CN109769407A - 用于估计电动机中转子位置的光学传感器和方法、及包括光学传感器的电动机 - Google Patents
用于估计电动机中转子位置的光学传感器和方法、及包括光学传感器的电动机 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于估计电动机中的转子位置的光学传感器，包括光源(21)和多个光电探测器(22)；电动机具有定子并用于电子机器；光源(21)安装在一个转子表面上，其中气隙大到足以不阻挡转子和定子之间的磁通量；光电探测器(22)被均匀地围绕定子齿槽布置，并配置成检测光源(21)发出的光，并输出用于估计转子位置的参数。所提出的低成本光学传感器在无传感器控制算法被应用但受高速区域响应时间的限制时测量旋转电子机器的角位置。光学传感器只增加了很小的成本，并提供了足够精确的转子位置信息，以便在高转速下进行场定向的控制。还提供用于估计电动机中转子位置的方法和包括光学传感器的电动机。
Description
技术领域
本发明涉及转子位置估计，并且更具体地涉及用于估计电动机中转子的位置的光学传感器和方法，并且涉及包括该光学传感器的电动机。
背景技术
为了驱动永磁体同步电动机(PMSM)，需要转子位置以允许场定向的控制(FOC)。诸如分解器、霍尔传感器、GMR传感器或光学编码器的转子位置传感器可以提供转子位置信息，但是其通常是昂贵的。
对无传感器控制主题进行了大量研究，旨在利用三相电流信息来提取转子位置信息，并因此减轻***对于转子位置或角位置传感器的负担，从而降低总成本，并且改善了***可靠性。
具体地，在没有转子位置传感器的情况下，可以通过从测量的相电流中提取位置信息来估计转子位置。典型的提取方法包括非线性观察方法或滑模观察方法。
然而，大多数方法涉及低通滤波器并且涉及延迟时间。当转速非常高(通常高于6000rpm)时，延迟时间将与电动旋转周期相当。从图1中可以清楚地理解传统技术的缺陷，图1示出了当应用无传感器控制时，来自测试结果的实际速度ωm与预期速度之间的延迟时间。在这种情况下，当典型地针对4个极对、速度达到6000rpm以上水平时，无传感器控制算法在转速周期中提取转子位置信息存在局限，如果极对更大则限制水平会较低。
当无传感器控制策略具有很少的限制或精度问题时，现有技术的研究或发明已经解决了当电子机器处于静止或低速时的问题，但是没有现有技术将高速问题考虑进去。
发明内容
如上所述，随着无传感器控制算法在电动踏板车甚至电动车辆中的越来越广泛的应用，由于其固有的滤波器，出现了无传感器控制算法的响应时间限制。因此，由于传统的无传感器控制技术的缺陷，需要提供一种改进的方法和传感器，用于在高速区域以低成本解决该问题。
为此，本发明的发明人发现，在高速区域，由于转速很快并且不需要高精度的角位置，因此需要设计具有粗略精度的低成本角位置传感器。
因此，根据本发明的一个方面，提出了一种用于估计电动机中的转子位置的光学传感器，其还具有定子并用于电子机器。光学传感器包括安装在一个转子表面上的光源，其中气隙大到足以不阻挡转子和定子之间的磁通量；以及多个光电探测器，其被均匀地围绕定子齿槽布置，并配置成检测光源发出的光，并输出用于估计转子位置的参数。
此外，根据本发明的另一方面，提出了一种通过一起利用无传感器控制算法和该光学传感器来估计转子位置的方法。
在一个实施例中，提出了一种用于估计电动机中转子位置的方法，该电动机还具有定子并用于电子机器，该电动机包括上述光学传感器，该方法包括：
估计电动机的转速n；
确定转速n是否超过预定速度nsw；以及
如果确定结果为否，则基于测量的相电流估计转子的位置，并且如果确定的结果为是，则基于由多个光电探测器输出的参数估计转子的位置。
以这种方式，所提出的低成本光学传感器在无传感器控制算法被应用但是受到高速区域的响应时间的限制时测量旋转电子机器的角位置。光学传感器只增加了很小的成本，并提供了足够精确的转子位置信息，以便在高转速下进行FOC控制。
