CN102892997B - 用于运行具有无刷电动马达的促动器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种促动器系统（1），尤其用于运行汽车中的气门，包括：?带有电子换向的电动马达的驱动器（4）；?能运动的执行机构（6）；?机械装置（5），其将驱动器与执行机构（6）联接，因而在触发驱动器时引起对执行机构（6）的调整；?位置传感器（7），用于检测执行机构（6）在执行机构（6）上中的位置以及用于提供相应的位置说明；?控制器（3），用于触发驱动器（4）使执行机构（6）运动；其中驱动器（4）的电动马达是电子换向的，其中控制器（3）被构造用于为了使执行机构（6）运动而提供与已提供的位置说明相关的触发信号给电动马达，触发信号引起电动马达的预定的驱动力矩或者说预定的转速。

Description

用于运行具有无刷电动马达的促动器的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种使用在促动器内的无刷电动马达，其中，有待调整的执行机构的位置可以通过位置传感器读出。
背景技术
在汽车中使用数目众多的促动器。促动器通常包括电机式驱动器、传动机构和执行机构，其位置可以通过电动马达以及经由传动机构设定。这种促动器例如被用作节气门调节器、废气循环阀，用于充气运动挡板和数量众多的类似的部件。
根据使用领域的不同，这类促动器通常配设有用于读出执行机构真实的实际位置的位置传感器。这种位置传感器可以一方面用于检验执行机构的正确的位置。由此可以监控，促动器的触发后的位置也对应执行机构的真实的调整位置。另一方面可以借助通过位置传感器检测到的实际位置以下述方式实施执行机构的位置调节，即，对比预定的额定位置调节测得的实际位置。
通常为这种促动器使用电刷换向的电动马达。但这些电动马达的缺陷在于，它们由于产生了电刷火花而具有变糟糕的EMV特性。此外，它们例如基于电刷在换向器上的摩擦而具有较高的能耗以及基于电刷的磨损而具有减少的使用寿命。
这些缺陷在电子换向的（无刷的）电动马达中不存在。但是电子换向的电动马达需要外部的换向，为此需要知道转子位置。一般的用于检测转子位置的方法使用电动马达中的附加的转子位置传感器，其使促动器总体变得昂贵并且此外提高了在促动器和相应的控制器之间的电缆敷设费用。例如以在定子绕组中感应的电压的测量为基础的无传感器的方法，需要控制器内耗费的布线以及对在促动器中的应用而言通常太过耗费。
转子位置通过定子线圈的与转子位置相关的感应确定的备选方法，同样要求在控制器内的耗费的布线以及此外不像连接有传感器的用于测量转子位置的方法那样结实和可靠。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是，规定一种带有电子换向的电动马达的促动器，其可以用简单的方式实现并且不具有上述缺陷。
该技术问题通过按权利要求1的促动器系统以及通过按并列权利要求所述的促动器和用于运行促动器的方法解决。
本发明其它有利的设计方案在从属权利要求中说明。
按照第一个方面，规定一种尤其用于运行汽车中的气门的促动器系统。该促动器系统包括：
－带有电子换向的电动马达的驱动器；
－能运动的执行机构；
－机械装置，其将驱动器与执行机构联接，因而在触发驱动器时引起对执行机构的调整；
－位置传感器，用于检测执行机构在执行机构上或机械装置中的位置以及用于提供相应的位置说明；以及
－控制器，以便触发驱动器使执行机构运动。
驱动器的电动马达是电子换向的，其中，控制器被构造用于为了使执行机构运动而提供与已提供的位置说明相关的触发信号给电动马达，触发信号引起电动马达预定的驱动力矩或者说预定的转速。
