CN103620943A - 在电激励的电机中测量相电流数据和激励电流数据的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定电激励的电机（2）的通过激励绕组（4）的激励电流（I_Err）的激励电流数据以及通过相分支（3）的相电流（I_U、I_V、I_W）的相电流数据的方法，该电机在用于相分支（3）和激励绕组（4）的供电线路（9）中具有电流测量装置（10），所述方法具有以下步骤：-多次测量相应于不同通电状态下一个或多个相电流（I_U、I_V、I_W）和/或激励电流（I_Err）的总和的测量电流，从而获得测量电流数据，其中通过连接样式规定通电状态，其指示在确定的时间点对哪些相分支（3）和激励绕组（4）进行通电；-根据不同通电状态下电流测量装置（10）上的电流平衡提供带有多个方程式的确定的方程组；-通过解方程组确定激励电流数据以及相电流数据。

Description

在电激励的电机中测量相电流数据和激励电流数据的方法和装置

技术领域

本发明涉及他励的或者混合激励（电激励）的电机以及尤其用于在电机中测量相电流和激励电流的方法。

背景技术

在他励或者混合激励的电机中，完全或者部分地通过对布置在定子侧的激励绕组进行通电来产生激励磁场。在此调节流过激励绕组的电流，从而在运行中可以将激励磁场调节到电机的预先确定的运行点上。此外，为了有针对性地操控电机，需要检测通过定子绕组的单个相分支的相电流，从而能够以合适的方式取决于运行点地操控电机从而提供所希望的驱动矩（或者所希望的调节角或者所希望的功率）。

迄今，为了测量激励电流，在激励回路中除了相电流测量装置之外还设置了激励电流测量装置用以测量激励电流。该额外的激励电流测量装置提高了结构上的开销，并且值得期望的是，在他励或者混合激励的电机中减少电流测量装置的数量。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种用于在带有电激励的电机中测量激励电流与相电流的方法和装置，其中减少了电流测量装置的数量。

上述任务通过按权利要求1所述的用于在他励或者混合激励的电机中测量激励电流和相电流的方法以及按并列权利要求所述的装置以及电机系统得到解决。

本发明的其它有利的设计方案在从属权利要求中进行说明。

根据第一方面，设置了用于确定电激励的电机的通过激励绕组的激励电流的激励电流数据以及通过相分支的相电流的相电流数据的方法，所述电机在用于相分支以及激励绕组的供电线路中具有电流测量装置。该方法包括以下步骤：

-多次测量相应于不同通电状态下一个或多个相电流和/或激励电流的总和的测量电流，从而获得测量电流数据，其中通过连接样式规定通电状态，其指示在确定的时间点对哪些相分支和激励绕组进行通电；

-根据不同通电状态下电流测量装置上的电流平衡提供带有多个方程式的确定的方程组；

-通过解方程组确定激励电流数据以及相电流数据。

上述方法的构思在于，借助于唯一一个布置在供电线路中的电流测量装置以合适的方式进行多次电流测量，而一个或多个相分支和/或激励绕组直接地例如通过用于操控相分支以及激励绕组的换流器电路的换流器支路通过供电线路进行通电。如此先后操控用于电机以及激励回路的驱动电路，使得电流流过精确限定的路径，其中为了求得相电流和激励电流而选择多个顺序的通电状态。

通电状态限定了通过相分支以及通过激励回路的通电的电流路径的不同组合，其中分别测量相当于在各个连接状态中单个相电流与激励电流总和的总电流，从而能够通过确定的方程组求得关于单个相电流和激励电流的电流数据。例如可以根据第一连接状态改变根据用于操控驱动电路和激励电路的整流模式选出的通电状态，从而通过共同的电流测量装置测量仅一个通过一个相分支的电流。在下一个连接状态中可以额外地将其它相分支与电流测量装置连接或者将激励回路与电流测量装置连接，等等。原则上提出如此选择通电状态，从而能够通过解确定的方程组求得通过每个相分支以及通过激励回路的电流。

