CN107408907A - 用于运行无刷直流电动机的方法 - Google Patents

Abstract

在用于运行无刷直流电动机(1)的方法中，通过对多个设置在定子(10)上的电枢线圈(a‑c)通电来产生旋转磁场，以便驱动转子(11)，所述电枢线圈构成三相交流绕组以产生在定子(10)上环绕的旋转磁场并且具有三个端子(U，V，W)，所述转子可围绕转动轴线(110)相对于定子(10)转动并且具有至少两个不同名的永磁磁极(N，S)。在此提出，为了确定转子(11)相对于定子(10)的位置，在端子(U，V，W)中的第一和第二端子之间施加测量电压信号(V12，V23，V31)，在端子(U，V，W)中的第三端子上测量合成电压(VM)，根据合成电压(VM)的时间变化曲线，确定说明在时间区间中合成电压(VM)的梯度的梯度值，并且在确定转子(11)的位置(Φ)时考虑梯度值。以所述方式，提供用于运行无刷直流电动机的方法，所述方法能够以可靠的方式实现在停机时或在转速慢时确定转子位置。

Description

用于运行无刷直流电动机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行根据权利要求1的前序部分的无刷直流电动机的方法以及一种无刷直流电动机。

背景技术

在这种方法中，通过对多个设置在定子上的电枢线圈通电来产生旋转磁场，以便驱动转子，所述转子可围绕转动轴线相对于定子转动并且具有至少两个不同名的永磁磁极。电枢线圈构成三相交流绕组以产生在定子上环绕的旋转磁场，并且在此具有三个或更多个端子，电枢线圈经由所述端子来通电。

在无刷直流电动机中，传感器控制的换向和无传感器的换向之间有所不同。通常，在无刷直流电动机中，在定子上产生的、环绕的电枢场根据转子位置、转子转速和转矩而以电子方式换向。电子换向在此能够用于调节直流电动机的运行性能。

在传感器控制的换向(所谓的传感器控制的无刷直流电动机)中，传感器例如用于检测转子的磁通量的霍尔传感器或光学传感器处于定子的区域中。传感器提供关于转子位置的信息，所述信息因此以传感器的方式被检测。随后，能够根据以传感器的方式检测到的转子位置来调节电子换向。

而在无传感器的换向中(所谓的无传感器的无刷直流电动机)，转子位置的检测经由在定子的电枢线圈中感生出的反向电压进行，所述反向电压能够由控制装置评估以确定转子位置，并且也称作为反向EMK(EMK：感生的电磁力)。

然而，所述反向电压的确定从转子的最小转速起才可能，因为在所述最小转速之下，感生出的反向电压过小。常规的无刷直流电动机因此设计为转子以限定的切换模式取向和随后盲目地切换用于起动的相，直至达到最小转速，并进而根据感生出的反向电压能够确定转子的角度位置。

因此，值得期望的是如下方法，在所述方法中，在无传感器的无刷直流电动机情况下，在转子停止或低转速时也能够确定转子的角度位置，以便可靠地并且有效地起动电动机。

在从WO 2009/053388 A2中已知的无传感器的无刷直流电动机中，为了在停止时确定转子位置提出，在三个电动机端子中的两个电动机端子上施加测量序列，并且在每第三未通电的电动机端子上测量电压。所述电压与参考电压进行比较，并且根据比较能够确定，转子刚好处于哪个角度扇区中。

WO 2009/053388 A2的方法能够实现确定，转子刚好处于六个可能的角度扇区中的哪个角度扇区中。这通过在测量序列的过程中施加测量脉冲进行。而，在转子停止中、转子转动时或在区块换向之内角度精确地确定转子位置借助WO 2009/053388 A2的方法不可能或仅受限可能。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于运行无刷直流电动机的方法以及一种无刷直流电动机，所述方法和所述无刷直流电动机能够以可靠的方式在外部驱动或区块换向、自驱动运行时从停止直至平均转速地实现转子位置的确定。

所述目的通过具有权利要求1的特征的主题来实现。

据此，在该方法中提出，为了确定转子相对于定子的位置

-在端子中的第一端子和第二端子之间施加测量电压信号，

-在端子中的第三端子上测量合成电压，

-根据合成电压的时间变化曲线，确定说明合成电压在时间区间中的梯度的梯度值，并且

-在确定转子的位置时考虑该梯度值。

这基于如下内容，在确定转子的位置时，考虑测量到的合成电压的时间变化。为了确定转子的位置，在(接线成三角形或星形的)三相直流电动机的三个端子中的两个端子之间施加测量电压信号，并且未通电的第三端子用于测量。在所述第三端子上出现如下电压，所述电压(大致)对应于接线成三角形或星形电路的三相的电枢线圈的(虚拟的)星形接点上的电压。合成电压在此通过第一电枢线圈的与第一端子相关联的电感和第二电枢线圈的与第二端子相关联的电感的分压器确定，其中这些电感又与永久磁体励磁的转子的磁场相关。

