CN103314521A

CN103314521A - 电机的转子位置的确定方法

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Publication number: CN103314521A
Application number: CN2012800055361A
Authority: CN
Inventors: 罗尔夫·施特罗特曼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: US9459122B2; WO2012097807A3; CN103314521B; EP2666238B1; WO2012097807A2; DE112012000026A5; US20150061641A1; EP2666238A2; DE102011008756A1; DE102011008756A8

Abstract

本发明涉及一种用于确定具有多个相位线路（1，2，3）的电机（4）的转子相对于定子的位置的方法。根据本发明，确定流过电流输入端（1’，2’，3’）的电流I的时间导数的改变该改变通过在其中至少一个电流输入端（1’，2’，3’）上的电位U的改变ΔU促成，并且由多个同时或相继确定的改变确定对转子的位置有代表意义的测量信号。

Description

电机的转子位置的确定方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定具有多个相位线路的电机的转子相对于定子的位置的方法，还涉及一种用于执行本方法的设备。

背景技术

在EP 1 005 716 B1中公开了一种电机的转子位置的一种测定方法，在此方法中利用由于电流输入端上的电位变化所造成的星点上的电位变化以测定一个对转子位置有代表意义的信号。

发明内容

本发明的任务在于提供一种新的用于确定电机的转子的位置，该方法不需要测量在电机内部的电参数就可执行。

根据本发明，解决上述任务的方法，其特征在于：对于电机的其中至少一个电流输入端而言确定流过有关的电流输入端的电流I的时间导数

的改变

该改变作为在其中至少一个电流输入端上的电位U的改变ΔU的结果出现，并且由多个同时或相继确定的改变

确定对转子的位置有代表意义的测量信号。

根据本发明，转子位置的确定仅仅借助于在电机外面可测量的电流和可改变的电压予以实现的。

有利的是，确定其中一个或多个相位线路的瞬时感应率和/或这些瞬时感应率的商作为有代表意义的测量信号。

电位U的改变ΔU是如此短时间地实现的，使得在此期间无论是在相位线路中所感应的电压还是流过电流输入端的电流都没有明显改变。

相位线路可以按星状和/或三角形加以布线。

有利的是，电位U的改变ΔU是从一个电位零点向一个直流电压、特别是电池电压U_B进行的，或者反之进行的。

根据本发明的一个特别优选的具体实施方式，电位U的改变ΔU在电机馈电的情况下通过脉冲宽度调制（PWM）实现。电机转子位置的确定因而既不需要干扰电机本身，也不需要干扰其运行方式。

改变

例如可以利用一个测量用互感器求得的，该测量用互感器提供可选地待增强的电压信号。在例如通过脉冲宽度调制执行的电压转换情况下，就可在测量用互感器的次级线圈上得出一个与在转换时的电压跃变相对应的跃变。

可以对于电流输入端中的仅一个电流输入端而言确定多个由多个电位改变ΔU所促成的改变

用于测量电路的耗费是相当小的。另外，在极端情况下也可对于多个电流输入端而言确定由一个唯一的电位改变ΔU所促成的改变

从而每个电流输入端都需要一个测量电路。

根据本发明的一个优选的具体实施形式，有代表意义的测量信号是从等式确定的，这些等式包含在电压改变的前后在各单个相位线路上的电压分量的总和。

附图说明

下面将参照一些实施例和与实施例相关的附图，对本发明作进一步说明。附图表示：

图1一种电机的示意图，其配有按星状布线的相位线路以及用于按本发明的方法确定电机转子的位置的装置；

图2一种测量装置，用于测定一个相位线路中电流I的时间导数的改变

和

图3一种电机的示意图，该电机配有按三角布线的相位线路以及用于按本发明的方法确定电机转子的位置的装置。

具体实施方式

一种电机4的三个按星状布线的相位线路1、2、3分别形成一个感应电阻5和一个欧姆电阻6。相位线路1、2、3的背向星点7的端头与用于馈电导线1′′、2′′、3′′的接头1′、2′、3′相连。

