CN107769671A - 用于运行电机的方法以及电机 - Google Patents

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Abstract

本发明用于运行电机的方法以及电机。本发明特别是涉及用于运行电机的方法，电机带有电流源和电动机以及接在电流源与电动机之间的整流器，其中，电流源的输入电流借助对整流器的一定数量的半导体开关进行的脉冲宽度调制操控而转换成用于电动机的多相输出电流，其中，在针对至少一个相的操控的每个周期期间在周期持续时间内产生具有脉冲持续时间的脉冲，其中，在周期中，脉冲被划分成在前面的第一半脉冲和在后面的第二半脉冲，第一半脉冲和第二半脉冲分别具有一半的脉冲持续时间，并且其中，在周期的周期持续时间内，第一半脉冲以第一推移时间并且第二半脉冲以第二推移时间在时间上向着彼此推移。

Description

用于运行电机的方法以及电机
技术领域
本发明涉及一种用于运行电机的方法，电机带有电流源和电动机以及接在电流源与电动机之间的整流器，其中，电流源的输入电流借助对整流器的一定数量的半导体开关进行的脉冲宽度调制操控而转换成用于电动机的多相输出电流。本发明此外涉及根据这种方法描述的尤其是用于机动车的电机。
背景技术
电动运行的调设系统作为机动车部分如车窗升降器、座椅调设装置、门和车顶驱动装置或冷却通风器驱动装置以及泵和内部空间风扇通常具有带有受控的电动机的电机。为此，无刷电动机例如是公知的，其中，相对于定子可转动地支承的转子通过旋转磁场驱动。为此，定子的相绕组被加载以相应的三相电流或马达电流，其借助作为(马达)电子器件的一部分的控制器来控制和调节。
这种电机通常包括(高压)电池作为车辆内部的能量存储器，由该能量存储器以直流电的形式给电动机提供电能。为了将直流电转换为马达电流，适当地将整流器(逆变器、转换器)接在能量存储器和电动机之间。在此，(直流电压)中间回路后接于能量存储器，中间回路与整流器的桥电路联接。能量存储器和中间回路在此作为电流源起作用以用于为整流器提供输入侧的直流电(输入电流)。马达电流作为多相输出电流通过脉冲宽度调制(PWM)操控桥电路的半导体开关产生。通过PWM操控部的脉冲，半导体开关以时序在导通和封锁状态之间切换。
通过半导体开关的切换过程，在中间回路或电流源的线路中产生交流电流。该交流电流在遵守EMV(电磁兼容性)准则方面被视为是重要的。
发明内容
本发明的任务在于说明一种特别适当的用于运行电机的方法。电机的EMV特性尤其是应该在运行时得到改进。此外，本发明的任务还在于说明一种根据这种方法工作的电机。
根据本发明，在方法方面，所提到的任务以权利要求1的特征解决，并且在电机方面，所提到的任务以权利要求10的特征解决。有利的设计方案和改进方案是各自的从属权利要求的主题。
根据本发明的方法适用于且设置用于运行电机。电机在此具有能量存储器，能量存储器具有后接的(直流电压)中间回路，能量存储器和后接的(直流电压)中间回路一起实施为用于极其的电动机的电流源(电压供应装置)。在此，在电流源和电动机之间接有例如形式为逆变器(转换器)的整流器。
在机器运行时，整流器将电流源的输入电流转换成用于电动机的多相的尤其是三相的输出电流(马达电流、三相电流)。为此，接到中间回路中的整流器的数量利用脉冲宽度调制(PWM)操控以时序操控。PWM操控在每个周期中针对至少一个相具有在各自的周期持续时间内产生的脉冲形的信号(脉冲)，以用于切换各自的半导体开关。(信号)脉冲在此具有脉冲持续时间，即，如下的持续时间段，在该持续时间段内切换半导体开关(激活时间)。
