CN105227009A - 用于对电机的转子的位置进行检查的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对电机的转子的、相对于定子的位置进行检查的方法，其中在所述定子的绕组中关于所述转子的几何角度产生三种电流脉冲（I_d），其中所述三种电流脉冲（I_d）包括一种第一电流脉冲、一种相对于所述第一电流脉冲以预先给定的正的相位角偏移的电流脉冲和一种相对于所述第一电流脉冲以预先给定的负的相位角偏移的电流脉冲，其中检测三种由所述三种电流脉冲在所述转子的绕组中通过感应引起的电流，并且其中根据所述三种通过感应引起的电流的、相应的幅度来检查所述转子的位置。此外，本发明涉及一种用于查明电机的转子的、相对于定子的位置的方法，其中求得所述转子的、属于定子中的q电流脉冲的几何角度。

Description

用于对电机的转子的位置进行检查的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助于在定子的绕组中的电流脉冲来对于电机的转子的、相对于定子的位置进行检查的方法以及一种用于借助于在定子的绕组中的电流脉冲来查明电机的转子的、相对于定子的位置的方法。

背景技术

电机、尤其是发电机可以用于在机动车中将机械能转换为电能。通常为此使用爪极发电机，所述爪极发电机通常配备了电激励机构。因为爪极发电机通常产生三相的交流电，所以对于普通的机动车-直流电-车用电路来说需要整流。为此可以使用基于半导体二极管的整流器。

发电机也可以用于起动内燃机。这样的发电机也被称为起动机发电机。通常这样的起动机发电机仅仅在转速很小时按电动机方式来运行，因为能够产生的转矩在转速方面较快地减小。

为了借助于整流器按电动机方式来运行电机，必须随时了解所述转子的角度位置。在这里经常使用成本低廉的、各向异性的磁阻的传感器（所谓的AMR传感器），所述传感器对于被安装在转子的、以机械的转速旋转的轴上的磁体的磁场进行探测，并且将其转换为模拟的电压。因为所述磁体可以被安装在任意的位置中，所以必须在第一次运行之前深入了解（einlernen）转子位置的零位。

为此可以向所述相绕组加载所定义的相位置的DC电流。所述转子随后在定位位置中定向，而后可以在所述定位位置中确定一种零-偏移。但是，这样的方法具有以下缺点：所述驱动装置在进行所述深入了解时也必须自由旋转，也就是说不得被连接到其它机组上。因此所述方法尤其不能作为所谓的随车诊断来实施。

也可以给定子绕组通以电流，并且从由此在所述转子绕组里通过感应引起的电流中推断出所述转子的位置。但是，在这里总是必须先后给两个或者更多个相位通以电流。

此外，在将电动的驱动装置用作机动车中的混合驱动装置时，有必要在连续的运行中对正确的转子位置进行监控，因为否则存在以下危险：所述驱动装置产生了错误的转矩，在极端情况中甚至不是起驱动作用而是起制动作用，或者相反。

因此，值得追求的是，说明一种可行方案：即使对于固定地与内燃机相连接的电机来说，也可以对所述电机的转子的位置进行检查。

发明内容

按照本发明，建议具有独立权利要求的特征的方法。有利的设计方案是从属权利要求及接下来的说明的主题。

按本发明的第一种方法用于检查尤其与内燃机相耦合的电机的转子的、相对于定子的位置。为此，在所述定子的绕组中关于所述转子的几何角度产生三种电流脉冲，其中所述三种电流脉冲包括一种第一电流脉冲、一种相对于所述第一电流脉冲以预先给定的正的相位角偏置的电流脉冲和一种相对于所述第一电流脉冲以预先给定的负的相位角偏置的电流脉冲。所述电流脉冲在此涉及所述电机的、一种抗扭转的笛卡尔d-p-坐标系。由这三种电流脉冲在所述转子的绕组中产生三种通过感应引起的电流，随后对于所述电流进行检测。这些通过感应引起的电流由于转子及定子的绕组的、磁性的相互作用所引起。现在根据所述三种通过感应引起的电流的幅度来检查所述转子的位置。

本发明的优点：

因为所述第一种电流脉冲在所述转子的绕组中引起与其它两种电流脉冲不同的磁性的相互作用（因为所述三种电流脉冲具有不同的d份额及q份额），所以可以通过对于所述通过感应引起的电流的幅度比较来推断出所述转子的当前的几何位置。所述三种电流脉冲仅仅根据在所述d-q-坐标系中的相位角来产生，由此也同时给多个实际的相位通以电流，并且因此不必有针对性地给各个实际的相位通以电流。

