CN101268610A - 给通过半导体功率输出级电子换向的直流电机供电的方法 - Google Patents
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Abstract
建议了一种用于给可通过半导体功率输出级(28)以电子方式换向的直流电机(16)、优选为三相直流电机供电的方法，该直流电机由控制单元(22)按照转子位置传感器(20)的信号逐块供电。逐级可变地构成电机(16)的供电，使得与转速有关地和/或与负载有关地，相对于感应电压(E)的变化，在其高度方面和/或在其长度方面和/或在其触发角方面可以改变电流块。
Description
现有技术
本发明从一种用于给可通过半导体功率输出级以电子方式换向的、优选为三相的直流电机供电的方法出发，诸如在DE 102 47 900A1中所说明的那样。该文献公开了一种用于利用电机相电流的控制装置给可以电子方式换向的直流电机供电的方法，该控制装置此外还获得功率输出级的半导体开关的公共馈电线中的电流传感器的信号以及转子位置的传感器装置的信号作为控制信号。在此，要么以电流块(Stromblock)各为120°el的块供电(Blockbestromung)的形式，要么可替换地利用半波持续时间为180°el的正弦形电流供给来实现电机的供电。在这种情况下，应用120°块供电虽然允许采用简单的和便宜的控制设备，但是电机的利用率低。正弦形的供电要求费事地计算各个开关时刻和电流高度，以及要求用于精确检测转子位置的非常昂贵的传感器技术。
本发明所基于的任务在于，说明一种用于给可以电子方式换向的直流电机、尤其是三相直流电机供电的方法，该方法以微小的电路花费和计算花费允许提高块供电的、可以电子方式换向的电机的功率密度，并且同时允许降低该电机的转矩波动性。在此，应该直接由简单的传感器装置触发换向时刻，而不必通过控制装置费事地计算换向时刻。通过权利要求1的表征特征来解决该任务，其方式是逐级可变地构成电机的供电。由此，以相对于没有预换向的简单的120°的块供电微小的额外花费显著改善电机利用率，以及为了降低转矩波动性而更灵活地控制。
已证明为特别适宜的是，在不同的转速范围中以与负载和转速有关的不同的供电模式单独通过分析处理传感器信号来运行电机，而不必计算换向时刻。在耗用电流为约20A到200A之间的中等结构大小的三相电机中，诸如大量被用作汽车中的伺服电机或通风机电机的电机那样，在这种情况下已被证明为特别有利的是，分别相对于感应电压E的过零，在较低的转速范围中使用长度为150°el和触发角为0至30°el、优选为+15°el的电流块，在中间的转速范围中使用块长为180°el和触发角为-30至0°el、优选为-15°el的电流块，以及在较高的转速范围中使用块长为180°el和触发角为-30至-60°el、优选为-45°el的电流块。
在此，数字霍尔传感器优选地用作位置传感器，该数字霍尔传感器相对便宜并且提供足够准确的位置信号。为了减小转矩波动性，适宜的是，在具有三相电流的范围中，附加地改变电流块之内的电流高度，使得在两相或三相供电运行时在不一样高的电流块中出现了所达到的转矩的大致相等的最大值。
由从属权利要求并且由实施例的说明得出了本发明方法的其它细节和有利的扩展方案。
在图1中示出了根据本发明的、可以电子方式换向的电机的供电的原理电路，
在图2中示出了电子换向的三相电机的相的不同供电模式的实例，这些供电模式相对于感应电压E具有不同的块长度和块形状以及不同的触发角。
在图3中示出了在不同的转速范围中用不同的供电模式供给三相电机时的不同转矩的变化的实例，以及
在图4中示出了在用电流高度保持不变和交替的150°电流块供给时的三相电子换向的直流电机的转矩变化的实例。
在图1中，用10、12和14表示了三相的、可以电子方式换向的直流电机16的星形连接绕组，这些绕组与永磁转子18共同作用。由传感器装置20监控转子的相应位置，该传感器装置20向被构造为微控制器的控制单元22提供转子位置的信号。传感器装置以公知的方式对每相利用至少一个霍尔元件来构造，并且在每次电旋转转子时，给每相提供至少两个转子位置信号。霍尔传感器要么分析处理工作磁铁的场，要么分析处理相同极数的独立的传感器磁铁的场，并且霍尔传感器被布置来使得在三相电机中，可以由三个信号(三个比特)明确推导出六个不同的转子位置，适宜地错开120°el。
