CN1096551C - 带有精密级联控制单元的电拖动装置 - Google Patents

带有精密级联控制单元的电拖动装置 Download PDF

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Abstract

电拖动装置(11)含有在转子体(19)上施加电磁转矩(TEM)的激励机构(29)和用于控制旋转角(φ)的控制单元(75)。控制单元(75)带有一级联控制结构，其带有用于把相应于所需旋转角(φ)的电输入信号(Uφ)转变成相应于施加在转子体(19)上的所需电磁转矩(TEM)的电中间信号(UEM)的第一控制部分(81)，和把中间信号(UEM)转化成相应于激励机构(29)的所需电流的输出信号(UI)的第二控制部分(83)。第一和第二控制部分(81，83)允许所需电磁转矩(TEM)和所需电流的特定中间计算，由此，控制单元(75)的反应时间和正确性得到改善。该电拖动装置(11)使用于内燃机的空气入口处的节流阀设备中。节流阀设备含有在空气通道(3)可由拖动装置(11)转动的一节流阀门(7)，拖动装置(11)的控制单元(75)的输入信号(Uφ)可由机器的电动机管理系统提供。

Description

带有精密级联控制单元的电拖动装置
本发明涉及一电拖动装置，其含有一第一拖动装置体，通过旋转轴绕一旋转角度相对于第一拖动装置体可旋转的第二拖动装置体，用于对第二拖动装置体施加电磁转矩的电激励机构，和控制第二拖动装置体的旋转角度的电控单元，所述控制单元包含一用于接收相应于第二拖动装置体的所需旋转角度的电输入端和一相应于所需电流通过激励机构提供电信号的电输出端。
本发明进一步涉及在一内燃机的空气输入端上的节流阀设备，其中，节流阀设备含有一节流阀壳。一与空气输入端相连的通气通道，一位于节流阀壳中的可在空气通道中转动的节流阀，和一使节流阀转动的电拖动装置。
开篇中所述类型的电拖动装置已在W.Leonhard，ISBN 3-540-13650-9 Springer出版社，柏林，海德堡，纽约，东京的“电气设备控制”一书的“线性位置控制”的章15.2中公开。已知拖动装置的控制单元有一所谓的级联控制结构，其包含一用于电磁转矩、角加速度、转速和拖动装置的旋转角度的几个叠加控制回路的系统。电磁转矩控制回路含有一控制部分，其带有用于接收对应于所需角度的电信号的电输入端和用于相对于所需电流通过激励机构提供电信号的电输出端。级联控制结构提供相应于拖动装置的结构和操作的自然控制序列。因此，该控制单元有一透明(transparent)结构并能被设计和逐步优化。
已知的拖动装置的缺点为，如果拖动装置的电磁，静磁或机械特性相对于第二拖动装置的旋转角度或通过激励装置的电流的依赖关系曲线是很非线性的，则已知拖动装置的控制单元对相应于所需旋转角度而改变信号的反应相对慢一些。因为所述特性的非线性，在达到所需旋转角之前不得不由控制单元进行的叠代计算次数是很高的。
本发明的目的是提供一种开篇中所提类型的电拖动装置，其含有一带有一级联控制结构的控制单元，其中控制单元相应于所需旋转角度的信号改变的反应时间被改善了。
根据本发明，该电拖动装置的特征在于，该控制单元含有一第一控制部分，其带有用于接收相应于所需旋转角度的信号的电输入端和用于提供一相应于在第二拖动装置体上的所需电磁转矩的电信号的电输出端；和一第二控制部分，其带有用于接收相应于所需电磁转矩的信号的电输入端和用于提供相应于所需电流的信号的电输出端。由于所述第一和第二控制部分的应用，控制单元含有一精确的控制序列，其中，相应于所需旋转角的信号首先由第一控制部分转化成一相应于所需电磁转矩的信号；然后，相应于所需电磁转矩的信号通过激励机构由第二控制部分转化成相应于所需电流的信号。这样，考虑到拖动装置的机械和静磁性能，第一控制部分允许一所需电磁转矩的特定计算；而考虑到拖动装置的电磁特性，第二控制部分允许一所需电流的特定计算。既然一方面拖动装置的机械和静磁性能而另一方面拖动装置的电磁性能被分开考虑，关于这些拖动装置特性的认识就可以被相对具体和详细的方式考虑，这样，第一和第二控制部分的计算相对准确而且第一和第二控制部分之间的合作是很有效的。以此方法，在达到所需旋转角度之前由控制部分进行叠代计算次数是有限的。
根据本发明的一个电拖动装置的特别实施例的特征在于，第一控制部分含有一电加法器，其带有一用于提供相应于所需电磁转矩的信号的电输出端。该加法器含有一用于接收由相应于所需旋转角的信号控制的前馈控制信号的第一电输入端，和一用于接收由对应于所需旋转角的信号和由旋转角传感器提供并对应于所测的第二电拖动装置体的旋转角的电信号决定的反馈控制信号的第二电输入端。通过加入所述前馈和反馈控制信号，达到快的、准确的计算和所需电磁转矩的控制。
