CN1728536B - 电机中的转子位置检测 - Google Patents

Abstract

一种具有转子位置传感器的电机，所述传感器对控制系统提供输出信号。所述输出信号包括由于部件缺陷和制造缺陷而导致的误差。公开了一种方法，所述方法通过连续运行rpt信号中具有一组假设误差的电机、并形成一组测试结果，而可以确定信号中的误差。随后可以将这些结果互相比较，从而确定电机的控制系统的最优校正值。可以将所述校正值存储在控制系统中，并用于改进传感器输出信号的精确度，从而改善了电机的输出。

Description

电机中的转子位置检测

技术领域

本发明涉及电机的转子位置检测器中的误差补偿，尤其涉及但不限于开关磁阻电机的转子位置检测器中的误差补偿。

背景技术

开关磁阻系统的特征和运行在本领域是公知的，并且在例如Stephenson和Blake的“The Characteristics，design and application ofswitched reluctance motors and drives”(1993年6月21-24日，Nüirnberg，PCIM’93)中得到描述，其在此引入作为参考。对驱动装置的一般处理可以在许多教科书中找到，例如，TJE Miller的“Electronic Control ofSwitched Reluctance Machines”(2001年，Newnes)。图1示意性地示出了一种典型的开关磁阻驱动装置，其中开关磁阻电动机12驱动负载19。输入直流电源11可以是电池，或者是整流和滤波过的交流电源。电源11提供的直流电压通过电子控制单元14控制下的电力变换器13开关跨接电动机12的相绕组16。

为了驱动器的正确运行，开关切换必须和转子的旋转角度精确同步。转子位置传感器(′rpt′)15通常用于提供对应于转子角度位置的信号。rpt15是输出二进制信号的装置，该信号在每个电机相周期中进行两次变换，并且rpt15具有电机的电周期的周期性。所述变换表示电机的电周期中的事件，比如出现最大和最小电感、或者是位置非常接近进行控制动作的情况。

通常，将一组控制规则编程到控制单元14中，这些规则用来响应例如速度或转矩的用户请求而操作驱动器。这些规则通常以控制角度项表示，例如，将激励施加到相绕组的角度、将激励从相上去除的第二角度、以及描述采用的任何空转(freewheeling)周期的持续时间的第三角度。虽然已经存在这样的技术，即在试运行期间实验地确定每个驱动器的这些规则，但是，更普遍的是对驱动器样机进行详细测试，则在驱动器充分类似以致于性能上的微小差异并不重要的假设下，确定控制规则，并将这些规则编程到驱动器的相承模型中。然而，这个过程基于假定每个驱动器的rpt被精确制造和对准。

已知许多不同的电力变换器的拓扑，其中一些在上述Stephenson的论文中得到讨论。图2示出了多相系统中的一相的最普遍的结构，其中，电机的相绕组16串联两个开关装置21和22，跨接在母线26和27之间。母线26和27统称为变换器的“直流链路”。能量恢复二极管23和24连接到绕组，以便使绕组电流在开关21和22打开时能够流回DC链路。电阻器28串联到下端开关22，以提供电流反馈信号。被称为“直流链路电容器”的电容器25跨接DC链路以作为不能来源于或返回电源的DC链路电流的任何交流分量(即，所谓的“波纹电流”)的源或宿。实际上，电容器25可包括几个串联和/或并联的电容器，并且，在使用并联时，某些元件可分布于整个变换器中。多相系统通常使用若干在图2中并联的“相脚”以激励电机各相。替代电流检测电阻，可以采用隔离的和/或非接触式的电流检测器。

