用于估计角度传感器的角度偏移量的方法和装置与流程

本发明涉及电驱动系统，更具体地涉及对附接至永磁同步电机的角度传感器的角度偏移量进行估计。

背景技术：

角度反馈用于各种电驱动应用。例如，电梯系统可以包括这样的电驱动器。典型的电梯系统包括悬挂在绕经曳引轮的线缆上的配重和电梯轿厢。当电梯在使用时，电动机可以驱动曳引轮的轴，以移动电梯轿厢和配重。当电梯不使用时，可以使用制动器来手动地防止曳引轮的轴旋转。

使曳引轮旋转的电动机可以是例如感应电动机。感应电动机的转速可以通过使用齿轮系统而降低到更适合于电梯的水平。替代性地，可以使用慢旋转、高扭矩的永磁同步电动机。因此，可以省略齿轮系统，并且电动机可以直接附接至曳引轮的轴。以这种方式，可以实现电梯系统在空间需求和成本效益方面的改进。

出于安全原因并且为了保证高质量的控制，电梯应用中的永磁同步电动机的控制系统可以实现为通过来自电动机的转子的角度反馈进行的扭矩控制。然而，在将角度传感器引入到系统中之后，由角度传感器产生的角度信息通常与实际转子角度不对应。相反，在感测角度与实际角度之间可能存在恒定的角度偏移量。该角度偏移量可能要在能够使用电梯之前确定。在确定角度偏移量之后，偏移量可以添加至在操作期间由传感器测得的角度。

通常，转子角度测量中的偏移量可以通过向电动机施加dc电流并且通过假设电动机能够根据所施加的电流校准自身来确定。随后可以通过所施加的dc电流的角度与测得的角度之间的差来确定偏移量。然而，这种方法要求电动机可以自由转动。这在电梯应用中例如由于电动机的机械安装可能已经在变频器调试之前完成而可能是有问题的。

替代性地，可以向电动机注入电压激励，并且可以根据由激励诱发的电流响应来确定转子的实际取向。然而，该方法需要磁路不对称(凸极)的永磁同步电动机，其中，电动机相电感根据转子位置而改变。因此，很难预先知道某个电动机是否适于信号注入法。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种方法和一种用于实现该方法的装置，以便减轻上述缺点。本发明的目的通过一种特征在于独立权利要求中所述的内容的方法和装置来实现。本发明的优选实施方式在从属权利要求中公开。

本公开描述了一种用于对包括永磁同步电动机的系统中的角度传感器的角度偏移量进行估计的两阶段式方法。永磁同步电动机配置成对轴进行驱动，并且角度传感器配置成对电动机的转子角度进行感测。当系统不使用时，制动器可以用于防止由电动机驱动的轴旋转。当不施加制动时，轴响应于作用在轴上的外部扭矩而自由旋转。

在第一阶段中，可以在短路测试中确定估计的角度偏移量的初始值。电动机的定子的各相被控制至共用电位(例如，控制电动机的变频器的dc链路的正dc电压电平或负dc电压电平)，并且释放制动器。由于外部扭矩，轴开始转动，并且电流被引入到定子各相中。基于这些相电流，可以确定定子电流矢量。随后可以通过确定定子电流矢量的角度来确定角度偏移量的初始值。

在第二阶段中，可以进一步利用外部扭矩的存在。可以控制电动机的扭矩使得其匹配外部扭矩，并且电动机可以保持处于零速度。当估计的角度偏移量对应于实际转子角度时，定子电流的值处于其最小值。例如可以通过从所估计的角度偏移量的初始值开始对角度偏移量的值进行微调来找出最小值。随后，所估计的角度偏移量的最终值可以是定子电流处于其最小值时的值。