根据本发明的另一实施例的特征在于，第一控制部分含有一关系发生器(profile generator)，其带有一接收相应于所需旋转角的信号的第一电输入端，一接收相应于所测量的旋转角的信号的第二电输入端和一提供电参考信号的电输出端，该电参考信号相应于由关系发生器产生的旋转角-时间曲线，前馈控制信号与对应于旋转角-时间曲线的第二拖动装置体的所需角加速度成比例。由关系发生器产生的旋转角一时间曲线从所测量的旋转角延伸到所需旋转角。以此方式，对应于所需旋转角的信号的瞬时、非连续改变由关系发生器转换为参考信号的关系曲线，此参考信号从电拖动装置的控制能力和动力性能看是可行的。
根据本发明的电拖动装置的一特别实施例的特征在于，第一控制部分含有一比较器，其带有一接收对应于所测量的旋转角的信号的第一电输入端，一接收参考信号的第二电输入端，和一提供差值信号的电输出端，此差值信号与对应于所测量的旋转角的信号和参考信号之间的差异成比例，第一控制部分进一步包含一调节器，其带有一接收差值信号的电输入端和一提供反馈控制信号的电输出端。所述调节器以下述方式确定反馈控制信号：差值信号等于0，因此所测量的旋转角可以按照由关系发生器产生的旋转角-时间曲线正确地改变。通过使调节器控制所述差值信号来代一与对应于所测量的旋转角的信号和对应于所需旋转角的信号之间的差异成比例的信号，即可达到避免了所谓的缠绕(wind-up)效应和调节器的动态过冲。
按照本发明的一特别的实施例的特征在于，加法器包含用于接收对应于负载转矩的电信号的第三电输入端，此转矩施加在第二拖动装置体上并依赖于第二拖动装置体的旋转角并基本上不依赖于通过激励机构的电流。负载转矩施加于第二拖动装置体，例如通过诸如机械弹簧的机械的、磁力的、或气动设备，当第二拖动装置体旋转时弹簧发生变形，并且，例如当通过激励机械的电流为零时，释放第二拖动装置体在一松驰位置。增加对应于上述前馈和反馈控制信号的负载转矩的电信号有下述效果：前馈信号不必被计算，以包含为了补偿所述负载转矩所必须的电磁转矩的一部分。以此，反应时间和控制单元的精确性被进一步改善。
按照本发明的电拖动装置的另一实施例的特征在于，负载转矩为一由第一拖动装置体施加在第二拖动装置体上的静磁转矩。所说的静磁转矩为一独立于激励机构的电流由第一拖动装置体施加于第二装置体的磁矩。该静磁转矩依赖于第二拖动装置体的旋转角并构成促使第二拖动装置体向松驰位置运动的恢复力矩。既然静磁转矩决定于第一和第二拖动装置体的结构，对应于负载转矩的信号能做为第二拖动装置体的旋转角的函数被计算。
按照本发明的电拖动装置的一特别实施例的特征在于，第一控制部分含有一电存储器，其带有一接收对应于所测量的旋转角的信号的电输入端和一提供对应于负载转矩的信号的电输出端。存储器被提供负载转矩和旋转角的表格关系。因为负载转矩和第二拖动装置体的旋转角的关系被以表格形式存储在第一控制部分所述存储器中，负载转矩的值较准确并可以简单方式基本无延时地读出。以此，反应时间和控制单元的精确性被进一步提高。
按照本发明的电拖动装置的另一实施例的特征在于，第一控制部分包含一干扰观测器，其基于电拖动装置的数学模型计算施加在第二拖动装置体上的负载转矩，加法器含有用于接收对应于干扰观测器算出的负载转矩值的干扰观测器的电输出信号的第三电输入端。在操作期间，第二拖动装置体的旋转角被内部干扰负载转矩和施加在第二拖动装置体上的外部干扰负载转矩影响或干扰，内部干扰负载转矩例如电拖动装置轴承上的摩擦和静摩擦力矩和由第一拖动装置体加在第二拖动装置体上的静磁转矩，这些干扰负载转矩不能直接测量或者很难测量。干扰观测器基于电拖动装置的数学模型计算总的干扰负载转矩，即基于描述电拖动装置的物理结构的一组一阶微分方程。把干扰观测器的输出信号加入到前馈和反馈控制信号中产生下述结果：反馈控制信号不必由第一控制部分的调节器计算，以包含为了补偿干扰负载转矩所必须的电磁转矩的一部分。以此，反馈控制回路的所需收敛时间和随后的控制单元的反应时间被大大地改善。
按照本发明的一个特别的实施例的特征在于，第一控制部分含有一电限制器，其用于限制对应于所需电磁转矩的信号，如果所述信号超过预定值的话。以此，由激励机构产生的所需电磁转矩的值被限制在某一根据拖动装置的机械、电气和热性能能确定的值范围之内，以避免能导致拖动装置损坏或不正常工作的过转矩出现。
根据本发明的电拖动装置的另一实施例的特征在于，第二控制部分包含一电存储器，其带有一用于接收对应于所需电磁转矩的信号的第一电输入端，一用于接收对应于测量的旋转角的信号的第二输入端，和一用于提供对应于所需电流的信号的电输出端，该存储器被提供以电磁转矩、旋转角和电流之间的表格形式的对应关系，因为电磁转矩由第一和第二拖动装置体和激励机构的结构确定，对应于所需电磁转矩的信号能够作为一个第二拖动装置体的旋转角和通过激励机构的电流的函数被计算。因为电磁转矩、第二拖动装置体的旋转角和通过激励机构的电流之间的关系被以表格形式存贮在所述第二控制部分的存储器中，电流值为相对准确的并可以简单方式基本无延时地读出。以此，控制单元的反应时间和准确性进一步改善。
