CN104426439A - 用于监测电机的旋转位置的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种采用脉冲型旋转位置传感器来监测电动机的方法，包括：监测来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出以及与用于所述电动机的控制信号相关联的基准信号。基于公称转子位置、转子的公称旋转速度以及所述基准信号与来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出的下降边缘之间的时间，确定与所述基准信号一致的所述电动机的转子的位置。基于所述转子的位置控制电动机。

Description

用于监测电机的旋转位置的方法和设备
技术领域
本公开涉及监测电机的旋转位置。
背景技术
本部分的陈述只是提供与本公开相关的背景信息，并且可以不构成现有技术。
多相电机包括电动机/发电机装置，其被采用在移动系统上，并且由电力驱动，所述电力经由逆变器系统从所存储的DC电力转换为AC电力。示例性电动机包括定子和转子，且采用旋转位置传感器来提供用于速度和扭矩控制的位置反馈。一种已知的位置传感器是解算器，其是可变磁阻感应电机，包括组装到电动机的转子和定子上的定子和转子。
发明内容
一种采用脉冲型旋转位置传感器来监测电动机的方法，包括：监测来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出以及与用于所述电动机的控制信号相关联的基准信号。基于公称转子位置、转子的公称旋转速度以及所述基准信号与来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出的下降边缘之间的时间，确定与所述基准信号一致的所述电动机的转子的位置。基于所述转子的位置控制电动机。
本公开还提供以下技术方案：
1. 一种采用脉冲型旋转位置传感器来监测电动机的方法，包括：
监测来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出以及与用于所述电动机的控制信号相关联的基准信号；
基于公称转子位置、转子的公称旋转速度以及所述基准信号与来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出的下降边缘之间的时间，确定与所述基准信号一致的所述电动机的转子的位置；以及
基于所述转子的位置控制所述电动机。
2. 如技术方案1所述的方法，其中，确定与所述PWM基准信号一致的转子的位置包括依据以下关系确定所述转子的位置：
其中，是所述转子的位置，
 是所述公称转子位置，
 是所述转子的公称旋转速度，并且
 是所述基准信号与来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出的下降边缘之间的时间。
3. 如技术方案1所述的方法，其中，依据以下关系确定所述转子的公称旋转速度：
其中，ωMT是所述公称旋转速度，
Tsp是采样周期，
m1是所述采样周期Tsp期间的传感器脉冲的离散数量，所述传感器脉冲包括来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出，
α是两个相邻传感器脉冲之间的所述转子的旋转角度，
ΔT是经过时间，其是固定时间间隔与所述采样周期Tsp之间的差值，并且
Ppr是所述脉冲型旋转位置传感器的编码器的分辨率。
4. 如技术方案1所述的方法，其中，监测与用于所述电动机的控制信号相关联的基准信号包括：监测表示用于控制去往所述电动机的电力流的信号的一个周期的完成的PWM基准信号。
5. 如技术方案1所述的方法，其中，监测来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出包括：监测来自边缘传感装置的信号输出，所述边缘传感装置包括磁阻传感器，所述磁阻传感器包括安装在所述电动机的定子上的固定传感元件，所述磁阻传感器监测安装在所述电动机的转子的轴上的编码器。
6. 如技术方案1所述的方法，其中，监测来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出包括：监测来自边缘传感装置的信号输出，所述边缘传感装置包括数字霍耳效应传感器，所述数字霍耳效应传感器包括安装在所述电动机的定子上的固定传感元件，所述数字霍耳效应传感器监测安装在所述电动机的转子的轴上的编码器。
