CN102474210B - 具有转子位置预测的电子换向电动机以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电子换向电动机。该电子换向电动机具有定子和尤其是永磁构成的转子。该电动机还具有与定子有效连接的控制单元，该控制单元构成为产生用于使定子换向的控制信号以使得定子可以产生用于使转子旋转运动的旋转磁场。该电动机还具有至少一个转子位置传感器，其构成为检测转子的转子位置、尤其是角位置并且产生表示该转子位置的转子位置信号。所述控制单元构成为依据转子位置信号产生控制信号。根据本发明，控制单元被构成为，对转子位置信号进行采样和量化，并且产生数字预测转子位置信号。数字预测转子位置信号形成时间数据流，该数据流相应于所采样的和量化的转子位置信号并且包括至少一个或多个将来的、在时间上晚于转子位置信号的转子位置值。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子换向电动机。该电子换向电动机具有定子和尤其是永磁构成的转子。该电动机还具有与定子有效连接的控制单元，该控制单元构成为产生用于使定子换向的控制信号以使得定子可以产生用于使转子旋转运动的旋转磁场。该电动机还具有至少一个转子位置传感器，其构成为检测转子的转子位置、尤其是角位置并且产生表示该转子位置的转子位置信号。所述控制单元构成为依据转子位置信号产生控制信号。
背景技术
由DE 103 57 504 A1已知一种电动机，其中借助传感器和与传感器的输出信号同步的振荡器确定转子的转子位置。在此，借助所述振荡器的振荡推导出输出信号的检测位置之间的转子位置。
在电子换向电动机快速旋转时产生以下问题，即如果在转子旋转期间应当进行换向模式的频繁变换，则在电动机运行期间必须以高的检测频率来执行转子位置检测。于是电动机的控制单元为此必须具有相应高的计算能力。
发明内容
根据本发明开头所述类型的电子换向电动机的控制单元被构成为，对转子位置信号进行采样和量化，并且产生数字预测转子位置信号。数字预测转子位置信号形成时间的数据流，该数据流相应于所采样的和量化的转子位置信号并且包括至少一个或多个将来的、在时间上晚于（hinausfuerhren）转子位置信号的转子位置值。通过这样形成的预测转子位置信号可以有利地提供针对当前转子位置的转子位置、或者针对将来的转子位置的转子位置以用于电动机的换向。此外有利的是，在转子位置传感器、尤其是角度传感器在例如模拟转子位置信号转换为数字转子位置信号之后可以将这样转换的转子位置信号提供给进一步信号处理所用之前，这样预测的转子位置可以提供用于电动机的换向。
转子位置传感器优选是角度传感器。角度传感器例如是巨磁电阻传感器（GMR传感器）或各向异性磁阻传感器（AMR传感器）。在另一种实施方式中，电动机例如具有多个霍尔传感器，所述多个霍尔传感器分别构成为产生模拟转子位置信号。优选地，角度传感器、尤其是GMR传感器或AMR传感器构成为产生时间连续的、模拟的转子位置信号。于是，角度传感器的角度分辨率通过将模拟转子位置信号模拟到数字地转换的模拟数字转换器的采样率来确定。
在优选的实施方式中，所述控制单元构成为依据其它的、借助转子位置传感器检测的转子位置尤其是按照FIFO（先入先出）原理校正尤其是数字的预测转子位置信号。为此，预测转子位置信号例如可以通过预定数量的转子位置值形成，其中根据FIFO原理用每个新的由角度传感器检测的—进一步优选地附加地由模拟数字转换器转换的转子位置值来更新转子位置值。由此有利地也可以用非静止的运动模式进行电动机的换向。例如，所述控制单元可以在转子旋转期间在定子上施加多个相互不同的换向模式。
在优选的实施方式中，所述控制单元构成为，借助依据转子位置信号的近似函数作为待近似的输出函数来产生数字预测转子位置信号。由此可以有利地估计借助转子位置传感器产生的、针对将来转子位置的转子位置信号。
优选的，近似函数是多项式，尤其是至少二阶或正好二阶或三阶多项式。针对近似函数的其它有利实施例是样条函数或指数函数。
所述控制单元在有利的实施方式中具有定时器，并且构成为依据由该定时器产生的时间信号并且依据预测转子位置信号尤其是借助换向模式来使定子换向。由此，定子有利地可以在由定时器产生的时间信号—例如这样形成的时间间隔—期满之后在根据近似函数确定的时刻换向。
优选的，所述控制单元可以构成为，借助预测转子位置信号的两个尤其是相继的、优选将来的转子位置值之间的线性内插确定换向时刻。
