CN113557660A - 无传感器整流方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种整流方法和一种包括具有两个绕组连接的绕组相的单股EC电机，其包括在所述绕组连接之间的绕组相中的电流调节装置，其中所述电流调节装置设计成：在具有正电流的第一整流阶段和在具有负电流的第二整流阶段分别将所述单股EC电机的绕组电流调节到恒定值，其中所述电流调节器的平均输出电压uw(t)的值用于确定整流时间。

Description

无传感器整流方法
技术领域
本发明涉及一种单股EC电机无传感器整流方法及一种单股EC电机。
背景技术
单相电子整流电机(EGM)相对便宜，因此通常用于某些驱动任务，例如通风机，风扇或离心泵。它们通常由霍尔传感器控制。
EP 2 086 104 A2示出了一种带有H桥和转子位置传感器的电子整流电机，所述转子位置传感器产生输出信号。根据所述输出信号，所述H桥的较低开关在时间点t2'开通导电，电能通过由此产生的电路转换为机械能，因此在时间点t3'或t1，根据所述输出信号可以发生整流，其中没有或只有很小的电流流过绕组。通过测量和评估整流后通过所述绕组的电流来优化所述时间点t2'。
然而近年来越来越多地追求没有传感器的整流。原则上，从现有技术中已知以下用于单股EC电机的无传感器整流的原理：
-通过基于模型的电机磁极转子电压计算实现单股EC电机的无位置传感器整流。
-在指定恒定电压幅度时，通过评估绕组电流的时间曲线实现单股EC电机的无位置传感器整流。
-在无电流阶段(电流间隙Stromlücke)，通过直接评估电机的磁极转子电压实现单股EC电机的无位置传感器整流。
对于EC电机的准确定义，一方面给出了转子每旋转360°el.的定子电流脉冲数量，例如单脉冲，两脉冲，三脉冲等，另一方面给出定子中的绕组相数量，例如单股，两股，三股等。
提及例如单股双脉冲EGM或双股双脉冲EGM。由于这两种电机类型在物理工作原理上没有根本区别，而且实践总是力求简化术语，因此此类电机通常被称为单相EC电机，因为它们每个电流脉冲只有一股。
从EP 2 60 397 A1已知一种解决方案，其中首先确定电流脊的位置和电流脊的最大值处的电流幅度。随后，确定在电流鞍形区域中的最小电流，以及可能的幅度。当已通过最小值并且已确定用于触发整流过程的电流水平值时，则当电机电流达到或超过所述计算值时触发。触发整流过程的电流值可以根据要求进行数学处理，例如，整流在启动时较晚发生，并随着转速的增加在较早的方向上越来越多地偏移。
没有转子位置传感器的整流具有以下优点：电机的电子设备也可以布置在距所述电机一定距离的位置，因此所述电子设备的组件也可以用于其他任务。例如，所述电机中使用的微处理器也可用于调节任务，例如温度调节。如有必要，发动机可以做得更小。
由于此类电机中的转子具有电机无法产生任何电磁转矩的旋转位置，因此使用在这些零位置有效的辅助转矩。这可以是磁产生的辅助转矩，称为磁阻转矩。可替代地，所述辅助扭矩可以机械地产生，例如通过在某些旋转位置张紧并在零位置释放其储存的能量的弹簧。所述辅助转矩的主要作用是使转子转动，从而所述转子在启动时不处于电机不能产生任何电磁转矩的旋转位置，否则所述电机无法启动。不对称性可替代地被使用。
这种电机具有优选的旋转方向。风扇或泵会出现一个额外的困难，因为它们可以通过传输的介质所谓的“从外部驱动”，例如通过气流，因此不知道转子通过这个外部驱动是沿优选方向旋转还是逆优选方向旋转。
在强电流下，转子的速度甚至可以变得非常高，而对于没有霍尔传感器的电机，您首先必须确定旋转方向，如果错误，则必须反转电机。
从EP 1 596 495 A2中例如已知，根据感应电压的形式用磁阻辅助转矩确定这种EC电机的旋转方向，即根据永磁转子在无电流绕组相中旋转时感应的电压。