优选将所述转子的位置识别为“正确”，如果由所述第一种电流脉冲通过感应所引起的电流在数值方面大于其它两种通过感应所引起的电流的幅度的话。如果所述第一种电流脉冲在d-q坐标系中沿着d方向具有一种比其它两种电流脉冲大的分量，那么所述与转子中的绕组的磁性的相互作用就更大，使得通过所述第一种电流脉冲引起一种由感应所引起的电流，该由感应引起的电流比通过其它的电流脉冲经过感应所引起的电流大。在此就是这种情况，如果所述第一种电流脉冲在实际上相应于一种d电流脉冲、也就是仅仅相应于具有d分量的电流脉冲的话，这是因为，所述关于所述相位向前或者向后偏移的电流脉冲因此必定具有一种较小的d分量。

所述预先给定的负的相位角的量和/或所述预先给定的正的相位角的量有利地在1°与10°之间，尤其是在3°与7°之间。尤其所述预先给定的正的相位角和所述预先给定的负的相位角具有相同的量。根据可能的测量精度和所述位置检查的所期望的精度，可以如此选择所述相位角，使得所述通过感应引起的电流一方面还可以足够精确地区分开来，另一方面但是所述电流脉冲关于所述相位也还贴靠得足够地近，从而可以识别精确的位置。

有利的是，直接地、也就是作为电流信号来检测所述通过感应引起的电流。由此可以在较短的时间里检测所述通过感应引起的电流。

作为替代方案，作为在时间上的积分来检测所述通过感应引起的电流。由此可以在检测时获得一种较大的精度，如果比如必要的扫描速率由于可供使用的机构而对于直接的检测来说太小的话。

优选在所述电机不产生力矩时产生所述三种电流脉冲。由此即使可以在转子旋转时、比如在内燃机空转时也对于所述位置进行检查，其中所述电机被耦合到所述内燃机上。

有利地将所述转子的、属于在所述定子的绕组中的d电流脉冲的几何角度确定为用于所述第一种电流脉冲的参考。这一点可以特别有利地借助于按本发明的第二种方法来进行。由此可以定义并且比如保存所述转子的几何位置的零位。而后在检查所述位置时可以检测，当前的零位是否还与所保存的零位相一致。对于所述零位的定义来说，一种d电流脉冲是特别合适的，因为在这里一种通过感应所引起的电流是最大的，并且可以特别容易地与相偏移的电流进行比较。

有利的是，借助于至少一个传感器、尤其是借助于各向异性的磁阻的传感器和/或霍耳传感器来检测所述转子的几何角度。由此可以通过传统的方式来检测所述几何位置，但是按照本发明，所述传统的方式由此不能对所述零位进行可能的检查。

按本发明的第二种方法用于查明电机的转子的、相对于定子的位置。在此检测所述转子的、属于在定子中的q电流脉冲的一种几何角度。这能够使得快速并且容易地确定所述电机的转子的零偏移。因为所述q电流脉冲相对于d电流脉冲处于固定的相位关系中，所以也可以通过这种方式来使用属于d电流脉冲的几何角度，尤其是为了有利地与按本发明的第一方法一起使用。

有利的是，为了检测所述q电流脉冲，重复地在所述定子中用不同的相位角来产生电流脉冲，其中对于属于由所述电流脉冲在转子中通过感应引起的电流的幅度进行检测，并且其中从在所述幅度的水平与所属的电流脉冲的相位角之间的关联中求得所述q电流脉冲。尤其地，在此尤其是以预先给定的间隔首先产生两种以180°的相位角偏移的电流脉冲，并且随后仅仅产生具有处于所述两种偏移了180°的电流脉冲之间的相位角的电流脉冲。利用这样的迭代的方法，尤其可以快速并且有效地找到所述幅度的过零点、也就是刚好所述q电流脉冲。

有利的是，检测属于所述定子中的电流脉冲之一的几何角度，并且从中求得属于所述q电流脉冲的几何角度。因为所述相对的几何角度与所述相对的相位角相一致，所以足够的是，比如借助于传感器来检测所述属于所产生的第一种电流脉冲的几何角度，并且从中推断出所述属于所述q电流脉冲的几何角度。

