CN104113257A - 用于确定电机的转子位置偏移的系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的示例方面的方法，其除了其他方面还包括检测转子的位置，包括转子的极性，从而检测电机的错误的转子位置偏移而不需要在电机内产生转矩或运动。

Description

用于确定电机的转子位置偏移的系统和方法

技术领域

本发明涉及电动车辆，更具体但不排他地，涉及一种用于确定电动车辆的电机的转子位置偏移的系统。

背景技术

混合动力电动车辆（HEV’s）、插入式混合动力电动车辆（PHEV’s）以及纯电池动力车辆（BEV’s）（下文统称为“电动车辆”）不同于传统的机动车辆，因为他们使用了除内燃机以外的一个或多个电机来驱动车辆。电动车辆还可装配有电池，该电池存储用于为电机提供动力的电能。在一些电动车辆中，电机还可被用作由内燃机提供动力的发电机，从而产生电能以为电池充电。

电机可包含具有定子和转子的同步电动机，该转子具有永磁体。为了满足电动车辆的电动机控制要求并避免不精确转矩的产生，可能有必要确定转子的位置。

发明内容

根据本发明的示例方面的方法，其除了其他方面还包括检测转子的位置，包括转子的极性，从而检测电机的错误的转子位置偏移，而不需要在电机内产生转矩或运动。

在上述方法的进一步非限制性实施例中，检测的步骤包括施加电压以及分析来自电机的电流响应，以确定转子的位置，包括转子的极性。

在上述方法的两者之一的进一步非限制性实施例中，检测的步骤包括向电机施加第一幅值和第一频率的第一电压来产生第一电流响应，并处理来自电机的第一电流响应以确定转子直轴的校准（alignment）。该步骤包括向电机施加第二幅值和第二频率的第二电压，并分析来自电机的第二电流响应以确定转子直轴的极性。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，第一幅值是与第二幅值不同的幅值。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，第一频率是与第二频率不同的频率。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，处理的步骤包括处理来自电机的负序电流响应。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，第一电压是正弦旋转电压，以及第二电压是沿着直轴的正弦脉冲电压。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，该方法包括以下步骤中的其中一个：如果第一电流响应的平均值是正值，确定直轴的极性是正确的，或者如果第一电流响应的平均值是负值，确定直轴的极性是错误的。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，该方法包括以下步骤：如果第一电流响应的平均值是负值，则180°调整位置。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，该方法包括以下步骤：将转子直轴的位置和极性与来自设置用于监控电机的传感器的信息相比较，以确定错误的转子位置偏移。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，该方法包括以下步骤：如果转子位置偏移超出范围，则采取校正行动。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，响应于预定的提示而执行上述检测的步骤。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，预定的提示是电动车辆的开启状态。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，检测的步骤包括采用电压命令跟踪法。

在上述方法中的任何一个的进一步非限制性实施例中，检测的步骤包括将逆电动势（EMF）和位置信号相比较。

根据本发明的另一典型方面的方法，除了其他方面，还包括利用衰减的正弦转矩检测电机的错误的转子位置偏移。

在上述方法的进一步非限制性实施例中，利用衰减的正弦转矩包括向电机的转子的直轴施加第一幅值的第一电流，向转子的交轴施加第二幅值的第二电流，以可校正的递减率（calibratable taper rate）逐渐减小第二电流至可设置的振幅，以及过滤转子的位置响应以识别零点位置。

在上述方法的两者之一的进一步非限制性实施例中，逐渐减小的步骤包括使用线性渐变和指数衰减中的其中一个。

根据本发明的示例方面的转子位置偏移检测系统，除了其他方面，还包括具有转子的电机、监控转子位置的传感器，以及与传感器通信的控制单元。逆变器与控制单元通信。控制单元设置用于比较来自传感器的信息和来自逆变器的反馈，从而检测转子的错误的转子位置偏移。

