基于矢量的位置传感系统中基本谐波位置测量误差的消除的制作方法

使用形式为轮子、轮毂、齿轮元件和发动机或马达轴的旋转装置在各种系统中执行工作。精确掌握这种旋转装置的角位置对整个系统的控制和监测是有用的。旋转变压器是一种常见的“基于矢量”的位置传感器，专门配置为使用旋转变压器对测量角位置。来自变压器对的初级绕组的电压输出耦合到次级绕组，也称为正弦和余弦绕组，它们又相互偏移90度。变压器对的输出电压的振幅随着角度位置的变化而变化，并分别作为原始正弦和余弦信号被捕获。其他类型的基于矢量的位置传感器包括磁阻传感器、某些编码器和各种“无传感器”技术。

理想情况下，来自基于矢量的位置传感器的原始正弦和余弦信号相互正交并具有相同的振幅。然而，传感和信号传输硬件的缺陷可能产生信号延迟、噪声和其他异常。另外，传感器的机械不对准经常产生周期性的位置测量误差，特别是在传感器的基频处。这种误差影响整体系统控制精度，当旋转装置被实施为电机的转子时，潜在地表现为不期望的电流脉动和转矩波动。

技术实现要素：

本文公开了基于矢量的位置感测系统以及相关的位置误差校正方法。用于控制旋转装置/转子的系统和方法旨在帮助消除上述基本谐波位置测量误差的类型。通过在具有运动状态滤波器的积分控制回路内有意引入相同和相反位置测量误差，由控制器实现这种误差消除。引入的误差信号最终使基本谐振位置测量误差为零，从而允许控制器导出校正位置信号以用于控制系统。

作为本方法的一部分，来自基于矢量的位置传感器(诸如旋转编码器或旋转变压器)的原始位置信号被用作控制回路中的相关输入，即传感器信号与经由运动状态过滤器确定的角度误差相关。控制器可以使用相关输入的速度/相位依赖性选择来改善收敛动态特性，或者换句话说，使得控制器能够以快速速率驱使误差为零，或者控制器可以使用运动状态滤波器的速度依赖性增益调度，以保持单相区，从而消除对这种选择的需要。

在示例性实施例中，旋转系统包括具有旋转轴线的转子、基于矢量的位置传感器和控制器。传感器测量转子相对于旋转轴线的角位置，并将测量的角位置输出为原始正弦和余弦信号。信号具有基本谐波位置测量误差。控制器接收来自基于矢量的位置传感器的输出，其取决于传感器类型可能需要或不需要额外的信号处理来提取分别对应于转子角位置的正弦和余弦的原始正弦和余弦信号。

控制器然后引入一组传感器信号偏移。从原始正弦和余弦信号中加上或减去偏移，以产生偏移的正弦和余弦信号。偏移的信号可以由控制器的积分控制回路和上述运动状态滤波器输出。控制器然后使用消除基本谐波位置测量误差的偏移的正弦和余弦信号来计算校正位置信号，并使用校正位置信号控制旋转系统的动作或状态，诸如通过调节输出轴的运动状态，调节来自转子的输出速度或输出转矩，或以其他方式改变或保持旋转系统的外部或内部状态。

控制器可以被编程为确定转子的估计位置误差的相应相位区域，并且基于相应相位区域选择相关信号，从而产生偏移的正弦和余弦信号。

在一些实施例中，控制器可以操纵相关信号或者根据转子的旋转速度调整运动状态滤波器。

系统可以包括具有电机输出轴的电机，上述转子为电机输出轴。电机可以被包括作为具有驱动轮的机动车辆的传动系的一部分，电机输出轴被配置为将输出转矩传递到驱动轮。

还公开了一种用于消除旋转系统中的基本谐波位置测量误差的方法，所述旋转系统具有带旋转轴线的转子。根据示例性实施例，该方法包括使用基于矢量的位置传感器来测量转子相对于旋转轴线的角位置，然后输出代表测量的角位置的原始正弦和余弦信号，原始正弦和余弦信号包括基本谐波位置测量误差。该方法还包括经由控制器接收来自位置传感器的原始正弦和余弦信号，然后分别适应性地向原始正弦和余弦信号添加传感器信号偏移，或从原始正弦和余弦信号减去传感器信号偏移，从而产生偏移的正弦和余弦信号。另外，该实施例中的方法包括使用产生的偏移的正弦和余弦信号来计算转子的校正位置，并使用校正位置经由控制器控制旋转系统的动作或状态。

