CN110855197B - 用于电整流的电动机的自适应的保持通电 - Google Patents

用于电整流的电动机的自适应的保持通电 Download PDF

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Abstract

一种用于在具有至少两个绕组(A、B、S12、S23、S31)的电整流的电动机(10)的静止状态下产生保持力矩的方法，在静止状态下有时变化的负载力矩从外部作用到该电动机上，在该方法中，首先把具有最大值的保持电流馈入到第一绕组(A、B、S12、S23、S31)中。该保持电流连续地必要时减小至最小值。从这起，如果在电感的实际值与给定值之间的调控偏差超过了预定的阈值，调控电动机(10)的电感，确切地说，通过控制保持电流予以调控。由此可以自适应地调控保持电流，只要通过改变保持电流即使负载力矩变化也可以保持电动机(10)的静止状态。

Description

用于电整流的电动机的自适应的保持通电
技术领域
本发明涉及一种用于在具有至少两个绕组的电整流的电动机的静止状态下产生保持力矩的方法和装置，在静止状态下有时变化的负载力矩从外部作用到该电动机上，该负载力矩不超过预先设定的最大值。特别地，本发明涉及在无传感器的电动机、特别是无传感器的步进电机的静止状态下产生保持力矩。
背景技术
客户对电气调节驱动装置(Stellantriebe)的要求，除了有在正常工作或行进工作中的扭矩外，还经常有保持力矩，在从外部作用负载力矩时，在静止状态下调节驱动装置必须保持静止，直至该保持力矩。在带有用于电整流的传感器比如电位计、霍尔传感器的电整流的电动机情况下，或者在成本高昂的、采用特殊方法比如“维图-霍尔(Virtu-Hall)”的BLDC-电机系统情况下，对于静止直至设定的保持力矩的要求存在一些解决方案。在此，当前市面上的全部解决方案的共同之处是，这些解决方案相当繁琐，因此出于商业原因，很少适合于较小的成本低廉地提供的调节驱动装置。
一种电整流的电动机的整流不使用传感器进行，即无传感器地进行，对于这种电动机，对保持力矩的要求通常通过在调节驱动装置的静止状态下恒定的保持通电来达到，由此，即使在机械上不需要或者仅需要微小的保持力矩，也需要连续的电能用来维持静止状态。
由US 2013/0193889 A1已知一种针对电整流的电动机用于减小用来维持转子位置的保持电流的方法。该方法利用霍尔传感器工作，以便识别出要维持的转子位置的变化。此外执行多个迭代步骤，在这些迭代步骤中，减小的保持电流围绕其需要用来维持转子位置的目标值振荡，这不利地导致噪声和电磁辐射。
由DE 10 2009 030 884 A1和US 2007/0252587已知，借助电机电感的大小及其变化来探测电整流的电动机的转子位置。
在WO 88/02952 A1、WO 2009/071267 A1和US 4 272 714 A中记载了电整流的电动机的不同的控制电路。
发明内容
本发明的目的是，改善对无传感器地电整流的电动机的保持通电。
为了实现该目的，本发明提出一种用于在具有至少两个绕组的电整流的电动机的静止状态下产生保持力矩的方法和装置，在静止状态下有时变化的负载力矩从外部作用到该电动机上，该负载力矩不超过设定的最大值，其中，在该方法中，
a)把具有最大值的保持电流馈入到第一绕组的接头中，该保持电流补偿设定的、从外部作用到电动机上的最大负载力矩；
b)确定电机电感参数，并且该电机电感参数的大小形成初始值，该电机电感参数表示在静止状态下用最大保持电流给电机通电时该电机的电感；
c)通过连续地减小保持电流，试图实现使得电机电感参数相对于初始值的量值偏差大于设定的调控偏差；
d)对于未产生电机电感参数的这种偏差的情况，在达到保持电流的设定好的最小值时，结束减小保持电流，然后把电机电感参数的量值调控到一个值，该值与电机电感参数的在调控开始时产生的调控输出值相差不大于调控偏差；