7. 一种用于监测多相电机的方法，所述多相电机包括逆变器，所述逆变器生成脉冲宽度调制信号来控制电力流以生成扭矩，所述电机采用低分辨率脉冲型旋转位置传感器来进行位置反馈，所述方法包括：
监测来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出以及与源自所述逆变器用于所述电机的控制信号相关联的基准信号；
基于公称转子位置、转子的公称旋转速度以及所述基准信号与来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出之间的时间，确定与所述基准信号一致的所述电机的转子的位置；以及
基于所述转子的位置控制所述电机。
8. 如技术方案7所述的方法，其中，确定与所述PWM基准信号一致的转子的位置包括依据以下关系确定所述转子的位置：
其中，是所述转子的位置，
 是所述公称转子位置，
 是所述转子的公称旋转速度，并且
 是从所述基准信号到来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出的时间。
9. 如技术方案7所述的方法，其中，依据以下关系确定所述转子的公称旋转速度：
其中，ωMT是所述转子的公称旋转速度，
Tsp是公称采样周期，
m1是所述采样周期Tsp期间的传感器脉冲的离散数量，所述传感器脉冲包括来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出，
α是两个相邻传感器脉冲之间的所述转子的旋转角度，
ΔT是经过时间，其是固定时间间隔与所述公称采样周期Tsp之间的差值，并且
Ppr是所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的编码器的分辨率。
10. 如技术方案7所述的方法，其中，监测与用于所述电机的控制信号相关联的基准信号包括：监测表示用于控制去往所述电机的电力流的信号的一个周期的完成的PWM基准信号。
11. 如技术方案7所述的方法，其中，监测来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出包括：监测来自磁阻传感器的信号输出，所述磁阻传感器包括安装在所述电机的定子上的固定传感元件，所述磁阻传感器监测安装在所述电机的转子的轴上的低分辨率编码器。
12. 如技术方案7所述的方法，其中，监测来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出包括：监测来自边缘传感装置的信号输出，所述边缘传感装置包括数字霍耳效应传感器，所述数字霍耳效应传感器包括安装在所述电机的定子上的固定传感元件，所述数字霍耳效应传感器监测安装在所述电机的转子的轴上的低分辨率编码器。
附图说明
现在将参考附图通过示例方式来描述一个或多个实施例，附图中：
图1示出了依据本公开的用于确定包括脉冲型旋转位置传感器的电机的转子的旋转位置的硬件构造和相关信号处理方案；
图2示出了依据本公开的位置计算例程，其可被采用来确定采用脉冲传感器的电机的转子的旋转位置；
图3示出了依据本公开的与图2的位置计算例程相关联的多个信号；
图4示出了依据本公开的包括多个传感器脉冲的时间线，并且示出了与执行M/T方法相关联的用以确定正进行操作期间的旋转速度的测量值；并且
图5示出了依据本公开的与参考图2描述的位置计算例程相关联的多个信号。
具体实施方式
现在参考附图，其中图示只是为了示出某些示例性实施例的目的，而不是为了限制它们的目的，图1示意性地示出了用于确定电机235的转子的旋转位置的硬件构造和相关信号处理方案200，所述电机235采用机械地连接至其转子的脉冲型旋转位置传感器(脉冲传感器)237，以监测转子的旋转位置，以便用于位置反馈的目的。在一个实施例中，电机235是多相电动机/发电机，其被采用来生成扭矩或将扭矩转换成电能。控制系统230包括逆变器，其生成脉冲宽度调制(PWM)信号231，来基于位置反馈控制去往电机235的电力流，所述位置反馈优选呈角度旋转位置ΘFinal[n] 255的形式。控制系统230还生成PWM基准信号238，其优选表示所有PWM信号231的一个周期的完成。
脉冲传感器237可包括任何适当的边缘传感装置，比如磁阻(MR)传感器或数字霍耳效应传感器。脉冲传感器237优选包括安装在电机235的定子上的固定传感元件，其与安装在电机235的转子的轴上的编码器对齐，并且包括一个或者替代地两个边缘检测装置。编码器包括具有边缘的多个齿，所述边缘在转子和所附接的编码器旋转时通过传感元件是可检测的。在一个非限制性实施例中，编码器包括60个(减2个缺失的)有规则地分布的齿，其具有领先且下降边缘，其中每个齿对应于6o的转子和编码器旋转，并且2个缺失的齿被采用来达成以下目的：使传感器与转子的位置同步，并检测旋转方向，例如顺时针和逆时针旋转。这种编码器在被采用于汽车应用时可被称为58X靶轮。
