CN113904597A - 用于设置电机的保持电流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作包括具有多个相线(4)的定子绕组(3)和转子(5)的至少三相电子换向电机(2)的方法，其中，利用块换向通过将以脉宽调制的方式生成的控制电位(V1、V2)施加到用于给相线(4)通电的相端子(7)来操作电机(2)，该方法包括：检测在将测量脉冲施加到其中一个相端子(7)之后出现的至少一个测量电位(M1、M2)的步骤(S5)；当电机(2)停止时，借助于保持位置控制相对于负载转矩保持转子(5)(S6)，该保持位置控制的控制变量取决于或对应于至少一个测量电位(M1、M2)，并且该保持位置控制将块换向的控制电位(V1、V2)指定为被控变量。

Description

用于设置电机的保持电流的方法和装置

技术领域

本发明涉及无刷电机，特别涉及用于操作电机的方法。本发明还涉及用于在抵抗负载转矩时减小电子换向电机的保持电流的措施。

背景技术

无刷电机具有定子线圈以产生励磁磁场。励磁磁场根据转子位置进行设置，以便对转子施加转矩，从而使转子运动。

这种电机可以具有以星形连接或多边形连接的定子结构。根据应用领域和操作要求，电机以产生定子磁场的换向方式操作。在此，块换向(Blockkommutierung)是一种简单的换向方式，以给这种电机的定子绕组的相线通电。在块换向的情况下，利用换向模式来控制定子装置的定子线圈，其中，其中一个相端子连接到高电源电位且另一相端子连接到低电源电位，而一个或多个其他相端子保持断电。

为了操作无刷电机，必须知道转子的位置，以便切换应用到相端子上的换向模式，从而可以操作电机并产生整流转矩。

当在没有传感器的情况下检测转子位置时，建议借助于块换向来操作电机。在此，关于转子位置的信息可以通过测量未通电的相端子处的电位来确定，其中，测量电位还由通电的定子绕组的取决于转子位置的电感来确定。因此，可以将有关转子位置的信息关联到测量电位。

这种电机可以在如下应用中使用：在电机停止之后必须施加保持转矩以抵抗正在作用的负载转矩。特别是在使用块换向的情况下，根据转子位置，特别是在转子极直接对准定子齿时的转子位置，可能需要较高的相电流才能将转子保持在保持位置，以便以抵抗负载转矩的方式保持转子。

此外，由于通常与驱动轴耦接的减速齿轮，保持位置可以允许更大的公差范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于设置用于将电机保持在保持状态的保持电流的改进方法，其中，特别是使保持电流最小化。此外，本发明的目的是当保持电机的转子时，在负载转矩变化的情况下基本上避免转子运动。

该目的通过根据权利要求1的用于设置用于将电机的转子保持在保持位置的保持电流的方法以及根据并列权利要求的相应装置和电动机系统来实现。

其他实施例在从属权利要求中给出。

根据第一方面，提供了一种用于操作至少三相电子换向的电机的方法，该电机包括转子和具有多个相线的定子绕组，其中，利用块换向通过将以脉宽调制的方式生成的控制电位施加到用于给相线通电的相端子来操作电机，该方法包括以下步骤：

-检测在将测量脉冲施加到其中一个相端子之后出现的至少一个测量电位；

-当电机停止时，借助于保持电流控制以抵抗负载转矩的方式保持转子，该保持电流控制的控制变量取决于或对应于所述至少一个测量电位，并且该保持电流控制将块换向的控制电位指定为被控变量。

被电子换向的电机可以利用换向进行操作，其中，根据转子位置交替地给定子绕组的定子线圈通电。最简单的换向方式是所谓的块换向(Blockkommutierung)，在块换向中，设置定子磁场，该定子磁场的朝向基于通电的定子线圈的位置。根据转子位置，给定子线圈通电，使得定子磁场的朝向在转子的运动方向上超前于转子磁场。

