CN114270693A - 用于运行电机的控制设备、电机、方法 - Google Patents

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CN114270693A CN202080058439.3A CN202080058439A CN114270693A CN 114270693 A CN114270693 A CN 114270693A CN 202080058439 A CN202080058439 A CN 202080058439A CN 114270693 A CN114270693 A CN 114270693A
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Abstract

本发明涉及一种用于运行电机（1）的控制设备（8），其中所述电机（1）具有转子（2）、定子（4）和功率电子装置（7），其中所述转子（2）以抗转动的方式布置在可转动地安放在壳体中的轴（3）上，其中所述定子（4）以相对壳体固定的方式来布置并且具有定子绕组（5），所述定子绕组（5）具有至少三个相（U，V，W），其中所述功率电子装置（7）具有多个开关元件，通过所述开关元件，所述相（U，V，W）与电储能器（6）电连接/可电连接，并且其中所述控制设备（8）具有第一计算单元（10）和第二计算单元（11），而且所述控制设备（8）构造成，借助所述计算单元（10，11）确定用于操控所述开关元件的操控信号。设置了，所述第一计算单元（10）构造成，根据针对所述转子（2）的额定转速（RPMSoll）和所述转子（2）的实际转速来确定针对所述相（U，V，W）的额定电压矢量的数值（|U|），其中所述第二计算单元（11）以通信技术与所述第一计算单元（10）连接，并且所述第二计算单元（11）构造成，根据所述额定电压矢量的数值（|U|）和所述转子（2）的实际转角（
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE001
）来确定所述操控信号。

Description

用于运行电机的控制设备、电机、方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行电机的控制设备，其中该电机具有转子、定子和功率电子装置，其中转子以抗转动的方式（drehfest）布置在可转动地安放在壳体中的轴上，其中定子以相对壳体固定的方式（gehaeusefest）来布置并且具有定子绕组，所述定子绕组具有至少三个相，其中功率电子装置具有多个开关元件，通过所述开关元件，所述相与电储能器电连接/可电连接，并且其中控制设备具有第一计算单元和第二计算单元，而且控制设备构造成，借助在控制设备处的计算单元来确定，以操控开关元件。
此外，本发明涉及一种具有这样的控制设备的电机。
此外，本发明涉及一种用于借助这样的控制设备来运行电机的方法。
背景技术
电机在一般情况下具有转子和定子。转子在此以抗转动的方式布置在轴上，所述轴可转动地安放在壳体中。定子以相对壳体固定的方式来布置，使得转子和定子可相对彼此扭转。定子大多具有定子绕组，所述定子绕组具有至少三个相。这些相在此以围绕转子分布的方式来布置，使得通过对这些相进行适当通电（Bestromung）可驱动或可转动转子。为了保证对相进行适当通电，设置了具有多个开关元件的功率电子装置。通过功率电子装置或开关元件，这些相与电储能器电连接，或者与储能器电分离。
为了运行电机，从现有技术中已知了如下控制设备：所述控制设备具有第一计算单元和第二计算单元，其中控制设备构造成，借助计算单元来确定用于操控开关元件的操控信号。根据预先已知的控制设备，第一计算单元在此通常构造成，根据针对转子的额定转速、转子的实际转速和转子的实际转角，确定针对各个相的额定相电压。那么，第二计算单元构造成，根据所确定的额定相电压来确定用于操控开关元件的操控信号。接着，通过根据操控信号来操控开关元件，给这些相加载所期望的额定相电压。例如，为此以脉宽调制过的方式，对功率电子装置的开关元件进行切换。
发明内容
