CN117222866A - 用于适配包括位置传感器和旋转目标的系统的公差的方法 - Google Patents

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Abstract

用于适配包括至少一个位置传感器和旋转目标的系统的公差的方法，其中，当目标旋转时，(一个或多个)传感器在时刻T_i检测到目标上的预定义奇异点，该方法包括以下步骤：‑采集与目标(2；10)的旋转R相对应的一系列n+1个时刻T_0至T_N，‑在考虑到时间(T_N‑T_0)对应于目标(2；10)进行该旋转R的时间的情况下，在虑及该旋转R期间可能存在的任何加速度的情况下，并根据无公差地制造的理想目标上的预定义奇异点的位置，针对每个时刻T_i确定理论值Théo_i，‑将Théo_i与T_i之间的时间差转换为传感器检测到的目标(2；10)的相应奇异点的角度差A_i，以及‑针对目标(2；10)的每个奇异点存储角度差A_i。

Description

用于适配包括位置传感器和旋转目标的系统的公差的方法
技术领域
本公开涉及用于适配包括位置传感器和旋转目标的系统的公差的方法。
本公开更具体地涉及用于汽车工业的电动机领域。所提出的方法的一个更具体的用途涉及电动机的弱磁情况。
背景技术
已知使用固定到轴上的目标和设置在目标对面的传感器来测量轴等的旋转速度。传感器适配于目标(或者目标适配于传感器)。例如，使用与可变磁阻传感器相关联的带齿目标，或者使用与至少一个霍尔效应传感器相关联的具有几个磁极的目标。这样就获得了方波形式的电信号，其频率于是与速度成比例。方波形式的电信号的上升和/或下降沿还可用于确定轴的位置，因此可用于控制电动机。
该测量(速度和/或位置)于是一方面取决于目标的机械缺陷，和/或另一方面取决于(一个或多个)传感器的不准确性。
本公开于是目的在于提供一种方法，该方法使得能够提高用位置传感器和旋转目标测量位置和/或速度的准确度。
发明内容
本公开改善了这种情况，并提出了用于适配包括至少一个位置传感器和旋转目标的系统的公差的方法，其中，当目标旋转时，(一个或多个)传感器在时刻T_i检测到目标上的预定义奇异点(singularité)。
所提出的方法包括以下步骤：
-采集与目标的旋转R相对应的一系列n+1个时刻T_0至T_N，
-在考虑到时间(T_N-T_0)对应于目标进行该旋转R的时间的情况下，在虑及该旋转R期间可能存在的任何加速度的情况下，并根据无公差地制造的理想目标上的预定义奇异点的位置，根据如下确定来针对每个时刻T_i确定与第i个上升沿经过的时刻相对应的理论值Théo_i：
Théo_i＝T_0+i/N(T_N-T_0+ACC)，其中
·i是所考虑的奇异点i，
·N是旋转目标旋转一圈所考虑的奇异点的数量，并且
·ACC是虑及了目标加速度的变量，对应于如下确定：(i-N)*(T_(N+1)-T_N-T_1+T_0)/2，
-将Théo_i与T_i之间的时间差转换为传感器检测到的目标的相应奇异点的角度差A_i，以及
-针对目标的每个奇异点存储角度差A_i。
因此，这里提出虑及进行的多次测量，并将所进行的测量与理论测量结果进行适配，然后在学习阶段后提供使得能够校正所进行的测量的校正项。
下面的段落中阐述的特征可以可选地彼此独立或彼此组合地实施：
-所述方法仅在目标的旋转速度超过预定界限速度时实施；
-所述方法仅在目标的旋转速度基本稳定时实施，也就是说，在目标的加速度(为正，或者减速度时为负)在预定范围内的情况下实施；
-目标的旋转R对应于一整圈，即360°。
本公开特别适合于无刷直流电机控制方法，无刷直流电机包括转子和定子，其中，一组三个霍尔效应传感器设置在具有至少一对磁极的目标对面，并且其中，传感器在时刻T_i进行每次磁极转变。
