CN102132485A - 用于明确测定电机转子位置的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于操作具有三相(A,B,C)且每相(A,B,C)被配置一个端子的电机(32)的方法,其特征在于,为了确定静止状态下包括转子极性在内的转子位置,对至少两相执行下列步骤:a)在分配给另外两相的两个端子之间施加脉冲电压(Up);b)测量由该脉冲电压在分配给该相的端子上感应出的电压;c)分析上述感应电压随时间变化的过程;并且执行以下步骤:d)基于上述分析确定转子极性。具有优点的是,在步骤c)中确定感应电压随时间变化过程相对于脉冲电压(Up)随时间变化过程偏离的度量。本发明使得以迅速、精确、廉价且节省空间的方式明确测定电机(32)的转子位置成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及电气技术领域,准确地说涉及电机,即电动机和发电机。本发明涉及如独立权利要求的前述部分所述的装置和方法。
背景技术
受控换向电机存在以下问题:它们通常首先处于一个不知道的初始位置(转子的角度位置)。为了最佳地开动电机,希望获得关于初始位置的确切信息。这个问题可以借助相应的位置传感器来解决,但是它是复杂和昂贵的。因此一个无传感器的实现方案至少在下述意义上是所希望的:不需要对于电机原来正常工作所不需要的元件。
按照现有技术,如果不知道初始位置,在定向阶段和接着的盲换向期间电机一直是欠佳地操纵,直到它达到某个转速,此转速使得可以用简单的方法确定位置。
为了强制转子进入确定的初始位置还推荐应用高的电压。
DE102006043683A1公开了一种用于在其高速运转阶段操纵电机的方法,其中电流脉冲被测量和分析。
DE102006046637A1公开了一种用于获取有关电机运转状态信息的装置。其中星点上的电位被测定。此外电极绕组相线由于相线流过电流而发生的电感变化被利用。
发明内容
本发明的目的在于给出一种装置和方法,它们能够明确测定电机转子位置。
本发明的另一目的在于以简单的方式实现上述装置和方法。
本发明的另一目的在于在利用对于电机的运转原来就存在的元件这一前提下实现上述装置和方法。
本发明的另一目的在于使得可在短时间内进行的电机转子位置明确测定成为可能。
完成上述任务中至少一个任务的装置和方法具有如独立权利要求所述的特征。
用于运行具有三相且每相被分配一个端子的电机的方法具有以下特征:为了确定静止状态下包括转子极性在内的电机位置,对于至少两相执行下列步骤:
a)在分配给另外两相的两个端子之间加上脉冲电压;
b)测量由该脉冲电压在分配给该相的端子上感应出的电压;
c)分析上述感应电压随时间变化的过程;
并且执行以下步骤:
d)基于上述分析确定转子极性。
现已表明:借助于上述分析可以克服现有技术中存在的转子位置测定中的双义性,使得明确测定转子位置成为可能。并且没有显著的力作用在电机上。
在电气技术意义下“电机”意味着电-机械转换器(电动机)和机械-电转换器(发电机)。
电机具有一个定子和一个转子,它们相互之间可相对旋转。定子产生变化的磁场而无需为此而运动,为产生此磁场,定子具有体现各相的线圈。转子产生一个磁场,其指向与转子的机械/物理指向刚性联系。
上面所述的端子是定子线圈的端子。线圈的连接可以是星形的,也可以是三角形的。由教科书可知,星形连接拓扑可通过描述它们的数学公式变换转换为三角形连接拓扑。与连接方式无关,分配给三个端子中的每一个端子一相或相应的线圈。
已证实,在星形连接的前提下,无需在星点进行测量,就可明确测定转子位置;同样为了进行测定无需在星点上施加电压。这样,该方法复杂性较低。
静止状态被认为是转子相对于定子的静止状态,它至少以实际观点看可视为静止状态。
在一个实施方式中电机是受控换向电机,也被称为被控制的换向电机。
在一个实施方式中电机是闭锁换向电机。
