确定用于描述d轴的假定位置与实际位置之间的角度差的校正值的方法、控制装置和逆变器与流程
本发明涉及一种用于确定用于电机的控制装置的校正值的方法，其中该校正值描述了基于转子位置传感器的转子位置信息在控制装置的初始配置中假定的电机的d轴的假定位置与d轴实际位置之间的角度差。另外，本发明涉及控制装置、逆变器、车辆和计算机程序产品。
电机的场定向控制需要确定d轴的位置。通常，转子位置信息由转子位置传感器提供，并且描述了电机的转子与其定子的相对位置。在这种情况下，例如由于安装不准确，转子位置编码器的零轴与电机的d轴不对应。这种零轴相对于d轴的偏差称为偏移，零轴的位置可以从转子位置信息中确定。基于转子产生的反电动势(counter-electromotiveforce，emf)，可以在初始配置中确定校正值，该初始配置具有不确定的d轴假定位置与d轴实际位置的角度差，所述角度差实际上描述了初始配置中的偏移量与实际偏移量之间的角度差。
特别是在汽车应用中，精确控制由电机生成的转矩是重要的。尽管偏移误差对每安培最大转矩(maximumtorqueperampere，mtpa)操作中产生的转矩影响相对较小，但是随着电机或车辆速度的增加，偏移的认知变得更加重要，因为在接近电压上限的工作范围内，偏移误差对生成的转矩误差影响很大。不正确的偏移的认知则可能会导致电机效率降低，或者导致要求转矩与实际转矩之间的偏差。
文献ep3208935a1公开了一种用于电驱动的测试方法，其中，沿不同的旋转方向旋转电机的转子以确定偏移量，并且基于该驱动的反作用力来所确定的d轴位置的质量测量值。
以这种方式通过在两个不同的旋转方向上多次旋转转子来确定偏移量，提高了所确定的d轴的准确度，但只有付出巨大的代价才可行。
因此，本发明的目的是提供一种改进的用于确定校正值的方法，特别地所述方法可以不费力地执行。
为了解决该问题，根据本发明，提出了一种用于确定电机的控制装置的校正值的方法，其中，该校正值描述了基于转子位置传感器的转子位置信息的控制装置初始配置中假定的电机d轴位置和d轴的实际位置之间的角度差；其中，在电机的定子绕组中施加零电流，并且是在电机的转子的旋转状态下根据d电压值、q电压值、通量值、转速值和校准值确定校正值，其中所述d电压值描述了初始配置中由控制装置指定的定子电压的d分量，q电压值描述了在初始配置中由控制装置指定的定子电压的q分量，通量值描述了转子的通量值，转速值描述了转子在旋转状态下的转速，校准值描述了定子电压的d分量的转度依赖性电压误差。
本发明基于以下认识：通过使电机在不同的旋转方向上运行，可以补偿电机运行中的铁损和定时误差的影响，但是这对d电压值的影响可以通过被速度依赖性校准值考虑在内来简化。对于特定的机器类型和/或特定的逆变器类型，通常可以在确定校正值之前已经确定这种校准值。这使得能够精确且同时省力地确定校正值，因为这可以在仅提供一个旋转方向的电机的操作中确定。
通过根据本发明的方法，根据适用于稳态、无电流运行的电压方程式，基于反电动势对校正值的常规确定
ud＝0(1)
uq＝ωel·ψ(2)
通过考虑通常由经验确定的应力误差来补充：
ud＝δud(ωel)(3)
uq＝ωel·ψ(4)
因此，在方程式(1)至(4)中，ud描述了定子电压的d分量，uq描述了定子电压的q分量，ωel是电角速度，ψ是转子的通量值，δud(ωel)是校准值表示的定子电压的d分量的速度依赖性电压误差。电压误差尤其可归因于铁损和定时误差，这在m.seilmeier和b.piepenbreier的以下文章中有详细描述：“铁损和参数误差对基于反电动势的pmsm无传感器控制的影响”("impactofironlossesandparametererrorsonback-emfbasedsensorlesscontrolofpmsm")，iecon2014——ieee工业电子学会第40届年会，德克萨斯州达拉斯市，2014年，第634-640页。
