用于校准电机的调节器的方法和设备与流程

1.本发明涉及用于校准电机的调节器的方法和设备。此外，本发明涉及具有对应设备的电驱动系统和具有电驱动系统的车辆以及计算机程序和计算机可读存储介质。


背景技术：

2.为了借助于直接转矩和磁阻转矩的适当组合来产生期望力矩，操控感应电机，特别是具有埋入式磁体的永磁同步电机（psm）。在场定向调节器的情况下，借助于对应地选择转子固定的坐标系中的 d 和 q 电流运行点 （id, iq） 来选择直接转矩和磁阻转矩。在运行期间，电机除了输出均匀的平均转矩之外，还产生转矩的谐波，这些谐波例如由于非理想的正弦磁场、绕组布置、开槽、齿形、饱和效应和/或其他效应而形成。
3.这样的效应导致转子和定子之间的力波，所述力波在特征阶的情况下作为切向齿力和径向齿力作用于定子齿，并且由于电机的机械传输行为从定子齿开始作为机器中的振动、机器外壳和耦合元件的振动并且因此作为固体声和空气声或表面振动而变得可察觉。这样的振动可以借助于附加于实际预给定的相电流有针对性地施加的电流谐波来减小或放大，所述电流谐波具有匹配的阶数。已知的是，例如从取决于例如待设置转矩或运行点的特征曲线族中读出待施加电流谐波的参数，并且在电机运行时将对应的电流谐波与实际相电流叠加。如果例如由于样本容差等而对电机的相关效应没有足够精确的根据模型的描述可用——可以从所述描述中模拟地确定所述参数，则必须以其他方式确定所述参数。为了确定所述电流谐波的参数，需要在测试台上进行大量应用和校准工作。在此，例如优选确定表面加速度/速度、电机环境中的声辐射或转矩波动或转矩振荡。借助于合适的测量信号，例如优选迭代地确定单参量系统的最小值或具有竞争目标的多参量系统的最佳值，以确定待施加电流谐波的参数。如果在驱动器中有转矩传感器可用，则也可以基于该传感器信号进行校准，其中所述传感器的灵敏度必须相应地高，以通过测量技术获得与有用转矩相比较低的转矩波动。转矩传感器成本高昂，并且因此在许多应用中不能根据标准而存在。
4.因此，需要用于校准电机的调节器的替代方法和设备。


技术实现要素：

5.提供了一种用于校准电机的调节器的方法，包括以下步骤：预给定第一信号以产生用于给电机的至少一个绕组通电的正弦相电流，将所述第一信号与测试信号叠加以产生至少一个具有预定的激励幅度和/或相对于相电流的相位位置的谐波振荡，所述谐波振荡与所述相电流叠加，借助于传感器检测由所述相电流和所述谐波振荡的叠加而结果得到的响应信号，特别是所述响应信号的响应幅度，用不同的测试信号多次重复前面两个步骤“叠加”和“检测”，以产生具有可预给定的激励幅度和/或相对于所述相电流的相位位置的其他谐波振荡，所述其他谐波振荡与所述相电流叠加，
确定响应面的最小值，所述响应面根据借助于所述测试信号在优选可预给定的激励幅度范围和相位位置区域上产生的谐波振荡所结果得到的响应信号产生，根据所确定的最小值确定用于产生具有预定的激励幅度和相对于相电流的相位位置的谐波振荡的校准信号，针对所述校准信号优选地结果得到具有最小响应幅度的响应信号，运行所述电机的调节器；其中预给定所述第一信号以产生用于给所述电机的绕组通电的正弦相电流，并且将所述第一信号与用于产生谐波振荡的所确定的校准信号叠加。
6.借助于场定向调节来运行电机是已知的。在此将相电流的交流参量分别传输到以所述交流参量的频率旋转的坐标系中。然后在该旋转坐标系内，在所述电机的静态运行中从所述交流参量中产生直流参量，所有常用的调节技术方法都可以应用于所述直流参量。由于施加在定子中的多相的相移的交流电流，在电机运行时产生旋转磁场，优选地描述为定子固定的坐标系中的旋转交链磁通量或转子固定的旋转（d/q）坐标系或场定向系统中的时间恒定的交链通量。