根据本发明的具有权利要求1的特征的控制设备具有的优点是，与预先已知的控制设备相比，减少了在第一计算单元中为了确定操控信号必须维持的计算能力。根据本发明，为此设置了：第一计算单元构造成，根据针对转子的额定转速和转子的实际转速，确定针对相的额定电压矢量的数值；其中第二计算单元构造成，根据额定电压矢量的数值和转子的实际转角，确定操控信号。为此，根据本发明，第二计算单元以通信技术与第一计算单元连接，使得第一计算单元可以将额定电压矢量的数值提供给第二计算单元。额定转速在此要被理解为如下预先给定的转速：应通过根据操控信号对开关元件的操控来达到该预先给定的转速。额定电压矢量是与额定相电压对应的电压矢量。例如，通过在随转子一同旋转的坐标中或者在相对定子固定的坐标中的额定电压矢量，描述额定相电压。在此，通过第一计算单元，仅确定额定电压矢量的数值。优选地，第二计算单元构造成，确定额定电压矢量的取向和/或各个额定相电压。操控信号在此优选地被确定为使得，在操控功率电子器件时，根据操控信号，在这些相的每个相上分别附着具有正弦形变化过程的电的实际相电压。
根据优选实施形式设置了，控制设备构造为微控制器。因此，控制设备是电部件、即微控制器，该电部件既具有第一计算单元又具有第二计算单元。计算单元在此尤其是布置在微控制器的同一印刷电路板上。通过将控制设备构造为微控制器，以节省空间的方式来构造控制设备。
优选地，第一计算单元是微控制器的主计算单元。由于第一计算单元是主计算单元，所以为了确定操控信号仅需要微控制器的主计算单元的减少的计算能力。因此，针对别的要通过主计算单元执行的计算过程，主计算单元还具有足够的计算能力。
优选地，第二计算单元是微控制器的辅助计算单元。这样的辅助计算单元在一般情况下作为***单元本来已经包含在微控制器中。因此，不需要设置用于确定操控信号的附加的、在其他情况下不存在的计算单元。优选地，辅助计算单元是微控制器的定时器。定时器具有特别短的周期时间，使得可确定在操控信号之间具有微小的时间间隔的在时间上相继的操控信号。由此，可能借助控制设备精确地调节电机。
根据优选实施形式设置了，第一计算单元具有第一周期时间，并且第二计算单元具有第二周期时间，其中第二周期时间比第一周期时间短。在确定在时间上相继的操控信号时，在操控信号之间的特别小的时间间隔是有利的。在确定额定电压矢量的在时间上相继的数值时，这样小的时间间隔是不必需的。因此，设置具有较短的第二周期时间的第二计算单元和具有较长的第一周期时间的第一计算单元是特别有利的。尤其是，第一计算单元形成缓慢的第一调节器或转速调节器，而第二计算单元形成与第一调节器相比快的第二调节器。例如，第一计算单元具有为大约1ms的周期时间。例如，第二计算单元具有为大约50μs的周期时间。
根据优选实施形式，控制设备具有装置，其中第二计算单元构造成，根据借助该装置接收到的数据，确定转子的实际转角。因为第二计算单元需要该实际转角来确定操控信号，所以第二计算单元尤其是由于第二计算单元的短周期时间而特别适合于确定转角。尤其是，该装置以通信技术与电机的转角传感器连接/可连接，使得通过转角传感器检测到的数据可提供给该装置。
根据优选实施形式设置了，第一计算单元构造成，确定至少一个允许的最大相电流，并且给第二计算单元预先给定所确定的最大相电流，其中第二计算单元构造成，根据最大相电流来确定操控信号。最大相电流在此要被理解为流经这些相的电流的最大允许值。通过预先给定最大相电流，实现转子的实际转速的特别平滑的变化过程。
根据优选实施形式设置了，第一计算单元构造成，确定至少一个额定换向角，并且给第二计算单元预先给定所确定的额定换向角，其中第二计算单元构造成，根据额定换向角来确定操控信号。额定换向角在此要被理解为如下角度：所述角度被预先给定，以便引起相的预先换向。所期望的预先换向或额定换向角在一般情况下与转速有关地被预先给定。因为第一计算单元为了确定额定电压矢量的数值本来已知额定转速和实际转速，所以第一计算单元特别适合于确定额定换向角。
根据本发明的电机具有转子、定子和功率电子装置，其中转子以抗转动的方式布置在可转动地安放在壳体中的轴上，其中定子以相对壳体固定的方式来布置并且具有定子绕组，所述定子绕组具有至少三个相，而且其中功率电子装置具有多个开关元件，通过所述开关元件，所述相与电储能器电连接/可电连接，并且所述电机利用权利要求9的特征而以根据本发明的控制设备出众。由此也得到已经提到的优点。其他优选的特征和特征组合从之前的描述中以及从权利要求中得到。
根据优选实施形式，机器具有用于监控转子的实际转角的转角传感器。优选地，转角传感器具有随转子一同旋转的测量传感器（Messwertgeber）、尤其是磁场发生器，并且具有相对壳体固定的接收器、尤其是磁场敏感元件。
