CN107634692A - 转子位置传感器信号校正 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及转子位置传感器信号校正。电机控制系统(15)包括配置成由电机(14)旋转驱动的轴。转子位置传感器(22)配置成检测轴的旋转并且输出转子位置信号。控制器(20)与电机(14)和转子位置传感器(22)通信。控制器(20)将转子位置信号转换成有误差的角度、跟踪有误差的角度以提供作为静止参考系信号的保持机械动力的角度、将静止参考系信号和具有机械动力的角度变换成旋转参考系信号、对旋转参考系信号滤波、变换滤波的旋转参考系信号来提供滤波的静止参考系信号以及对滤波的静止参考系信号进行反正切来创建校正的电机(14)控制角。控制器(20)基于校正的电机(14)控制角来命令电机(14)。

Description

转子位置传感器信号校正
背景技术
该公开涉及校正转子位置传感器信号的方法。本公开还涉及利用该方法的电机控制系统，其可并入混合动力车辆。
电驱动车辆使用电动机来向车辆的引擎、传动系和/或轮子施加转矩。高效准确的转矩控制和功能安全要求使位置传感器的使用成为必需。尽管解析器已在历史上用于这样的任务，但也可以使用电感式位置传感器，其提供sin(θ)和cos(θ)波形(“正弦和余弦信号”)，其中θ是转子相对于定子的角度。一般而言，可以进行反正切运算来提取基础(underlying)角。对于理想信号，这将正确运作。由于转子位置传感器的目标轨迹的制造公差、气隙变化和基础传感器公差，转子位置传感器正弦和余弦信号包含许多误差效应。这样的误差可以导致位置确定不佳以及最终不准确且低效的电机控制。
用于改进来自传感器的角度信息的现有方法通常需要校正由正弦和余弦信号的处理所产生的角度，这因为转子位置传感器系统的误差通常在光谱上接近期望的θ信号而可能有问题。如果误差处于已知频率，则可以去除这些特定效应。但是，如果效应具有广泛的光谱含量，则在去除误差时恢复期望的转子位置信息可能极其富有挑战性。此外，θ光谱含量和误差光谱含量的重叠可能是旋转频率的函数。
一般，如果进行太多滤波或噪声去除，与诸如加速之类的真实效应相关的θ的频率含量可能丢失，从而导致机器控制不良或甚至排除控制机器的能力。可以使用滤波器或观察仪，但试图跟踪感兴趣的动力(dynamics)同时仍去除误差的权衡极其富有挑战性。挑战是必须跟踪充足的位置和速度动力来保持对机器的准确控制同时仍去除降低性能的误差效应。
发明内容
在一个示例性实施例中，通过确定绝对角位置来控制电机的方法包括以下步骤：将转子位置信号转换成有误差的角度；并且跟踪该有误差的角度以提供作为静止参考系信号的保持机械动力的角度。该静止参考系信号和具有机械动力的角度变换成旋转参考系信号。旋转参考系信号被滤波并且滤波的旋转参考系信号被变换来提供滤波的静止参考系信号。对滤波的静止参考系信号进行反正切来创建校正的电机控制角。
在上文的另外的实施例中，旋转位置信号包括正弦和余弦信号。
在上文中的任一个的另外的实施例中，电感式位置传感器配置成产生指示旋转轴的角位置的正弦和余弦信号。
在上文中的任一个的另外的实施例中，电动机与控制器通信。该控制器配置成基于校正的电机控制角通过用逆变器调制给电动机的电压来向电动机提供转矩命令。
在上文中的任一个中的另外的实施例中，有误差的角度跟踪步骤包括保持与转子位置信号关联的加速数据。
在上文中的任一个的另外的实施例中，有误差的角度跟踪步骤包括对有误差的角度应用速度状态滤波器。
在上文中的任一个的另外的实施例中，速度状态滤波器提供频率和包含机械动力的角度。
在上文中的任一个的另外的实施例中，旋转参考系信号滤波步骤包括向旋转参考系信号应用低通滤波器。
在上文中的任一个的另外的实施例中，校正的电机控制角包括小于±0.3°的误差。
在另一个示例性实施例中，电机控制系统包括电机和配置成由电机旋转驱动的轴。转子位置传感器配置成检测轴的旋转并且输出转子位置信号。控制器与电机和转子位置传感器通信。控制器配置成将转子位置信号转换成有误差的角度并且跟踪该有误差的角度以提供作为静止参考系信号的保持机械动力的角度。静止参考系信号和具有机械动力的角度变换成旋转参考系信号。该旋转参考系信号被滤波并且滤波的旋转参考系信号被变换来提供滤波的静止参考系信号并且对滤波的静止参考系信号进行反正切来创建校正的电机控制角。控制器配置成基于该校正的电机控制角来命令电机。
在上文中的任一个的另外的实施例中，旋转位置信号包括正弦和余弦信号。
