CN101248577A

CN101248577A - 无传感器和无刷电动机的不对称控制

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Publication number: CN101248577A
Application number: CNA2006800210268A
Authority: CN
Inventors: J·施瓦兹科普夫
Original assignee: Siemens VDO Automotive AG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG; Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2026-06-07
Also published as: US20080197795A1; EP1734648B1; WO2006134047A1; CN101248577B; US7750585B2; EP1734648A1

Abstract

为在无传感器的电子换向的多相电动机相(1)中以简单的方式获得特别高的功率，建议一种用于换向电动机相(U、V、W)的方法以及一种所属的设备。根据本方法，在一个全周期期间，对至少一个电动机相(U)关于另一电动机相(V、W)非对称地控制，其中对该一个电动机相(U)的换向角(K1、K3)相对于其他电动机相(V、W)的一个相应的换向角(K2)缩小地控制。替换或附加的，在一个全周期期间，对至少一个电动机相(U、V、W)关于自身非对称地控制，其中对一个换向角(K1)关于一个以前的或者随后的换向角(K2)缩小地控制，或在两个换向角(K1、K3)之间提供不同大小的中间角。在该被缩小的换向角(K1)之前或之后始终设置一个测量角(M)，在该测量角内所涉及的电动机相(U)为了通过测量反电动机力(Vu)来检测转子位置而被无电流地接通。

Description

无传感器和无刷电动机的不对称控制

本发明涉及用于对电动机的电动机相换向的方法和设备。

在电子换向的电动机(也称为EC电动机或者BLDC电动机)中，通过逆变电路产生旋转电流网，施加在电动机的定子线圈上，从而产生旋转的定子磁场。电动机的转子通常具有一个或者多个永磁铁，通过这些永磁铁产生静止的转子磁场。由定子磁场和转子磁场的相互作用产生旋转转矩，其使转子运动。

EC电动机的逆变电路根据转子的位置控制旋转电流网的相位，转子的位置大多必须通过测量技术确定。为确定转子的位置，特别是确定转子的旋转角度，经常提供传感器，例如霍尔传感器、簧片传感器等，它们直接测量转子磁场。经常而且特别是从成本的理由出发另外的选择方案是使用无传感器的旋转角发生器来采集转子的位置。在此测量电动机的所谓的反电动机力(反EMK，或者也称反EMF)，亦即通过旋转的转子磁场在定子线圈中感生的电压来确定位置。这种结构类型的电动机称为无刷、无传感器的电动机。

无传感器的旋转角发生器的缺点是，反EMK通常仅能在一个电动机相中测量，该电动机相在测量期间没有电流。因此为测量反EMK在换向的一个完整周期期间(该换向在1极同步电动机中相应于一个360°的全周期的转子旋转)规定这样一种测量角或者测量范围的个数，在该测量角或者测量范围内所涉及的相没有电流的保持。另一方面，通过该测量角或每一测量角将限制换向角的最大大小和位置，换向角由于这一限制通常显著低于理论上可能的180°的最大角。使用换向角表示全周期中使用电路技术控制、即激励该相或每一相的那一部分。大多使用120°和150°之间的换向角。扩大换向角通常导致增大电动机的功率和效率，从而经常希望达到尽可能大的换向角。

常规方式是彼此对称即以相同的方式控制电动机的相。在此特别是对于所有电动机相以相同的方式调整换向角和测量角。此外，在电动机的双极换向的场合，常规上也对称地选择两个换向角，它们相应于在全周期期间对同一电动机相的正的和负的控制，在此在这两个换向角之间交替提供两个相同的测量角。

通常在相应的电动机相中在反EMF过零时对电动机相换向。为从电动机获得较高的功率，可以以正的预燃工作。在此不检测感生电压的过零点作为用于换向角的触发或者开始信号。而把反EMK与一个异于零的比较电压(特别是在反EMK下降时UL＞0V)进行比较。但是比较电压必须小于中间电路电压，因为感生的电压通过逆变电路由系统决定地被限制为中间电路电压的数值。该限制导致最大可调整预燃角的限制，从而又导致电动机功率的限制。

