CN110915125B - 用于确定旋转电机的转子位置的方法以及用于执行这种方法的旋转电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定旋转电机（10）的转子位置的方法。所述电机（10）具有至少一个第一多相子系统（21）和第二多相子系统（22），所述子系统分别具有用于给相应的绕组组（31、32）供电的PWM控制的逆变器（41、42），其中，所述至少第一和第二子系统（21、22）的绕组组（31、32）基本上相对于彼此以电的方式错开360°地布置。在所述方法中，通过馈入高频电压（uinj）来改变由调节器（50）预先给定的电压（ucontrol），以便实现高频的电流变化。随后检测电流变化n，其方式为，针对每个子系统（21、22），通过测量至少一个第一相电流和一个第二相电流来获取所述相电流的电流变化曲线。根据所获取的电流变化曲线和所馈入的高频电压（uinj）来随后确定转子位置。本发明此外涉及一种设置用于执行根据本发明的方法的电机（10）。

Description

用于确定旋转电机的转子位置的方法以及用于执行这种方法的旋转电机
技术领域
本发明涉及一种用于确定旋转电机的转子位置的方法。
背景技术
这样一种方法例如在公开文献DE 10 2009 039 672 A1中公开。在此公开了一种无传感器式的调节，该调节尝试在不使用位置传感器的情况下获取转子位置。在此，在低转速时使用所谓的基于各向异性的方法，所述基于各向异性的方法通过电机的磁各向异性来确定转子位置。在高动态驱动中，为了产生电机的可调整的相电压，通常使用具有脉宽调制(PWM)的逆变器。逆变器的控制信号借助于空间矢量调制来计算，所述空间矢量调制将由调节装置获取的预先给定的电压换算成PWM占空比。预先给定的电压由调节器例如根据转子位置和所检测的相电流以及对电机的一定要求、例如转速或转矩来确定。在常见的基于各向异性的方法中，通过有针对性地改变两个调节器采样步骤之间的预先给定电压来产生取决于位置的电流变化，其方式是，除了由调节装置预先给定的电压之外感应高频电压。由此产生的电流变化因此可以通过电机的相应的相电流的电流测量在确定的时刻被检测。随后，根据所检测的相电流和所馈入的电压能够确定转子位置，如这例如在上述公开文献中所公开的那样。
发明内容
本发明涉及一种用于确定旋转电机的转子位置的方法，其中该电机具有至少一个第一多相子系统和第二多相子系统，其中每个子系统具有绕组组(Wicklungsgruppe)和用于给相应的绕组组供电的PWM控制的逆变器，其中至少第一和第二子系统的绕组组基本上相对于彼此以电的方式错开360°地布置。该方法包括以下方法步骤：
a.在第一调节器采样步骤和第二调节器采样步骤之间改变通过用于操控所述子系统的调节器预先给定的电压，其方式是，对于每个子系统而言除了所述预先给定的电压之外分别馈入高频电压，以便分别实现取决于位置的电流变化，其中至少第一和第二子系统的高频电压被如此选择，使得所述高频电压相对于彼此具有移动的相位，并且其中至少第一和第二子系统的预先给定的电压被如此选择，使得所述预先给定的电压相对于彼此具有基本上相同的相位，
b.针对每个子系统在所述第一调节器采样步骤与所述第二调节器采样步骤之间PWM同步地测量至少一个第一相电流和第二相电流，以便分别获得所述相电流的一条电流变化曲线，
c.根据在方法步骤b中获得的电流变化曲线和在方法步骤a中馈入的高频电压来确定转子位置。
在此有利的是，由于子系统的高频电压的移动的相位，可以减少电机的通过基于各向异性的方法并且在此尤其通过馈入高频电压而产生的转矩波动。由此又可以减少噪声产生，该噪声产生在电机运行时通过转子位置确定而产生。
因此，通过所述方法可以无传感器地确定转子位置，这在运行期间仅仅可忽略地损害电机的特性。此外，根据本发明也可能的是，通过该方法来验证现有转子位置传感器的结果。
电机的子系统在此尤其分别三相地设计并且尤其分别具有一个绕组组和一个用于给相应的绕组组供电(Speisung)的PWM控制的逆变器。
此外可以考虑的是，电机除了第一和第二子系统之外还具有第三或第四子系统或甚至还具有任意数量的另外的子系统，这些另外的子系统尤其是同样分别相对于彼此以电的方式错开360°地布置。
第一和第二子系统的预先给定的电压的基本上相同的相位在此理解为几度的最大偏差，所述最大偏差例如由相应的子系统的外部干扰影响或由制造决定的公差引起。
