控制裝置以及用于求取同步電機的轉子角的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于求取同步電機的轉子角的方法，具有以下步驟：確定用于所述同步電機的d軸的第一估算值；將至少一個相應地具有能夠預先給定的脈沖持續(xù)時間和脈沖高度的精確電壓脈沖對饋入到同步電機的定子中，其中精確電壓脈沖對相應地沿著不同的方向與用于同步電機的d軸的第一估算值相隔相同的角度值；檢測針對精確電壓脈沖的取決于角度的精確電流響應；在相應的所檢測的精確電流響應的基礎上確定取決于角度的精確相位差；在取決于角度的精確電流響應的至少一部分的基礎上確定第一估算曲線；在取決于角度的精確相位差的至少一部分的基礎上確定第二估算曲線；并且在第一和/或第二估算曲線的基礎上確定用于同步電機的d軸的精確的估算值。
【專利說明】控制裝置以及用于求取同步電機的轉子角的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種控制裝置以及一種用于尤其在電運行的車輛的電驅動系統的同步電機的停止狀態(tài)中求取所述同步電機的轉子角的方法。
【背景技術】
[0002]事實表明，在將來不僅對于固定的應用、例如風力設備或者太陽能設備來說而且在機動車、例如混合動力車或者電動車中都越來越多地使用電子系統，所述電子系統將新的蓄能技術與電驅動技術結合起來。
[0003]在調節(jié)例如電運行的車輛的電驅動系統中的同步電機時，對同步電機的轉子相對于定子的相對位置的了解起主要作用。為了通過同步電機提供所要求的轉矩，在所述電機的定子中形成旋轉的電場，所述電場與所述轉子同步旋轉。為了形成這種場，需要轉子的實際角度以進行調節(jié)。
[0004]一種用于確定轉子角的可行方案在于，在所述同步電機中實現一種能夠檢測轉子角的傳感器。示例性的探測器類型是增量探測器、分解器、Vogt傳感器以及數字的霍耳傳感器。
[0005]另一種用于確定轉子角的可行方案在于無探測器的確定方法。由1996年工業(yè)應用會議第 31 屆 IAS 年會(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方法對低速和停止狀態(tài)下的交流電機的無傳感器控制)、1995年工業(yè)應用會議第30屆IAS年會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電機驅動的初始轉子位置探測)、2003年電機和驅動器會議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”(使用交替載波注入對同步電機進行無傳感器的速度和位置控制)以及2010年IEEE國際工業(yè)技術會議(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”(在帶有 LC 逆變器輸出濾波器的高速永磁同步電機驅動的靜止狀態(tài)下無傳感器的轉子位置估算)這些公開文獻中例如公開了不同的用于無探測器地對同步電機的轉子角進行角度確定的方法。
[0006]公開文獻DE 10 2008 042 360 Al和W0/2009/047217 A2分別公開了借助于迭代的測試脈沖確定停止狀態(tài)中的同步電機的轉子角的方法。

【發(fā)明內容】

[0007]按照一個方面，本發(fā)明提供一種用于求取同步電機的轉子角的方法，該方法具有以下步驟:確定用于所述同步電機的d軸的第一估算值；將至少一個相應地具有能夠預先給定的脈沖持續(xù)時間和脈沖高度的精確電壓脈沖對饋入到所述同步電機的定子中，其中所述精確電壓脈沖對相應地沿著不同的方向與所述用于同步電機的d軸的第一估算值相隔相同的角度值；檢測針對所述精確電壓脈沖的取決于角度的精確電流響應；在相應的所檢測的精確電流響應的基礎上確定取決于角度的精確相位差；在所述取決于角度的精確電流響應的至少一部分的基礎上確定第一估算曲線；在所述取決于角度的精確相位差的至少一部分的基礎上確定第二估算曲線；并且在所述第一和/或第二估算曲線的基礎上確定用于所述同步電機的d軸的精確的估算值。
[0008]按照另一個方面，本發(fā)明提供一種用于求取同步電機的轉子角的控制裝置，該控制裝置設計用于實施按本發(fā)明的第一方面的方法。