发明内容
因此本发明的目的是克服上述缺点，并提出一种用于单股EC电机的优化并改进的无传感器整流方法，其中还可以检测旋转方向。还有利地，使EC电机能够在任何旋转方向上启动(即沿优选旋转方向和逆优选旋转方向)。另一任务在于，能够识别外部驱动器的情况并且可以制动所述EC电机。
根据本发明，所述目的通过权利要求1的特征来实现。
本发明的基本构思在于，单股EC电机的无位置传感器整流是通过直接使用电流调节来实现的。这种电流调节(例如两点调节)在两个整流阶段(正电流，负电流)期间将所述单股电机的绕组电流分段调节为恒定值。用于电机的两个绕组连接之间的所述(两点)电流调节器的平均输出电压的值用于确定整流时间，即两个整流阶段之间的转换。这是通过与限值的简单比较来完成的。如果所述值低于所述限值，则整流阶段发生转化。可以选择与恒定电流幅度(欧姆压降)成比例的限值。在这种情况下，所述整流时间对应于电机磁极转子电压过零的时间。这意味着所述绕组电流和所述磁极转子电压同相并产生优化的转矩。这对应于现有方法的整流时间，例如直接检测所述磁极转子电压，而优点在于无需在所述方法中插入电流间隙。所述整流时间可以通过偏移限值来改变，因此例如可以实现有利的预整流。这样就可以在整流时补偿由绕组电感引起的电机绕组中电流的延迟反向。
在一有利的实施例中，在已经识别出整流时间之后，电流不最快地逆转，而是通过限定的变化率逆转(例如，通过指定在电流调节器的输入端的斜坡函数)。这样还可以改善噪音的产生，特别是在轴流风扇的情况下。
此外，有利地规定，通过针对性地触发两个整流阶段之间的转换来强制电机从静止状态启动。这可以例如通过固定的时间间隔给出，在此之后整流阶段被迫转变。转子因此进行运动，并且通过磁极转子电压对(两点)电流调节器的输出电压的反应再次进行进一步的整流。
根据本发明的一有利的实施例规定，通过在整流阶段评估(两点)电流调节器的输出电压值的平均斜率来确定电机的旋转方向。由于电机几何结构的不对称性，磁极转子电压值的平均斜率取决于转子的旋转方向。这直接反映在所述(两点)电流调节器的输出电压过程中。因此，整流阶段期间所述值的正平均斜率可被定义为正旋转方向，而所述值的负平均斜率可被定义为负旋转方向。以此方式，如果请求正的目标旋转方向，则例如通过制动和随后的重启尝试，可以识别出不希望的负的实际旋转方向并相应地做出响应。
(两点)电流调节器的平均输出电压原则上与调制电平的定义同义。也就是说，代替对绕组连接处的平均电压检测，可以有利地使用控制的调制电平/占空比(基于周期持续时间的接通持续时间，或基于接通持续时间+关闭持续时间的接通持续时间)。在本发明的一有利实施例中，这也可以是通过脉宽调制(PWM)控制的PWM调制电平。
附图说明
本发明的其它有利改进在从属权利要求中表征或在下面参照附图连同本发明的优选实施例的描述一起更详细地示出。
其示出：
图1具有整流阶段的示例性恒定电流调节；
图2显示平均输出电压值和电压限值的函数图；
图3显示具有限定的变化率的电流调节器的电流预定值的函数图；
图4具有定子齿不对称结构的单股EC电机的正、负旋转方向的磁极转子电压的时间曲线；
图5EC电机正、负旋转方向的平均输出电压值的时间曲线；
图6整流过程的框图；
图7流程图：按特定旋转方向启动；
图8流程图：无传感器启动的准备；
图9流程图：EC电机的主动制动。
图10显示主动制动时平均输出电压值和电压限值的函数图；
图11显示当与校平的转子对准时的平均输出电压值的函数图；
图12显示当与已经适当对准的转子对准时的平均输出电压值的函数图。
具体实施方式
下面参照图1至图12更详细地解释本发明。
