对PSM电机的转子位置传感器进行监控的方法和系统与流程

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的对psm电机的转子位置传感器进行监控的方法以及一种根据权利要求8前序部分的对psm电机的转子位置传感器进行监控的系统。

背景技术：

永磁同步电机，也被称为psm电机，在机动车上被用于不同目的，例如用于转向力支持、牵引驱动或其他驱动。psm电机是具有布置在动子上或动子内的永磁体的旋转场电机。至少一个定子包括三相绕组或多相绕组并且由以120度的角度分布的相构成。相的线圈在围绕转动轴线的圆周上分布，与此相对地，转子关于定子以能转动的方式受支承。

psm电机的状态参数，例如电流、电压、磁通等可以在三维坐标系(u、v、w)上示出，如图1所示。图1示出已知的旋转场电机100，尤其是psm电机，其包括定子(未示出)和转子101，它们关于转动轴线102以能相对彼此转动的方式受支承。在定子上，至少三个线圈均匀地以120度分布在围绕转动轴线102的圆周上。设置有三个相u、v和w。其中每个相u、v、w通常与数量相同的线圈连接，它们以相同的间距分布在圆周上。极对数zp和与其相关联的线圈数量视应用而定地是可选择的。在转子101上优选布置有至少一个永磁体103，其中，在以相移的交变电流驱控相u、v、w时生成转矩，转矩使转子101围绕转动轴线102相对于定子转动。

相u、v、w的相移式驱控可以在不同坐标系内示出。在相对定子固定的u、v、w坐标系内，坐标轴相对彼此旋转了120°。因为位u、v、w的电流之和为零，所以电流矢量或电流向量也在相对定子固定的二维的α/β坐标系内示出。此外，在图1中，设置了相对转子固定的d、q坐标系，其d分量以与永磁体103的磁通ψpm相同指向地延伸。q分量垂直于d分量地延伸。d轴和α轴或u轴之间的角度相应于旋转场电机100的转子101和定子之间的电转动角度θd或θel。电转动角度θd或θel相应于机械转动角度θmech乘以极对数zp。利用将状态参数变换到d、q坐标系中简化了psm电机的微分方程并且可以如直流电机那样来调节psm电机。这被称为磁场定向调节或for。在磁场定向调节中，应当流过旋转场电机的总目标电流关于相对转子(磁通)固定的d、q坐标系来确定，从而较简单地执行一些控制或调节过程并简化了一些计算。

图2概述示出psm电机的for。控制分量205基于旋转场电机100的总目标电流的预定的d和q分量isd、isq生成电压的d和q分量usd、usq。d和q分量isd、isq展开成相应于总目标电流的电流向量。在控制分量205中生成且通过d和q分量usd、usq表示的电压利用转换器210从d、q坐标系变换到三维坐标系、尤其是u、v、w坐标系中。在此得到三个电压us1、us2、us3，它们利用向量调制器215基于中间回路电压udc变换成三个对应的脉冲宽度调制信号pwm1、pwm2和pwm3。在用于车辆中时，中间回路电压udc可以相应于车载电源电压或者也可以对应于蓄电池电压。脉冲逆变器220被设立用于将其中每个相u、v、w交替地与中间回路电压udc的高电势和低电势连接，从而在相u、v、w上出现期望的电压。施加的电压引起通过相u、v和w的实际相电流。至少一个实际相电流利用至少一个探测装置225来探测，探测装置也包括电流传感器。通过位置传感器230以如下方式基于测得的转子机械位置θmech和极对数zp获知psm的电角度θel：

θel＝zp·θmech(方程1)，

为了补偿两个电流isd和isq的相互作用，可以引入解耦器240。

从旋转场电机100、脉冲逆变器220、具有一个或多个电流传感器225和位置传感器230的探测装置出发，示出的元件或块通常作为在处理装置上运行的方法的方法步骤来实施，处理装置优选包括可编程的微型计算机。输入的信号通常利用模拟数字转换器来探测，并且待提供的信号要么数字式利用驱动模块来输出，要么模拟式利用数字模拟转换器来输出。在这方面，控制设备也可以被看作方法的表现。

