CN108075706A - 用于确定多相的马达电流的方法和电动的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定多相的马达电流的方法和电动的驱动装置。针对用于确定电动的驱动装置(2)的马达电流(IM)的方法，电动的驱动装置具有电流源(8)、电动马达(4)以及接在它们之间的变流器(6)，电流源的输入电流(IE)借助对变流器的一定数量的半导体开关(44、46)的脉冲宽度调制的操控而转变为马达电流，在对半导体开关的脉冲宽度调制的操控期间影响电流源的中间回路(12)的中间回路电流(IZK)，在中间回路的测量部位(60)上，检测基于对中间回路电流的影响而感应的电压改变(U分流器、68)，依据对半导体开关的脉冲宽度调制的操控以及在测量部位上检测到的感应的电压改变来确定针对所产生的马达电流的值。

Description

用于确定多相的马达电流的方法和电动的驱动装置
技术领域
本发明涉及用于确定电动的驱动装置的多相的马达电流的方法，电动的驱动装置具有电流源、电动马达以及接在它们之间的变流器。此外，本发明还涉及适用于执行这种方法的电的或电动的驱动装置。
背景技术
电动运行的调节系统作为车辆部件，例如车窗升降器、座椅调节装置、车门和天窗驱动装置或散热器风扇驱动装置以及泵或内鼓风机典型地具有电的或电动的驱动装置，其具有受控的电动马达。为此，无刷的电动马达例如是公知的，其中，相对于定子可转动地支承的转子通过旋转磁场受驱动。为此，定子的相绕组被加载以相应的交流电流或马达电流，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。
这种电动的驱动装置通常包括(高压)电池作为车辆内部的储能器，从该储能器给电动马达供应形式为直流电流的电能。为了将直流电流转变为马达电流，适当地在储能器与电动马达之间接驳有变流器(逆变器、整流器)。在此，(直流电压)中间回路后置于储能器，中间回路与变流器的桥电路联接。储能器和中间回路在此作为用于提供针对变流器的输入侧的直流电流(输入电流)的电流源起作用。马达电流通过对桥电路的半导体开关的脉冲宽度调制(PWM)的操控来产生为多相的输出电流。通过PWM操控的脉冲，使半导体开关时控地在导通的与阻断的状态之间转换。
为了使驱动装置或者说电动马达可靠运行，需要对马达电流进行安全检测和确定。廉价的方法例如是对中间回路中的电流(中间回路电流)经过中间回路的欧姆的测量电阻(分流器)的欧姆的电压改变进行检测。根据对半导体开关的脉冲宽度调制的操控或者说根据半导体开关的切换状态，使各自的相电流流过测量电阻。所引起的欧姆的电压改变能以测量电路来检测。借助所检测到的电压改变以及对半导体开关的切换状态的认识可以确定相电流或者说马达电流。
在此，为了对马达电机进行可靠确定，需要高精密的和温度补偿的测量电阻，其是成本比较高。在经常是在机动车中的电动的驱动装置中出现高的电流的情况下，通常使用低欧姆的分流器作为测量电阻。这种测量电阻总是具有一定的电感，从而在对半导体开关的脉冲宽度调节的操控期间，在测量电阻上除了出现欧姆的电压改变以外还出现感应的电压改变，感应的电压改变(基于半导体开关的典型的非常小的切换时间)而往往比待检测的欧姆的电压改变高了许多倍。为了补偿这一点，测量电路通常具有补偿电路。基于制造公差可能的是，补偿电路只有在比较长的安定时间之后才可靠地补偿所出现的感应的电压降。由此，不利地影响对相电流或马达电流的确定。
发明内容
本发明的任务在于，说明一种特别适当的用于确定电动的驱动装置的多相的马达电流的方法。此外，本发明的任务还在于，说明一种适用于这种方法的电动的驱动装置。
在方法方面，该任务利用权利要求1的特征来解决，在电动的驱动装置方面，该任务利用权利要求5的特征来解决。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。
本发明的方法适用于和被设计成用于确定电动的驱动装置的马达电流。电的或电动的驱动装置在此具有电动马达，电动马达由电流源供应电能，其中，设置有接在电流源与电动马达之间的变流器，变流器在运行时将电流源的输入电流转变为用于运行电动马达的马达电流。在下文，马达电流尤其被理解为单个马达相的相电流和/或在一个或多个马达相中的多相的交流电流。换言之，马达电流尤其是优选实施为逆变器的变流器的输出电流。
为了将电流源的输入电流转变为马达电流，变流器的一定数量的半导体开关借助脉冲宽度调制的操控来时控地(getaktet)在导通的与阻断的状态之间进行转换。半导体开关例如是桥电路的一部分，桥电路与电流源的(直流电压)中间回路联接。在对半导体开关的脉冲宽度调制的操控期间，中间回路的中间回路电流被影响。
