CN103782503A - 电子换向电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子换向电机。该电子换向电机具有与该电机的定子连接的功率输出级以及与该功率输出级连接的处理单元。该处理单元构造为控制功率输出级以用于产生至少一个定子电流。该电机具有电流传感器，该电流传感器构造为获取由该功率输出级产生的定子电流并且产生代表该定子电流的电流信号。该处理单元构造为借助于该电流传感器在一个时间间隔内获取在获取时间点的电流的至少一个电流值并且在该时间间隔中至少根据该电流值确定电流的电流曲线并且控制该功率输出级以根据所确定的电流曲线给该定子馈电。

Description

电子换向电机

技术领域

本发明涉及一种电子换向电机。该电机优选具有定子和尤其是永磁地构造的转子。该电子换向电机具有优选与定子连接的功率输出级以及与功率输出级连接的处理单元。该处理单元构造为尤其是脉宽调制地控制功率输出级以用于产生至少一个定子电流，尤其是通过产生至少一个或多个交流电压。功率输出级优选在输出侧与定子连接。处理单元能够因此控制功率输出级以便给定子馈电并且借助于定子产生旋转磁场。

发明内容

按照本发明，所述电机具有与处理单元连接的电流传感器，所述电流传感器构造为获取由所述功率输出级产生的定子电流并且产生代表所述定子电流的电流信号。所述处理单元构造为借助于所述电流传感器在一个时间间隔、尤其在一个脉宽调制周期中在获取时间点获取所述电流的至少一个或仅仅一个电流值并且至少根据所述电流值或者附加地根据电压和包括定子的定子线圈的电感和/或欧姆电阻的阻抗确定在所述时间间隔中的所述电流的电流曲线并且控制功率输出级以根据所确定的电流曲线给所述定子馈电。

借助于之前提及的电流传感器，开始所述类型的电机能够有利地不具有或者仅仅具有少量的扭矩波动性，其中扭矩波动性是时间上的扭矩变动，特别是扭矩的时间上的幅度调制。尤其地，扭矩波动由于处理单元对定子的定子线圈的不准确的控制产生。该不准确的控制例如由不正确地确定的定子馈电状态的实际电流值引起。

借助于如此构造的、具有减小的或者不具有扭矩波动性的电机，该电机也能够通过与电机的电机轴连接的部分不发出具有扭矩波动性的频率的空气噪声。具有如此构造的电流传感器的电机在运行时因此也发出少量的空气噪声并且因此导致更少的噪声排放。进一步有利地通过如此构造的电机引起在伺服转向装置中改善的触觉，该伺服转向装置与电机连接。

优选地，所述处理单元构造为，根据所述时间间隔的多个时间段期间确定的电流由所述电流曲线形成在所述时间间隔中的所述电流的平均值。所述处理单元进一步构造为，根据所述平均值控制所述功率输出级。在此，由所述功率输出级连接到所述定子上的电压在所述时间段期间优选是恒定的。

借助于平均值形成能够有利地将用于电流获取的获取和处理成本保持很小，从而处理单元的运算能力还剩余地保留用于另外的处理任务。

在一个优选的实施形式中，所述处理单元构造为，确定在时间段期间流过的电荷并且根据在所述时间间隔中的所述时间段期间流过的电荷的总和确定所述电流的平均值。由此可以有利地准确地获取电流平均值。

在电机的一个优选实施形式中，所述多个时间段的数量相应于连接到所述定子的定子线圈的电压的可能的相互不同的开关状态的数量。例如每个定子线圈能够采用两个开关状态，例如一个开关状态，在该开关状态中将中间电路电压施加到定子线圈；以及另一开关状态，在该另一开关状态中没有电压施加到定子线圈。借助于用于相互可能不同的开关状态的时间段的平均值形成，有利地形成用于平均值形成的电流值的数量，尤其是形成流过的电荷量的数量，以便产生高的平均值精度。

在一个优选的实施形式中，所述电机具有与所述处理单元连接的温度传感器。所述温度传感器构造为，获取所述电机的至少一部分、尤其是所述定子和/或所述功率输出级的温度并且产生代表所述温度的温度信号。处理单元优选构造为，根据所述温度信号、优选地根据代表温度变化的所述温度信号的变化获取电流值以确定所述电流曲线。进一步优选地，有利地仅仅当存在通过温度信号代表的温度变化特别是预定的温度变化时，实施新的电流平均值以便控制功率输出级并且因此给定子馈电。通过温度有关地获取电流值——根据该电流值在对预定时间间隔的获取之后形成用于相互不同的时间段的平均值——能够有利地尽可能小地保持处理单元的运算负荷。