在一个实施方式中电机是正弦换向电机。其中正弦换向可通过脉宽调制(PWM)或以其它方式产生。
在一个实施方式中电机是同步电机。
在一个实施方式中电机是永恒激励电机。
在一个实施方式中电机是动态激励电机。
在一个实施方式中在步骤c)中确定对感应电压随时间变化过程相对于脉冲电压随时间变化过程偏离的度量,特别是感应电压的上升相对于脉冲电压偏离的度量。
在一个实施方式中上述偏离的度量是一个与偏离成比例的量。
在一个实施方式中通过进行至少一次求平均来确定此度量。
在一个实施方式中通过进行至少一次求近似来确定此度量。
在一个实施方式中逐点确定度量。
在一个实施方式中此度量是对于感应电压与脉冲电压之商的度量。
在一个实施方式中脉冲电压具有至少一段基本恒定的电压,并且在步骤c)中确定在至少一段基本恒定的电压期间感应电压上升的度量。
在一个实施方式中脉冲电压的电压时间积分基本为零。
在一个实施方式中脉冲电压经历至少一次极性变化(电压符号反向)。
在一个实施方式中脉冲电压是周期性的,并且在每个周期上电压时间积分基本为零。这样可使得由于所施加的脉冲电压而流过的电流保持很小。
在一个实施方式中脉冲电压是一个矩形信号或脉冲宽度调制信号。这种脉冲信号能很简单地产生,特别是通常用对于电机的运行原来就存在的装置产生。
在一个实施方式脉冲电压是一个对称的矩形(脉宽比50%/50%)。
在一个实施方式中矩形信号或脉冲宽度调制信号以第一时间段期间的第一状态开始,其后跟着第二时间段中不同于第一状态的第二状态,并且脉冲电压在第一和第二时间段上的时间积分大小基本上等于脉冲电压在第一时间段上的时间积分,但符号相反,这样脉冲电压在第二时间段上的时间积分基本上是脉冲电压在第一时间段上时间积分的负两倍。矩形信号和脉冲宽度调制信号的这两个状态也被称为脉冲和间隙,由最大电压或最小电压表征。电压在相邻的两个状态之间变化;典型地尤其是电压改变符号。
在一个实施方式中脉冲电压在整个持续期上的电压时间积分为零。这样可以实现由于脉冲电压而流过的电流的时间积分基本为零。
在一个实施方式中脉冲电压以第三时间段中的第三状态结束,并且脉冲电压在第三时间段上的时间积分与脉冲电压在第一时间段上的时间积分绝对值基本相等,符号相同或相反。
在一个实施方式中跟在第二状态后面还有N个状态(N≥1),它们各自在相应时间段上的电压时间积分与前一个状态的电压时间积分绝对值基本相等,但符号相反。
在一个实施例中脉冲电压被对称地施加在两个端子之间,并且脉冲电压是一个矩形信号或脉冲宽度调制信号,它以第一时间段的第一状态开始,其后跟着第二时间段中不同于第一状态的第二状态,其中第二时间段持续期是第一时间段的两倍。通过较长的时间段获得精确的、较少受噪声干扰的感应电压测量值。此外还可以将由第二时间段的第一半部得到的值与由第二时间段的第二半部得到的值(例如平均值)进行比较。
在一个具有所谓对称的端子连接的实施方式中脉冲宽度调制信号以第一时间段的一个状态结束,此状态跟在与此状态不同的第二时间段的状态后面,其中第二时间段长度是第一时间段长度的两倍。结束状态是第一状态,或者结束状态是第二状态(并且在结束状态前面的状态对应于另一状态)。
在一个实施方式中为了测定静止状态下包括转子极性在内的电机位置,对于至少两相执行下述步骤:
e)由所述的感应电压确定电压差;
并且执行下述步骤:
已经证实,如果不执行步骤d),就不能明确地确定转子位置(而是具有双义性)。
也已证实,可应用以上所述对脉冲电压的各种可能的设计通过上述电压差进行转子位置的非明确的(双义性的)测定,即不确定转子极性。对应的用于测定具有三相(A,B,C)且每相(A,B,C)被分配一个端子的电机在静止状态下转子位置的方法的特征在于对于至少两相执行步骤a)、b)和e)以及执行步骤f),并且脉冲电压是上述各种中的一种。这样由于脉冲电压而流过的电流的时间积分小到可以忽略。
在一个实施方式中步骤f)包含对电压差进行与预设值的比较。
在一个实施方式中步骤d)包含与预设值的比较。
