CN101336510A - 确定在静止状态下ec电机的转子位置的方法和电路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于确定具有多个定子股线(U，V，W)的电子整流电机(10)的转子(14)的位置的方法和电路装置，该电机的转子包括具有不同磁导的磁轴(d，q)，其中对定子股线加载电压，并且监控所得到的股线电流(IU，IV，IW)，以便确定在电机的静止状态下的转子位置。为此，一方面在不饱和状态下并且另一方面在利用转子铁芯和/或定子铁芯的饱和效应的情况下确定股线电流直至达到预先给定的极限值(IG1，IG2)的第一和第二上升时间(t1－t5)，并且由在转子铁芯的不饱和状态下电流的第一上升时间(t1－t3)确定磁轴(d)向定子股线(U，V，W)的分配以及由在具有饱和效应的电流馈电的情况下电流的第二上升时间(t4，t5)确定转子(14)的极性(N/S)。附加地，在电机(10)起动之后的另一个步骤中，由转子(14)的极限位置在两个定子相(U，V，W)的扇区极限上得到的、定子(12)的对于电机的高起动转矩来说不利的初始电流馈电可以通过比较感应器电压(Ui)的电平来确定并且通过改变定子电流馈电的整流来修正。
Description
技术领域
本发明涉及按照权利要求1和8的前序部分的用于确定电子整流电机(EC电机)的转子的位置的方法和电路装置。EC电机以最大转矩从静止状态受调节地加速(Hochlauf)所需要的这种方法原则上是已知的。在此情况下，借助转角传感器或替代地在没有这样的传感器的情况下通过利用磁力机械效应来实现转子位置的检测。
背景技术
对于具有磁性不对称或对称的转子的机器来说，从DE 101 62 380A中已知，在机器的静止状态下确定转子的位置。在此，在利用转子铁芯(Rotoreisen)中的饱和效应来进行测量，使得经过转子的完全的旋转，周期性地对定子相加载相当于定子相的双倍数量的、分别互相偏移相同角度的多个电流脉冲。然后将按照相应转子段的饱和度所得出的电流脉冲的上升时间用于确定在电机的静止状态下的转子位置。这样的方法需要用于测量的多个高的电流脉冲，这些电流脉冲引起在电机轴上的不受欢迎的磁噪声、运动和电机起动的时间延迟。
此外已经建议(德国专利申请102 005 007 995.4)，通过以下方式以两个相继的步骤确定EC电机的转子的位置，即首先为了确定d轴的位置，用不导致转子中的饱和效应的电流脉冲来激励具有磁性不对称的转子的EC电机的定子，并且在此情况下，测量所出现的电流的高度。然后，对能分配给转子的d轴的定子股线(Statorstrang)加载在转子中引起铁芯饱和的电流脉冲，以便确定转子的北南方向。在两个测量过程中，分别测量定子的绕组星形点上的电位和相电压的通过电阻所生成的加法点上的电位，并且将该电位用作电机的定子和转子之间的磁链的标准。为此必须引出定子的绕组星形点并且使该绕组星形点可接触，由此限制电机的可用性。此外，装置的电路花费由于电位的检测而提高，因为在控制设备中需要模/数转换。由于各相电流馈电(Phasenbestromung)的必要的大小和持续时间，在测量过程期间转子绕组中的电流被反向，以便达到转子的准稳态。因此产生相对长的测量持续时间。
此外已知的是，在不采用转角传感器的情况下，在电机起动之后，根据在分别未被电流馈电的相中所感生的感应器电压确定电机的转子的位置。然而，从电机的某个最低转速开始，该方法才允许关于转子位置的可靠的陈述。
发明内容
本发明所基于的任务在于，实现一种运行可靠的并且在无需高的电路花费的情况下可实现的转子位置检测，该转子位置检测已经在机器的静止状态下快速地并且以低的定子电流馈电提供转子位置信号，并且允许电机以最大转矩从静止状态加速。这在确定转子位置期间在显著降低机器中的噪声和在轴上的运动的情况下通过独立权利要求的表征特征来实现。
在此，有利地实现定子的电流馈电，使得不仅在利用磁阻效应的时间测量中而且在利用饱和效应的时间测量中以相同高度的、优选地以运行电压的高度的电压脉冲来控制定子股线。通过限制电压脉冲的持续时间来确保，在定子股线中所引起的电流脉冲不仅在利用磁阻效应的测量中而且在利用饱和效应的时间测量中分别拥有相同的高度。在利用磁阻效应的时间测量中，应调节电流脉冲的高度，使得在转子铁芯中不出现饱和，而在利用饱和效应的时间测量中，应调节电流脉冲的高度，使得在转子铁芯中出现饱和。以此方式，以缩短的时间并且以定子的降低的电流馈电，在第一步骤中，在利用磁性不对称的情况下，将转子的d轴确定为具有最小的主电感的轴，并且在另一步骤中，在利用饱和的情况下，通过确定具有在该测量步骤中较小的主电感的极性来确定转子的极性正确的北南取向，并且按照所确定的转子位置来规定电机的初始电流馈电。
