CN102804590B - 用于补偿永久励磁的马达中负载影响的方法和装置 - Google Patents

用于补偿永久励磁的马达中负载影响的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于补偿永久励磁的马达中负载影响的方法和装置，其中，转子位置由相的电感中获知，该方法和装置的特色是在永久励磁的马达中，使基于电感的、用于确定转子位置的信号相对负载影响稳定。在此有利地，将马达运行期间所获知的角度值的、依赖于电流的误差进行修正。为此，为了修正对转子的基于电感的位置确定，在测量装置中要么测量相电流要么检测中间电路电流。此外，在引入至少一个因马达而异的参数的情况下，在修正装置中将至少一个由此获知的依赖于电流的修正值与用于获知电感的装置的由对转子基于电感进行位置所确定产生的、基于电感的信号一起计算，从而经由控制装置将以修正值加载的、进而经修正的切换状态提供给用于操控马达的变流器。

Description

用于补偿永久励磁的马达中负载影响的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于补偿永久励磁的马达中负载影响的方法和装置，其中，转子位置由相的电感获知。
背景技术
永久励磁的同步电机(PMSM)和无刷直流马达(BLDC)由定子和带有磁铁的转子组成。定子的各个相以星形或三角形方式联接。借助变流器运行马达。此马达需要操控电子装置，该操控电子装置获知转子位置并且将各个相通电。
转子位置能借助传感器来探测。因此，此外应用了霍尔传感器。这些传感器需要结构空间并且造成较高的***成本。
为了避免这些缺点，应用了无传感器的操控方法。这些无传感器的操控方法能粗略地分类成两组。
一组应用了通过运动在所述相中感应出的电压。***造成的缺点在于在静止状态下缺乏的位置信息。
第二组基于定子电感的变化。定子电感的饱和，受永磁铁的转子磁场和电流引起的定子磁场影响。
在无电流的状态下，线圈的电感与相对磁导率成比例。基于在铁芯中出现的饱和效应，随着磁场强度的上升，相对磁导率下降或换句话说，磁阻上升。在此，仅数值而非方向是决定性的。由此为BLDC马达得出电感的依赖于转子位置的函数。如果马达具有3个相，那么这些函数相对彼此推移60电角度。在未通电的状态下，转子磁铁的北极和南极具有相同的作用。所以，电感的这些函数就电周期具有双循环性(die doppelte)。为了完整的位置信息，必须将此二义性解决。将电流激励的磁场与定子磁场重叠。因而马达中的饱和要么增强要么减弱，并且因而相应的电感减小或者增大。此效应同样影响马达在有效通电中的角度确定，进而导致错误的确定的转子位置。
发明内容
在权利要求1和12中所说明的发明基于如下任务，即，在永久励磁的马达中，使基于电感的、用于确定转子位置的信号相对负载影响稳定。
此任务以在权利要求1和12中所列出的特征来解决。
用于补偿永久励磁的马达中负载影响的方法和装置，其中，将转子位置由相的电感或这些相的电感的关系中获知，特色在于在永久励磁的马达中使基于电感的、用于确定转子位置的信号相对负载影响稳定。在此，有利地将马达运行期间所获知的角度值的、依赖于电流的误差进行修正。
为此，为了修正对转子的基于电感的位置确定，在测量装置中，要么测量相电流要么检测中间电路电流。为此，优选地，在测量装置中应用测量电阻。此外，在引入至少一个因马达而异的参数的情况下，在修正装置中将至少一个由此获知的依赖于电流的修正值与用于获知电感的装置的、由对转子基于电感进行位置确定所产生的、基于电感的信号一起计算，从而经由控制装置，将以修正值加载的、进而经修正的切换状态提供给用于操控马达的变流器。