在上述系统的进一步非限制性实施例中，控制单元设置用于命令三相电压（3-phase voltage）施加至逆变器。

本发明的各种特征和优点从以下详细说明中对本领域技术人员将变得显而易见。结合详细说明的附图能够被简要地描述如下。

附图说明

图1概要地显示了电动车辆的动力系统。

图2显示了电动车辆的电动驱动系统的部分。

图3显示了电机转子相对于直轴和交轴的数字模型。

图4显示了能够被并入电动车辆中的转子位置偏移检测系统。

图5显示了用于确定电机的转子位置偏移的方法的第一实施例。

图6显示了用于检测电机的转子位置偏移的方法的第二实施例。

图7显示了用于确定电机的转子位置偏移的方法的第三实施例。

图8显示了用于确定电机的转子位置偏移的方法的第四实施例。

具体实施方式

本发明涉及一种用于确定应用于电动车辆内的电机的转子位置偏移从而满足电动机控制要求并避免通过电机的不精确转矩的产生的系统和方法。这里所描述的系统和方法提供了一种用于检测错误转子位置偏移而无需承担相对昂贵和耗时的维护操作的车载诊断方法。

图1概要地显示了电动车辆12，如混合动力电动车辆（HEV），的动力系统10。尽管描述为HEV，应当理解的是，这里所描述的概念并不限于HEV’s，其可延伸至其他的电动车辆，包括但不限于，插入式混合动力电动车辆（PHEV’s）以及纯电池动力车辆（BEV’s）。

在一个实施例中，动力系统10是使用了第一驱动系统和第二驱动系统的功率分流动力系统，第一驱动系统包括发动机14和发电机16（即第一电机）的组合，第二驱动系统至少包括电动机36（即第二电机）、发电机16和电池50。例如，电动机36、发电机16和电池50可组成动力系统10的电动驱动系统25。第一驱动系统和第二驱动系统产生转矩以驱动一组或多组电动车辆12的车辆驱动轮30，下面将更详细地讨论。

可通过动力传输单元18连接发动机14，如内燃机，和发电机16。在一个非限制性的实施例中，动力传输单元18是行星齿轮组。当然，其他类型的动力传输单元，包括其他齿轮组和变速器，均可用于连接发动机14和发电机16。动力传输单元18可包括环形齿轮20、恒星齿轮22和托架总成24。当作为发电机将动能转化为电能时，通过动力传输单元18驱动发电机16。发电机16能够可选择地作为电动机以将电能转化为动能，从而输出转矩至连接于动力传输单元18的托架总成24的轴26。由于发电机16可操作地连接于发动机14，因此通过发电机16能够控制发动机14的速度。

动力传输单元18的环形齿轮20可连接于轴28，该轴28可通过第二动力传输单元32连接于车辆驱动轮30。第二动力传输单元32可包括具有多个齿轮34A、34B、34C、34D、34E和34F的齿轮组。其他动力传输单元也可以是合适的。齿轮34A-34F从发动机14传输转矩至差速器38以向车辆驱动轮30提供牵引力。差速器38可包括能够向车辆驱动轮30传输转矩的多个齿轮。第二动力传输单元32通过差速器38机械地耦接于车轴40以向车辆驱动轮30分布转矩。

还能够使用电动机36以通过向轴46输出转矩来驱动车辆驱动轮30，该轴46也连接于第二动力传输单元32。在一个实施例中，电动机36和发电机16均为再生制动系统的一部分，其中电动机36和发电机16两者均能够用作电动机来输出转矩。例如，电动机36和发电机16能够各自地向高压总线48和电池50输出电能。电池50可以是能够输出电能以操作电动机36和发电机16的高压电池。其他类型的能量存储设备和/或输出设备也能够合并用于电动车辆12。

电动机36、发电机16、动力传输单元18和动力传输单元32可总体地称为电动车辆12的变速驱动桥42或变速器。因此，当驾驶员选择特定的档位时，适当地控制变速驱动桥42以提供用于通过向车辆驱动轮30提供牵引力来使电动车辆12前进的相应的排档。

动力系统10可附加地包括用于监控和/或控制电动车辆12的各个方面的控制系统44。例如，控制系统44可与电动驱动系统25、动力传输单元18、32或其他部件通信以监控和/或控制电动车辆12。控制系统44包括电子设备和/或软件以执行用于操作电动车辆12的必要的控制功能。在一个实施例中，控制系统44是车辆系统控制器和动力系统控制模块（VSC/PCM）的结合。尽管其显示为单个硬件设备，控制系统44可包括以多硬件设备、或一个或多个硬件设备内的多软件控制器的形式的多控制器。