已证明是非常有利的是，在电机起动之后的另一个步骤中，附加地测量由定子中的感应器(Polrad)所感生的电压。由此，由转子的可能极限位置在两个定子相的扇区极限上所得到的、定子的对于尽可能高的转矩曲线来说不利的初始电流馈电可以通过比较感应器电压的电平来识别并且通过改变定子电流馈电的整流来修正。为了持续监控电流馈电模式，在电机的运行中继续该测量。因此，如果用于定子电流馈电的控制单元一方面在电机起动时通过用于确定和评价股线电流的上升时间的计数器并且另一方面在电机起动之后通过用于检测在定子的未被电流馈电的股线中所感生的电压的组件来控制，则可以特别有利地实施本发明方法，其中该组件已经直接在电机起动之后检验股线电流的时间评价并且在必要时修正地干预流程控制。
在构造用于确定具有磁性不对称的转子的EC电机的转子位置的本发明电路装置方面合理的是，被指定用于确定股线电流的上升时间的计数器的输入端与差分放大器的输出端相连接，在该差分放大器的输入端上，一方面施加相当于股线电流的极限值的信号，另一方面施加相当于分别所测量的股线电流的信号，其中优选地借助布置在用于股线电流的逆变器的总电流回路中的低欧姆电阻来确定股线电流的大小。这样的电路装置可以以低的元件花费和低的成本、尤其是在将ASIC元件用于流程控制单元的情况下来实现。另一方面，将微控制器用作控制单元节省单独的计数器的接入，并且能够实现用于定子相的电流馈电的逆变器的直接的软件控制。
从权利要求中以及从实施例的说明中得出本发明的其它的细节和有利的扩展方案。
附图说明
在附图中，
图1示出用于执行本发明方法的电路装置，
图2示出三相四极EC电机的定子装置和转子装置的剖面图，以及
图3示出一方面在转子铁芯的不饱和状态下并且另一方面在利用饱和效应的情况下所测量的相电流的示意图。
具体实施方式
在图1中，用10表示EC电机(电子整流电机)，该EC电机10包括三相的星形连接的具有定子相U、V、W的定子12和四极的永久磁铁励磁的转子14。以已知的方式通过全桥电路形式的逆变器16来实现电机的电流馈电，该逆变器16一方面连接到直流电压源U的正极18上，而另一方面以它的星形点通过分路电阻22连接到接地端子20上。控制单元24通过控制线路26承担对逆变器16的控制，在具有六个半导体开关的逆变器16的已知构造的情况下同样六极地构造该控制单元。
按照逆变器16的总电流I，在连接点28上分接分路电阻22上的电压降，并且通过放大器30施加到比较器32的非反相输入端上。相当于根据图3的预先给定的总电流极限值IG1或IG2的、由控制单元24预先给定的极限值信号通过线路34位于该比较器32的反相输入端上。比较器32的输出端与计数器36的输入端相连接，该计数器36按照直至预先给定的极限值IG1、IG2的电机总电流I的上升时间在它的输出端上向控制单元24提供计数信号。当达到了总电流I的各极限值IG1、IG2时，在比较器32和计数器36之间的连接点40上分接比较器32的输出信号，并且通过线路42直接提供给控制单元24，用于计数器36的复位。通过该计数器36的引线44，利用根据图3的下一个电流脉冲来启动计数器36。
通过装置46来补充图1中的电路装置，该装置46用于通过检测由旋转的转子14在定子12的未被电流馈电的股线U、V、W中所感生的电压Ui来确定转子位置。为此，装置46分别与定子12的相U、V、W的连接端子50、52、54相连接，它的输出端通过线路48连接到控制单元24上。
图2示出具有磁性不对称的转子14的三相四极EC电机的定子12和转子14的剖面图。定子股线U、V、W的120°块电流馈电(Blockbestromung)在同步运行中决定每60°el的整流，使得电旋转可以被划分为具有两相电流馈电的六个扇区。用数字1至6来表示这些扇区，用‘d’和‘q’来表示转子14的磁轴，其中通过两个磁体段56和58产生磁化。在磁体段56和58上分别标明了南极，所属的北极在定子铁芯中形成在水平分布的第二d轴上。也可以利用四个磁体段以相同的作用来设计转子14的构造。两个q轴分别在d轴之间中心地分布。
