用于確定電機的轉子位置偏移的系統和方法【專利摘要】根據本發明的示例方面的方法，其除了其他方面還包括檢測轉子的位置，包括轉子的極性，從而檢測電機的錯誤的轉子位置偏移而不需要在電機內產生轉矩或運動。【專利說明】用于確定電機的轉子位置偏移的系統和方法【
技術領域：
】[0001]本發明涉及電動車輛，更具體但不排他地，涉及一種用于確定電動車輛的電機的轉子位置偏移的系統。【
背景技術：
】[0002]混合動力電動車輛（HEV'S)、插入式混合動力電動車輛（PHEV'S)以及純電池動力車輛（BEV's)(下文統稱為"電動車輛")不同于傳統的機動車輛，因為他們使用了除內燃機以外的一個或多個電機來驅動車輛。電動車輛還可裝配有電池，該電池存儲用于為電機提供動力的電能。在一些電動車輛中，電機還可被用作由內燃機提供動力的發電機，從而產生電能以為電池充電。[0003]電機可包含具有定子和轉子的同步電動機，該轉子具有永磁體。為了滿足電動車輛的電動機控制要求并避免不精確轉矩的產生，可能有必要確定轉子的位置。【
發明內容】[0004]根據本發明的示例方面的方法，其除了其他方面還包括檢測轉子的位置，包括轉子的極性，從而檢測電機的錯誤的轉子位置偏移，而不需要在電機內產生轉矩或運動。[0005]在上述方法的進一步非限制性實施例中，檢測的步驟包括施加電壓以及分析來自電機的電流響應，以確定轉子的位置，包括轉子的極性。[0006]在上述方法的兩者之一的進一步非限制性實施例中，檢測的步驟包括向電機施加第一幅值和第一頻率的第一電壓來產生第一電流響應，并處理來自電機的第一電流響應以確定轉子直軸的校準（alignment)。該步驟包括向電機施加第二幅值和第二頻率的第二電壓，并分析來自電機的第二電流響應以確定轉子直軸的極性。[0007]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，第一幅值是與第二幅值不同的幅值。[0008]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，第一頻率是與第二頻率不同的頻率。[0009]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，處理的步驟包括處理來自電機的負序電流響應。[0010]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，第一電壓是正弦旋轉電壓，以及第二電壓是沿著直軸的正弦脈沖電壓。[0011]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，該方法包括以下步驟中的其中一個：如果第一電流響應的平均值是正值，確定直軸的極性是正確的，或者如果第一電流響應的平均值是負值，確定直軸的極性是錯誤的。[0012]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，該方法包括以下步驟：如果第一電流響應的平均值是負值，則180°調整位置。[0013]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，該方法包括以下步驟：將轉子直軸的位置和極性與來自設置用于監控電機的傳感器的信息相比較，以確定錯誤的轉子位置偏移。[0014]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，該方法包括以下步驟：如果轉子位置偏移超出范圍，則采取校正行動。[0015]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，響應于預定的提示而執行上述檢測的步驟。[0016]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，預定的提示是電動車輛的開啟狀態。[0017]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，檢測的步驟包括采用電壓命令跟蹤法。