在另一个实施例中，提出了一种用于估计电动机中转子位置的方法，该电动机还具有定子并用于电子机器，该电动机包括上述光学传感器，该方法包括：
(a)根据测量的相电流估计转子的位置；
(b)估计电动机的转速n；
(c)确定转速n是否超过预定速度nsw加上滞后速度nhyst；
(d1)如果确定结果为否则返回步骤(a)，并且(d2)如果确定结果为是，则基于由多个光电探测器输出的参数估计转子位置；
(e)估计电动机的转速n；
(f)确定转速n是否低于预定速度nsw减去滞后速度nhyst；以及
(g1)如果确定结果为否则返回步骤(d2)，并且(g2)如果确定结果为是，则返回步骤(a)。
与第一种方法相比，第二种方法在无传感器控制和光学传感器控制之间提供平滑切换，这通常是滞后以避免在临界速度下两种控制模式之间的频繁切换。
此外，根据本发明的另一方面，提出了一种包括用于估计转子位置的光学传感器的电动机，以及包括该电动机的电子机器。
以下进一步详细描述本公开内容的各个方面和特征。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
下面结合实施例并参考附图更详细地描述和说明本发明，其中：
图1示出了当应用无传感器控制时，来自测试结果的实际速度和预期速度之间的延迟时间；
图2是根据本申请的一个实施例的光学传感器的放置示意图；
图3示出了利用无传感器控制和利用光学传感器的改进的组合控制策略；以及
图4是根据本发明的实施例的用于估计转子位置的方法的流程图。
图中相同的附图标记表示相似或相应的特征和/或功能。
具体实施方式
将参照特定实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。
如上所述，光学传感器被提出作为低成本转子位置传感器解决方案并且仅在高速区域使用。
图2示出了光学传感器的放置。如图所示，光学传感器包括光源21和在定子齿23之间的槽内均匀布置的几个光电探测器22。光源21可以安装在转子表面上，其中气隙相对较大而不会阻挡转子和定子之间的磁通量。
光源21可以由有线或无线的外部电源供电。如果电源是接线的，则必须沿着转子轴放置接线，以便在旋转期间不会缠绕。如果电源是无线的，则能量发射器可以是无线电波，微波，红外线或可见光波等。能量发射器如电场，磁场应采取特殊预防措施，以避免EMC问题。
在一个实施例中，LED用作光源21。LED对转子磁体24产生的EMI不敏感，并且可以放置在转子的电磁铁24内或非常靠近转子的电磁铁24。此外，光学传感器具有长期稳定性和高分辨率的特性。
在一个实施例中，光电探测器22的数量可以是N*3*p，其中p是转子极对的数量，N可以是任何自然数。N越大，光学传感器的精度越高。如果N为1，则电动转子位置的精度为120°。如果N为2，则电动转子位置的精度为60°，依此类推。光电探测器22可以均匀地放置在每个齿槽内部的定子绕组的顶部(其间具有绝缘)。将光电探测器放置在槽内的原因首先是不重塑气隙通量。其次，部分阻挡LED光束的定子齿冠恰好位于LED和光电探测器之间的位置。从光电探测器来看，齿冠之间的空间似乎是一个狭缝。因此，当转子转到LED和光电探测器彼此面对、最大光能到达光电探测器及其轴对齐的位置时，光电探测器可以检测LED的位置以及转子位置。
具有LED/光电探测器对的光学传感器在放置光电探测器的位置处提供绝对转子位置。光电探测器之间的转子位置可以从θ0+ωt计算，θ0是从光电探测器读取的位置，ω是来自不同光电探测器读数的估计速度。一旦转子转动并且与下一个光电探测器对准，则估计的转子位置被刷新。
该光学传感器仅用于高速操作，因为在高速区域，ω高且估计时间小，因此累积误差小于低速区域。这是为什么光学传感器应该用在高速而无传感器控制算法用于低速和中速操作的理论背景。
根据本发明的另一方面，提出了一种通过一起利用无传感器控制算法和光学传感器来估计转子位置的方法。换句话说，它提出了一种具有无传感器控制和具有光学传感器的组合控制策略。
当电动机开始运转时，可以根据现有技术中公知的任何方法连续监测和估计电动机的转速n。
