CN113437913A - 电机的检测和控制 - Google Patents

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CN113437913A CN202110223676.7A CN202110223676A CN113437913A CN 113437913 A CN113437913 A CN 113437913A CN 202110223676 A CN202110223676 A CN 202110223676A CN 113437913 A CN113437913 A CN 113437913A
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Abstract

本公开提供“电机的检测和控制”。一种车辆包括：电机，所述电机具有极对数量N；位置传感器，所述位置传感器具有极对数量M，所述位置传感器产生指示所述电机的旋转位置的输出；以及一个或多个控制器。所述一个或多个控制器根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，并且基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度。M不等于N且不是N的因数，并且L是N和M的最小公倍数。

Description

电机的检测和控制
技术领域
本公开涉及汽车电力电子部件。
背景技术
电动化车辆可以包含一个或多个马达以用于推进。它还可以包含为马达提供能量的牵引电池和支持低电压负载的辅助电池。由于马达、牵引电池和辅助电池可能需要不同的电参数，因此它们之间的电通信可能需要修改所提供或所消耗的电力。
发明内容
一种车辆包括电机、位置传感器和一个或多个控制器。所述电机具有极对数量N。所述位置传感器具有极对数量M，并且产生指示所述电机的旋转位置的输出。所述一个或多个控制器根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，并且基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度。M不等于N且不是N的因数，并且L是N和M的最小公倍数。
一种用于操作车辆电机的方法包括：从具有极对数量M的位置传感器获得具有极对数量N的电机的旋转位置，根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，以及基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度。L是N和M的最小公倍数。
一种电驱动系统包括：电机，所述电机具有极对数量N；位置传感器，所述位置传感器具有极对数量M，所述位置传感器产生指示所述电机的旋转位置的输出；以及一个或多个控制器。所述一个或多个控制器基于所述输出来生成计数，根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，响应于所述计数加一大于(L/N)-1而将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零，并且基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度。
附图说明
图1示出了针对具有两个极对的位置传感器和具有四个极对的电机的转子的角位置波形与时间。
图2示出了针对具有六个极对的位置传感器和具有四个极对的电机的转子的角位置波形与时间。
图3是对于给定DC总线电压，死区时间电压随角位置变化的d轴/q轴曲线图。
图4是用于旋转变压器偏移检测的补偿示例性查找表的曲线图。
图5是注入程序的流程图。
图6是检测程序的流程图。
图7示出了针对具有六个极对的位置传感器和具有四个极对的电机的转子的角位置波形与时间，以及转数计波形和重新映射的位置传感器波形。
图8是用于检测和控制具有位置传感器极对和电机极对的任何组合的电机的算法的流程图。
图9是车辆的框图。
具体实施方式
本文中描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采用未明确示出或描述的各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅解释为教导本领域普通技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解，参考附图中的任何一个示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可以是特定应用或实现方式所期望的。
为了控制电机，通常需要位置传感器来测量转子的取向。位置传感器可以是例如旋转变压器。常规地，位置传感器的极对数量(NPP)，即，凸角的数量，应与电机的NPP匹配，或者至少应是电机的NPP的因数。如果位置传感器的NPP不等于电机的NPP或不是电机的NPP的因数，则可能导致控制不稳定性和不正确的扭矩传递。例如，如果电机的NPP为四，则可以使用NPP为二或四的位置传感器。不使用NPP为一的位置传感器，因为它在机械上不平衡并且因此不能平滑地旋转。
对于一些电机设计，NPP是不常见的数，例如，质数五或七。选择NPP为五或七的位置传感器可能会增加成本，因为与其他常见NPP(诸如二、三、四或六)相比，这些NPP相对罕见。