一个馈电装置8将馈电导线1′′、2′′、3′′经由切换装置9至11按照脉冲宽度调制方法（PWM-法）与蓄电池12的直流电压U_B或者电压零点连接。

馈电导线1′′、2′′、3′′中的测量装置13至15用来测定变化

即用来测定流过相关馈电导线的电流I的按时间的第一导数的变化。在此涉及瞬时的变化，这些变化是作为通过切换装置9至11的转换结果而产生的。

测量装置13至15与分析处理装置16相连，该分析处理装置本身是经过控制导线17而与馈电装置8相连。

如图2所示，测量装置13、14、15例如可以具有一个测量用互感器18，该测量用互感器的二次绕组19提供一个电压信号，该电压信号是

的一个尺度，即电流I的按时间的第一导数。一个增强器21的设置目的在于：初级线圈20的感应率与相位线路1、2、3的感应率相比可能是很小的。

对于在各个相位线路i（i=1，2，3）上的电压Ui在任一时间点都适用下列等式：

Ui = U_{iind} + L_{i} {\overset{\cdot}{I}}_{i} + R_{i} I_{i} - - - (1)

式中的U_i _ind表示在相位线路i中所感应的电压；L_i表示相位线路i的感应率；R_i表示该相位线路的欧姆电阻。

视情况而定，在相位线路i上是否存在蓄电池电压U_B或电压零点，U_i=0，U_i=Us，U_i=U_B-Us或U_i=Us-U_B，其中Us表示星点7上的电位。

假若例如从一种切换状况出发，在此切换状况中所有的三个相位线路1、2、3都与电压零点相连，则适用下列各式：

0 = U_{1 ind} + L_{1} {\overset{\cdot}{I}}_{1} + R_{1} I_{1} - - - (2)

0 = U_{2 nd} + L_{2} {\overset{\cdot}{I}}_{2} + R_{2} I_{2} - - - (3)

0 = U_{3 ind} + L_{3} {\overset{\cdot}{I}}_{3} + R_{3} I_{3} - - - (4)

欧姆电阻R_i可以视作彼此相等并且在电机的电动机运行中可视作常数。感应率L_i则取决于励磁场对励磁线圈芯的磁化的相关影响，并且因此取决于转子的位置。在半个磁性周期内，在相位线路的感应率和转子的位置之间总存在一个明确的关联，可将之用于转子的位置测定，如下文所述。

例如在通过切换装置11将相位线路3转换到电池电压U_B之后，于是得出：

U_{S} = {U_{1 ind}}^{,} + L_{1} {\overset{\cdot}{I}}_{1}^{,} + R_{1} {I_{1}}^{,} - - - (5)

U_{S} = {U_{2 ind}}^{,} + L_{2} {\overset{\cdot}{I}}_{2}^{,} + R_{2} {I_{2}}^{,} - - - (6)

U_{B} - U_{S} = {U_{3 ind}}^{,} + L_{3} {\overset{\cdot}{I}}_{3}^{,} + R_{3} {I_{3}}^{,} - - - (7)

从由等式（2）至（4）所表征的切换状态变换到根据等式（5）至（7）的切换状态完成得如此迅速，使得在相位线路中感应的电压U_1ind和流过该处的电流都没有明显改变，所以适用：

这种转换基本上只对（即电流的接时间的第一导数）有影响。因此可通过（2）-（5）、（3）-（6）和（4）-（7）的减法得出下式：

L_{1} ({\overset{\cdot}{I}}_{1} - {\overset{\cdot}{I}}_{1}^{,}) = L_{1} \cdot Δ {\overset{\cdot}{I}}_{1} = Us - - - (8)

L_{2} ({\overset{\cdot}{I}}_{2} - {\overset{\cdot}{I}}_{2}^{,}) = L_{2} \cdot Δ {\overset{\cdot}{I}}_{2} = Us - - - (9)

L_{3} ({\overset{\cdot}{I}}_{3} - {\overset{\cdot}{I}}_{3}^{,}) = L_{3} \cdot Δ {\overset{\cdot}{I}}_{3} = U_{B} - Us - - - (10)

