CN103081343A - 用于调整电换向式电机的转子位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调整电换向式电机的、特别是无刷直流电机的转子位置方法，在该方法中，该电机的相在确定了转子的位置之后通过锁死换向来控制，其特征在于，为了高精度地调节所述转子的位置，将所述电机的相的控制从锁死换向转换到时间控制式换向。

Description

用于调整电换向式电机的转子位置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于调整电换向式电机、特别是无刷直流电机的转子位置的方法，在该方法中，在确定了转子的位置之后，通过事件控制式换向来控制电机的相。

背景技术

在本发明的意义上，“事件控制式”指的是检测一个事件（例如霍尔-中断或者确定的角度）并且基于检测到的事件（优选通过控制软件）进行换向。一个事件控制式换向的实例时“锁死换向”。

例如在离合器致动器中采用的电换向式电机需要被以高分辨率调整该电机的转子位置。为此可执行矢量调整。所述矢量调整或者磁场定向调整可包括一个基于安装在下面的电流调整器的转速调整器。在此，能够以高频的时间光栅测量所述电机的至少两个相位的相电流，由所述相电流确定转子的另外的通电。这种矢量调整在控制单元中导致非常高的计算耗费。

在锁死换向（其作为事件控制式换向的一个实例）的情况下，所述电机的三个交流线圈中的两个总是被通电，在应用该锁死换向的情况下，转子位置的分辨率只能根据该电机的极对数量来调节。此外，锁死换向的缺点是，它们会导致不连续的、具有强烈振幅的力矩变化。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种用于调整电换向式电机的方法，在该方法中，该电机的转子被以至少1°的高精度精确地调整，尽管具有用于矢量调整的电机控制装置的分析处理单元的负荷大大降低。

根据本发明，所述任务通过以下方式实现，为了高精度地调节转子的位置，将电机的相的控制从事件控制式换向转换到时间控制式换向。在此，总是在确定的时间点（时间-中断）进行换向，所述时间点例如可取决于电机的确定的拓扑结构。其具有的优点是，在时间控制式换向期间以固定的或者可匹配的时间光栅进行用于触发换向的过程中断。在本发明的上下文中，“时间光栅”指的是周期性反复并且具有相同时间步长的软件中断。“固定的（地）”在此指的是所述软件中断在较长的时间间隔或整个寿命上保持不变。“可匹配的”指的是在一定的时间之后和/或根据预先设定的条件（例如转速极限）进行一个改变。此外，通过时间控制式换向可非常精确并且相位精密地调节转子的位置，这导致转子位置的非常精确的调整。时间控制式换向的一个实例是正弦换向。

有利的是，时间控制式换向以固定地预给定的时间间隔进行，其中，根据求得的电机转子位置从一个表格中读出用于所述电机的相的控制值。通过以表格的方式配置用于给所述电机的三个相进一步通电的控制值使得非常精确地进行转子位置的调整，因为转子位置的每个还非常小的改变可在所述表格中用精确的控制值覆盖。此外，分析处理单元的运算能力降低，由此大大限制了具有电机控制任务的分析处理单元的负荷。

在一个构型中，通过加上或减去相对于当前确定的转子位置的偏差，通过从所述表格中读出的用于所述电机的单个相的配属控制值引起场削弱。当定子场相对于转子的旋转场不处于90°的角度时总是进行场削弱。通过改变所述表格的输入值，由分析处理单元读出改变后的控制值，利用所述控制值控制所述电机并且由此得出场削弱。由此实现了电机的改善的转速增益。所述场削弱不仅可以在时间控制式换向而且也可以在事件控制式换向、例如锁死换向时实施。

在一个进一步方案中，所述事件控制式换向、例如锁死换向通过一个过程中断触发，所述过程中断根据转子的位置、特别是根据预给定的角度改变触发。由此，由所述转子的位置确定锁死换向的时间点，而时间控制式换向总是在一个固定的时间窗期满之后进行。

在一个变型方案中，一个确定所述转子的位置的传感器检测所述转子的绝对角度，所述绝对角度通过一个产生至少两个矩形信号的增量式接口传送给一个分析处理单元，所述分析处理单元对由所述增量式接口产生的至少两个矩形信号的边沿进行计数并且据此求得所述电机的转子的位置，其中，在被计数的边沿的确定的数量之后触发所述过程中断。通过使用高分辨率的传感装置（例如在使用绝对值探测器时就是这种情况），可以非常精确地确定电机的转子位置，这是用于1度精度地调整转子的出发点。

有利的是，在预给定数量的过程中断之后进行一个校正中断，所述校正中断在比所述过程中断少的边沿数量之后被触发。该校正是必要的，因为必须在控制信号的确定的电角度之后产生过程中断。在换算为机械角距时出现非整数的值，因此必须实施一个校正中断。