开关磁阻电机的相电感周期是该相或每一相的电感变化周期，例如，所述周期在转子极和相对的各个定子极完全对准的最大值之间。相电感曲线的理想形式在图3(a)中示出。实际上，L_min和L_max的锐角转角是圆角，这是磁路的磁通量的边缘效应和饱和造成的。电感的最大值可以是依赖于电流的。不过，该曲线可以用来解释电机的一般工作。如在上述Stephenson的论文中更详细的说明的，最大电感区域L_max以一对转子极完全与一对定子极对准的转子位置附近为中心。在图3(b)中，示出3相、6极定子、4极转子的电机的相A。类似，最小电感区域L_min对应于转子的极间轴与定子极轴对准的位置，如图3(c)所示。

开关磁阻电机的性能部分依赖于关于转子位置对相激励的精确定时。转子位置检测通常通过使用转子位置传感器15来实现，如图1所示，该位置传感器例如是安装在电机转子上的旋转齿盘，其可以和安装在定子上的光学或磁性传感器协作使用。产生表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，以允许精确的相激励。通常，1相和2相系统采用单个传感器；3相系统采用三个传感器；以及4相系统采用4个或2个传感器。在三相或更多相的系统中有时使用仅采用一个传感器的更简单的配置。这种位置传感器的分辨率比例如分解器或编码器低得多，但是便宜得多。尽管可以采用高精确度的传感器，但是投入的成本将会对驱动器的总成本产生影响，尤其是在小型低成本驱动器中。

图4示意性地示出用于3相系统的转子位置传感器(rpt)的必要部件。叶轮40是成比例的，从而使三个传感器的输出具有相等的传号：空号(mark：space)比。这些传感器以对应于相的电感分布的位移角度的角度分布在叶轮周边，并通常相对于定子极设置，以分别在L_min和L_max提供上升和下降边沿。如图5所示，这使得来自传感器的信号和相的电感分布之间关联。如上所述，rpt 15是输出二进制信号的装置，该信号在每个电机相周期上进行两次变换，并且rpt 15具有电机的电周期的周期性。这些变换表示电机的电周期中的事件，比如出现最大和最小电感，或者位置非常接近进行控制动作的情况。这些信号通常由控制系统采用，从而根据预定的控制规则，产生激励电机绕组的正确时刻。由于电机性能极其依赖于这种激励的精确性，所以，精确制造并对准rpt的部件是非常重要的。

在rpt中通常包括一些误差的来源。而且，一组rpt的输出并不一致，从而理论上应当单独调节每个rpt。叶轮的传号：空号比显著影响输出信号的传号：空号比，但是该关联不是完全直接的，因为它还受到rpt中使用的传感器类型特性的影响。例如，如果传感器是光学型的，它将具有有限的束宽。根据所述变换是从通过光变换到阻挡光还是从阻挡光变换到通过光，这将对信号产生不同的影响。如果传感器是霍尔效应型的，铁磁叶轮的进入边缘的接近将产生磁通的边缘现象，并产生比预期早的开关切换。此外，这两种类型的传感器都可能出现磁滞效应，根据旋转方向将使得信号输出发生变化。为了抵消这些效应，已知的是可以调整叶轮的物理传号：空号比，从而使得传感器输出更接近一致的传号：空号比。还已知的是，可以偏置转子叶轮的对准，从而至少部分补偿磁滞、磁化强度的精确度、束宽和/或边缘效应。然而，通常不能同时补偿所有的误差，因此，至少一些误差通常保留在输出信号中。

然而，这些误差只是一部分问题。从图4中可以明显看到，传感器相对于定子的绝对位置以及相对于其它传感器的位置，将影响对应于各相的电感分布的各相的RPT_A、RPT_B、RPT_C信号。因此，已经开发出一些方法来减小在布置传感器部件中的制造误差，这些传感器部件一般被设置在印刷电路板上。例如，在美国5877568和美国6661140中均公开了改进传感器与定子之间的对准的方法，但是带来了因额外部件和制造过程造成的费用上的增加。

类似，叶轮相对于转子极的对准影响rpt信号与各个电感分布之间的相位关联。在美国5786646中公开了已知的用于减小这种误差的方法中的一种，该方法采用特别设计的锁紧环和恰当的工具，使得以公知的方式将叶轮与转子极固定。