参数

和

可利用测量装置13至15加以测定。在三个等式（8）至（10）中感应率L₁，L₂和L₃以及在星点上的电位Us都是未知的。

从三个等式（8）至（10）中可以在消去Us的情况下测定比率L₁/L₂、L₁/L₃和L₂/L₃，这些比率分别表示在半个磁性周期内电机转子位置的指示值。

对以上述及的切换状态的变更还可运用下式：

U_{B} = (L_{3} + 1 / (1 / L_{1} + 1 / L_{2})) \cdot Δ {\overset{\cdot}{I}}_{3} - - - (11)

因此有四个等式（8）至（11）可供用于测定未知的L₁、L₂、L₃和U₃。感应率L₁、L₂、L₃中任一个都可以用作为半个磁性周期内转子位置的指示值。

不言而喻，为了获得多个等式（从这些等式可以消去U_S和测定L₁、L₂和/或L₃），可以考虑多个相继进行的切换状态变换，只要保证下述条件：在总的测量时间上转子的位置都没有明显变化。在这些条件下，

不需要在所有三个相位线路中加以测定。在考虑到多个切换状态变换时，

的测量在唯一的一个相位线路中进行就够了。相应地只需要唯一的一个测量装置。

用于确定L₁、L₂和/或L₃的等式也可为下述情况提出：相位线路1、2、3是按三角布线的，如图3中所示。

一个第一切换状态变换例如涉及到接头1a’从电压零点到电池电压U_B的转换。一个第二切换状态变换涉及到接头2a’从电压零点到电池电压U_B的转换。由此得出三个等式：

Δ {\overset{\cdot}{I}}_{2} \cdot L_{1} = U_{B} - - - (12)

Δ {\overset{\cdot}{I}}_{3} \cdot L_{3} = U_{B} - - - (13)

Δ {\overset{\cdot}{I}}_{3^{,}} \cdot L_{2} = U_{B} - - - (14)

从这些等式中可求得未知的L₁、L₂、L₃。

在图2所示的具体实施方式中，测量装置13至15确定或者至少一个这种测量装置确定一个对在相关馈电导线中的电流I的时间导数有代表意义的电压信号S，该电压信号被输送至分析处理装置16。经过控制导线17所接收的、表示通过切换装置9至11所执行的转换的控制信号允许确定在一次转换之前和之后的S，从而允许确定一个对

有代表意义的信号ΔS。从信号ΔS，分析处理装置16例如可参照前面列出的等式，确定对转子的位置有代表意义的信号。

上面述及的用于转子位置测定的方法可以与已知的、以星点上电位U_S的分析处理为基础的方法相结合。

图2中所示测量装置的初级线圈20可以在转换过程中导致获得有利的阻尼效应。

从所求得的感应率L₁、L₂、L₃中可以确定出一个磁通矢量，该磁通矢量的方向与通过转子的磁场所产生的转子磁通矢量Φ_R的方向相重合，而且与转子磁通矢量Φ_R成比例，只要在相位线路中流过的电流I₁、I₂、I₃不明显影响到总磁通矢量Φ。后者可能是特别在弱的转子磁场和大的空隙条件下出现的情况。对于是感应率L₁，L₂，L₃的一个函数的总磁通矢量Φ有决定性意义的，除了转子磁通矢量Φ_R，就是与电流I₁、I₂、I₃有关的定子磁通矢量Φ_S：

Φ（L₁，L₂，L₃）=Φ_R+Φ_S（I₁，I₂，I₃）（15）。

在已知感应率L₁，L₂，L₃和已知电流I₁，I₂，I₃的情况下便可计算出转子磁通矢量Φ_R：

Φ_R=Φ（L₁，L₂，L₃）-Φ_S（I₁，I₂，I₃）（16）。

在知道转子磁通矢量Φ_R时便亦可知道转子的旋转位置。

电流I₁、I₂、I₃是可以加以测量的。在已知感应率L₁、L₂、L₃，在（通过的测量）已知值

在已知电阻R₁、R₂，R₃，和在已知被感应的电压U_1ind，U_2ind，U_3ind的情况下，可以计算出这些电流，也可参照上面列出的等式计算出这些电流。

电压U_i _ind可以由总磁通矢量Φ的分量Φ_i乘以所求得的转子的转速得出。