也就是说知道的是，定子线圈的电的特性、此外功率输出级的电的特性依赖于定子或功率输出级的环境温度。随着电的特性的变化，定子或在功率输出级中包含的半导体元件的阻抗也变化。由电机输出的扭矩在时间上的走向、尤其是扭矩可能的扭矩波动性因此极大地依赖于定子和/或功率输出级的温度。

在一个优选实施形式中，所述电流传感器由电阻尤其是分流电阻形成。所述电阻与所述功率输出级尤其地串联连接。

本发明也涉及一种用于运行电子换向电机的方法，其中给电机的定子线圈脉宽调制地通以电压以便产生旋转磁场。在该方法中，在时间间隔中在获取时间点获取流过所述定子线圈的电流的电流值，并且确定在所述时间间隔中的所述电流的电流曲线，并且根据所确定的电流曲线连接所述定子线圈。

在该方法的一个优选实施形式中，根据所述时间间隔的多个时间段期间确定的电流由所述电流曲线形成在所述时间间隔中的所述电流的平均值并且根据所述平均值控制所述定子线圈，其中所述定子线圈的开关状态在所述时间段期间分别不变。由此分别连接到定子线圈的电压在时间段期间不变。

优选地在该方法中，确定在时间段期间流过的电荷并且根据在所述时间间隔中的所述多个时间段期间流过的电荷的总和确定所述电流的平均值。

优选地，获取所述电机的至少一部分、尤其是功率输出级和/或定子的温度并且产生代表所述温度的温度信号。此外根据所述温度信号、尤其是代表温度变化的所述温度信号的变化获取电流值，以确定所述电流曲线。

附图说明

在下文中现在根据附图和另外的实施例描述本发明。另外的有利的实施变型由在附图中描述的以及在从属权利要求中描述的特征给出。

具体实施方式

图1示出了电机1的实施例。电机1具有定子3和永磁地构造的转子5。电机1也具有功率输出级10，该功率输出级在输出侧与定子5并且在那里与定子3的定子线圈7、8和9连接。功率输出级10具有用于中间电路电压的连接端35。功率输出级10通过连接节点34通过分流电阻20与接地连接端22连接。分流电阻20形成电流获取元件。处理单元12通过尤其是多通道构造的连接26与功率输出级10连接并且构造为，脉宽调制地控制功率输出级10、尤其是功率输出级10的半导体开关的控制连接端，以便给定子3馈电并且由此产生用于转子5的旋动的旋转磁场并且为此产生脉宽调制的控制信号38。

半导体开关例如分别由IGBT晶体管或者场效应晶体管、特别是MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）或MISFET（绝缘栅半导体场效应管）形成。

处理单元12例如由微处理器、微控制器、ASIC（专用集成电路）或FPGA（现场可编程门阵列）形成。

连接节点34通过连接线25与处理单元12连接。处理单元12能够通过连接线25接收电流信号，该电流信号代表在分流电阻20上下降的电压并且因此代表流过功率输出级10的电流。处理单元12在输入侧通过连接线27与时钟16连接。时钟16例如由石英振荡器形成并且构造为，产生代表同步脉冲的时间信号并且发送到处理单元12。处理单元12与用于数据记录的存储器18连接，其中示例性地表示数据记录19。在该实施例中数据记录19代表在一个获取时间点的电流值，该电流值由作为电流传感器的分流电阻20获得。

功率输出级10在输出侧通过连接线30与定子线圈7的第一连接端40连接，通过连接线28与定子线圈8的第一连接端42连接并且通过连接线29与定子线圈9的第一连接端44连接。电机1也具有温度传感器14，其被设置和构造为获取定子3的温度并且产生代表温度的温度信号37并且将该温度信号通过连接线24发送到处理单元12。电机1也具有温度传感器15，其被设置和构造为获取功率输出级10的温度并且产生代表功率输出级10的温度信号并且将该温度信号通过连接线33发送到处理单元12。