根据本公开，该方法包括以下步骤：
-采集与目标的旋转R相对应的一系列n+1个时刻T_0至T_N，
-在考虑到时间(T_N-T_0)对应于目标进行该旋转R的时间的情况下，在虑及该旋转R期间可能存在的任何加速度的情况下，假设该加速度恒定，并根据无公差地制造的理想目标上的预定义奇异点的位置，根据如下确定来针对每个时刻T_i确定与第i个上升沿经过的时刻相对应的理论值Théo_i：
Théo_i＝T_0+i/N(T_N-T_0+ACC)，其中
·i是所考虑的奇异点i，
·N是旋转目标旋转一圈所考虑的奇异点的数量，并且
·ACC是虑及了目标加速度的变量，对应于如下确定：(i-N)*(T_(N+1)-T_N-T_1+T_0)/2，
-将Théo_i与T_i之间的时间差转换为传感器检测到的目标的相应奇异点的角度差A_i，以及
-针对目标的每个奇异点存储角度差A_i，以及
在虑及所存储的角度差的情况下以弱磁模式控制电机的每个相中的电压。
根据另一方面，提出了包括程序代码指令的计算机程序，所述程序代码指令用于在所述程序在计算机上执行时执行上述方法的所有步骤。
根据另一方面，提出了计算机可读记录介质，其上记录有根据前段的程序。
根据另一方面，提出了无刷直流电机，其包括定子和转子，定子包括能承受操控电压的绕组，转子产生磁场。
该电机包括三个霍尔效应传感器，其在包括至少一对磁极的目标对面，并且
所述电机包括操控部件，用于实施上述电机控制方法的每个步骤。
该电机可以有利地还包括使得能够确定电机转子的参考位置的第四个霍尔效应传感器。
最后，本公开还涉及机动车辆，其包括在前述段落中限定的电机。
附图说明
通过阅读以下详细描述并研究附图，其他特征、细节和优点将变得显而易见，其中：
图1示意性地示出了传感器和相应目标的第一示例。
图2示意性地示出了具有多个传感器和一个相应目标的第二示例。
图3示意性地示出了图2的传感器发出的信号。
图4示出了本公开的范围内的学习方法的流程图。
图5是将本公开应用于电动机控制的示意图。
具体实施方式
现在参考图1。本领域技术人员在图1中能看到被驱动旋转的目标2、以及设置在目标对面用于确定例如目标的旋转速度的传感器4。
目标2由铁磁材料制成。它呈圆盘状，具有锯齿状的外周表面。优选地，凸起的形状都是相似的并且均等分布在目标2的外周上。此外，目标的凸起形状或齿的角扇区与设置在两个相邻齿之间的凹陷的角扇区具有相同的目标圆心角。
传感器4例如是可变磁阻传感器类型的感应传感器。这样的传感器4朝向目标2的轴并垂直于该轴，使得能够检测目标2的每个齿的经过。在齿的顶部与传感器4的远端之间提供间隔，该间隔在取决于传感器4和目标2的材料的距离区间内，如图1所示。这样的传感器4通常被设计成检测锯齿形状的上升沿或下降沿。根据传感器4的特性，传感器4在每次沿(例如，上升沿)经过时在时刻T_i提供指示第i个上升沿(在所选示例中)经过的信号。
当目标2旋转时，目标2的齿相继经过传感器4前方，并且每次齿的上升沿经过都在时刻T_i触发一个信号。为了确定目标的旋转速度，在假定上升沿(在所选示例中)均等分布在目标外周上的情况下，并且在有N个上升沿的情况下，可以用下式获得瞬时旋转速度VR(单位为转/分钟)：
VR_i＝60/(N*(T_i-T_i-1)) (1)
其中，T_i的单位是秒。
可以注意到，该式实际上对目标几何形状以及传感器定位中的不规则性高度敏感。没有完美的目标，由于制造公差，必然会有一些目标齿比其他的齿更宽。此外，目标2的旋转轴可能会相对于目标2的几何轴非常轻微地偏心。所有这些公差对测量T_i都有影响。此外，如果传感器4相对于目标2的齿的相对位置改变，这也可能影响T_i的值。
