无传感器地确定无铁PMSM电机的转子的取向的方法与流程

本发明处于调节电子换向电机的领域。本发明涉及一种用于无传感器地确定无铁永磁同步电机（pmsm）的转子的取向的方法。

背景技术：

调节电子换向电机中的主题之一是转子的位置确定。转子的位置确定包括确定转子角，为此从现有技术中公知不同方法。

常规而言，转子的位置通过位置传感器、例如霍尔传感器或编码器来确定。在这些系统的情况下公知的是，位置传感器对系统的可靠性以及成本具有不利影响。

因此，为了降低成本和提高系统的鲁棒性，优选不同的用于确定转子的位置的无传感器方法，其中为了位置确定，尤其是充分利用电机的各向异性、饱和效应、转子结构中的非对称性或者转子偏心性。

无传感器确定的一种方案在于测量由于转动的永磁体造成的感应电压（emk）并且分析过零点。但是该方法所具有的缺点是，需要转子的最小转速，以便获得足够大的emk的幅度以用于位置确定的足够的信噪比。在静止状态下，该方法在原则上是不合适的。在实际中，电机因此常常在不知道转子位置的情况下通过专门的起动过程被致动，以便达到可借助于emk来应用测量方法的最小转速。

另一用于确定转子位置的方法是inform方法（indirectfluxdetectionbyon-linereactancemeasurement，通过在线电抗测量的间接磁通探测），该方法由m.schroedl研发，并且例如在etep（卷1，no.1，1991年1月/2月,第47-53页）中予以了描述并且适用于静止状态以及低转速。在inform方法中，分析相的由于确定的测试电压矢量造成的电流升高，以便确定不同空间矢量方向上的复数定子电感。然后从定子电感中确定转子位置。用于无铁pmsm电机的所述方法的缺点是，在施加电压矢量时出现的高电流，所述高电流可能导致电流的畸变并且随着这些畸变导致摆矩。

ep2924870a1描述了一种用于确定多相电机的转子尤其是在静止状态下的位置、即转子角的方法。该方法包括下列步骤：在电机的相上施加电压；测量相中的电流；基于所测量的电流确定转子位置。转子位置的确定基于在电机的相处具有电压零的周期期间所测量的电流值。

在所描述的用于确定转子位置的方法中确定转子角，其中转子的取向（或极性）在原则上保持为不确定的。也就是说，在转子位置的确定中存在180°的不确定性。

在公知方法中，转子的极性可以在使用饱和效应的情况下被确定，其方式是，在所估计的d方向上引入定子绕组中的电流。在正d方向上的电流的情况下，饱和提高，而在负d方向上，饱和减小。在inform方法中，例如可以通过在所预料的d方向上施加电流来确定转子的极性，其中当电流在正d方向上被引入时电流升高更大。在此，所施加的电流必须足够大，以便导致磁通的显著改变，其中所施加的电流越大，该方法就越好地发挥作用。尤其是在具有无铁线圈的电机中，这所具有的缺点是，电流应当为如下大小：在所述大小的情况下，电机和控制电子设备将受到损伤。此外，这不利地导致，在所施加的电流的所预料的d方向与实际d方向存在偏差的情况下，生成转矩，该转矩能够导致转子的可能显著的运动。

在例如由d.basic,f.malrait和p.rouchon在industrialelectronics（ieee学报,卷58,no.9,第4010-4022页）中描述的另一公知方法中，通过以下方式确定转子的位置和极性，即将谐波电流引入到定子中，该电流导致转子的振荡。emk的所感应的振荡可以在定子电压中在引入频率的情况下被测量，其中转子的空间位置可以由定子电压的这些频谱分量的相位来确定。在具有磁凸极比（schenkligkeit）的电机的情况下，为了确定转子的极性，在双倍频率下使用附加的谐波电流调节器，其中极性可以从二次谐波电压分量中推导出。在没有磁凸极比的电机的情况下，必须再次动用饱和效应。基于转子振荡的方法的缺点是，振荡可能导致转子的显著运动、尤其是偏转高达+/-60°，以便获得可靠结果。

技术实现要素：

在无刷电机之中，无铁或无槽电机为大量应用提供决定性的优点、诸如没有磁齿槽转矩、高效率、小电感等等。但是除了这些优点以外，这些电机的特性通常要求用于调节电机的替代方法。例如，在位置确定方面，各向异性在所述电机的情况下是小的，并且位置确定不能或仅能有限地基于磁阻各向异性来执行。同样，基于饱和效应的公知方法不能或仅能有限地被应用。

