CN105359404A - 用于无传感器式地获知电机的转子位置的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于获知旋转的、多相的、电子换向的电机（2）的转子位置的方法，其中所述电机（2）具有多个相导线（3），所述相导线通过相接头能通电，所述方法包括以下步骤：确定（S1、S2）所述电机（2）的相接头上的相电压和相电流；-从所确定的相电压和相电流中获知（S6）所述电机（2）的相接头上的感应电压；并且-以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压而确定的电压向量；其特征在于，使所述感应电压的以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照而提供的电压向量的空间向量角计算式地以所述转子位置的估计值为幅度旋转（S7）；对旋转的电压向量进行低通滤波（S8）；并且在所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量（UindTPdq*）的角位置的基础上来为接下来的计算周期确定所述转子位置的估计值。

Description

用于无传感器式地获知电机的转子位置的方法和装置
技术领域
本发明涉及电子换向的电机，对于所述电子换向的电机而言借助于对感应电压的确定来无传感器式地检测转子的转子位置。特别地，本发明涉及一种用于无传感器式地确定转子位置的方法。
背景技术
为了使电机进行电子换向，有必要确定转子的转子位置（对于旋转的机器而言是转动件的转动件位置），以便从中获知有待施加的转动场或者场向量的当前的方向和强度。除了大量的、用于基于传感器地检测转子位置的方法之外，还越来越多地使用一些方法，在这些方法中在已知的电参量、例如相电压和相电流的基础上确定转子位置。
这些方法之一被称为反电动势法（Back-EMF-Verfahren），用该反电动势法从在电机的相位之一内的感应电压中获知转子位置。在此将所确定的转子位置分配给所述感应电压的过零点的位置。因为为了测量所述感应电压而有必要无电流地切换相应的相接头，其中应该在所述相应的相接头上测量所述感应电压，所以在使用所述反电动势法时在对于合适的用于电子换向的通电模式的选择方面存在着限制。此外，借助于所述反电动势法通常仅仅在这样的电机中才能精确地进行转子位置确定，对于这样的电机而言所述感应电压描绘了近似正弦形的曲线变化并且相电压根据逆变器的类型不是通过逆变器来提供，因为对于逆变器而言不能无电流地切换相接头。
为了测量所述感应电压，通常根据预先给定的脉宽调制来设置通电模式的中断形式的消隐期。在消隐期期间无电流地切换相关的相位，在该相位中预料到所述感应电压的过零点，并且实施对于所述感应电压的大小或者梯度的测量，以便在消隐期期间确定所述感应电压的过零点的时刻。
但是，消隐期的设置与在电机的运行中产生的增大的噪声相关联。用反电动势法通常不可以进行例如对于噪声特性而言有利的持久的电压预先规定（无消隐期）。所述感应电压的曲线变化偏离纯粹正弦的曲线变化的程度越大，所熟知的、用于无传感器式地运行正弦形的机器的方法的质量、例如无传感器的场导向的调节的质量就越下降。
此外，可以设置一种用于获知旋转的、多相的、电子换向的电机的转子位置的方法，所述电机具有多个相绕组，所述相绕组通过相接头能通电。在此确定所述电机的相接头上的相电压和相电流，并且从所确定的相电压和电流中获知所述电机的相接头上的感应电压。以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压而确定的电压向量，并且作为所述感应电压的以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照而提供的电压向量的空间向量角来获知所述转子位置。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种方法和一种装置，用所述方法和所述装置即使在电压为非正弦形的情况下也可以以简单的方式来无传感器式地获知所述转子位置。
该任务通过根据权利要求1所述的、用于无传感器式地获知转子位置的方法以及通过根据并列权利要求所述的装置、发动机系统和计算机程序产品来解决。
本发明的其他有利的设计方案在从属权利要求中得到了说明。
根据第一方面，设置了一种用于无传感器式地获知旋转的、多相的、电子换向的电机的转子位置的方法，其中所述电机具有多个相绕组，所述相绕组通过相接头能通电，所述方法包括以下步骤：
-确定所述电机的相接头上的相电压和相电流；
-从所确定的相电压和相电流中获知所述电机的相接头上的感应电压；并且
-以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压而确定的电压向量；
