CN102725954A

CN102725954A - 用于固定在电机上的传感器单元以及电动机系统

Info

Publication number: CN102725954A
Application number: CN2011800078725A
Authority: CN
Inventors: C.迈耶; H.迈尔; S.德蒙特; T.格姆恩德; M.迈耶; M-P.博尔茨
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-10-10
Also published as: DE102010001427A1; WO2011092320A3; WO2011092320A2; EP2532087A2

Abstract

本发明涉及一种用于固定在电机上的、实施为单个部件的传感器单元，包括：位置传感器，用于提供对于电机的转子的电转子位置的说明；电动机特性曲线族单元，其带有电动机特性曲线族设备，以便根据电机的转速和/或转矩地按照预先给定的电动机特性曲线族借助对于电转子位置的超前或滞后来修改说明，并且带有接口单元，以便向外提供对于电转子位置的修改后的说明。

Description

用于固定在电机上的传感器单元以及电动机系统

技术领域

本发明涉及用于确定转子位置来运行电子换向电机的传感器单元以及一种带有电子换向电机的电动机系统。特别地，本发明涉及如下电动机系统：其中为了驱动电子换向电机而将传感器信号从位置传感器传送给控制设备，使得控制设备能够进行该电机的电子换向。

背景技术

在无刷电子换向电机中，根据转子的转子位置将电驱动参量施加到电机的定子绕组上，以对其进行驱动。通常，电机是多相电动机例如同步电动机，其中根据转子位置来确定相电压，以便产生多相的、通常为正弦形的电动机电流，其对应于对于转速以及驱动力矩的所希望的要求。

转子位置通常借助位置传感器来检测并且以合适的方式输送给控制设备来产生对于将电机换向所需的驱动信号。位置传感器提供与转子的位置相关的模拟电参量例如电压、信号脉冲或者已经提供关于绝对转子位置的数字化的说明，如其例如在绝对位置传感器的情况下被提供。

位置传感器例如可以以霍尔传感器、GMR传感器（GMR：巨磁电阻）等等的形式来构建。这种位置传感器输出与转子位置相关的电压信号。通常，在控制设备中存在模拟－数字转换器，使得在控制设备中根据数字化的转子位置来进行传感器信号的分析以及电子换向。

电机的换向通常如下进行：通过施加相电压得到的电转子位置的电流指示（Stromzeiger）超前90°，以便提供最大的转矩。然而根据电动机结构和类型有意义的是，根据电机的负载和转速，将换向的位置相对于实际的转子位置根据工作点可改变地构建，即根据电机的当前转速来不同地实施。换而言之，为驱动电机来满足确定的负载点而需要电流指示的怎样的推移，与电动机的类型相关。

在电机的工作点和最优的或者预先给定的电流指示的与转子位置相关的相位置之间的相关性可以借助电动机函数来确定，该电动机函数例如存储在电动机特性曲线族中。在驱动电机的情况下，该电动机特性曲线族被相应地调用。

在目前的电动机系统情况下，对于每种电机类型，控制设备都必须有对电动机特性曲线族的访问权。通常，电动机特性曲线族编程到控制设备中，使得控制设备与电机的类型匹配。这费事并且尤其希望的是，用标准化的控制设备来运行电动机系统，其不必针对相应的电动机类型来个性化。

发明内容

该任务通过根据权利要求1所述的传感器单元以及通过根据并列的权利要求的电动机系统来解决。

其他有利的扩展方案在从属权利要求中说明。

根据一个方面，设计了一种用于固定在电机上的传感器单元。该传感器单元包括：

－位置传感器，用于提供对于电机转子的电转子位置的说明；

－电动机特性曲线族单元，其带有电动机特性曲线族设备，以便根据工作点地按照预先给定的电动机特性曲线族来修改对于电转子位置的说明，并且带有接口单元，以便向外提供对于电转子位置的修改后的说明。

本发明的思想是设计一种传感器单元，其除了实际的位置传感器之外还具有电动机特性曲线族单元，该电动机电动机特性曲线族单元可以外部提供对于电转子位置的修改后的说明。为此，在电动机特性曲线族单元6中存储有电动机特性曲线族，其作用于或者修改所确定的转子位置，使得根据工作点来实现超前或者滞后。电动机特性曲线族用于根据电机的类型来预先给定：在确定工作点情况下，相对于传统的驱动而言，应当以电转子位置的何种超前或者滞后来最佳地驱动电机。为此，传感器单元具有接口单元，以便将相应的对于电转子位置的修改后的说明传送给控制设备，该控制设备可以作为标准化的控制设备获得，并且因此可不必考虑电机的特定类型。