与转子的角度位置相关地，每个电枢线圈的电感是可变的，这与如下情况关联，电枢线圈的磁性的铁芯通过永久磁铁励磁的转子的磁场磁化。磁化在此与转子的角度位置相关，因为永磁磁场与转子相对于电枢线圈的角度位置相关地定向。得出：铁芯受转子的永磁磁场的磁化越强，那么电枢线圈的电感就越小。

此外，通过电枢线圈的电流对电感有影响。这样，通常在将测量电压信号施加在两个端子之间时，电流首先是小的并且随后(逐渐地)升高。通过电枢线圈的电流引起电枢线圈上的局部磁场，所述局部磁场与转子的永磁磁场叠加并且能够引起在电枢线圈上的磁场的场增强或场减弱。因此，通过电枢线圈的电流能够引起铁芯的磁化的增大(在场增强时)或减小(在场减弱时)，这引起电感的减小或增大。

因为在施加测量电压信号时电流随时间变化，所以因此在测量电压信号施加在这些端子上期间，电感也变化。所述时间变化能够被评估并且能够单独地用于确定转子的角度位置或者能够至少在确定转子位置时加以考虑。

该方法所利用的是，在两个端子上施加测量电压信号，并且在未通电的第三端子上测量合成电压。因为在此电枢线圈的在第一端子和第二端子之间起作用的电感在测量电压信号期间由于通过所述电枢线圈的电流而改变，所以电枢线圈的分压器也改变，这影响测量到的合成电压。因此，合成电压的(正的或负的)梯度示出电感由于通过所述电感的电流与转子的角度位置相关的时间变化。因此，从合成电压的时间变化中，能够直接地或间接地推断出转子的角度位置，即转子位置。

为了施加测量电压信号，优选地在第一端子上连接有供给电压的电势，并且在第二端子上连接有接地电势。而，第三端子被切换到高阻抗的状态中，使得在所述第三端子上能够测量合成电压。合成电压至少近似地说明由两个电枢线圈构成的分压器的电路的中点电压。

测量电压信号优选通过各个测量脉冲组成。所述测量脉冲优选具有不同的符号，使得——在一个设计方案中——引起通过第一端子和第二端子的电枢线圈的电流，所述电流在积分上刚好抵消。这样，第一测量脉冲引起沿第一方向通过与第一端子和第二端子相关联的电枢线圈的电流，在所述第一测量脉冲中例如在第一端子上连接有供给电压电势并且在第二端子上连接有接地电势。而第二测量脉冲引起沿相反的第二方向通过与第一端子和第二端子相关联的电枢线圈的电流，所述第二测量脉冲具有相反的符号并且在所述第二测量脉冲中因此供给电压电势连接于第二端子而接地电势连接于第一端子。以所述方式实现，通过电流引起的电动力在平均上刚好抵消，使得转子不被置于转动运动中。

通常，通过电枢线圈的电流在测量电压信号的过程中是小的，使得转子未被驱动并且尤其无电动力被引起，所述电动力超过转子的锁定力矩。然而，如果出现转子的运动，那么所述运动通过具有相反符号的跟随的测量脉冲又被停止。

测量脉冲优选分别具有至少近似恒定的电压平台(Spannungsplateau)。在一个测量脉冲的过程中，例如在第一端子上在预定的时间段中施加具有恒定的幅值的供给电压。相反地，那么在第二测量脉冲的过程中，将具有恒定幅值的供给电压施加到第二端子上，使得形成相反符号的测量脉冲。

接着第二测量脉冲可以有其他测量脉冲，其中测量脉冲的积分有利地总体上刚好抵消。第三测量脉冲在此能够具有与第二测量脉冲相同的符号，其中但随后第四测量脉冲又具有与此相反的符号。

有利地，在第一测量脉冲期间并且在第二测量脉冲期间，分别确定合成电压的电压值。因此测量：在一个测量脉冲期间在未通电的第三端子上出现何种电压，其中对此以适当的方式在每个测量脉冲的时间段中对合成电压进行采样和取平均值。

从在第一测量脉冲期间获得的第一合成电压值和在与第一测量脉冲反向的第二测量脉冲期间获得的第二合成电压值中，那么能够确定差值。通过形成第一合成电压值和第二合成电压值之间的差，能够算出叠加测量的作用。例如，在转子以小的转速转动时，能够在各个电枢线圈中得到感生的反向电压，所述反向电压与分压器的中点电压叠加。通过将在不同的测量脉冲期间获得的电压值彼此相减，算出所述感生的反向电压，使得反向电压不影响分压器的确定的大小。

从这些合成电压值中，借助在第一测量脉冲期间的电压值作为被减数和在第二测量脉冲期间的电压值作为减数形成差。在测量被减数和减数期间施加的附加的恒定的电压在此减掉并且不对差的数值产生影响。而，与电压矢量相关的电压值，例如中点电压由于被减数中的电感的关系引起的移动并且中点电压由于减数中的电感的反向的关系引起的反向移动在差中作为差异维持。

