CN105227011B

CN105227011B - 电流控制的无刷马达中的无传感器的bemf测量

Info

Publication number: CN105227011B
Application number: CN201510276771.8A
Authority: CN
Inventors: C.施特格
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2019-09-17
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: CN105227011A; US20150349686A1; US9484849B2; DE102014210069A1

Abstract

本发明涉及电流控制的无刷马达中的无传感器的BEMF测量，更具体地涉及一种基于与电子切换驱动机构的反电动势（V _BEMF）大体上呈线性关系的参数（BEMF）来确定所述电子切换驱动机构中的储备转矩的方法，所述电子切换驱动机构特别是用于前照灯光束调整系统的脉冲马达，其特征在于，为了确定与所述反电动势（V _BEMF）相关的参数（BEMF），而确定与变化间隔（Δt）相关的驱动电流（I）中的变化（Δi）。

Description

电流控制的无刷马达中的无传感器的BEMF测量

技术领域

本发明涉及一种基于与电子切换驱动机构的反电动势大体上呈线性关系的参数来确定所述电子切换驱动机构中的储备转矩的方法，所述电子切换驱动机构特别是用于前照灯光束调整系统的脉冲马达。

背景技术

在各种实施例的形态中，基于现有技术，电子切换的驱动机构，也称为“无刷DC马达”或“BLDC”是已知的；该类型的驱动机构（例如作为脉冲马达）在汽车工业中被用于各种应用，例如用于前照灯光束调整系统中。

该类型的脉冲马达描述于例如DE 10 2012 104 541 A1中。该脉冲马达包括第一导电核芯和第二导电核芯，所述第一导电核芯的端部相对于彼此而间隔，所述第二导电核芯的端部也相互间隔。这些导电核芯通常构造成“C”字形状，并且被布置在彼此呈直角的位置，使得第一核芯的端部与第二核芯的端部相邻。这两个导电核芯都是由磁性材料构成，以便传导磁场。该脉冲马达还包括被布置在核芯端部之间的永久磁体。该永久磁体被安装在可旋转的转子轴上。另外，第一感应线圈缠绕在至少一部分的第一导电核芯的周围，第二感应线圈缠绕在至少一部分的第二导电核芯的周围。第一感应线圈具备第一组的供电导线，第二感应线圈具备第二组的供电导线。第一和第二供电导线电性连接到可编程控制系统，该控制系统电性连接到电源以便将电流提供至第一和第二感应线圈。因此，可将第一和第二导电核芯磁化。在运行中，控制电路选择性地将电压输送至第一和第二供电导线，使得电流分别在第一和第二感应线圈中流动。在电流发生变化的情况下，在相关的感应线圈中产生磁场。然后，磁场经过所连接的导电核芯被引导朝向永久磁体。如果磁化的导电核芯的磁场与永久磁体的磁场不对准，那么永久磁体将围绕转子轴的轴线而旋转。因此，为了维持永久磁体的旋转，而通过施加一系列电流信号来改变第一和第二感应线圈的磁场。通过调整施加给第一和第二供电导线的电压或电流的幅值并且通过对电压或电流进行同步调整，可以控制旋转速度。

还已知一种用于检测脉冲马达的失速状态的方法，例如从DE 10 2012 104 541A1中，其中测量感应线圈的“反电动势”（或“反EMF”）。在控制系统激励感应线圈中的一个感应线圈并将另一感应线圈去激励的情况下，永久磁体的旋转在去激励线圈中引起电压。该电压是反EMF，并且可以由控制系统进行测量。反EMF的较大读数表明永久磁体正在旋转，因此表明脉冲马达不处于失速状态。相反地，反EMF的较低读数表明永久磁体是静止的，因此表明脉冲马达处于失速状态。在用于判断脉冲马达是否处于失速状态的方法中，使脉冲马达在一个方向上旋转直到它到达限制止动件，在此期间由控制系统监测反EMF。一旦反EMF下降至低于预定的阈值，控制系统则使脉冲马达在另一个方向上方向旋转同时再次监测反EMF，直到达到第二限制止动件，在该处反EMF再次下降至低于预定的阈值。此参考步骤通常被描述为“参考运行（reference run）”。