7.所述电机的调节器优选根据可预给定的转矩值预给定用于产生正弦相电流的信号。该正弦相电流优选地流过定子并且因此对应于定子电流。在旋转坐标系、即d/q坐标系或场定向系统中——该坐标系与转子磁通或psm中的永磁体磁通同步旋转并且该坐标系的d轴指向转子磁通的方向，将定子电流表示为定子电流相量（statorstromzeiger）或定子电流矢量，该定子电流相量或定子电流矢量通过其长度和其方向表征。该电流相量与电机的旋转的定子磁通或转子磁通同步旋转。在d/q坐标系中，电流相量可以对应于其长度和其方向地借助于两个相互垂直的分量id和iq来表示，这些分量在静态情况下是直流参量。将用于产生正弦相电流的第一信号与测试信号叠加，以产生具有预定幅度和/或相对于正弦相电流的相位位置的谐波振荡，所述谐波振荡与所述正弦相电流叠加。这样产生的预定幅度称为激励幅度。优选地，所述谐波振荡是相对于正弦相电流的预给定阶数的谐波，该谐波与所述正弦相电流叠加。这种叠加导致所输出的转矩的振荡和/或作用在所连接电机的转子和定子之间的力发生变化。由于电机与外壳的机械耦合，转矩或力的这种振荡导致外壳和与外壳连接的部件的机械和/或声学振动。整个传输路径从叠加的谐波电流振荡经由电磁力和转矩的振荡到连接的电机和/或功率电子设备的机械振动或噪声激励，所述机械振动或噪声激励可以用合适的传感器测量，例如以声学方式。这种由相电流和谐波振荡叠加而结果得出的振动借助于传感器检测为响应信号。优选地，检测转矩的谐波振荡作为响应信号。
8.这种叠加用不同的、优选预给定的测试信号重复数次，优选至少三次，以产生具有可预给定的激励幅度和/或相对于相电流的相位位置的其他谐波振荡。优选地预给定第一测试信号s_test_l以产生具有预定激励幅度s_test_l_a=0和相对于相电流的任何相位位置的谐波振荡。此外，优选预给定三个其他测试信号s_test_2、s_test_3、s_test_4以产生具有共同的、固定的、预定的激励幅度s_test_2,3,4_a》0和相对于相电流在360
°
上均匀分布的相位位置（例如0、120
°
、240
°
或60
°
、180
°
、300
°
）的谐波振荡。借助于对应地检测到的至少四个不同的响应信号产生特征性的、明确的、多次弯曲的响应面。为了产生所述响应面的其他支持点，可以优选地预给定其他测试信号以产生具有可预给定的和/或不同的激励幅度和/或相对于相电流的相位位置的其他谐波振荡。如图3中所示，当在测试信号的不同激
励幅度和这些测试信号的相位位置上观察时，由响应信号、特别是响应信号的幅度或响应幅度产生的响应面具有特征形状/拓扑。所述响应面优选地在0
°
至360
°
的相位位置以及具有负和/或正大小的测试信号的激励幅度上延伸。所述响应面在相位位置0到360
°
和正负激励幅度的显示中包含两个最小值，一个在借助于测试信号产生的谐波振荡的激励幅度》0的区域中，并且一个在借助于测试信号产生的谐波振荡的激励幅度《0的区域中。第一最小值通过第一最小相位位置和正的第一最小幅度表征。第二最小值通过第二最小相位位置和负的第二最小幅度表征。第一最小相位位置与第二最小相位位置偏移180
°
。
9.第一信号与第二信号、优选测试信号或校准信号的叠加（所述测试信号或校准信号用于产生具有预定激励幅度和相对于相电流的相位位置的谐波振荡——所述激励幅度和相位位置对应于所确定的最小值的激励幅度和相位位置，即具有第一或第二最小相位位置和对应的第一或第二最小幅度的谐波振荡），导致在所连接的驱动系统侧产生的机械振动或噪声激励最小化，所述驱动系统包括所连接的电机、功率电子设备和/或传动系。
10.无论是直接考虑未知谐波振荡，还是考虑线性或近似线性的传输路径作用后对可测量参量的影响，响应面的拓扑结构都保持其特性。
