CN111989857A - 一种确定位置传感器的角偏移量的方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种确定由直接或间接地固定至多相永磁AC马达的转子的旋转位置传感器组件指示的角位置与马达转子的实际电学位置之间的偏移量的方法，该方法包括以下步骤：向马达施加电压矢量，该电压矢量与马达的已知角位置对准；等待马达转子移动到当在dq参考系中考虑时矢量以d轴为中心的位置；测量由位置传感器指示的转子的角位置，并且根据所测得的角位置与矢量的已知实际位置之差来确定偏移量。

Description

一种确定位置传感器的角偏移量的方法

技术领域

本发明涉及确定位置传感器组件的角偏移量以例如用于控制旋转机电致动器的方法。特别地，本发明涉及一种确定由位置传感器指示的零位置与致动器的旋转部件的实际零位置之间的偏移量以使得可以在致动器的操作期间补偿该偏移量的方法。

背景技术

已知提供了一种位置传感器组件，该位置传感器组件能够确定绕轴线自由旋转的物体(诸如，马达的转子)的角位置。这种类型的传感器有时被称为旋转编码器，并且将旋转运动转换成一个或多个输出信号，这些输出信号的值独立地或在组合时指示旋转物体的角位置。

这种位置传感器组件的一种应用是测量马达转子的位置，以用于控制马达的位置。马达有多种形式，但是申请人已经考虑的一种特定形式是被集成到用于液压制动***的机电致动器中的马达。这样的致动器可以用于将马达的旋转运动转换成连接到液压制动回路的缸体中的柱塞的线性运动。需要对马达的位置进行高度准确的控制，并且在大多数情况下，空间是有限的，使得难以放置位置传感器。

在US 4,909,577中公开的一种布置中，电磁致动器包括具有定子和转子的马达。转子是中空的并且在内表面上设置有螺旋槽，该螺旋槽形成位于转子内部的滚珠丝杠线性驱动器的一部分。该驱动器包括长形螺杆，该长形螺杆具有与转子的螺旋槽互补的外螺旋槽。这两个槽填充有金属滚珠，并且这些滚珠作用在螺杆上，以使螺杆相对于定子进行线性移动。螺杆的线性移动用于控制车辆的液压制动回路中的液压压力。转子的两端由轴承支撑。

在申请人的较早专利EP 0 317 182中公开的替代性布置中，步进马达具有固定至马达的转子的伸出端的螺杆，使得当转子旋转时，螺杆也旋转。螺杆伸入形成于活塞的端面中的孔中，该活塞进而被***到填充有液压流体的缸体的孔中。防止了活塞在缸体中旋转，并且随着转子旋转时，使活塞沿着缸体移动。这改变了与缸体相连的液压制动回路中的流体压力。

在这两种情况下，转子的旋转都被限制为在达到相应的端部止挡件之前有固定的周转数。为了精确地控制致动器的位置，并且还为了防止该致动器快速驱动到端部止挡件上，就必须知道附接至马达的转子的角位置。这通过使用旋转位置传感器组件来实现。

在一种已知的布置中，旋转位置传感器组件包括：至少一个传感器；以及相对于所述传感器移动的传感器目标，该传感器目标可以呈管状体和与管状体一体形成的多个基本上径向延伸的区段的形式。每个径向延伸的区段包括两个基本上径向的上边缘部分和从这些上边缘部分后置的径向延伸的支撑件，每个上边缘部分都提供传感器目标。在其他布置中，代替管状体，可以提供盘形传感器目标。

理想地，传感器目标被固定至转子，使得由目标指示的0度机械角位置会对应于转子的实际0度机械位置。这样就不需要在控制***内针对任何差异进行对准程序和额外的考虑。实际上，在由传感器指示的零位置与马达的电零位置之间可能存在偏移量。取决于构建方法，偏移量可能在0度到360度之间的任何位置，尤其是在附接传感器时并没有顾及转子实际角位置的情况下。

角位置传感器可以以多种方式进行校准。可以使用用于校准传感器信号的外部设备来校准角位置传感器。可替代地，可以通过使用限定位置传感器对准的机械特征来固定角位置，从而根本上不再需要校准。这些方式典型地会导致严格的机械公差、额外的机械测量、固定装置并且随之对成本和循环时间产生影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种确定由旋转位置传感器组件指示的角位置与马达转子的机械位置之间的偏移量的简单且可靠的方法。

根据第一方面，本发明提供了一种确定由直接或间接地固定至多相永磁AC马达的转子的旋转位置传感器组件指示的角位置与所述马达转子的实际电学位置之间的偏移量的方法，所述马达包括多个相，所述方法包括以下步骤：

