确定电机的转子位置偏移

技术领域

本申请涉及电机，并且更特别地，涉及确定包括在机器中的转子的转子位置偏移。

背景技术

电机(也被称为电动马达)包括：定子，其具有多个绕组；和转子，其响应于通过感应来将电流施加到绕组而相对于定子成角度地移位。电机可以以各种各样的不同的设计或配置存在。在一些应用中，马达传感器可以监测转子的角位置和/或与转子耦合的马达轴的角位置，以确定转子/马达轴相对于定子的精确角位置。然而，马达传感器可以指示转子/马达轴相对于定子的角位置，其与转子/马达轴相对于定子的实际相对角位置偏移。

发明内容

在一个实现方式中，校准电机以确定马达传感器指示的位置与实际转子位置之间的角偏移的方法包括：将电流供应到定子绕组；标识转子磁极位于其中的转子的象限；在所标识的象限的下角边界处测量的转矩值与所标识的象限的上角边界处测量的转矩值之间近似线；以及通过定位其中由转子施加的转矩为零的角位置来确定角偏移。

在另一实现方式中，校准电机以确定马达传感器指示的位置与实际转子位置之间的角偏移的方法包括：将电流供应到定子绕组；标识转子磁极位于其中的转子的象限；在所标识的象限的下角边界处测量的转矩值与所标识的象限的上角边界处测量的转矩值之间近似线；以及通过沿着所近似的线定位其中由转子施加的转矩为零的角位置来执行分半搜索(bi-section search)以确定角偏移；通过在所标识的象限的下角边界处测量的转矩值与所标识的象限的上角边界处测量的转矩值之间近似线来确定初始角偏移位置；通过沿着所近似的线定位其中由转子施加的转矩为零的角位置以改进初始角偏移位置来执行分半搜索以确定最终角偏移；以及将角偏移存储于控制系统中。

在又一实现方式中，系统配置成校准电机以确定马达传感器指示的位置与实际转子位置之间的角偏移，并且包括：控制器，其中控制器包括非易失性存储器，并且被编程为：将电流供应到定子绕组；标识转子磁极位于其中的转子的象限；在所标识的象限的下角边界处测量的转矩值与在所标识的象限的上角边界处测量的转矩值之间近似线以确定初始偏移位置值；以及通过沿着所近似的线定位其中由转子施加的转矩为零的角位置来确定最终角偏移位置。

附图说明

图1是描绘使用电机的系统的实现方式的图；

图2是描绘能够校准电机的校准系统的实现方式的图；

图3是描绘校准电机的方法的实现方式的流程图；

图4是描绘校准电机的方法的实现方式的一部分的流程图；

图5是描绘校准电机的方法的实现方式的一部分的流程图；

图6是描绘校准电机的方法的实现方式的一部分的表；以及

图7是描绘校准电机的方法的实现方式的一部分的流程图。

具体实施方式

电机包括具有多个定子绕组的定子和响应于将电流施加到定子绕组而相对于定子成角度地移位的转子。系统能够确定在马达传感器所指示的转子角位置与实际转子角位置之间的角偏移。也就是说，转子的磁极可以在与马达传感器指示的角位置不同的角位置处，并且角差可以被称为角偏移。

角偏移的确定能够作为电机校准的一部分而实现，该电机校准将电流以已知或固定的电流电平施加到定子绕组，由此使转子相对于定子以已知或固定的角速度比率旋转。当定子绕组被供应固定电流电平时，能够在马达轴或转子的第一角位置处测量第一转矩值。当定子绕组被供应固定电流电平时，能够在转子的第二角位置处测量第二转矩值。实际转子磁极角位置的象限能够基于第一转矩值和第二转矩值而选择。在选择象限之后，能够在界定所选择的象限的象限角之间测量的所测量的转矩值上近似线。能够使用许多技术中的任一种技术(诸如，分半搜索)来确定在实际转子磁极角位置上的收敛，以沿着所近似的线定位当电流供应到定子绕组时马达轴的所测量的转矩为零的点。

