CN112398368A - 静止模式下能耗较低的ec电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种EC电动机和一种针对性地改变当前未换向的EC电动机(1)的转子(2)的角位置(θ)的位置的方法，借助至少一个霍尔传感器测定所述转子的角位置(θ)，借助预定的短电流脉冲(I)将所述转子移至与所述转子(2)静止时的机械旋转有关的处于0°至360°之间的角位置(θ_i)，在所述角位置上，所述电动机控制装置的能耗(E(θ))具有局部最小值。

Description

静止模式下能耗较低的EC电动机

技术领域

本发明涉及一种用于降低EC电动机在静止模式下的能耗的解决方案。其中，所述静止也可以是待机状态。

背景技术

自从无刷EC电动机出现以来，霍尔效应传感器已用于对电动机换向进行必要的反馈。3相控制例如需要三个传感器。由于霍尔传感器的单件成本较低，从成本计算的角度来看，霍尔传感器是实现换向的低成本解决方案。霍尔传感器被嵌入电动机的定子并且测定电动机转子的转子位置。使用这个位置，以便选择性地切换桥式电路中的晶体管并根据切换顺序驱动电动机。尽管霍尔传感器的使用是BLDC电动机换向的有效解决方案，但这些霍尔传感器也带有一定的缺点。霍尔效应传感器使得电动机控制装置能够驱动BLDC电动机。但可惜这些霍尔传感器的控制和使用方案基本上仅限于转速和旋转方向的检测。目前无法针对性地影响转子相对于定子的静止位置。

在采用3相电动机时，霍尔效应传感器可以提供各个电循环内的角位置。随着极对数的增加，每机械旋转的电循环数也有所增加，并且由于BLDC电动机越来越常见，精确的位置测定变得越来越重要。

在这类带有霍尔开关的电动机中，通常在静止状态下具有转子位置，在这些位置上的能耗高于其他位置，即更有利于节约静止能耗的位置。

对于节能解决方案而言，BLDC系统还应提供针对静止的实时位置数据，以便电动机控制装置不仅可以跟踪运行期间的转速和旋转方向，还可以跟踪所走距离和角位置，以便由此确定转子是否处于能量节能或不节能的角位置中。

为获得更精确的位置信息，最常见的解决方案在于用于BLDC电动机的附加的增量式旋转编码器。作为霍尔效应传感器的补充方案，通常将增量式旋转编码器集成至同一控制回路。霍尔传感器用于电动机换向，旋转编码器以更高的精度跟踪位置、旋转、转速和方向。霍尔传感器在每次状态变化时仅提供新的位置数据，因此，每电旋转的霍尔传感器精度是有限的。

此外，通常通过光耦合器接口将霍尔开关的位置作为转速信号而输出。在持续运行期间，霍尔开关和接口的状态(高-低)连续交替变化，这是希望的功能。霍尔开关和接口的不同状态(高-低)决定了不同的功耗。与电动机旋转时的电动机功率相比，接口和霍尔开关的攻耗可忽略不计且并非特别重要。在电动机静止时，以这种方式所限定的能耗会引发功率的重要部分，从而引发静止模式下的功率的重要部分。

发明内容

因此，本发明的目的是克服上述缺点并提出一种优化和改进的方法以及一种相应的解决方案，用于影响EC电动机的位置，以便在电动机静止时将转子移动到节能的位置上。

本发明用以达成上述目的的解决方案在于权利要求1所述的特征。

本发明的基本理念在于，在电动机关断后，转子停止在随机的转子位置中或者未超出特定的转速，而后借助预定短电流脉冲通过对电动机进行馈电致使转子针对性地继续旋转，从而在停止电动机后将这个转子从不节能的位置移至更节能的位置，或者在转子仍在旋转时产生电流脉冲，转子针对性地直接停止在更节能的位置上。电流脉冲或预定的短电流脉冲的特征在于，其持续时间可以发生变化并且其高度可以发生变化。

在本发明中，节能的位置在于，在电动机的非换向状态中(电动机关断时)，这种位置中的电流消耗低于与此不同的能耗位置相关地较高的位置中的电流消耗。能耗与相应旋转角位置中的能耗直接相关，因此，可以通过电动机控制装置的电流消耗来测定当前能耗。

因此，从转子的机械旋转的周向来看，就能耗而言，在函数上能够定义以下关系：

针对θ＝θ_i而言，E(θ)＝E_min，i以及针对θ≠θ_i而言，E(θ)＞E_min，i

其中θ_i表示所述转子的处于0°和360°之间的某些角位置，在这些角位置中，能耗E_min,i表示能量分布曲线E(θ)上的相对或绝对能量最小值。因此，对于角位置θ≠θ_i而言，能耗E(θ)高于角位置θ_i。

