CN102739140A

CN102739140A - 无传感器的转子位置估计

Info

Publication number: CN102739140A
Application number: CN2012101012990A
Authority: CN
Inventors: 尼尔斯·佩德森; 克里斯汀·斯文森; 波·拓兰克尔·彼得森; 汉斯·朗贝格·泽伦森; 杰普·默勒·荷姆
Original assignee: Secop GmbH
Current assignee: Secop GmbH
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: DE102012006492A1; CN102739140B

Abstract

本发明涉及无传感器的转子位置估计。本发明公开了一种用于确定电动机(1、5、7)的转子(2)的位置的方法。所述方法包括以下步骤：测量所述电动机(1、5、7)的至少一个电动机相的循环出现的电信号(13、14、15、16)的时间跨度；和将所述循环出现的电信号与施加于电动机(1、5、7)的转子(2)的机械负载相关联，由此确定转子(2)相对于电动机(1、5、7)的机械负载的位置。

Description

无传感器的转子位置估计

技术领域

本发明涉及一种用于确定电动机的转子位置的方法。本发明还涉及一种用于控制电动机的电控制器单元。

背景技术

为了控制无刷直流电动机(BLDCM)，必需了解转子的位置。在原理上，转子的位置可以通过使用传感器来找出。然而，在某些应用中，这是不实际的。例如，在压缩机应用中，由于非常恶劣的环境以及另外由于价格，使用传感器是不可行的。

用于确定转子位置的另一种方法是采用所谓无传感器(sensorless)途径。在压缩机工业中，应用最广泛的无传感器的位置检测方案是所谓的“直接后电磁力方法”(或简称为“直接BEMF”方法)，其中所感生的机器电压的过零点被通过读取电动机反馈电信号来检测。

在原理上，使用BEMF的过零点的这种无刷直流电动机控制方案(BLDCM控制方案)可以用于获得信息以更好地控制电动机的速度和扭矩。然而，以这种方式使用BEMF的过零点来控制电动机的速度和扭矩，不能告诉微处理器由电动机驱动的外部装置的峰值扭矩所在的位置(在电动机用于驱动压缩机的情况下，微处理器因而不能告诉来自压缩机的峰值扭矩所在的位置)。关于来自机械负载(例如压缩机)的峰值扭矩所在位置的信息例如可以用于最小化振动和用于在电动机停止后停放转子以便之后更平滑地启动和加速。

当使用具有多于两极(例如电动机5、7)的电动机1、5、7时，在电动机1、5、7在没有定位传感器的情况下被驱动时，存在转子2可以处于与电场/磁场3相关联的多于一个的位置。因此，不能使用电场3来检测/估计转子2(或连接至电动机1、5、7的机械负载；在压缩机由电动机1、5、7驱动的情况下是压缩机)的绝对位置。

当电动机1、5、7连接至机械负载(例如连接至压缩机)时，转子2的位置可以用于提高机械负载(例如压缩机)的性能。

电场3的位置总是已知的，因为其由微控制器来控制。对于两极电动机1(见图1)，转子2在与场3对准时仅可以处于一个位置处。换句话说，当场3已经移动360电角度时，转子2也已经移动了360机械角度。图1示出转子2，其位置以第一点4标出。

对于四极电动机5，对于旋转360机械角度的转子2，场3现在不得不旋转2*360电角度＝720电角度。现在对于转子2存在两个可能的位置4、6。图2示出转子2对于给定的电场3也可以位于第二点6处。

对于六极电动机7，对于旋转360机械角度的转子2，场3不得不旋转3*360电角度＝1080电角度。现在对于给定的电场3、对于转子2存在三个可能的位置4、6、8。图3示出现在转子2可以位于第一点4、第二点6和第三点8处。

由于在电场和电动机的转子的机械位置之间的关系的这种不确定性，常常不能获得对电动机的充分的控制，这对于振动和被倾斜的启动行为可能是尤其成问题的。然而，这种问题不仅仅由于在电场和机械精度之间的这种不确定性而出现，而且由于转子可能“失效”的事实而出现，即在电场继续作圆周运动或旋转的同时转子可能(将)停转(例如由于特别高的机械外部负载)。当然，转子的这种“失效”也是有害的。

发明内容

因此，本发明目的在于提供一种用于确定电动机的转子的位置的方法，其相对于目前已知的方法被改进。本发明的另一目的是提供一种用于控制电动机的电控制器单元，其相对于目前已知的电控制器单元被改进。

