CN104321961B

CN104321961B - 用于对无刷电动驱动器进行位置确定的方法和设备

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Publication number: CN104321961B
Application number: CN201380023034.6A
Authority: CN
Inventors: 约翰尼斯·施瓦茨科普夫
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2033-05-02
Also published as: WO2013164092A3; US20150054441A1; DE102012013652A1; KR101685462B1; KR20150013229A; US9337758B2; CN104321961A; WO2013164092A2; DE112013002301A5

Abstract

本发明涉及一种用于对具有至少两个相绕组(U、V、W)的至少二相的，尤其是三相的无刷电动驱动器进行位置确定的方法，所述相绕组各具有第一和第二端子(9、12、13、14)，其中，第一相绕组(W)的第二端子与第二相绕组(V)的第一端子在同一个连接端子(1)上电连接。为了在低转速的情况下也能够对电动驱动器进行可靠的位置确定而设置，在第一相绕组(W)的第一端子(9)与第二相绕组(V)的第二端子(30)之间施加电压脉冲；获取在连接端子(1)上或在与该连接端子连接的第三相绕组上出现的电压并由此确定第一相绕组(W)与第二相绕组(V)之间的电压分配比例；并且由该电压分配比例确定可变的电感之间的比例。

Description

用于对无刷电动驱动器进行位置确定的方法和设备

技术领域

本发明属于电动驱动器的领域并且涉及无刷驱动器及其位置确定。

背景技术

为了避免电动驱动器，尤其是具有形式为电刷的机械换向器装置的电动马达的已知的缺点，像例如随着相应的有效功率损失而出现的机械换向器装置的电刷火花和损耗问题，在尽可能充分利用功率电子器件的情况下研发了所谓的无刷电动驱动器，该无刷电动驱动器的易受干扰性明显减少了并且其磨损基本上通过轴承磨损来确定并且因此是非常小的。

在这种无刷电动驱动器中，转子具有多个永磁体，这些永磁体本身在配设有相绕组或线圈绕组的定子的旋转磁场中运动。定子的线圈利用功率半导体开关，尤其是利用功率晶体管，尤其是MOSFET驱控。对定子的不同的相绕组的驱控循环地进行。为了能够实现对这种驱动器的可靠的驱控和调节，获知转子的实际位置是必要的，以便最小化理论转速与实际转速之间的转速差。因此，也可以对驱动器的变化的负载做出最佳的反应。

为了对无刷电动驱动器的这种转子进行位置确定，可以使用霍尔传感器。然而，这种解决方案是成本高昂且易受干扰的。

此外，通过转子在定子绕组中的转动运动而感应出的电压，即所谓的电动势(EMK，英语：EMF)可以用于位置和转速确定。然而，该措施特别是在低转速的情况下是不可靠的并且在最低转速的情况下不起作用。

也能想到的是，经由相绕组获知如下这样的靠电流感应的电压，即，该电压众所周知地依赖于馈给电流的变化和可变的电感。然而，这样的测量方法尤其是在利用脉宽调制的信号进行驱控的情况下受到强烈的干扰，并且此外当使用特殊的测量脉冲时，需要该测量脉冲的确定的最小持续时间，以便能够确定特定的电流变化。但是相应地，长时间的测量脉冲会干扰驱动器并产生转动力矩波动。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种用于对无刷电动驱动器进行位置确定的方法和设备，以避免现有技术的缺点并且即使在驱动器低转速和停机的情况下也能够以特别少的结构上和电路技术上的费用进行可靠的位置确定。

在方法方面，所提及的任务根据本发明利用权利要求1的特征来解决，而在设备方面，则利用权力要求9的特征来解决。有利的改进方案和设计方案是由此分别回引的从属权利要求的主题。

