CN1719718A - 电机转子位置检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种电机，所述电机具有提供输出信号给控制系统的转子位置传感器。所述输出信号包含由于元件缺陷和制造缺点而造成的误差。本发明公开了一种装置，其能够确定所述信号中的所述误差并提供对所述电机的所述控制系统的补偿。所述补偿可以被存储在所述控制系统中，并被用来提高所述传感器输出信号的精度，从而改进所述电机的输出。

Description

电机转子位置检测方法和装置
技术领域
本发明涉及电机转子位置检测器的误差的补偿，具体地说，但不限于，涉及开关磁阻电机转子位置检测器的误差的补偿。
背景技术
开关磁阻系统的特性和运行在本领域中是公知的，并且在例如“Thecharacteristics，design and application of switched reluctance motors anddrives”(开关磁阻电机和电机调速系统的特性、设计及应用，Stephenson和Blake，PCIM’93，Nürnberg，1993年6月21日至24日，在此引入作为参考)中进行了说明。电机调速系统的一般处理可以在例如“ElectronicControl of Swithced Reluctance Machines”(开关磁阻电机的电子控制，TJE Miller，Newnes，2001年)的各种教科书中找到。图l以示意图的形式示出了一种典型的开关磁阻电机调速系统，其中开关磁阻电机12驱动负载19。输入直流电源1l既可以是电池，也可以是经整流和滤波后的交流电源。由电源11提供的直流电压在电子控制单元14的控制下通过电力变换器13在电机12的相绕组16之间切换。
该切换必须与转子的旋转角度正确同步以便电机调速系统正确运行，通常采用转子位置传感器(‘rpt’)15来提供对应于转子的角位置的信号。rpt 15是一种输出二进制信号(其在每个电机相具有两次转变并以电机的电循环为周期)的设备。所述转变可以指示电机的电循环中的事件，例如出现最大和最小电感，或者指示非常接近此类事件(对于该事件来说，将采取控制动作)的位置。与通常用在伺服系统(其要求很高的位置精度)上的更加准确的解算器或编码器相比，此类设备相对便宜。
许多不同的电力变换器拓扑是公知的，以上引用的Stephenson的论文中讨论了其中的几种。图2示出了用于多相系统的一个单相的最常用的一种布置，其中电机的相绕组16在母线26和27之间与两个开关装置2l和22串联。母线26和27共同称为变换器的“直流联络线”。能量恢复二极管23和24与绕组相连，以便当开关21和22打开时允许绕组电流回流到直流联络线。电阻器28与下面的开关22串联以提供电流反馈信号。直流联络线之间连接有被称为“直流联络线电容器”的电容器25以提供或吸收直流联络线电流的任何交流分量(即所谓的“纹波电流”)，这些交流分量不能从电源流出或返回电源。实际上，电容器25可以包括若干个串联和/或并联的电容器并且，当使用并联时，某些部件可以分布在整个变换器中。多相系统通常使用若干并联的图2所示的“相脚”(phase legs)来激励电机的各相。可以使用单独的和/或非侵入的电流检测器，而不使用电流测量电阻器。
开关磁阻电机的相电感周期是该相(或每相)的电感变化周期，例如当转子极与各自相应的定子极完全对齐时最大值之间的周期。图3(a)示出了相的电感曲线的理想化形状。实际上，在Lmin和Lmax处的锐角是圆滑的，这是由于磁通发散以及磁路饱和的缘故。电感的最大值还将与电流相关。尽管如此，该曲线对于说明电机的一般行为还是很有用的。如以上引用的Stephenson的论文中更加详细说明的那样，最大电感区Lmax以一对转子极与一对定子极完全对齐时的转子位置为中心。图3(b)中的3相、6极定子、4极转子电机示出了这种情况。类似地，最小电感区Lmin对应于转子上的极间轴线与定子极轴线对齐时的位置，如图3(c)所示。