具有正极24和负极26的直流电网给电机16和控制单元22提供供电电压，电机绕组通过逆变器28可连接到该直流电网上。逆变器28以公知的方式被构造成半桥电路(B6电路)中，在直流电网的正极侧有半导体开关30、32和34，而在直流电网的负极侧有半导体开关36、38和40，其中，所有开关分别由未进一步表示的自振荡二极管跨接。在开关30和36之间分接了绕组10的馈电电流I1，在开关32和38之间分接了绕组12的馈电电流I2，以及在开关34和40之间分接了绕组14的馈电电流I3。通过控制单元22对逆变器28的控制示意性地被示为从控制单元的输出端42到逆变器的控制输入端44的箭头。由控制单元22的输入端48上的额定值信号46总共预定电机控制，该控制单元22同样从直流电网24、26汲取供电电压。为了改善电磁相容性，还通过中间回路电容器50跨接直流电网。
借助分流器52来实现电机16的总馈电电流I的测量，该分流器52被接入到通向直流电网的负极26的连接线路中，并且以公知的方式例如通过放大器和A/D转换器将对于控制所必需的电流信号提供给控制单元22的输入端54。中间回路电流I以适当的方式被调节到由控制单元22预定的额定值上。这可以例如通过限制最大电流来实现。在此，相对应的半导体开关在达到电流极限时被关断，并且在各个时钟结束时重新被接通。
由传感器装置20所产生的转子位置信号位于控制单元22的输入端56上。具体地借助以下附图中的曲线图来详细阐述电机16的供电的控制方法。在这种情况下，涉及一种被修改的、与转速有关的可变块供电，该块供电以相对于具有120°el的固定块长的公知块供电微小的额外花费在同时减小转矩波动性的情况下实现了电机功率的明显提高。该额外花费尤其是在于传感器技术，该传感器技术为了使角分辨率加倍而必需其它的传感器，即在12个必需的位置处需要4个传感器(4比特)，而在6个必需的位置处只需要3个传感器(3比特)。
在图2中，为了提高清晰度，分别只对于单个相示出了不同的供电模式。
图2a示出了块长度为120°el和触发角为+30°el的常规的块供电，图2b示出了一种在较低转速范围中有利的、块长为150°el和触发角为+15°el的根据本发明的块供电，该块供电在每30°el之后在两相供电和三相供电之间变换。
图2c根据图2b示出了本发明的供电模式，其中，但是在块的中间的三相范围中，为了减小转矩波动性而附加提高了供电高度。借助图4中的曲线图来详细阐述该电流提高的作用。
图2d示出了具有180°el电流块的本发明供电模式，该180°el电流块相对于感应电压E的过零具有-15°el的触发角。该供电方式在中间的电机转速范围中被用于提高功率，而按照图2b或2c的供电模式在较低的转速范围中带来好处，如这借助图3还将详细阐述的那样。
根据图2e的供电模式在较高的电机转速范围中得到应用。在这种情况下，涉及一种180°el块供电，该180°el块供电相对于感应电压E的过零具有-45°el的触发角，该180°el块供电实现了明显的转速提高。
图3示出了电机转矩根据转速的不同的变化曲线，其中，曲线I、II和III基于上述不同的供电模式。曲线段I的范围中的供电对应于图2b或2c，曲线段II的供电对应于图2d中的图，而曲线段III的供电对应于图2e中的图。从不同的曲线中能够明显识别，通过不同转速范围中的不同的供电模式可以实现明显的转矩提高和转速升高。其原因在于，电机的电抗随着转速升高而增加，并且与此相对应地，电机电流在其相位上滞后于电压。这可以通过较早接通电流以预换向的形式来补偿，电机的功率由此上升。此外，可以通过预换向而较快建立电机电流，因为反作用的感应电压在电流的接通时刻较小。附加地，在块结束时，也可以较快降低电机电流，因为在该时刻，反作用的感应电压较大，并且电流下降加速。由此，总共增大了可供使用的电流时间面积，并且因此增大了电机的功率。
由于供电块产生了与电机16的转子18中的永磁铁的场部分相反作用的磁场，决定了本发明供电的其它有利的作用，该作用同样有助于图3中所示出的转矩变化。在高转速的情况下，可以有利地利用该效应，以便尽管有高的反作用的感应电压还可以运行电机。