在一个实施方式中这些预设值由一个模型获得。
在一个实施方式中这些预设值由前面已进行的测量获得。
在一个实施方式中对所有三相都执行这些步骤。这样来提高精度,并能够利用冗余进行检测,它导致精确且可靠的结果。
用于测定具有三相且每相被分配一个端子的电机在静止状态下包括转子极性在内的转子位置的装置具有:
-用于产生脉冲电压的电压源;
-用于测量电压的电压测量装置;
-连线设备,用于有选择地将三个端子与电压源或与电压测量装置相连接;
这里所述装置被设计为使得至少两个不同的端子对可相继被施加脉冲电压,并且可借助于电压测量装置测量由该电压在相应的第三个端子上产生的感应电压。此外所述装置还具有:
-分析单元,用于分析借助电压测量装置测得的感应电压随时间变化的过程;以及
-基于至少两个上述的分析确定转子极性的评估单元。
电压源被理解为能量源,它可提供电压。
在一个实施方式中电压源是直流电压源,即能量源,它可提供基本恒定的电压,它例如是电池。
在一个实施方式中电压源是对于电机正常运转原来就存在的电压源。这样所述装置可以特别小,并且可以特别简单且低成本地制造。
在一个实施方式中所述分析单元用于确定对感应电压随时间变化过程相对于脉冲电压随时间变化过程偏移的度量。
在一个实施方式中所述分析单元也用于由上述感应电压确定电压差,并且评估单元也用于基于所述电压差确定转子位置。
如前面已说明或后面将要说明的功能部件一样,分析单元和/或评估单元可以分成独立的、相互功能连接的单元,或者完全或部分地组合成一个单元。
在一个实施方式中所述装置具有存储单元,并且用于存储对所述电压差的比较值和/或对所述感应电压随时间变化过程的分析结果的比较值。
本发明还包括具有与所述方法特征相对应的特征的装置,反过来还包括具有与所述装置特征相对应的特征的方法。
本发明所述的设备包含具有三相且每相被分配一个端子的电机,并且其特征在于,该设备具有本发明所述的装置。
已经证实,上述实施方案可以与上述一个或多个其它实施方案相结合。
其它的实施方式和优点由从属权利要求和附图给出。
附图说明
下面借助实施例和附图详细说明本发明。附图中:
图1是本发明所述设备的简化框图;
图2是用于说明永恒激励同步电机的草图;
图3是针对一个相对的连线的简化框图;
图4是一个脉冲电压的电压时间图;
图5是由图4所示脉冲电压导致的感应电压的电压时间图;
图6是由于图4所示脉冲电压而流过的电流的电流时间图;
图7是一个脉冲电压的电压时间图和相应的电流时间图;
图8是由图7所示脉冲电压导致的感应电压的电压时间图;
图9是由图7所示脉冲电压导致的感应电压的电压时间图;
图10是一个非对称施加脉冲电压的电压时间图;
图11是由于图10所示脉冲电压而流过的电流的电流时间图;
图12是随转子位置变化的曲线图。
用在附图中的附图标记及其解释一起在附图标记列表中列出。对于理解本发明不那么重要的部分没有在图中示出。所述实施例作为本发明内容的例子,并且不起限制作用。
具体实施方式
图1示出本发明所述设备40的简化框图。此设备包括一个电机32,例如无电刷的直流电机(BLDC)及一个如本发明所述的设备44。电机32是三相的,具有相A,B,C,它们分别由一个线圈体现。电机32的转子在图1中用标有北极和南极(N;S)的箭头形象地表示,并且它具有由角给出的指向,此指向也被称作转子位置。角可以取0°至360°的值。采用已知的方法不能明确地确定而只能双义性地确定它,也就是说,转子极性是不知道的,转子极性使得明确确定转子与北极和南极的对应关系成为可能。借助于所示装置和还要说明的方法可确定转子极性。
装置44包含电压源30,例如诸如电池的直流电压源,连线设备31,电压测量装置33,例如电压表,分析单元34,评估单元35,以及存储单元17。