开关磁阻电机的性能部分取决于根据转子位置来准确定时相激励。通常使用传感器15(其在图1中简要地示出，诸如安装在电机转子上的旋转齿形盘，其与安装在定子上的光学或磁传感器配合使用)来完成转子位置的检测。生成指示相对于定子的转子位置的脉冲序列并将其提供给控制电路，实现准确的相激励。通常，1相和2相系统使用单个传感器；3相系统使用3个传感器；4相系统使用4个或者2个传感器。在多于3相的系统中偶尔使用仅使用1个传感器的较简单的布置。
图4以示意图的形式示出了用于3相系统的此类转子位置传感器(rpt)的基本组件。旋转体(vane)40具有多个齿(其等于转子极的数量)并均衡分布，以便在三个传感器的输出端提供相等的传号：空号比。各传感器在旋转体的周围以一定角度(其对应于各相的电感分布的位移角)分布并通常相对于定子极放置，以便分别在Lmin和Lmax处提供上升和下降边沿。这导致来自传感器的信号与各相的电感分布具有如图5所示的关系。如上所述，rpt 15是一种输出二进制信号(其在每个电机相具有两次转变并以电机的电循环为周期)的设备。所述转变可以指示电机的电循环中的事件，例如出现最大和最小电感，或者指示非常接近此类事件(对于该事件来说，将采取控制动作)的位置。通常，控制系统使用这些信号来生成正确时刻以便激励电机的各绕组。由于电机的性能严格取决于此类激励的准确性，因此，准确制造并对齐rpt的各组件十分重要。
在rpt中通常可以找到几种误差来源。旋转体的传号：空号比明显会影响输出信号的传号：空号比(尽管该关系不是完全简单明了的)，因为它受rpt中使用的某一类型的传感器的特性的影响。例如，如果传感器为光学类型，则它将具有有限的光束宽度。这将不同程度地影响信号，具体取决于转变是从发射到遮蔽还是相反。如果传感器为霍尔效应类型，则铁磁旋转体的进入边的邻近将引起磁通的边缘效应并早于预期进行切换。此外，这两种类型的传感器都会经受磁滞效应，使信号输出产生变化(取决于旋转的方向)。为了抵消这些效应，公知的是调整旋转体的物理传号：空号比以便提供更接近统一传号：空号比的传感器输出。还公知的是偏移转子上旋转体的对齐以便至少部分地补偿磁滞、光束宽度以及边缘效应。尽管如此，通常不可能同时补偿所有的误差，因此在输出信号中通常至少继续存在某些误差。虽然可以使用高成本、高精度的传感器，但所涉及的成本对电机调速系统的总体成本具有重要影响。
但是，这些误差只是问题的一部分。从图4中可以看到，传感器相对于定子的绝对位置以及其相对于其他传感器的相对位置都将影响RPTA、RPTB和RPTC信号的相位(相对于它们的相的电感分布)。因此，已开发出各种方法来减小传感器组件(其通常排列在印制电路板上)布置中的制造误差。例如，US 5877568和US 6661140都公开了改进传感器与定子对齐的方法，虽然代价是增加了额外的组件和制造过程。
类似地，旋转体相对于各转子极的对齐会影响rpt信号与各自的电感分布的相位关系。US 5786646中公开了减小这种误差的一种公知方法，它使用专门设计的夹紧环和适当的工具将旋转体与各转子极以公知的关系进行固定。
这些方法虽然至少在某种程度上改进了rpt输出的质量，但在增加的组件、制造过程和/或安装成本方面却很昂贵。虽然这在小批量制造的高价值电机调速系统中是可以接受的，但对于用在例如家用电器或汽车系统中的低成本、大批量电机调速系统来说，这不是所希望的。尽管如此，此类系统还是需要准确的rpt信号以产生它们所需的高输出。因此，需要一种以可重复和节省成本的方式来补偿rpt信号中的误差的方法。