产生偏移的正弦和余弦信号可以包括使用控制器的积分控制回路和运动状态滤波器。测量角位置包括在一些实施例中使用旋转编码器。

控制器可以被编程为确定转子的估计位置误差的相应相位区域。在这样的实施例中，该方法可以包括基于相应相位区域选择相关信号，然后使用相关信号产生偏移的正弦和余弦信号。

旋转系统可以包括电机的马达输出轴。作为该方法的一部分，控制器可以调节电机的运动状态，例如，通过调节电动机的d轴线或q轴线电流来维持或改变马达输出轴的输出速度或输出转矩。

结合附图，根据以下用于执行本发明的最佳模式的详细描述，本发明的上述及其他特征和优点将显而易见。

附图说明

图1是示例性旋转系统的示意图，该旋转系统具有转子、基于矢量的位置传感器和配置为消除来自这种传感器的原始位置信号中的基本谐波位置误差的控制器。

图2是配备有形式为电机转子或输出轴的转子和图1的控制器的车辆的示意图。

图3是来自原始传感器输出的位置误差和如本文所述通过向原始正弦和余弦信号添加偏移而引起的误差的曲线图，垂直轴线上绘制有以度为单位的位置误差以及水平轴线上绘制有以度为单位的原始位置。

图4是可由图1和图2的控制器执行的积分控制逻辑的示例性实施例的示意性控制框图。

图5是对应于图4中所示的运动状态滤波器的动态特性的输入位置信号上的位置误差信号的说明性振幅和相位图。

图6是图4中所示的积分控制逻辑的可选实施例的示意性控制框图。

图7是在某些实施例中可用于确定图6中所示的控制框图的基于相位的相关输入的查找表。

图8和图9是图4中所示的积分控制逻辑的可选示意性控制框图。

本发明易于进行各种修改和替换形式，并且已经通过附图中的示例示出了一些代表性实施例，并且将在本文中对其进行详细描述。本发明的新颖方面不限于附图中所示的特定形式。而是，本发明旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的修改、等同物、组合或替代。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记贯穿几个视图指代相同或相似的部件，并且从图1开始，示出了示例系统10，其包括旋转装置或转子12、基于矢量的位置传感器14和控制器(c)16。控制器16诸如经由控制器区域网络或低压传输导体与基于矢量的位置传感器14通信，并且被配置为从传感器14接收原始正弦和余弦信号(箭头11)。为了清楚起见，信号(箭头11)也标记为图1中的sin和cos。

控制器16还被配置为消除原始正弦和余弦信号(箭头11)中的基本谐波位置测量误差，其可能是完美的或无误的。控制器16根据由控制逻辑100的集合体现的方法继续进行误差消除，下面参照图3-9详细描述其变化。在一些实施例中，控制器16向控制逻辑100引入相关信号(箭头cor)，然后经由传输一组基于校正位置确定的输出信号(箭头cco)来执行相对于转子12和/或系统10的其他部件的控制动作。例如，控制器16可以控制电机的状态，诸如保持或改变来自转子12(例如图2的电机200的输出轴30)的转矩或速度，或者改变或保持电机200的d轴线电流或q轴线电流。由此，控制动作可以包括控制电机200的状态，以实现电机200的命令速度或输出转矩。

理想地，由图1中的传感器14提供的原始正弦和余弦信号(箭头11)将具有相同的振幅、零偏移，并且将是正交的，即相对于彼此精确地相移90度。然而，传感器14的非对准和其他因素可能产生本文所述的位置误差类型。如果不进行校正，则这种误差最终会导致电流纹波和转矩脉动，从而影响系统10内的控制功能。为了帮助解决该问题，控制器16被配置为消除在传感器14的基频处(即与原始正弦和余弦信号相同频率(箭头11)处)出现的位置误差。

如图1中示意性示出的基于矢量的位置传感器14可以被包括作为电气系统20的一部分并且被不同地实现为旋转变压器、编码器、磁阻传感器、或可操作用于产生具有振幅和相位信息的原始正弦和余弦信号(箭头11)的其他传感器类型。转子12可以是车辆或传动系的从动或驱动旋转部件，诸如电机的转子、发动机轴或飞轮、或其他类型的车轮、轴、齿轮元件或其他旋转装置，其具有旋转速度(箭头n)、旋转轴线(a)、以及相对于旋转轴线(a)的可确定的角度或旋转位置。转子12可以联接到轴13，使得由转子12的旋转产生的转矩可以被传递到联接的负载。

