用于感应马达的场定向控制的绝对位置传感器

摘要

本发明涉及用于感应马达的场定向控制的绝对位置传感器。提供了使用绝对位置传感器而用于对感应马达进行场定向控制的用于汽车驱动系统的系统和方法。汽车驱动系统包括具有转子的感应马达和联接到感应马达上的位置传感器。位置传感器构造为感测转子的绝对角位置。处理器可以联接到位置传感器且构造为基于绝对角位置和在感应马达起动时获得的初始角位置之间的差异确定转子的相对角位置。控制器可以联接到感应马达和处理器，且构造为基于转子的相对角位置提供对感应马达的场定向控制。

说明书

对于相关申请的交叉参考

本申请要求了2007年8月6日提交的美国临时专利申请序号60/954,096的优先权，且在此通过参考合并。

技术领域

在此描述的主题的实施例一般地涉及车辆驱动系统，更特定地，主题的实施例涉及用于感应马达的场定向控制的绝对位置感测。

背景技术

近年来，技术进步以及不断发展的造型上的品位导致汽车设计中的重要改变。改变的一个涉及汽车内的动力使用和多种电系统的复杂性，特别是替代燃料汽车，例如混合动力、电动和燃料电池车辆。这些车辆中的许多使用了电动马达来向车辆提供牵引动力。

对于感应马达，转子的速度和定子内的旋转磁场的速度必须不同，该概念已知为转差，以感应出电流。为以最高的效率运行感应马达，使用反馈控制回路来控制转差。在常规的控制系统中，当转子速度增加时，转子接近基本速度(或额定速度)，其中越过马达端子的电压达到了不能再向马达提供更多电流的值。为以高于基本速度的速度来运行马达，使用了已知为弱磁的技术，该技术由非转矩生成电流来控制。

因此，场定向控制方法已被开发以与非转矩生成电流分开地控制供给到感应马达的转矩生成电流。这些方法使用了转子的相对位置和速度以维持定子磁通和转子磁通之间的希望的关系。非转矩生成电流基于转子的速度和感应马达的磁体特征调整。通过补偿不希望的磁通，场定向的控制可以用于改进效率、马达瞬态响应和以高于基本速度的速度对转矩指令的跟踪。作为改进的性能的结果，感应马达和驱动系统可以适当地定尺寸以用于应用，因此降低了成本且改进了总体效率。

用于感应马达的大多数场定向控制方法利用了增量式编码器以测量转子的相对位置和速度。典型地，这些编码器是磁性编码器或光学编码器。对于汽车的环境，封装空间经常非常珍贵且编码器经常暴露于苛刻的环境条件。例如，运行温度范围可能从-40℃至150℃，这超过了对于大多数光学编码器的运行温度额定值。虽然磁性编码器可以容许汽车的温度，但它们在暴露于汽车应用中遇到的振动力和频率时经常不能维持运行。此外，为实现高精度水平，磁性编码器必须实施为具有大的物理尺寸，这由于封装和汽车设计的原因是不希望的。

发明内容

提供了用于汽车驱动系统的设备。汽车驱动系统包括具有转子的感应马达，和联接到感应马达的位置传感器。位置传感器构造为感测转子的绝对角位置。处理器可以联接到位置传感器且构造为基于绝对角位置和当感应马达起动时所获得的初始角位置之间的差异来确定转子的相对角位置。控制器可以联接到感应马达和处理器，且构造为基于转子的相对角位置来提供对感应马达的场定向控制。

设备提供为用于使用在车辆内的驱动系统。驱动系统包括具有转子的感应马达，和与感应马达整合的位置传感器。位置传感器构造为感测转子的绝对角位置。位置传感器可以进一步包括分解器，该分解器具有联接到感应马达的轴的分解器转子和联接到感应马达的分解器定子。

提供了用于控制感应马达的方法。方法包括使用绝对位置传感器获得转子的初始角位置，其中转子的初始角位置在感应马达起动时获得。方法进一步包括使用绝对位置传感器获得转子的随后的角位置。方法包括基于初始角位置和随后的角位置来确定转子的相对角位置，且基于相对角位置确定励磁电流指令。

