CN113206621A - 用于运行电机的方法和设备、驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行电机（4）、尤其是驱动机（2）的方法，所述电机具有以能够旋转的方式支承在壳体中的转子（7）和壳体固定的定子（5），其中，所述定子（5）具有多相的驱动绕组（6），其中，根据所述转子（7）的额定转矩和旋转角度给所述驱动绕组（6）的相位通电，并且其中，在所述电机（4）的至少一个运行范围中根据感应到所述驱动绕组中的电动反作用力（BEMF）求取所述转子（7）的旋转角度。提出，在与一运行范围不同的至少一个另外的运行范围中借助于信号注入（SI）求取所述转子（7）的旋转角度。

Description

用于运行电机的方法和设备、驱动装置
技术领域
本发明涉及一种用于运行电机、尤其是驱动机的方法，该电机具有以能够旋转的方式支承在壳体中的转子和壳体固定的定子，其中，定子具有多相的驱动绕组，其中，根据转子的额定转矩和旋转角度给驱动绕组的相位通电，并且其中，在电机的至少一个运行范围中根据感应到驱动绕组中的电动反作用力求取转子的旋转角度。
另外，本发明涉及一种用于运行电机、尤其是驱动机的设备，该电机具有以能够旋转的方式支承在壳体中的转子和壳体固定的定子，其中，定子具有多相的驱动绕组。
此外，本发明涉及一种驱动装置，其具有上述电机。
背景技术
在现有技术中已经公开了开头提到的类型的方法。为了运行电机、尤其是构造为永励同步机的电机，重要的是，了解转子的当前的旋转角度，以便为了产生转矩而根据当前的旋转角度以最优的方式给相位通电。为了检测旋转角度，已知的是，使用基于物理效应的位置传感器，例如霍尔传感器、GMR传感器、AMR传感器或者TMR传感器，所述传感器检测转子的旋转角度。然而，所述传感器需要附加的结构空间。除此之外，这样的传感器对传感器与布置在转子处的信号传感器（例如以传感器磁铁的形式的信号传感器）之间的位置公差反应比较敏感。例如，如果存在大的轴承间隙，如在流体力学式滑动轴承的情况下那样，则这样的传感器常常不能够足够准确地确定旋转角度。
此外，已公开了在不具有这样的传感器的情况下求取旋转角度的方法。在此，尤其是使用所谓的基于反EMF的方法，即使用利用感应到驱动绕组中的电动反作用力来确定旋转角度的方法，其中，区分经计算的反作用力与经测量的反作用力。在计算感应式电动反作用力时，由在相位处的已知的施加的电压和由此产生的经测量的在相位中的发动机电流借助于电机的数学模型计算感应式电动反作用力、即转子的至少一个旋转的永磁铁感应到相位中的电压。在第二种情况下，即在测量感应式电动反作用力的方法中，已知的是，驱动绕组的相位分别无电流地接通或者断电一能够预给定的时长。然后，测量驱动绕组的星形接点与这个相位的端子之间的感应到这个相位中的电压并且确定其过零点。基于此，确定关于旋转角度的信息。然而，执行这个方法的前提是，向外引导机器的星形接点，或者借助于电阻网络模拟在电子部件中的星形接点。后者导致电子部件中的花费增加，并且还在控制器的或者功率电子部件的电路板上占用空间。不过，这仍是比较常用的方法。
发明内容
具有权利要求1的特征的根据本发明的方法具有下述优点：在电机的整个运行范围中确保旋转角度检测得到改善。为此，根据本发明提出，在与一运行范围不同的至少一个另外的运行范围中借助于信号注入求取转子的旋转角度。通过信号注入，通过高频电压信号叠加对驱动绕组的操控，这导致电机的铁损耗增加，由此尤其是在具有小转矩或者低相位电流的运行范围中出现电机的效率的明显下降。然而，借助于信号注入方法也可能的是，自静止状态起或者在转速为零时，就已经执行旋转角度的求取。因此，通过信号注入方法的附加应用实现，在电机的所有转速范围中能够可靠地求取转速。在此，电机不仅能够构造为具有以能够旋转的方式支承在定子内的转子的内转子机，还能够构造为具有位于以能够旋转的方式受到支承的转子内的定子的外转子机。例如，电机构造为用于机动车的能够运动的元件（例如盖子、门、液压式或者气动式调整元件、滑动天窗或者类似物）的致动器，但是也能够用作用于机动车的驱动机。优选地，使用用于运行电机的方法，该电机用于驱动泵、风扇、压缩机或者别的尤其是转速调节的部件。因为通过有利的方法此外还在转速为零时确保经调节的运行，因此也能够设想将该方法用于位置调节的应用。