[0018]在上述方法中的任何一個的進一步非限制性實施例中，檢測的步驟包括將逆電動勢（EMF)和位置信號相比較。[0019]根據本發明的另一典型方面的方法，除了其他方面，還包括利用衰減的正弦轉矩檢測電機的錯誤的轉子位置偏移。[0020]在上述方法的進一步非限制性實施例中，利用衰減的正弦轉矩包括向電機的轉子的直軸施加第一幅值的第一電流，向轉子的交軸施加第二幅值的第二電流，以可校正的遞減率（calibratabletaperrate)逐漸減小第二電流至可設置的振幅，以及過濾轉子的位置響應以識別零點位置。[0021]在上述方法的兩者之一的進一步非限制性實施例中，逐漸減小的步驟包括使用線性漸變和指數衰減中的其中一個。[0022]根據本發明的示例方面的轉子位置偏移檢測系統，除了其他方面，還包括具有轉子的電機、監控轉子位置的傳感器，以及與傳感器通信的控制單元。逆變器與控制單元通信。控制單元設置用于比較來自傳感器的信息和來自逆變器的反饋，從而檢測轉子的錯誤的轉子位置偏移。[0023]在上述系統的進一步非限制性實施例中，控制單元設置用于命令三相電壓(3-phasevoltage)施加至逆變器。[0024]本發明的各種特征和優點從以下詳細說明中對本領域技術人員將變得顯而易見。結合詳細說明的附圖能夠被簡要地描述如下。【專利附圖】【附圖說明】[0025]圖1概要地顯示了電動車輛的動力系統。[0026]圖2顯示了電動車輛的電動驅動系統的部分。[0027]圖3顯示了電機轉子相對于直軸和交軸的數字模型。[0028]圖4顯示了能夠被并入電動車輛中的轉子位置偏移檢測系統。[0029]圖5顯不了用于確定電機的轉子位置偏移的方法的第一實施例。[0030]圖6顯示了用于檢測電機的轉子位置偏移的方法的第二實施例。[0031]圖7顯示了用于確定電機的轉子位置偏移的方法的第三實施例。[0032]圖8顯示了用于確定電機的轉子位置偏移的方法的第四實施例。【具體實施方式】[0033]本發明涉及一種用于確定應用于電動車輛內的電機的轉子位置偏移從而滿足電動機控制要求并避免通過電機的不精確轉矩的產生的系統和方法。這里所描述的系統和方法提供了一種用于檢測錯誤轉子位置偏移而無需承擔相對昂貴和耗時的維護操作的車載診斷方法。[0034]圖1概要地顯示了電動車輛12,如混合動力電動車輛（HEV)，的動力系統10。盡管描述為HEV，應當理解的是，這里所描述的概念并不限于HEV's，其可延伸至其他的電動車輛，包括但不限于，插入式混合動力電動車輛（PHEV's)以及純電池動力車輛（BEV's)。[0035]在一個實施例中，動力系統10是使用了第一驅動系統和第二驅動系統的功率分流動力系統，第一驅動系統包括發動機14和發電機16(即第一電機）的組合，第二驅動系統至少包括電動機36(即第二電機)、發電機16和電池50。例如，電動機36、發電機16和電池50可組成動力系統10的電動驅動系統25。第一驅動系統和第二驅動系統產生轉矩以驅動一組或多組電動車輛12的車輛驅動輪30,下面將更詳細地討論。[0036]可通過動力傳輸單元18連接發動機14,如內燃機，和發電機16。在一個非限制性的實施例中，動力傳輸單元18是行星齒輪組。當然，其他類型的動力傳輸單元，包括其他齒輪組和變速器，均可用于連接發動機14和發電機16。動力傳輸單元18可包括環形齒輪20、恒星齒輪22和托架總成24。當作為發電機將動能轉化為電能時，通過動力傳輸單元18驅動發電機16。發電機16能夠可選擇地作為電動機以將電能轉化為動能，從而輸出轉矩至連接于動力傳輸單元18的托架總成24的軸26。由于發電機16可操作地連接于發動機14，因此通過發電機16能夠控制發動機14的速度。[0037]動力傳輸單元18的環形齒輪20可連接于軸28,該軸28可通過第二動力傳輸單元32連接于車輛驅動輪30。第二動力傳輸單元32可包括具有多個齒輪34A、34B、34C、34D、34E和34F的齒輪組。其他動力傳輸單元也可以是合適的。齒輪34A-34F從發動機14傳輸轉矩至差速器38以向車輛驅動輪30提供牽引力。