CN116888879A - 用于确定无刷电机的转子的初始位置的方法和无刷电机 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于确定无刷电机的转子的初始位置的方法。该方法包括确定三对不同电压矢量中每对的上升时间差，并基于上升时间差确定转子的初始位置。确定一对电压矢量的上升时间差包括将第一电压矢量施加到电机的相，并测量相中的电流上升到电流极限的第一时间段。然后将第二电压矢量施加到相，并且测量相中的电流上升到电流极限的第二时间段。上升时间差则由第一时间段和第二时间段之间的差来限定。

Description

用于确定无刷电机的转子的初始位置的方法和无刷电机
技术领域
本发明涉及确定无刷电机的转子的初始位置。
背景技术
为了启动无刷电机，可能必须了解转子的初始位置，以确保将适当极性的电压施加到适当的相。电机可以包括一个或多个用于确定转子的初始位置的传感器，例如霍尔效应传感器或光学编码器。虽然传感器的部件成本可能相对便宜，但是将传感器集成在电机内可能是具有挑战性的，特别是在紧凑的布置中。用于确定转子的初始位置的无传感器方案是已知的。在一个示例中，相被激励足够长的时间，以导致转子旋转到已知的位置。然而，这可能导致转子的反向旋转，这可能是不期望的。在另一个示例中，转子的初始位置可以通过被称为高频电压注入的过程来确定。虽然该过程具有转子不被向前或向后驱动的优点，但是其实现相对复杂，需要高频电流的精确采样，并且具有较高的损耗。
发明内容
本发明提供了一种确定无刷电机的转子的初始位置的方法，该方法包括：确定三对不同电压矢量中每对的上升时间差，其中每对电压矢量包括第一电压矢量和相反的第二电压矢量，并且确定一对电压矢量的上升时间包括:(i)将第一电压矢量施加到电机的相；(ii)测量相中的电流上升到电流极限的第一时间段；(iii)将第二电压矢量施加到相；(iv)测量相中的电流上升到电流极限的第二时间段；以及(v)确定第一时间段和第二时间段之间的差；以及基于上升时间差确定转子的初始位置。
用本发明的方法，可以以相对简单的方式确定转子的初始位置。特别地，可以在不需要高频电压注入的情况下确定初始转子位置。此外，第一时间段和第二时间段可以足够短，使得转子不发生移动或发生相对小的移动。因此，可以在不向后驱动转子的情况下确定转子的初始位置。
该方法可以包括基于上升时间差的符号确定转子的初始位置。不管转子的初始位置，两个上升时间差将具有相同的符号，第三个上升时间差将具有相反的符号。这就产生了六种可能的排列。相应地，通过比较上升时间差的符号，可以以60电角度(即360/6电角度)的分辨率确定转子的初始位置。
该方法可以包括基于具有相同符号的那些上升时间差的比较来确定转子的初始位置。这产生了12种可能的排列。因此，可以以30电角度(即360/12电角度)的分辨率确定转子的初始位置。
确定转子的初始位置可以包括基于上升时间差确定转子处于N个扇区中的一个，每个扇区跨越360/N电角度。
确定转子的初始位置可以包括确定转子在扇区内的角度，其中该角度被限定为上升时间差中的一个的函数。特别地，该角度可以被限定为参考上升时间差的函数，其中参考上升时间差是当转子处于对应于扇区的开始或结束的位置时具有零值的上升时间差。通过将角度(在扇区内)限定为上升时间差中的一个的函数，可以以更高的分辨率确定转子的位置。
该角度可以被限定为以下的函数(i)上升时间差中的一个乘以比例因子，或者(ii)上升时间差中的一个除以上升时间差中的另一个。在角度被限定为一个上升时间差除以另一个上升时间差的函数的情况下，两个上升时间差可以具有相同的符号。通过将角度限定为上升时间差乘以比例因子的函数，当上升时间差的轮廓(即上升时间差如何随转子在扇区上位置变化)基本上是线性时，可以实现转子位置的相对精确的确定。通过将角度限定为上升时间差除以另一个上升时间差的函数，可以确定转子位置，而不需要生成或计算比例因子。此外，相同的函数可以用于不同的电流极限。相比之下，当使用比例因子时，不同的电流极限可能需要不同的比例因子。