此发明内容提供为以简化的形式介绍构思的选择，该构思将在下文中在详细描述中进一步描述。此发明内容不意图于确定所要求的主题的关键特征或基本特征，也不意图于用作辅助来确定所要求的主题的范围。

附图说明

对于主题的更完整的理解可以通过结合附图参考详细描述和权利要求书来获得，在所有的附图中，类似的参考数字指出了类似的元件。

图1是根据一个实施例的典型的汽车的方框图；

图2是适合于使用在图1的汽车中的感应马达控制系统的典型实施例的方框图；

图3是适合于使用在图2的感应马达控制系统内的典型的感应马达控制过程的流程图；和

图4是根据一个实施例的典型的感应马达汽车驱动系统的截面视图。

具体实施方式

如下的详细描述在本质上仅是图示且不意图于限制主题或申请的实施例和这样的实施例使用。如在此所使用，词汇“典型地”意味着“作为例子，例如，或图示”。在此作为典型来描述的任何实施不必然地解释为比其他实施是优选的或有利的。此外，不意图于由在前面的技术领域，背景技术，发明内容或如下的具体实施方式中提出的任何明确的或隐含的理论限制。

如下的描述参考了“连接”或“联接”到一起的元件或节点或特征。如在此所使用，除非明确地另外陈述，“连接”意味着一个元件/节点/特征直接结合到另一个元件/节点/特征(或直接与之连通)，且不必机械地。类似地，除非明确地另外陈述，“联接”意味着一个元件/节点/特征直接或间接结合到另一个元件/节点/特征(或直接或间接与之连通)，且不必机械地。因此，虽然在此示出的示意图描述了元件的典型的布置，但附加的中间元件、设备、特征或部件可以出现在所描绘的主题的实施例中。此外，术语“第一”、“第二”和涉及结构的其他这样的数字术语不意味着序列或次序，除非明确地由上下文指出。

为简化期间，涉及信号、传感器和系统的其他功能方面(和系统的单独运行部件)的常规的技术在此不详细地描述。此外，在此处所包含的多种视图中示出的连接线意图于表达多种元件之间的典型的功能关系和/或物理联接。应注意的是许多替代或另外的功能关系或物理连接可以出现在主题的实施例中。

在此论述的技术和构思涉及用于使用绝对位置传感器来实施对感应马达的场定向控制的系统和方法。场定向控制涉及用于供给到感应马达的转矩生成电流和非转矩生成电流的分开的控制回路。转子的相对位置和速度用于维持定子磁通和转子磁通之间的希望的关系，以改进马达效率，如在下文中更详细地描述。如在此所使用，下标d和q是与转子在感应马达内旋转同步的笛卡尔参考坐标系内的量，其中q轴(或交轴)垂直于转子极轴线(即转矩生成)，且d轴(或直轴)平行于转子极轴线(即非转矩生成)。

图1图示了根据一个实施例的车辆或汽车100，其包括感应马达102、能量源104、逆变器组件106、电控系统108和驱动轴110。在典型的实施例中，能量源104可运行地连通和/或电联接到电控系统108和逆变器组件106。逆变器组件106联接到感应马达102，该感应马达102又联接到驱动轴110。逆变器组件106可运行地连通和/或电联接到电控系统108且构造为从能量源104提供电能和/或动力到感应马达102，如在下文中进一步详述。

取决于实施例，汽车100可以是多种不同类型的汽车的任一个，例如轿车、货车、卡车或多功能运动车(SUV)，且可以是两轮驱动车(2WD)(即后轮驱动或前轮驱动)，四轮驱动车(4WD)或全轮驱动车(AWD)。汽车100也可以合并多种不同类型的发动机的任一个或它们的组合，例如汽油内燃机或柴油内燃机，“柔性燃料车辆”(FEV)发动机(即使用汽油和酒精的混合物)，燃料电池车辆发动机，气态化合物(例如氢气和天然气)燃料发动机，燃烧/电动马达混合发动机，或电动马达。

在图1中图示的典型实施例中，感应马达102可以包括发电机，牵引马达或本领域中已知的另外的合适的马达。在典型的实施例中，感应马达102是多相交流(AC)马达且包括一组绕组(或线圈)，其中每个绕组对应于感应马达102的一个相。虽然在图1中未示出，但感应马达102包括定子组件(或定子)和转子组件(或转子)，如本领域一般技术人员将认识到。在典型的实施例中，感应马达102也可以包括整合在其内的变速器，使得感应马达102和变速器通过一个或多个驱动轴110机械地联接到车轮的至少一些。

