CN103444059B - 具有转子位置检测的电子换向电动机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子换向电动机。所述电子换向电动机具有尤其永磁性构造的转子和定子。所述电动机还具有与定子连接的控制单元。控制单元被构造来给所述定子通电，用于产生旋转磁场。根据本发明，所述电动机具有至少一个霍尔传感器，所述至少一个霍尔传感器被构造用于检测由与所述转子连接的探测磁体产生的探测磁场的至少一个量值，并且具有至少一个磁阻传感器，其被构造用于在所述转子的转子回转期间检测总磁场的定向并且产生代表所述定向的转子位置信号，其中所述总磁场包括所述探测磁场和对所述探测磁场进行叠加的干扰磁场。所述控制单元被构造用于至少根据所述总磁场的定向、所述探测磁场的至少一个先前存储的量值和由所述电动机的电部件产生的干扰磁场的量值和定向来确定所述转子的转子位置。

Description

具有转子位置检测的电子换向电动机及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种电子换向电动机。所述电子换向电动机具有尤其永磁性构造的转子和定子。所述电动机还具有与定子连接的控制单元。控制单元被构造来给定子通电，用于产生旋转磁场。

背景技术

在由现有技术已知的电动机中，已知用于检测转子位置的霍尔传感器，其中可以根据转子位置操控电动机，用于使转子旋转运动。

发明内容

根据本发明，电动机具有至少一个霍尔传感器，其被构造用于尤其是在定子的无电流状态中检测由与转子连接的探测磁体（Gebermagnet）产生的探测磁场的至少一个量值。进一步优选地，电动机具有至少一个磁阻传感器，所述至少一个磁阻传感器被构造用于在转子的转子回转期间检测总磁场的定向并且产生代表所述定向的转子位置信号，其中所述总磁场包括探测磁场和对该探测磁场进行叠加的干扰磁场。

控制单元在输入侧与转子位置传感器连接。控制单元被构造用于，至少根据总磁场的定向、探测磁场的至少一个先前存储的量值和至少由电动机的电部件产生的干扰磁场的量值和定向来确定转子的转子位置。因此，可以有利地以向量方式确定探测磁场的精确定向，用于转子位置确定。

磁场的量值优选是磁场的磁通量密度的量值。

所述磁阻传感器例如是CMR感应器（CMR=Colossal-Magneto-Resistive，庞磁阻）、AMR传感器（AMR=Aniotrope-Magneto-Resistive，各向异性磁阻）、GMR传感器（GMR=Giant-Magneto-Resistive，巨磁阻）或TMR传感器（TMR=Tunnel-Magneto-Resistive，隧穿磁阻）。下面，磁阻传感器的转子位置信号也称作XMR转子位置信号。

为此，例如可以以干扰磁场向量、尤其是以复数形式的向量指针的形式将干扰磁场存储在控制单元的存储器中。进一步优选地，可以在转子回转期间、尤其在定子的无电流状态中由霍尔传感器检测探测磁场的量值或附加地检测探测磁场的定向并且以探测磁场向量的形式存储在存储器中。在电动机运行期间、尤其是电动机的通电运行状态期间，于是可以借助磁阻传感器检测先前提到的总磁场定向。总磁场在此代表由干扰磁场叠加的探测磁场。

控制单元优选被构造用于，借助向量加法根据总磁场的定向和干扰磁场的定向和量值和先前存储的探测磁场量值来确定探测磁场的定向。

在一个优选的实施方式中，电动机具有至少一个其他霍尔传感器。所述其他霍尔传感器被构造用于，检测转子位置并且产生代表转子位置的其他转子位置信号，所述其他转子位置信号代表探测磁场的至少一个量值或附加地代表探测磁场的定向。

优选所述霍尔传感器和其他霍尔传感器在转子回转方向上彼此错开地布置。进一步优选地，所述霍尔传感器和其他霍尔传感器在转子回转方向上彼此正交地错开布置。通过所述霍尔传感器的错开布设置或正交错开的布置，只要转子位置信号在正弦形构造的情况下可以在一时刻被分析处理，在所述时刻，相应的转子位置信号具有最大时间变化，就可以有利地更精确地检测转子位置。

当磁阻传感器的检测范围仅是半个转子旋转、尤其是180度时，借助霍尔传感器，可以有利地使磁阻传感器的检测范围扩展到完整的转子回转、尤其是360度。

进一步有利地，可以以磁通量密度、尤其是探测磁场的磁通量密度的量值的检测来补充磁阻传感器的角度检测。

霍尔传感器例如是线性检测霍尔传感器，其被构造用于，产生模拟的输出信号。

在一种优选的实施方式中，所述霍尔传感器和/或其他霍尔传感器是温度补偿霍尔传感器，其中所述温度补偿霍尔传感器被构造用于，与温度补偿霍尔传感器的温度无关地产生尤其是数字的霍尔信号作为输出信号。数字霍尔信号例如是脉宽调制信号或SPI信号（SPI=Serial-Peripherial-Interface，串行外围接口）。因此可以有利地与温度无关地产生转子位置，使得即使在电动机加热时或在电动机运行时在小于零摄氏度的负温度情况下也可以有利地实现准确的转子位置确定。

