CN105190249A - 电动机控制器的改进 - Google Patents

Abstract

一种估计电力电动机转子的位置的方法，包括使用位置传感器产生指示电动机位置的输出信号，该位置传感器包括探测器和随电动机转子一起旋转并包括多个编码区域的至少一个编码器，该传感器的输出信号随着编码区域移动经过探测器而以阶梯方式变化，以及使传感器的输出经过平滑算法以产生估计的位置信号，该算法被配置为通过使得估计的位置信号滞后于在传感器输出中的阶梯变化之后的传感器输出来对传感器输出中的阶梯之间的转变进行平滑。

Description

电动机控制器的改进

技术领域

本发明涉及估计电动机中转子的位置的方法，并涉及电动机控制装置。

背景技术

已知电动机被用在广泛的多种应用中，其中一种具有独特挑战的应用是电力助动转向系统。这在附图的图2中示出。在典型的系统中，扭矩传感器10测量由驾驶员转动方向盘30而施加给转向轴20的扭矩。该扭矩测量结果被传递给电动机控制和驱动电路40，电动机控制和驱动电路40产生与要施加给转向系统的助动扭矩的量相等的助动需求信号。该需求信号被用来生成施加给电力电动机50的相的电流，其中电力电动机50通过齿轮箱(未示出)附接到转向轴20或者转向系统的某些其他部分。电动机将所需的扭矩施加给转向系统，使得驾驶员更容易转动方向盘。

驾驶员与方向盘30身体接触，并且因此感受到由电动机施加给转向轴的扭矩的效果。随着方向盘被转动，驾驶员将能够感受到任何不期望的电动机扭矩输出的变化。在方向盘低速转动时尤其如此。如果电动机的扭矩输出随电动机转子的角度位置突然变化，则这可以被驾驶员感受到。

为了确保电动机50准确运行，通常使用闭环控制，在闭环控制中将电动机扭矩需求与施加给电动机50的电流的实际测量结果进行比较。由电动机施加的扭矩取决于每一相中流过的电流。对于采用PWM来调制扭矩的许多电动机控制策略来说，对用于各相的电流的准确控制需要知道电动机的角度位置，这在使用脉冲宽度调制方案来设定扭矩的情况中尤其重要。使用附接到电动机转子或者附接到例如齿轮箱的随电动机转动而转动的系统的一部分的传感器60能够直接测量所述位置。

即使不是全部的亦是大多数的位置传感器都产生具有数个离散状态的输出，该信号在各个阶段之间以“阶梯”形式突然变化。这些阶梯中的每一个将发生在由位置传感器编码器的布局和位置传感器探测器的配置所确定的电动机的不同角度位置处。在高速下，可在各状态之间使用插值来提高传感器的分辨率，但是申请人已经认识到不能在低速时使用插值，因为在低速情况下可能得到不准确的电动机转子速度信息。随后在位置状态之间发生突然的跳变，造成电动机的扭矩输出中的相应的阶梯变化。

图3a和4a示出随电动机位置的扭矩变化，当在电动机控制中需要恒定扭矩但位置测量结果中的误差却被使用时出现该变化。深色线对应10度阶梯之间的分辨率，浅色线对应7.5度阶梯之间的分辨率。图3b和4b示出相对于实际位置的潜在位置误差的实际变化，所述变化出现在位置信号仅在阶梯间的中点处是准确的或者仅分别沿着阶梯是准确的时候。

发明内容

本发明的一个目的是改善由于包含值的突然阶梯变化的不准确的位置信号而出现的一些问题。

根据第一方面，本发明提供一种估计电力电动机转子位置的方法，包括：

使用位置传感器产生指示电动机位置的输出信号，所述位置传感器包括一个探测器和随电动机转子一起旋转并包含多个编码区域的至少一个编码器，所述传感器的输出信号随着编码区域移动经过探测器而以阶梯方式变化；以及使传感器的输出经过平滑算法以产生估计的位置信号，该算法被配置为通过使得估计的位置信号滞后于在传感器的输出中的阶梯变化之后的传感器输出来对传感器输出中的阶梯之间的转变进行平滑。