根据本发明的用于运行电机的方法，所述电机具有转子、定子、功率电子装置和控制设备，其中转子以抗转动的方式布置在可转动地安放在壳体中的轴上，其中定子以相对壳体固定的方式来布置并且具有定子绕组，所述定子绕组具有至少三个相，其中功率电子装置具有多个开关元件，其中通过控制设备来确定用于操控所述开关元件的操控信号，并且其中所述开关元件根据操控信号***控为使得，这些相通过所述开关元件选择性地与电储能器电连接或者与电储能器电分离，该方法利用权利要求11的特征而以如下方面出众：根据针对转子的额定转速和转子的实际转速，通过控制设备的第一计算单元来确定针对这些相的额定电压矢量的数值；并且根据额定电压矢量的数值和转子的实际转角，通过控制设备的与第一计算单元以通信技术连接的第二计算单元来确定操控信号。
附图说明
在下文，依据附图更详细地阐述了本发明。对此，
图1示出了具有控制设备的电机，
图2示出了控制设备的示意性详细视图，和
图3示出了用于运行电机的方法。
具体实施方式
图1以示意图示出了电机1。在本发明，机器1是电换向机器1。机器1具有转子2，所述转子2在本发明是永磁体。转子2布置在转子轴3上，该转子轴3可转动地安放在机器1的未示出的壳体中。此外，机器1具有带有定子绕组5的定子4。根据在图1中示出的实施例，定子绕组5包括三个相U、V和W。相U、V和W以围绕转子2分布的方式来布置，使得通过对相U、V和W进行适当通电可驱动或可转动转子2。
给机器1分配有电储能器6。储能器6借助机器1的功率电子装置7与相U、V和W电连接/可电连接。为此，功率电子装置7例如具有数目与相U、V和W的数目相对应的半桥，其中所述半桥中的每个半桥都分别具有两个半导体开关，而且所述相U、V和W中的每个相都通过这些半桥中的分别另外的半桥与储能器6连接/可连接。
此外，机器1还具有用于监控转子2的实际转角
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
的转角传感器9。转角传感器9例如具有作为测量传感器的磁场发生器和作为接收器的磁场敏感元件。
此外，电机1还具有电流测量装置17，该电流测量装置17构造成，检测流经相U、V和W的电的实际相电流ISum。在本发明，电流测量装置17与功率电子装置7电连接，并且构造成，检测在功率电子装置7的区域中的实际相电流ISum。
此外，机器1还具有控制设备8，该控制设备8构造成，确定用于操控功率电子装置7的开关元件的操控信号，并且根据这些操控信号来操控功率电子装置7。控制设备8以通信技术与转角传感器9连接，使得可以将通过转角传感器9检测到的数据提供给控制设备8，以确定操控信号。控制设备8此外还与电流测量装置17以通信技术连接，使得也可以给控制设备8提供检测到的实际相电流ISum。
图2示出了控制设备8的示意性详细视图。控制设备8是微控制器8。微控制器8具有第一计算单元10和第二计算单元11，该第一计算单元10是微控制器8的主计算单元10，该第二计算单元11是微控制器8的辅助计算单元11或定时器11。在此，关于计算单元10和11的周期时间来区分计算单元10和11。第一计算单元10具有比第二计算单元11的第二周期时间长的第一周期时间。
第一计算单元10在此构造成，根据针对转子2的额定转速RPMSoll和转子2的实际转速，确定针对相U、V和W的额定电压矢量的数值|U|。第二计算单元11以通信技术与第一计算单元10连接，并且构造成，根据额定电压矢量的所确定的数值|U|和转子2的实际转角
Figure 807598DEST_PATH_IMAGE001
，确定操控信号。
为此，第一计算单元10具有数值确定单元12、换向角预给定单元13和最大电流预给定单元14。第二计算单元11具有操控信号确定单元15和装置16，该装置16是转子角确定单元16。
借助转子角确定单元16，控制设备8与转角传感器9以通信技术连接。转子角确定单元16构造成，根据通过转角传感器9检测到的数据，确定转子2的实际转角
Figure 318214DEST_PATH_IMAGE001
。转子角确定单元16此外还以通信技术与操控信号确定单元15和数值确定单元12连接，以便给这些单元15和12提供所确定的实际转角
Figure 566793DEST_PATH_IMAGE001
。
借助操控信号确定单元15，控制设备8以通信技术与电流测量装置17连接，使得通过电流测量装置17检测到的实际相电流ISum可提供给操控信号确定单元15。
数值确定单元12构造成，根据实际转角
Figure 962002DEST_PATH_IMAGE001