针对执行for，除了电流传感器和中间回路电压之外，还需要关于转子位置的信息，以便确保在根据图1的坐标系中的变换。重要的是，能够获知永磁体磁通的正确位置并且能够实现以很小的相电流幅值(和进而以高效率)准确地形成转矩。如果转子位置错误，可能产生很小的转矩或者在最糟糕情况下产生反向转矩。这对于某些应用，例如在转向或电动汽车等中的应用来说是非常危险的，因为在此由于错误的角度使电机不是朝一个方向加速而是朝这个方向制动并且可能朝相反方向运动，这可能导致事故等。基于此原因，测量转子位置的位置传感器(或还有转速传感器)是非常重要的并且是不可取消的。

然而位置传感器的功能性可能受各种不同效果的影响。在传感器完全失灵或部分失灵(例如传感器信道失灵)时，无法获知或无法正确获知转子位置。传感器在轴上滑动(常见的故障情况)导致转子的机械角度偏移，这可能提供错误的坐标系并且进而可能导致不受控的状态。

为了监控位置传感器的功能性可以安装冗余的传感器，从而两个传感器相互监控。然而由此会提高整个系统的成本。替选地，也可以为了节约成本使用计算模型，计算模型获知位置，随后该位置被与测得的传感器位置进行比较。在文献(例如dierk博士的“elektrischeantrieberegelungvonantriebssystemen”，3.auflage，springerverlag，tu-münchen2001(《驱动系统的电驱动调节》，第三版，施普林格出版社，慕尼黑工业大学2001年))中有大量的用于获知位置的方法(松井(matsui)、沃玛特(wallmarkt)、兰波格观察器(leonbergerbeobachter)、卡尔曼滤波器等)。已知的方法基于emk(电磁力)，即，它们需要基于永磁体磁通的电机的感应电压以及用于它们计算的转速。在转速较小和静止状态下，emk非常小并且不会提供合理的结果。因而只有自特定的最小转速起才使用这些方法。最小转速与驱动装置和传感机构有关。最小转速通常位于最大转速的10％至15％的范围内。针对更小的转速作为最小转速，利用这些方法获知转子位置可能是有错误的。根据现有技术，在电机内以高频率输入信号的注入方法(injektionsverfahren)可以在较小转速范围内获知位置。缺点是，由于高频电流产生的噪声会带来声学问题。

技术实现要素：

因而本发明的任务是提出如下的方法和系统，通过它们可以在较小转速范围内以及静止状态下获知psm的转子位置。在此，应当避免声学问题。

该任务根据本发明通过独立权利要求的特征解决。有利的实施方案是从属权利要求的主题。

根据本发明提出了一种对psm电机的转子位置传感器进行监控的方法，所述psm电机具有至少三个或刚好三个相，它们利用磁场定向调节或磁场定向控制来运行，其中，在两个彼此不相关的途径上获知psm电机的电角度以及进而获知转子位置，其中，在第一途径中，基于psm电机的测得的转子机械位置和极对数进行psm电机的电角度的第一计算，在第二途径中，基于相电流矢量的相位和在d、q坐标系中的受调节的目标电流进行psm电机的电角度的第二计算，并且其中，为了监控转子位置传感器，执行对分别在第一和第二途径中获知的psm电机的电角度的值的相互比较。

通过提出的在第二途径上计算电角度，也可以在转速很小或静止状态下监控转子位置。也不存在在迄今为止已知的方法中由于输入高频信号而出现的干扰的影响。

在一个实施方案中，在第一途径中，以如下方式计算电角度：θel1＝zp·θmech(方程1)，其中，zp是psm电机的极对数，θmech是测得的机械角度或测得的转子机械位置，并且其中，在第二途径中，以如下方式计算电角度：θel2＝θis-θlast(方程3)，其中，θlast是经滤波的d、q目标电流的负荷角，θis是psm电机的电流矢量的角度(或相位)。

在另一实施方案中，以如下方式计算负荷角：其中，isdreff和isqreff是d、q电流的经延时的目标值，并且当例如仅测量isu和isv时，以如下方式计算电流矢量的相位θis：isw＝-isu-isv(方程5)，其中，isw、isu和isv是至少三个相(u、v、w)的相电流，并且根据psm电机的相电流变换以如下方式得到α、β坐标系中的电流分量isα和isβ：并且其中，由此以如下方式计算电流矢量的相位：

在另一实施方案中，为了获知负荷角和电流矢量的相位，向电机施加预定的最小电流，其中，基于psm电机的电流振幅和d、q目标电流以如下方式计算最小电流：其中，如果isampl<isamplmin，则定义新的isd目标电流：其中，如果isampl≥isamplmin，则以如下方式定义新的isd目标电流：isdrefneu＝isdref(方程11)。