e)对于在步骤c)中产生电机电感参数的偏差量值大于设定好的调控偏差的情况，把电机电感参数的量值调控到一个值，该值与电机电感参数的在调控开始时产生的调控输出值相差不大于调控偏差；
f)采用该调控，通过改变保持电流，来补偿因负载力矩变化引起的、其变化的量值大于调控偏差的电机电感参数变化，但其中保持电流选取得不小于设定好的最小值，并且不大于设定好的最大值。
因此本发明有益地提出，自适应地调控保持电流，其中为了维持具有至少两个绕组的电整流的电动机的静止状态需要该保持电流，其中，该方法可应用于无传感器的电整流的电动机。在此，在电动机的静止状态开始时，把最大的保持电流馈入到电动机的第一绕组的接头中。该保持电流的大小经过设计，使得它承接因应用引起的出现的最大负载力矩，从而电动机保持在静止状态。接着，开始连续地减小保持电流。在这个阶段期间，确定表示电动机电感的参数的大小或值。因为电动机电感在施加到电机上的负载力矩导致电动机转子位置改变时发生变化。现在要通过减小保持电流来有意地引起该状态。当保持电流达到设定好的最小值时，结束减小保持电流。如果直到那时电动机转子位置尚未改变，则这表明，施加的负载力矩比较小或者不存在。
随着达到保持电流的最小值，切换至调控电机电感参数。从现在起，只要电机电感参数改变大于设定好的调控偏差大小，则调控保持电流，该调控偏差大小可以等于零或不等于零。于是由此现在可以把电机电流的大小匹配和调节到保持电流馈送所需要的水平，以便根据变化的负载力矩使得电动机保持在静止状态下。
根据本发明，从连续地减小保持电流到保持电流调控的过渡在无迭代步骤的情况下进行，即并不中间连接两点控制装置(Zwei-Punkt-Steuerung)，在所述两点控制装置的情况下，保持电流的实际值会围绕其目标值或给定值振荡。确切地说，在从根据本发明的调控开始，就是进行连续的调控。
存在各种不同的在电动机的静止状态下可以检测或确定哪个值，以便得到表示电机电感的参数的例子。已表明有益的是，电机电感参数借助再循环时段来确定，当在保持通电情况下把测试电流馈入到另一绕组(其不同于保持电流被馈入的那个绕组)中时，产生该再循环时段。测试电流馈入有益地以测试脉冲的形式进行。
原则上，对电机电感大小的检测可以借助传感器例如感应式地工作的传感器进行。但明显有利的是，在这方面无传感器地工作，这将在下面借助不同的实施例予以介绍。
因此在本发明的另一有益的设计中，在这方面规定：电动机借助带有驱动器末级的驱动器电路予以控制，该驱动器末级指配给电动机的绕组接头；借助放电电流探测器来确定作为脉冲馈入的测试电流的下降，该放电电流探测器指配给电动机的绕组的接头，测试电流作为脉冲馈入到该绕组中；再循环时段借助放电电流探测器的输出信号来确定，即相对于测试脉冲产生时间点借助输出信号的出现时间点来确定。
在前述实施例中，有利地当测试电流或测试脉冲的值下降到最小值以下时，放电电流探测器产生输出信号。
在本发明的另一有益的设计中可以规定：在电动机实现为单极的步进电机时，除了对于单极步进电机常见的驱动器末级外，还为每个驱动器末级采用了钳位电路，该钳位电路在再循环时段期间把如下绕组接头上的电压限制到设定值：测试电流作为脉冲已被馈入到该绕组接头中；放电电流探测器用信号表示电压限制的结束，其中，借此(即借助该时间点)来确定再循环时段。
最后，在本发明的另一设计中可以规定：电动机借助具有电流斩波补偿器的电流斩波电路予以控制；通过第一绕组的接头的电流斩波控制来对保持电流进行馈入；在电流斩波控制的时钟周期开始时，在第一绕组的接头中馈入电流，直至上升到设定值，随后下降直至时钟周期结束时；从时钟周期开始，直至时钟周期内的在电流达到设定值时的时间点，采用斩波时长作为电机电感参数。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明也采用了一种用于在具有至少两个绕组的电整流的电动机的静止状态下产生保持力矩的装置，在静止状态下有时变化的负载力矩从外部作用到该电动机上，该负载力矩不超过设定的最大值，该装置带有：