本发明还涉及一种用于运行电子换向电动机、尤其是上面描述的电动机的方法。在该方法中，借助转子位置传感器检测转子位置并且产生与转子位置相应的转子位置信号。此外，在该方法中优选对转子位置信号进行采样和量化，并且产生尤其是数字的、形成时间数据流的预测转子位置信号。预测转子位置信号表示所采样的和量化的转子位置信号，并且包括至少一个或多个将来的、在时间上晚于转子位置信号的转子位置值。
在本方法的优选实施方式中，依据其它、借助转子位置传感器检测的转子位置来校正数字预测转子位置信号。
在本方法的有利实施变型中，通过依据转子位置信号形成近似函数作为输出函数来产生数字预测转子位置信号。输出函数在此是待近似的、可以形成用于产生近似函数的支持位置（Stuetzstellen）的函数。由此还可以在通过所述支持位置—例如借助转子位置信号形成的或由该转子位置信号产生的区域之外外推出预测转子位置信号。近似函数优选是二阶或三阶多项式函数。
在本方法的优选实施方式中，在时间间隔期满之后依据预测转子位置信号进行定子的换向，其中该期满相应于预定的换向时刻。优选的，所述换向借助至少一个、优选预定的换向模式进行。由此该换向可有利地在存在借助转子位置传感器产生的转子位置值之前就已经进行。
在该方法中，优选借助在预测转子位置信号的两个转子位置值之间的线性内插来确定时间间隔的期满。由此可以有利地快速确定将来的转子位置值。所述控制单元在该实施方式中为了所述线性内插而仅具有加法器作为计算运算器。也可以考虑依据近似函数确定将来的转子位置值。为此所需的乘法有利地可以通过相应快速的计算单元来进行。
控制单元例如可以是微处理器、微控制器或FPGA（现场可编程门阵列）或ASIC（专用集成电路）。所述控制单元例如通过控制程序控制，所述控制程序存储在数据载体上并且与数据载体一起形成计算机程序产品。
本发明还涉及一种根据上述类型的、用于上述类型的电动机的控制单元。于是该控制单元不具有转子和定子并且构成为与电动机的定子连接。
附图说明
下面借助附图和其它实施例描述本发明。其它有利的实施变型由上面描述的特征以及在附图说明中说明的特征和在从属权利要求中说明的特征产生。
图1示出具有本发明控制单元的电子换向电动机的实施例；
图2示出用于运行图1所示的电动机的方法；
图3示出说明图1所示的电动机的工作方式以及图2所示的方法的曲线图。
具体实施方式
图1示意性示出电子换向电动机1的实施例。电动机1包括具有三个定子线圈—即定子线圈12、定子线圈14和定子线圈16—的定子10。定子10还包括能产生例如模拟的转子位置信号的角度传感器。角度传感器18构成为检测电动机1的转子11的转子位置。角度传感器18借助连接50与电动机1的控制单元30连接。控制单元30包括在输入侧与连接50以及从而与角度传感器18连接的模拟数字转换器27。角度传感器的角度分辨率在模拟的、尤其是时间连续的形成的转子位置信号的情况下通过模拟数字转换器的采样率确定。模拟数字转换器27在输出侧通过连接导线54与多项式产生器29连接。
模拟数字转换器27构成为对在输入侧通过连接50接收的转子位置信号进行采样并且产生采样值的时间序列，这些采样值分别表示转子位置信号的幅度值。模拟数字转换器27在输出侧通过连接导线54与多项式产生器29连接。多项式产生器29构成为依据通过连接导线54接收的（表示转子11的转子位置的）采样值来产生至少近似地表示通过这些采样值按位置表示的曲线段的近似函数。
多项式产生器优选构成为借助最小误差平方的方法来产生所述近似函数。
所述近似函数优选是多项式，尤其是二阶或三阶多项式。还可以考虑（尤其是依据多项式产生器的所需要的计算时间）大于三阶的多项式。
多项式产生器29构成为确定事先确定的近似函数（尤其是多项式）的多项式系数，并且将这些多项式系数在输出侧通过连接导线56输出给系数存储器32。为此多项式产生器29例如针对每个多项式系数包括一个FIR滤波器，在该实施例中是3个示例性示出的FIR滤波器36,38和39。系数存储器32构成为储存由多项式产生器29产生的多项式系数。系数存储器32在输出侧通过连接导线58与预测器34连接。预测器34构成为通过连接导线58读取存储在系数存储器32中的系数，并且产生时间上连续的、表示转子位置值的数据流并且在输出侧将该数据流通过连接导线60输出给控制单元42。在此，所述数据流包括时间上相继的将来的转子位置值（在该实施例中显示为点状），这些转子位置值分别表示将来的、还没有被角度传感器18检测到的转子位置。所述数据流在该实施例中形成前面提到的预测转子位置信号。
所述近似函数（尤其是多项式）例如可以如下形成：
其中