该校准能够标识转子相对于定子的实际角位置，并且将该实际角位置与所指示的转子相对于定子的角位置对比以确定角偏移。该角偏移能够存储于控制电机的微控制器或其它功率电子器件的非易失性存储器中。微控制器能够从马达传感器接收指示转子相对于定子的角位置的信号，从存储器访问角偏移，并且将该偏移加/减到转子的所指示的角位置以提高测量的准确度。该校准能够在不具有电机的任何现有知识的情况下实行，并且还能够比先前的校准方法更快得多地标识转子的实际角位置。

电机(也被称为电动马达)能够用作交通工具的部分推进源或唯一推进源，并且在该实现方式中，电机实现为永磁体同步机器。然而，本文中所描述的校准过程能够与电机的其它实现方式一起使用并且在其它系统中使用。虽然在一个可能的实现方式中，电机被示出为系统的一部分，但当电机可以可移除地耦合到将已知的电流电平供应到定子绕组并且使转子以预定义的角速度旋转的测力计时，能够在安装于系统中之前实行校准。当测力计给定子绕组供应已知或预定义的电流电平时，测力计能够在电机的马达轴处测量转矩。测力计能够使用一个或多个微处理器来实行该过程(在下文中更详细地描述)以执行校准方法。

转到图1，示出了电气系统10的实现方式，电气系统10包括能够如本文中所描述的那样被校准的电机。系统10包括电力网12和能够从电网12接收电功率的电动交通工具(EV)14。

电力网12可以包括许多电功率发生器和电气输送机构中的任一个。发电机(未示出)(诸如，使核裂变、通过水坝的水流或涡轮的风力的能量转换的核供电式设备、液压供电式设备或风力供电式设备)产生AC电功率，该AC电功率然后能够远离发电机传送相当大的距离以用于住宅用途和商业用途。发电机能够与电力网12耦合，电力网12将AC电功率从发电机传送到终端用户，诸如住宅或企业。当AC电功率被提供给电力网12时，电功率能够以相对高的电压存在，使得它能够被传递相对长的距离。一旦电功率到达其中打算使用电功率的位置，就能够在最终被提供给住宅或企业之前使用电力变压器(未示出)来减小电压电平。在一个实现方式中，由住宅或企业接收的AC电功率的电压电平是240伏(V)。然而，该电压可以是不同的值。

EV 14包括一个或多个电机16(也被称为电动马达)，所述一个或多个电机16包括具有定子绕组的定子以及能够相对于定子成角度地移位的转子(未示出)。在一个实现方式中，该电机是永磁体同步电机，其包括具有多个成角度地隔开的永磁体的转子。永磁体能够由许多不同材料中的任一种制成，所述材料的一个示例是钕合金或其它稀土元素。如上文中所指出的，定子绕组能够接收电流，该电流的供应能够由控制系统18控制，控制系统18引起转子相对于定子的角位移。控制系统18可以包括促进电机16的操作的功率控制电子器件的阵列。这些电子器件可以包括使用多个MOSFET来实现的逆变器18a(在图2中示出)，所述多个MOSFET根据在马达控制器18b的方向上的所编排的顺序和定时而接通和切断，以引起转子角移动。马达控制器18b能够实现为具有输入/输出和其中能够存储并访问数据的非易失性存储器的一个或多个微处理器。在一个实现方式中，角偏移能够存储于非易失性数据中。除了逆变器18a之外，控制系统18还可以包括用于调节供应到电机16的电功率的电压电平的DC-DC转换器(未示出)。

EV服务设备20(也被称为EV充电站)能够从电网12接收AC电功率并且向EV 14提供电功率。EV服务设备20可以包括输入端子，该输入端子从电网12接收AC电功率并且将AC电功率传递到被包括在EV 14上的板上(on-board)交通工具电池充电器。板上交通工具电池充电器可以包括AC/DC逆变器，使得从电网12接收的AC电功率能够供应到交通工具电池26。电缆24能够与EV 14上的电插座(receptacle)可拆卸地连接并且使EV充电站与EV 14电气地链接，使得AC电功率能够在充电站与EV 14之间传递。EV充电站能够被分类为从电网12接收240VAC并且将240VAC供应到EV 14的“2级”EV服务设备。在其它实现方式中，输入到充电站的AC电功率的电平和/或从充电站输出的AC电功率的电平有可能是不同的。