在块换向的情况下，无论无刷电机被构造为星形连接还是多边形连接，都根据转子位置在电机的其中两个相端子之间施加电源电压。在此，选择的相端子取决于当前的转子位置。在此，定子磁场的强度以及因此作用在转子上的电动机转矩可以通过指定施加在相端子上的相电压来设置。在此，可以通过脉宽调制方法来设置相电压。出于成本原因，可以将电机构造为不具有传感器。在无传感器的操作中，通过测量电气变量来确定定子绕组的取决于转子位置的电感，并将其关联到转子位置。

在块换向的情况下，典型的电感测量是通过测量和评估电机的未通电的相端子处的测量电位进行的，该电机的电位实质上取决于定子绕组的电感。为了确定定子绕组的取决于转子位置的电感的信息，将测量脉冲施加到通电的相端子上，并在未通电的相端子上测量由此产生的测量电位。测量脉冲可以作为控制电位的脉宽调制生成的一部分形成，或者叠加在控制电位的脉宽调制生成上。替代地，可以短暂地中断电机的换向，以便施加测量脉冲并进行测量。

此外，尤其在时间上在脉宽调制方法的脉宽调制周期内，根据两个反向的测量脉冲的施加，可以检测两个测量电位，其中，从这两个测量电位确定测量电位差(R)，其中，保持电流控制将测量电位差(R)用作控制变量。

因此，为了防止测量电位由于在转子移动时由反电动势(Back-EMF)的作用引起的感应电压而失真，可以在相同的换向模式下，在穿过定子绕组的电流路径上接连地施加一个正测量脉冲和一个负测量脉冲，并在相应未通电的相端子处测量相应的测量电位。通过形成以此方式获得的测量电位之间的差值，可以获得关于定子绕组的电感的信息，其中，消除了在转子运动时反电动势的影响。

因此，借助于测量电位差的确定，可以确定关于电气转子位置角(极轮角)的转子位置信息。电气转子位置对应于机械转子位置乘以转子极的极对数。

基本上，0V的测量电位差对应于其中一个转子极在通电的定子线圈方向上的对准，这对应于0°的电气位置角。在转子极和定子齿之间存在偏移的情况下，随着定子绕组的电感改变，测量电位差也相应地改变。在转子旋转时，测量电位差关于电气转子位置基本上为正弦曲线。

在转子极与通电的定子线圈的定子齿对准(电气位置角或极轮角为0°)时，由于可能没有切向力或横向力作用在转子上，因此基本上无法获得明显的电动机转矩。相反地，在恒定控制下，电动机转矩增大，直到转子极与通电的定子齿之间的电气转子位置角为90°的偏差角。在偏差角大于90°时，可实现的电动机转矩再次减小。

根据本发明，现在将电机的转子调节到对应于近似90°的偏差角的保持位置。在此，使用的保持电流和可实现的电动机转矩之间的转换特别高。在理想情况下，可以利用90°偏差角之前的在控制技术上有利的安全距离来确定控制点。特别地，该偏差可以在60”和85°之间，优选地在70”和80°之间。原则上，超过90°的偏差角也是可能的，但是该偏差角只能通过控制而高成本地保持。

在将转子保持在保持位置上时，可以保留现有的换向模式。由于转子位置的依赖性，测量电位差可以直接用作控制变量，以用于控制电机的保持位置。位置控制可以借助于PI控制器、PD控制器或PID控制器实现。

此外，为了停止电机，可以特别在未调控的操作下给定子绕组通电，使得转子以特别是抵抗负载转矩的作用的方式停止在停止区域中，其中，停止区域处于电气位置角的范围内，在该范围内位置角与测量电位差的最大值之间具有预定的安全距离，特别是在0°和+/-40°之间的位置角范围内，特别在0°和+/-20°之间，其中，0°的电气位置角对应于转子极与通电的定子齿的对准。

根据一实施例，控制因此可以被设置为在转子停止时首先确保转子处于相对于相应定子磁场的偏差角的角范围内，该角范围安全地处于0和-45°或0和+45°之间。这可以通过在要通电的两个相端子之间施加较高的控制电压来实现，该控制电压的施加基本上独立于当前的转子位置进行。

