CN104350674B - 用于无传感器地调节受外部激励的同步电机的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于无传感器地调节受外部激励的同步电机（11）的方法（1），所述同步电机（11）具有转子，以及公开了一种用于执行方法（1）的装置（10）。该方法（1）包括下列步骤：针对驱动转子的电流的特征参量馈入（S1）测试信号（M）；在描述同步电机（11）的坐标系的轴上测量（S2）驱动所述转子的电流的特征参量；通过将驱动所述转子的电流的所测量的特征参量（x）与从所馈入的测试信号（M）中确定的经时间延迟的测试信号（m）相关来确定（S3）误差信号(ρ(T))；如果误差信号(ρ(T))具有不等于零的值，则作为对误差信号(ρ(T))的反应匹配（S4）转子角（）。

Description

用于无传感器地调节受外部激励的同步电机的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于无传感器地调节受外部激励的同步电机、尤其是受外部激励的逆变器控制的同步电机、例如车辆中的同步电机的方法以及装置。

背景技术

常规的同步电机具有用直流电流激励的磁极转子、转子和具有旋转电流绕组的定子。同步电机被用作具有恒定转速的电动机或者用作移相器。其也是用于生成电能的重要电机。在此，对受持久激励和受外部激励的同步电机加以区分，所述同步电机必须被连续地供应激励电流。在此，该激励电流可以根据激励器的类型为直流电流或旋转电流。

为了将相电流调节为使得在尽可能最优的效率的情况下生成所期望的转矩，目前需要关于转子相对于定子绕组的位置的精确信息。在常见同步电机的情况下，在此利用传感器、例如利用分解器或正弦-余弦-编码器来检测转子的转速。

但是这样的技术提高了总系统的复杂度并且降低了其可靠性。因此，同步电机必须具有置入到转动部分中或与其机械耦合的传感器，这导致提高的成本并且需要传感器的附加安装空间。这样的传感器的更换也与显著的成本相联系。另外，应当补偿非理想的传感器信号，并且另一方面应当尽可能可靠地诊断可设想的传感器误差。

因此，存在的期望是同步电机的转子进行无传感器的位置检测，也就是说，通过数学模型或者通过对物理效应的利用来替换传感器。

从文献EP 0 539 401 B1，公知一种用于对同步电机进行传感器调节的方法，其中馈入并分析测试信号，并且该方法基于对电感的确定，所述电感随着转子的周界（Umfang）而改变。

发明内容

本发明的任务是，说明一种用于调节受外部激励的同步电机的方法，借助于该方法可以随时在最优效率的情况下生成所需的转矩。

该任务通过独立权利要求的主题来解决。另外的有利的细节是从属权利要求的主题。

根据本发明的第一方面，说明了一种用于无传感器地调节受外部激励的同步电机的方法，该同步电机具有转子。在此，该方法具有下列步骤：首先，针对驱动转子的电流的特征参量馈入测试信号。接着，在描述同步电机的坐标系的轴上测量驱动转子的电流的特征参量。

然后，从驱动转子的电流的所测量的特征参量和从所馈入的测试信号中确定的经时间延迟的测试信号中，通过相关确定误差信号，并且如果误差信号具有不等于0的值，则作为对该误差信号的反应匹配转子角。

因此该方法的基本思想是，在受调节的运行期间通过分析测试信号确定受外部激励的同步电机的转子位置并且根据运行条件对其进行调整。

因此，提供了一种用于无传感器地调节受外部激励的同步电机的方法，借助于该方法可以在最优效率的情况下生成所需的转矩。优点在于：可以取消位置传感器，因此节省成本和安装空间；以及优点在于：在确定所期望的旋转角时的非常高的精确度，因为该方法不受制于电动机参数，所述电动机参数可能由于温度、饱和行为和构件控制而强烈变化。因此，在同步电机的小转速的情况下也可以保证最优的转矩。这样的方法也可以在没有附加硬件的情况下并且在小的软件成本的情况下实现，因为不需要附加的和高成本的硬件部件、例如用于测量电感的硬件部件。由于该方法不依赖于参数、即不受制于温度依赖性或构件依赖性，因此该方法也可以与其它已经公知的方法组合，以便例如通过参数或温度适配来校正这样的其它方法。

在此，测试信号是PRBS信号、即伪随机比特流（Pseudo Random Bit Stream,PRBS）。PRBS信号是一种二进制信号，其逼近白噪声的频谱并且由确定性的随机发生器生成。PRBS信号所具有的优点是，其一方面可以简单地生成并且另一方面可以良好地同随机测量值噪声或系统干扰、例如高次谐波相区分。因此，测量信号的幅度可以被选择为相对小的，由此可以减小所输出的脉冲形式的相电压的不精确性并且因此进一步提高该方法的精度。