通过所示的示例性解决方案，可以省去检测转子位置所需的霍尔lC的组件和组装成本。所述霍尔lC的省略还为电机壳体中电路板的布置创造了自由度。所述方法基本上基于通过脉宽调制(PWM)的电桥调制，并结合通过改变PWM调制电平不断调节电机电流的电流调节器。从所述PWM调制电平的时间曲线的评估来看，除了检测整流时间之外，对于无传感器整流范围内的其他子任务，可以实现所述整流时间(即正常运行中电流流动模式变化的时间)，旋转方向检测，主动制动，以及钟摆检测，其中转子的往复运动程度是可能的，主要用于识别转子运动朝着预定对准位置校平的进程(以缩短/最小化启动期间所需的对准时间)。
所述过程由转子的停车功能补充，当速度目标值被移除时(电机启动后)或当施加电源电压时(电机启动前)，所述功能将转子置于所需的对准位置，以便能够以最小延迟(通过对准转子)执行随后的电机启动。过程控制或自运行控制确保在电机启动时处理必要的步骤(制动，通过钟摆检测对准，沿或逆优选旋转方向启动)，并确保EC电机以所需的旋转方向旋转。如有必要，可独立进行重复启动尝试。
图1示出了具有两个连续整流阶段A和B的恒定电流调节的单股EC电机的示例性整流。所述单股EC电机的无位置传感器整流通过使用电流调节发生。这种电流调节(例如两点调节)调节所述EC电机的绕组电流iw(t)。在一个(第一)整流阶段A中，存在正电流，而在所述整流阶段A之后的第二整流阶段B中，存在具有负电流的导电。在所述整流阶段A、B期间，电流基本上是恒定的，对应于值
Figure BDA0003254349440000061
或
Figure BDA0003254349440000062
整流时间分别用箭头和虚线表示，在所述整流时间整流电子设备或电流调节器引起所述整流阶段A、B之间的转变。
图2示出了函数图，所述函数图示出两点电流调节器的平均输出电压uw(t)值和电压限值uWG。所述(两点)电流调节器的平均输出电压值用于确定所需的整流时间，即两个整流阶段A和B之间的转换。这是通过与所示电压限值uWG的简单比较来完成的。
输出电压uw(t)最初下降，一旦低于电压限值uWG，整流阶段A就转换为整流阶段B，依此类推。所述电压限值uWG可以选择为与图1中的恒流幅度(欧姆电压降)成比例。在这种情况下，整流时间对应于磁极转子电压过零的时间。
在图3中可以看到函数图，所述函数图显示了电流调节器上的具有在时间曲线中所定义的变化率的电流预设值。整流时间可以通过有针对性另外的，即偏离的电压限值uWG来改变，因此例如可以实现有利的预整流。这样就可以在整流时补偿由绕组电感引起的电机绕组中电流的延迟反向。在图3中可以看出，在已经识别出整流时间之后，电流的相应反向不是突然发生的，也不是尽可能快地发生的(如图1所示)，而是沿着具有所定义变化率SW的斜坡函数，其中SW是时间导数，因此表示平均变化率。这是由电流iw的时间差确定的，从技术上讲，这是例如通过在电流调节器的输入端预设斜坡函数来实现的。
图6示出了整流方法的示例性框图。斜坡函数通过斜坡生成10借助输入“目标值”实现，所述目标值作为“电流目标值”在电流调节器11的输入端提供。为此，所述电流调节器11将相应的“调节变量”传输到连接到EC电机13的电力电子设备12。所述电力电子设备12还包括电流检测装置14，以检测“实际电流值”。这又被反馈到所述电流调节器11以便在必要时适配“调节变量”。
限值通过限值检测器15被馈送到调制逻辑，整流状态通过OR电路16和双稳态多谐震荡器17被馈送到用于斜坡生成的输入端。此外，设置转速检测器18和旋转方向检测器19。可以看出，所述旋转方向检测器19使用电压的时间分布变量，并从梯度检测器20接收它。