根据本发明的一种优选的扩展方案，根据电机的转速、电机的转矩和/或在电机的驱动绕组中的定子电流区分运行范围。由此，能够以简单的方式确定，在哪个运行状态下执行哪个用于求取旋转角度的方法。在此，根据电机的转矩、定子电流和/或转速区分运行范围。因为通常在操控电机的控制器中本来就知道转速、转矩和/或定子电流，因此能够在无多的额外花费的情况下划分运行范围。
优选地，为高于能够预给定的第一极限转速的高转速选择一运行范围，为在极限转速以下的低转速选择另外的运行范围。由此实现，在转速高于极限转速时，借助于感应式电动反作用力（BEMF）执行旋转角度求取。相反，在包括极限转速在内的较低转速的情况下，借助于信号注入求取旋转角度。这尤其是在低转速也包括电机的静止状态的情况下是有利的。因此，优选地，为从零直到极限转速的转速选择另外的运行范围。由此实现上述优点，即在转速低时通过信号注入可靠地检测当前的旋转角度，并且在转速较高时、即在转速高于第一极限转速时借助于感应式电动反作用力检测当前的旋转角度，该感应式电动反作用力在转速低时难以或者不能够被检测。
另外，优选地，为高于预给定的极限转矩的高转矩选择另外的运行范围，为在极限转矩以下的低转矩选择一运行范围。随着转矩减小，电机的其余损耗也下降，从而使得通过高频信号注入产生的损耗越来越起到主导作用。因此，在高转矩的情况下执行信号注入是有利的。通过切换到借助于感应式电磁反作用力求取旋转角度的运行范围中，通过信号注入导致的损耗消除，从而使得在转矩低时电机的效率得到改善。
另外，优选提出，为高于预给定的极限定子电流的高定子电流选择一运行范围，为在极限定子电流以下的低定子电流选择另外的运行范围。通常，定子电流与经设定的转矩相关，从而使得上文列举的关于考虑转矩的优点也同样适用于考虑定子电流。优选地，在静止状态下或者在转速低时使用信号注入方法。在需要高定子电流才能够应用信号注入方法的电机中，优选以高转矩通过这个运行范围。替代地，即使在转矩小时，优选也设定大的定子电流，其方式是，压入大比例的形成场的电流（d电流）。
优选地，自达到或者超过转子的预给定的第二极限转速起计算电动反作用力，其中，第二极限转速高于第一极限转速，优选地，可选地此外还根据当前的转矩借助于驱动绕组的经测量的导体电流和经调整的导体电压来计算电动反作用力。因此，随着超过第一极限转速，根据感应式电动反作用力求取旋转角度。在此，优选首先测量感应式电动反作用力。由此，特别鲁棒地检测旋转角度，然而尤其是随着转速增加，需要“消隐期”，该消隐期减小电机的能够最大利用的功率并且导致电机的中间回路的负载增加，其中，也能够出现声学缺点。如果转子的转速首先超过第一极限转速，则首先通过测量感应到驱动绕组中的电动反作用力来确定旋转角度。如果转速此外还超过在此之上的第二极限转速，则通过计算感应式电动反作用力来确定旋转角度。如果此外还根据当前的转矩求取极限转速，则优选考虑高于第二极限转速的另外的极限转速。当转矩高于预给定的极限转矩并且转速位于第二转速与另外的转速之间时，优选使用信号注入方法。如果转速超过高于第二极限转速的另外的极限转速，则不管当前的或者要求的转矩如何，都计算电动反作用力，用以求取旋转角度。
另外，当超过预给定的第二极限转速时，优选测量感应式电动反作用力。由此，如上所述，尤其确保鲁棒地检测旋转角度。
根据本发明的一种优选的扩展方案，分别为超过和未超过相应的极限转速和/或极限转矩预给定转换滞后。通过转换滞后实现，分别为极限转速和极限转矩预给定两个不同的值，其中，在超过两个值中较高的值并且在不超过两个值中较低的值时，才例如在第一运行范围与第二运行范围之间进行切换。
具有权利要求9的特征的根据本发明的设备的突出之处在于，控制器专门布置用于在常规使用时执行根据本发明的方法。由此得出已经提到的优点。
具有权利要求10的特征的根据本发明的驱动装置的突出之处在于根据本发明的设备。由此也得出已经提到的优点。
附图说明
尤其是由上文内容以及由权利要求得出另外的优点和优选的特征和特征组合。在下文中，应根据附图更详细地阐述本发明。为此示出：
图1 机动车的简化俯视图，和
图2 用于阐述有利的用于运行机动车的电机的方法的曲线图。
具体实施方式
