CN106887980A - 确定永磁电机的停靠位置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定永磁电机的转子的停靠位置的方法。该方法包括施加第一电压到电机的相绕组；测量第一参数；从相绕组移除第一电压；等待相绕组中的电流降低到零；施加第二电压到电机的相绕组，第二电压具有与第一电压相反的极性；测量第二参数；比较第一参数和第二参数；以及如果第一参数小于第二参数则确定转子在第一停靠位置，且如果第一参数大于第二参数则确定转子在第二停靠位置。第一参数和第二参数每个对应于(i)绕组中的电流超过阈值所用的时间；和(ii)绕组中的电流在时间间隔终点处的幅度中的一个。

Description

确定永磁电机的停靠位置

技术领域

本发明涉及确定永磁电机的转子的停靠位置的方法。

背景技术

为了启动永磁电机，需要知道转子停靠在哪个位置，从而适当极性的电压可以被施加到相绕组。电机可以包括霍尔效应传感器，用于确定转子的位置。然而，传感器的位置误差可意味着传感器不能可靠地确定转子的停靠位置。作为对霍尔效应传感器的替代，电机可以使用无传感器方案来确定转子的位置。然而，无传感器方案通常需要转子运动以确定转子的位置。

发明内容

本发明提供了一种确定永磁电机的转子的停靠位置的方法，该方法包括施加第一电压到电机的相绕组；测量第一参数，该第一参数对应于(i)相绕组中的电流超过阈值所用的时间；和(ii)相绕组中的电流在一时间间隔终点处的幅度中的一个；从相绕组移除第一电压；等待相绕组中的电流降低到零；施加第二电压到电机的相绕组，第二电压具有与第一电压相同的幅度但是相反的极性；测量第二参数，该第二参数对应于(i)相绕组中的电流超过阈值所用的时间；和(ii)相绕组中的电流在时间间隔终点处的幅度中的一个；比较第一参数和第二参数；以及如果第一参数小于第二参数则确定转子在第一停靠位置，且如果第一参数大于第二参数则确定转子在第二停靠位置。

当电压施加到相绕组，定子磁场被产生。随着相电流增大，定子磁通密度增大且最终开始饱和。当定子饱和时，相绕组的电感减小且由此相电流以更快的速度升高。取决于施加电压的极性和转子的停靠位置，转子磁通将与定子磁通对齐或相反。当转子磁通与定子磁通对齐时，饱和更快地发生且由此相电流以更快的速率升高。相反，当转子磁通与定子磁通相反时，饱和更慢地发生且由此相电流以更慢的速率升高。本发明利用该行为来确定转子的停靠位置。特别地，第一电压被施加到相绕组且第一参数被测量。第二电压被施加到相绕组且第二参数被测量。由于第二电压具有与第一电压相反的极性，转子磁通将在两个测量中的一个期间与定子磁通对齐，且转子磁通将在两个测量的另一个期间与定子磁通相反。取决于转子的停靠位置，第一参数将小于或大于第二参数。本发明由此能够确定转子的停靠位置，而不需要霍尔效应传感器等。

可想象，转子的位置可以通过仅测量第一参数并且将该第一参数与鉴定阈值比较来确定。例如，如果第一参数小于该鉴定阈值，转子可以被确定为处于第一停靠位置，且如果第一参数大于该阈值则处于第二停靠位置。然而，电机中的公差以及电机的温度改变将引入变化到测得的参数。结果，测得的参数可能在应该大于的时候小于鉴定阈值，或反之亦然。方法于是将错误地确定转子的停靠位置。通过测量和比较两个参数，转子的停靠位置可以更可靠地确定。特别地，即使存在与两个参数的每个相关联的差异，一个参数将继续小于另一个。结果，转子的停靠位置可以更可靠地确定。

该阈值或时间间隔不是必须预先确定或固定，只要在测量两个参数的每个时相同的阈值和相同的时间间隔被使用。从而，例如方法可包括根据施加电压的幅度选择阈值或时间间隔。

等待相绕组中的电流降低到零可包括等待特定时间段，该时间段足以使得电流降低到零。这于是具有益处在于不必在第一电压已经移除之后测量相电流，且由此更便宜的电流传感器可以被使用。替代地，等待相绕组中的电流降低到零可包括测量相电流，然后只有当测得的相电流抵达零时施加第二电压。