初始配置通常指的是这样一种状态，在该状态下，转子位置编码器设置有未知或不确定的偏移，并且控制装置采用d轴的估算位置或近似位置。因此，可以在初始配置中指定转子位置编码器的零轴与d轴的假定位置之间的初始偏移。在确定校正值之后，可以使用校正的偏移，其为初始偏移和校正值之间的差值。
在根据本发明的方法中，转速值可以将转速、特别是电转速描述为角频率或频率。原则上，校准值可以是静态的，并且旋转操作中的转速可以是固定的。然而，优选地，转速是可变的并且根据转速值确定校准值。这使得在电机的持续运行过程中，特别是在具有用于推进的电机的车辆的初始启动之后、在车辆的维修或保养之后，或在车辆的使用期间进行检查或重新校准的情况下，确定校正值。
特别优选地，从存储的给电机的每个速度分配校准值的特征图中读取校准值。这使得校准值的计算特别简单，因为这可以针对特定的机器类型和/或逆变器类型一次即可确定并存储在控制装置的存储单元中。当执行根据本发明的方法时，则仅需要重新参考所存储的特征图，以便能够精确且省力地确定校正值。替代地，在转子的旋转状态下的速度的校正值是固定的。
特别优选地，对以下公式求值来确定校正值：
其中，atan(x,y)描述反正切函数或反余切函数，特别是
该公式基于以下认识：初始配置中的定子电压与实际定子电压之间的关系可以描述如下：
因此，
由此，通过解(8)解得到δγi，即公式(5)。应当注意，对于δud＝0，遵循常规的校正值的确定方法。
在根据本发明的方法中，可以将控制装置的控制单元的设定点电压值用作指定的定子电压。这意味着无需通过测量来确定定子电压，因为设定点电压值可以在控制单元本身中以足够的准确度获得。然而，特别优选地，从控制装置的调制器单元的输出信号确定指定的定子电压，该调制器单元为逆变器的功率单元提供转换信号。这允许另外考虑由调制器单元而不是控制单元对定子电压的修改。以这种方式，由于更加现实地考虑d电压值和q电压值，因此可以更加准确地确定校正值。
优选地，在根据本发明的方法中使用永久激励电机。通量值可以描述转子的永磁体的通量值。替代地，可以使用电激励电机。然后，通量值描述与定子串联的转子的通量是很方便的。在电激励电机的情况下，进一步优选地，在确定校正值时指定用于转子绕组的最小激励电流，从而可以可靠地确定通量值。
特别优选地，根据d电压值和q电压值以及速度值进一步确定通量值。以这种方式，可以在方法的执行(即准在线)过程中考虑通量值的变化，这使得更加精确地确定校正值。在良好的近似情况下，可以通过以下公式确定通量值：
为了更精确地确定，可以另外地根据校准值来确定通量值。然后可以根据以下公式确定通量值：
对于以下情况，公式(9)表示公式(10)的近似值：
根据特别有利的进一步改进，如果所确定的通量值高于预定最大通量值和/或如果所确定的通量值低于预定最小通量，则所确定的校正值可以因为不可靠而被拒绝。特别地，低于预定最小通量值的低通量值可以在使用永久激励电机的情况下指示永磁体消磁，特别是在超过最大允许磁体温度(例如140℃)的情况下。在这种情况下，所确定的校正值不能被认为足够可靠并且被丢弃。在这种情况下，应该以足够的安全级别确定定子电压，例如通过测量定子电压或适当的安全机制。
高于指定的最大通量值和/或低于指定的最小通量值的所确定的通量值可以附带地表明，相对于所确定的通量值，定子电压是不可信的。这也可能与磁体温度过高有关，但如果电机的外部温度低于允许的外部温度例如-40℃，也可能与磁体温度过低有关。应确保能够以足够的安全水平确定电角速度。