于是，可以对测量值进行过滤。然而，该方法使得系统在检测旋转速度变化方面响应性变低。
因此，为了提高测量准确度，这里提出针对多个齿的经过、例如针对目标2的一整圈计算旋转速度。因此，考虑所选目标部分的第一个测量T_0和测量T_N。优选地取目标的一整圈，并且接下来将作为非限制性例证示例来描述该特定实施例。这使得能够经历两次相同的测量条件，因为在一圈结束时，面对传感器的是同一个齿的同一个沿。旋转速度VR于是用下式表示：
VR＝60/(T_N-T_0) (2)
这里，假设值(T_N-T_0)是值(T_i-T_i(i-1))的N倍，在确定目标2的旋转速度时，值T_N或T_0中的相同误差会比值T_i中的相同误差造成的损失更小。
为了实施这种策略，可以对传感器4看到的上升沿(或下降沿，取决于传感器)的数量进行计数，并相应地选择为确定旋转速度而进行的测量。
另一种解决方案是在目标的外周创建一个奇异点，例如通过去除一个齿或两个连续的齿。这样，每次奇异点经过时进行测量，并且通过计算奇异点在目标2前方经过的频率来计算旋转速度。
这里提出的这种方法使得能够改善对旋转速度的测量。然而，该方法无法检测目标旋转期间的速度变化。
因此，本公开提出实施如下所述的学习过程，以便能够免除目标的制造公差和/或传感器相对于目标的定位公差。
优选地，接下来的过程在旋转速度相对较高(例如大于最大旋转速度的一半)时实施。于是，假设旋转速度足够高，使得由于旋转中的机械组件的惯性，扭矩变化对瞬时速度变化没有明显影响。在这样的条件下，提出对要虑及的沿进行学习。下文假设涉及到的沿是上升沿。相同的过程当然也适用于下降沿的情况，或甚至所有沿的情况。这里估计旋转速度是恒定的，或者至少目标的加速度或减速度有限。
如上所述，可以在目标的一部分上实施这里提出的过程，例如在目标的1/3或1/4上，但是这里选择在360°上实施。因此，在一次完整的旋转中，抄录并存储上升沿的经过时间T_i，i为0至(N+1)。测量T_0对应于与测量T_N相同的沿，但测量T_N是下一圈的。测量T_1和T_(N+1)也是如此。值(T_N-T_0)对应于目标2进行该旋转的测得时间。
基于这些测量，可以确定上升沿的理论经过时间Tth_i。在接下来的计算中，假设上升沿是均等分布的(在理想目标上)，但同样的原理可以适用于特殊情况。将下面的过程应用于上升沿不规则分布的计算在本领域技术人员的能力范围内。
Tth_i＝T_0+i/N(T_N-T_0+ACC) (3)
Tth_i对应于第i个上升沿的经过时刻
N是上升沿的总数
ACC是虑及目标加速度(为正，或者减速度时为负)的变量。ACC由下式给出：
ACC＝(i-N)*(T_(N+1)-T_N-T_1+T_0)/2 (4)
可以注意到，在恒定速度下，ACC为0(或可忽略不计)，因为T_(N+1)-T_N-T_1+T_0为0，各齿的经过时间保持不变。
于是就知道所执行的测量(T_i)与理论经过时间Tth_i之间的时间偏差。然而，这些时间只对非常准确的旋转速度有效。于是，最好将上面确定的时间偏差转换为目标上的角度偏差α_i(Alpha_i)。该转换由下式给出：
α_i＝360*(Tth_i-T_i)/(T_N-T_0) (5)
T_i是由传感器4给出的上升沿i的经过时刻
Tth_i是上升沿i的经过时间的理论值。
可以注意到，偏差α_i是这样确定的，使得偏差α_0为零，或者换言之，偏差α是相对于所考虑的第一个上升沿确定的。
图4是对应于本公开的一个有利实施方式的流程图。在第一步骤100期间，来自传感器4的数据使得能够采集并存储与一整圈加上目标的一个齿相对应的时刻T_i。
接下来，有必要验证所进行的采集是否是在合适的条件下：旋转速度VR足够吗？该速度可以基于时间(T_N-T_0)来计算。图4提出，使VR大于界限值VRo。替代地，也可以规定目标的旋转持续时间的值、即(T_N-T_0)小于对应于VRo的预定义持续时间Tmin。