向马达施加电压矢量，所述电压矢量与所述马达的已知角位置对准；

等待所述马达转子移动到当在dq参考系中考虑时所述矢量以d轴为中心的位置；

测量由所述位置传感器指示的所述转子的角位置；以及

根据所测得的角位置与所述矢量的已知实际位置之差来确定所述偏移量。

通过将αβ定子参考系中的电压矢量与已知的电学角位置对准，转子会移动直到转子磁体的磁通量与由相电流生成的磁通量对准为止。在这一点上，可以假设转子处于已知角位置，在该已知角位置处，矢量在dq参考系中沿着d轴布置，并且不再向转子施加转矩。然后通过测量转子的实际位置，通过读取从角位置传感器输出的电学位置，就可以确定电学位置偏移量。

该方法可以选择与所述马达的多个相中的第一相对准从而与所述马达的电学零度相对应的矢量。对于在转子上具有许多极对的马达，在马达定子的固定参考系中的同一矢量位置可以将转子设定于多个机械马达位置，每个机械马达位置偏移电学360度。对于马达控制，仅了解电循环内的转子位置通常就足够了。对于使用转子位置传感器对转子或连接的负载进行机械定位的应用，需要附加的信息来确定机械转子位置。例如，可以通过识别转子无法移动过某个点的端部止挡件来找到这种信息。

该方法可以可替代地将矢量居中在不为电学0度的已知位置上。矢量的中心可以对应于任何电学位置，该电学位置是360/N的整数倍，其中N是相数。因此，对于每个机械周转一个电周转的三相马达，矢量可以与三相马达中的0度、120度或240度的相对准。类似地，对于具有五个极对的三相永磁同步马达并且因此是每个机械周转有五个电循环的情况，该矢量可以对准相距机械24度的多个位置。

在各自情况下，该方法可以通过从所施加的净矢量的电学位置减去已知的相偏移量来确定与电学0度的偏移量。因此，如果相A处于电学120度，并且位置传感器读数为130度，则偏移量将被确定为130-120＝10度。如果已知相A对应于0度，则在这种情况下的偏移量将为130-0＝130度。

所述方法可以包括施加矢量，所述矢量在测量时间期间相对于所述马达的定子固定就位并且与所述一个相A对准，使得电流仅通过一个相A流入并且从所述马达的其他相等量地流出。对于三相马达，会存在可以被表示为相B和相C的另外两个相(或通过两个相B和C入，而通过一个相A出)。

使用固定矢量进行估计是简单的过程，因为随着马达与d轴对准转子就会移动到已知机械位置并固定在该已知机械位置。

可以通过两个或更多个矢量相加来形成相对于定子位置已知的矢量，并且使转子移动到不存在作用于转子的净转矩的已知位置。为了限制会被汲取的电流，可以使用公知的脉冲宽度调制方法在短周期内重复地施加矢量。

申请人已经意识到，该方法对于转子和固定至转子的位置传感器可以自由旋转的低摩擦组件而言工作良好，但是在摩擦大时，该方法可能会产生微小的误差。这是因为当转子达到d轴位置时，施加在该转子上的q轴转矩减小为零，在距d轴位置小偏移角度时其变得非常小。因此，转子可能停在与要进行估计的理想已知位置相距小角度距离处。

因此，在改进方案中，该方法可以包括：施加变化的电流矢量而不是固定的矢量，该变化的电流矢量在该矢量略超前于中心位置的第一值与该矢量略落后于中心位置的第二位置之间交替，以使转子跨中心线来回抖动。

对于三相马达，该方法可以包括在固定的交替时间间隔内分别应用A+B矢量的值和A+C矢量的值，以使转子围绕以相A为中心的角位置抖动，该方法确定转子围绕其抖动的中心角位置，并确定该位置与实际位置之间的偏移量。中心位置可以是通过根据角位置传感器的变化的输出确定转子的平均位置而得出的。在这种情况下，相A矢量应显著大于抖动+B矢量和+C矢量。应持续相同的时间段地施加+B矢量和+C矢量。通过这样做，它们的净效应是转子将在+A矢量设定的位置两侧的位置之间抖动。

需要将产生转矩的+B矢量和+C矢量施加足够的时间，以克服存在的任何摩擦并且使得转子能够移动。这可以在线检测到，并将矢量调整为适当的长度。抖动可以是小角度，例如，对于五个极对的马达而言小于电学20度或小于机械5度。该角度应大到足以允许转子在经过d轴位置时克服任何摩擦或粘滞而移动。

