CN112585863A - 用于调节电机的转速或转矩的方法、转速调节系统和控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于调节电机的转速或转矩的方法，所述方法用于保护在车辆的控制器中的抑制二极管(13)，其中，抑制二极管(13)将电机(11)的再生能转化为热能，所述方法包括以下步骤：确定抑制二极管(13)的当前的结温(T)和/或二极管电压(U)；借助当前的结温(T)和/或二极管电压(U)这样调节电机(11)的转速或转矩，使得抑制二极管(13)的结温(T)不超过预定的结温限值。本发明还涉及一种转速调节系统和一种控制器。

Description

用于调节电机的转速或转矩的方法、转速调节系统和控制器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于调节电机的转速或转矩的方法、一种根据权利要求9所述的转速调节系统和一种根据权利要求10所述的控制器。
背景技术
当在车辆制动系统中使用BLDC电机来驱动液压活塞时，为了调整制动压力，电机的旋转通过螺杆传动机构转换成活塞的直线运动。为了制动，以这种方式将电能转换成液压能。在制动过程结束时，电机以相反的方向运行，从而BLDC电机通过螺杆传动机构将液压能转换回电能。这种运行也称为再生/回收。电能量取决于所存储的液压能、螺杆的效率以及电驱动装置的效率。
对于导出再生的电能存在如下可能性：
a)回馈到车辆的车载电网中；
b)回馈到蓄能器中；
c)转换为热能。
如果驾驶员强烈地制动(大的液压能)并且在制动过程结束时脚快速地从踏板上收回(短的再生时间段)，那么必须在短的时间内导出大量电能。上述可能性a和b不适合于此。
向车辆车载电网中的回馈(可能性a)会导致电压波动，而电压过冲可能导致电系统的损坏。为了回馈到储能器中(可能性b)，可以使用电容器。在强烈的制动过程的情况下，电容器的电压或者非常强烈地升高(缺点：损坏控制器)，或者电容器的容量必须非常大(缺点：高成本)。
为了将再生能转换成热能(可能性c)，根据现有技术使用功率电阻(用于转换高能量)或功率齐纳二极管或抑制二极管(用于转换中等能量)。二极管是用于吸收强烈的和急剧终止的制动过程的电能量(将其转换为热能)并且同时有效地限制电压的合适的部件。根据能量的量和动态(再生时间段)，在转换期间抑制二极管的结温升高。然而，二极管的结温是未知的。如果该结温上升超过限值，则二极管可能受损或毁坏。
为了防止过大的自加热，二极管电流(在截止方向上)必须被限制。然而，这通常是未知的。因此，根据现有技术，通常利用固定设置的值来限制电机转速。
然而，这具有如下缺点，即，由于对电流或转速的一般性限制，系统在其功能方面不必要地受到限制。在非临界(低)的结温的情况下，产生更高的二极管电流或更高的电机转速是没有问题的。此外，由于二极管温度是未知的，因此也可能随着对二极管的一般性限制而发生热损坏。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种方法和一种装置，其相对于现有技术改善了用于保护抑制二极管的电流限制或者转速限制。
该目的通过独立权利要求来解决。
本发明涉及一种用于调节电机的转速或转矩的方法，以保护车辆的控制器中的抑制二极管，其中抑制二极管将电机的再生能转换成热能，对于该方法执行以下步骤：
-确定抑制二极管的当前的结温和/或二极管电压，
-借助当前的结温和/或二极管电压(在截止方向上)调节电机的转速或转矩，使得抑制二极管的结温不超过预定的结温限值。
优选地涉及三相电机。结温限值优选地被限定为，使得该值低于临界值，在该临界值处，将发生二极管(＝抑制二极管)的过热和/或毁坏。
通过调节电机的转速或转矩以使得抑制二极管的结温不超过预定的结温限值，保护了抑制二极管免于过热和毁坏。当前的结温优选地通过测量当前二极管电压来间接确定。因为结温与二极管电压线性相关，所有可以以简单的方式将二极管电压换算成结温。特别地，在本发明的上下文中，对转速的调节可以意味着对转速或转矩的限制。
在本发明的一个优选的改进方案中，对于所述方法，优选以如下顺序执行下列步骤：
-测量当前的二极管电压，
-确定电机的当前再生功率，
-借助于二极管电压和降额信息来确定功率因数，
-通过将功率因数与当前再生功率相乘来确定目标功率，
-借助目标功率确定速度限制值，
-基于速度限制值限制电机转速。
在本发明的一个优选的改进方案中，在降额信息中存储有结温或二极管电压与功率因数之间的关系。在此，优选规定下阈值和上阈值。根据所测量的二极管电压确定功率因数。该功率因数然后与当前再生功率相乘，于是得到目标功率。随后，借助目标功率计算速度限制值。