图2示出用于说明永恒激励同步电机的草图。三相或其线圈用A,B,C表示。每一相有两个输入/输出端2(在相A示出)。在图2所示星形连接中每一相的一个输入/输出端2分别引至一个星点3,而其它三个端子向外引出,并可为了换向而被施加电压。如果在图2所示电机中用黑圆圈示出的点之间施加电压(下面用UAB表示),则流过所示电流IAB,图2中未示出所示同步电机的永磁体。
这样在相C感应出电压Ui(下面用UC表示)。通过适当地选择所施加的电压UAB并进行相应的评估可由Ui获得关于包括转子极性在内的转子位置的信息。为此,至少两个不同的相对必须先后被相应连接,并且在相应剩下的(开放的)第三端子上测量和评估感应电压Ui。在动态激励的电机的情况下,在执行测量时一般施加一个电压,以产生规定的磁场,否则不存在确定的转子位置。
图3示出连接一个相对,即A,B的简化框图。图3中电压源30是对称连接的。
连线设备31用于在相A,B,C或其端子与电压源30和电压测量装置33之间建立所需的连接。
图4示出一个脉冲电压Up的电压时间图。在第一周期中Up被施加到相A和B并从而用UAB表示,在第二周期中Up被施加到相B和C并从而用UBC表示,在第三周期中Up被施加到相C和A并从而用UCA表示。所示电压Up是矩形信号;如通常在矩形信号或脉冲宽度调制(PWM)信号中一样,最大电压的时间段被称为“脉冲”,最小电压(零或像图4中那样为负值)的时间段被称为“间隙”。一个周期由一个脉冲和一个接在其后的间隙组成。
图5简要示出由图4所示脉冲电压Up感应出的电压Ui的电压时间图;感应电压是借助于电压测量装置33在相应的开放端子上测得的,并且相应表示为UC,UA,UB。在转换极性时(脉冲与间隙之间的变化)出现电压振荡,这也在图5中示出。
由电压差ΔUA,ΔUB,ΔUC的测定通过例如与图12所示数据比较可以确定除转子极性以外的转子位置
图12中以粗略的曲线举例示出电压差ΔUA,ΔUB,ΔUC与转子位置的关系曲线。由图可见ΔUA,ΔUB和ΔUC的曲线在180°之后重复出现,因此转子极性仍然是不知道的。图12所示曲线可通过在电机上的相应测试获得,也可以通过建模得到。此外由图12还可看出,为了测定除转子极性之外的转子位置本来三个电压差中的两个就足够了。然而测量全部三个导致更为精确和可靠的结果(冗余);全部三个电压差ΔUA,ΔUB,ΔUC之和为零。
图6示出由于图4所示脉冲电压而流过的电流IAB,IBC,ICA的电流时间图。在每个周期后电流重又为零。但是电流的时间积分随时间增大。从而存在一个不可忽略的平均电流,它导致一个有方向的力作用,其最好被避免。
图7示出施加在相A和B端子上的一个脉冲电压UAB的电压时间图和相应的IAB电流时间图。由于对称性,在连接其它相时的情况完全类似。通过选用这个特殊的曲线形状,其中在每个周期后极性翻转,电流时间积分可保持小的值,并且它周期性地在两个周期后消失(参见用开放的箭头指示的时间点)。这里“周期”的含义与图4中的周期一致。特别具有优点的是,在用开放的箭头指示的时间点上结束脉冲电压Up。当然此信号也可以延长,最好延长两个周期的数倍。
图8示出由图7所示脉冲电压感应出的电压UC的电压时间图,并且再次示出已在图7示出的电流时间图。
图8以很夸张的方式示出感应电压UC的一个很重要的特性,它在图5中看不出:在UAB为恒定电压的时间段持续期中UC变化。它与脉冲电压UAB相比有一个不同的斜度。
在矩形信号或PWM信号的情况下,斜度变化的测定相对简单,因为脉冲电压Up的斜度为零(除了在脉冲与间隙之间的过渡以外),从而只需要测定感应电压Ui的斜度。当然也不需要实际确定斜度,而只要确定对于斜度的一个度量就可以了。
在图8和图9中斜度用点描绘出的(斜度)三角形形象地表示。由于图8和图9中未示出的、但在实际中在转换极性时出现的干扰信号(参见图5),建议不用在转换极性时刻附近测得的测量数据来确定斜度。
图7所示脉冲电压Ui的曲线形状具有另一优点:可用于观测斜度的时间持续期明显大于例如图4所示的50/50脉冲的情况。