如上所述，位置传感器的NPP通常需要等于电机的NPP或为电机的NPP的因数，因为它允许将位置传感器测量读数映射到唯一转子位置。例如，图1示出了NPP为二的位置传感器和NPP为四的电机的波形。对于任何给定的传感器角位置最小或最大读数，只有一个对应的唯一电机角位置读数：每当传感器波形的角位置为零时，电机波形的角位置同样为零。因此，当传感器波形的角位置在零处时，电机的角位置必然是已知的。
当上述关系不为真时，位置传感器读数可以映射到若干可能的电机位置中的一个。图2示出了NPP为六的位置传感器和NPP为四的电机的示例。当位置传感器读数为零(统一)时，电机可能为零、三分之一或三分之二(统一)。也就是说，当传感器的NPP不等于电机的NPP或不为电机的NPP的因数时，常规的电机控制算法无法知道实际转子位置。因此，它可能会失去控制并导致不正确的扭矩和不稳定性。
这里，提出了用于可以与具有任何NPP的位置传感器一起有效操作的电机驱动系统的控制技术。
为了正确地控制具有位置传感器NPP和电机NPP的任何组合的电机，可能需要解决两个问题。首先，对于每次控制器上电，需要确定位置传感器偏移值，这是因为由于缺少上述一对一映射，它不是唯一值。其次，在正常操作期间的位置读数需要重新映射到电机位置以恢复一对一映射。
位置传感器偏移
关于第一个问题，可以使用任何位置传感器偏移检测算法。在一个示例中，旋转变压器偏移检测通过将高频电压信号引入电机中来实现。对于该高频电压信号并且参考方程式(1)，将静止参考坐标系中持续旋转的高频电压矢量
Figure BDA0002955928240000041
注入电机：
Figure BDA0002955928240000042
其中Vc表示旋转电压矢量的大小，并且ωc表示旋转电压矢量的频率。然后，观察来自电机响应的三相电流并对其进行后处理以便进行转子位置检测。然后将检测到的转子位置与旋转变压器读数进行比较，以因此确定旋转变压器偏移值。
基于逆变器开关频率来选取注入频率。开关频率与注入频率之间的大约十到二十的比率是示例性优化值。大小Vc的选择稍后进行描述。
高频电流响应
Figure BDA0002955928240000051
具有嵌入其中的显著性信息，并且可以由方程式(2)表示：
Figure BDA0002955928240000052
其中Icp和Icn分别表示正序电流响应和负序电流响应的大小，并且
Figure BDA0002955928240000053
和
Figure BDA0002955928240000054
分别表示正序电流响应和负序电流响应的相位。
负序电流响应的相位
Figure BDA0002955928240000055
由方程式(3)表示：
Figure BDA0002955928240000056
其中θe是以电角度表示的转子位置。它包括电机转子位置信息，并且因此可以用于转子位置和旋转变压器偏移检测。
参考方程式(4)，可以通过将离散傅里叶变换(discrete Fourier transform，DFT)应用于三相电流来估计负序电流响应的相位Xk：
Figure BDA0002955928240000057
其中N是离散傅里叶变换的样本数量(采集的样本越多，DFT结果越精确；然而，更多的样本需要更多的计算时间，这可使检测延迟)，xn是采样的高频电流复矢量Iqds，并且fc是注入信号的频率(对于正序，所述信号为正；对于负序，所述信号为负)。
在实际应用中，逆变器系统中存在死区时间和非线性。逆变器死区时间Vdead将导致逆变器的实际输出电压产生误差。因此，注入的高频电压信号不如预期的那样，并且将导致产生旋转变压器偏移检测误差。逆变器非线性效应示出在方程式(5)和(6)中：
Figure BDA0002955928240000061
其中Tdead、Ton、Toff和Ts分别表示死区时间、导通延迟时间、关断延迟时间和脉冲宽度调制周期，Vdc是DC总线电压，Vsat是开关的通态电压降，并且Vd是二极管的正向电压降。
Figure BDA0002955928240000062
其中
Figure BDA0002955928240000063
和
Figure BDA0002955928240000064
分别表示同步参考坐标系中的d轴死区时间电压和q轴死区时间电压，并且ia、ib和ic分别表示相位A电流、相位B电流和相位C电流。在所有因素中，逆变器死区时间通常是主导因素。
图3示出了在一个特定DC总线电压下随角位置变化的在同步参考坐标系的d轴和q轴上的死区时间电压。与q轴相比较，逆变器死区时间在d轴上具有不同影响，并且在一个电循环中示出六阶模式。
为了补偿逆变器死区时间的影响并且提高旋转变压器偏移检测精度，查找表可以用来补偿误差。图4示出了此类查找表旋转变压器偏移检测的示例。使用查找表，实现针对一个特定DC总线电压或电池电压的旋转变压器偏移检测的精度。然而，死区时间电压也是DC总线电压的函数，因此需要另外的动作来提高在各种DC总线电压下的旋转变压器偏移检测精度。
为了实现这一点，可以使用恒定占空比。当DC总线电压从Vdc1改变为Vdc2时，算法也将所注入的高频电压信号的大小从Vc1改变为Vc2，以保持占空比恒定，如方程式(7)中所示：
Figure BDA0002955928240000065
以这种方式，无论DC总线电压变化如何，实际的高频电压输出信号的相位滞后是固定的，并且上面提及的查找表能够在变化的DC总线电压条件下补偿逆变器死区时间效应。