图3在左边示出在分别由电流+/-IG1所限制的不饱和的电流馈电范围中在机器的静止状态下相电流IU、IV和IW的曲线(Verlauf)。电流+/-IG2在饱和范围中限制相电流，在这些相电流的情况下已由在不饱和的电流馈电范围中的测量得出最短的上升时间。在该实施例中这是电流IU和IW。在此情况下，由控制单元24经由逆变器16首先分别对三个相中的一个进行正电流馈电，并且对第二个相进行负电流馈电，测量从脉冲开始起直至达到极限值IG1的第一时间t1、t2、t3，并且确定三个第一时间中的最短第一时间作为扇区1至3或4至6中的一个扇区的标准，其中转子14的d轴恰好位于该扇区中。在此，对于在扇区1中所得到的流矢量适用：IW＝-IU，对于在扇区2中所得到的流矢量适用：IW＝-IV，以及对于在扇区3中所得到的流矢量适用：IV＝-IU。在三次测量结束时，最小的计数器值和所属的具有流矢量的扇区号位于计数器36的存储器中，并且作为d轴的分布的标准38被提供给控制单元24。转子14的d轴的取向由此被规定。
然后，在第二测量过程中，以第一测量中的最短的上升时间t1用电流的直至被提高到饱和范围中的极限值IG2对两个股线U和W再次进行反相电流馈电，其中由于较小的饱和以及电流的由此所决定的较短的上升时间t4，相U-/W+的上升时间t4被识别为就d轴的北南方向而言正确的相位。然后，按照转子14的该取向，由控制单元24规定具有逆变器16对相U、V、W的相应的电流馈电的流程控制，并且可以以最大转矩来启动电机。
如果转子14处于两个扇区之间的极限位置中，则在确定转子14的启动位置时可能出现困难。两个扇区之间的这种极限位置例如可能由于EC电机的定位转矩(Rastmoment)或由于外部影响而产生。为了修正不利的初始电流馈电，在此情况下，在电机10起动之后的另一个步骤中，通过感应器电压的电平的比较来识别定子12的由转子14的极限位置在两个定子相的扇区极限上所得出的不利的初始电流馈电，并且通过改变整流模式来修正定子电流馈电。为此，在电机起动之后，通过装置46借助在定子的未被电流馈电的股线中所感生的电压Ui的检测和评价来改变由计数器36根据时间测量t1、t2、t3最初所规定的电流馈电模式。此外，根据该感生电压的检测，在电机10的运行中也持续地通过线路48向控制单元24提供转子位置信号，如果必须改变初始电流馈电，则该转子位置信号主要地决定电流馈电。
因此本发明方法基于两种或优选地三种原则上已知的测量方法的有利的组合。在此情况下，一方面涉及对由于转子14的磁性不对称而产生的磁阻效应的利用，该转子在转子的d轴的范围中具有最小的主电感，而在转子的q轴的范围中具有最大的主电感。另一方面仅仅为了确定在静止状态下极性正确的北南转子位置，需要对铁芯中的饱和效应的利用和转子的为此所必需的更高的电流馈电，其中在该实施例中，在相V的正电流馈电和相U的负电流馈电时在时间t4中识别到极限值IG2的较快的电流上升。在此情况下，当在定子12上以及在转子14上同名的极彼此面对时，由于较强的饱和效应产生较快的电流上升。
通过监控在电机10起动之后的感应器电压Ui，可以检验并且在需要时修正在任何运行状态下定子12的电流馈电模式。通过在本发明测量方法中以较少的并且明显较弱的电流脉冲进行测量来使尤其是在利用电机中的饱和效应时所引起的噪声和在电机的轴上的运动最小化。以此方式在缩短的测量持续时间的情况下实现电机以最大转矩加速。
用于测量的电路花费，减少为用于逆变器16的总电流I的低欧姆的测量电阻22、作为放大器30的单个运算放大器、总电流比较器32、计数器36和作为用于流程控制的状态自动机的控制单元24。该控制单元24可以被实现为ASIC，或者被实现为微控制器。在采用作为控制单元24的微控制器时，计数器36已经被包含在微控制器中，并且可以将流程控制实施为软件。用于检测所感生的电压的装置46经常在不具有转角传感器的EC驱动装置中已经存在，使得它在电路花费方面是不大的。
Claims (12)