-保持电流产生单元，用于把保持电流馈入到电动机的第一绕组的接头中；
-电机电感检测单元，用于检测电机电感参数，该电机电感参数表示在电动机的静止状态下电机电感的值；
-调节器，用于在电动机的静止状态下调控保持电流，旨在补偿从外部作用到电动机上的、有时变化的负载力矩，其中，把作为参考变量的电机电感参数给定值与作为反馈变量的电机电感参数实际值之间的差作为调控偏差输送给调节器，其中，电机电感参数实际值是基于在静止状态下馈入的保持电流的大小和作用到电动机上的负载力矩的大小而产生的值，其中，调节器把作为调节参数的信号输出至保持电流产生单元；
-控制单元，其用于
-在电动机的静止状态下对保持电流产生单元进行控制，以便馈入最大保持电流，用来补偿在电动机的静止状态下有可能从外部作用到电动机上的最大负载力矩；
-控制电机电感检测单元，旨在检测当用最大保持电流给电动机通电时的电机电感参数；
-在第一工作模式与第二工作模式之间切换，在第一工作模式下利用控制单元对保持电流产生单元进行控制，在第二工作模式下利用调节器对保持电流产生单元进行控制，
-控制保持电流产生单元，用于馈入从最大保持电流起连续地减小的保持电流，用来在调节器的输入端引起比可设定的阈值大的调控偏差，其中，对保持电流产生装置的这种控制最迟在保持电流减小至可设定的最小电流时结束，
-激活调节器的功能，用来当在保持电流的连续减小期间调节偏差大于阈值时把对保持电流产生装置的控制从控制单元切换至调节器，确切地说，用来把电机电感调控到电机电感参数的在调节器功能激活时产生的调控输出值的大小。
有益地，本发明的装置采用了测试电流产生单元，用于在电动机的静止状态期间产生馈入到不同于第一绕组的另一绕组中的测试脉冲，其中，电机电感检测单元检测由馈入测试脉冲产生的再循环时段作为电机电感参数。
在本发明的前述变型中，可以附加地设置驱动器电路，该驱动器电路带有指配给电动机的绕组接头的驱动器末级和放电电流探测器，该放电电流探测器指配给电动机的如下绕组的接头：测试脉冲可馈入到该绕组中，其中，可借助放电电流探测器的输出信号来确定再循环时段。
在此可以有益的是，当测试电流的值下降到最小值以下时，放电电流探测器产生输出信号。
在把电动机实现为单极步进电机时，最好给每个驱动器末级都在电动机的绕组(测试脉冲可馈入到该绕组中)上设置一个用于把电压限制到设定值的钳位电路，其中，放电电流探测器在减小到设定值以下时输出输出信号。
在本发明的装置的另一种有益的设计中可以规定，保持电流产生单元具有电流斩波电路，用于对第一绕组的接头予以电流斩波控制；在电流斩波控制的时钟周期开始时，在第一绕组的接头中馈入电流，直至上升到设定值，随后下降直至时钟周期结束时；从时钟周期开始，直至时钟周期内的在电流达到设定值时的时间点，斩波时长是表示电机电感的电机电感参数。
根据本发明，在无传感器的电整流的电动机例如设计成双极的步进电机时，两个绕组之一用于在静止状态下馈入可调节的保持电流。根据控制方案而定，这可以通过电流源、斩波电流发生器或者PWM-产生机构来进行。在特定的时间例如把测试电流调制到第二绕组上，确切地说，最好周期性地把如下测试脉冲调制到第二绕组上：这些测试脉冲的输入能量尽量小，其调制经过选取，从而出现尽量小的或者不出现机械的和声音的干扰。电子分析装置于是检测该测试脉冲的衰减特性，进而检测其再循环时段。
该电子分析装置与用于产生测试脉冲的装置一起，结合以通常的驱动器电路，被视为用于实现本发明的方法的本发明的装置的一种实施方式。
在试验中已表明，所得到的测量值几乎独立于保持电流的大小，但测量值与作用于电机的负载力矩有关。这种负载力矩导致转子的机械位置的轻微的变化，其有时也称为“拖动损失(Schleppverlust)”或“相角”。