处理单元12构造为，根据在一个时间间隔（尤其是脉宽调制周期）内的时间信号和温度信号，在控制功率输出级10期间根据通过分流电阻20接收的电流信号形成在一个获取时间点的电流值并且产生数据记录19，该数据记录代表该电流值。

处理单元12进一步构造为，在时间间隔中根据通过数据记录19代表的电流值确定电流的电流曲线，在时间间隔中根据所确定的电流曲线确定电流平均值并且根据用于给定子3馈电的电流值控制功率输出级10。在以下图2和3中描述一个确定的实施例。

处理单元例如构造为，只要温度传感器14或15的温度信号没有获取温度变化，就根据确定的平均值控制定子3以便产生旋转磁场。在获取温度变化的情况下，能够重新确定在时间间隔中电流的平均值并且根据重新确定的平均值实施对功率输出级10的进一步控制。

图2示出了用于具有三个定子线圈的电机的等效电路图的电路布置的实施例。每个定子线圈在此具有电感和欧姆电阻，它们与电压源串联连接，其中该电压源代表在定子线圈中感应的电压。

在图1中示出的定子线圈7的第一连接端40由功率输出级10脉宽调制地施加中间电路电压Ua。连接端40通过定子线圈7的欧姆电阻50与定子线圈7的电感53连接，该电感通过代表在定子线圈7中感应的电压的电压源56与星形点连接端32连接。在图1中示出的定子线圈8的第一连接端42由功率输出级10脉宽调制地施加中间电路电压Ub。连接端42通过定子线圈8的欧姆电阻51与定子线圈8的电感54连接，该电感通过代表在定子线圈8中感应的电压的电压源57与星形点连接端32连接。在图1中示出的定子线圈9的第一连接端44由功率输出级10脉宽调制地施加中间电路电压Uc。连接端44通过定子线圈9的欧姆电阻52与定子线圈9的电感55连接，该电感通过代表在定子线圈9中感应的电压的电压源58与星形点连接端32连接。

对于连接端40适用的是：

星形点32的星形点电压近似地忽略谐波地相应于施加的中间电路电压的平均值：

$\stackrel{U_Y=\frac{U_a+U_b+U_c}{3}}{\‾}---\left(2\right)$

角度有关的电感近似地忽略谐波地为：

那么感应的电压为：

在定子的定子线圈中感应的电压分别相互相移120度。

简化地假定，感应的电压和定子线圈的电感在该时间间隔、特别是PWM周期内恒定。

为了确定在欧姆电阻上的压降假定在时间间隔中的恒定的相电流。

该时间间隔可以分为相互不同的时间段，在时间段中在定子线圈的多个连接端上分别或者具有中间电路电压或者没有电压。

对于相电流假定:

$\stackrel{\frac{d{I}_a}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\Δ}{I}_a}{\mathrm{\Δt}}}{\‾}---\left(5\right)$

对于时间间隔的每个时间段则能够确定电流变化：

其中：

U_Y=在连接节点32处的星形点电压；

U_a=在相位a，尤其是定子线圈7处的电压、尤其是中间电路电压；

I_a=在相位a流过定子线圈7的电流；

R_s=定子线圈7、8或9的中的一个定子线圈的欧姆电阻51、52或53；

=定子线圈7的转子角度有关的电感53；

=在定子线圈7中依赖于转子角度

和角频率ω的感应的电压56；

=电的转子角位置；

Ψ_pm=脉宽调制的磁流；

L_d=在一个d-q坐标系统中沿d方向电机特定的电感；

L_q=在一个d-q坐标系统中沿d方向电机特定的电感。

对于连接端42和44，特别是电机相位b和c适用类似于等式1的等式，其具有相位b和c的电流、电压和电感。

图3示出一个示意图，其中示出了在定子线圈中流动的电流和连接到定子线圈的时间上的电压曲线。

定子线圈在尤其是脉宽调制周期的时间间隔的时间段中如下例如由图1中的功率输出级10按照以下表格施加中间电路电压Uzk：

对于六个时间段中的每个能够根据等式（6）确定电流变化。

在时间间隔中定子线圈的电流的平均的电流值是：

$\stackrel{I_{\mathrm{mean}}=\frac{1}{t_{\mathrm{period}}}\underset{k=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(I_k+I_{k+1})\·(t_{k+1}-t_k)}{2}}{\‾}---\left(7\right)$

