CN107733299B - 确定电机的转子状态的方法、电机、交通工具和程序产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及本发明涉及一种用于通过控制单元(2)确定交通工具(20)的电机(1)的转子状态(4)的方法，其中，转子状态(4)包括电机(1)的转子(3)的转子位置(5)和转动方向(6)。本发明还涉及一种用于交通工具(20)的电机(1)，该电机(1)具有转子(3)和控制单元(2)。本发明也包括具有电机(1)的交通工具(20)以及一种用于确定电机(1)的转子状态(4)的计算机程序产品。

Description

确定电机的转子状态的方法、电机、交通工具和程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于通过控制单元确定交通工具的电机的转子状态的方法，其中，转子状态包括电机转子的转子位置和转动方向。本发明还涉及一种用于交通工具的电机，该电机具有转子和控制单元。本发明也包括具有电机的交通工具以及一种计算机程序产品。
背景技术
在现代交通工具技术中已知，在交通工具中使用电机、尤其例如永久励磁的或者自励磁的同步电机。在此，用于驱动交通工具的电机可以作为电动机运行。备选的是，电机也可以作为发电机运行，以此能把交通工具的机械式动能向电能转化。
为了能确保电机尽可能最有效的运行，必要的是，电机或电机的至少一部分通过调节方法调节地运行或者说控制。在此，为了有效地和有用地调节、尤其为了开始这种调节，需要关于电机的转子状态的信息作为输入参数，该信息由转子相对于电机的定子的转子位置和转子的转动方向构成。大多也需要转速(既包括其数值也包括其符号)作为另外的用于调节的输入参数。
在没有方位传感器的电机中，即不具有或者说没有使用特殊的、用于确定转子状态的传感器的电机中，已知的是，通过发送两个或者更多的电流脉冲或者说电压脉冲确定转子状态，例如参见专利文献DE 10 311 028 B4、DE 10 2008 045 630 A1、DE 10 2009029 896 A1以及DE 10 2009 011 674 A1。备选地或者附加地已知，设置对电机持续的、永久的监视，以便确定在任何时候确定电机的转子状态，例如见专利文献DE 2009 045 247A1。
然而所述已知方法的共同之处是，没有马上提供而是在确定的时间之后才提供关于转子状态、即关于转子位置和关于转子的转动方向的完整的信息。其原因尤其在于，虽然能由电机的转子对唯一的电流或者说电压脉冲的电流应答确定转子状态，然而不能确定转动方向。因此总体上只能不清晰地确定转子状态。因而，为了明确地确定转子状态，需要相对于第一电流或者说电压脉冲在时间上偏移地发送的另外的电流或者说电压脉冲，或者说需要连续的监视，然而由此造成这种用于确定电机的转子状态的方法的较大的时间耗费。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，至少部分地克服在确定电机的转子状态时的上述缺点。本发明要解决的技术问题尤其在于，提供一种用于确定电机的转子状态的方法、一种电机、一种交通工具以及一种计算机程序产品，以简单的低成本的方式实现尽可能最快、尤其即刻地确定电机的转子状态。
上述技术问题通过各权利要求解决。上述技术问题尤其通过按照权利要求1的方法、通过按照权利要求6的电机、通过按照权利要求7的交通工具以及通过按照权利要求9的计算机程序产品解决。本发明的其他优点由从属权利要求、说明书和附图中得出。在此，结合按照本发明的方法所述的特征当然也适用于结合按照本发明的电机、按照本发明的交通工具、按照本发明的计算机程序产品，并且相应地反之亦然，使得在针对单个发明主题的公开方面总是可以相互引用。