根据该方法设置的是，在操控的周期中，脉冲被划分为在前面的(也就是在周期持续时间内在时间上较早的)第一半脉冲和在后面的(也就是在周期持续时间内在时间上较晚的)第二半脉冲，第一半脉冲和第二半脉冲分别带有一半的脉冲持续时间。第一半脉冲以第一推移时间且第二半脉冲以第二推移时间在该周期的周期持续时间内在时间上向着彼此推移。换言之，在相内进行脉冲推移。由此，如下交流电流的周期性有目的地受干扰，该交流电流在PWM操控电流源的中间回路中的半导体开关期间产生。因此，交流电流部分在(PWM)时钟频率的情况下减少，由此一方面降低了电流源或电压源的负载。
在一个适当改进方案中，第一半脉冲以第一推移时间在周期内在时间上延后，即第一半脉冲在较晚的时间点在周期持续时间中产生。第二半脉冲在此以第二推移时间在周期内在时间上提前，即第二半脉冲在较早的时间点在周期持续时间中产生。第二半脉冲尤其是在第一半脉冲之前产生。这意味着的是，在推移之前在前面的第一半脉冲在推移之后位于第二半脉冲之后。由此确保的是，这些半脉冲保留在周期内。换言之，因此，在周期内相的共同的激活时间没有改变，由此，电机的运行没有受到不利的影响。
通过推移，半脉冲在周期内的顺序明显发生改变。然而因为两个半脉冲是基本上相同的，所以替选地同样可能的是，在周期内的半脉冲的时间顺序得到保持，其中，第一和第二半脉冲的相应的推移时间具有减小的值。
在一个有利实施方案中，针对脉冲，将周期持续时间的偶数分母的分数设定为周期持续时间内的第一和/或第二推移时间。优选地，作为分母使用二的幂数(2n，n∈N0)。尤其是使用n＝1，即第一和/或第二推移时间等于周期持续时间的一半。通过这样的以一半的周期持续时间进行推移，交流电流部分(和由此产生的对于EMV来说关键的磁场发送)的振幅在PWM操控的时钟频率的情况下减小。相应地对于n＝2来说，即在以四分之一个周期持续时间进行推移的情况下，交流电流部分(频率部分)在加倍的时钟频率的情况下减小。
在一个适宜构造方案中，在周期内的(半)脉冲的第一和第二推移时间设定为绝对值上相同。换言之，第一和第二推移时间具有相同的值，其中，第二推移时间由于不同的推移方向具有和第一推移时间不同的符号。由此实现半脉冲的简单的且低成本的推移。
在一个有利改进方案中，脉冲的第一和/或第二推移时间的持续时间针对相继跟随的周期发生改变。换言之，从脉冲到脉冲的推移时间发生改变。因此，所产生的交流电流部分的周期性可靠地减小，从而在相关的重复频率或时钟频率中的振幅减少。
在一个可行改进方式中，例如可想到的是，PWM操控的每第二个周期的推移时间为0，即没有执行推移。换言之，半脉冲的推移仅在每第二个周期中进行。因此，例如在以等于一半周期持续时间的第一和第二推移时间进行推移时，每第二个周期，在时钟频率上的交流电流部分中产生相位的逆转。由此确保的是，时钟频率上的交流电流部分减小。
在一个同样可想到的替选改进方式中，多个相继跟随的周期例如具有针对各自的脉冲的相同的推移时间。换言之，相继跟随的周期的多个脉冲例如推移或没有推移。
在一个可想到的构造方案中，脉冲的第一和/或第二推移时间的持续时间对于每个周期来说随机改变。换言之，相继跟随的周期的脉冲具有随机地不同的推移时间。通过周期的脉冲彼此间的随机设定的推移产生对交流电流周期性的特别不规则的或非周期性的干扰。由此，时钟频率上的交流电流部分的振幅或频谱加权分布到尽可能多的不同的频率上。换言之，频谱变宽或是宽频的，其中，由此形成的交流电流部分分别具有比小振幅，其可以简单地借助中间回路的过滤电路减弱或减小。
本发明的另外或附加的方面设置的是，相继跟随的周期的周期持续时间发生改变。由此，所产生的交流电流部分的周期性进一步受到干扰，从而相关的交流电流部分的振幅可靠地得到减小。
在一个有利设计方案中，第一和/或第二推移时间针对不同的相的脉冲不同地设定。这意味着的是，不同的相的脉冲具有不同的推移，或者一个或多个相不具有推移。换言之可能的是，推移没有应用于所有相。这有助于进一步减小交流电流部分。
在一个适当改进方案中，第一和/或第二推移时间针对不同的相的脉冲应用在彼此不同的周期中。由此确保特别有效地减弱或减小交流电流部分。