图5示出了用于与本文所提出的技术相关联的注入程序的算法10。在操作14处，确定是否启用基于恒定占空比高频电压注入的旋转变压器偏移检测。如果否，则在操作14处将注入频率ωc和大小Vc设定为零。然后，算法10结束。如果是，则根据所示出的关系式(也参见方程式(7))确定调整的注入大小Vc2。在操作18处，根据所示出的关系式更新注入角θc，其中Ts是采样周期。然后，在操作20处根据所示出的关系式计算注入电压
Figure BDA0002955928240000071
在操作22处，使用标准技术将两相定子参考坐标系转换为三相定子参考坐标系。并且在操作24处，确定注入是否完成。如果否，则算法10返回到操作18。如果是，则算法10结束。
图6示出了用于与本文所提出的技术相关联的检测程序的算法26。在操作28处，获取三相电流。在操作30处，使用标准技术将三相定子参考坐标系转换为两相定子参考坐标系。然后，在操作32处从方程式(3)和(4)估计转子位置θe。在操作34处，上面所述的查找表用来补偿逆变器死区时间误差并且获取补偿的转子位置θe_comp。在操作36处，将补偿的转子位置与旋转变压器位置读数进行比较，并且根据差值设定旋转变压器偏移。然后，算法26结束。
在车辆中，可能期望使用可以在零电机转速下工作并产生零扭矩的位置传感器偏移检测算法，因此车辆驾驶员将不会感觉到存在上电偏移检测。
位置读数重新映射
关于第二个问题，创建用于将位置传感器读数重新映射到正确的电机位置的附加转数计。例如，在正旋转速度下，常规的位置传感器角位置会通常在达到最大值之后回绕到0，并且在下一次旋转中再次从0正计数。这里，添加附加的转数计。使用NPP为六的位置传感器和NPP为四的电机作为示例，对于正向旋转，附加的转数计将从0、1、2计数，而对于负向旋转，从0、-1、-2计数。角位置读数仅当其在转数计等于±2处结束旋转时回绕到0。图7示出了用于六NPP位置传感器和四NPP电机的位置传感器角位置重新映射方法的示例。虚线是重新映射的角位置读数。如对于普通技术人员明显的，恢复了从位置传感器位置到电机位置的唯一映射。
作为一般情况，在任何位置传感器NPP M和电机NPP N的情况下，附加转数计的计数范围由方程式(8)确定。假定M和N的最小公倍数为L，则转数计范围为
[-(L/N)+1,-(L/N)+2,…,0,…,(L/N)-2,(L/N)-1](8)
假定原始位置传感器读数的范围是0至X，其中X是原始位置传感器的最大读数，在表I中列出了在任何位置传感器NPP M和电机NPP N的情况下的原始位置传感器读数、重新映射的位置读数和经缩放的位置读数的范围。
Figure BDA0002955928240000081
如果例如M等于六并且N等于四，则原始位置传感器读数、重新映射的位置读数和经缩放的位置读数的范围在表II中示出。
Figure BDA0002955928240000082
经缩放的位置传感器读数与电机的L/M电气旋转匹配。例如，如果M等于六并且N等于四，则在0至2X的范围内的经缩放的位置传感器读数反映了电机的2次电气旋转。任选地，经缩放的位置传感器读数可以在0至X的范围内环绕。另外，当M大于N时，使用所提出的技术可以将位置传感器的等效旋转增加M/N。
图8示出了可以被执行以实施本文描述的策略的算法37。在操作38处，执行控制器上电，并且在操作40处运行实时位置传感器偏移检测算法，诸如上述那些。在操作44处，实现正常车辆操作，并且在操作46处，刷新位置传感器读数并根据所存储的偏移值进行调整，如本领域中已知。
在判定框48处，确定位置传感器读数是否已经达到一转。如果否，则在操作49处将位置传感器读数重新映射到0至X*(L/N)的范围。在操作50处，重新映射的位置读数按N/M缩放。经缩放的位置读数然后可以任选地在操作51处在范围0至X内环绕，并且转子位置在操作52处被输出以用于控制。
返回到判定框48，如果是，则在判定框54处确定电机转速是否大于零。典型的车轮位置或速度传感器或其他适当的传感器可以用于这种确定。如果否，则在操作56处从转数计减去一。在判定框58处，确定转数计是否具有小于量L/N加1的值。如果否，则算法37前进到操作49。如果是，则在操作64处将转数计和位置读数都重置为零。然后，算法37前进到操作52。
返回到判定框54，如果是，则在操作60处将一加到转数计。在判定框62处，确定转数计的值是否大于L/N减一。如果否，则算法37前进到操作49。如果是，则算法37前进到操作64。
图9是车辆65的简化框图，所述车辆尤其包括牵引电池66、DC总线68、逆变器70、电机72、位置传感器73(旋转变压器)和一个或多个控制器74。可以经由DC总线68和逆变器70将来自牵引电池66的电力提供给电机72，如本领域中已知。电力还可以在另一个方向上流动。一个或多个控制器74可以实施本文所设想的技术以对牵引电池66、逆变器70和电机72实行控制。例如，一个或多个控制器74可以基于从位置传感器73和算法37得出的转子位置信息来操作电机72(例如，向其提供命令以产生指定的扭矩或速度，如本领域中已知)。