特别地，在停止在停止区域中之后，作为施加的控制电位之间的差值的控制电压可以在数值上连续地或逐步地减小，使得转子在作用的负载转矩的方向上移动，其中，根据至少一个测量电位相对于转子运动过程中的电气位置角的变化曲线，确定是否超过测量电位的最大值或最小值，其中，在确定已经超过测量电位的最大值或最小值之后，开始保持位置控制。

因此，通过测量电位的通过施加测量脉冲实现的上述测量，可以连续地检测并观察测量电位差。现在，特别通过减小用于产生驱动电位的占空比来逐步地减小驱动电压。通过观察测量电位差，可以识别出转子位置由于作用的负载转矩而从0°的电气转子位置移开。特别地，可以确定测量电位差何时超过最大或最小值。在超过相应的最大值/最小值之后，可以激活保持位置控制。在此，测量电位差用作被调节到一定值的控制变量，该值大致对应于定子磁场与转子磁场之间的电偏差角，该电偏差角在60°至85°之间，特别是在70°至80°之间。以此方式，确保了将转子尽可能有效地保持在保持位置上，其中，由此确保的安全区域应避免超过+/-90°的电气转子位置。虽然在偏差角大于90°的情况下也可以进行保持位置控制，但是由于保持转矩然后随着偏差角的增大而减小，因此这通常难以实现。如果位置偏移量超过90°的偏差角，则必须至少在短时间内施加增大的保持电流。

根据一实施例，如果根据测量电位确定电气位置角在数值上超过预定的极限角，或者在电气位置角在数值上减小的情况下再次超过先前超过的测量电位的最大值/最小值，则结束保持位置控制。

在激活保持位置控制时，可以保留现有的换向模式。在替代的实施例中，用于激活保持电流控制的换向模式也可以不同于电机的正常运行的换向类型。

根据另一方面，提供了一种用于操作至少三相电子换向的电机的装置，该电机包括转子和具有多个相线的定子绕组，其中，通过将以脉宽调制的方式生成的控制电位施加到用于给相线通电的相端子而利用块换向来操作电机，其中，该装置被构造为：

-检测在将测量脉冲施加到其中一个相端子之后出现的至少一个测量电位；

-当电机停止时，借助于保持电流控制以抵抗负载转矩的方式保持转子，该保持电流控制的控制变量取决于或对应于至少一个测量电位，并且将块换向的控制电位指定为被控变量。

根据另一方面，提供了一种具有至少三相电子换向的电机和上述装置的系统。

附图说明

下面将参考附图更详细地说明实施例。

图1示出了具有三相电子换向电机的电动机系统的示意图，其中定子绕组为星形连接。

图2示出了在选择的占空比下的控制电位的信号-时间图以及由此产生的测量电位。

图3示出了用于说明作为保持位置控制的控制变量的测量电位差根据电气转子位置的变化曲线的图。

图4示出了用于说明在转子停止时和在抵抗作用的负载转矩而保持转子时电机的操作方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了具有被构造为无刷电机的电机2的电动机系统1的示意图。电机2可以被设置为同步或异步电动机。在所示的示例性实施例中，电机具有三相设计并具有定子绕组3，在所示的示例性实施例中，定子绕组3以均由一个或多个定子线圈构成的相线4的星形连接的方式连接。然而，下述方法能够以相同的方式用于具有三个以上的相线并具有以三角形/多边形连接的方式连接的相线4的电机。

除了定子绕组3的定子线圈之外，电机2还包括可移动地安装的转子5，该转子在本示例性实施例中具有两个转子极6。以下方法也可以应用于具有多于两个的转子极的电机2。

定子绕组3可以通过相端子7控制。为此，相端子连接到功率单元8，该功率单元能够可选地将控制电位施加到相端子7，或可以将相端子切换到断电状态。功率单元8能够以已知的方式被构造为B6电路或H桥电路。

功率单元8通过控制单元9控制。为此，控制单元9根据换向模式生成用于功率单元8的晶体管的控制信号。控制信号指示功率单元8的晶体管被切换为导通或不导通，以便将相应的控制电位施加到相应的相端子7。

