CN115765535A - 基于定位传感器确定车辆旋转元件的定位的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于基于定位传感器来确定机动车辆的旋转元件的定位的方法，所述定位传感器被配置为测量旋转元件的定位，以同时生成反映所述旋转元件在其旋转时的角定位的正弦型输出信号和余弦型输出信号，并且将这些输出信号递送到车辆的控制模块，由所述控制模块实施的所述方法包括如下步骤：旋转旋转元件，接收（E3）当旋转元件旋转时由定位传感器生成的输出信号，确定（E7）在预定时间范围内接收到的输出信号的平均周期，校正（E8）这两个接收到的输出信号，使得所述信号中的每一个的周期等于确定的平均周期，基于经校正的输出信号确定旋转元件的角定位。

Description

基于定位传感器确定车辆旋转元件的定位的方法

技术领域

本发明涉及汽车领域，并且更具体地，涉及一种用于处理由用于车辆旋转元件的定位的定位传感器生成的信号的方法，并且涉及实现所述方法的控制模块。

背景技术

在电动或混合动力车辆中，特别是具有同步电机的车辆中，已知的做法是使用传感器来确定电机转子的定位，以便允许电子控制单元经由功率转换器来控制电机。

这种类型的传感器优选地与转子轴的端部成一直线放置，并且将关于角定位的信息发送到电子控制单元，使得电子控制单元控制功率转换器，并且从而控制电机。

被称为“分解器”的这种类型的传感器以已知的方式包括集成电路，该集成电路包括与双极磁体相关联的一个或多个敏感元件，该双极磁体定位在面向传感器的轴的端部处，用于轴向读取。传感器的一个或多个敏感元件允许检测磁体的磁矢量的旋转角度。测得的角度被转录成两个正弦和余弦输出信号。电子控制单元同时接收这两个输出信号，并且经由反正切三角计算确定转子绝对角度。

环境或所使用技术（传感器、磁铁等）的影响倾向于使这些输出信号变形，特别是在振幅和相位方面，这导致角度估计中的残留误差。该误差可能很大，并且导致电机控制故障。更特别地，如果转子的定位超过车辆安全控制系统中的预定义限制，则电机停止并且车辆无法移动，这是机动车辆最严重的故障之一。

在现有技术中，为减少信号变形并且因此减少这些传感器中的残余误差而采用的解决方案在于使用针对幅度、偏移和正交性的校正器，所述校正器与设定截止频率下的时域滤波相关联。使用时域滤波是为了实现简单性。滤波是低频的，因为想要的信号是低频的：常规在例如0和20000 RPM之间的转子转速对应于0和333 Hz之间的频带。

针对幅度、偏移和正交性的校正器使得分别至少部分地补偿信号的幅度和定时的变形成为可能。正交校正器使得校正信号中的相移成为可能，以便将其保持在90°量级的值。

这种方法的性能首先受限于校正器的有效性，校正器不允许残余误差被充分降低。特别是，当信号的斜率最大时，信号会显著变形，偏移并且因此正交性的移位是常见的，并且难以利用现有的校正器进行校正。

此外，由于滤波取决于信号的频率，即取决于轴的旋转，因此该方法的性能取决于转子的旋转速度。特别是，在低转速或加速阶段，估计误差更大，这呈现了主要缺点。更具体地说，电机的产出不是针对整个操作范围优化的，而是取决于滤波，而滤波进而取决于速度。

因此，需要一种使得至少部分克服这些缺点成为可能的解决方案。

发明内容

为此，本发明的第一主题是一种用于基于定位传感器确定机动车辆的旋转元件的定位的方法，所述定位传感器被配置为测量旋转元件的定位，以同时生成反映所述旋转元件在其旋转时的角定位的正弦型输出信号和余弦型输出信号，并且将这些输出信号递送到车辆的控制模块，由所述控制模块实施的所述方法包括以下步骤：

