CN105659492B - 用于控制无刷电机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行电子换向同步电机的方法，同步电机包括具有至少两个、尤其是三个相绕组的定子和具有至少一个永磁体的转子对于每个单个的相绕组周期性地求得调制度，借助于调制度确定持续时间，在持续时间期间相绕组通过控制电路的配置给相绕组的开关被加载上供给电压或下供给电压。根据本发明，按照空间矢量调制的方法来控制同步电机，在方法中，在一周期开始和/或结束时对于关断持续时间在相绕组上施加零矢量，其中，全部与所述上供给电压连接的开关或全部与下供给电压连接的开关分别导通；按照与平均调制度具有在取值上最大的偏差的相绕组来进行零矢量的选择，即是建立与上供给电压的导通连接还是建立与下供给电压的导通连接，平均调制度相宜地相应于上供给电压与下供给电压之间的平均值。另外，本发明还涉及一种控制电路及其应用。

Description

用于控制无刷电机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行电子换向的同步电机的方法和一种用于电子换向的同步电机的控制电路及其应用。
背景技术
也作为无刷电机公知的永磁励磁的电子换向同步电机包括具有至少两个、尤其是三个相绕组的定子和具有至少一个相对于转动轴线垂直地设置的极对的转子，所述极对通过一个或多个设置在转子中或转子上的永磁体形成。无刷电机通过控制电路供给以电流，在所述控制电路中，每个相绕组配置有一个上开关和一个下开关，所述上开关和所述下开关可对所述相绕组加载以上供给电压和下供给电压。如果一个或多个相绕组被通电，则转子在形成的磁场中取向。为了针对性地控制，必须求得转子位置，这例如借助于解角器或旋转编码器来进行。
相宜地可在与转子固定的坐标系中调节通过相绕组的电流，其中，考察在转子磁场的方向上的d轴线和相对于所述d轴线处于90°(电角度，通过极对数量与机械角关联)的q轴线。在q轴线方向上流动的电流确定(在无磁阻力矩的电机中)输出的转矩，因此被称为转矩形成电流(iq)。为了获得高的转速，可进行场衰减调节，在所述场衰减调节中也预给定在d轴线方向上流动的电流。与转子固定的坐标系相对于定子旋转，因此，借助于转子位置通过合适的变换来求得待施加的相电流或者说相应的相电压。通过作为替换方案的方法，例如借助于存储在表格中的值进行的控制，也可预给定相电压。根据所求得的相电压，在脉宽调制(PWM)、尤其是空间矢量调制中周期性地求得控制度以及与所述控制度相应的持续时间，在所述持续时间期间，对应的相绕组通过控制电路与上供给电压或下供给电压连接。
控制电路的变频器中的切换效应是与导线有关的干扰的重要来源，所述与导线有关的干扰可通过整车电路网络在电子电路中引起误动作。通过切换控制相绕组的功率半导体，不仅在切换频率的范围中而且其高次谐波的范围中在多倍于切换频率的情况下产生干扰。在电磁兼容性(EMV)的意义上，恰恰在电机作为具有相对高的电功率的耗电器时重要的是，使干扰脉冲的输出最小。出于此原因，通常执行中心对中的多相的PWM，所述多相的PWM相对于边沿对中的PWM得到较宽的频谱，因为接通和关断边沿在旋转电机时关于通过PWM基本频率给定的固定的时间帧持续地变化。所输出的干扰脉冲的所属的频谱由此拖尾并且切换频率和高次谐波的求平均的幅值因此变小。
发明内容
本发明的目的在于，实现电磁兼容性的进一步改善。
所述目的通过根据本发明的用于运行电子换向的同步电机的方法来实现。