为此，在该装置中，不仅将要么用于相电流要么用于中间电路电流的测量装置，而且将用于获知电感的装置，与基于电感进行位置确定的修正装置接在一起。在此，修正装置是如下的修正装置，即，该修正装置在引入至少一个因马达而异的参数的情况下，由此获知至少一个修正值，并且将此修正值与由基于电感进行位置确定所产生的角度相结合。此外，控制装置与修正装置连接，或与连接着确定装置的修正装置连接，其中，将以修正值加载的、进而经修正的切换状态提供给用于马达的变流器。
本发明涉及用于补偿永久励磁的马达中负载影响的方法和装置，其中，转子位置由相的电感中获知。
以如下已公知的方式获知电感：
-在直接测量相电流或中间电路电流，并且考虑BEMF(BackElectromotive Force-反向电动势也就是反向感应电压)和马达电压的情况下，通过获知电流变化速度(dI/dt)；
-在以星形连接的马达中，通过测量星形接点电势和由此得出的对马达的比例感应关系的计算；
-通过接入高频电压并且直接测量磁阻。
在此，借助该方法和装置，有利地将马达运行期间所获知的角度值的、依赖于电流的误差进行修正。
所描述的方法和装置补偿了在永久励磁的马达中的负载影响。这使得所应用的基于电感的信号稳定化。因而该***稳健地对抗负载影响。
通过该方法能将信号强度缩小的效应减少。可靠地阻止了转子位置识别的可能的以180电角度的错误跳变。
对有错误的基于电感的信号的修正实现了更准确的转子位置识别。更加有效地操控马达。
在权利要求2至11和13至16中说明了本发明的、有利的设计方案。
根据权利要求2和13的改进方案，控制装置是用于以预先确定的方式运行马达的控制装置。在此，在控制装置中，为此在应用经修正的角度值Φkorr的情况下，确定用于变流器的、必需的脉宽调制(PWM)模式，其中：
-由所测量到的电感或由电感之间的关系计算出基于电感的信号Φ，并且它们代表转子的错误位置；
-在修正装置中执行依赖于电流的修正；并且
-所述控制装置控制变流器，进而控制马达。
根据权利要求3的改进方案，为修正装置附加地将对马达电感的影响因马达而异地作为要么是角度值与相电流之间关系的函数、要么是角度值与中间电路电流之间关系的函数，
-根据实验、无需对马达结构的认识地、经由在不同条件下多次测量电感或电感的关系，或者
-分析地/仿真地通过分析马达结构
来获知。对角度误差的修正基于此函数。
根据实验的确定，有利地在实验台上以多次测量进行。
建立在有限元方法(FEM)基础上的马达结构分析同样使得修正大小的确定成为可能。由此发展出的过程模型由高阶的复杂函数组成。基于较大的数学自由度，能将此修正函数更有效地适配于目标马达。
根据权利要求4的改进方案，当马达启动时，自动地获知因马达而异的参数，其中：
-为马达通电；
-在至少两个不同的马达电流下测量基于电感的信号；
-将由此生成的角度值由电感中确定；并且
-在用于获知修正函数的装置中获知依赖于电流的修正函数。
因此存在至少线性的修正值。
自动的获知提供了如下的优点，即，该获知在运行中进行，从而因此能考虑到样本差异。此外，这种获知是自动平衡的，并且因而实现了技术上的解决方案，这些解决方案能与马达无关地制订。因而该制品能在不同应用中使用。这导致***成本降低。
根据权利要求5和10的改进方案，用于测量电感的时间小于马达的机械时间常数。因此避免了通过马达的可能运动的错误函数。
根据权利要求6的改进方案，在不同的电流下和马达的可忽略的运动中测量电感。此外，将所计算出的角度值与电流之间的关系进行计算，其中，在最简单的情况下，修正值是常数。
根据权利要求7和15的改进方案，控制装置是用于以预先确定的方式运行马达的控制装置。
为此，在该控装置中，在应用经修正的转子位置Φkorr的情况下，确定用于变流器的、必需的脉宽调制(PWM)模式，其中：
-测量基于电感的信号LU、LV和LW，并且这些测量值代表转子的错误位置；
-在修正装置中，获知依赖于电流和转子位置的修正值，并且在带有确定装置的控制环中，由因此修正了的信号LU korr、LV korr和LW korr获知修正了负载影响的转子位置Φkorr；并且
