用于求取电动机转子的角度的方法、控制器以及车辆
阅读说明：本技术 用于求取电动机转子的角度的方法、控制器以及车辆 (Method for determining the angle of a rotor of an electric motor, controller and vehicle ) 是由 J·克内热维奇 R·内斯特林格 于 2020-05-05 设计创作，主要内容包括：用于确定电动机(12)转子(18)的角度(φ)的方法包括下列步骤：通过控制器(14)从转子位置传感器(15)获取第一转子位置信号(P-1),第一转子位置信号(P-1)包含多阶；借助控制器(14)的角速度模块(32)至少根据第一转子位置信号(P-1)求取电动机(12)的角速度(ω)；借助控制器(14)的第一滤波模块(28)根据所求取的角速度(ω)和第一转子位置信号(P-1)求取第一基本信号(G-1)；并且借助控制器(14)的角度模块(34)至少根据所求取的第一基本信号(G-1)求取转子(18)的角度(φ)。此外示出控制器(14)和车辆。(Method for determining the angle (phi) of the rotor (18) of an electric motor (12) comprising the steps of: a first rotor position signal (P) is obtained by a controller (14) from a rotor position sensor (15) 1 ) First rotor position signal (P) 1 ) Comprises a plurality of stages; the angular speed module (32) of the controller (14) is used to determine at least the first rotor positionSignal (P) 1 ) Determining an angular velocity (ω) of the motor (12); a first filter module (28) of the control unit (14) is used to determine the angular speed (omega) and the first rotor position signal (P) 1 ) Determining a first basic signal (G) 1 ) (ii) a And by means of an angle module (34) of the controller (14), at least as a function of the determined first basic signal (G) 1 ) The angle (phi) of the rotor (18) is determined. A controller (14) and a vehicle are also shown.)
技术领域
本发明涉及用于求取电动机转子的角度的方法、控制器以及车辆。
背景技术
电动机在车辆中作为驱动装置使用，以便将电能转变为推力。为此在定子上施加变化的磁场，从而磁性的转子在定子的磁场中旋转。电动机的转矩和功率在此与转子的转速有关并且因此与在定子上施加的磁场有关。
为了确保电能有效地变换为机械推力，在施加的磁场与转子之间需要一定的角偏移或相位差(相移)。因此需要精确地确定电动机转子的位置，亦即精确地求取电动机转子的角度。
发明内容
因此本发明的任务是，能够实现精确地求取电动机转子的角度。
所述任务通过一种用于求取电动机转子的角度的方法来解决，所述电动机具有转子和定子，所述定子具有至少一个线圈、尤其是三个线圈。所述方法包括下列步骤：
-通过控制器从转子位置传感器获取第一转子位置信号，该转子位置信号包括沿在转子旋转平面中的两个方向中的第一方向的位置值并且第一转子位置信号包含多阶；
-借助控制器的角速度模块至少根据第一转子位置信号求取电动机的角速度；
-借助控制器的第一滤波模块根据所求取的角速度和第一转子位置信号求取第一基本信号；并且
-借助控制器的角度模块至少根据所求取的第一基本信号求取转子的角度。