比例因子可以取决于电流极限的大小。更具体地，可以为较高的电流极限限定较低的比例因子。因此，对于具有不同电流极限的一个或多个电机，可以实现转子位置的相对精确的确定。
该角度可以被限定为360/N乘以归一化因子。然后，归一化因子被限定为上升时间差中的一个的函数，并且具有0到1之间的值。更具体地，归一化因子可以被限定为一个上升时间差除以另一个上升时间差的函数，两个上升时间差具有相同的符号。
确定转子的初始位置包括确定转子处于由粗略角度和精细角度之和限定的角度。然后，粗略角度被限定为(360/N)*(M-1)，其中M是N个扇区中的一个，每个扇区跨越360/N电角度，并且M从上升时间差的比较确定，并且具有1和N之间的整数值。精细角度被限定为上升时间差中的一个的函数，并且具有0和360/N之间的值。因此，转子的初始位置可以相对高的分辨率确定。
本发明还提供了一种无刷电机，其包括转子、具有多个相的定子和控制系统，控制系统被配置为执行如前述段落中任一段落所述的方法。
控制系统可以包括逆变器、至少一个电流传感器、栅极驱动器模块和控制器。逆变器然后联接到每个相，电流传感器输出指示相中电流的信号，并且栅极驱动器模块响应于来自控制器的控制信号来驱动逆变器的开关的断开和闭合。控制器通过以下方式确定每对电压矢量的上升时间差：(i)输出控制信号以闭合逆变器的第一组开关，以将第一电压矢量施加到相，(ii)监测电流传感器的信号并测量第一时间段；(iii)输出控制信号以闭合逆变器的第二组开关，以将第二电压矢量施加到相；(iv)监测电流传感器的信号并测量第二时间段；以及(v)确定第一时间段和第二时间段之间的差；并且控制器通过比较上升时间差来确定转子的初始位置。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述实施例，其中:
图1是无刷电机的截面图；
图2是无刷电机的示意图；
图3是用于确定无刷电机的转子的初始位置的方法的流程图；
图4是详细描述了不同的电压矢量对连同电机的逆变器的开关状态以及当电机的相是星形连接和三角连接时产生的相电压的表格；
图5是用于确定一对电压矢量的上升时间差的方法的流程图；
图6是说明三对不同电压矢量的上升时间差随转子位置变化的曲线图；
图7是基于上升时间差确定转子的初始位置的方法的流程图；和
图8是详细描述十二个不同扇区的上升时间差的各种排列的表格，每个扇区跨越30电角度。
具体实施方式
图1和2的无刷电机10包括转子20、定子30和控制系统40。
转子20包括固定到轴22的永磁体21。在图1所示的特定例子中，转子20包括两极环形磁体21。然而，转子20可以包括替代数量的磁极。此外，除了环形磁体21，转子20可以包括磁轭，永磁体附接到磁轭(表面永磁体)或嵌入磁轭(内部永磁体)。
定子30包括定子芯31和多个线圈32，线圈32限定多个相，标记为A、B和C。在附图所示的特定示例中，定子芯31是无槽的，并且每个相(例如A)包括串联或并联连接的两个线圈(例如A1和A2)。然而，定子芯31同样可以开槽，并且每个相A、B、C可以包括更少或额外的线圈。在图2所示的示例中，相以星形构造连接。然而，两种构造都是可能的并且在下面被考虑。
控制系统40包括一对端子41、42、逆变器43、电流传感器44、栅极驱动器模块45和控制器46。
端子41、42连接或可连接到供应DC电压的电源(未示出)。
逆变器43是三相逆变器，并且包括三个支路，每个支路包括一对功率开关Q1-Q6。逆变器43连接到定子30的三个相A、B、C中的每个。更具体地，每个支路连接到各自的相的端子。
电流传感器44包括位于逆变器43和零电压端子42之间的感测电阻器R1。电流传感器44两端的电压作为信号I_PHASE输出，并在激励期间提供相电流的测量。电阻器的使用提供了一种用于感测相电流的成本有效的手段。然而，也可以使用其他类型的电流传感器，例如电流换能器。此外，虽然在该特定的示例中，控制系统40包括单个电流传感器，但是控制系统40可以设想包括多个电流传感器。例如，控制系统40可以在逆变器43的每个支路(高边或低边)或线上包括感测电阻器。