取决于实施例，能量源104可以包括电池，燃料电池或另一个合适的电压源。应理解的是虽然图1描述了汽车100具有一个能量源104，但在此论述的原理和主题与能量源的数量或类型无关且应用于具有任何个数的能量源的车辆。

在典型的实施例中，逆变器组件106包括一个或多个逆变器，每个逆变器包括带有反平行二极管(即与每个开关反平行)的开关(例如半导体设备，如晶体管和/或开关)，其中感应马达102的绕组电连接在开关之间以在感应马达102内提供电压和造成转矩，如在本领域中将理解。电控系统108可运行地连通和/或电连接到逆变器组件106。虽然未详细示出，但电控系统108包括多种传感器和汽车控制模块，或电控单元(ECU)，例如用于控制逆变器组件106的逆变器控制模块，且可以进一步包括处理器和/或存储器，存储器包括存储在其上的指令(或存储在另外的计算机可读取介质上)，以用于执行在下文中所描述的过程和方法。

根据一个实施例，电控系统108响应于从汽车100的驾驶员处接收到的指令(即通过加速器踏板接收的指令)，且将指令提供到逆变器组件106以利用高频脉宽调制(PWM)来管理通过逆变器组件106提供到感应马达102的电压，如将理解。在典型的实施例中，电控系统108实施了场定向控制回路以运行逆变器组件106且改进感应马达102的效率和性能，如在下文中更详细地描述。

现在参考图2，在典型的实施例中，感应马达控制系统200包括但不限制于感应马达102，能量源104，控制器202，逆变器204，绝对位置传感器206和处理器208。图2的一些元件类似于以上参考图1所述的它们的对应的元件，且这样的描述将不在图2的上下文中重复地重述。感应马达控制系统200可以构造为利用场定向控制来基于转子位置调节感应马达102，如将在下文中进一步描述。例如，感应马达控制系统200可以构造为实施场定向控制方法，例如在转让给本发明的受让人的名为“METHOD OF CONTROLLING A VOLTAGE-FEDINDUCTION MACHINE”的美国专利No 6,222,335中披露，且在此通过参考将其合并，该专利披露了用于基于用于感应马达的转子的相对位置来实施场定向控制的典型方法。

再次参考图2，在典型的实施例中，能量源104联接到逆变器204，该逆变器204又联接到感应马达102。绝对位置传感器206联接到感应马达102。处理器208联接在绝对位置传感器206的输出和控制器202之间。控制器202联接到逆变器204，且构造为向逆变器204提供占空比指令。在典型的实施例中，控制器202进一步联接到逆变器204的输出和处理器208的输出，以造成反馈控制回路以用于实施场定向控制，如在下文中更详细地描述。在逆变器204和感应马达102之间的三个线指示了感应马达102和逆变器204具有三个相，但在此描述的主题不限制于三相实施，且应用于具有任何个数的相的逆变器204和感应马达102，如将在本领域中所认识到。

在典型的实施例中，绝对位置传感器206提供了代表转子的绝对角位置的信息或信号。绝对位置传感器206可以构造为基于绝对位置传感器206的定位来感测或测量感应马达102的转子相对于定子或一些其他固定的参考点的绝对角位置。在典型的实施例中，绝对位置传感器206是分解器，但可以在替代实施例中使用其他合适的装置以用于感测绝对角位置。在典型的实施例中使用了具有两个极对的分解器(例如，双极分解器)。在替代实施例中可以使用多极分解器，然而，多极分解器一般地更昂贵且要求实施另外的数学计算，这在本领域中已知且超出了此披露的范围。分解器能产生精确的位置信息同时包装且设计为紧凑的尺寸。另外，分解器是高度可耐久的且可以在苛刻的环境条件下(例如，汽车的温度和振动水平)维持可靠和精确的运行。