本发明基于如下基本思想：在两个步骤中评估转子位置信号。转子位置信号典型地是正弦份额和误差项的叠加，所述正弦份额从转子的旋转运动得出，所有不是从转子的旋转得出的信号分量合并在所述误差项下。所述误差项此外通常与转子位置传感器的温度和使用年限有关，从而该误差项是可变的并且可能导致转子角度的求取出现错误。在第一步骤中，直接从转子位置信号中推导出角速度，并且在第二步骤中，从转子位置信号中过滤出基本信号，由此求取转子的角度。通过在两个步骤中分析转子位置信号，能够实现精确但节约资源地求取电动机转子的角度。
转子位置传感器一般提供模拟的转子位置信号，所述转子位置信号以一定的采样时间被采样。与此对应地，由控制器获取的转子位置信号是离散的。所述采样时间例如通过转子位置传感器和/或控制器预定。
转子可以是磁性的。例如转子具有至少一个永磁体。永久激励的电动机、亦即其转子总是磁性的电动机属于最高效的电动机。
在本发明的一种设计方案中，所述方法包括下列进一步的步骤：
-通过控制器从转子位置传感器获取第二转子位置信号，该转子位置信号包括沿在转子旋转平面中的所述两个方向中的第二方向的位置值并且第二转子位置信号包含多阶，
-借助控制器的第二滤波模块根据所求取的角速度和第二转子位置信号求取第二基本信号，并且
-借助控制器的角度模块至少根据所求取的第一基本信号和所求取的第二基本信号求取转子的角度。
因此，使用转子位置信号的沿转子旋转平面的两个方向的两个位置值来确定转子的角度。这提高角度确定的精确性。
转子位置信号高分辨率地采样，因为转子位置传感器的采样时间相比于转子旋转的周期持续时间非常小。因此，转子位置信号可以以实数的三角级数的形式来描述。
在本发明的一种设计方案中，根据第一转子位置信号和第二转子位置信号求取角速度。因此较准确地确定角速度。
第一基本信号和/或第二基本信号可以仅具有基本振荡。
例如，第一基本信号的基本振荡和第二基本信号的基本振荡具有相位差、尤其是90°的相位差。
因此，基本振荡可以利用简单的三角函数来确定，例如利用正弦函数和余弦函数来确定，由此能够实现快速地求取电动机转子的角度。
可设想，角度模块借助反正切、尤其是具有两个变量的反正切函数确定角度。以这种方式，所述角度能够直接从第一基本信号和第二基本信号确定。
例如，所述角度借助atan2函数确定，该函数例如在MATLAB中实现。
在本发明的一种设计方案中，第一转子位置信号和/或第二转子位置信号借助预处理模块预处理，然后将第一转子位置信号和/或第二转子位置信号输送给相应的滤波模块和/或角速度模块。预处理模块将实数的三角级数与相应的转子位置信号适配并且将所述实数的三角级数作为相应的转子位置信号传输给相应的滤波模块和/或角速度模块。由此方便定义滤波模块和/或角速度模块的输入。
可以由控制器至少根据所求取的角度操控电动机，尤其是通过下列步骤来操控：
-通过控制器至少根据转子的所求取的角度和/或角速度确定用于所述至少一个线圈的至少一个电流校正值，并且
-通过控制器根据所述至少一个电流校正值调整流过所述至少一个线圈的通过电流。
以这种方式，直接通过所求取的角度和/或所求取的角速度来操控电动机，从而提供快速且精确的操控。
第一转子位置信号和/或第二转子位置信号可以通过磁阻式的转子位置传感器提供。磁阻式传感器是鲁棒的、小的并且是非常节能的。
在本发明的一种设计方案中，设置正好一个磁阻式的转子位置传感器，该转子位置传感器提供第一转子位置信号和第二转子位置信号。更准确地说，转子位置传感器提供转子的旋转运动在单位圆上沿两个正交的轴线的投射，亦即提供转子的旋转运动的正弦值和余弦值。
按照本发明的方法不限于磁阻式的转子位置传感器。一般可设想任意转子位置传感器，其提供转子的旋转运动沿至少一个方向的投射。
例如，转子位置传感器是霍尔传感器、涡流传感器、光学增量编码器、解角器和/或硬件解调器。
第一滤波模块和/或第二滤波模块可以将滤波器应用于相应的转子位置信号。这能够实现高效确定基本信号。
例如，滤波器基于锁相环和/或具有低通滤波器的作用，以便确定相应的基本信号。
可设想，滤波模块借助成本函数求取基本信号并且借助梯度法求取基本信号的参数，据此滤波模块基于改善的锁相环。
在本发明的一种设计方案中，滤波器通过下列方程来描述：
Gi(t)＝Ai(t)·sin(φi(t))，
ei(t)＝P(t)-Gi(t)，und
φi(t)＝ω0i·t+δi.