按照本发明的第一主题，上述技术问题通过用于通过控制单元确定交通工具的电机的转子状态的方法解决，其中，转子状态包括转子位置和电机转子的转动方向。按照本发明的方法的特征是下述步骤：
a)向电机发出电流脉冲，
b)确定电机对在步骤a)中发出的电流脉冲的电流应答，
c)确定电机的从动侧的转动元件的转动信息，
d)通过分析在步骤b)中已确定的、用于确定电机的转子的转子位置的电流应答，并且通过分析在步骤c)中已确定的、用于确定电机的转子的转动方向的转动信息，确定电机的转子的转子状态。
按照本发明的方法计划用于在交通工具的电机上使用。在此，所述交通工具优选地构造为机动车。只要技术上有意义和可以实现，按照本发明的方法就也可以在其他的、尤其固定地布置的电机中用于确定电机的转子状态。电机具有定子和相对于定子能转动地支承的转子，并且还可以例如构造为交流电机，例如构造为同步电机、尤其永久励磁的同步电机。该电机尤其在其转子和/或定子中具有至少一个线圈作为电磁体的部件用于产生磁场。在此，所述方法通过控制单元执行，所述控制单元构造为机动车的部件和/或优选地构造为电机的部件。在此，所述控制单元包括所有用于执行所述方法必要的元件，或者至少构造用于控制这些元件。在此，术语“控制”在本发明中尤其包括控制信号和/或测量数据的发出和/或接收。
按照本发明所述的方法，电机的转子状态包括转子位置、即尤其关于电子的转子、优选参照于电机的定子的相对的定位的信息。所述转子状态还包括转子在电机中的转动方向，换句话说即转子在电机中优选在电机的定子中转动的方向。
在按照本发明的方法的第一步骤a)中，向电机发出电流脉冲。在本发明中，术语“电流脉冲”在此在整个申请中应理解为电流脉冲和/或电压脉冲。电流脉冲的发出在此通过控制单元进行或者至少通过控制单元启动。电流脉冲优选很短地形成，就是说具有几毫秒或者更少的持续时间。
通过在步骤a)中发出的电流脉冲，在电机中、尤其在电机的至少一个线圈中产生电流应答。所述电流应答在此尤其直接取决于电机的元件相对彼此的距离，例如电磁体的线圈或者说永磁体(如果有的话)的极点。换句话说，转子在电机内的转子位置和通过电流脉冲在电机中产生的电流应答之间存在有直接的关联或者说直接的联系。
在按照本发明的方法的下一个步骤b)中通过控制单元确定所述电流应答。在此，术语“确定”在本发明中尤其指的是，直接通过控制单元测量电流应答，和/或通过控制单元读取设计用于测量电流应答的传感器。总之，按照本发明，在执行步骤b)后因而在控制单元中存在关于电流应答的信息。该信息在此尤其可以包括电符号、数值和优选地也包括电流应答的时间变化曲线。
与步骤a)和b)不关联地，优选地与这两个步骤同时地，在按照本发明的方法的步骤c)中通过控制单元确定电机的从动侧的转动元件的转动信息。在本发明中，术语“同时”在此也包括基本上同时地确定，尤其例如由于在控制单元中使用的计算器单元的时钟速率。术语“确定”在此在本发明中也尤其指的是，直接通过控制单元测量转动信息，和/或通过控制单元读取设计用于测量转动信息的传感器。在此利用的是，电机被用于交通工具内。在本发明中，电机的从动侧在此指的是至少暂时地与电机按如下所述地机械式有效连接的所有转动元件，即其能被电机驱动，或者当电机例如作为发电机运行时，能驱动电机的转动元件。在此，由控制单元在转动元件上确定的转动信息尤其可以包括转动元件的转动方向。在此，通过转动元件与电机的机械式有效连接，作为在电机的从动侧的转动元件上的转动信息确定的转动方向与电机的转子的转动方向直接关联，其中，作为基础的关联尤其是已知的。为了确定转动信息在此可以优选地由控制单元控制或者说读取已经存在于交通工具中的传感器，例如变速器传感器或者车身电子稳定系统车轮传感器。