按照本发明的电拖动装置的一特别实施例的特征在于，该控制单元含有一比较器，其带有一接收对应于所需电流的信号的第一电输入端，一接收对应于通过激励机构的测量电流并由电流传感器提供的电信号的第二电输入端，和一提供差值信号的电输出端，此差值信号与对应于所需电流信号和测量电流信号之间的差异成比例，控制单元进一步包含一调节器，其带有一用于接收所述差值信号的电输入端和一用于提供对应于供应到激励机构的电流的电信号的电输出端。所述比较器、电流传感器和调节器属于控制单元的电流控制回路。所述调节器以下述方式决定对应于供应到激励机构的电流的信号：所述差值信号等于零，因此流过激励机构的测量电流准确等于控制单元决定的所需电流。
按照本发明的电拖动装置的另一实施例的特征在于，干扰观测器带有用于接收对应于通过激励机构的测量电流的电流信号的电输入端，干扰观测器根据电拖动装置的三个状态等式计算旋转角、第二拖动装置体的角速度和负载转矩。对应于测量电流的信号由用于控制单元的电流控制回路中的电流传感器提供。因为控制单元含有一电流控制回路，通过电拖动装置的激励机构的电流值是由电流控制回路，而不是由电压施加在激励机构上的。以此方式，激励机构的电流值由电流控制环规定，因此干扰观测器下面的拖动装置的数学模型能作为施加电压的函数而省却了用于电流的微分方程。因为这些原因，数学模型只含有三个状态方程，干扰观测器相对简单并适于在线(on-line)计算。
根据本发明的电拖动装置的再一实施例的特征在于，干扰观测器含有另一个用于接收对应于测量的旋转角信号的另一电输入端，一用于确定测量的旋转角和计算的旋转角之间偏差的比较器，和一用于通过一个与所述偏差成比例的值改正计算的旋转角、计算的角速度和计算的负载转矩的加法器。在此实施例中，由干扰观测器计算的并由支持干扰观测器的数学模型的不准确性所导致的旋转角、角速度和负载转矩的值的非正确性可以由一反馈回路改正。改正的旋转角为计算的旋转角、所述偏差与第一加权因子的积之和。改正的角速度为计算的角速度、所述偏差与第二加权因子的积之和，改正的负载转矩为计算的负载转矩、所述偏差与第三加权因子的积之和。该第一、二和三加权因子通过所谓的极定位(pole-placement)方法确定。
根据本发明的电拖动装置的一特别实施例的特征在于，控制单元含有一用于限制对应于电流的信号的电限制器，如果所述信号超过预定值的话。以此方式，通过激励机构的电流值被限定在一个以激励机构的热性能来看为可行的值的范围之内，以避免会使激励机构和拖动装置过热的过电流出现。
在开篇的此类节流阀的设备的特征在于，用于其中的电拖动装置为本发明的电拖动装置。节流阀设备应用于车辆的内燃机的空气输入端并可通过例如加速踏板调节。加速踏板不是机械地耦合到节流阀设备的节流阀门，但提供给电拖动装置一个用于接收对应于在节流阀设备的空气通道上的节流阀门的所需旋转角的电信号的电输入端，所述电信号由例如也控制内燃机的燃料喷射和点火系统的电动机管理系统提供。节流阀设备的空气通道中的节流阀门的旋转角由电动机管理系统调节，不仅作为加速踏板的位置的一项函数，也作为例如机器的每分钟转数(r.p.m)、输入空气压力和温度以及机器温度的函数。以此方式，内燃机的性能燃料消耗和废气的组成被改善了。因为节流阀由本发明的电拖动装置启动，电动机管理系统所需的节流阀门的旋转角以非常准确的方式完成，并且用于改变所需旋转角所必需的反应时间被大大地限制了。
下面结合附图详细解释本发明，其中，
图1示出了本发明的节流阀设备，其用在内燃机的空气入口处，
图2a示出了本发明的电拖动装置的横截面，其应用于图1的节流阀设备中，在非激励的条件下，
图2b示出了在激励条件下图2a的电拖动装置，
图3概略地示出了图2a的电拖动装置的控制单元，
图4a示出了机器的电动机管理系统所需的电拖动装置的旋转角-时间曲线，
图4b示出了由图3的控制单元的关系发生器产生的旋转角-时间曲线，
图4c示出了对应于图4b的旋转角-时间曲线的角加速(angular-acceleration)-时间曲线，
图5概略地示出了图2a的电拖动装置的替代控制单元，
图6概略地示出了图5的替代控制单元的干扰观测器。
图1中的节流阀设备包含一带有管状空气通道3和法兰5的节流阀门壳1，通过它，节流阀设备能与在图中没有示出的内燃机的空气输入端或进气管相连。节流阀设备进一步包含一盘形的节流阀门7，其安装在径向通过空气通道3的轴9上。轴9在节流阀门壳1的法兰5中是可旋转的，以使节流阀门7在空气通道3中是可旋转的。当节流阀门7旋转后，空气通道3的开口和流进内燃机的汽缸内的空气被改变。
节流阀门7在空气通道3中是可通过电拖动装置11旋转的，电拖动装置11带有安装在节流阀门壳1的拖动装置壳15中的第一拖动装置体13和安装在轴9上的第二拖动装置体17。如图2a和2b所示，第二拖动装置体17含有一被径向磁化的柱形永磁转子体19，并有一北极N和一南极S。第一拖动装置体13含有一U形的由高导磁材料例如氧化铁或磁钢叠片制成的定子体21。U形定子体21包含连接在基座27上的两个翼23、25。电拖动装置11进一步包含带有支持在基座27上的电线圈31的激励机构29。定子体21的两翼23、25配有各带一弯曲面37、39的极靴33、35。如图2a和2b所示，极靴33、35的曲面37、39包围永磁转子体19，曲面37确定转子体19和极靴33之间的气隙41，而曲面39确定定子体19和极靴35之间的气隙43。进一步，当第一个槽49位于极靴33的曲面37的中间和第二个槽51位于极靴35的曲面39的中间时，第一气隙45和第二气隙47出现在极靴33和35之间。以此方式，曲面37被分为第一曲面部分53和第二曲面部分55，和曲面39被分为第一曲面部分57和第二曲面部分59，而气隙41被分为第一气隙部分61和第二气隙部分63，和气隙43被分为第一气隙部分65和第二气隙部分67。如图2a和2b所示，径向相对的气隙部分61、67的宽度比径向相对的气隙部分63、65的宽度小。