-该控制装置控制变流器，进而控制马达。
这使得更精确地修正角度值成为可能，因为借助此设备能检测角度函数的特点，电感根据这些角度函数表现。
借助权利要求8的改进方案，为修正装置附加地将对马达电感的影响因马达而异地作为要么是由基于电感的信号所代表的角度值与相电流之间关系的函数、要么是由基于电感的信号所代表的角度值与中间电路电流之间关系的函数，要么根据实验无需对马达结构的认识地经由不同条件下的多次电感测量来获知，要么分析地/仿真地通过分析马达结构来获知。在此，对基于电感的信号的修正以该函数为基础。
根据权利要求9的改进方案，当马达启动时，自动地获知因马达而异的参数，其中：
-为马达通电；
-在至少两个不同的马达电流下测量基于电感的信号；
-将由此生成的角度值由基于电感的信号LU、LV和LW计算出；并且
-获知依赖于电流的修正函数。
因此，通过用于获知修正函数的装置存在至少为线性的修正值。
根据权利要求11的改进方案，在不同的电流下和马达的可忽略的运动中测量电感。此外，确定基于电感的、表示角度的信号与电流之间的关系，其中，在最简单的情况下，修正值是常数。
此外，根据权利要求14的改进方案，将修正装置与用于获知修正函数的装置接在一起，其中，该用于获知修正函数的装置自动地调整马达电压，进而自动地调整马达电流。此外，该用于获知修正函数的装置与修正装置连接，从而使得能由基于电感的位置信号和马达电流中确定修正函数。
此外，根据权利要求16的改进方案，修正装置与用于获知修正函数的装置接在一起，其中，将马达电压进行调整，进而将马达电流进行调整。此外，该用于获知修正函数的装置与修正装置连接，从而使得能由基于电感的位置信号和由马达电流确定修正函数。
附图说明
将本发明的实施例在附图中各自原理性地示出，并且接下来详细描述。
其中示出：
图1用于在永久励磁的马达中补偿对转子位置识别的负载影响的装置；
图2用于补偿永久励磁的马达中对基于电感的转子位置确定信号的负载影响的装置。
具体实施方式
在这些实施例中各将方法和装置一起详细阐释。
首先观察BLDC马达的无电流状态。线圈的电感与相对磁导率成比例。基于在铁芯中出现的饱和现象，随着磁场强度的上升，相对磁导率下降，或换句话说，磁阻上升。在此，仅数值而非方向，是决定性的。将此认识套用到BLDC马达上，得出电感的依赖于转子位置的函数。如果马达具有三个相，那么这些函数相对彼此推移120电角度。对于电的转动一周，这些函数具有双循环性。当北极或南极与相的极靴相对安置时，出现最小值。
在第二特征位置中，相U和相W内的磁场强度的数值相同，但是这些磁场的方向不同。在无电流状态中，电感大小相同。相V中的径向磁通量等于零。电感V为最大。在此观察中忽略气隙的变化。
如果将马达通电，那么转子磁场与定子磁场重叠。
基于此经改变的电感获知转子位置的***会错误地换向。必须补偿此误差。不对此角度误差进行补偿，此效应可能导致严重的问题。可能会压制电感的变化。该***不再能正确地确定转子位置。该***会不断进一步漂移。定子磁场使线圈中的总磁场减小，并且电感的变化缩小，直到不能再探测到变化。此外，不在优化的工作点运行马达。
1.实施例
在用于补偿永久励磁的马达3中负载影响的第一方法中，其中，由相的电感中获知转子位置，借助第一装置在确定转子位置时补偿负载影响。
图1在原理示图中示出用于补偿永久励磁的马达中负载影响的装置。
该装置基本上由控制装置1、用于永久励磁的马达3的变流器2、用于获知电感的装置4、测量装置5和修正装置6组成。
在此，不仅将测量装置5而且将用于获知电感的装置4与基于电感进行位置确定的修正装置6接在一起。
测量装置5获知中间电路电流或相电流。优选地，为此应用测量电阻。在此电流和至少一个因马达而异的参数的基础上，修正装置6获知至少一个修正值，将该修正值与由基于电感进行位置确定所得到的基于电感的信号相结合。
在最简单的情况下，将电流IZK与常数K相乘，并且从所探测到的转子位置中减去。
