CN102007685A - 具有负载转矩适应的电动机致动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动机致动方法，其中，电动机包含：转子，转子连接到电动机轴；定子，其具有电刷，所述定子包含多个换向器叠片，用于布置在转子上的绕组的换向，电动机通过脉冲或线性可控制电源致动，其中，所述电动机轴连接到径向驱动的负载，特别是泵，负载具有经由电动机回转的非线性转矩曲线，其中，波动信号也由施加到电动机的电压电位和/或由电动机电流获得，转子位置信息由所述波动信号的曲线获得。

Description

具有负载转矩适应的电动机致动方法
技术领域
本发明涉及如权利要求1前序部分的电动机驱动方法以及所述方法的应用。
背景技术
WO 01/95471A1介绍了一种确定DC电动机驱动轴的旋转位置的方法，在该方法中，电流纹波(实际电流纹波)受到评估。为此目的，将合适的基准电流纹波与在电动机运行期间测量的实际电流纹波进行比较。
DE 42 32 130 A1公开了一种电路布置，采用该布置，在ABS制动控制装置中，可在脉宽调制(PWM)驱动运行期间确定DC泵用电动机的发电机电压(generator voltage)。液压泵的传送速率在发电机电压的帮助下受到控制。然而，在这种情况下，不对电流纹波进行评估。在ABS控制装置中用于确定泵旋转速度的发电机电压的评估也在DE 103 55 239 A1中介绍。在此文档中，以允许阀以噪音最优化方式受到控制为目的，旋转速度受到控制。最后，这里，泵所产生的液压也被间接地确定。
发明内容
本发明的目的在于指出一种电动机驱动方法，特别是DC电动机驱动方法，其以简单的方式提供负载适应性的电动机电流，使得例如电动机旋转速度中负载波动的可听见的纹波得以减小。
根据本发明，此目的通过权利要求1的电动机驱动方法实现。
在根据本发明的电动机驱动方法中，电动机——其优选为有刷电动机——由脉冲或线性控制的电源驱动。依赖于在电动机的特定角位置上施加到轴的实际负载，作为电动机的设计的函数，对于特定的泵电流，产生特定的电动机旋转速度。然而，电动机回转(revolution)期间的负载转矩不是恒定的，这是因为电动机经由电动机轴被连接到依赖于角度的负载。因此，负载具有依赖于转子位置的转矩(转矩曲线(torque profile))。纹波信号由施加到电动机的电压电位(例如换向器(commutator)电压)和/或由电动机电流产生，并受到评估。
根据该方法，电动机的旋转速度优选为由此确定。特别优选的是规定：电动机旋转速度也由纹波信号控制。根据按照本发明的方法，电动机功率在电动机回转期间根据纹波信号以及可能的其他变量——例如已知的负载曲线——(合适地)改变，使得角速度被适应于电动机回转期间的需求，特别是使得旋转速度的波动尽可能低和/或电动机回转期间的纹波信号周期偏差尽可能低，和/或使得电动机所安装到的整个组件的噪音产生尽可能低。
360°电动机电流驱动曲线(驱动曲线)优选为基于纹波信号和负载(例如负载曲线)的360°转矩曲线特征变量产生，以在电动机的至少一个回转上适应于负载的转矩曲线的方式，所述电动机电流驱动曲线用于驱动电动机的电流。
电动机电流驱动曲线优选为——特别是在学习(learning)阶段——基于泵特征变量和纹波信号或旋转速度来确定，所述电动机电流驱动曲线用于驱动电动机的电流，以在电动机的至少一个回转上适应于转矩曲线的方式。结果，可以将电动机的旋转速度保持为尽可能恒定，甚至在变化的负载转矩的情况下。不言自明，如果对于本发明的可用应用可以想到的话，还可以施加另一电流曲线(例如，对不一致路径进行增强的电流曲线)。
如已经提到的那样，电动机的旋转速度可由施加到电动机的电压电位和/或由电动机电流来确定。这里介绍的优选实施例的另一特定的特征在于，在电子机动车制动系统领域中，可以基于电动机电流纹波(换向纹波)的评估来确定对泵进行驱动的DC电动机的旋转速度。在DC电动机(有刷电动机)的情况下的换向导致供电电流中的纹波。这些波的基本频率(纹波频率)直接与电动机旋转速度有关，因此，可以在纹波的帮助下以极为灵敏的方式识别旋转速度。测量得到的电压电位和/或电动机电流优选为转换为数字信号，其中，特别地，脉冲间隔为测量得到的旋转速度的量度。有利的是，转换可使用施密特触发器来进行，特别有利的是，施密特触发器具有连接在上游的放大器。