在典型的实施例中，处理器208联接到绝对位置传感器206且构造为将来自绝对位置传感器206的信号(在分解器的情况下是模拟信号)或测量值转换为数字表示(例如，数字语言)。处理器208可以是分解器到数字转换器，或用于处理来自绝对位置传感器206的信号的另一个合适的装置。处理器208可以构造为执行附加的任何和功能，如在下文中更详细地描述。

在典型的实施例中，感应马达控制系统200可以进一步包括电流计算器210。在典型的实施例中，电流计算器210的输出联接到控制器202的输入，且电流计算器210构造为提供转矩生成电流指令到控制器202。电流计算器210可以响应于转矩指令(例如通过电控系统108提供)、估计的转子磁通(Φ_r)和指令的转子磁通来确定转矩生成电流指令，如在下文中更详细地描述。

在典型的实施例中，控制器202构造为通过利用PWM技术以调节逆变器204的输出，来控制由能量源104提供到感应马达102的电压，如将理解。控制器202构造为利用关于感应马达102的转子的相对位置的信息来实施场定向控制。在典型的实施例中，控制器202可以进一步包括，但不限于速度观测器212，磁通参考表214，励磁电流估计器216，同步坐标系电流调节器218，固定坐标变换器220，空间向量调制器222，同步坐标变换器224，磁通估计器和转差角计算器226和加法器228。这些和其他元件可以联接到一起以基于相对转子位置实施对感应马达102的场定向控制，如在下文中更详细地描述。

现在参考图3，在典型的实施例中感应马达控制系统200可以构造为进行感应马达控制过程300和在下文中描述的另外的任务、功能和运行。多种任务可以由软件、硬件、固件或它们的任何组合来进行。对于图示的目的，如下的描述可以参考以上结合图1至图2陈述的元件。在实践中，任务、功能和运行可以通过所述的系统的不同的元件执行，例如电控系统108，控制器202或处理器208。应认识到的是可以包括任何个数的附加的或替代的任务，且它们可以合并到具有在此未详细描述的附加的功能性的更复杂的程序或过程中。

再次参考图3，且继续参考图1和图2，在典型的实施例中，感应马达控制过程300可以构造为当感应马达102起动时初始化。在典型的实施例中，绝对位置传感器206在感应马达102起动时获得了转子的初始角位置(任务302)。感应马达控制过程300可以构造为存储初始角位置(任务304)。例如，处理器208可以构造为在存储器内存储或维持初始角位置。绝对位置传感器206在感应马达102的运行期间当转子旋转时获得了转子随后的角位置(任务306)。

在典型的实施例中，感应马达控制过程300构造为基于绝对角位置确定转子的相对角位置(θ_r)(任务308)。感应马达控制过程300可以基于随后的角位置和初始角位置之间的差异来确定转子的相对角位置。例如，处理器208可以构造为存储转子的初始角位置作为偏差，且将初始角位置从每个随后的角位置测量值中减去，以产生相对角位置(例如，相对于初始角位置或起动时的角位置)。在替代实施例中，控制器202可以构造为接收绝对角位置且确定相对角位置。在典型的实施例中，感应马达控制过程300构造为向场定向控制系统(例如控制器202)提供相对角位置。例如，处理器208的输出可以联接到控制器202的输入。

在典型的实施例中，感应马达控制过程300构造为基于相对位置确定转子的速度(ω_r)(任务310)。例如，处理器208可以联接到和/或提供相对转子位置信息到速度观测器212。速度观测器212可以构造为通过将相对转子位置相对于时间微分来确定转子速度。在典型的实施例中，感应马达控制过程300利用了转子速度来确定励磁电流指令以基于转子速度补偿转子磁通的瞬时改变(任务312)。例如，速度观测器212可以将转子速度提供到磁通参考表214的输入，这获得了转子磁通指令。根据一个实施例，磁通参考表214是包含了基于转子速度(ω_r)、能量源的电压(V_DC)和感应马达102的磁通特征的预先确定的转子磁通指令的查询表。磁通参考表214的输出可以提供到励磁电流估计器216，励磁电流估计器216构造为确定励磁电流指令以基于转子磁通指令产生希望的转子磁通。