因为气隙部分61、67的宽度比气隙部分63、65的宽度小，一静磁转矩TMS由第一拖动装置体施加在第二拖动装置体上，当电线圈31没有被激励时，驱动第二拖动装置体17到图2a所示的松驰位置。为了提高静磁转矩TMS，图2a和2b中虚线所示的辅助永磁铁69可以交替地装在极靴33的第一曲面部分53内和极靴35的第二曲面部分59内。当电线圈31被激励时，电磁转矩TEM施加在第二拖动装置体17上，第二拖动装置体17从图2a所示松驰位置转向图2b所示位置，其特征在于，第二拖动装置体17相对松驰位置旋转φ角。如不考虑外力作用在节流阀门7上，电磁转矩TEM等于在图2b中的静磁转矩TMS。当线圈31中的电流被关断时，在静磁转矩TMS的影响下，第二拖动装置体17和节流阀门7会重新返回松驰位置。图26位置处的旋转角φ值由通过电线圈31的电流值确定，并可以以下面将描述的方式通过调节线圈31的电流进行调整。
当电线圈31没有被激励时，图2a中的电拖动装置11的松驰位置并没有精确地对应由第二拖动装置体17和节流阀门7所占用的位置。如图1所示，节流阀设备也含有一机械挡块71，第二拖动装置体17含有一当线圈31没有激励时支撑在挡块71上的凸轮73。凸轮73支撑在挡块71上时第二拖动装置体17的位置与图2b所示的第二拖动装置体17的位置稍有区别，以使凸轮73在静磁转矩TMS，O的影响下支撑在挡块71上。如图1所示，该位置对应于在空气通道3中的节流阀门7的所谓软始(Limp-home)位置，稍不同于其中空气通道3的开口很小时的所谓的节流阀门7的空载(idling)位置。在节流阀7的软始位置，这发生在例如当向节流阀门7提供电能失败时，空气通道3的开口会允许少量空气流到内燃机的汽缸内，以致机器的应急操作仍是可能的。挡块71为机械可调的，以致在节流阀门的软始位置通过空气通道3的空气是可调的。在包括空载(idling)和全节流位置-其中，空气通道3的开口分别最大和最小-在内的所有其他节流阀7的位置情况下，电流由线圈31提供。
如图1所示，电拖动装置11进一步包含可以控制节流阀门7的旋转角φ的电控制单元75。控制单元75示出在图3中并且含有一用于接收与节流阀门7和第二拖动装置体17的所需旋转角φ相对应的电信号Uφ的电输入端77，和一用于提供确定流过拖动装置11的激励机构29的电流的电信号Uc的电输出端79。信号Uφ由内燃机的图中没有示出的电动机管理系统提供。不仅作为由司机操作的加速踏板的位置的函数，而且作为其他参数，例如机器的每分钟转数、输入空气的压力和温度和机器温度的参数的函数，信号Uφ的值由电动机管理系统确定。进一步，电动机管理系统在机器的冷起动期间和之后控制机器的空载速度，以致通常的空气旁路系统是非必须的。电动机管理系统还控制机器的燃料注入和点火装置。以此方式，机器的燃料喷射、点火和节流阀设备的操作彼此谐调一致，此致机器的性能、燃料消耗和废气的组成被提高。
图3进一步表明，控制单元75包含第一控制部分81和第二控制部分83。第一控制部分含有控制单元75的电输入端77和用于提供与施加在第二拖动装置体17上的所需电磁转矩TEM相对应的电信号UEM的电输出端85。第二控制部分83含有接收来自第一控制部分81的信号UEM的电输入端88和用于提供与流过激励机构29的所需电流相对应的电信号UI的电输出端88。
图3表明，第一控制部分81含有一关系发生器89，其带有一用于接收信号Uφ的第一电输入端91和一用于接收与第二拖动装置体17和节流阀门7的测量的旋转角有关的电信号Uφφ的第二电输入端93。信号Uφφ由节流阀设备的旋转角度传感器95通过通常的高频滤波器97提供。如图1所示，旋转角度传感器95安装在靠近远离电拖动装置11的轴9的末端的节流阀门壳1上。关系发生器89产生一从测量的实际旋转角φM到所需旋转角φR的旋转角-时间曲线。图4a示出一例子，其为在时间点t0。所需旋转角不连续地从φM改变到φR的情况下，电动机管理系统所需的旋转角-时间曲线。此种曲线不能由电拖动装置11实现。因为必需的电磁转矩无穷大。图2b示出了旋转角在时间t0和t1之间从φM到φR平滑变化的情况下由关系发生器89所产生的旋转角-时间曲线。图4c示出了与图4b中的旋转角-时间曲线相对应的角加速度-时间曲线。关系发生器89含有一个第一电输出端99，用于提供根据角加速度-时间曲线所需的角加速度和节流阀设备的可旋转部分的惯性力矩的积的前馈控制信号UFF。信号UFF对应于实现所述角加速度所必需的电磁转矩分量。关系发生器89进一步含有一第二电输出端101，用于提供与由关系发生器89产生的旋转角-时间曲线相关的电参考信号UφR。以此方式，由电动机管理系统提供的瞬时的、间歇的信号Uφ的改变可由关系发生器89转换成由电拖动装置11的动态性能和可控制性来看可行的前馈控制信号UFF和参考信号UφR的关系。
