电机的监视装置和监视方法及转子位置检测的装置和方法与流程

在第一方面，本发明涉及一种用于对电机的无传感器的转子位置检测进行监视的监视装置。此外，本发明涉及一种用于对电机的无传感器的转子位置检测进行监视的相应的方法。

在第二方面，本发明涉及一种用于无传感器地检测电机的转子的位置的转子位置检测装置。此外，本发明涉及一种用于无传感器地检测电机的转子的位置的相应的方法。

背景技术：

在此，转子位置检测被称为无传感器的，对于其来说不要求电压传感器，而是在其中借助于相电流的评估而进行转子的位置的测定。电机能够是永磁体激励的电机、场电流激励的电机、混合激励的电机或磁阻电机。与此无关地，电机能够具有内部转子或外部转子或是直线电机。场激励的部件(永磁体和/或场绕组)能够布置在转子侧或定子侧上。转子也能够被称为电机转子。

对于永磁体激励的交流同步电机的气隙转动力矩的条件而言，需要关于转子的磁性轴线(即关于d轴位置)的信息。在低转速范围、包括停机中，对此适用基于各向异性(anisotropiebasierte)的转子位置估计的方法。在该方法的子方法中，将高频的、对称的测试交流电压(例如具有500Hz和2000Hz之间的频率)施加到交流电机的绕组上，由此不驱动同步电机的转子，而是生成足够强的测试交流电流，以便测定关于转子的当前位置的信息。该方法被称为注入式方法以及注入方法(Injektionsverfahren)。

DE 101 14 293 B3描述了这样的注入方法。为了生成叠加的交流场，将高频的、对称的交流电压(例如具有500Hz和2000Hz之间的频率)施加到交流场电机的驱动交流绕组上。从支路电流的测量中过滤出电流空间矢量，其能够导回到高频的、对称的交流电压上。借助于过滤出的电流空间矢量来测定相信号，其表示转子相对于电机的定子的位置。

已知的注入方法不包含安全机构，利用其来可靠地确认通过注入方法测定的转子位置是否是有错的。此外，关于利用已知的注入方法测定的转子的相位的信息包含了不能分离地识别的偏差错误。关于转子的相位信息的偏差错误能够例如由于电流调节或由于转动力矩调节而引起(参见Wiedmann，K.：永磁激励的同步电机的无位置发生器的运行，2012年博士论文，5.2.1章，104页)。

技术实现要素：

在第一方面，本发明的目的在于，提供一种用于监视无传感器的转子位置检测的功能性的可靠的和经济的监视方法，该转子位置检测以注入方法为基础。相应地适用于监视无传感器的转子位置检测的监视装置。

在第二方面，本发明的目的在于，提供一种用于无传感器地检测电机的转子的位置的转子位置检测方法，利用该转子位置检测方法能以比已知的转子位置检测方法更高的精度测定电机的转子的位置。

根据本发明，在第一方面的目的通过用于监视电机的无传感器的转子测定的监视装置实现。监视装置包括测试电流测定器和测试电流评估器。测试电流测定器设置用于检测测试交流电流，其由测试交流电压产生，该测试交流电压施加在电机的定子或转子绕组的交流电压接口处。测试电流评估器设置用于评估检测到的测试交流电流的第一分量，其表示第一换向方向，该第一换向方向与施加的测试交流电压的换向方向同向。在一个特别优选的实施方式中，测试交流电压是对称的。

用于对电机的无传感器的转子检测进行监视的相应的根据本发明的方法包括下述方法步骤。在第一步骤中，将测试交流电压施加到电机的定子或转子绕组的交流电压接口处。在第二步骤中，检测由于施加的测试交流电压而引起的测试交流电流。在第三步骤中，评估检测到的测试交流电流的第一分量。该第一分量表示第一换向方向，其与施加的测试交流电压的换向方向同向。

