CN105406780A - 用于监测和控制驱动泵的电动机的方法和控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测用于驱动泵的电动机的方法，其中在时间间隔(T)内，电流值被测量，被测量的电流值的平均值被确定，并且所述平均值被与预定参考值相比较。根据本发明，提供了一种延伸到控制电动机的方法，其中被测量的电流值反映电动机的绕组电流的轮廓，并且，不论所述电流值是否能与电流轮廓的瞬时最大值相关联，所述电流值在确定平均值时都被包括在内，并且其中所述平均值被电动机控制器认作为输入参数。

Description

用于监测和控制驱动泵的电动机的方法和控制器

本发明涉及一种用于监测驱动泵的电动机的方法，根据独立权利要求1的前叙部分。

从现有技术知晓许多这样的系统：其中流体，特别是不可压缩介质，通过由电动机驱动的泵被馈入，并且如果适用，则经由相应的喷嘴或者类似物被注入或者喷射进入特定体中。例如，可以设想用于燃料注入的系统。即使在馈送回路中的压强大约保持相同或者是其平均数将大约保持相同，由于各种各样的因素，在这些系统中的一些系统中仍然可能出现或多或少的高频压强波动。例如，由于泵自身的构造，这些可能是不可避免的。例如，在隔膜泵的馈送回路中，尽管在馈送回路中的平均压强保持大致恒定，但是也有相对地高压强波动发生。尽管如此，泵机构的不能被归因于不可避免的、周期性再现的压强波动必须被可靠识别以允许泵驱动器的控制器对可能发生在馈送回路中的干扰做出反应，并且如必要的话，重新调整泵的速度。

为确定馈送回路中的压强，根据现有技术的现有的系统通常被提供有一个或者多个压强传感器，所述传感器的信号由泵驱动器的开环和闭环控制单元估算。除此之外，通常还被提供限压阀，例如，如果在馈送回路中出现问题导致馈送回路的完全堵塞，则所述限压阀被打开。以此方式，当泵驱动器继续操作时对泵驱动器的损害被避免，即便发生干扰。因此，更特别的是，防止用于驱动泵的和/或馈送回路的组件的电动机受到持续的损害。

这种系统的示例是用于内燃机，特别是巨大柴油机的废气后处理的供给装置，在所述的系统中通常地在馈送回路中发生压强波动。在这个领域中，近年来技术变得标准化，其中为了减少氮氧化物的整体排放量，氨基或者尿素基溶液被注入内燃机的废气系统。溶液充当催化剂，并具有使氮氧化物被分离为氮气和水蒸气的效果。这样的用于废气后处理的供给装置是已知的，例如，来自于DE102009035940A1。在这种供给装置的情况下，同样，馈送回路中的压强利用压强传感器被测定，并通过泵驱动器自身以及限压阀被控制。压强传感器和限压阀涉及额外的花费，并且，最重要的是构成了额外的潜在的差错源头。

在多数情况下，用于驱动泵的电动机被配置为电子换向电动机。由于它们的绕组交替连接，绕组被驱动从而旋转的磁场产生，其生成作用到电动机转子上的机械的扭力。为了产生旋转磁场，定子有至少两个，经常甚至三个绕组，所述绕组与转子轴相关地以相互交错的方式在圆周的方向上被设置，并且构成电动机的各种相位。绕组的交替连接通过变换器被实现，作为规则所述变换器通过直流电压源被供电。为了容许向绕组应用不同强度的电流，所述变换器根据脉冲宽度调制原理来操作。电动机的控制通过开环和闭环控制单元被实现，所述控制单元具有作为输入变量向其提供的特定参数。例如，所需的电动机速度作为输入变量被设置用于开环和闭环控制单元。为避免定子绕组过热(定子绕组过热可导致电动机的损坏)，通常检测出在各个体绕组中出现的绕组电流，从而，这些电流能被用于控制电动机。利用绕组电流，还可能调节电动机的转矩。