图3进一步示出，第一控制部分81包含一比较器103，其带有用于接收信号Uφφ的第一电输入端105和用于接收参考信号UφR的第二电输入端107。比较器103含有一提供与信号Uφφ和UφR的差异成比例的差值信号UDφ的电输出端109。差值信号UDφ被提供到PID调节器113的电输入端111，该调节器进一步含有提供反馈控制信号UFB的电输出端115。
前馈控制信号UFF和反馈控制信号UFB被分别提供到第一控制部分81的电加法器121的第一电输入端117和第二电输入端119。如图3所示，加法器121进一步含有一用于接收与由第一拖动装置体13施加在第二拖动装置体17上的估计静磁转矩TMS相对应的电信号UMS的第三电输入端123。如上所述把第二拖动装置体17和节流阀门7向软始位置推动的静磁转矩TMS的值依赖于旋转角φ而基本上不依赖于激励机构31的电流。TMS和φ之间的关系由第一和第二拖动装置体13、17的结构和组成决定。所述关系被计算或测量并以表格形式存储在第一控制部分81的电存储器125中，所述存储器含有一用于接收信号Uφφ的电输入端127和用于给加法器121提供信号UMS的电输出端129。通过在所述存储器125中以表格形式存储静磁转矩和旋转角的关系，能够以准确而简单的方式基本无延时地读出静磁转矩。因此，提供信号UMS给加法器121不会增加控制单元75的反应时间。
加法器121包括用于提供对应于将施加在第二拖动装置体17上的所需电磁转矩的电信号UEM。信号UEM是信号UFF、UFB和UMS的数学和。因此，所需的电磁转矩TEM是为实现节流阀门7的角加速度所必须的电磁转矩分量、估计的静磁转矩TMS和由信号UFB表示的反馈电磁转矩分量的和。PID调节器确定信号UFB和UEM的方式使得差值信号UDφ等于零，因此测量的节流阀7的旋转角根据由关系发生器89产生的旋转角-时间曲线准确地改变。由于比较器103通常不确定信号Uφφ和Uφ之间的差值，而是确定信号Uφφ与UφR之间的差值，PID-调节器113对信号UFB和UEM的控制很稳定，因此通常的缠绕效应(wind-upeffect)和PID调节器113的动态过冲不会发生。而且，由于使用了加法器121，PID调节器对信号UFB和UEM的控制非常快。由于信号UFF和UMS被加到信号UFB上，PID调节器不需计算对实现节流阀门7的所需角加速度所必须的电磁转矩分量和为补偿电磁转矩TMS所必须的电磁转矩分量。这些在反馈控制环中通过PID控制器对电磁转矩的计算将要求数个控制器采样次数，多得使电磁转矩TMS和旋转角φ之间的关系强烈非线性，因此控制单元75的响应时会变差，且PID控制器出现不稳定性的机会增加。由于使用加法器121，PID调节器113只需计算一组比前述电磁转矩分量少的电磁转矩分量，例如用于补偿气流压力的分量和用于补偿机械摩擦力的分量。因此，改善了控制单元75的准确性和响应时间。
图3所示，第一控制部分81进一步含有当信号UEM超过一预定限制时限制信号UEM的电限制器133。所述的信号UEM的限制值以下述方式确定：作用在第二拖动装置体17和节流阀门7上的电磁转矩从不超过一预定的最大转矩值。以此方式避免了电拖动装置11的机械损害或误操作以及激励机构29的过热。当由加法器121提供的信号UEM超过所述预定限制值时，信号UEM的值由限制器133调节到所述限制值。
图3进一步示出，控制单元75的第二控制部分83含有一电存储器135，其带有用于从第二控制部分83的输入端87接收信号UEM的第一电输入端137，用于从旋转角度传感器95接收信号Uφφ的第二电输入端139，和用于提供对应于为达到所需电磁转矩TEM必需的激励机构29的电线圈31的电流的电信号UI的电输出端141。电磁转矩TEM的值依赖于第二拖动装置体17的旋转角φ和线圈31的电流值。电磁转矩TEM、旋转角φ和线圈31的电流之间的关系依赖于第一、第二拖动装置体13、17和激励机构29的结构和组成。所述关系被计算或测量并以表格形式存储在存储器135中。以此方式，在测量的旋转角下为达到所需电磁转矩的必需电流值从存储器135中以准确、简单的方式基本无延时地读出。由通常的计算器进行的所需电流的计算会需要一定的时间，多得使电磁转矩、旋转角和电流之间的关系具有强烈的非线性。由于使用了存储器135，由PID调节器113结合加法器121获得的控制单元75的短反应时间不会由第二控制部分83造成损害。
控制单元75进一步含有一比较器143，其带有从第二控制部分83的输出端88接收信号UI的第一输入端145，一用于接收相应于激励机构29的测量电流的电信号UII的第二电输入端147，和一用于提供与信号UI和UIII之间的差异成比例的差值信号UDI的电输出端149。信号UII通过常见的高频滤波器153由电流传感器151。电流传感器151测量由电拖动装置11的电源终端级(power end stage)155提供给激励机构的电流。图3中，只示意性地给出电流传感器151和电源终端级155。进一步，控制单元75含有一PI调节器157，其带有用于接收差值信号UDI的电输入端159和用于提供对应于由电源终端级155提供给激励机构29的电流的电信号UI′的电输出端161。PI调节器157以下述方式确定信号UI′：差值信号UDI等于零，以使由电源终端级155提供给激励机构29的测量电流等于由第二控制部分83确定的所需电流。