其中使所述感应电压的以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照而提供的电压向量的空间向量角计算式地以所述转子位置的估计值为幅度旋转；
其中对旋转的电压向量进行低通滤波；并且
其中在所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量的角位置的基础上为接下来的计算周期确定所述转子位置的估计值。
上述方法的构思在于，间接地通过所述感应电压的估计误差来检测转子位置估计误差。在此，所述感应电压的曲线变化如特别在较小结构尺寸的马达中一样也可能不是正弦形。
通过用于所述感应电压的空间向量的旋转来获知所估计的转子位置，所述空间向量通过所估计的转子位置来如此旋转，使得所述旋转的空间向量对于所述感应电压的基本分量（Grundschwingung）而言在理想情况下旋转到预先给定的位置、例如零位上。因为在运行情况下不存在理想的条件并且尤其不产生所述感应电压的正弦形的曲线变化，所以旋转的电压向量具有通过所述感应电压的高次谐波所引起的频率分量（通过围绕着所述基本分量的旋转而移动）。通过低通滤波将所述高次谐波从处于相同分量中（倒转的基本分量）的有效信号中滤出。由此得到的空间向量在预先给定的位置的附近变化。通过所述感应电压的旋转的电压向量的空间向量角的通过计算算出的旋转以及接下来对于所述感应电压的旋转的电压向量的低通滤波，在固定于定子的范围内实现带通滤波。对如此产生的估计误差进行测评，方法是：获知所述感应电压的所产生的、经低通滤波的、旋转过的电压向量的角位置并且作为估计误差来计算所述偏差角。这种获知要么可以精确地借助于反正切函数来确定要么可以近似地通过近似函数来确定。随后在所述估计误差的基础上为接下来的计算周期确定用于所述所估计的转子位置的数值。通过这种方式也可以在引起所述感应电压的非正弦形的曲线变化的电机中在无传感器的情况下得到转子位置和相应的转速说明。
此外，可以以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压而确定的电压向量，方法是：将所获知的感应电压转换到所述固定于定子的笛卡尔坐标系中，或者方法是：在从所述电机的相接头上的确定的相电压和相电流中获知所述感应电压之前将所述相电压和相电流转换到所述固定于定子的笛卡尔坐标系中。
可以规定，根据转速来选择所述低通滤波的滤波频率和/或带宽。
此外，可以在所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量的角位置的基础上获知估计误差，其中在所述估计误差的基础上确定所估计的转子位置在两个彼此先后相随的计算周期之间的变化。
根据一种实施方式，根据所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量的虚部和实部或者根据所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量的虚部或者实部以及关于转速的说明来获知所述估计误差。
根据另一个方面，设置了一种用于获知旋转的、多相的、电子换向的电机的转子位置的装置，其中所述电机具有多个相绕组，所述相绕组通过相接头能通电，所述装置包括：
-用于确定所述电机的相接头上的相电压和相电流的机构；以及
-控制单元，该控制单元构造用于：
·获知所述电机的相接头上的感应电压；
·以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压而确定的电压向量；并且
·使所述感应电压的以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照而提供的电压向量的空间向量角计算式地以所述转子位置的估计值为幅度旋转；
·对旋转的电压向量进行低通滤波；并且
·在所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量的角位置的基础上来为接下来的计算周期确定所述转子位置的估计值。
根据另一个方面，设置了一种具有旋转的、多相的、电子换向的电机并且具有上述装置的发动机系统。
根据另一个方面，设置了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含程序代码，当在数据处理单元上执行所述程序代码时，所述程序代码在上述方法中实施以下步骤：
-接收关于所述电机的相接头上的相电压及相电流的说明；
-从所接收的相电压和相电流中获知所述电机的相接头上的感应电压；
-以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压而确定的电压向量；
-使所述感应电压的以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照而提供的电压向量的空间向量角计算式地以所述转子位置的估计值为幅度旋转；
-对旋转的电压向量进行低通滤波；并且