此外，针对无铁pmsm电机尤其是在医学技术、比如牙科技术或胰岛素泵中的重要应用领域，不期望或不允许大的运动。因此在静止状态中的位置确定方法是所期望的，在所述方法中，仅仅生成小的运动，其中这些方法出于开头提到的原因应当无传感器地发挥作用。

这些考虑既适用于转子角的确定，又适用于转子的取向或极性的确定。

因此，本发明的任务是，提供一种用于确定无铁pmsm电机的取向的方法，所述方法关于这一点至少部分地改善现有技术。

该任务通过独立权利要求1和15的特征来解决。本发明的优选扩展方案在从属权利要求中以及在本公开中给出。

本发明涉及一种用于从已知转子角中无传感器地确定无铁pmsm电机的转子的取向的方法，包括下列步骤：

a）根据转子角确定转子系统；

b）在转子系统的形成转矩的方向上在电机的相上施加电压脉冲；

c）测量电机的相中的电流；

d）从所测量的电流中确定沿着形成通量的轴的预期反向emk；

e）通过对沿着形成通量的轴的预期反向emk和/或基于滤波器的累积函数进行时间积分来形成预期反向emk的积分；

f）从预期反向emk和/或累积函数的积分的符号中确定转子的取向。

本领域技术人员公知的是，转子系统是通过派克变换获得的转子固定的坐标系。在一个优选的扩展方案中，转子系统是在电机调节领域中公知的d/q转子系统，其中形成通量的方向是d方向或d轴，并且形成转矩的方向是q方向或q轴。

根据本发明的方法所提供的优点是，转子取向的确定可以以转子的小运动来实现。相较于现有技术，其中为了确定极性在形成通量的方向上施加电流（该电流必须大得足以获得显著的信号，这尤其能够对于无铁电机是有害的）或者其中基于转子振荡确定取向（这导致大的运动），在根据本发明的方法中，可以有利地保证转子的小运动，因为在形成转矩的方向上施加电压脉冲。因此，形成转矩的方向的与实际位置不同的估计有利地仅仅对有效造成的转矩具有小的影响。将已知转子位置或已知转子角用于确定取向提供了另一优点，即可以减小为了确定转子角所需的较大的不期望的转子运动，并且仅仅执行为了确定取向所需的运动。根据本发明的方法的另一优点在于，通过形成预期反向emk的积分，各个电压脉冲可以保持得小，并且因此降低不想要的大运动的风险。从预期反向emk的符号中可以确定取向，其中在负符号的情况下可以推断：转子的形成通量的方向与根据转子角确定的形成通量的方向指向相反，并且需要对所确定的形成通量的方向进行180°校正。在正符号的情况下，可以推断：所确定的形成通量的方向对应于转子的实际的形成通量的方向。

通过形成基于滤波器的累积函数或者其它类似方法，可以提高信噪比。在一定应用中，累积函数可以仅仅接受来自确定时间段的值。

根据本发明的方法尤其适用于无铁或无槽电机。但是本领域技术人员清楚的是，该方法也可以有利地用于具有铁芯的电机。

根据本发明的方法有利地与极数无关地同样适用于多相电机，例如该方法适用于双极以及四极电机。

转子的通过施加电压脉冲造成的总和运动优选地小于25°、特别优选小于10°。在另一特别优选的扩展方案中，转子的总和运动小于5°。

在该方法的一个优选扩展方案中，为了确定沿着形成通量的轴的预期反向emk仅仅使用在电机的相处电压为零时所测量的电流。

通常，该电流是在两个电压脉冲之间电压为零的周期中测量的。使用在电机的相处电压为零时测量的电流所具有的优点是，减小了对系统输入的依赖性，因为在电流值的确定中不再出现电压项。代替于此，有利地使用相继的系统输出之间的关系。因此，这有利地导致，系统变得对噪声和电压畸变更为鲁棒。此外，测量可以在更短时间内执行。

一旦预期反向emk的积分和/或累积函数达到预定阈值，则优选地中断电压脉冲的施加。

电压脉冲有利地仅仅被施加到直至预期反向emk的积分和/或累积函数大得足以使得能够确定积分的符号。因此可以将转子的运动继续最小地保持。

在该方法的一个优选扩展方案中，在施加电压脉冲以后施加至少一个反脉冲，所述反脉冲使转子运动回原始位置。

施加至少一个反脉冲所具有的优点是，保证转子在确定取向以后再次被带回其原始位置。所述至少一个反脉冲优选地被构造为使得所施加的电压脉冲恰好被补偿。由于在使转子向回运动时优选不执行测量和/分析，因此反脉冲可以具有与用于确定取向的电压脉冲相比更大的幅度。替代地或补充地，反脉冲之间的周期可以比电压脉冲之间的周期更短。替代地或补充地可以施加对一系列电压脉冲进行补偿的单个反脉冲。