上述促动器的一个思想在于，执行机构的用于检验执行机构位置的位置传感器，同时可以用作针对转子位置的转子位置传感器。基于电动马达和执行机构通过传动机构的固定联接，执行机构的一个位置可以明确配属于电动马达的转子的一个转子位置。以此方式可以实现使用在促动器中的电子换向电动马达的优点，例如避免了电刷火花、较小的能量需求以及较小的摩擦。同时避免了不然由于使用转子位置传感器而需要的额外费用。
此外，机械装置可以包括有预定的传动比或者说减速比的传动机构。
按照一种实施形式，控制器被构造用于设定执行机构的位置，方式是，控制器在作为实际参量的位置说明的基础上实施位置调节，其中，预定的驱动力矩或者说预定的转速对应位置调节的调整参量。
此外控制器可被构造用于设定执行机构的位置，方式是，控制器在作为实际参量的位置说明的基础上实施位置调节，其中，预定的驱动力矩或者说预定的转速对应位置调节的调整参量。
按照另一个方面，设置用于运行促动器的控制器，尤其用于运行汽车中的气门，其中促动器包括带有电子换向的电动马达的驱动器、能运动的执行机构、将执行机构与驱动器联接起来的机械装置以及用于检测执行机构的位置以及用于提供位置说明的位置传感器，其中，控制器被构造用于从接收到的位置说明中确定驱动器的电动马达的转子位置以及提供与得到确定的转子位置相关的用于电动马达的触发信号，触发信号引起电动马达预定的驱动力矩或者说预定的转速。
按照另一个方面，规定一种用于运行促动器的方法，尤其用于运行汽车中的气门，其中，促动器包括带有电子换向的电动马达的驱动器、能运动的执行机构、将执行机构与驱动器联接起来的机械装置以及用于检测执行机构的位置以及用于提供位置说明的位置传感器，其中，该方法具有下列步骤：
－从位置说明中确定驱动器的电动马达的转子位置；以及
－提供与得到确定的转子位置相关的触发信号来触发电动马达，触发信号引起电动马达的预定的驱动力矩或者说预定的转速。
按照另一个方面，规定一种用于校准带有上述促动器的促动器系统的方法。该方法包括下列步骤：
－触发驱动器，因而产生了用预定的圆频率环绕的第一马达磁场，以及求出第一位置说明的合成的时间变化曲线；
－触发驱动器，因而产生了用预定的圆频率环绕的第二马达磁场，以及求出第二位置说明的合成的时间变化曲线，其中，第一和第二马达磁场根据与转子位置相关的、作用到执行机构上的反力被可变地确定；
－借助位置说明的时间变化曲线的时间移动求出在马达磁场的方向和由转子产生的励磁磁场的方向之间的角差的差；
－在所求得的角差的差的基础上，在第一马达磁场方向确定的情况下求出在马达磁场的方向和由转子产生的励磁磁场的方向之间的角差；
－将在第一马达磁场方向确定时检测到的位置说明配属给转子位置，其对应于借助所求得的角差修正的确定的第一马达磁场的方向。
此外可以规定，通过关联法求出位置说明的时间变化曲线的时间移动。
按照另一个方面，设置一种用于校准带有上述促动器的促动器系统的设备，其中，该设备被构造用于：
－这样触发驱动器，使得产生用预定的圆频率环绕的第一马达磁场，以及求出第一位置说明的合成的时间变化曲线；
－这样触发驱动器，使得产生用预定的圆频率环绕的第二马达磁场，以及求出第二位置说明的时间变化曲线，其中，第一和第二马达磁场根据与转子位置相关的、作用到执行机构上的反力被可变地确定；
－借助位置说明的时间变化曲线的时间移动，求出在马达磁场的方向和由转子产生的励磁磁场的方向之间的角差的差；
－在求得的角差的差的基础上，在第一马达磁场方向确定的情况下求出在马达磁场的方向和由转子产生的励磁磁场的方向之间的角差；
－将在第一马达磁场方向确定的情况下检测到的位置说明配属给转子位置，其对应于第一马达磁场的借助所求得的角差修正后的确定的方向。
