CN111108679A - 用于确定转子位置传感器的测量偏移的方法和装置 - Google Patents

用于确定转子位置传感器的测量偏移的方法和装置 Download PDF

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CN111108679A CN201880061008.5A CN201880061008A CN111108679A CN 111108679 A CN111108679 A CN 111108679A CN 201880061008 A CN201880061008 A CN 201880061008A CN 111108679 A CN111108679 A CN 111108679A
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Abstract

一种用于确定转子位置传感器(2)的测量偏移的方法，转子位置传感器(2)被分配给电机(5)的转子(3)，电机(5)包括由逆变器(6)供电的定子绕组，逆变器将直流链路电容器(7)处的电压转换成交流电流，其中，确定用于所述测量偏移的候选值，包括以下步骤：控制逆变器(6)的电力单元(9)将基于转子位置传感器(2)测量的转子位置信息(19)的电流提供至定子绕组，使得逆变器(6)的直流链路电容器(7)有源放电，基于在控制电力单元(9)使直流链路电容器(7)有源放电的情况下、检测到的直流链路电容器(7)的电压来评估用于测量偏移的候选值的合理性，和如果评估结果为肯定的，则提供候选值作为确定的测量偏移。

Description

用于确定转子位置传感器的测量偏移的方法和装置
本发明涉及一种用于确定转子位置传感器的测量偏移的方法，该转子位置传感器分配给电机的转子，该电机包括由逆变器供电的定子绕组，该逆变器将直流链路电容器(DClink capacitor)处的电压转换成交流电流(AC current)，其中，确定用于测量偏移的候选值。此外，本发明涉及一种用于确定转子位置传感器的测量偏移的装置。
为了电机的磁场定向控制，由逆变器提供的交流电流通过依赖于转子位置的磁通量的角度来控制。为了检测转子位置，转子位置传感器的使用是众所周知的。由于安装不精确，可能存在转子位置传感器的安装偏移，导致转子位置传感器的零角度(zero-angle)与电机d轴的角度之间的测量偏移。必须确定测量偏移以校正逆变器的控制，，以便获得电机的最大扭矩和最大负荷。关于汽车应用，测量偏移必须以一定的汽车安全完整性等级(automotive safety integrity level,ASIL)来确定。
通常，已经提出了基于目标电压来计算用于转子位置偏移的候选值，以通过逆变器控制电机。当将负d电流施加至电机时，通过测量流入逆变器中的直流电流，使候选值合理。然后，合理的候选值可以具有一定的ASIL。然而，直流电流测量导致高的工作量，且相当不准确。
可替代地，测量偏移通过基于电磁力的方法来确定，其中，当流入电机的电流控制为零时，测量引入电机的定子绕组中的电压。为了达到一定的ASIL，例如ASIL C，电压测量必须以非常容易的安全测量来执行。
因此，本发明的目的是提供一种改进的方法，用于高完整性的、特别是减少工作量且更精确的确定转子位置偏移。
根据本发明，以上目的通过如最初描述的方法而获得，所述方法包括以下步骤：控制所述逆变器的电力单元将基于由转子位置传感器测量的转子位置信息的电流提供至定子绕组，使得所述逆变器的直流链路电容器有源放电(actively discharged)，基于在控制电力单元使直流链路电容器有源放电的情况下，检测到的所述直流链路电容器的电压，来评估用于测量偏移的候选值的合理性，以及如果评估结果为肯定的，则提供所述候选值作为确定的测量偏移。
本发明基于这样的考虑，当控制逆变器使直流链路电容器有源放电时，直流链路电容器的放电特性代表测量偏移。当测量偏移为负时，电机作为电动机运行，并且直流链路电容器的比零测量偏移的情况放电更快。因此，直流链路电容器的电压下降更快。相反，当实际测量偏移为正时，电机作为发电机运行，并且直流链路电容器放电较慢或者甚至充电，使得直流链路电容器上的电压分别下降更慢或增加。因此，基于直流链路电容器的电压，可以使特别是通过常规方法确定的候选值合理。
有利地，由于仅需要电压测量，因此避免了对进行流入逆变器的直流电流耗力的电流测量，这通常需要分流器或霍尔传感器。由于在DC链路处的电压测量比电流测量更精确，所以本发明方法允许以高完整性、高精度和低耗力来确定测量偏移。