上述方法具有以下优点，即可以使用已知的电动机型号的电动机控制设备以及驱动电路，因为电流测量方法仅仅对操控相分支的驱动电路的或者操控激励绕组的激励电路的半导体开关进行确定的操控。也降低了用于实施电流测量的花费，因为与现有技术相反，只需使用一个电流测量装置。

此外，测量电流的测量次数相应于电机的相分支的数量。

根据一种实施方式，可以将电机的相分支进行星形连接，并且星形连接的星点上的电流平衡可以用作确定的方程组的方程式。

多个方程式中的每个方程式可以将相分支中的相电流与激励绕组中激励电流之和分配给确定的通电状态中的测量电流，其中相分支通过驱动电路直接地、尤其通过换流器电路的闭合的换流器支路与布置有电流测量装置的供电线路连接。

可以提出，不同的通电状态的区别在于相分支的选择，相分支通过驱动电路直接地、尤其通过换流器电路的闭合的换流器支路与布置有电流测量装置的供电线路连接。

此外，可以通过规定的整流模式限定通电状态。

整流模式可以指示顺序施加的连接样式，其中两个通电状态相应于两个顺序施加的连接样式。

通电状态还可以通过脉宽调制的操控来规定。

脉宽调制的操控尤其可以在一个周期内规定一个或多个相分支和/或激励绕组直接与布置有电流测量装置的供电线路连接的接通状态，以及一个或多个相分支和/或激励绕组与布置有电流测量装置的供电线路分开的断开状态，其中通电状态之一相应于接通状态并且另一通电状态相应于规定的在相同的周期或者在后面的周期之一中在断开状态期间设定的连接状态。

根据另一方面，设置了用于确定电激励的电机的通过激励绕组的激励电流的激励电流数据以及通过相分支的相电流的相电流数据的装置。该装置包括：

-在用于相分支以及激励绕组的供电线路中的电流测量装置，以及

-控制单元，构造该控制单元用于

多次测量相应于不同通电状态中一个或多个相电流和/或激励电流的总和的测量电流，从而获得测量电流数据，其中通过连接样式规定通电状态，其指示在确定的时间点对哪些相分支以及激励绕组进行通电；

根据不同的通电状态下电流测量装置上的电流平衡提供具有多个方程式的确定的方程组；并且

通过解方程组确定激励电流数据以及相电流数据。

根据另一方面设置了电机系统。该电机系统包括：

-电激励的电机；

-用于操控电机的相分支的驱动电路；

-用于操控电机的激励绕组的激励电路；以及

-上述装置。

附图说明

下面根据附图详细解释本发明的优选实施方式。附图示出：

图1是按一种实施方式的他励的电机的电机系统的电路图；以及

图2是用于说明用于测量部分电流的图1的电机系统的驱动电路以及激励电路的操控信号的信号图。

具体实施方式

图1示出了带有电机2的电机系统1的示意图。电机2构造成他励的电机2并且在该实施例中具有定子绕组的三个相分支3以及一个励磁绕组4，该励磁绕组用于在电机2的（没有示出的）转子中形成磁场。

相分支3通过相导线U、V、W进行通电，其中通过相应于整流模式的连接样式实现通电。

电机2的整流可以借助于驱动电路5和控制单元6实施。驱动电路5例如构造成B6电路并且具有第一、第二以及第三换流器电路7₁、7₂、7₃。每个换流器电路7₁、7₂、7₃包括两个串联的半导体开关8₁、8₂，其中第一个半导体开关8₁布置在高供电电压电势V_H与配属的相导线U、V、W之一之间，并且第二半导体开关8₂布置在低供电电压电势V_L与配属的相导线U、V、W之一之间。供电电压电势V_H、V_L经由供电电压线路9输入驱动电路5。