通过允许输出滞后于传感器的实际输出而不是突然变化使输出信号带有阶梯变化，将使信号中的快速变化平滑掉。这去除了阶梯变化，如果该位置信号被用作电动机控制策略的一部分，这是尤其有利的。估计的信号将滞后直至其已经能够上升至阶梯变化的顶部的水平。

该方法可包括通过使输出信号经过低通滤波器来对传感器的该输出信号进行平滑的步骤。

替代地，该方法可包括通过对在探测器的输出中的变化之后的输出信号施加固定的转换速率来对输出信号进行平滑。实际上固定的转换速率将该输出能够追上实际位置信号的速率限定到固定的(可能为线性的)变化速率。

该转换速率可以是固定的，意即允许固定的变化速率，或者可以是变化的，意即所允许的变化速率可以变化。它可以根据输出信号的阶梯变化之间的流逝时间而变化。

因此该方法可包括测量阶梯变化之间的流逝时间，以及根据流逝时间设定转换速率。流逝时间可以包括最近的阶梯变化和先前的阶梯变化之间的时间。该方法优选包括优化滤波器常数或转换速率以确保在电动机的恒速期间，在位置信号的下一阶梯变化发生的时刻，估计的位置信号已经追上实际的位置信号。

该方法可以进一步包括，当随着转子速度高于预定阈值而能获得速度估计值时，基于位置传感器的输出信号的插值生成替代的位置估计值。因此该方法可包括在一种在低速时使用滤波/转换速率的策略和另一种在高速时基于外推的策略之间切换。

根据第二方面，本发明提供一种包括信号处理组件和电流控制电路的电动机控制装置，所述信号处理组件被配置为接收来自电动机位置传感器的输出信号，所述电流控制电路接收电动机扭矩需求信号作为输入并且产生d-q轴电动机电流需求信号作为输出并通过将d-q轴需求电流与电动机位置的估计值结合来将d-q轴需求电流转换为各个电动机相电流，其特征在于信号处理组件包括平滑算法，以及通过使来自电动机位置传感器的输出信号经过平滑算法来处理该输出信号以产生电动机位置的估计值。

信号处理组件的平滑算法可包括低通滤波器。这可以是一阶滤波器。替代地，该算法可包括每当信号的实际变化速率超过阈值就对该信号施加固定转换速率的转换速率函数。

位置传感器可产生随角度位置阶梯变化的输出信号，滤波器或转换速率滤波器使得位置的估计值滞后于阶梯变化之后的输出信号。

位置传感器的编码器可相对于电动机转子固定。它可被固定至通过齿轮箱连接至电动机转子的部件。不论哪种情况，只要电动机转子转动，编码器就转动。它可包括旋转编码器。它可产生阶梯值作为输出信号，该输出信号在电动机的一个电气旋转内不重复。阶梯变化可在电动机的完整的360度电气旋转上的等间隔处发生。当它通过齿轮箱连接时，该输出信号可在多于一个的电动机电气旋转之后重复，或者可在一个电气旋转内重复数次。

根据又一方面，本发明提供电动机、位置传感器和前述方面的电动机控制装置的组合。

电动机可构成电力助动转向系统的一部分。

附图说明

仅作为示例，现在将参考附图说明根据本发明的估计电动机转子位置的若干示例性方法，其中：

图1是示出典型电动机控制策略的方框图，该策略包括对电动机位置的估计；

图2是包括可由图1的策略控制的电力电动机的电力助动转向系统的概览；

图3(a)是对于两种不同电动机的电动机扭矩相对于电动机位置的图，以及(b)是对于两种不同电动机的位置误差相对于电动机位置的图，在两个图中实际位置对准编码器元件的中心；

图4(a)是对于两种不同电动机的电动机扭矩相对于电动机位置的图，以及(b)是对于两种不同电动机的位置误差相对于电动机位置的图，在两个图中实际位置对准编码器元件的一个边缘；

