CN103004081A - 用于操控多相电子换向电机的方法和装置以及电动机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行电子换向电机（2）的方法，其中，为了换向，将交变的相电压电位施加到电机（2）的相支路上，其中，通过脉宽调制生成相电压电位，使得通过脉宽调制的占空比（TV）来确定所施加的相电压电位的高度，其中，为了确定在相支路中所感应的电压的过零时刻，设置消隐间隙（AT），该消隐间隙（AT）是在其期间相电压电位不被施加到相应的相支路上的时窗，其中，在消隐间隙（AT）之前和/或之后，设置第一过渡持续时间（üT1），在该第一过渡持续时间（üT1）期间所施加的相电压电位的变化过程具有有限的第一梯度。

Description

用于操控多相电子换向电机的方法和装置以及电动机系统
技术领域
本发明涉及电子换向电机，其中相电压被施加在所述电子换向电机上，以便驱动电机。本发明此外涉及用于无传感器地探测电机的转子位置的方法。
背景技术
多相电子换向电机，尤其是同步电动机，例如可以通过提供超前于由转子所提供的励磁磁场的定子磁场来驱动。通过将相电压施加到电机定子的相支路上来生成定子磁场，尤其是该定子磁场的方向和强度。
为了可以确定定子磁场的超前，需要知道电机转子的转子位置。常常在这样的电机情况下，为了节省位置传感器而无传感器地来确定转子位置。一种可能的方法在于，测量在相支路中的所感应的反向电压，和确定其过零的时刻。可将所感应的反向电压的过零的时刻用于确定转子位置（反EMF（Back-EMF）法）。
为了测量所感应的反向电压，必须确保没有外部电压施加到各自的相支路上。但是在借助阻塞换向（Blockkommutierung）操控电机时，一般来说在每一个时刻用操控相电压来占用相应的相支路，使得不能应用该无传感器的方法，或需要其它的措施，以便尽管阻塞换向仍测量所感应的反向电压。
因此通常在应用阻塞换向时，如此操控为了操控电机而产生相电压的驱动电路，使得在其中应该测量所感应的反向电压的时窗中，没有外部电压被施加到各自的相支路上，或者说自由悬浮地连接相支路的相应的相端子，使得可以测量所感应的反向电压。各自的相支路在其中不被施加电压电位或相电压的时窗称为消隐间隙，并且如此来选择，使得包括所感应的反向电压的过零。所感应的反向电压的过零时刻可以明确地被分配给确定的转子位置，并被使用用于确定在用于将相电压施加到电机的相支路上的操控模式之间转换的时刻。
在例如泵或通风机的持续转子的情况下，由于有限的动力学要求经常足够的是，只检测相支路的所感应的反向电压的过零。因此总共存在用于无传感器地运行这样的泵和通风机的成本低的可能性。
但是所实施的阻塞换向和消隐间隙的设置导致由于突然的重新换向/转换而形成的高的噪声产生。重新换向引起比较陡边沿的支路电流变化。由此所形成的力矩波动（Momentenrippel）和径向力激励导致可明显觉察到的噪声。
在电动车辆中采用这样的电机时，注意噪声发射是重要的，因为在那里装备有这样的电机的装置的噪声是较明显可觉察到的，因为不再由比较响的内燃机来盖过它的声音。
发明内容
所以本发明的任务是，提供一种可以无传感器地被运行并且具有小的噪声产生的电子换向电机。
通过根据权利要求1的用于操控电子换向多相电机的方法以及通过根据并列权利要求的装置和电动机系统来解决该任务。
在从属权利要求中说明其它有利的扩展方案。
根据第一方面规定用于运行电子换向电机的方法。为了换向，将交变的相电压电位施加到电机的相支路上，其中，通过脉宽调制生成相电压电位，使得通过脉宽调制的占空比确定所施加的相电压电位的高度。为了确定在相支路中所感应的电压的过零时刻设置消隐间隙，该消隐间隙是在其期间相电压电位不被施加到相应的相支路上的时窗，其中，在消隐间隙之前和/或之后，设置第一过渡持续时间，在该第一过渡持续时间期间所施加的相电压电位的变化过程具有有限的第一梯度。
本发明的思想在于，在用于测量在相支路中所感应的电压的过零时刻的消隐间隙情况下，设置用于实现消隐间隙的相电压电位的变化的换向过渡，其在通电模式之间不是跳跃式地而是以有限的第一梯度来进行。通过这样的“平缓的”换向过渡，如此运行的电子换向电机的噪声产生是明显较小的，因为力矩波动和径向力激励被降低。