根据一个实施方式，描述该同步电机的坐标系是dq坐标系，该dq坐标系表示转子固定的坐标系。常规地，同步电机模拟的微分方程组为简单起见在dq坐标系中示出，所述微分方程组对磁线性的受电激励的同步电机的双轴模型进行描述并且对定子、转子和阻尼器的所有电参量和磁参量加以考虑。在此，所测量的电机电流的空间矢量被分解成两个分量，所述分量通过在由转子线圈生成的通量空间矢量的方向（d轴）上以及与其垂直的方向（q轴）上进行投影而得出。通过在该相对于转子位置固定的坐标系中调节两个电流分量，可以设定所期望的转矩和电机的定子通量。在此，转子固定的坐标系的上面提到的d轴是与场极方向一致的纵轴方向。此外，在同步电机的情况下，上面提到的q轴是转子固定的坐标系中的横轴方向，该横轴方向垂直于场极方向、即垂直于转子轴。

根据第二实施方式，描述该同步电机的坐标系是αβ坐标系。同步电机的αβ坐标系被定向到定子的绕组并且不移动。该坐标系通过两个彼此成直角的分量来描述，所述分量取希腊字母α和β。在同步电机的定子固定的坐标系中，电流和电压的矢量旋转并且电流和电压矢量的α和β分量具有正弦形的变化曲线。在定子固定的坐标系中对测试信号的分析所具有的优点是，不需要用于将电测量参量电流和电压转移到转子固定的坐标系中的高计算成本，这导致较小的软件成本。

驱动转子的电流的特征参量可以是电流。在此，可以馈入针对d轴电流分量的测试信号，并且作为激励测量dq坐标系的q轴电流分量，其中dq坐标系优选地被定向为使得d轴指向转子。因此，可以针对转子额定电流馈入测试信号，所述转子额定电流对应于d轴电流分量。因此，两个信号重叠，而不导致转子额定电流受到测试信号的影响，由此可以在尽可能最优的效率的情况下保证最优的转矩。此外，可以针对q轴电流分量馈入测试信号，并且作为激励测量d轴电流分量，其中dq坐标系优选地被定向为使得d轴指向转子。根据第二实施方式，可以针对α轴电流分量馈入测试信号，并且作为激励测量ß轴电流分量。根据该方法的第二实施方式的第二变型方案，也可以针对αβ坐标系的β轴、即针对β轴电流分量馈入测试信号，并且作为激励测量α轴电流分量。

此外，驱动转子的电流的特征参量也可以是电压。因此，也可以针对d轴电压分量馈入测试信号，并且作为激励测量q轴电压分量，其中dq坐标系优选地被定向为使得d轴指向转子。因此，可以针对转子电压馈入测试信号，所述转子电压对应于d轴电压分量。因此，两个信号重叠，而不导致转子电压受到测试信号的影响，由此可以在尽可能最优的效率的情况下保证最优的转矩。

此外，也可以针对q轴电压分量馈入测试信号，并且作为激励测量d轴电压分量，其中dq坐标系优选地被定向为使得d轴指向转子。如果基于αβ坐标系，则也可以针对α轴电压分量馈入测量信号，并且作为激励测量β轴电压分量。也可以针对β轴电压分量馈入测试信号，并且作为激励测量α轴电压分量。

在此，确定误差信号的步骤可以包括：连续地将所测量的特征参量与经时间延迟的测试信号相乘和积分。

在此，如果所确定的误差信号具有不等于零的值，则转子角可以被匹配、即被改变。因此这等价于：测量针对驱动转子的电流的特征参量的所馈入测试信号到描述同步电机的坐标系的上面测量所述特征参量的轴上的耦合。

在此，在积分具有零值的情况下，所确定的转子位置与所期望的转子角一致。在角偏差的情况下、即在积分具有不等于零的值的情况下，识别到相关性，所述相关性的符号显示所期望的校正的方向。例如，如果针对同步电机的dq坐标系的d轴电流分量馈入测试信号、积分等于零、如果d轴电流分量不与测试信号相关，则不进行激励到q轴上的耦合。因此，可以保证系统的高精度，而在此不需要提高的计算成本以及由此附加的硬件部件和/或提高的软件成本。