差速器38可包括能夠向車輛驅動輪30傳輸轉矩的多個齒輪。第二動力傳輸單元32通過差速器38機械地耦接于車軸40以向車輛驅動輪30分布轉矩。[0038]還能夠使用電動機36以通過向軸46輸出轉矩來驅動車輛驅動輪30,該軸46也連接于第二動力傳輸單兀32。在一個實施例中，電動機36和發電機16均為再生制動系統的一部分，其中電動機36和發電機16兩者均能夠用作電動機來輸出轉矩。例如，電動機36和發電機16能夠各自地向高壓總線48和電池50輸出電能。電池50可以是能夠輸出電能以操作電動機36和發電機16的高壓電池。其他類型的能量存儲設備和/或輸出設備也能夠合并用于電動車輛12。[0039]電動機36、發電機16、動力傳輸單兀18和動力傳輸單兀32可總體地稱為電動車輛12的變速驅動橋42或變速器。因此，當駕駛員選擇特定的檔位時，適當地控制變速驅動橋42以提供用于通過向車輛驅動輪30提供牽引力來使電動車輛12前進的相應的排檔。[0040]動力系統10可附加地包括用于監控和/或控制電動車輛12的各個方面的控制系統44。例如，控制系統44可與電動驅動系統25、動力傳輸單元18、32或其他部件通信以監控和/或控制電動車輛12。控制系統44包括電子設備和/或軟件以執行用于操作電動車輛12的必要的控制功能。在一個實施例中，控制系統44是車輛系統控制器和動力系統控制模塊（VSC/PCM)的結合。盡管其顯示為單個硬件設備，控制系統44可包括以多硬件設備、或一個或多個硬件設備內的多軟件控制器的形式的多控制器。[0041]控制器局域網（CAN)52允許控制系統44與變速驅動橋42通信。例如，控制系統44可接收來自變速驅動橋42的信號以指示檔位之間的轉變是否正在發生。控制系統44還可與電池50的電池控制模塊，或者其他控制設備通信。[0042]此外，電動驅動系統25可包括一個或多個控制器54,如逆變器系統控制器（ISC)。控制器54設置用于控制變速驅動橋42內的特定部件，例如，如用于支持雙向功率流的發電機16和/或電動機36。在一個實施例中，控制器54是與可變電壓轉換器（ISC/VVC)結合的逆變器系統控制器。[0043]圖2顯不了圖1的電動車輛12的電動驅動系統25的一部分。控制器54包括多個開關單元60,如集成柵雙極型晶體管，其選擇性地阻止電流至發電機16和/或電動機36。開關單元60支持往返于發電機16和電動機36的雙向功率流。[0044]參見圖3,如圖1的發電機16和電動機36這樣的電機可包括旋轉以產生轉矩的轉子56(或軸)。能夠相對于三相靜止坐標系a、b和c在數學上表示轉子56。可通過靜止的d、q坐標和旋轉的d、q坐標在2-D中表示三相靜止坐標系a、b和c。例如，靜止的d、q坐標包括直軸ds和交軸qs,旋轉的d、q坐標包括直軸dr和交軸qr。旋轉的d、q坐標與轉子56的移動對準。因此，Θr表示轉子56的角定位。在電動車輛12的特定狀態期間，可能有必要計算轉子56的角位置Θr，從而滿足電機的電動控制要求和/或避免不精確的轉矩產生。[0045]圖4顯示了轉子位置偏移檢測系統58,其能夠被并入電動車輛，如圖1中所示的電動車輛12中。轉子位置偏移檢測系統58確定電機16、36(電動機和/或發電機)的轉子位置偏移。在一個實施例中，轉子位置偏移檢測系統58包括傳感器62、控制單元64、可變電壓轉換器66和逆變器68。控制單元64、可變電壓轉換器66和逆變器68可以是控制器54的一部分，或者能夠獨立于控制器54。[0046]傳感器62可以是與電機16、36相結合的解析器（resolver)、編碼器、速度傳感器或另一個位置傳感器。傳感器62監控電機16、36的轉子56(或軸）的角位置。傳感器56可以安裝至轉子56上或獨立于轉子56。傳感器56向控制單元64傳遞信息，如有關轉子56的轉子位置信息。[0047]轉子位置偏移檢測系統58可利用編程進入控制單元64中的算法來應用特殊電壓命令，以及利用反饋信號的特殊處理來確定來自傳感器62的讀數和轉子56的實際定位之間的任何轉子位置偏移。