发明内容
本发明的各实施例的方法和装置在附带的独立权利要求中定义。在从属权利要求中引用了某些优选特点。
此处讨论的技术与解算器或编码器系统中使用的补偿截然不同。此类系统在机械旋转方面具有高分辨率。通过在两个位置读取(比如说)编码器输出并记录其输出中的偏差，可以完成对它们相对于轴的周向未对齐的补偿。这可能需要对位置进行很少的计数，但从不小于编码器的分辨率。但是，本发明允许纠正远小于rpt的分辨率的误差(但该误差就电机调速系统的性能而言仍然是很显著的)。
本发明的各实施例有效地观测电机转子的某个位置处的事件并将观测到的发生事件与转子位置传感器的输出进行比较。典型的事件是转子的位置与最大电感相一致。尽管在现有技术中，借助附加的板上硬件和/或准确地装配rpt来提高rpt输出的精度已经被认为是可能的，但本发明依靠误差的初始特性，其可以被加载并用在rpt信号的处理中。rpt信号被记录并根据加载的补偿信息进行补偿。这在大批量电机的生产(其中要尽量避免任何硬件成本的增加)中尤为引人注意。同样地，任何复杂的建立准确rpt输出的装配方案都不适合于大批量生产。
优选地，转子被驱动以便在电机的相电感周期内创建事件。创建事件的一种方法是激励电机自身以将转子移动到事件位置。可替代地，可以使用外部驱动装置来根据需要移动电动机。
优选地，可以使用合适的已校准的编码器来提供确定的转子位置信息，可以根据该信息来检验转子位置传感器的准确性。
在转子位置传感器误差评估的静态形式中，电机的转子被移动到各位置并且记录编码器值。在评估的动态形式中，转子被移动，并且当转子经过适当的点时记录编码器值。
一旦所述评估被执行，转子位置传感器的偏差可以在无需额外硬件的情况下被存储和使用。
附图说明
本发明可以以多种方法来实现，其中的一些方法将通过实例的方式并参考附图进行说明，这些附图是：
图1示出了典型的现有技术的开关磁阻电机调速系统；
图2示出了图1的变换器的一个相的已知拓扑；
图3(a)示出了作为转子角度的函数的开关磁阻电机的电感分布；
图3(b)示出了转子处于完全对齐(Lmax)位置时的开关磁阻电机的示意图；
图3(c)示出了转子处于完全未对齐(Lmin)位置时的开关磁阻电机的示意图；
图4示出了用于3相系统的转子位置传感器的各部件；
图5示出了电感分布与用于图4的传感器的传感器信号之间的关系；以及
图6示出了根据本发明的一个实施例的装置。
具体实施方式
将要说明的示例性实施例使用处于电机模式的3相开关磁阻电机调速系统，但是无论该调速系统处于电机模式还是发电模式(即分别产生作为转矩或力或作为电功率的输出)，可以使用任何相数。
参考图6，如图1所示的开关磁阻(“SR”)电机12被连接到驱动电机60，在本实施例中，驱动电机60是电动机，但也可以是某些可想到的其他驱动装置。在一个可实现的实施例中，所述装置包括用于自动评估并加载偏移以补偿转子位置传感器中的误差的夹具。带有将被评估的rpt 15的电机被安装在所述夹具中并与所述装置相连。连接装置61将驱动电机60的输出轴与SR电机12的轴相连。连接的方法可以是任何公知的方法：例如通过使用专用连接装置；或通过定位在电机轴的某个部件上(例如，键槽，花键或紧固螺母)；或通过简单地将SR电机轴的末端压向驱动电机的轴以实现两者之间的摩擦接合。某一轴上适合于容纳另一轴的杯状或锥形末端将增强该摩擦接合。对于大批量的产量，电机12可以被固定在快速释放固定装置中，以便允许快速安装和移除。
如图4所示的rpt通常与图5所示的电机的各相的电感周期具有输出关系。如图5所示，rpt在二进制输出状态之间具有两次转变。