“相对于彼此以电的方式错开360°”可理解为，两个不同子系统的绕组组相对于彼此以机械的方式错开360°除以电机的极的数量的整数倍地布置。其中倍数也可以表示1。
在根据本发明的方法的一种设计方案中规定，在方法步骤a中如此选择至少第一和第二子系统的高频电压，使得所述高频电压相对于彼此具有移动了360°除以子系统的数量的n倍的相位，其中n是整数。
在此有利的是，通过相位的相应移动可以进一步优化噪声产生，其方式是，例如在两个子系统中如此选择高频电压，使得所述高频电压在转子磁通取向的坐标系中相反地定向。因此，由此得到的总电压矢量可以有利地变得相当小，由此可以将电机的相应的转矩波动保持得小。因此，通过对于高频电压的这种选择，通过根据本发明的用于确定转子位置的方法进一步减少了噪声产生。
在两个子系统的情况下，高频电压例如可以相对于彼此具有180°的相位。在三个子系统的情况下，例如高频电压的相位针对每个子系统分别移动120°是可能的。在四个子系统的情况下，例如存在子系统相对于彼此具有0°、90°、180°和270°的相位的可能性。然而也可能的是，在每两个子系统中在相同的方向上引入(injizieren)所述高频电压并且在另外两个子系统中以与前两个子系统相比移动了180°的相位来引入所述高频电压。
按照根据本发明的方法的一种设计方案规定，在方法步骤a中如此选择至少第一和第二子系统的高频电压的振幅，使得子系统的高频电压的所有电压矢量之和在转子磁通取向的坐标系中得出零矢量。
在此有利的是，通过在高频电压的振幅方面附加地调整该高频电压，甚至可以完全避免由于转子位置的确定而产生的转矩波动。零矢量意味着，在三相子系统中得出所有第一相的高频电压的总和、所有第二相的高频电压的总和以及所有第三相的高频电压的总和为零。
按照根据本发明的方法的一种设计方案规定，在方法步骤c中，针对至少第一和第二子系统，根据在方法步骤b中获得的相电流的电流变化曲线来确定通过改变预先给定的电压而产生的相应的电流变化，其中，电流变化曲线被划分为在不改变预先给定的电压的情况下会流动的第一电流和通过馈入高频电压而产生的第二电流，并且其中，根据相应确定的电流变化来确定转子位置。对于转子位置的相应确定例如在前面提及的现有技术中公开。
在此有利的是，这是一种确定转子位置的简单的可行方案。由此可以将必要计算成本保持得低并且快速地进行转子位置确定。
在根据本发明的方法的一种设计方案中规定，通过形成至少第一和第二子系统的在方法步骤b中获得的相电流的差来确定通过馈送高频电压而产生的第二电流。
在此有利的是，由于子系统的预先给定电压的相同相位，在不改变预先给定的电压的情况下会流动的第一电流在形成差时相互抵消，进而能够非常简单地确定通过馈入高频电压而产生的第二电流。相反，第二电流由于高频电压的移动的相位而不相互抵消。
按照根据本发明的方法的一种设计方案规定，在不改变预先给定的电压的情况下会流动的第一电流通过如下方式来确定，即形成至少第一和第二子系统的在方法步骤b中获得的相电流的平均值。
在此有利的是，由于子系统的高频电压的移动的相位，通过馈入高频电压来产生的第二电流在形成平均值时至少在一定程度上相互抵消并且因此能够非常简单地确定在不改变预先给定的电压的情况下会流动的第一电流。相应地，第一电流由于预先给定的电压的相同的相位而不相互抵消。
按照根据本发明的方法的一种设计方案规定，表示第一调节器采样步骤和第二调节器采样步骤之间的持续时间的调节器采样周期大于PWM周期。
在此有利的是，通过PWM同步地测量相电流来检测比原本为了确定转子位置所需的测量值更多的测量值。因此，由此可以改善信噪比。
在此可以假设，用于计算高频电流的相电流的差具有被估计和补偿的低频误差。这种低频的误差比例例如由相应的子系统或绕组组的由制造引起的公差得出。误差的估计尤其可以借助最小二乘法来执行。在此可以假设，通过调节器预先给定的电压在两个调节器采样步骤之间是恒定的。在此，低频误差比例可以在如下时间段中通过模型函数、优选通过低阶多项式来描述，在所述时间段中通过调节器预先给定的电压是恒定的。此外，通过馈入高频电压产生的高频电流能够通过线性方程根据与转子位置相关的逆电感或者根据转子位置误差来描述。在预先给定的电压恒定时，由此可以借助线性方程组描述相电流的差的时间变化曲线。如果现在表示调节器采样周期的倒数的调节器采样频率被选择为明显小于PWM频率，则检测到比用于求解线性方程组所需的相电流测量值明显更多的相电流测量值。在此，现在可以使用最小二乘法来求解超定方程组。这意味着，与PWM频率相比调节器采样频率选择得越小，所确定的求解参数的信噪比就越好。