例如一个简单的方法可以是将图8中所示的差值δUc(通用表示:δUi)作为对于斜度的度量。此差值的求法如下:分别在水平箭头所示出的时间持续期上例如通过积分求出平均值,然后这样求出的平均电压的差作为δUc。为了求得更为精确的值,上述求值过程当然可多次进行,例如在图9中用小圆圈示出的所有位置上进行。
图10示出非对称施加的PWM信号UAB的例子。
图11示出相应的IAB电流时间图。
具有优点的是,脉冲电压UAB(Up)结束于用开放箭头所指示的位置上(或者后面的等效位置上,如果信号持续更长的话),因为一方面在那里电流为零,另一方面电流时间积分也为零。如果信号在用“*”号表示的位置上结束,则至少流过的电流为零。原则上脉冲电压可能在每一个时间点结束,但这一般伴随着不同的测量精度或导致更长的测量时间。为了清楚示出UAB或IAB的时间积分,在图10和11中相应面积按照符号用不同的阴影线表示。
参见图1,斜度变化分析借助于分析单元34完成,这就是说,在那里确定例如δUi。由δUi求出转子极性的进一步评估在评估单元35中进行。
图12示出δUi,即δUA,δUB,δUC与转子位置的关系曲线。这些曲线实际上肯定不是如图12所示那样为正弦形的,但是肯定有相对于ΔUA,ΔUB,ΔUC而言双倍的重复周期。因此可以通过确定两个或三个(由于测量精度和冗余度的原因三个更好)δUi值确定转子极性。
具有优点的是确定δUA,δUB,δUC和ΔUA,ΔUB,ΔUC(并分别相互补偿)并与先前测定的值(来自测量或建模)相比较,从而可以高精度实现明确的转子位置测定。
比较值被存储在存储单元17中(参见图1)。
关于测量、分析和评估的顺序可能有多种方案。
例如可以首先确定δUA,δUB,δUC,然后才确定ΔUA,ΔUB,ΔUC;但是也可以首先例如由同一个Up信号(例如由脉冲电压的同一周期或相继的周期)确定δUA和ΔUA,然后确定δUB和ΔUB,最后确定δUC和ΔUC。
按照明确测定的静止状态转子位置,电机可以最佳方式高速运转并被正常操纵。为此可以应用用于测定转子位置的部件。
采用简单的装置就能够以优于±5°的精度明确测定电机位置。这可以非常迅速地完成,因为可以应用≥20kHz,甚至≥50kHz(对应≤50μs或≤20μs的周期长度)的脉冲电压频率。当然也可应用较低的频率。
由此可见,提出的方法和装置及设备不需要专门的位置传感器。它利用测试信号(Up)并由***对此信号的反应测定转子位置。
作为测试信号的脉冲电压Up(UAB,UBC,UCA)伴随着变化的电流(IAB;IBC;ICA),这引起磁通量的变化。为了使电流(IAB;IBC;ICA)的变化微小,从而避免例如电机的过热或损坏,电压Up通常是由PWM产生的脉冲电压,它改变其符号(变换极性),使得磁通量变化周期性地改变其极性。这样在相应开放的相中以感应电压Ui(UA,UB,UC)的形式形成脉冲电压Up的映像。但是Ui是位置调制的,也就是说它随转子位置而变化。这样可以通过解调这个信号Ui获得所要的静止状态下的转子位置。
上面对附图和方法步骤所做的说明首先与电动机相关联,然而通过类似的思路能够以简单的方式转移到发电机上。
以上实施方式中的部件是通过功能单元描述的。这些部件当然可以由任意数量的软件和/或硬件单元实现,它们适用于实现所述的功能。作为例子,电池可以作为电压源,用于产生脉冲电压的连接或极性转换可以借助于开关元件完成,它们可以被看作连线设备。
本发明使得以迅速、精确、廉价且节省空间的方式明确测定电机的转子位置成为可能。
附图标记列表
2 输入/输出端
3 星点
17 存储单元,存储装置
30 电压源
31 连线设备
32 电机
33 电压测量装置
34 分析单元
35 评估单元
40 设备
41 装置
A,B,C 相
I 电流
IAB,IBC,ICA 电流
N 磁性的北极
S 磁性的南极
U 电压
Ui,UA,UB,UC 感应电压
Up,UAB,UBC,UCA 脉冲电压
ΔUA,ΔUB,ΔUC 电压差
δUA,δUB,δUC 度量,差值