在上文中的任一个的另外的实施例中，电感式位置传感器配置成产生指示轴的角位置的正弦和余弦信号。
在上文中的任一个的另外的实施例中，有误差的角度跟踪步骤包括保持与转子位置信号关联的加速数据。
在上文中的任一个的另外的实施例中，有误差的角度跟踪步骤包括对有误差的角度应用速度状态滤波器。
在上文中的任一个的另外的实施例中，速度状态滤波器提供频率和包含机械动力的角度。
在上文中的任一个的另外的实施例中，旋转参考系信号滤波步骤包括向旋转参考系信号应用低通滤波器。
在上文中的任一个的另外的实施例中，校正的电机控制角包括小于±0.3°的误差。
附图说明
本公开在联系附图考虑时通过参考下列详细描述而可以进一步理解，其中：
图1是具有电动机、转子位置传感器和控制器的车辆的示意图。
图2是描绘确定绝对角位置来控制电动机的方法的流程图。
图3是示出处理转子位置传感器来产生校正的电机控制角的控制图。
图4是示出在图3的控制图中示出的示例滤波器的控制图。
图5是描绘校正的转子电机控制角对于未校正的电机控制角的曲线图。
前面的段落的实施例、示例和备选方案、权利要求或下列描述和图(其包括它们的各种方面或相应个体特征中的任一个)可以独立或以任何组合来看。联系一个实施例描述的特征能适用于所有实施例，除非这样的特征不兼容。
具体实施方式
在图1中示意示出电动/混合动力车辆10，该车辆10包括电动机14，电动机14经由轴16驱动轮子12。电机14从由诸如电池19之类的能源供电的电力电子器件18(典型地，逆变器)接收电力。电机14还可充当发电机以通过逆变器18对电源19充电。车辆10仅用于示例性目的并且绝不意在限制本文公开的本发明的范围。
电机控制系统15包括转子位置传感器22，转子位置传感器22配置成检测轴14中的一个的旋转并且输出转子位置信号，该转子位置信号固有地包括不希望的误差效应。一个类型的合适的转子位置传感器是电感式传感器，诸如输出正弦和余弦波形的Sumida型转子位置传感器。应注意可使用其他类型的传感器，诸如输出采用正弦和余弦波形形式的解调解析器信号的转子传感器，从这些正弦和余弦波形可确定绝对角位置。在ChristerEbbesson的“Rotary Position Sensors Comparative Study of Different RotaryPosition Sensors for Electrical Machines Used in an Hybrid Electric VehicleApplication(Aug.29,2011)(unpublished M.sC.thesis,Lund University)(对于在混合电动车辆应用中使用的电机的不同旋转位置传感器的旋转位置传感器比较研究(2011年8月29日)(隆德大学未发表的理科硕士论文))”(在https://lup.lub.lu.se/student- papers/search/publication/3632648可获得)中公开了这样的转子位置传感器，该论文通过引用全部合并于此。
控制器20与逆变器18、电流传感器21a、21b、21c和转子位置传感器22通信。控制器20可以是单个处理器，或可包括遍布车辆10分布的多个处理器。控制器20对位置信号使用信号处理方法，该方法仅保留充分接近感兴趣信号的含量。即，基准正弦和余弦信号被提纯以去除误差效应同时保持期望的机械动力含量，而不是简单地进行转子位置传感器的原始正弦和余弦输出的反正切。控制器20还从电流传感器21a、21b、21c接收信号，这些电流传感器在电机的相的每个相中提供对电流的测量。通过使用诸如矢量控制之类的控制技术，相电流和校正的位置传感器信息用于通过确定逆变器18应向电机14施加什么电压来将电流控制到命令值。通过施加电压，控制器20可以控制机器中的电流并且最终控制电机14的轴上的转矩。
控制器20使用的处理方法24在图2中示出的流程图中示出。控制器20将具有正弦和余弦分量的转子位置信号转换成具有误差的角度θE(框26)。用状态滤波器来跟踪具有误差的角度θE以便提供角度θM，角度θM在静止参考系中保持机械动力(框28)。应注意，因为目标是创建充分跟踪轴的动力以便限定参考系的角度信息而不是用于控制的精确角度，所以实际角度相对于实际转子角可具有明显的相位差或甚至动态低频差。控制器20根据下面的方程1将静止参考系X、Y和具有机械动力的角度θM变换成旋转参考系信号Q、D(框30)。