例如，控制單元64可通過命令三相電壓Vabc至逆變器68并分別測量由逆變器68和電機16、36反饋的三相電流Iabc和轉子位置Θr來控制電機16、36中的三相電流。可將這信息與來自傳感器62的信息相比較以確定轉子位置偏移是否存在。轉子位置偏移可導致不精確的轉矩輸出。可變電壓轉換器66可用于將控制信號轉換為用于控制逆變器68以及其他部件的適當的電壓水平。[0048]轉子位置偏移檢測系統58可附加地包括電壓傳感器69。該電壓傳感器69設置用于測量在逆變器68和電機16、36之間延伸的線圈b、c兩端的電壓。[0049]各種方法或技術能夠被用于計算電機中的轉子位置偏移，如通過使用圖4的轉子位置偏移檢測系統58。圖5,繼續參照圖1-4,概要地顯不了確定電機(如發電機16、電動機36或電動車輛12的一些其他的電機)的轉子位置偏移的一個示例性的方法100。方法100可被"車載式（in-vehicle)"執行，或不從電動車輛12去除變速驅動橋42地執行，并且不要求旋轉轉子56(即無需在電機16、36內產生任何轉矩或運動)。方法100可被稱作自感應信號注入法（self-sensingsignalinjectionmethod)。[0050]自感應信號注入法100通過檢測電機的轉子56的直軸d的位置開始于步驟102。例如，可通過將第一幅值的第一電壓施加于電機，然后分析來自電機的電流響應以確定直軸d的位置或校準，從而確定轉子56的直軸d的位置。第一電壓可以是具有相對高頻率，如在100Hz和500Hz之間，的旋轉電壓。在一個實施例中，通過處理來自電機的負序電流響應來分析來自電機的電流響應，從而確定d軸（即永磁體軸）的校準。[0051]一旦已知位置和校準，則轉子56的直軸d的極性必需被確定。在步驟104處，將第二幅值的第二電壓施加于轉子56的交軸q以產生沿直軸d的電流響應。在一個實施例中，第二電壓的幅值不同于第一電壓。可使用可包括標準波或方波的正弦脈沖電壓(sinusoidalpulsingvoltage),將第二電壓施加于交軸q。在步驟106處平均沿直軸d的電流響應以確定直軸d的極性。[0052]在步驟108處，分析了轉子56的直軸d的極性值。例如，如果該極性在步驟106處被計算為正，那么直軸d的位置被認為是正確的。作為選擇，如果該極性為負，那么180°調整位置計算以獲得轉子56的直軸d的正確位置。[0053]在步驟110處，將在步驟108處收集的轉子56的直軸d的位置信息與來自傳感器(或解析器)的信息相比較，以計算轉子位置偏移是否在范圍之外，該傳感器(或解析器)監控轉子56的位置。最終，在步驟112處，如果確定轉子位置偏移是在范圍之外，則采取更正行動。示例性的更正行動包括更正偏移（即將轉子56校準回到零點位置（zeroposition)并繼續電動車輛12的電機的操作、設定診斷故障代碼（diagnostictroubleshootingcode)、和/或進入電動車輛12的限制操作模式（limitedoperatingmode)。[0054]在一個實施例中，響應于預定的提示而執行方法100。例如，能夠至少在電動車輛12的每個開啟狀態下執行方法100。在另一個實施例中，能夠響應于檢測在特定速度范圍內的轉子速度而執行方法1〇〇。在另一個實施例中，響應于預編程的電流命令范圍執行方法100。在另一個實施例中，能夠以規定的間隔(如電動車輛12已經被操作的一定量的時間或距離）執行方法100。預定的指示可附加地涉及電機復位（reset)或維修狀況（servicingcondition)。[0055]圖6概要地顯不了用于確定電機的轉子位置偏移的方法200的另一個實施例。方法200可被"車載式（in-vehicle)"執行，即不從電動車輛12去除變速驅動橋42。方法200可包括旋轉轉子56;然而，可以無需在電機16、36內產生任何轉矩或運動來執行方法200。方法200可被稱作電壓命令追蹤法（voltagecommandtrackingmethod)。[0056]電壓命令追蹤法200可通過以在電機的最小速度和最大速度之間的速度可選擇地旋轉電機的轉子56開始于步驟202。