$\stackrel{I_0=I_{\mathrm{measured}}-\frac{\mathrm{\Δ}{I}_1\·t_{\mathrm{sample}}}{t_1-t_0}}{\‾}$

$\stackrel{I_{k+1}=I_k+\mathrm{\Δ}{I}_{k+1}}{\‾}$

其中：

t₀...t₆=功率输出级的脉宽调制的转换时间点；

I₀...I₆=在时间点t₀...t₆的瞬时电流值；

I_measured=获取的电流值；

I_mean=在时间间隔中的电流的平均值；

t_period=时间间隔尤其是PWM周期的时间长度；

t_sample=获取I_measured的时间点；

ΔI_k=按照等式（6）时间点t₀...t₆中的两个相继的时间点之间的电流变化。

对于相位b，对于图1的例子中的定子线圈8，在图1中的处理单元12能够如下确定电流：

$\stackrel{I_{b,\mathrm{mean}}=\frac{1}{t_{\mathrm{period}}}\underset{k=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(I_{b,k}+I_{b,k+1})\·(t_{b,k+1}-t_{b,k})}{2}}{\‾}---\left(8\right)$

等式8因此表示在相位b中例如在定子线圈8中在时间间隔中累加的流过的电荷的总和，这些电荷通过时间间隔的时间长度分开，由此得出例如在定子线圈8中的在相位b中的平均电流。

那么在相位b中在时间点t₀的电流为：

$\stackrel{I_{b,0}=I_{b,\mathrm{measured}}-\frac{\mathrm{\Δ}{I}_{b,1}\·t_{b,\mathrm{sample}}}{t_{b,1}-t_{b,0}}}{\‾}---\left(9\right)$

在相位b中在后续的时间段k+1中的电流如下：

$I_{b,k+1}=I_{b,1}+\mathrm{\Δ}{I}_{b,1}$

对于相位c，例如对于定子线圈9，适用如下：

$\stackrel{I_{c,\mathrm{mean}}=\frac{1}{t_{\mathrm{period}}}\underset{k=0}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(I_{c,k}+I_{c,k+1})\·(t_{c,k+1}-t_{c,k})}{2}}{\‾}---\left(10\right)$

$\stackrel{I_{c,0}=I_{c,\mathrm{measured}}-\frac{\mathrm{\Δ}{I}_{c,2}\·t_{\mathrm{sample}}}{t_{c,2}-t_{c,1}}}{\‾}---\left(11\right)$

$\stackrel{I_{c,k+1}=I_{c,k}+\mathrm{\Δ}{I}_{c,k+1}}{\‾}$

在相位c中在时间点t₀的电流为：

$I_{c,0}=I_{c,1}+\mathrm{\Δ}{I}_{c,1}$

在示意图61中示出了由功率输出级10连接到定子3的脉宽调制的电压。借助于脉宽调制产生的电压曲线90相应于施加到定子线圈7的连接端40上的中间电路电压Ua。借助于脉宽调制产生的电压曲线91相应于施加到定子线圈8的连接端42上的中间电路电压Ub。借助于脉宽调制产生的电压曲线92相应于施加到定子线圈9的连接端44上的中间电路电压Uc。功率输出级的转换的时间点以t0、t1、t2、t3、t4、t5和t6表示，通过这些时间点确定上文提及的时间间隔70的时间段。时间间隔70的时间段62、63、64、65、66和67能够分别由时间点t1、t2、t3、t4或t5与开始时间点t0计算的差形成。时间点71相应于获取时间点，在该时间点获取定子线圈7也就是相位a的电流。时间点72相应于获取时间点，在该时间点获取定子线圈8也就是相位b的电流。

获取时间点71由图1中的处理单元12通过时间段69确定，该时间段相应于在电压曲线90的脉宽调制周期开始之后的时间长度。获取时间点72由图1中的处理单元12通过时间段68确定，该时间段相应于在电压曲线91的脉宽调制周期开始之后的时间长度。

图61示出了曲线80，其代表由处理单元12确定的通过定子线圈7的电流曲线。直线81代表由处理单元12确定的在时间间隔70内的电流曲线80的时间上的平均值。

曲线82代表由处理单元12确定的通过定子线圈8的电流曲线。该电流曲线根据在获取时间点72获取的通过线圈8的电流的电流值确定。直线83代表由处理单元12确定的在时间间隔70内的电流曲线82的时间上的平均值。