在该旋转参考系中，输入X、cos(θ)和Y、sin(θ)现在变成接近DC的数量。
控制器20然后对旋转参考系信号X、Y滤波来提供滤波的旋转参考系信号QF、DF(框32)。在该情况下，因为感兴趣的信号含量接近DC，所以可以跨整个速度范围使用固定阶低通滤波器。滤波的旋转参考系信号QF、DF变换回静止参考系以根据下面的方程2提供滤波的静止参考系信号XF、YF(框34)。
滤波的静止参考系信号XF、YF现在是滤波的RPS cos(θ)和sin(θ)信号，其中各种误差效应由于滤波而减少。
使信号在旋转与静止参考系之间变换在例如Novotny,D.W.和T.A.Lipo.的“Vector Control and Dynamics of AC Drives.Oxford:Clarendon,1996.Print(AC驱动的矢量控制和动力。牛津：克拉伦敦，1996年印刷)”中解释，其通过引用全部合并于此。
对滤波的静止参考系信号XF、YF进行反正切来创建校正的电机控制角θC(框36)。控制器20基于代表准确绝对角位置的该校正的电机控制角θC来命令电机14。
参考图3，示出控制图，其处理转子位置传感器来产生校正的电机控制角。应理解可以使用该控制图的变体并且其仍落在权利要求的范围内。
转子位置传感器22生成转子位置信号，转子位置信号包括正弦和余弦信号38、40。在42处进行正弦和余弦信号38、40的反正切来产生一角度，该角度在44处倍增以将该角度从弧度转换成度并且提供具有误差的角度θE。应注意，误差在每个机械循环有效地重复但实际误差模式取决于速度和温度(由于影响气隙的热生长而导致)。对于电机控制驱动，该误差含量是明显的并且将尤其在高速时影响转矩控制。一般而言，期望小于±0.3°的误差并且小于±0.2°的误差是更可取的。
校正所得的角θE是困难的。在确定用于电机控制的角度之前需要校正基础正弦和余弦波形。具体地，如果可以维持基准基频(与旋转速度有关)和频带(具有与加速事件关联的旋转动态频率)，则基准正弦和余弦信号可被明显改进。这可富有挑战性，因为与加速相关的频率趋于在100Hz以下存在，但基频可以高达1300Hz。
在图4中更详细示出的速度状态滤波器46一般设置成跟踪机械加速的动力并且提供保持机械动力的角度θM。状态滤波器46以阻止大的值积分的增量格式示出，但备选地可以使用非增量格式。在48和50处计算Δθ。在结52处从Δθ扣除来自框64的估计Δθ并且该Δθ误差在54处积分。积分的Δθ误差乘以积分增益56并且然后在58处按比例积分。在60处，在54处的积分的Δθ误差乘以比例增益62之后与来自58的积分值相加。来自60的相加值乘以增益64，其在结52处从Δθ扣除。来自60的相加值通过标度因子66从度/秒转换以在68处提供速度(以RPM计)。来自60的该相加值在72处也乘以标度因子以在74处提供频率(以赫兹计)。
返回图3，在74处的频率在78处按比例积分并且乘以因子80来将频率转换成角度θM，角度θM保持转子位置信号的机械动力。遗憾地是，所得的角度θM并未充分跟踪待由转子控制系统使用的位置信号。如果带宽降低太多，则实际角含量将由于诸如加速之类的现实效应而未被跟踪并且可以导致失去机器控制。如果角度由该速度形成，则位置误差对于准确的转矩控制将太过明显。对于具有太高带宽的滤波器，则将跟踪对于角度的传感器误差效应。对于太低带宽，则将不跟踪实际角度并且将导致失去机器控制。
如果使用动态跟踪误差效应的静止参考系(诸如如果使用从反正切运算42导出的角度则将出现的)，则因为静止参考系具有误差，所以基础误差效应将被直接传入所得信号。相反，则需要跟踪机械动力而不是误差效应的较低带宽信号。应注意，该类型的角度信号将完全不能用于机器控制。换句话说，在频率充分接近(在几Hz内)时，实际角度和真实角度在相位方面差别很大。
正弦和余弦信号38、40中包含的信息不必严格在AC意义上来看。可以限定旋转的参考系并且处理旋转参考系信号。在该旋转参考系中，接近DC的含量将代表与基本正弦和余弦波形关联的信号，该信号传达角度信息。从而，低通滤波可以用于去除与机械动力没有关联的误差效应。如果旋转参考系捕捉与轴加速关联的动力，则可以解决维持跟踪加速且去除额外误差含量的基本问题。然而，旋转参考系角度不应包含期望待去除的任何明显程度的误差效应。
如果在光谱上有限的角度θM用于变换角度，则包含误差效应的正弦和余弦信号38、40可以旋转到旋转参考系内。尽管所得信号可能不确切是DC，但感兴趣的含量将充分接近DC使得这些信号可以用基本一阶低通滤波器滤波以去除误差含量并且然后旋转回到动态的静止参考系，从而产生大幅改进的正弦和余弦信号，这些信号现在可以输入反正切运算来形成适合于机器控制的角度。