在第一方面，本发明的设计在于，评估检测到的测试交流电流的分量，该测试交流电流具有与所施加的测试交流电压相同的换向方向。因此能监视的是，将测试交流电压施加到定子或转子绕组的交流电压接口上实际上是否引起测试交流电流，其流过定子或转子绕组并且具有期望的属性。此外，由此能够识别相的接触损耗或定子或转子绕组中的中断，或者当测试交流电流具有错误的频率的时候识别，并且同时不知道转子相对于定子是否或多快地运动。特别地，利用在第一方面的本发明提供用于监视转子位置检测的功能性的可靠的和经济的监视方法，其是无传感器的。在此，转子位置检测被称为无传感器的，对于其来说不需要电压传感器，而是在其中借助于评估相电流来测定转子的位置。

借助于表示与施加的测试交流电压的换向方向同向的换向方向的评估测试交流电流的分量，能够比借助于原则上也能够实现的、表示与施加的测试交流电压的换向方向反向的换向方向的检测到的测试交流电流的分量的监视更简单和更可靠地实现对所施加的测试交流电压的监视。电机的经由转子周围测定的瞬时的导纳比电机EM的导纳的d和q分量的经由转子周围测定的瞬时的差异更大。因此，测试交流电流的同向的分量导致比测试交流电流的反向的分量更强并且因此更简单的能评估的信号。此外，测试交流电流的同向的分量的频率是恒定的，而测试交流电流的反向的分量的频率取决于电机的瞬时转速，从而能够在更大的带宽范围中监视反向的分量(与同向的分量相比)，其中，也能够利用更多的干扰影响进行计算。然而当同时已知了转子正好相对于定子是否且多快地运动的时候，从测试交流电流的反向的分量中能够仅测定测试交流电流的频率。

根据本发明，在第二方面的目的通过用于无传感器地检测电机的转子的位置的转子位置检测装置实现，其中，转子位置检测装置具有测试交流电压源、测试电流测定器和测试电流评估器。测试交流电压源设置用于提供和施加测试交流电压到电机的定子或转子绕组的交流电压接口处。测试交流电压源设置用于，至少一次地变换测试交流电压的换向方向。测试电流测定器设置用于检测由于施加的测试交流电压而引起的测试交流电流。测试电流评估器设置用于如下地进行实施：

测定测试交流电流的分量的第一相位，在测试交流电压位于第一换向方向期间，该分量与施加的测试交流电压的至少一次地变换的换向方向反向；

测定测试交流电流的分量的第二相位，在测试交流电压位于第二换向方向期间，其与第一换向方向反向；

并且测定在第一相位和第二相位之间的中间值。

中间值优选地是在第一相位和第二相位之间的算数中间值。

用于无传感器地检测电机的转子的位置的、相应的根据本发明的转子位置检测方法包括下述方法步骤。在第一步骤中，提供测试交流电压，至少一次地变换其换向方向。在第二步骤中，将测试交流电压施加到电机的定子或转子绕组的交流电压接口处。在第三步骤中，检测由于施加的测试交流电压而引起的测试交流电流。在第四步骤中，测定测试交流电流的分量的第一相位，在测试交流电压位于第一换向方向期间，该分量与施加的测试交流电压的至少一次地变换的换向方向反向。在第五步骤中，测定测试交流电流的分量的第二相位，在测试交流电压位于第二换向方向期间，其与第一换向方向反向。在第六步骤中，测定在第一相位和第二相位之间的中间值。

在第二方面，本发明的设计在于，借助于测试交流电压的换向方向的变换和相位信息的平均值来补偿相位信息的偏差错误。

具有测试电压源和电机的交流电流回路能够是具有两个、三个或多个相的交流电流回路。

本发明的第一方面的设计能够与本发明的第二方面的设计接合。随后，监视装置具有用于提供用在交流电压接口的测试交流电压的测试交流电压源。随后，测试交流电压源设置用于，至少一次地变换测试交流电压的换向方向，其中，测试电流评估器也设置用于如下地进行实施：