优选地，旋转变压器(resolver)用作转子位置传感器。通常，转子位置传感器通过将转子位置传感器机械附接至电机、特别是附接至转子，而被分配给转子。交流电流可以是三相交流电流。期望地，电机是永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine)。
优选的，所述候选值基于在控制所述电力单元将零电流提供至所述定子绕组的情况下、在所述逆变器的所有相处来测量的电磁力而确定的，或者所述候选值基于目标值或使得所述逆变器将零电流提供至所述定子绕组的开关信号而确定的。因此，可以容易地扩展传统的基于电磁力的方法。在其中，为了确定所述候选值，可以基于测量的电磁力、基于所述目标值或基于所述开关信号来确定d轴的偏移角。
为了避免用于确定候选值的高耗力，可以在不满足汽车安全完整性等级的情况下、特别是没有冗余测量和/或没有冗余计算的情况下，确定候选值。换句话说，可以凭借单个测量和单个计算装置来确定候选值。因此，通过将仅具有QM完整性等级的候选值的确定、与基于直流链路电容器的检测到的电压的评估相结合，来获得测量偏移的期望的ASIL。
通常，通过将d电流、特别是负d电流提供至所述定子绕组，控制所述电力单元使所述直流链路电容器有源放电。由此，如果候选值正确，则实现了电机处于有损运行模式。
优选地，通过将所述直流链路电容器的检测到的电压的进程、与分配给不同偏移值的电压的参考进程进行比较来评估所述合理性。参考进程(reference progresses)可以在执行该方法之前确定。可以使用存储在存储器中且表示参考进程的数据，例如特性曲线或查找表(look-up-tables)。
在其中，当充电到参考电压时，所述参考进程具有描述所述直流链路电容器的电压的值的起始值。优选地，分配给零或零偏移值附近的一个参考进程描述了在预定义的第一时间跨度内，直流链路电容器电压到第二参考电压的衰减。此外，分配给负偏移值的一个参考进程可以描述了在比所述第一时间跨度短的预定义的第二时间跨度内，直流链路电容器的电压到所述第二参考电压的衰减。优选地，分配给正偏移值、特别是低于正测量偏移阈值的一个参考进程描述了在比所述第一时间跨度长的预定义的第三时间跨度内，直流链路电容器的电压到所述第二参考电压的衰减。因此，可以通过将直流链路电容器的电压从第一参考电压降至第二参考电压的时间跨度与各自的时间跨度相比，可以容易地执行评估。
替代地或附加地，分配给正偏移值、特别是高于正测量偏移阈值的一个参考过程描述了直流链路电容器的电压的升高。可以选择正测量偏移阈值，以使其指的是偏移值，为此在控制电力单元使直流链路电容器有源放电时，直流链路电容器的电压保持恒定。
在所有上述情况下，第二参考电压可以是预定义的接触电压，直流链路电容器可以放电至该接触电压。通常，接触电压选择为40V至70V之间，特别是在55V至65V之间。
如果候选值和偏移值之间的差的绝对值低于预定义的阈值，则假设估值为肯定的，与检测到的电压的进程相匹配的参考进程被分配给该偏移值。可以相对于优选1度、更优选0.5度的确定的测量偏移的可接受误差来选择阈值。可替代地，如果基于候选值估计的参考进程和检测到的电压的进程之间的差的绝对值低于预定义的阈值，则假设评估为肯定的。该差可以是所估计的参考进程的时间跨度与检测到的电压的进程的时间跨度之间的差。
为了控制所述电力单元使所述直流链路电容器有源放电，可以使用所述逆变器的功能，该功能被实现为在接收到用于使所述直流链路电容器放电的紧急信号、特别是低于预定义的接触电压时执行。由于这种紧急放电是汽车逆变器的常见安全特性，因此无需在逆变器中实施额外控制功能来执行本发明的方法。
优选地，所述候选值存储在所述逆变器中，用于校正由所述转子位置传感器提供的未来的转子位置信息。
有利地，该方法在电机的线端测试期间(end-of-line-test)执行。
此外，本发明涉及一种用于确定转子位置传感器的测量偏移的装置，转子位置传感器分配给电机转子，其中，所述装置配置为执行根据本发明所述的方法。该设备可以集成到逆变器中。
涉及本发明方法的所有陈述类似地适用于本发明装置，使得本发明方法的上述优点也可以获得。
以下公开本发明的其他细节和优点，其中参考附图示出了：
图1是用于确定转子位置传感器的测量偏移的装置的实施方式的框图；
图2是具有转子的电机的图，所述转子位置传感器分配给该转子；