上述电流应答和转子位置之间、或者说转动信息和转子的转动方向之间的两种关联在按照本发明的方法的步骤d)中由控制单元使用，以便确定电机的转子状态。在此，一方面通过控制单元分析在步骤b)中已确定的电机的电流应答。通过该分析尤其可以通过使用和加入电流应答和转子位置之间已知的、直接的关联，在控制单元中提供关于转子在电机中的转子位置的信息。此外，通过控制单元分析在步骤c)中确定的电机的从动侧的转动元件的转动信息。在该分析中，在此尤其使用转动元件的转动信息和电机的转动方向之间的已知的、直接的关联，以便在控制单元中生成关于电机的转动方向的信息。总之，因而在按照本发明的方法的步骤d)中通过控制单元对在步骤b)和c)中已确定的数据的分析确定转子位置和电机的转子的转动方向，并且以此总体确定电机的转子状态。该转子状态可以又例如作为输入参数用于电机的调节、尤其用于启动调节。
总之，通过按照本发明的方法可以特别简单和尤其特别省时地和快速地确定电机的转子状态。这可以通过如下所述的提供，即用于确定转子状态的单个方面、尤其转子位置和转子的转动方向的信息可以在时间上平行地和优选甚至同时地确定。首先这可以通过按照本发明地考虑电机的从动侧用于确定电机的转动方向提供。以此可以避免发出至少两个在时间上间隔的电流脉冲和/或在时间上持续地、不间断地监视电机。
在按照本发明的方法中还可以规定，在步骤c)中确定下列转动元件的转动信息：
-离合器
-从动轴
-变速器
-驱动轮。
该表并未穷举，即其他的转动元件也可以用作转动信息的源，只要是技术上可行和有意义。在此，转动元件尤其优选地按如下所述地选择，即用于确定转动信息的传感器已经存在于交通工具中。以这种方式可以在制造交通工具时节省成本，并且，交通工具可以整体上更简单和紧凑地构造。
按照本发明的方法也可以按如下所述地设计，即在步骤d)中在分析用于确定转动方向的转动信息时，考虑至少一个影响转动的参数、尤其变速器的传动比。通过这种影响转动的参数在此尤其可以清楚地区分电机的转动方向和作为转动元件的转动信息而确定的转动方向。因此在此不仅可以产生根据数值的区分，甚至产生在符号上的和以此在电机和转动元件的正好相反的转动方向上的区分。尤其地，这也可以在交通工具的运行期间改变，例如当交通工具的行驶方向相反时。通过考虑影响转动的量因而可以保证，在步骤d)中已确定的电机的转动方向也对应电机实际存在的转动方向。
在按照本发明的方法中还可以规定，在步骤d)中确定电机的转子的转速。该转速就又可以作为额外的信息在确定电机的转子的转动方向时使用。除了转动方向，转子的转速在此呈现为其他的参数，所述其他的参数可以通过分析转动元件的转动信息确定。尤其地，在此可以考虑一个或者多个影响转动的参数，例如变速器的传动比。也可以确定转速的时间变化曲线。总之可以通过所述额外的转动信息进一步改进转子的转动方向的确定并且总地改进电机的转子状态的确定。
按照根据本发明的方法的特别优选的改进设计方案还可以规定，基于在步骤d)中已确定的电机转子的转速，选择调节方法、尤其电动势(德语：EMK)方法或者各向异性方法用于调节电机。已知有不同的调节方法用于调节电机。在此，已知的调节方法的应用范围大多是根据电机的转子的转速，换句话说，调节方法对于不同的转速有不同的作用。因此，例如所谓的电动势方法(其中分析在转子和/或在定子中感生的电压)用于已经转动的、尤其快速转动的电机，因为该方法对于电机的转子的高的或者说较高的转速特别有效。然而在低转速和尤其在电机停机时，电动势法仅能受限地使用或者甚至完全不能使用，使得在此经常使用各向异性法，其中，大多把高频率的传感电流(Sensierungsstrom)注入电机并且然后分析电机对于该传感电流的感应式应答。通过确定转子的转速在此可以提供决策基础，即该使用哪种调节方法。因此例如确定极限速度，在低于极限速度时使用各向异性法，在高于该极限速度时使用电动势法。因此可以通过使用按照本发明的方法提供对电机整体上优化的和以此更好的调节。