测定测试交流电流的分量的第一相位，在测试交流电压位于第一换向方向期间，该分量与施加的测试交流电压的至少一次地变换的换向方向反向；

测定测试交流电流的分量的第二相位，在测试交流电压位于第二换向方向上期间，其与第一换向方向反向；并且

测定在第一相位和第二相位之间的中间值。

对于监视装置来说有利的是，测试电流评估器具有换向器(Drehrichtungsinvertierer)，其设置用于，从测试交流电压的空间矢量的取决于时间的实际角度中生成用于第二锁相环路的第二引导参量，第二锁相环路在测定转子位置时参考该第二引导参量。该措施对此表示的量值为，参考第二锁相环路的第二引导参量中的所施加的测试交流电压的频率波动或抖动，并且不影响或至少很小程度地影响转子位置信息，而对于检测测试交流电压的相角来说不需要电压传感器。

另一个有利的改进方案设置的是，测试交流电压源设置用于，仅在电机的首次起动和/或再次起动和/或暂时的停止时测定相位的中间值，以便由此在参考第一和/或第二相位的情况下测定相位误差。因此在不干扰监视装置的或者转子位置检测的正常运行的时间段中进行相位误差的测定。相应最后测定的相位误差能够在其之间的时间段中用作为平衡新测定的转子位置的相位误差的修正值。

特别有利的是，测试电流评估器设置用于，检查检测到的测试交流电流的频率分量的幅值和/或频率分量的角频率和/或频率分量的相位是否保持在分别对应的额定值范围中，其中，频率分量表示第一或第二换向方向，其与施加的测试交流电压的换向方向同向或反向。

在一个特别合适的实施方式中，测试电流评估器设置用于，借助于检测到的测试交流电流来检查施加的测试交流电压的幅值和/或角频率和/或相位是否保持在分别对应的额定值范围中。

也有利的是，测试电流评估器设置用于，检查检测到的测试交流电流的频率分量的幅值的变化速度和/或频率分量的角频率的变化速度和/或频率分量的相位的变化速度是否保持在分别对应的额定值范围中。

附图说明

根据附图详细阐述本发明，其中示出：

图1是具有电机、测试交流电压源、交流电流传感器和用于监视用于电机的无传感器的转子位置检测的监视装置的示意性的框图，

图2是具有电机和用于无传感器地检测电机的转子的位置的转子位置检测装置的示意性的框图，

图3是当将高频的测试交流电压施加到电机的交流电压接口处时，电机的交流电压接口处产生的测试交流电流的空间矢量的示意性的幅值频谱图，

图4是具有用于监视电机的无传感器的转子位置检测的第一锁相环路和用于测定电机的转子位置的第二锁相环路的示意性的框图，

图5是用于监视电机的无传感器的转子位置检测的监视方法的示意性的流程图，

图6是用于无传感器地检测电机的转子的位置的转子位置检测方法的示意性的流程图。

具体实施方式

接下来详细描述的实施例示出本发明的优选的实施方式。

图1示出了电机EM、测试交流电压源Q、交流电流传感器SI和用于监视用于电机EM的无传感器的转子位置检测的监视装置UV。交流电流传感器SI例如适用于，检测电机EM的至少两个相电流的时间上的运行，或者适用于，检测相电流的相位和幅值或相位和有效值的时间上的运行。在此，通过相电路的电流称为相电流。

在该图示出的电路中，电机EM连接到星形电路中。专业人员能够根据需要将用于运行电机EM的电路以及框图变换为三角电路。测试交流电压源Q经由交流电流传感器SI连接到电机EM的交流电压接口UA处。测试交流电流I_T流过由此闭合的交流电流回路DK。出于简明原因，在该图中尽可能略去交流电流回路DK的这样的分量，即其用于电机EM的(利用驱动基础频率)实际的电驱动。监视装置UV包括用于借助于交流电流传感器SI检测测试交流电流I_T的测试电流测定器IE和测试电流评估器IA。交流电流传感器SI提供测量值sI_T。