转子的机械位置的所述轻微的变化对电机电感有影响，进而对电子分析装置的测量结果有影响，该电子分析装置检测测试脉冲的衰减特性，进而检测其再循环时段。
用来实施本发明的通常做法例如是，电动机在经过特定于应用的工作之后首先停止，并且如通常那样被施加以最大的保持电流，该保持电流在特定的最大的机械负载状态下保证特定的保持力矩。根据本发明，然后最迟从该时间点起例如把上述测试脉冲馈入到另一绕组中，该绕组不同于被馈入保持电流的绕组。
然后连续地减小保持电流，并且连续地如上述那样继续分析。在把机械的负载力矩施加到电机上的情况下，于是在保持电流减小时，测量值开始漂移，如上所述。如果情况如此，则根据本发明，一旦漂移程度超过了设定的阈值，则忽略保持电流的进一步减小。
在优选的实施方式中，因而基于此实现一种调节系统，其对保持电流予以调节，从而不发生转子位置损失，并且在机械的负载力矩下降时减小保持电流，而在机械的负载力矩上升时增大保持电流。
对于单极的步进电机，前述方法可以采用在物理上相同的方式来实施。
根据无传感器地电整流的电动机的类型而定，本发明可以相应调整地予以实施，其中，可以保证用于确定电机电感的测量信号与保持电流的大小的上述独立性。
采用本发明，甚至对于成本低廉的采用无传感器地电整流的电动机的调节驱动装置也能自适应地实现保持通电，就像目前仅仅对于带传感器的系统或者对于带有复杂的BLDC系统(其具有高的进而耗费的计算功率)的系统那样可行。
附图说明
下面借助多个实施例以及参照附图详述本发明。在此具体地：
图1示出带有自适应保持通电的双极步进电机的布线范例；
图2示出带有自适应保持通电的双极电机的示例性的特性；
图3示出带有自适应保持通电的单极步进电机的范例；
图4示出带有自适应保持通电的三相电动机的范例。
具体实施方式
如图1中所示，可以扩展对双极步进电机10的控制，用于自适应的保持通电。利用两个绕组之一A或B来馈送可调节的保持电流，其中，通过至少一种下述方法来产生保持电流：
-可调节的电流源；
-可调节的电流阱；
-占空比可调节的PWM-调制；或者，
-电流阈值可调节的斩波电流控制。
测试电流被调制到第二绕组上，该测试电流的输入能量尽量小，把对该测试电流的调制选取成出现尽量小的机械干扰和声音干扰。
对双极步进电机的常见控制包括末级12、14、16和18，这些末级与绕组接头A0、A1、B1、B0连接，如图1中所示。图1中借助末级12示范性地示出了末级的结构。末级12包括与VS1(例如VBAT)或VS2(例如GND)连接的高侧驱动器20和低侧驱动器22。对两个驱动器的控制借助控制单元24进行。同样设置了例如被设计成放电电流探测器27的再循环探测器26。
为了保持通电，存在调节器28，该调节器为每个驱动器末级都产生输出信号，该输出信号被输送给相关驱动级的控制单元24。由再循环探测器26输出信号，对每个驱动级都在计数器30中计数这些输出信号。再循环探测器26的输出信号按测试脉冲的馈送顺序产生，这些测试脉冲由测试脉冲发生器形式的测试电流产生单元32产生。
在图1所示的实施例中，测试电流产生单元32产生测试脉冲，这些测试脉冲被输送给绕组A的接头A0或接头A1。指配给绕组A的接头A0或接头A1的末级12、14的再循环探测器26然后提供信号，这些信号被输送给计数器30。由此采用测量技术检测再循环时段。根据再循环时段的大小，调节器28调节保持电流，或者调节器28控制保持电流产生装置34，该保持电流产生装置最终是用来控制与绕组B的接头B0和B1连接的末级的驱动器20、22的控制单元。
控制单元36本身可以在自适应的保持电流调节开始时控制保持电流产生装置34，确切地说，旨在减小保持电流。保持电流的这种减小持续至达到保持电流的最小值，但也可以持续至识别出再循环时段的超出可设定的最小量值的变化。在两者情况下，切换至调节器28，从而从那时起通过保持电流对再循环时段进行调节。
