控制装置以及用于求取同步电机的转子角的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于求取同步电机的转子角的方法，具有以下步骤：确定用于所述同步电机的d轴的第一估算值；将至少一个相应地具有能够预先给定的脉冲持续时间和脉冲高度的精确电压脉冲对馈入到同步电机的定子中，其中精确电压脉冲对相应地沿着不同的方向与用于同步电机的d轴的第一估算值相隔相同的角度值；检测针对精确电压脉冲的取决于角度的精确电流响应；在相应的所检测的精确电流响应的基础上确定取决于角度的精确相位差；在取决于角度的精确电流响应的至少一部分的基础上确定第一估算曲线；在取决于角度的精确相位差的至少一部分的基础上确定第二估算曲线；并且在第一和/或第二估算曲线的基础上确定用于同步电机的d轴的精确的估算值。
【专利说明】控制装置以及用于求取同步电机的转子角的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种控制装置以及一种用于尤其在电运行的车辆的电驱动系统的同步电机的停止状态中求取所述同步电机的转子角的方法。
【背景技术】
[0002]事实表明，在将来不仅对于固定的应用、例如风力设备或者太阳能设备来说而且在机动车、例如混合动力车或者电动车中都越来越多地使用电子系统，所述电子系统将新的蓄能技术与电驱动技术结合起来。
[0003]在调节例如电运行的车辆的电驱动系统中的同步电机时，对同步电机的转子相对于定子的相对位置的了解起主要作用。为了通过同步电机提供所要求的转矩，在所述电机的定子中形成旋转的电场，所述电场与所述转子同步旋转。为了形成这种场，需要转子的实际角度以进行调节。
[0004]一种用于确定转子角的可行方案在于，在所述同步电机中实现一种能够检测转子角的传感器。示例性的探测器类型是增量探测器、分解器、Vogt传感器以及数字的霍耳传感器。
[0005]另一种用于确定转子角的可行方案在于无探测器的确定方法。由1996年工业应用会议第 31 届 IAS 年会(Industry Applications Conference, 1996, 31st IAS AnnualMeeting)Schroedl, M 的“Sensorless control of AC machines at low speed andstandstill based on the INFORM method”(基于INFORM方法对低速和停止状态下的交流电机的无传感器控制)、1995年工业应用会议第30届IAS年会Ostlund, M.和Brokemper, M.的“Initial rotor position detections for an integrated PM synchronous motordrive”(用于集成的永磁同步电机驱动的初始转子位置探测)、2003年电机和驱动器会议IEMDC’ 03 (Electric Machines and Drives Conference 2003 IEMDC’ 03 ) Linke, M.、Kennel, R.和 Holtz, J.的“Sensorless speed and position control of synchronousmachines using alternating carrier injection”(使用交替载波注入对同步电机进行无传感器的速度和位置控制)以及2010年IEEE国际工业技术会议(2010IEEEInternational Conference on Industrial Technology ICIT)Braun, M.>Lehmann, 0.和Roth-Stielow, J.的“Sensorless rotor position estimation at standstill of highspeed PMSM drive with LC inverter output filter”(在带有 LC 逆变器输出滤波器的高速永磁同步电机驱动的静止状态下无传感器的转子位置估算)这些公开文献中例如公开了不同的用于无探测器地对同步电机的转子角进行角度确定的方法。
[0006]公开文献DE 10 2008 042 360 Al和W0/2009/047217 A2分别公开了借助于迭代的测试脉冲确定停止状态中的同步电机的转子角的方法。
【发明内容】
