CN103270687B - 用于测定电机的转子旋转角位的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定电机的转子（5）相对于定子（9）的位置的设备，该电机包含多个相位支路（1，2，3），这些相位支路各自具有至少一个配有可磁化的芯体（10）的励磁绕组（4），该设备包含多个用于测定测量信号的装置（11-19），这些测量信号是以励磁绕组芯体（10）的瞬时的、通过转子（5）的磁场的旋转角位置影响的磁化度为特点的。根据本发明，所述装置还用于测定在各相位支路中的电流并且用于在考虑到相位支路电流对于励磁绕组芯体的磁化度的贡献的情况下从测定的测量信号确定转子的旋转角位置。

Description

用于测定电机的转子旋转角位的设备
技术领域
本发明涉及一种用于确定电机的转子相对于定子的位置的设备，该电机包含多个相位支路，这些相位支路各自具有至少一个配有可磁化的芯体的励磁绕组，该设备包含多个用于测定测量信号的装置，这些测量信号是以励磁绕组芯体的瞬时的、通过转子的磁场的旋转角位置影响的磁化度为特点的。
背景技术
这种设备已在DE102006046637A1中公开。电机的转子的磁场根据转子的旋转角位置在不同程度上磁化励磁绕组的芯体，从而得相位支路的不同的、与旋转角位相关的磁化度，从而获得相位支路的不同的感应率。在每半个磁周期上在感应率和转子旋转角位置之间存在明确的关联。通过确定代表着感应率的信号，即可求得转子的旋转角位置。
发明内容
本发明的任务在于提供一种新型的开头所述的那种设备，该设备能以较高精确度测定转子的旋转角位置。
根据本发明的解决上述任务的设备的特征在于：所述装置还用于测定在各相位支路中的电流并且用于在考虑到相位支路电流对于励磁绕组芯体的磁化度的贡献的情况下从测量信号确定转子的旋转角位置。
据此，本发明考虑到有关相位支路电流对励磁绕组芯体的磁化度的影响，所以即使当除了转子的磁场之外，通过相位支路电流产生的磁场也对于励磁绕组芯体的磁化起着重要的作用时，依然可以实现精确确定旋转角位置。
有利的是，测定代表相位支路的瞬时感应率的测量信号。
在所求得的测量信号和穿过该电机的总磁通量的矢量之间在半个磁周期上存在明确的、可预定的关联，从而可以从测量信号推断出磁通矢量。根据本发明的电流测量允许确定通过相位支路电流所产生的占总通量的份额。从总通量和由相位支路电流所产生的份额之间的矢量差得出转子的磁通矢量。在已知转子的磁通矢量的情况下，转子的旋转角位置即是已知的。
此外，根据本发明的一个特别优选的具体实施方式，设置一个装置以用于各相位支路的通电流，以之作为对产生转矩的工作电流的补充，从而通过提高励磁绕组芯体的磁化度来突出测量信号。本发明不仅有利地考虑到通电流对测量信号的影响，而且也通过有目的地补充地通电流而进一步提高位置确定的精确度。电流提高了励磁绕组芯体的磁化度，这导致获得更大的测量信号，这些测量信号相对于干扰信号显著突出。
用于补充地通电流的通电流装置优选设置用于改变通过相位支路电流产生的磁通量的一个平行于转子磁通量的矢量份额的矢量份额。有利地是不会因此造成电机转矩的任何变化。补充通电流仅仅导致突出测量信号。
优选相位支路是至少部分地按星状布线的，并且用于测定测量信号的装置用于分析评价星状接点上的电位。
优选用于测定测量信号的装置设置用于探测电位变化、特别是星状接点上的电位变化，这些电位变化是由于施加到相位支路上的电压脉冲而产生的。
信号测定装置有利地测定与依次相继地施加到相位支路上的电压脉冲相关联的测量信号，电压脉冲是以一个短的时间间隔Δt在时间上错开的，在该时间间隔中转子的位置几乎没有变化。
也可以使用这样的脉冲作为测量脉冲，该脉冲用于按照脉冲宽度调制方法（PWM方法）给电机通电流，其中，电池的直流电压脉冲式周期性地施加到电机上。
附图说明
下面将参照一些实施例和所附的与其中一个实施例相关的附图对本发明作详细说明。附图表示：
图1配有本发明提出的设备的电机的示意图；
图2图1所示电机的一个示意截面图；
图3关于将测量脉冲施加到图1和2所示电机上的解释图；
图4关于探测在图1和2所示电机的星状接点上的信号的解释图；和
图5用于解释图1和2所示电机的补充的、突出测量信号的通电流的视图。
具体实施方式
