CN105375846B - 用于诊断电机旋转变压器偏移的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于诊断电机旋转变压器偏移的方法，其包括：获取旋转变压器的预定偏移；在第一瞬态下，将励磁电流供应到电机的相位，以确定将探测励磁电流注入到电机最小磁阻的轴线d上，轴线d的位置确定为旋转变压器预定偏移的函数；在第二和第三瞬态下，将励磁电流供应到电机的相位，以确定将探测励磁电流注入到电机轴线d上，轴线d的位置确定为旋转变压器的偏移的函数，该偏移相对于预定偏移以超过或不足预定偏移的方式改变预定的偏差量。如果在第一瞬态下在轴线d上建立的电流高于在第二或第三瞬态下在轴线d上建立的电流，或者如果在第一瞬态下在轴线q上建立的电流低于在第二或第三瞬态下在轴线q上建立的电流，则诊断旋转变压器的偏移的正确性。

Description

用于诊断电机旋转变压器偏移的方法
技术领域
本发明通常涉及电机，以及具体地涉及用于识别电机中转子和定子相互定位的诊断方法，所述电机具体是具有内部磁铁的无刷电动马达，诸如像用于车辆的驱动马达。
更具体地，本发明涉及用于诊断电机旋转变压器偏移的方法。
背景技术
电机，诸如用于电动或混合动力车辆的电动起动马达或驱动马达，通常装备有用于检测角位置的装置或适于确定电机旋转轴和静止部之间的相互角位置的旋转变压器，相互角位置对应于转子和定子之间的相互角位置。
关于转子和定子之间角位置的信息在电机控制方面是不可缺少的，从而用于控制马达的包括用于产生马达励磁电流的逆变电路的单元能够控制以正确的方式将电流注入马达内，控制马达在所需方向上旋转。
旋转变压器是角位置的模拟变换器，其包括与转子或与电机旋转轴相关联的移动部件以及与定子或电机的另外静止部分相关联的固定部件。该旋转变压器包括正弦励磁电流(具有高于角速度的角频率ω)流动通过其的励磁绕组和电相位正交的两个固定绕组(刚性地附连到固定部件)。励磁绕组可刚性地附连到移动部件，或者如果移动部件具有至少一对磁极，则励磁绕组也可容纳在固定部件上。
旋转变压器的操作原理如下：设置成旋转的移动部件在固定绕组中诱导包括两个分量的电动势：由于励磁电压Vr上的变化导致的变压器型起源的第一分量，和由于移动部件相对于固定绕组的相对运动导致的第二分量，该电动势正比于由移动部件的位置相对于预定基准所确定的角度θ的正弦或余弦。当励磁绕组或移动部件的特定磁极与两个固定绕组之一对准时选择θ＝0，用于固定绕组端部处的电压信号Vs1和Vs2的表达式分别为：
Vr(t)＝VRsin(ωt)
vs1＝VR·sin(ω·t)·cos(θ)
vs2＝VR·sin(ω·t)·sin(θ)
移动部件角位置的正弦和余弦利用在绕组励磁上存在的角频率ω在幅度上调制载波(carrier)。从固定绕组端部处的电压信号Vs1和Vs2，通过解调制，能够得到角度θ的估计值。
在电动马达的生产线中，旋转变压器的移动部件和固定部件在随机的未确定的位置下稳定地附连到电机，或作为替代方案，如果用于旋转变压器相对于马达定子进行装配的控制程序在接近标称值的位置下设置，考虑到装配公差，由此在旋转变压器的基准位置和电动马达最小磁阻的基准位置之间建立偏差，通常已知为旋转变压器的偏移。
该位置在电动马达的装配线结束时进行测量，并作为旋转变压器的预定偏移存储在马达控制单元内的存储器中。
用于校准旋转变压器偏移的方法从美国2014/015457已知。
在电动马达的正常操作中，控制单元基于旋转变压器获知旋转变压器偏移的输出信号能够确定马达的正确角位置(定子和转子之间的相互角位置)。
在电动马达的正常操作期间，有可能例如在转子上以相对于在生产现场施加的预定偏移而改变旋转变压器的偏移的方式发生异常。
如果马达的控制单元不能识别旋转变压器偏移上的改变，则后者即旋转变压器就不再能够确定马达的正确角位置或马达的最小磁阻位置，这会导致提供较低的扭矩或产生甚至严重的不利之处，诸如当车辆正在被驱动时在加速和减速方面的意想不到的行为，以及作为马达错误控制的结果，导致确定马达驱动轴受阻的转子破裂或小齿轮破裂。
同样不利的是，在用于驱动的起动阶段中使用电动马达的情况下，由控制单元对转子位置的错误解译可导致施加到驱动轴的扭矩的符号正负性方面相对于所要求的颠倒，造成车辆移动在与所希望方向的相反方向上移动，结果这会对于车上或其周围的人造成严重风险。
发明内容
从而本发明的目的在于提供解决上述问题、同时避免已知技术缺点的满意的解决方案。
具体地，本发明的目的是提供一种方法，其可在电动马达上实施，以便识别旋转变压器偏移的改变，例如意外导致的旋转变压器偏移的改变，即用于识别旋转变压器的实际偏移是否对应于旋转变压器的预定偏移。