[0007]按照一个方面，本发明提供一种用于求取同步电机的转子角的方法，该方法具有以下步骤:确定用于所述同步电机的d轴的第一估算值；将至少一个相应地具有能够预先给定的脉冲持续时间和脉冲高度的精确电压脉冲对馈入到所述同步电机的定子中，其中所述精确电压脉冲对相应地沿着不同的方向与所述用于同步电机的d轴的第一估算值相隔相同的角度值；检测针对所述精确电压脉冲的取决于角度的精确电流响应；在相应的所检测的精确电流响应的基础上确定取决于角度的精确相位差；在所述取决于角度的精确电流响应的至少一部分的基础上确定第一估算曲线；在所述取决于角度的精确相位差的至少一部分的基础上确定第二估算曲线；并且在所述第一和/或第二估算曲线的基础上确定用于所述同步电机的d轴的精确的估算值。
[0008]按照另一个方面，本发明提供一种用于求取同步电机的转子角的控制装置，该控制装置设计用于实施按本发明的第一方面的方法。
[0009]按照另一个方面，本发明提供一种具有按本发明的控制装置和同步电机的电驱动系统，其中所述控制装置设计用于根据所求得的转子角来操控所述同步电机。
[0010]本发明的构思是，对尤其在停止状态中的同步电机实现无探测器的转子角确定。所述确定方法在此基于以能够预先给定的次序来产生测试电压脉冲，将所述测试电压脉冲馈入到同步电机的定子感应中。而后在所测量的电流响应的基础上，能够进行转子角确定。在此不仅能够为凸极电机而且能够为隐极电机确定转子角。所述过程能够按所要求的或者所期望的转子角确定的精度划分为两个测试阶段，其中在第一阶段中产生一个或者两个电压脉冲，从而在比较电流响应以及相电流相对于电压相位的相位差时，能够求得用于d轴的粗略的估算值。所述粗略的估算值而后能够在第二阶段中用于，将关于所估算的d轴对称地编组的电压脉冲对馈入到所述同步电机中并且通过拟合计算算法(Ausgleichsrechnungsalgorithmus)、例如所述电流响应或者相位差的线性回归来使用于d轴的粗略的估算值精确化。
[0011]这种处理方式的显著的优点在于，能够按所要求的或者所期望的精度将所要求的电压脉冲的数目降低到最低限度。替代地，相对于已知的方法，在脉冲数目保持相同的情况下能够提高角度确定的精度。此外，相对于已知的无探测器的方法，所述转子角确定方案的鲁棒性和可靠性得到显著改善。这实现了将所述转子角确定方案例如用在具有电驱动系统的批量车辆中。
[0012]除此以外，降低了所述转子确定方案与所使用的电流传感器的精度或者质量的相关性。由此能够使用更为便宜的电流传感器，这降低了所述电驱动系统的制造成本。此外，所述转子角确定方案能够在自诊断运行模式中实施，而不必进行外部的校准。
[0013]此外，存在着这样的优点，即在确定过程进行时没有形成值得一提的转矩，因而所述同步电机的转子的位置没有由于所加载的电压脉冲而变化或者显著变化。由此降低了通过所加载的电压脉冲引起的噪声生成或者废热生成。
[0014]尤其对于凸极电机来说以有利的方式通过以下方式降低在所述同步电机的停止状态中不期望的转矩形成的危险，即只能朝着所估算的d轴的方向来加载饱和脉冲。
[0015]按照所述按本发明的方法的一种实施方式，所述方法此外能够包括以下步骤:将多个相应地具有能够预先给定的脉冲持续时间和脉冲高度的校准电压脉冲馈入到所述同步电机的定子中；检测针对所述校准电压脉冲的取决于角度的校准电流响应；在相应的所检测的校准电流响应的基础上确定取决于角度的校准相位差；并且在所述取决于角度的校准电流响应或者校准相位差的基础上确定所述同步电机的电流响应特性曲线和相位差特性曲线。由此能够在运行所述电驱动系统期间总是一再对特性曲线进行再调整。
[0016]按照所述按本发明的方法的另一种实施方式，校准电压脉冲分别以关于所述定子角错开180°的脉冲对馈入到所述同步电机的定子中。由此减少将不期望的转矩输入到所述同步电机中的危险。
[0017]按照所述按本发明的方法的另一种实施方式，确定用于所述同步电机的转子角的初始估算值包括形成参与最小差的第一和第二估算值的平均值。
[0018]按照所述按本发明的方法的另一种实施方式，所述同步电机包括隐极电机，其中将至少两个使所述隐极电机处于饱和之中的初始电压脉冲馈入到所述隐极电机的定子中。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]本发明的实施方式的其他特征和优点从以下参照附图所作的说明中获得。
[0020]附图示出如下:
图1是具有按本发明的一种实施方式的同步电机的电驱动系统的示意图；