因此，算出叠加测量的作用。例如，在转子的转速小的情况下，能够得到在测量支路和分压器的线圈中感生出的反向电压。在转子转动时，在该端子上测量到的电压值因此不再对应于分压器的中点电压，而是此外受测量支路的线圈的感生的电动势歪曲。然而，因为在测量的时间区间之内感生的反向电压是近似恒定的并且维持其符号，那么所述误差能够通过两次测量的相减几乎完全移除。

在分压器的线圈中，以相同的方式通过永久磁体的旋转感生出电压，使得分压器的中点电压已经受感生的电压歪曲。基于所述原因，虽然能够直接在相端子上测量中点电压，但以三角形接线的直流电动机也未免于感生的电压的突出的误差。然而，在分压器中感生的电压的误差同样通过两次测量的差补偿。

感生的电动势的干扰变量也能够在两个端子之间未施加电压的情况下在一个测量脉冲的过程中确定。对此，除了测量端子，将全部其他相端子连接到电势上，借此将分压器撤除，并且在测量端子上出现如下电压，所述电压仅对应于感生的电动势。在扣除(在补偿测量中施加的)电势之后，结果是感生的电动势，所述电动势的数值能够用于补偿(在各个中点电压测量中包含的感生电压)。

通过通常将在不同的测量脉冲期间获得的电压值彼此相减或特殊地借助附加的时间邻接的补偿测量的相减，能够算出感生电压的系统误差，以便在不受感生的电动势歪曲的情况下确定分压器的中点电压的重要变量，所述感生电压在转子以低的转速转动时形成。

为了确定转子的位置，优选测遍全部的端子组合。这样，在存在三个端子的情况下，得到三种端子组合，所述端子组合分别加载有不同符号的测量脉冲。从中得到六个电压值，从所述电压值中确定例如三个差值。

而在电动机相的引导电流的区块换向的运行中，对至少两个相端子通电，以便能够产生转矩。然而，中点电压的测量要求一个相端子没有电流。因为所述前提条件在区块换向的情况下仅对于一个相端子而言是满足的，所以可能的六个测量组合的数量减少到两个。尽管如此，多义的位置能够从两个测量组合的差中确定，只要已知电感差函数的最大幅值。

在了解电感差的最大幅值的情况下，附加地存在如下选项，借助仅一个测量脉冲或一个测量组合确定位置。对于低的转速，感生的电动势也能够借助于附加地测量电动势来补偿。对于这种补偿测量，两个相端子同时连接于接地电势或供给电压，并且电动势在无电流的第三相端子上测量。所述补偿测量在时间上在施加各个测量脉冲之前或之后不久进行，以便将电动势的时间变化的影响保持得尽可能小。通过从(在施加测量脉冲时测量的)相电压减去测量到的电动势，不含(对于时间段恒定的)感生的电动势的中点电压能够被确定。借助于经修正的中点电压和了解电感差的最大幅值，最后能够推断出转子的多义的位置。

在转子转动360°时(参考电角度)，电枢线圈的电感与转子位置相关地简化地如下改变：

在此，L₁是电枢线圈的电感，Φ是转子角度，L₀是电感的基本值(电感值围绕述基本值波动)，并且b是变化因数。如果b例如为50％，那么最小的电感值例如在角度为0°时为0.5L₀，而最大的电感值在角度例如为90°时为1.5L₀。

当永久磁体励磁的转子的励磁场矢量和转动的电枢场的电枢场矢量相互间具有0°和180°的角度时，电枢线圈的电感L₁是最小的。而在90°和270°的情况下，电感是最大的。从中得出，根据与转子的角度位置相关的电感变化，不能够单义地推断出转子的角度位置，而是在评估对于不同的端子组合根据测量脉冲得出的差值时得出两个以180°相互错开的解。

为了达到单义的解，在方法的一个设计方案中能够考虑在测量脉冲的时间区间之内的电压的梯度值。这样，根据梯度值从根据差值确定的双义的结果中确定正确的结果。这通过如下方式进行：对于每个不同的端子组合确定梯度值，并且根据不同的梯度值检查，梯度对于何种端子组合具有何种符号。根据梯度的符号，即根据对于一种端子组合是否出现正的梯度或负的梯度的信息，能够推断出，转子处于何种角度范围中，并且因此是否将180°的角度偏差加至根据差值确定的角度位置。

对于由各两个端子组合构成的三个测量电压信号(当测量电压信号具有不同的、彼此反向的测量脉冲时)，得到六个梯度值，所述梯度值优选针对每个测量电压信号取平均值成总共三个梯度值，所述梯度值能够再次单独地或共同地评估，以便推断出，在确定转子位置时是否加入角度偏差。为了考虑所述判断，例如使用三个平均的梯度值的测量的最强的梯度，所述梯度在如下情况下出现：测量支路或相端子朝向永磁磁极的方向定向。相关的梯度值的选择例如根据从差值中得到的两个可能的以180°彼此错开的解进行。但是，从全部三个梯度值中通过如下方式也能够形成共同的判断值：根据两个以180°彼此错开的解的角度范围，能够将各个值加至共同值或减去。

在此处要指出的是，原则上单独根据梯度值确定转子位置也是可能的。这样，梯度根据转子的角度位置正弦地变化。通过评估三个平均的梯度值，原则上已经可以单义地推断出转子的绝对位置。