在此，isdref是初始所需的d目标电流，isdrefneu是用于维持电机内的最小电流isamplmin的新计算的d目标电流。

通过提供最小电流确保的是，在没有或仅有较小的(例如由于噪声的)干扰影响的情况下可以获知负荷角和电流矢量相位。

在另一实施方案中，通过形成第一和第二计算中获知的电角度的值之差来比较两个获知的电角度。在另一实施方案中实现的是，其中，如果识别出获知的电角度之间存在偏差，则评估偏差：存在哪种故障。优选基于识别到的故障执行至少一个措施，所述措施包括发送故障信号、关闭电机、更改电机参数。

通过提供两种不同方式得到的电角度可以简单方式，例如通过形成差识别出电机不处于正常状态、对其进行评估并且采取措施，以便排除故障。在此，存在哪种故障的这类评估取决于应用。可以通过形成中间值，通过积分或用于故障识别的其他方法识别出存在哪种故障。取决于故障类型地，可以采取如下措施，从发送警告信号直至立即关闭存在故障的应用。在此，采取哪种措施与应用、故障类型和故障重要性有关并且由本领域技术人员来确定。

在本发明范围内还设置有一种监控psm电机的系统，所述psm电机具有至少三个或刚好三个相，它们利用磁场定向控制来运行，该系统至少包括：位置传感器，其被设立用于确定psm电机的转子位置；用于探测其中至少一个相的相电流的探测装置；用于执行前述方法的装置；监控层，其被设立用于在识别出在第一途径中确定的电角度的值与在第二途径中确定的电角度的值之间有偏差情况下评估故障。

用于执行方法的装置优选至少包括：用于执行电角度的第一计算的装置、用于执行电角度的第二计算的装置、比较装置，该比较装置被设立用于将分别在第一和第二计算中计算出的电角度进行相互比较。

用于执行方法的装置还至少包括用于确定识别出的故障的评估装置。

提供该系统的优点是，不仅可以应用多个硬件组件而且可以应用唯一的组件(例如微芯片)，在该组件上执行各个方法步骤，例如作为软件。此外，所述系统及其设计方案具有与先前方法所述的优点一样的优点。

本发明其他特征和优点由本发明实施例的以下说明、结合示出本发明细节的附图以及由权利要求得到。各个独特征可以单独地或多个任意组合地在本发明的变型方案中实现。

附图说明

以下结合附图进一步参数本发明优选实施方案。

图1示出psm的不同坐标系的视图；

图2示出具有解耦器的psm的for的结构图；

图3示出psm的电流向量is的曲线中的不同角度的视图；

图4示出根据本发明的实施方案的、具有转子位置传感器监控的psm的for结构图；

图5示出根据本发明的实施方案的、图4的控制方案的无故障的模拟曲线；

图6示出根据本发明的实施方案的、图4的控制方案的具有180°电角度偏差故障的模拟曲线；

图7示出根据本发明的实施方案的、图4的控制方案的具有逆变器故障的模拟曲线。

在以下附图说明中，相同的元件或功能用相同附图标记表示。

具体实施方式

图3示出在psm的电流向量的曲线中不同角度的视图，其中，角度θel是电机的电角度、θlast是经滤波的d和q目标电流的负荷角，并且θis是电机的电流矢量的相位。根据图3，可以得知负荷角θlast、电角度θel和相电流矢量is的相位(或角度)θis之间的关系：

θis＝θel+θlast(方程2)。

因而，估算的电角度可以根据通过电流计算出的两个角度来获知：

负荷角θlast由d和q轴中的经滤波的目标电流获知。for具有所选的动态特性，即，在一定时间之后才调整出所需的d、q电流，其中，d、q电流的延时例如可以利用低通滤波器250(或另一合适的滤波器)来重现。低通滤波器250针对每个电流(d或q)的时间常数应当如下选择，使得for的动态特性在各自的轴(d或q)上重现。也就是说，利用低通滤波器250滤波的d(或q)目标电流应当具有与由测得的电机相电流转换出的d(或q)电流相同的曲线。通过d、q电流的经延时的目标值isdreff和isqreff得到了重现的、转换到d、q坐标系中的电机相电流。根据两个电流isdreff和isqreff可以获知期望的负荷角：