此外，相电压电位可以在过渡区域中线性地伸展。
根据一种实施形式，可以根据阻塞换向来施加相电压电位，其中，在第二过渡持续时间期间在相电压电位之间的每一变换时，所施加的相电压电位的变化过程具有有限的第二梯度。
但是由于在具有这样的换向过渡的阻塞换向情况下不再存在时窗，在所述时窗中没有（悬浮的或浮动的）相电压电位施加到各自的相支路上，以便测量所感应的反向电压，所以在换向过渡处设置消隐间隙。
由于不仅在相电压电位之间的换向过渡之间、而且通向消隐间隙的平缓的换向过渡，受控制的支路电流不再具有值得注意的梯度，而是比较光滑地伸展和具有准正弦形的变化过程。
由此可以将一方面电子换向电机的噪声降低和另一方面用于实现无传感器的电动机运行的BEMF法的使用相组合。
可以规定，相电压电位的第二梯度在数值上小于相电压电位的第一梯度。
在第一过渡持续时间期间，相电压电位的变化过程可以从中间电压电位出发或结束于中间电压电位，其中，在配备有过渡持续时间的消隐间隙之前和之后作为相电压电位的平均值确定中间电压电位。
根据另一方面，规定具有控制单元的用于运行电子换向电机的装置，该装置被构造：
- 用于为了换向而将交变的相电压电位施加到电机的相支路上，
- 用于通过脉宽调制来生成相电压电位，使得通过脉宽调制的占空比来确定所施加的相电压电位的高度，
- 用于为了确定在相支路中所感应的电压的过零时刻设置消隐间隙，该消隐间隙是在其期间相电压电位不被施加到相应的相支路上的时窗，和
- 用于在消隐间隙之前和/或之后设置第一过渡持续时间，在该第一过渡持续时间期间所施加的相电压电位的变化过程具有有限的第一梯度。
根据另一方面，设置具有电子换向电机和具有上述装置的电动机系统。
根据另一方面，设置含有程序代码的计算机程序产品，其中如果在数据处理设备上实施所述程序代码，则所述程序代码执行上述方法。
附图说明
以下借助附图更详细阐述本发明的优选的实施形式。其中：
图1展示用于运行多相电子换向电机的电动机系统的示意图；
图2展示用于示意地表示根据现有技术在用于操控电机的阻塞换向时的换向模式的图表；和
图3展示用于示意地表示根据本发明实施形式的具有消隐时窗的换向的图表。
具体实施方式
图1展示具有电机2的电动机系统1。电机2是电子换向的，即将交变的相电压施加到相支路上，例如施加到没有示出的、分别包括一个或多个线圈绕组的定子上，以便驱动电机2的转子。例如以同步电动机的、异步电动机的形式或以其它可比的方式构造电机2。在所示出的实施例中，电机2是具有三个相支路的同步电动机，所述相支路包括围绕定子齿的以星形接法接线的线圈绕组。
借助驱动电路3来操控同步电动机2。驱动电路3为此提供三个相端子KU，KV和KW，其中各自的相电压电位被施加在所述相端子上。由各自的逆变器电路31提供在相端子KU，KV和KW处的相电压电位。
逆变器电路31中的每一个均具有串联接线的高侧功率开关32和低侧功率开关33。可以以功率MOSFET、晶闸管、IGBT、IGCT等形式来构造功率开关32，33。各自的相端子KU，KV和KW位于两个功率开关32，33之间。由控制信号T1至T6操控功率开关32，33。
详细地，由第一控制信号T1操控第一逆变器电路31a的第一高侧功率开关32a，和由第二控制信号T2操控第一逆变器电路31a的与第一高侧功率开关32a串联的第一低侧功率开关33a。以相应的方式，用第三控制信号T3操控所述逆变器电路中的第二逆变器电路31b的第二高侧功率开关32b，和由第四控制信号T4操控第二逆变器电路31b 的第二低侧功率开关33b。相应地，由第五控制信号T5操控所述逆变器电路中的第三逆变器电路31c的第三高侧功率开关32c，和由第六控制信号T6操控第三低侧功率开关33c。如此进行功率开关的操控，使得按照有关控制信号T1至T6的电平将这些功率开关要么接通要么关断，即切换为导通的或不导通的。
通过提供控制信号T1至T6的控制单元4来操控驱动电路3。在控制单元4中还设置电压探测器41，以便测量在一个或多个相端子KU，KV和KW处的电压。在当前的实施例中，电压探测器41测量在相端子KU处的相电压电位。