1.用于确定具有多个定子股线的电子整流(EC)电机的转子的位置的方法，该电机的转子包括具有不同磁导的磁轴，其中对所述定子股线加载电压，并且监控所得到的股线电流，以便确定在所述电机的静止状态下的转子位置，其特征在于，一方面在不饱和状态下并且另一方面在利用转子铁芯和/或定子铁芯的饱和效应的情况下确定所述股线电流(IU，IV，IW)直至达到预先给定的极限值(IG1，IG2)的第一和第二上升时间(t1-t5)，并且由在所述转子铁芯的不饱和状态下所述电流(IU，IV，IW)的第一上升时间(t1-t3)确定磁轴(d)向定子股线(U，V，W)的分配以及由在具有饱和效应的电流馈电的情况下所述电流(IU，IV，IW)的第二上升时间(t4，t5)确定所述转子(14)的极性(N/S)。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，在两个测量过程中的每一个中，利用相同高度的电压脉冲、优选地利用相当于运行电压的高度的电压脉冲来控制所述定子股线(U，V，W)。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，在利用磁阻效应的测量中利用在饱和极限之下的电压脉冲来控制所述定子股线(U，V，W)，而在利用饱和效应的测量中将电流馈电极限(IG2)提高到所述转子铁芯的饱和极限之上。
4.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，在第一测量步骤中在利用磁性不对称的情况下将所述转子的d轴确定为具有最小的主电感的轴，并且在另一个步骤中在利用饱和的情况下通过确定具有较小的主电感的极性来确定所述转子(14)的极性正确的(N/S)取向，并且按照如此确定的转子位置来规定所述电机(10)的初始电流馈电。
5.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，在所述电机(10)起动之后的另一个步骤中，由所述转子(14)的极限位置在两个定子相(U，V，W)的扇区极限上所得到的、所述定子(12)的对于高转矩曲线来说不利的初始电流馈电通过比较感应器电压(Ui)来确定，并且通过按照所述感应器电压的电平改变定子电流馈电(U；V，W)的整流来修正。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于，用于检测所感生的电压(Ui)的装置(46)在所述电机(10)启动之后检验所述股线电流的时间评价并且在必要时修正地干预流程控制(24)。
7.按照权利要求5或6的方法，其特征在于，用于定子电流馈电的控制单元(24)能够在所述转子(14)起动时通过用于确定和评价所述股线电流(IU，IV，IW)的上升时间(t1-t5)的计数器(36)来控制，并且在所述转子(14)起动之后通过用于检测由所述转子(14)在所述定子(12)的未被电流馈电的股线中所感生的电压(Ui)的装置(46)来控制。
8.用于具有多个定子股线的EC电机的起动控制的电路装置，该EC电机的转子包括具有不同磁导的磁轴，其中交替地对所述定子股线加载电压，并且监控所得到的股线电流，以便确定在所述转子的静止状态下的转子位置，该电路装置尤其是用于执行按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，在所述电机(10)启动时能够通过计数器(36)来控制用于所述股线电流(IU，IV，IW)的整流的逆变器(16)的控制单元(24)，该计数器(36)的计数器读数通过所述股线电流直至达到极限值(IG1，IG2)的上升时间(t1-t5)来确定。
9.按照权利要求8的电路装置，其特征在于，所述计数器(36)的输入端与比较器(32)的输出端相连接，在该比较器(32)的输入端上，一方面施加所述股线电流的极限值(UG1，UG2)的信号，并且另一方面施加相当于分别所测量的股线电流(IU，IV，IW)的大小的信号。
10.按照权利要求8或9的电路装置，其特征在于，借助被布置在用于所述股线电流的逆变器(16)的总电流回路(I)中的低欧姆电阻(22)来确定所述股线电流(IU，IV，IW)的大小。
11.按照权利要求8至10之一的电路装置，其特征在于，用于由在定子(12)的未被电流馈电的相中所感生的电压(Ui)确定转子位置的装置(46)在其输入端上与定子绕组(U，V，W)的连接端子(50，52，54)相连接，并且与用于检测所述股线电流的上升时间的装置(22，30，32，36)并行地连接到所述控制单元(24)上。
12.按照权利要求8至11之一的电路装置，其特征在于，所述控制单元(24)被构造为微控制器，并且所述计数器(36)被集成到所述控制单元(24)中。
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