栅极驱动器模块45响应于控制器46输出的控制信号来驱动逆变器43的开关Q1-Q6的断开和闭合。
控制器46生成用于控制逆变器43的开关Q1-Q6的控制信号。控制信号被输出到栅极驱动器模块45，栅极驱动器模块45作为响应驱动开关Q1-Q6的断开和闭合。
现在参考图3，控制系统40采用无传感器方法100来确定转子20的初始位置。方法100包括确定200三对不同电压矢量中的每对的上升时间差，并基于上升时间差确定300转子20的初始位置。
图4详细描述了不同的电压矢量对连同开关Q1-Q6的状态以及当相星形连接和三角连接时产生的相电压。每对电压矢量包括第一电压矢量和第二相反的电压矢量。因此，当第二电压矢量被施加到相时，每个相两端的电压与当第一电压矢量被施加到相时的电压具有相同的幅度但相反的极性。因此，例如，当电压矢量V1施加到星形连接的相时，电压+Vdc/2施加到相A，电压-Vdc/2施加到相B。当相反的电压矢量V2施加到相时，电压-Vdc/2施加到相A，电压+Vdc/2施加到相B。
图5示出了用于确定特定电压矢量对的上升时间差的方法200。对三对不同的电压矢量中的每对重复该方法。
方法200包括向相A、B、C施加210第一电压矢量。因此，例如，为了将电压矢量V1施加到相，控制器46生成闭合开关Q1和Q4的控制信号。为了将电压矢量V3施加到相，控制器46生成闭合开关Q3和Q6的控制信号。为了将电压矢量V5施加到相，控制器46生成闭合开关Q5和Q2的控制信号。
方法200还包括测量220相中的电流上升到电流极限的第一时间段。因此，例如，在生成控制信号以将第一电压矢量施加到相时，控制器46监测I_PHASE并测量电流从零增加到电流极限所用的时间。该时间然后被控制器46存储为第一时间段。
然后从相中移除所施加的电压矢量。这可以通过断开逆变器43的所有开关Q1-Q6来实现。感应电流然后经由开关的体二极管返回到电源。替代地，不是断开所有的开关，而是可以闭合一个或多个开关，从而为感应电流提供路径以围绕逆变器的高边回路或低边回路循环或续流。在这两种情况下，随着电压矢量的移除，相电流降至零。在图2所示的特定示例中，当电压矢量被移除时，电流传感器44不能感测相中的电流。因此，在电压矢量被移除之后，控制器46等待足以使相中的电流降低到零的设定的时间段。
在相电流为零的情况下，方法200包括将第二电压矢量施加230到相。因此，例如，为了将电压矢量V2施加到相，控制器46生成闭合开关Q3和Q2的控制信号。为了将电压矢量V4施加到相，控制器46生成闭合开关Q5和Q4的控制信号。为了将电压矢量V6施加到相，控制器46生成闭合开关Q1和Q6的控制信号。
方法200然后包括测量240相中的电流上升到电流极限的第二时间段。再次，在生成控制信号以将第二电压矢量施加到相时，控制器46可以监测I_PHASE信号并测量电流从零增加到电流极限所用的时间。该时间然后被控制器46存储为第二时间段。
最后，方法200包括确定250第一时间段和第二时间段之间的差。这可以通过从第二时间段减去第一时间段来实现，反之亦然，只要当确定每对电压矢量的时间差时使用相同的操作。为了本讨论的目的，上升时间差将被标记为:TD_12、TD_34和TD_56，其中TD_12是一对电压矢量V1和V2的上升时间差，等等。
当电压施加到相时，产生的相电流生成定子磁场。随着相电流增加，定子磁通密度增加，最终定子芯31开始饱和。随着定子芯31饱和，相的电感减小，因此相电流以更快的速率上升。取决于所施加的电压矢量和转子20的位置，转子磁通将有助于定子磁通或者与定子磁通相反。当转子磁通有助于定子磁通时，定子芯31的饱和发生得更快，即饱和发生在较低的电流下。因此，相电流需要更短的时间段达到电流限。相反，当转子磁通与定子磁通相反时，定子芯31的饱和发生得更慢(即，饱和发生在更高的电流下)。因此，相电流需要更长的时间达到电流极限。