在一个扩展方案中，在所确定的转子系统的形成转矩的负方向上施加反脉冲。

在另一扩展方案中，在所确定的转子系统的形成转矩的负方向上施加反脉冲，其中该反脉冲是所施加的电压脉冲的积分。

替代地，可以在转子的所确定取向的形成通量的方向上施加反脉冲。由于转子的取向在该方法的此时刻是已知的，因此反脉冲可以在转子的所确定取向的形成通量的方向上被施加，以便将转子转回其原始位置。

在一个有利的扩展方案中，在施加所述至少一个反脉冲以后施加补偿脉冲。补偿脉冲优选地用于使由所述至少一个反脉冲造成的在电机相中的电流与没有补偿脉冲相比更快地衰减。优选地，补偿脉冲沿着为了取向确定所施加的电压脉冲的方向、即优选地沿着转子系统的形成转矩的方向被施加。

在一个扩展方案中，电压脉冲是矩形脉冲，其中电压脉冲的幅度随着时间变化。

优选地，电压脉冲的幅度根据沿着形成通量的轴的预期反向emk的幅度而改变。

通常，预期反向emk的幅度依赖于系统或电机的机械部件的通常未知的惯性矩和所施加的电压的幅度。该依赖性可以有利地被用于提高电机的速度并且加速电机取向的确定。电压脉冲的幅度尤其是可以随着时间根据预期反向emk的幅度而被提高，以便加速转子取向的确定。

替代地或补充地，两个电压脉冲之间的时间变化。

尤其是根据所确定的预期反向emk来改变所施加的电压脉冲的方案是有利的，因为提供了附加调节方案并且提高了方法的灵活性。

在该方法的一个扩展方案中，沿着形成通量的轴的预期反向emk被滤波。

滤波器有利地用于减少测量噪声并且将提高信噪比。

在一个扩展方案中，为了确定沿着形成通量的轴的预期反向emk对多个测量点上所测量的电流取平均。

替代地或补充地，为了确定沿着形成通量的轴的预期反向emk而使用卡尔曼滤波器或者龙贝格观测器。

在该方法的一个优选扩展方案中，已知转子角被确定，包括下列步骤：

a）在电机的相上施加电压脉冲；

b）测量相中的电流；

c）从所测量的电流中确定转子角，其中为了确定转子角仅仅使用在电机的相处电压为零时所测量的电流。

用于确定已知转子角的该方法所具有的优点是，该确定基于相继的系统输出之间的关系并且减小了对系统输入的依赖性。此外，有利地提高了对噪声和对电压畸变的鲁棒性。这样确定的转子角有利地提高了转子位置的精度，这对转子取向的确定产生有利影响，而不降低方法的效率。

附图说明

下面将根据实施例结合附图和所属描述进一步阐述本发明。其中：

图1示出了所施加的电压脉冲在d/q系统中的示意图；

图2示出了电机的相中的所测量的电流的图示；

图3示出了被变换到d/q系统中的电流的图示；

图4a、b示出了沿着d轴的预期反向emk和预期反向emk的积分的图示；

图5示出了转子位置在施加电压脉冲期间的位移的图示。

具体实施方式

图1示出了所施加的电压脉冲在转子的所确定的d/q系统中的示意图，所述d/q系统已经根据已知转子角被确定。在上方的图表中相对于时间（x轴，以ms为单位）示出了沿着所确定的d轴的电压（y轴，以任意单位）。在下方的图表中相对于时间（x轴，以ms为单位）示出了沿着所确定的q轴的电压（y轴，以任意单位）。该转子角来自在取向确定以前或在施加电压脉冲以前执行的位置确定方法。任意地确定沿着已知转子轴的方向作为d轴的取向，使得保持180°不确定性。如图1中可见，沿着转子的所确定d/q系统的q方向施加一系列电压脉冲。直至t=17ms，施加正电压脉冲。在该方法的所示实施例中，正电压脉冲的幅度变化，但是令所述电压脉冲的周期恒定。替代地或补充地，电压脉冲的周期也可以变化。通常，反向emk依赖于机械系统的通常未知的惯性矩以及电压脉冲的幅度。因此，电压脉冲可以在反向emk的输出以后变化，以便能够更快地确定转子的取向。在t=17ms以后，确定转子的取向。在确定转子的取向以后，施加一系列负的反脉冲，其中所有负的反脉冲都具有相同幅度。反脉冲被选择为使得已经由于所述系列正电压脉冲而运动了角度α的转子再次运动回其原始位置。由于在转子回到原始位置期间不必分析信号，因此反脉冲之间的周期可以短地被保持。同样可以将反脉冲的幅度选择为大于正电压脉冲，因为针对每电压脉冲可以容忍更大的运动。在该系列负的反脉冲以后，施加补偿脉冲，该补偿脉冲用于使由反脉冲造成的在电机相中的电流与这在没有补充脉冲的情况下相比更快地衰减。