根据本发明，这样的目的通过下述用于诊断电机旋转变压器偏移的方法来实现，即：
用于诊断电机旋转变压器偏移的方法，其包括：获取旋转变压器的与所述电机相关联的预定偏移；在第一瞬态下，将励磁电流供应到所述电机的相位，以便确定在与所述电机转子相关联的旋转两相基准系统d-q中电机最小磁阻的轴线上的探测励磁电流的注入，其中所述最小磁阻轴线的位置作为旋转变压器所述预定偏移的函数来确定；作为所述励磁电流的结果，确定在最小磁阻轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流，其作为在所述电机的相位上所检测到的电流的函数；其中所述方法进一步包括：分别在第二和第三瞬态下，将励磁电流供应到所述电机的相位，以便确定探测励磁电流到所述电机最小磁阻轴线上的注入，其中所述最小磁阻轴线位置作为旋转变压器的偏移变化的函数来确定，旋转变压器的所述偏移相对于旋转变压器的预定偏移以超过或不足预定偏移的方式改变预定的偏差量；如果在第一瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流高于在第二或第三瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流，或者如果在第一瞬态下在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流低于在第二或第三瞬态下在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流，则诊断旋转变压器的预定偏移的正确性；或者如果在第一瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流低于在第二或第三瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流，或者如果在第一瞬态下在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流高于在第二或第三瞬态下在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流，则诊断旋转变压器的预定偏移上的误差。
具体的实施例形成下述主题，其内容意旨形成本说明书的一体的组成部分，即：
优选地，进一步包括：如果当探测励磁电流注入到确定为旋转变压器偏移函数的最小磁阻轴线上时，在第二瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流以超过旋转变压器预定偏移的方式在相反相位上改变预定的偏差量，或者如果当探测励磁电流注入到确定为旋转变压器偏移函数的最小磁阻轴线上时，在第三瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流以不足旋转变压器预定偏移的方式在同相上改变预定的偏差量，则诊断旋转变压器的预定偏移的正确性。
优选地，进一步包括：如果当探测励磁电流注入到确定为旋转变压器偏移函数的最小磁阻轴线上时，在第二瞬态下和在第三瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流以超过或不足旋转变压器预定偏移的方式在同相或相反相位上改变预定的偏差量，则诊断旋转变压器的预定偏移上的误差。
优选地，所述偏移的预定偏差量不大于20°。
优选地，通过施加至少一个电压脉冲来获得施加到电机的相位上的所述励磁电流，电压脉冲不产生到电机的任何扭矩。
优选地，所述至少一个电压脉冲具有在预定频率下的正弦波形。
优选地，所述预定频率在400Hz至1.2kHz之间。
优选地，所述预定频率在800Hz的量级上。
优选地，包括计算在特定的时间段内作为所述励磁电流的结果而在最小磁阻的轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流的平均值。
优选地，当所述电机不移动时执行所述方法。
优选地，在每次起动使得电机移动之前执行所述方法。
本发明的另一主题是布置成用于实施本发明方法的用于诊断电机的旋转变压器偏移的系统。
总而言之，本发明基于诊断电机旋转变压器偏移的原理，先验已知由于在生产现场确定，目的是确定关于电机角位置的信息的正确性，即验证旋转变压器预定偏移的有效性，即验证旋转变压器的预定偏移和旋转变压器的实际偏移之间的对应关系。
电机旋转变压器的偏移诊断意味着验证旋转变压器的角位置与电机转子和定子之间的相互角位置之间的正确定相。