在上述的方程中，i是具有基本频率ω0的振荡的阶，μ1i，μ2i和μ3i是增益，Ai是振荡的幅值，δi是相位差，φi(t)是转子的与时间相关的角度，ωi(t)是与时间相关的角速度，ei(t)是误差函数，P(t)是转子位置信号以及Gi(t)是基本信号的基本振荡和谐波振荡，尤其是基本信号为G(t)＝A1(t)·sin(φ1(t))。
在此，滤波器的参数通过i，μ1i，μ2i，μ3i、Ai和δi给出。因为不仅基本信号而且不期望的信号通过上述参数描述，所以即使在转子位置传感器的特性已改变情况下滤波器也仍然能够实现基本信号的确定。
滤波器的参数可以描述偏移、相位差、放大误差和/或谐波振荡幅值并且因此表明不期望的份额。
例如抑制i>3、尤其是i>1的阶。这能够实现基本信号的快速滤波。
换句话说，亦即忽略i>3、尤其是i>1的阶。
为了减少滤波器的总参数数量并且因此提高滤波器的快速性，可以在应用滤波器时假设第一转子位置信号和/或第二转子位置信号的基本振荡的幅值A1等于1，和/或滤波器获取所求取的角速度作为参数。
一般也可设想，第一转子位置信号和/或第二转子位置信号的基本振荡的幅值A1已经已知，例如从另外的测量已知。
在本发明的一种设计方案中，滤波器作为传递函数存储在第一滤波模块和/或第二滤波模块中。这能够实现转子位置信号的高效处理。
为了获取状态信息，控制器可以具有诊断模块，该诊断模块获取第一滤波模块和/或第二滤波模块的滤波器的至少一个参数。采用所述至少一个参数来诊断电动机、转子位置传感器和/或滤波器，尤其是通过将所述至少一个参数与预先确定的阈值进行比较来诊断。
例如，将高于或低于阈值作为故障记录并且通过控制器的故障报告来显示电动机、滤波器和/或转子位置传感器的功能故障。
本发明的任务此外通过用于车辆的控制器来解决，其中，所述控制器被构成用于实施按照本发明的方法。关于优点和特征参阅关于按照本发明的方法的上述解释，其以同样的方式适用于控制器。
此外，所述任务通过具有电动机、转子位置传感器和按照本发明的控制器的车辆来解决。得出已经关于所述方法和控制器详述的优点和特征。
附图说明
本发明的其他特征和优点由后续的说明以及由接下来将要参考的附图得出。在附图中：
-图1示出按照本发明的具有按照本发明的控制器的车辆的示意侧视图；
-图2以第一实施方式示出电动机和按照本发明的控制器的示意方框电路图；
-图3示出图2中的电动机和按照本发明的控制器的详细方框电路图；
-图4示出图3中的按照本发明的控制器的滤波模块的方框电路图；以及
-图5以第二实施方式示出电动机和按照本发明的控制器的示意方框电路图。
具体实施方式
图1示出车辆10的示意侧视图。车辆10具有电动机12和控制器14。
电动机12与车辆10的车轮连接并且提供车辆10的推力。
车辆10可以是电动车，从而电动机12是唯一的驱动马达。
也可设想，车辆10是混合动力车，即，车辆10的推力通过电动机12和附加的内燃机实现。
图2的方框电路图详细示出电动机12、控制器14和转子位置传感器15。
电动机12例如是已知的同步三相电机并且具有定子16和转子18。
定子16包围转子18并且在其内侧上、亦即在定子16的与转子18相对置的一侧上具有三个电磁铁20。当然也可设想其他数量的电磁铁20。
所述三个电磁铁20以120°的角度彼此错开地布置并且当在电磁铁20上施加具有对应电压值U的电压时分别产生磁场。在该情况下，具有电流值I的对应电流流过电磁铁20。
在图2的实施方式中，电磁铁20例如是线圈21。
转子18以能围绕旋转轴线22转动的方式布置并且是磁性的。为此转子例如具有永磁体(未示出)。
如果定子16的电磁铁20产生对应的磁场，则转子18围绕旋转轴线22以角速度ω旋转。
转子位置传感器15是磁阻式传感器，该磁阻式传感器的检测表面垂直于旋转轴线22布置并且与转子18具有距离。
转子位置传感器15非接触式地测量转子18的旋转运动。
为此，转子位置传感器15例如具有磁阻区域，该磁阻区域的阻抗根据磁性转子18的定向改变。
更准确地说，转子位置传感器15提供两个转子位置信号P1、P2，所述两个转子位置信号分别具有沿在转子18的旋转平面23(图3)中的一个方向的位置值。这在图3的方框电路图中示例性地示出。
转子18的磁性作用在图3中通过北磁极N和南磁极S示出。转子18围绕旋转轴线22的旋转定义旋转平面23，该旋转平面借助两个彼此正交的方向24、26确定。
在图3的所示出的时刻，转子18、更准确地说是北磁极N和南磁极S相对于第一方向24具有角度φ。