块换向方法可以在控制单元9中执行，该方法根据转子位置在其中两个相端子之间施加电流。通过指定控制电压来设置该电流，该控制电压可以被设置在至少两个相端子7处的控制电位之间，并可以通过电源电压V_vers的脉宽调制来生成。通过针对每个相端子根据占空比因数周期性地开启和关断功率单元的晶体管来进行脉宽调制。占空比确定了有效施加到相端子的控制电位。

可以基于块换向生成控制信号，其中，其中一个相端子连接到较高的(脉宽调制的)电源电位V_vers，且另一相端子连接到较低的(脉宽调制的)电源电位V_vers，并且其他相端子切换为无电位(通过断开连接到它们的晶体管)。根据转子位置选择通电的相端子，因此实现了在要实现的电动机转矩的方向上引导的定子磁场的对准。

电动机系统1可以被构造为不具有传感器，其中，转子位置能够以已知的方式根据未通电的相端子处的测量电位的测量来确定。替代地，可以设置用于转子位置的位置传感器，该位置传感器能够实现用于通过功率单元进行定子绕组的控制换向的信号通知。

优选地，产生在高电源电位(V_vers)和低电源电位(0V)之间的控制电位，以给定子绕组通电。当将0V的控制电压施加到要通电的定子线圈上时，都以50％的占空比产生两个控制电压。如果要施加大于0V的电压，则第一相端子的占空比从50％开始增大，而第二相端子的占空比从50％开始减小。例如，可以使用用于产生第一控制电压的60％的占空比和用于产生第二控制电压的40％的占空比的组合。

以此方式在相端子处产生的电压脉冲会在未通电的相应相端子处产生测量电位，该测量电位取决于定子绕组的电感或取决于两个通电的相线4的电感比。由于该电感取决于转子位置，因此在未通电的相端子处的测量电位可以对应于转子位置的信息。为此，将相端子连接到测量装置10，该测量装置测量各个未通电的相端子处的测量电位并将其传输到控制单元9。

由于未通电的相端子7处的测量电位也可以取决于在转子5运动时产生的感应电压，因此规定对于每次测量依次测量两个测量电位M1、M2。图2示出了信号-时间图，其示出了在预定的控制电位V1、V2的情况下测量电位M1、M2的时间曲线。

在第二相端子处于低电源电位的情况下，在具有从低到高的电源电位V_vers的上升沿的第一控制电位V1已被施加到第一相端子处之后，确定第一测量电位M1。在第一相端子处于低电源电位0的情况下，在具有从低到高的电源电位V_vers的上升沿的第二控制电位V2已被施加到第二相端子处之后，确定第二测量电位M2。在边沿的上升或下降之后的稳定时间段之后，即，在其中由于测量脉冲的边沿触发而引起的过冲/下冲已消除的一定时间段之后，分别确定测量电位M1、M2。由反向的测量脉冲导致的以此方式检测的测量电位M1、M2由当前的转子位置确定。通过形成测量电位M1、M2之间的差(这些测量电位优选地在时间上先后紧邻的连续的控制电位边沿的情况下确定)，获得了测量电位差R，该测量电位差R可用作随后的保持位置控制的控制变量。

图3示出了说明测量电位差ΔV例如根据电气转子位置θ变化的曲线的图。电气转子位置θ由定子磁场方向和转子磁场方向之间的偏差角得出，并且当转子极与通电的定子齿精确对准时，该偏差角特别是0°。还可以看出，测量电位差的朝向转子位置的-90°和+90°的偏差角的曲线对应于近似半正弦曲线。现在，测量电位差的曲线使得可以将其用作转子5的保持位置控制的控制变量，该控制用于将转子5保持在其中能有效地使保持电流最小化的保持位置上。这例如以CP给出。