可选地，监视装置UV也包括测试电压测定器UE。其合适并且优选的是，测试交流电压源Q提供具有恒定的频率ω_T/2π(例如具有500Hz和2000Hz之间的频率)的测试交流电压U_T。测试交流电压U_T的频率ω_T在此被称为高频的，其位于电机EM的电角速度ω_EM之上。

图2示出了具有电机EM、测试交流电压源Q、交流电流传感器SI和用于无传感器地检测电机EM的转子L的位置LL的转子位置检测装置LE的尽可能结构相同的电路。在此电机也在该图示出的实例中连接到星形电路中，并且专业人员能够根据需要将用于运行电机EM的电路以及框图变换为三角电路。测试交流电压源Q经由交流电流传感器SI连接到电机EM的交流电压接口UA处。测试交流电流I_T流过由此闭合的交流电流回路DK。出于简明原因，在该图中尽可能略去交流电流回路DK的这样的分量，即其用于电机EM的电驱动。转子位置检测装置LE包括用于借助于交流电流传感器SI来检测测试交流电流I_T的测试电流测定器IE和测试电流评估器IA。可选地，监视装置UV也包括测试电压测定器UE。

图3示出的测试交流电流I_T的幅值频谱图AS包括具有测试交流电压U_T的正的基础角频率ω_T的第一频谱线SL+和第二频谱线SL-，其角频率-(ω_T-2ω_EM)为负的。在此，当相应的电参量(在此为测试交流电流I_T的分量SL-)具有与测试交流电压U_T的换向方向反向的换向方向时，频率标记为负的。当电角速度ω_EM与测试交流电压U_T的正的基础角频率ω_T相比为正的时候，第二频谱线SL-的角频率-(ω_T-2ω_EM)的绝对值|ω_T-2ω_EM|比测试交流电压U_T的正的基础角频率ω_T小了电机EM的电角速度ω_EM的绝对值|ω_EM|的两倍。当电角速度ω_EM与测试交流电压U_T的正的基础角频率ω_T相比为负的时候，第二频谱线SL-的角频率-(ω_T-2ω_EM)的绝对值|ω_T-2ω_EM|比测试交流电压U_T的正的基础角频率ω_T大了电机EM的电角速度ω_EM的绝对值|ω_EM|的两倍。

该联系从用于测试交流电流I_T的时间上的运行的下述方程(1)中得出，其在开头所述的资料中阐述：

其中，ω_T是测试交流电压U_T的角频率，ΣY'是电机EM的经由转子周围测定的瞬时的导纳，并且ΔY'是经由转子周围测定的电机EM的导纳的d分量和q分量之间的瞬时的差异。ω_EM表示电机EM的电角速度并且t表示时间。γ_t＝0表示电机EM在t＝0时的电角度PL。因为I_T(t)表示复数的测试交流电流I_T(相电流)的瞬时值，所以|U_T|理解为测试交流电压(相电压)的幅值。

方程(1)忽略了副效应(如涡流效应和非线性的换向效应)，其同样导致相移并且因此将附加的量值提供给本来给定的电压和电流之间的相差。

图4示出的测试电流评估器IA包括用于监视用于电机EM的无传感器的转子位置检测的第一锁相环路PLL+和用于测定电机EM的转子L相对于电机EM的定子S的(电角度)转子位置LL的第二锁相环路PLL-。为了从提供不属于测试交流电流I_T的交流电流传感器SI的测量值sI_T中去除基础频率的频率分量，设置(在图中未示出的)高通或带通滤波器。

锁相环路PLL+包括用于为测试交流电压U_T输送设定的取决于时间的额定角度θ+_额定的引导参量输入端F+、用于测定测试交流电压U_T的实际角度θ+的加法器AD、用于在测试交流电压U_T的空间矢量的坐标系统中生成测试交流电流I_T的d分量d+和q分量q+的帕克变换器(Park-Transformator)PT+、用于去除测试电压空间矢量U_T的坐标系统中的测试交流电流I_T的q分量q+的第二谐波的滤波器Fq+和追踪器TR。