本发明实现这些目的。

提出执行一种用于确定电动机的转子位置的方法，其中所述方法包括以下步骤：

测量所述电动机的至少一个电动机相的循环出现的电信号的时间跨度；和

将所述循环出现的电信号与施加于电动机的转子的机械负载相关联，

由此确定转子关于或相对于电动机的机械负载的位置。

以下构思利用电动机的转子在回转时不被暴露给均匀的机械负载的事实。该效应可能在没有外部机械负载连接至电动机时已经出现，因为转子在电动机的定子内的旋转过程中经常出现小的波动。然而，尤其是如果外部负载施加于电动机，则必须注意在至少很大百分比的机械应用中，在电动机的转子上的机械力不是恒定的。更有甚者，在很大百分比的技术应用中，电动机连接至循环往复的机械负载。其示例为压缩机。在压缩机的情形中，转子的机械位置将在旋转过程中受到活塞的反作用力影响(其中活塞的反作用力将在这种旋转过程中变化，于是将不同的负载置于电动机的转子上)。该变化的后向力通常将显著地受到由压缩机泵送的气体压力的影响，所述气体被容装在循环变化的体积的泵送腔中，该设计对于压缩机是屡次采用的。术语“循环往复机械力”不一定意味着两个循环彼此必须非常相似。相反，可能出现随时间的变化，尤其是在电动机的启动阶段期间。其示例也为压缩机。在此，当压缩机最初被启动时，压强情况(以及由此反作用力的发展)在第一和/或第一对旋转过程中与之后的旋转相比常常是不同的。然而，在转子上的变化的机械负载(不依赖于其实际来自何处)通常将导致转子的旋转行为的或多或少的明显的变化，并因此导致电动机的某些电信号的不同的时间跨度。因此，通过测量电动机的至少一个电动机相的循环出现的电信号的(至少)某些特征的(至少)时间跨度，可以得出与施加于电动机的转子的机械负载的关联，以使得转子关于或相对于电动机上的机械负载的位置可以被确定。电信号可以从种类繁多的电信号获得。尤其是，可以使用电压、电流、后电磁力电压、某些电压电势的交叉点等。本发明提出的方法的特定优点是在电场的位置和转子的机械位置之间的不确定性可以被克服。如果使用具有多于两个极的电动机(例如具有四极、六极、八极、十极等)，这将具有特别的优点。

如果所述方法包括步骤：将机械负载与电动机的转子的位置相关联，那么可以实现所述方法的一个优选实施例。在这种情况下，不仅可以得出与转子关于电动机的机械负载的位置有关的结论，而且另外可以得出关于转子的“绝对”位置的结论。这可能是有益的。

另外，提出执行所述方法，使得所述至少一个循环出现的电信号是电压和/或电流。第一实验已经示出这些信号相对容易获得和得出过多的信息。

另外，提出电动机的至少一个电动机相的循环出现的电信号的时间跨度是至少一个电动机相的去磁时间。第一实验已经示出所述去磁时间在关于机械负载和/或绝对位置两者获得关于转子的位置的任何结论时是尤其有价值的。

如果所述时间跨度，尤其是所述去磁时间与流过电动机的定子的至少一个绕组的电流相关联，那么可以获得改进方案。在这种情况下，通常可以提高位置精度。

另外，电动机的至少一个电动机相的循环出现的电信号的时间跨度可以是在所出现的两个连续的过零点之间的时间。再者，第一实验已经示出该信号通常也比较容易获得和得出过多的信息。通过“过零点”，所表达的意思不仅是与“所述”零电势(地电势)的交点，而且可以是与某个电势的交点(尤其是但不是必需地，如果电动机不接地(电隔离)的情况)。例如，如果电动机由DC电压供给装置驱动，则“零电势”可以基本上是DC电压供给装置的两个触点之间的中位电势。

如果在时间跨度和施加于电动机的转子的机械负载之间进行相关联，那么可以获得另一个优选的实施例。再者，第一实验已经示出，这种方式可以进行尤其精确的测量。因此，可以从该位置得出的结果因此可以是精确的。