图2是按本发明的另一种实施方式的同步电机中的电压脉冲及其电流响应的示意图； 图3是用于按本发明的另一种实施方式的同步电机的电流响应的示意性的电流-时间
图；
图4是用于按本发明的另一种实施方式的同步电机的电流与电压之间的相位差的示意性的相位差图；
图5是用于按本发明的另一种实施方式的隐极电机的电流响应的示意性的电流-时间
图；
图6是用于按本发明的另一种实施方式的隐极电机的电流与电压之间的相位差的示意性的相位差图；
图7是用于按本发明的另一种实施方式的凸极电机的电流响应的示意性的电流-时间
图；
图8是用于按本发明的另一种实施方式的凸极电机的电流与电压之间的相位差的示意性的相位差图；
图9是用于对按本发明的另一种实施方式的同步电机的转子的d轴进行估算的示意性的电流_时间图；
图10是用于对按本发明的另一种实施方式的同步电机的转子的d轴进行估算的示意性的相位差图；
图11是用于更为精确地确定按本发明的另一种实施方式的同步电机的转子的d轴的示意性的电流-时间图；
图12是用于更为精确地确定按本发明的另一种实施方式的同步电机的转子的d轴的示意性的相位差图；
图13是一种用于对按本发明的另一种实施方式的同步电机的转子角进行估算的方法的示意图；并且
图14是另一种用于确定按本发明的另一种实施方式的同步电机的转子角的方法的示意图。[0021]相同的附图标记一般表示同类的或者起相同作用的组件。在附图中示出的示意性的信号曲线及参数曲线仅仅具有示例性的性质，在此出于简明的原因以理想化的方式描绘出所述示意性的信号曲线和参数曲线。不言而喻，在实际上由于有偏差的边界条件而可能产生有偏差的信号曲线和参数曲线，并且所示出的信号曲线和参数曲线仅仅用于说明本发明的原理和功能的方面。
[0022]本发明的意义上的同步电机是这样的电机，其中恒定磁化的动子或者转子同步地由周围的定片或者定子中的与时间相关的旋转磁场通过磁性的相互作用来驱动，从而使得所述转子与定子中的电压比同步地运动，也就是说，转速通过极对数取决于定子电压的频率。本发明的意义上的同步电机例如能够是交流电同步电机，所述交流电同步电机例如构造为具有转子和定子的外极电机或者内极电机。此外，本发明意义上的同步电机能够包括凸极电机或者隐极电机。隐极电机具有转子的不取决于轴的感应，而凸极电机则具有突出的极轴、也称为d轴，朝着所述极轴的方向由于较小的气隙主感应大于朝着极隙、也就是q轴的方向。下面提到的方法和控制装置原则上同样能够用于隐极电机和凸极电机，除非下面明确地参照对同步电机类型所作的不同的探讨。
【具体实施方式】
[0023]图1示出了具有同步电机101的电驱动系统100的示意图，能够将三相的交流电馈入到所述同步电机101中。在此，通过形式为脉冲逆变器102的逆变器将由直流中间电路103提供的直流电压逆变为三相的交流电压。所述直流中间电路103通过由串联的电池模块105构成的支路104来馈电。为了能够满足为相应的应用情况给定的对功率和能量的要求,经常在牵引电池104中串联布置多个电池模块105。
[0024]所述电机101例如能够是同步电机101,所述同步电机具有定子感应(Statorinduktivitat) L0所述同步电机101例如是三相的同步电机。但是原则上也能够为所述同步电机设置其他数目的相位。在此在所述电驱动系统中对于所述同步电机101的调节起着主要的作用。为了通过同步电机提供所要求的转矩，在所述电机的定子中形成旋转电场，所述旋转电场与所述转子同步旋转。为了形成这种场，需要所述转子的实际的角度以进行所述调节。
[0025]因此，所述电驱动系统100包括控制装置10，该控制装置与所述同步电机101耦合并且该控制装置设计用于操控所述同步电机101或者对其运行进行调节。所述控制装置10为了进行这种操控或者调节而依赖于所述同步电机101的转子的相对于该同步电机101的定子的取决于时间的转子角。在此所述控制装置10能够在所述同步电机101的输入端接头上通过接口 106来检测电运行参数。例如所述控制装置10能够设计用于在所述同步电机101的输入端上通过接口 106来检测当前的相电流和/或当前的相电压。为了检测所述相电流和相电压，例如能够使用电流传感器、例如分路电阻、磁阻电阻、Sensier功率半导体或者霍耳传感器或者电压传感器。
[0026]参照图2到12阐述，以何种方式并且在考虑到哪些关联的情况下尤其在所述同步电机101的停止状态中实施对于同步电机101的转子角的求取过程。在此，所述控制装置10尤其能够实施关于图13和14所阐述的方法20或者30中的一种或者两种。