如图2所示，例如，图1的转子12可以任选地体现为电机200(m1)，其用作机动车辆10a、机器人或其他移动平台、或可选地发电厂或器械的电气系统20内的的转矩源。电机200可操作用于产生输出转矩(箭头to)并将其直接或经由变速器(未示出)传递到连接的负载，例如前驱动轮和/或后驱动轮15，或者可选地产生用于存储在电池组(b)22中的电力。

作为说明，电机200可以体现为具有定子绕组25和转子绕组27的多相电力牵引马达。当绕组25和27通电时，连接到马达输出轴30的转子12a将输出转矩(箭头to)传递到驱动轮15或其他负载，诸如皮带和滑轮系统(未示出)。在所示的示例性实施例中，功率逆变器模块(pim)24通过高压总线23电连接到电池组22，并且可操作用于将来自电池组22的直流电压(±vdc)和相应的电流转换成交流电压(vac)和电流，例如使用一系列半导体开关、二极管和其他半导体部件(未示出)以及脉宽调制或其他合适的开关技术。在其他实施例中，图1的转子12可以被配置为具有可测量的旋转位置的发动机轴、飞轮或其他部件(未示出)。

为了控制转子12的操作，控制器16被编程并且配备有具有各种积分器块51a、51b和151的积分控制逻辑100，如下面参照图3-9所描述的。这里使用的术语“积分器块”是指控制逻辑100在控制器16内提供积分项或误差累积函数的部分。另外，图1和图2中所示的控制器16包括运动状态滤波器(msf)55，其与控制逻辑100内的积分器块51a、51b和151协作以最终消除在传感器14的基频处发生的位置误差。

简要参考图6，msf55通过使用两个表示为的积分器17a和17b对图1的系统10的运动动态特性进行建模来起作用，其中加速度的积分为速度并且速度的积分为估计位置msf55可以使用pid控制来迫使估计位置追踪测量位置θ。在一种变型中，这种pid控制器的微分项可以绕过积分器17a，以避免必须执行微分过程。因此，诸如msf55的运动状态滤波器是具有低通特性的可用pid控制器，其在一些实施例中可以根据转子12的速度而被调谐，如下所述。

再次参照图2，控制器16可以体现为具有存储器(m)和处理器(p)的一个或多个计算机设备。存储器(m)可以包括有形的非暂时性存储器，例如只读存储器，无论是光学的、磁性的、闪存的或者其他的。控制器16还包括足够数量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等、以及高速时钟、模数和数模转换电路、以及输入/输出电路和设备、以及适当的信号调节和缓冲电路。

由传感器14输出或经由信号处理从传感器14的输出提取的原始正弦和余弦信号(图1和图2的箭头11)可以含有在传感器14的基频处的位置误差。更确切地说，图6的操作块52的输出包括这样的误差，或者换言之，从正弦和余弦信号获得的位置信息可能是错误的，其与转子12的物理位置相反。

图3是在引入控制逻辑100之前的预先存在的位置测量误差的示意性实例。这种位置误差被示为一组迹线40，水平轴线上描绘了以度为单位的实际位置(p14[deg])，垂直轴线上描绘了以度为单位的位置测量误差(e[deg])。迹线42表示作为本方法的一部分经由图6、图8和图9的积分控制逻辑100或其变体100a、100b或100c有意引入的位置测量误差。经由控制逻辑100，被有意引入的测量误差，即迹线42，近似等于并且与在传感器14的基频处发生的原始基本谐波位置误差(迹线44)相反，使得误差彼此消除以产生迹线45的净减少位置测量误差。积分控制逻辑100的操作旨在尽可能快地驱使这种基本谐波位置测量误差(迹线44)为零。

可以在图4的示例积分控制逻辑100中看到朝向实现图3中示意性示出的误差消除效果的简化方法。这里，控制逻辑100在不需要知道msf55的特定动态特性的情况下操作。相反，对应于图1和图2的信号11的相应原始正弦和余弦信号(箭头s_sig和c_sig)由msf55和一对积分器块151和51b操作。符号和表示积分器块51b和151分别通过操纵原始正弦和余弦信号的偏移来处理基本谐波位置测量误差的稳态分量或平均值。

