CN103563244B - 用于运行电子换向的电机的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运行多相电机（2）的方法，其中根据预先给定的换向方法提供待施加在该电机（2）的相绕组上的控制电压（U_A、U_B、U_C），其中如果确定了通过预先给定的换向方法确定的、从其中相绕组之一被无电流地连接的状态交换到其中控制电压（U_A、U_B、U_C）被施加在所涉及的相绕组上的状态的跳跃式状态交换，则执行以下步骤：‑直接施加所提供的中间电压（U_Z）；‑施加电压变化曲线，直到待施加的控制电压（U_A、U_B、U_C）被达到为止，所述电压变化曲线由从所涉及的相绕组的中间电压（U_Z）至控制电压（U_A、U_B、U_C）的预先给定时间连续变化曲线得出。

Description

用于运行电子换向的电机的方法和设备

技术领域

本发明涉及电机、尤其是用于运行电子换向的电机的控制方法。本发明还涉及用于电子换向的电机的换向方法。

背景技术

电子换向的电机经常通过在其相连接端上施加控制电压来运行，从而电机的定子绕组被通电。所述控制电压随时间而改变并且由此形成交变电压，该交变电压产生与磁行波场对应或在旋转机器的情况下与磁旋转场对应的定子磁场。

定子磁场与由电机的转子所产生的激励磁场交互作用，使得引起用于驱动转子的驱动力或驱动力矩。该驱动力或驱动力矩取决于激励磁场和通过所施加的控制电压产生的定子磁场彼此之间的相对位置。因此为了运行电机，依据转子的转子位置施加控制电压，使得所得到的定子磁场的方向具有相对于激励磁场的超前。

待施加的控制电压的生成可以通过不同的换向类型来进行。控制电压的换向的一种成本低廉的实现在于所谓的块换向，在该块换向中在通过转子的运动速度确定的时间窗期间将恒定的控制电压施加在电机的相连接端上并且在该时间窗之后施加控制电压的对应的其它组合。

块换向可以被成本低廉地实现，因为块换向仅需要简单的微控制器，以提供用于施加控制电压的开关模式。但是各个控制电压的交换在块换向时一般突然进行，由此可能出现电机的强运行噪声。

为了改善电机的噪声特性，已知被称为梯形换向的另一种换向类型，在梯形换向中以相同的方式将控制电压施加在相连接端上，但是通过控制电压的交换而出现的电压边缘的梯度绝对大小受到限制，从而在电压-时间图中产生控制电压的梯形信号变化曲线。由此可以将定子磁场改变时的过渡构造得更为平缓，由此减小运行噪声。

如果应当利用控制电压的梯形块来运行电机，则在特定的运行状态时可能发生：由于转子的运动所引起的电压感应使得有电流在与期望的电流方向相反的方向上流动。这同样存在涉及噪声形成的显著缺点并且还会妨碍这种电机的效率和调节品质。

发明内容

因此本发明的任务是提供用于控制电子换向的电机的方法和设备，它们可被简单实现并且此外减小噪声形成，尤其是由于在相对于所施加的控制电压为负的流动方向上的从电压感应产生的电流而导致的噪声形成。

该任务通过根据权利要求1的用于控制电子换向的电机的方法以及通过根据并列权利要求的设备、驱动系统和计算机程序产品解决。

本发明的其它有利构型在从属权利要求中加以说明。

根据第一方面设置用于运行多相电机的方法，其中根据预先给定的换向方法提供待施加在该电机的相绕组上的控制电压。如果确定了通过预先给定的换向方法确定的、从其中相绕组之一被无电流地连接的状态交换到其中控制电压被施加在所涉及的相绕组上的状态的跳跃式状态交换，则执行以下步骤：

-直接施加所提供的中间电压；

-施加电压变化曲线，直到待施加的控制电压被达到为止，所述电压变化曲线由从所涉及的相绕组的中间电压至控制电压的预先给定时间连续变化曲线得出。

根据另一方面设置用于运行多相电机的方法，其中根据预先给定的换向方法提供待施加在电机的相绕组上的控制电压。如果确定了通过预先给定的换向方法确定的、从其中控制电压之一被施加在对应的相绕组上的状态交换到其中所涉及的相绕组被无电流地连接的状态的跳跃式状态交换，则执行以下步骤：

