用于电动机转子位置确定的方法和装置与流程

提供了用于提供电动机的电动机转子位置信息的方法和装置，更具体地，提供了用于在不使用直接耦接到转子的传感器并且不使用预定的电动机特性或模型的情况下提供电动机转子位置的方法和装置。

背景技术：

闭环运动控制系统可使用位置反馈以显著增强对轴的速度和位置控制。运动控制系统使用不包括电刷的电动机(即无刷电动机)已经变得越来越普遍，因为这种电动机可具有不需要维护电刷的显著优点。然而，为了将电动机内的磁场换向(commutate)以使实现可接受的速度或位置控制，知悉电动机转子位置可能是有用的，并且在某些情况下是必需的。

技术实现要素：

本申请讨论了在不使用预定的电动机参数或模型(除了电动机的相数以外)的情况下用于提供电动机的无传感器的转子位置信息的技术。在某些示例中，当零电压矢量被施加到电动机绕组时，可以使用相电流的样本来提供电动机转子位置信息。

在一个示例中，方法可以包括对电动机的在一个或多个零矢量期间的相电流进行过采样，将电动机的转子的位置与该电动机的相电流的斜率的变化关联，以及使用该关联来提供相对于电动机的相绕组的位置的第一转子位置信息。在一些示例中，电动机可以是永磁电动机。在一些实例中，电动机可以是交流(ac)电动机，包括ac感应电动机。

本发明内容旨在提供本专利申请的主题的概述。它不旨在提供本发明的排他的或穷尽的解释。引入具体实施方式以提供关于本主题的进一步的信息。

附图说明

在附图中，相似的数字在不同的视图中可描述相似的部件，其中附图不一定按比例绘制。具有不同字母后缀的相似的数字可表示相似部件的不同实例。附图通过示例而非限制的方式来一般性地说明本文献中讨论的各个实施例。

图1一般性地示出了根据本主题的各个示例的系统。

图2一般性地示出了多相电动机的横截面。

图3一般性地示出了电动机的相移的bemf电压。

图4一般性地示出了电动机电路。

图5一般性地示出了与两电平三相逆变器相关联的电压矢量。

图6一般性地示出了在零电压矢量期间的三相电动机电路的示例。

图7一般性地示出了在电动机旋转时电动机一相的电流。

图8一般性地示出了包括用于使用零电压矢量的相电流信息来提供转子位置信息(θr)的检测电路的示例系统。

图9对于三相电动机一般性地示出了图8的检测电路的示例输出(θa,θb,θc)。

图10一般性地示出了包括附加处理部件以提供高分辨率的电动机转子位置信息的示例系统。

图11一般性地示出了用于提供电动机转子位置信息的示例方法的流程图。

具体实施方式

无刷闭环电动机控制系统通常可以依靠电动机转子位置来提供最优性能。可以通过直接测量(例如通过编码器(encoder)或旋转变压器(resolver))或者通过基于电动机的模型或电动机系统的模型估计转子位置的算法来获得电动机转子位置。由于在后一类别中不使用位置传感器，所以这些方法通常被称为无传感器的。本发明人已经识别了用于对电动机的参数变化不敏感的电动机转子位置的无传感器测量的装置和方法。在某些示例中，在电动机相电流中发现的高次效应可以允许在系统不需要使用电动机的预定参数、电动机的模型或包括电动机的轴的模型的情况下对电动机转子位置的准确、精确的测量。

图1一般性地示出了根据本主题的各个实施例的系统100。在特定示例中，系统可以包括多个相(多相)电动机101、放大器或功率级(powerstage)102以及控制器103。在某些示例中，电动机101可以是感应电动机(诸如交流(ac)感应电动机)，这对于商业使用和消费产品二者都非常普遍。感应电动机也非常鲁棒，因为该电动机不使用电刷或磁体来促进正常运行。在一些示例中，电动机可以是永磁电动机，这种电动机可以包括无刷dc电动机和永磁ac电动机。

