CN104682786A - 用于确定电机的转子的位置数据的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种为了用于对电子换向的电机（2）进行操控而用于从所提供的、低分辨的位置数据（φ_ga）中求得高分辨的位置数据（φ_ha）的方法，该方法具有以下步骤：-在所述电机（2）的转速的基础上求得所估计的位置数据（φ_Sch?tz）；并且-在误差值（φ_Fehler）的基础上通过用校正值（φ_korr）加载的方式来对所估计的位置数据（φ_Sch?tz）进行校正，用于得到所述高分辨的位置数据（φ_ha），其中所述误差值（φ_Fehler）表明在所述低分辨的位置数据（φ_ga）与所估计的位置数据（φ_Sch?tz）之间的偏差。

Description

用于确定电机的转子的位置数据的方法和装置

技术领域

本发明普遍涉及电机、尤其是具有基于传感器的位置检测功能的、电子换向的电机。此外，本发明涉及用于提高用于所述电机的转子的位置的、位置数据的分辨率的措施。

背景技术

为了最佳地操控电子换向的电机，一般来说需要关于所述电机的转子的位置的位置数据的形式的位置信息。这种位置数据可以借助于位置传感器来提供。这样的位置传感器比如可以构造为光学的传感器或者磁性传感器、尤其是霍耳传感器。

原则上知道不同种类的位置传感器，所述位置传感器能够为复杂的、用于所述电机的操控方法实现所述位置数据的、足够高的分辨率。但是，这样的高分辨的位置传感器比较昂贵，并且/或者由于机械方面的情况无法以简单的方式集成到驱动系统中。

作为替代方案，知道成本低廉的并且能够以简单的方式集成的、用于检测所述位置数据的解决方案。比如对于电动双轮滑车（Elektroroller）来说，将三个尤其数字的霍耳传感器装入在三相的驱动电动机的内部，用于借助于块换向来实现电动机的换向。不过，利用这样的位置传感器系统，所述分辨率在没有附加的、用于信号处理的开销的情况下被局限到60°（电的位置角）。因此，不能将其它的换向方法用作所述块换向。但是，借助于所述块换向对电动机进行的操控不太有效力，并且引起明显的噪声生成以及提高了的力矩波动性。

此外，知道位置传感器系统，所述位置传感器系统在较低分辨的位置数据的基础上借助于预测算法来提供具有更高分辨率的位置数据，并且为了进行操控而将其它的换向方法用作所述块换向。尤其对于所提供的位置数据的更高的分辨率来说，借助于正弦换向而对于电动机进行的操控在效率和噪声生成方面是有意义的。

发明内容

本发明的任务是，提供一种方法和一种装置，借助于所述方法和装置可以提供具有比用传感器检测到的位置数据的分辨率高的分辨率的位置数据。

按照本发明，设置了一种按权利要求1所述的、用于确定用来对电机进行操控的位置数据的方法以及按并列权利要求所述的、一种相应的控制单元和一种电机系统。

其它的设计方案在从属权利要求中得到了说明。

按照第一方面，设置了一种为了用于对电子换向的电机进行操控而用于从所提供的、低分辨的位置数据中求得高分辨的位置数据的方法。该方法包括以下步骤：

-在所述电机的转速的基础上求得所估计的位置数据；并且

-在误差值的基础上通过用校正值加载的方式来对所估计的位置数据进行校正，用于得到所述高分辨的位置数据，其中所述误差值表明在所述低分辨的位置数据与所估计的位置数据之间的偏差。

上述方法提供了一种可行方案，用于提供从低分辨的位置数据中求得的高分辨的位置数据。为此通过位置差的累积来求得一种所估计的位置数据，其中从所述电机的转速中确定或者推导出所述位置差。在此在所述低分辨的位置数据的基础上求得所推导出来的转速。借助于校正函数来对所估计的位置数据进行校正。通过这种方式，可以确定高分辨的位置数据，通过所述低分辨的位置数据对所述高分辨的位置数据进行校正。

由此可以以更为精确的方式来提供一种高分辨的位置数据，可以用一种相对于所述块换向要求更高的换向方法将所述高分辨的位置数据比如用于运行所述电机系统。

尤其可以在所述高分辨的位置数据的基础上设置所述电机系统的、电机的正弦换向，所述正弦换向相对于所述电机的块换向明显地更有效率并且具有更低的噪声生成以及力矩波动性。

此外可以规定，通过对于表明所述电机的转速的转速数据的积分来求得所估计的位置数据。

按照一种实施方式，可以从所述低分辨的位置数据中确定所述转速数据，并且对其进行滤波、尤其是低通滤波，并且随后可以通过积分来求得位置差，所述位置差与所述电机的转子的、在一个计算周期中的、所估计的运动相对应。