该方法是特别不利的，其在于在临界范围内反EMF中的改变较小，因此该已知方法仅允许以受限的精度来实现最大转矩的评估。其不利之处还在于：用于失速检测的阈值取决于负荷。还观察到由于马达中的振动，反EMF仍然会超过阈值，因此不能可靠地预计失速状态。

在汽车工业中，上述类型的脉冲马达被用于例如前照灯光束调整系统。可观察到可获得的前照灯的发光强度一代比一代增加。

因此，必须确保前照灯不停留在将使迎面驶来的车辆炫目的位置，由于车辆数量增加，其密度继续增加。使迎面驶来的车辆炫目会增加发生事故的危险。

为了解决这个问题，现有技术已描述了在一般的驱动机构中最大反EMF相对于最大驱动电流的点如何指示驱动机构的储备转矩。利用该方法，能够进行对驱动机构的机械系统的诊断，并且可以测量任何低灵敏度的点。为此目的，可以记录转矩特征曲线，该特征曲线的随时间推移的运动导致对机械系统中磨损的测量。

通过对马达中或前照灯中磨损迹象的早期检测，可以在功能完全损失之前将前照灯切换到安全状态，由此减小迎面驶来的车辆的炫目并且使发生事故的危险最小化。在其它应用中，也必须尽可能准确地确定电子切换驱动机构的储备转矩。

为此目的，现有技术提供对在驱动电流的过零点处的反EMF的确定，在该过零点处与欧姆电阻相关的电压降消失。该布置应确保对反EMF的测量不影响对马达的控制。

然而，已证明此方法不利地具有受限的稳健性。此外，对在驱动电流过零点处的反EMF的测量具有以下缺点：该方法通常不能确定反EMF的幅值，因为在驱动电流的过零点处此变量与无负荷状态相符，但与有负荷状态不相符。因此，不能以更高的精度来确定储备转矩。

发明内容

因此，本发明的目的是排除或至少减少现有技术的缺点。因此，本发明的具体目的是在运行中以受限的消耗来检测电子切换驱动机构中的反EMF，从而能够准确地确定储备转矩。

可通过具有权利要求1的特征的方法而实现此目的。在从属权利要求中描述了实施例的优选形态。

根据本发明，为了确定与反电动势相关的参数，而确定与变化间隔相关的驱动电流中的变化。

利用该方法，通过确定与变化间隔相关的驱动电流中的变化而获得与反EMF成比例的参数，由此预先确定电流变化并且测量时间区间。在该方法中，在运行中至少一次地确定驱动电流中的时间相关变化，并且由适当的控制单元（例如微控制器）采用一系列顺序的、特别是增量的电流信号的形式加以控制。因此，有利地可以在任何时间确定反EMF，不仅在驱动电流的过零点处。这具有的具体优点是：能够确定最大反EMF，该最大反EMF只与无负荷工作状态中的驱动电流的过零点相符，但在有负荷状态中该最大反EMF移位到与驱动电流相反的相。因此，可以准确地确定用于相关应用的储备转矩（即，可从驱动机构中所获得的最大转矩）。利用根据本发明的方法，可以以较高的灵敏度来确定储备转矩，甚至在接近于满工作负荷的情况下。对于在电动车辆前照灯光束调整系统中的应用，该方法具有特定的优点。通过基于与时间相关的电流变化来确定反EMF，可以可靠地预计驱动机构的失速，由此提供充分的时间使前照灯转变成安全状态。

