马达位置校准
阅读说明：本技术 马达位置校准 (Motor position calibration ) 是由 C·D·狄克逊 P·G·斯科特森 C·B·威廉姆斯 P·特威 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：一种确定安装在多相电动马达上的马达位置传感器的电角度偏移的方法,该方法包括：使用外部驱动系统使该多相电动马达的转子以马达速度旋转；测量该多相电动马达的每个相的马达相电压,该马达相电压包括该马达的旋转产生的反电动势；将该马达相电压转换到DQ参考系中以形成DQ马达相电压；以及从这些DQ马达相电压计算该电角度偏移。(A method of determining an electrical angle offset of a motor position sensor mounted on a multi-phase electric motor, the method comprising: rotating a rotor of the multi-phase electric motor at a motor speed using an external drive system; measuring a motor phase voltage of each phase of the multi-phase electric motor, the motor phase voltage comprising a back electromotive force generated by rotation of the motor; converting the motor phase voltage into a DQ reference frame to form a DQ motor phase voltage; and calculating the electrical angle offset from the DQ motor phase voltages.)
技术领域
本发明涉及一种确定马达位置传感器的电角度偏移的方法，尤其但不一定排他地在车载电动马达(诸如电动动力辅助转向(EPAS)系统马达)中使用的马达位置传感器的电角度偏移的方法。
背景技术
永磁同步马达(也称为多相电动马达)众所周知地在广泛的应用中使用。已经证明，这些永磁同步马达尤其适于在电动动力辅助转向(EPAS)系统中使用，这是因为它们能够精确地在广的转矩范围内操作并且鲁棒且成本有效。在EPAS系统中，响应于转矩需求信号而驱动马达，向转向轴或转向机构的其他部分施加转矩，以帮助驾驶员转动方向盘。
为了确保马达产生最佳转矩，必须准确知道马达相对于马达的反电动势的过零的电学位置。由于制造公差，无法很容易地以高精度将位置传感器系统装配到此系统中，并且因此位置传感器的零位置(物理)与马达的零位置(电学)之间留有对准误差。位置传感器与马达的更准确对准将是昂贵且耗时的，并且因此通常不适于在这种情况下使用。目前的制造技术和时间安排允许对准准确度约为相对于马达的电学零位置的±15°。
在已知的系统中，对于每个马达，必须在下线(EOL)校准过程中去除剩余的对准误差。一个这种方法是禁用马达的电流控制，并且后续依次在每个旋转方向上向马达供应Q轴电压，测量马达在每个方向上的作为结果的速度。然后可以调整位置偏移，以在两个旋转方向上产生针对给定电压需求的相同速度。这种情况是高耗时的。
作为一种省时措施，可以针对每个马达变体产生映射，以便旋转速度中的任何不对称情况都可以快速确定为特定角偏移。以这种方式，这些速度仅需要检查一次，然后通过将不对称速度映射到存储在映射中的相应角偏移来施加校正。这种情况的缺点是：产生该映射是耗时的过程并且对于每个马达变体以及更新任何单个变体的磁设计的情况都是必须的。电磁还能导致映射失真，使得不存在针对每个位置偏移的清晰直接映射。
因此，期望一种确定电角度偏移的改善方法。
发明内容
根据第一方面，提供了一种确定安装在多相电动马达上的马达位置传感器的电角度偏移的方法，所述方法包括：
使用外部驱动系统使所述多相电动马达的转子以马达速度旋转；
测量所述多相电动马达的每个相的马达相电压，所述马达相电压包括所述马达的旋转产生的反电动势；
将所述马达相电压转换到DQ参考系中以形成DQ马达相电压；
从所述DQ马达相电压计算所述电角度偏移。
以这种方式，可以以比以前更快的方式为每个电动马达单独地确定电角度偏移。该方法无需校准补偿表，并且需要的时间和精力减少。马达的反电动势还可以作为此过程的副产品来测量，该过程的副产品可以在其他计算中使用。