[0009]按照另一個方面，本發(fā)明提供一種具有按本發(fā)明的控制裝置和同步電機的電驅動系統，其中所述控制裝置設計用于根據所求得的轉子角來操控所述同步電機。
[0010]本發(fā)明的構思是，對尤其在停止狀態(tài)中的同步電機實現無探測器的轉子角確定。所述確定方法在此基于以能夠預先給定的次序來產生測試電壓脈沖，將所述測試電壓脈沖饋入到同步電機的定子感應中。而后在所測量的電流響應的基礎上，能夠進行轉子角確定。在此不僅能夠為凸極電機而且能夠為隱極電機確定轉子角。所述過程能夠按所要求的或者所期望的轉子角確定的精度劃分為兩個測試階段，其中在第一階段中產生一個或者兩個電壓脈沖，從而在比較電流響應以及相電流相對于電壓相位的相位差時，能夠求得用于d軸的粗略的估算值。所述粗略的估算值而后能夠在第二階段中用于，將關于所估算的d軸對稱地編組的電壓脈沖對饋入到所述同步電機中并且通過擬合計算算法(Ausgleichsrechnungsalgorithmus)、例如所述電流響應或者相位差的線性回歸來使用于d軸的粗略的估算值精確化。
[0011]這種處理方式的顯著的優(yōu)點在于，能夠按所要求的或者所期望的精度將所要求的電壓脈沖的數目降低到最低限度。替代地，相對于已知的方法，在脈沖數目保持相同的情況下能夠提高角度確定的精度。此外，相對于已知的無探測器的方法，所述轉子角確定方案的魯棒性和可靠性得到顯著改善。這實現了將所述轉子角確定方案例如用在具有電驅動系統的批量車輛中。
[0012]除此以外，降低了所述轉子確定方案與所使用的電流傳感器的精度或者質量的相關性。由此能夠使用更為便宜的電流傳感器，這降低了所述電驅動系統的制造成本。此外，所述轉子角確定方案能夠在自診斷運行模式中實施，而不必進行外部的校準。
[0013]此外，存在著這樣的優(yōu)點，即在確定過程進行時沒有形成值得一提的轉矩，因而所述同步電機的轉子的位置沒有由于所加載的電壓脈沖而變化或者顯著變化。由此降低了通過所加載的電壓脈沖引起的噪聲生成或者廢熱生成。
[0014]尤其對于凸極電機來說以有利的方式通過以下方式降低在所述同步電機的停止狀態(tài)中不期望的轉矩形成的危險，即只能朝著所估算的d軸的方向來加載飽和脈沖。
[0015]按照所述按本發(fā)明的方法的一種實施方式，所述方法此外能夠包括以下步驟:將多個相應地具有能夠預先給定的脈沖持續(xù)時間和脈沖高度的校準電壓脈沖饋入到所述同步電機的定子中；檢測針對所述校準電壓脈沖的取決于角度的校準電流響應；在相應的所檢測的校準電流響應的基礎上確定取決于角度的校準相位差；并且在所述取決于角度的校準電流響應或者校準相位差的基礎上確定所述同步電機的電流響應特性曲線和相位差特性曲線。由此能夠在運行所述電驅動系統期間總是一再對特性曲線進行再調整。
[0016]按照所述按本發(fā)明的方法的另一種實施方式，校準電壓脈沖分別以關于所述定子角錯開180°的脈沖對饋入到所述同步電機的定子中。由此減少將不期望的轉矩輸入到所述同步電機中的危險。
[0017]按照所述按本發(fā)明的方法的另一種實施方式，確定用于所述同步電機的轉子角的初始估算值包括形成參與最小差的第一和第二估算值的平均值。
[0018]按照所述按本發(fā)明的方法的另一種實施方式，所述同步電機包括隱極電機，其中將至少兩個使所述隱極電機處于飽和之中的初始電壓脈沖饋入到所述隱極電機的定子中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]本發(fā)明的實施方式的其他特征和優(yōu)點從以下參照附圖所作的說明中獲得。
[0020]附圖示出如下:
圖1是具有按本發(fā)明的一種實施方式的同步電機的電驅動系統的示意圖；
圖2是按本發(fā)明的另一種實施方式的同步電機中的電壓脈沖及其電流響應的示意圖； 圖3是用于按本發(fā)明的另一種實施方式的同步電機的電流響應的示意性的電流-時間
圖；
圖4是用于按本發(fā)明的另一種實施方式的同步電機的電流與電壓之間的相位差的示意性的相位差圖；
圖5是用于按本發(fā)明的另一種實施方式的隱極電機的電流響應的示意性的電流-時間
圖；
圖6是用于按本發(fā)明的另一種實施方式的隱極電機的電流與電壓之間的相位差的示意性的相位差圖；