-施加电压变化曲线，直到中间电压被达到为止，所述电压变化曲线由从所涉及的相绕组的控制电压至中间电压的预先给定时间连续变化曲线得出，

-一旦电压达到中间电压，就将相绕组直接切换到无电流状态。

根据另一方面，设置具有上述方法步骤的用于运行多相电机的方法。

上述方法的想法在于，在状态交换时出现的边缘被成型为，使得在从无电流状态切换时跳跃式地施加所提供的中间电压，或者在切换到无电流状态时由所提供的中间电压采取该无电流状态。从所施加的控制电压至中间电压或从中间电压至待施加的控制电压的电压变化曲线根据预先给定的、具有有限梯度的时间变化曲线预先给定。

通过这种方式，一方面将块换向与梯形换向的优点相互结合，从而实现电机的减小的运行噪声。另一方面减小了通过与电压方向相反的发动机电流而得出的涉及效率和调节品质的缺点。

此外，所述时间变化曲线可以被设置为，使得电压改变的梯度在任何时刻都不会在绝对大小方面超过最大梯度。

该时间变化曲线尤其是可以作为线性变化曲线来预先给定。

可以规定，所述中间电压与所施加的控制电压或待施加的控制电压的预先给定份额对应。该中间电压尤其是可以被限制为最小中间电压值和/或最大中间电压值。

根据另一实施方式，所述换向方法可以与块换向对应。

此外，所述换向方法可以与正弦换向对应，其中为了提供用于测量在所涉及的相绕组上感应的电压的消隐间隔而设置从无电流状态或至无电流状态的状态交换。

根据另一方面，设置用于运行多相电机的设备，其中该设备被构造为执行上述方法之一。

根据另一方面，设置包含程序代码的计算机程序产品，该程序代码当其在数据处理装置上实施时执行上述方法。

附图说明

下面借助附图进一步阐述本发明的优选实施方式。

图1示出具有电子换向的电机的驱动系统的示意图；

图2示出说明用于在图1的驱动系统中运行电机的控制方法的流程图；以及

图3示出在根据图2的方法运行电机时得出的控制电压的变化曲线。

具体实施方式

图1示出具有电机2的驱动系统1，所述电机在当前情况下被构造为三相电子换相的电机。电机2具有三个相连接端3，经由这些相连接端向电机2施加控制电压U_A、U_B、U_C。

这些控制电压U_A、U_B、U_C由驱动电路4提供。控制电压U_A、U_B、U_C的提供通过控制单元5来加以控制。控制单元5确定换向方法，根据该换向方法控制驱动电路4，以便将特定的控制电压U_A、U_B、U_C模式施加在电机2上。

驱动电路4例如可以用所谓的B6电路来构建，在该B6电路中采用3个彼此并联的串联电路，每个串联电路具有两个功率半导体开关。这些功率半导体开关可以包括功率MOSFET、半导体闸流管、IGBT、IGCT等。在这些串联电路的两个串联连接的功率半导体开关之间的节点处可以量取对应的控制电压U_A、U_B、U_C，或每个节点与电机2的分配给该节点的相连接端3连接，以便施加对应的控制电压U_A、U_B、U_C。

根据控制单元5对驱动电路4的功率半导体开关的控制，在相连接端3上对应地施加所提供的高供应电位U_V或所提供的低供应电位GND，或者所涉及的相连接端3被无电流地连接。控制单元5对驱动电路4的控制根据转矩说明V的预先给定进行，通过该转矩说明向控制单元5预先给定关于要由电机2提供的转矩的说明。控制单元5将转矩说明V转换为对应的开关模式，该开关模式经由控制线路6施加在驱动电路4上。该开关模式确定要由驱动电路3生成和待施加的控制电压U_A、U_B、U_C。

控制单元5根据转矩说明V和电机2的转子位置求得所述开关模式。尤其是依据转子位置确定换向时刻，在所述换向时刻时针对驱动电路4的开关模式被改变。转子位置可以借助位置传感器7检测或者还可以通过由现有技术已知的无传感器的位置检测方法检测，所述位置检测方法例如可以基于对在无电流连接的相连接端3上的、电机2的连接电压的测量。

控制单元5还可以被构造为，预先给定具有电压值的控制电压U_A、U_B、U_C，所述电压值处于高供应电位U_V与低供应电位GND之间。为此控制单元可以借助脉宽调制提供相应的电压值。于是转矩说明V用于求得脉宽调制的占空比并且根据所述开关模式向电机2的所涉及的控制连接端施加或不施加经脉宽调制的控制电压U_A、U_B、U_C。