如果DC电动机以脉冲方式受到驱动——例如如所优选的借助脉宽调制电路(PWM)，上面介绍的电流纹波既在开启阶段期间也在关断阶段期间产生。通过以对应的方式设计电子线路的布置，可以仅仅考虑在这些阶段之一中的电流纹波。然而，优选为，在连接阶段和断开阶段期间考虑电流纹波。特别地，由于一开始在所述阶段中分立地确定并接着借助适应电路合并以形成共有信号的信号，这是可行的。模拟多工器特别优选用于此目的，所述模拟多工器以合适的方式将两个信号连接到评估电路，这些信号事先被标准化为同样的电压。
以这种方式确定的电流纹波于是可用于根据本发明的方法。优选为，为此目的而确定数字信号中的脉冲间隔。在电动机的一次回转期间，脉冲间隔或者准确性较高或者准确性较低地产生纹波信号的周期偏差，因此，作为电动机的360°回转期间电动机角速度的恒定性的量度。于是，电动机回转期间负载波动的时间可优选为由脉冲间隔来确定。根据此时间，例如，负载中的最大波动的时间，于是，定义了电动机电流驱动曲线关于电动机回转的相位角。
优选为，数字信号在微控制器的输入捕获寄存器的帮助下被读入。合适的算法于是在微控制器内评估数字信号。类似地，用离散电子部件对数字信号的电子处理也是可能的。
在原理上，电动机曲线可非常准确地适应于负载曲线。然而，实际上，非常少地要求这种程度的准确性。因此，已经证明，特别有利的是，通过在具有增大的负载的转子或电动机轴的角位置上对于特定时间周期以预定偏移值增大电动机功率，使得驱动电流的矩形曲线在具有负载中的最大波动的区域周围产生。
根据按照本发明的方法的另一优选实施例，在角区域中，转子表现出可在换向信号上测量的至少一个电气转子变化(electrical rotor change)，此转子变化允许一个或多于一个的角位置被标注。在标注的帮助下，即使完全没有纹波信号的可识别变化——该变化由于转矩曲线而产生——或附加的位置传感器，可以以需要的准确度来确定转子位置，并以已知的转矩曲线作为负载的函数地驱动电动机。
转子变化优选为涉及：
a)安装在转子上的换向器的部分的至少一个换向器叠片，其关于其他换向器叠片变化，特别是：
aa)通过由不同材料构成的所述换向器叠片，和/或
ab)关于换向器周缘，所述换向器叠片具有变化的长度，和/或
ac)所述换向器叠片具有不同的角位置，和/或
b)安装在转子电枢上的匝片段(turn segment)的匝的数量或绕卷方式作为角度的函数而变化。
绕卷方式可由已经相比于其他转子线圈变化得以多个匝绕卷的转子线圈中的一个而变化。如果例如在具有换向器中的n个槽和两个极对的DC电动机中进行此转子变化，结果是两个电流峰，其相比于其他n-2换向纹波显著变化，间隔为180°。第二，在具有换向器中的n个槽和4个极对的DC电动机中，变化的电流峰可以以90°的间隔产生(四个电流峰，其相比于n-4换向纹波显著变化)。
如果用于标注目的的换向器叠片用不同的材料构成，其具有与其他叠片不同的电阻。因此，可以在考虑这种变化的电气特性的情况下标注角位置。
根据本发明的另一优选实施例，电动机的转子关于泵轴而定向，使得其具有关于转子角位置、因此关于所述至少一个转子变化的角位置的规定的角位置。
角位置特别优选为被设置，转子变化被执行为使得转子变化产生的转矩变化自动补偿负载中存在的波动。这提供了电动机转矩中依赖于角度的变化——其适应于转矩——可在没有电动机的任何特定电子驱动的情况下进行的优点。
负载优选为液压泵，上面描述的角位置被设置为使得实现液压流体的更为均匀的传送和/或电动机泵组件噪音的减小。
本发明还涉及一种方法，其中，以上面介绍的方式获得的电动机位置信号用于作为其函数驱动流体阀，特别是液压阀，特别优选为模拟驱动的液压阀。结果，可以补偿液压系统中的压力的波动，这些压力中的波动由于不均匀的泵传送导致。
本发明还涉及上面介绍的方法在电子制动控制系统(例如ABS、ESP、ASR、EBC等)中的使用。本发明优选为涉及防抱死制动系统和/或轮压控制系统，特别是在适应性巡航控制系统(ACC)中，其中，泵所产生的压力波动或噪音——其根据本发明得以避免——可具有特别不受欢迎的作用。
附图说明
由从属权利要求和下面参照附图对示例性实施例的介绍，将会明了其他的优选示例性实施例。在附图中：
图1示出了用于提供数字化电流纹波信号的电路布置；