按照本发明的第二主题，前述技术问题通过用于交通工具的电机解决，该电机具有转子和控制单元。按照本发明的电机的特点是，控制单元设计用于执行按照本发明的第一主题的方法。按照本发明的第二主题的按照本发明的电机具有如参照按照本发明的第一主题的按照本发明的方法所详述的相同的优点。
按照本发明的第三主题，前述技术问题通过具有电机的交通工具解决。按照本发明的交通工具的特点是，所述电机按照本发明的第二主题构造。按照本发明的第三主题的按照本发明的交通工具具有与按照本发明的第二主题的按照本发明的电机相同的优点。此外，按照本发明的第二主题的按照本发明的电机构造用于执行按照本发明的第一主题的方法。因此，具有按照本发明的第二主题的按照本发明的电机的按照本发明的第三主题的交通工具具有如参照按照本发明的第一主题的按照本发明的方法所详述的相同的优点。在此，按照本发明的交通工具优选地可以构造为机动车。
在按照本发明的交通工具中还可以规定，控制单元为了在步骤c)中确定转动信息使用交通工具的至少一个传感器、尤其变速器传感器和/或车身电子稳定系统车轮传感器。电机的从动侧在按照本发明的交通工具中至少基本上通过交通工具的元件构造，例如通过变速器、离合器、从动轴和/或驱动轮。在此，在交通工具中大多存在监视上述元件的运行的传感器。例如构造为变速器传感器和/或车身电子稳定系统车轮传感器的传感器，也能按照本发明地使用并且通过控制单元控制和/或读取，以便确定在电机从动侧中相应的转动元件的转动信息。因此可以避免在执行按照本发明的方法期间单独为了确定转动信息而配设的、额外的传感器。以这种方式可以更简单、更紧凑和成本更低地构造按照本发明的交通工具。
按照本发明的第四主题在本发明中还提供用于确定电机的转子状态的计算机程序产品，其中，该计算机程序产品构造用于如上所述按照本发明的第二主题的电机和/或如上所述按照本发明第三主题的交通工具，并且配置用于执行详细说明的按照本发明的第一主题的方法。因此，按照本发明的计算机程序产品也具有上文所述的优点。通过按照本发明的计算机程序产品可以如上所示地有利地确定电机的转子状态。
附图说明
其他的、改进本发明的措施由下文中对本发明的不同实施例的说明中得出，实施例在附图中示意性示出。所有由权利要求、说明书或者附图得到的特征和/或优点，包括结构特点和空间布局既可以单独地也可以以不同组合地作为本发明的构思。在此，具有相同功能和/或作用方式的元件在附图1至6中配以相同的附图标记。附图中：
图1示出按照现有技术的方法，
图2示出按照本发明的电机，
图3示出按照本发明的交通工具，
图4示出按照本发明的方法，
图5示出转速为坐标记录的调节方法，
图6示出另外的按照本发明的交通工具。
具体实施方式
图1示出用于确定电机1的转子状态4(均未一起示出)的按照现有技术的方法。在此，向电机1发出至少两个电流或者说电压脉冲40，其中，电流或者说电压脉冲40的发出通过等待时间42相对彼此延迟。相应于按照现有技术的方法，确定针对每个电流或者说电压脉冲40的电流应答41，并且从所有搜集的信息确定电机1的转子状态4。该转子状态4然后实现启动调节方法60用于电机1的调节运行。然而由于需要等待时间42，所以所述调节方法60会延迟并且不会马上开始。在按照现有技术的、其中通过持续监视电机1确定其转子状态4的方法中，也产生类似的调节方法60的启动的延迟。
图2、图3、图4示出按照本发明的电机1、按照本发明的交通工具20以及按照本发明的方法，其在下文中一起说明。在此，图2示出按照本发明的电机1的示意图，示出其如何在例如图3中所示按照本发明的交通工具20中应用。在此，这种电机1尤其具有转子3和定子8，该转子和定子在本实施方式中分别构造为具有六个极。在此，电机1的转子状态4由转子3的转子位置5和转子3的转动方向6组成。