按本发明的计算单元、比如机动车的控制仪尤其在程序技术上被设立用于：实施按本发明的第一种方法和/或第二种方法。

以软件的形式来实现一种或者两种方法也是有利的，因为这引起了特别低廉的成本，尤其如果还将一种执行用的控制仪用于其它任务、并且因此本来就存在的话。合适的、用于提供计算机程序的数据载体尤其是软盘、硬盘、闪存盘、EEPROM、CD-ROM、DVD以及其它的数据载体。也可以通过计算机网络（互联网、局域网等等）来下载程序。

本发明的其它优点和设计方案从说明书和附图中获得。

不言而喻，前面所提到的以及下面还要解释的特征不仅能够在相应所说明的组合中、而且也能够在其它的组合中或者单独地使用，而不离开本发明的范围。

附图说明

借助于附图的一种实施例来示意性地示出本发明，并且下面参照附图来对本发明进行详细描述。

图1是一种用于对电机的转子的几何角度进行检测的装置的示意图；

图2是各向异性的磁阻的传感器的输出信号；

图3是具有所属的控制用的线路的电机的示意图；

图4是按照按本发明的方法分别关于时间绘出的、在定子的绕组中通过感应引起的电流脉冲以及所属的、在转子的绕组中通过感应引起的电流；并且

图5是按照按本发明的方法相对于电的相位角绘出的、在转子的绕组中通过感应引起的电流。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了一种用于对电机的转子的位置进行检测的构造。在所述转子的旋转的轴30上安装了磁体15，该磁体以所述转子的机械的角速度来旋转。相对于所述磁体15以较小的间距安装了一种各向异性的磁阻的传感器10、一种所谓的AMR传感器。如果所述磁体15相对于所述AMR传感器10以恒定的转速旋转，那么所述磁体15的磁场就在所述AMR传感器10中产生一种磁阻的、正弦状的变化。

在图2中示范性地关于表明了所述转子的几何位置的几何角度φ地示出了所述AMR传感器10的两种输出信号、也就是一种正弦信号11和一种余弦信号12。所述几何角度φ在这里包括一个完整的机械的转圈。

借助于放大器40和模数转换器41来对所述AMR传感器10的输出信号进行处理，并且借助于弧度-正切-计算器（Arcus-Tangens-Berechnung）50从所述输出信号中确定属于所述转子位置的、处于在0°与180°之间的范围内的角度。

同样，相对于所述磁体15以较小的间距安装了一种数字的霍耳传感器20。所述霍耳传感器20产生一种输出电压，该输出电压与所述磁体15的磁场强度成比例。通过比较器线路60来将这种输出电压转换为数字的信号，所述数字的信号在一个机械的转圈之内为第一个180°输出了数值零，并且为另一个180°输出了数值一。

由此，可以在一个完整的机械的转圈里从所述比较器线路60的数字的信号和所述AMR传感器10的经过处理的输出信号中确定所述转子的几何位置。

为此要说明的是，对于所述几何角度φ的检测仅仅能够实现一种相对的角度说明，因为所述磁体15可以在所述转子的旋转的轴30上被安装在任意的位置中。

在图3中示意性地示出了构造为三相的起动机发电机的电机100的电的构造，利用该构造能够在一种优选的实施方式中实施按本发明的方法。

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）130通过汇流排与所述定子110的绕组并且与电池170相连接，所述电池170具有比如40V的电压，该电压比常见的12V的车载电路电压要高。

所述金属氧化物半导体场效应晶体管130的门-接头（Gate-Anschlüsse）与操控逻辑电路140相连接，该操控逻辑电路通过对于所述转子120的位置的测评来确定所述各个金属氧化物半导体场效应晶体管130的接通时刻和切断时刻。通过功率开关150来同步地接通并且切断所述转子120的绕组，通过场调节器160来对所述功率开关进行操控。

在一种固定在旋转场上的d-q坐标系中，通过以下方程式来描绘一种他激的同步电机、比如上面所描述的电机100：

在此，相应地在d-q坐标中U_d、U_q表明在所述定子的绕组中的电压，并且I_q、I_q表明在所述定子的绕组中的电流。U_E和I_E表明在所述转子的绕组中的电压和电流。R_s和R_E表明所述定子的或者所述转子的绕组的电阻。L_E表明所述转子的绕组的自感，并且M_dE表明在所述定子及转子的绕组之间的耦合电感。在此，将转子侧上的参量分别换算到定子侧上。此外，p和ω表明所述定子的极偶数或者所述转子的机械的角速度。