图2示出了在有和没有负载的情况下数字画转换纹波信号的时间曲线(在不应用根据本发明的方法的情况下)；
图3示出了应用根据本发明的方法的情况下的多种信号曲线；
图4示出了所标注的转子的实例；
图5示出了对于图4的转子的绕组电阻的电阻曲线；
图6示出了关于泵的偏心轮的定向的电动机轴的定向的实例；
图7示出了偏心轮两活塞泵的360°转矩曲线。
具体实施方式
如图1所示，电动机1以脉冲方式受到电子制动系统的PWM驱动的驱动。为此目的，FET 2作为高侧开关连接在DC电源装置的极和电动机1之间。电压Ui在电动机1的面向FET 2的电动机连接上分接，由于电动机的换向器，所述电压具有依赖于旋转速度的纹波。电压Ui被馈送到运算放大器3。运算放大器3放大的信号被施密特触发器4转换为矩形数字信号。
图2a)示出了在施密特触发器4的输出上产生的信号。该信号具有矩形曲线，并在0和5V之间交替。齿侧面(flanks)的间隔td作为电动机轴的角速度的函数而变化。
有刷电动机1——由之产生图2b)的脉冲信号——被连接到ABS制动控制装置的液压系统的泵。泵为偏心轮活塞泵，如图6所示，其借助轴被驱动，由于其不对称设计，在负载下的传送运行期间，对于泵轴的每次回转显示出转矩中相对较高的波动。在泵运行期间存在的这些负载中的波动是可以听见的。如可从图2b)的信号Ua的时间曲线收集到的，标为tp的区域中的齿侧面间隔显著大于其它齿侧面的间隔。此时，特别高的转矩被施加到泵轴，因此，电动机旋转速度在此区域中急剧下降。旋转速度中这样的急剧下降对于轴的每次回转发生一次或多于一次，依赖于泵的设计原理。
图2中的数字信号在微控制器的输入捕获寄存器的帮助下被读入。微控制器中的合适的算法对数字信号进行评估，负载片段(load snatch)开始的时刻A(图2b)(在所示出的实例中，第一长脉冲间隔的开始)在此评估处理中被确定。于是，作为时刻A的函数地确定超前时间(lead time)B，其以时刻B之前的特定时间段Tv存在。
如图3a)所示，电动机电流在时刻B以特定的量Ip增大。在时间TD已经过去后，电动机电流再次减小到由制动控制系统预定的值。值IP、TD、TV的幅度依赖于泵、电动机和液压系统的设计。值可由一系列的测量来确定。确定上述补偿参数的另一可能的方式涉及，首先进行学习阶段，其中，对于后续的补偿阶段确定合适的值。图3b)示出了电动机运行阶段期间的数字化旋转速度信号Ua，其中，进行上面描述的电动机片段负载补偿。在液压泵的示例性应用中，齿侧面间隔中的波动——其在上面进一步介绍——可大大减小。结果，电动机更为均匀地运行，液压泵产生小得多的运行噪音。
图4示出了原理性的转子的三个角位置
Figure BPA00001240028000071
其中，在收集器(collector)中，关于换向器的周缘，一个叠片大大宽于收集器的其他碟片(在所示出的实例中，宽度加倍)。三个图的每一个下面示出了等效电阻电路图，电阻器符号6表示转子的绕组片段，电流通过其在所述等效电阻电路图中流动。电压被施加到刷触点7、8，以便运行电动机。
如图4的图片部分a)所示，刷触点7、8各自与收集器叠片9、10接触，使得电流可流经转子的绕组。因此，图片部分d)中的等效电路图在具有同样的电阻的两个绕组路径之间分割电流10、10′。
在图片部分b)中，在
Figure BPA00001240028000072
的角位置上，刷触点7短接叠片9、9′，触点8短接叠片9″和11。收集器叠片11是其他叠片9的宽度的两倍。对于绕组电阻产生图片部分e)所示的等效电路图。
Figure BPA00001240028000073
处，电流路径10相比于电流路径10′具有较低的电阻。
在图片部分c)中，在的角位置上，刷触点7与收集器叠片9′接触。刷触点8建立与较宽的叠片11的接触。对于绕组电阻产生图片部分f)所示的等效电路图。电流路径10具有比
Figure BPA00001240028000075
的电流路径10′低的电阻。整体电阻高于
Figure BPA00001240028000076
但低于
Figure BPA00001240028000077
为了进一步的说明，图5示出了作为角度的函数，对于转子的半个回转(180°)的转子绕组的整体电阻R。