脉冲传感器237生成输出信号239，其优选呈矩形波的形式，其响应于转子和编码器的旋转被输入计数器240。计数器240监测输出信号239，包括计算在顺次地发生的PWM基准信号PWM[n-1]与PWM[n] 238之间发生的输出信号239的周期数量(quantity)。计数器输出(ΔNp[n])241被监测并采用在位置计算例程250中，以在PWM基准信号PWM[n] 238时确定多相电机235的角度旋转位置ΘFinal[n] 255。
位置计算例程250优选在控制器中被执行。控制模块、模块、控制器、控制单元、处理器和类似术语意指以下中的任何适当的一个或者一个或多个的各种组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或例程的中央处理器(优选为微处理器)和相关联的内存和存储器(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适当的信号调节和缓冲电路、以及用以提供所描述功能的其它部件。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语意指包括校准和查询表的任何指令组。  控制模块具有被执行用以提供所需功能的一组控制例程。例程比如通过中央处理器被执行，并且是可操作的，用以监测来自传感装置和其它网络控制模块的输入，并执行控制和诊断例程，用以控制致动器的操作。可以以一定间隔来执行例程，例如在正进行的发动机和交通工具操作期间每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。替代地，可以响应于事件的发生来执行例程。
图2示意性地示出了位置计算例程250的一个实施例，其可被采用来确定电机的转子的旋转位置，所述电机采用脉冲传感器，其机械地连接至转子以监测其旋转位置。优选的电机服从于控制系统，其包括脉冲宽度调制(PWM)信号，用于控制包括PWM基准信号的电机。参考图1描述了脉冲传感器和电机的一个实施例。图3图解地示出了与位置计算例程250相关联的多个信号，其中信号被表示在竖直y轴上，相关于水平x轴上的时间310。所监测的信号包括PWM基准信号301和302，其对应于参考图1描述的PWM基准信号238。所监测的信号包括位置传感器输出303，其是矩形波，具有多个上升和下降边缘，其对应于在转子旋转时可由传感元件检测到的编码器齿的边缘，并且对应于由参考图1描述的脉冲传感器237生成的输出信号239。在执行位置计算例程250的过程期间感兴趣的其它信号包括实际转子位置线314，其特征在于斜率315和多个算出的转子位置320。表1被提供为图2的位置计算例程250的要点，其中数字标记的框和相应功能被给出如下。
位置计算例程250持续地监测在图3上被示为303的传感器信号以及在图3上被示为301和302的周期性地发生的PWM基准信号(262、264)。在图3中被示为基准307的HWIO时间点提供这样一个时间点，此时脉冲传感器的HWIO输出被采用来计算转子的位置和旋转速度。经过时间ΔT[k]被确定(266)，并在图3上以306示出。经过时间ΔT[k] 306是从第一PWM基准信号301到紧接在HWIO时间点307之前发生的传感器信号303的边缘304的时间的度量。紧接在PWM基准信号301之后发生的传感器信号的边缘304在图3中被示为下降边缘。基准线307是这样一个时间点，此时传感器信号被采用来计算转子的旋转速度。
可使用被称为M/T方法的已知处理器实施计算方法，来定期地确定公称转子位置和公称速度(268)。M/T方法是使用离散处理器装置和离散传感器来计算旋转速度的已知M方法和已知T方法的组合。M方法计算旋转速度Nm，方法是通过：计算在固定时间间隔期间发生的传感器脉冲的数量，以及基于此计算速度。一个示例性计算包括如下：
Nm = m*α / T
其中，α是两个相邻脉冲之间呈机械度数的转子的旋转角度，
m是时钟脉冲的数量，并且
T是采样周期。
T方法通过测量相邻脉冲之间的时间间隔来计算旋转速度Nt，如下：
Nt = α * f/m
其中，α是两个相邻脉冲之间呈机械度数的转子的旋转角度，
f是时钟脉冲串的频率，并且
m是时钟脉冲的数量。
