电机中的转子位置检测的制作方法

专利名称：电机中的转子位置检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机的转子位置检测器中的误差补偿，尤其涉及但不限于开关磁阻电机的转子位置检测器中的误差补偿。
背景技术：
开关磁阻系统的特征和运行在本领域是公知的，并且在例如Stephenson和Blake的“The Characteristics，design and application ofswitched reluctance motors and drives”(1993年6月21-24日，Nürnberg，PCIM’93)中得到描述，其在此引入作为参考。对驱动装置的一般处理可以在许多教科书中找到，例如，TJE Miller的“Electronic Control ofSwitched Reluctance Machines”(2001年，Newnes)。
图1示意性地示出了一种典型的开关磁阻驱动装置，其中开关磁阻电动机12驱动负载19。输入直流电源11可以是电池，或者是整流和滤波过的交流电源。电源11提供的直流电压通过电子控制单元14控制下的电力变换器13开关跨接电动机12的相绕组16。为了驱动器的正确运行，开关切换必须和转子的旋转角度精确同步。转子位置传感器(′rpt′)15通常用于提供对应于转子角度位置的信号。rpt15是输出二进制信号的装置，该信号在每个电机相周期中进行两次变换，并且rpt15具有电机的电周期的周期性。所述变换表示电机的电周期中的事件，比如出现最大和最小电感、或者是位置非常接近进行控制动作的情况。
通常，将一组控制规则编程到控制单元14中，这些规则用来响应例如速度或转矩的用户请求而操作驱动器。这些规则通常以控制角度项表示，例如，将激励施加到相绕组的角度、将激励从相上去除的第二角度、以及描述采用的任何空转(freewheeling)周期的持续时间的第三角度。虽然已经存在这样的技术，即在试运行期间实验地确定每个驱动器的这些规则，但是，更普遍的是对驱动器样机进行详细测试，则在驱动器充分类似以致于性能上的微小差异并不重要的假设下，确定控制规则，并将这些规则编程到驱动器的相承模型中。然而，这个过程基于假定每个驱动器的rpt被精确构建和对准。
已知许多不同的电力变换器的拓扑，其中一些在上述Stephenson的论文中得到讨论。图2示出了多相系统中的一相的最普遍的结构，其中，电机的相绕组16串联两个开关装置21和22，跨接在母线26和27之间。母线26和27统称为变换器的“直流链路”。能量恢复二极管23和24连接到绕组，以便使绕组电流在开关21和22打开时能够流回DC链路。电阻器28串联到下端开关22，以提供电流反馈信号。被称为“直流链路电容器”的电容器25跨接DC链路以作为不能来源于或返回电源的DC链路电流的任何交流分量(即，所谓的“波纹电流”)的源或宿。实际上，电容器25可包括几个串联和/或并联的电容器，并且，在使用并联时，某些元件可分布于整个变换器中。多相系统通常使用若干在图2中并联的“相脚”以激励电机各相。替代电流检测电阻，可以采用隔离的和/或非接触式的电流检测器。
开关磁阻电机的相电感周期是该相或每一相的电感变化周期，例如，所述周期在转子极与相对的各个定子极完全对准的最大值之间。相电感曲线的理想形式在图3(a)中示出。实际上，Lmin和Lmax的锐角转角是圆角，这是磁路的磁通量的边缘效应和饱和造成的。电感的最大值可以是依赖于电流的。不过，该曲线可以用来解释电机的一般工作。如在上述Stephenson的论文中更详细的说明的，最大电感区域Lmax以一对转子极完全与一对定子极对准的转子位置附近为中心。在图3(b)中，示出3相、6极定子、4极转子的电机。类似，最小电感区域Lmin对应于转子的极间轴与定子极轴对准的位置，如图3(c)所示。