即提供一种用于运行电子换向的同步电机的方法，所述同步电机包括具有至少两个、尤其是三个相绕组的定子和具有至少一个永磁体的转子，所述电子换向同步电机具有控制电路，所述控制电路具有开关，至少各两个所述开关配置给一个相绕组，其中，对于每个单个的相绕组周期性地求得调制度(Aussteuerungsgrad)，借助于所述调制度确定持续时间，在所述持续时间期间相绕组通过所配置的开关被加载或者上供给电压或者下供给电压。根据本发明，按照空间矢量调制的方法来控制电子换向同步电机，在所述方法中，在一个周期开始和/或结束时对于关断持续时间在相绕组上施加零矢量，其中，全部与上供给电压连接的开关或者全部与下供给电压连接的开关分别导通，其中，按照与平均调制度具有在取值上最大的偏差的相绕组来进行零矢量的选择，即是建立与上供给电压的导通连接还是建立与下供给电压的导通连接，所述平均调制度相宜地相应于上供给电压与下供给电压之间的平均值。取代直接考察调制度，在此可提出，考察与调制度相关联的、尤其是成比例的参量、例如电流值或电压值。
通过使一个相绕组在一个整个周期期间与同一个供给电压连接，减少了切换过程的数量，因此所输出的干扰频率的幅度也减小。这使得电磁兼容性得到改善。另外，该方法具有优点：半导体的切换时间得以降低，所输出的热功率由此减小。
优选当满足预给定的条件时，将关断持续时间改变一个准随机值。
这尤其是在电机缓慢旋转或停止的情况下允许所输出的频谱增宽并且由此降低切换频率和高次谐波的求平均的幅值。由此，不仅在电机静止时而且在电机转动时，可跨转速地改善电磁兼容性。
可相宜地这样来识别电机的静止或者说缓慢转动：即求得电子换向同步电机的转速并且与转速阈值相比较，其中，当所求得的转速小于转速阈值时，预给定的条件被满足并且将关断持续时间改变一个准随机值。
作为替换方案，优选比较各个相绕组的调制度，其中，作为最大调制度与最小调制度之间的差求得最大调制行程，其中，当调制行程低于预给定的行程阈值时，预给定的条件被满足并且将关断持续时间改变一个准随机值。
所列举的预给定的条件具有优点：仅考察对于电机的运行而言大多所需或者说已知的参量。由此，所述方法可以用小的附加计算投入并且在无附加传感器的情况下来实现。
有利的是，借助于数学函数计算和/或借助于存储的表格求得和/或按照设置在控制电路中或与所述控制电路连接的模拟-数字转换器的最低有效位/最低值位(niedrigstwertigen Bits)选择准随机值。例如由密码系统/密码学已知确定性函数，所述确定性函数以小的计算投入产生具有足够长周期的准随机值。原则上也可使用存在于控制电路中的结构元件、例如模拟-数字转换器的噪声来求得准随机值或者说随机值。
尤其是关于零矢量的选择相宜地检查与平均调制度具有在取值上最大的偏差的相绕组的调制度是否超过上调制阈值或者是否低于下调制阈值，其中，上调制阈值大于下调制阈值，其中，当超过上调制度时，将相应的相绕组在一个整个周期期间与上供给电压连接，当低于下调制度时，将相应的相绕组与下供给电压连接。
在此有利的是，仅与上阈值相比较或者仅与下阈值相比较，其中，即仅可以进行将相应的相绕组与上供给电压的连接或者仅可以进行将相应的相绕组与下供给电压的连接。由此，一方面需要特别小的计算能力；另一方面，可有利地根据在控制电路中使用的功率半导体进行“优先方向”的选择。
另外，本发明还涉及一种用于电子换向同步电机的控制电路，所述电子换向同步电机包括具有至少两个、尤其是三个相绕组的定子和具有至少一个永磁体的转子，所述控制电路包括开关，至少各两个开关配置给一个相绕组，所述开关与上供给电压或者下供给电压连接。根据本发明，所述控制电路具有计算单元、尤其是微控制器，所述计算单元根据本发明方法来控制开关。微控制器尤其是包括非易失性存储器，在所述非易失性存储器中存储有用于执行所述方法的指令。
根据本发明的一个优选实施形式，至少一个开关作为敏感场效应管(Sense-FET)来实现，在所述Sense-FET中，在半导体开关的附加连接端上可量取与所切换的功率电流成比例的测量电流；计算单元具有至少一个模拟-数字转换器，所述模拟-数字转换器通过测量电阻求得所连接的Sense-FET的测量电流。特别优选全部开关作为Sense-FET来实现，因为这使得在控制度低的情况下电流测量得到简化。