在中间回路的测量部位上，检测基于对中间回路的影响而出现的感应的电压改变。依据对半导体开关的脉冲宽度调制的操控以及在测量部位上检测到的感应的电压改变来确定由变流器产生的马达电流的值。换言之，检测到的感应的电压改变和半导体开关的切换状态一起被评估，以便确定马达电流的值。
因此，与现有技术不同，为了确定马达电流，替代欧姆的电压改变而对感应的电压改变进行评估。换言之，典型地将解释为干扰的感应信号作为有用信号使用。
本发明在此基于如下认知：在电动马达运行时，中间回路电流基于对半导体开关的脉冲宽度调制的操控来改变，由此，在测量部位上出现电压改变。电压改变在此具有欧姆的和感应的份额，其中，感应的电压改变在切换过程期间明显比欧姆的电压改变更高。由此可行的是，在评估感应的电压改变用于确定马达电流时基本上完全忽略欧姆的电压改变。这能够实现对马达电流的简化的和可靠的确定。
在一个适当的改进方案中，对在测量部位上检测到的感应的电压改变进行放大。由此，确保了对马达电流的特别可靠的确定。
在一个适宜的实施方案中，对在测量部位上的感应的电压改变进行积分。在此，在半导体开关的切换过程之前和之后的积分的差与相电流或马达电流成比例。由此，实现对马达电流的简单实现的和运行安全的确定，由此确保了电动驱动装置的可靠运行。
在一个能想到的设计方案中，为了确定马达电流而对电流源的输入电流进行检测。在此，以有利的方式和方法利用如下状况，即，中间回路电流的平均值基本上与电流源的输入电流(电池电流)的平均值成比例。由此，所检测到的感应的电压改变的平均值也与输入电流的平均值成比例。因此，输入电流可作为针对评估的附加的或冗余的测量值使用，由此确保对马达电流的特别可靠的确定。
根据本发明的电动的驱动装置适用于和被设立成用于执行上述的方法。电动的驱动装置在此尤其是被设置成用于使用在机动车中，例如用于作为机动车部件的调节系统。为此，驱动装置包括电流源和电动马达以及接在它们之间的变流器。电动马达优选无刷地实施有定子和以能旋转的方式支承在定子中的转子。定子具有一定数量的相绕组，相绕组一侧通向变流器，而另一侧例如接驳在星形电路的共同的结点(星点)中。
变流器具有控制器，也就是说控制设备。控制器在此通常(在程序和/或电路技术上)适用于和被设立成用于执行上述的方法。具体而言，控制器因此被设立成用于在运行期间至少监控对半导体开关的脉冲宽度调制的操控以及切换状态，并且检测在测量部位上的感应的电压改变，并且由此确定电动马达的马达电流的值。
在一个优选的设计方案中，控制器至少在本质上通过具有处理器和数据存储器的微控制器形成，其中，以程序技术方式实现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，从而该方法(必要时与用户交互作用地)在实施微控制器中的运行软件时自动执行。
控制器可以在本发明的范围内替选地也通过不可编程的电子元器件，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的器件来实现。
以该方法运行的电的或电动的驱动装置因此具有在确定马达电流方面改进的特性。然而原则上，该应用在此并不局限于汽车领域。
在一个能想到的实施方式中，测量部位例如配备有测量电阻，尤其是分流器，经由测量电阻，使感应的电压改变被控制器检测到。然而在有利的实施方案中，测量部位实施为中间回路的无测量电阻的迹线区段。换言之，与现有技术不同地，为了进行电压检测不使用温度补偿的电阻。该实施方案以有利的和廉价的方式和方法利用如下情况，即，根据本发明的方法基于感应作用，其仅具有很小的温度依赖性。由此可行的是，(感应的)电压改变仅经由或者说借助迹线区段、板材或类似部分来测量或检测。
在一个适当的实施方式中，在中间回路的尽可能长的迹线区段上检测电压改变，由此，提高了感应在电压改变上所占的份额。这因此有利地影响了在检测时的信号质量，由此，对马达电流评估进而是确定得到改进。此外，变流器进而是驱动装置的损失功率由此得到减小。
在一个适当的改进方案中，控制器借助具有放大器，例如运算放大器或模数转换器(ADC)的测量电路来检测在测量部位上的通过中间回路电流导致的感应的电压改变。在此，放大器在一个优选的构造方案中尤其是作为有源的积分器接驳，由此可以按简单的方式和方法确定相电流的或马达电流的值。但同样也可想到的是借助无源的元器件的积分。
本发明的附加的或另外的方面设置的是，设置有如下欧姆电阻，其一侧与测量电路的放大器的输入端联接，而另一侧与控制器的引脚联接。控制器的引脚在此尤其是作为可控制的或可切换的电压源起作用。由此，实现针对待测量的或待检测的电压改变的水平的可调节的偏置值。因此尤其可行的是，使(电压)水平灵活地提升或下降，由此简化了可靠的和安全的检测。由此一方面实现尽可能大的测量范围。另一方面，尤其是与过电流切断相结合地也能够实现调节其触发阈值。
