CN105453413A - 确定电机的相电流和励磁电流的方法和设备及电动机系统 - Google Patents

Abstract

规定用于确定通过相绕组（12）的相电流和通过电机（11）的励磁绕组（13）的励磁电流的方法，其中励磁绕组（13）连接在相绕组（12）的星形接点（14）和确定的参考电位之间，包括以下步骤：-利用预定义的脉冲模式（30）周期性地操控电机（11）；-在测量周期（37）的多个时间测量窗（31、32、33）中分别确定测量电流（I_mess），其中所述测量电流（I_mess）对应于通过相绕组（12）之一和通过多个相绕组（12）的一个或多个并联电路的电流；和-通过分析在测量周期（37）期间确定的测量电流（I_mess）来确定相电流和励磁电流。

Description

确定电机的相电流和励磁电流的方法和设备及电动机系统

技术领域

本发明一般地涉及用于测量电机的电动机电流的方法和设备。

背景技术

具有永久磁铁的电子换向电机、例如永励（permanenterregt）同步电动机广为流行。这样的电机非常适合于许多应用，然而在高的转速范围中具有以下缺点：在那里需要的磁场减弱导致损耗提高和因此导致效率降低。与此相比，在他励或者混合励磁电机情况下，所述磁场减弱简单地通过励磁磁场的减小实现。

在他励电机情况下，所述励磁磁场借助于单独的励磁绕组产生，而在混合励磁电机情况下，所述磁场不仅由永久磁铁而且借助于单独的励磁绕组产生。所述励磁绕组用于将静态磁场对准转子体，所述转子体收集磁通量并且通过转子磁极朝定子的方向转向。他励或者混合励磁电机的优点在于，所使用的永磁材料量减少，并且因此成本与永励电机相比更少。

附加的励磁绕组典型地要求提高的电路耗费。此外为了对不仅相绕组而且励磁绕组进行调节或者操控，通过相绕组的相电流以及励磁电流的快速和可靠的测量是需要的，这引起附加的耗费。因此需要优化用于相绕组和励磁绕组的布线以及用于电流测量的耗费。

由出版物WO2012/089412A2描述具有励磁绕组的感应式电机，所述励磁绕组连接到感应式电机的星形接点和供应电压的地上，这尤其对于励磁绕组已经意味着电路耗费的显著的简化。

此外由出版物DE102006052467A1已知，能够如何测定具有仅一个测量电阻、也即分流器的感应式电机的相电流。

此外，由出版物WO2013/000632A2已知已知的单分流电流测量到他励或者混合励磁电机上的扩展。

因此任务是，提供用于基于利用仅一个用于混合励磁电机的电流测量设备的电流测量来测定相电流和励磁电流的装置。在此关于噪音生成和最大可能的调制的方法相对于用于无励磁绕组的电机的已知方法是势均力敌的或者改善的。

发明内容

所述任务通过按照权利要求1所述的用于确定通过相绕组的相电流和通过电机的励磁绕组的励磁电流的方法以及通过按照并列权利要求所述的用于确定通过相绕组的相电流和通过电机的励磁绕组的励磁电流的设备和电动机系统来解决。

本发明的其它有利的扩展方案在从属权利要求中予以说明。

按照第一方面，规定用于确定通过相绕组的相电流和通过电机的励磁绕组的励磁电流的方法，其中励磁绕组连接在相绕组的星形接点和确定的参考电位之间，包括以下步骤：

-利用预定义的脉冲模式周期性地操控电机；

-利用仅一个电流测量设备在测量周期的多个时间测量窗中分别确定测量电流，其中所述测量电流包括通过相绕组之一的电流和通过多个相绕组的一个或多个并联电路的至少一个电流；和

-通过分析在测量周期期间确定的测量电流来确定相电流和励磁电流。

上述方法的主题思想在于，通过以合适的方式执行的电流测量借助于仅一个唯一的电流测量设备来测定电机的相电流以及励磁电流。这尤其利用星形接点和参考电位之间的励磁绕组的布线是可能的。