驱动电路5的换流器电路7₁、7₂、7₃的半导体开关8₁、8₂经由其门接头通过控制单元6借助于控制信号S₁到S₆操控，其中第一以及第二控制信号S₁、S₂操控第一换流器电路7₁的半导体开关8₁、8₂，第三以及第四控制信号S₃、S₄操控第二换流器电路7₂的半导体开关8₁、8₂，并且第五以及第六控制信号S₅、S₆操控第三换流器电路7₃的半导体开关8₁、8₂。

整流模式通过控制单元6进行转换，方法是用于半导体开关8₁、8₂的连接样式以取决于电机2的转速的时间顺序来施加。代替转速，连接样式也可以取决于所提供的力矩或功率。整流模式可以相应于正弦整流、块整流（Blockkommutierung）或者其它整流类型。常见的整流模式在于规定连接样式的顺序，其中经过定子绕组的电流路径在每个时间点通过其中两个相分支3形成。为此，换流器电路7₁、7₂、7₃之一的与用于高供电电压电势V_H的供电电压线路9连接的半导体开关8₁之一以及其它换流器电路7₁、7₂、7₃之一的与用于低供电电压电势V_L的供电电压线路9连接的半导体开关8₂之一闭合，而换流器电路7₁、7₂、7₃的其余半导体开关8₁、8₂打开。由此通电的相分支3限定了由定子绕组产生的定子磁场的方向，使得由转子构成的激励磁场以相应的方式在定子磁场上定向并且由此产生扭矩。根据电机2的转子的位置，相应于整流模式通过控制单元6改变连接样式。

为了引起电机2的不同的扭矩或者转速，连接样式的连接状态还可以是脉宽调制的，从而实际上不将高供电电压电势V_H与低供电电压电势V_L之间的整个端电压施加到电机2的相接头上，而是将从脉宽调制的占空比中获得的中间电压施加到其上。如果通过连接样式确定第一换流器电路7₁的第一半导体开关8₁以及第二换流器电路7₂的第二半导体开关8₂闭合并且所有其余的半导体开关8₁、8₂打开，那么通过相导线U和V形成电流路径。如果该连接状态进行脉宽调制，那么在第一换流器电路7₁的第一半导体开关8₁以及第二换流器电路7₂的第二半导体开关8₂的打开以及闭合的状态之间进行周期性地切换，其中所使用的占空比、也就是半导体开关8₁、8₂闭合的状态持续时间与整个周期持续时间之间的比例确定了施加到相应的相导线上的相电压的大小。

为了运行电机2，需要识别相电流并且尤其实施用于相电流的调节，因为相电流直接指示由电机2提供的扭矩。为此，需要详细地确定相电流，由此，在控制单元6中实施的相应的电流调节能够相应地调节占空比用于脉宽调制地操控半导体开关8₁、8₂。为此，将电流测量装置10设置在供电电压线路9之一中，在所示出的实施例中设置在低供电电压电势V_L的供电电压线路9中。

例如可以将电流测量装置10构造成分路器形式的测量电阻，其中通过测量电阻下降的测量电压相应于流过电流测量装置的电流。测量电压例如可以借助于在控制单元6中实施的模拟-数字-转换器进行检测。也可以考虑其它类型的电流测量装置。

此外，电机2具有激励电路11，该激励电路对激励绕组4进行通电。该激励电路11如驱动电路5一样，与供电电压线路9连接并且具有第一以及第二其它的换流器电路12₁、12₂，其分别具有两个串联的半导体开关8₁到8₂。其它的换流器电路12₁、12₂的半导体开关8₁到8₂通过相应的控制信号S₇到S₁₀通过控制单元6操控并且用于调节通过激励绕组4的激励电流并且以此用来调节由电机2的转子提供的激励磁场的强度。激励电路11在这种形势下构造成H桥线路并且由此能够通过激励绕组4产生用于不同的电流方向的不同的电压极性，即根据相应地操控了第一换流器电路12₁的半导体开关8₁以及第二换流器电路12₂的半导体开关8₂，还是第一换流器电路12₁的半导体开关8₂以及第二换流器电路12₂的半导体开关8₁，而其余的半导体开8₁、8₂关分别打开。