-旋转旋转元件，

-接收当旋转元件旋转时由定位传感器生成的输出信号，

-确定在预定时间范围内接收到的输出信号的平均周期，

-校正这两个接收到的输出信号，使得所述信号中的每一个的周期等于确定的平均周期，

-基于经校正的输出信号确定旋转元件的角定位。

“信号的平均周期”是指正弦信号的平均周期和余弦信号的平均周期的平均值。

该方法使得实现稳定状态的建立成为可能，以便在小的时间范围内确定信号的周期，然后该周期被稳定，这允许利用稳定和精确的周期值来校正信号，以便消除导致角定位估计中的误差的变形。因此，平均周期的使用使得消除由预定时间范围内的信号变形所生成的时间偏移成为可能。此外，通过使用周期的估计的平均值来平滑周期的估计，可以过滤速度信息以便获得更精确的速度估计。

根据本发明的一个特征，通过计算在给定时间的正弦和余弦信号值的反正切，来在所述给定时间确定旋转元件的定位。

优选地，该方法在确定在预定时间范围内接收到的输出信号的平均周期之前，确定旋转元件的旋转加速度，仅在加速度值低于表征稳定状态的预定阈值时实现确定接收到的输出信号的平均周期和校正接收到的输出信号的步骤，以及基于经校正的输出信号确定旋转元件的角定位的步骤。

根据本发明的一个方面，该方法包括计算在预定时间范围内生成的正弦信号的周期的平均值和在预定时间范围内生成的余弦信号的周期的平均值的步骤。

有利的是，确定接收到的输出信号的平均周期的操作是通过计算预定时间范围内每个输出信号的周期的平均值来执行的，每个周期是在所述信号的两个连续零幅度之间针对两个输出信号中的每一个测量的。

优选地，可以选择预定时间范围的持续时间，以便满足用于控制旋转元件——例如用于在电机的情况下控制转子——所期望的在动力学和角度精度方面的需要。

有利地，该方法包括，在就周期方面校正输出信号之前，检查平均周期低于预定义周期阈值或高于预定义速度阈值以便确保速度足够高以达到稳定状态的步骤。该阈值可以作为期望的系统动力学的函数来确定。

有利地，加速度可以通过计算旋转元件在两次连续旋转之间的转速差来定义。

优选地，预定加速度阈值作为期望的系统动力学的函数来确定。

有利地，该方法包括，在确定平均周期之前或者当加速度值高于预定加速度阈值时，在幅度和/或偏移方面校正输出信号的步骤。

有利的是，该方法包括在就周期方面校正输出信号之前，在设定的截止频率下对接收信号进行时域滤波的步骤。

本发明还涉及一种包括程序代码指令集的计算机程序产品，当它们被一个或多个处理器执行时，配置一个或多个处理器以实现如上所述的方法。

本发明还涉及一种用于车辆的控制模块，其被配置为实现如上所述的方法。

控制模块可以是电子控制单元（ECU），其安装在车辆中距离传感器一定距离处，并通过通信链路连接到所述传感器，以便接收由所述传感器生成的输出信号。

作为变型，控制模块可以集成到与传感器相同的外壳中，例如通过采取预编程数字信号处理器（DSP）的形式。

本发明还涉及一种机动车辆，其包括旋转元件、用于所述旋转元件的角定位的传感器和如上面呈现的控制模块。

在一个实施例中，旋转元件是电机转子。

附图说明

通过阅读下面的描述，本发明的其他特征和优点将变得更加显而易见。该描述纯粹是说明性的，并且应当参考随附附图来阅读，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的车辆的一个实施例；

图2示意性地示出了根据本发明的方法的一个实施例；

图3图示了从传感器接收的变形正弦和变形余弦信号相对于理想正弦信号（即没有变形的信号）和理想余弦信号的示例；

图4图示了校正的正弦和余弦信号的示例，其中平均周期由控制模块确定，并且转子在稳定状态下旋转；

图5图示了作为转子加速度中时间的函数的在估计转子角度时的误差的示例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的车辆1的一个示例。优选地，车辆1是机动车辆1，特别是电动或混合动力机动车辆。