按照另一种实施形式，设置一种促动器系统，其包括:
－电子换向的伺服驱动器；
－反力加载的（gegenkraftbeaufschlagtes）执行机构，其与伺服驱动器联接；
－位置探测器，用于探测执行机构的位置以及提供说明执行机构位置的位置说明；
－控制器，用于在借助位置说明求得的转子位置的基础上执行伺服驱动器的换向以用于产生马达磁场；
－用于校准促动器系统的设备，其中，该设备促使控制器，
-这样触发驱动器，从而产生以预定的圆频率环绕的第一马达磁场，以及求出第一位置说明的合成的时间变化曲线；
-这样触发驱动器，从而产生以预定的圆频率环绕的第二马达磁场，以及求出第二位置说明的合成的时间变化曲线，其中，第一和第二马达磁场根据与转子位置相关的、作用到执行机构上的反力被可变地确定；
其中，所述设备被构造用于
－借助位置说明的时间变化曲线的时间移动求出在马达磁场的方向和由转子产生的励磁磁场的方向之间的角差的差；
－在求得的角差的差的基础上，在第一马达磁场的方向确定的情况下求出在马达磁场的方向和由转子产生的励磁磁场的方向之间的角差；
－将在第一马达磁场的方向确定的情况下检测到的位置说明配属给转子位置，其对应于第一马达磁场的借助所求得的角差修正的确定的方向。
按照另一个方面，规定一种计算机程序产品，其包含程度代码，当在数据处理单元上实施程序代码时，程序代码实施上述用于校准促动器系统的方法。
附图说明
接下来借助附图详细阐释本发明优选的实施形式。附图中：
图1示意性示出了一种促动器系统，其中，使用针对伺服驱动器的换向的外部的位置传感器；
图2示出图表，用于表示在马达电流恒定不变时，与在马达磁场和由转子产生的励磁磁场之间的角差相关的扭矩；
图3示出图表，用于表示在非线性的传动机构中关于转子位置的位置说明的变化曲线；以及
图4示出图表，用于表示在转子上作用的反力与转子的转子位置的相关性。
具体实施方式
图1示出了带有促动器2的促动器系统1，促动器被控制器3触发。
促动器2包括电动驱动器4，该驱动器具有电子换向的，也就是说无刷的电动马达，例如同步电动马达、异步电动马达或类似物。驱动器4具有输出轴，输出轴与传动机构5联接。传动机构5此外还与执行机构6联接。由控制器3触发的执行机构6应当移动或调整进入预定的位置或方位。
在执行机构6上或作为备选在传动机构5上布置一个位置传感器7。借助位置传感器7可以检测执行机构6的调整运动或位置。关于检测到的执行机构6的位置的说明被转达给控制器3。位置传感器7例如可以具有GMR传感器（GMR：巨磁阻）、霍尔传感器或类似物。作为备选，也可以使用光学的方法。作为位置说明，可以例如提供探测器电压给控制器3，探测器电压例如借助模数转换器在进一步处理之前将位置说明数字化。
这种促动器2例如使用在汽车中，例如使用在节气门、废气循环阀、充气运动挡板和数量众多的类似的部件中。这种促动器2尤其使用在那些促动器2的正确的调整运动在功能上很重要的地方，以及因此必须借助附加的位置传感器7检验。
在调整执行机构6时，基于无论在传动机构5内还是在伺服驱动器和执行结构内的摩擦，抵抗调整运动的反力作用到这个执行机构上。此外，执行机构6可以根据使用领域的不同用复位力加载，复位力例如通过复位弹簧8，尤其是预紧的复位弹簧8作用到执行机构6上，因而执行机构6在伺服驱动器4的不通电的状态下进入静止位置。