因此，本发明涉及一种用于对具有至少两个相绕组的至少二相的，尤其是三相的无刷电动驱动器进行位置确定的方法，所述相绕组各具有第一和第二端子。第一相绕组的第二端子与第二相绕组的第一端子电连接在同一个连接端子上。在此，相绕组指的是定子的各由相馈电的绕组或定子的绕组的由单个相馈电的组。绕组的这样的组可以例如具有相应于转子的极对的数量的单个绕组的数量。无刷电动驱动器结合本发明指的是例如在星形电路或三角形电路中的无刷三相电动机。但是原则上，本发明例如也能用于线性驱动器。

根据本发明，在第一相绕组的第一端子与第二相绕组的第二端子之间施加至少一个电压脉冲。在连接端子上或在与该连接端子连接的第三相绕组上获取在那里出现的电压并由此确定第一相绕组与第二相绕组之间的电压分配比例，其中，尤其如果应获取在第三相绕组上出现的电压，就在第三相绕组(U)无电流期间施加电压脉冲。由电压分配比例来确定可变的电感之间的比例。因此，分别考虑两个串联连接的相绕组，所述相绕组在测量的时间段内被同一电流穿流，其中，对于两个相绕组来说电流的对时间的导数是相等的。

连接端子可以构造为绕组的星点，然而也可以设置成所谓的Delta绕组。

如在下面进一步详细示出的那样，据此得到在测量时刻有效的可变的绕组电感的比例作为在两个相绕组的情况下的电压降的比例。该比例依赖于驱动器的位置，也就是说，依赖于在转子内的永磁体相对定子的绕组的位置，从而在考虑周期性和尤其是中间回路电压的情况下从该比例推断出相对位置并因此推断出转子的转动角度或者可以获知电压的至少一个过零(Nulldurchgang)。

有利的实施方案规定，获知在相绕组中通过电动驱动器的运动感应出的电压并且在获知施加在相绕组之间的电压脉冲的电压分配比例时考虑该感应出的电压。

在串联连接的两个相绕组上施加电压脉冲的情况下的对电压的分配首先依赖于各个相绕组的可变电感的比例。然而此外，对电感的时间导数(这里可以忽略)和对感应电压(EMK、EMF)也存在有依赖性，也就是说对通过定子和转子的相对运动而在各个相绕组中感应出的电流和电压存在有依赖性。该最后提及的感应电压在转速为零的情况下是不存在的并且随着驱动器的转速呈线性地增长。因为感应电压通常相对于通过在绕组中的电流变化而感应出的电压而言具有不同的周期性，所以通过同时考虑能够依赖于应用地相加的两个效果来实现较高的灵敏性并且在必要时也实现较好的局部分辨率。

为此，可以有利地规定，在施加第一电压脉冲之后(并且在结束第一电压脉冲之后)施加在电压的极性方面转向的，尤其是按照数值是同等大小的电压脉冲或者施加其它限定的电压脉冲例如施加零脉冲。通过电压脉冲在测量装置上的转向以及对经分别测量的、出现的电压分配的比较可以获知，在电感上下降的(并且通过施加的电压脉冲确定的)电压是否在极性方面反向于通过相对运动而感应出的电压或者两个电压是否具有相同的极性。也就是说，可以确认，是否在感应电压(EMK)的正的、上升的过零之后或在EMK的负的过零之后发生相应的测量。

本发明的有利的设计方案进一步规定，比较当施加电压脉冲的哪种极性时会在连接端子上出现较高的电压。

因为在根据本发明的方法的范围内观察到在电感内延迟的电流没有对施加的电压脉冲做出反应，而是仅静态地进行电压分配，所以短的电压脉冲已经是足够了的，该电压脉冲仅最低限度地影响驱动器驱控的波动或者所引起的转动力矩的波动。

在此可以有利地规定，电压脉冲的脉冲持续时间处于1μs与20μs之间，尤其是2μs与10μs之间，进一步尤其是5μs。

此外可以有利地规定，电压脉冲用于获取在连接端子上的电压，该电压脉冲在对电动驱动器进行驱控的范围内设置为驱动脉冲。当这对根据本发明的测量是有利的时，这样的电压脉冲可以根据需要地被延长。