附加或替选地，借助引脚同样可行的是，鉴于温度和/或老化的影响而对测量电路进行校准。尤其是在具有作为有源积分器接入的放大器的测量电路的实施方式中，测量电路包括至少一个电容器。这些电容器往往具有依赖于温度的电容量，从而重要的是，在为了确定马达电流进行评估时要考虑这些电容量。为此，在驱动装置是无电流的运行时间点期间，控制器的引脚被激活，并且因此改变偏置。偏置的调准速度在此依赖于电容量，并且因此为了确定当前的电容量或者说电容量的由温度引起的改变而能进行评估。附加或替选地例如可想到的是，将输入电流用于校准测量电路。如果(平均的)输入电流是充分已知的，那么可行的是，借助马达电流和脉冲宽度调制的操控的占空比来获知马达电流中的偏差以及因此获知电容量的偏差。
在具有作为积分器接驳的放大器的测量电路的实施方式中存在如下危险：放大器不足够快地检测感应的电压改变，或者在电动的驱动装置运行时对干扰过于敏感。因此，在适当的设计方案中设置的是，测量电路包括低通滤波器，其在放大器的输入侧接驳。
附图说明
随后，本发明的实施例借助附图详细阐述。在示意性且简化的图示中：
图1示出具有电流源和电动马达以及接驳在它们之间的变流器的电动的驱动装置；
图2示出驱动装置的三相的电动马达的呈星形电路的三个相绕组；
图3示出用于操控电动马达的相绕组的变流器的桥电路的桥模块；
图4示出具有中间回路和分流器电阻的电流源的等效电路图；以及
图5至图8示出在不同的实施方式中的用于检测在分流器电阻上下降的电压的测量电路。
彼此相应的部分和变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示出了用于未详细示出的机动车的电动调节系统的，例如用于车窗升降器或座椅调节装置的电的或电动的驱动装置2。驱动装置2包括三相的电动马达4作为原理上的元器件，其借助变流器6与电流源(电压供应部)8联接。电流源8在该实施例中包括例如形式为(机动车)电池的车辆内部的储能器10和与之连接的(直流电压)中间回路12，中间回路至少部分延伸至变流器6。
中间回路12基本上通过馈入线路12a和返回线路12b形成，借助它们将变流器6与储能器10联接。线路12a和12b至少部分地通向变流器6，在变流器中，中间回路电容器14和桥电路16接驳在这些线路之间。
在驱动装置2运行时，输送给桥电路16的输入电流或电池电流IE被转变为用于电动马达4的三个相U、V、W的三相的输出电流(马达电流、交流电流)IU、IV、IW。在下文也被称为相电流的输出电流IU、IV、IW引导至未详细示出的定子的相应的相(绕组)U、V、W(图2)上。相电流IU、IV、IW概括地或单个地也被称为马达电流IM。
在图2中示出了三个相绕组U、V、W的星形电路18。相绕组U、V、W分别以(相)端部22、24、26通向桥电路16的各自的桥模块20(图3)，并且以分别对置的端部在作为共同的连接接口的星点28中相互接驳。在图2的图示中，相绕组U、V和W分别借助形式为电感30和欧姆电阻32以及各自的电压改变34、36、38的等效电路图示出。分别经过相绕组U、V、W下降的电压34、36、38示意性地通过箭头代表并且由经过电感30和欧姆电阻32的电压降和感应的电压40的总和得到。通过电动马达4的转子的运动感应出的电压40(电磁力、EMK、EMF)在图2中借助圆圈示出。
对星形电路18的操控借助桥电路16实现。桥电路16利用桥模块20尤其实施为B6电路。在该设计方式中，在运行时，在每个相绕组U、V、W上以高的切换频率时控地在输送线路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进行转换。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。该时控的操控实施为(在图1中借助箭头示出的)通过控制器42实现的PWM操控，利用PWM操控使控制和/或调节电动马达4的转速、功率以及转动方向成为可能。
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20一侧以电势接口48与输送线路12a联接并且因此与中间回路电压UZK联接。桥电路20另一侧以第二电势接口50与返回线路12b接触并且因此与地电势UG接触。经由半导体开关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连接要么与地电势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，阻断)，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和闭合半导体开关46的情况下，相U、V、W与地电势UG接触。由此，借助PWM操控可行的是，给每个相绕组U、V、W加载两个不同的电压水平。