如果在电动机的转子上的机械负载是外部机械负载和/或循环出现的机械负载，则是进一步优选的。在这种情况下，在转子上的机械负载的变化通常是非常强的，以使得可以获得更好的定位测量。例如，对于循环出现的机械负载，可以命名为压缩机。循环出现的机械负载不一定意味着两个连续的周期必须是基本相同的。尤其是，可能出现随时间的一些变化。尤其是，在电动机的启动时间段过程中的周期和在启动已经完成之后的周期可以是不同的，甚至是显著地不同的，尤其是相对于质和/或量。

所述方法尤其可以用于确定转子的位置和用于在转子停转之后停放转子。这样，连续的启动通常可以被改进和/或被执行得更快。两者都可能是有利的。

尤其是，所述方法可以用于改进电动机的启动行为。这样，噪声可以被降低和/或电动机启动所需的时间间隔可以被降低。

如果所述方法用于减少振动，则是进一步优选的。这样，可能给人们造成困扰和/或可能缩短电动机的寿命的噪声可以被减少。

另外，当执行所述方法时，多个循环出现的电信号可以对时间进行平均。这样，可以将短时间的波动进行平均，于是将能够改善所述方法的精度。

另外，提出了一种用于控制电动机的电控制器单元，其中所述电控制器单元被设计和布置成使得其执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。这样，所述电控制器单元可以示出至少类推地与之前所述相同的特征和优点。另外，可以至少类推地修改上述的电控制器单元。

尤其是，提出了一种电动机布置，其包括根据前面的描述的至少一种电控制器单元。再者，这种电动机布置可以示出至少类推地与前述提出的电控制器单元和/或与前述的方法相同的特征和优点。

另外，电动机布置可以包括至少一个流体泵送单元，尤其是至少一个压缩机单元。电动机布置(或其中所使用的电动机)的这种使用将通常示出特别有利的结果。

附图说明

在阅读本发明的可能的实施例的参考附图所描述的以下描述时，本发明及其优点将更加显见，附图显示：

图1是示出两极电动机的一实施例的旋转行为的示意图；

图2是示出四极电动机的一实施例的旋转行为的示意图；

图3是示出六极电动机的一实施例的旋转行为的示意图；

图4示出在由电动机驱动的压缩机的转子位置上的压缩机的扭矩的典型行为；

图5示出用于驱动压缩机的六极电动机的三个不同的相的相电压随时间的时序行为的示例；

图6示出第一实验的测试结果，其示出用于驱动压缩机的六极电动机的三个不同的相的随时间的不同的电动机相电流；

图7示出对于用于驱动压缩机的电动机的转子的机械旋转的去磁时间的第一实验；和

图8示出对于用于驱动压缩机的电动机的转子的机械旋转的变换时刻的第一实验。

具体实施方式

本发明所提出的方法和/或本发明所提出的电控电路利用压缩机在整个旋转过程中不具有均匀的负载的事实，并因此在由活塞执行的周期或循环过程中将不同的负载作为转子2的机械位置的函数置于电动机1、5、7上。

通过测量去磁时间(见图7)，可以估计转子2的位置，所述去磁时间与电流相关，该电流又与负载相关。

图4示出测试结果，所述结果示出最大负载9刚好在TDC(上死点，活塞处于在其最上位置)之前，且可以估计该位置。曲线10示出扭矩(沿着纵坐标)随旋转位置(沿着横坐标)的变化。

因为对于一次旋转存在18个变换，所以用于不同的去磁事件11的去磁时间(见图5)将在每次变换结束且所述相无电流(过零事件13)时被测量，以便测量后电磁力(BEMF)。如从图5所见，不同的去磁事件11的去磁时间对于不同的电动机相不同和/或随着时间(即对于不同的转子位置)而不同。对于每个相的电压，存在往复出现的最大去磁时间12。

图6和图7也示出测试结果，所述结果示出来自压缩机的扭矩，并示出其对于速度、电流、去磁时间和变换时刻有何影响。在图6所示的曲线中，示出用于六极电动机7的三个不同的电动机相的电流14a、14b、14c。然而，在如图7所示的曲线中，示出对于六极电动机7的三个不同的电动机相中的一个的去磁时间。最后，在图8中示出的曲线中，示出对于六极电动机7的三个不同的电动机相的变换时刻16a、16b、16c。为了获得更好的精度，提出去磁时间15对于每个变换来储存并对于多个旋转来进行估计。当然，所述“对时间进行平均”也可以用于其它信号。