本发明还提供了一种永磁电机，包括转子、定子和控制系统，所述控制系统配置为执行上述方法。

控制系统可包括逆变器、门驱动器、控制器和电流传感器。逆变器然后被联接到相绕组，且门驱动模块响应于控制器输出的控制信号而驱动逆变器的开关的断开和闭合。电流传感器输出信号，其提供了相绕组中电流的测量值。控制器输出第一组控制信号使得第一电压被施加到相绕组，使用由电流传感器输出的信号测量第一参数，输出第二组控制信号使得第一电压被从相绕组移除，输出第三组控制信号使得第二电压被施加到相绕组，使用由电流传感器输出的信号测量第二参数，比较第一参数和第二参数，且响应于比较确定转子的停靠位置。

附图说明

为了使本发明可能更容易理解，现在将通过示例参照附图描述本发明的实施例，附图中：

图1是根据本发明的永磁电机的示意图；

图2详细说明了逆变器响应于由永磁电机的控制器发出的控制信号的允许状态；

图3示出了永磁电机的转子，当停在(a)第一位置和(b)第二位置时；以及

图4是由永磁电机的控制系统执行的方法的流程图，用于确定转子的停靠位置。

具体实施方式

图1的永磁电机1包括转子2、定子3和控制系统4。

转子2包括固定到轴6的四极永磁体5。定子3包括一对芯部7，其具有四个凸极，和绕芯部缠绕的相绕组8。

控制系统4包括逆变器10、门驱动器11、控制器12和电流传感器13。

逆变器10包括将相绕组8联接电源(未示出)的电压轨25、26的四个功率开关Q1-Q4的全桥。

门驱动器模块11响应于控制器12输出的控制信号驱动开关Q1-Q4的断开和闭合。

控制器12负责控制电机1的操作并且产生三种控制信号：DIR1,DIR2和FW#。控制信号被输出到门驱动器模块11，门驱动器模块10作为回应驱动开关Q1-Q4的断开和闭合。

当DIR1被拉到逻辑高且DIR2被拉到逻辑低时，门驱动器模块11闭合开关Q1和Q4并且断开开关Q2和Q3。结果，具有第一极性的电压被施加到相绕组8，导致电流被从左到右驱动通过相绕组8。相反地，当DIR2被拉到逻辑高且DIR1被拉到逻辑低时，门驱动器模块11闭合开关Q2和Q3并且断开开关Q1和Q4。结果，具有第二相反极性的电压被施加到相绕组8，导致电流被从右到左驱动通过相绕组8。DIR1和DIR2由此控制施加到相绕组8的电压的极性，且由此通过相绕组8的电流的方向。如果DIR1和DIR2两者都被拉到逻辑低，则门驱动器模块11断开所有开关Q1-Q4。

当FW#被拉到逻辑低时，门驱动器模块11断开高侧开关Q1、Q3。在相绕组8中的电流于是绕逆变器10的低侧回路沿由DIR1和DIR2限定的方向循环或续流。每个开关Q1-Q4沿单个方向导通，但是包括体二极管。绕逆变器10的低侧回路续流的电流由此流动通过低侧开关Q2、Q4中的一个并且通过低侧开关Q2、Q4中的另一个的体二极管。一些类型的功率开关在闭合时能够沿两个方向导通。在这种情况下，当FW#被拉到逻辑低时，两个低侧开关Q2、Q4可以被闭合，使得电流流动通过开关Q2、Q4两者，而不是通过体二极管中的一个。

图2总结了开关Q1-Q4响应于控制器12的控制信号的允许状态。本文中，术语“设置”和“清除”将被用于分别指示信号已经被拉到逻辑高和低。

电流传感器13包括定位在逆变器10和零电压轨之间的检测电阻R1。跨电流传感器13的电压提供当DIR1或DIR2被设置时相绕组8中的电流的测量值。跨电流传感器13的电压被作为信号I_PHASE输出至控制器12。

当转子2静止时，转子2停靠在四个位置中的一个中。然而，由于转子2的旋转对称，转子2可以被认为提到在两个可区别的位置中的一个中。图3(a)示出了转子2在第一停靠位置，图3(b)示出了转子2在第二停靠位置。