驱动电机60具有其自己的校准的位置检测系统62。在所述实施例中，位置检测系统是一种诸如产生多个信号(每个信号指示一个角位置)的4096-线编码器之类的高精度系统。在本申请中，编码器在SR电机的一个相周期中产生1024个不同的编码。如将在下文所描述的，这提供了足够的位置分辨率以确定rpt 15中的误差。可以使用其他提供关于相电感周期中发生事件的准确位置信息的装置。来自位置检测系统62的信号通过数据总线67被提供给误差检测单元64，误差检测单元64在本实施例中包括处理器。误差检测单元64还接收来自处于调查下的电机的rpt 15的传感器输出信号，并与电机的至少一个相绕组16相连。它还可以通过总线66与驱动电机通信并驱动驱动电机。所述驱动电机可以是多种公知类型中的任何一种类型，但优选为直流电机或伺服电机。
误差检测单元能够将由rpt 15(其包含将被补偿的位置误差)所指示的位置与来自位置检测系统62的精确信号进行比较，并在线路68上产生误差信号。然后，其可以被传送给处于调查下的电机的控制系统14(见图1)并在使用中的电机12的正常运行期间被存储为偏差，以便纠正rpt信号。因此，图6所示的装置可以被用于电机调速系统在其制造结束时的一次性分析，以便确定rpt系统中的(多个)误差并提供一种永久地纠正这些误差的装置。这可以在没有额外或专用部件或制造过程(其与处于分析下的电机关联)的情况下实现。与寻求最小化rpt信号中的误差的现有技术方法不同，本发明接受此类误差发生并对它们进行补偿，以便最优化电机调速系统的性能。
通过监视来自测量的电机参数的实际转子位置并在电感周期中的适当间隔的实际转子位置处测量rpt偏差，诸实施例解决了转子位置传感器中的误差。
本发明的一个实施例使用位置的准静态读数来确定所需的偏差。参考图6，处于分析下的SR电机被安装在夹具上并与驱动电机60相连。SR电机的rpt 15的输出与误差检测单元64相连。名义相绕组与来自误差检测单元的电功率输出相连以进行激励。为了防止转子进入不稳定的制动位置(即，出现Lmin)，电流首先被施加到相邻的相，然后被移除以促使转子转动。此技术要求相邻的相也被连接到误差检测单元的电功率输出。可替代地，如图3(b)所示，可以由运行在很低扭矩的驱动电机来转动转子，直到转子占据与名义相(A)的Lmax对应的稳定制动位置。然后，通过将连续的激励电流施加到相绕组，转子被锁定在名义相的Lmax位置。在该位置，从数据总线67读取来自位置检测系统62的输出。名义相中的电流然后被减小或移除，并且所述驱动电机旋转转子，直到名义相的rpt传感器信号改变状态，指示来自rpt的Lmax。此刻，再次从数据总线67读取来自位置检测系统62的输出。然后，从来自位置检测系统62的两个读数的差值，可以计算所需的偏差。此偏差值可以被存储并用于所有的相以节省分析时间，或者所述过程可以在电机12的第二或更多相中重复，以便产生并存储若干读数(其可以被平均)或者每个相的一个单独的偏差值。类似地，该过程可以仅在信号65的一次转变中执行，或在多次或全部转变中执行，使得可以计算平均误差。
还将显而易见的是，可以以相反方向驱动转子并重新评估误差，从而给出rpt系统中存在的磁滞量的指示。如上所述，对于每个旋转方向，可以计算并存储误差的平均值或存储单个的误差值。
然后，从执行的rpt校准得出的已存储误差值(多个)被电机控制单元施加到实际rpt信号转变以进行补偿。
以上描述基于这样的假设：rpt信号滞后于其真实位置(对于指定的旋转方向)。如果它们导向其真实位置，则在Lmax之后几乎180°(电气上)将不会出现转变。这可以通过参考来自真实位置检测器62的信号作出关于转变位置的决定来解决。可替代地，如果信号65中的转变没有在指定的旋转角度内被检测到，则可以以相反方向驱动所述驱动电机，并在Lmax的另一侧检测转变。