这种围绕中心点抖动的方法是有利的，因为它意味着可以确定正确的角位置，而不是确定对准转矩与摩擦转矩相匹配的点。

为了避免死区时间问题，可以将该方法执行成使得马达的相不与其他相同时切换。在没有该步骤的情况下，就可能要对所施加的矢量增/减马达切换模式中的任何死区时间。会导致偏移量，该偏移量在某些情况下可能是可接受的，但是在需要更高准确性的情况下，这些偏移量可能是不可接受的。

该方法可以进一步包括：

稍后，向所述马达定子施加与不同的第二已知角位置对准的矢量；

等待所述马达转子移动到当在dq参考系中考虑时所述矢量以d轴为中心的位置；

测量由所述位置传感器指示的所述转子的角位置；以及

根据所测得的角位置与所述第二矢量的已知实际中心位置之差来确定所述偏移量。

例如，如果第一矢量与相A对准，则第二矢量可以是固定的并与相B对准，或者可以在B+A的值与B+C的值之间抖动。因此，代替大的+A矢量与小的+B/C矢量来生成抖动，所施加的矢量模式将是大的+B与小的+A/C矢量，然后是大的+C+小的A、+大的C+小的B。

在优选布置中，可以施加具有已知位置的矢量，该已知位置按照随时间推移围绕定子在单个方向上移动的序列发生变化，从而使得矢量位置的变化使转子跟随围绕定子的矢量并步进通过一系列电学位置，这些电学位置以电气方式和机械方式两者与由第一矢量设置的起始位置逐渐偏移。

对于每个位置，矢量都可以与马达上这些相中的不同相对准。因此，对于三相马达，序列可以是A、然后是B、然后是C，其中，这是各个相围绕马达定子间隔开的顺序。

可以通过取从第一矢量和第二矢量以及任何后续矢量得出的偏移值的平均值来确定偏移量。

通过针对在不同的已知位置处的多个矢量估计偏移量，就可以获得更准确的总体偏移量估计值。对于三相马达，这导致在矢量与不同的相对准的情况下转子位置以电学120度的步进从一个矢量移动到序列中的下一个矢量，但是可以使用许多其他序列。

通过使得矢量移动来循环通过这些相，该方法每个电循环提供了N个估计值(对于N相***)以检查对准，并且对一机械周转为N x极对数。例如，具有12槽10极的马达，该方法可以在转子的每个机械周转中生成5批3个估计值，从而每个机械周转得出总计15个偏移量估计值。通过循环通过每个相，转子将在位置之间自行旋转以追随矢量。

因此，本发明可以将矢量移动到新位置，等待预定时间以允许转子旋转并稳定下来，然后对位置进行测量，接着将矢量移动到下一个位置，并且再次等待，以此类推。

该方法可以包括重复地移动矢量并进行位置测量，直到转子已经移动了一个完整的机械周转为止，并且取估计值的平均值来产生总体偏移量估计值。

该方法可以包括：针对从每个固定或抖动矢量位置获得的每个估计值，执行估计值与任何其他估计值的偏离量不大于设定阈值的检查，并且在偏离量大于设定阈值的情况下，会引发错误标记。任何大的偏离都将指示偏移量学习的问题、***中的马达的相之一的问题或其他位置的问题。

申请人已经意识到，在一周转期间转子或固定至该转子的部分会撞到端部止挡件位置的情况下，应该在初始步骤期间将转子移动到距端部止挡件足以允许进行一个完整的电周转的距离处。该方法可以包括生成在固定定子参考系中旋转以使转子旋转过大于1个机械周转的范围的矢量。

因此，该方法可以包括：在进行任何测量之前，以下生成将使转子旋转通过一个连续的机械周转的旋转αβ坐标系矢量并在旋转期间测量转子的角位置的步骤：如果角位置未指示转子已经移动通过一个完整的机械周转，则该方法确定马达转子已经撞到了端部止挡件，并且在这种情况下，该方法包括随后生成将使转子在相反的方向上旋转通过大于或等于一个连续的机械周转的角度的旋转dq坐标系矢量并允许转子移动以跟随矢量。