本身的驱动器驱控可以以不同的方式如下地实现，即，借助功率半导体电路将在时间上变化的或恒定的直流电压脉冲施加到相绕组上。在此，优选使用脉宽调制的方法，在该方法中，循环可变的驱控强度周期性地通过在时间上或多或少致密地且或多或少长时间持续的直流电压脉冲，也就是说利用不同的占空比(duty cycle)进行设计。不仅时间上的密度(频率)而且脉宽因此都可以进行调制。所提及的其中一种直流电压脉冲可以实现用于根据本发明的位置确定的目的。由此，在该情况下不影响本身的驱动器驱控。

根据本发明的方法特别地也涉及用于对三相电动驱动器进行位置确定的方法，在该方法中，第三相绕组的第一端子与连接端子连接，其中，在第三相绕组无电流期间施加电压脉冲。

所提及的方法不仅适合于星形电路而且也适合于三角形电路，以便确保，在连接端子上的电压水平仅通过由电压脉冲激励的电流确定，该电流流过第一和第二相绕组并且造成电感上的相应的电压降。为此，产生了在第一和第二相绕组中通过定子和转子的相对运动而感应出的电压，然而，所述电压能够根据执行测量时的转速地被考虑或被忽略。

也可以在第三相绕组上测量在连接端子出现的电压，该连接端子在星形电路的情况下等同于星点。

如果仅考虑在各个相绕组上的经测量的电压降的符号，那么分辨率关于驱动器驱控的一个整个循环可以是15°。如果考虑电压测量的数值，那么更精确的分辨率是可能的。

为了对如下这样的三相电动驱动器进行位置确定，在该电动驱动器中在第一相绕组的第一端子与第二相绕组的第二端子之间联接了第三相绕组，根据本发明的方法的另一有利的设计方案规定，在第三相绕组无电流期间施加电压脉冲。该方法特别地涉及三相驱动器的三角形电路，该驱动器每相都具有相绕组。

除了用于对电动驱动器进行位置确定的方法外，本发明还涉及一种针对尤其在星形电路或三角形电路中具有三相的、无刷的电动驱动器来执行这种方法的设备。根据本发明，设置有测量装置以及电压测量装置，测量装置具有电压电源和至少一个电开关，用以将限定的电压脉冲施加到两个在连接端子处彼此连接的相绕组上，电压测量装置用于测量在连接端子上的电压。

在此可以有利地规定，测量装置具有机构，以便将限定的电压脉冲选择性地施加到彼此连接的第一和第二相绕组上或施加到彼此连接的第一和第三相绕组上或也尤其施加到彼此连接的第二和第三相绕组上，以及分别测量在连接端子上的电压。在此，相应地成对连接的相绕组尤其以串联的方式连接。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，其中：

图1示意性地示出星形电路中的电动驱动器的相绕组，

图2示出桥电路，用以分别对驱动器的相绕组进行驱控，

图3示出针对一个相的电压供给部的等效电路图，

图4示意性地示出针对三角形电路中的电动驱动器的等效电路图，

图5示出在电压分配的过程中相绕组的电感器上的电压降走向和在起先很低的转速的情况下感应电压(EMF、EMK)的走向的按时间分辨的图示，以及

图6示出在较高转速的情况下相应于图5的图示的过程图。

具体实施方式

图1示意性地示出了三个相绕组U、V、W的星形电路，其中，星点1形成各两个相绕组U、V、W之间的连接端子。各个相绕组以分别具有电感器2和欧姆电阻器3以及电压降的等效电路图的形式示出，电压降(以圆圈4表示)借助由于运动而感应出的电压(EMK，EMF)产生。

当三个相绕组中的一个假定为无电流时，那么分别得出在星点1处连接的其余两个相绕组的串联。分别在相绕组U、V、W上下降的电压通过箭头20、21或22表示并且相应地作为在电感器和欧姆电阻器上的电压降以及感应电压的总和而得出。