在車輛操作的正常過程期間且無論何時滿足特定條件(即速度在特定范圍內，電流命令為零等)，可執行方法200。轉子56可以以各種方式旋轉。在一個實施例中，可旋轉轉子56而不移動車輛驅動輪30,如通過使用發動機14來驅動發電機16或電動機36。在另一個實施例中，通過移動車輛驅動輪30來旋轉轉子56(電動車輛12可以移動或被升起)，如通過使用發動機14驅動電機，使用發動機14和發電機16兩者驅動電動機36,或者使用維修工具來旋轉車輛驅動輪30。還可使用其他方法來旋轉電機的轉子56。[0057]接下來，在步驟204處，主動調節電機的電流為零。以這種方式調節電流來取消與電機相關聯的逆電動勢（EMF)。然后，在步驟206處，能夠過濾或平均用于實現零電流的電壓命令角（）。在可校正的時間窗口之上能夠低通（low-pas)過濾或平均電壓命令角。在步驟208處，可以通過可校正的值來調整電壓命令角以獲得轉子位置。例如，可以從電壓命令角減去/增加90°以獲得轉子位置。例如，如果速度被確定為負，則可向電壓命令角增加90°，或者如果速度為正，則可從電壓命令信號減去90°。[0058]在步驟210處，將轉子位置信息與來自監控轉子56的位置的傳感器(或解析器)的信息相比較，以計算轉子位置偏移是否在范圍之外。最終，在步驟212處，如果確定轉子位置偏移是在范圍之外，則采取更正行動。[0059]圖7概要地顯不了用于確定電機的轉子位置偏移的另一個不例性的方法300。方法300可被"車載式（in-vehicle)"執行，而不從電動車輛12去除變速驅動橋42,且可選擇地要求旋轉轉子56。然而，類似于方法100、200,方法300能夠被執行而無需在電機16、36內產生任何轉矩或運動。方法300可被稱作逆電動勢（EMF)與位置信號比較法（backelectromotiveforce(EMF)-to_positionsignalcomparisonmethod)。[0060]方法300可通過可選擇地旋轉電機的轉子56開始于步驟302。可以以在電機的最小速度和最大速度之間的速度旋轉轉子56。類似于方法200,可以旋轉轉子56,移動或不移動車輛驅動輪30。[0061]可以在步驟304處禁用控制器54的開關單元60。在一個實施例中，通過不向它們的柵極驅動器（gatedriver)施加電壓信號來禁用開關單元60。[0062]接下來，在步驟306處，測量三相電機的B&C(或者V&W)端子的線間電壓(line-linevoltage)。在一個實施例中，工具，如電壓傳感器69(參見圖4)，被用于執行測量步驟。在步驟308處使用工具估計線間電壓的正斜率零交點（positive-slopezero-crossing)。在正斜率零交點處的位置傳感器讀數表示轉子位置錯誤（即轉子位置偏移)。最終，在步驟310處，如果確定轉子位置偏移超出范圍之外，則采取更正行動。[0063]圖8概要地顯不了用于確定電機的轉子位置偏移的另一個方法400。方法400可被"車載式（in-vehicle)"執行，并要求轉子56的最小的移動。方法400可以被稱作衰減正弦轉矩法（decayingsinusoidaltorquemethod)。在衰減正弦轉矩法400中，衰減正弦轉矩被施加于電機以將其移動至特定位置。[0064]在步驟402處，可選擇地將電動車輛12的變速驅動橋從公路或其他牽引表面解耦，如通過提升電動車輛12。然后，方法400繼續至步驟404,將第一幅值的第一電流施加于電機的直軸d。在一個實施例中，第一電流可以是恒定電流。接下來，在步驟406處，將第二幅值和頻率的第二電流施加于電機的交軸q。在步驟408處，以可校正的遞減率將交軸q的第二電流逐漸減小至可設置的振幅，如使用線性漸變或指數衰減。這導致轉子56繞電機的零點位置擺動或朝電機的零點位置衰減。在步驟410處，過濾/平均轉子56的位置響應以獲得零點位置的讀數，從而能夠計算轉子的位置偏移。[0065]盡管不同的非限制性實施例被描述為具有特定的部件或步驟，但本發明的實施例并不限于那些特定的組合。