如图3进一步所示，电拖动装置11的电源终端级155被供以一恒定电压值，例如由电池供电。电源终端级155含有四个NPN晶体管，即两个上晶体管163、165和两个下晶体管167、169，和两个反相器171，173。晶体管163、165、167、169和反相器171、173采用通常的桥式结构连接。晶体管163、165、167和169以通常的方式由控制单元75的脉冲宽度调节器175驱动，它含有接收由PI调节器157提供的信号UI′的第一电输入端177和接收由电流传感器151提供的信号UII的第二电输入端179。脉冲宽度调制器175的第一电输出端181连接下晶体管167的基极并通过反相器171连接上晶体管163的基极，而脉冲宽度调制器175的第二电输出端183与下晶体管169的基极相连并通过反相器173连接到上晶体管165的基极。信号UI′由脉冲宽度调制器175分别转变成在第一、二电输出端181、183的互补脉冲驱动信号Uc和-Uc。依赖于驱动信号Uc和-Uc的极性，启动下晶体管167和上晶体管165，此时激励机构29的电流朝一个方向流，或者启动下晶体管169和上晶体管163，此时激励机构29的电流向相反方向流动。脉冲宽度调制器175进一步含有用于在信号UII超过预定限制值时限制驱动信号Uc的脉冲宽度的电限制器。以此方式，线圈31的电流脉冲宽度被限制在以激励机构29来看可行的范围内。以此方式避免了会导致激励机构29和电拖动装置11过热的线圈31的过电流。
前述的控制单元75含有一所谓的级联控制结构，对应于所需旋转角的信号Uφ首先被转化成对应于所需角加速度的信号，对应于所需角加速度的信号然后被转化成对应于所需电磁转矩的信号UEM，信号UEM最后被转化成对应于激励机构29的所需电流的信号UI。如上所述，考虑到电拖动装置11的机械和静磁性能，此含有第一、第二控制部分81、83的精制的级联控制结构允许对所需电磁转矩TEM的特定计算，考虑到拖动装置11的电磁性能，可允许对所需电流的特定计算。此精制的级联控制结构可导致控制单元75的反应时间相对平常的控制结构较短，据此所需电流可由反馈控制回路经过设有或很少的中间控制步骤以叠代方式计算。所述常见的控制结构需要较高的叠代计算，因此会导致较长的反应时间，特别是因为所需电流和旋转角之间具有强烈的非线性。
在上面所述的控制单元75中，加法器121的第三输入端123接收相应于由第一拖动装置体13施加在第二拖动装置体17上的估计电磁转矩TMS的电信号UMS。电磁转矩TMS是影响或干扰第二拖动装置体17和节流阀门7的旋转角的内部载荷转矩。第二拖动装置体17的旋转角也由诸如电拖动装置11的轴承上的摩擦和静摩擦力矩的其它内部干扰载荷转矩干扰。第二拖动装置体17的旋转角也受到外部的作用在第二拖动装置体17和节流阀门7上的外部干扰载荷力矩例如在空气流过空气通道3时由气流作用在节流阀门7上的力矩的干扰。图5示出了电拖动装置11的替代控制单元185，其中，控制单元75的电存储器125由所谓的干扰观测器187代替，其是为了基于电拖动装置11和节流阀设备的数学模型计算施加在第二拖动装置体17和节该阀门7上的总的干扰负载力矩而设的，下面更详细描述的干扰观测器187含有用于提供与由干扰观测器187计算的载荷转矩值相对应的电信号UCLT的电输出端189。所述信号UCLT提供到加法器121的第三输入端123。通过使用干扰观测器187，避免了很难的或者不可能的干扰载荷转矩的直接测量。进一步，PID调节器113不需要计算为补偿施加在第二拖动装置体17和节流阀门7上的干扰载荷转矩必须的电磁转矩分量。通过干扰观测器187，PID调节器113只需计算相对较小的实际影响节流阀门7和第二拖动装置体17的载荷转矩和计算的载荷转矩之间的偏差。以此方式，控制单元185的反应时间和准确性被进一步改善。
如上所示，干扰观测器187用于基于节流设备和电拖动装置11的数学模型，计算施加在第二拖动装置体17和节流阀门7上的载荷转矩，以致可以避免载荷转矩的较难和不可靠的测量。干扰观测器187的数学模型基于下面的三个一阶微分方程：
        J.dω/dt＝k(φ).IACT-TLOAD          (1)
        ω＝dφ/dt                            (2)
        dTLOAD/dt＝0                         (3)等式(1)是节流阀门7和第二拖动装置体17的运动方程，其中，J是节流设备的可旋转部分的惯性力矩，ω是节流设备的可旋转部分的角速度，K(φ)·IACT是作用在第二拖动装置体17上的电磁转矩TEM，K(φ)是依赖于旋转角φ的系数，IACT是激励机构29的电流，TLOAD是施加在节流阀门7和第二拖动装置体17上的载荷转矩。等式(2)描述了节流阀7的角速度ω和旋转角φ之间的关系。等式(3)含有载荷转矩的简化假设，即载荷转矩是恒定值。