或根据实际转角
Figure 776374DEST_PATH_IMAGE001
的变化过程，确定转子2的实际转速。此外，数值确定单元12构造成，接收针对转子2的额定转速RPMSoll。为此，数值确定单元12以通信技术与未示出的其他控制设备连接。数值确定单元12构造成，根据额定转速RPMSoll和实际转速，确定额定电压矢量的数值|U|。在输出侧，数值确定单元12以通信技术与换向角预给定单元13、最大电流预给定单元14和操控信号确定单元15连接，以便给这些单元13、14和15提供所确定的数值|U|。
换向角预给定单元13以通信技术与操控信号确定单元15连接，使得可以通过操控信号确定单元15来给换向角预给定单元13提供实际相电流ISum。换向角预给定单元13构造成，根据接收到的数值|U|和接收到的实际相电流ISum，确定额定换向角
Figure 192312DEST_PATH_IMAGE002
，并将额定换向角
Figure 459345DEST_PATH_IMAGE002
提供给操控信号确定单元15。
最大电流预给定单元14构造成，根据接收到的数值|U|，确定允许的电的最大相电流IMax，并且将允许的最大相电流IMax提供给操控信号确定单元15。
最后，操控信号确定单元15构造成，根据数值|U|、额定换向角
Figure 127087DEST_PATH_IMAGE003
、允许的最大相电流IMax、实际转角
Figure 795966DEST_PATH_IMAGE001
和实际相电流ISum，确定针对功率电子装置7的开关元件的操控信号。
在下文，参照图3，依据流程图描述了用于借助控制设备8来运行电机1的有利方法。
在第一步骤S1中，转角传感器9监控转子2的实际转角
Figure 789330DEST_PATH_IMAGE001
。
在第二步骤S2中，第二计算单元11根据通过转角传感器9检测到的数据来确定转子2的实际转角
Figure 543659DEST_PATH_IMAGE004
。在步骤S2中，所确定的实际转角
Figure 874146DEST_PATH_IMAGE001
此外被提供给第一计算单元10。
在第三步骤S3中，第一计算单元10根据实际转角
Figure 397531DEST_PATH_IMAGE001
来确定转子2的实际转速。替换于此地，优选地省去步骤S3。在该情况下，实际转速优选地已经在步骤S2中通过第二计算单元11确定，并且通过第二计算单元11所确定的实际转速被提供给第一计算单元10。
在步骤S4中，第一计算单元10根据针对转子2的额定转速RPMSoll和转子2的实际转速来确定额定电压矢量的数值|U|。此外，在步骤S4中，所确定的数值|U|被提供给第二计算单元11。
在步骤S5中，第二计算单元11根据数值|U|和实际转角
Figure 827376DEST_PATH_IMAGE001
来确定用于操控功率电子装置7的开关元件的操控信号。
在步骤S6中，最后根据所确定的操控信号来操控功率电子装置7的开关元件，使得相U、V和W通过开关元件与电储能器6电连接，或者与电储能器电分离。
优选地，持续地执行步骤S1至S6。由此得到借助控制设备8对相U、V和W的通电的有利调节。因为第一计算单元10与第二计算单元11相比具有更长的周期时间，所以在额定电压矢量的在时间上直接相继确定的数值|U|之间的时间间隔大于在针对功率电子装置7的在时间上直接相继确定的操控信号之间的时间间隔。

Claims (11)

1.一种用于运行电机的控制设备，其中所述电机（1）具有转子（2）、定子（4）和功率电子装置（7），其中所述转子（2）以抗转动的方式布置在可转动地安放在壳体中的轴（3）上，其中所述定子（4）以相对壳体固定的方式来布置并且具有定子绕组（5），所述定子绕组（5）具有至少三个相（U，V，W），其中所述功率电子装置（7）具有多个开关元件，通过所述开关元件，所述相（U，V，W）与电储能器（6）电连接/能够电连接，并且其中所述控制设备（8）具有第一计算单元（10）和第二计算单元（11），而且所述控制设备（8）构造成，借助所述计算单元（10，11）来确定用于操控所述开关元件的操控信号，其特征在于，所述第一计算单元（10）构造成，根据针对所述转子（2）的额定转速（RPMSoll）和所述转子（2）的实际转速，确定针对所述相（U，V，W）的额定电压矢量的数值（|U|），其中所述第二计算单元（11）以通信技术与所述第一计算单元（10）连接，并且所述第二计算单元（11）构造成，根据所述额定电压矢量的所述数值（|U|）和所述转子（2）的实际转角（