在此，根据该方法的第一实施方式，基于来自频率的积分来确定转子角的改变。由于在此在分析测试信号时使用转子固定的、即一同转动的坐标系，因此频率在其方面可以通过来自加速度的积分来确定。

根据该方法的第二实施方式，也可以通过从驱动转子的电流的所测量的特征参量的α分量以及ß分量中形成反正切来确定转子角的改变。

总的来说，因此可以在没有大的计算成本的情况下匹配转子角，使得产生该方法的高精度，而在此不需要附加的硬件或提高的软件成本。在此，一旦通过相关识别到角偏差，则状态参量、即频率或角频率就可以被校正。因此，可以保证最优的角变化曲线，也就是说，在同步电机的尽可能最优的效率的情况下生成所期望的转矩。

利用本发明，还说明了一种用于执行上述用于无传感器地调节受外部激励的同步电机的方法的装置。在此，该装置包括用于生成测试信号的测试信号发生器、用于生成误差信号的相关器、以及用于作为对误差信号的反应设定所期望的转子角的观察器。

这样的装置所具有的优点是，根据本发明的方法可以以常见的调节方案无问题地实施，而在此不需要附加的硬件成本或不得出提高的软件成本。此外，测试信号发生器、相关器以及观察器是电路装置的简单的常用部件，从而根据本发明的方法可以通过这样的装置低成本地和节省空间地实现。

在此，测试信号发生器可以是PRBS测试信号发生器。借助于PRBS测试信号发生器，同步电机可以被施加PRBS信号，该PRBS信号可以简单地生成并且另一方面可以良好地同随机测量值噪声或系统干扰、例如高次谐波相区分。这样的PRBS测试信号的幅度也可以被选择为相对小的。

在此，所期望的转子角的设定可以有利地通过观察器、即二阶滤波器来进行。如果由于确定误差信号的步骤识别到相关性，则观察器的功能所基于的因子、尤其是加速度和频率在短时间内如上述那样被改变，以便生成转子角的改变。

综上所述可以确定，利用本发明说明了一种方法以及一种装置，借助于该方法和该装置可以在尽可能最优的效率的情况下生成同步电机的所期望的转矩。由于在此不需要位置传感器，因此可以节省针对传感器本身的成本以及结构空间。

由于该方法不依赖于电动机参数并且不受制于温度依赖性或构件依赖性，因此尤其是在停机状态下或者在小转速、例如在山坡上起动具有同步电机作为驱动机组的车辆时，也随时可以保证完全的、最优的转矩。

此外，该方法可以在没有附加硬件的情况下并在小软件成本的情况下通过简单的计算方法来实现，其中可以使用转子固定的或定子固定的坐标系。

根据第二方面提供了一种用于执行用于无传感器地调节受外部激励的同步电机的方法的装置，其中该装置包括：

•测试信号发生器，其用于生成测试信号，

•测量单元，其用于在描述同步电机的坐标系的轴上测量驱动转子的电流的特征参量，

•相关器，其用于确定误差信号，以及

•观察器，其用于作为对误差信号的反应匹配所期望的转子角。

在此，测试信号发生器有利地是用于生成PRBS信号的信号发生器。

根据第三方面，示出了一种包括上述装置的车辆。

上面所示的方法的有利扩展方案，只要在其他方面可转用于上述装置或上述车辆，也应当被视为该装置或该车辆的有利的扩展方案。

附图说明

现在根据附图进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的一个实施方式的用于无传感器地调节受外部激励的同步电机的方法的流程图；

图2示出了根据本发明的一个实施方式的装置。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一个实施方式的用于无传感器地调节受外部激励的同步电机的方法1的流程图。

在此，方法1具有下列步骤。首先，针对驱动转子的电流的特征参量馈入S1测试信号M。接着，在描述同步电机的坐标系的轴上测量S2驱动转子的电流的特征参量。从驱动转子的电流的所测量的特征参量和经时间延迟的测试信号中然后通过相关确定S3误差信号，并且如果误差信号具有不等于零的值S4，则作为对该误差信号的反应又匹配所期望的转子角。在此，根据图1的实施例的测试信号M是PRBS信号。

在图1的实施例中，表示同步电机的坐标系是dq坐标系，其表示转子固定的坐标系。常规地，同步电机模拟的对磁线性的受电激励的同步电机的双轴模型进行描述并且对定子、转子和阻尼器的所有电参量和磁参量加以考虑的微分方程组为简单起见在dq坐标系中示出。在此，所测量的电机电流的空间矢量被分解成两个分量，所述分量通过在由转子线圈生成的通量空间矢量的方向（d轴）上以及与其垂直的方向（q轴）上进行投影而得出。但是，描述同步电机的坐标系另外还可以是αβ坐标系，其表示定子固定的坐标系。