对这种以星形接法运转的无刷电动驱动器的驱控可以例如经由所谓的B6电路实现，在B6电路中，在每个相绕组上都可以选择性地施加较高的直流电压水平或较低的直流电压水平，尤其是地电位。因此，这样的电动驱动器在转速、功率和转动方向方面是可控的。

示例性地，在图1中示出了用于相W的由两个开关组成的布置方案，其中，用5标记地电位端子并且用6标记较高的直流电压电位。经由开关7、8，相绕组W的第一端子9要么与较高的直流电压电位连接要么与地电位连接。如果开关7闭合且开关8断开，那么端子9与较高的直流电压电位连接。如果端子7断开且端子8闭合，那么相绕组W的第一端子9与地电位连接。因此，根据各个开关7、8的切换位置，可以给相绕组U、V、W加载两种不同的电压水平。

图2较详细地示出了具有类似于图1中的标记的由两个半导体开关7、8组成的布局的电路的可能的结构，经由它们可以有针对性地将两种不同的电压电位接到相绕组U、V、W上。相绕组端子用9标记。较低的电压水平例如地电位用地电位端子5标记，而较高的直流电压水平加在端子6上。开关7、8作为MOSFET来实现，它们可以分别被接通或阻断，并且它们能够通过控制电压在其连接状态方面进行驱控。控制电压输入端在图2中用10或11标记。因此，通过对控制电压输入端10、11进行相应地驱控可以选择性地将较高的电压水平或较低的电压水平或地电位传递到电动驱动器的电路例如星形电路的相绕组U、V、W上。

图3示出了针对电压电源的等效电路图，该电压电源例如可以提供在图2中端子6上的相对于地电位而言较高的电压水平。在此，23标记为电压电源的内电阻器，24标记为自电感器，25标记为电容器，26标记为地电位端子，27标记为分流器(测量电阻器)，有效电压在该分流器上下降，以及28标记为所提供的有效电压并且29标记为所提供的电流。电流和电压(在电路的左侧)示例性地由电池提供。

这样的电压电源也适用于借助上述半导体开关7、8将直流电压脉冲形式的测量信号根据本发明的方法施加到其中一个相上或施加到两个彼此串联的相的两个外部的端子之间。

通常，根据图1的星形电路针对每个相绕组各具有半导体桥式开关，如例如在图2中所示出的那样。此外，可以设置有电池端子，该电池端子除了对驱动器进行驱控外还提供用于根据本发明的测量方法的电压脉冲。

类似地适用于在图4中示意性地示出的三角形电路，该三角形电路同样能够利用相应的以已知方式相对于星形电路所不同的驱动器特性用作电动驱动器的典型的连接电路。上面结合图1的描述适用于相U、V、W的各个相绕组。驱控也可以在硬件方面相似于星形电路地实现，其中，针对驱控的调节机制可以是不同的。

根据本发明的方法也可以在如在图4中所示的三角形电路的情况下应用，其方法是，将电压脉冲施加到各两个相绕组U、V、W的串联电路上，而第三相绕组是无电流的。例如可以将电压施加到串联连接的相绕组U、V上，其方法是，将电压施加到端子12、13之间并使相绕组W保持无电流。于是如结合图1所示出的那样，发生了在相绕组U和V上的电压分配，其中，由端子14形成连接端子并且在该端子上能够获取所分配的电压。

同样地，可以将电压脉冲施加到相绕组V和W上，其方法是，将相应的电压施加到端子12和14上并且在连接端子13上获取测量电压。因此，对于三角形电路中的电动驱动器来说也能够借助根据本发明的方法实现位置确定。

如下可能性，即，在第三相同时无电流的情况下从两个相绕组U、V、W之间的电压分配推断出电感并因此推断出转子磁体相对于定子侧的相绕组U、V、W的位置，由以下的考虑得出：

