CN102244490A - 用于电子换向的电机运行的方法及用于执行该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电子换向的电机运行的方法及用于执行该方法的装置，具体而言，涉及一种用于控制用于驱动工具的电子换向的电机(1)的加速运转的方法。转子(7)在定子(2)的旋转场(21)中旋转，其中，通过调节单元(10)交替地给激磁绕组(3，4，5)加载供应电压，以用于获得前进的电机旋转场。为了在转子(7)的旋转方向(29)上进一步切换旋转场，评估通过变化的测量电流(I_M)获得的激磁绕组(3，4，5)的组件的电感，并且在达到最大值时实施进一步切换。

Description

用于电子换向的电机运行的方法及用于执行该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于控制电子换向(kommutieren)的电机、尤其地用于驱动手操纵式工作器械中的工具的电机从静止状态进行的加速运转(Hochlaufen)的方法。

背景技术

作为在手携式工作器械(例如马达链锯、切断机(Trennschleifer)、鼓风机

灌木铲除机(Freischneider)、绿篱修剪机(Heckenschere)或类似者)中的驱动器越来越多地应用无刷直流马达。

电子换向的电机需要限定的起动条件以用于开动(Anlaufen)，以便电子换向的旋转场(Drehfeld)在设置的方向上驱动转子。在马达加速运转到运行转速时，限定的运行条件也是必要的。必须保证，转子可可靠地跟随变快的旋转场。已知的是，在加速运转期间根据固定地预定的切换模式(Schaltschema)通过较大加速(Hochrampe)使电机运行。但是，如果在加速运转时转子意外地制动，则这可导致，转子不可再跟随定子的旋转场并且使电机的加速运转失败。无刷直流马达的开始运转(Inbetriebnahme)失败。

为了保证电子换向的电机的安全的加速运转，已知的是，布置位置传感器，其获取(erfassen)转子的位置，并且将转子的位置报告(melden)给马达的电子控制单元。因此，例如应用霍尔传感器，利用霍尔传感器可保证，始终以与转子的位置相匹配的方式切换(schalten)旋转场。即使在转子处突然出现负载时也保证电机的加速运转，因为旋转场始终与转子的当前位置相匹配。

如果达到运行转速，则根据在马达中在定子的激磁绕组(Feldwicklung)中感应的电压(其大小和方向保证在运行转速的区域中可靠地控制电子换向的电机)进行旋转场控制。

发明内容

因此本发明的目的在于，给出一种用于电子换向的电机的加速运转的方法，该方法在没有高成本的传感器的情况下保证电机运行可靠地加速运转到运行转速。

根据本发明，该目的根据权利要求1的特征部分的特征而实现。

在权利要求12中呈现用于执行该方法的装置。

本发明的核心想法在于，将电压信号给予到定子的激磁绕组的自由的(frei)线圈接头(Spulenanschluss)上，并且获取和评估形成的测量电流。在此，通过在预定的时间间隔中的测量电流的差异测量(Differenzmessung)获得激磁线圈组件(Feldspulenanordnung)的电感当通过测量电流获得的线圈组件的电感达到最大值时，则实施针对在旋转方向上接着的激磁线圈进一步切换(Weiterschaltung)旋转场以用于继续的换向(Kommutierung)。电感的最大值说明，转子已经继续运动了这样的旋转角度，即，必须进行换向的转换(Umschaltung)。

在转子的位于两个相继的(aufeinanderfolgend)换向之间的旋转相位(Drehphase)期间，多次地接通(aufschalten)测量电压，以使得根据测量的电流和由此获得的电感的结果可获知(erkennen)电感的极限值(例如最大值)，以便适时地(zeitgenau)针对接着的转子位置引导或转换换向。

适宜地，在形成转矩的换向电流(Kommutatorstrom)衰减(Abklingen)之后接通测量电流，从而测量电流本身极微小地受到换向电流的影响。在此，测量电流的持续时间小于、尤其地数倍地小于(umein Vielfaches kleiner als)形成转矩的换向电流的持续时间，从而可忽略对电动的换向的影响。

测量电流基本上接通到激磁绕组的自由的线圈接头和切换的换向电流的线圈接头上，以使得在激磁组件(Feldanordnung)的激磁绕组中电流的流动方向反向。由此，强迫换向电流快速地衰减，并且构建的测量电流尽可能地不受干扰。

优选地，为了产生形成转矩的换向电流而接通的供应电压(Versorgungsspannung)为带有可变的脉宽的电压脉冲序列(Reihe)。在此，用于形成测量电流而接通的电压信号位于在供应电压的两个电压脉冲之间的间隔中。为了达到有效的换向，设置成，在两个电压脉冲之间的每个间隔中接通电压信号，并且评估由此产生的测量电流，从而存在高的测量密度。