按照根据本发明的方法的一种设计方案规定，所述高频电压具有处于能够在所述电机的壳体上产生的机械的振动的谐振频率之上的频率范围。在此有利的是，通过选择用于高频电压的相应的频率范围，可以减少或者甚至完全消除由于将高频电压馈入到相应的子系统中而产生的噪声。
通过馈入高频电压，高频的力径向地作用到电机的定子上，所述力基本上具有与高频电压相同的频率。视电机的拓扑结构和高频电压的选择而定，通过高频电压产生的径向力具有不同的空间阶。通过所述力激励定子振动。机械振动的模态(Mode)通常与力的空间阶相同，其中，谐振频率对于每个模态是不同的。因此，如果高频电压的频率范围在经激励的模态的谐振频率之上，则是有利的，以便因此使机械振动最小化。
本发明还涉及一种旋转电机，其具有至少一个第一多相子系统和第二多相子系统。每个子系统具有绕组组和用于为相应的绕组组供电的PWM控制的逆变器。此外，至少第一和第二子系统的绕组组相对于彼此以电的方式错开大约360°地布置。此外，电机设置用于执行根据本发明的方法。
在此有利的是，由于子系统的高频电压的移动的相位，可以减少电机的通过基于各向异性的方法并且在此通过馈入高频电压产生的转矩波动。由此又可以减少噪声产生，该噪声产生在电机运行时通过转子位置确定而产生。
按照根据本发明的电机的一种设计方案规定，至少第一和第二子系统的绕组组如此彼此互连，从而给出在转子磁通取向的坐标系中基本上恒定的电感矩阵。
在此有利的是，能够实现对于转子位置的简单确定。其原因在于，存在不同的可行方案，如子系统的各个绕组组的绕组可彼此互连。视子系统或绕组组的互连情况而定，电机具有不同的对称特性。这尤其是对各个相之间的磁耦合有影响。因此，在转子磁通取向的坐标系中，具有分开的子系统的电机的相电感和耦合电感相对于具有交织的绕组的电机具有附加的数学阶。这些附加的阶又使得借助于基于各向异性的方法来确定转子位置变得困难，因为必须已知附加的阶，以便能够从高频的电流变化推断出转子位置。通过将导致电机的恒定电感矩阵的绕组组互连，在此可以使附加的阶最小化并且因此保持简单地确定转子位置。
按照根据本发明的电机的一种设计方案规定，至少第一和第二子系统具有共同的电压中间回路。
在此有利的是，除了转矩波动之外，也可以将电池电流波动最小化，所述电池电流波动由于将高频电压馈入到相应的子系统中而产生并且在至逆变器的输入线路(Zuleitung)中流动。
附图说明
图1示出了用于确定旋转电机的转子位置的根据本发明的方法的一种实施例；
图2示出了根据本发明的旋转电机的一种实施例，该电机设置用于执行根据本发明的方法；
图3a和3b详细示出例如根据图2的电机的第一和第二子系统的绕组组的两种不同的布置。
具体实施方式
图1示出了用于确定旋转电机的转子位置的根据本发明的方法的一种实施例。
例如根据图2的电机10在此具有至少一个第一多相子系统21和第二多相子系统22。子系统21、22尤其三相地来设计。此外，每个子系统21、22又具有绕组组31、32和用于给相应的绕组组31、32供电的PWM控制的逆变器41、42。至少第一和第二子系统21、22的绕组组31、32基本上相对于彼此以电的方式错开360°地布置。
在根据图1的实施例中示出的方法中，在方法步骤a中在开始S之后，针对子系统21、22中的每个在第一调节器采样步骤和第二调节器采样步骤之间改变通过用于操控两个子系统21、22的调节器50预先给定的电压ucontrol，其方式是，除了预先给定的电压ucontrol之外还引入高频电压uinj，以便实现取决于位置的电流变化。在此，针对每个子系统21、22将高频电压uinj加到预先给定的电压ucontrol上并且随后为了操控相应的子系统21、22换算成PWM占空比。在此，至少第一和第二子系统21、22的高频电压uinj被如此选择，使得所述高频电压相对于彼此具有移动的相位。因此，例如第一子系统21的高频电压uinj相对于第二子系统22的高频电压uinj具有移动了180°的相位。此外，两个子系统21、22的高频电压uinj在其振幅方面能够如此选择，使得子系统21、22的高频电压uinj的所有电压矢量之和得出零矢量。在两个子系统的高频电压uinj的180°的相移的情况下，因此能够相同地选择振幅，以便在总和上获得零矢量。此外，至少第一和第二子系统21、22的预先给定的电压ucontrol被这样选择，使得它们相对于彼此具有基本上相同的相位。第一调节器采样步骤和第二调节器采样步骤之间的持续时间特别是可以这样选择，使其比PWM周期的持续时间要大数倍。
