CN1719719B - 电机转子位置检测方法和装置 - Google Patents

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。本发明公开了一种方法，其能够通过使用位置检测算法来确定所述信号中的所述误差，以便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1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11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。rpt15是一种输出二进制信号(其在每个电机相周期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21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L_min和L_max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L_max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L_min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。通常使用转子位置传感器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3相或更多相的系统中偶尔使用仅使用1个传感器的较简单的布置。此类位置传感器比例如解算器或编码器具有差得多的分辨率，但是具有低得多的成本。虽然可以使用高度精确的传感器，但所涉及的成本对电机调速系统(特别是小型、低成本电机调速系统)的总体成本具有显著影响。

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(profile)的位移角)分布并通常相对于定子极放置，以便分别在L_min和L_max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，rpt15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、磁化精度、光束宽度和/或边缘效应。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。

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RPT_A、RPT_B和RPT_C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，US5877568和US6661140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。US5786646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，此类低成本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。

本领域的技术人员将理解，实际上并不需要具有如图4中实例化的物理rpt。通过使用软件算法来预测转子位置的方法已经被开发出来。这些方法在本领域中被称为“无传感器”方法，尽管在实际中它们都需要某种传感器来提供来自电机调速系统的反馈信号，以便提供数据给算法。通常，如US6586903(Moriarty)中所公开的，需要相电流测量值，并且如US5467025(Ray)中所公开的，还需要电压或磁链的测量值。可以用多种方法测量电流，例如，通过如图1中标号18所示的非侵入式独立设备，或通过如图2中电阻器28所示的非独立设备来测量。尽管在某些电机调速系统中，电流测量值已经被提供用于开关设备的过流保护，并且还可能用于斩波控制，但小型电机调速系统可能并不需要它们，因为电流被相绕组的电阻有阻碍地限制并且电压在开关间下降。在此类电机调速系统中，尤其是低压电机调速系统中，包含电流敏感电阻器将对性能产生正面损害，尽管独立的电流传感器可能被排除在成本考虑之外。因此，低成本、低电压的电机调速系统的设计者被阻止使用无传感器位置检测，并且被迫接受物理rpt所施加的限制。

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将来自rpt的输出与无传感器位置检测算法的输出进行比较以确定rpt信号中的误差。此比较可以在制造过程结束时进行。然后，所述误差被载入电机调速系统的控制系统，以便当电机调速系统在其预定应用中正常运行时，其由来自rpt(其已被补偿误差)的信号来控制。来自rpt的信号和无传感器转子位置检测算法的信号通常同时有效地产生。

在一特定形式中，将来自转子位置传感器的第一信号与来自无传感器位置检测算法的第二信号进行比较以产生误差值。

通常，所述电机将由其自己的控制装置来控制，并且优选地，所述误差值被存储在该控制装置中，以便用于补偿转子位置传感器误差。进而，所述无传感器位置检测算法也可以被存储在所述控制装置中。以这种方式，校准技术是电机的驱动系统的一部分。然后，在电机被制成之后的任何时间都可以执行误差的确定，例如，在其被运到运行现场之后。这使得本发明对于重复校准非常有用，而不是简单地作为制造后立即补偿误差的一次性技术。但是，所述方法也可以与控制软件(专用于电机的运行)分开执行。

在根据本发明的各实施例来确定误差中，所述电机可以作为电动机或发电机来运行。其可以是旋转电机或线性电机。

本发明还扩展到包括根据本发明的装置的电机驱动系统以及具有运动部件(相对于该部件来布置rpt以产生所述第一信号)的电机。

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(L_max)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(L_min)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”)电机调速系统被建立以便与误差检测单元64一起运行。如图1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，并且来自rpt的信号被提供给误差检测单元64以及电机调速系统的控制系统14。误差检测单元64能够借助电流传感器18来确定电机的至少一个相中的电流。来自与其他各相关联的其他电流传感器的信号可以被可选地提供给误差检测单元64。

图6示出了与负载19相连的电机。实际上，该负载可以被省略以便于测试。可替代地，该负载可以是连接到轴的简单飞轮以便增加惯性并减小速度波动，或者其可以是需要来自电机的转矩的常规负载。在后者的情况中，增加的相电流可以允许更准确地确定转子位置，从而更准确地确定rpt中的误差。如果测试将在发电模式下进行，则负载19必须能够提供转矩给SR电机12。

在本发明的一个实施例中，电机12通过其自己的电力变换器13使用控制单元14来运行，以响应来自rpt15的信号。于是不需要向控制单元14提供电流反馈。同时，误差检测单元64使用算法所需的任何反馈信号来运行无传感器位置检测算法。通常，这些信号将包括来自电流检测器18的相电流反馈。这些信号还可以包括直流联络线电压或施加的相电压。