优选通过计算单元进行计算。调节回路特别优选地根据计算单元的计算、尤其在考虑速度限制值的情况下调节电机的转速。
因此，根据上述方法的调节干预的强度依据抑制二极管的结温来确定。在此，降额信息被选择为，使得在超过下阈值(下限温度)时调节干预起作用，并且在超过上阈值(上限温度、临界温度)时最大程度地降低转速，从而不会再导致二极管的进一步加热。
在温度测量(或等效的电压测量)超过下阈值时，优选根据电机的再生功率和所规定的降额特性(降额信息)进行调节干预。
在本发明的一个优选的改进方案中，仅当二极管导通时才执行所述方法。特别优选地，在一个方法步骤中确定二极管是否导通。如果二极管导通，则执行另外的方法步骤。这种方法确保了，调节干预不会不必要地发生——例如尽管二极管还未导通但二极管电压超过下阈值的情况下。
在电压的拐点上可以识别二极管向导通状态的转变。在本发明的优选改进方案中，二极管的导通通过以下方法步骤确定：
-确定电机的当前再生电流，
-确定当前的电容器电流，和
-由再生电流和电容器电流计算当前的二极管电流。
在此，再生电流优选地是计算出的，特别是由电机端子电压的测量值以及电机相电流的测量值来计算再生电流。此外优选地，电容器电流也是计算出的，特别是由电容器电压的斜率和电容器的电容值来计算电容器电流。
特别优选地，在再生时，由再生电流和电容器电流之间的差计算得出二极管电流。一旦计算出的二极管电流超过阈值，则二极管开始导通，并且测量和存储相关的二极管电压作为校准值。
在本发明的一个另选的改进方案中，除了抑制二极管之外还利用电机将电能转换成热能。为此优选提高电机中的无功电流，而同时根据降额信息降低最大的再生功率。以这种方式，不必太强烈地限制电机的转速，提高了制动过程的动力。
在本发明的一个优选的改进方案中，对抑制二极管进行校准，为此执行下述步骤：
-利用在二极管的截止方向上的电流来对二极管通电，
-测量二极管电压。
该校准可以或者作为初始校准或者作为有规律的再校准来实施。初始校准减小了由于制造公差引起的电压测量的误差，再校准改进了电压测量在老化漂移方面的精度。通过提高电压测量的精度，不会不必要地过早(也就是在非临界的二极管结温的情况下)限制电机转速。
在本发明的一个优选的改进方案中，校准是初始校准。
抑制二极管的结温的测量优选基于其电压/电流特性曲线的温度相关性。特别是基本上使用特性曲线的用于在截止方向上的电流的象限。在低反向电流情况下，齐纳电压具有对温度的几乎线性的相关性。此外，该温度相关性的范围几乎不受制造公差的影响。这适用于雪崩效应比齐纳效应表现得更明显(齐纳电压>>5V)的二极管。
线性关系可以描述如下(对于小的反向电流)：
Uz＝f(T)
Uz(T)＝Uzx(Tx)+a*(T-Tx)。
在此，T是二极管结温，Uz是抑制二极管的击穿电压，a是在小电流时的线性电压-温度关系的斜率，Uzx是在小电流时的线性电压-温度关系的偏移量，Tx是温度值，对于该温度值给定偏移值Uzx。
该函数的偏移量(offset)通常受到显著的制造公差的影响。为了能够将该函数用于温度测量，必须单独地补偿(校准)偏移量Uzx(Tx)。
斜率和偏移量都不受由于二极管老化引起的显著变化的影响。这种特性能够实现例如在控制器的生产期间的偏移量的初始校准。
在本发明的一个优选的改进方案中，当与环境建立热平衡时，执行初始校准。此时，结温与环境温度相同。优选地，于是以小的电流在截止方向上对二极管通电并且同时测量二极管电压。特别优选地，二极管电压用精确电压表测量。以这种方式确定偏移量Uzx(Tx)。斜率优选从二极管的数据手册中获得。尤其是，斜率作为预先规定的参数存储在存储器中。
在用该方法进行校准的情况下，在控制器的运行中的温度测量的精度仅受控制器的电压测量精度的影响。
T＝(Uz-Uzx(Tx))/a+Tx
精度(T)＝精度(Uz)/a。
为了提高温度测量的精度，或者可以通过使用更精确的部件提高控制器中的电压测量的精度，或者可以在运行中定期对函数Uz(T)进行再校准(在线校准或再校准)。
在本发明的一个优选的改进方案中，校准是定期的再校准。两种类型的校准(初始校准和再校准)可以在方法中彼此替换地或彼此附加地使用。
通过定期的再校准，提高了电压测量在老化漂移方面的精度。
为了定期的再校准，短暂地在截止方向上给二极管通电。这例如通过电机的加速和快速制动实现，这样的制动触发再生脉冲。在该过程期间，连续地测量二极管电压。
首先，电机的再生能流入到DC蓄能器(通常是电容器)中。电容器被充电并且电容器电压升高。并联的抑制二极管的电压也升高，但是最初没有电流流过二极管。一旦电容器电压超过二极管的齐纳电压，反向电流就开始流过抑制二极管。二极管上的电压在此几乎保持恒定。由于二极管的自加热，齐纳电压的温度依赖性仅导致非常小的电压梯度。为了确定二极管的齐纳电压，必须精确地在二极管导通的时刻、即精确地在电压的拐点处测量二极管电压。为了检测二极管何时过渡到导通状态，执行已经在上面描述的步骤。