图5是对于采用包括固定转角频率一阶滤波器的平滑算法的方法的位置传感器输出信号相对于时间的图，该图上覆盖有平滑后的估计的转子位置相对于时间的图；

图6是对于采用包括固定转换速率的平滑算法的方法的位置传感器输出信号相对于时间的图，该图上覆盖有平滑后的估计的转子位置相对于时间的图；以及

图7是对于采用包括可变转换速率的平滑算法的方法的位置传感器输出信号相对于时间的图，该图上覆盖有平滑后的估计的转子位置相对于时间的图。

具体实施方式

用于三相电动机的典型闭环电动机控制系统100通常具有图1中所示的结构。电动机110可被认为具有三个相U、V和W，并可连接成星形或三角形结构。每一相都连接至图1中由标记为“PWM”的方框代表的桥式驱动电路的臂上。每个臂都包括将该相连接至正供电电压的上部开关和将该相连接至负供电电压或地的下部开关。该六个开关以已知的方式导通和关断，将脉宽调制电压施加给各相。可使用若干PWM策略，并且对于本发明的目的来说，对策略的选择绝非是限制性的。

使用闭环控制得到用于电动机相的PWM信号，其中控制的输入是电动机的所需扭矩T*、测得的电动机转子的角速度w、转子位置θ以及由电流传感器测得或者以其它方式估计的各相电流。所需扭矩用于在方框130中确定d轴和q轴电动机电流Id和Iq，并在方框140中根据这些计算各相电流。

用于下述示例目的的位置传感器(未示出)包括紧固至电动机转子的编码器盘和一组探测器。编码器盘带有一组编码器区域，该编码器区域被配置成为包括预定样式编码区域的圆周轨道。编码区域可包括磁体和磁体间的间隔，或者一系列反射和非反射部分。作为编码盘的替代，编码器也可以由转子磁体构成，在该转子磁体处提供了这种类型的电动机。随着盘旋转，轨道相对于探测器移动，每个探测器都从沿着轨道的不同点处“看见”轨道中的变化。编码区域的边缘经过探测器时探测器输出中的变化提供了传感器的分辨率。

因此分辨率根据编码区域之间的间隔和探测器相对位置而变化。为了获得比由编码区域自身提供的分辨率更高的分辨率的位置信号，各实施例中的转子速度的测量结果被用于在位置传感器输出信号的边缘之间外推。然而，在很低的速度下，不可能准确测量速度，因而外推被禁用，从而将位置信号的分辨率降低至原始阶梯输出信号的分辨率θenc。在下述实施例中，建议了一种作为替代的、新的在低速下估计位置的方法，该方法不依赖插值。

在每种所提出的方法中，提出实施这样一种算法：当新的边缘发生时，逐渐改变位置而不是呈现出编码器区域的边缘经过探测器时发生的阶梯变化。提出了三种解决方式：

1.滤波器

2.固定转换速率限制

3.可变转换速率限制

在所有情况下，相对编码器位置的改变驱动该算法。

一阶滤波器

在第一实施例中，一阶滤波器用于使位置传感器输出信号中的阶梯变化平滑掉。位置传感器的原始“阶梯”输出信号被送入滤波器，该滤波器的输出产生如图5中所示的响应。为了清楚起见，将滤波后的信号覆盖在原始输出信号上。随后该滤波后的位置信号被用于电动机的控制环用作位置的估计值。由于该信号被平滑，因此估计位置和实际位置之间的误差值中的突变也被平滑，进而对可能未经任何平滑而产生的扭矩中的阶梯变化进行平滑。

可以看出对于所有速度，该滤波都将去除位置中的急剧阶梯变化，进而去除电动机所施加的扭矩中的相应的急剧阶梯变化。然而，该算法在与滤波器频率相匹配的特定速度下工作是最佳的。速度太慢，则滤波器产生如图右手侧所示的圆形阶梯；速度太快，则滤波器没有机会起作用。

在改进方法中，时间常数可根据两个编码器边缘的检测之间的流逝时间(根据电动机速度是有效地，但是它太慢而不能产生可靠的速度信号)而变化，从而滤波在电动机改变速度时能够适应。

固定转换速率

在替代实施例中，使用固定转换速率来替代滤波器。原始“阶梯”位置信号被送入函数的输入，该函数使得信号值按固定的变化速率以线性方式变化(增大或减小)，直至转换后的值追上原始输入值。这产生了图3、5中所示的结果。