11.除了用于根据所确定的响应信号确定这种响应面的最小值位置的其他数学方法之外，优选还进行以下过程：根据用于产生具有共同的、固定的、预定的激励幅度》》0的谐波振荡的测试信号所结果得到的响应信号的响应幅度的变化过程，对于激励幅度》0的区域在其相对于相电流的相位位置上以正弦形变化。
12.针对激励幅度《0的区域，对于根据用于产生具有相反或负的、共同的、固定的、预定的激励幅度的谐波振荡的测试信号所结果得到的响应信号的响应幅度的变化过程，响应面的特性导致在其相对于相电流的相位位置上具有180
°
相移的正弦变化过程。在此，这些变化过程的高点和低点的位置对应于响应面在相对于相电流的相位位置方面的两个最小值的位置。响应面的另一个特性是响应面的（正）梯度在负方向和正方向上随着借助于测试信号产生的谐波振荡的激励幅度绝对值的增加而近似恒定。
13.确定最小值位置的第一步骤使用响应信号s_antw_2,3,4来针对相关联激励幅度确定响应面的行为的0阶和1阶傅立叶系数，所述响应信号由用于产生具有共同、固定、预定的激励幅度》》0的谐波振荡的测试信号所结果得到。从所述傅立叶系数中确定响应幅度的正弦变化过程的最小值和最大值，优选最小值和最大值的响应幅度和相位位置。这优选针对激励幅度》0的区域执行。在第二步骤中，使用响应面的所述另一特性，即响应面的梯度绝对值在正方向和负方向上随着要借助于测试信号产生的激励幅度》》0的绝对值增加而近似恒定。例如，在正弦变化过程的所确定的最大值的相位位置处，从根据第一测试信号而结果得到的响应信号s_antw_1的响应幅度的高度和所确定的正弦变化过程的最大响应幅度的高度中确定针对激励幅度》0的区域的相关联斜率（slope）。响应信号或响应振幅的值或高度——所述响应信号由用于产生具有预定激励幅度s_test_1_a=0的谐波振荡的第一测试信号结果得出，在从0到360
°
的相位位置上是恒定的，因为无论要借助于测试信号产生的相位位置如何，将第一信号与用于产生具有预定激励幅度=0的谐波振荡的测试信号叠加对借助于第一信号产生的响应幅度没有影响。借助于以这种方式确定的斜率以及例如所述正弦变化过程在激励幅度《0的区域内的最小值和所述正弦变化过程在激励幅度》0的区域内的
最大值，可以描述2条直线。第一条直线g1具有所确定的斜率，并且在所述正弦变化过程的所确定的最大值的相位位置处通过由第一测试信号结果得到的响应幅度的高度的点，并且通过所述正弦变化过程的最大值高度的点，所述正弦变化过程由用于产生具有共同的、固定的、预定的激励幅度》》0的谐波振荡的测试信号结果得到。
14.第二条直线g2具有负确定的斜率，并在正弦变化过程的所确定的最大值的相位位置处通过所述正弦变化过程的最小值高度的点，所述正弦变化过程是针对响应面的激励幅度《0的区域产生。优选地，可以构造另外两条直线g1'和g2'，它们的相位位置相对于直线g1和g2偏移180
°
，其中g1'在所述正弦变化过程在激励幅度》0的区域内所确定的最小值的相位位置处与所述正弦变化过程的响应幅度的最小值的所确定的高度的点相交。两条直线g1和g2在第一最小值处相交，所述第一最小值的位置借助于关于响应面的激励幅度和相位位置来描述。对于第一最小值，产生第一最小相位位置，并且产生第一（负）最小幅度作为激励幅度。两条直线g1'和g2'在第二最小值处相交，所述第二最小值的位置借助于关于响应面的激励幅度和相位位置来描述。对于第二最小值产生第二最小相位位置，并且产生第二（正）最小幅度作为激励幅度。第一最小相位位置与第二最小相位位置偏移180
°
。第一最小幅度的绝对值对应于第二最小幅度的绝对值，其中一个最小幅度的符号为负，而另一个最小幅度的符号为正。
15.借助于以这种方式确定的参数——响应面的最小值的最小幅度和最小相位位置，一方面可以预给定用于产生以最小幅度为激励幅度和最小相位位置为相位位置的谐波振荡的校准信号的参数，当与第一信号叠加时所述校准信号导致机械振动的最小化。