术语“电动交通工具”或“EV”可以指的是全部地或部分地由电机或马达推进的交通工具。EV可以指的是电动交通工具、插入式电动交通工具、混合式电动交通工具以及电池供电式交通工具。交通工具电池26能够将已从AC电功率转换的DC电功率供应到推进EV的(一个或多个)电机16。如上文中所指出的，控制系统18能够使DC电功率转换成AC电功率以引起转子相对于定子的角移动。一个或多个交通工具电池26是可再充电的，并且仅举几个例子，可以包括铅酸电池、镍镉(NiCd)、镍金属氢化物、锂离子以及锂聚合物电池。交通工具电池电压的典型的范围可以在从200至800V的DC电功率(VDC)的范围内变动。

图2描绘能够实行校准过程的校准系统50的实现方式。校准系统50可以包括测力计52，测力计52能够出于校准机器16以找到转子的角偏移的目的而接收电机16。测力计52可以包括转矩单元56，转矩单元56可释放地耦合到电机16的马达轴54以测量由马达轴54施加的转矩的量和方向。测力计52还可以包括接收数据并且生成控制信号的测力计控制器58。测力计控制器58能够使用具有输入/输出和其中能够存储并访问数据的非易失性存储器的一个或多个微处理器来实现。测力计控制器58能够接收由转矩单元56生成的、指示由马达轴54施加的转矩的量的数据信号。测力计控制器58还能够生成电流命令，该电流命令能够通过引导电机使定义量的电流流过定子导线的数据链路60来传送。另外，测力计控制器58能够使用本文中所描述的校准过程来计算角偏移，通过数据链路来传送角偏移，并且控制系统18能够将角偏移存储于非易失性存储器中。能够实行校准过程的测力计应当能够进行四象限操作，并且能够以正角速度和负角速度操作，以及能够向被测试的电机提供功率并且从被测试的电机回收功率。

转到图3-图5，示出了用于确定马达传感器指示的转子的角位置与转子的实际角位置之间的角偏移的校准电机16的过程100。过程100能够标识转子相对于定子的实际角位置，并且将该实际角位置与所指示的转子相对于定子的角位置对比，并且确定角偏移。该角偏移能够存储于控制系统18的非易失性存储器中。控制系统18能够从马达传感器接收指示转子相对于定子的角位置的信号，从存储器访问角偏移，并且将角偏移加/减到所指示的角位置，以提高微处理器的准确度。过程100在步骤102开始于：将电流以已知或固定的电流电平供应到定子绕组，由此使转子相对于定子以已知或固定的角速度比率旋转。在一个实现方式中，测力计能够给定子绕组供应150安培。测力计控制器58能够使转子以已知的角速度旋转。在一个实现方式中，为1000转每分钟(RPM)。测力计控制器58然后能够将已知或固定的电流定子命令和已知或固定的转子偏移角发送到校准系统50。控制系统50能够将电动马达16中的定子电流电平调节成所命令的值。方法100进行到步骤104。

在步骤104，能够确定转子的象限。确定转子的象限能够在子步骤104a以如下的方式开始：在定子绕组被供应固定电流电平时，在第一角偏移值处测量第一转矩值。在一个实现方式中，测力计52能够施加150安培的电流，以引起转子以1000转每分钟(RPM)旋转，并且由此引起马达轴以1000转每分钟(RPM)旋转。该步骤104a能够由具有控制器58的测力计52实行，控制器58经由数据链路60命令校准系统50将定子电流的供应控制成已知或固定的值和已知或固定的第一角偏移位置。第一转矩值能够使用转矩单元56来测量。当实行该过程时，测力计52能够监测从马达传感器接收的、指示转子相对于定子的角位置的信号输出。在子步骤104b，继在第一角偏移位置处测量第一转矩值之后，当定子绕组被供应固定电流电平时，测力计能够在第二角偏移位置处测量第二转矩值。那些测量的一个实现方式在如图7那样的图中示出。该图指示当转子角偏移位置相对于定子成角度地移位，同时命令已知或固定的定子绕组电流时，在电机16的马达轴处测量的转矩值。