=作为近似函数的预测多项式；
n=采样值，整数或小于1的数；
Ta=采样周期；
g=多项数的阶数；
a=多项式系数。
控制单元42与定时器40连接并且构成为，至少依据通过连接导线60接收的预测转子位置信号来对定子10换向。
控制单元42在输出侧通过连接53与电动机1的功率末级25连接。控制单元42构成为控制用于借助定子线圈12、14和16产生旋转磁场的功率末级25。功率末级25为此在输出侧通过连接52与定子10连接，并且在那里与定子线圈12,14和16连接。控制单元42构成为依据由定时器40接收的、尤其是高分辨率的时间信号精确确定换向时刻以对定子10换向。
多项式产生器29有利地可以对于储存在系数存储器32中的多项式系数的每个多项式系数具有一个FIR滤波器（FIR＝有限脉冲响应）。
控制单元42在输入侧也通过连接导线54与模拟数字转换器27连接并且可以从模拟数字转换器接收数字化的转子位置信号。
控制单元42构成为，由预测器34计算的转子位置值借助两个相继的预测值之间的线性内插确定用于对定子线圈换向的换向时刻并且相应地控制功率末级35来对定子线圈换向。
在另一个实施方式中，多项式产生器29和预测器34共同通过多个FIR滤波器形成，其中针对每个尤其是将来的转子位置值构成一个FIR滤波器。由此例如针对两个将来的转子位置值存在两个FIR滤波器。系数存储器32可以在该实施方式中取消。
图2示出用于电子换向电动机换向的方法的实施例。在该方法中，在步骤70尤其是借助角度传感器来检测该电子换向电动机的转子的转子位置，并且产生表示所述转子的至少一个转子位置的转子位置信号。在步骤72，借助模拟数字转换器对该转子位置信号数字化，并且产生数字化的转子位置信号。在步骤74，依据数字化的转子位置信号产生至少近似地接近数字化的转子位置值的多项式。在步骤76，中间存储表示事先形成的多项式的多项式系数。在步骤78，借助预测器依据事先产生的多项式系数形成多项式，并且依据该多项式产生包括在以下时间范围内的转子位置值并且除此之外还具有将来的转子位置值的数据流，在所述时间范围内存在由角度传感器检测的转子位置值，并且其中所述将来的转子位置值还未被角度传感器检测到和/或还未通过由模拟数字转换器24产生的信号来表示。在步骤80，依据所述数据流例如从多个所储存的换向模式中选择一个换向模式，并且在步骤82中用该换向模式来对定子供电。
图3示出曲线图90。曲线图90包括时间轴91和幅度轴92。
曲线图90示出将采样值101,102,104,106,108,110和112相互连接的曲线95。曲线95相应于例如借助图1所示的多项式产生器29产生的并且表示转子位置走向的多项式。多项式95在该实施例中是三阶多项式。
还示出转子位置值101,103,105,107,109,111和113。
转子位置值101由角度传感器、从而例如由图1所示的角度传感器18检测。
还示出时间间隔96和时间间隔98。时间间隔96表示模拟数字转换器、例如图1所示的模拟数字转换器27的采样周期。
转子位置值100,102,104,106,108,110和112通过时间间隔96分别与前面的转子位置值和随后的转子位置值隔有距离。
转子位置值101在时间间隔98后紧随转子位置值100。转子位置值103在时间间隔98后紧随转子位置值102。时间间隔98在此表示模拟数字转换器对由角度传感器所发送的转子位置信号执行数字化所需要的计算时间。
由此为了进一步的信号处理以及为了控制换向时刻，控制单元（例如图1中的控制单元30）比由角度传感器检测的更晚地以数字化形式提供由角度传感器检测的转子位置信号（在该示例中被延迟了所述时间间隔98）。示出换向时刻115和117。换向时刻115与转子位置值102相隔时间间隔99。时间间隔99比时间间隔98短，从而换向时刻115在存在数字转子位置值103之后进行，该数字转子位置值103与转子位置值102的转子位置相应。
有利地，通过产生预测器多项式以及预测将来的、还未被角度传感器检测的转子位置值，用于检测转子的转子位置的采样频率可以低于在没有借助预测器多项式预测的情况下的采样频率。
如果例如已经由角度传感器检测了转子位置值100,102,104和106，则可以借助预测器多项式来产生转子位置值108、转子位置值110和转子位置值112。
在用于换向电动机的方法的进一步过程中，控制单元（例如图1中的控制单元42）可以将借助预测器产生的转子位置值108,110和112与角度传感器所检测的转子位置值109,111以及113比较，并且用于形成预测器多项式的进一步的多项式走向。