在实施例的一个特别优选的形态中，假设基于用于预定电流变化的变化间隔来确定反电动势相关参数，由此通过对时间测量的求和而以特定程度的分辨率来确定变化间隔。因为驱动电流中的变化是由控制单元所支配（因此是已知的），所以通过在驱动电流中的顺序步进之间（即在增量切换期间）记录变化时间可以具体地确定与反EMF成比例的参数。为此目的，以特定程度的分辨率进行时间测量，由此变化或过渡时间是通过求和而获得。

为了检测储备转矩，有利的是是否针对施加给驱动机构的各电流来确定参数。因此，在实施例的此形态中，为驱动电流中的各切换步骤（或者切换块、或切换阶段）连续地确定与反EMF成比例的参数。因此，有利地，无论负荷状态如何均能够确定最大或最小反EMF。

为了确定驱动机构的储备转矩，有利的是确定与驱动电流相关的参数的相位移。为此目的，具体地确定该参数的最小和/或最大值相对于最小或最大驱动电流的相角，正如基于现有技术已知的，由此能够得出储备转矩。

因为反EMF反映驱动转子的瞬时角速度，所以反EMF可有利地用作检测由磨损或与生产相关灰尘所导致的系统中机械振荡的手段。利用根据本发明的方法，可以在常规操作中确定反EMF，从而检测驱动机构机械系统中的磨损。为此目的，有利的是确定用于驱动机构位置的参数的特征曲线。通过在常规操作期间记录特征曲线中的变化，能够得出磨损。

附图说明

下面参照实施例的优选形态来更详细地描述本发明，其是为了举例而不是为了进行限制。在各附图中：

图1示出了脉冲马达的电流-时间特性，其中通过基于现有技术已知的方法来确定在驱动电流过零点处的反EMF；

图2示出了脉冲马达的电流-时间特性，其中根据本发明确定与变化间隔相关的驱动电流变化，从而确定与反电动势成比例的参数；

图3示出对应于图2中的区域Ⅲ的图2的放大截面。

具体实施方式

图1示出了其中实线代表在脉冲马达（未图示）工作期间的驱动电流I的图示。驱动马达可例如根据DE 10 2012 104 541 A1而构造。因为这种脉冲马达的设计和控制在现有技术中是公知的，所以为此目的可参照DE 10 2012 104 541 A1的公开内容。在通过施加驱动电流而使此类型脉冲马达（或其它电子切换驱动机构）工作的期间，反电动势或反EMF（也缩写成BEMF）与控制机构相反地运行。这导致转矩损失，该转矩损失与旋转速度成正比。

在图1中，虚线代表由于驱动转子在定子磁场中运动所引起的反电动势（V _BEMF）。根据现有技术，在驱动电流I的过零点处确定反电动势，在下文中简称为反EMF。

图1的下半部分示出了从在过零点附近的驱动电流I特性的“A”中所截取的详细放大视图。因此，响应于由控制单元（未图示）所输出的相应指令，驱动电流i从步长值i _n减小至步长值i ₀，该步长值i₀对应于驱动电流过零点。在从步长值i _n向过零点i ₀的过渡中，在驱动电流中观察到电流衰减特性i _DEC。图1还示出了由工作电压U_B和反EMF所组成的驱动电压特性V。在驱动电流I的过零点处，驱动电压V（其具有与驱动电流I相关的时延并且观察到电压衰减特性V _DEC）下降至对应于反EMF的值V _BEMF。然而，不利地如果驱动机构不输出任何转矩（无负荷状态）那么反EMF将仅在此时间点实现其最大值。在驱动机构的有负荷状态中，驱动电流将在反EMF的前面运行，使得所测量的反EMF将小于其最大值或幅值。

反EMF可用于检测驱动机构中的失速，在该失速中负荷转矩超过驱动机构的最大转矩（失速检测）。然而，利用图1中所给出的方法，可以仅在特定的边缘条件下进行失速检测，实际上也显示受限的可靠性。失速检测可用于例如车辆前照灯，其光束调整系统不具备零点传感器。为此目的，在第一种情况下完成到限制止动件的参照运行，然后执行用于前照灯校准的特定数量的步骤。不利地，由于机械原因所造成的马达步进损失（step loss）或失速会导致迎面驶来的车辆的眩目，因此将导致发生事故的危险。