在步骤104c，能够基于在第一角偏移位置处测量的第一转矩值和在第二角偏移位置处的第二转矩值来选择转子的实际转子磁极位置的象限。在该实现方式中，第一角偏移位置能够处于90度，并且第二角偏移位置能够处于180度。测力计52能够基于以下来选择四个象限中的一个象限：将在第一角偏移位置处测量的第一转矩值和在第二角偏移位置处测量的第二转矩值分别与能够由测力计的一个或多个微处理器访问的查找表的内容进行比较。查找表能够在测力计控制器58处存储于非易失性存储器中，或能够从外部存储器装置访问。在图6中示出该查找表的解释。

例如，在第一角偏移位置处测量的第一转矩值和在第二角偏移位置处测量的第二转矩值能够被确定为负的或正的。如果在第一角偏移位置处测量的转矩值是负的，并且在第二角偏移位置处测量的转矩值是负的，则测力计52能够选择第一象限。如在逆时针方向移动并且具有2π或360度的角范围的传统单位圆上所定义的，第一象限能够具有0度的下角边界和95度的上角边界。如果在第一角偏移位置处测量的转矩值是负的，并且在第二角偏移位置处测量的转矩值是正的，则测力计52能够选择第二象限。第二象限能够具有90度的下角边界和185度的上角边界。如果在第一角偏移处测量的转矩值是正的，并且在第二角偏移位置处测量的转矩值是负的，则测力计52能够选择第三象限。第三象限能够具有180度的下角边界和275度的上角边界。如果在第一角位置处测量的转矩值是负的，并且在第二角位置处测量的转矩值不满足用于选择第一象限、第二象限或第三象限的标准，则测力计52能够选择第四象限。第四象限能够具有270度的下角边界和365度(或5度)的上角边界。

在图7中示出示例，该示例指示当在由马达传感器指示转子或马达轴位置时在从0-360度延伸的角转子位置的范围内测量电机16的转矩值时的电机16的测量的转矩值。在该示例中，在90度和180度下测量的转矩不满足为选择第一象限、第二象限或第三象限中的一个所需要的、查找表中的标准，因此在该实现方式中，测力计52可以选择象限四。下角边界能够设定为270度，并且上角边界能够设定为365度。测力计52能够设定与下角边界相关联的转矩测量值和与上角边界相关联的转矩测量值。方法100进行到步骤106。

在步骤106，能够在象限的下角边界处测量的转矩值与在象限的上角边界处测量的转矩值之间近似线。参考图7中所示出的示例，下角边界可以是270度并且转矩测量值可以是7牛顿/米(N/m)，而上角边界可以是365度并且转矩测量值可以是-3N/m。测力计52能够使用如所示出的线近似来拟合这两个转矩测量值之间的线。给定下角边界处的转矩测量值和上角边界处的转矩测量值，能够通过将下角边界加到上角边界并且除以二以确定角中点来确定中点转矩。在中点处测量的转矩能够用于近似该线。例如，

θ＝θ

θ＝θ

θ＝(θ

如果下角边界转矩T

θ

θ

θ

+/-θ

在步骤108，确定转子的磁极的位置，并且由此确定指示由马达传感器指示的转子相对于定子的位置与相对于定子的实际转子位置之间的差的转子偏移量。测力计52能够确定在马达轴上测量的转矩何时等于零。这能够以多种方式中的任一种方式来确定。在一个实现方式中，测力计52能够使用分半搜索在所近似的线上定位零转矩。这被示出为在图5中的步骤108a开始的子例程。在步骤108a，可以将迭代次数设定成零并且假设以下内容：

N＝迭代次数

N

Δθ

T

在一个实现方式中，N

在步骤108h，能够进行比较。如果θ

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