在该步骤结束时，就会已知所述马达距离端部止挡件至少一个完整的周转，并且因此可以使该马达正确地移动过一个完整的机械周转来执行对角位置偏移量的估计。

该方法可以应用于形成在车辆的液压制动回路中使用的机电致动器的一部分的位置传感器，该机电致动器包括：具有定子和转子的电动马达、以及位于马达内的线性致动器，其中，定子位于具有第一端部和第二端部的壳体内，转子位于壳体内部并且包括长形转子本体，该长形转子本体具有从该本体的一端通到另一端的孔，该孔在本体的朝向马达的第一端部定位的第一部分上放大并且其尺寸在本体的朝向马达的第二端部定位的第二部分上减小，该线性致动器包括位于长形转子本体中的孔内的长形轴，该轴在一端处具有带有外螺纹的螺杆部分并且在另一端轴处具有固定部分，该外螺纹沿着所述轴的位于转子本体内的孔的放大部分内的一部分延伸，该固定部分紧密地位于长形本体的第二部分的孔中以防止轴相对于细长本体径向移动，该线性致动器进一步包括驱动螺母，该驱动螺母围绕轴的螺杆部分并且至少在缩回位置上位于转子本体的第一部分的放大孔的内部，该驱动螺母具有内螺纹并通过与驱动螺母和螺杆部分的螺纹接合的一组滚珠而连接到螺杆部分；并且该机电致动器进一步包括根据本发明第一方面的位置传感器，其中，传感器目标固定至转子，并且传感器固定至定子或壳体。

该方法可以应用于其中角位置传感器测量转子(具有固定至转子的另一旋转部件)的位置的任何布置，只要在转子的角度与传感器的角度之间存在固定(或已知)关系即可。

为了降低功耗，可以对矢量进行脉冲宽度调制。与向所述相施加恒定DC电压相比，使用50％的占空比将消耗大约一半的功率。

传感器可以包括固定至旋转部分的目标和感测目标位置的传感器。目标可以包括盘或管。

上述方法适合于在马达(角位置传感器附接于其上)操作期间通过在角位置传感器所附接至的装置的使用期间考虑生成和施加矢量来使用。该方法可以使用正常操作期间所使用的相同马达控制和驱动电路来在任何马达不需要旋转的时候施加所需的矢量。因此，对于典型的PWM控制的马达，该方法可以包括指示马达控制来施加合适的PWM信号从而产生所需的矢量并观察由位置传感器指示的位置。这种使用常规使用期间驱动马达的同一PWM控制器的能力意味着不需要额外的硬件就可测量偏移量。这也意味着可以在传感器连接到常规马达驱动和控制电路***时的最终使用位置对传感器进行校准。

另外，由于该方法可以用于机械位置范围有限的马达，因此该方法适合于在马达安装在较大的机械装置中的情况下使用，例如旋转范围受限于装置的线性输出会撞击端部止挡件的机电线性致动器。

根据第二方面，本发明提供了一种线性致动器，所述线性致动器包括：

具有转子的马达；

机械装置，所述机械装置将所述转子的旋转转换成输出部分的线性平移，所述转子的移动范围受所述线性部分的可允许移动范围的限制；

固定至所述转子的旋转位置传感器组件；以及

信号处理单元，所述信号处理单元被布置成用于通过执行本发明的第一方面的方法的步骤来确定由所述旋转位置传感器组件指示的角位置与所述马达转子的实际电学位置之间的偏移量。

线性致动器可以提供输出部分的与转子的一个以上的完整机械旋转相对应的移动范围。

线性致动器可以是用于在车辆的液压制动回路中使用的机电致动器，该机电致动器包括：具有定子和转子的电动马达、以及位于马达内的线性致动器，其中，定子位于具有第一端部和第二端部的壳体内，转子位于壳体内部并且包括长形转子本体，该长形转子本体具有从该本体的一端通到另一端的孔，该孔在本体的朝向马达的第一端部定位的第一部分上放大并且其尺寸在本体的朝向马达的第二端部定位的第二部分上减小，该线性致动器包括位于长形转子本体中的孔内的长形轴，该轴在一端处具有带有外螺纹的螺杆部分并且在另一端轴处具有固定部分，该外螺纹沿着所述轴的位于转子本体内的孔的放大部分内的一部分延伸，该固定部分紧密地位于长形本体的第二部分的孔中以防止轴相对于细长本体径向移动，该线性致动器进一步包括驱动螺母，该驱动螺母围绕轴的螺杆部分并且至少在缩回位置上位于转子本体的第一部分的放大孔的内部，该驱动螺母具有内螺纹并通过与驱动螺母和螺杆部分的螺纹接合的一组滚珠而连接到螺杆部分；并且该机电致动器进一步包括根据本发明第一方面的位置传感器，其中，传感器目标固定至转子，并且传感器固定至定子或壳体。