在某些示例中，功率级102可以包括用于将电源总线(vin)转换为电力信号以使电动机101运动的开关。在某些示例中，电源总线(vin)可以是dc总线。在一些示例中，功率级102可以包括输入功率级以接收输入功率，并且将其转换为对于电源总线适当的电压和类型。例如，输入功率级可以接收ac电压并且将其转换为dc总线。电动机101的绕组中的电流可以依赖于功率级102的开关状态。例如，对于使用dc总线的系统，功率级102可以将电动机的任何绕组与正dc电源轨或负dc电源轨连接。绕组电感可以作为低通滤波器，因此在开关周期期间的平均绕组电流随平均绕组电压和电动机感应电压(有时被称为反电动势(bemf))变化而变化。在某些示例中，控制器103可以提供用于功率级102的命令信息以调节平均绕组电压来控制电动机电流、扭矩、速度或位置。在某些示例中，系统100可以包括一个或多个反馈设备(未示出)以提供转子位置或转子速度信息。虽然功率级102和控制器103可以在没有任何电动机转子位置反馈的情况下生成电动机运动，但是在控制器103处，知悉转子位置可使得能够进行对电动机101的加加速度(jerk)、加速度、速度和位置的精确控制。

图2一般性地示出了多相电动机201的截面。电动机201可以包括转子210、定子211和与定子211的极相关联的多个相绕组212、213、214。一般来说，相绕组212、213、214可被电驱动以生成与转子210的磁场耦合的旋转磁场。转子210可旋转以试图对准每个磁场的磁极。电动机驱动器可以按顺序电驱动每个相绕组212、213、214，以使转子210连续旋转。在转子210旋转时，它可以在相绕组212、213、214中感应出bemf电压。如图3所示，这些bemf电压ex(t)(其中x是绕组)可以与转子位置有直接关系，其中“ex(t)”是感应出的bemf电压，并且θr是转子位置。在三相电动机中，相b比相a滞后120°。因此，bemf电压可以是具有相移的正弦函数，如图3所示。因此，当bemf波形已知时，转子位置(θr)也是已知的。然而，知悉bemf波形可能需要知悉电动机201的细节，例如仅列举一些，绕组电感和绕组电阻。

图4一般性地示出了包括绕组电阻(rx)、绕组电感(lx)以及bemf源(ex)的电动机电路420。例如，当由逆变器驱动时，相电压(vx)可由电压矢量描述，如图5所示。对于三相电动机，存在包括6个有效矢量(100、110、101、010、011、001)以及2个零矢量(111、000)的8个电压矢量(vx)。有效矢量是包括被逆变器激励的至少一相的矢量，例如，其中图4的相电压(vx)中的一个或多个与其它相电压不同。例如，矢量(100)可以指示由逆变器将正(+)总线电压施加到电动机的相a并且其他两个相(b、c)均耦接到负(-)总线电压的情况。零矢量(000)、(111)可以是施加到每个相的电压相同的情况，诸如通过将相耦接在一起、将所有相耦接到+总线电压或者将所有相耦接到-总线电压。图6一般性地示出了在零矢量期间的三相电动机电路620的示例。当施加零矢量时，bemf(ex)是电动机驱动电压，其中电动机阻抗限制电流(ix)。在某些示例中，在开关状态期间可以忽略电阻性阻抗，因而相阻抗是电感性的。

