用于永磁同步电机的旋转变压器校准的制作方法

用于永磁同步电机的旋转变压器校准的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于永磁同步电机的旋转变压器校准。根据本发明的实施例，高频旋转电压矢量被生成和注入与永磁同步电机(PMSM)相关联的旋转变压器。由于凸极效应，当在相电流中检测到参考点时，PMSM的转子位置是已知的。此时，通过获取旋转变压器位置，可以准确地确定旋转变压器的偏差从而对其进行校准。根据本发明的实施例，可以准确地确定和校准旋转变压器偏差，而无须增加设备的尺寸和成本。公开了相应的方法、装置、系统和计算机程序产品。
【专利说明】用于永磁同步电机的旋转变压器校准

【技术领域】
[0001] 本发明的实施例在总体上涉及电机领域，更具体地，涉及用于在与永磁同步电机 相关联的旋转变压器的校准中使用的方法和装置。

【背景技术】
[0002] 永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)具有重量轻、体积 小、功率密度高、总体效率高等诸多优点，因此被广泛地应用于混合动力车辆、电动车辆等 各种领域。为了充分利用PMSM的功率能力，控制技术是至关重要的。如已知的，PMSM所产 生的扭矩可以通过控制PMSM的电流来控制，这是因为二者通常是成比例的。为了实现对 PMSM的有效电流控制，需要持续地获取PMSM的转子位置。注意，在此使用的术语"转子位 置"并不是PMSM中电机转子的绝对位置，而是一个相对的角度。例如，转子位置通常被定义 为电机转子的磁链与定子坐标系中的a轴之间的夹角。
[0003] 为了获得PMSM的转子位置，通常为PMSM配备关联的旋转变压器（resolver)。旋 转变压器是一种可旋转的电子变压器，它充当位置传感器以持续地感测PMSM中的电机转 子的位置。旋转变压器的输出通常是正弦或余弦波形，该输出可经过专用的转换器被转换 为数字形式的角度值。然而，旋转变压器所提供的角度值表示的是电机转子的绝对位置，并 不能直接被用作上文描述的PMSM控制中所需的转子位置。可以理解，只有当PMSM的旋转 变压器的零位置与电机的控制角度零点在机械上严格对齐时，旋转变压器所提供的角度才 可以被直接用作PMSM的转子位置。然而这在实践中是难以实现的，因为这种机械上的对齐 将提高设计和制造过程的复杂性、时间以及人力，从而导致成本的显著增加。
[0004] 旋转变压器的零位置与PMSM控制零点之间的偏差被称为旋转变压器偏差。为了 校准旋转变压器偏差进行校准，关键问题之一是如何精准地确定该偏差。已经提出了用于 确定旋转变压器偏差的若干方案。例如，可以通过测量PMSM的反电动势波形来估计这种 偏差。还可以通过测量PMSM产生的扭矩来确定和校准旋转变压器的偏差值。然而这些方 案必须依赖于额外的电路和/或设备，从而增加了成本和设备尺寸，限制了PMSM的应用领 域。而且，通过某些已知方案确定的旋转变压器偏差在精度方面往往无法满足电机控制的 要求。
[0005] 由此，本领域中需要一种简单易行、成本有效的方案，以用于准确地确定与永磁同 步电机相关联的旋转变压器的偏差，以用于旋转变压器校准。