在此，驱动转子的电流的特征参量是电流。

如可辨认的那样，作为激励测量S2 q轴电流分量Iq，其中dq坐标系优选地被定向为使得d轴指向转子。

在一个未示出的实施方式中，驱动转子的电流的特征参量也可以是电压。

但是在一个未示出的实施方式中，也可以针对dq坐标系的q轴、例如针对q轴电流分量馈入测试信号，并且作为激励测量d轴电流分量，或者针对q轴电压分量馈入测试信号，并且作为激励测量转子电压，其中dq坐标系又优选地被定向为使得d轴指向转子。

根据该方法的另一未示出的实施方式，也可以使用表示定子固定的坐标系的αβ坐标系，并且针对aß坐标系的α轴馈入测量信号。例如，又可以针对电流或电压馈入测试信号，其中作为激励测量驱动转子的电流的相应特征参量的α分量和ß分量。

接着，通过将所测量的特征参量与经时间延迟的测试信号相关S3、即通过将所测量的激励与经时间延迟的测试信号相关来确定误差信号。

如图1所示，该步骤S3通过连续地将所测量的激励与经时间延迟了时间T的测试信号m相乘和积分来进行，并且误差信号ρ(T)由下列等式来表示：

其中x(t)对应于时刻t时的q轴电流分量，m对应于延迟了时间T的PRBS信号，以及K对应于相关系数。

如果该积分或误差信号ρ(T)得出零值，则存在激励到q轴上的耦合，也就是说，转子位置与所期望的旋转角一致，使得该方法结束并且可以重新开始。

如果针对该积分或误差信号ρ(T)得出不等于零的值，则因此识别出相关性，也就是说，在图1的实施例中，存在激励到q轴上的耦合，这等同于：描述同步电机11的坐标系未被正确地定向。在此，积分或误差信号ρ(T)的值的符号显示必须进行校正的方向。

如所示那样，旋转角于是可以通过基于来自频率的积分改变转子角来匹配S4。因此可以通过下列等式来确定所期望的转子角：

其中f (t)是时刻t时的频率。在此，该频率可以在其方面通过来自加速度的积分来生成。

在将定子固定的坐标系用于描述的情况下，转子角的改变可以基于从驱动转子的电流的所测量特征参量的α分量和ß分量中形成反正切来确定。

在此，转子角的匹配S4可以有利地通过图1中未示出的观察器、即二阶滤波器来进行。如果由于确定S3误差信号ρ(T)的步骤识别到相关性，则观察器的功能所基于的因子、尤其是加速度和频率在短时间内如上述那样被改变，以便生成转子角的改变。接着，该方法结束，并且可以重新开始。

图2示出了根据本发明的一个实施方式的装置10。

在此，能够辨认出受外部激励的逆变器控制的同步电机11以及用于激励同步电机11的电动机控制装置。在此，电动机控制装置由配备有附图标记12 的虚线表示，并且包括电流额定值形成器13、激励电流调节器14、qd电流调节器15、以及用于电流和电压校正的变换器16、17。

如图2进一步示出那样，装置10此外具有用于生成测试信号M的测试信号发生器18、用于生成误差信号ρ(T)的相关器19、以及用于作为对误差信号ρ(T)的反应匹配转子角的观察器20。

在图2的实施例中，为了描述同步电机11使用dq坐标系，其表示转子固定的坐标系。dq坐标系的轴在此由用附图标记34和35表示的箭头来表征。另外根据该方法的未示出的第二实施方式，还可以使用表示定子固定的坐标系的αβ坐标系。

图2的测试信号发生器18是PRBS测试信号发生器21。

如能够辨认的那样，所示同步电机11具有激励绕组26以及定子绕组22，所述定子绕组被馈送旋转电流。为了同步电机11能够工作，在转动部分电路中需要激励场。为此，在此设置常规调节装置。

通过电流额定值形成器13，在此向激励电流调节器14输出激励电流If的额定值，以及向dq电流调节器输出针对d轴电流分量Id以及针对q轴电流分量Iq的额定值，这由配备有附图标记的箭头23、24、25来表示。