描述的方法有利地在转子停止时用于确定转子的位置。此外，方法通过补偿反向电压可应用于外部驱动地转动直至平均的转速以及在区块通电的运行中自驱动地从停止转动直至平均的转速。

所述目的也通过无刷直流电动机来实现，具有：

-定子，在所述定子上设置有多个电枢线圈，所述电枢线圈构成三相交流绕组以产生在定子上环绕的旋转磁场并且所述电枢线圈具有三个端子，

-转子，所述转子可围绕转动轴线相对于定子转动并且具有至少两个不同名的永磁磁极，和

-控制装置，用于对电枢线圈通电以产生旋转磁场。

在此提出，控制装置构成为，为了确定转子相对于定子的位置：

-在端子中的第一端子和第二端子之间施加至少一个测量电压信号，

-在端子中的第三端子上测量合成电压，

-从合成电压的时间变化曲线中，确定说明在时间区间中合成电压的梯度的梯度值，和

-在确定转子的位置时考虑梯度值。

在上文中针对方法描述的优点和有利的设计方案也类似地用于无刷直流电动机，使得对此应参考上面的实施方案。

附图说明

本发明所基于的思想要在下文中根据在附图中示出的实施例详细阐述。附图示出：

图1示出无传感器的无刷直流电动机的示意图；

图2A示出电枢线圈接线成星形电路的示意的电路图；

图2B示出电枢线圈接线成三角形电路的示意的电路图；

图3A示出在转子的一个转子位置的情况下根据图2A的视图，示出施加用于测量电压信号以确定转子位置的可能的端子组合；

图3B示出在转子的一个转子位置的情况下根据图2B的视图，示出用于施加测量电压信号以确定转子位置的可能的端子组合；

图3C示出测量电压信号的测量脉冲的时间图；

图4A示出针对图2A中的星形电路而言电枢线圈的电感关于转子的角度的图形视图；

图4B示出针对图2B中的三角形电路而言电枢线圈的电感关于转子的角度的图形视图；

图5A示出针对图2A中的星形电路而言两个电感之间的差与转子的角度位置相关的图形视图；

图5B示出针对图2B中的三角形电路而言两个电感之间的差与转子的角度位置相关的图形视图；

图6A示出针对图2A中的星形电路在转子的永磁磁场与局部地在电枢线圈上由于电流产生的磁场叠加时电枢线圈的电路的示意图；

图6B示出针对图2B中的三角形电路在转子的永磁磁场与局部地在电枢线圈上由于电流产生的磁场叠加时电枢线圈的电路的示意图；

图6C示出电枢线圈的铁芯的磁化的磁滞曲线的视图；

图7示出针对星形电路和三角形电路而言在两个端子之间施加的测量脉冲和在第三端子上得出的合成电压的示意图；和

图8示出针对星形或三角形电路的不同的端子组合的合成电压的梯度与转子的角度位置相关的图形视图。

具体实施方式

图1以示意图示出无传感器的无刷直流电动机1，所述直流电动机具有定子10和可围绕转动轴线110转动的转子11。在定子10上设置有多个电枢线圈a-c，所述电枢线圈具有安置在定子10上的导体a1、a2、b1、b2、c1、c2，所述导体能够经由端子U、V、W通电。转子11是永久磁体励磁的并且具有多个(成对地)不同名的磁极N、S，所述磁极与电枢线圈a-c的场共同作用并且在运行时引起转子11的转动运动D。

在运行中，直流电动机1经由控制装置12通过如下方式通电，将三相的交变电流导入到端子U、V、W中并进而产生在定子10上环绕的旋转磁场。转子11跟随所述旋转磁场，使得转子11被置于转动运动中。

为了在定子10上产生旋转磁场，将馈入到端子U、V、W中的电流进行电子换向。换向的时间点在此与转子位置相关，这要求根据转子位置控制直流电动机1。

在无传感器的换向中，在直流电动机1运行时检测转子位置经由在电枢线圈a-c中感生的反向电压进行，所述反向电压能够经由控制装置12评估。这在如下情况下是可能的：转子11以大于预定的最小转速的转速转动，并进而感生的反向电压是足够大的。

而在转子11停止时，或者在转速小时，并不能容易地经由感生的反向电压进行控制，使得尤其在电动机1起动时以其他方式确定转子位置。

要注意的是，在下述情况也可使用该方法：构造为外转子，而不是内转子，并且转子和定子互换，使得转子由电枢线圈构成而定子由永久磁体构成。

在下文中要描述用于在停止时或在转速小时确定转子位置的方法。

电枢线圈a-c能够彼此接线成星形电路或三角形电路。下面描述的方法原则上可用于两种接线类型。在星形电路中存在由电枢线圈构成的分压器，所述分压器的中点电压能够经由未通电的第三测量支路(或其电枢线圈)测量。在三角形电路中，形成分压器，所述分压器的中点电压能够直接在未通电的相端子上测量。下面首先讨论星形电路。