一般来说，对于正bemf，电感器两端的电压为负，因此电感器电流的变化或斜率(di/dt)也为负。类似地，对于负bemf，电感器两端的电压为正，并且电感器电流的变化或斜率di/dt也为正。如果bemf为零，在零矢量期间相电流中的变化di/dt也为零。因此，每个零矢量相电流的斜率的极性的变化指示该相的bemf已经过零。因此，可以建立相电流的斜率极性的变化与转子位置之间的直接关系。图7一般性地示出了在电动机旋转时电动机一相的电流，零电压矢量电流可以由相对平滑的曲线标识。在标记为701和702的零矢量之间，零矢量期间的相电流的斜率改变了极性，指示该相的bemf已经过零伏。在某些示例中，电路(诸如检测电路)可以包括定时逻辑、采样电路以及控制器以在零电压矢量期间对电动机的每个相的相电流进行过采样。murray等人于2016年8月25日提交的名称为“systemsandmethodsfordeterminingmotorparameters”的专利申请序列号15/247,635(其全部内容通过引用并入本文)讨论了用于对信号(诸如指示相电流的信号)进行过采样以及确定信号的斜率的装置和技术。在某些示例中，使用在零电压矢量期间接收到的多个相电流样本，最小均方根滤波器可用于确定相电流的斜率。

图8一般性地示出了包括用于使用零电压矢量的相电流信息并且不使用电动机参数(诸如绕组电阻和绕组电感)提供转子位置信息(θr)的检测电路804的系统800。系统800可以包括多相电动机801、放大器802以及检测电路804。在某些示例中，放大器802可以向多相电动机801提供电力，并且可以将多相电动机的相与电源(vin)按顺序连接，使得多相电动机801运动或提供扭矩。检测电路804可以包括用于接收来自多相电动机801的每个相的电流信息的传感器输入、用于接收来自放大器802的开关信息的输入、用于提供指示电动机801的转子位置的转子位置信息(θr)或编码器信号的一个或多个输出、以及用于处理接收到的传感器和开关信息并且提供编码器信号的逻辑。在一些示例中，电动机驱动器805可以可选地包括放大器802以及检测电路804。在一些示例中，检测电路804可以使用现有的电流传感器或者放大器802的现有的相电流信息。

在某些示例中，检测电路804可以包括：用于对相电流进行过采样并且确定多相电动机801的每一相的相电流的极性变化的一个或多个斜率检测器，用于在相关联的零电压矢量期间启动每个斜率检测器的计时器和定时逻辑，以及用于在有效电压矢量期间保持斜率检测器的输出的保持电路。

在零电压矢量期间对相电流的过采样以使得能够确定在零电压矢量期间相电流的斜率的方式来完成。直接的过采样可包括在单个零电压矢量期间提供相电流的两个样本，并且确定如使用对应于电流的轴和对应于时间的轴绘出样本的情况下连接这两个样本的直线的斜率。本主题的其它示例可以在单个零电压矢量期间对相电流采样多于两次。在这种示例中，检测电路804的一个或多个处理器、一个或多个斜率检测器或其组合可以使用多于两个样本来确定若干个斜率值。在某些示例中，可以使用若干个斜率样本来确定斜率为正还是为负。例如，在一些示例中，可以使用若干个斜率样本来确定在单个零电压矢量期间相电流的平均斜率。在一些示例中，可以使用若干个斜率样本或者多于两个电流样本来确定在单个零电压矢量期间斜率是否改变极性。在某些示例中，检测电路804可以使用若干个斜率样本或者多于两个相电流样本来确定斜率为正还是为负，确定在单个零电压矢量期间相电流的平均斜率，确定在单个零电压矢量期间斜率是否改变极性，或其组合。

在某些示例中，斜率检测器逻辑可以对于多相电动机的每一相提供转子位置信号。在某些示例中，每个转子位置信号可以包括与相电流斜率的极性的每个变化相关联的变换。图9对于三相电动机(诸如三相ac感应电动机)一般性地示出了检测电路804的示例输出(θa,θb,θc)，其与每一相的bemf电压信号(ea(t),eb(t),ec(t))一起绘出。当考虑转子位置信号的状态相对于其它转子位置信号的状态时，可以知悉±360/2n内的转子位置(当对于每个电气相存在一个磁极对时)。该式子对于电动机的每个电气循环总体成立，但是当电动机的磁极对的数量相对于电气相的数量变化时，该公式可能关于转子的机械位置而改变。