在图2中示出由控制单元4所实施的用于阻塞换向的模式。控制单元4通过预先给定相应的控制信号T1至T6如此操控逆变器电路31a，31b，31c，使得与电机2的电转子位置有关地，在有关的相端子上输出正的电压电位、负的电压电位或悬浮的电位。
通过脉宽调制的设置而得出所输出的相电压的高度，其中，通过大于50%的脉宽调制占空比可以表示正的相电压电位，和通过小于50%的脉宽调制占空比TV可以表示负的相电压电位。脉宽调制规定，用预先给定的循环时间来循环地操控逆变器电路31a，31b，31c的功率开关32，33。占空比对应于高侧功率开关的接通时间与预先给定的循环时间的比例。
在阻塞换向时规定，在180o 的相位角值变化时进行从正的相电压电位向负的相电压电位的转换。以彼此间120o的相位偏移来操控三个逆变器电路31a，31b，31c，使得得出旋转的电压矢量。
正如从图2的图表中可以看出的那样，分别在关于电转子位置的60o的相位中必须进行重新换向。为了这可以实现，必须存在对瞬间转子位置的认识。在用于运行同步电动机2的无传感器的方法中，必须从电参量中确定关于瞬间转子位置的说明。
用于探测转子位置的可能方法在于，确定所感应的反向电压的变化过程的过零。但是只有当没有外部电位施加到相端子上时，才能确定在相端子处的所感应的反向电压。因此通常为了测量在相端子处的电压电位，对于确定的持续时间和在所预期的重新换向之后的确定的持续时间，将应在其处进行测量的逆变器电路31a，31b，31c的不仅相应的高侧功率开关32a，32b，32c而且相应的低侧功率开关33a，33b，33c去活，并且确定在相端子处的所得出的电压电位。
通过所感应的反向电压的在如此设置的消隐间隙AT之内所确定的变化过程，可以确定所感应的反向电压的过零的时刻，其可被分配给确定的电转子位置。过零的时刻一般来说确定重新换向的合适的时刻，或者说该时刻与此有关。在图2中示例性地以虚线示出第一逆变器电路31a的消隐间隙AT的设置。
用于操控同步电动机2的阻塞换向的方法，可能由于在相端子KU，KV和KW处的相电压电位的跳跃式变化而导致高的噪声产生。因此可以规定设计具有较小梯度的过渡，正如例如在图3中所示出的那样。图3展示梯形换向的操控模式，其中，线性地成形在第二过渡持续时间üT2期间在相端子之一处的从施加正的相电压电位到负的相电压电位的过渡和相反地线性成形。这种线性的过渡一般而言不能与消隐间隙AT相组合，因为消隐间隙AT会覆盖在正的和负的相电压电位之间的过渡的区域。
因此规定，对于重新换向过程中的至少一个设置消隐间隙AT，并且在第一过渡持续时间üT1期间，将要施加的相电压电位以限制到预先给定的斜率极限值的斜率（梯度）引导到零或到悬浮的电位，使得设置消隐间隙AT。例如这只能被用于探测唯一的过零，因为这一般而言对于具有小的动力学要求的应用，诸如在泵和通风机情况下是足够的，以便确定其余的重新换向时刻。
在当前的在图3中所展示的实施例中示出图表，在该图表中只使用相端子KU的负的过零，以便确定所感应的反向电压的过零时刻。例如设置60o电转子位置的消隐间隙AT，其中，在消隐间隙AT之前在15o电转子位置的过渡持续时间（üT1）的第一区域之内，用有限的梯度设置从高的相电压电位（占空比TV＞50%）（TV：占空比）到中性相电压电位（占空比TV =50%）到各自要施加的相电压电位的线性过渡。类似地，在消隐间隙AT之后在15o电转子位置的第一过渡持续时间üT1的第二区域之内，用有限的梯度设置从中性相电压电位（占空比TV =50%）到低的相电压电位（占空比TV＜50%）的线性过渡。第一过渡持续时间üT1的第一和第二区域相加成总共30o电转子位置。
在例如60o电转子位置的第二过渡持续时间üT2期间进行在另外的逆变器电路31的正的和负的相电压电位与正的过零之间的其余的过渡。在线性过渡情况下，占空比TV变化的梯度对应于
Figure 567647DEST_PATH_IMAGE001
。
第二过渡持续时间不必对应于60o电转子位置，而是也可以对应于另外的位置差。
在上述实施形式中分别用所定义的预先给定的梯度进行在正的和负的相电压电位之间的过渡（线性过渡），但是也可以用具有可变梯度的过渡来进行。但是梯度的数值不应超过确定的预先给定的梯度阈值。