这些方法，虽然至少某种程度地改善了rpt输出的质量，但是由于增加了部件、制造过程和/或装配成本，从而比较昂贵。虽然这对于少量生产的高价驱动器来说是可以接受的，但是，对于那些低成本大批量生产的驱动器来说是不理想的，例如用于家用电器或汽车系统中的驱动器。然而，这些低成本的系统也需要有精确的rpt信号来产生它们所需的高输出。因此，需要一种方法能够以可重复和有成本效益的方式来补偿rpt信号中的误差。

发明内容

本发明实施例的方法和装置由所附独立权利要求所限定。在从属权利要求中描述了一些优选特征。

本发明尤其适用于确定转子位置传感器的输出中的误差，该传感器提供二进制信号，并相对于电机的转子被设置，以在相电感周期中产生二进制信号的不多于两次的变换。

这里所讨论的技术相当不同于在分解器或编码器系统中使用的补偿。这些系统在机械旋转下具有高分辨率。它们对绕轴的外周的未对准的补偿能够通过在两个位置读取编码器输出并记录输出中的偏移量来完成，这些偏移量可以是对位置的一些计算，但是从不会小于编码器的分辨率。然而，本发明允许对比rpt分辨率小得多(但是对于驱动系统的性能仍然较大)的误差进行校正。

本发明的实施例可以将驱动器的若干测试运行的结果互相比较，从而确定测试下的电机的rpt相比于已经确定驱动器的控制规则的电机所需的补偿。该比较可以在制造过程的末期进行。然后可以将所述补偿放入驱动器的控制系统中，从而，当该驱动器在预定应用中正常运行时，所述驱动器由来自rpt的被适当补偿的信号所控制。

本发明的实施例能够从对测试结果的比较中获取误差，从而提供具体应用的最优性能。因此，所选择的输出补偿的精确度依赖于测试的精确度，而不依赖于RPT的分辨率。

附图说明

本发明可以以多种方式用于实际应用中，下面将通过示例的方式并参照附图描述其中的一些，其中：

图1示出了典型的现有技术的开关磁阻驱动器；

图2示出了公知的图1的变换器的一相的拓扑；

图3(a)示出了开关磁阻电机关于转子角度的理想电感曲线；

图3(b)示出了开关磁阻电机的示意图，其中A相的转子位于完全对准(L_max)的位置；

图3(c)示出了开关磁阻电机的示意图，其中A相的转子位于完全未对准(L_min)的位置；

图4示出了3相系统的转子位置传感器的部件；

图5示出了电感曲线与图4的传感器的传感信号之间的关系；

图6示出了根据本发明一个实施例的装置；

图7示出了对应于rpt偏移量的峰值相电流；以及

图8示出了对应于rpt偏移量的加速时间。

具体实施方式

将要描述的说明性实施例采用电动机模式的3相开关磁阻驱动器，但是任何相数都是可以采用的，其中驱动器既可以为电动机模式也可以为发电机模式，即分别产生作为转矩或力、或者作为电源的输出。

参照图6，图1所示的开关磁阻(′SR′)驱动器被设置成结合误差检测单元64运行。rpt15如在图4中所示，其通常与图5所示的电机的每一相的电感周期有输出关联。如图5所示，rpt在相电感周期中的二进制输出状态之间具有两次变换，并将来自rpt的信号输入到误差检测单元以及驱动器的控制系统14中。在本发明的一些实施例中，误差检测单元通过电流传感器18能够确定电机的至少一相中的电流。可以将来自关联其它相的其它电流传感器的信号可选地提供给误差检测单元64。

图6示出了连接负载19的电动机。实际上，该负载可以省略以便于测试，或者它可以是附连在轴上的简单飞轮，以增加惯性并减小速度波纹，或者它可以是需要来自于电动机的转矩的常规负载。在后者的情况下，增加的相电流可以使得对驱动器性能的确定更加准确，从而使得对rpt中所需补偿的确定更加精确。如果在发电机模式下进行测试，则负载19必须能够给SR电机12提供转矩。