控制器局域网（CAN）52允许控制系统44与变速驱动桥42通信。例如，控制系统44可接收来自变速驱动桥42的信号以指示档位之间的转变是否正在发生。控制系统44还可与电池50的电池控制模块，或者其他控制设备通信。

此外，电动驱动系统25可包括一个或多个控制器54，如逆变器系统控制器（ISC）。控制器54设置用于控制变速驱动桥42内的特定部件，例如，如用于支持双向功率流的发电机16和/或电动机36。在一个实施例中，控制器54是与可变电压转换器（ISC/VVC）结合的逆变器系统控制器。

图2显示了图1的电动车辆12的电动驱动系统25的一部分。控制器54包括多个开关单元60，如集成栅双极型晶体管，其选择性地阻止电流至发电机16和/或电动机36。开关单元60支持往返于发电机16和电动机36的双向功率流。

参见图3，如图1的发电机16和电动机36这样的电机可包括旋转以产生转矩的转子56（或轴）。能够相对于三相静止坐标系a、b和c在数学上表示转子56。可通过静止的d、q坐标和旋转的d、q坐标在2-D中表示三相静止坐标系a、b和c。例如，静止的d、q坐标包括直轴ds和交轴qs，旋转的d、q坐标包括直轴dr和交轴qr。旋转的d、q坐标与转子56的移动对准。因此，θr表示转子56的角定位。在电动车辆12的特定状态期间，可能有必要计算转子56的角位置θr，从而满足电机的电动控制要求和/或避免不精确的转矩产生。

图4显示了转子位置偏移检测系统58，其能够被并入电动车辆，如图1中所示的电动车辆12中。转子位置偏移检测系统58确定电机16、36（电动机和/或发电机）的转子位置偏移。在一个实施例中，转子位置偏移检测系统58包括传感器62、控制单元64、可变电压转换器66和逆变器68。控制单元64、可变电压转换器66和逆变器68可以是控制器54的一部分，或者能够独立于控制器54。

传感器62可以是与电机16、36相结合的解析器（resolver）、编码器、速度传感器或另一个位置传感器。传感器62监控电机16、36的转子56（或轴）的角位置。传感器56可以安装至转子56上或独立于转子56。传感器56向控制单元64传递信息，如有关转子56的转子位置信息。

转子位置偏移检测系统58可利用编程进入控制单元64中的算法来应用特殊电压命令，以及利用反馈信号的特殊处理来确定来自传感器62的读数和转子56的实际定位之间的任何转子位置偏移。例如，控制单元64可通过命令三相电压Vabc至逆变器68并分别测量由逆变器68和电机16、36反馈的三相电流Iabc和转子位置θr来控制电机16、36中的三相电流。可将这信息与来自传感器62的信息相比较以确定转子位置偏移是否存在。转子位置偏移可导致不精确的转矩输出。可变电压转换器66可用于将控制信号转换为用于控制逆变器68以及其他部件的适当的电压水平。

转子位置偏移检测系统58可附加地包括电压传感器69。该电压传感器69设置用于测量在逆变器68和电机16、36之间延伸的线圈b、c两端的电压。

各种方法或技术能够被用于计算电机中的转子位置偏移，如通过使用图4的转子位置偏移检测系统58。图5，继续参照图1-4，概要地显示了确定电机（如发电机16、电动机36或电动车辆12的一些其他的电机）的转子位置偏移的一个示例性的方法100。方法100可被“车载式（in-vehicle）”执行，或不从电动车辆12去除变速驱动桥42地执行，并且不要求旋转转子56（即无需在电机16、36内产生任何转矩或运动）。方法100可被称作自感应信号注入法（self-sensing signal injection method）。

自感应信号注入法100通过检测电机的转子56的直轴d的位置开始于步骤102。例如，可通过将第一幅值的第一电压施加于电机，然后分析来自电机的电流响应以确定直轴d的位置或校准，从而确定转子56的直轴d的位置。第一电压可以是具有相对高频率，如在100Hz和500Hz之间，的旋转电压。在一个实施例中，通过处理来自电机的负序电流响应来分析来自电机的电流响应，从而确定d轴（即永磁体轴）的校准。