优选地，霍尔传感器是线性检测霍尔传感器，所述线性检测霍尔传感器被构造用于，产生模拟的输出信号并且所述其他霍尔传感器是温度补偿霍尔传感器，所述温度补偿霍尔传感器被构造用于，产生数字的输出信号。霍尔传感器的输出信号分别代表量值、尤其是由霍尔传感器检测的探测磁场的磁通量密度的量值。

控制单元优选被构造用于，由霍尔传感器和其他霍尔传感器的转子位置信号产生总霍尔信号，并且根据总霍尔信号确定探测磁场、尤其是探测磁场的量值和定向。所述总霍尔信号优选是正交信号，其中在正交信号的情况下，霍尔传感器和其他霍尔传感器在转子回转方向上彼此正交地彼此错开地布置。

借助正交的布置，可以有利地借助控制单元实现特别精确的转子位置检测。进一步优选地，控制单元可以在电动机的运行期间根据XMR转子位置信号或附加地根据总霍尔信号确定转子位置。因此，可以有利地借助总霍尔信号来构成附加的转子位置检测，所述附加的转子位置检测借助磁阻传感器冗余地补充转子位置检测。

在电动机的一种优选的实施方式中，控制单元被构造用于，根据总霍尔信号、尤其是正交信号确定总磁场的定向或附加地确定总磁场的量值。因此，可以有利地借助两个彼此不同的传感器类型来检测总磁场并且改善转子位置的检测精度。

优选地，温度补偿霍尔传感器具有相应于控制单元的运行电压的运行电压。因此，电动机有利地不需要有电压转换器来产生用于霍尔传感器的单独的运行电压。

本发明还涉及一种用于运行电子换向电动机、尤其是先前描述类型的电动机的方法。

在用于运行电子换向电动机的方法中，借助霍尔传感器，尤其在定子的无电流状态中检测和存储由与转子连接的探测磁体产生的探测磁场的至少一个量值。此外，在转子的转子回转期间借助磁阻传感器检测总磁场的定向并且产生代表所述定向的转子位置信号，其中所述总磁场包括探测磁场和对所述探测磁场进行叠加的干扰磁场，其中根据检测的总磁场定向、先前存储的探测磁场量值和由电动机的电部件产生的干扰磁场的量值和定向以向量方式确定探测磁场的定向。

优选地，在所述方法中，借助其他霍尔传感器检测探测磁场和产生其他霍尔信号。由所述霍尔信号和其他霍尔信号构成总霍尔信号，所述总霍尔信号代表探测磁场。

优选地，所述总霍尔信号是代表两个彼此移相90度的霍尔信号的正交信号。

附图说明

现在下面根据图和其他实施例描述本发明。其他有利的实施变型方案由从属权利要求的特征和由对于图描述的特征得出。

图1示出用于电子换向电动机的实施例，其中可以消除在转子位置检测时的干扰磁场；

图2示出轨迹，其中示出干扰磁场和探测磁体的场和在计算上消除干扰场用于确定探测磁体的磁场的原理；

图3示出用于运行电子换向电动机的方法的示例。

具体实施方式

图1示出用于电子换向电动机1的实施例。电子换向电动机1具有尤其是永磁性构造的转子5。转子5可围绕旋转轴线10旋转地安放。转子5具有与转子5连接的探测磁场6，所述探测磁场被布置，使得可以由至少一个霍尔传感器（在本实施例中是霍尔传感器14和16）检测由探测磁体6产生的探测磁场。霍尔传感器14例如是线性检测模拟霍尔传感器，霍尔传感器16例如是温度补偿霍尔传感器，所述温度补偿霍尔传感器被构造用于产生尤其是数字的输出信号，所述数字的输出信号代表由霍尔传感器16检测的磁场的磁通量密度。

电动机1还具有定子3。定子3具有定子线圈，在本实施例中是三个定子线圈7、8和9。定子线圈7、8和9分别具有第一和第二连接端，其中定子线圈7、8和9的第二连接端与共同的星形接点连接端11彼此电连接。