附图说明

现在将仅通过示例的方式，参考附图并如附图所展示地描述本发明的一个实施例，在附图中：

图1是可以在本发明的方法中使用的典型旋转角位置传感器的示意图；

图2是永磁AC同步马达的平面视图，其中，转子处于与同相A对准的矢量相对准的平衡状态；

图3是图2的马达的相应平面视图，其中，马达转子未处于平衡状态；

图4是电路图，示出了在电桥中流动的、将提供图2马达使用来保持马达转子与相A对准的矢量的电流；

图5表示施加到图2马达上的三相AC波形；

图6是获得相对于定子固定的双坐标***的变换；

图7是获得相对于马达转子固定的双坐标***的进一步变换；

图8和图9展示了可以如何通过将小电流添加至B相和C相来施加在第一示例的方法中使用的矢量的抖动；

图10示出了对每个估计施加一个循环的抖动的第二示例性方法的步骤；

图11示出了对每个估计施加四个循环的抖动的对第二示例性方法的修改；

图12示出了在执行第一示例性方法或第二示例性方法之前当马达转子在正方向上(即，在一系列测量期间转子移动所绕的方向上)撞到端部止挡件时可以执行的步骤；

图13示出了在执行第一示例性方法或第二示例性方法之前当马达转子在负方向上(即，在与一系列测量期间转子移动的方向相反的方向上)撞到端部止挡件时可以执行的步骤；以及

图14和图15展示了与可能导致测量误差的理想情况相比相B与相C之间的相不平和将如何产生略微不同的矢量位置。

具体实施方式

在附图的图1中示意性地示出了典型的旋转位置传感器组件。传感器组件10适合于测量绕固定轴线旋转的任何物体(例如，马达的转子、或者旋转致动器或线性致动器的转子)的角位置。这种位置传感器有时被称为旋转编码器。传感器组件10将转子的移动转换成一个或多个变化的输出信号，该一个或多个输出信号的变化模式或瞬时值提供对角位置的量度。取决于位置传感器的配置，该输出可以仅在转子的部分旋转、或整周旋转上，或在多周旋转上提供明确位置测量结果。

传感器组件10包括：一个或多个传感器12，在该示例中为两个光学光电检测器。具有交替的透明区域和不透明区域的环形轨道的呈盘14形式的目标，以及光源16。光源和传感器在盘的相反两侧。传感器12各自产生的输出信号在盘对准成光源与传感器之间为透明区域时具有一个值，并且在光源与传感器之间是不透明区域时具有第二值。可以处理输出信号以产生角位置信号。

例如，通过将盘14固定至马达的转子，转子在一个方向上的连续旋转将使每个透明区域都移过传感器，从而使得传感器输出随时间推移以取决于转子旋转速度的周期在第一值与第二值之间变化。通过对值的变化进行计数，可以跟踪转子的位置。使用如所示的两个传感器(这两个传感器中的每个传感器均偏移了透明区域宽度的一半)，还可以根据信号的变化模式确定旋转方向。

传感器目标盘与转子的相对角位置是重要的。典型地会使用从传感器输出的位置测量结果来控制转子的位置，但并不总是可以在组装期间确保相对角位置均一致。从旋转角位置传感器输出的0度测量结果可能并非与转子的实际0度精确对应，其中，转子是电动马达的一部分。由于在许多情况下必须精确知道转子0度以进行马达控制，因此必要的是能够在制造期间或在随后校准时确定偏移量。

为了理解本发明的方法如何确定偏移量，首先概述三相(或更多的相数)的AC多相永磁马达的矢量控制概念是有帮助的。图2和图3示意性地示出了可以使用矢量控制策略来控制的典型马达20。马达包括承载一组转子磁体24的转子22，这些转子磁体的磁极围绕转子的圆周交替。马达还包括定子26，该定子具有一组定子齿28，由导电线形成的线圈围绕该组定子齿缠绕。这些线圈连接在一起以形成三个相A、B和C，但是通常每个相的电压由后缀u、v和w来表示。这些相中的每个相相差电学120度。对于N个极对的转子，每机械周转典型地会有N个电循环。

每个相施加有正弦电压波形，其中每个正弦与其他正弦偏移120度。这在图5中示出。这些波形可以从DC电压源(诸如电池)合成，从而使这种类型的马达尤其适于在汽车应用中使用。如图6所示，使用以下变换可以将这三个电压波形简化到固定至定子坐标系的2坐标参考***：

如图7所示，也可以对定子参考系(αβ)进行变换，使得这些相电量是在所谓的dq参考系中的与转子同步的2个正交矢量。q(交)轴矢量与转子反电动势对准。d(直)轴矢量与转子磁通量对准。向q轴施加电流会生成马达转矩。在转子与d轴矢量对准的情况下，不会生成转矩：

在马达的正常操作期间，期望将矢量与q轴对准以生成转矩来使马达转动而不浪费能量。

在图2中，转子定位成电流流入相A并流出另外两相而在dq坐标系中生成的矢量会与d轴对准的位置，因此转子处于平衡状态并且不承受会使转子旋转的任何转矩。另一方面，图3中的转子被定位成当电流流入相A并从另外两相流出时矢量在q轴上，这将使转子朝向图2的位置旋转。