相的电感L_{相_U}本身由绕组的电感的恒定部分以及由周期性地通过接近和远离转子磁体所引起的且确定其导磁率的部分L_var*cos(x*(α+α₀))构成。在此，系数x确定有多少高次谐波被考虑。

此外，只考虑可变电感的二次谐波。如下适用于不同的相绕组：

L_{相_U}＝L₀+L_var*cos(2*(α+α₀))，

及

其中，L₀为可变电感的恒定分量，L_var为可变电感的交变分量并且α为转子与定子之间的电角度。在α＝0的情况下相U的EMK具有正的过零，并且α₀为可变电感的相位。

如下适用于在电感上的电压降：

这里可以忽略源于电感变化的分量。

得出：

评估并获知位置：

特殊情况：用于测量的电压脉冲在无电流流过的相中的EMK过零期间实现。

一个相保持无电流(这里：相U)：

所以，由于串联连接，通过另外两个相的电流强度是相等的。

如下以近似的方式适用于感应电压：

U_{EMF_U}＝U₀*n*sin(α)，

并且

其中，n为转速，并且U₀为在转速为1的情况下的感应电压。

如果相W与地连接且在端子6上的电压信号U_Z通过闭合开口7接入V并且相U是无电流的，那么得出：

U_Z＝2*I_{相_V}*R_相+U_{L_相_V}-U_{L_相_W}+U_{EMF_V}-U_{EMF_W}

适用如下：

或者

如果能忽略电感的导数的影响，那么得出：

或者

与此相应地，星点的电位移位，并且伴随于此地相U上的电压移位。

换句话说：

-一个相是无电流的，

-将不同地限定的电位(电压脉冲)施加到两个另外的相的串联电路上(GND＝地电位和U_Z)，

-电压的一部分在电阻器和感应电压上下降，

-余下的剩余电压(在主要部分是小转速的情况下)在电感上下降并且能在星点处或在无电流的相上截取的电压分配比例又反映出测量时刻有效的电感的比例。

由此得出，通过在无电流的相上的电压可以获知转子的位置，该电压随着转子的转动而周期性地变化。

图5在水平轴线上示出了经测量的电压降关于驱动器的以度数测量的完整的驱控周期的时间走向，其中，360°为一个完整的周期。在Y轴线上分别标有经测量的电压。由该电压能够确定相应起作用的电感。在此，虚曲线15标记为经测量的电压降，该电压降以施加的测量电压脉冲的电压降在电感上的影响以及通过转子相对运动而感应出的电压的总和来示出。原本的感应电压以曲线17示出。该影响当在图5中假设是低转速的布局的情况下是相对小的，其中，感应电压相应地也是小的。

用16标记连续的曲线，该曲线反映出通过施加的测量电压的电压分配而在相绕组的电感上下降的部分电压和由此得出的电压分配。通过转子与定子的相对运动对感应电压的由曲线17示出的影响从该曲线16算出。

在施加的测量电压脉冲转向的情况下，翻转曲线16的极性，也就是纯粹通过电压降所产生的电压分配。即使仅测量总电压15的数值，也表明，能够通过最大值18、19的差获知是否在感应电压的正的过零时或在感应电压的负的(下降的)过零时发生测量，在最大值时在电感上下降的电压和感应电压一次相同地指向并且一次相反地指向。因此，通过电压转向能够区分出在连接端子上获取的总电压的单个峰值，从而因此可以放大位置确定的分辨率。

图6示出了类似于图5的布局，然而却是在驱动器的较高的转速的情况下。显著的是，以曲线17’示出的感应电压明显更大了并且对在连接端子上所测量的电压15’产生了更大的影响。这里指明在第一峰值18’和第二峰值19’进行电压测量时具有很大的数值区别，从而更容易在感应电压的正的与负的过零之间进行区分。