假定偏移的正确性，即旋转变压器的实际偏移与旋转变压器的预定偏移的对应性，通过以脉冲模式在假定的最小磁阻的预设配置下以及在预设位置下激励马达来验证，假定的最小磁阻作为先验已知的旋转变压器偏移的函数来确定，预设位置相对于假定的最小磁阻位置在角度上位移校准值。电机最小磁阻的位置是已知位置(从获知旋转变压器的预定偏移的旋转变压器获得)，所述已知位置从定子相(通常与相位a相关联)的磁轴和转子轴之间的相移而获得，转子轴与同磁场线更不一致的磁路重合。换言之，最小磁阻配置是这样的一种配置，对于这种配置，施加到电机相位的电压专门确定在与电机相位对准的轴线上的励磁电流，由此不产生电磁驱动扭矩。
附图说明
本发明的进一步的特征和优点将在参照所附附图通过非限制性实例方式给出的一个实施例的以下详细描述中更详细地呈现，其中：
图1是电动马达中的电流从三相基准系统(ABC)变换到旋转两相基准系统(d-q)的代表图；
图2示出在本发明主题方法应用条件下的电流d-q的演变；
图3a-3c示出在本发明主题方法应用条件下的对于电流d-q的相位比较；以及
图4是用于诊断电机旋转变压器偏移的系统的框图，其布置成用于应用本发明主题方法。
具体实施方式
为了正确地理解本发明主题的方法，在下文经由介绍的方式，将数学理论以基准系统从三相基准系统(电机的相位A，B，C)到旋转两相基准系统(d-q)的直接和逆向变换(“帕克变换”)来呈现，其旋转时对准电机的转子，反之亦然。
在图1中，转子的旋转速度用ω表示，轴线d为最小磁阻的轴线，以及轴线q在相对于所述轴线d正交的相位下。
考虑到电流的变换(但相同的变换也适用于电压)，基准系统ABC首先转换成静止的基准系统d-q(在图中以顶点s示出)，其中轴线通过变换矩阵位于静止的基准下：
(其中，电流ic＝-ia–ib)
从静止的两相基准系统，下面的矩阵允许从电流ds-qs过渡到在旋转基准系统d-q下的电流d-q：
通过应用以下矩阵来实施变换，应用所述变换以便获得从旋转基准系统d-q到三相基准系统ABC的逆向变换：
和
形成本发明主题的用于诊断电动马达旋转变压器偏移的方法利用不处于运动状态下的马达经由将在预设频率(例如在400Hz至1.2kHz之间的范围内，以及优选约800Hz)下具有正弦波形的电压脉冲施加到马达的相位来执行，以这种方式以至于确定探测励磁电流的脉冲在系统最小磁阻轴线(轴线d)上的注入，并评估这些对在最小磁阻轴线(轴线d)和在与其正交的轴线(轴线q)上所建立的电流的影响。
在马达中，根据帕克变换的上述方程通过在相位上建立电压或注入电流而在系统的轴线d上发生探测电流的注入，而不会产生扭矩。以类似的方式，通过读取在马达相位上的电流并根据上述方程解译来确定在最小磁阻轴线与正交的轴线上的电流。
用于验证旋转变压器偏移的策略包括两个阶段。
在马达中，假定最小磁阻的配置，仅在该系统的轴线d上注入的探测的励磁电流对应于电流最大值，并正比于在该轴线上的注入探测电流的强度且正比于在正交轴线上的理论上为零的电流。
在其中没有验证最小磁阻配置的情况下，探测励磁电流被注入到非正确的基准系统内，但相移的角度等于从最小磁阻配置的偏移。该偏移对应于旋转变压器偏移上的误差，即对应于其中旋转变压器的预定偏移不对应于旋转变压器实际偏移的情况。
通过将相同的探测励磁电流应用到非正确基准系统的轴线d上，在轴线d上获得具有小于前述值的值的电流，以及在轴线q上获得具有高于通过将探测励磁电流应用到在最小磁阻配置下的电机所获得值的值的电流。
这些条件在图2中示出，分别在用参考标记A和B表示的区域中高亮显示。
关于旋转变压器偏移正确性的一个另外的信息可通过评估电流d-q的相位来获得。
将探测励磁电流分别以已知为旋转变压器偏移函数的关于最小磁阻的假定配置过量和不足的方式注入到通过预设和校准值平移(translated)的两个基准系统内，对于两个基准系统而言可以通过下式测量从轴线d上和轴线q上的电流所导致的值的符号和幅度：
iestimated reference system＝iq·sign(id)
图3a，3b，3c示出在旋转变压器正确偏移的情况下的可能条件。
在图3a中，应当注意到，在最小磁阻的配置中，马达通过其响应于施加探测励磁电流的电流只在轴线d上(曲线D)，在轴线q上(曲线Q)具有可忽略的电流值。在其中用于施加探测励磁电流的基准系统被平移超过相对于最小磁阻配置的预定和校准值的情况下，希望确定在不同基准下的系统响应，电流d-q彼此相位相反(图3b)，而在在其中用于施加探测励磁电流的基准系统被平移小于相对于最小磁阻配置的预定和校准值的情况下，电流d-q同相(图3c)。
从前面的论述，应当理解的是，在其中两个项具有相反符号的情况下，通过其确定马达角位置的旋转变压器的偏移绝对是正确的。在另一方面在两个项具有相同符号的情况下，通过其确定马达角位置的旋转变压器的偏移是不正确的。
验证的上述方法通过大致以图4中所呈现的系统来实施。