与一阶滤波器不同的是，该实施例中的输出可通过在阶梯变化发生前取得编码器位置值以及向其增加代表转换部分的增量值来产生，该增量值随时间线性增加直至增量已经达到阶梯变化的幅值。此时，输出可被设定为等于阶梯变化后的“原始”阶梯信号的值。

对于一阶滤波器来说，必须仔细选择转换速率以在正确的速度下工作。同样可以用编码器边缘之间的时间来安排转换速率。

可变转换速率

在另一替代实施例中，使用可变转换速率来替代滤波器或固定转换速率。这可在图3、6中看出。使用来自最后两个编码器边缘的定时信息来设定转换速率，从而输出将完成该周期上的阶梯变化。定时信息被算法用来在流逝时间较短(高电动机速度)时增大转换速率以及在流逝时间较长(低电动机速度)时增大转换速率。

理想情况下，当以恒定速度运行时，转换速率应当在接收下一边缘的时刻完成。在一些情况下，可能期望加快转换速率以更快地达到最终值。为了实现这一点，可改变编码器转换速率增益以通过缩放因子来调节转换速率增量(编码器转换速率增益＞1加快转换，编码器转换速率增益＜1＝减慢转换)。

Claims (12)

1.一种估计电力电动机转子的位置的方法，包括：使用位置传感器产生指示电动机位置的输出信号，所述位置传感器包括探测器和与所述电动机转子一起旋转并且包括多个编码区域的至少一个编码器，所述传感器的输出信号随着编码区域移动经过探测器而以阶梯方式变化；以及使所述传感器的输出经过平滑算法以产生估计的位置信号，所述算法被配置为通过使得所述估计的位置信号滞后于在所述传感器的输出的阶梯变化之后的所述传感器的输出来对所述传感器的输出中阶梯之间的转变进行平滑。

2.根据权利要求1所述的方法，包括通过使所述输出信号经过低通滤波器来对来自所述传感器的输出信号进行平滑的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，包括通过对在位置传感器的输出的变化之后的所述输出信号施加固定的转换速率来对所述输出信号进行平滑。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述转换速率是固定的或者其中所述转换速率根据所述输出信号中的阶梯变化之间的流逝时间而变化。

5.根据权利要求4所述的方法，包括测量阶梯变化之间的流逝时间，以及根据所述流逝时间设定所述转换速率。

6.根据权利要求2、3、4或5所述的方法，包括优化滤波器常数或转换速率以确保在电动机的恒速期间，在位置信号中的下一阶梯变化发生的时刻，所述估计的位置信号已经追上实际的位置信号。

7.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括，在随着转子速度高于预定阈值而能获得速度估计值的情况下，基于来自所述位置传感器的输出信号的插值生成替代的位置估计值。

8.一种电动机控制装置，包括信号处理组件和电流控制电路，所述信号处理组件配置为接收来自电动机位置传感器的输出信号，所述电流控制电路接收电动机扭矩需求信号作为输入以及产生d-q轴电动机电流需求信号作为输出并通过将d-q轴需求电流与电动机位置的估计值结合来将d-q轴需求电流转换为各个电动机相电流，

其特征在于所述信号处理组件包含平滑算法，以及通过使来自所述电动机位置传感器的输出信号经过平滑算法来对该输出信号进行处理以产生电动机位置的估计值。

9.根据权利要求8所述的电动机控制装置，其中所述信号处理组件的平滑算法包括低通滤波。

10.根据权利要求8所述的电动机控制装置，其中所述信号处理组件的平滑算法包括转换速率函数，每当所述信号的实际变化速率超过阈值，所述转换速率函数就将固定或可变转换速率施加给所述信号。

11.根据权利要求8、9或10所述的电动机控制装置，其中使用的位置传感器产生随角度位置阶梯变化的输出信号，滤波器或转换速率滤波器使得位置的估计值滞后于阶梯变化后的输出信号。

12.电动机、位置传感器和权利要求8至11中任何之一的电动机控制装置的组合。