例如，在DE102005028344A1中，一种控制多相电子换向电动机的方法被描述。在这个方法中，附加的绕组电流在星形连接的电动机的基点处被测量。所述附加的绕组电流的瞬时电流峰值被提供到开环和闭环控制单元作为控制变量。

一种通用类型的方法从WO2012/053954A1已知。在这个方法中，在电动机中出现的电流值在一时间间隔内被测量。，所述电流在时间间隔内经受特定波动，特别由于在泵的馈送回路中的压强波动对电动机的扭矩有影响。为了识别系统中的差错，在该时间间隔内发生的电流轮廓的局部最大值被与限制值相比较。如果电流轮廓的所有局部最大值均低于该限制值，则识别出差错。这种差错识别准许确定例如电动机绕组的连接线是否被损坏或者被中断。替代将该时间间隔内的电流轮廓的所有局部最大值和该限制值相比较，从局部最大值的电流值形成平均值然后将该平均值与该限制值相比较也是可能的。

本发明的目的是指示一种方法，该方法准许特别简单和经济的用于驱动泵的电动机的开环和闭环控制，所述泵在其馈送回路中具有周期性地重现的压强波动发生。

此目的由独立权利要求1的特征实现。因此，在根据一般性条款的类型的方法中，当该方法扩展到控制电动机时，根据本发明实现了该目的，其中被测量的电流值反映了电动机的绕组电流的轮廓，并且无论它们能否能被关联到电流轮廓的瞬时最大值，它们在确定平均值时能被包括在内，并且其中平均值被电动机控制器认为是输入参数，从而电动机取决于所述平均值而被控制。

与来自于WO20112053954A1中的已知的方法形成对比，本发明因此不确定在该时间间隔内的电流轮廓的局部最大值的平均值，而是电流轮廓的实际平均值。本发明利用了以下事实：绕组电流是直接取决于电动机的扭矩，电动机的扭矩转而取决于泵的馈送回路中的主要的压强。因此，通过根据本发明的方法，馈送回路中的压强监测被集成在电动机控制器中。能被归因于因泵而异的、周期性地重现的压强波动的压强的局部最大值产生绕组电流的局部最大值。因此，确定绕组电流的局部最大值不能对馈送回路中是否有可能要求调整电动机的主要的过量压强的效果提供信息。因此，根据本发明，在该时间间隔内的电流轮廓的平均值被确定。所述值取决于馈送回路的压强平均值，并且因此其随馈送回路中的压强的增长而增长。通过这种方式，从而可能在没有专门为此目的提供的压强传感器的情况下，检测到馈送回路中的平均压强的轮廓，并且将其提供到电动机控制器作为输入参数。因此，除此之外，本发明还准许泵的馈送回路中的平均压强能被保持恒定，或者被控制在仅基于绕组电流的特定值。

在期间测量绕组电流的电流值的时间间隔必须被设置大小(dimensioned)以使得系统固有的、周期性地再现的压强波动能够被可靠地求平均。因此，当时间间隔被设置大小以使得在该时间间隔内出现绕组电流的不仅一个局部最大值，而是数个局部最大值时可能是有优势的。例如，优选的是，绕组电流的至少五个最大值被包括在该时间间隔内。此外，用于确定平均值的时间间隔是伴随地一起迁移的。例如，被测量的电流值的第一平均值能在具体地连续的时间1，2，3，4，5，6，7，8，9，10被确定，随后，被测量的电流值的第二平均值在具体地连续的时间2，3，4，5，6，7，8，9，10，11被确定。而且，当用于测量电流值的采样率比在馈送回路中系统固有的、周期性地再现的压强波动的频率明显更高时是有优势的。仅用这种方式保证了绕组电流的平均值的可靠确定。优选地，采样频率比系统固有的周期性地再现的压强波动的频率高至少一个数量级。