因为激励机构29的电流IACT的值是由控制单元75的PI调节器157而不是由供以电拖动装置11的电源终端级155的电压所决定，所以支持干扰观测器187的数学模型能够舍去描述激励机构29的电流和电压之间关系的第四个方程。如图5所示，干扰观测器187含有一个用于接收由电流传感器151提供的对应于激励机构29的测量电流的信号UII的第一电输入端191。干扰观测器187基于输入信号UII和上面的三个微分方程(1)、(2)和(3)，计算旋转角φ、角速度ω和载荷转矩TLOAD。因为支持干扰观测器187的数学模型只含三个一阶微分方程，干扰观测器187相对简单且适于在线计算。
以矩阵形式，含有等式(1)、(2)和(3)的方程组如下所示： dφ / dt dω / dt d T LOAD / dt = 0 1 0 0 0 - 1 / J 0 0 0 · φ ω T LOAD + 0 1 / J 0 . k ( φ ) . I ACT . 进一步，干扰观测器187基于如下离散化：
φk+1＝φk+T.ωk+T2/2J.k(φ).IACT-T2/2J.TLOAD，k；
ωk+1＝ωk+T/J.k(φ).IACT-T/J.TLOAD，k；其中，φk+1和ωk+1是干扰观测器187在时间点k+1处计算的旋转角和角速度的值，其中，φk，ωk和TLOAD，k是由干扰观测器在时间点K处计算的旋转角。角速度和载荷转矩的值，其中T是时间点K和K+1之间的时间间隔。通过离散，方程组(1)、(2)和(3)以矩阵形式如下所示：
Xk+1＝Φ.Xk+H.k(φ).IACT；其中， x k = φ k ω k T LOAD , k ; x k + 1 = φ k + 1 ω k + 1 T LOAD , k + 1 , Φ = 1 T T 2 / 2 J 0 1 - T / J 0 0 1 ; H = T 2 / 2 J T / J 0 矢量Xk和Xk+1是时间点k和k+1处的状态矢量，矩阵φ是系统矩阵，矩阵H是输入矩阵。
方程(1)，(2)和(3)以计算机程序形式植入干扰观测器187中。图6示出了代表计算机程序的一组功能块形式的干扰观测器187。如上所示，干扰观测器187含有用于接收与激励机构29的测量电流IACT相对应的信号UII的第一电输入端191。而且干扰观测器125含有用于接收对应于测量的旋转角的信号uφφ的第二电输入端193。信号Uφφ被干扰观测器187以如下所述方式所使用。图6进一步示出，干扰观测器187含有一第一功能块195，其是为了对值IACT乘以一代表系数K(φ)的平均值的恒定系数K而设的。可替换的是，功能块195可以含有例如以表格形式的-K(φ)和φ之间的关系，其中，功能块195含有用于接收输入信号Uφφ的输入端197。图6中，替代输入197如虚线所示。干扰观测器187进一步含有一用于输入矩阵H乘以值K.IACT或值K(φ)·IACT的第二功能块199，该功能块的输出端代表矢量H.K(φ).IACT。干扰观测器187进一步含有一用于把矢量H.K(φ).IACT和以后所述的矢量XCORR相加的第三功能块201，该功能块的输出代表新的状态矢量Xk+1。进一步，干扰观测器187含有将新的状态矢量Xk+1的分量TLOAD，k+1提供给干扰观测器187的输出端189的第四功能块203。进一步，第四功能块203把状态矢量Xk+1提供给第五功能块205，该功能块把状态矢量Xk+1乘以系统矩阵φ。第五功能块205的输出代表值φ.Xk。
如上所示，干扰观测器187基于方程(1)，(2)和(3)计算旋转角φ、角速度ω和载荷转矩TLOAD的值。因为旋转角φ的值由旋转角度传感器95测量，旋转角的测量值能够用于改正支持干扰观测器187的数学模型的不正确性和方程(1)、(2)和(3)的离散的不正确性。为此，干扰观测器187含有一第六功能块207，其用于比较由输入信号Uφφ代表的旋转角的测量值和由第四功能块203提供的旋转角的计算值φk+1。第六功能块207的输出值Δφ相应于所述旋转角的测量值和计算值之间的偏差，并被引至把修正矩阵L乘以值Δφ的第七功能块209。修正矩阵L含有分别修正旋转角计算值、角速度计算值和载荷转矩的计算值的第一加权因子L1、第二加权因子L2和第三加权因子L3。所述加权因子由所谓的公开极置(pole-placement)方法确定，该方法是公知和常用的。第七功能块209的输出矢量L.Δφ被引至用于把第七功能块的输出矢量L.Δφ与矢量φ.Xk相加的干扰观测器187的第八功能块211。以此方式，第八功能块211的输出矢量如下所示：
             XCORR＝φ.Xk+L.Δφ；
其中， L = L 1 L 2 L 3 .
因此，新的状态矢量Xk+1为：
             Xk+1＝Φ.Xk+H.k(φ).IACT+L.Δφ.