圖7是用于按本發(fā)明的另一種實施方式的凸極電機的電流響應的示意性的電流-時間
圖；
圖8是用于按本發(fā)明的另一種實施方式的凸極電機的電流與電壓之間的相位差的示意性的相位差圖；
圖9是用于對按本發(fā)明的另一種實施方式的同步電機的轉子的d軸進行估算的示意性的電流_時間圖；
圖10是用于對按本發(fā)明的另一種實施方式的同步電機的轉子的d軸進行估算的示意性的相位差圖；
圖11是用于更為精確地確定按本發(fā)明的另一種實施方式的同步電機的轉子的d軸的示意性的電流-時間圖；
圖12是用于更為精確地確定按本發(fā)明的另一種實施方式的同步電機的轉子的d軸的示意性的相位差圖；
圖13是一種用于對按本發(fā)明的另一種實施方式的同步電機的轉子角進行估算的方法的示意圖；并且
圖14是另一種用于確定按本發(fā)明的另一種實施方式的同步電機的轉子角的方法的示意圖。[0021]相同的附圖標記一般表示同類的或者起相同作用的組件。在附圖中示出的示意性的信號曲線及參數曲線僅僅具有示例性的性質，在此出于簡明的原因以理想化的方式描繪出所述示意性的信號曲線和參數曲線。不言而喻，在實際上由于有偏差的邊界條件而可能產生有偏差的信號曲線和參數曲線，并且所示出的信號曲線和參數曲線僅僅用于說明本發(fā)明的原理和功能的方面。
[0022]本發(fā)明的意義上的同步電機是這樣的電機，其中恒定磁化的動子或者轉子同步地由周圍的定片或者定子中的與時間相關的旋轉磁場通過磁性的相互作用來驅動，從而使得所述轉子與定子中的電壓比同步地運動，也就是說，轉速通過極對數取決于定子電壓的頻率。本發(fā)明的意義上的同步電機例如能夠是交流電同步電機，所述交流電同步電機例如構造為具有轉子和定子的外極電機或者內極電機。此外，本發(fā)明意義上的同步電機能夠包括凸極電機或者隱極電機。隱極電機具有轉子的不取決于軸的感應，而凸極電機則具有突出的極軸、也稱為d軸，朝著所述極軸的方向由于較小的氣隙主感應大于朝著極隙、也就是q軸的方向。下面提到的方法和控制裝置原則上同樣能夠用于隱極電機和凸極電機，除非下面明確地參照對同步電機類型所作的不同的探討。
【具體實施方式】
[0023]圖1示出了具有同步電機101的電驅動系統100的示意圖，能夠將三相的交流電饋入到所述同步電機101中。在此，通過形式為脈沖逆變器102的逆變器將由直流中間電路103提供的直流電壓逆變?yōu)槿嗟慕涣麟妷?。所述直流中間電路103通過由串聯的電池模塊105構成的支路104來饋電。為了能夠滿足為相應的應用情況給定的對功率和能量的要求,經常在牽引電池104中串聯布置多個電池模塊105。
[0024]所述電機101例如能夠是同步電機101,所述同步電機具有定子感應(Statorinduktivitat) L0所述同步電機101例如是三相的同步電機。但是原則上也能夠為所述同步電機設置其他數目的相位。在此在所述電驅動系統中對于所述同步電機101的調節(jié)起著主要的作用。為了通過同步電機提供所要求的轉矩，在所述電機的定子中形成旋轉電場，所述旋轉電場與所述轉子同步旋轉。為了形成這種場，需要所述轉子的實際的角度以進行所述調節(jié)。
[0025]因此，所述電驅動系統100包括控制裝置10，該控制裝置與所述同步電機101耦合并且該控制裝置設計用于操控所述同步電機101或者對其運行進行調節(jié)。所述控制裝置10為了進行這種操控或者調節(jié)而依賴于所述同步電機101的轉子的相對于該同步電機101的定子的取決于時間的轉子角。在此所述控制裝置10能夠在所述同步電機101的輸入端接頭上通過接口 106來檢測電運行參數。例如所述控制裝置10能夠設計用于在所述同步電機101的輸入端上通過接口 106來檢測當前的相電流和/或當前的相電壓。為了檢測所述相電流和相電壓，例如能夠使用電流傳感器、例如分路電阻、磁阻電阻、Sensier功率半導體或者霍耳傳感器或者電壓傳感器。
[0026]參照圖2到12闡述，以何種方式并且在考慮到哪些關聯的情況下尤其在所述同步電機101的停止狀態(tài)中實施對于同步電機101的轉子角的求取過程。在此，所述控制裝置10尤其能夠實施關于圖13和14所闡述的方法20或者30中的一種或者兩種。