图3是用于确定转子位置传感器的测量偏移方法的实施方式的流程图；和
图4是该方法中使用的参考进程的图。
图1是用于确定转子位置传感器2的测量偏移的装置1的实施方式的框图。转子位置传感器2是分配给具有定子5的电机4的转子3的旋转变压器。定子5的定子绕组由逆变器6供电。尽管描绘的为独立的元件，但是装置1可以集成到逆变器6中。
换逆变器6包括直流链路电容器7、配置为检测直流链路电容器7处的电压的电压测量单元8、电力单元9和控制单元10。电力单元9包括布置在半桥(half bridges)中的多个半导体开关元件11，该半桥连接在DC链路的电压的电势之间。控制单元10配置为控制电力单元9，以将直流链路电容器7的电压转换为逆变器6的交流输出12处提供的三相交流电压。
另外，控制单元10包括控制部13，控制部13配置为为待提供到定子绕组的d电压提供目标值14a和为待提供到定子绕组的q电压提供目标值14b。基于dq坐标中的输出电流的实际值15a，15b确定目标值14a、14b，实际值15a，15b由第一转换单元16a提供，该第一转换单元16a将由逆变器6的电流检测单元18检测到的uvw坐标中的实际电流值17a、17b、17c转换为dq坐标。其中，第一转换单元16a使用由转子位置传感器2提供的转子位置信息19、和存储在控制单元10的存储部21中的测量偏移信息20，以执行转换。目标值14a、14b被提供给控制单元10的第二转换部16b，其通过转子位置信息17和测量偏移信息18，将dq坐标中的目标值14a、14b转换成uvw坐标中的目标值22a、22b、22c。基于目标值22a、22b、22c，控制单元10的调制部23将脉宽调制的开关信号24提供给电力单元9的开关元件11，使得由目标值14a、14b代表的d电压和q电压提供至电机4。
图2是电机4的详细图，该电机4是永磁同步电机。定子5包括参考上述uvw坐标的极U、V、W。转子3具有两个磁极N、S，该两个磁极N、S限定了dq坐标的d轴25a和q轴26a。
然而，由于转子位置传感器2的安装不准确，由转子位置传感器2提供的转子位置信息19涉及d轴25b和q轴26b，该d轴25b和q轴26b具有由d轴25a和d轴25b之间的偏移角27表示的测量偏移。当已知测量偏移时，其可以存储在控制单元10的存储部21中，以便校正转子位置信息19。
用于确定测量偏移的装置1在电机5的线端测试期间使用，并且可以是可连接至逆变器6的服务器设备。装置1包括确定部28a、控制部29、评估部和存储部31。其中，确定部28配置为获取由电压测量设备33提供的第一测量信息32，该电压测量设备33配置为检测由交流输出12供应的相的电压。评估部30配置为获取由逆变器6的电压测量单元8提供的第二测量信息34。此外，各确定部28和控制部29配置为将控制信息提供至控制单元10、特别是提供至控制部13，并配置为控制开关35，经由该开关35，直流链路电容器7通过直流电源36供电。可替代地，开关35为由外部控制设备(未示出)、例如车辆控制单元可控制的。
图3是用于确定转子位置传感器2的测量偏移的方法的框图，其中装置1配置为执行该方法。
在第一步骤S1中，确定部28控制开关35闭合，或检查开关35是否由外部控制设备闭合。其中，直流电源36将直流电压提供至逆变器6。直流电压给直流链路电容器7充电至第一参考电压。
然后，在步骤S2中，确定部28控制电力单元9以预定义的转速旋转转子3。在随后的步骤S3中，当电机3已经达到静止状态时，确定部28控制电力单元9将零电流提供至定子绕组。另外，确定部28将控制信息提供给控制单元10、特别是提供给控制部13。
在控制逆变器提供零电流的情况下，在步骤S4中，确定部28从电压测量设备33获取代表逆变器6的相处的电磁力的第一测量信息32。其中，电压测量设备33通过单次测量来测量电磁力，因此无需任何冗余测量。因此，根据ISO 26262和IEC 61508，第一测量信息32仅具有QM完整性等级。
接下来，在步骤S5中，确定部28基于d轴25a的偏移角27确定测量偏移的候选值，该偏移角27通过电磁力来确定。然后，该确定通过单个计算执行，因此无需任何冗余计算，使得候选值也设置有QM完整性级别。
在接下来的步骤S6中，控制部29控制开关35开启，或检查开关35是否已经通过外部控制设备开启。其中，直流电源36从直流链路电容器7断开连接。