典型地分别在360o的电转子位置之后进行所感应的反向电压的过零的确定；但是也可以分别在360o的电转子位置的多倍之后进行确定，使得不必在电转子位置的每一个旋转中设置这样的时窗。
控制单元4从例如30o电转子位置的过渡持续时间üT1的所需要的总和中确定占空比变化（占空比的梯度）dTV/dt，该占空比变化被使用用于在过渡持续时间üT1上的线性建立和消除：
Figure 962857DEST_PATH_IMAGE002
。
对于在相继的循环时间周期中的占空比的变化得出：
ΔPMW = dTV/dt/（脉宽调制的循环时间）
典型地在脉宽调制的每一个结束的循环持续时间之后，进行占空比TV的匹配或变化。但是循环持续时间的多倍也可以足够用以实现作为控制单元所设置的微控制器的较小的负荷。因此可以使用微控制器，以便实现线性的换向过渡。
在图3中所示出的实施形式中，规定在不同符号的两个相电压电位之间的线性过渡，其中，在设置消隐间隙AT时，用双倍的斜率设置相电压电位到悬浮电位的过渡。在使用驱动电路3的结构时，正如它在图1中所示出的那样，因此以预先确定的斜率将正的相电压电位的占空比返回引导到50%的占空比。于是将高侧功率开关32a和低侧功率开关33a切换成不导通的，以便实现消隐间隙AT。在消隐间隙AT结束时，从50%的占空比开始，根据预先给定的斜率继续将占空比TV降低至所希望的负的相电压电位被施加到有关的相端子上所用的占空比TV为止。
正如上面所阐述的那样，朝正的和负的方向来关于50%的占空比改变脉宽调制的占空比。不过于是在最小的占空比时，总是仍得出脉宽调制的节拍（Takten），使得低侧功率开关33a，33b，33c从来不较长时间地接地。由此尤其是在高的功率时，高侧功率开关的充电泵不充分地被再充电。对于此情况，总地将脉宽调制的最低出现的占空比作为偏差值来扣除，并因此在负的通电相位中持续地使低侧功率开关接地。这明显改善充电泵的再充电。在相电压电位情况下，因此产生在其中进行充电泵的再充电的足够的时间。

Claims (8)

1.用于运行电子换向电机（2）的方法，其中，为了换向，将交变的相电压电位施加到电机（2）的相支路上，其中，通过脉宽调制生成相电压电位，使得通过脉宽调制的占空比（TV）来确定所施加的相电压电位的高度，
其中，为了确定在相支路中所感应的电压的过零时刻，设置消隐间隙（AT），该消隐间隙（AT）是在其期间相电压电位不被施加到相应的相支路上的时窗，其中，在消隐间隙（AT）之前和/或之后，设置第一过渡持续时间（üT1），在该第一过渡持续时间（üT1）期间所施加的相电压电位的变化过程具有有限的第一梯度。
2.按照权利要求1的方法，其中，相电压电位在过渡持续时间（üT2）期间线性地伸展。
3.按照权利要求1或2的方法，其中，根据阻塞换向来施加相电压电位，其中，在第二过渡持续时间（üT2）期间在相电压电位之间的每一次变换时，所施加的相电压电位的变化过程具有有限的第二梯度。
4.按照权利要求3的方法，其中，相电压电位的第二梯度在数值上小于相电压电位的第一梯度。
5.按照权利要求1至4之一的方法，其中，在第一过渡持续时间（üT1）期间，相电压电位的变化过程从中间电压电位出发或结束于中间电压电位，其中，在配备有过渡持续时间的消隐间隙（AT）之前和之后作为相电压电位的平均值确定中间电压电位。
6.具有控制单元（4）的用于运行电子换向电机（2）的装置，该装置被构造，
- 用于为了换向，将交变的相电压电位施加到电机（29的相支路上，
- 用于通过脉宽调制生成相电压电位，使得通过脉宽调制的占空比（TV）确定所施加的相电压电位的高度，
- 用于为了确定在相支路中所感应的电压的过零时刻设置消隐间隙（AT），该消隐间隙（AT）是在其期间相电压电位不被施加到相应的相支路上的时窗，和
- 用于在消隐间隙（AT）之前和/或之后设置第一过渡持续时间（üT1），在该第一过渡持续时间（üT1）期间所施加的相电压电位的变化过程具有有限的第一梯度。
7.具有电子换向电机（2）和具有按照权利要求6的装置的电动机系统。
8.含有程序代码的计算机程序产品，其中如果在数据处理设备上实施所述程序代码，则所述程序代码执行按照权利要求1至5之一的方法。
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