在权利要求12中给出了一种用于实施该方法的电子换向的电机。电机包括定子，配备有至少一个永磁体的转子与定子相关联。定子具有至少三个旋转角度错位(drehwinkelversetzt)的激磁绕组，其线圈接头相互连接。通过调节单元(Stelleinheit)交替地将电源的电压接通到激磁线圈的接头上，其中，为了产生马达旋转场由控制单元如此控制调节单元，即，取决于转子相对于定子的激磁绕组的位置连续地(sukzessive)将旋转场进一步切换了在旋转角度中后续的激磁线圈。控制单元构造成用于将测量电流接通到激磁线圈的组件上，其中，设置有电流测量装置以用于获取测量电流的电流变化。电流测量装置的输出信号被输送到控制单元，其中，控制单元取决于相继地测量的测量电流的值控制旋转场的进一步切换。

附图说明

从其它权利要求、描述及在其中示意性地示出了本发明的在下面将详细描述的实施例的图纸中得到本发明的其它特征。其中：

图1以示意性的图示显示了带有用于换向的电子控制单元的无刷直流马达，

图2显示了作为带有在脉冲间隔中接通的测量脉冲的电压脉冲序列的供应电压的示意性的图示，

图3显示了形成的换向电流和测量电流的示意性的图示，

图4显示了带有在位置1中的换向的无刷直流马达的示意性的图示，

图5显示了相应于图4的图示，带有在旋转方向上旋转了约30°的转子，

图6显示了根据图5的图示，带有接通的测量换向(Messkommutierung)，

图7显示了待切换的旋转换向(Drehkommutierung)和测量换向的表格。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了电子换向的电机1，其形成所谓的无刷马达。这种类型的电子换向的电机包括带有激磁绕组3，4，5的定子2，在该实施例中，激磁绕组3，4，5以空间地彼此错位的方式彼此成60°的角度。邻近的线圈的线圈端部相互连接，由此，线圈组件3具有电的联接点(Anschlusspunkt)U，V和W。如此形成的联结(Schaltung)称为三角形联结，备选地，线圈也可以星形联结的方式相互联结(verschalten)。

转子7与定子2相关联，转子7绕轴线8旋转。在所显示的实施例中，转子7以最简单的结构形式呈现为带有北极N和南极S的永磁体的形式。

转子7可构造成在定子中运转的转子；转子7也可设计成盆形的并且搭接激磁绕组3，4，5的组件。这种类型的电机为所谓的外转子

为了在通过激磁绕组3，4，5产生的旋转场中旋转地驱动转子7，需要的是，以前进的方式(fortschreitend)在旋转方向上进一步切换由激磁绕组的组件形成的旋转场。在所示出的无刷直流马达中，这通过电子的换向实现，为此，通过调节单元10交替地给激磁绕组3，4，5的组件的接头(Anschluss)U，V和W加载供应电压33，由带有直流电压的电源11提供供应电压33。优选地，电源11为蓄电池(例如，锂基蓄电池)，其提供直流电压以用于电机1的运行。

调节单元10具有多个功率开关12至17，通过这些功率开关12至17，激磁绕组3，4，5的组件的每个接头U，V和W可交替地与供应电压33的正极或与供应电压33的负极相连接。优选地，开关12至17为电子开关，如金属氧化物半导体场效应晶体管(Mosfet)、闸流管(Thyristor)或类似的电子开关。通过控制单元9操控开关12至17，优选地，控制单元9包括微处理器。例如，为了将形成转矩的换向电压(Kommutatorspannung)施加(anlegen)到端子U和W处，闭合开关13和17(图1)。那么，通过线圈5形成了形成转矩的换向电流，这利用双箭头20表示。一半大的电流流过两个与激磁线圈5并联的激磁线圈3和4。

在根据图1的实施例中，在电源11和供应电压33之间联结有由控制单元9控制的电压调整器18。

在图2中示意性地呈现了电压调整器18的工作原理。与在图2中以虚线呈现的期望的平均电压30相关地在电压调整器18处输出一系列(Folge)的电压脉冲31。分别由无电压的间隔PP将电压脉冲31彼此分离。平均电压30将相应于在脉宽PW方面可变化地调整的电压脉冲31而调整。

如在图3中示出的那样，在通电(bestromen)的绕组中形成的换向电流I_K相应于每个电压脉冲31。在电压脉冲31持续的期间，电流I_K上升，直至电压脉冲中断。之后，换向电流I_K下降，直至下一个电压脉冲31导致形成转矩的换向电流I_K重新上升。