在上面所述的电拖动装置11中，第一拖动装置体13施加一静磁转矩在第二拖动装置体17上，所述静磁转矩依赖于相对于第一拖动装置体13的第二拖动装置体17的旋转角确定。本发明也涉及其他类型的电拖动装置，其带有第一拖动装置体、相对第一拖动装置体可旋转一定角度的第二拖动装置体，施加电磁转矩在第二拖动装置体上的激励机构和控制所述旋转角的控制单元。以便代替或辅助静磁转矩而在第二拖动装置体上施加机械弹簧转矩。拖动装置可以，例如配有一机械扭转弹簧，在此情况下，第一控制部分81的存储器125被取消或由其中以表格形式存储了所述机械弹簧转矩和旋转角之间的关系的存储器代替，所述存储器提供一与估计的机械弹簧转矩相应的电信号。
与所需电磁转矩相应的信号UEM也可以替代的方式由第一控制部分81确定，而与所需的激励机构29的电流相应的信号UI也可以替代的方式由第二控制部分83确定。在第一控制部分81中，例如，关系发生器89可以被取消或应用带有信号Uφ和Uφφ作为输入信号的比较器。进一步，存储器125可以被含有静磁转矩和旋转角之间数学关系的计算器替代。进一步，依赖于电拖动装置的结构和组成，依赖旋转角施加在第二拖动装置体上的不同载荷转矩可以由存储器125或计算器确定，而不是由静磁转矩确定。最后，第二控制部分83的存储器135可以由含有电磁转矩、第二拖动装置体的旋转角和激励机构电流之间的数学关系的计算器替代。
最后，本发明的电拖动装置也可以用于其他设备，其中，轴的角位位置可以被控制到一恒定的或可变的角度。该电拖动装置可以，例如用于化学工厂和电站的伺服驱动节流阀中或用于使航空器的控制面转向的设备中。拖动装置也可以用于所谓的无传输的初级拖动装置，其中，拖动装置直接驱动一将要被移开的部分，如在上述的本发明的实施例中，或者在把一转动转化为另一转动或线性运动的组合中，某一部分的线性位置能由电拖动装置精确地控制。

Claims (15)

1.一电拖动装置，含有一第一拖动装置体，一相对第一拖动装置体绕旋转轴可旋转一定角度的第二拖动装置体，用于在第二拖动装置体上施加电磁转矩的电激励机构，和用于控制第二拖动装置体旋转角的电控制单元，所述控制单元含有用于接收相应于第二拖动装置体所需旋转角的电信号的一电输入端和用于提供相应于所需激励机构电流的电信号的电输出端，其特征在于，控制单元含有第一控制部分，其带有用于接收相应于所需旋转角的信号的电输入端和用于在第二拖动装置体上提供相应于所需电磁转矩的电信号的电输出端，和第二控制部分，其带有用于接收相应于所需电磁转矩的信号的电输入端和用于提供相应于所需电流的信号的电输出端。
2.如权利要求1所述的电拖动装置，其特征在于，第一控制部分含有一电加法器，其带有用于提供相应于所需电磁转矩的信号的电输出端，该加法器含有用于接收由相应于所需旋转角的信号所确定的前馈控制信号的第一电输入端和用于接收由相应于所需旋转角的信号和由旋转角传感器所提供的并相应于第二拖动装置体的测量旋转角的信号所确定的反馈控制信号的第二电输入端。
3.如权利要求2所述的电拖动装置，其特征在于，第一控制部分含有一关系发生器，其带有用于接收相应于所需旋转角的信号的第一电输入端，用于接收相应于测量旋转角的信号的第二电输入端，和用于提供由关系发生器产生的相应于旋转角-时间曲线的一电参考信号的电输出端，前馈控制信号与第二拖动装置体的相应于旋转角-时间曲线的所需角加速度成比例。
4.如权利要求3所述的电拖动装置，其特征在于，该第一控制部分含有一比较器，其带有用于接收相应于测量旋转角的信号的第一电输入端，用于接收参考信号的第二电输入端，和用于提供与对应于测量旋转角的信号和参考信号之间的差异成比例的差值信号的一电输出端，第一控制部分进一步含有一调节器，其带有用于接收差值信号的一电输入端和一用于提供反馈控制信号的一电输出端。
5.如权利要求2所述的电拖动装置，其特征在于，加法器含有一用于接收相应于载荷转矩的电信号的第三电输入端，该载荷转矩被施加在第二拖动装置体上并依赖于第二拖动装置体的旋转角而基本上独立于激励机构的电流。
6.如权利要求5所述的电拖动装置，其特征在于，载荷转矩是由第一拖动装置体施加在第二拖动装置体上的静磁转矩。
7.如权利要求5所述的电拖动装置，其特征在于，第一控制部分含有一电存储器，其带有用于接收相应于测量旋转角的信号的电输入端和用于提供相应于载荷转矩的信号的电输出端，存储器被提供载荷转矩和旋转角之间的表格关系。
8.如权利要求2所述的电拖动装置，其特征在于，第一控制部分含有一干扰观测器，其基于电拖动装置的数学模型用于计算施加在第二拖动装置体上载荷转矩，加法器含有第三电输入端，其用于接收对应于由干扰观测器计算的载荷转矩值的干扰观测器的电输出信号。
9.如权利要求1所述的电拖动装置，其特征在于，第一控制部分含有用于在所述信号超过限定值时控制相应于电磁转矩的信号的电限制器。
10.如权利要求2所述的电拖动装置，其特征在于，第二控制部分含有一电存储器，其带有用于接收相应于所需电磁转矩的信号的第一电输入端，用于接收相应于测量旋转角的信号的第二电输入端，和用于提供相应于所需电流的信号的电输出端，该存储器被提供以电磁转矩、旋转角和电流之间的表格关系。
11.如权利要求1所述的电拖动装置，其特征在于，该控制单元含有一比较器，其带有用于接收相应于所需电流的信号的第一电输入端，用于接收由电流传感器提供的相应于激励机构的测量电流的电信号的第二电输入端，和用于提供与在相应于所需电流的信号和相应于测量电流的信号之间的差异成比例的差值信号的电输出端，控制单元进一步含有一调节器，其带有用于接收所述差值信号的电输入端和用于提供相应于供应到激励机构的电流的电信号的一电输出端。
12.如权利要求8所述的电拖动装置，其特征在于，干扰观测器带有用于接收相应于激励机构的测量电流的信号的电输入端，干扰观测器基于电拖动装置的三个状态方程计算第二拖动装置体的旋转角、角速度和载荷转矩。
13.如权利要求12所述的电拖动装置，其特征在于，该干扰观测器进一步含有一用于接收相应于测量旋转角的电输入端，用于确定测量旋转角和计算旋转角之间偏差的比较器，和用于通过与所述偏差成比例的值修正计算旋转角、计算角速度和计算载荷转矩。
14.如权利要求1所述的电拖动装置，其特征在于，控制单元含有用于在所述信号超过一预定限定值时限制相应于电流的信号的电限制器。
15.在内燃机的空气入口处应用的节流阀设备，其中，节流阀设备含有一节流阀门壳，与空气入口处可连接的空气通道，位于节流阀门壳之中以在空气通道中可旋转的节流阀门，和用于转动节流阀门的电拖动装置，其特征在于，该电拖动装置是上述任一权利要求所述的电拖动装置。
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