车辆1包括电机5、传感器10和控制模块20。

电机5

电机5包括定子6，定子6中安装有转子7，转子7允许提供适于驱动车辆1的车轮的扭矩。

转子7包括具有自由端8A的中心旋转轴8，双极磁体9安装在该自由端8A上。

传感器10

传感器10是定位传感器，其允许通过测量中心轴8的角定位来确定转子的角定位。

为此，传感器10包括集成电路和一个或多个敏感元件（为了清楚起见未示出），允许在双极磁体9旋转时检测其磁矢量的旋转角度。

集成电路被设计成基于由所述一个或多个敏感元件检测到的磁矢量，同时生成反映转子7在其旋转时的角定位的正弦型输出信号和余弦型输出信号，并且将这两个输出信号递送给控制模块20。

因为这种类型的传感器10本身是已知的，所以这里不再详细描述。

控制模块20

控制模块20使用由传感器10发送的信息来确定转子7的角定位。为此，控制模块20被配置为在转子7旋转时接收由传感器10生成的两个测量的输出信号，以便确定转子7的角定位并且控制功率转换器，从而允许电机5作为所确定的角定位的函数被控制。

控制模块20配置为基于接收到的输出信号确定转子7的旋转加速度。例如，加速度可以通过计算转子7在两次连续旋转之间的转速差来确定。

控制模块20被配置为将所确定的加速度值与表征稳定状态的预定加速度阈值S（图2）进行比较，所述预定加速度阈值S例如转子7的两次连续旋转之间的速度差X m/s。

控制模块20被配置为以正弦形式计算输出信号的平均周期并且以余弦形式计算输出信号的平均周期，并且然后计算如此计算的两个平均周期的平均值。

控制模块20被配置为校正从传感器10接收的两个输出信号，使得所述信号中的每一个的周期变得等于所确定的平均周期。

控制模块20被配置为使用本身已知的反正切计算基于经校正的输出信号来确定转子7的角定位。

预定的时间范围可以有利地被选择为转子7的旋转速度范围的函数，以便确保速度在所述时间范围内保持基本恒定。

有利地，控制模块20还可以被配置为在计算之前校正正弦和余弦信号，以便减小估计误差。例如，已知针对转子7计算的最后角定位和自所计算的最后角定位以来经过的持续时间（采样周期），可以在计算转子7的角定位的新值之前确定理想的正弦和余弦信号。

控制模块20包括能够实现允许执行这些功能的指令集的处理器。

优选地，控制模块20是电子控制单元（ECU），其安装在车辆1中距传感器10一定距离处，并通过通信链路L1连接到所述传感器10，以便接收由传感器10生成的输出信号。

作为变型，控制模块20可以集成到与传感器10相同的外壳中，例如通过采取预编程数字信号处理器（DSP）的形式。

示例性实现

首先，参照图2，在步骤E1中使转子7旋转。

然后，在步骤E2中，由车辆1的电池供应电力的传感器10的集成电路经由一个或多个敏感元件检测由双极磁体9在其在转子7的中心轴8的端部处同心旋转时生成的磁场变化，并且同时生成正弦信号和余弦信号。

在步骤E3中，这些信号由控制模块20经由通信链路L1接收。

在步骤E4中，控制模块20然后基于从传感器10接收的信号，确定转子7的瞬时加速度值A。

在步骤E5中，当加速度值A低于表征稳定状态的预定阈值S时，控制模块20不进行任何校正或者可选地进行幅度和/或偏移和/或正交性的标准校正CS。由于传感器信号是偏离中心的，例如在1 V和4 V之间变化，即相对于+ 2.5 V的平均幅度的偏移，因此偏移校正在于将信号重新集中在0 V幅度上。此外，由于幅度可能由于环境限制而波动，因此幅度校正在于校正信号，使得信号最大值表现出相同的幅度，并且信号最小值表现出相同的幅度。这些补偿是以已知的方式通过检测最小值和最大值并以上述方式校正信号来进行的。