16.另一方面，可以基于从测试信号的响应幅度中确定的斜率和最小值来构建明确的响应面。从而可以从明确导致的响应面中读出和预给定要借助于校准信号产生的谐波振荡的参数，所述校准信号在与第一信号叠加时引起在响应面的点处对应确定的响应信号或响应幅度，或对应地引起机械振动并因此引起声音或噪声。因此，根据响应面，可以有针对性地设置可预给定的运行点，其方式是预给定校准信号以产生具有响应面的对应点的激励幅度和相位位置作为参数的谐波振荡。
17.为了确定用于产生具有激励幅度和相位位置作为参数的谐波振荡的校准信号，根据结果得到的响应面的特定最小值之一预给定待产生激励幅度和相位位置的参数。优选地，采用该最小值的最小幅度和最小相位作为参数。在将用于产生正弦相电流的第一信号与优选校准信号叠加的情况下，所产生的转矩振荡最小。随后，通过第一信号和校准信号的叠加来运行电机的调节器，以产生用于给电机的绕组通电的正弦相电流以及产生谐波振荡。
18.有利地提供了一种方法，利用该方法借助于预先定义数量的谐波激励或测试信号来校准电机的调节器。从检测到的响应信号的相关性中构建转矩振荡和/或作用在转子和定子之间的力的可预给定的最佳值，优选通过前向计算。测量技术的（时间上的）耗费和计算技术的耗费在校准之前是已知的，并且可以被对应地计划，例如针对具有高外部噪声的运行状态，从而在校准期间掩盖对电驱动车辆驾驶员或所连接电机的操作员来说引起干扰的噪声。重复测量，即不同响应信号的检测，可以在时间上彼此独立地进行并且因此可以无中断地执行，因为不使用直接反馈。可以预先估计对转矩振荡、定子和转子之间的力和/或直流侧电压变化过程中的振荡的预期影响、先前定义数量的谐波激励或测试信号对驱动器
的预期影响，从而例如在车辆中使用的情况下可以为所述方法选择有利的运行点。在该方法期间，传动系中的振动或车载电网振动优选地被最小化。优选地，该方法被提供用于集成电轴，所述集成电轴由感应电机和机械地安装（优选机械强度大或牢固地耦合）或集成到所述电机的功率电子设备组成。该方法使得能够为每个单独的电机执行该方法。该方法可以在生产线结束时和/或在电驱动器的生命周期内任意执行，甚至在常规行驶运行期间也可以执行。驱动组件（例如电动轴）优选地包括传感器和所述方法。提供了在开始运行期间、带末端处的检查期间或在行驶运行期间运行该方法的可能性。从而可以以特定于示例、与温度相关和/或与老化相关的方式确定和重新调整或重新学习校准参数。创建了一种为电驱动器提供自学习/自校准的调节器的方法。可以实现最小化转矩振荡的自校准，该自校准与测试台和外部测量传感器系统无关地执行。
19.在本发明的另一种设计中，该方法包括读取电机、逆变器和/或电池的运行点并且根据检测到的运行点执行该方法。
20.提供了一种方法，该方法使得可以考虑电机、逆变器和/或电池的运行点。优选考虑从动变速器或传动系的运行点。电机、逆变器、电池、从动变速器或传动系的运行点例如可以是相应部件所要求的转矩、转速、电流、电压、温度或使用时间。根据所述运行点，可以将与所述运行点适配的可预给定测试信号与第一信号叠加。
21.有利地提供了一种方法，该方法能够考虑电机的运行点。
22.此外，本发明涉及一种包括指令的计算机程序，所述指令在由计算机执行时促使所述计算机执行迄今描述的方法的步骤。
23.此外，本发明涉及一种计算机可读存储介质，包括指令，所述指令在由计算机执行时促使所述计算机执行迄今描述的方法的步骤。
24.本发明还涉及一种用于校准电机的调节器的设备。该设备包括优选机械的传感器。该设备还包括电路载体，其中所述电路载体具有测试信号发生器和计算单元。该设备被设置为执行所描述的方法的步骤。