此外，传感器单元可以实施为单个部件，尤其是与控制设备分离的单个部件。

根据一个实施形式，位置传感器可以包括探测器，其根据转子位置输出电压，其中电动机特性曲线族单元构建为将电压数字化，以便得到对于电转子位置的说明。

根据另一实施形式，位置传感器可以包括脉冲发生器，其在转子运动的情况下产生脉冲，其中电动机特性曲线族单元构建为对脉冲计数并且提供计数器值作为对于电转子位置的说明。

此外，电动机特性曲线族可以根据关于电机的转速的转速说明和/或根据所希望的驱动力矩和/或根据当前的驱动力矩来说明超前/滞后，其中电动机特性曲线族单元构建为借助超前/滞后来修改对于电转子位置的说明，以便获得对于电转子位置的修改后的说明。

根据另一方面，设计了一种电动机系统。该电动机系统包括：

－电机，尤其是换向电机；

－用于驱动电机的驱动电路；

－用于控制驱动电路的控制设备，以便运行电机；

－传感器单元，其设置在电机上，使得借助位置传感器可以确定关于转子位置的说明。

此外，控制设备可以构建为将关于所希望的驱动力矩和/或当前的驱动力矩的说明传送给传感器单元。

附图说明

优选的实施形式下面借助附图进一步阐述。其中：

图1 示出了根据一个实施形式的带有传感器单元的电动机系统；

图2示出了信号图，用于显示在三相电子换向同步电机情况下电动机电压和电动机电流的时间变化曲线；以及

图3示出了信号图，用于显示例如在带有智能的传感器单元的可变的预先换向情况下，在三相电子换向同步电机情况下电动机电压和电动机电流的时间变化曲线。

具体实施方式

图1示出了用于驱动电子换向电机例如同步电机的电动机系统1。所示的同步电机在该实施例中是三相同步电机，其通过合适的驱动电路3来提供电能。驱动电路3针对同步电机的三相驱动来设计，并且为此例如包括三个逆变器电路，对于每个相一个逆变器电路。可替选地，可以设计三个半桥电路用于驱动同步电机2的各相。

根据所输送的控制信号，驱动电路3为同步电机2的每个相提供正的相电势、负的相电势或者0V的相电势。通常，同步电机2的驱动通过彼此偏移120°的周期性的驱动参量来进行，所述驱动参量由上述相电势的序列组成。在图2中例如示出了信号－时间图，其说明了所施加的相电压U_u、U_v、U_w的变化曲线以及由此得到的在同步电机2的确定的负载和转速情况下的关于电转子位置的电动机电流i_u、i_v、i_w。

用于控制驱动电路3的控制信号由控制设备4提供。控制设备4优选构建为传统的控制设备4，其作为标准控制设备被提供用于不同的电动机类型。控制设备4构建为根据当前的电转子位置来产生用于驱动电路3的相应的控制信号。由这种控制设备4产生的控制信号产生相电压，所述相电压导致如下的电流指示：该电流指示具有相对于电转子位置90°的超前。通过这种方式，产生垂直于激励磁场的定子磁场，以便提供最大的驱动力矩。电转子位置对应于机械转子位置除以转子极对的数目。

在同步电机2上设置有位置传感器5，例如霍尔传感器或者GMR传感器等等。位置传感器5通常提供模拟电参量，从中可以导出同步电机2的电转子位置。通常，这种位置传感器5提供电压信号。

控制设备4具有位置信号输入端，以便得到关于转子位置的说明。根据所传输的关于转子位置的说明，控制设备4产生根据预先确定的图案的控制信号，尤其是使得电流指示大致超前90°的电转子位置。然而一般而言，根据电机的类型会可能需要进行预先换向或者事后换向，其中各相的换向根据转速和要提供的驱动力矩而变化，并且尤其是超前于电转子位置。电动机函数与电机的类型相关地将转速和/或要提供的驱动力矩映射到超前量上，该电动机函数通常在构建电动机系统时在控制单元4中实施。然而这是费事的，因为控制单元4必须相应地与电机的不同类型匹配。

为了将同步电机2根据其单独的特性曲线借助传统的、并不与当前电动机类型匹配的控制设备4来运行，现在规定，将位置传感器5与共同的传感器单元7中的特性曲线族单元6耦合，该共同的传感器单元设置在同步电机2上。传感器单元7检测绝对的电转子位置，提供关于此的说明作为数字说明或者模拟说明，以及根据电动机特性曲线族62来确定修改后的转子位置，其以模拟方式或者数字方式传输给控制单元4。