可以使用的无传感器位置检测算法的实例包括：如EPA0573198(Ray)中描述的预测器/校正器方法；如EPA1014556(Green)中描述的诊断脉冲方案；如EPA0780966(Watkins)或EPA1109309(Moriarty)中描述的电流波形检测算法；电感分布询问算法等。对本领域的技术人员很清楚的是，无传感器检测的确切方法并不适合本发明。

当电机在稳定状态下运行并从无传感器位置检测算法获得了可靠的位置估计时，误差检测单元能够将估计的位置与同时由rpt产生的信号进行比较以便形成误差估计。该误差然后通过数据总线66被发送给控制单元14并存储在控制系统中。当电机调速系统随后在其预期的应用中运行时，控制系统使用存储的误差来补偿rpt的输出并提供来自电机调速系统的改进的性能。

在本发明的进一步的实施例中，在无传感器位置检测算法的影响下，电机调速系统通过控制系统14来运行。如前所述，来自此算法和来自rpt的信号都被提供给误差检测单元64并产生误差估计。

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补偿这些误差的装置。这可以在没有额外或专用部件的情况下实现。不需要永久安装的电流传感器。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。

误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误差值。类似地，该过程可以仅在rpt信号的一次转变中执行，或在多次或全部转变中执行，使得可以计算平均误差或者存储与每个信号边沿关联的实际误差。

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信号转变以便补偿信号中的固有误差。对数字信号处理领域的技术人员显而易见的是，一旦基本rpt校准已被执行，rpt信号中的误差补偿可以用多种方式来实现。这可以包括例如在rpt信号中的上升边沿和下降边沿进行误差补偿。

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。

本领域的技术人员还将理解，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。如果rpt的设置在维护或修理期间被扰乱，则此实施例将允许电机调速系统在其应用中被重新校准。重新校准操作会提供一组新的误差，其将被存储并随后用于rpt输出信号的补偿。

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。进而，虽然本发明的各实施例同时使用由rpt和无传感器转子位置检测算法所产生的信号，但是可以通过在单独等效周期中分别使用每个位置确定系统运行电机来执行误差确定。

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 (8)

1.一种确定具有开关磁阻电机的开关磁阻电机调速系统的转子位置传感器(rpt)的输出中的误差的方法，所述转子位置传感器提供第一信号，所述方法包括：

建立开关磁阻电机调速系统以便与误差检测单元一起运行；

运行开关磁阻电机以便产生所述第一信号，并且从误差检测单元运行的无传感器位置检测算法产生指示所述开关磁阻电机的转子位置的第二信号；

使用误差检测单元来比较所述第一和第二信号，以产生与所述第一信号相关的位置误差值；

将位置误差值从误差检测单元传送到开关磁阻电机调速系统的控制单元；以及

在控制单元中存储位置误差值，用于与来自转子位置传感器的第一信号一起补偿位置误差，不需要永久安装的电流传感器。

2.如权利要求1中所述的方法，其中所述转子位置传感器提供二进制第一信号并相对于开关磁阻电机的转子来布置，以便在相电感周期中的所述二进制第一信号中产生不超过两次转变。

3.如权利要求1所述的方法，其中当确定所述误差时，所述开关磁阻电机作为发电机来运行。

4.如权利要求1所述的方法，其中当确定所述误差时，所述开关磁阻电机作为电动机来运行。

5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，其中所述无传感器位置检测算法从包括预测器/校正器模型、诊断脉冲方案、电流波形检测算法以及电感分布询问算法的组中来选择。

6.一种用于确定转子位置传感器(rpt)的输出中的误差的装置，所述装置包括：

具有开关磁阻电机的开关磁阻电机调速系统、用于提供第一信号的转子位置传感器以及用于存储位置误差值的装置，所述位置误差值用于与来自转子位置传感器的第一信号一起补偿位置误差，不需要永久安装的电流传感器；

误差检测单元包括用于存储无传感器位置检测算法的装置，所述算法可以产生指示开关磁阻电机的转子位置的第二信号；用于将所述第一和第二信号进行比较以产生与所述第一信号相关的位置误差值的装置；以及用于将位置误差值从误差检测单元传送到开关磁阻电机调速系统的装置；

用于建立开关磁阻电机调速系统以便与误差检测单元一起运行的装置；以及

用于运行电机以便产生第一和第二信号的控制装置。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述控制装置可以将所述开关磁阻电机作为发电机或电动机来运行。

8.如权利要求6所述的装置，其中所述转子位置传感器提供二进制第一信号并相对于开关磁阻电机的转子来布置，以便在所述开关磁阻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。

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