在本发明的一个实施例中，电机12通过其自身的在控制单元14的控制下的电力变换器13响应来自rpt15的信号而运行。控制单元执行被编程入驱动器中的控制规则，所述控制规则适用于具有校正地构造和对准的rpt的驱动器。控制单元14还能够从误差检测单元64中接受rpt补偿值，所述补偿值用于相关于由rpt通知的位置修改控制规则。该驱动系统相对于已知的负载运行，由误差检测单元记录表示性能的参数的集合。包含在该集合中的参数被预先确定，并可以包括一些或全部以下参数：电源电压、直流链路电流、相电流、效率、电源表现的功率因数、回流到电源的谐波电压或电流、电机的输出变化率(例如，加速度)、电机输出(例如，转矩)、转矩波纹、电机振动、噪声、电机部件的温度等。本发明的其它实施例采用波形作为一种参数，例如，电流的波形、转矩波纹的波形或者噪声的波形。

在根据控制单元14中运行的程序而实施的对rpt 15的第一测试中，电机12利用被编程为算法的控制规则运行。rpt 15的输出以未修改的形式用作转子位置反馈信息。编程误差检测单元64，以对候选转子位置补偿值增加正或负的增量，所述候选转子位置补偿值在将误差检测单元施加到控制规则之前产生。随后的测试使用rpt 15的输出。对于rpt输出补偿的每一个设置，所选的性能参数(或参数组)被记录以用于后面的比较。

该过程使用一组不同的候选rpt补偿值。然后，误差检测单元通过比较参数值来估算测试结果，从而确定给出“最佳”结果的候选补偿值。对“最佳”结果的选择将受到驱动器具体应用的影响。例如，如果驱动器由电池供电，驱动效率可以是可最大化的适当参数；如果存在开关装置施加的限制，则峰值电流是可最小化的；如果驱动器的加速度是重要的参数，则达到特定速度的时间是可最小化的。许多其它的这种比较对于本领域技术人员而言是显然的，比如电机绕组或其它部件的温度、振动或噪声。

产生最佳补偿值的比较可以人工进行，例如，通过查阅包含测试结果的表格，但是最好由误差检测单元64自动完成。补偿增量和增量方向(正或负)被自动设置以在测试结束时产生一组参数值。然而，通过监测参数值曲线，可以在测试程序中更加适应性地确定补偿增量。此外，该监测可以执行迭代(iterative)功能，以决定参数的最佳值。为采用这样的适应性的技术，可以对误差检测单元64载入适当的产生算法(genetic algorithm)。然后可以通过数据总线66将所选的补偿值传输到控制单元14，并存储在控制单元14的存储器中。当驱动系统随后在预定的应用中运行时，控制单元使用存储的补偿值来补偿rpt的输出，并使得可以改进驱动器的性能。

因此，图6所示的装置能够用于在制造末期对驱动系统进行一次性分析，从而确定rpt系统中所需的补偿。这不需要额外或特别的部件就能够实现。对于该驱动器，可以不需要持久安装的电流传感器。替代现有技术中用于最小化rpt信号中误差的方法，本发明根据所选择的标准，允许rpt的输出被变化，并补偿所述变化，从而最优化驱动器的性能。本发明具有这样的额外的优点，即，无论rpt输出的固有不精确性如何，通过补偿rpt输出而使得将电机驱动器设置为具有所选参数的最佳性能。

以图示的方式，在图7中示出了峰值相电流对应于rpt偏移的曲线，该图通过如上述在示例驱动器上进行测试运行而绘出。从该曲线可以明显看出，为了最小化峰值相电流，应该选择约2°的值作为rpt误差。

通过另一个图示，在图8中示出了在另一示例驱动器的两个选定速度之间的加速时间。同样，该曲线从一组测试的测试结果绘出，所述一组测试改变用于rpt信号的偏移值。为了最小化加速时间，应该选择约-4°的偏移。