用16’标记在连接端子上的、纯粹由在电感上的电压分配而得到的电压，该电压通过对在连接端子上测量的电压和单独获知的、通过旋转而感应出的电压求差得出。

对根据本发明的方法的应用并不局限于上面讨论的实施例，尤其是不局限于所示出的相绕组的电路和所示出的驱控电路。

附图标记

1 星点

2 电感器

3 欧姆电阻器

4 感应电压

5 地电位端子

6 较高的直流电压电位

7 开关

8 开关

9 相绕组W的第一端子

10、11 控制电压输入端

12、13、14 三角形电路中的相端子

15、15’ 经测量的电压降

16、16’ 在电感上下降的电压

17、17’ 感应电压

18、18’ 第一曲线峰值

19、19’ 第二曲线峰值

20、21、22 在相绕组上下降的电压

23 电压源的内电阻器

24 电压源的自电感器

25 电压源的电容器

26 电压源的地电位端子

27 电压源的分流电阻器

28 电压源的有效电压

29 电压源的电流

30 相绕组的第二端子

U、V、W 相绕组

Claims

1.一种用于对具有至少两个相绕组(U、V、W)的至少二相的无刷电动驱动器进行位置确定的方法，所述相绕组各具有第一和第二端子(9、12、13、14)，其中，第一相绕组(W)的第二端子与第二相绕组(V)的第一端子在同一个连接端子(1)上电连接，

其特征在于，

-在所述第一相绕组(W)的第一端子(9)与所述第二相绕组(V)的第二端子(30)之间施加至少一个电压脉冲，

-获取在所述连接端子(1)上或在与所述连接端子连接的第三相绕组(U)上出现的电压并由此确定所述第一相绕组(W)与所述第二相绕组(V)之间的电压分配比例，并且

-由所述电压分配比例确定可变的电感之间的比例，其中，如果应获取在第三相绕组(U)上出现的电压，则在第三相绕组(U)无电流期间施加所述电压脉冲，并且在施加第一电压脉冲并且结束所述第一电压脉冲之后施加其它限定的、在极性方面反转的电压脉冲。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

获知在所述相绕组(U、V、W)中通过所述电动驱动器的运动而感应出的电压，并且在获知所述相绕组(U、V、W)之间的电压分配比例时考虑所述感应出的电压。

3.根据权利要求2所述的方法，

其特征在于，

在施加第一电压脉冲之后施加其它限定的、在电压的极性方面反转的在数值上相同的电压脉冲。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，比较当施加所述电压脉冲的哪种极性时会在所述连接端子(1)上出现较高的电压。

5.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

脉冲持续时间处于1μs与20μs之间。

6.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

电压脉冲用于获取在所述连接端子(1)上的电压，所述电压脉冲在驱控所述电动驱动器的范围内设置为驱动脉冲。

7.根据权利要求1所述的方法，所述方法用于对三相或更多相的电动驱动器进行位置确定，其中，第三相绕组(U)联接在所述第一相绕组(W)的第一端子(9)与所述第二相绕组(V)的第二端子(30)之间，其中，在所述第三相绕组(U)无电流期间施加所述电压脉冲。

8.一种针对在星形电路或三角形电路中具有三个相绕组(U、V、W)的无刷电动驱动器的用于执行根据权利要求1所述的方法的设备，

其特征是

测量装置，所述测量装置具有电压电源(23、24、25、26、27)和至少一个电开关(7、8)，用以将限定的电压脉冲施加到两个在连接端子(1)处彼此连接的相绕组(U、V、W)上，还具有电压测量装置用于测量在所述连接端子(1)上的电压，还具有机构，以便在施加第一电压脉冲之后施加其它限定的、在电压的极性方面反转的电压脉冲。

9.根据权利要求8所述的设备，

其特征在于，

所述测量装置具有机构，以便将限定的电压脉冲选择性地施加到第一相绕组和与所述第一相绕组连接的第二相绕组(V，W)上或施加到第一相绕组和与所述第一相绕组连接的第三相绕组(V,U)上，或特别地也施加到第二相绕组和与所述第二相绕组连接的第三相绕组(U,W)上，并且分别测量在所述连接端子(1)上的电压。