25.替代地或附加地，也可以使用电流表或电压表，其例如布置在与所述电机连接的逆变器的直流电压侧。所述电流表或电压表检测电流/电压中的结果得到的振荡作为结果得到的响应信号。借助于该方法可以减少振荡或应力波动。
26.有利地提供了一种用于校准电机的调节器的设备。该设备包括优选机械的传感器，用于检测由第一信号和测试信号的叠加所结果得到的响应信号。该设备还包括用于预给定测试信号的测试信号发生器和用于执行所述方法的计算单元。
27.在本发明的另一种设计中，所述传感器机械牢固地或基本上刚性地与所述电机连接。替代地，所述传感器牢固地安装在所述电路载体上并且所述电路载体牢固地集成在所述电机上或所述电机中。
28.为了高分辨率和不受干扰地检测响应信号，设置与所述电机的机械牢固连接或经由附接到所述电机上或所述电机中的电路载体的机械牢固连接。替代地，当然也可以使用所述设备外部的传感器或功率电子设备来执行，例如所述电机上或旁边的麦克风，或者借助于固体声传感器，例如设计为安装在表面、优选所述电机或控制设备或逆变器的表面上的加速度传感器。
29.有利地提供了用于固定所述传感器以用于良好信号传输的位置。
30.在本发明的另一种设计中，机械传感器是麦克风、加速度传感器或固体声传感器或转速传感器、转矩传感器或转矩测量轴。
31.有利地提供被提供用于检测由转矩振荡或转子和定子之间的力振荡而结果得到的响应信号的传感器。可以借助于加速度测量（优选在具有所述电机的机械牢固的单元上）或借助于固体声以声学方式检测转矩振荡或力振荡。同样，由转矩振荡结果得到电机的转速变化，从而也可以借助于转速传感器检测所述响应信号。
32.此外，本发明涉及一种具有电机和所描述的设备的电驱动系统。这种电驱动系统例如用于驱动电动车辆。借助于所述方法和所述设备，可以实现传动系的优化运行。
33.此外，本发明涉及具有所描述的驱动系统的车辆。因此有利地提供了一种车辆，其包括可用于校准电机的调节器的设备。
34.可以理解，根据本发明的方法的特征、特性和优点对应地适用于或可应用于所述设备或所述驱动系统和所述车辆，反之亦然。
35.本发明的实施方式的其他特征和优点由以下参照附图的描述得出。
附图说明
36.下面应当基于一些附图更详细地解释本发明，为此：图1示出了用于校准电机的调节器的设备的示意图。
37.图2示出了用于校准电机的调节器的方法的示意性调节结构。
38.图3示出了结果得到的响应信号的示意性响应面。
39.图4示出了带有传动系的示意性示出的车辆。
40.图5示出了用于校准电机的调节器的方法的示意性示出的流程图。
具体实施方式
41.图1示出了用于校准电机120的调节器110的设备100。该设备包括传感器130，优选地是具有与电机120的机械刚性或牢固的直接或间接连接的机械传感器。该设备还包括电路载体150，其中所述电路载体具有测试信号发生器160和计算单元170。调节器110优选地集成在逆变器140中，其中该逆变器包括功率电子设备145，优选地是b6桥，用于从电池155向可连接机器120馈电。此外，在图1中示出了具有设备100和电机120的电驱动系统200。根据第一测试信号s_1和多个测试信号s_test_i，操控逆变器140的功率电子设备145以校准电机120的调节器110。借助于传感器130检测响应信号s_antw_i。在确定了校准信号s_kal之后，根据第一测试信号s_1和校准信号s_kal来操控逆变器140的功率电子设备145，以运行电机120的调节器110。