图2示出了电机的三个相中的所测量的电流（a、b、c电流）。第一图表上方相对于时间（x轴，以ms为单位）示出了a相中的电流（y轴，以任意单位）。第二图表中间相对于时间（x轴，以ms为单位）示出了b相中的电流（y轴，以任意单位）。第三图表下方相对于时间（x轴，以ms为单位）示出了c相中的电流（y轴，以任意单位）。沿着所确定的d/q转子系统的d轴的电流使得能够确定沿着d轴的预期反向emk。为此目的，将电机的相中的电流按如下方式变换到d/q转子系统中：

在此，θ表示之前确定的转子角。

图3示出了被变换到所确定的d/q转子系统中的电流。上方的图表相对于时间（x轴，以ms为单位）示出了沿着所确定的d轴的电流（y轴，以任意单位）。下方的图表相对于时间（x轴，以ms为单位）示出了沿着所确定的q轴的电流（y轴，以任意单位）。从沿着d轴的电流中的电流中可以确定沿着d轴的预期反向emk，其中在所示出的实施方式中，在电机的相处的电压为零时的电流被使用。（在具有电压零的周期中）描述相关电流样本的电流的动态方程为：

其中α是依赖于电阻和电感的电机参数，并且可以通过已知电机识别方法来确定。gemkd是沿着的d轴的反向emk或者投影到所确定的d/q转子系统的d轴上的反向emk，该反向emk是从所测量的电流中确定的。用r对不同周期进行编号，也就是说，反向emk可以从沿着d轴的相继电流样本中确定。沿着d轴的用于取向确定的预期反向emk可以直接从动态方程中计算，并且通过多个测量点来取平均。替代地或补充地，可以使用卡尔曼滤波器或龙贝格观测器。

图4a示出了从动态方程中并且通过取平均所获得的沿着d轴的预期反向emk。反向emk（y轴，以任意单位）是相对于时间（x轴，以ms为单位）绘出的。图4b示出了预期反向emk的积分，该积分通过图4a中的沿着d轴的预期反向emk的时间积分来确定。反向emk（y轴，以任意单位）的积分是相对于时间（x轴，以ms为单位）绘出的。在t=17ms时，预期反向emk的积分达到预定阈值，在该阈值的情况下确定反向emk的积分的符号。在附图中，积分的符号在达到阈值时为负的，据此可以确定：转子的取向与所确定的d轴相反。在t=17ms时达到阈值并且确定转子取向以后，中断电压脉冲的施加，并且代替于此根据图1在q方向施加一系列负的反脉冲，以便使转子转回其原始位置。如图4a中可见，电压脉冲的幅度的变化导致：沿着d轴的预期反向emk的幅度增加并且预定阈值被更快地达到。转子的取向的确定因此可以被加速，而转子的运动同时被保持得小。

图5示出了转子的位置在图1-4中示出的用于确定转子取向的方法期间的位移。位移角（y轴，以度°为单位）是相对于时间（x轴，以ms为单位）绘出的。由于电压脉冲的施加，转子位置或转子角逐级地改变。在附图中示出的转子角是通过增量编码器确定的，以便以独立方式表示在用于确定取向的方法期间的位置发展。但是增量编码器通常不是根据本发明的组成部分或不是为了确定转子的取向所必需的。附图示出：电压脉冲仅仅导致转子角的小位移，并且转子的整个运动在机械上小于4°。位移的最大值在t=17ms时达到，在那里中断电压脉冲的施加。反脉冲导致转子逐步运动回其原始位置。尽管根据图1的反脉冲在大致1ms的短时期期间被施加，但是为了整个返回运动需要大致20ms。其原因是机械系统的惯性。