一旦已知位置和校准，则转子56的直轴d的极性必需被确定。在步骤104处，将第二幅值的第二电压施加于转子56的交轴q以产生沿直轴d的电流响应。在一个实施例中，第二电压的幅值不同于第一电压。可使用可包括标准波或方波的正弦脉冲电压（sinusoidal pulsing voltage），将第二电压施加于交轴q。在步骤106处平均沿直轴d的电流响应以确定直轴d的极性。

在步骤108处，分析了转子56的直轴d的极性值。例如，如果该极性在步骤106处被计算为正，那么直轴d的位置被认为是正确的。作为选择，如果该极性为负，那么180°调整位置计算以获得转子56的直轴d的正确位置。

在步骤110处，将在步骤108处收集的转子56的直轴d的位置信息与来自传感器（或解析器）的信息相比较，以计算转子位置偏移是否在范围之外，该传感器（或解析器）监控转子56的位置。最终，在步骤112处，如果确定转子位置偏移是在范围之外，则采取更正行动。示例性的更正行动包括更正偏移（即将转子56校准回到零点位置（zero position）并继续电动车辆12的电机的操作、设定诊断故障代码（diagnostictroubleshooting code）、和/或进入电动车辆12的限制操作模式（limitedoperating mode）。

在一个实施例中，响应于预定的提示而执行方法100。例如，能够至少在电动车辆12的每个开启状态下执行方法100。在另一个实施例中，能够响应于检测在特定速度范围内的转子速度而执行方法100。在另一个实施例中，响应于预编程的电流命令范围执行方法100。在另一个实施例中，能够以规定的间隔（如电动车辆12已经被操作的一定量的时间或距离）执行方法100。预定的指示可附加地涉及电机复位（reset）或维修状况（servicing condition）。

图6概要地显示了用于确定电机的转子位置偏移的方法200的另一个实施例。方法200可被“车载式（in-vehicle）”执行，即不从电动车辆12去除变速驱动桥42。方法200可包括旋转转子56；然而，可以无需在电机16、36内产生任何转矩或运动来执行方法200。方法200可被称作电压命令追踪法（voltage command tracking method）。

电压命令追踪法200可通过以在电机的最小速度和最大速度之间的速度可选择地旋转电机的转子56开始于步骤202。在车辆操作的正常过程期间且无论何时满足特定条件（即速度在特定范围内，电流命令为零等），可执行方法200。转子56可以以各种方式旋转。在一个实施例中，可旋转转子56而不移动车辆驱动轮30，如通过使用发动机14来驱动发电机16或电动机36。在另一个实施例中，通过移动车辆驱动轮30来旋转转子56（电动车辆12可以移动或被升起），如通过使用发动机14驱动电机，使用发动机14和发电机16两者驱动电动机36，或者使用维修工具来旋转车辆驱动轮30。还可使用其他方法来旋转电机的转子56。

接下来，在步骤204处，主动调节电机的电流为零。以这种方式调节电流来取消与电机相关联的逆电动势（EMF）。然后，在步骤206处，能够过滤或平均用于实现零电流的电压命令角（）。在可校正的时间窗口之上能够低通（low-pas）过滤或平均电压命令角。在步骤208处，可以通过可校正的值来调整电压命令角以获得转子位置。例如，可以从电压命令角减去/增加90°以获得转子位置。例如，如果速度被确定为负，则可向电压命令角增加90°，或者如果速度为正，则可从电压命令信号减去90°。

在步骤210处，将转子位置信息与来自监控转子56的位置的传感器（或解析器）的信息相比较，以计算转子位置偏移是否在范围之外。最终，在步骤212处，如果确定转子位置偏移是在范围之外，则采取更正行动。

图7概要地显示了用于确定电机的转子位置偏移的另一个示例性的方法300。方法300可被“车载式（in-vehicle）”执行，而不从电动车辆12去除变速驱动桥42，且可选择地要求旋转转子56。然而，类似于方法100、200，方法300能够被执行而无需在电机16、36内产生任何转矩或运动。方法300可被称作逆电动势（EMF）与位置信号比较法（back electromotiveforce(EMF)-to-position signal comparison method）。