[0027]图2以时间曲线示出了凸极电机中的非饱和的电压脉冲U及其电流响应I的示意图。永久励磁的同步电机的纵向电流Id和横向电流Iq取决于朝极轴方向的转子感应Ld和朝极隙方向的转子感应Lq以及所加载的电压Ud或者U,，情况如下:
【权利要求】
1.用于求取同步电机(101)的转子角(β)的方法(30)，具有以下步骤: -确定(31)用于所述同步电机(101)的d轴的第一估算值(dl); -将至少一个相应地具有能够预先给定的脉冲持续时间和脉冲高度的精确电压脉冲对馈入(32)到所述同步电机(101)的定子中，其中所述精确电压脉冲对相应地沿着不同的方向与所述用于同步电机(101)的d轴的第一估算值(dl)相隔相同的角度值(-X、+X)； -检测(33)针对所述精确电压脉冲的取决于角度的精确电流响应(Ml、M2、M3、M4); -在相应的所检测的精确电流响应(Ml、M2、M3、M4)的基础上确定(34)取决于角度的精确相位差(附、吧州3、财)； -在所述取决于角度的精确电流响应(M1、M2、M3、M4)的至少一部分的基础上确定(35)第一估算曲线(Kl、K2)； 在所述取决于角度的精确相位差(N1、N2、N3、N4)的至少一部分的基础上确定(36)第二估算曲线(K3);并且 -在所述第一和/或第二估算曲线(Kl、K2 ；K3)的基础上确定(37)用于所述同步电机(101)的d轴的精确的估算值(d2 )。
2.按权利要求1所述的方法(30)，此外具有以下步骤: -将至少一个具有能够预先给定的脉冲持续时间和脉冲高度的初始电压脉冲馈入到所述同步电机(101)的定子中； -检测针对所述至少一个初始电压脉冲的相应的电流响应(Im)； -在相应的所检测的电流响应(I`m)的基础上确定相应的相位差(Am)； -通过所述电流响应(Im)与所述同步电机(101)的电流响应特性曲线(I)的比较来求得至少一个第一估算值(β 1、β 2); -通过所述相位差(Am)与所述同步电机(101)的相位差特性曲线(Λ )的比较来求得至少一个第二估算值(β 3、β 4); -相应地在所述第一估算值(β 1、β 2)之一与所述第二估算值(β 3、β 4)之一之间形成多个差； -在所确定的差中的具有最小值的差的基础上确定用于所述同步电机(101)的转子角(β )的初始估算值；并且 -在所述用于转子角(β )的初始估算值的基础上确定用于所述同步电机(101)的d轴的第一估算值(dl)。
3.按权利要求1和2中任一项所述的方法(30)，此外具有以下步骤: -将多个相应地具有能够预先给定的脉冲持续时间和脉冲高度的校准电压脉冲馈入到所述同步电机(101)的定子中； -检测针对所述校准电压脉冲的取决于角度的校准电流响应； -在相应的所检测的校准电流响应的基础上确定所述取决于角度的校准相位差；并且-在所述取决于角度的校准电流响应或者校准相位差的基础上确定所述同步电机(101)的电流响应特性曲线(I)和相位差特性曲线(Δ )。
4.按权利要求3所述的方法(30)，其中将所述校准电压脉冲相应地以关于所述定子角错开180°的脉冲对馈入到所述同步电机(101)的定子中。
5.按权利要求2所述的方法(30)，其中所述确定(27)用于所述同步电机(101)的转子角(β )的初始估算值包括所述形成参与最小差的第一和第二估算值(β1、β2、β3、β4)的平均值。
6.按权利要求5所述的方法(30)，其中所述同步电机(101)包括隐极电机，并且其中将至少两个使所述隐极电机处于饱和之中的初始电压脉冲馈入到所述隐极电机的定子中。
7.按权利要求1到5中任一项所述的方法(30)，其中所述第一和第二估算曲线分别包括线性的回归曲线(Kl、Κ2 ;Κ3)。
8.用于求取同步电机(101)的转子角(β)的控制装置(10)，其中所述控制装置(10)设计用于实施按权利要求1到7中任一项所述的方法(30)。
9.电驱动系统，具有: 按权利要求8所述的控制装置(10); 以及与所述控制装置(10)耦合的同步电机(101); 其中所述 控制装置(10)设计用于根据所求得的转子角来操控所述同步电机(101 )。
【文档编号】H02P6/18GK103684136SQ201310409072
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2012年9月10日
【发明者】A.西达林加帕, S.保卢斯 申请人:罗伯特·博世有限公司