本发明的任务在于，提供一种用于对电动机的电动机相换向的方法，该方法使得能够用简单而且价格适宜的设备获得特别高的电动机功率。此外本发明的任务在于，提供一种特别适合用于执行所述方法的设备。

关于方法根据本发明该任务通过权利要求1的特征解决，关于所属设备通过权利要求7的特征解决。

根据本发明，建议一种用于对无刷和无传感器的电动机的电动机相换向的方法，其中电动机相的控制与传统技术相反非对称进行。

根据本发明，建议两个可彼此独立或者组合使用的变体，用于转换该非对称性。按照第一变体，通过将一个电动机相的换相角关于至少一个另外的电动机相缩小地控制，彼此非对称地控制不同的电动机相，以便产生一个足够大的前置或者后置的测量角。从而反EMK仅在电动机相的一部分，优选仅在一个唯一的电动机相中被检测到，而对于其他电动机相，可以不依赖于通过反EMK测量施加的限制、从而特别是在技术可能性的框架内优化选择换向角。

按照第二变体，在双极电动机控制的场合，通过在两个分布在全周期上的、分别对应于控制的正和负半波的换向角中，相对于另一个换向角缩小地控制一个换向角，关于自身非对称地控制一个电动机相，以便又保留一个先行或者后继的测量角。在特殊情况下，通过把两个相同大小的对应于一个相的换向角非对称地设置在该全周期上，也实现这样的非对称换向，从而在这些换向角之间形成一个较大的中间角(测量角)和一个较小的中间角。

考虑测量角而被缩小的换向角下面称为“测量换向角”，与此相对不缩小的换向角称为“功率换向角”。在测量角内所涉及的电动机相像在常规的换向方法中那样为确定转子位置而通过测量反EMK无电流地接通。

在此本发明从下面的考虑出发，不需要把通过对转子位置的无传感器确定强制施加的关于预燃角和换向角的选择限制传播到所有其他的相和换向周期上。而仅缩小单个换向角的大小以便能够逐点定位，而所有的或者一些剩余的换向角具有一个数值上较大的角范围，这样就足够了。

总之，本发明的非对称电动机控制导致电动机的更高的效率和更高的功率，因为通过仅逐点缩小的换向角相对于常规换向方法显著提高了全周期期间的净换向时间。同时通过本发明的方法可以这样设计电动机，使得能够减小用于缓冲电容器的负载以及改善EMV特性。

如从现有技术所了解的那样，类似的优点在电动机中迄今仅通过使用第一流的从而昂贵的部件(较粗的铜线，较好的MOSFET，较好的磁铁，较好的缓冲电容器，较好的滤波器)实现。

测量换向角的大小为120°到150°是适宜的，从而测量换向角的大小等于换向角的大小，如其从现有技术中在结构类型相同的电动机中所了解的那样。与此相对，功率换向角具有150°、特别是155°直到接近180°的大小是适宜的。该大小通过功率换向角至少部分包括上述测量角来实现。

在本方法的一个优选的改进中仅唯一的一个相用一个测量换向角换向，使得在全周期期间仅采集关于转子位置的唯一的一个位置信息。

只要专门的应用场合需要或者适合，为了尽可能将相的非对称量保持得很小，另外可选择的方案(在双极控制的场合)是在每一全周期每一相都用一个测量换向角和一个功率换向角换向，其中所有功率换向角要么仅分配给双极控制的下半波，要么仅分配给上半波。换句话说，该相的所有正半波用测量换向角换向，所有负半波用功率换向角换向。另外可选择的方案是在分配时交换正半波和负半波。这一改进具有这样的优点，至少半波的50％被最佳的利用，并且各相的时间移位彼此全等。与此相比，现在在每一相内存在一种非对称，因为负半波和正半波不是以相同的方式换向。为进一步改善电动机相的功率和效率可选择用预燃运行电动机。在这种运行方式中也规定，仅把换向角的一部分作为测量换向角而把另一部分作为功率换向角形成。