本文所公开的过程、方法或算法可能够交付到处理装置、控制器或计算机或由它们来实施，它们可以包括任何现有可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，过程、方法、或算法可以作为可由控制器或计算机执行的呈许多形式的数据和指令存储，所述形式包括但不限于：永久地存储在不可写存储介质(诸如ROM装置)上的信息、以及可变更地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、CD、RAM装置以及其他磁性和光学介质)上的信息。过程、方法或算法也可以以软件可执行对象来实现。替代地，过程、方法或算法可以全部或部分使用合适的硬件部件(诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或者其他硬件部件或装置)或硬件、软件和固件部件的组合来实施。
在说明书中所使用的用词是描述性用词而非限制性用词，并且应理解，可以在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，各个实施例的特征可以被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。尽管各个实施例可能已被描述为在一个或多个期望的特性方面提供优于其他实施例或现有技术实现方式的优点或相比其他实施例或现有技术实现方式是优选的，但是本领域的普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性可以被折衷以实现期望的整体系统属性，所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实现方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维修性、重量、可制造性、易于组装等。因此，被描述为关于一个或多个特性不如其他实施例或现有技术实现方式所期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用可能是期望的。
根据本发明，提供了一种车辆，其具有：电机，所述电机具有极对数量N；位置传感器，所述位置传感器具有极对数量M，并且被配置为产生指示所述电机的旋转位置的输出，其中M不等于N且不是N的因数；以及一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置为根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，并且基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度，其中L是N和M的最小公倍数。
根据实施例，所述一个或多个控制器还被配置为基于所述输出生成计数，其中所述计数具有在(-L/N)+1与(L/N)-1之间的范围。
根据实施例，所述一个或多个控制器还被配置为响应于(i)所述电机的转速大于零且(ii)所述计数加一大于(L/N)-1，将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零。
根据实施例，所述一个或多个控制器还被配置为响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
根据实施例，所述一个或多个控制器还被配置为响应于(i)所述电机的转速不大于零且(ii)所述计数减一小于(-L/N)+1，将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零。
根据实施例，所述一个或多个控制器还被配置为响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
根据实施例，M大于N。
根据本发明，一种用于操作车辆电机的方法包括：通过一个或多个控制器，从具有极对数量M的位置传感器获得具有极对数量N的电机的旋转位置，根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，其中L是N和M的最小公倍数，根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，以及基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度。
在本发明的一个方面，所述方法包括基于旋转位置生成计数，其中所述计数具有在(-L/N)+1与(L/N)-1之间的范围。
在本发明的一个方面，所述方法包括响应于(i)所述电机的转速大于零且(ii)所述计数加一大于(L/N)-1，将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零。
在本发明的一个方面，所述方法包括响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
在本发明的一个方面，所述方法包括响应于(i)所述电机的转速不大于零且(ii)所述计数减一小于(-L/N)+1，将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零。
在本发明的一个方面，所述方法包括响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
在本发明的一个方面，M不等于N且不是N的因数。