开关磁阻电机的性能部分依赖于关于转子位置对相激励的精确定时。转子位置检测通常通过使用转子位置传感器15来实现，如图1所示，该位置传感器例如是安装在电机转子上的旋转齿盘，其可以和安装在定子上的光学或磁性传感器协作使用。产生表示关于定子的转子位置的脉冲序列并将其提供给控制电路，以允许精确的相激励。通常，1相和2相系统采用单个传感器；3相系统采用三个传感器；以及4相系统采用4个或2个传感器。在三相或更多相的系统中有时使用仅采用一个传感器的更简单的配置。这种位置传感器的分辨率比例如分解器或编码器低得多，但是便宜得多。尽管可以采用高精确度的传感器，但是投入的成本将会对驱动器的总成本产生影响，尤其是在小型低成本驱动器中。
图4示意性地示出用于3相系统的转子位置传感器(rpt)的必要部件。叶轮40是成比例的，从而使三个传感器的输出具有相等的传号空号(markspace)比。这些传感器以对应于相的电感分布的位移角度的角度分布在叶轮周边，并通常相对于定子极设置，以分别在Lmin和Lmax提供上升和下降边沿。如图5所示，这使得来自传感器的信号和相的电感分布之间关联。如上所述，rpt 15是输出二进制信号的装置，该信号在每个电机相周期上进行两次变换，并且rpt 15具有电机的电周期的周期性。这些变换表示电机的电周期中的事件，比如出现最大和最小电感，或者位置非常接近进行控制动作的情况。这些信号通常由控制系统采用，从而根据预定的控制规则，产生激励电机绕组的正确时刻。由于电机性能极其依赖于这种激励的精确性，所以，精确制造并对准rpt的部件是非常重要的。
在rpt中通常包括一些误差的来源。叶轮的传号空号比显著影响输出信号的传号空号比，但是该关联不是完全直接的，因为它还受到rpt中使用的传感器类型特性的影响。例如，如果传感器是光学型的，它将具有有限的束宽。根据所述变换是从通过光变换到阻挡光还是从阻挡光变换到通过光，这将对信号产生不同的影响。如果传感器是霍尔效应型的，铁磁叶轮的进入边缘的接近将产生磁通的边缘现象，并产生比预期早的开关切换。此外，这两种类型的传感器都可能出现磁滞效应，根据旋转方向将使得信号输出发生变化。为了抵消这些效应，已知的是可以调整叶轮的物理传号空号比，从而使得传感器输出更接近一致的传号空号比。还已知的是，可以偏置转子叶轮的对准，从而至少部分补偿磁滞、磁化强度的精确度、束宽和/或边缘效应。然而，通常不能同时补偿所有的误差，因此，至少一些误差通常保留在输出信号中。
然而，这些误差只是一部分问题。从图4中可以明显看到，传感器相对于定子的绝对位置以及相对于其它传感器的相对位置，将影响对应于各相的电感分布的各相的RPTA、RPTB、RPTC信号。因此，已经开发出一些方法来减小在布置传感器部件中的制造误差，这些传感器部件一般被设置在印刷电路板上。例如，在美国5877568和美国6661140中均公开了改进传感器与定子之间的对准的方法，但是带来了因额外部件和制造过程造成的费用上的增加。
类似，叶轮相对于转子极的对准影响rpt信号与各个电感分布之间的相位关联。在美国5786646中公开了已知的用于减小这种误差的方法中的一种，该方法采用特别设计的锁紧环和恰当的工具，使得以公知的方式将叶轮与转子极固定。
这些方法，虽然至少某种程度地改善了rpt输出的质量，但是由于增加了部件、制造过程和/或装配成本，从而比较昂贵。虽然这对于少量生产的高价驱动器来说是可以接受的，但是，对于那些低成本大批量生产的驱动器来说是不理想的，例如用于家用电器或汽车系统的驱动器。然而，这些低成本的系统也需要有精确的rpt信号来产生它们所需的高输出。因此，需要一种方法能够以可重复和有成本效益的方式来补偿rpt信号中的误差。

发明内容
本发明实施例的方法和装置由所附独立权利要求所限定。在从属权利要求中描述了一些优选特征。
本发明尤其适用于确定转子位置传感器的输出中的误差，该传感器提供二进制信号，并相对于电机的转子被设置，以在相电感周期中产生二进制信号的不多于两次的变换。
这里所讨论的技术相当不同于在分解器或编码器系统中使用的补偿。这些系统在机械旋转下具有高分辨率。它们对绕轴的外周的未对准的补偿能够通过在两个位置读取编码器输出并记录输出中的偏移量来完成，这些偏移量可以是对位置的一些计算，但是从不会小于编码器的分辨率。然而，本发明允许对比rpt分辨率小得多(但是对于驱动系统的性能仍然较大)的误差进行校正。