【发明内容】

[0006] 为了解决上述问题以及其他潜在问题，本发明提出在与永磁同步电机相关联的旋 转变压器的校准中使用的技术方案。
[0007] 总体而言，本发明的基本思想是：利用永磁同步电机中的凸极效应（saliency effect)来确定旋转变压器偏差。由于凸极效应的存在，PMSM产生的相电流（phase current)与转子位置之间具有固有的对应关系。通过基于相电流的检测而适时地获取旋转 变压器位置，可以进一步建立相电流与旋转变压器位置之间的对应关系。以此方式，可以借 助于相电流检测而获得旋转变压器位置与转子位置在同一特定时刻的数值，从而确定旋转 变压器偏差。为此，需要解决的技术问题至少包括：（1)控制PMSM以产生可供检测的适当 相电流，以及（2)通过对相电流的检测来确定旋转变压器偏差。
[0008] 本发明的第一方面涉及用于控制PMSM以产生可检测相电流的技术方案。这方面 的实施例包括一种用于在旋转变压器的校准中使用的方法，所述旋转变压器与永磁同步电 机相关联。所述方法包括：生成高频旋转电压矢量；以及向低速运转的所述永磁同步电机 注入所述高频旋转电压矢量，以使所述永磁同步电机产生相电流，所述相电流将用于所述 旋转变压器的校准。
[0009] 这方面的实施例还包括一种在旋转变压器的校准中使用的装置，所述旋转变压器 与永磁同步电机相关联。所述装置包括：电压生成单元，被配置为生成高频旋转电压矢量； 以及电压注入单元，被配置为向低速运转的所述永磁同步电机注入所述高频旋转电压矢 量，以使所述永磁同步电机产生相电流，所述相电流将用于所述旋转变压器的校准。
[0010] 根据本发明的第一方面，可以利用高频旋转电压矢量的注入而实现对PMSM的有 效控制，以使PMSM产生待检测的相电流。而且，对PMSM的这种控制简便易行。特别地，由 于注入的旋转电压矢量是高频的，因此有效地排除了PMSM中纯阻性压降的影响，有助于提 高后续检测和校准的精度。
[0011] 本发明的第二方面涉及用于通过检测相电流来确定旋转变压器偏差的技术方案。 这方面的实施例包括一种用于在旋转变压器的校准中使用的方法，所述旋转变压器与永磁 同步电机相关联。所述方法包括：响应于高频旋转电压矢量被注入低速运转的所述永磁同 步电机，检测与所述永磁同步电机产生的相电流相关联的参考点；在检测到所述参考点时， 获取所述旋转变压器的位置；以及确定获取的所述旋转变压器的所述位置与所述永磁同步 电机的对应于所述参考点的转子位置之间的偏差，以用于校准所述旋转变压器。
[0012] 这方面的实施例还包括一种用于在旋转变压器的校准中使用的装置，所述旋转变 压器与永磁同步电机相关联。所述装置包括：电流检测单元，被配置为响应于高频旋转电 压矢量被注入低速运转的所述永磁同步电机，检测与所述永磁同步电机产生的相电流相关 联的参考点；位置获取单元，被配置为在检测到所述参考点时获取所述旋转变压器的位置； 以及偏差确定单元，被配置为确定获取的所述旋转变压器的所述位置与所述永磁同步电机 的对应于所述参考点的转子位置之间的偏差，以用于校准所述旋转变压器。
[0013] 根据本发明的第二方面，基于PMSM中的凸极效应，相电流被用来建立转子位置与 旋转变压器位置之间的定量的对应关系。以此方式，本发明的实施例能够以较小的成本和 较高的精度确定与PMSM相关联的旋转变压器的偏差。
[0014] 本发明的其他方面包括用于实现上述方法的计算机程序产品以及包含上述装置 的用于在与PMSM相关联的旋转变压器的校准中使用的系统。通过下文描述将会理解，根据 本发明的实施例是成本有效的。而且，本发明的实施例具有良好的兼容性，可以容易地应用 于具有凸极效应的各种PMSM，包括那些已经部署和投入使用的PMSM。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其 它目的、特征和优势将变得更加明显其中：
[0016] 图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于与PMSM相关联的旋转变压器 的校准系统的框图；
[0017] 图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于在与PMSM相关联的旋转变压 器的校准中使用的控制装置的框图；
[0018] 图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于在与PMSM相关联的旋转变压 器的校准中使用的控制装置的框图；
[0019] 图4不出了根据本发明的一个不例性实施例的提_PWM有效调制频率的不意图；
[0020] 图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的PWM阶段的电压合并的示意图；
[0021] 图6示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于在与PMSM相关联的旋转变压 器的校准中使用的检测装置的框图；
[0022] 图7示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于在与PMSM相关联的旋转变压 器的校准中使用的检测装置的框图；
[0023] 图8示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于与PMSM相关联的旋转变压器 的校准系统的一个具体实现的框图；
[0024] 图9示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于在与PMSM相关联的旋转变压 器的校准中使用的控制方法的流程图；以及
[0025] 图10示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于在与PMSM相关联的旋转变压 器的校准中使用的控制方法的流程图。
[0026] 在所有附图中，相同或相似的参考标号被用来表示相同或相似的元素。