以所述方式可能的是，在具有鲁棒的和成本低的电布线的尤其他励或者混合励磁电机情况下以舒适和低噪音的方式执行电流调节，所述电布线没有用于励磁绕组的附加的开关和电流测量设备也行。

此外按照一种实施方式，测量电流可以借助于测量电阻（分流器）被测量。所述测量电阻在此可以被布置在确定的参考电位的端子与被设置用于切换相绕组并且与相绕组连接的驱动电路之间。

按照一种实施方式，测量电流可以借助于电流测量设备被确定，所述电流测量设备被布置在确定的参考电位与被设置用于切换相绕组并且与相绕组连接的驱动电路之间。

此外，所述电机可以通过尤其集中于左边的脉冲宽度调制信号被操控，其中在每个测量窗期间，分别与确定的参考电位连接的相绕组的数量是不同的，并且将剩余的相绕组分别与确定的参考电位分离，并且代替地与和确定的参考电位不同的电位、尤其与供应电压端子连接。

可以规定，根据在当前的测量周期中、尤其在脉冲宽度调制周期的结束处的时间区域中所有相绕组是否在预先给定的最小持续时间内与确定的参考电位连接，对应于励磁电流的测量电流被确定，或者励磁电流的所存储的和/或所计算的电流值被采用。

此外可以根据电机的瞬时负载来进行在当前的测量周期中是否测量对应于励磁电流的测量电流的评价。

所述电机可以具有三个相绕组，其中在每个测量周期期间，测量电流在第一测量窗中对应于第一相电流，并且在第二测量窗中对应于第二相电流与励磁电流的线性组合，并且其中要么励磁电流的在第三测量窗中测量的电流值要么励磁电流的存储的和/或计算的电流值被使用尤其用于确定第三相电流。

按照另一方面，规定用于确定通过相绕组的相电流和通过电机的励磁绕组的励磁电流的设备，其中励磁绕组连接在相绕组的星形接点和确定的参考电位之间，其中所述设备被构造，用于

-在利用预定义的脉冲模式周期性地操控的电机情况下在测量周期的多个时间测量窗中分别确定测量电流，其中所述测量电流对应于通过相绕组之一并且通过多个相绕组的一个或多个并联电路的电流；和

-通过分析在测量周期期间确定的测量电流来确定相电流和励磁电流。

按照另一方面，规定电动机系统，包括：

-他励或者混合励磁电机，所述电机具有励磁绕组，所述励磁绕组连接在相绕组的星形接点和确定的参考电位之间；

-驱动电路，通过所述驱动电路给相绕组供应电能，并且所述驱动电路根据脉冲模式给相绕组供以能量；

-电流测量装置，所述电流测量装置被布置在驱动电路和确定的参考电位之间，使得在测量窗中可以确定所属的测量电流，所述测量电流关于预先确定的电流方向相应地总地流过相绕组之一或者多个相绕组的并联电路；和

-上述设备。

此外，所述驱动电路可以包括具有桥电路、尤其B6桥电路的逆变器。

操控单元可以被设置，以便借助于驱动电路的操控在测量的测量周期中产生多个时间测量窗，其方式是：与预定义的脉冲模式一致地分别将一个或多个相绕组同时与确定的参考电位的端子耦合。

按照一种实施方式，电机可以具有三个相绕组，其中在每个测量周期期间，测量电流在第一测量窗中对应于第一相电流，并且在第二测量窗中对应于与第一相电流不同的第二相电流与励磁电流的线性组合。在此此外要么励磁电流的所测量的电流值要么励磁电流的存储的和/或计算的电流值可以被使用用于通过在星形接点处的节点规则确定第三相电流。

所述电流测量设备可以包括测量放大电路和模拟数字转换器。此外每个测量窗的最小时间大小可以分别由驱动电路的开关元件的最小死时间、测量放大电路的最小起振时间和模拟数字转换器的最小采样时间的总和得出。