在图3中简化地示出了单个桥模块20。在该实施例中，半导体开关44和46实现为MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)，其分别借助PWM操控地在接通状态与阻断状态之间时控地转换。为此，各自的栅极接口通向相应的控制电压输入端52、54，借助控制电压输入端来传输控制器42的PWM操控的信号。
图4示出了用于电流源8的等效电路图。在运行时，储能器10产生用于运行变流器6的电池电压U电池以及相应的电池电流IE。在图4中，储能器10的内电阻作为欧姆电阻56示出，并且储能器10的自电感作为电感58示出。在返回线路12b中，在测量部位60上接有分流电阻(测量电阻)，中间回路电压UZK在分流电阻上下降。
分流电阻在等效电路图中作为欧姆电阻62和电感64示出。在运行时，分流电阻被中间回路的中间回路电流IZK流过，中间回路电流产生电压改变U分流器，该电压改变由电阻62上的欧姆的电压改变66和电感64上的感应的电压改变68组成。随后，运行状况尤其是在半导体开关44、46的切换过程期间被观察，在其中，感应的电压改变68具有比欧姆的电压改变66明显更大的电压值，并且因此电压改变U分流器基本上等于电压改变68。
在一个替选的实施方案中，测量部位60例如不具有分流电阻，并且尤其是没有测量电阻地实施，从而使截取的电压改变U分流器基本上仅基于返回线路12b的接触的迹线区段产生。
为了确定马达电流IM，电压改变U分流器由控制器42借助测量电路70监控。在下文，借助图5至图8阐述测量电路70的不同的实施例。
在图5中以片段示出的测量电路70包括作为有源的积分器接驳的放大器72。放大器72在该实施例中尤其是实施为运算放大器。放大器72借助两个输入侧的测量线路74a、74b与分流电阻或者说测量部位60接触，使得在输入侧施加电压改变U分流器。
测量线路74a通向放大器72的正输入端，并且具有欧姆电阻76作为偏置电阻。在电阻76与放大器72的输入端之间联接有具有作为第二偏置电阻的电阻80的偏置线路78。偏置线路78通向控制器42的引脚82，控制器作为用于调节偏置电压水平的可切换的电压源起作用。在与放大器72的负输入端连接的测量线路74b中接驳有欧姆电阻84。放大器72的输出端具有负反馈86，其在电阻84与放大器72的负输入端之间与测量线路74b接触。负反馈86包括欧姆电阻88，电容器或者说电容90与该欧姆电阻并联。
电阻84和电容器90在此规定了有源积分器的积分因子。借助电阻76和80产生作为用于输入侧的电压改变U分流器的偏置值的电压水平。电阻76和80此外作为分压器起作用，其中，该影响优选在对电阻84和电容90进行规格确定中考虑到。电阻88作为放电电阻起作用，从而防止放大器72达到极限。通过测量电路70，将电压改变U分流器积分或者说放大为测量电压U测量，其被发送至控制器42用以评估。优选地，由电阻84的电阻值和电容器90的电容值的乘积得到的时间常数足够大地确定规格，以便限制或完全防止对测量的负面影响。
测量电压U测量的值由控制器42检测。控制器42在此依赖于测量电压U测量和对半导体开关44、46的脉冲宽度调制的操控来确定由变流器6产生的马达电流IM的值。控制器42尤其是形成了在半导体开关44、46的切换过程之前和之后的测量电压U测量的差，其中，该差与所产生的相电流IU、IV、IW或者说马达电流IM成比例。
图6的测量电路70示出如下实施例，其中，电压改变U分流器到测量电压U测量的积分仅借助无源的元器件来进行。
在图6的实施例中，测量线路74a具有接在电阻76之前的欧姆电阻92。电阻92作为用于电容器94的放电电阻起作用，电容器接驳在测量线路74a与74b之间。电阻92的电阻值和电容器94的电容值在此优选以如下方式确定规格，即，使相应的时间常数足够长，以便限制或完全防止对测量的负面影响。负反馈86具有仅一个欧姆电阻96。放大器72的放大因子在此依赖于与电阻84和96的电阻值。
在图6中示出的实施例大致相应于传统的补偿电路，其中，明显的差异在于元器件的规格确定。在常规的补偿中，由电阻92和电容器94推导出的时间常数尽可能等于测量部位的由测量部位的电感值相对欧姆电阻的比得到的时间常数。然而在该实施例中，时间常数优选明显更大，测量电路70的时间常数例如比测量部位60的时间常数大了因子1000。