在一个变型方案中，事件控制式换向（例如锁死换向）与时间控制式换向（例如正弦换向）之间的转换根据所述电机的转速进行。因为电机的控制在小转速时正弦形地进行，因此施加的电机电流近似相应于该电机的发电机电压的形状。在该情况下相错非常小，从而对于高精度地调整转子位置来说可忽略所述相错。恒定的力矩变化支持转子位置的精确调节。在较高转速的情况下转换到锁死换向，因为电机电流由于电机电感越来越落后于电机电压。由此，电机电流不再在理想的时间点根据转子位置施加，从而使得不再生成最大可能的电机力矩。因此为了高精度地调节相位，利用在小转速时通过正弦形地控制电机时存在的优点。

在一个构型中，在所述电机的转速低于预给定的第一转速阈值时从所述电机的事件控制式换向转换到时间控制式换向。因为在电机电流与电机电压之间几乎不存在相错，因此允许电机的转子位置的1°精度的可靠调节。

在一个另外的实施方式中，在所述电机的转速超过预给定的第二转速阈值时，从时间控制式换向转换到事件控制式换向，所述第二转速阈值大于所述第一转速阈值。在此确保转子位置的调整可以尽可能长时间地以1度的精度执行。

在一个进一步方案中，在所述电机的一个相不被通电时进行从时间控制式换向到事件控制式换向的转换。由此考虑的是，电机电流与电机力矩的关系在锁死控制的情况下不同于之前在时间控制式换向的情况下的关系。

附图说明

本发明允许大量的实施方式。在附图中示出的图示详细阐述这些实施方式中的一个。

附图中：

图1是电换向式电机的一个相的替换线路图；

图2是转子位置传感器的硬件连接装置的框图；

图3是用于实现与时间有关的换向和锁死换向的示图；

图4是在锁死换向的情况下产生过程中断的示图；

图5是在正弦换向的情况下接线柱电压的示图（实线L1至L3和锁死换向的情况下的接线柱电压（彩色线1至3）），其中，印制在油脂中的垂直的虚线表示有利的转换时间点（因为存在所述相位之一的过零点）。

具体实施方式

图1示出一个用于电换向式电机1的一个相的替换线路图，所述电换向式电机构造为无刷直流电机（BLDC-电机）。这种电机例如被用来在机动车中控制离合器。在此涉及的是交流电机，其以交流电运行，所述交流电由三个以120°相移的交流电压引起并且产生旋转场。所述电机具有三个交流线圈，其中，所述三个交流电压中的一个施加在每个线圈上。所述线圈的接头在此被称为相。在此，每个线圈都是一个阻抗，其通过L相（感抗）和R相（实电阻（reeller widerstand））表征。

在高转速的情况下，电机电流I-Mot由于电机电感L-相而落后于电机电压U-Gen。为了以至少1度的精度确定电机转子的位置，电机电流I-Mot必须精确地适配于转子位置，也就是说，电机电流I-Mot必须与电机电压U-Gen同相。为了实现这一点，必须通过矢量运算来确定角度（电压U-Vor相对于电机电压U-Gen必须以该角度超前）。因为这种做法非常费时并且必然需要分析处理单元的高运算能力，因此建议了一种方法，该方法放弃了费时的运算过程并且尽管如此仍使得电机1的转子位置的调节分辨率具有至少1°的精度。

在图2中示出一个用于将转子位置传感器2连接至一个分析处理单元3的框图，其允许这种高精度的调节分辨率。利用所述转子位置传感器2测量转子的绝对角度。该转子位置传感器2通过一个串行接口4和一个增量式接口5与所述分析处理单元3连接，所述分析处理单元在本例中通过微控制器实现。

微控制器3与转子位置传感器2的组合允许通过所述增量式接口5产生对于换向8、9所需的中断。所述接口5包括至少两个管路，其中，每个管路都提供一个矩形信号并且这两个矩形信号以90°相移。为了确定转子的位置，必须注意信号的上升沿或下降沿，所述上升沿或下降沿也被称为增量。典型的是转子每转一圈具有数值为2048的增量。这意味着每圈1024个上升沿和1024个下降沿。

电机1是否应通过锁死换向8或时间控制式换向9以便以1度的精确调节分辨率进行控制的决定与电机转速有关。由此例如在大于100rpm的转速的情况下实施锁死换向8，而在小于/等于100rpm的转速的情况下采用时间控制式换向9。在时间控制式换向9和锁死换向8之间转换的原因是电机1的与转速相关的阻抗。由于所述阻抗，感抗与转速成比例地升高，这导致电机电压与电机电流之间的相错α。

$\mathrm{\α}\left(N\right)=\left(\frac{2\mathrm{\π}\frac{N\·p}{60}L}{R}\right)$

其中，N：是每分钟的转速，

p：是电机的极对

L：是相感

R：是相阻。

在图3中示出，两个换向类型8、9被所述增量式接口5发出的信号控制。在时间控制式换向9的情况下电机1的所有三个相都借助于PWM信号控制，所述时间控制式换向9被以固定的时间光栅t调取。理想的方式是，这根据PWM频率的周期持续时间TPWM进行。在每个时间点t、t+TPWM、T+2TPWM都执行一个过程中断6，在所述过程中断的情况下为了高精度地调整转子的位置，读出在所述时间光栅中被计数的增量，借助于所述增量进行所述转子的精确的位置确定。所述转子的被由此求得的位置在一个表格中被寻找并且由所述微控制器3读出用于给电机1的所有三个相通电的相应控制模式。