附图说明

实施方式根据附图和以下的说明被进一步阐述。其中：

图1示出具有混合励磁电机的电动机系统的示意图；和

图2示出用于操控图1的混合励磁电机的相端子的示例性脉冲模式。

相同的或者相似的组件分别配备有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示意性示出具有电机的电动机系统10。所述电动机系统10具有作为具有三个带有相端子U、W、V的相绕组12的电机11的混合励磁的感应式电机。所述相绕组12在电机11中按照星形电路彼此布线。所述电机11此外具有励磁绕组13，所述励磁绕组13用于或者有助于在混合励磁电机11的转子中产生磁场，并且所述励磁绕组13与星形接点14电连接。

所述相绕组12通过驱动电路15（这里是具有六个开关S1至S6的逆变器，其中所述开关以本身已知的全控6脉冲桥（B6）的形式彼此布线）被馈送相应的相电压。驱动电路15的开关S1至S6通过操控单元26操控，其中所述开关S1至S3对应于上拉开关并且开关S4至S6对应于下拉开关。所述驱动电路15具有带有开关S1和S4或者S2和S5或者S3和S6的三个变换器分支。所述开关可以例如以功率半导体开关的形式来构造，尤其构造为晶体管、晶闸管、MOSFET、IGBT、IGCT等。

所述驱动电路15在输入侧配备有第一供应电压端子16和第二供应电压端子17，供应电压U₀可以被施加到所述第一供应电压端子16和第二供应电压端子17上。所述两个供应电压端子16、17可以是直流电压中间电路或者直流电压源、尤其锂离子电池的输出端，或者与其电连接。所述第二供应电压端子17尤其可以对应于供应电压地。

所述励磁绕组13连接在星形接点14和第二供应电压端子17、也即供应电压地之间。

为了电流测量，分流器24可以被用作电流测量设备27，所述电流测量设备为了实施以下描述的方法布置在第二供应电压端子17和被构造为B6逆变器的驱动电路15的输入端之间。以这种方式，根据驱动电路15的下面的开关（下拉开关）S4至S6中的哪些被闭合可以选择性地测量来自相端子U、V、W或者相绕组12的电流。

在图2中示出驱动电路15的开关S1至S6的操控的示例性脉冲模式30。如在图2中示出的，在此优选地使用集中于左边的（linkszentriert）、脉冲宽度调制信号（PWM）。在图2的上面部分中，示出对B6逆变器的开关支路中的开关S1和S4的操控用于对第一相端子U供电。在此，所述开关S1和S4彼此逆反地被操控用以避免短路，这在附图中通过附图标记S4上方的否定上划线表明。图2的中间的和下面的部分与此相应地示出用于第二相端子V的B6逆变器的第二开关支路的开关S2和S5或者用于第三相端子W的B6逆变器的第三开关支路的开关S3和S6的操控。

由此尤其可以产生正弦形交变电压。根据瞬时脉冲宽度，相端子U、V、W的电位被调整到当前的值，所述值分别处于端子16、17的电位之间。尤其是如此通过操控单元26进行开关S1至S6的操控，使得交变电压作为两个相绕组12之间的差电压被施加。因此交变电流在相绕组12中被产生，所述交变电流在星形接点14处分别地相加成可调整的恒定电流。为了产生励磁直流电流，所述星形接点14通过相应的操控被拉到确定的直流电压电位（星形接点电位），所述直流电压电位根据电机11的运行点被改变。所述可调整的恒定电流于是对应于励磁直流电流，所述励磁直流电流流过励磁绕组13。

为了测量相电流和励磁电流，在测量的测量周期37中产生多个时间测量窗31、32、33，其中在每个测量窗31、32、33中分别确定测量电流I_mess，所述测量电流关于预先确定的电流方向总地流过相绕组12之一或者多个相绕组12的并联电路。这里测量周期37对应于集中于左边的脉冲宽度调制的脉冲宽度调制周期38，其中提供由零向量36跟随的彼此不同的操控向量34、35。