积分器块51b的节点57b处的输出描述了节点57b处的初始偏移值，其被添加到原始余弦信号(箭头c_sig)以产生偏移的余弦信号(箭头c_ofs)。使用积分器块151处的原始正弦信号(箭头s_sig)，来执行类似的功能，即通过将节点57a处的积分器块的输出添加到原始正弦信号(箭头s_sig)最终产生偏移的正弦信号(箭头s_ofs)。数学操作块52示出为示例“atan2”块52以表示具有两个参数的反正切函数。然后由操作块52输出经校正的位置信号(箭头θ)，并由控制器16使用该信号来控制转子12、车辆10a、或使用转子12的其他系统10的动作。

msf55可以被配置为具有低通质量的预定相位特性，并且输出如上面通过简要参考图6所解释的估计位置(箭头)。从校正位置(箭头θ)减去估计位置(箭头)以产生误差项(箭头)。误差项含有位置误差信息，控制器16经由控制逻辑100的操作与传感器14的基本谐波相关。因此，对于逻辑100的每个连续回路，误差项(箭头)乘以(x)原始余弦信号(箭头c_sig)并馈送到积分器块151，乘以原始正弦信号(箭头s_sig)并馈送到积分器块51b，以连续驱使位置测量误差的基本谐波分量到零，如图3的迹线45所示。

图5经由一组迹线60示出了图4的msf55的基于振幅和相位动态特性或速度的变化的实例，水平轴线上描绘了以赫兹(hz)为单位的频率。垂直轴线上描绘了振幅(迹线62)和相位超前(迹线64)，振幅以弧度/弧度为单位表示为相位超前以度为单位表示为

如图所示，msf55的相位超前可以分成四个指定的区域i、ii、iii和iv。位置测量误差的基本谐波分量的频率取决于转子12的转速，图5示出了来自msf55输出的估计位置误差的相位超前取决于频率。因此，估计位置误差的基本分量的相位超前取决于转子12的转速。还应注意的是，从积分控制逻辑100及其变体的收敛动态特性的角度看，估计位置误差的理想相位将是90°的倍数，即0°、90°、180°和270°。如上所述，该知识可由控制器16用于减少由图3的迹线44表示的误差。

结合图7再次参照图6，将积分逻辑100a的可选集合描绘为图4的简化实施例的可选集合。图6的实施例不是仅对来自传感器14的原始正弦和余弦信号进行操作，而是使用预定的相关信号s_cor和c_cor作为控制逻辑100a的附加输入。控制器16可以用诸如图7中所示的示例表的查找表编程，控制器16根据msf55的操作的特定相位区域(z)提取相关信号s_cor和c_cor。图3中还示出，区域(z)可以包括第一区域(i)和第二区域(ii)，在第一区域中相位超前表示为在225-270度的范围内，第二区域(ii)对应于135-225度，第三区域(iii)对应于45-135度，第四区域(iv)对应于0-45度。从图7中可以清楚地看出，区域(i)和(iii)在相关信号s_cor和c_cor的符号上彼此不同，区域(ii)和(iv)之间存在相同的关系。

因此，图6的实施例可以包括使用误差信号利用来自操作块52的校正位置(θ)，并确定的基本谐波分量的相应相位区域i、ii、iii或iv。因为可能不知道误差的实际相位，所以控制器16基于基频确定区域，例如，使用块17a或转子12的速度。在确定区域时，控制器16根据图7选择相关信号s_cor和c_cor并将选择的信号用作控制逻辑100a的输入。因此，图6提供了一种可能的实施例，其中响应于msf55的动态特性操纵相关信号或逻辑100a的其他输入，即输入根据图1的转子12的转速而变化。

如本领域普通技术人员将理解的，控制逻辑100和100a的可能变化可以在收敛速度或编程的简单性方面实现类似的结果。在图8和图9中示出了另外两个示例。在两个图中，使用输入项|ω|修改先前描述的msf55，以提供msf55a的速度依赖性调谐。图8中的修改的结果是msf55a的相位超前的90度被保持在传感器14的基频处。换言之，控制器16可以调度运动状态滤波器的增益以维持或保持在单个相应相位区域中。

在图8所示的实例中，控制策略保留在区域iii中，即，相关信号s_cor和c_cor分别是值s_sig*sign(ω)和c_sig*sign(ω)。然而，图8中的方法将与对应于其余区域i、ii或iv的输入一起工作。类似于图8的逻辑100b的操作，图9的逻辑100c确保msf55a的固定相位超前保持在传感器14的基频处，在此情况下为180度。

因此，使用所公开的计算有效的方法，基本谐波位置测量误差可以在依赖于基于矢量的位置传感器(诸如图1的传感器14)的测量的系统中在很大程度上被消除。所公开的方法完全是位置传感器驱动的，并且可以在广泛的速度和负载范围内进行补偿，并具有总体改进的收敛动态。鉴于上述公开内容，本领域的普通技术人员可以容易地理解这些和其他益处。

虽然已经详细描述了用于执行本发明的最佳模式，但是熟悉本发明所涉及领域的技术人员将认识到用于在所附权利要求的范围内实践本发明的各种替代设计和实施例。