在典型的实施例中，感应马达控制过程300构造为基于转子的相对位置和同步坐标系电流指令来确定用于逆变器204的占空比(任务314)。同步坐标系电流调节器218可以联接到电流计算器210和励磁电流估计器216，使得它接收了同步坐标系电流指令同步坐标系电流调节器218可以联接到同步坐标变换器224的输出。同步坐标变换器224联接到逆变器204的输出且构造为测量(或感测)感应马达102中的电流。同步坐标变换器224执行了坐标变换以获得测量到的电流在同步参考坐标系内的值(i_d，i_q)，且将测量到的电流提供到同步坐标系电流调节器218。同步坐标系电流调节器218构造为确定同步坐标系占空比，使得测量到的电流i_d，i_q)跟随电流指令

在典型的实施例中，固定坐标变换器220联接到同步坐标系电流调节器218的输出和加法器228的输出。加法器228联接到磁通估计器和转差角计算器226，其构造为接收测量到的电流(i_d，i_q)、指令的电流和转子磁通指令作为输入，且从这些输入确定估计的转子磁通(Φ_r)和优化的转差角(θ_slip)，如将在本领域中所认识到。加法器228也构造为接收相对转子位置(θ_r)且将相对转子位置和转差角(θ_slip)相加以产生变换角(θ_t)。在典型的实施例中，固定坐标变换器220构造为基于变换角(θ_t)将同步坐标系占空比指令转化到固定坐标系(d_α，d_β)。在典型的实施例中，固定坐标变换器220的输出联接到空间向量调制器222的输入。空间向量调制器222构造为基于固定坐标系占空比指令来确定用于逆变器204的开关的运行占空比指令，使得逆变器204利用了PWM调制来从能量源104提供电压以如希望地运行感应马达102。在典型实施例中，由任务306、任务308、任务310、任务312和任务314确定的循环在感应马达102的运行期间无限地重复。

现在参考图4，在典型的实施例中，感应马达汽车驱动系统400包括但不限制于与绝对位置传感器206整合的感应马达102。图4图示了沿旋转轴中心截取的感应马达驱动系统400的截面视图。感应马达102包括与封闭在壳体406内的转子404同心的轴402。在典型的实施例中，绝对位置传感器206是具有分解器转子408和分解器定子410的分解器。

在典型的实施例中，轴402机械地联接到转子404，使得轴402与转子404同步旋转。在典型的实施例中，轴402的长度使得轴402的部分延伸超过转子404且通过壳体406内的缝隙。分解器转子408机械地联接到轴402(例如通过将分解器转子408螺栓连接到轴402)。在典型的实施例中，轴402与分解器转子408同心。分解器定子410可以机械地联接到壳体406且与分解器转子408同心。分解器定子410构造为基于分解器转子408的角位置来感测转子404的绝对角位置，该分解器转子408的角位置通过机械联接到轴402而跟随了转子404的角位置，如将在本领域中所理解。

以上所述的系统和/或方法提供了使用绝对位置传感器的用于感应马达的场定向系统。因为用于感应马达的场定向控制系统设计为用于增量式或相对位置测量，所以实施绝对位置传感器(例如分解器)比使用增量式编码器更复杂。然而，空间节约超过了另外的实施成本。另外，分解器是可耐久的，可以可靠地使用在苛刻的环境中，在此环境中增量式编码器更不可靠。如上所述，马达的性能不受损害且感应马达的场定向控制可以不修改现有的控制系统而实现，甚至不使用相对位置传感器。

其他实施例可以在不同的汽车类型，不同的交通工具(例如船只和航空器)或不同的电气系统内利用以上所述的系统和方法，因为其可以实施在其中感应马达使用场定向控制来运行的任何情况中。进一步地，马达和逆变器可以具有不同个数的相，且在此描述的系统不应解释为限制于三相设计。在此论述的基本原理可以延伸到较高阶次的相系统，如在本领域中将被理解。

虽然已经在前述详细描述中提出了至少一个典型实施例，但应认识到的是存在大量变化。也应认识到的是在此描述的典型实施例或多个典型实施例不意图于以任何方式限制所要求的主题的范围、可应用性或构造。而是前述的详细描述将为本领域一般技术人员提供用于实施所述的实施例或多个实施例的方便的路线图。应理解的是可以在元件的功能和布置上进行多种改变而不偏离由权利要求所限定的范围，该范围包括已知的等价物和在提交此专利申请的时间可预见的等价物。