如图4所示，相A、相B和相C可以连接电桥。使用常规的PWM技术驱动电桥的开关使得每一相中有正弦电流或DC电流流动。

申请人已经意识到，通过生成在定子参考系(αβ)处于固定位置的矢量并允许转子自由移动到该转子与在dq参考系中的该矢量对准成使得该dq矢量位于d轴上，就可以用于将转子移动到已知角位置，据此可以确定位置传感器的偏移量估计值。

第一示例性方法

在学习位置传感器的偏移量的方法的第一实施方式中，通过将马达位置固定为电学0度来估计位置偏移量。通常，这对应于A相的位置，并且为了获得所需的d轴矢量，电流要流入A相并从B相和C相两者等量地流出。图4示出了这样的电压模式(注意，u、v和w对应于相A、相B和相C)。如果转子处于零位置，则这所产生的矢量不会产生将趋向于使马达转子旋转的任何转矩分量。如果马达转子最初未处于零位置，则该矢量所产生转矩分量会致使马达旋转直到该马达对准0度位置(该矢量恰好位于d轴上)为止。于是来自位置传感器的位置读数就可以用作位置偏移值。

在马达的每周机械旋转内，该过程可以执行与存在的不同的电旋转一样多的次数，使得在一个完整的机械周转内可以对每个电循环计算偏移量，并将其平均值用作位置偏移量。这样做以将来自位置传感器的任何一阶效应以及马达本身的任何特性考虑在内。在每个电旋转内，可以按顺序激发不同相电流，以既使得马达旋转又使其在额外的已知电学位置处停止。在图11的上部图形内，可以看到三个单独的离散位置，每个位置在5个极对的马达的一个机械周转内相差电学120度。

第二示例性方法

在改进方案中，当转子处于0度时，不施加位于d轴上的固定矢量，而是对矢量施加小抖动，以使矢量跨0度位置来回移动。然后，通过随时间推移观察位置传感器的输出并取会与移动范围的中心相对应的平均位置值来测量该移动，以提供偏移测量结果。申请人已经意识到，使用抖动会有助于减轻由于恒定运动/转矩引起的摩擦并且校正在现有算法中由于仅从一个方向接近D轴而表现出的偏离。

假设相A对应于零位置，则通过在将小的+B矢量添加到+A矢量与将+C矢量添加到+A矢量之间交替来生成矢量抖动。矢量长度应与+A矢量成比例，以确保抖动矢量的角度始终相同。图8和图9示出了可以如何通过控制施加到每相的电流来施加小偏移量，并且示出了所得的在定子参考系中的矢量。

同样，可以对马达的完整机械周转的每个电循环重复该操作。图10和图11分别示出了每次测量具有一个抖动与每次测量具有四个抖动的系列矢量期间转子转过完整的机械周转的移动。在各自情况下，电流主要流入A相并流出另外两相。

第一示例性方法和第二示例性方法要求马达步进完整的机械周转以执行所需的位置测量。如果转子在测试开始时定位在端部止挡件处或与之相距一个机械周转以内，这将是不可能的。

考虑到这一点，该方法可以针对五个极对的马达执行以下图12所示的步骤：

0：偏移量学习序列开始时的初始马达位置

1：将马达位置设置到0，并施加+A相电压矢量。如果靠近端部止挡件，则马达可以朝向端部止挡件移动。然后，马达位置在负方向上旋转过1个周转。即使靠近端部止挡件，这也将使马达移离而到达D轴位置0。

2-6：再使马达旋转5个电周转——马达移动远离端部止挡件，从而为偏移量学习程序留出空间。

7：向前运动一个周转，并且学习第1偏移量。

8-11：在接下来的4个周转内重复步骤7，并计算偏移量。

如果马达定位在相反的端部止挡件处或与之相距一个周转以内，则可以执行图13所示的以下步骤：

序列：

0：偏移量学习序列开始时的初始马达位置

1：将马达位置设置到0，并施加电压矢量。使马达在负方向上旋转一个周转。马达移动到D轴0位置。

2：重复步骤1。

3：再次重复。在这种情况下，由于无法到达位置0，我们撞到端部止挡件并卡靠于端部止挡件。这是通过发觉位置传感器未记录旋转过完整周转而检测到的。

4：向前移动一个周转。成功移动到位置0。学习第一偏移量。

5-8：在接下来的4个周转内重复步骤4，并计算偏移量。

第三示例性方法

第一示例和第二示例的方法仅在电学0度下进行测量并取平均值。在马达相电阻不平衡的情况下，这可能不会产生完全准确的估计值。例如，如果相B的电阻高于相C，则在马达的相之间存在电阻不平衡时，这可能会导致马达位置偏离。