在某些示例中，系统800可以包括运动控制器803，运动控制器803可以被编程为向驱动器提供命令信号以使多相电动机801运动。在一些示例中，运动控制器803可以使用由检测电路804提供的转子位置信息(θr)来提供对多相电动机801的加加速度、加速度、速度、位置或其组合的精确控制。在一些示例中，电动机驱动器可以可选地包括放大器802、检测电路804和运动控制器803。

在某些示例中，可以基于电流在零电压矢量期间的斜率来进一步处理多相电动机的转子位置信息(θr)，以提供比±360/2n更高的分辨率。同样地，该进一步处理可以在不使用特定于电动机的参数或模型的情况下提供高分辨率转子位置信息(θ′r)。该进一步处理的基础是识别在零矢量期间的驱动电压为bemf电压。总体而言，多相ac电动机的bemf电压可以由基波正弦分量和一些高次谐波来近似。由于在多数电动机中基波分量起主要作用，所以bemf电压可以被视为正弦ac电压，又因为相阻抗为感性的，因此，电流在零矢量期间的斜率也将遵循正弦模式。

图10一般性地示出了示例性系统1000，示例性系统1000包括附加的处理构件，用于在不使用转子801的存储的参数或模型的情况下提供高分辨率转子位置信息(θ′r)。除了以上关于图8讨论的构件以外，系统1001可以包括锁相环(pll)电路1005。在某些示例中，相电流斜率的基波分量可以被馈送到pll电路1005，并且pll电路1005可以追踪电动机801的转子位置。即使bemf电压和电流斜率不是纯正弦，pll电路1005仍可以追踪基波分量并且提取转子位置。在某些示例中，pll电路1005的输出可以包括多个数字或模拟正弦信号，并且可以被解码以提供高分辨率的电动机转子位置信息(θ′r)。例如，在某些示例中，分辨率可能受到数字系统的分辨率(诸如系统1001中使用的数模转换器的分辨率或模数转换器的分辨率)的限制。在一些示例中，由pll电路1005提供的信号的数量可以等于或小于电动机801的相数。

在某些示例中，由图8和10的系统提供的转子位置信息(θr，θ′r)可以被运动控制器803用作反馈以提供对多相电动机801的加加速度、多相电动机801的加速度、多相电动机801的速度、多相电动机801的位置或其组合的闭环控制。在一些示例中，转子位置信息(θr，θ′r)可以被用作主轴位置(masteraxisposition)，并且附加的轴和电动机可以受主轴位置影响(slavetothemasteraxisposition)。在一些示例中，由零电压矢量期间相电流的极性变化得出的转子位置信息(θr，θ′r)可以被用作第二转子位置信息源，例如，从而为实际的转子位置传感器或另一种无传感器的转子位置生成技术提供支持。

图11一般性地示出了用于在不使用直接或间接地附接到电动机的转子位置传感器的情况下提供电动机的转子位置信息的示例方法1100的流程图。在1101，在零电压矢量期间，可以对n相电动机的相电流进行过采样，其中n是大于1或大于2的整数。在某些示例中，电动机可以是感应电动机。在一些示例中，电动机可以是无刷的永磁电动机。如以上讨论的，当施加有零电压矢量时，相的主要电压源是该相的反电动势电压。过采样允许确定电流在零电压矢量期间的斜率。在1103，可以将转子的位置与零矢量相电流的斜率变化关联。在某些示例中，该关联可以包括确定每一相相对于其它每一相的关系，将转子的参考位置与特定相的斜率变化相关联，以及基于相的零矢量相电流的极性变化和相与参考位置的关系来确定转子的位置。在1105，可以提供转子位置信息。在某些示例中，转子位置信息可以与电动机的特定的相绕组相关。在一些示例中，检测电路可以包括pll以提供转子位置信息。