在图1和2中示意地示出的电机具有三个按星状布线的相位支路1、2、3，其各自具有一个在定子9上的励磁绕组4。该电机包含一个具有永久磁铁6、7的外转子5，这些永久磁铁形成一个北极和一个南极。励磁绕组4的轴线8相互成120°角。这些励磁绕组各自由一个铁芯10填充。
与所示的实施例不同，这种电机也可以设计成多极的，而且为每个相位支路可以具有多于一个的励磁绕组，以及代替唯一的磁周期可以有多个磁周期，其各自具有一个北极和一个南极。相位支路的数目也可大于或小于三。代替所示相位支路1、2、3按星状的布线，也可以按三角布线。
一种功率开关装置11用于电机的通电流，该功率开关装置按照脉冲宽度调制方法（PWM方法）将一个电池12的直流电压UB脉冲式地施加到相位支路1、2、3上。功率开关装置11与一控制电路13相连，该控制电路此通过功率开关装置11控制电机的通电流。
信号测定装置14是与星状接点16及与控制电路13相连的。经过也与控制电路相连的电流测量装置17、18、19，便可确定相位支路1、2、3中的电流I1、I2、I3。
根据依照箭头15可围绕定子9旋转的外转子5的旋转角位置，外转子5的磁场不同程度地穿过以铁填充的定子9的励磁绕组4。相应地，在以铁填充的励磁绕组4中所产生的磁通密度BM1、BM2和BM3是不同的。特别是，由于在有铁的磁通密度BM和没有铁的磁通密度B之间的非线性函数关系之故，三个铁芯10的磁化度dBM/dB是不同的。通过外转子5的磁场所产生的磁化度分别在半个磁周期上、亦即在180°的旋转角范围上明确地与外转子5的旋转角位置相关。
在按照PWM方法给电机通电流的情况下，在根据图3和4所示的实施例中，在每个PWM周期之前，以一个时间间隔Δt错开时间地将电池12的直流电压UB高度的测量脉冲20、21、23依次相继地施加到相位支路1、2、3上。脉冲持续时间和时间间隔Δt都是如此之小，使得外转子5的旋转角位置在此期间几乎没有变化。同样地，在该短的时间段中，在相位支路1、2、3中流通的电流I1、I2、I3也是保持不变的，而且由于外转子5的旋转而在相位支路中感应的电压也保持不变。
对于相位支路1、2、3上脉冲电压UB的下降而言，只有相位支路1、2、3的瞬时感应率L1、L2、L3是决定性的，励磁绕组4的有关铁芯10的磁化度dBm1/dB、dBm2/dB和dBm3/dB作为系数进入到感应率中。
在时间点t1所施加的脉冲20的电压UB根据图4a经过相位支路1和一个与之相串联的相邻的由相位支路2和3构成的并联线路而下降。对此适用下列的分压比公式：
US1/UB=L2×L3/（L1×L3+L1×L2+L2×L3）（1）
式中的US1表示星状接点16上的电位。
在时间点t1所施加到相位支路1上的电压脉冲在星状接点16上触发一个高度US1的脉冲，该脉冲可以是与一个比较缓慢地变化的、通过感应产生的电压值相重叠的。
如若对于瞬时感应率L1、L2、L3而言，流过相位支路1、2、3的工作电流不是决定性的，则脉冲高度US1分别在半个磁周期上是外转子5的旋转角α的一个明确的函数，其中信号US1随着角α的函数变化大致对应于一个正弦函数。
对于信号US2和US3，这两个脉冲信号是通过在时间点t2和t3施加到相位支路2和3上的电压脉冲所产生的，上述公式亦适用。信号US1、US2和US3是彼此按一个120°的相位角位移的。根据这些信号便可确定转子的相关旋转角位置，如在所援引的DE102006046637A1中所介绍的。为了产生信号，可以代替单独的电压脉冲而使用在按PWM方法通电流的情况下所用的通电流脉冲。
如若由于较大工作电流I1、I2、I3、由于外转子5的较弱磁铁和/或由于大的空隙之故对于瞬时感应率L1、L2、L3而言不仅外转子5的磁场而且定子9的由工作电流I1、I2、I3所产生的磁场都是决定性的，则不能直接从信号US1、US2和US3确定外转子5的旋转角位置。在后一种情况下，即工作电流也进入到在星状接点16上所求得的信号US1、US2和US3中的情况下，则这些信号在半个磁周期之内仍然与磁通Φ的矢量处于明确的关联，该磁通穿过电机并由三个彼此按120°相处的励磁绕组4的磁通的矢量之和组合而成。假若如此观察信号US1、US2、US3，即认为它们形成彼此按120°角度相处的矢量，则信号US1、US2、US3（这些信号形成那些彼此按120°角度相处的矢量分量）的某个总矢量在所述半个磁周期之内等于磁通Φ的某个矢量。从所求得的信号US1、US2、US3的总矢量反过来亦可推断出磁通Φ的矢量。