如果转子2停靠在第一位置，且正电压被施加到相绕组8，得到的定子场将沿比如顺时针方向驱动转子2。然而，如果转子2停靠在第二位置，且相同正电压被施加到相绕组8，得到的定子场将沿逆时针方向驱动转子2。控制器12由此需要知道转子2停靠在哪个位置，以便于施加适当极性的电压到相绕组8。

为了确定转子2的停靠位置，控制系统4执行图4中示出的方法。控制器12通过设置DIR1、清除DIR2并且设置FW#开始。同时，控制器12启动内部计时器(步骤S20)。作为设置DIR1的结果，第一电压被施加到相绕组8。在相绕组8中的电流由此增加。控制器12经由I_PHASE信号监控相电流的幅度(步骤S21)。当相电流超过阈值时(步骤S22)，控制器12清除FW#并且停止内部计时器(步骤S23)。内部计时器的值对应于相电流从零增加到阈值所用的时间。控制器12存储该时间值为第一间隔，且重置计时器(步骤S24)。作为清除FW#的结果，第一电压被从相绕组8移除，且相电流绕逆变器的低侧回路续流。相电流8由此减小。控制器12于是等待直到相电流降低到零(步骤S25)。电流传感器13不能够在续流期间测量相电流。控制器12由此等待足以使得相电流降低到零的时间段。该时段的长度将本质上取决于电机1的特性(例如相绕组8的电感)以及阈值的幅度。在该设定时段的终点处，控制器12清除DIR1，设置DIR2并且设置FW#。同时，控制器12重启计时器(步骤S26)。作为设置DIR2的结果，第二电压被施加到相绕组8。第二电压具有与第一电压相同的幅度，但是相反的极性。在相绕组8中的电流再次增加且控制器12经由I_PHASE信号监控相电流的幅度(步骤S27)。尽管相绕组8中的电流现在沿相反方向流动，穿过电流传感器13的电流的方向没有改变。电流传感器13由此对相电流的幅度而不是极性敏感。当相电流超过阈值时(步骤S28)，控制器12清除FW#并且停止内部计时器(步骤S29)。计时器的值再次对应于相电流从零增加到阈值所用的时间。控制器12于是存储该计时器值为第二间隔(步骤S30)。最后，控制器12比较第一间隔和第二间隔(步骤S31)。如果第一间隔小于第二间隔，则控制器12确定转子2处于第一停靠位置(步骤S32)。否则，控制器12确定转子2处于第二位置(步骤S33)。

当电压施加到相绕组8，定子磁场被产生。随着相电流增大，定子磁通密度增大且最终开始饱和。当定子3饱和时，相绕组的电感减小且由此相电流以更快的速度升高。取决于施加电压的极性和转子2的停靠位置，转子磁通将与定子磁通对齐或相反。当转子磁通和定子磁通对齐时，定子3的饱和更快地发生。结果，相电流采用更短的时间段达到阈值。相反地，当转子磁通和定子磁通相反时，定子3的饱和更慢地发生。结果，相电流采用更长的时间段达到阈值。控制器12于是利用该行为来确定转子2的停靠位置。特别地，控制器12布置为通过设置DIR1来施加第一电压到相绕组8。控制器12然后测量相绕组达到阈值所用的时间，且存储该时间为第一间隔。然后，控制器12布置为通过设置DIR2来施加相反极性的第二电压到相绕组8。控制器12然后测量相绕组达到阈值所用的时间，且存储该时间为第二间隔。通过施加正电压和负电压两者到相绕组8，转子磁通将在两个间隔中的一个期间与定子磁通对齐，且转子磁通将在两个间隔的另一个期间与定子磁通相反。取决于转子2的停靠位置，第一间隔将小于或大于第二间隔。为了本公开的目的，转子磁通被假设为当DIR1被设置且转子2在第一停靠位置时与定子磁通对齐。因此，当转子2处于第一停靠位置时，第一间隔小于第二间隔，且当转子2处于第二停靠位置时，第一间隔大于第二间隔。