各种注释和实例

在示例1中，一种用于确定电动机转子位置的方法可以包括：在n相电动机的每一相被电驱动以使所述n相电动机旋转时，在一个或多个零矢量期间对所述n相电动机的相电流进行过采样；将所述n相电动机的转子的位置与所述n相电动机的相电流的斜率变化关联；以及使用该关联提供相对于所述n相电动机的相绕组的位置的第一转子位置信息；其中n是大于或等于1的整数。

在示例2中，示例1中的所述关联可选地包括确定在所述一个或多个零矢量中的每个零矢量期间所述相电流的斜率。

在示例3中，示例1-2中的任意一个或多个中的所述关联可选地包括确定所述相电流的斜率的极性变化。

在示例4中，示例1-3中的任意一个或多个中的所述关联可选地包括使用所述相电流斜率的极性变化来识别所述n相电动机的转子的旋转位置。

在示例5中，示例1-4中的任意一个或多个中的识别第一转子位置可选地包括在360/(2n)旋转角度内识别转子位置。

在示例6中，示例1-5中的任意一个或多个中的所述关联可选地包括：对于n相中的每一相，确定在所述一个或多个零矢量中的每个零矢量期间所述相电流的斜率；对于每一相，确定所述相电流的斜率的极性变化；并且其中提供转子位置信息包括提供n通道转子位置信息。

在示例7中，示例1-2中的任意一个或多个中的方法可选地包括驱动所述n相电动机的每一相。

在示例8中，示例1-2中的任意一个或多个中的方法可选地包括：在锁相环pll处接收转子位置，以及使用所述pll提供第二转子位置信息，其中所述第二转子位置信息的分辨率高于所述第一转子位置信息的分辨率。

在示例9中，示例1-8中的任意一个或多个中的提供所述第一转子位置信息可选地不包括使用存储的与所述n相电动机相关联的参数。

在示例10中，示例1-9中的任意一个或多个中的所述n相电动机可选地是永磁电动机。

在示例11中，示例1-10中的任意一个或多个中的所述n相电动机可选地是感应电动机。

在示例12中，示例1-11中的任意一个或多个中的提供所述第一转子位置信息可选地包括生成指示转子位置的n个位置信号。

在示例13中，示例1-12中的任意一个或多个中的所述n个位置信号中的每个信号的变换可选地指示n相中的一相的相电流在所述一相的零矢量期间的极性变化。

在示例14中，示例1-13中的任意一个或多个中的方法可选地包括使用2ⁿ个电压矢量来驱动n相电动机的n个相。

在示例15中，一种用于提供来自多相电动机的电动机转子位置信息的电路可以包括：多个输入，被配置为接收所述多相电动机的相电流信息，每个输入与所述多相电动机的不同相相关联，并且所述相电流信息指示所述多相电动机的相电流；以及检测电路。检测电路可以被配置为：在所述多相电动机被驱动时，在多个零电压矢量期间对所述相电流信息进行采样；在所述多个零矢量中的每一相的每个零电压矢量期间确定所述相电流的斜率；对于所述多相电动机的每一相确定所述相电流的斜率的极性变化；并且对于所述多相电动机的每一相，使用所述相电流的极性变化来提供所述多相电动机的转子的第一转子位置信息。

在示例16中，示例1-15中的任意一个或多个中的所述控制器可选地不访问预存储的除了所述多相电动机的相数n以外的电动机参数以确定旋转位置，其中n是大于或等于1的整数。

在示例17中，示例1-16中的任意一个或多个中的所述检测电路可选地被配置为生成指示转子位置的n个信号。

在示例18中，示例1-17中的任意一个或多个中的电路可选地包括锁相环电路，所述锁相环电路被配置为接收所述n个信号并且生成第二转子位置信息，其中所述第二转子位置信息包括比所述第一转子位置信息更高的分辨率。