必须如此进行无刷马达到运行转速的加速运转，即，定子电流的磁性的旋转场以增速(beschleunigen)的方式作用于转子上。首先，其前提是，在电机的起动的时刻，转子7在定子2中的位置是已知的。为此，以已知的方式在转子静止(stehen)的情况下测量并相互比较单个激磁线圈的电感。根据获得的结果可确定转子7的旋转位置。如果已知旋转位置，则通过调节单元10通过闭合相应的开关12至17为第一、相应于转子7的获取的旋转位置的激磁绕组通电，从而转子7在旋转方向29上运动，如在图4中呈现的那样。相应于在图7中的表格的位置1，参考第一转子位置在激磁绕组5的端子U和W之间施加电压，由此，构建通过箭头21示出的旋转场。以跟随该旋转场的方式在旋转方向29上驱动转子7。

在图5中，转子在旋转方向29上运动了约30°的角度39；通过箭头21示出的旋转场未改变，因为继续直接为定子2的激磁绕组5通电。转子7越继续旋转，磁场21的驱动的转矩越小。因此，为了保证持久地驱动的力，必须相应于转子7的当前的位置及时(zeitgerecht)地将激磁绕组转换到位置2(图7的表)上。

为了确定转子7相对于定子2的位置并且由此确定转子7相对于激磁绕组3，4和5的组件的位置，在旋转换向期间(例如在位置1中)短暂地将电压信号32接通到激磁绕组3，4，5的自由的线圈接头V和换向电流的线圈接头U上。由此，形成异于换向电流I_K的测量电流I_M，其例如在激磁线圈4中使电流22的流动方向反向。适宜地，每当在电压信号31之间存在间隔PP，即，在如在图3中示出的换向电流I_K之间的间隔PP中，实现转换到根据图6的测量换向。有利地，在两个电压脉冲31之间的每个间隔PP中设置有电压信号32，该电压信号32引起测量电流I_M的形成。在此，电压信号32的持续时间小于、尤其地数倍地小于形成转矩的电压脉冲31的持续时间。每当换向电流I_K很大程度地衰减，导致测量电流I_M(图3)的电压信号32在位置1中接通到端子U和V上。由于在激磁线圈4(在该实施例中所示出的三角联结中)中电流流动方向反向，在接入(Einschalten)电压脉冲时出现负的峰值并且之后建立测量电流I_M。在测量装置40中测量该测量电流，其中，进行在时刻t₁的电流测量I₁和在第二时刻t₂的电流测量I₂以用于确定激磁绕组3，4，5的组件的电感。根据公式：

$L=u_L\frac{\mathrm{dt}}{\mathrm{di}}$

可近似地确定激磁绕组3，4和5的整个组件(Gesamtanordnung)的电感，其中，u_L为测量电压，dt为接通测量电压后的时间间隔，以及，di为变化的电流。由于测量电压是相同的，并且选择测量的时刻总是为相同的，因此得到电感L相对于测量的电流di的直接的成比例性。适用的是：L～di。

在每个引起换向电流I_K的电压脉冲31之后(当换向电流很大程度地衰减时)，取消电压脉冲32以用于产生测量电流I_M，以使得之后借助于电流差测量推断出所有组件的电感。由于该电感也与磁通量(该磁通量穿过线圈的面，并且该由磁通量穿过的面在几何尺寸方面(geometrisch)随转子的转动而变化)相关，可通过电感直接推断出转子7的实际位置。根据本发明设置成，当获得的电感达到最大值时，则实施将换向进一步切换到位置2(图7的表)上。通过以下方式确定该最大值，即，相互比较分别在相继的换向电流I_K之间通过测量电流I_M导出的电感，直至确定最大值。如果确定了该最大值，则控制单元9使伺服调整器10转换到下一个换向，例如根据图7的换向表格的位置2。以这种方式，在获得激磁绕组的组件的电感的最大值时相应转换到根据在图7中的表的下一个换向位置。

在图6中呈现在测量电流I_M1或I_M2的测量过程的时刻的组件。切断换向的电流I_K(电压脉冲31的脉宽)，断开开关13，并且闭合开关14。之后，电压信号32施加在激磁绕组3上。形成场25，场25与转子7的磁场相同指向。如果测量结束，则切换回到换向的激磁绕组5上，即，断开开关14并再次闭合开关13。

有利地，以在时间轴上始终相同的时间间隔测量测量电流的大小，从而在相继的测量循环中通过形成差值获得的电感近似同样准确的。如此保证了旋转场精确地适时地换向到接着的位置。

位置(图7的位置1至6)的每个换向分别关联有相应的测量换向。在此，在测量换向时始终使用激磁绕组的自由的接头和旋转换向的接头和。在位置1中，这为接头U和V；在位置2中这为接头W和U，等等。