电动马达由10指示，通过逆变电路的调制模块12可操作地控制，其在输入端从控制模块PI 14接收用于马达致动的每个相位下的电压命令，以及从框16接收用于验证旋转变压器的偏移的电压命令，用于每个相位的探测电流的控制信号表示为SA，SB，SC。这些信号从电流调制器20通过基准系统变换模块22产生。
用于验证旋转变压器偏移的框16还包括用于诊断转子位置的处理模块30，用于计算平均值的模块32耦联到处理模块30的输入端，用于计算平均值的模块32设置在耦联到电动马达输出端的基准系统变换模块34的下游。
该方法由图中的系统如下实施。
该方法利用不处于运动状态的马达来执行，由此由控制模块PI 14所产生的用于致动马达的命令被暂时禁止，或否则针对每个相位的相位电压为被设置为零。
由电流调制器20所产生的正弦电压波形经由模块22从旋转两相基准系统d-q变换到三相系统A，B，C，并作为用于每个相位的探测励磁电流的一组三个控制信号(表示为SA，SB，SC)供应到马达，其中角度预定作为策略相位的函数。在第一相位下，旋转变压器的相同偏移角度如在车辆的正常运行中使用的那样使用。在第二相位下，使用其值相对于旋转变压器的偏移角度改变了预定和可校准量的角度(优选不大于20°)，以这种方式以至于评估在不同的基准系统中的电机响应。
本发明主题的诊断方法从而在考虑由旋转变压器读取的转子位置的第一瞬态(在探测励磁电流的第一脉冲之后)，在考虑由旋转变压器读取的转子位置相移预定的额外角度的第二瞬态(在探测励磁电流的第二脉冲之后)，在考虑由旋转变压器读取的转子位置相移减小的预定角度的第三瞬态(在探测励磁电流的第三脉冲之后)下执行。
在电机绕组上测得的电流在模块34中从三相基准系统A，B，C变换到旋转两相基准系统d-q。
有利的是，移动平均应用到从三相基准系统到旋转两相基准系统的变换所得的电流d-q的值，其用于获得恒定的指示器，针对三个测量瞬态中的每一个对于通常为100毫秒持续时间的正在考虑中的瞬态可更容易地分析所述恒定的指示器。移动平均通过对值取平均来执行，假定每个电流在对应于瞬态或对应于其自身内部间隔的预定时间段内。
该过程允许评估系统通过由车辆使用的转子位置而施加的电流d-q，并随后通过改变探测励磁电流施加到其中的基准系统来评估这是否是正确位置(因而具有最小磁阻)。
在第一瞬态期间，在其中假定的最小磁阻配置是正确的(已知旋转变压器的偏移是正确的)情况下，轴线d的电流高于在其它瞬态下所获得的电流，以及轴线q上的电流低于在其它瞬态下所获得的电流。
在由于获知旋转变压器的偏移上的误差而在假定的最小磁阻配置中存在误差的情况下，当基准从被读取的一个基准位移时，始终可获得轴线d的低于在第一瞬态下所评估电流的电流以及轴线q上的高于在第一瞬态下所评估电流的电流。
根据该方法，基于电流d-q的相位进一步执行第二控制。
如果假定的最小磁阻配置是正确的(已知旋转变压器的偏移是正确的)，将获得两个电流d-q，其相位关系如下：如果位置相对于读取的位置超过其偏移(第二瞬态，参见图3b)则在反相下，以及如果位置相对于读取的位置偏移不足(第三瞬态，参见图3c)则在同相下。
在其中假定的最小磁阻配置是不正确的(由于在获知旋转变压器的偏移上的误差)的情况下，无论是在第二瞬态还是在第三瞬态下，将获得电流d-q的相同相位。在这种情况下，对于过量偏移以及偏移不足而言，如果由旋转变压器读取的转子位置超过最小磁阻所读取的转子位置，则将获得图3b中的行为，而如果由旋转变压器读取的转子位置不正确并且相对于由最小磁阻所读取的转子位置不足，对于过量偏移以及偏移不足而言，将获得图3c中的行为。
当电机静止时专门实施本发明主题的方法，例如，在当前优选的实施例中，在每次起动使得电机移动之前，例如针对300毫秒量级的时间段而言，用户可能察觉不到该时间段，用户例如配备有上述电动马达的车辆的驾驶员。本发明主题的方法可便利地在存在零扭矩需求的静止或停止车辆的任何其它类似条件下实施，例如当车辆在红绿灯处驻车或停止时。
如将变得显而易见的那样，本发明主题的方法在不把移动施加到电机转子上的情况下执行，由此其也可在电动驱动马达被直接施加到车轮的车辆中实施，而不会造成这些的不希望的移动。
自然地，在保持本发明原理的情况下，实施例和实施方式的细节将能够相对于纯粹通过非限制性实例的方式描述和示出的那些进行广泛地改变，但是上述改变不脱离由所附权利要求所限定的本发明的保护范围。

Claims (11)

1.用于诊断电机旋转变压器偏移的方法，其包括：
获取旋转变压器的与所述电机相关联的预定偏移；
在第一瞬态下，将励磁电流供应到所述电机的相位，以便确定在与所述电机转子相关联的旋转两相基准系统d-q中电机最小磁阻的轴线上的探测励磁电流的注入，其中所述最小磁阻轴线的位置作为旋转变压器所述预定偏移的函数来确定；