为了调节激励电流，也可以为操控激励电路11的半导体开关而设置脉宽调制的操控，其中激励电流的大小可以通过所选择的占空比来调节。

为了运行电机2，除了知道相电流的大小之外，也需要知道通过激励绕组4的激励电流的大小，使得始终具有关于由转子提供的激励磁场的反馈。

在图2中示出了信号图，该信号图表示测量时间窗口MF内控制信号S₁到S₁₀的曲线。为了避免通过换流器电路7₁、7₂、7₃、12₁、12₂的短路，用于操控相同的换流器电路7₁、7₂、7₃、12₁、12₂的半导体开关8₁、8₂的控制信号是相互反向的。在测量时间窗口MF内部短暂地施加不同的通电状态A₁、A₂、A₃，其中分别闭合一个或多个直接与供电电压线路9连接的半导体开关8₁、8₂。在此必须确保，为了保障电流而闭合与用于高供电电压电势V_H的供电电压线路9直接连接的驱动电路5和/或激励电路11的第一半导体开关8₁中的至少一个，以及与用于低供电电压电势V_L的供电电压线路9直接连接的驱动电路5或者激励电路11的第二半导体开关8₁的至少一个，从而通过相分支3和/或激励绕组4形成闭合的电流回路。以这种方式使总电流流过电流测量装置10，总电流作为部分电流的总和由一个或多个相分支3和/或通过激励绕组4产生。

在所示出的实施例中，在不同的通电状态下进行一定数量这种类型的测量，其中在相应的电流回路中分别连接相分支3与激励绕组4的不同组合，从而在电流测量装置10中获得根据所施加的通电状态的电流。一旦所求得的电流参数的数量相应于所求得的部分电流的数量减小一，就可以从待获得的电流参数中求解具有一定数量的未知量、在所示出的实施例中为四个未知量的方程组。在当前情况下，求得三个相电流I_U、I_V、I_W以及一个激励电流I_Err，使得有待测量的电流参数I_Mess的数量为三。在选择测量连接状态时仅仅考虑，没有通电状态存在两次并且所有与其中布置有电流测量装置10的供电电压线路9直接连接的半导体开关8₁、8₂（也就是说与所涉及的供电线路连接的换流器支路的半导体开关）至少一次连接到相应的测量电流回路中。例如可以通过不同连接状态中相应的测量来建立以下方程组：

结合总规则：

可以求得未知的三个相电流I_U、I_V、I_W以及激励电流I_Err。

在测量时间窗口MF期间进行测量，该测量时间窗口集成到整流模式中以及对半导体开关8₁、8₂的常规脉宽调制的操控中。为此，短时与脉宽调制的操控的连接样式偏离并且优选使用控制信号S₁到S₁₀的侧沿，从而实现为了进行电流测量所需的不同的通电状态。在整流模式以及由脉宽调制的操控所规定的连接样式之外对相分支进行短时通电从而进行电流测量，实际上在电机2的运行中在很大程度上是不被察觉的，从而电流测量不会对运行产生重大影响。连接样式短时变化的影响由相分支的电流测量的短时间的电感引起的电机2的整流的电流特征而使得电流近似恒定。

由于相分支3与激励绕组4的非常不同的电感比值，可以出于效率缘故实现多个连接情形的组合。有意义的是，求得激励电流与仅仅求得相电流交替地应用，因为激励电流具有比相电流更大的时间常数。如此能够优化时间间隔以及功率损耗。

作为替代方案，也可以将上述方法拓展到其它负载上。

通电状态的施加可以以合适的方式配合为了电机运行而施加的连接样式。如此可以使用脉宽调制的操控的周期的断开阶段，从而接通其它电流路径用以测量部分电流。尤其在变换连接样式时通过在脉宽调制的两个周期内规定整流模式而存在用于四个单个测量的方案，其足以确定激励电流以及三相电机的相电流。