紧接在方法步骤a之后，在方法步骤b中针对每个子系统21、22在第一调节器采样步骤和第二调节器采样步骤之间PWM同步地测量至少一个第一相电流和第二相电流，以便分别获得所有相电流的一条电流变化曲线。如果在具有三相设计的子系统21、22的电机10中例如仅测量相应的子系统21、22的第一相电流和第二相电流，则可以借助于第一基尔霍夫定律由第一相电流和第二相电流确定相应的子系统21、22的第三相电流：ic＝-ia-ib。
替代地，同样可以测量相应的子系统21、22的第三相电流。
最后，在方法步骤c中，根据在方法步骤b中获得的电流变化曲线以及在方法步骤a中所馈入的高频电压uinj来确定电机10的转子位置，并且随后结束所述方法。在此，转子位置尤其可以通过如下方式确定，即，确定通过改变预先给定的电压ucontrol而在方法步骤a中产生的电流变化。在此，根据在步骤b中获得的相电流的电流变化曲线和在方法步骤a中馈入的高频电压uinj进行电流变化的确定。为此，将在方法步骤b中获得的电流变化曲线划分为在不改变预先给定的电压ucontrol的情况下会流动的第一电流和通过改变电压ucontrol产生的第二电流。第二电流例如可以通过形成至少第一和第二子系统21、22的在方法步骤b中获得的相电流的差来确定。此外，第一电流例如可以通过如下方式来确定，即，形成至少第一和第二子系统21、22的在方法步骤b中获得的相电流的平均值。
在一种替代性的、未图示的实施例中，可以定期重新开始所述方法，以便连续地确定电机的转子位置。
图2示出了根据本发明的旋转电机的一种实施例，该电机设置用于执行根据本发明的方法。
示出了电机10。电机10具有如下永磁转子15，该永磁转子由第一多相子系统21的绕组组31和第二多相子系统22的绕组组32包围。子系统21、22在此尤其三相地来设计，然而这在图中未示出。绕组组31、32如此布置在附图中未示出的定子上，使得至少第一和第二子系统21、22的绕组组31、32基本上相对于彼此以电的方式错开360°地布置。
此外，第一子系统21的绕组组31与逆变器41连接，所述逆变器给绕组组31通电。相应地，第二子系统22的绕组组32也与逆变器42连接。两个子系统21、22的两个逆变器41、42又与PWM单元70连接，该PWM单元相应地操控逆变器41和42。在此，PWM单元70对于每个子系统21、22从调节器50获得预先给定的电压ucontrol并且从高频激励单元80获得高频电压uinj，所述电压被相加并且由PWM单元70换算成相应的PWM占空比。在此，至少第一和第二子系统21、22的高频电压uinj如此选择，使得所述高频电压相对于彼此具有移动的相位。此外，至少第一和第二子系统21、22的预先给定的电压ucontrol如此选择，使得所述预先给定的电压相对于彼此具有基本上相同的相位。此外，第一子系统21和第二子系统22与共同的电压中间回路60连接。
在三相子系统21、22的情况下，电机10对于每个子系统21、22的至少一个第一相和第二相分别具有电流测量传感器单元55。借助该电流测量传感器单元55可以检测相应的相电流。所检测的相电流的值在此不仅被提供给调节器50而且被提供给转子位置单元90。在此，转子位置单元90被设置用于根据相电流的相应的电流变化曲线来确定转子15的转子位置并且尤其将该转子位置传输给调节器50。调节器50设置用于，根据相电流的电流变化曲线和所获得的转子位置确定用于第一和第二子系统21、21的预先给定的电压ucontrol，并且将这些预先给定的电压ucontrol如前面已经描述的那样传输给PWM单元70。
图3a和3b详细示出了例如根据图2的电机的第一和第二子系统的绕组组的两种不同的布置。
在图3a和3b中分别示出了第一和第二子系统21、22的绕组组31、32，所述绕组组布置在电机10的定子13上并且围绕电机10的转子15布置。绕组组31、32分别三相地构造并且因此针对每个相分别具有一个线圈。因此，第一子系统21的第一绕组组31针对相u1、v1和w1分别具有一个线圈。相应地，第二子系统22的第二绕组组32针对相u2、v2和w2分别具有一个线圈。绕组组31、32的线圈在图3a和3b中分别相对于彼此以电的方式错开360°地布置并且由于其相应的布置仅仅由于在相应的相的各个线圈之间的磁耦合而导致电机10的不同的对称特性。

Claims (11)