根据本公开的方法可以在电动机已经耦合至载荷之后执行。该方法是快速的，因此在该方法期间的运动可以保持最小。该方法还能够在不知道电动机参数的情况下估计角度偏移量。

附图说明

在下文中，将通过优选实施方式并参照附图对本发明进行更详细地描述，在附图中：

图1示出了示例性电梯系统；以及

图2示出了在转子参考系和定子参考系中呈现的定子电流的简化图。

具体实施方式

本公开描述了一种用于估计角度传感器的角度偏移量的方法。角度传感器可以是包括永磁同步电动机和制动器的系统的一部分。角度传感器可以配置成感测永磁同步电动机的转子角度。该电动机可以是驱动例如轴的三相永磁同步电动机。该制动器可以联接至轴，使得当制动器关闭时，制动器手动地防止轴旋转。该系统使得当制动器打开时，轴自由旋转。该系统还包括用于作用在轴上的外部扭矩的源(与由电动机引起的扭矩形成对比)。

该系统可以例如是电梯系统，电梯系统包括悬挂在绕经曳引轮的线缆上的配重和电梯轿厢。永磁同步电动机可以驱动该曳引轮的轴，并且制动器可以设置成当制动器关闭时手动地防止曳引轮的轴旋转。电梯轿厢和配重彼此之间可以具有重量差，使得当制动器打开时，外部扭矩被引入到曳引轮的轴上。图1示出了示例性电梯系统。电梯系统包括悬挂在线缆13的端部处的电梯轿厢11和配重12。线缆13设置成绕过曳引轮14的外周。曳引轮14的轴15由永磁同步电动机16驱动。当不使用电梯系统时，制动器17防止轴15旋转。变频器18控制电动机16。在图1中，变频器18从角度传感器19接收电动机16的转子角度的测量值。

配重12可以适于电梯轿厢11的平均载荷，因此当电梯轿厢11为空时，配重12可以比电梯轿厢11更重。因此，在当电梯轿厢11为空时释放制动器17的情况下，配重12使得外部扭矩通过曳引轮14而施加到电动机上。扭矩开始向上拉动电梯轿厢11。例如，由配重12引入的扭矩可以是电动机16的额定扭矩的30％至70％。

根据本公开的方法要求在执行该方法的同时打开系统中的制动器，并且允许由电动机驱动的轴轻微地转动。在例如电梯系统中，这可能意味着电梯轿厢可能在执行该方法时轻微移动。

根据本公开的方法包括第一阶段和随后的第二阶段。在第一阶段中，执行短路测试以确定估计的角度偏移量的初始值。电动机的定子的各相连接至相同的电压电位，以使电动机的定子短路。可以使用例如控制永磁同步电动机的变频器来实现这一点。例如，该电压电位可以是变频器的dc链路的正dc电压电平、负dc电压电平或中性点。在变频器利用空间向量调制方案的情况下，可以控制变频器的逆变桥，以产生例如零向量。

随后可以打开制动器，并且由于外部扭矩作用在轴上，轴开始缓慢旋转。电动机的永磁体的旋转磁通感应出电压，并且当定子电路(例如通过频率转换器)短路时，可以在定子电路中检测定子电流。可以确定由轴的旋转引起的定子电流，随后可以基于所确定的定子电流来确定角度偏移量的初始值。在本文中，术语“定子电流”指的是由电动机的定子相电流形成的电流矢量。各相的电流被称为“相电流”。相电流之和假定为零。确定角度偏移量的初始值的实施方式之后在本公开中进行更详细地讨论。

在第一阶段之后，开始第二阶段。在第二阶段中，可以启用速度控制以使轴保持静止。校正的转子角度可以基于所估计的角度偏移量和由角度传感器感测到的转子角度来计算。可以控制电动机的扭矩使电动机的转速保持处于零速度。使用校正的转子角度作为反馈来控制扭矩。

当所估计的角度偏移量与实际转子角度对应时，定子电流的值为其最小值。为了找出最小量值，可以对所估计的角度偏移量的值进行微调。随后可以确定定子电流为其最小值时的角度偏移量的值，并且所确定的值可以用作最终的估计的角度偏移量。现在可以关闭制动器。在角度传感器是绝对传感器(与增量传感器相比)的情况下，可能不需要多次找出最终的估计的角度偏移量。通过根据本公开的方法确定的最终的所估计的角度偏移量可以存储在存储器中(例如，存储在变频器中)。同样，第二阶段可以以各种方式实现。在下面的段落中更详细地讨论了一些实施方式。