优选地，附加地借助参考温度测量来估计温度值Tx。在此优选确保，二极管在再生脉冲之前的时间段中与参考温度传感器处于热平衡。
以与在初始校准中相同的方式，现在已知了二极管方程的偏移量Uzx(Tx)。
本发明还涉及一种用于实施前述方法的转速调节系统。转速调节系统为此具有调节回路以及计算单元。
此外，本发明涉及一种具有前述转速调节系统的用于车辆的控制器。
附图说明
其他优选的实施方式也由从属权利要求和以下根据附图对实施例的描述得出。在作为示例的示意图中：
图1示出了用于以转速调节或转矩调节驱控三相电机的系统的示例性结构；
图2示出了齐纳电压与温度和电流的相关性的示例性图示；
图3示出松开制动器的示例性情景，
图4示出降额信息的示例性图示；
图5示出用于保护二极管的方法的示意图；
图6示出方法在第一运行方式下的示意图；
图7示出方法在第二运行方式下的示意图；
图8示出方法在定期再校准时的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有计算单元3和调节回路5的示意性的和示例性的转速调节系统1(用于以转速调节来驱控三相电机的系统)。计算单元3包括微处理器7和PWM输出单元9。PWM输出单元9也可以另选地独立于计算单元3来实现。用于驱控电机11的调节回路包括用于限制电压和转换再生能的(抑制)二极管13，以及与该二极管并联的、用于稳定直流连接电压的电容器15。此外，调节回路包括用于测量电机转速、电机位置、直流连接电压(通过电容器15和二极管13)以及三相的相电流和相电压这些变量的单元(未示出)。基于用于车载电网电源17a、17b的端子而运行B6桥19，所述B6桥于是通过相电阻21(也可称作为相电流测量电阻)驱动电机11。电机11优选地设计为三相电机，因此相电阻21和B6桥19也分别被设计用于三相。
如果系统以再生方式运行，则再生能从电机首先流入电容器中。该电容器被充电并且电容器电压升高。最初，没有电流流过并联的抑制二极管13，但是电压升高。一旦电容器电压已经超过二极管的齐纳电压，则反向电流开始流过抑制二极管13。二极管13上的电压在此几乎保持恒定。然而，存在齐纳电压的温度相关性，并且由于二极管的自加热而导致非常小的电压梯度。
图2示出二极管的电压/电流特性曲线的温度相关性。优选地，对于该方法基本上使用特性曲线的针对截止方向上的电流的象限。齐纳电压在低的反向电流的情况下具有与温度的几乎线性的相关性。斜率几乎不会受到制造公差的影响(适用于雪崩效应大于齐纳效应的二极管)。总之，这构成关于在小的反向电流的情况下通过测量齐纳电压进行温度计算的简单基础。
然而，偏移量通常受显著的制造公差的影响。为了提高该方法的精度，可以单独地对该偏移量进行补偿或校准。
图3示出了随着时间t松开制动器的示例性场景。在电机的转速R下降时(图3b)，至少相对来看，电机B的制动压力同样下降(图3a)。与此同时，抑制二极管中(测得)的齐纳电压Uz上升。如果超过特定的阈值，则二极管开始导通(时刻L)，并且齐纳电压Uz不继续上升。同时抑制二极管中(算出)的电流Iz快速升高(图3c)。另选地，电流Iz也可以测量得到。
图4示出如可以用于本发明方法的降额信息的示例性图示。在y轴上绘制了功率因数LF，并且在x轴上绘制了在截止方向上的二极管电压U。二极管电压U(在截止方向上)在此等同于与二极管电压U线性相关的结温。在电压较低时，功率因数LF不会发生降低，从而转速不会降低。在电压U升高时，首先超过下阈值S1，使得所述功率因数LF开始下降。功率因数LF在此决定了速度限制值的大小，即电机的转速被限制到的值。如果电压U升高到第二阈值S2之上，那么最大程度地限制转速，从而不能发生二极管的进一步加热。
图5示出用于保护二极管的方法的示意图。第一阈值S1和第二阈值S2优选地存储在EEPROM存储器中。借助阈值S1、S2和当前二极管电压U的测量来确定功率因数LF，从中推导出速度限制值GBW。对于由压力控制单元PC要求的速度目标值在数值上大于速度限制值GBW的情况，则将速度目标值减小到速度限制值GBW。该速度目标值紧接着被传输给速度控制器SC，该速度控制器由速度目标值计算出力矩目标值。最后，电机控制器由力矩目标值计算出电机的合适的电驱控方式。
图6示出方法在第一运行方式下的示意图，其中在所述第一运行方式中仅当二极管导通时才执行所述方法。
除了二极管电压U和阈值S1、S2之外，在此也考虑二极管电流I。为了计算二极管电流I，确定再生电流RS和电容器电流I_C。再生电流RS——优选地在尤其是微控制器的计算单元中——由三个电机端子电压MS的测量值和电机相电流PS的测量值来计算。根据电容器电压的斜率(在达到齐纳电压之前)和电容器的电容值来计算电容器电流：I_C＝C*(dU/dt)。再生电流RS与电容器电流I_C的差值得出二极管电流I。一旦二极管电流I超过阈值，二极管就开始导通。