为了产生合适的测量窗31、32、33，使有关的相绕组12与预定义的脉冲模式30一致地同时与确定的参考电位的端子28耦合。尤其可以规定，第一测量窗31分别从测量周期37开始持续直到用于B6逆变器的第一变换器分支（Inverterzweig）的有关的开关（有关的开关对）的第一开关信号的第一边沿，所述第二测量窗32从B6逆变器的有关的开关的第一开关信号的第一边沿持续直到用于B6逆变器的第二变换器分支的开关的第二开关信号的第一边沿，并且所述第三测量窗33从在有关的测量周期中的所有开关信号上来看最后的边沿持续直到测量周期37的结束。

在图2中的示例中，在脉冲宽度调制周期38的开始提供两个操控向量34、35。因此与现有技术不同，不仅两个相电流，而是一个相电流以及由另一相电流与励磁电流组成的总和可以被测量。因此在第一测量窗31中，第一相绕组12在相端子U处的相电流被测量。在第二测量窗32中，由在相端子V处的第二相电流和通过励磁绕组13的励磁电流组成的总和被测量。

为了通过测量分流器24上的电压来测量分流器24中的励磁电流，逆变器或者驱动电路15的所有下拉开关S4、S5、S6必须闭合（并且相应地所有上拉开关S1、S2、S3断开），使得所述测量电流在零向量36期间被测量。所述状态典型地在脉冲宽度调制周期38的结束处发生。如果所述励磁电流从现在起通过测量是已知的，那么也可以计算第二相电流并且因此通过在星形接点14处的节点规则（Knotenregel）也可以计算第三相电流。这借助于分析单元25发生，所述分析单元25由各自的在测量周期37期间确定的测量电流I_mess确定相电流和励磁电流。因此相电流的所有实际值是已知的并且可以被输送给电流调节器23。

根据转子位置，对于在操控向量34、35期间测量的测量电流还发生其它的变型方案。对此，所述脉冲模式30可以被适配，使得开关S1至S6的操控以这样的方式被优化，即尽可能低噪音的测量可以被执行。

如果三相电压系统的最大幅度应当被提供，并且电机11因此以高的转速并且在高的负载下运行，则零向量36在脉冲宽度调制周期38的结束处太短以致于不能执行测量电流I_mess的测量，其中所述三相电压系统将逆变器或者驱动电路15置于电机接线柱或者相端子U、V、W上。在这种情况下，励磁电流不能被测量。

因此可以规定，识别其中在脉冲宽度调制周期38中出现太短的零向量36的运行状态，并且在这种情况下在脉冲宽度调制周期38的结束处通过分流器24阻止励磁电压的测量。

但是这相比于在励磁线圈电流路径中具有电流传感器的变型方案而言对于励磁电流的调整不具有缺点，因为星形接点电压和因此励磁绕组13上的电压总归不再能够被改变。三相电压系统的零电位在这种情况下不再能够被向上或者向下改变，其中所述三相电压系统将驱动电路15置于相端子U、V、W上。因此电流调节器23对于励磁电流不具有通过调整参量“三相电压系统的零向量36的持续时间”改变励磁电流的可能性。

此外，然而需要励磁电流用于由利用操控向量34、35测量的电流值来计算相电流。因此在这种情况下使用基于模型的、尤其通过软件计算的值，而不使用励磁电流的所测量的值，其中一旦励磁电流可以再次被测量，所述基于模型的、尤其通过软件计算的值相应地被修正。

Claims (10)

1.用于确定通过相绕组（12）的相电流和通过电机（11）的励磁绕组（13）的励磁电流的方法，

其中励磁绕组（13）连接在相绕组（12）的星形接点（14）和确定的参考电位（17）之间，

包括以下步骤：

-利用预定义的脉冲模式（30）周期性地操控电机（11）；

-在测量周期（37）的多个时间测量窗（31、32、33）中分别确定测量电流（I_mess），其中所述测量电流（I_mess）包括通过相绕组（12）之一的电流和至少一个通过多个相绕组（12）的一个或多个并联电路的电流；和