Claims (16)
1.一种电子换向电动机（1），具有定子（10）和转子（11），以及与定子有效连接的控制单元（30），该控制单元构成为产生用于使定子（10,12,14,16）换向的控制信号以使得定子（10,12,14,16）能产生用于使转子（11）旋转运动的旋转磁场，并且该电动机（1）具有至少一个转子位置传感器（18），其构成为检测转子（11）的转子位置并且产生表示该转子位置的转子位置信号，而且所述控制单元（30）构成为依据转子位置信号产生控制信号，
其特征在于，
所述控制单元（30）被构成为，对转子位置信号进行采样和量化（27），并且产生数字预测转子位置信号（95,100,102,104,106,108,110,112），所述数字预测转子位置信号形成时间的数据流，该数据流相应于所采样的和量化的转子位置信号并且包括至少一个或多个将来的、在时间上晚于转子位置信号的转子位置值（108,110,112），以及借助预测转子位置信号的两个相继的、将来的转子位置值之间的线性内插来确定精确的换向时刻。
2.根据权利要求1的电动机（1），其特征在于，
所述控制单元（30）构成为，依据其它的、借助转子位置传感器（18）检测的转子位置根据先进先出的原理来校正数字预测转子位置信号（95,100,102,104,106,108,110,112）。
3.根据权利要求2的电动机（1），其特征在于，
所述控制单元（30）构成为，借助依据转子位置信号（100,102,104,106）的近似函数作为输出函数来产生数字预测转子位置信号（95,100,102,104,106,108,110,112）。
4.根据权利要求3的电动机（1），其特征在于，所述近似函数是多项式。
5.根据权利要求4的电动机（1），其特征在于，所述近似函数是至少二阶多项式。
6.根据权利要求1至5之一的电动机（1），其特征在于，所述控制单元（30）具有定时器（40），并且构成为依据由该定时器（40）产生的时间信号并且依据预测转子位置信号（95）来使定子换向（115,117）。
7.根据权利要求1至5之一的电动机（1），其特征在于，所述转子（11）是永磁构成的转子。
8.一种用于运行具有转子的根据权利要求1至7之一的电子换向电动机的方法，在该方法中，借助转子位置传感器（18）检测转子（11）的转子位置并且产生与转子位置相应的转子位置信号，并且在该方法中对转子位置信号进行采样和量化，并且产生数字的、形成时间的数据流的预测转子位置信号（95,100,102,104,106,108,110,112），所述预测转子位置信号表示所采样的和量化的转子位置信号，并且包括至少一个或多个将来的、在时间上晚于转子位置信号的转子位置值，以及所述预测转子位置信号的两个相继的、将来的转子位置值之间的线性内插被用来确定精确的换向时刻。
9.根据权利要求8的方法，其中依据其它的借助转子位置传感器检测的转子位置根据先进先出的原理来校正数字预测转子位置信号（95,100,102,104,106,108,110,112）。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于，通过依据转子位置信号形成近似函数作为输出函数来产生数字预测转子位置信号。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，
所述近似函数是多项式函数。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，
所述近似函数是至少二阶多项式函数。
13.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述近似函数是样条函数。
14.根据权利要求8或9的方法，其特征在于，
在时间间隔期满之后依据预测转子位置信号（95,100,102,104,106,108,110,112）进行定子的换向（115，117），其中该期满相应于预定的换向时刻。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于，
所述定子的换向（115，117）借助换向模式进行。
16.根据权利要求14的方法，其特征在于，
借助在预测转子位置信号（95,100,102,104,106,108,110,112）的两个转子位置值之间的线性内插来确定时间间隔的期满。
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