在此，电机1可以是按照本发明的交通工具20的部件，如图3所示。交通工具20在此实施方式中构造为混合动力交通工具。因此，交通工具20具有电机，还具有内燃机22，两者机械式相互串联地布置并且构造为用于驱动交通工具20的驱动轮23。还示出蓄电池25和变流器24，通过其能向电机1供应电能。为了确定转子状态4，按照本发明地在按照本发明的方法的第一步骤a)中向电机1发出一个电流或者说电压脉冲，如图4所示。在此，该步骤和按照本发明的方法的所有其他步骤通过控制单元2执行，控制单元2优选地构造为按照本发明的电机1的部件。该方法还能够作为计算机程序产品50存储在控制单元2中，计算机程序产品可以通过控制单元执行。在按照本发明的方法的步骤b)中，通过控制单元2确定电机1的电流应答41。所述电流应答41在此与电机1的转子3的转子位置5直接相关。附加地并且按照本发明优选地，与此同时在按照本发明的方法的步骤c)中通过控制单元2确定转动元件11的转动信息12。在此，按照本发明地，转动元件11布置在电机1的从动侧10中并且优选地构造为交通工具20的部件。因此，转动元件11例如可以是离合器13、从动轴14、变速器15和/或驱动轮23。此外，在此优选的是通过已经存在于交通工具20中的传感器21确定转动信息12，例如通过变速器传感器或者车身电子稳定系统车轮传感器。以此可以特别简单、紧凑和低成本地构造按照本发明的交通工具20。在此，转动元件11的已确定的转动信息12与电机1的转子3的转动方向6直接关联。以此在按照本发明的方法的步骤d)中可以由在步骤b)和c)中确定的信息直接确定转子3或者说电机1的转子状态4。在此，在确定转子状态4时优选地也可以考虑影响转动的参数，例如在电机1的从动侧10中的变速器15的传动比。通过确定电机1的转子3的转速7(未示出)也可以进一步改进转子状态4的确定。
在此，尤其在图4中示出本发明的、通过按照本发明的方法、按照本发明的计算机程序产品50、按照本发明的电机1或者按照本发明的交通工具20实现的优点。通过并行式确定转子位置5和转动方向6可以在电流或者说电压脉冲40之后直接确定转子状态4。不需要在等待时间42(相应地未示出)之后才发出的额外的电流或者说电压脉冲40。因此可以马上开始执行调节方法60，通过该调节方法例如通过相应地控制变流器24调节地运行电机1，以便例如尤其保证电机1的特别有效的运行。总之因此通过按照本发明的方法或者说通过按照本发明的装置可以提供电机1的转子状态4的特别快速、可靠和同时简便的确定，以此可以特别快地开始电机1的(通过调节方法60调节的)更可靠的运行。
参照图2、3、4已经说明，通过分析转动元件11的转动信息12(均未一同示出)也可以确定电机1的转子3的转速7(未一同示出)。这尤其是有优点的，因为对于各个不同的转速7有最适合的不同的调节方法60。因此，例如电动势法61比各向异性法62更好地适合用于高的转速7，在电动式法61中分析在转子3和/或在定子8中感应的电压，在各向异性法62中大多把高频率的传感电流注入电机1并且然后分析电机1对于该传感电流的感应式应答。在此按照本发明特别有利的是确定极限速度63，其中，在转速7高于该极限速度63时使用电动势法61，在转速7低于极限速度63时使用各向异性法用于调节电机1的运行。以此可以提供对电机1的特别好的调节，尤其与电机1的转子3的转速7无关联地。
图6示出具有按照本发明的电机1的另外的交通工具20，其中，电机1具有控制单元2，控制单元2构造用于执行按照本发明的、用于确定转子状态4(未一同示出)的方法。此外在图6中示出用于确定电机1的转子状态4的计算机程序产品50，该计算机程序产品构造用于电机1和/或用于交通工具20配置用于执行如上所述的方法。