为了运行驱动器4的电子换向的电动马达，需要知道设置在电动马达内的转子的转子位置。触发通常通过触发信号或换向信号实现，触发信号或换向信号引起定子磁化，定子磁化导致产生驱动力矩。触发信号根据转子位置交替，以便维持驱动力矩的产生。马达磁场与由转子41产生的励磁磁场相互影响，并且因此导致产生驱动力矩。涉及到通过定子绕组确定的马达电流时，产生的扭矩与在马达磁场的方向和励磁磁场的方向之间的角相关。涉及到一定的马达电流时，扭矩在马达磁场相对定子磁场的提前角为90°时达到最大。在与这个提前角有偏差时，扭矩关于一定的马达电流下降。在图2中绘出了扭矩在一定的马达电流下关于提前角的变化曲线。
现在规定，取消转子位置传感器的设置或用于无传感器地检测转子位置的方法的设置并且取而代之的是使用牢牢地与执行机构6联接的位置传感器7，以便求出当前的转子位置。
若要求用于检验执行机构2的实际位置的位置传感器7，那么可以设置没有转子位置传感器的驱动器4的无刷电动马达，因为取而代之的是可以使用位置传感器7的位置，以便从执行机构6的位置中推断出转子位置。执行机构6的位置相对电动马达的转子的转子位置配属，在考虑到传动机构5或机械装置的减速比或者说传动比的情况下进行。配属在控制器3中借助预定的配属函数或查阅表完成。
在一个范例中，驱动器4的电动马达可以规定为有两个转子极对的三相同步电动马达。换向的最小分辨率然后为机械的转子位置的30°。这也对应转子位置识别的所要求的分辨率。在传动机构的假定传动比为1:30时，为了转子位置的充分的辨别而需要位置传感器7的分辨率为1°。
促动器2通常使用在汽车或马达系统的敏感区域中，在促动器中，执行机构6的位置应当由位置传感器7检验。促动器因此要求执行机构6的位置的较高的分辨率。因此为了实现促动器系统1通常没必要用有较高分辨率的位置传感器替代到目前为止的位置传感器7。这一点尤其适用于针对内燃机中的节气门的促动器系统1的使用。
控制器3通过位置传感器7检测执行机构6的位置并且由此借助传动机构5的传动比求出当前的转子位置。控制器3使用转子位置以便通过触发信号的施加触发驱动器4，从而提供一定的驱动力矩。若驱动器4包括同步电动马达，那么控制器3借助检测到的转子位置来决定，应当给同步电动马达的哪个定子线圈供电，以便提供所需的驱动力矩。
控制器3可以为了调整执行机构6而实现位置调节，位置调节以执行机构6的检测到的位置作为实际参量为基础。通过例如额定位置的外部预定，可以通过执行机构6与额定位置的位置偏差实施位置调节，位置调节作为调整参量预定了电动马达的驱动力矩。为了转换调整参量，然后可以按照前述方法产生用于电动马达的触发信号。
在促动器系统1开始运转时，在位置传感器7的位置说明和驱动器4的转子的转子位置之间不存在配属关系。因此规定一种校准方法，其实现了将位置说明转换成转子位置。在传统的用于无刷电动马达的校准方法中，在受控制的运行中穿过转子或执行机构6的移动路径，以及询问相应的位置说明并且记录在施加的马达磁场的空间指示角与相关的转子位置之间的相应的配属关系。这在这样的假设下进行，即，励磁磁场在受控制的运行中直接朝着马达磁场的方向取向。
但在实践中，反力基于例如传动机构5或执行机构6的摩擦力或基于复位力而起作用，反力在受控制的运行中导致了马达磁场方向相对励磁磁场方向的偏差。如图所示，执行机构6也能用复位弹簧8加载，复位弹簧的复位力会导致励磁磁场和马达磁场的取向的巨大偏差。
在使用不均匀减速的传动机构5时，会例如产生位置说明X关于转子位置的变化曲线，该变化曲线如图3所示是非线性的。
为了考虑到并且消除这些反力在校准方法中的影响，现在规定，针对触发伺服驱动器4的换向样式的特定的空间指示角，设置两个条不同的振幅变化曲线，其中，换向样式对应相电压彼此间的特定比例。这基于作用的反力而导致执行机构6的不同的位置，这些不同的位置导致了位置传感器7的不同位置说明的变化曲线。