曲线84代表由处理单元12确定的通过定子线圈9的电流曲线。该电流曲线根据在获取时间点71获取的通过线圈9的电流的电流值确定。直线85代表由处理单元12确定的在时间间隔70内的电流曲线84的时间上的平均值。

Claims (10)

1.电子换向电机（1），具有定子（3）和尤其是永磁地构造的转子（5），其中所述电机（1）具有与所述电机（1）的功率输出级（10）连接的处理单元（12），其中所述处理单元（12）构造为控制功率输出级（10）以用于产生至少一个定子电流，其特征在于，所述电机（1）具有与所述处理单元连接的电流传感器（20），所述电流传感器构造为获取由所述功率输出级（10）产生的定子电流（80、71）并且产生代表所述定子电流（80、71）的电流信号，并且所述处理单元（12）构造为借助于所述电流传感器（20）在一个时间间隔（70）中在获取时间点（71、72）获取电流的至少一个电流值并且至少根据所述电流值确定在所述时间间隔（70）中的所述电流的电流曲线（80、82、84）并且控制所述功率输出级（10）以根据所确定的电流曲线（80、82、84）给所述定子馈电。

2.根据权利要求1所述的电机（1），其特征在于，所述处理单元（12）构造为，根据所述时间间隔（70）的多个时间段（62、63、64、65、66、67）期间确定的电流由所述电流曲线形成在所述时间间隔中（70）的所述电流的平均值（81、83、85）并且根据所述平均值（81、83、85）控制所述功率输出级（10），其中由所述功率输出级（10）连接到所述定子（3）上的电压（90、91、92）在所述时间段（62、63、64、65、66、67）期间是恒定的。

3.根据权利要求1所述的电机（1），其特征在于，所述处理单元（12）构造为，确定在时间段（62、63、64、65、66、67）期间流过的电荷并且根据在所述时间间隔（70）中的所述多个时间段（62、63、64、65、66、67）期间流过的所述电荷的总和确定所述电流的平均值（81、83、85）。

4.根据权利要求2或3所述的电机（1），其特征在于，所述多个时间段（62、63、64、65、66、67）的数量相应于连接到所述定子（3）的定子线圈（7、8、9）的电压（90、91、92）的可能的相互不同的开关状态的数量。

5.根据上述权利要求之一所述的电机（1），其特征在于，所述电机（1）具有与所述处理单元（12）连接的温度传感器（14、15），所述温度传感器构造为，获取所述电机（1）的至少一部分、尤其是所述定子（3）和/或所述功率输出级（10）的温度并且产生代表所述温度的温度信号（37）并且所述处理单元（12）构造为，根据所述温度信号（37）、尤其是代表温度变化的所述温度信号（37）的变化获取所述电流值，以确定所述电流曲线（80、82、84）。

6.根据上述权利要求之一所述的电机（1），其特征在于，所述电流传感器（20）由电阻，尤其是分流电阻形成，所述电阻与所述功率输出级（10）尤其串联连接。

7.一种用于运行电子换向电机的方法，其中给电机的定子线圈脉宽调制地通以电压以便产生旋转磁场，其特征在于，在时间间隔（70）中在获取时间点（71、72）获取流过所述定子线圈的电流的电流值，并且确定在所述时间间隔（70）中的所述电流的电流曲线（80、82、84），并且根据所确定的电流曲线（80、82、84）连接所述定子线圈。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述时间间隔（70）的多个时间段（62、63、64、65、66、67）期间确定的电流由所述电流曲线（80、82、84）形成在所述时间间隔（70）中的所述电流的平均值（81、83、85）并且根据所述平均值控制所述定子线圈，其中所述定子线圈（7、8、9）的开关状态在所述时间段（62、63、64、65、66、67）期间分别不变。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，确定在时间段（62、63、64、65、66、67）期间流过的电荷并且根据在所述时间间隔（70）中在所述多个时间段（62、63、64、65、66、67）期间流过的所述电荷的总和确定所述电流的平均值（81、83、85）。

10.根据权利要求7至10之一所述的方法，其特征在于，获取所述电机的至少一部分的温度并且产生代表所述温度的温度信号（37）并且根据所述温度信号（37）、尤其是代表温度变化的所述温度信号（37）的变化获取所述电流值，以确定所述电流曲线（80、82、84）。

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