图6说明了每个上升时间差随转子位置的变化。可以看出，对于这个特定的电机10，每个上升时间差的轮廓类似于梯形。虽然特定的轮廓将取决于电机的电磁特性，但是每个上升时间差将随转子位置而变化。控制系统40然后利用这种行为来确定转子20的初始位置。
图7说明了基于上升时间差确定转子20的初始位置的方法300。
方法300包括确定310转子20在N个扇区中的一个中的位置，每个扇区跨越360/N电角度。从图6中可以明显看出，不管转子20的位置，上升时间差中的一个是正的，上升时间差中的一个是负的，并且上升时间差中的一个或是正的或是负的。出于本讨论的目的，零上升时间差可以被认为是正的或负的。因此，两个上升时间差具有相同的符号，第三个上升时间差具有相反的符号。这产生了六种可能的排列:++-；+-+；-++；--+；-+-；+--。因此，方法300能够仅基于上升时间差的符号来确定转子20处于六个扇区中的一个中，每个扇区跨越60电角度。然而，除了时间差的符号之外，具有相同符号的两个上升时间差可能具有不同的值。相应地，通过比较具有相同符号的两个上升时间差的值，可能排列的数量可以从六个加倍到十二个。因此，基于上升时间差，方法300能够确定转子处于十二个扇区中的一个，每个扇区跨越30电角度。
图8详细描述了十二个扇区上升时间差的各种排列。例如，如果TD_12和TD_34为正，并且TD_34大于TD_12，则初始转子位置被确定为位于跨越210至240电角度的扇区中。
方法300还包括确定320转子在扇区内的角度。
每个扇区跨越360/N电角度，其中N是扇区的总数。转子在扇区内的角度因此位于0和360/N电角度之间。如上所述，在该特定示例中，该方法能够基于上升时间差确定转子在十二个扇区中的一个。相应地，每个扇区跨越30电角度，因此扇区内的转子的角度在0和30电角度之间。
从图8中可以看出，对于每个30度扇区，在扇区的开始或结束处有为零的上升时间差。出于本讨论的目的，该特定上升时间差在下文将被称为参考上升时间差TD_RF。因此，例如，在扇区1中，参考上升时间差是TD_34，而在扇区2中是TD_12。每个扇区内的转子的角度可以被限定为参考上升时间差的函数。
从图6可以明显看出，对于该特定的电机10，参考上升时间差的绝对值在各自的扇区上线性变化。相应地，角度可以被限定为参考上升时间差的线性函数。具体地，参考上升时间差的绝对值可以乘以比例因子S。参考上升时间差的绝对值可以在相关的扇区上增加(即，具有正梯度)或减小(即，具有负梯度)。例如，在扇区1中，TD_34的绝对值从扇区开始时的零增加到扇区结束时的某个值。另一方面，在扇区2中，TD_12的绝对值从扇区开始时的某个值下降到扇区结束时的零。因此，当参考上升时间差TD_RF的绝对值具有正梯度时，转子的角度可以限定为ABS(TD_RF)*S，当参考上升时间差的绝对值具有负梯度时，转子的角度可以限定为360/N-ABS(TD_RF)*S。在该特定的示例中，参考上升时间差的绝对值的梯度对于每个奇数扇区是正的，对于每个偶数扇区是负的。相应地，特定扇区内的转子的角度A可以限定为：
A＝ABS(TD_RF)*S对于奇数扇区
A＝360/N–ABS(TD_RF)*S对于偶数扇区
其中N是扇区的总数，ABS(TD_RF)是参考上升时间差TD_RF的绝对值，S是比例因子。
作为线性函数的替代，每个扇区内的转子的角度可以由参考上升时间差的非线性函数来限定。对于每个扇区，上升时间差中的一个具有与参考上升时间差相同的符号(即正或负)，而上升时间差中的一个具有相反的符号。因此，例如，在扇区1中，TD_12具有与参考上升时间差TD_34相同的符号，而TD_56具有与参考上升时间差TD_34相反的符号。与参考上升时间差具有相同符号的上升时间差具有大于或等于参考上升时间差的绝对值，并且具有与参考上升时间差大致相同形状但符号相反的梯度。因此，每个扇区内的转子的角度可以由参考上升时间差除以具有相同符号的其他上升时间差的函数来限定。以这种方式划分参考上升时间差产生0和1之间的归一化因子Z。然后，该归一化因子可以乘以360/N电角度(即每个扇区的大小)，以便确定扇区内转子的角度。