如果转子7达到这样的转速，即，在该转速时可测量通过旋转的马达在激磁线圈中感应的电压(例如这可通过测量装置40进行)，则电子换向的电机的开动或加速运转结束。现在，控制单元通过感应的电压控制无刷直流马达的换向。

在该实施例中，作为三角联结(图1)的示例获取通过接通的测量电压产生的电流表现为相电流测量。在星形联结中也可设置相应的电流测量。有利地，由于使用金属氧化物半导体场效应晶体管或类似的电子开关作为功率开关12至17，因此也可在三相电桥10的各个功率开关12至17处通过电压落差进行电流测量。备选地，通过分路电阻(Shunt-Widerstand)的电流测量也是适宜的，该分路电阻可布置在三相电桥10的引线(Zuleitung)中。在此，分路电阻可位于负极导线或正极导线中。

在根据图1的实施例中，设置有电压调整器18，其将蓄电池11的直流电压调节到期望的值，例如，通过相应于图2的脉宽调制的输出信号。代替电压调整器18，也可通过构造成三相电桥的调节单元10相应于在图2中的信号系列实施输送的电压信号31的脉宽的调节。

Claims (14)

1.一种用于控制电子换向的电机(1)、尤其地用于驱动手操纵式工作器械、如机动链锯、灌木铲除机、链锯或类似者中的工具的电机(1)从静止状态进行的加速运转的方法，所述电机(1)带有抗扭地静止的定子(2)，在所述定子(2)的旋转场(21)中转子(7)绕轴线(8)旋转，其中，线圈接头(U，V，W)由至少三个布置成旋转角度错位的激磁绕组(3，4，5)以电的方式相互连接，并且通过调节单元(10)交替地将电源(11)的电压接通到激磁线圈(3，4，5)的接头(U，V，W)上，其中，为了产生马达旋转场由控制单元(9)如此控制所述调节单元(10)，即，取决于所述转子(7)相对于所述定子(2)的激磁绕组(3，4，5)的位置使旋转场进一步切换了旋转角度，

其特征在于，当通过变化的测量电流(I_M)获得的激磁线圈(3，4，5)的组件的电感达到最大值时，则在所述转子(7)的旋转方向(29)上引入所述旋转场的进一步切换。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当获得的所述激磁线圈(3，4，5)的组件的电感达到最大值时，则实施所述旋转场的进一步切换。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述转子(7)的位于两个相继的换向之间的旋转相位期间，插入一系列带有测量电流(I_M)的间歇。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在换向期间按顺序获得的电感相互比较，直至获知最大值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在形成转矩的换向电流(I_K)衰减之后，接通所述测量电流(I_M)。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量电流(I_M)的持续时间小于、尤其地数倍地小于形成转矩的换向电流(I_K)的持续时间。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量电流(I_M)接通到所述激磁绕组(3，4，5)的自由的线圈接头(U，V，W)和换向电流的线圈接头(U，V，W)上。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如此将所述测量电流(I_M)接通到所述激磁绕组(3，4，5)上，即，在所述激磁绕组(3，4，5)中电流(22)的流动方向反向。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了产生形成转矩的换向电流(I_K)而接通的供应电压(33)为带有可变的脉宽(P)的电压脉冲(31)的序列。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，为了形成所述测量电流(I_M)而接通的电压信号(32)位于在所述供应电压(11)的两个电压脉冲(31)之间的间隔(P)中。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在两个电压脉冲(31)之间的每个间隔(P)中设置形成测量电流(I_M)的电压信号(32)。

12.一种用于驱动工具、尤其地用于驱动在手操纵式工作器械、如机动链锯、灌木铲除机、绿篱修剪机或类似者中的工具的电子换向的电机，所述电机包括定子(2)，转子(7)与所述定子(2)相关联，其中，所述定子(2)具有至少三个激磁绕组(3，4，5)，所述激磁绕组(3，4，5)的线圈接头(U，V，W)相互连接，所述电机带有电源(11)，为了产生马达旋转场由控制单元(9)通过调节单元(10)如此接通所述电源(11)的电压(33)，即，取决于所述转子(7)相对于所述激磁绕组(3，4，5)的位置连续地在旋转方向上进一步切换所述旋转场，

其特征在于，控制装置(9)构造成用于将测量电流(I_M)接通到所述激磁线圈(3，4，5)的组件上，设置有电流测量装置(40)以用于获取所述测量电流(I_M)，其输出信号被输送给所述控制单元(9)，并且所述控制单元(9)取决于相继的测量电流(I_M)的值获得电感最大值并且促使旋转场的进一步切换。

13.根据权利要求12所述的电机，其特征在于，通过所述调节单元(10)接通所述测量电流(I_M)。

14.根据权利要求12所述的电机，其特征在于，在施加的换向中自由的线圈接头(U，V，W)上接通所述测量电流(I_M)。

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