然后，将转速n与预定速度nsw进行比较，该预定速度nsw是模式切换速度并且通常为6000rpm。通常，此时，由于电动机刚刚启动并在低速或中速区域运行，因此转速n低于预定速度nsw。在这种情况下，控制策略利用无传感器控制，并且基于测量的相电流估计转子的位置。
当转速n随着时间的推移而增加并超过预定速度nsw时，控制策略将改变为利用光学传感器的控制。换句话说，在这种情况下，基于由多个光电探测器输出的参数来估计转子的位置。
以这种方式，所提出的低成本光学传感器在无传感器控制算法被应用但是受到高速区域的响应时间的限制时测量旋转电子机器的角位置。光学传感器只增加了很小的成本，并提供了足够精确的转子位置信息，以便在高转速下进行FOC控制。
在另一个实施例中，还提出了一种改进的组合控制策略。具有无传感器控制和具有光学传感器的改进的组合控制策略如图3所示。
如图3所示，在无传感器控制和光学传感器控制之间有一个平滑的切换，这通常是一个滞后现象，以避免在临界速度下两个控制模式之间频繁切换。当控制模式为无传感器控制且速度高于nsw+nhyst时，转子位置开始使用直到第一个光电探测器检测到LED能量并输出绝对转子位置θ。是无传感器控制策略的最后估计转子位置。当控制模式现在使用光学传感器并且速度现在低于nsw-nhyst时，控制模式切换到无传感器控制。nsw是模式切换速度并且通常为6000rpm，并且nhyst通常是60rpm的滞后速度。
图4是根据本发明的一个实施例的用于估计转子位置的方法的流程图，该方法在整个用于电动踏板车或电动车辆应用的转矩控制或速度控制模式下运行。
如图4所示，在步骤a，通常当电动机开始运转时，由于电动机刚启动并在低速或中速区域运行，控制策略利用无传感器控制，并且基于测量的相电流来估计转子的位置。
接下来，在步骤b，估计电动机的转速n。然后，在步骤c，将估计速度n与预定速度nsw加上滞后速度nhyst进行比较，并确定转速n是否超过总和。然后，参见步骤d1，如果确定结果为否，则流程图将返回步骤a。然而，参见步骤d2，如果确定结果为是，则控制策略将改变为利用光学传感器的控制，然后将基于多个光电探测器输出的参数估计转子的位置。换句话说，如果转速n超过预定速度nsw加上滞后速度nhyst，则控制策略将从无传感器控制变为利用光学传感器的控制。
在步骤e，再次估计电动机的转速n。然后，在步骤f，将估计速度n与预定速度nsw减去滞后速度nhyst进行比较，并确定转速n是否低于nsw-nhyst。然后，参见步骤g1，如果确定结果为否，则流程图将返回步骤d2。然而，参见步骤g2，如果确定结果为是，则流程图将返回步骤a，然后将基于测量的相电流估计转子的位置。换句话说，如果转速n低于预定速度nsw减去滞后速度nhyst，则控制策略将改变回无传感器控制并且基于测量的相电流估计转子的位置。
与第一种方法相比，第二种方法在无传感器控制和光学传感器控制之间提供平滑切换，这通常是滞后以避免在临界速度下两种控制模式之间的频繁切换。
根据本申请的另一方面，上述提出的光学传感器可以包含在电动机中。以这种方式，可以基于上述两种方法中的任何一种来估计电动机中的转子的位置。此外，现有技术中的电子机器可以包括具有光学传感器的电动机，以利用新颖的转子位置估计方法。
请注意，本发明所示方法的步骤不应限于上述步骤。对于本领域技术人员显而易见的是，所要求保护的本发明的各个方面可以在脱离这些具体细节的其他示例中实施。
此外，如本领域技术人员可以容易地理解的，在列举了若干模块的装置权利要求中，这些模块中的若干个可以由同一个硬件项来实现。在相互不同的从属权利要求中叙述某些模块的仅有事实并不表示这些模块的组合不能用于获益。
应当注意，上述实施例说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计替代实施例。在权利要求中，括号内的任何参考符号不应解释为限制权利要求。词语“包括”不排除未在权利要求或说明书中列出的元件或步骤的存在。元件前面的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在列举若干单元的***权利要求中，这些单元中的若干单元可以由同一项软件和/或硬件实现。第一、第二和第三等词的使用并不表示任何排序。这些词语应解释为名称。