本发明的实施例可以包括存储装置，其存储在预定条件下运行电机的校准结果。可以将该校准结果与测试结果进行比较，以产生比较值，其被用于获取转子位置传感器的输出中的误差。优选获得多个校准结果，并将其与测试结果比较。所述比较过程可以包括对校准结果的插值。可选的是，所述比较可以包括，根据测试结果，将一个校准结果确定为误差值。
优选，本发明的实施例通过比较一组测试结果来确定rpt中的误差。优选，所选的参数是足够灵敏的指示量以提供读取值，从该读取值可以获得对rpt误差的适当准确的确定。对误差的确定因此相关于参数对于rpt输出中的误差的灵敏度。rpt输出中的任何误差都不是通过对rpt输出自身的直接测量来确定的，无论测试下的系统中的误差来源如何。在实际应用中，以这种方式确定的误差可以至少比rpt的分辨率小一个量级。
校准结果可以通过运行类似的电机来获得，该电机具有校准的转子位置传感器，或者，校准结果可以通过数学建模获得。
校准中采用的参数可以是相电流，或者任何其它对电机的确定参数，比如电机输出(例如，转矩或者转矩波纹)、电机的输出变化率(比如，加速度)、噪声、振动、电机部件的温度等。
采用相电流作为参数实例，可以将其与单个校准结果比较，并从所述比较中估算误差。可选的是，校准的结果可以是一组参数值，每个参数值与预定的误差值关联，对校准结果与测试结果的比较可以是测试结果与参数值组中的一个值的最佳组合，或者是测试结果与参数的插值的最佳组合。本发明的其它实施例采用波形作为校准结果，例如，电流波形、转矩波纹的波形或者噪声的波形。
本发明的实施例将从驱动器测试运行中获得的结果与在相当的校准的驱动器上进行预先测试中获得的特征信息比较，所述校准的驱动器已知具有精确的rpt。所述比较可以在制造过程末期进行，用于获得测试下的电机的rpt中存在的误差。然后可以将该误差放入驱动器的控制系统中，从而，当该驱动器在希望的应用中正常运行时，所述驱动器由来自于rpt的被补偿所述误差的信号所控制。


本发明可以以多种方式用于实际应用中，下面将通过示例的方式并参照附图描述其中的一些，其中图1示出了典型的现有技术的开关磁阻驱动器；图2示出了公知的图1的变换器的一相的拓扑；图3(a)示出了开关磁阻电机关于转子角度的理想电感曲线；图3(b)示出了开关磁阻电机的示意图，其中A相的转子位于完全对准(Lmax)的位置；图3(c)示出了开关磁阻电机的示意图，其中A相的转子位于完全未对准(Lmin)的位置；图4示出了3相系统的转子位置传感器的部件；图5示出了电感曲线与图4的传感器的传感信号之间的关系；以及图6示出了根据本发明一个实施例的装置。
具体实施例方式
将要描述的说明性实施例采用电动机模式的3相开关磁阻驱动器，但是任何相数都是可以采用的，其中驱动器既可以为电动机模式也可以为发电机模式，即分别产生作为转矩或力、或者作为电源的输出。
参照图6，图1所示的开关磁阻(′SR′)驱动器被设置成结合误差检测单元64运行。rpt 15如在图4中所示，其通常与图5所示的电机的每一相的电感周期有输出关联。如图5所示，rpt在相电感周期中的二进制输出状态之间具有两次变换，并将来自rpt的信号输入到误差检测单元以及驱动器的控制系统14中。在本发明的一些实施例中，误差检测单元通过电流传感器18能够确定电机的至少一相中的电流。可以将来自关联其它相的其它电流传感器的信号可选地提供给误差检测单元64。
图6示出了连接负载19的电动机。实际上，该负载可以省略以便于测试，或者它可以是附连在轴上的简单飞轮，以增加惯性并减小速度波纹，或者它可以是需要来自于电动机的转矩的常规负载。在后者的情况下，增加的相电流可以使得对驱动器性能的确定更加准确，从而使得对rpt中的误差的确定更加准确。如果在发电机模式下进行测试，则负载19必须能够给SR电机12提供转矩。
在本发明的一个实施例中，电机12通过其自身的在控制单元14的控制下的电力变换器13响应来自rpt 15的信号而运行。从而，不需要对控制单元14提供电流反馈。该驱动系统相对于已知的负载运行，由误差检测单元记录表示性能的参数的集合。包含在该集合中的参数被预先确定，并可以包括一些或全部以下参数电源电压、直流链路电流、相电流、效率、电源表现的功率因数、回流到电源的谐波电压或电流、电机的输出变化率(例如，加速度)、电机输出(例如，转矩)、转矩波纹、电机振动、噪声、电机绕组或其它部件的温度等。