对计算电机电流矢量的相位而言，两个相电流(例如isu和isv)可能就足够。第三相位(例如isw)可以根据两个已知的相电流来获知，例如：

isw＝-isu-isv(方程5)。

通过结合方程6进行的电机相电流的转换可以获知isα和isβ，即，在α、β坐标系内的电流：

由此可以获知电机的相电流矢量(或电流向量)的相位(或角度)θis：

在方程4和方程7中应当注意，分母可以等于零，从而在这些情况下，可以与分子符号有关地获知反正切而无需做除法。

因而，电角度θel2可以经由第二途径并且与转子机械角度θmech无关地计算出，并且可以与根据方程1计算出的电角度θel1进行比较。通过比较根据方程1和方程3得到的两个电角度θel和θel2可以监控电机的状况，尤其是转子位置传感器的状况。如果这两个电角度θel1和θel2相等或仅具有微小的偏差，则位置传感器正常。如果偏差应当引起注意，例如超过预定阈值，则可以通过监控层评估这些偏差。有不同的用于评估偏差的方法，例如形成中间值、关于时间对偏差积分等，以便检测故障。所选的途径取决于应用并由本领域技术人员来确定。

此外，在获知经滤波的d和q目标电流的负荷角θlast和相电流矢量的相位θis时应当注意，应存在足够高的相电流。因而电机电流应当如下这样升高：使得一方面转矩不会变化，而另一方面在电机中有足够的相电流流动。这通过输入无功电流isd实现。因为无功电流isd不参与或以可忽略不计的方式参与转矩的产生，所以其升高导致电机相电流的升高。取决于电流传感器的信号测量噪声地，仅在最小相电流isamplmin情况下才可以实现对电机电流的正确解算，从而始终保持或确保电流的这个最小值，以便可以将噪声对获知电流矢量相位θis和获知期望的负荷角θlast的影响保持得很小。这可以通过取决于电流振幅isampl计算出电流预给定来实现，以便一方面确保电流振幅足够大，而另一方面确保转矩不发生变化。通过方程8实现电转矩tel的计算：

由于互联磁通满足ψpm＞＞(lsd-lsq)·isd并且针对电流isd很小时满足(lsd-lsq)·isd≈0，电机的电转矩仅取决于isq并且转矩的磁阻项[3/2*zp*(lsd-lsq)*isd*isq]是可忽略不计的。

如果电机满足条件lsd＝lsq，则甚至不会出现转矩磁阻项。转矩不会受到isd的影响。如果电机具有磁阻分量(lsd≠lsq)，则可以根据方程8通过两个电流选出期望的转矩，使得达到最小电流幅值。这仅在转矩非常小时是必需的。自转矩目标值起，电流isq从一开始就足以维持相电流振幅的最小幅值。

相电流振幅isampl可以按照以下方式计算出：

为了确保电机内的最小电流isamplmin可以根据下列方程重新定义isd目标值isdrefneu：

其中，isdref是for初始所需的d目标电流。

图4示出具有扩展的监控部的图2所示for，扩展的监控部通过比较在较小转速范围内以及在静止状态下的电机电角度对转子位置传感器和驱动装置状况进行扩展监控。在此，结合方程1通过测得的转子机械位置θmech和psm电机100的极对数zp经由第一途径直接计算出电机电角度θel1。

经由第二途径，结合相电流isu、isv、isw和利用滤波器250滤波的电流目标值isdreff、isqreff或通过方程9至11校正的新的目标电流值isdrefneu(代替电机在d、q坐标系内的目标电流值isdreff)通过方程4、方程6和方程7计算出电机100的电角度θel2。因为for在较小转速范围内和静止状态下始终具有足够的电压裕量，所以以经调整的期望动态特性调设所需的d、q目标电流。为了在电角度θel的第二计算方案中不使用机械角度θmech的信息，使用重现的d、q电流isdreff、isqreff。d、q电流的重现通过至少一个滤波器250来实现，一个或多个滤波器在各自的轴(d、q)上表现出相同的调节器动态特性。利用经滤波的d、q目标电流isdreff、isqreff可以获知期望的d、q电流以及因而也获知期望的负荷角(参见方程4)。借助于测得的相电流，结合方程5至7获知相电流矢量的角度(或相位)θis。利用方程3得到电机的估算的电角度θel2，将其与根据方程1直接计算出的电角度θel1进行比较260。如果这两个角度相同或仅具有非常小的偏差，即，偏差在预定的容差界限内，则转子位置传感器230正常并且电机100的调节无故障运行。