图1示出机动车1的简化示意图，该机动车具有作为驱动机2的电机4，该驱动机能够或者已与机动车的驱动轮3直接地或者通过传动器耦合。电机4具有壳体固定的定子5以及转子7，该定子具有尤其是多相的驱动绕组6，该转子与定子5同轴地布置并且以能够旋转的方式受到支承。此外，电机4还配属有控制器8，该控制器包括功率电子部件9，借助于该功率电子部件操控驱动绕组6的相位。
功率电子部件9通过控制器8与电储能器10连接，该电储能器提供用于运行电机4必需的电能并且在必要时——如果电机4也能够以发电的方式运行的话——用于接收电能。在发动机运行时，控制器8操控功率电子部件9用于这样给电机4的驱动绕组6的尤其是三个相位通电，使得给转子7加载以预给定的转矩。电机4尤其是电换向式/电子换向式电机，其中，根据转子7的当前的旋转角度操控相位。在运行时，通过控制器8连续地求取旋转角度。为此，控制器8尤其执行在图2中简化示出的方法。
图2在关于转速n的曲线图中示出电机4的转矩T。在此，也示出对于电机而言典型的、最大转矩的曲线，在该曲线中，电机在转速低时具有最大转矩，随着转速增加，转矩减小。根据本方法，以无传感器的方式求取转子7的旋转角度。原则上，已知无传感器的方法，在所述方法中，考虑感应到驱动绕组中的电动反作用力，因为由属于反作用力的电压向量（Spannungszeiger）的方向直接得出转子位置、进而得出旋转角度。在此，区分经计算的感应式电动反作用力与经测量的感应式电动反作用力。在第一种情况下，由已知的施加的电压和经测量的发动机电流借助于电机4的数学模型计算反作用力、即旋转的永磁铁感应到驱动绕组6中或者感应到驱动绕组6的相位中的电压。在第二种情况下，驱动绕组6的相位分别无电流地接通或者断电（ausgestaltet）一预给定的时长。然后，如果相位在星形接点上相互连接，则测量星形接点与这个相位的端子之间的感应电压并且确定其过零点。也能够同时无电流地接通所有三个相位，以便然后由三个经测量的相位电压直接计算旋转角度。在此，不需要测量星形接点电势。
另外，能够以无传感器的方式通过信号注入方法求取旋转角度，该信号注入方法利用电机4的各向异性、即在转子方向的和横向于转子7的感应率方面的区别，以便估计旋转角度。为此，通过控制器用高频电压信号叠加驱动绕组的已经被操控用于驱动电机的相位。这导致电机的铁损耗增加，这尤其是在具有小转矩或者低相位电流的运行范围中导致电机4的效率明显下降。在此，在当前情况下，自静止状态起执行信号注入方法，用以求取旋转角度。
如图2所示，在当前情况下根据电机4目前所处的运行范围，尤其是根据定子电流、转矩和/或转速，通过控制器8在信号注入方法SI与基于感应式电动反作用力的方法之间切换。在此，尤其是也根据转速来分辨是计算（BEMF-C）还是测量（BEMF-M）感应式电动反作用力。
在此，在当前情况下提出，如果当前的转速低于能够预给定的极限转速nG1，则执行信号注入方法。此外，如果当前的转速在极限转速nG1与另一个极限转速nG2之间以及高于极限转矩TG，则执行信号注入方法。如果当前的转矩低于极限转矩TG并且转速位于高于极限转速nG1的转速范围中，则首先接通到利用经测量的感应式电动反作用力（BEMF-M）的运行中。如果进一步提高转速n，从而使得该转速超过第二极限转速nG3，根据本实施例，该第二极限转速高于极限转速nG1并且小于极限转速nG2，则切换为：借助于经计算的感应式电动反作用力（BEMF-C）求取转子的旋转角度。自超过极限转速nG2起，不管设定的转矩如何，通过计算感应式电磁反作用力（BEMF-C）求取感应式电动反作用力。
有利的方法具有下述优点：自转子7的静止状态起就已经能够求取旋转角度，并且因此能够实现与高定子电流和/或转矩相关联的电机4的经调节的动态运行。在这种情况下，与其余损耗相比，由于高频注入引起的附加的损耗起到次要作用。如果例如为了在负载较小的情况下静止地运行电机4而必需的转矩变小，则其余损耗也下降，由高频注入导致的损耗越来越起到主导作用。通过切换为借助于感应式电磁反作用力求取旋转角度，这些由高频注入导致的损耗消除并且整个系统的效率增加。如果自定子电流的一定高度起才能够通过高频地激励电机4求取旋转角度，则通过在所述方法之间进行切换能够保证在整个电流范围中的运行。
除了定子电流和转矩之外，如图2所示，转速也能够用作用于切换的标准。在静止状态时和/或在转速小时，使用信号注入方法。对于需要高定子电流来执行信号注入方法的电机而言，以高转矩通过这个范围。替代地，即使在转矩小时，也能够设定大的定子电流，其方式是，压入大比例的形成场的电流。