相反地，图2示出了用于连续确定反EMF的方法，其基于反EMF而提供对驱动机构失速的可靠预报。

可基于方程式（1）和（2）并且总体地基于方程式（3）来计算反EMF，由此方程式（2）描述了方程式（1）的线性逼近，

（1）

（2）

（3）

V代表驱动机构线圈中的电压，L代表电感，di/dt或Δi/Δt代表驱动电流随时间推移的变化，U _B代表工作电压，V _BEMF代表反EMF。

反EMF V _BEMF也取决于以下的已知关系：

（4）

其中ω代表驱动机构的角速度，N、A和B代表各种比例因子。

基于方程式（4），继续进行直到反EMF V _BEMF等于零，其中角速度ω＝0，即驱动机构处于失速状态。

因此，通过在从保持电流过渡到运行电流的期间（其中工作电压U_B是已知的）进行时间测量，能够参照方程式（5）计算出电感L：

（5），其中Δi＝运行电流－保持电流，而u＝U _B。

重要的是，在马达所有相中的电流应当同时地增加，从而防止马达中的任何运动，这将会证明假设U_BEMF＝0是错误的。尽管必须了解电感L以便计算出反EMF的幅值（即，通过定量确定），但在用于确定储备转矩的下述线性相关参数BEMF的定义（这提供反EMF的定性表示）中，这可以被省略。这简化了通常所采用的方法。

在用于反EMF V _BEMF的方程式（3）中，也可忽略工作电压U_B，因为该工作电压U_B仅导致偏移变量。因此，可通过如下方程式（6）而获得与反EMF V _BEMF成比例的参数BEMF：

（6）。

因为在由控制单元所执行的切换步骤期间电流变化Δi＝i _n+1－i _n将是已知的，所以方程式（6）可减少到采用分辨率t _TIC（参照图3）的时间测量以及在从t _START到t _END的时间区间中的求和，其中参照方程式（7）驱动电流I从步长值i _n变化到步长值i _n+1，

（7）。

然后，当电流值达到i _n+1时，到达时间区间的结束或者时间点t _END。可在例如电流控制器中识别该时间点，该电流控制器支配电流i _x，假设其具有调节功能。在t _START和t _END之间，此电流控制器在全推进模式中将是处于待命状态，直到电流被马达电感L和V _BEMF所抑制的电流最终达到名义值的时间。在这种情况下，即，如果电流控制器检测到时间点t _END，则无需额外的电流测量。一般来说，如何实现时间测量并不重要，假设时间测量中的分辨率是充分地大（或者t _TIC充分地小）从而能够以足够的精度来至少确定BEMF相对于驱动电流的相角。

图3示出了宽度t _TIC的十五个间隔的示意图，即Δt＝15×t _TIC。在正常情况下，设定电流变化的幅值，使得时间点t _END是在步进间隔T结束之前或者在时间点t _START＋T之前。因此，步进间隔T仍然是恒定的，假设马达速度和控制分辨率保持恒定，因此无助于测量。电流变化Δi仅取决于在电流正弦曲线中的位置，因此对于所选择的控制分辨率和所选择的相角而言，它仍然将是恒定的，并且如上所述是已知的。即使改变速度，Δi也不变化。因此，变化间隔Δt取决于以下参数：电流变化Δi、反EMF V _BEMF、电感L和工作电压U _B。在这些参数中，可假设Δi（与相角相关）和L（假设随时间的函数是恒定的）是恒定的。从图2中将看到，在45°、135°、225°和315°的相角中，虽然Δi和V _BEMF两者的幅值在所有情况中仍然是相等的，但将经历符号组合中的所有变化。因此，Δt在45°和225°以及135°和315°处是相等的。在马达处于有负荷状态的情况中，那么Δt和V _BEMF的移位通常将不显示任何对称性。然而，仍然可绘出经过插值的正弦曲线，因此可观察到周期性。