如果观察到较大的偏差，即，其例如超过预定的阈值，则该偏差可以通过监控层300进行评估。有不同的用于评估偏差的方法，例如形成中间值、关于时间对偏差积分等，以便检测故障并且分别对识别出的偏差或识别出的故障做出不同反应。在发现故障状况时，可以关闭驱动装置，以免引起不受控的状态，或者可以进行再调节。要采取的措施取决于应用并由本领域技术人员来确定。

图5示出根据本发明的实施方式的、图4的控制的无故障的模拟曲线。x轴的单位在图5至图7中是秒。在图5中可以看出，电机的d、q电流(第二和第三图)跟随目标值并且与经滤波的d、q电流相协调。d电流目标值暂时升高，以便维持相电流振幅的最小幅值。根据方程1和方程3的两个电角度是相同的并且仅有非常小的偏差(第四和第五图)。针对估算的转速和直接利用它们由位置传感器计算出的转速(第六图)也是相同情况。这些偏差是可忽略不计的。

图6示出根据本发明的实施方式的、图4的控制的具有180°电角度偏移故障的模拟曲线。测量图的顺序相应于图5的顺序。模拟在与图5相同的条件下进行，其中，在模拟运行时间的时间点t＝0.1s附加地重现了转子位置传感器内的故障。由于传感器在电机轴上滑动，可能出现角度偏移。在这种情况下，示出极端情况，模拟了180°的电角度偏移，这相应于在极对数zp＝5情况下转子机械位置的36°的偏移。可以看到，电机的d、q实际电流自t＝0.1s起与d、q目标电流相比沿相反方向延伸，虽然经滤波的目标电流具有与目标电流相同的方向。这可能导致危险状态，即，例如不是加速而是进行制动，也就是电机朝向错误的方向运行。此外可以看到，估算的电角度具有+-180°的差，这传导至监控层，从而可以实现监控层对这种状态的快速反应并且同时可以采取适当的措施。

图7示出根据本发明的实施方式的、图4的控制的具有逆变器内的故障的模拟曲线。模拟在与图5相同的条件下进行，其中，在模拟运行时间的时间点t＝0.2s附加地重现了逆变器内的故障。测量图的顺序相应于图5和图6的顺序。在此，在时间点t＝0.2s，u相中靠上的mosfet持续短路。可以看到，电机的d、q实际电流自t＝0.2s起到达不受控的状态，它们不再跟随d、q目标电流。这可能导致危险状态，例如，电机朝向错误的方向运行。相电流变得更大，这可能导致逆变器毁坏。此外，电机可能由于转子的部分去磁或完全去磁而持续受损。估算的电角度具有较大差值，其传导至监控层，由此可以实现监控层对这种状态的快速反应，从而实现快速保护驱动装置。

例如由示例性的模拟看出，拓展的用于监控电机电角度的设计不仅可以断定转子位置传感器内的故障，而且也可以断定逆变器内的故障(例如mosfet短路、mosfets失灵等)或电机故障(例如缺相、线圈内的短路等)，从而也可以及时采取相应措施保护驱动装置。

用于监控整个驱动装置的诊断可能方案对于产品安全性以及满足针对许可的特定的标准是重要的。利用本发明的设计也可以在静止状态和较小转速范围内监控电机(和进而还有转子位置传感器)的电角度，这通过迄今为止已知的方法是无法以简单且无干扰的方式和方法来实现的。通过本发明的设计无需像在注入方法中那样输入高频信号(声学问题)。因而取消了例如用于昂贵的电流传感器、快速而昂贵的a/d转换器和微控制器等的费用。通过在整个转速范围内(即，也在较小转速和静止状态下)监控电机的电角度，相比传统的基于emk的方法获得了更安全且改进的监控。附加地，还可以良好地监控转子位置传感器的功能性并及时识别出故障，从而可以采取合适的措施，以避免由于出现故障或由于转子位置传感器失灵导致的不受控和危险状态。

附图标记列表

100旋转场电机

101转子

102转动轴线

103永磁体

u、v、w相的电流矢量或电流向量

ψpm永磁体的磁通

θel1电机的电角度，通过方程1计算出

θel2电机的电角度，通过方程4-7计算出

θmech电机的机械角度

205控制组件

210转换器

215向量调制器

220脉冲逆变器

225探测装置/电流传感器

230位置传感器

240解耦器

250滤波器

260比较装置

300监控层

zp电机极对数

方程1基于θmech和极对数zp计算θel1

方程3～7基于相电流和受调节的在d、q坐标系中的目标电流计算θel2

方程9～11基于电机内的最小电流isamplmin计算新的isd目标值isdrefneu