上述各实施例基本上在转子角域中运行。本领域的技术人员将理解，误差检测单元64可以与电机调速系统的控制系统14(见图1)集成(在较大或较小程度上)。因此，可以利用控制系统的处理能力来执行必要的计算并存储rpt误差的结果值。可以理解的是，误差的补偿可以在转子角域或时域中完成，并且在两者之间的选择将受主系统所使用的特定控制实施方式的影响。但是，最终目标仍然是确保控制(多个)相绕组的开关在正确的时刻操作，并且该操作不会受(多个)rpt信号中的任何误差的影响。
当转子被转动(优选地，以恒定速度)时，本发明的另一个实施例使用来自rpt 15的动态读数。使用本领域中公知的多种方法中的任何一种方法，误差检测单元64询问名义相绕组以确定电感分布。例如，可以使用PWM诊断脉冲给所述相提供一个小的电压。然后为每个脉冲计算所述相的电感，从而建立电感分布。然后，将在该处出现电感分布的特征(例如，Lmax和Lmin)的时刻与在该处rpt信号改变状态的时刻进行比较。通过参考转子被驱动的速度，可以确定信号的角偏差。可替代地，编码器输出可以被看作正在进行的角测量以便给出直接的角偏差值。此后者技术并不依赖各读数间的恒定转子速度。对于静态方法，所述偏差值可用于所有的相，或者所述过程可以在电机12的其他相(多个)重复，以便产生多个读数(其可以被平均)或为每个相产生一个单个的偏差值。可以选择电机的旋转速度以适应电感分布所要求的精度。本实施例及其变型基本上运行在时域。
以上描述基于使用高精度、高分辨率的位置检测系统62。本领域的技术人员将清楚并从本公开中受益，可以使用低精度的位置检测系统，但是随着其分辨率接近被校准的rpt的误差，受益将递减。
本领域的技术人员将理解，可以在不偏离本发明的情况下改变所披露的布置，特别是误差检测单元中的算法的实施方式的细节。还显而易见的是，虽然根据开关磁阻电机描述了上述技术，但是上述技术可以用于在其控制中使用转子位置信息的任何电机。
此外，虽然根据旋转电机描述了本发明，但本发明同样适用于具有轨道形式的定子和在其上运动的运动部件的线性电机。在本领域中使用的“转子”一词同时指旋转电机和线性电机的可运动部件并且在本文中也应按照这种方式理解。因此，以上通过实例方式对若干实施例进行了描述并且并非出于限制目的。本发明旨在仅由以下权利要求的范围来限制。

Claims (27)

1.一种确定转子位置传感器输出中的误差的方法，所述传感器提供二进制信号并相对于电机的转子来布置，以便在相电感周期中的所述二进制信号中产生不超过两次转变，所述方法包括：
创建与所述电机的至少一个相电感周期关联的事件；
将实际发生的所述事件与所述转子位置传感器的输出中的转变进行比较以产生误差值。
2根据权利要求1的方法，其中所述事件是转子位置与所述相电感周期中的最大或最小电感相一致。
3.根据权利要求1或2的方法，包括在创建所述事件中驱动所述转子。
4.根据权利要求3的方法，其中所述转子还被驱动以产生来自所述转子位置传感器的所述转变。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求的方法，其中所述电机被激励以将所述转子移动到一位置以便创建所述事件。
6.根据权利要求5的方法，其中所述电机被激励以保持所述转子的所述位置，并且所述转子被从外部驱动到所述事件或被从所述事件来从外部驱动。
7.根据权利要求1至4中任一权利要求的方法，其中所述转子被外部地驱动以移动所述转子，以便创建所述事件并在来自指示所述事件的转子位置传感器的输出中产生所述转变。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求的方法，包括存储在所述事件处由位置编码器的输出所指示的转子位置，以及将所述存储的位置与所述转子位置传感器的所述输出的转变进行比较。