角度θM可以用于限定旋转参考系。余弦信号38作为信号X连同信号Y一起提供给框84，信号Y是乘以增益83的正弦信号40。框84将静止参考系信号X、Y和具有机械动力的角度θM变换成旋转参考系信号Q、D。这些旋转参考系信号Q、D可以由低通滤波器86、88滤波以产生滤波的旋转参考系信号QF、DF，其中A是低通滤波器的带宽(以拉德/秒(rad/sec)计)并且S是拉普拉斯(LaPlace)运算。
滤波的旋转参考系信号QF、DF在框90处再次变换以提供滤波的静止参考系信号XF、YF，信号XF、YF现在是具有大幅误差减少的正弦和余弦信号。向信号YF施加增益92并且在94处进行该积与XF的反正切以创建校正的电机控制角θC。控制器20然后在示例中经由逆变器18基于校正的电机控制角θC来命令电机14。
公开的方法和系统通过使电动机14和旋转位置传感器22在测功仪上以3000RPM/秒的速率从0到4500RPM旋转来测试。使用该测试，在图5中示出校正的电机控制角θC与不使用所公开的方法的情况下将产生的未校正的电机控制角之间的比较。曲线图中的较暗线对应于来自原始未校正正弦和余弦信号的反正切的Δθ。较亮线是来自根据所公开的方法变换且滤波的信号的反正切的Δθ。由该曲线图显而易见的是，与0到4500RPM瞬态关联的动力得到维持。另外，测功仪上的速度的实际过冲被清晰地跟踪。还很明显的是，已去除相当大的误差。
在4500RPM，每13.333毫秒(ms)发生一个机械循环。在用16极对机(如在该测试中使用的)以4500RPM和100微秒(μs)采样时，预期的Δθ将是43.2°/秒的恒定值。由较暗线示出的未校正的转子位置信号显然包含大的误差含量。相比之下，由较亮线示出的校正的电机控制信号已去除了误差。此外，还实现了使误差减少到±0.3°的目标。还用与安装到驱动轴的电机一致的加速率进行测试。
控制器20可包括处理器和其中存储计算机可读代码以用于控制操作的非暂时性存储器。从硬件架构方面来看，这样的控制器可以包括处理器、存储器和一个或多个输入和/或输出(I/O)设备接口，它们经由本地接口而通信耦合。本地接口可以包括例如但不限于一个或多个总线和/或其他有线或无线连接。本地接口可具有诸如控制器、缓冲器(高速缓存)、驱动器、中继器和接收器之类的额外元件以实现通信，为了简单起见省略了这些元件。此外，本地接口可包括地址、控制和/或数据连接，用于在前面提到的部件之间实现适当通信。
控制器20可以是用于执行软件、特别是存储器中存储的软件的硬件设备。处理器可以是定制或市售处理器、中央处理单元(CPU)、与控制器关联的若干处理器之间的辅助处理器、基于半导体的微处理器(采用微芯片或芯片集的形式)或一般用于执行软件指令的任何设备。
存储器可以包括易失性存储器元件(例如，随机存取存储器(RAM，诸如DRAM、SRAM、SDRAM、VRAM等))和/或非易失性存储器元件(例如，ROM等)中的任一个或组合。此外，存储器可包含电子、磁、光和/或其他类型的存储介质。存储器还可以具有分布式架构，其中各种部件位于彼此远离的位置，但可以被控制器访问。
存储器中的软件可包括一个或多个独立程序，其中的每个包括用于实现逻辑功能的可执行指令的有序列表。体现为软件的系统部件也可被认为是源程序、可执行程序(目标代码)、脚本或包括待执行的指令集的任何其他实体。在构建为源程序时，该程序经由可包括在或可不包括在存储器内的编译器、汇编器、解释器或类似物来翻译。
可耦合于系统I/O接口的输入/输出设备可包括输入设备，例如但不限于扫描仪、话筒、相机、接近设备等。此外，输入/输出设备还可包括输出设备，例如但不限于显示器等。最后，输入/输出设备可进一步包括即作为输入又作为输出而通信的设备，例如但不限于调制器/解调器(用于访问另一个设备、系统或网络)、射频(RF)或其他收发器、网桥、路由器等。
当控制器20在操作时，处理器可以配置成执行存储器内存储的软件、将数据传达到存储器和从存储器传达数据并且一般按照软件控制计算设备的操作。存储器中的软件全部或部分地被处理器读取，可能在处理器内缓冲，并且然后被执行。
还应理解，尽管在示出的实施例中公开了特定部件布置，但其他布置将从本文获益。尽管示出、描述并且要求保护特定步骤序列，但应理解，除非另外指示，步骤可按任何顺序独立或组合执行，并且它们将仍从本发明获益。