因此，如果考虑到局部导函数dE(θ)/dθ，则这个导函数在节能的角位置θ_i上具有过零。从函数上来说，根据本发明的原理，这意味着以某种方式对电动机进行馈电，以便达到一个角位置，在这个角位置中适用以下条件：

针对θ＝θ_i而言，dE(θ)/dθ＝0。

有利地，通过在短时间内针对性地将相对较小的电流脉冲压入所述电动机绕组来对所述电动机的馈电，而不会使所述电动机换向。如果此后转子例如由于外部影响而再次从角位置θ_i的最佳位置移开至角位置θ≠θ_i，则重复上述程序，直到转子处于能量消耗E(θ_i)＝E_min，i的角位置θ_i中，其中E_min,i优选是能量分布曲线E(θ)的绝对能量最小值。

因此，在本发明的一个有利技术方案中，在未超出极限转速时，可以通过预定的电流脉冲I以某种方式对电动机绕组进行馈电(不发生换向)，从而迫使转子在节能的角位置上停下来。

此外，在本发明的一个优选实施方案中，设有控制单元，其根据所述霍尔传感器所检测到的传感器数据，优选根据所述霍尔传感器的随时间而变的传感器数据，确定电流脉冲I的至少一个值和持续时间，所述电流脉冲是必不可少的，以便达到所述转子2的完全特定的旋转角位置θ_i。

同样有利的是，这个或某个控制单元通过测量所述电动机控制装置的电流消耗根据当前能耗测定特定能耗位置的实现。就此而言，优点在于，在转子静止时，也可以检测被电流脉冲针对性地强制实现的静止位置是否是能耗低于特定值的旋转角位置，优选处于能耗最小值的旋转角位置。

作为补充性方案，在达到强制的静止位置后，可以结合数据收集器进一步优化为此所激活的电流脉冲，以便将转子尽可能精确地移动到最佳节能位置。

补充性地，也可以将上述两种方式组合实施，即首先在电动机关断后，产生用于模拟针对性的最终位置的第一电流脉冲I，并且一旦转子静止，则产生另一个视需要更小的电流脉冲进，以便几乎可以说再调整至另一个期望的最终位置。在此情况下，也可以考虑到这个静止位置从周向(即旋转方向)上来看是否停在待到达的处于能量最低值的位置前方或者一段距离之后，以便根据适配的电流脉冲将转子沿旋转方向移动到随后的最佳节能的旋转角位置。

在本发明的一个同样有利的技术方案中，在所述转子2因外部影响在达到节能的角位置θ_i后再次从所述最佳位置被移开至角位置θ≠θ_i时，通过在短时间内针对性地将相对较小的电流脉冲压入所述电动机绕组来重复对所述电动机的馈电，而不会使所述电动机换向。

本发明的另一方面涉及一种具有用于对所述EC电动机进行换向的电动机控制装置的EC电动机，其中所述电动机适于借助至少一个位置传感器，优选多个霍尔传感器，进行位置检测，所述电动机控制装置还适于在所述EC电动机关断后以及在所述EC电动机结束换向后，在至少一个电动机绕组上产生在持续时间和数值上有针对性的电流脉冲，以便由此影响或改变所述转子的静止位置。

附图说明

本发明的其他有利的进一步方案在从属权利要求中得以标示或者下面将参照附图结合本发明的优选实施方案的描述更详细地对此进行说明。其中：

图1为本发明的一个最一般的实施方式的流程图，

图2为本发明的一个替代性实施方式的流程图，

图3为本发明的另一替代性实施方式的流程图，以及

图4为本发明的EC电动机的示意图。

具体实施方式

下面参照图1至4结合示例性实施方式对本发明进行详细说明。

图1示出本发明的最一般的实施方式的流程图，其中，所述方法用于针对性地改变当前未换向的EC电动机1的转子2的角位置θ的位置，借助至少一个位置确定传感器3测定这个电动机转子的角位置θ。首先确定是否发出了停止请求。如果是，则检查是否已经到达转子的最佳静止位置。如果没有到达，则借助预定的短电流脉冲I将这个转子移至与转子2静止时的机械旋转有关的处于0°至360°之间的角位置θ_i，在这个角位置上，电动机控制装置的能耗E(θ)具有局部最小值。这一点在流程图中通过以下方式示出：转子已被导引至最佳转子位置。