-在所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量的角位置的基础上为接下来的计算周期确定所述转子位置的估计值。
附图说明
下面借助于附图来对本发明的优选的实施方式进行详细解释。附图示出：
图1是具有电子换向电机的、用于进行无传感器式运行的发动机系统的方框图；并且
图2是用于从感应电压中确定实际的转子位置的功能方框图。
具体实施方式
图1示出了一种用于运行电机2的发动机系统1。所述电机2优选构造为无刷的、也就是电子换向的电机，例如同步电机、异步电机、磁阻电机（Reluktanzmaschine）或者类似形式的电机。所述电机2构造为多相，并且通过三个相导线（Phasenleitung）3将三个相电压施加到所述电机2上，以用于运行该电机。原则上也可考虑具有其他相位数目的电机，用所述电机可以实施下述方法。
在驱动电路4中产生所述相电压。如果作为发电机来运行所述电机2，则通过所述相导线3从所述驱动电路4中接收电压和电流，在这种情况下所述驱动电路作为转换电路来运行。
下面以作为电机2的驱动马达为出发点。
所述驱动电路4为了运行所述电机2而在时间上彼此先后相随地将相电位（相电压）施加到所述相导线3上，更确切地说根据通过控制导线5提供给所述驱动电路4的控制信号来施加所述相电位。为此，电源（未示出）与所述驱动电路4相连接，所述驱动电路以电源电压的形式提供用于运行所述驱动马达2的电能。
在控制单元6中根据所述电机2的转子的转子位置并且可选地根据所述转子的转子速度或者转速来产生所述控制信号。所述控制单元6例如可以构造为微型控制器。
在当前的情况下，所述发动机系统1应该构造为无传感器的发动机系统，并且从相电压和相电流中推导出所述转子位置或者转速。常见的、用于这方面的方法是借助于所谓的反电动势法来确定感应电压。在所述反电动势法中，获知所述驱动马达2的相支线中的、即所述相导线3中的感应电压Uind的曲线，并且将所述感应电压Uind的过零点的时刻分配给固定的转子位置。
下面以三相的驱动马达2为出发点。在步骤S1中首先测量相电流Ia、Ib、Ic。此外，相电压Ua、Ub、Uc在步骤S2中被获知，并且例如在所施加的电源电压Udc和所述控制单元6的所提供的换向模式的基础上被推导出来。
在步骤S3中，首先将所述相电压Ua、Ub、Uc转换到两相的α-β-空间向量系统中。在此得到：
。
在步骤S4中如下以用数字表示的方式来获知关于被转换到固定于定子的笛卡尔坐标系中的马达电流Iα和Iβ的两个分量的电流导数：
转换到固定于定子的笛卡尔坐标系中的这种做法具有以下优点：所述电压与电流的分量彼此线性独立并且因此没有耦合。
因为不能作为瞬时值而是只能针对过去（或者说前面的计算周期）来计算所述导数，所以接下来在步骤S5中同样必须延迟前面所获知的电流和电压：
。
由此可以产生与所述相应的导数相同的时间戳范围内的电流和电压。
现在可以在步骤S6中以如下方式不仅针对d分量Uindd*k-n而且针对q分量Uindq*k-n计算所述感应电压Uindk-n：
。
在下一个步骤S7中，计算式地使所获知的感应电压的空间向量以所述转子位置的估计值为幅度转动或者旋转，以便将所述感应电压的空间向量固定地保持在一个位置上。以如下方式来实施所述转动或者旋转：
，
其中相当于所预测的转子位置。
现在在步骤S8中对如此获知的、经过改动的感应电压Uinddq*进行低通滤波，以得到UindTPdq*。所述低通滤波引起以下结果：将高次谐波份额从所述感应电压Uinddq*的空间向量信号中滤出。得到了UindTPd=0并且UindTPq=Kω。所述感应电压UindTPdq*的经低通滤波的空间向量现在能够实现通过所述感应电压UindTPdq*的虚部和实部来获知估计误差ε。所述估计误差ε可以在步骤S9中作为通过所述感应电压的d分量和q分量UindTPd*k-n、UindTPq*k-n来形成的空间向量角来获知。
。
这相当于所述感应电压的经低通滤波的d分量UindTPd*k-n的和所述感应电压的经低通滤波的q分量UindTPq*k-n的反正切。为了简化计算，也可以以如下方式简化所述反正切：
，
作为替代方案，也可以通过反正弦在所估计的转速和所述感应电压的经低通滤波的d分量UindTPd*k-n的基础上确定所述估计误差ε。在这里，也可以在所估计的转速的基础上在所述估计误差ε仅仅为几个角度的假设下进行简化。
借助于转子位置观测器可以在步骤S10中以以下关系式来获知在每个第一扫描持续时间Ts1所估计的转子位置：
随着将所述估计误差限制到预先给定的εmax、εmin，可以避免所估计的转子位置的数值变化的起振。在每个第二扫描持续时间Ts2产生：
其中K1、K2相当于预先给定的设计参量，并且Ts1、Ts2相当于用于估计转子位置或者转速的扫描持续时间。所述扫描持续时间Ts1、Ts2可以相同或者不同。
在步骤S11中可以通过转速外推法以如下方式来确定当前的位置：
。
这相当于运行时间补偿。随后跳回到步骤S1，以便实施下一个计算周期。对于第一个计算周期来说，将0假设为所述转子位置的估计值。