为了确定所述转子的位置的零偏移，这些方程式中仅仅第三个方程式有意义。如果将U_E=0V的电压加载到所述转子的绕组上、并且在所述定子的绕组中产生一种较短暂的d电流脉冲，那就正如可以借助于所述第三方程式看出的那样，根据所述d电流的、关于在定子与转子之间的耦合电感M_dE的时间导数在所述转子的绕组中通过感应引起电压。这引起短暂的励磁电流，所述励磁电流指数般地衰减。

在图4中示出了相应的电流曲线。在图4a中关于时间t示出了用于电流脉冲I_d的曲线。在时间t=0s示出了定子中的、处于大约-20A的水平上的电流脉冲。

在图4b中关于时间t示出了一种在所述转子的绕组中通过感应引起的电流I_E的曲线。所述通过感应引起的电流在此拥有大约-0.4A的水平。

如果在定子中加入q-电流，那就产生了一种通过感应引起的、具有零的水平的电流，因为在所述转子的绕组与q轴之间不存在着感应的耦合。

在图5中，示出了根据所述d-q电流矢量的相位ψ的关于所述通过感应引起的电流I_E的积分的水平。可以看出，所述曲线为正弦状。

如果在所述定子的绕组中产生了一种未知的相位角ψ的电流脉冲，则可以从所产生的、通过感应引起的电流I_E的水平中确定所述相位角ψ，只要存在着用于所述电机的比较值的话。

因为在实际的电机的转子中的电流只能用有限的扫描速率来测量，所以有利的是，不将所述通过感应引起的电流I_E的、绝对的最大值而是将所述通过感应引起的电流的、关于特定的时间的积分用于确定所述相位角。但是，为了简便起见，下面也用I_E来表示关于所述通过感应引起的电流的积分，因为仅仅在通过感应引起的电流之间的比较是决定性的。

为了最初确定所述转子的位置的零偏移，也就是为了在所述几何角度φ与所述电的相位角ψ之间建立关系，现在比如在未知的相位角ψ但是已知的几何角度φ的情况下，在所述定子的绕组中比如首先产生一种电流脉冲，并且检测所述通过感应引起的电流I_E。

随后比如产生另一种电流脉冲，其相位角相对于所述第一种电流脉冲偏移了180°。在这里也测量所述通过感应引起的电流I_E。这两种通过感应引起的电流因此具有相同的量，但是具有相反的符号。

通过一种合适的迭代的方法、比如步距对半平分，以迭代的方式来求得在图5中示出的曲线的过零点（Nulldurchgang）。所述过零点中的零偏移-数值表示所述q轴的位置。在每次相对地变换所述相位角φ时，所属的几何角度φ也以同一个数值为幅度进行变换。由此可以确定在所述几何角度与所述q轴之间的零偏移。因为所述d轴相对于q轴偏移了90°，所以由此在所述几何角度与所述d轴之间的零偏移也是固定的。将所述数值比如持久地保存在用于所述电机的数据存储器中。在这种情况下，比较值是不需要的，因为仅仅确定一个过零点。

出于安全原因，比如有必要在运行中总是又检查所述转子的正确的位置。为此，在一种优选的实施方式中，可以借助于按本发明的第一种方法来检查所述转子的位置的、零偏移的、借助于按本发明的第二种方法、也就是以上面所提到的方式—或者也以其它方式—所确定的数值。

为此，在所述定子的绕组中产生三种电流脉冲I_d。首先产生第一种电流脉冲，并且测量所属的、通过感应引起的电流I_E,1。在与所保存的零偏移相对应的几何角度时，产生所述第一种电流脉冲。

随后产生了另外两种电流脉冲，它们的相位角相对于所述第一种电流脉冲比如偏移了Δψ₁=+5°或者Δψ₂=-5°（在图5中为简明起见更大地示出了所述相位角）。在这里也检测所属的、通过感应引起的电流I_E,2或者I_E,3。这三种电流脉冲在此比如可以在所述转子的、三个彼此先后相随的转圈中产生。

如果所述转子的、所保存的位置是正确的，那么所述另外两种通过感应引起的电流I_E,2或者I_E,3的幅度在数量方面小于所述第一种通过感应引起的电流I_E,1的幅度。所述第一种电流脉冲在这里相当于d电流脉冲，由此所属的、通过感应引起的电流I_E,1具有最大可能的量。因此，所述稍许地相位偏移了的电流脉冲必定相应地引起一种通过感应引起的、具有较小的幅度的电流。