为了确定转子2的停靠位置，控制器12测量和比较两个间隔。第一间隔在具有第一极性的电压被施加到相绕组8时测量，且第二间隔在具有第二相反极性的电压被施加到相绕组8时候测量。可想象地，控制器12可以通过施加仅一个极性的电压到相绕组8而测量单个间隔。控制器12于是可以比较测得的间隔和鉴定阈值。特别地，如果测得的间隔小于鉴定阈值(即如果相电流达到阈值所用的时间相对较短)，控制器12将确定转子2处于第一停靠位置。相反地，如果测得的间隔大于鉴定阈值(即如果相电流达到阈值所用的时间相对较长)，控制器12将确定转子2处于第二停靠位置。该替代方法具有益处在于转子2的停靠位置可以更快地确定。然而，存在与该方法相关联的显著缺点，如下详述。电机1中的公差，当大批量生产时，强导致测得的间隔中的差异。结果测得的间隔可能在应该大于的时候小于鉴定阈值，或反之亦然。控制器12于是将错误地确定转子2的停靠位置。这在相绕组8的公差相对较差，且相电流不考虑转子2的位置以相对较快的速度升高的情况下特别明显。通过测量和比较两个间隔，转子2的停靠位置可以更可靠地确定。例如，如果对于特定电机的相绕组8的电感高于正常值，每个测得的间隔都将较长。使用单个间隔则可能导致停靠位置的不正确确定。然而，通过使用两个间隔，停靠位置将继续被正确地确定。特别地，一个间隔将继续小于另一个间隔，而无视每个间隔的改变。使用单个测量值的另一问题在转子2的温度改变时出现。例如，如果电机1刚被使用，转子2的温度可以显著较高。当转子2的温度升高时，转子磁通密度减小。因此，当转子2停靠在转子磁通与定子磁通对准的位置中时，饱和将占用稍微更长的时间，且由此测得的间隔将更长。相反，当转子2停靠在转子磁通与定子磁通相反的位置中时，相电流由于较弱的转子磁通而以更快的速度升高，且由此测得的间隔将更短。由此存在与每个测量的间隔相关联的依赖于温度的差异。结果，当仅一个间隔被测量时，间隔可能在应该大于的时候小于鉴定阈值，或反之亦然。当两个间隔被测量时，两个间隔之间的差异随着转子2的温度升高而降低。然而，一个间隔仍小于另一个间隔。结果，转子2的停靠位置继续被正确地确定。测量和比较两个间隔由此具有显著益处在于转子2的停靠位置可以更可靠地确定。

在上述实施例中，控制器12测量相电流抵达阈值所用的时间。在替代实施例中，控制器12可以替代地测量在特定时间间隔终点处相电流的幅度。如上所述，相电流升高的速率取决于转子2的停靠位置。因此，当转子2停靠在转子磁通与定子磁通对准的位置中时，相电流在该时间间隔的终点处将更高。相反地，当转子2停靠在转子磁通与定子磁通相反的位置中时，相电流在该时间间隔的终点处将更低。测量相电流在时间间隔终点处的幅度可由此被用于确定转子2的停靠位置。基于上述指出的相同的理由，控制器12在正电压和负电压两者已经施加到相绕组8之后测量时间间隔终点处的相电流的幅度。

在更一般的意义上，控制器12可以被认为测量当第一电压被施加到相绕组8时的第一参数，和当第二电压被施加到相绕组8时的第二参数。每个参数于是对应于(i)相电流抵达阈值所用的时间；或(ii)相电流在时间间隔终点处的幅度。控制器12然后将第一参数与第二参数比较，且响应于该比较确定转子2的位置。

尽管转子2的停靠位置可以通过测量相电流在时间间隔终点处的幅度来确定，该方法的缺点在于相电流不那么受控。例如，在时间间隔期间，相电流可能升高到过大水平，其可损害控制系统4的部件。这可以通过选择适当的时间间隔长度和/或通过使用故障保护阈值来减轻。然而，前述测量相电流超过阈值所用的时间的方法具有益处在于相电流的幅度受限于阈值。