在一个优选应用中，电机尤其是适用于且设置用于机动车中的电动的驱动装置，例如作为机动车部件的调设系统。电动机优选以无刷的方式实施有定子和在其中可旋转地支承的转子。定子具有一定数量的相绕组，相绕组一方面在整流器上引导，并且另一方面例如接在星形电路中的共同的结点(星点)中。
整流器具有控制器，即控制设备。控制器在此通常在程序和/或电路技术上适用于且设置用于执行之前描述的方法。控制器因此具体地设置用于在运行时执行PWM操控的调制，其中，相的脉冲被分开，并且在时间上在周期内推移。
在一个优选设计方案中，控制器至少在芯片中通过带有处理器和数据存储器的微控制器形成，在其中，用于执行根据本发明的方法的形式为运行软件(固件)的功能性以程序技术实现，从而该方法必要时以与用户相互作用的方式在微控制器中实施有运行软件的情况下自动执行。
控制器也可以在本发明的范围内替选地通过不可编程的电子构件例如ASIC(专用集成电路)形成，在其中，用于执行该方法的功能性以电路技术器件实现。
以该方法运行的电机因此具有在EMV辐射方面以及在由于半导体开关的变换过程而出现的噪音形成方面得到改进的特性。根据本发明的方法尤其是适用于且设置用于使用在转速调节的系统中。应用原则上在此并不局限于汽车领域。
附图说明
下面，本发明的实施例借助附图详细阐述。在其中以示意性的和简化的图示示出：
图1：带有电流源和电动机以及接在它们之间的整流器的电机；
图2：机器的三相电动机的处于星形电路中的相绕组；
图3：用于操控电动机的相绕组的整流器的桥电路的桥模块；
图4：电流源的等效电路图；以及
图5：相绕组的PWM操控的图表。
彼此相应的部分和参量在所有图中始终设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出用于未详细示出的电动机的电动调设系统(例如车窗升降器或座椅调设装置)的电机2。电机2为此包括三相电动机4，其借助整流器6与电流源(电压供应装置)8联接。电流源8在该实施例中包括车辆内部的例如形式为(机动车)电池的能量存储器10以及与之连接的(直流电压)中间回路12，(直流电压)中间回路12至少部分朝整流器6延伸。
中间回路12基本上通过输出线路12a和返回线路12b形成，整流器6借助它们与能量源10联接。线路12a和12b至少部分地引导到整流器6引导中，在整流器中，中间回路电容器14以及桥电路16接在线路12a和12b之间。
在电机2运行时，输送给桥电路16的输入电流IE转换成用于电动机4的三个相U、V、W的三相输出电流(马达电流、三相电流)IU、IV、IW。下面也被称为相电流的输出电流IU、IV、IW引导到未详细示出的定子的相应的相(绕组)U、V、W(图2)上。
在图2中示出三个相绕组U、V、W的星形电路18。相绕组U、V、W分别以(相)端部22、24、26引导到桥电路16的各自的桥模块20(图3)上，并且以分别对置的端部在作为共同的连接接头的星点28中互接。在图2的图示中，相绕组U、V、W分别借助形式为电感30和欧姆电阻32以及各自的电压降34、36、38的等效电路图示出。分别在相绕组U、V、W上下降的电压34、36、38示意性地通过箭头表示并且由在电感30和欧姆电阻32以及感应电压40上的电压降的总和得到。通过电动机4的转子的运动而感应的电压40(电磁力、EMK、EMF)在图2中借助圆示出。
星形电路18的操控借助桥电路16实现。桥电路16实施有尤其是作为B6电路的的桥模块20。在该设计方式中，在运行时，在其中每个相绕组U、V、W上，以高的变换频率按照时序在送出线路12a的高的(直流)电压水平与返回线路12b的低的电压水平之间切换。高的电压水平在此尤其是中间回路12的中间回路电压UZK，其中，低的电压水平优选是地电势UG。按照时序的操控实施为通过控制器42得到的在图1中借助箭头示出的PWM操控，利用该PWM操控可以控制和/或调节电动机4的转速、功率以及转动方向。