图4示出了具有定子齿非对称结构的单股EC电机正和逆旋转方向时的磁极转子电压时间曲线。这里可以使用已知的非对称概念，其中例如气隙不是恒定的，而是根据绕组齿的齿位置在圆周方向上变化。通过评估两点电流调节器的磁极转子电压up值的平均斜率，可以使用整流阶段期间的不对称性来确定所述EC电机的旋转方向，因为所述磁极转子电压值的平均斜率取决于转子的旋转方向。在正斜率的情况下，即所述磁极转子电压up增加，如图4左图所示，可以推导出正旋转方向，在负斜率的情况下，即所述磁极转子电压up下降，如图4中右图所示，可以推导出相反的方向，即逆旋转方向。因此可以以简单但可靠的方式确定旋转方向。
由于这条电压曲线也直接映射到两点电流调节器的输出电压曲线中，如图5所示，可以从所述两点电流调节器输出电压的变化中读出旋转方向。所述值|uw|的平均正斜率在整流阶段可被定义为正旋转方向，相反所述值|uw|的平均负斜率可以评估为逆旋转方向。因此，当要求正的目标旋转方向时，可以识别偏离的逆的实际旋转方向，并且控制系统相应地做出反应，例如通过制动和随后的重新启动尝试，如图9中的流程图所示。
图7示出了流程图，用于描述在特定旋转方向上单股EC电机的启动。当电机启动时，转子首先对准固定的起始位置，然后立即通过第一个无传感器整流步骤启动。固定的预设旋转磁场斜坡没有时间控制的向上牵引。根据所需的旋转方向，第一整流步骤的方案略有不同。转子对准后，第一次强制整流通过反转伪霍尔信号(在此基础上整流替代霍尔信号)进行，从而使转子运动(电机启动)。通过针对启动(与正常运行相比)优化的无传感器位置检测的参数化(通过评估电流调节的最终PWM调制电平)，已经识别出第一个后继的极点变化。当在优选旋转方向上启动时，通过转变伪霍尔电平，在第一个识别的整流时间激活下一个电流方案，因此转子继续其旋转运动。在为启动优化进行确定数量的此类整流后，转子位置检测的参数化最终更改为正常运行的值，从而切换到无传感器正常运行。当相反于优选旋转方向启动时，在第一个检测到的整流时间故意不整流，而是保留当前的电流方案。随着转子继续转动，扭矩逐渐增加并沿相反方向作用，从而制动转子并最终使其沿相反方向运动。转子从静止状态开始运行，在第一次强制启动后，通过相反方向的往复运动继续沿优选方向运行。
在图8中示出了描述无传感器启动准备的流程图，所述无传感器启动在最后转移到正常操作。
图9示出了描述EC电机的主动制动的流程图。所述流程图包括以下子功能：为无传感器位置检测的制动优化设置，并为所述主动制动的整流生成替代霍尔信号。
图10示出了函数图，所述函数图示出了主动制动时整流的平均输出电压uw(t)值和相关的电压限值。由于在主动制动时所施加的平均电压与在电机绕组中感应的磁磁极转子电压的极性反相运行，电流调节器在所述绕组中施加的电流已经在相对非常低的平均电压下达到。一旦电机中所述感应电压的极性转变，所述电流调节器的平均输出电压就开始增加。高于限值uWG的上升用于整流。
图11和图12分别示出了函数图，所述函数图示出了当将转子与由电流调节器预设的恒定的绕组电流对准时平均输出电压uw(t)的值。转子的对准及其大致静止是随后无传感器电机启动(快速启动)的先决条件。图11示出了在转子先前未处于对准静止位置情况下的平均输出电压uw(t)的分布，所述转子的校平运动被映射到所述分布中。通过评估叠加在静止水平uw(t)(标记为uwA)上的交变分量的幅度，可以推论出校平的转子运动从其静止位置偏转，因此可以找到从转子对准到启动电机(快速启动)过渡的理想的最早时间点。此外，从所述叠加的交变分量的当前极性可推断往复运动的当前方向，因此在有利的实施例中，当所述往复运动的当前方向与将执行的电机启动方向重合时，可精确触发电机启动(快速启动)。这样可以在校平的转子完全停止之前在往复运动的流程中有利地启动电机，并且因此可以进一步缩短对准所需的时间(启动延迟最小化)。