还规定目标的加速度有限。此处规定，在测量开始(T_1-T_0)和测量结束(T_N+1-T_N)时，两个连续齿之间的经过时间变化小于值Tmax。这里(图4，步骤102)针对加速度和减速度规定了相同的界限，但是也可以针对加速度和减速度规定不同的值。
仅在满足第二步骤102的条件的情况下执行的第三步骤104则规定根据等式(3)和(4)来计算目标的上升沿的理论经过时刻Tth_i。
下一步(第四步骤106)实施等式(5)，将理论时间与测得时间之差转换为每个上升沿的角度差α_i。
当在与第二步骤102中定义的条件相对应的条件下在目标2的连续旋转期间确定了多个α_i值时，可以对所获得的值进行过滤。
在进行过滤时，可以在第五步骤中规定，针对每个上升沿确定过滤后的校正角度值α_dev(i)。为此，可以规定下式：
α_dev(i)＝α_filt(i)-average(α_filt(1,…,N-1)) (6)
其中，average(α_filt(1,…,N-1))是各α_filt(i)值的平均值，i为1至(N-1)。
然后，在传感器4进行的测量中使用值α_dev(i)来校正该传感器给出的角度值。当检测到上升沿时，该沿对应于目标的位置角度值，该角度值是用过滤后的α_dev(i)值校正过的。以这种方式，可以校正目标2的制造和安装公差中的缺陷。
图2和图3示出了测量旋转组件的位置和速度的另一示例。这里涉及到进行测量以控制无刷电机。例如，这可以涉及到用于车辆推进的电动机，无论是所谓的电动车辆(仅由一个或多个电动机驱动)还是具有至少一个电动机和内燃机的所谓的混动车辆。这也可以涉及到其他类型的电动机(或电气系统)，例如集成起动发电机(ISG)。
这样的无刷电气系统包括例如具有至少一个永磁体的转子10，永磁体具有南极S和北极N。这里假设转子10具有仅一对磁极，但是可以预期更多对磁极而不脱离本公开的范围。该电动机还包括定子，定子具有以交替方式馈送电流的绕组。转子10的位置决定了要向哪个(哪些)绕组馈送电流。
为了确定转子10的位置，已知将霍尔效应传感器H1、H2和H3放置在定子的绕组之间，以检测转子10的位置。这些传感器均等分布在转子周围。对于具有n对磁极的转子，传感器将按照360/n均等分布。
图3示出了三个霍尔效应传感器H1、H2和H3提供的信号。每次磁极改变在传感器前方经过都表现为上升沿或下降沿，这取决于相关磁极改变。虑及传感器的位置，在时刻T_0到T_5获得六个沿，如图所示。每个沿对应于从前一个沿旋转了360°/6，即60°。
基于这三个霍尔效应传感器提供的信号，向定子绕组馈送电流。在某些条件下，检测到沿可直接触发向定子的相应绕组馈送电流。在某些其他条件下，特别是在需要提供电动机扭矩的高速下，在弱磁模式下，需要在从霍尔效应传感器提供的信号中检测到沿之前提前向绕组馈送电流。
电动机、或者更广泛地说电机的操控对传感器的准确度高度敏感。不合适的传感器可能导致电机性能明显下降，因此导致电机提供低于预期的扭矩和/或消耗过多电流和/或无法提供期望的扭矩。
因此，在这样的用途中，具有高准确度的传感器很重要，或者至少准确地知道电机转子的位置和/或其旋转速度。
因此，这里有利地提出实施上述方法，以便在由霍尔效应传感器H1、H2和H3提供的数据上获得高准确度，即使这些传感器变得相对于它们的最佳位置稍微偏移或不正确地定向。
因此，当电动机(或电机：在下文中认为术语“电动机”还涵盖比如起动发电机之类的电机)的旋转速度足够高使得扭矩变化不会明显改变由于电动机惯性引起的转速变化时，实施图4所示的方法，其中N＝6。