Claims (16)
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤c)中确定对于感应电压(Ui)随时间变化过程相对于脉冲电压(Up)随时间变化过程的偏离的度量(δUA;δUB;δUC)。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,脉冲电压(Up)具有至少一个电压基本上恒定的时间段,并且在步骤c)中确定对于至少一个电压基本上恒定的时间段中感应电压(Ui)的斜度的度量(δUA;δUB;δUC)。
4.如以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,脉冲电压(Up)的电压时间积分基本为零。
5.如以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,脉冲电压(Up)是矩形信号或脉冲宽度调制信号。
6.如以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,矩形信号或脉冲宽度调制信号以第一时间段期间的第一状态开始,其后跟着第二时间段期间不同于第一状态的第二状态,其中脉冲电压(Up)在第一和第二时间段上的时间积分大小基本上等于脉冲电压(Up)在第一时间段上的时间积分,但符号相反。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,脉冲电压(Up)以第三时间段期间的第三状态结束,其中脉冲电压(Up)在第三时间段上的时间积分与脉冲电压(Up)在第一时间段上的时间积分大小基本相等,符号相同或相反。
9.如以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,步骤d)包括与预设值的比较。
10.如以上权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,这些步骤对所有三相(A,B,C)都执行。
用于产生脉冲电压(Up)的电压源(30);
用于测量电压(U)的电压测量装置(33);
连线设备(31),用于有选择地将三个端子与电压源(30)或与电压测量装置(33)相连接;
其中所述装置(44)被设计为使得至少两个不同的端子对可相继被施加脉冲电压(Up),并且可借助电压测量装置(33)测量由该电压在相应第三个端子上产生的感应电压(Ui),其特征在于,该装置具有:
分析单元(34),用于分析借助电压测量装置(33)测得的感应电压(Ui)随时间变化的过程;以及
基于至少两个上述分析确定转子极性的评估单元(35)。
12.如权利要求11所述的装置(44),其特征在于,电压源(3)是也用于正常运转电机(32)的电压源(30)。
13.如权利要求11或12所述的装置(44),其特征在于,分析单元(34)用于确定对于感应电压(Ui)随时间变化过程相对于脉冲电压(Up)随时间变化过程偏离的度量(δUA;δUB;δUC)。
14.如权利要求11至13中任一项所述的装置(44),其特征在于,分析单元(34)还用于由上述电感电压(Ui)确定电压差(ΔUA;ΔUB;ΔUC),并且评估单元(35)还用于基于上述电压差(ΔUA;ΔUB;ΔUC)确定转子位置
15.如权利要求11至14中任一项所述的装置(44),其特征在于,该装置具有存储单元(17),用于存储对上述电压差(ΔUA;ΔUB;ΔUC)的比较值和/或对上述感应电压(Ui)随时间变化过程分析结果的比较值。
16.具有一个带有三相(A,B,C)且每相(A,B,C)被分配一个端子的电机(32)的设备(40),其特征在于,该设备具有如权利要求11至15中任一项所述的装置(44)。
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