作为所述励磁电流的结果，确定在最小磁阻轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流，其作为在所述电机的相位上所检测到的电流的函数；
其特征在于所述方法进一步包括：
分别在第二和第三瞬态下，将励磁电流供应到所述电机的相位，以便确定探测励磁电流到所述电机最小磁阻轴线上的注入，其中所述最小磁阻轴线位置作为旋转变压器的偏移变化的函数来确定，旋转变压器的所述偏移相对于旋转变压器的预定偏移以超过或不足预定偏移的方式改变预定的偏差量；
如果在第一瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流高于在第二或第三瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流，或者如果在第一瞬态下在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流低于在第二或第三瞬态下在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流，则诊断旋转变压器的预定偏移的正确性；或者
如果在第一瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流低于在第二或第三瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流，或者如果在第一瞬态下在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流高于在第二或第三瞬态下在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流，则诊断旋转变压器的预定偏移上的误差。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
如果当探测励磁电流注入到确定为旋转变压器偏移函数的最小磁阻轴线上时，在第二瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流以超过旋转变压器预定偏移的方式在相反相位上改变预定的偏差量，或者如果当探测励磁电流注入到确定为旋转变压器偏移函数的最小磁阻轴线上时，在第三瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流以不足旋转变压器预定偏移的方式在同相上改变预定的偏差量，则诊断旋转变压器的预定偏移的正确性。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
如果当探测励磁电流注入到确定为旋转变压器偏移函数的最小磁阻轴线上时，在第二瞬态下和在第三瞬态下在最小磁阻轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流以超过或不足旋转变压器预定偏移的方式在同相或相反相位上改变预定的偏差量，则诊断旋转变压器的预定偏移上的误差。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于所述偏移的预定偏差量不大于20°。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过施加至少一个电压脉冲来获得施加到电机的相位上的所述励磁电流，电压脉冲不产生到电机的任何扭矩。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述至少一个电压脉冲具有在预定频率下的正弦波形。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述预定频率在400Hz至1.2kHz之间。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述预定频率在800Hz的量级上。
9.根据权利要求1所述的方法，包括计算在特定的时间段内作为所述励磁电流的结果而在最小磁阻的轴线上建立的电流和在相对于最小磁阻轴线在相位上正交的轴线上建立的电流的平均值。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当所述电机不移动时执行所述方法。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于在每次起动使得电机移动之前执行所述方法。
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