Claims (9)
1.一种用于估计电动机中转子的位置的光学传感器，该电动机进一步具有定子并且被用于电子机器，所述光学传感器包括：
安装在一个转子的表面上的光源，其中气隙足够大以便不阻挡所述转子和所述定子之间的磁通量；以及
多个光电探测器，其围绕定子齿槽均匀地布置并且被配置为检测所述光源发射的光并且输出用于估计转子位置的参数。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述光电探测器的数量是N*3*p，其中p是转子极对的数量，N是任何自然数。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的光学传感器，其中，所述光源是LED，并且由外部电源供电。
4.一种用于估计电动机中转子位置的方法，所述电动机还具有定子并用于电子机器，所述电动机包括根据权利要求1-3中任一项所述的光学传感器，所述方法包括：
估计所述电动机的转速n；
确定所述转速n是否超过预定速度nsw；以及
如果确定结果为否，则基于测量的相电流估计转子的位置，并且如果确定的结果为是，则基于所述多个光电探测器输出的参数估计转子的位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个光电探测器输出的参数包括当一个光电探测器和所述光源彼此面对并且所述一个光电探测器和所述光源的轴对齐时由所述一个光电探测器输出的最大光能，并且
其中，基于所述多个光电探测器输出的参数估计转子的位置包括：
当所述一个光电探测器输出最大光能时，取所述一个光电探测器被放置的位置θ0作为转子的位置；
从θ0+ωt估计所述一个光电探测器和邻近所述一个光电探测器的另一个光电探测器之间的转子的位置，其中ω是电动机的估计转速；并且
当所述另一个光电探测器输出最大光能时，将所述另一个光电探测器的位置作为转子的位置。
6.一种用于估计电动机中转子位置的方法，所述电动机还具有定子并用于电子机器，所述电动机包括根据权利要求1-3中任一项所述的光学传感器，所述方法包括：
(a)根据测量的相电流估计转子的位置；
(b)估计电动机的转速n；
(c)确定所述转速n是否超过预定速度nsw加上滞后速度nhyst；
(d1)如果确定结果为否则返回步骤(a)，并且(d2)如果确定结果为是，则基于所述多个光电探测器输出的参数估计转子位置；
(e)估计所述电动机的转速n；
(f)确定所述转速n是否低于预定速度nsw减去滞后速度nhyst；并且
(g1)如果确定结果为否则返回步骤(d2)，并且(g2)如果确定结果为是，则返回步骤(a)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中
所述多个光电探测器输出的参数包括当一个光电探测器和所述光源彼此面对并且所述一个光电探测器和所述光源的轴对齐时由所述一个光电探测器输出的最大光能，并且
其中，基于所述多个光电探测器输出的参数估计转子的位置包括：
当所述一个光电探测器输出最大光能时，取所述一个光电探测器被放置的位置θ0作为转子的位置；
从θ0+ωt估计所述一个光电探测器和邻近所述一个光电探测器的另一个光电探测器之间的转子位置，其中ω是电动机的估计转速；并且
当所述另一个光电探测器输出最大光能时，将所述另一个光电探测器的位置作为转子的位置。
8.一种包括转子和定子并用于电子机器的电动机，还包括根据权利要求1-3中任一项所述的光学传感器，其中，
根据权利要求4-7中任一项所述的方法估计转子的位置。
9.一种电子机器，包括根据权利要求8所述的电动机。
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