当完成测试并且已经记录所需的参数时，将结果和预先特征化的结果(“校准的结果”)进行比较，所述预先特征化的结果已经预先从类似的驱动器中获取，该驱动器由公知为精确的rpt操作。为获得校准结果，将单个类似的驱动器运行一次或者多次以获得结果分布，从所述分布中可以获得统计范数(norm)。可选的是，可以将多个类似的驱动器运行一次或多次，每次获得相同的数据。另一种达到校准结果的方法是，对测试中的电机进行数学建模。该技术在本领域中是熟知的。
通过比较校准参数值与测试参数值，能够对测试中的驱动器的rpt误差进行估算。将该误差存储并如下文所述使用。参数值可以用许多不同的方式进行比较。例如，可以将相电流与单个校准的电流值比较，通过确定相电流之间的差值来估算误差。可选的是，可以将测量电流与一组经过对公知rpt误差校准的电流比较，并选出最佳匹配或在最接近的匹配之间确定插值。如上所述，校准结果可以是波形、波形上的特征或一组波形。因此，测试值可以为一个或多个波形的形式，并且，可以通过视觉、或者通过使用统计算法来确定适当的误差值。
作为另一个例子，如果驱动器较慢地运行，则可以估算转矩波纹。由于从一相到另一相的变换点的转矩倾斜与rpt信号对应于相电感周期的定位紧密关联，所以，该测试给出了对rpt中特定误差的良好估算。
作为另一个例子，可以将如下的加速时间定时，并与校准结果比较，在所述加速时间上响应速度请求的预定跃变输入从一个速度到达另一个速度。该测试将响应rpt信号中的误差的结合。对于本领域技术人员来说，许多其它这样的比较将是显而易见的。
产生误差值的比较可以人工完成，例如，通过参考校准结果的表格，但是最好由误差检测单元64自动完成。然后通过数据总线66将误差值传输给控制单元14，并存储在控制系统中。由误差检测单元64实施的处理基于校准结果和测试结果之间的差值。选择对于实际rpt误差适当灵敏的参数。在所选参数中的较容易测量的变化表示rpt中非常小的误差。因此，可以将参数的每个可测量的变化理解为rpt分辨率的非常小的部分。因此，参数的可测量量可用于补偿rpt输出中的非常小的误差。以这种方式，能够将确定的误差设置成比rpt本身的输出的分辨率小至少一个数量级。当驱动系统在希望的应用中顺序运行时，控制系统使用存储的误差来补偿rpt的输出，以提供改进的驱动器性能。
因此，可以在图6所示的装置的制造末期将其用于对驱动系统进行一次性分析，以确定rpt系统中的误差，并提供持久补偿所述误差的方法。这不需要额外或特别的部件就能够实现。该驱动器可以不需要持久安装的电流传感器。替代现有技术中用于减小rpt信号中误差的方法，本发明接受这些误差的发生，并补偿这些误差，从而最优化驱动器的性能。
可以将单个误差值存储起来，并用于所有相以节约分析时间，或者可以对电机12的第二相或更多相重复该过程，从而产生并存储若干可以取平均的读取值或者针对每相的单独的误差值。类似，该过程可以仅在rpt信号的一个变换上实施，或者在若干或所有变换上实施，使得可以计算平均误差，或存储对应于每个信号边沿的实际误差。
然后由控制单元将从进行的rpt校准中获得的存储误差值施加到实际rpt信号变换中，以补偿信号的固有误差。对于数字信号处理领域的技术人员显然的是，当进行了基本的rpt校准后，可以以多种方式实现对rpt信号误差的补偿。误差补偿可以在转子角度范围中完成，或者在时间范围中完成，对两者的选择将受到主体系统使用的特定控制实施的影响。然而，目的仍然是，确保控制相绕组的开关在精确的时刻被运行，以及该运行不受任何rpt信号中的误差的不利影响。
本领域技术人员可以理解，可以将误差检测单元64或多或少地集成到驱动器14的控制系统中(见图6)。从而，可以采用控制系统的处理能力来执行所需的计算，以及存储rpt误差的结果值。这样的实施例可以允许驱动器在应用中再校准，如果对rpt的设定在维护或修理期间被扰乱。再校准的实施可提供一组新的误差，其被存储并随后用于对rpt输出信号的补偿。