此外，可以借助于PT1环节对所述转速数据进行低通滤波。

可以规定，借助于P环节在预先给定的校正因数k的基础上从所述误差值中确定所述校正值。

此外，可以借助于PI环节在预先给定的校正因数k和积分常数i的基础上从所述误差值中确定所述校正值。原则上还可以有其它的用于确定所述校正值的可行方案。

尤其可以将所述高分辨的位置数据用于操控电机。

作为替代方案，可以根据电机的转速、用于所述误差值的误差风险或者所述误差值的误差大小，将所述高分辨的位置数据或者所述低分辨的位置数据用于操控电机。这一点尤其可以借助于一种转换来实现。

按照另一方面，设置了一种控制单元，该控制单元用于从所提供的、低分辨的位置数据中求得高分辨的位置数据，并且用于在所述高分辨的位置数据的基础上用一种换向模式来操控电子换向的电机，其中所述控制单元构造用于：

-在所述电机的转速的基础上求得所估计的位置数据；并且

-在误差值的基础上通过用校正值加载的方式来对所估计的位置数据进行校正，用于得到所述高分辨的位置数据，其中所述误差值表明在所述低分辨的位置数据与所估计的位置数据之间的偏差。

所述控制单元可以构造用于借助于正弦换向来操控所述电机。

按照另一方面，设置了一种具有电机和上述控制单元的电机系统。

附图说明

下面借助于附图对实施方式进行详细解释。附图示出：

图1是具有用控制单元来运行的电机的、电机系统的示意图；

图2是用于对一种算法的功能进行说明的方框图，所述算法用于在由位置传感器提供的、低分辨的位置数据的基础上求得高分辨的位置数据；并且

图3是用于描绘图2的精细角度确定框的功能的方框图。

具体实施方式

图1示出了具有电机2的电机系统1的示意图。所述电机2构造为电子换向的电机、比如同步电机、异步电机或者类似电机。所述电机2可以作为电动机或者发电机来运行。下面以所述电机2的、按电动机方式的运行为出发点。

借助于驱动线路3来操控所述电机2。所述操控通过多条相导线4来进行，通过所述相导线相应地将相电压或者相电流加载到所述电机2上。所述驱动线路通常具有功率半导体开关、比如功率MOSFETs、晶闸管、IGCTs、IGBTs和类似开关。这些功率半导体开关可以以已知的方式被连接成桥接电路，用于将从较高的或者较低的供电电位V_H、V_L中产生的电压脉冲通过所述相导线4加载到所述电机2上。在换向模式的基础上并且在脉宽调制的相电压调节的基础上，产生所述通过相导线4加载到所述电机2上的脉冲式样。

对于所述功率半导体开关的操控借助于控制单元5来进行，在该控制单元中实现了所述换向模式。为了进行按照所述换向模式的换向，在所述控制单元5中需要所述电机2的转子的位置数据的形式的位置信息。在当前的实施例中，所述位置信息由位置传感器系统7来提供，该位置传感器系统比如可以具有一个或者多个构造为光学的或者磁性的传感器的形式的位置传感器71。尤其所述位置传感器71可以构造为数字的霍耳传感器。

经常给电机配设位置传感器系统，该位置传感器系统具有一种分辨率，该分辨率足以用于实施三相的块换向，但是不能实现与经过调整的（更好的）换向模式相对应的换向。因为对于按照要求更高的换向模式的换向、比如正弦换向来说，所述位置传感器系统的分辨率是不够用的，所以一般来说仅仅利用无效力的块换向来运行这样的电机，这一点另外导致更高的噪声形成和力矩波动性。

为了尽管低分辨的位置传感器系统7也能够实施正弦换向，在所述控制单元5中规定，从由所述位置传感器系统7所提供的、低分辨的位置数据中产生高分辨的位置数据。而后可以将所述高分辨的位置数据用作用于相应于一种合适的换向模式来对于所述驱动线路3进行操控的基础。

在图2中示意性地示出，如何从低分辨的位置数据中产生高分辨的位置数据，用于能够相应于一种合适的换向模式来实施一种换向。

在此以所述位置传感器系统7为出发点，该位置传感器系统在由所述位置传感器71提供的各个电信号的基础上提供低分辨的位置数据φ_ga或者低分辨的位置数据φ_ga的数字的数值。将所述低分辨的位置数据φ_ga一方面加载到一种精细角度确定框11上，并且另一方面输送给转速获取框12，该转速获取框通过对于所述低分辨的位置数据φ_ga的测评来求得（比如数字的形式的）的转速数据ω。在一种示范性的实施方式中，所述低分辨的位置数据φ_ga的分辨率相应于60°（电的位置角）。