Φkorr＝Φ-F，其中，F＝IZK*K
能因马达而异地获知常数K。根据实验地，经由多次的测量，研究在不同条件下的电感对负载影响的反应。马达结构的分析或仿真提供了其他的可能性。这可以获知高阶的较复杂的修正函数。
也能在马达启动时自动地确定因马达而异的修正值。装置7控制该过程并且获知修正值。将马达3通电，测量电感并且计算出角度。设备测量必需的值的时间段小于***的机械时间常数。马达的否则可能的运动会使测量出错。
修正装置6是在引入至少一个因马达而异的参数的情况下由此获知至少一个修正值的修正装置6，其中，将该修正值与由基于电感进行位置确定所得到的基于电感的信号相结合。此外，修正装置6与控制装置1连接，其中，以修正值加载的、进而经修正的切换状态提供给用于马达3的变流器2。
2.实施例
在用于补偿永久励磁的马达3中负载影响的第二方法中，其中，由相的电感中获知转子位置，借助第二装置在确定转子位置时补偿负载影响。为了补偿基于电流的***误差，对该无传感器的方法进行干预是必需的。以修正值LU korr、LV korr和LW korr加载基于电感的信号。接下来将如此得到的信号传递给该无传感器的方法。
图2在原理示图中示出这种用于补偿永久励磁的马达3中对基于电感的转子位置确定信号的负载影响的装置。
控制装置1通过外部***获得用于马达运行的预设值。该控制装置为此计算出必需的、用于变流器2的PWM模式。此变流器将马达3通电。测量设备4生成基于电感的信号LU、LV和LW，这些信号具有误差部分。
通过从这些信号中减去依赖于电流和转子位置的修正值KU、KV和KW，实现修正。为此，将马达的电周期分成六段。为这些段分配不同的用于KU、KV和KW的值。将这些值储存在表格中。
LU korr＝LU-FU，其中，FU＝IZK*KU。
LV korr＝LV-FV，其中，FV＝IZK*KV。
LW korr＝LW-FW，其中，FW＝IZK*KW。
接下来将装置7的如此处理过的信号LU korr、LV korr和LW korr传递用于转子位置识别。在该转子位置识别中获知修正了负载影响的转子位置。因此，控制装置1能在此信息的基础上稳健地运行马达3。
常数KU、KV和KW是因马达而异的，并且必须被获知。这能通过分析马达结构或通过测量实现。
这些值也能在马达启动时自动计算出来。为此，将马达3通电并且在不同的马达电流下测量电感的变化。
该设备确定必需的值的时间段少于机械的时间常量，从而避免了转子的可能运动。
用于修正的装置5保证：信号不低于最小幅值。为此，将有效通电向延迟换向的方向转动和/或将电流进行限制。
为此，用于补偿永久励磁马达3中负载影响的装置(其中，由相的电感获知转子位置)基本上由控制装置1、用于马达3的变流器2、用于获知电感的装置4、测量装置5、修正装置6和用于确定转子位置的装置8组成。
不仅对于相电流或中间电路电流的测量装置5，而且用于获知电感的装置4，与基于电感进行位置确定的修正装置6接在一起。
修正装置6是将由转子位置中生成的基于电感的信号LU、LV和LW减去依赖于电流和转子位置的修正值的修正装置6。此外，修正装置6经由用于确定转子位置的装置8与控制装置1连接，其中，由经修正的信号LU korr、LV korr和LW korr中识别转子位置，并且获知修正了负载影响的转子位置Φkorr，以及控制变流器2，进而控制马达3。用于确定转子位置的装置8与修正装置6也接在一起，从而在引入各经修正的转子位置Φkorr的情况下获知各经修正的信号LU korr、LV korr和LW korr。因此，将马达3的运行与各自的当前的运行条件适配。不仅由基于电感的信号LU、LV和LW中，而且由常数中，依赖于相电流和经修正的转子位置Φkorr地，获知经修正的信号。

Claims (7)

1.用于补偿无刷直流马达(BLDC)(3)中负载影响的装置，所述无刷直流马达具有定子和转子，所述转子带有磁铁，