可以将补偿值存储起来，并用于所有相以节约分析时间，或者可选的是，对电机12中的第二或更多相分配补偿值，所述补偿值可以对应于单独的相使用，或者可以被平均化。类似，该过程可以在rpt信号的一个变换上、或者若干或所有变换上实施，使得可以计算出平均偏移量，或者存储对应于每个信号边沿的实际补偿值。

然后由控制单元将从进行的rpt校准中获得的存储的补偿值施加到实际rpt信号变换中，以补偿rpt输出中的固有可变性，并且/或者设置转子输出以最优化所选的参数性能。对于数字信号处理领域的技术人员显然的是，当进行了基本的rpt校准后，可以以多种方式实现对rpt信号误差的补偿。例如，这可以包括，同时对rpt信号中的上升边沿和下降边沿的误差补偿。误差补偿可以在转子角度范围中完成，或者在时间范围中完成，对两者的选择将受到主体系统使用的特定控制实施的影响。然而，最终目的仍然是，确保控制相绕组的开关在精确的时刻被运行，以及该运行不受任何rpt信号中的误差的不利影响。

本领域技术人员可以理解，可以将误差检测单元64或多或少地集成到驱动器的控制单元14中(见图6)。从而，可以采用控制单元的处理能力来执行所需的计算，以及存储rpt偏移补偿的结果值。这样的实施例可以允许驱动器在应用中再校准，如果对rpt的设定在维护或修理期间被扰乱。再校准的实施可以提供一组新的值，其被存储并随后用于对rpt输出信号的补偿。

本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的情况下，可以对所公开的配置进行变化，尤其是在误差检测单元中的算法实施的细节中。可以理解，可以存储不同的补偿值(或一组补偿值)来最优化不同的参数，从而，例如，根据用户的选择，可以补偿驱动器以最大化峰值加速度或功率因数。另外显然的是，尽管结合开关磁阻电机描述了本技术，但是所述技术也可以用于在其控制中使用转子位置信息的任何电机中。

另外，尽管在旋转电机方面描述了本发明，但是本发明也同样可以用于线性电机中，所述线性电机具有轨道形式的定子和沿轨道移动的移动部分。在本领域中使用术语“转子”表示旋转电机和线性电机的可移动部分，并可以以本文描述的方式构造。因此，上述若干实施例只是用于示例，而不是为了限制本发明。本发明旨在只由下面的权利要求书的范围所限制。

Claims (8)

1.一种确定对电机的转子位置传感器的输出的补偿值的方法，所述方法包括：

在预定条件下重复运行所述电机，并将选定的候选补偿值施加到所述转子位置传感器的所述输出中；

对于所述转子位置传感器输出补偿的候选值，记录所述电机的至少一个参数作为一组测试结果；以及

从所述测试结果中选出所述转子位置传感器输出补偿的希望值。

2.如权利要求1所述的方法，其中根据存储的程序运行所述电机、并记录所述测试结果。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中由控制器控制所述电机，将所述程序和/或所述转子位置传感器输出补偿的希望值存储在所述控制器中。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述参数是选自于如下的一个或多个参数：电源电压、直流链路电流、转矩、电机输出波纹、电机的输出变化率、加速度、效率、电源功率因数、电机振动、电压和电流谐波、相电流、噪声、以及温度。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述候选补偿值对于每一次测试自动改变。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中所述转子位置传感器输出补偿的希望值对应于产生至少一个所述记录的参数的最大值或最小值的所述转子位置传感器输出补偿。

7.用于根据权利要求1至6中任一项的方法来确定对电机的转子位置传感器的输出的补偿值的装置，所述装置包括：

用于存储测试结果的存储装置；以及

用于从所述测试结果中选择希望的所述补偿值的装置。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述电机可以连接控制器，所述存储装置与所述控制器集成。

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