方法300可通过可选择地旋转电机的转子56开始于步骤302。可以以在电机的最小速度和最大速度之间的速度旋转转子56。类似于方法200，可以旋转转子56，移动或不移动车辆驱动轮30。

可以在步骤304处禁用控制器54的开关单元60。在一个实施例中，通过不向它们的栅极驱动器（gate driver）施加电压信号来禁用开关单元60。

接下来，在步骤306处，测量三相电机的B&C(或者V&W)端子的线间电压（line-line voltage）。在一个实施例中，工具，如电压传感器69（参见图4），被用于执行测量步骤。在步骤308处使用工具估计线间电压的正斜率零交点（positive-slope zero-crossing）。在正斜率零交点处的位置传感器读数表示转子位置错误（即转子位置偏移）。最终，在步骤310处，如果确定转子位置偏移超出范围之外，则采取更正行动。

图8概要地显示了用于确定电机的转子位置偏移的另一个方法400。方法400可被“车载式（in-vehicle）”执行，并要求转子56的最小的移动。方法400可以被称作衰减正弦转矩法（decaying sinusoidal torque method）。在衰减正弦转矩法400中，衰减正弦转矩被施加于电机以将其移动至特定位置。

在步骤402处，可选择地将电动车辆12的变速驱动桥从公路或其他牵引表面解耦，如通过提升电动车辆12。然后，方法400继续至步骤404，将第一幅值的第一电流施加于电机的直轴d。在一个实施例中，第一电流可以是恒定电流。接下来，在步骤406处，将第二幅值和频率的第二电流施加于电机的交轴q。在步骤408处，以可校正的递减率将交轴q的第二电流逐渐减小至可设置的振幅，如使用线性渐变或指数衰减。这导致转子56绕电机的零点位置摆动或朝电机的零点位置衰减。在步骤410处，过滤/平均转子56的位置响应以获得零点位置的读数，从而能够计算转子的位置偏移。

尽管不同的非限制性实施例被描述为具有特定的部件或步骤，但本发明的实施例并不限于那些特定的组合。可能的是，使用来自任何非限制性实施例的一些部件或特征与来自任何其他非限制性实施例的特征或部件相组合。

应当被理解的是，贯穿各个附图的同样的附图标记表示相应或类似的元件。应当被理解的是，尽管在这些实施例中公开并描述了特定的部件布置，但其他的布置也能够得益于本发明所教导。

以上说明书应当被理解为说明性的并无任何限制意义。本领域的普通技术人员将理解的是，某些修改能够进入本发明的范围内。由于这些原因，以下权利要求书应当被研究以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (15)

1.一种方法，其特征在于，包含：

检测转子的位置，包括转子的极性，从而检测电机的错误的转子位置偏移而不需要在电机内产生转矩或运动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测的步骤包括：

施加电压；以及

分析来自电机的电流响应以确定转子的位置，包括转子的极性。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，检测的步骤包括：

向电机施加第一幅值和第一频率的第一电压来产生第一电流响应；

处理来自电机的第一电流响应以确定转子直轴的校准；

向电机施加第二幅值和第二频率的第二电压；以及

分析来自电机的第二电流响应以确定转子直轴的极性。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一幅值是与第二幅值不同的幅值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一频率是与第二频率不同的频率。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，处理的步骤包括处理来自电机的负序电流响应。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一电压是正弦旋转电压，以及第二电压是沿着直轴的正弦脉冲电压。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括以下步骤中的其中一个：如果第一电流响应的平均值是正值，确定直轴的极性是正确的；或者

如果第一电流响应的平均值是负值，确定直轴的极性是错误的。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：如果第一电流响应的平均值是负值，则180°调整位置。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：将转子直轴的位置和极性与来自设置用于监控电机的传感器的信息相比较，以确定错误的转子位置偏移。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：如果转子位置偏移超出范围，则采取校正行动。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，响应于预定的提示而执行所述检测的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，预定的提示是电动车辆的开启状态。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测的步骤包括采用电压命令跟踪法。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测的步骤包括将逆电动势（EMF）和位置信号相比较。