其中所述定子的各个相以星形或三角形方式联接，转子位置由相的电感或相的电感的关系中获知，所述装置包括
a)控制装置(1)，用于以预先确定的方式运行所述直流马达(3)，其中所述控制装置(1)提供必需的脉宽调制(PWM)模式，
b)变流器(2)，与所述控制装置(1)相连，用于操控所述马达(3)，
c)用于获知电感的装置(4)，与所述直流马达(3)相连，生成基于电感的信号LU、LV和LW，这些信号具有误差部分，
d)测量装置(5)，用于测量相电流或中间电路电流，
e)修正装置(6)，在引入因马达而异的参数的情况下由此获知修正值KU、KV和KW，并且将这些修正值与基于电感的信号相结合，所述基于电感的信号由对转子基于电感进行位置确定所产生，
其中，为所述修正装置(6)将所述因马达而异的参数对所述直流马达(3)的电感的影响因马达而异地作为要么是角度值与相电流之间关系的函数、要么是角度值与中间电路电流之间关系的函数，
-根据实验、无需对所述直流马达(3)的结构的认识，
-分析地通过分析马达结构，或者
-自动地在起动所述直流马达(3)时，
来获知，并且
其中，在将所述直流马达(3)的电周期分成六段、为这些段分配不同的用于KU、KV和KW的值并且将这些值储存在表格中之后，确定经修正的基于电感的信号
LU korr＝LU-FU，其中，FU＝IZK*KU，
LV korr＝LV-FV，其中，FV＝IZK*KV，以及
LW korr＝LW-FW，其中，FW＝IZK*KW，
从而，通过使用测量到的由所述直流马达(3)的电感所代表的转子的错误位置来确定经修正的转子位置Φkorr，并且
通过所述控制装置(1)将经修正的切换状态提供给所述变流器(2)，用于控制所述直流马达(3)。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述修正装置(6)此外与用于获知修正函数的装置(7)接在一起，其中，所述装置(7)自动地调整马达电压，进而自动地调整马达电流，并且所述装置(7)与所述修正装置(6)连接，从而能由基于电感的位置信号和马达电流中确定修正函数。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，
所述控制装置(1)此外与用于获知修正函数的装置(7)接在一起，
其中：
-为所述直流马达(3)通电，
-在至少两个不同的马达电流下测量所述基于电感的信号，
-将由此生成的角度值由电感中确定，并且
-在用于获知修正函数的装置(7)中获知依赖于电流的修正函数，从而存在至少线性的修正值。
4.根据权利要求2所述装置，其特征在于，
所述修正装置(6)此外与用于获知修正函数的装置(7)接在一起，
其中，在不同的电流和所述直流马达(3)的可忽略的运动的情况下测量电感，并且对所计算出的角度值与电流之间的关系进行计算，其中，所述修正值在最简单的情况下是常数。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，
在带有确定装置(8)的控制环中确定所述修正装置(6)，从而使用经修正的信号LU korr、LV korr和LW korr并且基于经修正的信号LU korr、LV korr和LW korr来确定受负载影响的经修正的转子位置。
6.根据权利要求5所述装置，其特征在于，
所述修正装置(6)此外与用于获知修正函数的装置(9)接在一起，其中，调整马达电压进而调整马达电流，并且所述装置(9)与所述修正装置(6)连接，从而能由基于电感的位置信号和马达电流中确定修正函数。
7.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述函数仿真地通过分析马达结构来获知。
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