此外如果应当通过控制单元5进行电机2的梯形块换向，则可以规定，在开关模式交换之后的时间窗开始时，也就是在待施加在相连接端3上的控制电压U_A、U_B、U_C应当被交换的时刻，从该交换的时刻开始通过连续的、根据预先给定的时间变化曲线（在绝对大小方面）随时间上升的占空比预先给定有效的控制电压U_A、U_B、U_C。预先给定的时间变化曲线规定，梯度在任何时刻在绝对大小方面都不超过最大值。占空比的在绝对大小方面的上升一直进行到如下占空比为止，该占空比与用于提供期望的、借助转矩说明V求得的控制电压U_A、U_B、U_C的占空比对应。在所涉及的时间窗结束时，此时待施加在至少一个相连接端3上的控制电压出现重新交换，通过该交换出现的、相应控制电压U_A、U_B、U_C的边缘对应地通过占空比根据预先给定的时间变化曲线的连续（在绝对大小方面的）减小而成型。通过这种方式可以实现定子磁场的磁场方向的更平缓的转换，这导致更小的噪声形成。

但是如开头所提到的，梯形的块换向可能导致通过由于转子在定子磁场中的运动或旋转而产生的电压感应而在相绕组中产生感应的电压，该感应的电压在所涉及的定子绕组中导致电流，该电流的电流方向与所涉及的相绕组的所施加的或待施加的控制电压U_A、U_B、U_C相反。这导致提高的噪声形成并且还使得针对这种驱动系统的效率和调节品质恶化。

现在为了避免这些缺点，设置换向方法，在该换向方法中可以最大程度地避免在电机2的相绕组中具有与控制电压U_A、U_B、U_C相反的电流方向的电流流动。

借助图2的流程图进一步描述用于提供控制电压的方法。

初始状况是利用换向方法运行电机，在该换向方法中可能在相连接端3上出现控制电压的电压跳跃。

如果在步骤S1中根据所选择的换向方法确定：应当施加控制电压U_A、U_B、U_C的以下电压值，该电压值可能导致所涉及的控制电压U_A、U_B、U_C的跳跃式改变（替换方案：是），则在跳跃式交换的时刻（在步骤S1中的确定时刻）通过预先给定对应的占空比施加中间电压，该中间电压在绝对大小方面比期望的控制电压U_A、U_B、U_C更小（步骤S2）。尤其是，在步骤S1中识别状态交换，在该状态交换时所涉及的控制电压应当被施加在事先无电流连接的相连接端3上。“无电流”表示，相连接端3既不与高供应电位U_V连接又不与低供应电位GND连接。中间电压U_Z的大小可以通过不同的方式加以求得。

1. 中间电压U_Z作为待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2的份额f得出。份额f例如可以介于待施加的控制电压的40%与60%之间，尤其是待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2的50%。于是对于相A的相绕组下式成立：

U_Z=U_A2*f。

2. 中间电压U_Z由固定地预先给定的中间电压U_Zfix得出，其中如果期望待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2现在在绝对大小方面比固定地预先给定的中间电压U_Zfix更大，则中间电压U_Z与固定地预先给定的中间电压U_Zfix（最大的中间电压值）对应，以及其中如果待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2比预先给定的中间电压U_Z更小，则中间电压U_Z与待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2的份额f对应。于是对于相A的相绕组下式有效：

U_Z=U_A2*f 对于|U_A2|>|U_Z|

U_Z=U_Zfix 对于|U_A2|<|U_Z|。

3. 中间电压U_Z与预先给定的中间电压U_Zfix对应，其中如果待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2比预先给定的中间电压U_Zfix更小，则中间电压U_Z与待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2对应。

根据占空比预先给定中间电压U_Z。现在在步骤S3中根据预先给定的时间变化曲线将该占空比从中间电压U_Z的占空比连续地提高到待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2的占空比，其中提高的梯度在绝对大小方面被限制为预先给定的最大梯度。尤其是，占空比的提高可以线性进行。因此现在将该占空比保持通过块换向确定的时间窗的预先给定的持续时间，在该时间窗期间应当施加待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2。

如果在步骤S4中确定用于施加期望控制电压U_A2、U_B2、U_C2的时间窗已结束（替换方案：是）或者既将发生该时间窗的结束，则首先通过减小占空比将施加的控制电压U_A1、U_B1、U_C1（与步骤S3的U_A2、U_B2、U_C2对应）从现在待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2在绝对大小方面减小到根据上述计算规则之一求得的中间电压U_Z（步骤S5），然后将所涉及的相连接端3直接无电流地连接（步骤S6）。尤其是在步骤S4中识别出状态交换，在该状态交换时应当将施加有所涉及的控制电压的相连接端无电流地连接。

由此用于将待施加的控制电压U_A2、U_B2、U_C2施加到电机2的相连接端3上以用于相连接端3的控制块的方法结束。上述方法可以被应用于电机2的一个或多个或所有相连接端3。该方法既可以仅应用于在绝对大小方面上升的边缘（时间窗的开始）又可以仅应用于下降的边缘（时间窗的结束）。