定子线圈7利用其第一连接端借助连接线路43与电动机1的功率输出级18的输出端连接。定子线圈8利用其第一连接端借助连接线路44与功率输出级18的所述输出端连接。定子线圈9利用其第一连接端借助连接线路45与功率输出级18的所述输出端连接。功率输出级18例如对于定子的每个定子线圈具有两个晶体管半桥。还可考虑B6晶体管桥作为功率输出级。晶体管例如分别是IGBT晶体管（IGBT=Insulated-Gate-Bipolar-Transistor：绝缘栅双极晶体管）或FET晶体管（FET=Feld-Effekt-Transistor：场效应晶体管），尤其是MIS-FET晶体管（MIS=Metal-Insulated-Semiconductor：金属绝缘半导体）。

电动机1还具有处理单元20，所述处理单元在输出侧通过多通道连接30与功率输出级18连接。处理单元20被构造用于通过用于对定子线圈7、8和9通电的连接30如此操控功率输出级18，使得借助定子线圈7、8和9可以产生旋转磁场，用于使转子5旋转运动。

电动机1还具有磁阻传感器12，所述磁阻传感器（通过虚线示出地）与转子5旋转连接。磁阻传感器12被构造用于检测转子5的转子位置、尤其是转子5的转子角度位置并且产生代表转子5的转子位置的XMR转子位置信号，并且在输出侧通过连接线路42向处理单元20发送该XMR转子位置信号。为此，磁阻传感器12通过连接线路42与处理单元20连接。

霍尔传感器14在输出侧通过连接线路38与处理单元20连接。霍尔传感器16在输出侧通过连接线路40与处理单元20连接。

现在，下面阐述电动机1的工作原理：

在电动机1的运行期间，由电部件、例如由电动机的连接线路32、34和36产生干扰磁场，所述干扰磁场与探测磁体6的磁场叠加。霍尔传感器14和16分别被构造用于，检测探测磁体6的磁场并且产生相应的转子位置信号。连接单元20被构造用于，在定子线圈7、8和9的未通电的状态的时刻分析处理霍尔传感器14和16的转子位置信号并且确定和存储探测磁场的量值、尤其是探测磁场的磁通量密度的量值。探测磁场的通量密度的确定可以在应用用于复数指针的计算规则的情况下通过处理单元20实现。

为此，处理单元20可以具有存储器22或与该存储器连接。

在所述实施例中，存储器22储存干扰磁场24的量值和定向。例如根据计算模型确定干扰磁场24。

存储器22在所述实施例中还储存数据组26。数据组26代表探测磁体6的由霍尔传感器14和16检测的磁场的量值。处理单元22可以例如根据由霍尔传感器14和16的转子位置信号构成的正交信号确定探测磁场的量值。

处理单元20被构造用于，在电动机1的运行期间，根据由磁阻传感器12检测的总场、尤其是总场的定向来确定转子5的转子位置，其中处理单元20被构造用于，借助向量加法从由数据组24代表的干扰场向量和先前存储的探测磁场量值来确定探测磁体6的探测磁场的定向，用于确定转子位置。

有利地，所述霍尔传感器14和16中的至少一个是温度补偿霍尔传感器。

下面，尤其是干扰场和探测磁体6的磁场的先前提到的向量在图2中以复数平面中的轨迹示出。

图2示出轨迹50，其中在横坐标52上绘出在图1中提到的磁场向量的实部并且在纵坐标54上绘出在对图1的描述中提到的磁场向量的虚部。复数平面中向量的角度相应于转子的转子角度，复数平面中向量的完整回转相应于转子的完整转子回转。

向量56代表图1中所示的探测磁体的磁场，尤其是探测磁体的磁场的磁通量密度。向量58代表图1中所提到的干扰场的磁场。向量56'代表以平行移动的方式置放到向量58的末端的向量56。总场的方向60从坐标系的原点开始，所述方向可以由图1中所示的磁阻传感器12检测。如果向量56的量值已知，从而当代表干扰磁场的干扰向量58的定向和量值已知时，可以借助向量58和平行移动的向量56'的向量加法根据总磁场的定向60和向量56的量值确定向量56的定向。

还示出代表图1中的探测磁体6的磁场的不精确检测的量值的向量59。

如果借助霍尔传感器不精确地检测探测磁场的向量的量值，则从而根据先前描述的尤其是按照用于复数指针的计算规则的向量计算，得出通过向量59的定向代表的错误的探测磁场定向。

有利地，由图1中的用于精确确定探测磁场的向量56的处理单元20，由霍尔传感器14和16的转子位置信号构成正交信号。进一步有利地，为了精确地确定向量56，所述霍尔传感器14和16中的至少一个可以是温度补偿霍尔传感器。