Claims (12)

1.用于确定电激励的电机（2）的通过激励绕组（4）的激励电流（I_Err）的激励电流数据以及通过相分支（3）的相电流（I_U、I_V、I_W）的相电流数据的方法，该电机在用于相分支（3）和激励绕组（4）的供电线路（9）中具有电流测量装置（10），所述方法具有以下步骤：

-多次测量相应于不同通电状态下一个或多个相电流（I_U、I_V、I_W）和/或激励电流（I_Err）的总和的测量电流，从而获得测量电流数据，其中通过连接样式规定通电状态，其指示在确定的时间点对哪些相分支（3）和激励绕组（4）进行通电；

-根据不同通电状态下电流测量装置（10）上的电流平衡提供带有多个方程式的确定的方程组；

-通过解方程组确定激励电流数据以及相电流数据。

2.按权利要求1所述的方法，其中，测量电流的测量次数相应于电机（2）的相分支（3）的数量。

3.按权利要求1或2所述的方法，其中，电机（2）的相分支（3）星形连接并且星形连接的星点上的电流平衡用作确定的方程组的方程式。

4.按权利要求1或2所述的方法，其中，电机（2）的相分支（3）三角形连接，并且星形连接的电流平衡用作确定的方程组的方程式。

5.按权利要求1到4中任一项所述的方法，其中多个方程式中的每个方程式将相分支（3）中的相电流（I_U、I_V、I_W）与激励绕组中的激励电流（I_Err）之和分配给确定的通电状态中的测量电流，其中相分支（3）通过驱动电路（5）直接地、尤其通过换流器电路（7₁、7₂、7₃、12₁、12₂）的闭合的换流器支路与布置有电流测量装置（10）的供电线路连接。

6.按权利要求1到5中任一项所述的方法，其中，不同的通电状态的区别在于相分支（3）的选择，其中相分支（3）通过驱动电路（5）直接地、尤其通过换流器电路的闭合的换流器支路（7₁、7₂、7₃、12₁、12₂）与布置有电流测量装置（10）的供电线路（9）进行连接。

7.按权利要求6所述的方法，其中，通过规定的整流模式限定通电状态。

8.按权利要求7所述的方法，其中，整流模式指示顺序施加的连接样式，其中两个通电状态相应于两个顺序施加的连接样式。

9.按权利要求6到8中任一项所述的方法，其中，通过脉宽调制的操控规定了通电状态。

10.按权利要求9所述的方法，其中脉宽调制的操控在一个周期内规定了一个或多个相分支（3）和/或激励绕组（4）直接与布置有电流测量装置（10）的供电线路连接的接通状态以及一个或多个相分支（3）和/或激励绕组（4）与布置有电流测量装置（10）的供电线路（9）分开的断开状态，其中通电状态之一相应于接通状态并且另一通电状态相应于规定的在相同的周期或者在后面的周期之一中在断开状态期间设定的连接状态。

11.用于确定电激励的电机（2）的通过激励绕组（4）的激励电流的激励电流数据以及通过相分支（3）的相电流的相电流数据的装置，包括：

-在用于相分支（3）以及激励绕组（4）的供电线路（9）中的电流测量装置（10），

-控制单元（6），构造该控制单元用于

·多次测量相应于不同通电状态中一个或多个相电流（I_U、I_V、I_W）和/或激励电流（I_Err）的总和的测量电流，从而获得测量电流数据，其中通过连接样式规定通电状态，其指示在确定的时间点对哪些相分支（3）以及激励绕组（4）进行通电；

·根据不同的通电状态下电流测量装置（10）上的电流平衡提供具有多个方程式的确定的方程组；

·通过解方程组确定激励电流数据以及相电流数据。

12.电机系统（1），包括：

-电激励的电机（2）；

-用于操控电机（2）的相分支（3）的驱动电路；

-用于操控电机（2）的激励绕组（4）的激励电路；

-按权利要求11所述的装置。

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