可能的是，使用來自任何非限制性實施例的一些部件或特征與來自任何其他非限制性實施例的特征或部件相組合。[0066]應當被理解的是，貫穿各個附圖的同樣的附圖標記表示相應或類似的元件。應當被理解的是，盡管在這些實施例中公開并描述了特定的部件布置，但其他的布置也能夠得益于本發明所教導。[〇〇67]以上說明書應當被理解為說明性的并無任何限制意義。本領域的普通技術人員將理解的是，某些修改能夠進入本發明的范圍內。由于這些原因，以下權利要求書應當被研究以確定本發明的真實范圍和內容。【權利要求】1.一種方法，其特征在于，包含：檢測轉子的位置，包括轉子的極性，從而檢測電機的錯誤的轉子位置偏移而不需要在電機內產生轉矩或運動。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述檢測的步驟包括：施加電壓；以及分析來自電機的電流響應以確定轉子的位置，包括轉子的極性。3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，檢測的步驟包括：向電機施加第一幅值和第一頻率的第一電壓來產生第一電流響應；處理來自電機的第一電流響應以確定轉子直軸的校準；向電機施加第二幅值和第二頻率的第二電壓；以及分析來自電機的第二電流響應以確定轉子直軸的極性。4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，第一幅值是與第二幅值不同的幅值。5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，第一頻率是與第二頻率不同的頻率。6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，處理的步驟包括處理來自電機的負序電流響應。7.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，第一電壓是正弦旋轉電壓，以及第二電壓是沿著直軸的正弦脈沖電壓。8.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，包括以下步驟中的其中一個：如果第一電流響應的平均值是正值，確定直軸的極性是正確的；或者如果第一電流響應的平均值是負值，確定直軸的極性是錯誤的。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，包括以下步驟：如果第一電流響應的平均值是負值，則180°調整位置。10.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，包括以下步驟：將轉子直軸的位置和極性與來自設置用于監控電機的傳感器的信息相比較，以確定錯誤的轉子位置偏移。11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，包括以下步驟：如果轉子位置偏移超出范圍，則采取校正行動。12.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，響應于預定的提示而執行所述檢測的步驟。13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，預定的提示是電動車輛的開啟狀態。14.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，檢測的步驟包括采用電壓命令跟蹤法。15.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，檢測的步驟包括將逆電動勢（EMF)和位置信號相比較。【文檔編號】H02P21/14GK104113257SQ201410161939【公開日】2014年10月22日申請日期:2014年4月22日優先權日:2013年4月22日【發明者】邁克爾·W·德格尼爾,沙雷斯·施里康特·科扎雷卡,丹尼爾·理查德·利德基申請人:福特全球技術公司