追踪器TR包括比例积分调节器PI+(PI调节器PI+)和积分器I+。积分器I+从比例积分调节器PI+的输出端得到关于转子L的测试电压空间矢量U_T的坐标系统中的测试交流电流I_T的当前的相位PL_T的信息。积分器I+由此生成用于测试交流电压U_T的额定角度θ+_额定和测试交流电压U_T的实际角度θ+之间的逆转的角度差-(Δθ+)作为导回的信号。通过角度差(Δθ+)的逆转实现调节回路中要求的负反馈。角度差(Δθ+)的逆转通过之后的相移改变180°，其引起PI调节器PI+和积分器IN+分别改变90°。

此外，测试电流评估器IA包括用于去除测试电压空间矢量U_T的坐标系统中的测试交流电流I_T的d分量的第二谐波的滤波器Fd+和用于监视测试电压空间矢量U_T的坐标系统中的测试交流电流I_T的d分量的幅值Ad的幅值监视器Ad+。幅值监视器Ad+生成幅值监视信号SA。

与此无关地，测试电流评估器IA能够具有用于监视测试电压空间矢量U_T的坐标系统中的测试交流电流I_T的频率ω_T的可选的频率监视器FU+。频率监视器FU+生成频率监视信号SF。

此外，测试电流评估器IA具有用于监视测试电压空间矢量U_T的坐标系统中的测试交流电流I_T的相位PL_T的可选的相监视器PU+。相监视器PU+生成相监视信号SP。

一个优选的实施方式设置的是，第一引导参量(即用于测试交流电压U_T的额定角度θ+_额定)借助于振荡器Q_额定和另外的积分器I_θ+生成，其中，振荡器Q_额定以所施加的测试交流电压U_T的额定角频率ω_T额定振动。其具有的优点为，额定角频率ω_T额定表示安全的参数。作为根据图4所述的方法的变换，也能够采用同步帧过滤，其应用常见于已知的注入方法。

图4所示的电路能够检查测试交流电流I_T的空间矢量的同向地定向的分量SL+的副值Ad，其由于施加(高频的)测试交流电压U_T到电机EM的交流电压接口UA处而产生。因此，能够识别装置错误、如接触错误和电机EM的绕组W中的中断，因为当测试交流电压U_T不具有所设置的幅值|U_T|的时候，测试交流电流I_T的空间矢量的同向地定向的分量SL+的幅值Ad通常不具有预期的值。相应地，其适用于测试交流电流I_T的空间矢量的同向地定向的分量SL+的相PL_T的检查，其由于施加测试交流电压U_T到电机EM的交流电压接口UA处而引起。通过附加地检查测试交流电流I_T的空间矢量的同向地定向的分量SL+的相PL_T和/或频率ω_T，能够以还更高的可靠性识别装置错误。原则上也能提出的是，监视测试交流电流I_T的空间矢量的同向地定向的分量SL+的相PL_T和/或频率ω_T、但没有幅值Ad。

测试交流电流I_T的空间矢量的幅值Ad借助于d分量测定，其由第一锁相环路PLL+的第一帕克变换器PT提供。测试交流电流I_T的空间矢量的角频率ω_T和/或相位PL借助于q分量测定，其由第一锁相环路PLL+的第一帕克变换器PT+提供。

测试电流评估器IA的改进方案提出，也由测试交流电流I_T的同向地定向的空间矢量的d分量d+形成时间上的导数d(d+)/dt并且监视其是否保持在允许的值范围中。相应地，也能够由测试交流电流的空间矢量的q分量q+形成时间上的导数d(q+)/dt并且监视其是否保持在允许的值范围中。

图5示出的用于监视用于电机EM的无传感器的转子位置检测的方法包括下述方法步骤。在第一步骤110中，将测试交流电压U_T施加到电机的EM定子或转子绕组W的交流电压接口UA处。在第二步骤120中，检测由于施加的测试交流电压而引起的测试交流电流I_T。在第三步骤130中，评估检测到的测试交流电流I_T的第一分量SL+，其中，检测到的测试交流电流I_T的第一分量SL+表示第一换向方向，其与施加的测试交流电压U_T的换向方向同向。