在步骤E6中，控制模块20接下来通过三角计算接收信号的反正切来计算给出转子7的角定位PA的角度。

当加速度值A低于表征稳定状态的预定阈值S时，控制模块20可选地在步骤E5中对幅度和/或偏移和/或正交性进行标准校正CS，在步骤E7中确定在预定时间范围内接收到的输出信号的平均周期PM（即接收的正弦和余弦信号这两者的平均周期的平均值），在步骤E8中修改（即变换）这两个接收到的输出信号，使得所述信号中的每一个的周期等于所确定的平均周期PM，并且在步骤E9中使用校正信号的值的反正切来计算转子7的优化角定位PAO。

在任何时候，控制模块20可以以设定的截止频率对接收或处理的信号进行滤波，例如使用由控制模块20实现的模数转换器的抗混叠滤波或脉冲响应滤波。

示例性结果

图3示出了从传感器10接收的变形正弦信号SD和变形余弦信号CD相对于理想正弦信号SP（即没有变形的信号）和理想余弦信号CP的示例，以便示出引起在估计转子7的角定位时的误差的信号偏差。

图4示出了校正的正弦SC和余弦CC信号的示例，其中平均周期PM由控制模块20确定，并且转子7的旋转处于稳定状态。

图5示出了作为转子7加速度（阶段P1，其中没有实现根据本发明的方法）中时间的函数的、在估计转子7角度时的误差的示例。该误差在瞬时状态（高加速度）下仍然很大，但是一旦转子7在大约200秒后达到稳定状态（阶段P2，其中实现根据本发明的方法），该误差就变得接近于零。

已经在本发明在电机5转子7上的应用方面描述了本发明，但是本发明更一般地应用于任何车辆1旋转元件，对于所述旋转元件，有必要基于传感器10来确定角定位PA/PAO，该传感器10同时生成正弦型信号和余弦型信号，以表征与所述旋转元件相关联的旋转磁矢量的角度。

Claims (9)

1.一种用于基于定位传感器（10）确定机动车辆（1）的旋转元件（7）的定位的方法，所述定位传感器（10）被配置为测量旋转元件（7）的定位，以同时生成反映所述旋转元件（7）在其旋转时的角定位的正弦型输出信号和余弦型输出信号，并且将这些输出信号递送到车辆（1）的控制模块（20），由所述控制模块（20）实现的所述方法包括以下步骤：

-旋转（E1）旋转元件（7），

-接收（E3）当旋转元件（7）旋转时由定位传感器（10）生成的输出信号，

-确定（E7）在预定时间范围内接收到的输出信号的平均周期，

-校正（E8）这两个接收到的输出信号，使得所述信号中的每一个的周期等于所确定的平均周期，

-基于经校正的输出信号确定旋转元件（7）的角定位，所述方法的特征在于，在确定接收到的输出信号的平均周期之前，确定旋转元件（7）的旋转加速度，仅在加速度值（A）低于表征稳定状态的预定加速度阈值（S）时执行确定接收到的输出信号的平均周期和校正接收到的输出信号的步骤以及确定旋转元件（7）的角定位的步骤。

2.根据前一权利要求所述的方法，其中确定接收到的输出信号的平均周期的操作是通过计算预定时间范围中每个输出信号的周期的平均值来执行的，每个周期是在所述信号的两个连续零幅度之间针对两个输出信号中的每一个测量的。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在就周期方面校正输出信号之前，检查平均周期低于预定周期阈值的步骤。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中加速度（A）通过计算旋转元件（7）在两次连续旋转之间的转速差来定义。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在确定平均周期之前或者当加速度值（A）高于阈值（S）时，在振幅和偏移方面校正输出信号的步骤。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在就周期方面校正输出信号之前的滤波步骤。

7.一种计算机程序产品，其特征在于，它包括程序代码指令的集合，所述程序代码指令在被一个或多个处理器执行时，配置所述一个或多个处理器以实现如前述权利要求中任一项所要求保护的方法。

8.一种用于车辆（1）的控制模块（20），被配置为实现如前述权利要求中任一项所要求保护的方法。

9.一种机动车辆（1），包括旋转元件（7）、用于所述旋转元件（7）的角定位的传感器（10）和如权利要求8中所要求保护的控制模块（10）。

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