本发明更进一步有优势的实施例是从属权利要求的主题。

在本发明特别地优选的实施例中，如果被测得的电流强度的平均值大于预定参考值，则由电动机控制器预先确定的电动机馈送电流的最大可允许值被减小。因此，该参考值类似确定了泵的馈送回路内的可允许压强。当后一压强升高时，例如由于馈送回路内的扰乱，为了将压强返回到初始值，以及为了防止电动机或者馈送回路由于增加的负载而受到损坏，用于电动机馈送电流的最大可允许值被减小。在这点上，本发明具有以下优势：额外提供减压阀不是必要的。

在有利实施例中，通过使用快速下级控制电路的级联控制器，电动机馈送电流被限制在最大可允许值之内。在这样做时，经由在硬件配置中的快速比较器，测得的电流值被直接地与电动机馈送电流相比较，而无需形成平均值。在测得的电流值超过可允许最大电动机馈送电流的情况下，变换器的脉冲宽度调制的工作周期(dutycycle)被改变。

当电动机馈送电流的最大可允许值被减小平均值和参考值之间的差值时，特别地简单的闭环控制被创建。为避免非平滑控制，所述的差值被限制到预定最大差值。所述差值利用积分控制器被加总，并且被从用于电动机馈送电流的最大可允许值中减去，直到系统中所产生的压强减小且绕组电流的平均值因此再次降低到该参考值之下。为了减小电动机供电电流的最大可允许值，还可以提供预定最大差值。

在本发明进一步的优选实施例中，电动机馈送电流的最大可允许值被最多减小到参考值的一半。如果在泵馈送回路中存在差错且因此所述压强不能减小，因此实施再调整，直至电动机馈送电流不再足以驱动电动机从而电动机停止为止。由于电动机馈送电流的最大可允许值仅被减小到参考值的一半的实施，可是，仍然有扭矩被应用到泵，这导致馈送回路中的差错被消除，并且压强再次减小时该电动机和泵的重新启动。在无传感器的换向电动机(所述电动机不能自动地启动)的情况下，作为替换，可能的是，在预定历时的停顿之后，再次增大电动机馈送电流，从而电动机能在馈送回路中正常压强重启。

在本发明的进一步的优选的实施例中，测得的电流值的平均值一降低到参考值之下，电动机馈送电流的最大可允许值就被再次增大。用这种方式，馈送回路中的最初的流量和压强条件在差错消除之际被还原。

在本发明的进一步的优选的实施例中，电动机是多相配置，其中测得的电流值是在变换器的基点处的。这样确保特别简单、经济和完整的考虑所有的绕组电流。仅在变换器的基点处需要一个电流传感器。

在本发明进一步的优选的实施例中，在时间间隔内的电流值采样率来测量，该采样率具有比泵的馈送回路中的系统固有的压强波动的频率高一个数量级的频率。这也提高了确定平均值的准确度。

在本发明的进一步的优选实施例中，平均值从一定数目的电流值被确定，所述数目等于2的n次幂。在这点上，测量时间被理想地分布在电流轮廓的两个局部最大之间。

此外，本发明使机器可读数据载体在用，该数据载体具有被存储在其上的程序，所述程序中包含命令序列，在由处理器执行所述命令序列时，根据本发明的方法被执行。此外，本发明还使用于执行根据本发明的方法的电动机的电动机控制器可用。

本发明还涉及一种用于驱动泵的电动机，所述电动机具有用于执行根据本发明的方法的电动机控制器。优选地，该电动机被配置为电子换向电动机。进一步优选地，电动机是外部转子式电动机。作为替换，当然也可能利用具有转子绕组的刷式直流电动机。电动机优选地适于驱动隔膜泵。然而，电动机也可被用于操作导致系统固有的、周期性地再现的压强波动的其他泵机制。