Figure DEST_PATH_IMAGE001
），确定所述操控信号。
2.根据权利要求1所述的控制设备，其特征在于，所述控制设备（8）构造为微控制器（8）。
3.根据权利要求2所述的控制设备，其特征在于，所述第一计算单元（10）是所述微控制器（8）的主计算单元（10）。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的控制设备，其特征在于，所述第二计算单元（11）是所述微控制器（8）的辅助计算单元（11）、尤其是定时器（11）。
5.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备，其特征在于，所述第一计算单元（10）具有第一周期时间，并且所述第二计算单元（11）具有第二周期时间，其中所述第二周期时间比所述第一周期时间短。
6.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备，其特征在于装置(16)，所述装置（16）尤其是以通信技术与所述电机（1）的转角传感器（9）连接/能够连接，其中所述第二计算单元（11）构造成，根据借助所述装置（16）接收到的数据来确定所述实际转角（
Figure 467739DEST_PATH_IMAGE001
）。
7.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备，其特征在于，所述第一计算单元（10）构造成，确定至少一个允许的最大相电流（IMax），并且给所述第二计算单元（11）预先给定所确定的最大相电流（IMax），其中所述第二计算单元（11）构造成，根据所述最大相电流（IMax）来确定所述操控信号。
8.根据上述权利要求中任一项所述的控制设备，其特征在于，所述第一计算单元（10）构造成，确定至少一个额定换向角（
Figure 384880DEST_PATH_IMAGE002
）并且给所述第二计算单元（11）预先给定所确定的额定换向角（
Figure DEST_PATH_IMAGE003
），其中所述第二计算单元（11）构造成，根据所述额定换向角（
Figure 695775DEST_PATH_IMAGE004
）来确定所述操控信号。
9.一种电机（1），其具有转子（2）、定子（4）和功率电子装置（7），其中所述转子（2）以抗转动的方式布置在可转动地安放在壳体中的轴（3）上，其中所述定子（4）以相对壳体固定的方式来布置并且具有定子绕组（5），所述定子绕组（5）具有至少三个相（U，V，W），而且其中所述功率电子装置（7）具有多个开关元件，通过所述开关元件，所述相（U，V，W）与电储能器（6）电连接/能够电连接，其特征在于根据权利要求1至8中任一项所述的控制设备（8）。
10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于用于监控所述转子（2）的实际转角（
Figure 90985DEST_PATH_IMAGE001
）的转角传感器（9）。
11.一种用于运行电机（1）的方法，所述电机（1）具有转子（2）、定子（4）、功率电子装置（7）和控制设备（8），其中所述转子（2）以抗转动的方式布置在可转动地安放在壳体中的轴（3）上，其中所述定子（4）以相对壳体固定的方式来布置并且具有定子绕组（5），所述定子绕组（5）具有至少三个相（U，V，W），其中所述功率电子装置（7）具有多个开关元件，其中通过所述控制设备（8）来确定用于操控所述开关元件的操控信号，并且其中所述开关元件根据所述操控信号***控，使得所述相（U，V，W）通过所述开关元件选择性地与电储能器（6）电连接或者与所述电储能器（6）电分离；其特征在于，根据针对所述转子（2）的额定转速（RPMSoll）和所述转子（2）的实际转速，通过所述控制设备（8）的第一计算单元（10）来确定针对所述相（U，V，W）的额定电压矢量的数值（|U|）；并且根据所述额定电压矢量的所述数值（|U|）和所述转子（2）的实际转角（
Figure 905357DEST_PATH_IMAGE001
），通过所述控制设备（8）的与所述第一计算单元（10）以通信技术连接的第二计算单元（11）来确定所述操控信号。
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