转子位置传感器15确定旋转运动到第一和第二方向24、26的投射，据此转子位置传感器15提供用于第一转子位置信号P1的沿第一方向24的位置值和用于第二转子位置信号P2的沿第二方向24的位置值。
转子18的旋转可以理解为围绕旋转轴线22转动的矢量，从而第一转子位置信号P1是该矢量的位置的余弦值，而第二转子位置信号P2是该矢量的位置的正弦值。
转子位置传感器15的布置仅应理解为示例性的。当然，转子位置传感器15也可以布置在转子18的轴中或布置在转子轴上。
如在图2中示出的，转子位置传感器15将转子位置信号P1、P2传输给控制器14，所述控制器随后确定转子18的角度φ和角速度ω。基于转子18的角度φ和角速度ω，控制器14确定用于电磁铁20的电流校正值I'和对应的电压校正值U'，其随后如通过图2中的箭头示出的那样施加在电磁铁20上。
当然一般可设想，控制器14针对三个线圈21确定不同的电流校正值I'和电压校正值U'。但出于明了性原因，在这里对于所有线圈21仅采用一个电流校正值I'和一个电压校正值U'。
例如，控制器14利用磁场定向控制来确定电流校正值I'和/或电压校正值U'。
更准确地说，控制器14使用如下方法来求取转子18的角度φ和角速度ω。
控制器14具有第一滤波模块28、与第一滤波模块28分开的第二滤波模块30、角速度模块32、角度模块34和电流值校正模块36。
在第一步骤中，控制器获取转子位置传感器15的转子位置信号P1和P2。转子位置信号P1和P2在此具有旋转速度ω的多阶和通过转子位置传感器15的测量的干扰项。
将第一转子位置信号P1传输给第一滤波模块28和角速度模块32上并且将第二转子位置信号P2传输给第二滤波模块28和角速度模块32。
随后角速度模块32确定转子18的旋转的角速度ω，例如根据一个或两个转子位置信号P1、P2在时间上的变化来确定。
随后将所求取的角速度ω传输给第一滤波模块28、第二滤波模块30和角度模块34。
第一滤波模块28在此从第一转子位置信号P1中滤出第一基本信号G1并且第二滤波模块30从第二转子位置信号P2中滤出第二基本信号G2。
为此，第一滤波模块28和第二滤波模块30分别使用一个基于锁相环的滤波器38。滤波器38在图4的方框电路图中示出。
滤波器38具有一个比较模块40、两个乘法模块42、一个放大模块44、一个加法模块46、一个计算模块48和两个三角法模块50。
接着借助示例解释滤波器38的工作原理。为此假定，将转子位置信号P1、P2作为与时间相关的转子位置信号P(t)传输给滤波模块28、30。
与时间相关的转子位置信号P(t)在此由转子18的运动x1(t)＝A1 sin(ω·t+δ1)和误差项xF(t)组成，即P(t)＝x1(t)+xF(t)，其中，δ1是转子18在时刻t＝0的起始角度并且转子角度通过φ(t)＝ω·t+δ1给出。
误差项xF(t)是不希望的信号、如谐波振荡、偏移、正交误差、即各转子位置信号P1、P2之间的相位差和/或放大误差的总和。
如果在分析中不考虑误差项xF(t)，则在求取电动机12的转子18的角度时可能产生不精确性，从而电动机12不均匀地运行和/或具有谐波。
转子位置信号P(t)例如可表达为实数的三角级数：
其中，Ai是谐波振荡i的幅值并且δi是谐波振荡i的相位差并且C是偏移。
滤波器38现在从转子位置信号P(t)中滤出基本信号G(t)
要注意，基本信号仅具有有限数量的谐波振荡。
尤其是过滤掉具有高的i值的谐波振荡，从而滤波器38作为低通滤波器起作用。
基本信号的参数Π、亦即Ai，φi，δi，ωi、C可通过形成成本函数J(t，π)
以及借助梯度法最小化成本函数来确定，从而参数Π对时间的导数通过如下公式给出
其中，μ是梯度法的增益或步幅。与此对应，得出用于滤波器38的下列方程：
Gi(t)＝Ai(t)·sin(φi(t))，(5)
ei(t)＝P(t)-Gi(t)，和(6)
φi(t)＝ωi·t+δi。(7)
按照本发明抑制i＞3的谐波振荡、尤其是i＞1的谐波振荡，并且设置幅值A1(t)＝1。
接着针对基本信号G(t)示例性地解释滤波器38的工作原理，该基本信号的形式为G(t)＝G1(t)，其中A1(t)＝1，即G(t)＝sin(φ1(t))。
亦即，基本信号G(t)仅具有基本振荡。
典型地，第一转子位置信号P1和第二转子位置信号P2的基本信号G(t)具有相位差。