可以在将所述马达相电压转换到所述DQ参考系中之前，首先转换到αβ参考系中。
所述方法可以进一步包括：在转换成所述DQ马达相电压之前将所述马达相电压与所述马达速度归一化以形成归一化的马达相电压的步骤。
这确保了所述方法对于马达的速度变化是不变的，例如使得所述马达不需要以稳定速度旋转或者使得所述马达可以在任一方向上旋转而无需对所述方法的参数进行任何改变。
从所述DQ马达相电压计算所述电角度偏移的步骤可以通过以下操作来执行：调节位置偏移直到所述DQ马达相电压的D轴分量为零，此时能够确定所述位置偏移等于所述电角度偏移。
可以在将所述归一化的马达相转换到所述DQ参考系以形成所述DQ马达相电压的步骤中使用所述位置偏移。
从所述DQ马达相电压计算所述电角度偏移的步骤可以通过闭环控制器来执行。
所述闭环控制器可以是PI控制器。
从所述DQ马达相电压计算所述电角度偏移的步骤可以通过使用反正切函数来执行。
从所述DQ马达相电压计算所述电角度偏移的步骤可以包括施加时滞校正以将在执行所述校正时的所述马达速度考虑在内。
这可以最小化在较高速度下操作马达时由于信号处理中的时间延迟而引入的角度误差。
可以通过使用时滞滤波系数对指示所述马达速度的马达速度信号进行滤波来施加所述时滞校正。
所述马达速度可以是恒定速度。
确保旋转的速度是恒定的可以简化速度处理并且加速该过程。
所述马达速度可以高于最小速度和/或可以低于最大速度。
所述方法还可以包括：从所述马达相电压中去除DC偏移的步骤。
去除这些DC偏移可以去除附加谐波含量以便改善该方法的性能。
在所述方法的操作期间，可以禁用所述多相电动马达的驱动级控制器。
可以使用偏移滤波系数对所述电角度偏移进行滤波。
该滤波可以最小化该系统内的噪声。
附图说明
现在将参考附图描述特定实施例，在附图中：
图1示出了电动马达的驱动级和这些驱动级所连接的三个马达相；
图2示出了执行第一方面的方法的控制器的操作；
图3示出了针对已对准的参考和具有15°的偏移的马达的两者，在正在以恒定速度旋转的马达的每个相中的反电动势的测量结果的示例；
图4示出了图3的转换成αβ参考系并且后续还转换到DQ参考系中的测量结果；
图5示出了图4的表示为电压相量的DQ马达相电压；
图6示出了从图5的DQ马达相电压计算的角偏移；
图7示出了运行算法以在角度偏移为约-46.5的情况下确定电角度偏移的控制器的示例；
图8示出了与外部驱动设备接合以用于运行第一方面的方法的电动马达的简化视图；
图9示出了本发明确定马达位置传感器的电角度偏移的方法的流程图。
具体实施方式
首先参考图1，示出了三相同步电动马达10的驱动电路100。电动马达10在图8中以简化版本示出。驱动电路100包括驱动级，该驱动级具有将正电轨106连接到接地电轨108的三个分支104。每个分支104包括成对布置的顶部开关110和底部开关112，该顶部开关和该底部开关是可控制以向包含在马达10的定子12内的马达10的三个相114提供电力的电开关。在所描绘的实施例中，顶部开关110和底部开关112被设置为MOSFET，但是还可以使用其他电控开关。
马达10的相114以Y或星形构型连接，每个相114的第一端连接至驱动级102的顶部开关110与底部开关112之间的连接点，并且第二端连接至三相114的公共连接点。马达驱动控制器116操作顶部开关110和底部开关112，该马达驱动控制器控制开关110、112通过脉冲宽度调制(PWM)的方式将正电轨106处提供的直流电流变换为提供给马达相114的交流电流。因此使得马达10的转子14旋转。控制PWM信号的方式对于技术人员而言是众所周知的，并且在本申请中将不再进行讨论。
为了以有效且高效的方式控制马达10，有必要知道在将PWM信号施加到相114时马达10的转子14的位置。为了做到这一点，在系统的组装期间，位置传感器16(例如，呈旋转编码器的形式)被机械地附接到转子14，位置传感器16的输出被用于确保在使用期间将正确的信号提供给马达10的驱动级102。因为确保组装的完美准确度是困难且耗时的，因此在位置传感器16的零位置与转子14的零位置之间留有未对准或电角度偏移。
在DQ参考系中可以通过以下等式限定马达10：
其中：
id-D轴电流
iq-Q轴电流
ud-D轴电压
uq-Q轴电压
Ld-D轴电感
Lq-Q轴电感
Rs-相电阻
p-磁极对的数量
ωm-马达速度
Ke-反电动势常数
重新布置等式，在零电流在马达10中流动的情况下，仅在马达10旋转时才在端子处产生电压，并且仅在Q轴上存在产生的反电动势。可以使用反电动势仅出现在Q轴上的事实来确定正确的电角度偏移；如果D轴电压不等于零，则电角度偏移是不正确的。