图6示出了电动机泵组件。泵包含两个泵活塞12(以高度原理性的方式示出)，借助其，力分量F在传送运行期间作用在偏心轮方向上。由于圆(cycle)13的中心14的偏心位置，关于泵轴对偏心轮的角位置进行符号化。在所示出的角位置中，收集器的较宽的叠片11与左手向电动机刷7相对地定位。在此位置上，转子绕组的电阻最小值与依赖于角度的泵转矩的止点(dead center)重合，使得噪音最小化，即使在没有功率控制的情况下。
图7示出了图6中的偏心轮两活塞泵的360°转矩曲线。标注15对收集器的角位置进行符号化，其中，较宽的叠片11与刷元件7或8相对地定位。由图7可见，当泵轴上的转矩呈现最小值时(偏心轮的止点)，对于泵轴的关于换向器的合适定位来说情况就是这样。因此，通过对修改后的换向器叠片进行机械定向，可实现稳定的速度，即使是在不对称的转矩曲线的情况下(例如，当泵的两个活塞对于不同的压力工作时)。

Claims (13)

1.一种电动机驱动方法，其中，电动机包含：转子，转子连接到电动机轴；定子，其具有刷，并包含用于对布置在转子上的绕组进行换向的多个换向器叠片，电动机由可脉冲或线性控制的电源来驱动，电动机轴被连接到径向驱动的负载，特别是泵，负载在转子的回转上具有非线性的转矩曲线，
其特征在于，由施加到电动机的电压电位和/或由电动机电流获得纹波信号，转子位置信息由所述纹波信号的曲线获得。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，电动机功率在电动机回转期间变化，使得电动机回转期间纹波信号中的周期偏差与要求匹配，特别是使得旋转速度中的波动和/或噪音的产生尽可能低。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，基于负载的360°转矩曲线特征变量和纹波信号而产生360°电动机电流驱动曲线，所述电动机电流驱动曲线用于以在电动机的回转上适应于负载的转矩曲线的方式驱动电动机的电流。
4.根据权利要求1-3中至少一项的方法，其特征在于，纹波信号被转换为数字信号，其中，特别地，脉冲间隔为测量得到的旋转速度的量度。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于，负载中的波动的时间通过测量脉冲间隔来确定，电动机电流驱动曲线的相位角根据所述时间关于电动机的回转来确定。
6.根据权利要求1-5中至少一项的方法，其特征在于，电动机电流在具有高转矩要求的电动机轴线的角位置上对于特定时间周期以预定的偏移值增大，使得产生驱动电流的矩形曲线。
7.根据权利要求1-6中至少一项的方法，其特征在于，负载为电子机动车制动系统中的液压泵。
8.根据权利要求1-7中至少一项的方法，其特征在于，转子在角区域中显示出可在换向信号上测量的至少一个电气转子变化，此转子变化允许一个或多于一个的角位置被标注。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于转子变化涉及：
a)安装在转子上的换向器的部分的至少一个换向器叠片关于其他的换向器叠片变化，特别是：
aa)通过所述换向器叠片用不同的材料制成，和/或
ab)所述换向器叠片关于换向器周缘具有变化的长度，和/或
ac)所述换向器叠片具有不同的角位置，
和/或
b)安装在转子电枢上的匝片段的匝的数量或绕卷方式作为角度的函数而变化。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于，电动机的转子关于泵轴而被定向，使得其具有关于转子角位置、因此关于所述至少一个转子变化的角位置的规定的角位置。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，角位置被设置，转子变化被执行，使得转子变化产生的转矩变化和已有的负载波动自动补偿。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，负载为液压泵，角位置被设置，使得实现更为均匀的液压流体传送和/或噪音的减小。
13.根据权利要求1-12中至少一项的方法在电子制动控制系统中的应用。
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C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20110406