根据本发明，提供了一种电驱动系统，其具有：电机，所述电机具有极对数量N；位置传感器，所述位置传感器具有极对数量M，并且被配置为产生指示所述电机的旋转位置的输出；以及一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置为基于所述输出来生成计数，根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，其中L是N和M的最小公倍数，根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，响应于所述计数加一大于(L/N)-1而将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零，并且基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度。
根据实施例，所述计数具有在(-L/N)+1与(L/N)-1之间的范围。
根据实施例，响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
根据实施例，M不等于N且不是N的因数。

Claims (15)

1.一种车辆，其包括：
电机，所述电机具有极对数量N；
位置传感器，所述位置传感器具有极对数量M，并且被配置为产生指示所述电机的旋转位置的输出，其中M不等于N且不是N的因数；以及
一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置为根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，并且基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度，其中L是N和M的最小公倍数。
2.如权利要求1所述的车辆，其中所述一个或多个控制器还被配置为基于所述输出生成计数，其中所述计数具有在(-L/N)+1与(L/N)-1之间的范围。
3.如权利要求2所述的车辆，其中所述一个或多个控制器还被配置为响应于(i)所述车辆的速度大于零且(ii)所述计数加一大于(L/N)-1，将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零。
4.如权利要求3所述的车辆，其中所述一个或多个控制器还被配置为响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
5.如权利要求2所述的车辆，其中所述一个或多个控制器还被配置为响应于(i)所述车辆的速度不大于零且(ii)所述计数减一小于(-L/N)+1，将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零。
6.如权利要求5所述的车辆，其中所述一个或多个控制器还被配置为响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
7.一种用于操作车辆的电机的方法，所述方法包括：
通过一个或多个控制器，
从具有极对数量M的位置传感器获得具有极对数量N的电机的旋转位置，
根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，其中L是N和M的最小公倍数，
根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，以及
基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度。
8.如权利要求7所述的方法，其还包括基于旋转位置生成计数，其中所述计数具有在(-L/N)+1与(L/N)-1之间的范围。
9.如权利要求8所述的方法，其还包括响应于(i)所述车辆的速度大于零且(ii)所述计数加一大于(L/N)-1，将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零。
10.如权利要求8所述的方法，其还包括响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
11.如权利要求8所述的方法，其还包括响应于(i)所述车辆的速度不大于零且(ii)所述计数减一小于(-L/N)+1，将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零。
12.如权利要求11所述的方法，其还包括响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
13.一种电驱动系统，其包括：
电机，所述电机具有极对数量N；
位置传感器，所述位置传感器具有极对数量M，并且被配置为产生指示所述电机的旋转位置的输出；以及
一个或多个控制器，所述一个或多个控制器被配置为
基于所述输出来生成计数，
根据所述旋转位置与L/N的乘积来生成重新映射的旋转位置，其中L是N和M的最小公倍数，
根据所述重新映射的旋转位置与N/M的乘积来生成经缩放的位置，
响应于所述计数加一大于(L/N)-1而将所述计数重置为零并将所述旋转位置重置为零，并且
基于所述经缩放的位置来命令所述电机以产生指定的扭矩或速度。
14.如权利要求13所述的电驱动系统，其中所述计数具有在(-L/N)+1与(L/N)-1之间的范围。
15.如权利要求13所述的电驱动系统，响应于所述旋转位置实现一转，确定所述速度。
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