在图3中示例性示出根据块换向方法用于说明相A的控制电压的变化曲线的电压-时间图。如果相A的相连接端应当从无电流状态进入其中施加有控制电压U_A的状态，则在换向时刻识别出首先跳跃式的改变。然后在跳跃式上升到中间电压U_Z之后，进行具有限于最大梯度的梯度的另一（更扁平的）上升。

此外，如果相A的相连接端应当从其中施加有控制电压U_A的状态进入无电流状态，则在换向时刻识别出改变。首先控制电压以在绝对大小方面有限的梯度下降，然后在达到中间电压U_Z时被置于无电流状态中。

此外可能的是，所涉及的方法不仅在具有块换向的控制方法中使用，而且在其它换向方法中使用，例如当控制电压的跳跃式改变在设置用于测量在无电流状态下感应的电压的消隐间隔情况下出现时。为了避免由于在相绕组上的跳跃式电压改变而导致的噪声形成和其它不期望的效应，尤其是关于所期望的控制电压为负的电流流动的出现，同样可以首先提高和降低根据期望的控制电压的占空比直至中间电压U_Z并且接着将施加的控制电压的改变梯度限制为预先给定的最大梯度。

Claims (6)

1.用于运行多相电机（2）的方法，其中根据预先给定的换向方法提供待施加在该电机（2）的相绕组上的控制电压（U_A、U_B、U_C），其中如果确定了通过预先给定的换向方法确定的、从其中相绕组之一被无电流地连接的状态交换到其中控制电压（U_A、U_B、U_C）被施加在所涉及的相绕组上的状态的跳跃式状态交换，则执行以下步骤：

-直接施加所提供的中间电压（U_Z）；

-施加电压变化曲线，直到待施加的控制电压（U_A、U_B、U_C）被达到为止，所述电压变化曲线由从所涉及的相绕组的中间电压（U_Z）至控制电压（U_A、U_B、U_C）的预先给定时间连续变化曲线得出，

-施加电压变化曲线，直到中间电压（U_Z）被达到为止，所述电压变化曲线由从所涉及的相绕组的控制电压（U_A、U_B、U_C）至中间电压（U_Z）的预先给定时间连续变化曲线得出，

-一旦电压达到中间电压，就将相绕组直接切换到无电流状态，

其中时间变化曲线被设置为，使得电压改变的梯度在任何时刻都不会在绝对大小方面超过最大梯度，以及其中所述中间电压（U_Z）与所施加的控制电压（U_A、U_B、U_C）或待施加的控制电压（U_A、U_B、U_C）的预先给定份额对应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该时间变化曲线作为线性变化曲线来预先给定。

3.根据权利要求1至2之一所述的方法，其中该中间电压（U_Z）被限制为最小中间电压值和/或最大中间电压值。

4.根据权利要求1至2之一所述的方法，其中所述换向方法与块换向对应。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述换向方法与正弦换向对应，其中为了提供用于测量在所涉及的相绕组上感应的电压的消隐间隔而设置从无电流状态或至无电流状态的状态交换。

6.用于运行多相电机（2）的设备，具有：

-用于根据预先给定的换向方法提供待施加在该电机（2）的相绕组上的控制电压（U_A、U_B、U_C）的装置，

-用于确定通过预先给定的换向方法确定的、从其中相绕组之一被无电流地连接的状态交换到其中控制电压（U_A、U_B、U_C）被施加在所涉及的相绕组上的状态的跳跃式状态交换的装置，

-用于直接施加所提供的中间电压（U_Z）的装置，

-用于施加电压变化曲线直到待施加的控制电压（U_A、U_B、U_C）被达到为止的装置，所述电压变化曲线由从所涉及的相绕组的中间电压（U_Z）至控制电压（U_A、U_B、U_C）的预先给定时间连续变化曲线得出，

-用于施加电压变化曲线直到中间电压（U_Z）被达到为止的装置，所述电压变化曲线由从所涉及的相绕组的控制电压（U_A、U_B、U_C）至中间电压（U_Z）的预先给定时间连续变化曲线得出，

-用于一旦电压达到中间电压就将相绕组直接切换到无电流状态的装置，

其中时间变化曲线被设置为，使得电压改变的梯度在任何时刻都不会在绝对大小方面超过最大梯度，以及其中所述中间电压（U_Z）与所施加的控制电压（U_A、U_B、U_C）或待施加的控制电压（U_A、U_B、U_C）的预先给定份额对应。