同样，参考上升时间差的绝对值可以具有正梯度或负梯度。相应地，对于参考上升时间差的绝对值具有正梯度的那些扇区，扇区内的转子的角度可以表示为(360/N)*Z，对于参考上升时间差的绝对值具有负梯度的那些扇区，扇区内的转子的角度可以表示为(360/N)*(1-Z)。相应地，特定扇区内的转子的角度A可以限定为：
A＝(360/N)*Z对于奇数扇区
A＝(360/N)*(1-Z)对于偶数扇区
其中Z是TD_RF/TD_XY的函数，TD_RF是参考上升时间差，TD_XY是与参考上升时间差具有相同符号的另一个上升时间差。
归一化因子Z可以简单地限定为TD_RF/TD_XY。然而，在本示例中，参考上升时间的梯度几乎是线性的，当使用TD_RF/TD_XY的平方根，即Z＝SQRT(TD_RF/TD_XY)时，发现改进了转子位置的精度。TD_RF/TD_XY的其他函数当然也是可能的，并且可以根据上升时间差的轮廓来选择，以便进一步改进转子位置的精度。
对于图6中观察到的特定行为，其中参考上升时间差的梯度在其各自的扇区上几乎是线性的，发现使用比例因子S给出转子位置的最精确的确定。但是，以这种方式限定角度需要预限定比例因子。此外，比例因子S取决于参考上升时间差的梯度。特别地，较低的比例因子用于较陡的梯度。上升时间差的梯度取决于当确定上升时间差时使用的电流极限的大小。因此，对于不同的电流极限，理想地限定不同的比例因子。当角度由参考上升时间差除以另一个上升时间差来限定时，转子位置的精度稍微差一些，至少对于该特定的示例是这样。然而，不需要生成或计算比例因子，并且相同的函数可以用于不同的电流极限。
转子的角位置从转子所在的扇区和转子在扇区内的特定角度确定。因此，转子的位置可以被认为是粗略角度和精细角度的总和。粗略角度由转子所在的扇区限定，该扇区又由上升时间差的比较来确定。粗略角度可被限定为(360/N)*(M-1)，其中M是从上升时间差的比较中确定的转子的扇区数，并且具有在1和N之间的值。精细角度对应于上述角度A，并且由参考上升时间差的函数限定，并且具有在0和360/N之间的值。
相应地，举例来说，转子的位置POS可以限定为：
POS＝(360/N)*(M-1)+ABS(TD_RF)*S当M为奇数时
POS＝(360/N)*(M-1)+360/N–ABS(TD_RF)*S当M为偶数时
或者
POS＝(360/N)*(M-1)+(360/N)*(TD_RF/TD_XY)当M为奇数时
POS＝(360/N)*(M-1)+(360/N)*(1-(TD_RF/TD_XY))当M为偶数时
或者
POS＝(360/N)*(M-1)+(360/N)*SQRT(TD_RF/TD_XY)当M为奇数时
POS＝(360/N)*(M-1)+(360/N)*(1-SQRT(TD_RF/TD_XY))当M为偶数时
用上述方法，可以以相对简单的方式以相对好的分辨率和精度确定转子的初始位置。特别地，可以在不需要高频电压注入的情况下确定初始转子位置。此外，转子的初始位置可以在不向后驱动转子的情况下确定。
该方法可以被认为包括两个步骤。在第一步骤中，以粗略的分辨率确定转子的位置。特别地，转子的位置被确定为位于N个扇区中的一个内，每个扇区跨越360/N电角度。如上所述，通过比较上升时间差的符号，可以以60电角度的分辨率确定转子的位置。通过额外地比较那些具有相同符号的上升时间差，该分辨率可以增加到30电角度。在第二步骤中，确定特定扇区内的转子的角度。因此，可以以更精细的分辨率来确定转子的位置。
可以设想，为了确定转子的位置，可以只采用该方法的第一步骤。例如，当定子开槽并且由此产生的齿槽转矩导致转子停在多个预限定的位置中的一个时，这可能是有用的。在这种情况下，粗略的分辨率可能足以确定转子已停在哪个预限定的位置。然而，对于开槽电机或具有相对低的齿槽转矩的其他电机，转子可以停在任何位置。在这种情况下，由第二步骤提供的额外的分辨率确保可以足够精确地确定转子的初始位置，使得转子可以启动。