附图标记列表
1 电机
2 控制单元
3 转子
4 转子状态
5 转子位置
6 转动方向
7 转速
8 定子
10 从动侧
11 转动元件
12 转动信息
13 离合器
14 从动轴
15 变速器
20 交通工具
21 传感器
22 内燃机
23 驱动轮
24 变流器
25 电池
40 电流或者说电压脉冲
41 电流应答
42 等待时间
50 计算机程序产品
60 调节方法
61 电动势法
62 各向异性法
63 极限速度

Claims (12)

1.一种用于通过控制单元(2)确定交通工具(20)的电机(1)的转子状态(4)的方法，其中，所述转子状态(4)包括所述电机(1)的转子(3)的转子位置(5)和转动方向(6)，
其特征在于下述步骤：
a)向所述电机(1)发出电流脉冲(40)，
b)确定所述电机(1)对在步骤a)中发出的电流脉冲(40)的电流应答(41)，
c)与步骤a)和b)不关联地并且与这两个步骤同时地确定所述电机(1)的从动侧(10)的转动元件(11)的转动信息(12)，
d)通过分析在步骤b)中已确定的、用于确定所述电机(1)的转子(3)的转子位置(5)的电流应答(41)、并且通过分析在步骤c)中已确定的、用于确定所述电机(1)的转子(3)的转动方向(6)的转动信息(12)，确定所述电机(1)的转子状态(4)。
2.按照权利要求1所述的方法，
其特征在于，
在步骤c)中确定下表中的转动元件(11)的转动信息(12)：
-离合器(13)
-从动轴(14)
-变速器(15)
-驱动轮(23)。
3.按照权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在步骤d)中在分析用于确定转动方向(6)的转动信息(12)时，考虑至少一个影响转动的参数。
4.按照权利要求3所述的方法，
其特征在于，
在步骤d)中在分析用于确定转动方向(6)的转动信息(12)时，考虑变速器(15)的传动比。
5.按照权利要求1所述的方法，
其特征在于，
在步骤d)中确定所述电机(1)的转子(3)的转速(7)。
6.按照权利要求5所述的方法，
其特征在于，
基于在步骤d)中已确定的所述电机(1)的转子(3)的转速(7)，选择调节方法(60)用于调节电机(1)。
7.按照权利要求6所述的方法，
其特征在于，
基于在步骤d)中已确定的所述电机(1)的转子(3)的转速(7)，选择电动势法(61)或者各向异性法(62)用于调节电机(1)。
8.一种用于交通工具(20)的电机(1)，所述电机(1)具有转子(3)和控制单元(2)，
其特征在于，
所述控制单元(2)设计用于执行按照上述权利要求之一所述的方法。
9.一种具有电机(1)的交通工具(20)，
其特征在于，
所述电机(1)按照权利要求8构成。
10.按照权利要求9所述的交通工具(20)，
其特征在于，
所述控制单元(2)为了在步骤c)中确定转动信息(12)使用所述交通工具(20)的至少一个传感器(21)。
11.按照权利要求10所述的交通工具(20)，
其特征在于，
所述控制单元(2)为了在步骤c)中确定转动信息(12)使用变速器传感器和/或车身电子稳定系统车轮传感器。
12.一种计算机可读存储介质，其上记录有计算机程序，所述计算机程序在执行时用于确定电机(1)的转子状态(4)，所述存储介质设计用于按照权利要求8所述的电机(1)的控制单元(2)中和/或用于按照权利要求9所述的交通工具(20)中，并且配置用于执行按照权利要求1至7之一所述的方法。
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