桥模块20分别包括两个半导体开关44和46，其在图2中仅示意性地和示例性地针对相W示出。桥模块20一方面以电势接头48与送出线路12a联接并且因此与中间回路电压UZK联接。另一方面，桥模块20以第二电势接头50与返回线路12b接触并且因此与地电势UG接触。通过半导体开关44、46，相U、V、W的各自的相端部22、24、26可以要么与中间回路电压UZK要么与地电势UG连接。如果半导体开关44闭合(导通)，并且半导体开关46断开(未导通，封锁)，那么相端部22、24、26与中间回路电压UZK的电势连接。相应地在断开半导体开关44且闭合半导体开关46时，相U、V、W与地电势UG接触。由此，借助PWM操控可以实现给每个相绕组U、V、W加载以两个不同的电压水平。
在图3中简化地示出单个桥模块20。在该实施例中，半导体开关44和46实施为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，其分别借助PWM操控在接通状态与封锁状态之间以时序切换。为此，各自的门接头引导到相应的控制电压输入端52、54，借助控制电压输入端传递控制器42的PWM操控的信号。
图4示出用于电流源8的等效电路图。在运行时，能量存储器10产生电池电压UBat以及相应的电池电流IBat，用以运行整流器6。在图4中，能量存储器10的内电阻作为欧姆电阻56示出，能量存储器10的自电感作为电感58示出。在返回线路12b中连有分流电阻60，中间回路电压UZK在分流电阻上下降。
下面借助图5示出和阐述各个相接头22、24、26上的信号曲线，各个相绕组U、V、W上的电压信号或PWM信号可以如何被有利地控制或调节，并且从中得到在相绕组U、V、W中的电流IU、IV、IW和外部电流源8的输入电流IE的方面的那些结果。在图5的实施例中，相绕组U安置到恒定的、低的电压电势上，即尤其是安置到地电势UG上。相V和W被提供以脉冲宽度调制的操控信号。
图5的图表包括五个水平的、相叠地布置的区段。沿着水平(即在X轴或横轴上)描绘出时间。示例性地，在图5中示出PWM操控的三个周期62、64、66，其中，周期62、64、66分别具有周期持续时间68、70和72，周期持续时间长度在此例如是在20μs(微秒)到50μs之间。
图5示出PWM操控，其中，电动机4的相接头22、24、26分别以不同的占空比(dutycycle)的PWM(脉冲)信号PV、PW操控。三个相U、V、W的当前的额定电压UU、UV、UW在图5中以分别作为水平线的当前值74、76和78示出。额定电压值在此在时间上依赖于电动机4的转速地分别根据正弦函数的方式改变。这导致的是，当前值74、76和78的线周期性地沿垂直方向(即沿Y轴或纵轴)上下运动。
在图表的上方的区段中的锯齿形的线代表在控制器42中整合的计数器的周期性地线性升高和线性下降的计数器读数80。各个相U、V、W的针对特定的时间点固定的阈值(即当前值74、76、78)与锯齿形的计数器读数80之间的交点代表用于产生和结束(PWM)脉冲PV、PW的时间点，相绕组V和W被加载以这些脉冲。这意味着的是，在高的电压阈值的情况下，当前值74、76、78是小的，从而脉冲形的脉冲PV、PW的操纵时间(Tastzeit)是长的，也就是说相应的相V、W长时间地以相电流IV、IW来通电或者被加载以电压。相对于计数器读数80以180°相移的计数器读数82在图5中以虚线示出。
在图5的图表的第二区段84和第三区段86中，相接头22、24、26的电压曲线可时间分辨地示出。
在第二区段84中示出PWM操控，在其中，在每个周期62、64和66中始终产生相同的脉冲PV和PW，因此随后仅示例性地描述了第一周期62。在该实施例中，相W在周期62开始时接通，并且在时间点88切断。在时间上滞后地相绕组V随后在时间点90被提供电压。在脉冲持续时间TV后，脉冲PV在时间点92结束。随后，相W在时间点94一直到周期62结束时都接通。脉冲PW因此在脉冲持续时间TW内基本上在分别两个相邻的周期62、64、66上延伸。电压曲线针对第二区段84中的PWM操控周期性地以时钟频率(基本频率)fperiode重复。