在图1中用虚线示出一些信号线路。只有在如下时候才需要这些信号线路：本发明关于测试脉冲和保持电流方面也以相反的绕组配置使用，或者该方法也应用于绕组的相应的第二接头。在该方法应用于全部绕组时，将实现对保持位置的维持的最精细的调节精度。
图2示出，所得到的测量值几乎独立于保持电流的大小，但与作用于电机的负载力矩有关。
图3示出本发明应用于单极的步进电机。只要该单极的步进电机的图3中所示的布线部件与图1中所示的组件相同或功能相同，则在图3中给它们标有与图1中相同的标号。
除了与绕组接头A0、A1、B1、B0连接的各个末级12、14、16、18的组件外，这些末级在根据图3的实施例中还分别具有钳位电路38。为此省去了高侧驱动器。
对于图3也适用的是，如果该方法关于测试脉冲和保持电流方面也以相反的绕组配置使用，则那里需要虚线所示的信号线路。在该方法应用于全部绕组时，将实现对保持位置的维持的最精细的调节精度。
在图4中示出了本发明的应用的最后一个实施例，电整流的电动机在这种情况下设计成三相步进电机，且没有整流传感器。
只要单极的步进电机的图4中所示的布线部件与图1中所示的组件相同或功能相同，就在图4中给它们标有与图1中相同的标号。图4中也用虚线示出了一些信号线路，这意味着，在如下时候需要这些信号线路：该方法关于测试脉冲和保持电流方面也以相反的绕组配置使用。在该方法应用于全部绕组时，将实现对保持位置的维持的最精细的调节精度。
已参照图1～4介绍了三个实施例，其中，对于根据本发明的自适应的保持通电相关的模块分别用阴影线标出。根据所希望的系统性能而定，可以足够的是，把分析局限于一个或多个驱动器末级。在该方法应用于全部绕组、进而利用全部末级时，将实现根据本发明可能的保持位置维持的最精细的调节精度。

Claims (12)

1.一种用于在具有至少两个绕组的电整流的电动机的静止状态下产生保持力矩的方法，在静止状态下有时变化的负载力矩从外部作用到该电动机上，其中，在该方法中，
a)把具有能够设定的最大值的保持电流馈入到第一绕组的接头中；
b)确定所述电动机的电机电感参数，并且该电机电感参数的大小形成初始值，该电机电感参数表示在静止状态下用最大保持电流给电动机通电时该电动机的电感；
c)通过连续地减小保持电流，试图实现使得电机电感参数相对于初始值的量值偏差大于设定的调控偏差；
d)对于未产生电机电感参数的这种偏差的情况，在达到保持电流的设定好的最小值时，结束减小保持电流，然后把电机电感参数的量值调控到一个值，该值与电机电感参数的在调控开始时产生的调控输出值相差不大于调控偏差；
e)对于在步骤c)中产生电机电感参数的偏差量值大于设定好的调控偏差的情况，把电机电感参数的量值调控到一个值，该值与电机电感参数的在调控开始时产生的调控输出值相差不大于调控偏差；
f)采用该调控，通过改变保持电流，来补偿因负载力矩变化引起的、其变化的量值大于调控偏差的电机电感参数变化，但其中保持电流选取得不小于设定好的最小值，并且不大于设定好的最大值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，作为电机电感参数，采用再循环时段，在该再循环时段内，作为脉冲馈入到不同于所述第一绕组的另一绕组中的测试电流从其馈入起下降至能够设定的最小值。
3.如权利要求2所述的方法，其中，借助带有驱动器末级的驱动器电路控制所述电动机，该驱动器末级指配给所述电动机的绕组接头；借助放电电流探测器来确定作为脉冲馈入的测试电流的下降，该放电电流探测器指配给所述电动机的如下绕组的接头：测试电流作为脉冲馈入到该绕组中；以及借助所述放电电流探测器的输出信号确定再循环时段。
4.如权利要求3所述的方法，其中，当测试电流的值下降到最小值以下时，所述放电电流探测器产生输出信号。
