专利名称：基于电流信号和电压信号无角度传感器地对永磁同步电机的转子轴进行位置检测的方法 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电流信号或电压信号以无角度传感器的方式对永磁同步电机的转子轴进行位置检测的方法和设备。
背景技术：
同步电机目前多种多样地以不同的大小和功率级而被使用，因为同步电机由于其较小的磨损和恒定的转数在许多应用中比异步电机和直流电动机更优越。然而，为了能够以可变的转数驱动永磁同步电机，磁场必须与电机的转子同步地转动。针对同步性，必须已知转子轴的位置、即所谓的转子角度以及产生恒定的转动磁场。由DE 10 2007 052 365公知了一种用于对永磁同步电机的转子轴进行位置检测的方法和设备，其中转子角度借助附加的角度传感器来确定。由DE 100 36 869公知了如下方法所述方法借助模型和状态观察器来确定爪极电机的凸极转子位置(Polradlage )。然而，这些公知的方法具有如下缺点这些方法要么具有附加的用于确定转子角度的传感器要么使用不充分的机器模型，这又导致不精确地确定转子角度。
发明内容
具有独立权利要求1的特征的本发明的方法有利地依据电机的至少一个所接收到的输入信号来确定电机的转子轴的位置信息，其中所接收到的输入信号被输送给电机的模型；转子轴的位置信息借助该模型基于所输送的输入信号被确定；以及该模型描绘 (abbilden) 了电机的非线性饱和效应。本发明的有利的构造方案和进一步改进通过在从属权利要求中所说明的措施能够实现。根据本发明，转子轴的位置信息被理解为转子轴的旋转速度和/或旋转角。在根据本发明的方法中，可以在不使用角度传感器的情况下通过利用输送给机器的电压信号和/或电流信号来实施对永磁同步电机的转子的角度或位置的确定。此外，永磁同步电机的基于模型的估计算法和/或动态模型、例如卡尔曼滤波器、 扩展的卡尔曼滤波器或者无轨迹的卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter)形式的基于模型的估计算法和/或动态模型被用于估计和/或确定转子角度。卡尔曼滤波器是所谓的基于模型的估计算法，该估计算法由模拟器部分和校正项构成。模拟器部分包含同步电机的物理/动态模型并且被用作测量数据驱动的在线模拟器。为了补偿可能的模型不确定性，类似于调节的反馈地给模拟器部分接入校正项，以便这样修正通过模拟器估计的量，使得这些量可以向着相对应的物理值收敛并且因此可以实现稳定的调节。此外，可以使用如下机器模型所述机器模型描绘同步电机的软磁部分的非线性磁饱和特性。这导致，同步电机的实际特性和转子角度的相对应的确定可以以更高的精度进行。非线性磁饱和效应可以借助现象学方程来检测和描绘。这有利地导致如下模型 所述模型一方面通过描绘基本的物理效应而具有高精度，并且同时足够紧凑和快速，以便在相对应的控制设备上实时地被计算。在本发明的意义下意味着，在现象学上基于测量、观察和/或认知。所使用的数据在此可以通过测量而实时地获得或者从存储器中被调用。此外，能通过多项式来描述电机的非线性饱和效应。多项式在此可以是η阶，其中 η等于1、2、3、4、5、6、7、8、9或者10。多项式的各个系数可以借助测量数据来确定或对应于预先确定的值。此外，该模型可以包含机械子模型。通过使用机械子模型可能更精确地确定转子角度。输送给该模型的输入信号可以是输送给电机的相电流(Strangstrom) Iabc或I α e、 由电机发出的负载力矩Miis、施加的电压Uab。或Uae或者电机的转子轴的转数ω。电机可以是同步电机、尤其是永磁同步电机或者磁阻电机。永磁同步电机具有如下优点通过永磁体进行励磁，由此不必设置励磁绕组。也可能的是，电机的至少一个输出信号被输送给该模型。因此，可能建立简单且稳健的(robust)被控系统(Regelstrecke )。模型化同步电机的起点是如下电机等式 根据在相坐标(abc)中的电机等式
借助已知的坐标变换被变换到相对于转子固定的(rotorfesOdq坐标系，使得适用
其中，U是端电压的矢量， I是相电流的矢量， R是电阻矩阵， Ψ是磁通交联，
#是磁通交联的矢量Ψ的时间导数， di
Iabc是参考系中的矢量相电流，
Iae是在相对转子固定的直角的二相系统中的矢量电流， Id、Iq是相对转子固定的dq坐标系中的相电流， Idq是作为相电流Iab。和(旋转)角度φ的函数的矢量相电流， Uabc是参考系中的相电压(矢量的)，Uae是相对转子固定的直角的二相系统中的电压(矢量的)， Ud>Uq是相对转子固定的dq坐标系中的相电压， Wd、Ψ,是相对转子固定的dq坐标系中的磁通交联。
通常，电模型等式基于电流被表达为状态，因为这些状态不同于磁通交联是可测量的。由此获得了如下等式
权利要求
1.一种用于依据电机(12)的至少一个所接收到的输入信号(13，14)来确定电机(12) 的转子轴的位置信息的方法，其中所接收到的输入信号(13，14)被输送给电机(12)的模型 (11)；转子轴的位置信息借助模型(11)基于所输送的输入信号(13，14)被确定，以及模型(11)描绘电机(12)的非线性饱和效应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模型(11，44)是扩展的卡尔曼滤波器。
3.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，电机(12)的非线性饱和效应通过多项式来描述。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，多项式的系数借助测量数据来确定。
5.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，模型(11)包含机械子模型。
6.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，输入信号(13，14)是电机(12)的相电流、负载力矩或者转数。
7.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，电机(12)是同步电机， 尤其是永磁同步电机或者磁阻电机。
8.根据上述权利要求中的至少一项所述的方法，其特征在于，电机(12)的至少一个输出信号(15，16 )被输送给模型(11)。
9.一种被设立来根据权利要求1至8之一所述的方法确定电机(12)的转子轴的位置信息的设备，其具有测量装置，以便检测电机的至少一个输入信号(13，14)，电机(12)的模型(11)，以及计算装置，以便确定转子轴的位置信息，其中，所接收到的输入信号(13，14)被输送给电机(12)的模型(11)；转子轴的位置信息借助模型(11)基于所输送的输入信号(13，14)被确定，以及模型(11)描绘电机(12)的非线性饱和效应。
10.一种计算机程序，其当运行在计算设备上时实施根据权利要求1至8之一所述的方法的所有步骤。
11.一种带有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被存储在机器可读的载体上， 用于在程序在计算机或者控制设备上实施时执行根据权利要求1至8之一所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于依据电机的至少一个所接收到的输入信号来确定电机的转子轴的位置信息的设备和方法，其中所接收到的输入信号被输送给电机的模型。转子轴的位置信息借助所述模型基于所输送的输入信号被确定，其中该模型描绘了电机的非线性饱和效应。电机的模型是扩展的卡尔曼滤波器，其中电机的非线性饱和效应通过多项式来描述。
文档编号G05B13/04GK102342016SQ201080010174
公开日2012年2月1日 申请日期2010年1月11日 优先权日2009年3月4日
发明者比策尔 M., 福尔默 U. 申请人:罗伯特·博世有限公司