【具体实施方式】
[0027] 下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明 的某些实施方式，然而应该理解，可以通过各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施 方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明 的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0028] 如上文概述的，本发明的基本思想是：利用永磁同步电机中的凸极效应来确定旋 转变压器偏差。已知的是，在诸如内置式PMSM、v形内置式PMSM、径向内置式PMSM等各种 PMSM中，由于永磁体所具有的磁通率低于铁，因此磁通量路径中的有效气隙（effective airgap)根据电机转子的位置而改变。这种现象被称为凸极效应，它使得PMSM的相电流 (尤其是其低频分量）由PMSM的转子位置调制。换言之，相电流的幅值与转子位置之间具 有固有的对应性。进一步，通过基于对相电流的检测而适当地获取旋转变压器位置，还可以 建立相电流与旋转变压器位置之间的对应关系。以此方式，借助于相电流，可以建立旋转变 压器位置与转子位置之间的定量的对应关系，由此确定旋转变压器偏差。
[0029] 首先参考图1，其示出了根据本发明的示例性实施例的用于与PMSM相关联的旋转 变压器校准的校准系统1〇〇的框图。如图所示，校准系统1〇〇总体上包括两个装置：控制装 置101以及检测装置102。根据本发明的实施例，在操作中，控制装置101被配置为生成高 频旋转电压矢量，并且将生成的高频旋转电压矢量注入处于低速运转状态的PMSM。在此使 用的术语"低速运转"是指PMSM的运转速度低于预定的阈值。驱动PMSM低速运转有助于 提高相电流的检测分辨率以及最终的校准精度。特别地，根据本发明的实施例，使注入的电 压矢量的旋转频率与PMSM的转速之间的差距足够大是有益的。在实现中，PMSM的运转速 度可以根据PMSM的参数、所采用的控制技术等各种因素来确定。本发明的范围在此方面不 受限制。
[0030] 响应于高频旋转电压矢量的注入，PMSM将会产生相电流。检测装置102可操作以 对PMSM产生的相电流进行采样并且检测与相电流相关联的参考点。当检测到此类参考点 时，检测装置102可以获取旋转变压器在该时刻的位置。如上所述，由于凸极效应，在参考 点出现的特定时刻，对应于该参考点的PMSM的转子位置是已知的。由此，可以基于获取的 旋转变压器的位置以及同一时刻的转子位置，来确定二者之间的偏差。
[0031] 下面参考图2,其示出了根据本发明的一个示例性实施例的控制装置101的框图。 如图所示，控制装置101包括电压生成单元201，其被配置为生成高频旋转电压矢量。在此 使用的术语"高频旋转电压矢量"是指以大于预定阈值的角速度旋转的电压矢量。作为示 例，在某些实施例中，高频旋转电压矢量的旋转频率可以处于500Hz在到2500Hz的范围。在 其他实施例中，根据PMSM的参数，可以使用任何其他适当的值。将会理解，生成和使用高频 的旋转电压有助于在后续检测中排除PMSM中的纯阻性压降的潜在影响。
[0032] 特别地，在某些实施例中，电压生成单元201可配置为生成具有固定的幅值和固 定的旋转频率的高频旋转电压矢量。备选地，高频旋转电压矢量的幅值和/或旋转频率也 可以改变，例如周期性地改变或者响应于用户输入而改变，等等。本发明的范围在此方面不 受限制。作为示例，在某些实施例中，电压生成单元201所生成的高频旋转电压矢量可以表 示如下：