如前所述，于是抄录对应于图3所示的沿的时间T_i，即T_0至T_7。基于这些测量，一方面确定电机的旋转速度是否足够高，并且另一方面确定该旋转速度(或转速)的变化是否在预定界限内。这里同样，可以针对加速度和针对减速度具有不同的界限。
上述公式(3)和(4)使得能够计算沿1至5的理论经过时间Tth_i。实际上，这里假设经过时刻T-0和T_6是基准值，即：
Tth_0＝T_0，并且
Tth_6＝T_6。
实际上，T_0和T_6处进行的测量是在类似条件下进行的，并且对于这两个测量，传感器和目标(这里是转子10)的相对位置相同。
考虑理论经过时间对应于经过位置60°、120°、180°、240°和300°。用等式(5)，理论值Tth_i与测得经过时间T_i之间的时间差对应于测量的角度差α_i。
如果进行多次学习，则可以过滤角度差的值，以便进一步提高该方法的准确度。
图5示出了基于上文定义的值的电动机控制应用。
在该图中，假设横轴对应于时间轴。用虚线表示检测到磁极改变的理论经过时间，因此每次都彼此间隔60°。还用实线表示时刻T_i-1和T_i，它们对应于由霍尔效应传感器H1、H2和/或H3连续测得的两个时刻。
差值(Tth_i-1)-(T_i-1)对应于角度差α_i-1。
同样，差值Tth_i-T_i对应于角度差α_i。
当涉及到测量转子10的旋转速度时，基于理论测量来进行速度测量。例如，在考虑到理论上每60°有一个沿、每圈有六个沿的情况下，可以根据以下两个公式之一来计算该速度：
单位为转/分钟，旋转速度为360*N/(Tth_i-Tth_i-1)，其中N＝6，并且时间以秒为单位。
或者：360*(60°+α_i-α_i-1)/(T_i-T_i-1)
当还需要根据检测到的沿来操控对电动机的馈电时，优选地也应应用校正。例如，假设电动机处于如下运行情况：向绕组的馈电应提前角度进行。图5示出了的情况。
在该图情况(图5)中，向绕组馈送电流的命令将在时刻TC执行，其中：
因此，该命令基于在进行了在学习阶段确定的校正后的测得时间来进行。
如果在例如起动发电机的应用中需要知道转子的准确位置，则可以添加第四个霍尔效应传感器。通过将第四个传感器提供的信息与其他三个传感器提供的信息相结合，就可以确定转子的绝对位置。
因此，本公开使得能够提高传感器的准确度。本公开使得能够补偿传感器测量中的不准确性、以及在具有旋转零件的组件中的传感器的定位公差。
实施根据本公开的方法的系统的制造能得到简化，因为即使较大的公差也能获得准确度良好的测量。
本公开特别适用于电机的控制和操控，尤其是直流电机，更特别是无刷电机。
由本公开提供的更好的准确度首先源于这样的事实，即，例如速度之类的计算是在不仅仅考虑两次时间测量而是考虑更多次测量的情况下执行的，优选地，至少在对应于传感器相对于其目标的相同相对位置的两次测量之间进行的所有测量。这样，通过使测量误差分布到多次测量上而减小了一次测量中的误差。误差因此减小。
本公开提出的学习使得能够虑及对准中的缺陷和系统的机械不准确性。这里还可虑及传感器的不对称行为(例如，如果用同一传感器测量上升沿和下降沿的话)。
该学习还使得能够虑及目标相关的不准确性。无论目标是在其外周具有齿的机加工而成的目标还是磁性目标，都会因齿的机加工或一个磁极变为另一个磁极不一定恰好发生在其理论位置处而引入不准确性。
本公开不限于仅作为示例的上述实施例或可想到的实施变型，而是涵盖本领域技术人员在所寻求保护的范围内可想到的所有变型。

Claims (10)

1.用于适配包括至少一个位置传感器(4；H1，H2，H3)和旋转目标(2；10)的系统的公差的方法，其中，当目标(2；10)旋转时，所述传感器(4；H1，H2，H3)在时刻T_i检测到目标(2；10)上的预定义奇异点，其特征在于，该方法包括以下步骤：