图2A示出彼此接线成星形电路的电枢线圈a-c，所述电枢线圈分别与端子U、V、W连接并且具有共同的星形接点M。每个电枢线圈a-c具有电感L1、L2、L3，所述电感的数值例如与电枢线圈a-c的匝数数以及铁芯的特性和也与外部的影响如转子11的磁场相关，如下面还要阐述的那样。

在此上下文中，要指出的是，图1和图2A仅示出无刷直流电动机1的非常简单的实施例。原则上，在定子上能够设置有多于三个的电枢线圈，例如六个或九个电枢线圈，并且在转子11上能够设置有多于两个的磁极N、S，例如四个、六个或八个磁极。

在一个实施例中，直流电动机1例如能够在定子10上具有九个电枢线圈并且在转子11上具有六个磁极。

在直流电动机1运行时，在电枢线圈a-c上产生环绕的旋转磁场，所述旋转磁场与永久磁铁励磁的转子场共同作用并且引起在转子11上的电动力。这通过如下方式进行：端子U、V、W以电子换向的方式通电并进而将三相的交变电流导入到电枢线圈a-c中。在直流电动机1正常运行中，可以容易地根据在电枢线圈a-c的支路中的感生的反向电压确定转子位置来控制换向，而这在转子11停止时或在转速小时是不可能的。基于所述原因，当前使用如下方法，其中如示意地在图3A中示出的那样，将测量电压信号V12、V23、V31施加在端子U、V、W之间，以便根据所述测量电压信号V12、V23、V31评估星形接点M上的合成电压并且从中推断出转子位置。

为了测量星形接点M上的合成电压，在此在两个端子U、V、W之间施加测量电压信号V12、V23、V31，并且在未通电的第三端子U、V、W上测量得出的合成电压。所述第三端子在此切换到高阻抗的状态中，使得所述第三端子上的电压(大致)对应于星形接点M上的电压(因为由于高阻抗的状态没有电流流过第三端子U、V、W的支路，电枢线圈a-c在该第三支路中近似用作为简单的导体，所述导体对测量到的电压没有影响)。在两个端子U、V、W之间施加的测量电压信号在此通过测量脉冲P1-P4组成，如示意地在图3C中示出的那样。

在电枢线圈a-c上起作用的电感L1-L3与转子11的位置相关。在图3A中示出的转子11的位置中，通过永磁磁极N、S引起的磁场沿着电枢线圈a定向，这引起，所述电枢线圈a的铁芯至少在很大程度上是磁化的。这种大的磁化引起，在该电枢线圈a上的电感L1是相对小的，因为所述电枢线圈a的铁芯(至少在很大程度上)处于磁饱和中。在另外两个电枢线圈b、c上，电感L2、L3与此相对地增大，因为转子11的永磁磁场与电枢线圈b、c不共线，并进而所述电枢线圈b、c的铁芯不是饱和的。

电感L1-L3与转子11的角度Φ相关的变化曲线在图4中示出。电感L1-L3分别具有正弦形的变化曲线并且能够通过如下方程描述(以电感L1为例)：

在此L₁是电枢线圈a的电感，Φ是转子角度，L₀是电感的基本值(电感值围绕所述基本值波动)，并且b是变化因数。如果b例如为50％，那么最小的电感值例如在角度为0°时为0.5L₀，而最大的电感值在角度例如为90°时为1.5L₀。

从图4A中可看到，电感L1-L3关于转子11的角度Φ具有180°的周期。在转子11的360°的转动中(参考电角度，所述电角度不一定与机械角度相一致)，每个电感L1-L3具有两个最大值和两个最小值。

根据脉冲式的测量电压信号V12、V23、V31，能够确定转子11的位置(角度Φ)，其中——由于根据图4A的周期性——在0°和360°之间的角度范围中得到两个解，并进而不能够单义地确定转子位置。

为了确定转子位置，针对每种端子组合将测量电压信号、例如以在图3C中示出的脉冲序列的形式的测量电压信号施加到两个端子U、V、W之间。例如，首先在端子U、V之间施加测量电压信号V12，其中首先将第一测量脉冲P1、随后将第二测量脉冲P2、随后将第三测量脉冲P3并且最后将第四测量脉冲P4连接到端子U、V上。在第一测量脉冲P1的过程中，例如在端子U上施加供给电压VS的电势，而将另外的第二端子V连接到接地电势上。在第二测量脉冲P2中，这刚好相反地进行，即将供给电压电势VS连接到第二端子V上而将接地电势连接到第一端子U上。第三测量脉冲P3与第二测量脉冲相同，并且第四测量脉冲P4相对于第三测量脉冲P3又具有相反的符号。

测量脉冲P1-P4有利地全部是相同长的并且设计成，使得其积分刚好抵消。这引起，在端子U、V的电枢线圈a、b上引起的电流I在平均值中大致抵消并且因此不引起转子11的驱动。

当在两个端子U、V之间施加在图3C中示出的形式的测量电压信号V12期间，第三端子W被置于高阻抗的状态并且用于测量在所述端子W上的合成电压VM。所述电压VM大致对应于星形接点M上的电压并且通过在与端子U、V相关联的支路中的电感L1、L2之间的分压器来确定(这至少近似地正确，因为电枢线圈a-c的欧姆电阻是小的)：