在步骤S7中，在开关35开启的情况下，控制部29控制所述逆变器6的电力单元9将基于由转子位置传感器2测量的转子位置信息19的电流提供至所述定子绕组，使得直流链路电容器7有源放电。另外，控制部29触发逆变器的功能，该功能被实现为在接收到用于使直流链路电容器7放电至低于预定义的接触电压60V的紧急信号时执行。
详细地，控制部分29控制控制单元10、特别是控制部13，以将负d电流提供至定子绕组。因此，假设转子位置信息19具有未通过测量偏移信息20充分校正的测量偏移，转子位置信息19导致uvw坐标中的实际值17a、17b、17c无法适当地由第一转换部16a转换为dq坐标中的真实值15a、15b。因此，由调制部23提供的开关信号24是错误的。
此后，在步骤S8中，评估部30从电压测量单元8获取第二测量信息34，该第二测量信息34表示直流链路电容器7的电压的进程。
在步骤S9中，评估部30将该进程与存储在存储部31中的、且由特性曲线或查找表表示的多个参考进程相比较。
下面参考图4描述步骤S9中的比较，图4示出转速n随着时间的图和电压Udc随时间的图。在时间37之前，转速n的进程38在等级39上恒定。与直流链路电容器7的电压相对应的参考进程40至43在第一参考电压44上恒定，该第一参考电压44是各参考进程40至43的起始值。在时间37处，在步骤S7中，控制电力单元6使直流链路电容器7有源放电。
参考进程40分配给零偏移值。在时间37之后，参考进程40描述了在第一时间跨度46内，电压Udc到第二参考电压45的衰减。
参考进程41分配给例如-3度的负偏移值，使得电机5作为电动机运行。在时间37之后，参考进程41描述了在比第一时间跨度46短的第二时间跨度47内，电压Udc到第二参考电压45的衰减。
参考进程42分配给例如1.5度的正偏移值，使得电机5仍作为电动机运行，但是处于制动运行范围内，在该制动运行范围内，电力被恢复到直流链路电容器7。在时间37之后，参考进程42描述了在比第一时间跨度46长的第三时间跨度48内，电压Udc到第二参考电压45的衰减。
参考进程43分配给例如3度的正偏移值，使得电机5作为发电机运行，因此对直流链路电容器7充电。在时间37之后，参考进程43描述了电压Udc的升高。
因此，在步骤S9中，由第二测量信息43描述的直流链路电容器7的电压从第一参考电压44降至第二参考电压45的时间跨度被确定，并与参考进程40至43相比较。然后，由评估部30选择偏移值，与直流链路电容器7的电压最佳匹配的参考进程40至43被分配给该偏移值。
在步骤S10中，将候选值与所选择的偏移值之间的差的绝对值与预定义的阈值进行比较。如果差高于阈值，则假设候选值不合理并被丢弃。该方法跳转到步骤S1，并重复上述步骤S1至S10，以便检测更好的候选值。如果差低于阈值，则假设候选值是合理的，并且评估为肯定的。该方法进行到步骤S11，其中提供候选值作为确定的测量偏移。其中，被认为是合理的候选值具有ASIL、例如ASIL C，而不是QM完整性级别，因为它基于独立的测量技术。
在随后的步骤S12中，评估部30将所提供的测量偏移量传输至控制单元10的存储部21，该测量偏移量存储为用于调整由转子位置传感器2提供的未来的转子位置信息19。
根据另一实施方式，候选值基于目标值14a、14b或开关信号24来确定，而不是基于由电压测量设备33的测量来确定。因此，可以省略电压测量设备33。
根据其他实施方式，在步骤S9中，参考进程40至43基于候选值来评估。其中，由第二测量信息43描述的直流链路电容器7的电压从第一参考电压44降至第二参考电压45的时间跨度与所评估的参考进程40至42的时间跨度46至48相比较。在步骤S10中，如果检测到的电压的时间跨度和参考进程40至42估计的时间跨度46至48之间的差的绝对值低于预定义的阈值，则认为评估为肯定的。

Claims (15)

1.一种用于确定转子位置传感器(2)的测量偏移的方法，所述转子位置传感器(2)被分配给电机(5)的转子(3)，所述电机(5)包括由逆变器(6)供电的定子绕组，所述逆变器将直流链路电容器(7)处的电压转换成交流电流，其中，确定用于所述测量偏移的候选值，其特征在于，具有以下步骤：
-控制所述逆变器(6)的电力单元(9)将基于所述转子位置传感器(2)测量的转子位置信息(19)的所述电流提供至所述定子绕组，使得所述逆变器(6)的所述直流链路电容器(7)有源放电，
-基于在控制所述电力单元(9)使所述直流链路电容器(7)有源放电的情况下、检测到的所述直流链路电容器(7)的电压来评估用于所述测量偏移的所述候选值的合理性，以及