下面将根据图4的流程图说明如下方法，利用该方法能够将电机的转子以抵抗负载转矩作用的最小保持电流保持在保持位置。

该方法可以在控制单元9中被实施为软件或硬件。

在步骤S1中，首先检查电机2是否应停止。如果是应停止的情况，则该方法继续行进到步骤S2，否则(选择：否)跳回到步骤S1。

在步骤S2中，通过受控地应用换向模块，在零位置(电气位置角＝0°)附近的停止区域S中的位置角处接近保持位置。这例如可以通过提供具有恒定换向模式(恒定空间矢量)的高电动机电流来实现，使得当正负载转矩作用在电机2的转子5上时，转子位置角处于定子磁场和转子磁场之间的0°至40°范围内的电气转子位置，或者使得当负负载转矩作用在电机2的转子上时，转子位置角处于定子磁场和转子磁场之间的0°至-40°范围内的电气转子位置。下面将仅参考正负载转矩来说明该方法，其中，该方法也可以类似地针对负负载转矩执行。特别地，应选择电动机电流，使得转子5在停止区域S中(即，0-20°的位置角范围内)的转子位置角处安全地停止(在转子运动低于预定转速值的情况下)。

在步骤S3中检查转子5是否在0°转子位置角范围内基本上停止而没有任何明显的运动。如果确定为基本上停止(选择：是)，则该方法继续行进到步骤S4。否则(选择：否)跳转到步骤S2。

在步骤S4中，现在在控制单元9的控制下减小电动机电流。这是通过逐步减小两个选择的相端子7处的控制电压(控制电位之间的电位差)进行的。通常，当外部负载转矩作用在转子5上时，转子5将相应地从停止区域S移出。因此改变了转子位置。如果没有负载转矩作用在转子5上，则它将保持在最后接近的位置，并且控制电位降低到0V。

为了施加控制电压，根据预定的占空比从电源电压来产生作为有效电位(特别是脉宽调制)的控制电位V1、V2。由功率单元8施加到相端子7上的电压具有可用作测量脉冲的矩形曲线。可在稳定时间之后提取的每个测量电位M1、M2用于确定测量电位差R。

在步骤S5中，在逐步降低控制电压V1、V2的同时测量测量脉冲的测量电位M1、M2，并检查测量电位差R是否超过最大值R_max或最小值R_min。可以通过记录多个连续的测量电位差R来确定是否超过最大值。为了减少干扰信号的影响，可以借助于合适的滤波器来平滑测量电位差R的曲线。临时存储测量电位差R的最大值R_max或最小值R_min。

如果确定由于控制电压的降低而引起的转子5的运动使得测量电位差R在超过最大值后再次减小(选择：是)，则可以在步骤S6中开始或继续保持位置控制。否则(选择：否)跳回到步骤S4，并继续逐步地降低控制电压。

保持位置控制是以测量电位差R作为控制变量进行的，并基于测量电位差R的对应于如下转子位置的额定值进行，该转子位置通过在90°的偏差角之前具有在控制技术上有利的安全距离的转子位置角确定。特别地，能够以测量电位差R作为控制变量来执行保持位置控制，该测量电位差R对应于60和85°或-60和-85°之间的转子位置，优选地对应于70°和80°或-70°和-80°之间的转子位置。替代地，可以根据最大或最小测量电位差R_max、R_min指定测量电位差R的额定值，例如为最大或最小测量电位差R_max、R_min的5和35％之间的值，特别是最大或最小测量电位差R_max、R_min的10和25％之间的值。最大或最小测量电位差R_max、R_min可以例如通过在转子5从保持位置移动到应保持转子5的位置时连续地检测测量电位差来确定。

保持位置控制可以对应于PD控制、PI控制或PID控制，并提供控制电压作为被控变量，从而为控制电位指定相应的占空比。特别地，保持位置控制可以直接提供用于产生控制电压V1、V2的占空比作为被控变量。

在步骤S7中，检查转子位置角在数值上是否已经超过预定的极限角。如果在控制期间确定已经超过极限角(选择：是)，则在步骤S10中结束保持位置控制并放弃将转子5保持在保持位置。否则(选择：否)，该方法继续进行到步骤S8，并进一步运行保持位置控制。

在步骤S8中，还检查转子5是否由于作用的负载转矩的变化，特别是由于负载转矩的换向而在停止区域的方向上运动。这可以通过以下方法确定：测量电位差R首先增大到最大值R_max或减小到最小值R_min，超过该最大或最小值，然后在停止区域S中的位置角方向上再次减小。

如果确定为换向(选择：是)，则在步骤S9中，在超过测量电位差的最大或最小值R_max、R_min之后再次停用保持位置控制，并且转子5再次处于-45°至+45°的转子位置角范围内。然后，该方法继续进行到步骤S4。否则(选择：否)，跳回到步骤S6，并且继续进行保持位置控制。