如果d电压值、q电压值和速度值是根据在采集周期内采集的各个个体值的平均值来确定的，则得到根据本发明方法的优点，其中所述采集周期包括一个或多个完整的电子或机械周期。以此方式，可以补偿例如归因于非正弦反电机力或定子槽的谐波和次谐波的影响。可以在m.seilmeier，s.ebersberger和b.piepenbreier的以下文章中找到详细信息：“考虑饱和诱导二次显着性引起的无传感器控制的pmsm模型”("pmsmmodelforsensorlesscontrolconsideringsaturationinducedsecondarysaliencies")，2013ieee关于电力驱动的无传感器控制以及电力驱动和电力电子设备的预测控制的国际研讨会(sled/precede)，慕尼黑，2013年，第1-8页。
为了确保平均值允许正确地消除这些谐波影响，即确保可以使电机呈现准静态运行，在采集各单个值期间执行检查电机的准静态运行的真实性检查，并且如果真实性检查表明违反了准静态操作的给定条件，则校正值可以因为不可靠被拒绝。
详细地，为此可以规定，条件包括：个体值，其用于确定速度值位于预定的速度区间内，和/或d电流值；其描述在检测期间检测到的定子电流的d分量的各个体值的平均值；和q电流值，其描述在检测周期内检测到的定子电流的d分量的各个体值的平均值，所述q电流值在包括零的电流区间内。
根据特别优选的进一步的改进，规定了，在预定或可预定数量的连续确定循环中来确定多个校正值，并且将总校正值用作在确定循环中确定的校正值的平均值——如果在各个真实性检查过程中因为不可靠二被拒绝的校正值的数量不超过预定最大值和/或在确定循环中确定的校正值彼此之间的偏差不超过预定的偏差测量值。以这种方式，可以进一步提高总校正值的可靠水平。例如，可以通过如下方式确定偏差测量值：将未确定为不可靠的校正值的最大值和最小值与未确定为不可靠的校正值的平均值进行比较，其中穿过最大值和最小值的平均值超过预定阈值导致不考虑作为总校正值。然后方便地再次执行该过程，以执行连续的确定循环。
方便地，在确定了总校正值之后，将校正的偏移(其为初始偏移和总校正值之间的差值)用于电机的进一步控制。
另外，本发明涉及一种用于电机的控制装置，其适用于将零电流施加到电机的定子绕组中，并在电机的转子的旋转状态下根据d电压值、q电压值、通量值、转速值和校准值施加校正值，所述校正值描述了基于转子位置传感器的转子位置信息的控制装置的初始配置中假定的电机d轴位置和d轴的实际位置的角度差，d电压值描述了在初始配置中由控制装置指定的定子电压的d分量；q电压值描述了在初始配置中由控制装置指定的定子电压的q分量；通量值描述了转子的通量值；转速值描述了转子在旋转状态下的转速；校准值描述了定子电压的d分量的速度依赖性电压误差。
此外，本发明涉及一种用于电机的逆变器，其包括功率单元，其用于将输入的直流(dc)电压转换为用于电机的多相交流(ac)电流；以及根据本发明的控制装置。
此外，本发明涉及一种车辆，包括电机，其用于驱动车辆；和根据本发明的逆变器，其用于向电机提供交流电。
最后，本发明还涉及一种计算机程序，包括程序代码，当计算机程序在计算设备上执行时，所述程序代码用于执行根据本发明的方法。
根据本发明的方法的所有实施例可以类似地应用于本发明的控制装置、本发明的逆变器、本发明的车辆和本发明的计算机程序，使得利用这些也可以实现上述优点。
根据以下描述的实施例和附图，本发明的其他优点和细节将显而易见。这些是示意图并示出了：
图1是根据本发明的车辆的实施例的框图，其包括根据本发明的逆变器的实施例和根据本发明的控制装置的实施例；
图2是在根据本发明的控制装置的运行过程中的初始和实际dq坐标系；
图3是图1所示的控制装置的校正值确定单元和写入单元的框图；
图4是根据本发明的方法的实施例的流程图；以及
图5是电压误差对于机械速度的示例性曲线。
图1是车辆1的实施方式的框图，其包括逆变器2的实施方式和控制装置3的实施方式。