在上述实施例中，第一电压通过清除FW#而从相绕组8移除。结果，高侧开关Q1、Q3打开且相绕组8中的电流绕逆变器10的低侧回路续流。可想象，低侧开关Q2、Q4可以替代地被断开，使得电流绕逆变器10的高侧回路续流。取决于相绕组8的电感，相电流在续流期间可以采用相对长时间降低到零。因此，与续流相反，第一电压可以通过断开逆变器10的所有开关Q1-Q4而从相绕组8移除。相绕组8中的电流于是可以经由体二极管返回到电源，且由此相电流将以更快的速率降低。在另一替代方式中，移除第一电压可涉及施加第二电压到相绕组。由于第二电压具有与第一电压相反的极性，相电流将被更快速地拉低到零。

电流传感器13包括单个检测电阻R1。使用单个检测电阻具有益处在于减少控制系统4的部件成本。然而，缺点在于电流传感器13不能够在第一电压已经从相绕组8移除之后测量相电流。因此，在测量第一参数之后，控制器12等待一足以使得相电流降低到零的设置时段，然后施加第二电压到相绕组8。可想象，电流传感器13可以包括能够附加地在第一电压被移除时测量相电流的器件。例如，电流传感器13可包括一对电阻，每个位于逆变器10的下部腿上。电阻器中的一个于是将在电流从左到右流过相绕组8时提供电流的测量值，且另一个电阻器将在电流从右到左流过相绕组8时提供电流的测量值。作为另一替代方式，电流传感器13可包括电流变换器或其它换能器，其可以感测在相绕组8中的电流。在电流传感器13能够在第一电压已经移除的情况下测量相电流的情形，控制器12可以在测量第一参数之后监控相电流的幅度，并且在测得的相电流抵达零时施加第二电压。

尽管已经在具有四个转子极、四个定子极和单个相绕组8的电机1进行了参考，由控制系统4使用的方法可以等同地被用于确定具有更少或更多的极和/或附加相绕组的电机的停靠位置。

Claims (3)

1.一种确定永磁电机的转子的停靠位置的方法，该方法包括

施加第一电压到电机的相绕组；

测量第一参数，该第一参数对应于(i)相绕组中的电流超过阈值所用的时间；和(ii)相绕组中的电流在一时间间隔终点处的幅度中的一个；

从相绕组移除第一电压；

等待相绕组中的电流降低到零；

施加第二电压到电机的相绕组，第二电压具有与第一电压相同的幅度但是相反的极性；

测量第二参数，该第二参数对应于(i)相绕组中的电流超过阈值所用的时间；和(ii)相绕组中的电流在时间间隔终点处的幅度中的一个；

比较第一参数和第二参数；以及

如果第一参数小于第二参数则确定转子在第一停靠位置，且如果第一参数大于第二参数则确定转子在第二停靠位置。

2.一种永磁电机，包括转子、定子和控制系统，所述控制系统配置为执行方法，该方法包括：

施加第一电压到电机的相绕组；

测量第一参数，该第一参数对应于(i)绕组中的电流超过阈值所用的时间；和(ii)绕组中的电流在一时间间隔终点处的幅度中的一个；

从相绕组移除第一电压；

等待相绕组中的电流降低到零；

施加第二电压到电机的相绕组，第二电压具有与第一电压相同的幅度但是相反的极性；

测量第二参数，该第二参数对应于(i)绕组中的电流超过阈值所用的时间；和(ii)绕组中的电流在时间间隔终点处的幅度中的一个；

比较第一参数和第二参数；以及

如果第一参数小于第二参数则确定转子在第一停靠位置，且如果第一参数大于第二参数则确定转子在第二停靠位置。

3.如权利要求2所述的永磁电机,其中控制系统包括逆变器、门驱动器模块、控制器以及电流传感器，逆变器被联接到相绕组，门驱动器模块响应于控制器输出的控制信号而驱动逆变器的开关的断开和闭合，电流传感器输出信号，该信号提供了相绕组中电流的测量值，控制器输出第一组控制信号使得第一电压被施加到相绕组，使用由电流传感器输出的信号测量第一参数，输出第二组控制信号使得第一电压被从相绕组移除，输出第三组控制信号使得第二电压被施加到相绕组，使用由电流传感器输出的信号测量第二参数，比较第一参数和第二参数，且如果第一参数小于第二参数则确定转子在第一停靠位置，且如果第一参数大于第二参数则确定转子在第二停靠位置。