附图标记列表

1 电动机系统

2 电机

3 定子绕组

4 相线

5 转子

6 转子极

7 相端子

8 功率单元

9 控制单元

10 测量装置

R 测量电位差

Claims (10)

1.一种用于操作至少三相电子换向的电机(2)的方法，所述电机具有转子(5)和具有多个相线(4)的定子绕组(3)，其中，利用块换向通过将以脉宽调制的方式生成的控制电位(V1、V2)施加到用于给所述相线(4)通电的相端子(7)来操作所述电机(2)，所述方法包括：

-检测在将测量脉冲施加到其中一个所述相端子(7)之后出现的至少一个测量电位(M1、M2)的步骤(S5)；

-当所述电机(2)停止时，借助于保持位置控制以抵抗负载转矩的方式保持所述转子(5)的步骤(S6)，所述保持位置控制的控制变量取决于或对应于所述至少一个测量电位(M1、M2)，并且所述保持位置控制将所述块换向的所述控制电位(V1、V2)指定为被控变量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量脉冲作为所述控制电位(V1、V2)的脉宽调制生成的一部分形成，或者叠加在所述控制电位(V1、V2)的所述脉宽调制生成上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，尤其在时间上在脉宽调制周期内，根据两个反向的所述测量脉冲的施加来检测两个所述测量电位(M1、M2)，其中，从所述两个测量电位(M1、M2)确定测量电位差(R)，其中，所述保持位置控制接收所述测量电位差(R)作为所述控制变量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，为了停止所述电机(2)，尤其在未调控的操作下，给所述定子绕组(3)通电，使得所述转子(5)尤其以抵抗负载转矩的作用的方式停止在停止区域(S)中，其中，所述停止区域(S)处于如下的电气位置角的范围内，在所述电气位置角的范围内，所述位置角具有到所述测量电位差(R)的最大值的预定安全距离，并且尤其在0°和+/-40°之间的位置角范围内，尤其在0°和+/-20°之间的位置角范围内，其中，0°的电气位置角对应于转子极与通电的定子齿的对准。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在停止在所述停止区域(S)中之后，在数值上连续地或逐步地减小作为施加的所述控制电位(V1、V2)之间的差值的控制电压，使得所述转子在作用的负载转矩的方向上移动，其中，根据所述至少一个测量电位(M1、M2)关于转子运动过程(5)中的所述电气位置角的曲线，确定所述测量电位的最大值或最小值是否被超过，其中，在确定所述测量电位的所述最大值或所述最小值已经被超过之后，开始所述保持位置控制。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述保持位置控制被配置为使得所述电机(2)的所述转子被调节到保持位置，所述保持位置对应于60”和85°之间的偏差角，优选地对应于70”和80°之间的偏差角。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，如果根据所述测量电位(M1、M2)确定所述电气位置角在数值上超过极限角，或者确定在所述电气位置角在数值上减小的情况下所述测量电位的先前被超过的所述最大值/所述最小值再次被超过，则结束所述保持位置控制。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，在所述保持位置控制有效时，维持现有的换向模式。

9.一种尤其是控制单元(9)的装置，其用于操作至少三相电子换向的电机(2)，所述电机包括转子(5)和具有多个相线(4)的定子绕组(3)，其中，通过将以脉宽调制的方式生成的控制电位施加到用于给所述相线(4)通电的相端子(7)而利用块换向来操作所述电机(2)，其中，所述装置被构造为用于：

-检测在将测量脉冲施加到其中一个所述相端子(7)之后出现的至少一个测量电位；

-当所述电机(2)停机时，借助于保持位置控制以抵抗负载转矩的方式保持所述转子(5)，所述保持位置控制的控制变量取决于或对应于所述至少一个测量电位，并且所述保持位置控制将所述块换向的所述控制电位指定为被控变量。

10.一种具有至少三相电子换向的电机(2)以及根据权利要求9所述的装置的系统，所述电机包括转子(5)和具有多个相线(4)的定子绕组(3)。

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