通过将方程式（6）并入方程式（3）中，能够通过方程式（8）而直接地开始反EMFV _BEMF的计算。这可在例如微处理器μC中进行，由此方程式（7）代表采用方程式（6）的参数BEMF的测量。在运行中，只需将根据方程式（7）所测量的数据从脉冲马达驱动器传输至微处理器，

（8）。

在其中，假设电流变化Δi是恒定的（即，在其中基于电流阶跃宽度中的变化而模拟马达电流中振荡的控制系统中），可仅通过时间测量来确定反EMF。该布置产生许多可用的结果。然而，在这种情况下更重要的是确定反EMF是否在该周期中发生变化；在这种情况下，在周期中该角度关系将不再是线性的，并且将需要加以特别地考虑。

图2和图3示出了与通过电子（块或正弦）切换的与脉冲马达的控制相关的驱动电流I特性。随后可以继续进行根据方程式（7）对参数BEMF的测量，其中将新的电流值i _n+1用于驱动线圈。因此基于在顺序的电流阶跃i _n、i _n+1之间的各过渡来确定参数BEMF。因此，参照马达中的电周期对参数BEMF的测量都将是更加准确，因而驱动电流与图1中所给出的正弦曲线将更加匹配。

通过已知的关系，当旋转速度增加时由驱动机构输出的最大有效转矩减小。因此，重要的是判断在驱动机构与负荷之间的瞬时关系中被选择用于特定应用的旋转速度是否提供足够程度的安全性。为了确定该储备转矩以及与磨损相关的其动态变化，可考虑参数BEMF的相角。

为此目的，通过对参数BEMF的连续确定，将确定用于定义与驱动电流的相关系的其最大值。为此目的，对反EMF的绝对值的确定并不是必须的，将能够通过方程式（7）来确定参数BEMF。基于参数BEMF相对于驱动电流I的相角，能够进行储备转矩的定量界定。

此外，可以将参数BEMF与驱动电流I之间的相间距绘制并保存在用于驱动机构位置的特征曲线中。在常规操作中，可以检测此特征曲线中的变化，包括在适用的情况下对温度的考虑，由此能够得出驱动机构的磨损。

参数BEMF的最大值也可以用于失速检测，由此可以消除在驱动电流I的过零点处所测量的V _BEMF值中的负荷相关的移位（通过图1中所示的方法），从而能够进行可靠的诊断。

如果在有效时间中（即在将i _n+2作为目标之前的时间区间内）达到电流i _n+1，此方法将只是稳健的。为此目的，需要可以容易地从电流控制单元中读出的指标（例如，切换控制器的切换性能或者电流值的达到）。如果未达到电流i _n+1，那么将不能够以任何有效性来确定参数BEMF。造成此情况通常存在着一些原因：马达的旋转速度或马达的选择并不适合于相关的应用。

Claims

1.一种基于与电子切换驱动机构的反电动势（V _BEMF）大体上呈线性关系的参数（BEMF）来确定所述电子切换驱动机构中的储备转矩的方法，其特征在于，为了确定与所述反电动势（V _BEMF）相关的所述参数（BEMF），而确定与变化间隔（Δt）相关的驱动电流（I）中的电流变化（Δi）。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于针对预确定的电流变化（Δi）的所述变化间隔（Δt）来确定与所述反电动势（V _BEMF）相关的参数（BEMF），由此通过对时间测量的求和而以特定程度的分辨率（t _TIC）确定所述变化间隔（Δt）。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，针对施加给所述驱动机构的每一个电流变化（Δi）而确定所述参数（BEMF）。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定与所述驱动电流（I）相关的所述参数（BEMF）的相位移。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定针对所述驱动机构位置的所述参数（BEMF）的特征曲线。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子切换驱动机构是用于前照灯光束调整系统的脉冲马达。