车辆1还具有高压电池形式的dc电压源4和电机5，电机5用于通过与负载6机械耦合来驱动车辆1。在本实施例中，电机5是永久激励同步电机(permanentlyexcitedsynchronousmachine)。电机5设置有转子位置传感器7，例如解析器(resolver)，其用于向控制装置3提供转子位置信息8。
除了控制装置3之外，逆变器2还包括功率单元9，其具有多个可以通过控制装置3来控制的功率转换元件。功率单元9基于来自控制装置3的转换信号10，将由dc电压源4提供的dc电压转换成用于电机5的多相ac电流。此外，逆变器2包括用于向控制装置3提供电流信息12的电流检测单元11，该电流信息12描述了沿着多相ac电流的各个相流动的定子电流的各个值。
控制装置3包括控制单元13，其用于根据外部提供的转矩需求14确定dq坐标中的设定点电压。控制单元13之后是转换单元15，其用于将设定点电压
此外，控制单元3具有另一个转换单元17，其用于将电流信息12(其描述在abc坐标中的定子电流)转换为在dq坐标中的定子电流idq的各个个体值，控制单元13接收所述各个个体值作为用于控制的实际值。另一转换单元18接收调制单元16的输出信号，其描述在abc坐标中由转换信号10生成的电压，并且用于将这些个体值转换成考虑了关于标称电压
控制装置3还包括评估单元19，其用于根据转子位置信息8确定转子运动的电角频率ωel和描述dq坐标系的d轴的位置的位置信息20。
图2示出了在控制装置3的运行过程中的初始和实际dq坐标系。
在控制装置的初始配置中，其中转子位置编码器的零轴21相对于标有d的d轴的实际位置的偏移是未知的，假定标记有dinit的d轴的位置，其相对于零轴21具有初始偏移
因此，有必要确定总校正值δγ，其允许将初始偏移
再次参考图1，为此，控制装置3具有用于确定偏移
在此情况下，控制装置3用于执行后文基于下述进行解释的方法：校正值确定单元22和图3所示的写入单元23的框图以及图4所示的方法的流程图：
在方法开始时的初始状态s1中，车辆1正在行驶，其中电机的转子以一定速度旋转并且控制装置处于初始配置。在步骤s2中，周期地检查控制装置3是否从车辆1的上位控制装置(未示出)接收到外部触发信号t，从而开始确定。在接收到触发信号t之后，在步骤s3中，控制单元13指定目标电压
在随后的步骤s4中，校正值确定单元22的求平均值块24在包括电机5的一个或多个完整电气或机械周期的采集周期内，经由转换单元18从调制器单元16分别获取定子电压的d分量ud,init和定子电压的q分量uq,init的多个个体值。此外，在每种情况下，求平均值块24经由转换单元17从电流检测单元11，接收定子电流的d分量id,init和定子电流的q分量iq,init的各单个值。另外，第一求平均值块24接收电角频率ωel,init的各个个体值。在随后的步骤s5中，求平均值块24通过在采集周期的持续时间中从对应的各个个体值求平均值来生成d电压值ud、q电压值uq、速度值ωel、d电压值id和q电压值iq。
在随后的步骤s6中，校正值确定单元22的校准值确定块25根据速度值ωel确定校准值δud，其描述了定子电压的d分量的速度依赖性电压误差。为此，校准值确定块25基于速度值ωel读取存储的特征字段，所述特征字段将校准值分配给电机5的每个速度。图5示出了由校准值δud相对于机械速度而描述的电压误差的示例性过程。电压误差是由铁损和定时误差引起的，并且在过程开始之前已针对电机5的类型和逆变器2的类型确定了所述电压误差，并将所述电压误差存储在控制单元3的存储器(未显示)中。
在随后的步骤s7中，校正值确定单元22的通量值确定块26根据d电压值ud、q电压值uq、速度值ωel和校准值δud根据以下公式确定：
通量值ψ描述了转子的永磁体的通量值。