42.图2示出了用于校准电机120的调节器110的方法的示意性调节结构500。信号发生器510输出第一信号s_1。第一信号s_1借助于加法器540与测试信号发生器160的测试信号s_test_i叠加，用于校准电机120的调节器110。通过控制路径520根据叠加的信号来操控电机120。叠加的信号产生具有振荡的转矩。这些振荡借助于传感器130检测并作为响应信号s_antw_i转发给计算单元170以进行评估。计算单元170同样接收第一信号s_1及测试信号s_test_i以进行评估。该评估包括从借助于测试信号s_test_i产生的谐波振荡所结果得到的响应信号s_antw_i中确定所产生的响应面a_antw的最小值。计算单元170确定响应面a_
antw的最小值，并且根据该最小值的参数确定用于产生具有预定激励幅度和相对于相电流的相位位置的谐波振荡的校准信号s_kal。通过开关550来选择校准信号，并且借助于加法器540将该校准信号与第一信号s_1叠加以用于电机120的调节器110的常规运行。通过开关550可以选择用于叠加的测试信号s_test_i或校准信号s_kal，这取决于调节器110是被校准还是被常规运行以用于运行电机120。
43.图3示出了示意性响应面a_antw，该响应面由借助于测试信号s_test_i产生的谐波振荡所结果得到的响应信号s_antw_i产生。在z方向上绘制出结果得到的响应信号s_antw_i的响应幅度s_antw_i_a的大小。在y方向上绘制出要用测试信号s_test_i产生的谐波振荡的相位位置s_test_i_phi。在x方向上绘制出要用测试信号s_test_i产生的谐波振荡的激励幅度s_test_i_a的大小。示例性地绘出与借助于测试信号产生的谐波振荡对应的相位位置、激励幅度和响应信号的四个位置，从所述相位位置、激励幅度和响应信号中产生响应面a_antw，如上所述。优选地在相位位置的可预给定区域（例如0到360度）和激励幅度的可预给定区域（例如从-15到 15）内根据所确定的最小值确定响应面。此外，如上所述确定的响应面的最小值可以借助于图3中的等高线和响应面的变化过程看出。根据至少一个最小相位位置和至少一个最小幅度，确定和预给定要借助于校准信号产生的谐波振荡的激励幅度和相位位置作为参数。
44.图4示出了具有电驱动系统200的示意性示出的车辆300。驱动系统200包括用于校准电机120在逆变器140中的调节器110的设备100和电机210。电驱动系统优选地包括电池150。
45.图5示出了用于校准电机120的调节器的方法400的示意性流程。该方法以步骤405开始。优选随后读取407电机120、逆变器140和/或电池150的运行点并且根据检测到的运行点执行该方法。
46.其他方法400包括步骤：预给定410第一信号s_1以产生用于给电机120的绕组通电的正弦相电流，将第一信号s_1与测试信号s_test_i叠加420以产生至少一个具有预定的励磁幅度和/或相对于相电流的相位位置的谐波振荡，优选地为可预给定阶数的谐波，该谐波振荡与相电流叠加，借助于传感器130检测430由相电流和谐波振荡的叠加结果得到的响应信号s_antw_i；使用不同的测试信号s_test_i多次重复先前的两个步骤“叠加”420和“检测”430，以产生具有可预给定和/或不同的激励幅度和/或相对于相电流的相位位置的其他谐波振荡，所述其他谐波振荡与相电流叠加，从借助于测试信号s_test_i产生的谐波振荡所结果得到的响应信号s_antw_i中确定440所产生的多次弯曲的响应面a_antw的最小值，根据响应面a_antw的所确定的最小值确定450校准信号s_kal，以产生具有预定激励幅度和相对于相电流的相位位置的谐波振荡，优选地针对该最小值导致具有最小响应幅度的响应信号，运行460电机120的调节器110；其中预给定第一信号s_1以产生用于给电机120的绕组通电的正弦相电流，并且将第一信号s_1与校准信号s_kal叠加以产生具有预定激励幅
度和相对于相电流的相位位置的谐波振荡。以步骤470结束该方法。