上述低通滤波也可以构造为适应性的滤波，根据所估计的转速来实施所述适应性的滤波。尤其可以将所述低通滤波的极限频率固定到通过所述电的空载转速产生的旋转频率的10%与20%之间。由此在转速较低时将所述带宽选择得比在转速较高时小，以保证可靠地将高次谐波滤出。

Claims (8)

1.用于获知旋转的、多相的、电子换向的电机（2）的转子位置的方法，其中所述电机（2）具有多个相导线（3），所述相导线通过相接头能通电，所述方法包括以下步骤：
-确定（S1、S2）所述电机（2）的相接头上的相电压和相电流；
-从所确定的相电压和相电流中获知（S6）所述电机（2）的相接头上的感应电压；并且
-以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压而确定的电压向量；
其特征在于，
使所述感应电压的以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照而提供的电压向量的空间向量角计算式地以所述转子位置的估计值为幅度来旋转（S7）；
对旋转的电压向量进行低通滤波（S8）；并且
在所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量（UindTPdq*）的角位置的基础上为接下来的计算周期确定所述转子位置的估计值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压确定的电压向量，方法是：将所获知的感应电压转换到所述固定于定子的笛卡尔坐标系中，或者方法是：在从所述电机（2）的相接头上的确定的相电压和相电流中获知所述感应电压之前将所述相电压和相电流转换到所述固定于定子的笛卡尔坐标系中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中根据转速来选择低通滤波的滤波频率和/或带宽。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的方法，其中在所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量（UindTPdq*）的角位置的基础上获知估计误差，其中在所述估计误差的基础上确定所述转子位置的估计值在两个彼此先后相随的计算周期之间的变化。
5.根据权利要求4所述的方法，其中根据所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量（UindTPdq*）的虚部和实部或者根据所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量的虚部或者实部以及关于转速的说明来获知所述估计误差。
6.用于获知旋转的、多相的、电子换向的电机（2）的转子位置的装置，其中所述电机（2）具有多个相导线（3），所述相导线通过相接头能通电，所述装置包括：
-用于确定所述电机（2）的相接头上的相电压和相电流的机构；
-控制单元（6），该控制单元构造用于：
·获知所述电机（2）的相接头上的感应电压；
·以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压而确定的电压向量；并且
·使所述感应电压的以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照而提供的电压向量的空间向量角计算式地以所述转子位置的估计值为幅度旋转；
·对旋转的电压向量进行低通滤波；并且
·在所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量（UindTPdq*）的角位置的基础上为接下来的计算周期确定所述转子位置的估计值。
7.具有旋转的、多相的、电子换向的电机（2）并且具有根据权利要求7所述的装置的发动机系统（1）。
8.计算机程序产品，该计算机程序产品包含程序代码，当在数据处理单元上执行所述程序代码时，所述程序代码在根据权利要求1到5中任一项所述的方法中实施以下步骤：
-接收关于所述电机（2）的相接头上的相电压及相电流的说明；
-从所接收的相电压和相电流中获知所述电机（2）的相接头上的感应电压；
-以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照提供所述感应电压的、通过所述感应电压而确定的电压向量；
-使所述感应电压的以固定于定子的笛卡尔坐标系为参照而提供的电压向量的空间向量角以所述转子位置的估计值为幅度计算式地旋转；
-对旋转的电压向量进行低通滤波；并且
-在所述感应电压的经低通滤波的、旋转过的电压向量（UindTPdq*）的角位置的基础上为接下来的计算周期确定所述转子位置的估计值。
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