因此控制器116可以被配置成确定在组装之后马达位置传感器16的电学偏移。在图2中描绘了控制器116的操作。控制器116被配置成在马达10正在由外部驱动系统18(诸如另一电动马达)驱动的同时进行操作。马达10的被迫转动使得由电动马达10的相114随着转子14旋转而在定子12内产生反电动势。因此，在确定位置传感器16的电角度偏移时，驱动级102并没有对马达10进行主动控制。因此，在零马达速度下，从相114中的每个相感测的电压将为零。
因此，在马达10的任何旋转之前，可以从电压测量结果中去除任何DC偏移偏置。虽然相电压测量结果中存在的DC偏移不影响平均计算DQ量，但是这些DC偏移确实引起附加谐波含量，去除附加谐波含量改善了控制器116执行的算法的性能。
当旋转马达10时，控制器116从马达10的每个相114接收马达相电压VU、VV、VW。这在图3中示出。控制器116然后可以例如通过执行Clarke变换来将这些马达相电压转换到αβ参考系中。在马达10的旋转期间产生的反电动势与马达速度以及马达方向成比例。这样，有利的，虽然不是必需的是，在进一步处理之前，将马达相电压与马达速度归一化。与马达方向归一化可能需要添加180°的附加补偿项。不对马达速度进行归一化就可能需要将附加补偿项添加到所计算的偏移。
马达10可能有必要以高于最小速度的速度旋转以确定偏移。最小速度可能受限于能够多准确地测量反电动势，因为反电动势随着速度的降低而趋于零。该最小速度可以约为50rpm。
操作的最大速度可以由ECU可以测量的最大电压限定，因为电压随着旋转速度增大而增大—反电动势与旋转速度成比例。因为ECU可测量的电压信号将基于预期在使用中看到的电压，针对12V系统，该最大电压可以约为30V。
尽管偏移校正可能不需要马达相电压的大小，但是一旦已将信号转换到DQ参考系中，就可以将马达相电压的大小用于测量反电动势常数(KEMF)。KEMF定义了马达在给定速度下产生的电压，并因此定义为每弧度每秒的峰值电压。在使用该定义和如上所定义的马达的模型的情况下，缩放因子是(马达速度的单位为rev/s)。
该过程中的下一步骤是通过将表示马达电学位置加上位置偏移的值用作马达10的位置来将信号转换到DQ参考系中。αβ参考系和DQ参考系中的相电压在图4中示出。如图2所示，所描绘的实施例然后通过控制位置偏移直到马达相电压的D轴分量为零而进行操作。该步骤通过使用PI控制器(如本领域中众所周知的)来实现。此时，可以确定位置偏移与马达位置传感器16相对于马达10的电角度的偏移(即，电角度偏移)相同。这在图5中以DQ电压相量的形式示出，并且然后在图6中示出角度误差。
当位置偏移反馈到PI控制器的DQ变换中时，可以根据可用于计算电角度偏移的时间调整PI控制器。考虑到在系统中可能存在一定水平的噪声，这允许在响应速度与稳定至稳定状态值之间实现平衡。例如，如果系统响应太快，则将跟踪相电压中的任何谐波含量，并且因此将引入所确定的电角度偏移的变化。
在图7中示出了对控制器116进行操作的示例算法。迹线包括三个马达相电压以及对确定的电学偏移值的作为结果的响应。已经将控制器116调整为具有4秒的稳定状态稳定时间。可以看出已将电偏移值确定为近似-46.5°。该响应是从0°直到313.5°的一阶响应，其等于-46.5°。
在已使用速度归一化步骤的情况下，控制器116可以取决于马达10的旋转方向利用两个不同的参数来确定电角度偏移。可以在马达10在第一方向上旋转的情况下使用第一参数，并且可以在马达10在相反方向上旋转的情况下使用第二参数。控制器116将取决于旋转的方向自动选择正确的参数，来确保确定了正确的电角度偏移。在已经包括了速度归一化步骤的情况下，这两个不同的参数不是必需的。
当在较高的速度下操作马达10时，补偿接收信号与处理信号之间的时间延迟以产生电角度偏移可能是有益的。在这种情况下，可以对速度信号使用滤波器以计算补偿时间延迟的外推位置。这样，可以使计算出的偏移对于马达10的旋转速度是不变的。
还可以通过偏移滤波系数对电角度系数进行滤波，以最小化噪声。
代替通过使用操作算法的控制器116来确定电角度偏移，还可以通过对DQ值直接使用反正切(tan-1)函数来确定电角度偏移。
在图9的流程图中对如上所述的方法的实施例进行概述。在第一步骤中，通过外部驱动系统旋转马达S100。然后通过控制器接收并且测量马达相电压S102。接着，将马达相电压转换到αβ参考系S104中并且结合马达速度进行归一化S106。然后将马达相电压转换到DQ参考系S108中并且然后可以计算电角度偏移S110。
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