图3示出用于运行电子换向电动机的方法70。在步骤72中，确定至少通过电动机的电部件引起的干扰场并且产生代表干扰场的干扰场向量。在步骤73中，检测与电动机的转子连接的探测磁体的探测磁场并且产生和存储代表探测磁场、至少是探测磁场量值的向量。在步骤74中，检测总磁场，所述总磁场包括探测磁场和对探测磁场进行叠加的干扰磁场。

在步骤75中，根据在步骤74中检测的总磁场、尤其是总磁场方向和在步骤72和43中检测和存储的向量确定探测磁场方向。

在步骤76中，根据转子位置操控电动机用于产生旋转磁场，其相应于在步骤75中确定的探测磁场方向。

Claims (16)

1.电子换向电动机（1），具有转子（5）和定子（3）并且具有与所述定子（3）连接的控制单元（20），所述控制单元被构造来给所述定子（3）通电，用于产生旋转磁场，其特征在于，

所述电动机（1）具有至少一个霍尔传感器（14，16），所述至少一个霍尔传感器被构造用于检测由与所述转子（5）连接的探测磁体（6）产生的、磁场（56）的至少一个量值并且产生代表所述磁场（56）的转子位置信号，并且所述电动机（1）具有至少一个磁阻传感器（12），所述至少一个磁阻传感器被构造用于，在所述转子（5）的转子回转期间检测总磁场（60）的定向并且产生代表所述定向的转子位置信号，其中所述总磁场（60）包括所述探测磁场（56）和对所述探测磁场进行叠加的、至少由所述电动机的电部件产生的干扰磁场（58），并且所述控制单元（20）在输入侧与转子位置传感器（14，16，12）连接并且被构造用于，根据所述总磁场（60）的定向、所述探测磁场（56）的至少一个先前存储的量值和所述干扰磁场（58）的量值和定向来确定所述转子（5）的转子位置。

2.根据权利要求1所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述电动机（1）具有至少一个其他霍尔传感器（16），所述至少一个其他霍尔传感器被构造用于，检测所述探测磁场（56）并且产生代表所述转子位置的其他转子位置信号，其中所述霍尔传感器（14）和所述其他霍尔传感器（16）在转子回转方向上彼此错开地布置。

3.根据权利要求2所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述霍尔传感器（14）和所述其他霍尔传感器（16）在转子回转方向上彼此正交错开地布置。

4.根据权利要求2或3所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述霍尔传感器（14）和/或所述其他霍尔传感器（16）是温度补偿霍尔传感器，所述温度补偿霍尔传感器被构造用于，与所述温度补偿霍尔传感器的温度无关地产生霍尔信号。

5.根据权利要求4所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述温度补偿霍尔传感器被构造用于，与所述温度补偿霍尔传感器的温度无关地产生数字的霍尔信号。

6.根据权利要求2或3所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述控制单元（20）被构造用于，由所述霍尔传感器（14）和所述其他霍尔传感器（16）的所述转子位置信号产生总霍尔信号并且根据所述总霍尔信号确定所述探测磁场。

7.根据权利要求6所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述总霍尔信号是正交信号。

8.根据权利要求6所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述控制单元（20）被构造用于，根据所述总霍尔信号确定所述探测磁场的量值和定向。

9.根据权利要求6所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述控制单元（20）被构造用于，根据所述总霍尔信号确定所述总磁场的定向或附加地确定所述总磁场的量值。

10.根据权利要求9所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述总霍尔信号是正交信号。

11.根据权利要求4所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述温度补偿霍尔传感器具有相应于所述控制单元的运行电压的运行电压。

12.根据权利要求1至3之一所述的电子换向电动机（1），其特征在于，所述转子（5）永磁性地被构造。

13.用于运行根据上述权利要求中任一项所述的电子换向电动机（1）的方法（70），其中借助霍尔传感器（14，16）检测和存储由与转子（5）连接的探测磁体（6）产生的探测磁场（56）的至少一个量值，

以及在所述转子（5）的转子回转期间借助磁阻传感器（12）检测总磁场（60）的定向并且产生代表所述定向的转子位置信号，其中所述总磁场（60）包括所述探测磁场（56）和对所述探测磁场（56）进行叠加的至少由所述电动机（1）的电部件产生的干扰磁场（58），

其中根据检测的总磁场（60）的定向、先前存储的探测磁场量值和干扰磁场的量值和定向以向量方式确定所述探测磁场（56）的定向。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，借助霍尔传感器（14，16），在定子（3）的无电流状态中检测和存储由与转子（5）连接的探测磁体（6）产生的探测磁场（56）的至少一个量值。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其中借助其他霍尔传感器（16）检测所述探测磁场（56）并且产生其他霍尔信号，并且由所述霍尔信号和所述其他霍尔信号构成代表所述探测磁场（56）的总霍尔信号。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述总霍尔信号是正交信号。