图4图解地示出了包括多个传感器脉冲401的时间线，并示出了与M/T方法相关联的用以在正进行的操作期间确定旋转速度的测量值。感兴趣的测量参数包括：在时间间隔Td 404内发生的用于采样旋转速度的传感器脉冲401的离散数量m1 402，其中时间间隔Td 404的起点与传感器脉冲401中的第一个同步；在固定时间间隔Td 404期间的时钟脉冲m2 406的数量；公称采样周期Tsp 408；两个相邻传感器脉冲401之间的呈机械度数的转子的旋转角度α 410；和经过时间ΔT 412，其为固定时间间隔Td 404与公称采样周期Tsp 408之间的差值。
M/T方法依据以下关系为采样周期计算旋转速度ωMT：
                                                                                     [1]
其中，m1是在时间间隔Td内发生的用于采样旋转速度的传感器脉冲的离散数量，并且
Ppr是如编码器的每一转的脉冲数量所指示的编码器的分辨率。
在一个实施例中，编码器的分辨率是6o的角度旋转，且每一转的脉冲数量(Ppr)等于60。
M/T方法的实施例可被采用来采用适当的监测和位置计算方案计算公称旋转位置 322、前一旋转位置 324和旋转速度 314。在先的最终旋转位置 325和 323被示出，其中最终旋转位置 323以PWM基准信号301得到确定(268)。
依据以下关系确定与PWM基准信号302一致的转子位置：
                                                             [2]
其中， 321是在当前PWM基准线302处的最终转子位置，
 322是PWM基准线302处的公称转子位置，其采用M/T方法得到确定，
 315是转子的公称旋转速度，其采用M/T方法得到确定，并且
 306是从初始PWM基准信号301到传感器信号304的下降边缘的经过时间，所述传感器信号304的下降边缘紧接在HWIO时间点307之前发生，在HWIO时间点307处脉冲传感器的HWIO输出被采用来计算转子的位置和旋转速度(270)。
可采用信号来电动机的操作，其表示转子位置(270)。在一个实施例中，参考图1的硬件构造和相关信号处理方案200，这种操作包括：生成脉冲宽度调制(PWM)信号231，来控制去往电机235的电力流，以将起源于高电压电池中的所存储DC电力转换为AC电力，以驱动扭矩机235，以生成扭矩。
图5图解地示出了与位置计算例程250相关联的第二组信号，其中信号被表示在竖直y轴上，相关于水平x轴上的时间510。所监测的信号包括PWM基准信号501和502，其对应于参考图1描述的PWM基准信号238。所监测的信号包括位置传感器输出503，其是矩形波，具有多个上升和下降边缘，其对应于在转子旋转时可由传感元件检测到的编码器齿的边缘，并且对应于由参考图1描述的脉冲传感器237生成的输出信号239。在执行位置计算例程250的过程期间感兴趣的其它信号包括实际转子位置线514，其特征在于斜率515和多个算出的转子位置520。如所示，传感器信号503的边缘504紧接在第一PWM基准信号501之前以及HWIO时间点507之前发生。
依据以下关系确定与PWM基准信号502一致的转子位置：
                                                             [3]
其中， 521是在当前PWM基准线502处的最终转子位置，
 522是PWM基准线502处的公称转子位置，其采用M/T方法得到确定，
 515是转子的公称旋转速度，其采用M/T方法得到确定，并且
 506是从转子的位置和传感器信号504的下降边缘到初始PWM基准信号501的经过时间，所述初始PWM基准信号501紧接在HWIO时间点507之前发生，在所述HWIO时间点507处脉冲传感器的HWIO输出被采用来计算旋转速度。
因此，当传感器信号504的下降边缘发生在初始PWM基准信号501之前时，可确定与PWM基准信号502一致的转子位置，所述初始PWM基准信号501紧接在HWIO时间点507之前，在所述HWIO时间点507处脉冲传感器的HWIO输出被采用来计算旋转速度。
本公开已描述了某些优选的实施例及其变型。本领域的技术人员在阅读和理解本说明书时可想到另外的变型和变更。因此，所意图的是本公开不局限于作为用于实施本公开所设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开应包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种采用脉冲型旋转位置传感器来监测电动机的方法，包括：