在第一阶段的一个实施方式中，确定定子电流的角度(在定子参考系中)可以包括使用锁相环路来锁定定子电流。随后可以通过锁相环路来确定该角度。替代性地，在另一实施方式中，在定子电流分量容易获得的情况下，定子电流的角度可以根据定子参考系中的定子电流分量来直接确定。随后可以基于定子电流来确定所估计的角度偏移量的初始值。由于定子的相在第一阶段中短路，因此相之间的电压为零。因此，转子参考系中的定子电压矢量的分量ud和uq可以由下面的等式表示：

其中，下标d表示转子参考系中的直轴(d)分量，下标q表示转子参考系中的交轴(q)分量；i指的是定子电流矢量的分量；l指的是转子的电感的分量；ψ指的是定子磁通的分量；r表示定子电阻；ψpm表示转子的永磁体的磁通；以及ω表示转子的转速。

在通过将定子相位切换成短路而引起瞬时瞬态电流已经消失之后，可以假定定子电流相对较缓慢地改变。因此，等式(1)中的磁通的时间导数可以假定为较小的，并且可以从等式(1)中省略。因此，可以如下计算转子参考系中的定子电流的直轴分量id和交轴分量iq：

然而，由于转子角度尚是未知的，因此不可能计算转子坐标中的d分量和q分量。在实践中，仅定子参考系中的定子电流分量ix和iy可用。

图2示出了在转子参考系和定子参考系中表示的定子电流的简化图。在图2中，定子参考系示出为具有x轴和与x轴垂直的y轴。转子参考系示出为具有直轴(d轴)和与d轴垂直的交轴(q轴)。直轴与电动机的永磁体(pm)通量对准。在图2中，示出了定子电流矢量i。定子电流矢量i可以表示例如三相永磁同步电动机的定子绕组的正弦相电流。相电流的和假定为零。图2还示出了定子电流矢量的直轴分量id和交轴分量iq。直轴分量id表示定子电流矢量i在d轴上的投影，而交轴分量iq表示定子电流矢量i在q轴上的投影。定子电流矢量及其直轴分量之间具有角度θi,dq。通过确定该角度，可以获得估计的角度偏移量。

定子电流矢量及其直轴分量之间的角度θi,dq可以根据交轴分量iq与直流分量id的反正切来计算。等式(2)给出这些分量的近似值。基于等式(2)，可以将分量之间的比率减小成定子电阻r与转子的转速ω和转子的交轴电感分量lq的乘积之间的比率。因此，角度θi,dq的近似值可以基于该比率如下所述地计算，例如：

在执行根据本公开的方法的第一阶段之前，定子电阻r和交轴电感分量lq可以是已知的。在一些应用中，例如，这些电动机参数可以在第一阶段之前通过识别运行来确定。

在转子参考系中表示定子电流矢量及其直轴分量之间的角度θi,dq的增量可以基于该比率计算，并且一旦已知定子电流的角度，就可以将该增量加到定子电流的角度，以形成估计的转子角度。根据转子的旋转方向，增量可以具有正号或负号。所估计的角度偏移量的初始值可以随后基于转子的所估计角度与由角度传感器感测的转子角度之间的差来计算。

等式(3)中的转速可能由于短路的永磁同步电动机以接近零速(例如小于电动机的额定速度的5％)的速度旋转而是较小的。因此，定子电阻r与转速ω和交轴电感分量lq的乘积之间的比率较高。在等式(3)中，随着比率增大，所得角度(从低)接近90度。由于该高比率，不同电动机的电动机参数之间的差异对于所得到的角度而言变得不明显。因此，代替通过识别运行来确定电动机参数，可以在计算增量时使用电动机参数的预定的典型值。直轴分量与交轴分量之间的比率可以使用预定值。在转速于第一阶段期间可以假设保持接近零速度的情况下，增量可以被赋予例如100度的预定值。