图7的实施例示出了具有附加的滤波电路98的根据图5的测量电路70，滤波电路接驳到测量线路74a中。滤波电路98实施为低通滤波器，其具有作为滤波电阻的欧姆电阻100和接地的电容器102。
在图8的实施例中示出了滤波电路98的一个替选的实施方案。在该实施例中，(偏置)电阻76作为滤波电阻接驳在电容器102之前。由此实现特别减少了元器件的滤波电路98或者说测量电路70。
本发明并不局限于之前描述的实施例。更确切地说，本发明的其他的变型方案也可以由本领域技术人员从中推导出，而不会脱离本发明的主题。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，而不会脱离本发明的主题。
附图标记列表
2 驱动装置
4 电动马达
6 变流器
8 电流源
10 储能器
12 中间回路
12a 馈入线路
12b 返回线路
14 中间回路电容器
16 桥电路
18 星形电路
20 桥模块
22、24、26 相端部
28 星点
30 电感
32 电阻
34、36、38 电压改变
40 电压
42 控制器
44、46 半导体开关
48、50 电势接口
52、54 控制电压输入端
56 电阻
58 电感
60 测量部位
62 电阻
64 电感
66、68 电压改变
70 测量电路
72 放大器
74a、74b 测量线路
76 电阻
78 偏置线路
80 电阻
82 引脚
84 电阻
86 负反馈
88 电阻
90 电容/电容器
92 电阻
94 电容器
96 电阻
98 滤波电路/低通滤波器
100 电阻
102 电容器
U、V、W 相/相绕组
IU、IV、IW 相电流/输出电流
IM 马达电流
IE 输入电流/电池电流
UZK 中间回路电压
IZK 中间回路电流
U分流器 电压改变
U测量 测量电压

Claims (10)

1.用于确定电动的驱动装置(2)的马达电流(IM)的方法，所述电动的驱动装置具有电流源(8)、电动马达(4)以及接在所述电流源与所述电动马达之间的变流器(6)，
-其中，所述电流源(8)的输入电流(IE)借助对所述变流器(6)的一定数量的半导体开关(44、46)的脉冲宽度调制的操控而转变为所述马达电流(IM)，
-其中，在对所述半导体开关(44、46)的脉冲宽度调制的操控期间，影响所述电流源(8)的中间回路(12)的中间回路电流(IZK)，-其中，在所述中间回路(12)的测量部位(60)上，检测基于对所述中间回路电流(IZK)的影响而感应的电压改变(U分流器、68)，并且
-其中，依据对所述半导体开关(44、46)的脉冲宽度调制的操控以及在所述测量部位(60)上检测到的感应的电压改变(U分流器、68)来确定所产生的马达电流(IM)的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对在所述测量部位(60)上检测到的感应的电压改变(U分流器、68)进行放大。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对在所述测量部位(60)上的感应的电压改变(U分流器、68)进行积分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定所述马达电流(IM)而检测所述输入电流(IE)。
5.电动的驱动装置(2)，尤其是用于机动车的电动的驱动装置，所述电动的驱动装置具有电流源(8)、电动马达(4)以及接在所述电流源与所述电动马达之间的变流器(6)，所述变流器具有控制器(42)，用于执行根据权利要求1至4中任一项所述的方法。
6.根据权利要求5所述的电动的驱动装置(2)，其特征在于，对感应的电压改变(U分流器、68)进行检测的测量部位(60)实施为中间回路(12)的无测量电阻的迹线区段。
7.根据权利要求5或6所述的电动的驱动装置(2)，其特征在于，所述控制器(42)借助具有放大器(72)的测量电路(70)检测在所述测量部位(60)上的感应的电压改变(U分流器、68)。
8.根据权利要求7所述的电动的驱动装置(2)，其特征在于，所述测量电路(70)的放大器(72)作为有源的积分器接驳。
9.根据权利要求7或8所述的电动的驱动装置(2)，其特征在于，设置有欧姆电阻(80)，所述欧姆电阻一侧与所述测量电路(70)的放大器(72)的输入端联接，而另一侧与所述控制器(42)的引脚(82)联接。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的电动的驱动装置(2)，其特征在于，所述测量电路(70)包括低通滤波器(98)，所述低通滤波器接驳在所述放大器(72)的输入侧。
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