如果所述通过感应引起的第一种电流I_E,1的幅度不大于所述另外两种电流的幅度，那么所述第一种电流脉冲就不相当于d电流脉冲。因此，所述转子的位置的、实际上的零偏移不再相当于所保存的数值，并且存在着误差。比如对于所述传感器磁体的固定是有缺陷的。在这里，比如可以输出相应的缺陷信息，并且/或者将其保存在一种缺陷存储器中。

正如已经提到的那样，这种方法也能够用在旋转的转子上，只要所述电机比如在以内燃机的空转转速进行被动的运行的过程中不产生力矩。仅仅在加速及制动阶段中，主动地运行用于机动车中的混合动力系统的电机，并且该电机在此期间较长时间地被动地一同运转。因此，比如可以相应地在从主动的运行变换为被动的运行时，借助于按本发明的第一种方法来检查所述转子位置。

Claims (16)

1.用于对于电机（100）的转子（120）相对于定子（110）的位置进行检查的方法，

其中在所述定子（110）的绕组中关于所述转子（120）的几何角度产生三种电流脉冲（I_d）；

其中所述三种电流脉冲（I_d）包括一种第一电流脉冲、一种相对于所述第一电流脉冲以预先给定的正的相位角（Δψ₁）偏移的电流脉冲和一种相对于所述第一电流脉冲以预先给定的负的相位角（Δψ₂）偏移的电流脉冲；

其中检测三种由所述三种电流脉冲在所述转子（120）的绕组中通过感应引起的电流（I_E,1、I_E,2、I_E,3）：并且

其中根据所述三种通过感应引起的电流（I_E,1、I_E,2、I_E,3）的相应的幅度来检查所述转子（120）的位置。

2.按权利要求1所述的方法，其中将所述转子（120）的位置被识别为正确，如果由所述第一种电流脉冲通过感应引起的电流（I_E,1）的幅度在量方面大于所述另外两种通过感应引起的电流（I_E,2、I_E,3）的幅度。

3.按权利要求1或2所述的方法，其中所述预先给定的负的相位角（Δψ₁）的量和/或所述预先给定的正的相位角（Δψ₁）的量在1°与10°之间，尤其是在3°与7°之间。

4.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述预先给定的正的相位角（Δψ₁）和所述预先给定的负的相位角（Δψ₂）具有相同的量。

5.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中直接地或者作为关于时间（t）的积分来检测所述通过感应引起的电流（I_E）。

6.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述电机（100）不产生力矩时产生所述三种电流脉冲（I_d）。

7.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述转子（120）的、属于在所述定子（110）的绕组中的d电流脉冲的几何角度（φ）确定为用于所述第一种电流脉冲（I_E,1）的参考。

8.按前述权利要求中任一项所述的方法，其中借助于至少一个传感器（10、20）来检测所述转子（120）的几何角度。

9.按权利要求8所述的方法，其中所述至少一个传感器（10、20）包括各向异性的磁阻的传感器（10）和/或霍耳传感器（20）。

10.用于查明电机（100）的转子（120）相对于定子（110）的位置的方法，

其中求得所述转子（120）的、属于在定子（120）中的q电流脉冲的几何角度。

11.按权利要求10所述的方法，其中为了检测所述q电流脉冲，重复地用不同的相位角在所述定子（110）中产生电流脉冲；

其中检测属于由所述电流脉冲在转子中（120）中通过感应引起的电流的幅度；并且

其中从在所述幅度的水平与所属的电流脉冲的相位角之间的相互关系中检测所述q电流脉冲。

12.按权利要求11所述的方法，其中检测属于在定子中的电流脉冲的几何角度，并且从中求得属于所述q电流脉冲的几何角度。

13.按权利要求11或12所述的方法，其中在所述定子（110）中产生所述电流脉冲，方法是首先产生两种以180°的相位角偏移的电流脉冲，并且随后尤其以预先给定的间隔仅仅产生具有处于所述两种偏移了180°的电流脉冲之间的相位角的电流脉冲。

14.计算单元，该计算单元被设立用于：实施按前述权利要求中任一项所述的方法。

15.计算机程序，该计算机程序促使计算单元在其在该计算单元上被执行时实施按权利要求1到13中任一项所述的方法。

16.机器可读的存储介质，具有被保存在其上面的、按权利要求15所述的计算机程序。