【权利要求】
1. 一种用于在旋转变压器的校准中使用的方法，所述旋转变压器与永磁同步电机相关 联，所述方法包括： 生成高频旋转电压矢量；以及 向低速运转的所述永磁同步电机注入所述高频旋转电压矢量，以使所述永磁同步电机 产生相电流，所述相电流将用于所述旋转变压器的所述校准。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中生成的所述高频旋转电压矢量被执行脉宽调制， 所述方法进一步包括： 在所述脉宽调制期间，增强所述高频旋转电压矢量的分辨率。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中增强所述高频旋转电压矢量的分辨率包括以下至 少一个： 提高用于所述脉宽调制的开关器件的开关频率；以及 提高用于所述脉宽调制的载波的有效调制频率。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中提高用于所述脉宽调制的载波的有效调制频率包 括： 将相邻载波周期中的脉宽调制导通时间段平移到一起。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中所述永磁同步电机由参考电压矢量驱 动，所述方法进一步包括： 在针对所述高频旋转电压矢量和所述参考电压矢量的脉宽调制期间，合并所述高频旋 转电压矢量和所述参考电压矢量。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述高频旋转电压矢量具有固定的幅值和固定的 旋转频率，其中合并所述高频旋转电压矢量和所述参考电压矢量包括： 在所述合并期间访问查找表，以确定所述高频旋转电压矢量的占空比，所述查找表存 储预先计算的所述高频旋转电压矢量在多个角度的占空比。
7. -种用于在旋转变压器的校准中使用的方法，所述旋转变压器与永磁同步电机相关 联，所述方法包括： 响应于低速运转的所述永磁同步电机被注入高频旋转电压矢量，检测与所述永磁同步 电机广生的相电流相关联的参考点； 在检测到所述参考点时，获取所述旋转变压器的位置；以及 确定获取的所述旋转变压器的所述位置与所述永磁同步电机的对应于所述参考点的 转子位置之间的偏差，以用于校准所述旋转变压器。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中检测与所述永磁同步电机产生的相电流相关联的 参考点包括： 对所述相电流执行高通滤波； 提取经过高通滤波的所述相电流的低频分量；以及 基于所述相电流的所述低频分量来检测所述参考点。
9. 根据权利要求7或8所述的方法，进一步包括以下至少一个： 对所述相电流进行偏差校准；以及 对所述相电流进行延迟补偿。
10. 根据权利要求7或8所述的方法，进一步包括： 在注入所述高频旋转电压矢量之前，通过对所述永磁同步电机执行转子定位来估计所 述偏差的范围。
11. 根据权利要求7或8所述的方法，还包括： 生成所述高频旋转电压矢量；以及 向低速运转的所述永磁同步电机注入所述高频旋转电压矢量，以使所述永磁同步电机 产生所述相电流。
12. 根据权利要求7或8所述的方法，其中所述参考点是所述相电流的波形中的过零 点。
13. -种在旋转变压器的校准中使用的装置，所述旋转变压器与永磁同步电机相关联， 所述装置包括： 电压生成单元，被配置为生成高频旋转电压矢量；以及 电压注入单元，被配置为向低速运转的所述永磁同步电机注入所述高频旋转电压矢 量，以使所述永磁同步电机产生相电流，所述相电流将用于所述旋转变压器的所述校准。
14. 根据权利要求13所述的装置，其中生成的所述高频旋转电压矢量被执行脉宽调 制，所述装置进一步包括： 分辨率增强单元，被配置为在所述脉宽调制期间，增强所述高频旋转电压矢量的分辨 率。
15. 根据权利要求14所述的装置，其中所述分辨率增强单元包括以下至少一个： 第一增强单元，被配置为提高用于所述脉宽调制的开关器件的开关频率；以及 第二增强单元，被配置为提高用于所述脉宽调制的载波的有效调制频率。
16. 根据权利要求13到15任一项所述的装置，其中所述永磁同步电机由参考电压矢量 驱动，所述装置进一步包括： 电压合并单元，被配置为在针对所述高频旋转电压矢量和所述参考电压矢量的脉宽调 制期间，合并所述高频旋转电压矢量和所述参考电压矢量。
17. 根据权利要求16所述的装置，其中所述高频旋转电压矢量具有固定的幅值和固定 的旋转频率，并且其中所述电压合并单元被配置为在所述合并期间访问查找表，以确定所 述高频旋转电压矢量的占空比，所述查找表存储预先计算的所述高频旋转电压矢量在多个 角度的占空比。
18. -种用于在旋转变压器的校准中使用的装置，所述旋转变压器与永磁同步电机相 关联，所述装置包括： 电流检测单元，被配置为响应于高频旋转电压矢量被注入低速运转的所述永磁同步电 机，检测与所述永磁同步电机产生的相电流相关联的参考点； 位置获取单元，被配置为在检测到所述参考点时，获取所述旋转变压器的位置；以及 偏差确定单元，被配置为确定获取的所述旋转变压器的所述位置与所述永磁同步电机 的对应于所述参考点的转子位置之间的偏差，以用于校准所述旋转变压器。
19. 根据权利要求18所述的装置，进一步包括： 滤波单元，被配置为对所述相电流执行高通滤波；以及 分量提取单元，被配置为提取经过高通滤波的所述相电流的低频分量， 其中所述电流检测单元被配置为基于所述相电流的所述低频分量来检测所述参考点。
20. 根据权利要求18或19所述的装置，进一步包括以下至少一个： 电流偏差校准单元，被配置为对所述相电流进行偏差校准；以及 电流延迟补偿单元，被配置为对所述相电流进行延迟补偿。
21. 根据权利要求18或19所述的装置，进一步包括： 转子定位单元，被配置为在注入所述高频旋转电压矢量之前，通过对所述永磁同步电 机执行转子定位来估计所述偏差的范围。
22. 根据权利要求18或19所述的装置，其中所述参考点是所述相电流的波形中的过零 点。
23. -种用于在旋转变压器的校准中使用的系统，所述旋转变压器与永磁同步电机相 关联，所述系统包括： 根据权利要求13至17任一项所述的装置；以及 根据权利要求18至22任一项所述的装置。
24. -种用于在与永磁同步电机相关联的旋转变压器的校准中使用的计算机程序产 品，所述计算机程序产品被有形地存储在非瞬态计算机可读介质上并且包括机器可执行指 令，所述机器可执行指令在被执行时使机器执行根据权利要求1至6任一项所述的方法的 步骤。
25. -种用于在与永磁同步电机相关联的旋转变压器的校准中使用的计算机程序产 品，所述计算机程序产品被有形地存储在非瞬态计算机可读介质上并且包括机器可执行指 令，所述机器可执行指令在被执行时使机器执行根据权利要求7至12任一项所述的方法的 步骤。
【文档编号】H02P6/16GK104518714SQ201310481715
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】钱伟喆 申请人:英飞凌科技股份有限公司