相比之下，图12示出了先前处于对准静止位置的转子的平均输出电压uw(t)的分布，其中不再需要使用其他时间来对准转子并因此发动机启动(快速启动)可以立即跟进。通过对所述平均输出电压uw(t)的这种评估，无论不同转子结构的惯性力矩如何不一样，都可以找到从对准转子到电机启动过渡的最早可能时间点，从而最大限度地减少启动时间的延迟。

Claims (13)

1.一种包括具有两个绕组连接的绕组相的单股EC电机，其包括在所述绕组连接之间的绕组相中的电流调节装置，其中所述电流调节装置设计成：在具有正电流的第一整流阶段和在具有负电流的第二整流阶段分别将所述单股EC电机的绕组电流调节到恒定值，其中所述电流调节器的平均输出电压uw(t)的值用于确定整流时间。
2.根据权利要求1所述的单股EC电机的整流方法，其中通过电流调节器在绕组相中进行电流调节，使得在第一整流阶段(A)所述绕组相以基本恒定的正电流通电，并且在第二整流阶段(B)所述绕组相以基本恒定的负电流通电，其中所述电流调节器的平均输出电压uw(t)值用于确定相应的整流时间。
3.根据权利要求2所述的整流方法，其特征在于，通过将电流调节器的平均输出电压uw(t)与预定的电压限值uWG相比较来确定相应的整流时间，并且将低于所述电压限值uWG的时间确定为发生整流阶段(A、B)的整流时间。
4.根据权利要求3所述的整流方法，其特征在于，选择所述电压限值uWG以与整流阶段(A、B)中的各个恒定电流的幅值成比例。
5.根据权利要求2或3所述的整流方法，其特征在于，从第一整流阶段(A)到第二整流阶段(B)记性转换的整流时间为与EC电机磁极转子电压过零相对应的时间。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的整流方法，其特征在于，为了达到特定的预换向角，通过调节电压限值uWG来改变整流时间。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的整流方法，其特征在于，当整流阶段(A、B)在整流时间转换时，电流的反转不是突然发生，而是通过在电流调节器的输入端设置斜坡函数根据所定义的而发生。
8.根据前述权利要求中任一项所述的整流方法，其特征在于，通过针对性地触发第一整流阶段(A)和第二整流阶段(B)之间的转变来实现EC电机从静止状态的启动，在预定时间之后从相应的第一整流阶段转变到相应的第二整流阶段，以使转子进入旋转运动。
9.根据前述权利要求中任一项所述的整流方法，其特征在于，通过在整流阶段(A、B)期间评估电流调节器的输出电压uw(t)值的平均斜率或时间微分，确定EC电机的旋转方向，特别是在整流阶段期间值的平均正斜率或正微分符号被定义为正旋转方向，并且特别是在整流阶段期间值的平均负斜率或负微分符号被定义为负旋转方向。
10.根据前述权利要求中任一项所述的整流方法，其特征在于，不通过评估电流调节器的平均输出电压uw(t)，而是通过脉宽调制(PWM)控制的PWM调制电平来确定整流时间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的整流方法，其特征在于，通过评估电流调节器的平均输出电压的时间曲线，特别是通过评估转子往复运动映射到叠加平均输出电压的振荡，以缩短所述转子对准的持续时间。
12.根据权利要求11所述的整流方法，其特征在于，通过叠加在电流调节器的平均输出电压上并映射转子往复运动的交流电压能够推断当前转子往复运动的方向，并且因此在待对准的转子与所述转子的往复运动同步地完全校平之前，能够启动电机。
13.根据前述权利要求中任一项所述的整流方法，其特征在于，在电机启动之前通过主动制动使待制动的转子停止，以通过评估设置电机电流的电流调节器的平均输出电压，而在超过限值时进行整流。
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