将所述转速数据ω输送给转速滤波框13，在该转速滤波框中对所述转速数据ω的曲线进行滤波、尤其是低通滤波。所述转速滤波框13是必要的，用于使所述转速的、通过转速数据ω来表明的曲线实现滑顺。如果通过所述低分辨的位置数据φ_ga的扫描速率和对于所述转速数据ω的计算已经达到足够的信号质量，那就可以放弃所述转速滤波框13。在所述转速滤波框13的输出端上，经过滤波的转速数据ω’可供使用。

将所述经过滤波的转速数据ω’输送给积分框15，该积分框在处于t1与t2之间的时间间隔里对经过滤波的转速数据ω’进行积分，并且从中作为位置差确定增量角Δφ。

将所述增量角Δφ输送给所述精细角度确定框11。因为上述计算通常在由微型控制器控制的控制单元5中来实施，所述控制单元一般来说具有固定的、用于所述计算的时间栅格，所以可以将上述公式简化表述为：

其中相当于在扫描时刻（n）的转速数据，并且相当于用于所述计算的时间栅格。

现在结合图3，对在所述精细角度确定框11中的处理情况进行详细解释。将所述低分辨的位置数据φ_ga和所述增量角Δφ输送给所述精细角度确定框11。在所述精细角度确定框11中的计算的核心是所估计的位置数据φ_Schätz。所述所估计的位置数据φ_Schätz借助于上一次求得的、高分辨的位置数据φ_ha（n-1）和从经过滤波的转速数据ω’中求得的增量角Δφ来确定。为此设置了第一加法环节15，将所述高分辨的位置数据φ_ha（n-1）和所述增量角Δφ输送给所述第一加法环节15。在此从前一个计算周期中求得所述高分辨的位置数据φ_ha（n-1）。为此可以设置合适的闭锁器（Latch）或者延迟环节16。

从所估计的位置数据φ_Schätz和校正值φ_korr的总和中产生所述在当前的计算周期中求得的、高分辨的位置数据φ_ha（n）。为此设置了第二加法环节17，在该加法环节的输出端上可以截取所述高分辨的位置数据φ_ha（n）。

为了求得所述校正值φ_korr，首先确定在所述低分辨的位置数据φ_ga与所估计的位置数据φ_Schätz之间的差，用于得到一种误差值φ_Fehler。这在求差环节18中进行。将所述误差值φ_Fehler输送给相位校正框19，该相位校正框19从所述误差值φ_Fehler中求得所述校正值φ_korr。因为在所述误差值φ_Fehler的基础上求得所述校正值φ_korr，所以可以对所估计的位置数据φ_Schätz进行再校正，从而相应于所述低分辨的位置数据φ_ga来对于以简单的方式内插的、所估计的位置数据φ_Schätz进行校正。

所述相位校正框19比如可以作为简单的P环节来实现，其中φ_korr=k*φ_Fehler，也就是说与所述误差值φ_Fehler成比例地用校正因数k来求得所述校正值φ_korr。通过所述处于反馈线路中的延迟环节16的以及所述加法环节15、17的积分（integrierend）的特性，即使在将简单的P环节用作相位校正框19时，通过所述误差值φ_Fehler来表述的调节偏差也趋向于零。

所述校正因数k优选拥有处于0与1之间的数值，其中校正因数k为0时不进行相位校正，并且在校正因数k为1时在所述第二加法环节17中作为校正值φ_korr百分之百地加上所求得的相位误差。也就是说，所述精细确定框的、在图3中所示出的（数字的）相位调节试图理想地很快地调整所述相位误差。不过，在校正因数k为1时，可能出现不稳定的调节特性，因而处于0.01与0.1之间的校正因数k是优选的。

也可以取代简单的P环节（比例环节），而为所述相位校正框19设置PI环节（比例-积分环节）或者其它的相位校正。

不仅在所述转速滤波框13中的转速滤波而且所述相位校正框19的功能都可以以任意的复杂程度（Komplexität）来实现。所述转速滤波框13比如可以借助于PT1滤波器来实现，并且所述相位校正框19可以以简单的P环节的形式来实现。在这种情况下产生两种自由度，应该按所述位置传感器系统7的位置传感器71的品质、转速范围和对所述电机2的动力要求来相应地给所述两种自由度设定参数并且对其进行优化。