图7示出方法在第二运行方式下的示意图，其中在该第二运行方式中如此实施所述方法，使得也借助于电机将再生能转换成热能。
作为图6的变型，基于围绕速度限制值GWB的计算，将最小的电机无功电流MSS传输给电机控制器。在该第二运行方式中，基本的想法是，提高在电机中的无功电流，而同时根据降额信息降低最大的再生功率。与图5相比，在图6的变型方案中，除了限制电机目标转速之外，还附加地提高电机中的无功电流。通过增加电机中的无功电流，可以同时降低速度限制值GWB。
图8示出了方法在定期再校准时的示意图。为了校准而产生再生脉冲RP，将该再生脉冲输送给压力控制单元PC。该再生脉冲RP是一个测试脉冲，该测试脉冲短时地在截止方向上给二极管通电。由此可以测量不同的参数，例如电机相电流PS以及三个电机端子电压MS，由这些参数计算出二极管电流I。在二极管的校准K中引入各种值，例如二极管电压U和二极管温度(结温)T以及二极管电流I。通过校准K计算出的阈值S1、S2被存储在EEPROM存储器中。
作为定期再校准的替代方案或者补充方案，设置初始校准，该初始校准特别是在控制器的制造过程中实施。
附图标记列表：
1 转速调节系统
3 计算单元
5 调节回路
7 微处理器
9 PWM输出单元
11 电机
13 抑制二极管
15 电容器
17a、17b 车载电网电源
19 B6桥
21 相电阻
51 第一阈值
52 第二阈值
PC 压力控制单元
GR 减速
SC 速度控制器
MC 电机控制器
M 电机
LF 功率因数
GBW 速度限制值
U 在截止方向上的二极管电压
I 在截止方向上的二极管电流
RS 再生电流
MSS 电机无功电流
MS 电机端子电压
PS 电机相电流
EEPROM 存储器
K 校准
T 二极管温度(结温)
RP 再生脉冲

Claims (10)

1.一种用于调节电机的转速或转矩的方法，所述方法用于保护在车辆的控制器中的抑制二极管(13)，其中，所述抑制二极管(13)将电机(11)的再生能转化为热能，
其特征在于，对于所述方法执行以下步骤：
-确定所述抑制二极管(13)的当前的结温(T)和/或二极管电压(U)，
-借助当前的结温(T)和/或二极管电压(U)这样调节所述电机(11)的转速或转矩，使得所述抑制二极管(13)的结温(T)不超过预定的结温限值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用降额信息来实施所述方法，其中在所述降额信息中存储有结温(T)或二极管电压(U)与功率因数(LF)之间的相关性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用当前的再生功率来实施所述方法。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于所述方法执行以下步骤：
-测量当前的二极管电压(U)，
-确定所述电机(11)的当前的再生功率，
-借助二极管电压(U)和降额信息确定功率因数(LF)，
-通过将功率因数(LF)与当前的再生功率相乘确定目标功率，
-借助目标功率确定速度限制值(GBW)，
-基于速度限制值(GBW)限制所述电机(11)的转速。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，确定所述抑制二极管(13)是否导通，并且仅当所述抑制二极管(13)导通时才执行所述方法。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助所述电机(11)将再生能转换成热能。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所述抑制二极管(13)进行校准，为此执行以下步骤：
-以在所述抑制二极管(13)的截止方向上的电流(I)给所述抑制二极管(13)通电，
-测量二极管电压(U)，
-测量结温(T)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述校准作为定期的再校准来实施。
9.一种用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法的转速调节系统，所述转速调节系统具有调节回路(5)和计算单元(3)。
10.一种用于车辆的控制器，所述控制器具有根据权利要求9所述的转速调节系统(1)。
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