典型的马达规格可以允许马达的相之间最高达5％的电阻差异。这种相的不平衡不会导致真实马达的位置偏移/对准的差异，但会导致转矩波动。在第一示例和第二示例的方法中，是通过对相A供能使转子移动到不存在净转矩的点来实现位置传感器对准。这意味着电流通过相A流入，并且然后均匀地通过相B和相C。相B与相C之间的电阻不平衡将导致流过这些相的电流不同，这将会影响最终的马达位置。这可以在图14和图15中看出。

如果针对所有三相而不是仅针对相A计算位置偏移量，就会抵消掉这种电阻不平衡。

以下阐述了根据本发明的一方面的补偿这种不平衡的方法的具体实施方式。与第一示例和第二示例一样，该方法被设计用于具有10个极的3相AC马达，并且因此，马达转子的每个完整机械周转具有5个电周转给出了转子与这三相之一对准的总计15个可能位置。在下文中，这三相被表示为相A、相B和相C，每个相偏移电学120度，并且相A对应于电学0度位置。针对其他马达拓扑结构，可以很容易地对该方法进行修改。

方法步骤如下：

开始：

步骤1：超控位置传感器并将用于马达控制的马达位置信号设置为0度。

步骤2：施加足以使马达旋转至接近0度实际位置的开环D轴电压需求。

然后执行以下步骤3和步骤4，以便将马达移动至安全位置并检测端部止挡件：

步骤3：等待一段时间以使马达位置稳定下来。

步骤4：使得用于马达控制的马达位置信号在负方向上旋转，直到马达已经旋转过一个机械周转。在已经见到每个电周转并且马达位置绕回到0之后，检查来自位置传感器的信号。如果信号并未示出与最后一个电周转开始时相同的值(公差内)，并且在最后一个周转内并未移动>电学180度，则假定已经撞到端部止挡件并且前进到步骤5。

一旦已经学习到端部止挡件位置，就可以执行以下步骤，以使马达向前移动，从而准备开始偏移量学习

步骤5：现在使得位置矢量向前旋转，直到完成了2个电周转。

现在，马达处于正确位置，执行以下步骤6至步骤12，以学习马达位置偏移量：

步骤6：应用交替PWM模式。使得D轴电压需求从在序列开始时用于将马达移动到安全位置的初始值增加。PWM模式具有固定长度的+A矢量，并且还具有小的+B矢量或+C矢量。模式将以固定的时间间隔在+A+B矢量到+A+C矢量之间交替。施加通过一个相(在本例中为相A)入且从另外两相出的电流将使转子移动并停在没有可用转矩的位置(即，d轴位置)。

主要施加一个矢量，通过另外两个矢量的较小贡献，将使转子围绕作为针对相A的、与0度相对应的角位置的点抖动。这种围绕一点抖动的方法是有利的，因为它意味着可以定位到正确的d轴位置，而不是定位到对准转矩与摩擦转矩相匹配的点。为了避免死区时间问题，不应使马达相与其他相同时切换。在没有该步骤的情况下，就要对所施加的矢量增/减死区时间。会导致偏移量，该偏移量在某些情况下可能是可接受的，但是在需要更高准确性的情况下，这些偏移量可能是不可接受的。

步骤7：等待直到马达已经完成一个+A+B序列和一个+A+C序列。

步骤8：开始对马达位置进行采样和滤波。继续进行，直到再完成若干个+A+B、+A+C切换序列。将该过程重复若干次以获得平均值，并使转子转过d轴位置，而不是停在该d轴位置的一侧。

步骤9：保存滤波后的马达位置值。取决于对其位置进行采样的实际马达相来消除偏移量。(相A＝0，相B＝120，并且相C＝240度)。

步骤10：更改PWM模式，以便应用适合于下一相的切换模式。例如，在图4中，为了施加+B矢量，将开启开关S2、S4和S6。施加与下一相相对应的矢量会导致马达位置向前移动电学120度。因此，代替大的+A矢量与小的+B/C矢量，模式将是大的+B与小的+A/C矢量，然后是大的+C+A、+C+B。通过各相的循环，我们在每个电循环中有3次机会(对于3相***)检查对准，并且例如对于12槽10极马达是一机械周转3x极对数(每个机械周转15次)。

步骤11：返回步骤7并进行重复，直到进行了3x马达极对数量的测量。这表明马达已经旋转了一个完整的机械周转。

步骤12：消除D轴电压需求并恢复正常的pwm操作。

最后，可以通过以下两个步骤来执行对结果的可选检查：

步骤13：对于每个保存的位置偏移值，检查每个值并不与任何其他值相偏离>设定的阈值，偏离超过设定的阈值将表明偏移量学习存在问题。该检查还可以用于识别马达、驱动级或所连接的负载的问题，并且因此可以用于诊断目的。