通过激励电流调节器14，激励绕组26被施加调节器输出电压Uf，这由箭头27来表示。qd电流调节器15还与电压校正变换器16耦合，这由箭头28来表示。

如图2中进一步所示，此外通过测试信号发生器18针对激励电流If馈入测试信号M，这由箭头29来表示。如由箭头30所表示的那样，测试信号发生器18进一步与相关器19耦合，该相关器19此外如由箭头31所表示的那样从电流校正变换器17获得关于测量单元的驱动转子的电流的所测量的特征参量x、即在所示实施例中关于q轴电流分量I的值，并且在其方面通过延迟了时间T的测试信号m以及所测量的特征参量的相关来确定误差信号ρ (T)。如由箭头32表示的那样，相关器19在其方面与观察器20耦合，并且将误差信号ρ (T)转发给该观察器20。观察器20又作为对误差信号ρ (T)的反应确定转子角并且如箭头33所表示的那样将其转发给电流校正变换器17以及电压校正变换器16，以便能够根据所期望的转子角调整定子电压以及因此转子位置。

尽管在前述描述中示出了示例性实施方式，但是可以执行不同的改变和修改。所述实施方式仅仅是示例而不是被设置为以任何方式限制适用范围、可用性或配置。更确切地，本说明书为专业人员提供了用于实施至少一个示例性实施方式的计划，其中可以对在示例性实施方式中描述的元素进行功能和布置方面的大量改变，而不脱离所附权利要求书及其其余等价物的保护范围。

附图标记列表

1 方法

S1,S2,S3,S4 方法步骤

10 装置

11 同步电机

12 电动机控制装置

13 电流额定值形成器

14 激励电流调节器

15 q和d电流调节器

16 电压变换器

17 电流变换器

18 测试信号发生器

19 相关器

20 观察器

21 PRBS测试信号发生器

22 定子绕组

23,24,25 耦合

26 激励绕组

27,28,29,30,31,32,33 耦合

34,35 dq坐标系

M 测量信号

所期望的转子角

ρ(T) 误差信号

K 相关系数

x 驱动转子的电流的特征参量

m 延迟了时间T的测试信号

f 频率

If 激励电流的额定值

Iq q轴电流分量的额定值

Id d轴电流分量的额定值

I q轴电流分量。

Claims (9)

1.用于无传感器地调节受外部激励的同步电机（11）的方法（1），所述同步电机（11）具有转子，其中该方法（1）包括下列步骤：

－针对驱动转子的电流的特征参量（x）馈入（S1）测试信号（M）；

－在描述同步电机（11）的坐标系的轴上测量（S2）驱动所述转子的电流的特征参量（x）；

－通过将驱动所述转子的电流的所测量的特征参量（x）与从所馈入的测试信号（M）中确定的经时间延迟的测试信号（m）相关来确定（S3）误差信号(ρ(T))；

－如果误差信号(ρ(T))具有不等于零的值，则作为对误差信号(ρ(T))的反应匹配（S4）转子角（）；

其中通过连续地将驱动所述转子的电流的所测量的特征参量（x）与经时间延迟了时间（T）的测试信号（m）相乘并积分来确定（S3）误差信号(ρ(T))。

2.根据权利要求1所述的方法（1），其中测试信号（M）是PRBS信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法（1），其中描述同步电机（11）的坐标系是dq坐标系，所述dq坐标系表示转子固定的坐标系。

4.根据权利要求1或2所述的方法（1），其中描述同步电机（11）的坐标系是αβ坐标系，所述αβ坐标系表示定子固定的坐标系。

5.根据权利要求1或2所述的方法（1），具有：基于来自频率的积分来匹配（S4）转子角（）。

6.根据权利要求4所述的方法（1），具有：基于来自驱动所述转子的电流的所测量的特征参量（x）的α分量和ß分量的反正切来匹配（S4）转子角（）。

7.用于执行根据权利要求1至6之一所述的用于无传感器地调节受外部激励的同步电机（11）的方法（1）的装置（10），其中装置（10）包括：

•测试信号发生器（18），其用于生成（S1）测试信号（M），

•测量单元（17），其用于在描述同步电机（11）的坐标系的轴上测量（S2）驱动所述转子的电流的特征参量（x），

•相关器（19），其用于确定（S3）误差信号(ρ(T))，以及

•观察器（20），其用于作为对误差信号(ρ(T))的反应来匹配（S4）所期望的转子角（），

其中通过连续地将驱动所述转子的电流的所测量的特征参量（x）与经时间延迟了时间（T）的测试信号（m）相乘并积分来确定（S3）误差信号(ρ(T))。

8.根据权利要求7所述的装置（10），其中测试信号发生器（18）是用于生成PRBS信号的信号发生器（21）。

9.车辆，其包括根据权利要求7或8所述的装置（10）。