尤其是，各基本振荡G1(t)具有90°的相位差，从而第一转子位置信号P1的基本振荡G1(t)通过G(t)＝sin(φ1(t))给出，而第二转子位置信号P2的基本振荡通过G1(t)＝cos(φ1(t))给出。
在图4的滤波器38中，不仅转子位置信号P(t)而且经滤波的基本信号G1(t)作为输入信号输送给比较模块40。
比较模块40由此按照方程(6)确定误差函数e1(t)＝P(t)-G1(t)并且将该误差函数传输给乘法模块42，该乘法模块将误差函数e1(t)与cos(φ1(t))相乘。
随后在放大模块44中以增益μ放大误差函数e1(t)与cos(φ1(t))的乘积。这然后按照方程(3)给出角速度对时间的导数即，角速度ω在时间上的变化。
滤波器38此外获取由角速度模块32确定的角速度ω，从而角速度在时间上的变化被加至角速度ω上，以便按照方程(4)获取角度在时间上的变化
一般可设想，附加地以另一个增益μ放大信号
此外可能的是，由对时间上的导数的积分确定角速度ω。图4的滤波器38当然针对快速性来设计，从而应该执行尽可能少的计算步骤。与此对应地使用角速度模块32的角速度ω。
接着，通过将角度在时间上的变化与转子位置传感器15的采样时间TS在第二乘法模块42中相乘来确定角度φ1(t)的增量的变化dφ1(t)。
增量的变化dφ1(t)最后在计算模块48中与滤波器38的在先迭代的角度φ1(t)相加。为此，计算模块48的输出端与其输入端连接。
最后，计算模块48将角度φ1(t)传输给两个三角法模块50。
其中一个三角法模块50在此是正弦模块52，其形成角度φ1(t)的正弦值并且因此求取基本信号G1(t)。另一个三角法模块50是余弦模块54，其形成角度φ1(t)的余弦值并且将该余弦值传输给第一乘法模块42。
亦即，图4示出滤波器38如何从转子位置信号P(t)中滤出基本振荡G1(t)。在此，滤波器38作为传递函数存储在控制器14中。
例如，控制器14包括滤波器38的类似于图4的方框电路图的MATLAB-Simulink实现。
一般，第一滤波模块28的滤波器38从第一转子位置信号P1中滤出第一基本信号G1，而第二滤波模块30的滤波器38从第二转子位置信号P2中滤出第二基本信号G2。
如在图3中示出的，将第一基本信号G1和第二基本信号G2传输给控制器14的角度模块34，所述角度模块从第一基本信号G1和第二基本信号G2确定转子18的角度φ。
为此，角度模块34例如计算第一基本信号G1的基本振荡G1,1(t)和第二基本信号G2的基本振荡G1,2(t)的反正切：
随后，不仅角速度ω而且角度φ由角度模块34传输给电流值校正模块36。
电流值校正模块36根据角速度ω和角度φ确定电流校正值I'和对应的电压校正值U'。
最后，控制器14根据所求取的电流校正值I'调整流过电动机12(图2)的至少一个电磁铁20的通过电流。
例如，控制器14这样调节所述至少一个电磁铁20，使得具有电流校正值I'的电流流过电磁铁20。
在图5中示出控制器14的第二实施方式的方框电路图。第二实施方式基本上对应于第一实施方式，从而接着仅讨论区别。相同的和功能相同的构件设有相同的附图标记。
不同于第一实施方式，图5的控制器14具有第一预处理模块56、第二预处理模块58和诊断模块60。
此外，所求取的角速度不是传输给滤波模块28、30而是仅传输给角度模块34。
第一预处理模块56从第一转子位置信号P1产生第一经预处理的转子位置信号V1。
例如，第一预处理模块56将方程(1)的实数的三角级数与第一转子位置信号P1适配。
类似地，第二预处理模块58从第二转子位置信号P2产生第二经预处理的转子位置信号V2。
然后，对应于第一实施方式将经预处理的转子位置信号V1、V2传输给第一滤波模块28、第二滤波模块30和角速度模块32。
诊断模块60获取第一转子位置信号P1的第一基本信号G1和第二转子位置信号P2的第二基本信号G2并且根据所传输的信号诊断电动机12、转子位置传感器15和/或滤波器38。
更准确地说，诊断模块60从第一和/或第二滤波模块28、30获取参数、例如谐波振荡幅值Ai、相位差δi和/或偏移C，并且在所述参数之一超过或低于对于该参数预定的阈值时产生故障报告F。
当然，两个实施方式的不同特征可任意相互组合。尤其是，对于第二实施方式作为区别列举的特征是独立并且可以以不同的方式也在第一实施方式中存在。
特别是，第一和第二实施方式分别使用两个转子位置信号P1、P2。
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