图2示出本发明的替代性实施方式的流程图。就这个选项而言，停止电动机的请求101启动关断例程102。一旦在情形103中实现静止，就会重置时窗104并在情形105中(优选由控制装置)检测转子2的静止位置是否是节能的位置。视具体结果而定，电动机1可以在情形106中在稍后的需求时间点上再次启动或者替代性地产生电流脉冲，以便在情形107中达到转子2的有利转子位置。如果达到这个有利转子位置，则不再进行馈电并且可以在再次退出静止模式时，在稍后的时间点上完成以情形106标注的“电动机启动”请求。

但如果没有完成电动机启动，则再次运行这个循环(在预设的时窗内)，而后在静止状态下实现电流脉冲，直到获得具有所需能量最小值的转子位置。

在请求再次退出情形106中的静止模式并启动电动机之后，执行启动例程108。

图3示出本发明的替代性实施方式的流程图。就这个选项而言，根据正常运行，停止电动机的请求201触发关断例程202。如果在情形203中未超出的特定转速时，就会设置时窗204并在情形205中激活电流脉冲，以便由此将转子移动至节能的静止位置。这一点并非在换向状态下进行，而是在关段例程后停止换向的状态下进行。其中，在此未详细绘示的是对由此所达到的静止位置实际上是否实际上处于期望的能量最低值中的模拟询问。然后，不再进行馈电并且可以在应再次退出静止模式时，在稍后的时间点上完成以情形206标注的“电动机启动”请求。而后借助启动例程207再次启动电动机。

图4示出本发明的具有转子2及其角位置θ的EC电动机1的示意图。设有3个霍尔传感器，用于对转子2的转子位置进行位置检测。电动机控制装置10适于在EC电动机1关断后以及在EC电动机1结束换向后，在至少一个电动机绕组上产生在持续时间和数值上有针对性的电流脉冲，以便由此影响或改变转子2的静止位置。

本发明的实施方案并非仅限于上述优选实施例。确切而言，也可以采用数个变体方案，即使在采用基本上不同类型的实施方案时，所示解决方案的这些变体方案也是有用的。

Claims (10)

1.一种针对性地改变当前未换向的EC电动机1的转子2的角位置θ的位置的方法，借助至少一个位置确定传感器3，优选至少一个霍尔传感器，测定所述转子的角位置θ，借助预定的短电流脉冲I将所述转子移至与所述转子2静止时的机械旋转有关的处于0°至360°之间的角位置θ_i，在所述角位置上，所述电动机控制装置的能耗E(θ)具有局部最小值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电动机控制装置在所达到的所述转子2的角位置θ_i中的能耗E(θ)适用以下条件：

针对θ＝θ_i而言，E(θ)＝E_min,i以及

针对θ≠θ_i而言，E(θ)>E_min,i

其中θ_i表示所述转子2的某些角位置，在所述角位置中，E_min,i表示在0°和360°之间的旋转角范围θ内的所述能量分布曲线E(θ)上的相对或绝对能量最小值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述转子2在换向工作状态后因关断而停在随机的静止位置中之后，实现所述预定的电流脉冲I。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述转子2在换向工作状态后因关断而未超出特定额定转速时，实现所述预定的电流脉冲I。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述电流脉冲将所述转子移至角位置θ_i，在所述角位置中，根据所述旋转角θ，所述函数E(θ)的一阶导数满足以下条件：

针对θ＝θ_i而言，dE(θ)/dθ＝0。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，角位置θ_i中的所述电流消耗低于与所述角位置有所不同的所述能耗位置相关地较高的位置中的电流消耗。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，设有控制单元，其根据所述霍尔传感器所检测到的传感器数据，优选根据所述霍尔传感器的随时间而变的传感器数据，确定电流脉冲I的至少一个值和持续时间，所述电流脉冲是必不可少的，以便达到所述转子2的完全特定的角位置θ_i。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，控制单元通过测量所述电动机控制装置的电流消耗根据当前能耗测定特定能耗位置的实现。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述转子2因外部影响在达到节能的角位置θ_i后再次从所述最佳位置被移开至角位置θ≠θ_i时，通过在短时间内针对性地将相对较小的电流脉冲压入所述电动机绕组来重复对所述电动机的馈电，而不会使所述电动机换向。

10.一种具有用于对所述EC电动机进行换向的电动机控制装置10的EC电动机1，其中所述电动机适于借助至少一个位置传感器，优选多个霍尔传感器3，进行位置检测，所述电动机控制装置还适于在所述EC电动机1关断后以及在所述EC电动机1结束换向后，在至少一个电动机绕组上产生在持续时间和数值上有针对性的电流脉冲，以便由此影响或改变所述转子2的静止位置。

Images