此外，借助于电流I1、I2、I3可以确定定子9的磁通ΦS在总磁通Φ上所占的矢量份额，这些电流可利用电流测量装置17至19测定。于是，转子5的磁通ΦR在总磁通Φ上所占的矢量份额可以从总磁通Φ和定子磁通ΦS的矢量差中求得：
ΦR=Φ-ΦS
通过确定矢量份额，亦可获得知外转子5的旋转角位置。
在下述情况下在星状接点16上得出的信号USi-UB/3是很小的，即从相位支路至相位支路的感应率Li差别是微小的，这在外转子5的弱磁铁的条件下、在小的流过相位支路的工作电流I1、I2、I3的条件下和/或在大的空隙的条件下可能是这种情况。
通过给电机补充地通电流，然而可以增大信号，方式为提高磁化度dBM/dB。于是，在星状接点上求得的信号对于干扰因素是不太敏感的。
补充的通电流最好如此地执行，使得电机转矩不会因这种通电流而改变。这可以如此实现：通过该补充的通电流只有定子磁通ΦS的一个与转子磁通ΦR相平行的份额Φsp发生改变，如图5所示的情况。
对于电机转矩的大小而言，乘积ΦS×ΦR是决定性的。如果电机的补充的通电流导致产生一个定子磁通ΦS2（该定子磁通仅作为原来的定子磁通ΦS1和与转子磁通相平行的份额ΦSP之和得出），则电机转矩不会改变。附加的与转子磁通ΦR相平行的定子磁通份额ΦSP然而有利地有助于突出测量信号。

Claims (10)

1.一种用于确定电机的转子(5)相对于定子(9)的位置的设备，该电机包含多个相位支路(1，2，3)，这些相位支路各自具有至少一个配有可磁化的芯体(10)的励磁绕组(4)，该设备包含多个用于测定测量信号的装置(11-19)，这些测量信号是以励磁绕组芯体(10)的瞬时的、通过转子(5)的磁场的旋转角位置影响的磁化度为特点的，其特征在于：所述装置(11-19)还用于测定在各相位支路(1，2，3)中产生的瞬时的用于电机工作的电流并且用于在考虑到相位支路电流对于励磁绕组芯体(10)的瞬时的磁化度的贡献的情况下由测量信号和所述电流确定转子(5)的旋转角位置。
2.按权利要求1所述的设备，其特征在于：测量信号代表相位支路(1，2，3)的瞬时感应率。
3.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于：所述装置(11-19)用于由所测定的测量信号推断出穿过电机的磁通(Φ)的矢量；用于测定通过电流在相位支路(1，2，3)中引起的、在所述磁通(Φ)上所占的矢量份额(ΦS)；以及用于从所述磁通(Φ)和相位支路(1，2，3)的矢量份额(ΦS)之差确定转子(5)的磁场在所述磁通(Φ)上所占的矢量份额(ΦR)。
4.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于：设置一个装置用于给相位支路(1，2，3)通电流，以之作为对产生电机转矩的工作电流的补充，从而通过提高励磁绕组芯体(10)的磁化度来突出测量信号。
5.按权利要求4所述的设备，其特征在于：通电流装置用于改变相位支路(1，2，3)的矢量份额(ΦS)的一个与转子(5)的矢量份额(ΦR)相平行的分量(ΦSP)。
6.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于：相位支路(1，2，3)至少是部分地按星状布线的，并且用于测定测量信号的装置(11-19)用于分析评价星状接点(16)上的电位。
7.按权利要求6所述的设备，其特征在于：用于测定信号的装置测定与施加到相位支路上的电压脉冲相关联的电位变化。
8.按权利要求7所述的设备，其特征在于：用于测定测量信号的装置(11-19)测定与依次相继地施加到相位支路(1，2，3)上的电压脉冲(20，21，22)相关联的电位变化。
9.按权利要求8所述的设备，其特征在于：依次相继地施加的电压脉冲相互之间以一个短的时间间隔(Δt)而错开时间，在该时间间隔中转子(5)的位置不变化。
10.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于：电机设置用于通过将直流电压(UB)脉冲式施加到相位支路上来通电流并且产生测量信号的电压脉冲同时是通电流脉冲。
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