随后，在步骤s8中，根据以下公式，通过校正值计算块27根据d电压值ud、q电压值uq、通量值ψ、速度值ωel和校准值δud来计算校正值δγi
δγi＝atan2(ωel·ψ·ud-δud·uq，δud·ud+ωel·ψ·uq)
来计算。
在步骤s8之后或与步骤s5至s8并行地，校正值确定单元22的极值确定块28在步骤s9中确定在检测期间发生的电角频率的各个个体值中的最小值ωel,min，和在检测期间发生的电角频率的各个个体值中的最大值ωel,max。在随后也可以与步骤s5至s8并行执行的步骤s10中，校正值确定单元22的真实性检查块29检查在检测期间电机5的准静态运行的条件。为此，一方面，基于最小值ωel,min和最大值ωel,max，确定在检测期间检测到的各个个体值是否在预定的速度区间内，并且另一方面，确定d电流值id和q电流值iq是否在包括零的电流区间内。
在步骤s10之后，在步骤s11中(替代地，其可以与步骤s7和s8并行地执行)，校正值确定单元22的通量值检查块30检查所确定的通量值ψ是否小于预定的最大通量值并且大于预定的最小通量值。如果所确定的通量值ψ小于最小通量值，则通量值检查块30另外地输出指示永磁体消磁的消磁信息31。
由校正值确定单元22的总校正值计算块33执行以下描述的后续步骤s12至s19。在步骤s12中，对所确定的校正值δγi的数量进行计数的第一计数器累加。然后，在步骤s13中，评估是否满足在步骤s10和s11中检查的并由逻辑块32累积地连接的条件。如果不是这种情况，则认为所确定的校正值δγi不可靠，并且通过返回步骤s4来确定新的校正值δγi+1。
如果在步骤s13中的评估为肯定，则校正值δγi可以被认为是可靠的，从而在随后的步骤s14中，对可靠的校正值δγi的数量进行计数的第二计数器被累加并且存储校正值δγi。在步骤s15中，然后评估第一计数器是否已经达到例如二十个校正值确定的预定值。如果不是这种情况，则程序返回到步骤s4，从而确定另一个校正值δγi+1。
如果在步骤s15中的评估表明已经进行了足够数量的校正值确定，则在步骤s16中评估第二计数器是否具有例如十八个被认为是可靠的校正值δγi的预定最小值。如果不是这种情况，则在步骤s17中重置计数器，并删除先前存储的校正值δγi。然后程序返回到步骤s4，以确定新的一组校正值δγi。
如果在步骤s16中的评估成功，则在步骤s18中确定所存储的校正值δγi(即被认为是可靠的值)的平均值。在步骤s19中，通过检查校正值δγi的最小值和最大值是否在围绕平均值定义的区间内来评估平均值的偏差测量值。如果不是这种情况，则跳到步骤s17，并确定新的一组校正值δγi。如果在步骤s19中的评价为肯定的，则在步骤s20中将平均值作为总校正值δγi输出至写入单元23。
在步骤s21中，写入单元23通过差值形成值根据初始偏移
因此，在电机5或车辆1的进一步运行中，位置信息20基于能够更精确地控制电机5的偏移
根据另一实施例，电机5是电激励同步电机。在这种情况下，通量值ψ描述了在定子电流为零值时与定子串联的转子磁通，并且省略了消磁信息31。
根据另一实施例，省略了步骤s11至s18中的通过总校正值计算块33求平均值，并且将被确定为对于初始偏移
根据另一实施例，在步骤s1中，电机5在测试台上以预定速度相对于负载机运行，例如作为线端测试的一部分。省略校准值δud的确定，有利于对于转速固定的校准值δud。然后可以省略步骤s4、s5、s9和s10，并且可以将各个个体值用作d电压值、q电压值和速度值。
根据另一实施例，在步骤s17之后没有返回，但是将指示失败确定的信号输出到上级控制单元(未示出)。然后车辆控制单元可以再次输出触发信号t。
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