本发明是特别好地适用于废气后处理装置，在所述装置中，液体通过泵被加压，并经由至少一个出口设备被注入或者喷射入内燃机的废气系统。所述液体，例如，可以是尿素水溶液。

本发明的具体实施例将在后文参考附图被详细地解释，其中：

图1示出了用于监测和控制用于驱动隔膜泵的电动机的示意电路布置；

图2示出了电动机中的绕组电流的示例性轮廓；

图3示出了根据本发明的根据优选实施例的方法的流程图，以及

图4示出了根据本发明的用于废气后处理的设备。

对于后面的观察，同样的部件通过一样的附图标记被指示。如果附图中包含的附图标记未在相应附图的描述中被明确地讨论，则参考附图的先前或随后的描述。

图1示出了监测和控制电动机2的示意电路布置，所述电动机用于驱动隔膜泵1。电动机被配置为电子换向的外部转子电动机。所述电动机具有三个定子绕组，所述定子绕组相对于电动机的旋转轴，以相互交错的方式被设置在圆周方向上。所述三个定子绕组的绕组端子在附图中具有附图标记5.1、5.2和5.3。作为电源，提供直流电压源15，所述电压源馈电给变换器4，所述变换器进而实施这三个定子绕组的交替连接。这三个定子绕组的绕组电流通常经由变换器4的基点6被放电。所得到总的绕组电流利用电流传感器16在基点6处被测量。作为原则性的问题，电流也能在与图示的不一样的位置处被测量。例如，仅仅测量变换器后面的电流也是可能的。另一种可能性包括，在各自的绕组中直接检测一个或者多个定子绕组的绕组电流。电流传感器16的输出信号被提供到电动机控制器3，并且在那里被处理。为此目的，电动机控制器包括执行程序的处理器8，所述程序被存储在也与该电动机控制器相关联的机器可读数据载体7上。该数据载体，例如，可是固定安装的或者是可移动的数据存储器。

图2示出了在基点6处测得的所得到的总的绕组电流的示例性轮廓。示出了在时间t上的电流I，电流以安培为单位，时间以秒为单位。图清楚地展示了绕组电流的周期性地波动的轮廓，其中在两个局部最大值之间的与周期历时PP相对应的距离是由在隔膜泵1的馈送回路中系统固有的周期性地再现的压强波动带来的。在附图中被示出的电流轮廓的三个较大的爬升斜面各自对应于隔膜泵的一泵冲程，三个较小的爬升斜面之间是次级的泵冲程的结果。根据本发明，绕组电流的瞬时平均值被确定。为此目的，在时间间隔T内几个离散电流值被测量，并且然后根据被测量的电流值，确定平均值。优选地，时间间隔T大于周期历时PP。建议尽可能准确地确定平均值以设置采样率比周期性再现的波动的频率高至少一个数量级。然后，绕组电流的被确定的平均值被电动机控制器3处理作为输入参数。需要指出的是，确定平均值能发生在电动机控制器3自身中和在独立的电路中两者。在图示的实施例中，在电流轮廓开始处确定的平均值高于预定限制值。因此，最大可允许电动机馈送电流被逐步减小，这从电流轮廓的局部最大值的减小能清楚看到，且将会在后面更加详细地解释。

图3示出了根据本发明的根据优选实施例的方法的流程图。假设泵的馈送回路中的平均压强遭受改变。馈送回路中的平均压强的改变引起所需的电动机扭矩的改变，所述扭矩转而伴随着绕组电流的改变。通过测量时间间隔T内的离散电流值，绕组电流的瞬时平均值I_平均能被确定。所述值在电动机控制器3内被与预定参考值I_参考相比较。该预定参考值构成限制电流值。只要绕组电流的平均值等于该限制值，或者，在电动机的期望速度处，该平均值甚至小于该参考值，则电流持续地以未改变的形式供给到电动机上。然而，如果该平均值增大到高于该参考值，则电动机馈送电流的最大可允许值被减小。因为，绕组电流的平均值的增大伴随着泵的馈送回路的平均压强的不期望的增大。因此，参考值I_参考被限定，使得馈送回路中出现期望压强，或者平均压强不会升高到该期望压强以上。电动机馈送电流的最大可允许值被减小，直到泵的馈送回路中的平均压强再次降低，并且绕组电流的平均值因此降低到参考值I_参考之下。在压强不能减小的情况下(例如，因为泵的馈送线路被堵塞，或者因为其他原因被阻塞)，则实施重新调整，直到电动机的馈送电流不再足以驱动电动机而使得电动机停止为止。然而，如果压强再次降低到参考值I_参考之下，电动机可重新启动，且电动机馈送电流的最大可允许值再次逐步增加到初始值。