亦即用本发明获得的优点特别在于，通过非对称地运行电动机，在由转子位置的位置识别所引起的换向角选择中的限制不会传播到所有相或者半波。由此通常获得平均起来比常规方法大的换向角和/或预燃角，并且由此又获得特别高的电动机功率。

下面根据附图详细说明本发明的实施例。附图中：

图1表示带有逆变电路的无刷和无传感器电动机的方框电路图，用于执行本发明的方法，

图2表示用于说明常规对称换向的图表，

图3表示用于说明作为本发明第一实施例的一种非对称换向的图表，

图4表示用于说明带有预燃的常规对称换向的图表，

图5表示用于说明在停止换向(Abkommutierung)一个相时电压和电流变化的图，

图6表示用于说明作为本发明第二实施例的一种带有预燃的非对称换向的图表。

彼此对应的部件和变量在所有的附图中用相同的参考符号表示。

图1表示一个无刷、无传感器的电动机1以及一个逆变电路2的方框电路图，逆变电路2作为电源分配给电动机1。所示电动机1是三相电动机，并且双极地控制。但是本发明的方法也可应用于单极电动机、具有其他相数的电动机或者绕组以三角形连接的电动机。

图1表示的电动机1包括三个星形连接的电动机相U、V和W(下面简称相U、V、W)。每一相U、V和W包括一个设置在电动机1的定子上的电枢绕组，其连接到逆变电路2的所属的半桥上。相U、V、W的电枢绕组在另一侧一起连接到一个公共的星点或者中点P。每一绕组U、V、W为了引入中间电路电压Uz，可以通过逆变电路2的所属半桥的开关元件3与逆变电路2的一个中间电路导电连接，所述开关元件优选作为MOSFET构成。逆变电路2的每一开关元件3与一个空载二极管4并联。开关元件3由控制单元5根据电动机1的转子位置这样控制，使得由相U、V、W的电枢绕组产生一个用于驱动电动机1的旋转磁场。转子位置由控制单元5的一个检测器6通过测量反电动机力确定。检测器6向控制单元5的换向发生器7输出一个显示转子位置的触发信号，根据该信号换向发生器7又控制开关元件3。

电动机1的转子优选装备永磁铁。反电动机力的测量在相U、V、W的一个或者多个为该测量而分别无电流接通的相中进行。

图2借助三个彼此重叠设置的单个图表表示电动机1的对称换向，正如它们在常规方式中所使用的那样，在这些图表中相U、V、W的换向通过在电动机1的旋转角上绘制的各(简化表示的)相电压Uu或者Uv或者Uw来说明。此外在按照图2的单个图表中为每一相U、V、W用虚线描绘出一个相分量Pu或者Pv或者Pw，它表示一个与在各相U、V、W中感应的反EMK成比例的量，从而成为度量涉及各相U、V、W的电枢绕组的转子位置的一个尺度。

在此转子位置(通过转子磁场的取向表示)分别在相分量Pu、Pv、Pw过零时平行于或者反平行于所属相U、V、W地定位。相分量Pu、Pv、Pw的过零因此随着反EMK的正负号变化而出现在相应相U、V、W中，该正负号变化用测量技术由检测器6采集。在按照图2的常规换向方法中，在相U中在反EMK每次从正向负的正负号变化时检测到转子位置。在所示例子中这一变化在180°的旋转角中发生，如从图2的上述单个图表中所知。

因为反EMK的测量需要一定的测量时间，所以转子的位置确定不能在180°的旋转角中逐点进行。而是反EMK的测量包括一个异于零的测量角M，以便转子在测量时间内继续转动。对于滤波器、加速备用设备等，尤其是需要大约20°的旋转角区间。为使空载电流消失大约还需要10°，从而对测量角M必须估计约30°的旋转角区间。