Claims (11)

1.一种确定无刷电机的转子的初始位置的方法，所述方法包括：
确定三对不同电压矢量中的每对的上升时间差，其中每对电压矢量包括第一电压矢量和相反的第二电压矢量，并且确定一对电压矢量的上升时间包括：
(i)将所述第一电压矢量施加到所述电机的相；
(ii)测量所述相中的电流上升到电流极限的第一时间段；
(iii)将所述第二电压矢量施加到所述相；
(iv)测量所述相中的电流上升到所述电流极限的第二时间段；和
(v)确定所述第一时间段和所述第二时间段之间的差；和
基于所述上升时间差确定所述转子的初始位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括基于所述上升时间差的符号确定所述转子的初始位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述方法包括基于具有相同符号的那些上升时间差的比较来确定所述转子的初始位置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述转子的初始位置包括基于所述上升时间差确定所述转子在N个扇区中的一个，每个扇区跨越360/N电角度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述转子的初始位置包括确定所述转子在所述扇区内的角度，并且所述角度被限定为所述上升时间差中的一个的函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述角度被限定为以下的函数(i)所述上升时间差中的一个乘以比例因子，或者(ii)所述上升时间差中的一个除以所述上升时间差中的另一个。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述比例因子取决于所述电流极限的大小。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中所述角度被限定为360/N乘以归一化因子，所述归一化因子被限定为所述上升时间差中的一个的函数并且具有0至1之间的值。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述转子的初始位置包括确定所述转子在由粗略角度和精细角度之和限定的角度，
所述粗略角度被限定为(360/N)*(M-1)，其中M是N个扇区中的一个，每个扇区跨越360/N电角度，M从所述上升时间差的比较中确定并且具有1和N之间的整数值，并且
所述精细角度被限定为所述上升时间差中的一个的函数并且具有在0到360/N之间的值。
10.一种无刷电机，包括转子；定子，具有多个相；和控制系统，配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
11.根据权利要求10所述的无刷电机，其中所述控制系统包括逆变器、至少一个电流传感器、栅极驱动器模块和控制器；所述逆变器联接到每个所述相；所述电流传感器输出指示所述相中电流的信号；所述栅极驱动器模块响应于来自所述控制器的控制信号驱动所述逆变器的开关的断开和闭合；所述控制器通过以下方式确定每对电压矢量的上升时间差：(i)输出控制信号以闭合所述逆变器的第一组开关，以将所述第一电压矢量施加到所述相，(ii)监测所述电流传感器的信号并测量所述第一时间段；(iii)输出控制信号以闭合所述逆变器的第二组开关，以将所述第二电压矢量施加到所述相；(iv)监测所述电流传感器的信号并测量所述第二时间段；以及(v)确定所述第一时间段和所述第二时间段之间的差；并且所述控制器通过比较所述上升时间差来确定所述转子的初始位置。
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