根据所使用的位置传感器5，特性曲线族单元提供预备（Aufbereitung），借助其可以说明关于当前的电转子位置的数字说明。如果位置传感器提供与电转子位置相关的电压信号，则可以设置模数转换器61，以便提供数字化的电压信号作为对于电转子位置的数字化的说明。可替选地，位置传感器5也可以直接提供对于电转子位置的数字说明，使得无需模数转换器。如果位置传感器构建为脉冲发生器，其在转子移动确定的角度位置情况下输出信号脉冲，则可以在特性曲线族单元6中设置位置计数器，其通过（根据转子的运动方向）递增或者递减来准备好当前的转子位置。

对于电转子位置的数字化说明输送给电动机特性曲线族设备62，在该电动机特性曲线族设备中根据同步电机2的转速和/或根据电转子位置和/或根据要提供的驱动力矩来进行对于电转子位置的说明的修改。该修改可以通过数字方法或者模拟方法来进行。电动机特性曲线族设备62包括电动机特性曲线族，其与所使用的电动机类型匹配并且由同步电机的制造商提供。电动机特性曲线族说明（在电转子位置的程度上）在当前的工作点上应当设置电子换向的怎样的超前或者滞后。为此，将从电动机特性曲线族中确定的超前或者滞后加到对于电转子位置的说明上，并且这样修改的对于电转子位置的说明传输给控制单元4。可替选地，也可以使用其他的计算方式来提供对于电转子位置的说明，借助其可以确定超前或者滞后。

为了确定同步电机2的转速，在特性曲线族单元6中设置有转速确定单元63，其从对于电转子位置的时间上相继的说明中确定转速说明。转速说明用已知的方式从通过位置传感器5对于电转子位置的相继的说明的分析中来计算。

特性曲线族单元6此外具有接口单元64，其将对于电转子位置的修改后的说明传输给控制单元4。此外，当电动机特性曲线族设备62的电动机特性曲线族应该根据所希望的驱动力矩或者当前的驱动力矩来提供对于电转子位置的修改后的说明时，接口单元64也可构建为从控制设备4或者从用于检测电动机电流的合适的探测器来接收相应的信息。

控制单元4根据对于电转子位置的修改后的说明来产生控制信号，由此通过超前或者滞后，与根据传统的在控制设备4中实施的函数所设计的相比，更早或者更迟地进行换向。

在需要时，控制设备4可以构建为将对于所希望的驱动力矩的说明传输给传感器单元7。

优选地规定，将位置传感器5和特性曲线族单元6集成地例如设置在共同的电路板上，其设置在同步电机2上或者同步电机2中。

在一个可替选的实施形式中可能的是，在构造电动机系统1的情况下将特性曲线族以合适的方式从特性曲线族单元6传输给控制设备4，使得控制设备4与电动机2的类型匹配。于是，修改并不在特性曲线族单元6中进行，而是在控制场4中进行，并且在控制设备4中传输数字化的转子位置。

Claims

1. 一种用于固定在电机（2）上的传感器单元，包括：

－位置传感器（5），用于提供对于电机的转子的电转子位置的说明；

－电动机特性曲线族单元（6），其带有电动机特性曲线族设备（62），以便根据工作点地按照预先给定的电动机特性曲线族来修改对于电转子位置的说明，并且带有接口单元，以便向外提供对于电转子位置的修改后的说明。

2. 根据权利要求1所述的传感器单元，其中传感器单元实施为单个部件。

3. 根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中位置传感器（5）包括探测器，该探测器根据转子位置输出电压，其中电动机特性曲线族单元（6）构建为将电压数字化，以便得到对于电转子位置的说明。

4. 根据权利要求1或2所述的传感器单元，其中位置传感器包括脉冲发生器，其在转子运动的情况下产生脉冲，其中电动机特性曲线族单元（6）构建为对脉冲计数并且提供计数器值作为对于电转子位置的说明。

5. 根据上述权利要求之一所述的传感器单元，其中电动机特性曲线族根据关于电机（2）的转速的转速说明和/或根据所希望的驱动力矩和/或根据当前的驱动力矩来说明超前或滞后，其中电动机特性曲线族单元（6）构建为借助超前或滞后来修改对于电转子位置的说明，以便获得对于电转子位置的修改后的说明。

6. 一种电动机系统（1），包括：

－电机（2）；

－用于驱动电机的驱动电路（3）；

－用于控制驱动电路（3）的控制设备（4），以便运行电机；

－根据权利要求1至5之一所述的传感器单元（5），其设置在电机上，使得借助位置传感器能够确定关于转子位置的说明。

7. 根据权利要求所述的电动机系统，其中控制设备（5）构建为将关于所希望的驱动力矩和/或关于当前的驱动力矩的说明传送给传感器单元（5）。