对于相U来说，按照图2的上面的单个图表要估计的测量角在150°和180°之间的旋转角区域上延伸。因此必须最晚在150°的旋转角处开始测量。因为测量仅在无电流的相U中才可能进行，所以相U必须在150°停止换向(abkommutieren)。因此测量角M强制地将先前发生的换向角K、亦即旋转角区间限制为例如最大150°的旋转角区间，在该区间内控制相U(或者V或者W)。

在图2中说明的对称换向方法中，换向角K是针对所有相U、V、W统一选择的。此外也在每一相U、V、W内既为双极控制的正半波也为负半波选择一个统一的换向角K。例如换向角K对每一相和每一半波都最大为150°，在此每一相U、V、W在两个换向分周期之间错开相应于测量角M的旋转角区间地停止换向。

图3表示用于说明作为本发明第一实施例的一种非对称换向的图表。图3中表示的图表类似图2构建，并且同样由三个单个图表组成，它们分别对应于各相U、V、W。

与常规换向方法不同，按照图3，仅在一个相应于相U的正控制的换向角K1后提供一个测量角M，由此该换向角K1(下面称为测量换向角K1)在数值上等于在对称换向中可达到的换向角K，尤其是限制为大约150°的最大值。

与此相反，相应于相U的负控制的换向角K2以及属于相V和W的换向角K2不依赖于测量换向角K1地选择。在确定该换向角K2(下面称为功率换向角K2)时不考虑任何限制的测量角，从而换向角K2可以扩展到接近180°。

换句话说，测量换向角K1在对电动机1要求高功率的同时相对于功率换向角K2在数值上缩小。相U因此既对自身又相对于另外的相V和W被非对称地控制。图3中表示出这种情况。当测量换向角K1采取通过保留测量角M而产生的大约150°的最大数值时，与此相对给功率换向角K2分配例如165°的增大的数值。

如果相U的非对称性对于另外的相V和W不可接受，则在本发明的方法的一个变体中将功率换向角K2用于所有相U、V、W的负半波，而相U、V、W的正半波用缩小的测量换向角K1换向。由此优化地充分使用半波的50％，而这些相关于彼此对称，亦即时间移位地全等。在该变体中，控制的非对称性通过在每一相U、V、W内关于下半波不同地控制上半波来表示。

图4表示用于说明带有预燃的电动机1的常规对称换向的图表。图4中表示的图表又类似图2和3的说明。

如图4中所示，在带有预燃的换向中换向角K的开始不与所属的相分量Pu、Pv、Pw的过零同时发生。而是换向角K相对于相分量Pu、Pv、Pw的过零向前移动。换句话说，当所属反EMK在缓慢衰减到零的过程中超过一个异于零的比较值S⁺、S^-时，相U、V、W的控制已经进行。对于相控制的正半波，考虑一个正比较值S⁺，对于负半波相应地考虑一个负比较值S^-。

由于仅在无电流状态下才能够识别转子位置，所以在按照图4的对称的电动机控制的情况下，预燃仅在一个比较有限的范围内才可能进行，这在下面根据图5详细说明。

图5中以示意图表相对于时间t为相U举例示出相电压Uu和所属相电流Iu的变化。在该图表中另外描绘出在相U中感应的反EMK Vu以及在换向过程期间恒定的中间电路电压Zu(虚线)。

在时刻t1以前，相U与中间电路连接，亦即相U被正激励。相电压Uu在时刻t1以前恒定，并且低于中间电路电压Uz一个小的数值，该数值等于连接在中间的开关元件3的导通电压。相电流Iu最初较大，通过最大值，在到时刻t1前稍微减小。

在时刻t1，所观察的相U停止换向。为此相U在一个按照图5一直持续到时刻t2的停止换向时间区间内首先被转换极性，特别是切换到负的中间电路电位。，此相电压Uu瓦解，相电流Iu迅速消失。在相电流Iu消失的时刻t2，相U被中间电路夹持以测量反EMK。