在此有各种干扰的效应(例如涡流效应)，其在注入方法中导致测试交流电流I_T相对于测试交流电压U_T的附加的相移，并且在转子位置估计中引起相位误差。因此，根据本发明的第二方面提出的是，转子位置LL(转子L的电角度)在此外相同的运行环境下借助于注入方法一次以测试交流电压U_T的正的换向方向并且一次以相反的换向方向进行测定。因为测试交流电压U_T的换向方向的转向影响了相位误差ΔLL的符号的改变，所以能够在此外相一致的运行环境中借助于算数中间值的形成PL12＝((PL1)+(PL2))/2来计算真正的相位PL12，其利用测试交流电压的两个不同的换向方向测定。借助于由真正的电角度PL12减去所测量的用于正的换向方向的相位PL_T能够为测试交流电压U_T的正的换向方向计算偏差相角ΔLL。

偏差相角ΔLL能够在电机EM的持续的运行中加到转子L的相应的电角度位置LL上，其在电机EM运行期间持续地重新测定。对此，能够与已知的注入方法相比尽可能地避免转子位置估计中的错误。

一个优选的实施方式设置的是，仅在电机EM的首次起动和/或每次起动和/或再次起动和/或每次停止中重新测定并且存储真正的电角度PL12，并且为了平衡相位误差ΔLL而在正常运行中存储相位误差ΔLL并且应用为偏差相角(在前述的减法中)。

图6示出的用于无传感器地检测电机EM的转子L的位置LL的转子位置检测方法200具有下述方法步骤。在第一步骤210中，提供测试交流电压，至少一次地变换其换向方向。在第二步骤220中，将测试交流电压U_T施加到电机EM的定子或转子绕组W的交流电压接口UA处。在第三步骤230中，检测由于施加的测试交流电压U_T而引起的测试交流电流I_T。在第四步骤240中，测定测试交流电流I_T的分量SL-的第一相位PL1，在测试交流电压位于第一换向方向期间，该分量与施加的测试交流电压U_T的至少一次地变换的换向方向反向。在第五步骤250中，测定测试交流电流I_T的分量SL-的第二相位PL2，在测试交流电压U_T位于第二换向方向期间，其与第一换向方向反向。在第六步骤中，测定在第一相位PL1和第二相位PL2之间的中间值PL12。

对于在电动车辆中的应用来说，根据用于按照ISO 26262或IEC61508/IEC61511的功能上的安全的标准通常要求的是，以高可靠性测定电机EM的当前的转子位置和/或当前的转速。利用根据本发明的监视装置UV和监视方法100能够在ASIL质量中测定电机EM的转子位置LL和电角速度ω_EM(ASIL＝Automotive Safety Integrity Level，汽车安全完整性等级)，并且因此用于在无干扰的运行中使用的转子位置发生器发生故障之后的辅助性的运行。

除了改进方案之外，对于根据本发明的方法100来说仅需要测试交流电压源Q、交流电流传感器SI和上述测试电流评估器IA。特别地，在根据本发明的装置UV、LE和方法100，200的基础实施方案中不要求检测测试交流电压U_T。

在第一方面，本发明涉及用于监视无传感器的转子位置检测的监视装置UV。监视装置UV包括用于评估检测到的测试交流电流I_T的第一分量SL+的测试电流评估器IA，该第一分量表示第一换向方向，其与施加的测试交流电压U_T的换向方向同向。

在第二方面，本发明涉及用于无传感器地检测转子L的位置LL的转子位置检测装置LE。转子位置检测装置包括测试电流评估器IA，其如下地进行实施：随着测试交流电流I_T的分量SL-的相位PL1，PL2进行测定，该分量在测试交流电压U_T变换换向方向之前和之后与施加在电机处的测试交流电压U_T的至少一次地变换的换向方向反向；并且测定260在第一相位PL1和第二相位PL2之间的中间值PL12。