1.用于确定旋转电机(10)的转子位置的方法，其中，所述电机(10)具有至少一个第一多相子系统(21)和第二多相子系统(22)，其中，每个子系统(21、22)分别具有绕组组(31、32)和用于给相应的绕组组(31、32)供电的PWM控制的逆变器(41、42)，其中，所述至少第一和第二子系统(21、22)的绕组组(31、32)相对于彼此以电的方式错开360°地布置，所述方法包括以下方法步骤：
a.在第一调节器采样步骤和第二调节器采样步骤之间改变通过用于操控所述子系统(21、22)的调节器预先给定的电压ucontrol，其方式是，对于每个子系统(21、22)而言除了所述预先给定的电压ucontrol之外分别馈入高频电压uinj，以便分别实现取决于位置的电流变化，其中至少第一和第二子系统(21、22)的高频电压uinj被如此选择，使得所述高频电压相对于彼此具有移动的相位，并且其中至少第一和第二子系统(21、22)的预先给定的电压ucontrol被如此选择，使得所述预先给定的电压ucontrol相对于彼此具有相同的相位，
b.针对每个子系统(21、22)在所述第一调节器采样步骤与所述第二调节器采样步骤之间PWM同步地测量至少一个第一相电流和第二相电流，以便分别获得所述相电流的一条电流变化曲线，
c.根据在方法步骤b中获得的电流变化曲线和在方法步骤a中馈入的高频电压uinj来确定转子位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在方法步骤a中，至少第一和第二子系统(21、22)的高频电压uinj被如此选择，使得所述高频电压uinj相对于彼此具有移动了360°除以所述子系统(21、22)的数量的n倍的相位，其中n是整数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在方法步骤a中，至少第一和第二子系统(21、22)的高频电压uinj的振幅被如此选择，使得所述子系统(21、22)的高频电压uinj的所有电压矢量之和在转子磁通取向的坐标系中得出零矢量。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在方法步骤c中，针对所述至少第一和第二子系统，根据在方法步骤b中获得的相电流的电流变化曲线来确定通过改变所述预先给定的电压ucontrol形成的相应的电流变化，其中，所述电流变化曲线被划分为在不改变所述预先给定的电压ucontrol的情况下会流动的第一电流和通过馈入所述高频电压uinj产生的第二电流，并且其中，根据相应确定的电流变化来确定转子位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过馈入所述高频电压uinj产生的第二电流通过如下方式来确定，即形成至少第一和第二子系统(21、22)的在方法步骤b中获得的相电流的差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在不改变所述预先给定的电压ucontrol的情况下会流动的第一电流通过如下方式被确定，即形成至少第一和第二子系统(21、22)的在方法步骤b中获得的相电流的平均值。
7.根据权利要求权利要求1或2所述的方法，其特征在于，表示所述第一调节器采样步骤和所述第二调节器采样步骤之间的持续时间的调节器采样周期大于PWM周期。
8.根据权利要求权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高频电压uinj具有如下频率范围，所述频率范围位于能在所述电机(10)的壳体上产生的机械振动的谐振频率之上。
9.旋转电机(10)，其具有至少一个第一多相子系统(21)和一个第二多相子系统(22)，其中每个子系统(21、22)具有绕组组(31、32)和用于给相应的绕组组(31、32)供电的PWM控制的逆变器(41、42)，其特征在于，所述至少第一和第二子系统(21、22)的绕组组(31、32)相对于彼此以电的方式错开360°地布置，并且所述电机(10)设置用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，所述至少第一子系统和第二子系统(21、22)的绕组组(31、32)如此彼此互连，从而给出在转子磁通取向的坐标系中恒定的电感矩阵。
11.根据权利要求9或10所述的电机，其特征在于，所述至少第一和第二子系统(21、22)具有共同的电压中间回路(60)。
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