V_B3在此表示感生的电动势，所述电动势在转子11转动时在端子W上形成。而在第二测量脉冲P2期间在第三端子W上形成合成电压VM：

在测量脉冲P1-P4期间，测量在第三端子W上的合成电压VM，并且确定电压值之间的差，所述电压值在不同符号的测量脉冲P1-P4情况下形成。得出的差值与同端子U、W相关联的电枢线圈a、b的电感L1、L2之间的差成比例：

Δ₁₂在此表示在第一测量脉冲(V_M,P1)和第二测量脉冲(V_M,P2)的情况下在测量电压信号V12施加到端子U、V上时在合成电压VM的电压值之间形成的差值。在第三端子W上感生的电压V_B3在差值Δ₁₂中消失。

这通过如下方式针对全部端子组合重复：分别在两个端子U、V、W上施加测量电压信号V12、V23、V31并且在第三端子U、V、W上测量合成电压VM。得出三个差值，所述差值分别与位于相关联的支路中的电感L1、L2、L3的差成比例。

类似于电感L1、L2、L3与转子11的角度位置的相关性，差L1-L2、L2-L3、L3-L1也与转子11的角度Φ相关，如在图5A中示出的那样。根据三个差值，借助从根据克拉克变换获得的矢量(α，β)的除法中的反正切，能够确定转子11的角度位置Φ，其中在0°和360°之间的角度范围中得出两个解，第一解位于0°和180°之间的范围中，而第二解位于180°和360°之间的范围中，这是由于，这些曲线具有180°的周期性。

为了确定哪种解是正确的解，在另一步骤中评估在测量电压信号V12、V23、V31期间在第三端子U、V、W上测量到的电压VM的梯度。这基于的是，电感L1-L3与有什么样的电流流过相应的电枢线圈a-c相关地变化。

如果例如如示意地在图6A中示出的那样，将测量电压信号V23施加到端子V、W之间，那么首先在施加第一测量脉冲P1时几乎没有电流流过相关联的电感L2、L3，因为电流在所述电感L2、L3中首先逐渐形成。如果电感L2、L3中的电流I升高，那么在电感L2、L3上出现磁场H2、H3的形成，所述磁场与转子11的永磁磁场H0叠加并且局部地在电感L2、L3上引起合成总场的增强或减弱。

在图6A中示出的示例中，在电感L2上出现局部场H2，其由通过电感L2的电流I引起。所述磁场H2以矢量分量与转子11的磁场H0相同定向，使得在电感L2上出现局部磁场的增强，这引起电感L2的值的减小。

相反地，在电感L3上局部产生的磁场H3以矢量分量与转子11的永磁磁场H0反向，使得局部地在电感L3上出现磁场H0的减弱。这引起电感L3的值的增大。

这取决于，如示意地在图6C中示出，由于电枢线圈b、c的铁芯的磁滞，在局部磁场增强或减弱时出现离开工作点AP。如果出现磁场的增强，铁芯的磁化趋向饱和，这引起电感的减小。而如果出现磁场的减弱，那么磁化减小并且在图6C中示出的示例中向下伸展，这引起电感的增大。

电流I越大，电感L2、L3上的电感值的变化越大。在逐渐形成电流时，因此出现电感值的变化，所述变化也引起分压器的变化并进而直接在星形接点M上经由第三端子U测量到的合成电压VM的时间变化上可见。

这示意地在图7中示出。在施加测量电压信号V23时，在各个测量脉冲P1-P4期间得出在第三端子U上测量到的合成电压VM的时间变化曲线，所述电压能够与梯度值相关联。

梯度具有正的或负的符号，并且根据梯度能够确定，转子位置是否位于90°和270°之间的角度范围中或者位于270°和90°之间的角度范围中。

因此，梯度原则上同样具有与转子位置相关的正弦形的变化曲线，如这在图8中示出的那样。在端子V、W之间的测量电压信号V23的梯度例如在0°处是最小的而在180°处是最大的并且具有360°的周期性。

如果针对全部端子组合测量合成电压VM的梯度，那么得出三个非冗余的梯度值，所述梯度值能够以组合的方式被评估，以便推断出，转子位置处于哪个角度范围中。

如果例如测量电压信号V12的梯度具有负的符号并且测量电压信号V31的梯度具有正的符号，那么由此单义地确定，转子11处于在180°和360°之间的角度范围中，这在根据差值(图5)计算转子位置时能够加以考虑，以便从两个可能的解中选择正确的解。

控制信号V12、V23、V31的梯度值在此能够通过如下方式确定：在测量脉冲P1-P4期间确定梯度或者在不同的测量脉冲P1-P4情况下关于梯度求平均值。

在该上下文中，要指出的是，原则上也可能的是，单独地根据梯度推断出绝对的转子位置。梯度如从图8中可见的那样具有与角度Φ相关的正弦形的具有360°的周期性的变化曲线，这能够实现单独从这三个梯度值中单义地计算转子位置。然而，因为叠加的磁场的强度小于永久磁体的强度，所以梯度的测量变量与差值相比是更小的并进而是更易受噪声干扰，使得对于更准确的位置估计而言有利地考虑出自差值的双义的结果。