-通过分析在测量周期（37）期间确定的测量电流（I_mess）来确定相电流和励磁电流。

2.按照权利要求1所述的方法，其中所述测量电流（I_mess）借助于电流测量设备（27）被确定，所述电流测量设备（27）被布置在确定的参考电位（17）和被设置用于切换相绕组（12）并且与相绕组（12）连接的驱动电路（15）之间。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其中所述电机（11）通过尤其集中于左边的脉冲宽度调制信号被操控，其中在每个测量窗（31、32、33）期间，分别与确定的参考电位（17）连接的相绕组（12）的数量是不同的，并且剩余的相绕组（12）分别与和确定的参考电位不同的电位、尤其与供应电压端子（16）连接。

4.按照权利要求3所述的方法，其中根据在当前的测量周期（37）中、尤其在脉冲宽度调制周期（38）的结束处的时间区域中所有的相绕组（12）是否在预先给定的最小持续时间内与确定的参考电位（17）连接，对应于励磁电流的测量电流（I_mess）被确定，或者励磁电流的存储的和/或计算的电流值被采用。

5.按照权利要求4所述的方法，其中根据电机（11）的瞬时负载进行在当前的测量周期（37）中是否可以测量对应于励磁电流的测量电流（I_mess）的评价。

6.按照权利要求4或5所述的方法，其中所述电机（11）具有三个相绕组（12），其中在每个测量周期（37）期间，作为测量电流（I_mess）在第一测量窗（31）中测量第一相电流并且在第二测量窗（32）中测量第二相电流与励磁电流的线性组合，并且其中尤其为了确定第三相电流，使用励磁电流的在第三测量窗（33）中测量的电流值或者励磁电流的存储的和/或计算的电流值。

7.用于确定通过相绕组（12）的相电流和通过电机（11）的励磁绕组（13）的励磁电流的设备，其中，励磁绕组（13）连接在相绕组（12）的星形接点（14）和确定的参考电位之间，其中所述设备被构造，用于

-在利用预定义的脉冲模式（30）周期性地操控的电机（11）情况下在测量周期（37）的多个时间测量窗（31、32、33）中分别确定测量电流（I_mess），其中所述测量电流（I_mess）对应于通过相绕组（12）之一和通过多个相绕组（12）的一个或多个并联电路的电流；和

-通过分析在测量周期（37）期间确定的测量电流（I_mess）来确定相电流和励磁电流。

8.电动机系统（10），包括：

-他励或者混合励磁电机（11），所述电机（11）具有励磁绕组（13），所述励磁绕组（13）连接在相绕组（12）的星形接点（14）和确定的参考电位之间；

-驱动电路（15），通过所述驱动电路（15）给相绕组（12）供应电能，并且所述驱动电路（15）根据脉冲模式（30）给相绕组（12）供以能量；

-电流测量装置（24），所述电流测量装置（24）被布置在驱动电路（15）和确定的参考电位之间，使得所属的测量电流（I_mess）可以在测量窗（31、32、33）中被确定，所述测量电流关于预先确定的电流方向相应地总地流过相绕组（12）之一或者多个相绕组（12）的并联电路；和

-按照权利要求7所述的设备。

9.按照权利要求8所述的电动机系统（10），其中所述驱动电路（15）包括具有桥电路、尤其B6桥电路的逆变器。

10.按照权利要求8或9所述的电动机系统（10），其中操控单元（26）被设置，用于借助于驱动电路（15）的操控在测量的测量周期（37）中产生多个时间测量窗（31、32、33），其方式是：与预定义的脉冲模式（30）一致地分别将一个或多个相绕组（12）同时与确定的参考电位的端子（28）耦合。