如果在时刻t2反EMK Vu超过中间电路电压Zu，这特别在大的预燃时是可能的，则通过反EMK Vu在相U中建立电流流动，该电流通过上空载二极管4流到中间电路中。结果相电压Uu采取一个值，该值超过中间电路电压Uz一个等于空载二极管4的导通电压的数值。仅当反EMK Vu低于中间电路电压以及由此引起的电动机电流Iu消失时，即在时刻t3，反EMKVu对于检测器6才“可见”，亦即数值上可测量，并且可以用于转子位置的位置识别。

因为在确定了转子位置后才能够继续进行换向，因此预燃最早在时刻t3才能够起动，由此限制可调节的最大预燃角。

在按照图4的电动机1的常规对称控制中，预燃角的这一限制强制地作用于所有的相U、V、W和在每一相U、V、W内的每一换向分周期。

在本发明的非对称换向方法的框架内使用预燃时，如以类似于图4的表示方式在图6中表示的那样，仅跟在测量角M之后的换向角受到关于所属预燃角Z1的上述限制。在图6中它仅涉及跟在相U的测量换向角K1之后的第二(测量)换向角K3，第二换向角K3由于该限制同样可以相对于相V和W的功率换向角K2而缩小。

与此相反，剩余的5个换向分周期可以前移，亦即以较大的预燃角K2运行，该剩余的换向分周期相应于相U的测量换向角K1以及相V和W的功率换向角K2。特别是按照图6通过把相U的测量换向角K1在“后端”和随后的(测量)换向角K3在“前端”相切，来产生测量角M。例如Z2比Z1大多达10°。但是在其他的实施中该差值可以为30°或更大。当位置识别仅能在反EMK的过零时进行时，这一不同可能非常大。

Claims

1.一种用于对多相电动机(1)的电动机相(U、V、W)换向的方法，

-在一个全周期期间，对至少一个电动机相(U)关于另一电动机相(V、W)非对称地控制，其中对该一个电动机相(U)的换向角(K1、K3)相对于其他电动机相(V、W)的一个相应的换向角(K2)缩小地控制，和/或

-在一个全周期期间，对至少一个电动机相(U、V、W)关于自身非对称地控制，其中对一个换向角(K1)关于一个以前的或者随后的换向角(K2)缩小地控制，和/或在两个换向角(K1、K3)之间提供不同大小的中间角，

其中在该被缩小的换向角(K1)之前或之后设置一个测量角(M)，在该测量角内所涉及的电动机相(U)为了通过测量反电动机力(Vu)来检测转子位置而被无电流地接通。

2.根据权利要求1的换向方法，其特征在于，

被缩小的换向角(K1)从120°到165°，相应未被缩小的换向角(K2)从150°到170°，特别是155°到170°。

3.根据权利要求1或2的换向方法，其特征在于，

对每一电的全周期都缩小地控制恰好一个换向角(K1)。

4.根据权利要求1或2的换向方法，其特征在于，

在电动机(1)的双极换向中，对每一全周期用恰好一个被缩小的换向角(K1)和用恰好一个未被缩小的换向角(K2)控制每一电动机相(U、V、W)，其中要么仅缩小属于双极控制的下半波的换向角(K1)，要么仅缩小属于双极控制的上半波的换向角(K1)。

5.根据权利要求1或2的换向方法，其特征在于，

在双极换向中对一个相(U)的两个换向角(K1、K2)都相对于另一相或者每一其他相(V、W)的相应的换向角(K2)缩小地控制。

6.根据上述权利要求之一的换向方法，其特征在于，

所述电动机(1)用预燃运行。

7.一种用于对多相电动机(1)的电动机相(U、V、W)换向的设备，具有用于对电动机相(U、V、W)换向的逆变电路(2)，和控制单元(5)，所述控制单元(5)用于按照根据权利要求1到6之一所述的方法控制逆变电路(2)。