在转速很低时，根据上述算法，所述高分辨的位置数据φ_ha仅仅通过所述相位校正框19来调整。在这种情况下，所述高分辨的位置数据φ_ha本来相当于所述低分辨的位置数据φ_ga。虽然在起振的状态中不可能达到所述位置数据的、比所述低分辨的位置数据φ_ga的分辨率高的分辨率，不过现在对于在两个彼此先后相随的、低分辨的位置数据φ_ga之间的过渡区进行滤波。因此所述过渡区是连续的并且不是断断续续的。因此，在这个界限区域中也可以在使用所述用于正弦换向的、高分辨的位置数据φ_ha时实现声学上的改进。由此即使在转速较低时或者甚至在所述电机2的停止状态中也可以将所提供的、高分辨的位置数据φ_ha用作用于所述换向的基础，而不必在转速范围之间设置一种转换策略。

除此以外，可以在所述低分辨的位置数据φ_ga的使用与所述高分辨的位置数据φ_ha的使用之间为所述换向实现一种转换策略。在所述低分辨的位置数据φ_ga的使用与所述高分辨的位置数据φ_ha的使用之间的转换可以在预先确定的转速范围、误差风险的大小或者误差大小、也就是误差风险或者误差大小与预先给定的误差阈值之间的阈值比较以及类似参量的基础上来进行。

上述电机系统1优选能够用在驱动系统中，所述驱动系统的工作范围主要不是处于较低的转速范围内，并且其位置传感器系统7关于所期望的换向方法拥有较低的分辨率。

Claims (11)

1. 为了用于对电子换向的电机（2）进行操控而用于从所提供的、低分辨的位置数据（φ_ga）中求得高分辨的位置数据（φ_ha）的方法，具有以下步骤：

-在所述电机（2）的转速的基础上求得所估计的位置数据（φ_Schätz）；并且

-在误差值（φ_Fehler）的基础上通过用校正值（φ_korr）加载的方式来对所估计的位置数据（φ_Schätz）进行校正，用于得到所述高分辨的位置数据（φ_ha），其中所述误差值（φ_Fehler）表明在所述低分辨的位置数据（φ_ga）与所估计的位置数据（φ_Schätz）之间的偏差。

2. 按权利要求1所述的方法，其中所估计的位置数据（φ_Schätz）通过对于转速数据（ω）的积分来求得，所述转速数据表明所述电机（2）的转速。

3. 按权利要求2所述的方法，其中从所述低分辨的位置数据（φ_ga）中确定所述转速数据（ω）并且对其进行滤波、尤其是进行低通滤波，并且随后通过积分来求得一种位置差，所述位置差相应于所述电机（2）的转子的、在一个计算周期中的、所估计的运动。

4. 按权利要求3所述的方法，其中借助于PT1环节对所述转速数据（ω）进行低通滤波。

5. 按权利要求1到4中任一项所述的方法，其中借助于P环节在预先给定的校正因数（k）的基础上从所述误差值（φ_Fehler）中确定所述校正值（φ_korr）。

6. 按权利要求1到4中任一项所述的方法，其中借助于PI环节在预先给定的校正因数（k）以及积分常数（i）的基础上从所述误差值（φ_Fehler）中确定所述校正值（φ_korr）。

7. 按权利要求1到6中任一项所述的方法，其中将所述高分辨的位置数据（φ_ha）用于对于电机（2）进行操控。

8. 按权利要求1到6中任一项所述的方法，其中根据所述电机（2）的转速、用于所述误差值（φ_Fehler）的误差风险或者所述误差值（φ_Fehler）的误差大小将所述高分辨的位置数据（φ_ha）或者所述低分辨的位置数据（φ_ga）用于对于电机（2）进行操控。

9. 控制单元（5），用于从所提供的、低分辨的位置数据（φ_ga）中求得高分辨的位置数据（φ_ha），并且用于在所述高分辨的位置数据（φ_ha）的基础上用一种换向模式来操控一种电子换向的电机（2），其中所述控制单元（5）构造用于：

-在所述电机（2）的转速的基础上求得所估计的位置数据（φ_Schätz）；并且

-在误差值（φ_Fehler）的基础上通过用校正值（φ_korr）加载的方式来对所估计的位置数据（φ_Schätz）进行校正，用于得到所述高分辨的位置数据（φ_ha），其中所述误差值（φ_Fehler）表明在所述低分辨的位置数据（φ_ga）与所估计的位置数据（φ_Schätz）之间的偏差。

10. 按权利要求9所述的控制单元（5），其中该控制单元构造用于借助于正弦换向来操控所述电机（2）。

11. 具有电机（2）和按权利要求9或10所述的控制单元（5）的电机系统（1）。