图4以标准化的曲线图示范性示出了按照图3中的转矩曲线I的、触发角为15°el的150°el供电的应用。在这种情况下，形成了十二脉冲的转矩变化曲线，由此降低了较低的转速范围中的转矩波动性。用较粗的实线示出了得到的十二脉冲的转矩。在此，分别在30°el之后交替地给两相或三相供电。要调节的电流始终是整个中间回路电流，该中间回路电流在三相供电的段中被分配到两个相，并且在那里分别以一半的高度流动。通过将电流分配到两个相，三相范围中的得到的最大的转矩略低于整个相电流在两相中流动的段中的转矩。但是，通过提高三相运行时的电流强度，可以将三相运行时的最大转矩提高到两相运行时的转矩的高度，如这在图4中通过转矩特性曲线的虚线变化曲线所示出的那样。由此进一步降低了转矩波动性。在此，在三相运行时，并联连接两相的半导体开关，并且因此在相同的功率输出时减少这些开关的耗用电流和发热。本发明方法的另一优点在于此。
按照图4中所示出的针对较低的转速范围的十二脉冲的转矩变化曲线，该较低的转速范围具有带有选择性交替的电流高度的150°el块供电，以相同的方式得出了180°el块供电时的转矩变化曲线，该180°el块供电按照图3中的曲线II和III在中间的转速范围中具有-15°el的触发角，而在较高的转速范围中具有-45°el的触发角。因此可以舍弃图中的这些转矩变化曲线的分离的曲线图。分别由涉及感应电压E的正过零的、电流I的正边沿之间的角度差得出采用块供电的触发角。如果电流边沿在时间上在电压过零之后，则该角度计算为正的。
Claims (11)
1.一种用于给可通过半导体功率输出级以电子方式换向的、优选为三相的直流电机供电的方法，该直流电机由控制单元按照转子位置传感器的信号逐块供电，其特征在于，逐级可变地构成电机(16)的供电，其方式是与转速有关地和/或与负载有关地，相对于感应电压(E)的变化在高度方面和/或在长度方面和/或在触发角方面能改变电流块(I；图2)。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述电流块(I)适应于120°el到180°el之间的可预定的块长度。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使所述电流块(I)适应于120°el、150°el和180°el的块长度。
4.按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在减小电机(16)的转矩波动性的意义上，能改变块之内的电流(I)的高度。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，逐个范围地提高块之内的电流(I)的高度。
6.按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，与转速有关地，在涉及感应电压(E)的过零的+15°el到-75°el之间能改变电流块(I)的触发角。
7.按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过传感器装置(20)能预定所述电流块(I)的大小和/或位置。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，通过数字霍尔传感器能预定所述电流块(I)的大小和/或位置。
9.按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在较低的转速范围(I)中，用相对于感应电压(E)的过零的150°el的块长和0至30°el、优选为+15°el的触发角给三相电机(16)供电。
10.按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在中间的转速范围(II)中，用相对于感应电压(E)的过零的180°el的块长和-30至0°el、优选为-15°el的触发角给三相电机(16)供电。
11.按以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在较高的转速范围(III)中，用相对于感应电压(E)的过零的180°el的块长度和-30至-60°el、优选为-45°el的触发角给三相电机(16)供电。
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