本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的情况下，可以对所公开的配置进行变化，尤其是在误差检测单元中的算法实施的细节中。显然的是，尽管结合开关磁阻电机描述了本技术，但是所述技术也可以用于在其控制中使用转子位置信息的任何电机中。
另外，尽管在旋转电机方面描述了本发明，但是本发明也同样可以用于线性电机中，所述线性电机具有轨道形式的定子和沿轨道移动的移动部分。在本领域中使用术语“转子”表示旋转电机和线性电机的可移动部分，并可以以本文描述的方式构造。因此，上述若干实施例只是用于示例，而不是为了限制本发明。本发明旨在只由下面的权利要求书的范围所限制。
权利要求
1.一种确定测试下的电机的转子位置传感器的输出中的误差的方法，所述方法包括获取在预定条件下运行所述电机的校准结果，所述校准结果是所述测试下的电机的至少一个参数的值；在所述预定条件下运行所述电机，并记录所述至少一个参数作为测试结果；以及比较所述校准结果与所述测试结果。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述参数是选自于如下的一个或多个参数电源电压、直流链路电流、转矩、电机输出波纹、电机的输出变化率、效率、电源功率因数、电机振动、电压和电流谐波、相电流、噪声、振动、以及温度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述转子位置传感器中的误差通过比较所述校准结果与所述测试结果而获得。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述误差通过将所述校准结果与多个所述测试结果比较而获得。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述测试结果是一组值，所述误差通过对所述组的值进行插值而获得。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述校准结果通过运行一个或多个校准的电机而获得。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述校准的电机包括校准的转子位置传感器。
8.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述校准结果通过数学建模而获得。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述电机由控制器控制，所获得的所述rpt输出中的误差被存储在所述控制器中、并被用于在所述电机的运行中补偿所述转子位置传感器中的误差。
10.一种用于根据权利要求1至9中任一项的方法来确定电机的转子位置传感器的输出中的误差的装置，所述装置包括存储装置，其用于存储在预定条件下运行所述电机的校准结果；比较装置，其用于比较所述校准结果与测试结果以产生比较结果；以及误差获取装置，其用于从所述比较结果中获取所述转子位置传感器中的误差。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述测试下的电机可被连接到控制器，所述存储装置与所述控制器集成。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述确定的误差比所述rpt的输出的分辨率小一个量级。
全文摘要
一种具有转子位置传感器的电机，所述传感器对控制系统提供输出信号。该输出信号包括由于部件缺陷和制造缺陷而导致的误差。公开了一种方法，该方法能够通过与校准的数据的比较而确定信号中的误差，从而对电机的控制系统提供校正。该校正可以被存储在控制系统中，并被用于改进传感器输出信号的精确度，从而改善了电机的输出。
文档编号H02P25/08GK1728535SQ20051008409
公开日2006年2月1日 申请日期2005年7月12日 优先权日2004年7月27日
发明者M·P·坦卡德 申请人:开关磁阻驱动有限公司