5.如权利要求3所述的方法，其中，在所述电动机实现为单极的步进电机时，除了对于单极步进电机常见的驱动器末级外，还为每个驱动器末级采用了钳位电路，该钳位电路在再循环时段期间把如下绕组接头上的电压限制到设定值：测试电流作为脉冲已被馈入到该绕组接头中；并且放电电流探测器用信号表示电压限制的结束，其中，借此来确定再循环时段。
6.如权利要求1所述的方法，其中，电动机借助具有电流斩波补偿器的电流斩波电路予以控制；通过所述第一绕组的接头的电流斩波控制来对保持电流进行馈入；在电流斩波控制的时钟周期开始时，在所述第一绕组的接头中馈入电流，直至上升到设定值，随后下降直至时钟周期结束时；以及从时钟周期开始，直至时钟周期内的在电流达到设定值时的时间点，采用斩波时长作为电机电感参数。
7.一种用于在具有至少两个绕组的电整流的电动机的静止状态下产生保持力矩的装置，在静止状态下有时变化的负载力矩从外部作用到该电动机上，该装置带有：
-保持电流产生单元，用于把保持电流馈入到电动机的第一绕组的接头中；
-电机电感检测单元，用于检测电机电感参数，该电机电感参数表示在所述电动机的静止状态下电机电感的值；
-调节器，用于在所述电动机的静止状态下调控保持电流，旨在补偿从外部作用到所述电动机上的、有时变化的负载力矩，其中，把作为参考变量的电机电感参数给定值与作为反馈变量的电机电感参数实际值之间的差作为调控偏差输送给所述调节器，其中，电机电感参数实际值是基于在静止状态下馈入的保持电流的大小和作用到所述电动机上的负载力矩的大小而产生的值，其中，调节器把作为调节参数的信号输出至所述保持电流产生单元；
-控制单元，其用于
-在所述电动机的静止状态下对所述保持电流产生单元进行控制，以便馈入最大保持电流；
-控制电机电感检测单元，旨在检测当用最大保持电流给所述电动机通电时的电机电感参数；
-在第一工作模式与第二工作模式之间切换，在第一工作模式下利用所述控制单元对所述保持电流产生单元进行控制，在第二工作模式下利用调节器对所述保持电流产生单元进行控制，
-控制所述保持电流产生单元，用于馈入从最大保持电流起连续地减小的保持电流，用来在所述调节器的输入端引起比能够设定的阈值大的调控偏差，其中，对所述保持电流产生单元的这种控制最迟在保持电流减小至能够设定的最小电流时结束，
-激活所述调节器的功能，用来当在保持电流的连续减小期间调节偏差大于阈值时把对所述保持电流产生单元的控制从所述控制单元切换至所述调节器，确切地说，用来把电机电感调控到电机电感参数的在所述调节器的功能激活时产生的调控输出值的大小。
8.如权利要求7所述的装置，其中具有一种测试电流产生单元，用于在所述电动机的静止状态期间产生馈入到不同于所述第一绕组的另一绕组中的测试脉冲，其中，电机电感检测单元检测由馈入测试脉冲产生的再循环时段作为电机电感参数。
9.如权利要求8所述的装置，其中具有驱动器电路，该驱动器电路带有指配给所述电动机的绕组接头的驱动器末级和放电电流探测器，该放电电流探测器指配给所述电动机的如下绕组的接头：测试脉冲能够馈入到该绕组中，其中，能够借助所述放电电流探测器的输出信号来确定再循环时段。
10.如权利要求9所述的装置，其中，当测试电流的值下降到能够设定的最小值以下时，所述放电电流探测器产生输出信号。
11.如权利要求9所述的装置，其中，在把所述电动机实现为单极步进电机时，给每个驱动器末级都在所述电动机的、测试脉冲能够馈入到其中的绕组上设置一个用于把电压限制到设定值的钳位电路，其中，所述放电电流探测器在减小到设定值以下时输出输出信号。
12.如权利要求7所述的装置，其中，所述保持电流产生单元具有电流斩波电路，用于对所述第一绕组的接头予以电流斩波控制；在电流斩波控制的时钟周期开始时，在所述第一绕组的接头中能够馈入电流，直至上升到设定值，随后下降直至时钟周期结束时；从时钟周期开始，直至时钟周期内的在电流达到设定值时的时间点，斩波时长是表示电机电感的电机电感参数。
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