另外，本发明涉及一种根据本发明的控制电路在电子控制装置中的应用，所述电子控制装置用于机动车的制动系统，其中，控制电路尤其是与电液式的执行器连接。例如在坡道上保持车辆时，在制动系统中可能发生：值得一提的电流流动通过无刷电机，而所述无刷电机不旋转。于是可通过选择合适的零矢量以及尤其是将关断持续时间改变一个准随机值来显著减小所述输出的干扰频率的幅度。
附图说明
其它优选实施形式由从属权利要求和借助于附图对实施例进行的下述说明中得到。附图表示：
图1是具有控制电路的无刷电机。
具体实施方式
图1中示出了根据实施例的电机2，所述电机通过控制电路1供给以能量。电机2的定子在所示的实施例中包括三个相绕组U、V和W，所述相绕组呈星形连接并且可通过所配置的开关与上供给电压UB或下供给电压0(或者说大地)连接。示意性表示的转子3包括至少一个极对，所述极对借助于永磁体来实现。没有示出转子位置传感器和控制装置，所述控制装置尤其是包括微处理器，所述微处理器控制开关。
相绕组U可通过开关S1与上供给电压以及通过开关S4与大地连接。相应地，相绕组V配置有开关S2和S5，相绕组W配置有开关S3和S6。如图1中所示，开关可优选作为场效应晶体管(FET)来实现并且也具有并联连接的二极管。为了进行控制，相宜的是，每个相绕组(或者说所属的开关)具有电流测量元件，因为于是可与调制度无关地测量通过各个相绕组的电流。这例如可这样来进行：开关设计成Sense-FET，所述Sense-FET在附加的连接端上输出与流动的转换电流成比例的测量电流，所述测量电流例如可通过参考电阻和模拟-数字转换器来确定。
相绕组通过空间矢量调制被供给以电流或者说电压。如果忽略由于开关的不理想特性而必需的死时间，则在任意时刻在相绕组U中要么开关S1被断开而开关S4闭合要么开关S1闭合而开关S4断开(在其它相绕组中，这相应地适用于所配置的开关)。控制电路的不同切换状态分别配置有基本矢量，其中，6个活动的基本矢量引起电流流过至少一个相绕组，2个切换状态相应于零矢量。在第一零矢量中，对于每个相绕组，用于与上供给电压连接的开关闭合，由此，没有施加电压；在第二零矢量中，这相应地适用于到大地的开关。任意的电压矢量可在合适地选择持续时间的情况下通过两个相邻的活动的基本矢量和一个或两个零矢量来调整。
由此，为了控制电机，可周期性地求得匹配的电压矢量并且在中心对中的多相位脉宽调制中进行变换。相宜地，一个周期以对于持续时间T0施加的零矢量来开始和结束。关于该周期对称地，对于持续时间T1施加活动的第一基本矢量并且对于持续时间T2施加活动的第二基本矢量。持续时间的总和2*T0+2*T1+2*T2在此必须相应于周期持续时间。尤其是在待施加的电压小或者说调制度小时也可提出，不仅在一个周期的开始和结束时而且在中间也施加零矢量。
零矢量的选择在此是任意的。如果对于一个相绕组除了零矢量持续时间之外对于整个周期应施加与上供给电压的连接，则相宜地在该周期期间仅施加第一零矢量。这可借助于调制度与阈值的比较或借助于对电压和电压角的考察来识别。
在电机的调制度小并且转速缓慢或者说停止时，应施加零矢量的持续时间形成周期的大份额。因此，相宜地将各个基本矢量的接通时间或者说各个相绕组的接通时间提高或降低一个准随机值。准随机值可由确定性函数来确定，如果所述确定性函数在值重复之前提供足够数量的不同值的话。因为控制装置在很多情况下具有至少一个模拟-数字转换器，所以合适的是，利用该构件的噪声，其方式是由转换器的最低有效位求得随机值。由于合成的随机误差，切换频率与脉宽调制的基本频率偏差(准)随机值，由此，所输出的干扰的波谱增宽并且所求得的幅值在所考察的频率中减小。
根据本发明的方法减小了干扰的输出并且也可导致热输入减小。

Claims (14)