所描述的方法能够相同地应用于连接成三角形电路的装置。图2B示意地示出，图1中的电枢线圈a-c如何连接成三角形电路。在图2B中电枢线圈a-c相对于永久磁体11的几何定向对应于在图2A中的定向，只要转子转动90°。图2B中的电枢线圈a-c的电感L23、L12、L31关于永久磁体11在360°的角度范围中的旋转以图形的方式示出在图4B中。与图4A至图4B相比示出，如在图2A和图2B中同样可见的那样，电枢线圈a-c的电感值以90°的角度移动。

图3B中的信号V12、V23、V31中的测量电压以反向的符号降落在具有与在图3A中相同的名称的电枢线圈a-c上。例如，测量电压信号V12在图3B中降落在电枢线圈b、a上，而在图3A中降落在电枢线圈a、b上。在图5B中，如在图5A中那样电枢线圈a-c的同样的电感差从测量电压信号V12、V23、V31的结果中形成。对于由测量脉冲P1-P4构成的测量电压信号V12，例如对于三角形电路而言，差Δ₁₂由端子W处的电感L₂₃、L₃₁的分压器的合成中点电压如下形成。

图5A和图5B中的电感差的比较示出：测量电压信号V12、V23、V31构成的差的结果与星形电路或三角形电路是无关的。同样地，在三角形电路的线圈中由于测量电压信号而升高的电流引起叠加的磁场并进而引起分压器的中点电压的时间变化，所述时间变化产生在测量脉冲之内相同的(在图7和图8中为星形电路示出的)梯度。该方法因此可相同地应用于以三角形接线的电枢线圈装置。

如果转子位置是确定的，那么直流电动机1的控制能够根据转子位置进行。因此，为了将旋转磁场馈入到端子中可以根据确定的转子位置进行换向。

测量电压信号V12、V23、V31的测量脉冲P1-P4优选具有一致的持续时间，以便在加和上没有电流注入到电枢线圈中，然而也能够具有任意不同的持续时间，以便优选地在区块运行中例如将形成转矩的电流注入到电枢线圈中。转子位置的确定能够在起动之前(单义地在转子停止时)或多义地并且继续在区块运行中进行。

在电动机的电流引导的区块运行中，仅一个测量电压信号V12或V23或V31的测量脉冲P1-P2根据位置来施加，并且测量其合成中点电压。由此，在区块运行中，能够逐部段地从图5A和图5B中示出的电感差中确定刚好一个电感差。借助当前幅值的比较和最大电感差的了解，可以推断出四个可能的位置。根据初始的、在区块运行之前进行的、单义的位置确定和明显大于电学旋转频率的测量信号速率，能够得出：正确的解是如下位置，所述位置更靠近之前的单义的位置。因为如在图7中示出的那样电枢线圈的注入的磁场随着升高的电流受永磁磁场影响，由此中点电压移动并且在电枢线圈的电阻上的电压降也不再小得可忽略，所以在更高的相电流的情况下会需要，根据区块段和电流幅值借助于缩放和移动处理计算出的分部段的函数。磁极能够根据所述移动进行可信度测试，因为施加的区块段的中点电压受电流反向地影响并且在切换测量电压信号之后得出测量数据中的正的或负的突变。

为了将通过与电流方向相反的测量电压信号引起的转矩误差保持得小，测量脉冲P1-P4的数量能够减小至单个测量脉冲(以测量脉冲P1或测量脉冲P2的形式，参见图3C)。然而，对此，必须在电枢线圈a-c上没有施加电压降的情况下执行附加的补偿测量，以便确定在第三端子上的叠加的感生的电动势，所述电动势对分压器的中点电压的测量而言是干扰变量。在第三端子处的感生的电动势的干扰变量对此单独地直接在施加测量脉冲之前或之后测量。对于补偿测量，将端子(例如图6A中的V和W)置于接地电势或供给电压的电势上，使得没有电压施加在电动机的端子之间并且中点电压对应于端子(V，W)上的电势(对应于接地电势或供给电压)，在所述端子之间施加或要施加测量脉冲。那么，在第三端子(U)上能够直接测量具有施加的电压的电势的电动势作为参考值。

实践中，电压矢量的两个电压值中的一个电压值限制于在端子电压附近的值，使得在仅一次测量中包含反向电压的补偿变量。

试验已经得出，借助所描述的方法，在停止时以+/-3°、可能甚至以+/-1°的精度确定转子位置是可能的。

本发明基于的思想并不限于在上文中所描述的实施例，而是原则上也在完全不同类型的实施方式中实现。

测量到的合成电压的采样原则上能够以任意方式、例如利用用于数字评估的模数转换器进行。在测量脉冲期间，在此能够采用任意数量的采样值，以便根据采样值确定合成电压的值和/或其梯度。