监测来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出以及与用于所述电动机的控制信号相关联的基准信号；
基于公称转子位置、转子的公称旋转速度以及所述基准信号与来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出的下降边缘之间的时间，确定与所述基准信号一致的所述电动机的转子的位置；以及
基于所述转子的位置控制所述电动机。
2.如权利要求1所述的方法，其中，确定与所述PWM基准信号一致的转子的位置包括依据以下关系确定所述转子的位置：
其中，是所述转子的位置，
 是所述公称转子位置，
 是所述转子的公称旋转速度，并且
 是所述基准信号与来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出的下降边缘之间的时间。
3.如权利要求1所述的方法，其中，依据以下关系确定所述转子的公称旋转速度：
其中，ωMT是所述公称旋转速度，
Tsp是采样周期，
m1是所述采样周期Tsp期间的传感器脉冲的离散数量，所述传感器脉冲包括来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出，
α是两个相邻传感器脉冲之间的所述转子的旋转角度，
ΔT是经过时间，其是固定时间间隔与所述采样周期Tsp之间的差值，并且
Ppr是所述脉冲型旋转位置传感器的编码器的分辨率。
4.如权利要求1所述的方法，其中，监测与用于所述电动机的控制信号相关联的基准信号包括：监测表示用于控制去往所述电动机的电力流的信号的一个周期的完成的PWM基准信号。
5.如权利要求1所述的方法，其中，监测来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出包括：监测来自边缘传感装置的信号输出，所述边缘传感装置包括磁阻传感器，所述磁阻传感器包括安装在所述电动机的定子上的固定传感元件，所述磁阻传感器监测安装在所述电动机的转子的轴上的编码器。
6.如权利要求1所述的方法，其中，监测来自所述脉冲型旋转位置传感器的信号输出包括：监测来自边缘传感装置的信号输出，所述边缘传感装置包括数字霍耳效应传感器，所述数字霍耳效应传感器包括安装在所述电动机的定子上的固定传感元件，所述数字霍耳效应传感器监测安装在所述电动机的转子的轴上的编码器。
7.一种用于监测多相电机的方法，所述多相电机包括逆变器，所述逆变器生成脉冲宽度调制信号来控制电力流以生成扭矩，所述电机采用低分辨率脉冲型旋转位置传感器来进行位置反馈，所述方法包括：
监测来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出以及与源自所述逆变器用于所述电机的控制信号相关联的基准信号；
基于公称转子位置、转子的公称旋转速度以及所述基准信号与来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出之间的时间，确定与所述基准信号一致的所述电机的转子的位置；以及
基于所述转子的位置控制所述电机。
8.如权利要求7所述的方法，其中，确定与所述PWM基准信号一致的转子的位置包括依据以下关系确定所述转子的位置：
其中，是所述转子的位置，
 是所述公称转子位置，
 是所述转子的公称旋转速度，并且
 是从所述基准信号到来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出的时间。
9.如权利要求7所述的方法，其中，依据以下关系确定所述转子的公称旋转速度：
其中，ωMT是所述转子的公称旋转速度，
Tsp是公称采样周期，
m1是所述采样周期Tsp期间的传感器脉冲的离散数量，所述传感器脉冲包括来自所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的信号输出，
α是两个相邻传感器脉冲之间的所述转子的旋转角度，
ΔT是经过时间，其是固定时间间隔与所述公称采样周期Tsp之间的差值，并且
Ppr是所述低分辨率脉冲型旋转位置传感器的编码器的分辨率。
10.如权利要求7所述的方法，其中，监测与用于所述电机的控制信号相关联的基准信号包括：监测表示用于控制去往所述电机的电力流的信号的一个周期的完成的PWM基准信号。
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