有利地，在计算感应式电动反作用力时，使用通量估计器或者线性的或者非线性的观察者方法。由此能够避免测量所需要的消隐期和随之而来的缺点，例如中间回路的负载增加或者转矩减小。原则上，信号注入方法也能够在高转速范围中应用。然而，为此必须维持一定的电压储备，由此在转速高时电机4的最大可能的转矩减小。
当在运行范围SI、BEMF-M与BEMF-C之间进行切换时，分别将当前估计的或者求取的旋转角度传送给下一个方法，以便在那里用于正确地初始化积分器、延迟环节等等。为了求取初始化所需要的值，必要时根据电机4的数学模型用别的参量（例如电流或者电压）来计算旋转角度。
在本实施例中说明了将电机4用作用于机动车1的驱动机，而根据另一实施例（在这里未示出）提出，电动起4用作例如用于液压式或者气动式调整元件、能够滑移的窗玻璃或者机动车的滑动天窗或者用于别的应用的驱动机或者致动器，也在机动车制造以外得到应用。尤其是，在上文中说明的用于运行电机4的方法尤其用在电机4中，该电机用作转速调节的驱动机，例如用作用于泵、风扇、压缩机或者类似物的驱动机。

Claims (10)

1.用于运行电机（4）、尤其是驱动机（2）的方法，所述电机具有以能够旋转的方式支承在壳体中的转子（7）和壳体固定的定子（5），其中，所述定子（5）具有多相的驱动绕组（6），其中，根据所述转子（7）的额定转矩和旋转角度给所述驱动绕组（6）的相位通电，并且其中，在所述电机（4）的至少一个运行范围中根据感应到所述驱动绕组中的电动反作用力（BEMF）求取所述转子（7）的旋转角度，其特征在于，在与一运行范围不同的至少一个另外的运行范围中借助于信号注入（SI）求取所述转子（7）的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述电机（4）的转速（n）、所述电机（4）的转矩（T）和/或在所述电机（4）的驱动绕组（6）中的定子电流区分所述运行范围。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为高于能够预给定的第一极限转速（nG1、nG2）的高转速选择一运行范围，为在所述极限转速（nG1、nG2）以下的低转速选择另外的运行范围。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为高于预给定的极限转矩（TG）的高转矩选择另外的运行范围，为在所述极限转矩（TG）以下的低转矩选择一运行范围。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为高于预给定的极限定子电流的高定子电流选择另外的运行范围，为在所述极限定子电流以下的低定子电流选择一运行范围。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，自达到或者超过所述转子（7）的预给定的第二极限转速（nG3、nG2）起计算电动反作用力（BEMF-C），其中，所述第二极限转速（nG3、nG2）高于所述第一极限转速（nG1）。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当超过预给定的第二极限转速（nG3、nG2）时，测量（BEMF-M）所述电动反作用力。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分别为超过和未超过相应的极限转速（nG3、nG2）和/或极限转矩（TG）预给定转换滞后。
9.用于运行电机（4）、尤其是驱动机（2）的设备，所述电机具有以能够旋转的方式支承在壳体中的转子（7）和壳体固定的定子（5），其中，所述定子（5）具有多相的驱动绕组，其特征在于控制器（8），所述控制器专门布置用于在常规使用时执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
10.驱动装置，其具有电机（4），所述电机具有以能够旋转的方式支承在壳体中的转子（7）和壳体固定的定子（5），其中，所述定子（5）具有多相的驱动绕组（6），其特征在于根据权利要求9所述的设备。
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