图4示出了根据本发明的用于废气处理的设备9。图1的泵1在这个设备中用于馈送基于尿素的水溶液，该溶液经由喷嘴12作为催化剂被注入内燃机10(例如大型柴油机)的废气系统11中。为此目的，水溶液经由线路14从对应的容器13被馈送到喷嘴12，泵1位于该线路14中。

Claims (15)

1.一种监测用于驱动泵(2)的电动机(2)的方法，其中，在时间间隔(T)内电流值被测量，被测量的电流值的平均值被确定，并且所述平均值被与预定参考值相比较，其特征在于，所述方法延伸到控制电动机(2)，其中被测量的电流值反映该电动机(2)的绕组电流的轮廓，并且不论被测量的电流值是否能与电流轮廓的瞬时最大值相关联，所述被测量的电流值在确定平均值时都被包括在内，其中该平均值被电动机控制器(3)认作为输入参数，而且，其中所述时间间隔(T)大于由所述泵(1)的馈送回路中的系统固有的周期性地再现的压强波动带来的周期历时(P)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果所述被测量的电流值的平均值大于该预定参考值，则由该电动机控制器(3)确定的电动机馈送电流的最大可允许值被减小。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该电动机馈送电流的该最大可允许值被减小平均值和参考值之间的差值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该差值通过积分控制器被加总，并且被从该电动机馈送电流的最大可允许值中减去，直到该系统中的所得到的压强被减小，并且该绕组电流的平均值因此再次降低到该参考值之下。

5.如权利要求2到4中任一项所述的方法，其特征在于，该电动机馈送电流的该最大可允许值被最多减小到该参考值的一半。

6.如权利要求2到4中任一项所述的方法，其特征在于，被测量的电流值的可允许平均值一降低到该参考值之下，该电动机馈送电流的该最大可允许值就再次被增大。

7.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，该电动机(2)是多相配置的，其中在变换器(4)的基点(6)处测量该电流值。

8.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，在该间隔(T)内的该电流值使用一采样率来测量，所述采样率具有比该泵的该馈送回路中的系统固有的压强波动的频率高一个数量级的频率。

9.如权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，该平均值从一数目的电流值来确定，所述数目等于2的n次幂。

10.一种机器可读数据载体(7)，所述数据载体包括包含指令序列的程序，当所述指令序列由处理器(8)执行时，执行如权利要求1到9中任一项所述的方法。

11.一种用于电动机(2)的电动机控制器(3)，其用于执行如权利要求1到4中任一项所述的方法。

12.用于驱动泵(1)的电动机(2)，其特征在于，该电动机(2)包括如权利要求11所述的电动机控制器(3)，其中该电动机(2)优选地被配置为电子换向电动机(2)。

13.一种用于馈送流体的泵(1)，其特征在于，所述泵(1)包括根据权利要求12的电动机(2)作为驱动。

14.如权利要求13所述的泵(1)，其特征在于，所述泵(1)被配置为隔膜泵。

15.一种用于废气后处理的设备(9)，包括：泵(1)，流体能通过所述泵被加压，并且经由至少一个出口设备(12)，所述流体能被注入或者被喷射入内燃机(10)的废气系统(11)中，其特征在于，所述泵(1)根据权利要求13或者14被配置。