步骤14：以所取的样本平均值来保存位置偏移量。

本发明的方法可以用于在旋转位置传感器被固定至合适的马达的转子或与马达的转子一起旋转的某一部分上的应用范围中进行旋转位置传感器的偏移量测量。

本领域技术人员应理解，本说明书中给出的示例仅是代表性的，并且可以在本发明的范围内变化。

Claims (13)

1.一种确定由直接或间接地固定至多相永磁AC马达的转子的旋转位置传感器组件指示的角位置与所述马达转子的实际电学位置之间的偏移量的方法，所述马达包括多个相，所述方法包括以下步骤：

向马达施加电压矢量，所述电压矢量与所述马达的已知角位置对准；

等待所述马达转子移动到当在dq参考系中考虑时所述矢量以d轴为中心的位置；

测量由所述位置传感器指示的所述转子的角位置；以及

根据所测得的角位置与所述矢量的已知实际位置之差来确定所述偏移量。

2.如权利要求1所述的方法，包括选择与所述马达的多个相中的第一相对准从而与所述马达的电学零度相对应的矢量。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，所述方法包括在测量时间期间施加相对于所述马达的定子位置固定并且与一个相对准的矢量，使得电流仅通过所述一个相流入并且从所述马达的其他相等量地流出。

4.如任一前述权利要求所述的方法，所述方法包括施加变化的电流矢量，所述变化的电流矢量在所述矢量略超前于所述已知位置的第一值与所述矢量略落后于所述已知位置的第二位置之间交替，以使所述转子跨所述已知位置来回抖动。

5.如权利要求4所述的方法，当与具有相A、相B和相C的三相马达一起使用时，所述方法包括分别持续固定的交替时间间隔地应用A+B矢量值和A+C矢量值，以使所述转子围绕以相A为中心的角位置抖动，所述方法确定所述转子围绕其抖动的中心角位置，并确定所述位置与所述实际位置之间的所述偏移量。

6.如权利要求4或权利要求5所述的方法，其中，所述中心位置是通过根据角位置传感器的变化的输出确定所述转子的平均位置而得出的。

7.如任一前述权利要求所述的方法，所述方法进一步包括：

稍后，向所述马达定子施加与不同的第二已知角位置对准的矢量；

等待所述马达转子移动到当在dq参考系中考虑时所述矢量以d轴为中心的位置；

测量由所述位置传感器指示的所述转子的角位置；以及

根据所测得的角位置与第二矢量的已知实际中心位置之差来确定所述偏移量。

8.如权利要求7所述的方法，所述方法包括：随着时间施加具有绕定子单向移动按顺序改变的已知位置的矢量，从而使得所述矢量位置的变化使所述转子围绕所述定子追随所述矢量并步进过在电学上和机械上都越来越多地与由第一矢量设定的起始位置相偏移的一系列电学位置。

9.如权利要求7或8中任一项所述的方法，所述方法包括重复地移动所述矢量并进行位置测量，直到所述转子已经移动了一个完整的机械周转为止，并且取估计值的平均值以产生总体偏移量估计值。

10.如权利要求7至9中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：针对从各个固定的或抖动的矢量位置获得的每个估计值，执行确定估计值与任何其他估计值相偏离都不大于设定的阈值一定量的检查，并且在偏离大于设定的阈值的情况下，设定错误标记。

11.如任一前述权利要求所述的方法，在做出任何估计之前，包括：生成会使所述转子旋转过一个连续的机械周转的旋转的αβ坐标系矢量并在所述旋转期间测量所述转子的角位置的步骤；由此，在所述角位置未指示所述转子已经移动过一个完整的机械周转的情况下，所述方法确定所述马达转子已经撞到了端部止挡件，并且在这种情况下，所述方法包括然后生成会使所述转子在相反的方向上旋转过大于或等于一个连续的机械周转的角度的旋转的αβ坐标系矢量并允许所述转子移动以追随所述矢量。

12.如任一前述权利要求所述的方法，其中，所述矢量是脉冲宽度调制电压。

13.一种线性致动器，包括：

具有转子的马达；

机械装置，所述机械装置将所述转子的旋转转换成输出部分的线性平移，所述转子的移动范围受所述线性部分的可允许移动范围的限制；

固定至所述转子的旋转位置传感器组件；以及

信号处理单元，所述信号处理单元被布置成用于通过执行任一前述权利要求所述的方法的步骤来确定由所述旋转位置传感器组件指示的角位置与所述马达转子的实际电学位置之间的偏移量。

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