尽管不同示例具有在图示中示出的特定部件，但该发明的实施例不限于那些特定组合。可以使用来自示例中的一个示例的部件或特征中的一些结合来自示例中的另一个示例的特征或部件。
尽管已经公开了示例实施例，但本领域内普通技术人员将认识到某些修改将在权利要求的范围内。由于该原因，应研究下列权利要求来确定它们的真正范围和内容。

Claims (17)

1.一种通过确定绝对角位置来控制电机(14)的方法，所述方法包括以下步骤：
将转子位置信号转换(26)成有误差的角度；
跟踪(28)所述有误差的角度以提供作为静止参考系信号的保持机械动力的角度；
将所述静止参考系信号和具有机械动力的所述角度变换(30)成旋转参考系信号；
对所述旋转参考系信号滤波(32)；
变换(34)滤波的旋转参考系信号来提供滤波的静止参考系信号；以及
对所述滤波的静止参考系信号进行(36)反正切来创建校正的电机(14)控制角。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述旋转位置信号包括正弦和余弦信号(38)。
3.如权利要求2所述的方法，其包括配置成产生指示旋转轴的角位置的正弦和余弦信号(38)的电感式位置传感器。
4.如权利要求3所述的方法，其包括与控制器(20)通信的电动机(14)，所述控制器(20)配置成基于所述校正的电机(14)控制角通过用逆变器(18)调制给所述电动机(14)的电压来向所述电动机(14)提供转矩命令。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述有误差的角度的跟踪步骤包括保持与所述转子位置信号关联的加速数据。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述有误差的角度的跟踪步骤包括对所述有误差的角度应用速度状态滤波器(46)。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述速度状态滤波器(46)提供频率，其包含具有机械动力的角度。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述旋转参考系信号的滤波步骤包括向所述旋转参考系信号应用低通滤波器。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述校正的电机(14)控制角包括小于±0.3°的误差。
10.一种电机控制系统(15)，其包括：
电机(14)；
轴，其配置成由所述电机(14)旋转驱动；
转子位置传感器(22)，其配置成检测所述轴的旋转并且输出转子位置信号；以及
与所述电机(14)和所述转子位置传感器(22)通信的控制器(20)，所述控制器(20)配置成将所述转子位置信号转换成有误差的角度、跟踪所述有误差的角度以提供作为静止参考系信号的保持机械动力的角度、将所述静止参考系信号和具有机械动力的所述角度变换成旋转参考系信号、对所述旋转参考系信号滤波、变换滤波的旋转参考系信号来提供滤波的静止参考系信号以及对所述滤波的静止参考系信号进行反正切来创建校正的电机(14)控制角，所述控制器(20)配置成基于所述校正的电机(14)控制角来命令所述电机(14)。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述旋转位置信号包括正弦和余弦信号(38)。
12.如权利要求11所述的系统，其包括配置成产生指示所述轴的角位置的正弦和余弦信号(38)的电感式位置传感器。
13.如权利要求10所述的系统，其中所述有误差的角度的跟踪步骤包括保持与所述转子位置信号关联的加速数据。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述有误差的角度的跟踪步骤包括对所述有误差的角度应用速度状态滤波器(46)。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述速度状态滤波器(46)提供频率，其包含具有机械动力的角度。
16.如权利要求10所述的系统，其中所述旋转参考系信号的滤波步骤包括向所述旋转参考系信号应用低通滤波器。
17.如权利要求10所述的系统，其中所述校正的电机(14)控制角包括小于±0.3°的误差。
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