在图5的第四区段96和第五区段98中分别示出电流源中(即例如中间回路12中)的通过PWM操控导致的交流电流Ires、Ires’的时间曲线。区段96在此示出用于根据区段84的PWM操控的交流电流Ires，并且区段98示出用于根据区段86的PWM操控的交流电流Ires’。
在区段96中示出用于运行情况的交流电流Ires，在运行情况中，相V和W的相电流IV和IW的电流方向在离开星点28和朝向星点28的方向方面相一致。相V中的电流强度在此例如是1A，相W中的电流强度是3A。相U的电流强度是例如-4A，并且具有与相V和W相反的电流方向。因此，在周期62开始时一直到时间点88都产生电流强度为3A的交流电流Ires。在脉冲持续时间TV期间相应地产生1A的交流电流Ires。
交流电流Ires因此在周期62、64、66内具有分为三个部分的电流分量(Stromblock)或交流电流部分Iblock，电流分量或交流电流部分Iblock周期性地重复。随后示例性地仅描述中间的电流分量Iblock，其相应于脉冲PV，其中，两个侧面的通过脉冲PW产生的电流分量基于线性可以相应地得到描述。
通过傅里叶变换，交流电流部分Iblock绘制到频谱Fblock(ω)上，其中，ω是角频率。通过应用位移定律，针对周期持续时间Tperiode的多个周期的交流电流部分Iblock的总频谱F(ω)得到：
其中，j是虚数单位。针对时钟频率fperiode或相应的倍数n×fperiode得到：
这导致的是，交流电流Ires的频率或交流电流部分在n×fperiode时相加。由此形成所谓的EMV指针(EMV-Nadel)，其不利地影响机器2的EMV特性。
借助图5的区段86和98，随后描述了一种用于减少EMV指针的方法。为此在图5的实施例中，脉冲PV和PW在周期64中分别分为两个半脉冲PV1和PV2以及PW1和PW2。半脉冲PV1和PV2以及PW1和PW2在此分别具有脉冲持续时间TV’或TW’，其分别相应于初始的脉冲持续时间TV或TW的一半。原则上，该方法可以应用于所有三个相U、V、W。然而在图5的实施例中，相U示例性地持续地位于低的地电势UG上，从而没有推移。
半脉冲PV1、PW1、PV2、PW2随后借助各自的推移时间在周期64内推移。半脉冲PV1和PW1在此与区段84的未推移的脉冲PV和PW相比在该实施例中借助推移时间τ1在时间上延后。半脉冲PV2和PW2以推移时间在时间上提前，从而这些半脉冲在周期持续时间70内领先分别配属的半脉冲PV1和PW1。
推移时间τ1和τ2在所示的实施例中在绝对值上相同。推移时间τ1和τ2尤其是与周期持续时间70的一半在绝对值上相同。适用的是：
这意味着的是，借助推移时间τ1和τ2通过时间推移产生180°的相移。换言之，计数器读数80变换成计数器读数82。
所导致的交流电流Ires’因此在周期64内具有以180°相移的曲线。例如在区段98中比较明显地看到的那样，由此，交流电流Ires’或其交流电流部分的周期性被干扰。由此，交流电流部分在n×fperiode时不再相加，而是替代地分布在多个频率部分上。在区段86的调制简图中，优选在每第二个周期中借助推移时间τ1和τ2执行这种脉冲推移。
本发明并不局限于之前描述的实施例。相反地，在不离开本发明的主题的情况下，本领域技术人员也可以从中导出本发明的另外的变型方案。此外尤其地，所有结合实施例描述的单个特征也可以以其他的方式相互组合，而不会离开本发明的主题。
因此，例如同样可想到的是改动周期持续时间68、70、72，从而周期62、64和72具有彼此不同的周期持续时间。同样可想到的例如还有如下，即，相继跟随的周期68、70、72的多个脉冲PV、PW在时间上推移。重要的是，每个相U、V、W的激活时间(即脉冲持续时间)在周期62、64、66内基本上保持恒定。由此仅干扰交流电流Ires’的周期性，然而没有干扰电动机4的运行。