接下来，对根据本发明的方法的第二阶段进行更详细地讨论。在第一阶段中已经确定了估计的角度偏移量的初始值之后，可以开始第二阶段。在第二阶段期间，对所估计的角度偏移量的值进行微调。制动器可以保持打开，并且速度控制器可以用于控制电动机的转速。速度控制器可以使用零速度参考以使轴保持静止。在例如电梯系统中，这意味着电梯轿厢保持不动。速度控制可以输出用于扭矩控制器的扭矩基准。

在控制速度/扭矩时，可以基于所估计的角度偏移量和由角度传感器感测的转子角度连续地或周期性地计算校正的转子角度的值。扭矩控制器可以控制电动机的扭矩，以在使用所校正的转子角度作为反馈时使电动机的转速保持处于零速度。

由于作用在轴上的外部扭矩(例如，呈在电梯系统中比电梯轿厢更重的配重引起的扭矩的形式)，电动机必须产生反扭矩，以保持轴不动。为了实现这一点，控制电动机的变频器可能必须为电动机的定子提供定子电流。定子电流的值取决于所校正的角度反馈的精度。当角度反馈与转子的实际角度对应时，定子电流的值为其最小值。

为了找出定子电流的最小量值，可以在控制速度/扭矩的同时对所估计的角度偏移量的值进行微调。以这种方式，可以找出定子电流的最小值，并且与该值对应的角度偏移量的值可以用作最终的估计的角度偏移量。存在用于找出最小量值的各种方法。

例如，在一个实施方式中，角度偏移量可以被赋予对在第一阶段中确定的角度偏移量的初始值周围的范围进行扫描的值。在扫描期间，当前定子电流的值可以与找出的最小定子电流的值进行比较。基于该比较，可以更新找出的最小定子电流的值和对应的角度偏移量的值。在所找出的最小定子电流小于当前定子电流的情况下，所找出的最小定子电流及其对应的角度偏移量保持不变。然而，在定子电流的当前值小于最小定子电流的情况下，存储最小定子电流及其角度偏移量的新值。当已经扫描了整个范围时，该方法得到了找出的定子电流的最小量值处的角度偏移量。

在另一实施方式中，对角度偏移量的初始值周围的范围进行扫描，同时存储多个数据点。每个数据点可以表示在角度偏移量处的定子电流值。随后可以基于数据点计算曲线，该曲线表示以角度偏移量为函数的定子电流的值。曲线可以通过使用例如曲线拟合算法来计算。曲线拟合算法可以是例如最小二乘法。基于该曲线，可以确定使定子电流的值最小化的估计的角度偏移量的值。

在再一实施方式中，第二阶段包括将具有相反符号但具有相同值的两个偏差值添加到所估计的角度偏移量的当前值。随后可以在偏离的角度偏移量处检测并存储定子电流的值。例如，角度偏移量的当前值可以注入小偏差值。偏差值的大小可以在两个不同符号的极值之间改变，使得偏离的估计的角度偏移量的当前值形成以当前角度偏移量为中心的正弦曲线。例如，可以测量并存储定子电流在正弦曲线的峰值和谷值处的值。

可以将所存储的值彼此进行比较，并且在所述值彼此相差大于设定极限的情况下，可以基于比较将角度偏移量的当前值更新为新值。所述值之间的差值指出了角度偏移量应该调整的方向。在更新角度偏移量的当前值之后，该方法可以通过将偏差值添加至角度偏移量的更新值来重复第二阶段。然而，在差值小于设定极限的情况下，角度偏移量的当前值可以用作最终的角度偏移量。

该方法及其实施方式可以例如在变频器上实现。变频器可以包括配置成执行根据权利要求中的任一项所述的方法的装置。例如，变频器可以配置成控制永磁同步电动机，并且该方法可以在变频器的控制单元上实施。

对本领域技术人员而言明显的是，本发明构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。尽管本公开中的示例主要考虑电梯系统来讨论根据本公开的方法，但该方法也可以在其他应用中使用，只要系统具有用于防止电动机的转子旋转的单独的制动装置并且在释放制动装置之后在转子上引入了外部转矩即可。