一个的方法，该方法包括：

接收随着转子的旋转位置周期地变化的第一和第二输入信号，所述第一和第二输入信号彼此正交变化；

生成第一和第二估计信号，所述第一和第二估计信号周期地变化，并且具有相同的频率但彼此正交变化；

通过将第一输入信号和第一估计信号的乘法组合与第二输入信号和第二估计信号的乘法组合相加来确定一方面第一和第二估计信号与另一方面第一和第二输入信号之间的相位差，从而产生取决于相位差的总和信号；以及

取决于所述总和信号改变第一和第二估计信号的频率。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括通过确定第一和第二输入信号之一的变化率以及用该变化率除以第一和第二输入信号中的另一个来估计电动机转子的速度的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，包括确定第一和第二输入信号中哪个较大，并且使用第一和第二输入信号中较大的一个来除该变化率。

13.根据权利要求10到12中任一所述的方法，包括基于相位差和速度确定电路的输出来估计电动机转子的旋转位置和旋转速度中的至少一个。

14.根据权利要求10到13中任一所述的方法，包括对第一和第二输入信号的归一化。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述归一化包括用第一和第二信号中的每一个除以第一和第二输入信号的平方和的平方根。

16.根据权利要求10到15中任一所述的方法，其中第一和第二信号指示电动机的电感，并且取决于或作为流经电动机的至少一个相绕组的电流的导数。

17.根据权利要求10到16中任一所述的方法，包括典型地通过对流经电动机的至少一个相位的电流进行微分来生成第一和第二信号。

Images