附图标记列表

Claims (10)

1.一种用于运行电机(2)的方法，所述电机带有电流源(8)和电动机(4)以及接在所述电流源与所述电动机之间的整流器(6)，
-其中，所述电流源(8)的输入电流(IE)借助对所述整流器(6)的一定数量的半导体开关(44、46)进行的脉冲宽度调制操控而转换成用于所述电动机(4)的多相输出电流(IU、IV、IW)，
-其中，在针对至少一个相(U、V、W)的操控的每个周期(62、64、66)期间在周期持续时间(68、70、72)内产生具有脉冲持续时间(TV、TW)的脉冲(PV、PW)，
-其中，在周期(62、64、66)中，脉冲(PV、PW)被划分成在前面的第一半脉冲(PV1、PW1)和在后面的第二半脉冲(PV2、PW2)，所述第一半脉冲和所述第二半脉冲分别具有一半的脉冲持续时间(TV’、TW’)，并且
-其中，在周期(64)的周期持续时间(70)内，所述第一半脉冲(PV1、PW1)以第一推移时间(τ1)并且所述第二半脉冲(PV2、PW2)以第二推移时间(τ2)在时间上向着彼此推移。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
-在周期(64)内，所述第一半脉冲(PV1、PW1)以所述第一推移时间(τ1)在时间上延后，并且
-在周期(64)内，所述第二半脉冲(PV2、PW2)以所述第二推移时间(τ2)在时间上提前。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
针对脉冲(PV、PW)，在周期持续时间(70)内，将周期持续时间(70)的偶数分母的分数，尤其是一半的周期持续时间(70)设定为所述第一推移时间和/或所述第二推移时间(τ1、τ2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，
其特征在于，
将脉冲(PV、PW)在周期(70)内的第一推移时间和第二推移时间(τ1、τ2)设定为在绝对值上是相同的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，
其特征在于，
脉冲(PV、PW)的第一推移时间和/或第二推移时间(τ1、τ2)的持续时间针对相继跟随的周期(62、64、66)被改变。
6.根据权利要求5所述的方法，
其特征在于，
脉冲(PV、PW)的第一推移时间和/或第二推移时间(τ1、τ2)的持续时间针对每个周期(62、64、66)被随机改变。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，
其特征在于，
相继跟随的周期(62、64、66)的周期持续时间(68、70、72)被改动。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，
其特征在于，
针对不同的相(U、V、W)的脉冲(PV、PW)，第一推移时间和/或第二推移时间(τ1、τ2)被不同地设定。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
针对不同的相(U、V、W)的脉冲(PV、PW)，第一推移时间和/或第二推移时间(τ1、τ2)应用在彼此不同的周期(68、70、72)中。
10.一种电机(2)，所述电机尤其用于机动车，所述电机带有电流源(8)和电动机(4)以及接在所述电流源与所述电动机之间的整流器(6)，所述整流器带有用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的控制器(42)。
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