-采集与目标(2；10)的旋转R相对应的一系列n+1个时刻T_0至T_N，
-在考虑到时间(T_N-T_0)对应于目标(2；10)进行该旋转R的时间的情况下，在虑及该旋转R期间可能存在的任何加速度的情况下，并根据无公差地制造的理想目标上的预定义奇异点的位置，根据如下确定来针对每个时刻T_i确定与第i个上升沿经过的时刻相对应的理论值Théo_i：
Théo_i＝T_0+i/N(T_N-T_0+ACC)，其中
·i是所考虑的奇异点i，
·N是旋转目标旋转一圈所考虑的奇异点的数量，并且
·ACC是虑及了目标加速度的变量，对应于如下确定：(i-N)*(T_(N+1)-T_N-T_1+T_0)/2，
-将Théo_i与T_i之间的时间差转换为传感器检测到的目标(2；10)的相应奇异点的角度差A_i，以及
-针对目标(2；10)的每个奇异点存储角度差A_i。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法仅在目标(2；10)的旋转速度超过预定界限速度时实施。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的方法，其特征在于，所述方法仅在目标(2；10)的旋转速度基本稳定时实施，也就是说，在目标的加速度(为正，或者减速度时为负)在预定范围内的情况下实施。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其特征在于，目标(2；10)的旋转R对应于一整圈，即360°。
5.无刷直流电机控制方法，无刷直流电机包括转子(10)和定子，其中，一组三个霍尔效应传感器(H1，H2，H3)设置在具有至少一对磁极的目标(10)对面，并且其中，传感器在时刻T_i进行每次磁极转变，
其特征在于，该方法包括以下步骤：
-采集与目标(10)的旋转R相对应的一系列n+1个时刻T_0至T_n，
-在考虑到时间(T_N-T_0)对应于目标(10)进行该旋转R的时间的情况下，在虑及该旋转R期间可能存在的任何加速度的情况下，假设该加速度恒定，并根据无公差地制造的理想目标上的预定义奇异点的位置，根据如下确定来针对每个时刻T_i确定与第i个上升沿经过的时刻相对应的理论值Théo_i：
Théo_i＝T_0+i/N(T_N-T_0+ACC)，其中
·i是所考虑的奇异点i，
·N是旋转目标旋转一圈所考虑的奇异点的数量，并且
·ACC是虑及了目标加速度的变量，对应于如下确定：(i-N)*(T_(N+1)-T_N-T_1+T_0)/2，
-将Théo_i与T_i之间的时间差转换为传感器(H1，H2，H3)检测到的目标(10)的相应奇异点的角度差A_i，以及
-针对目标的每个奇异点存储角度差A_i，并且
在于，在虑及所存储的角度差的情况下以弱磁模式控制电机的每个相中的电压。
6.包括程序代码指令的计算机程序，所述程序代码指令用于在所述程序在计算机上执行时执行根据权利要求1至5中的一项所述的方法的所有步骤。
7.计算机可读记录介质，其上记录有根据权利要求6所述的程序。
8.无刷直流电机，其包括定子和转子(10)，定子包括能承受操控电压的绕组，转子(10)产生磁场，
其特征在于，该电机包括三个霍尔效应传感器(H1，H2，H3)，其在包括至少一对磁极的目标(10)对面，并且
在于，所述电机包括操控部件，用于实施根据权利要求5所述的电机控制方法的每个步骤。
9.根据权利要求8所述的电机，其特征在于，其包括使得能够确定电机转子的参考位置的第四个霍尔效应传感器。
10.机动车辆，其包括根据权利要求8或9中的一项所述的电机。
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