为了校准执行机构6经由非线性的传动机构5或非线性的机械装置与驱动器4联接的促动器系统1，很难这样来消除由调整运动反作用的反力，例如摩擦或基于复位弹簧8的复位力的影响，即，最后在没有复位力或没有反力的促动器系统1中求出在位置传感器7的位置说明和执行机构6的位置之间的明确的配属关系。为此，无刷电动马达4在带有恒定的触发频率的两个通道中这样被触发，使得由定子绕组引起的马达磁场的空间指示角以恒定的圆频率运动。两个通道以不同的振幅变化实施，振幅变化通过不同的百分比因子a1、a2区分。振幅变化根据基于摩擦、反力和复位力在路径上公知的反力矩变化M（）产生。图4中示出了可能的反力矩变化M（）。适用的是：
A1 = a1 x M（），
A2 = a2 x M（），
其中，振幅A1和A2由公知的反力矩变化M（）与彼此不同的百分比因子a1、a2 的乘积得出。
作为备选，也能为了特定的空间指示角相继施加由上述公式得出的振幅A1和A2。振幅可以例如涉及相电压或相电流。
因为电压或马达电流的振幅与反力的变化适配，所以振幅与位置相关地得到补偿。然后由此得出在马达磁场的方向和励磁磁场的方向之间的产生的差角和：
，
，
其中，c对应针对反力矩变化M（）的恒定但非已知的倍增因子c，其表示沿调整路径的样本散差、热和老化效果。
通过三角变换可以消除修正因子c并且针对差角得出：
其中，
差角、的对应在马达磁场和由转子产生的励磁磁场之间的角差的角差，可以从测得的传感器值、和例如通过关联法求出的伴随=如下确定：
，
其中，是加载到定子绕组上的正弦形相电压或马达电流的圆频率，也就是说是环绕的空间指示器的圆频率。公知的关系为：
，
其中，对应在时间点t = 0时的相位，以及从求出的角差得出针对促动器系统1的转子位置，此时没有反力作用到执行机构6或伺服驱动器4的转子上，针对
，
人们用逆转函数代替t，因此最终获得了所寻求的、实际的转子位置和位置说明X之间的关系。

Claims (3)

1.用于校准带有促动器（2）的促动器系统（1）的方法，其中所述促动器（2）包括带有电子换向的电动马达的驱动器（4）、能运动的执行机构（6）、机械装置（5）、用于检测所述执行机构（6）的位置以及用于提供相应的用于使所述驱动器（4）的电动马达换向的位置说明的位置传感器（7），其中所述机械装置将所述驱动器（4）与所述执行机构（6）联接，从而在触发所述驱动器（4）时引起对所述执行机构（6）的调整，其中所述方法具有下列步骤：
－ 触发驱动器（4），从而产生以预定的圆频率环绕的第一马达磁场，并且求出第一位置说明的合成的时间变化曲线；
－ 触发驱动器（4），从而产生以预定的圆频率环绕的第二马达磁场，并且求出第二位置说明的合成的时间变化曲线，其中根据与转子位置相关的、作用到执行机构（6）上的反力可变地确定第一和第二马达磁场；
－ 借助第一和第二位置说明的合成的时间变化曲线的时间移动来求出在第一和第二马达磁场的方向和由转子产生的励磁磁场的方向之间的差角（-）的差；
－ 在求出的差角（-）的差的基础上，在第一马达磁场的方向确定的情况下求出在第一马达磁场的方向和由转子产生的励磁磁场的方向之间的差角（）；
－ 将在第一马达磁场的方向确定的情况下检测到的位置说明配属给转子位置，其对应于第一马达磁场的借助所求出的差角修正的确定的方向。
2.按权利要求1所述的方法，其中，通过关联法求出第一位置说明的合成的时间变化曲线和第二位置说明的合成的时间变化曲线的时间移动。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，所述驱动器（4）的电动马达无传感器地构成。
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