在示例19中，示例1-18中的任意一个或多个中的电路可选地包括功率级，所述功率级被配置为驱动所述多相电动机的每一相，所述功率级被配置为利用所述多相电动机来闭合速度环或转矩环中的至少一个。

在示例20中，示例1-19中的任意一个或多个中的电路可选地包括运动控制器，所述运动控制器被配置为向所述功率级提供速度命令或转矩命令中的至少一个作为命令信息；其中所述功率级被配置为从所述运动控制器接收命令信息并且根据所述命令信息来驱动所述多相电动机的每一相；并且其中所述运动控制器被配置为接收所述第一转子位置信息并且利用所述多相电动机来闭合位置环。

本文所描述的这些非限制性实例中的每一个都可以独立存在，或者可以按照与一个或多个其它实例的各种排列或组合来组合在一起。

上述具体实施方式包括对附图的引用，附图形成了具体实施方式的一部分。附图通过图示的方式示出可以实现本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也称为“实例”。这样的实例可以包括除了所示或所述元素以外的元素。但是，本发明的发明人还构思了仅提供所示或所述的那些元素的实例。而且，本发明的发明人同样构思了使用所示或所述的那些元素(或其一个或多个方面)的任意组合或排列的实例，要么关于特定的实例(或其一个或多个方面)，要么关于本文所示或所述的其它实例(或其一个或多个方面)。

如果在本文与通过引用方式并入的任意文献之间的用法不一致，则以本文的用法为准。

在本文中，如同在专利文献中所常见的那样，除了“至少一个”或“一个或多个”的任意其它实例或用法之外，术语“一(a)”或“一个(an)”被用来包括一个或多于一个。在本文中，术语“或”被用来指示非排他性的或，使得“a或b”包括“a但非b”、“b但非a”以及“a和b”，除非另有说明。在本文中，术语“包括有”以及“在其中”作为各自的术语“包括”和“其中”的普通英语等效词来使用。此外，在后面的权利要求书中，术语“包括”和“包含”是开放性的，也就是说，包括除了在一项权利要求内的此类术语之后所列出的那些元素以外的元素的系统、器件、物品、组件、公式或过程仍然被认为落在该权利要求的范围之内。而且，在后面的权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标签来使用，而并非旨在对其对象施加数字要求。

本文所描述的方法实例可以是至少部分以机器或计算机实现的。某些实例可以包括以可操作用于配置电子器件以执行上述实例所描述的方法的指令进行编码的计算机可读介质或机器可读介质。这样的方法的实施方式可以包括代码，诸如微代码、汇编语言代码、更高级的语言代码等。这样的代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在一个实例中，代码可以在诸如执行期间或者其它时间以有形的方式存储于一个或多个易失性、非暂时性或者非易失性的有形计算机可读介质中。这些有形的计算机可读介质的实例可以包括但不限于，硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，光盘和数字化视频光盘)、磁带盒、存储卡或存储条、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)等。

以上描述意指为说明性的，而非限制性的。例如，上述实例(或其一个或多个方面)可以相互结合起来使用。诸如阅读了上述描述之后的本领域技术人员可以使用其它实施例。提供发明摘要以符合37c.f.r§1.72(b)，并且允许读者快速地确定本技术公开的性质。发明摘要是在其不应被用来解释和限定本权利要求书的范围和含义的理解的情况下提交的。此外，在上述具体实施方式中，可以将各种特征分组在一起以简化本公开。这不应被理解为意指未作声明的所公开的特征对于任意权利要求都是必要的。相反，发明主题可以较少地在于特别公开的实施例的所有特征。因而，下面的权利要求书由此作为实例或实施例并入具体实施方式部分，每项权利要求都作为独立的实施例独立存在，并且应当想得到，这样的实施例可以按照各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应当参考所附权利要求书连同赋予此类权利要求的等同项的完全范围一起来确定。