9.根据权利要求8的方法，其中所述编码器输出在所述事件与所述转子位置传感器的所述输出中的所述转变之间被计数以产生所述误差值。
10.根据权利要求8的方法，其中在两个所述位置之间的时间间隔被计时，以便从所述转子的速度得到所述误差值。
11.根据权利要求1至10中任一权利要求的方法，其中为多相电机的一个相产生所述误差值，所述误差值被用于所述电机的其他相的等效转子位置输出。
12.根据权利要求1至10中任一权利要求的方法，其中为多相电机的每个相产生并存储单独的误差值。
13.根据权利要求1至10中任一权利要求的方法，其中为所述转子位置传感器的所述输出的每次转变产生单独的误差值。
14.一种补偿转子位置传感器输出中的误差的方法，所述方法包括将权利要求1至13中任一权利要求的所述误差值存储为偏差，并将所述偏差应用到所述转子位置传感器的所述输出。
15.一种用于确定转子位置传感器输出中的误差的装置，所述传感器提供二进制信号并相对于电机的转子来布置，以便在所述电机的相电感周期中的所述二进制信号中产生不超过两次转变，所述装置包括：
这样的装置，所述装置用于定位所述电机，以便创建与所述电机的至少一个相电感周期关联的事件；
这样的装置，所述装置用于监视所述事件的发生；
这样的装置，所述装置响应于所述用于监视的装置，用于将实际发生的所述事件与所述转子位置传感器的输出中的转变进行比较以产生误差值。
16.根据权利要求15的装置，其中所述用于监视的装置被安排成监视与所述相电感周期的最大或最小电感相一致的转子位置。
17.根据权利要求15或16的装置，其中所述用于定位所述电机的装置还被安排成驱动所述电机，以便产生所述转子位置传感器的所述输出中的所述转变。
18.根据权利要求15至17中任一权利要求的装置，包括用于激励所述电机以将所述转子移动到一位置以便创建所述事件的装置。
19.根据权利要求18的装置，其中所述用于激励的装置被安排成激励所述电机以便将所述转子保持在所述位置，并且所述转子被从外部驱动到所述事件或被从所述事件来从外部驱动。
20.根据权利要求15至17中任一权利要求的装置，包括外部装置，所述外部装置与所述电机相连，以驱动所述转子以便创建所述事件并在指示所述事件的所述转子的所述输出中创建所述转变。
21.根据权利要求15至20中任一权利要求的装置，其中所述用于监视的装置包括与所述转子相连的编码器，该编码器可以指示所述转子位置，并且所述用于比较的装置被安排成将在所述事件处的所述编码器的输出与所述转子位置传感器的所述转变处的所述输出进行比较，以便产生所述误差值。
22.根据权利要求21的装置，其中所述用于比较的装置被安排成对所述事件与来自所述转子位置传感器的所述输出中的所述转变之间的编码器输出进行计数，以便产生所述误差值。
23.根据权利要求21的装置，其中所述用于比较的装置被安排成对编码器输出之间的时间间隔进行计时，以便从所述转子的速度得到所述误差值。
24.一种用于补偿转子位置传感器输出中的误差的装置，所述装置包括权利要求15至23中任一权利要求的装置，用于将所述误差值存储为偏差的装置，以及将所述偏差应用到所述转子位置传感器的所述输出以便产生所述转子位置传感器的补偿后的输出的装置。
25.根据权利要求24的装置，包括用于为多相电机的一个相产生所述误差值的装置，以及用于为所述电机的每个相中的等效位置，将所述存储的偏差应用到所述转子位置传感器的所述输出的装置。
26.根据权利要求24的装置，包括用于为多相电机的每个相产生单独的误差值的装置。
27.根据权利要求24的装置，包括用于为所述转子位置传感器的所述输出的每次转变产生单独的误差值的装置。
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