附图标记列表：

1 无刷直流电动机

10 定子

11 转子

110 转动轴线

12 控制装置

a-c 电枢线圈

a1，a2，b1，b2，c1，c2 导体

AP 工作点

D 转动运动

I 电流

L0 平均电感值

L1-L3 电感

M 星形接点

N，S 永磁磁极

P1-P4 测量脉冲

t 时间

U，V，W 端子

V12，V23，V31 电压矢量

VM 合成电压

VS 供给电压

Φ 角度

Claims (16)

1.一种用于运行无刷直流电动机(1)的方法，其中通过对多个设置在定子(10)上的电枢线圈(a-c)通电而产生旋转磁场，以便驱动转子(11)，所述电枢线圈构成三相交流绕组以产生在所述定子(10)上环绕的旋转磁场并且具有三个端子(U，V，W)，所述转子能够围绕转动轴线(110)相对于所述定子(10)转动并且具有至少两个不同名的永磁磁极(N，S)，

其特征在于，

为了确定所述转子(11)相对于所述定子(10)的位置

-将测量电压信号(V12，V23，V31)施加在所述端子(U，V，W)中的第一端子和第二端子之间，

-在所述端子(U，V，W)中的第三端子上测量合成电压(VM)，

-根据所述合成电压(VM)的时间变化曲线，确定如下梯度值，所述梯度值说明在时间区间中所述合成电压(VM)的梯度，和

-在确定所述转子(11)的位置(Φ)时考虑所述梯度值。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

为了施加所述测量电压信号(V12，V23，V31)，在所述第一端子上连接有供给电压(VS)的电势，并且在所述第二端子上连接有接地电势，或相反。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

为了测量，将所述第三端子切换到高阻抗的状态中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述测量电压信号(V12，V23，V31)由至少一个测量脉冲(P1-P4)构成。

5.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

所述测量电压信号(V12，V23，V31)由至少一个第一测量脉冲(P1)和第二测量脉冲(P2)构成，所述第一测量脉冲和第二测量脉冲具有不同的符号。

6.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于，

在所述第一测量脉冲(P1)期间确定第一合成电压值(VM)，并且在所述第二测量脉冲(P2)期间确定第二合成电压值(VM)。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

通过将所述第一合成电压值(VM)和所述第二合成电压值(VM)彼此相减，确定差值，并且根据所述差值确定所述转子(11)的位置。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，

其特征在于，

在每个测量脉冲(P1-P4)期间，确定在时间区间中的梯度的值并且从各个值中通过取平均值确定梯度值。

9.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，

所述测量电压信号(V12，V23，V31)由测量脉冲(P1，P2)构成，并且在所述测量脉冲(P1，P2)期间确定所述合成电压(VM)的值，其中在施加所述测量脉冲(P1，P2)之前或在施加所述测量脉冲(P1，P2)之后，执行补偿测量，以确定感生的电动势。

10.根据权利要求9所述的方法，

其特征在于，

为了补偿测量，在所述第一端子上并且在所述第二端子上施加相同的电势，尤其接地电势或供给电压的电势，并且在所述第三端子上测量形成的电压，以便从所述形成的电压中确定感生的电动势。

11.根据权利要求9或10所述的方法，

其特征在于，

借助在所述补偿测量中确定的感生的电动势修正所述合成电压(VM)的值，并且从经修正的电动势确定所述转子(11)的位置。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

成对地在所述三个端子(U，V，W)中的两个端子之间施加测量电压信号(V12，V23，V31)，并且在所述第三端子上测量合成电压(VM)，其中针对可能的端子组合的至少一部分，优选针对所有可能的端子组合重复所述测量。

13.根据权利要求12所述的方法，

其特征在于，

根据针对不同的端子组合的不同的测量确定所述转子(11)的位置。

14.根据权利要求12或13所述的方法，

其特征在于，

针对不同的端子组合分别确定至少一个梯度值，并且根据端子组合的不同的梯度值确定：是否将预定的角度偏差尤其180°加到所述转子(11)的所确定的位置。

15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

在停止时或在缓慢的转速时确定所述转子(11)的位置。

16.一种无刷直流电动机(1)，具有：

-定子(10)，在所述定子上设置有多个电枢线圈(a-c)，所述电枢线圈具有三相交流绕组以产生在所述定子(10)上环绕的旋转磁场并且具有三个端子(U，V，W)，

-转子(11)，所述转子能够围绕转动轴线(110)相对于所述定子(10)转动并且具有至少两个不同名的永磁磁极(N，S)，

-控制装置(12)，用于对所述电枢线圈(a-c)通电以产生所述旋转磁场，

其特征在于，

所述控制装置(12)构成为，为了确定所述转子(11)相对于所述定子(10)的位置

-将测量电压信号(V12，V23，V31)施加在所述端子(U，V，W)中的第一端子和第二端子之间，

-在所述端子(U，V，W)中的第三端子上测量合成电压(VM)，

-根据所述合成电压(VM)的时间变化曲线，确定如下梯度值，所述梯度值说明在时间区间中所述合成电压(VM)的梯度，和

-在确定所述转子(11)的位置(Φ)时考虑所述梯度值。