[0027]圖2以時間曲線示出了凸極電機中的非飽和的電壓脈沖U及其電流響應I的示意圖。永久勵磁的同步電機的縱向電流Id和橫向電流Iq取決于朝極軸方向的轉子感應Ld和朝極隙方向的轉子感應Lq以及所加載的電壓Ud或者U,，情況如下:
【權利要求】
1.用于求取同步電機(101)的轉子角(β)的方法(30)，具有以下步驟: -確定(31)用于所述同步電機(101)的d軸的第一估算值(dl); -將至少一個相應地具有能夠預先給定的脈沖持續(xù)時間和脈沖高度的精確電壓脈沖對饋入(32)到所述同步電機(101)的定子中，其中所述精確電壓脈沖對相應地沿著不同的方向與所述用于同步電機(101)的d軸的第一估算值(dl)相隔相同的角度值(-X、+X)； -檢測(33)針對所述精確電壓脈沖的取決于角度的精確電流響應(Ml、M2、M3、M4); -在相應的所檢測的精確電流響應(Ml、M2、M3、M4)的基礎上確定(34)取決于角度的精確相位差(附、吧州3、財)； -在所述取決于角度的精確電流響應(M1、M2、M3、M4)的至少一部分的基礎上確定(35)第一估算曲線(Kl、K2)； 在所述取決于角度的精確相位差(N1、N2、N3、N4)的至少一部分的基礎上確定(36)第二估算曲線(K3);并且 -在所述第一和/或第二估算曲線(Kl、K2 ；K3)的基礎上確定(37)用于所述同步電機(101)的d軸的精確的估算值(d2 )。
2.按權利要求1所述的方法(30)，此外具有以下步驟: -將至少一個具有能夠預先給定的脈沖持續(xù)時間和脈沖高度的初始電壓脈沖饋入到所述同步電機(101)的定子中； -檢測針對所述至少一個初始電壓脈沖的相應的電流響應(Im)； -在相應的所檢測的電流響應(I`m)的基礎上確定相應的相位差(Am)； -通過所述電流響應(Im)與所述同步電機(101)的電流響應特性曲線(I)的比較來求得至少一個第一估算值(β 1、β 2); -通過所述相位差(Am)與所述同步電機(101)的相位差特性曲線(Λ )的比較來求得至少一個第二估算值(β 3、β 4); -相應地在所述第一估算值(β 1、β 2)之一與所述第二估算值(β 3、β 4)之一之間形成多個差； -在所確定的差中的具有最小值的差的基礎上確定用于所述同步電機(101)的轉子角(β )的初始估算值；并且 -在所述用于轉子角(β )的初始估算值的基礎上確定用于所述同步電機(101)的d軸的第一估算值(dl)。
3.按權利要求1和2中任一項所述的方法(30)，此外具有以下步驟: -將多個相應地具有能夠預先給定的脈沖持續(xù)時間和脈沖高度的校準電壓脈沖饋入到所述同步電機(101)的定子中； -檢測針對所述校準電壓脈沖的取決于角度的校準電流響應； -在相應的所檢測的校準電流響應的基礎上確定所述取決于角度的校準相位差；并且-在所述取決于角度的校準電流響應或者校準相位差的基礎上確定所述同步電機(101)的電流響應特性曲線(I)和相位差特性曲線(Δ )。
4.按權利要求3所述的方法(30)，其中將所述校準電壓脈沖相應地以關于所述定子角錯開180°的脈沖對饋入到所述同步電機(101)的定子中。
5.按權利要求2所述的方法(30)，其中所述確定(27)用于所述同步電機(101)的轉子角(β )的初始估算值包括所述形成參與最小差的第一和第二估算值(β1、β2、β3、β4)的平均值。
6.按權利要求5所述的方法(30)，其中所述同步電機(101)包括隱極電機，并且其中將至少兩個使所述隱極電機處于飽和之中的初始電壓脈沖饋入到所述隱極電機的定子中。
7.按權利要求1到5中任一項所述的方法(30)，其中所述第一和第二估算曲線分別包括線性的回歸曲線(Kl、Κ2 ;Κ3)。
8.用于求取同步電機(101)的轉子角(β)的控制裝置(10)，其中所述控制裝置(10)設計用于實施按權利要求1到7中任一項所述的方法(30)。
9.電驅動系統，具有: 按權利要求8所述的控制裝置(10); 以及與所述控制裝置(10)耦合的同步電機(101); 其中所述 控制裝置(10)設計用于根據所求得的轉子角來操控所述同步電機(101 )。
【文檔編號】H02P6/18GK103684136SQ201310409072
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權日:2012年9月10日
【發(fā)明者】A.西達林加帕, S.保盧斯 申請人:羅伯特·博世有限公司