如果使用恒流调节器，去磁时间15对于所有变换是相同的，因此，不能区分不同的变换。替代地，最大负载可以通过分析对于机械旋转的变换时刻来找出，因为所述速度在负载增加时将下降。

尤其是，本发明可以考虑如下：

用于确定电动机1、5、7的转子2的位置的方法，尤其是用于确定用于驱动压缩机的电动机1、5、7的转子2的位置的方法，所述转子2驱动所述压缩机的活塞，所述方法包括以下步骤：

测量转子2的去磁时间15，所述去磁时间15是在处于相反的供给轨路处的相电压与之前的变换电压之间的时间；

将去磁时间15与流过电动机1、5、7的定子的绕组的电流相关联；

将所述电流与施加于转子2的负载和/或尤其是在活塞周期过程中施加于压缩机的活塞的负载相关联；或

测量在所出现的两个连续的过零点13之间的时间并将两个过零点13之间的时间与施加于转子2的负载和/或尤其是在活塞周期过程中施加于压缩机的活塞的负载相关联，

由此确定转子2关于施加于转子2的最大负载的位置，尤其是刚好在活塞的上死点(TDC)之前。

根据之前段落中所述的方法，所述方法包括步骤：确定压缩机的转子2的位置，其中所述转子2具有多于两个极。

根据之前两个段落中任一段落所述的方法，所述方法包括步骤：确定转子2的位置，以减小压缩机的振动。

根据之前三个段落中任一段落所述的方法，所述方法包括步骤：确定用于在停转之后停放转子2的转子2的位置。

根据之前四个段落中任一段落所述的方法，所述方法包括步骤：确定用于更光滑地启动和加速的转子2的位置。

根据之前五个段落中任一段落所述的方法，所述方法包括步骤：对于每个变换存储去磁时间并对于压缩机的转子2的多个旋转来估计去磁时间15。

从在本申请人的申请日与本申请相同的参考号DAN1107和DAN1108的申请中可以获得另外的信息。所述申请所公开的内容以引用的方式包括在本申请中。尤其是，可以将所有三个申请中所作出的建议或方案进行组合。

附图标记

1：两极电动机

2：转子

3：电场

4：第一点

5：四极电动机

6：第二点

7：六极电动机

8：第三点

9：最大负载

10：曲线

11：去磁事件

12：最大去磁时间

13：过零事件

14：相电流

15：去磁时间

16：变换

Claims

1.一种用于确定电动机(1、5、7)的转子(2)的位置的方法，所述方法包括以下步骤：

测量所述电动机(1、5、7)的至少一个电动机相的循环出现的电信号(13、14、15、16)的时间跨度；和

将所述循环出现的电信号与施加于电动机(1、5、7)的转子(2)的机械负载相关联，

由此确定转子(2)关于电动机(1、5、7)的机械负载的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括步骤：将机械负载与电动机(1、5、7)的转子(2)的位置相关联。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一个循环出现的电信号(13、14、15、16)是电压(13)和/或电流(14)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述电动机(1、5、7)的至少一个电动机相的所述循环出现的电信号(13、14、15、16)的时间跨度是至少一个电动机相的去磁时间(15)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，尤其是根据权利要求4所述的方法，其中所述时间跨度，尤其是所述去磁时间(15)与流过电动机(1、5、7)的定子的至少一个绕组的电流(14)相关联。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，电动机(1、5、7)的至少一个电动机相的循环出现的电信号(13、14、15、16)的时间跨度是在所出现的两个连续的过零点(13)之间的时间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，尤其是根据权利要求6所述的方法，其中进行时间跨度和施加于电动机(1、5、7)的转子(2)的机械负载之间的关联。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在电动机(13、14、15、16)的转子(2)上的机械负载是外部机械负载和/或循环出现的机械负载。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于确定转子(2)的位置的步骤用于在转子停转之后停放转子。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法可以用于改进电动机(13、14、15、16)的启动行为。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法用于减少振动。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，多个循环出现的电信号(13、14、15、16)对时间进行平均。

13.一种用于控制电动机的电控制器单元，其中所述电控制器单元被设计和布置成使得所述电控制器单元执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

14.一种电动机布置，其包括根据权利要求13所述的至少一个电控制器单元。

15.根据权利要求14所述的电动机布置，还包括至少一个流体泵送单元，尤其是至少一个压缩机单元。