-如果评估结果为肯定的，则提供所述候选值作为确定的测量偏移。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述候选值基于在控制所述电力单元(9)将零电流提供至所述定子绕组的情况下、在所述逆变器(6)的一个或多个相处测量的电磁力而确定的，或者所述候选值基于目标值(22a，22b，22c)或基于使所述逆变器(6)将零电流提供至所述定子绕组的开关信号(24)而确定的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，为了确定所述候选值，基于所述测量的电磁力、基于所述目标值(22a，22b，22c)或基于所述开关信号(24)来确定d轴(25a)的偏移角(27)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在不满足汽车安全完整性等级、特别是没有冗余测量和/或没有冗余计算的情况下，确定所述候选值。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过将d电流、特别是负d电流提供至所述定子绕组，控制所述电力单元(9)使所述直流链路电容器(7)有源放电。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过将所述直流链路电容器(7)的所述检测到的电压的进程、与分配给不同偏移值的电压的参考进程(40-43)进行比较来评估所述合理性。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，当充电到参考电压(44)时，所述参考进程(40-43)具有描述所述直流链路电容器(7)的所述电压(Udc)的值的起始值。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，分配给零或零偏移值附近的一个参考进程(40)描述了在预定义的第一时间跨度内，所述直流链路电容器(7)的所述电压(Udc)到第二参考电压(45)的衰减。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，分配给负偏移值的一个参考进程(41)描述了在比所述第一时间跨度(46)短的预定义的第二时间跨度(47)内，所述直流链路电容器(7)的所述电压(Udc)到所述第二参考电压(45)的衰减。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，分配给正偏移值、特别是低于正测量偏移阈值的一个参考进程(42)描述了在比所述第一时间跨度(46)长的预定义的第三时间跨度(48)内，所述直流链路电容器(7)的所述电压(Udc)到所述第二参考电压(45)的衰减；和/或分配给正偏移值、特别是高于所述正测量偏移阈值的一个参考进程(43)描述了所述直流链路电容器(7)的所述电压(Udc)的升高。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的方法，其中，如果所述候选值和所述偏移值之间的差的绝对值低于预定义的阈值，或者如果基于所述候选值估计的参考进程(40-43)和所述检测到的电压的所述进程之间的差的绝对值低于预定义的阈值，则假设所述评估为肯定的，将与所述检测到的电压的所述进程相匹配的所述参考进程(40-43)分配给所述偏移值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了控制所述电力单元(9)使所述直流链路电容器(7)有源放电，使用了所述逆变器(6)的功能，所述功能被实现为在接收到用于使所述直流链路电容器(7)放电的紧急信号、特别是低于预定义的接触电压时执行。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述候选值存储在所述逆变器(6)中，用于校正由所述转子位置传感器(2)提供的未来的转子位置信息(19)。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法在所述电机的线端测试期间执行。
15.一种用于确定转子位置传感器(2)的测量偏移的装置(1)，所述转子位置传感器分配给电机(5)的转子(3)，其中，所述装置(1)配置为执行根据权利要求1至14中任一项所述的方法。
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