对于锁死换向8来说，根据转子的位置产生过程中断6。在微处理器3中借助于位置计数器触发一个过程中断6，所述位置计数器对所述增量式接口5的矩形信号的边沿进行计数。通过所述增量式接口5的边沿的分析处理而确定的过程中断6在此总是在所述转子的下述位置上触发，所述位置以电的方式通过60°表征。在7-极对式电机1的情况下，60°电相应于360°/（7*6）=8.57°机械，这相应于转子位置，通过所述60°电表征旋转场位置。上述方程分母中的6相应于每360°电的6个框步骤。为了使旋转场的位置与转子的位置对应，电位置与机械位置之间的换算是必要的。

增量式接口5产生每圈2048个边沿或增量，在所述增量式接口5的情况下，所有的2048（7*6）=48.76增量都必须触发一个过程中断。也就是说，每个增量使得转子的位置改变平均8.57°。因为在此得不到所述增量的整数数值，所以必须执行矫正，如图4中所示的那样。由此总是在49个增量之后触发一个过程中断，这相应于每8.61°增量的转子位置改变。但是在此每个过程中断6均具有大致0.042°的误差，所述误差也被加上。为了修正所述误差，在48个增量之后触发矫正中断7。

通过本发明的解决方案不仅可利用时间控制式换向9的高调节精度而且可利用锁死换向8的高效率。所述时间控制式换向9在此通过借助于所求得的转子位置从储存的表格中读出适当的控制模式进行。由于在转速增加的情况下在电机电流和电机电压中的相移也增加，所以必须从一个确定的转速起转换到锁死换向8，这是允许的，因为只有在低转速时才需要转子位置的高调节精度。

在图5中示出从事件控制式换向（锁死换向）向事件控制式换向（正弦换向）转换的可能的构型，确切地说在下述部位上，在所述部位上所述相之一具有过零点。

所述换向可不仅根据信号值（例如转速）从锁死转换到正弦或者反过来，而且也可以根据相位（x轴）进行。通过选择有利的转换点，例如在图5中所示，可实现更平稳的转换过程（无力矩跃变或电流跃变）。由于不同的控制，在所述换向转换时附加地将一个因子加载到额定电压上。

附图标记表

1电机

2转子位置

3分析处理单元

4串行接口

5增量式接口

6过程中断

7矫正中断

8锁死换向

9时间控制式换向

Claims (10)

1.一种用于调整电换向式电机的、特别是无刷直流电机的转子位置的方法，在该方法中，在确定了转子的位置之后通过事件控制式换向（8）来控制所述电机（1）的相，其特征在于，为了高精度地调节所述转子的位置，将所述电机（1）的相的控制从事件控制式换向（8）转换到时间控制式换向（9）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间控制式换向（9）以固定地预给定的时间间隔（t、t+T_PWM、t+2T_PWM）进行，其中，根据所述电机（1）的转子的求得的位置从一个表格中读出用于所述电机（1）的相的控制值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过加上或减去相对于当前确定的转子位置的偏移量，通过从所述表格中读出的用于所述电机（1）的相的控制值引起场削弱。

4.根据权利要求1、2或3中的至少一项所述的方法，其特征在于，所述事件控制式换向（8）通过一个过程中断（6）触发，所述过程中断根据转子的位置、特别是根据预给定的角度改变触发。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，一个确定所述转子的位置的传感器（2）检测所述转子的绝对角度，所述绝对角度通过一个产生至少两个矩形信号的增量式接口（5）传送给一个分析处理单元（3），所述分析处理单元对由所述增量式接口（5）产生的至少两个矩形信号的边沿进行计数并且据此求得所述电机（1）的转子的位置，其中，在被计数的边沿的确定的数量之后触发所述过程中断（6）。

6.根据权利要求4和5所述的方法，其特征在于，在预给定数量的过程中断（6）之后进行一个校正中断（7），所述校正中断在比所述过程中断（6）少的边沿数量之后被触发。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，事件控制式换向（8）与时间控制式换向（9）之间的转换根据所述电机（1）的转速进行。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述电机（1）的转速低于预给定的第一转速阈值时从所述电机（1）的事件控制式换向（8）转换到时间控制式换向（9）。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在所述电机（1）的转速超过预给定的第二转速阈值时从时间控制式换向（9）转换到事件控制式换向（8），所述第二转速阈值大于所述第一转速阈值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述电机（1）的一个相不被通电时进行从时间控制式换向（9）到事件控制式换向（8）的转换。

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