1.一种用于运行电子换向的同步电机(2)的方法，该同步电机包括具有至少两个相绕组的定子和具有至少一个永磁体的转子(3)，所述同步电机具有控制电路(1)，所述控制电路具有开关，至少各两个开关配置给一个相绕组，其中，对于每个单个的相绕组周期性地求得调制度，根据所述调制度确定持续时间，在所述持续时间期间将所述相绕组通过所配置的开关加载上供给电压或者下供给电压，其中，按照空间矢量调制的方法来控制所述电子换向的同步电机(2)，其特征在于，在所述空间矢量调制的方法中，对于关断持续时间在一个周期开始和/或结束时在所述相绕组上施加零矢量，其中，全部与所述上供给电压连接的开关或者全部与下供给电压连接的开关分别导通；基于与平均调制度具有在取值上最大的偏差的相绕组来进行所述零矢量的选择，即建立与所述上供给电压的导通连接还是建立与所述下供给电压的导通连接，其中，所述平均调制度对应于上供给电压与下供给电压之间的平均值。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：当满足预给定的条件时，将所述关断持续时间改变一个准随机值。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于：求得所述电子换向的同步电机(2)的转速并且与转速阈值相比较；当所求得的转速小于所述转速阈值时，所述预给定的条件得到满足并且将所述关断持续时间改变一个准随机值。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于：比较各个相绕组的调制度，其中，作为最大调制度与最小调制度之间的差求得最大调制行程；当所述调制行程低于预给定的行程阈值时，所述预给定的条件得到满足并且将所述关断持续时间改变一个准随机值。
5.根据权利要求2或3的方法，其特征在于：借助于数学函数计算和/或借助于存储的表格求得和/或按照设置在所述控制电路(1)中或与所述控制电路连接的模拟-数字转换器的最低有效位选择所述准随机值。
6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：检查与平均调制度具有在取值上最大的偏差的相绕组的调制度是否超过上调制阈值或者是否低于下调制阈值，其中，所述上调制阈值大于所述下调制阈值，其中，当超过所述上调制阈值时，将相应的相绕组在一个整个周期期间与所述上供给电压连接，当低于下调制阈值时，将相应的相绕组与所述下供给电压连接。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于：要么仅与所述上调制阈值相比较要么仅与所述下调制阈值相比较，其中，即要么仅可进行将相应的相绕组与所述上供给电压的连接要么仅可进行将相应的相绕组与所述下供给电压的连接。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于：所述定子具有三个相绕组。
9.一种用于电子换向的同步电机(2)的控制电路(1)，该同步电机包括具有至少两个相绕组的定子和具有至少一个永磁体的转子(3)，所述控制电路包括开关，至少各两个开关配置给一个相绕组，所述开关与上供给电压或者下供给电压连接，其特征在于：设置有计算单元，所述计算单元按照根据权利要求1至8之一所述的方法来控制所述开关。
10.根据权利要求9的控制电路(1)，其特征在于：至少一个开关作为敏感场效应管来实现，在所述敏感场效应管中，在半导体开关的附加连接端上可分量取与所切换的功率电流成比例的测量电流；所述计算单元具有至少一个模拟-数字转换器，所述模拟-数字转换器通过测量电阻求得所连接的敏感场效应管的测量电流。
11.根据权利要求9的控制电路(1)，其特征在于：所述定子具有三个相绕组。
12.根据权利要求9的控制电路(1)，其特征在于：所述计算单元是微控制器。
13.根据权利要求7或9的控制电路(1)在电子控制装置中的应用，所述电子控制装置用于机动车的制动系统。
14.根据权利要求13的应用，其特征在于：所述控制电路(1)与电液式的执行器连接。
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