专利名称：用于起动一种无传感器的、电子可整流的直流电机的方法
背景技术：
本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的、用于起动一种无传感器的电子可整流的直流电机。这样一种方法例如已在斯图加特大学的Volker Bosch的学位论文D 93中得知，论文标题为“Elektronischkommutiertes Einzelspindelantriebssystem(电子可整流的单轴驱动系统)”，Shaker出版社，亚琛，2001。在这种电子可整流的直流电机中，它并不通过传感器来检测转子位置，转子停止时的绝对位置并不知道。因此使转子在起动过程开始时首先进入一个规定的初始位置中用于使电机初始定位，其方法是对电机的两个或三个相通电流，从而使转子相应地对齐。在规定的等候时间之后通过逐步地给电机的其它相供电而使电机受控地起动。在上述出版物中所述的方法用于无传感器地进行转子位置检测，但根据原理只是在转子一定的最小转速之上时才发出一个许可的位置信号，因此这种方法不能直接用于电机的起动。因此这种起动受控制而并是受调节地进行，这就是说，转子的卡住不能立即识别并进行控制。这种已知的方法因此只是有条件地适用于具有可变载荷的电机。
本发明的任务是改进已知的方法，从而即使用尽可能少的技术和经济花费也可以受调节地在无传感器地检测转子位置的情况下使这样一种电机起动，其中起动电流的持续时间和大小可以匹配于电机各自的载荷。因此除了快速识别电机的卡住之外，还应在尽可能短的时间内在强载荷情况下实现可靠的起动，或者在小载荷条件下实现电机的起动。
所述任务通过权利要求1所述的特征来解决。此处尤其可以通过转子的无传感器的位置检测在停止位置时就使电机的起动过程实现可靠的、取决于载荷的调节，并进一步在超过转子转速的一个预先规定的最小值之后通过分析处理相电压的三次和/或其它奇数的高次谐波来应用一种有利的另外样式的电机转速调节。为了求出转子在停止时的位置，此处可参见由DE 101 62 380 A1已知的方法，用此方法可以使得用于使转子旋转到一个规定的初始位置中的预通电流成为多余的。在电机起动之后并且尤其是在高转速时，所述已知的方法然而花费很大，并且需要功能很强和运转快速的计算机用来求得各自当前的转子位置，了解这些位置对于调节来说是必需的。
由电机转子的某一个最小转速起，可以有利地应用一种无传感器的转子位置检测，它基于对第三谐波的探测，正如它原则上已在EP 735663 B1或在所述的斯图加特大学的学位论文D 93中所述的那样。通过对两种本身就已知的、然而基于很不相同的认识和半法的、具有一种新的起动控制的方法的合适组合就可以实现对无传感器的、电子可整流的直流电机进行可靠和价廉的调整，在这种直流电机中对应于所提出的任务达到了由停止状态起的受调节的起动以及在正常运行时对电机适宜的调整。
对于所述方法的线路技术的实现来说证实为特别有利的是在求出转子的静止位置之后，使所述由相电压的三次和/或其它奇数的高次谐波一方面通过定子绕组的一个星点而另一方面通过一个由三个相阻抗构成的辅助星点分接量得的且集成的电机零电压信号，一方面在电机停止时和起动过程开始时通过A/D转换器而另一方面在转子转速的规定最小值以上的范围里通过一个具有滞后的比较器输送给用于电机配电装置的控制装置。因此用一个价廉的计算机一方面方便地确定了转子在停止时的位置，并且可以取决于负载地测量和调节电机的起动电流；而且另一方面在高转速时对转子位置的各自确定不需要很多的计算费用的情况下，可以调整正常运行时的电机。
所述控制装置的核心是一个微控制器，一方面将停止时用于确定转子位置的比较器的起始信号、而另一方面将一个积分器的起始信号输送给微控制器，用于在起动时并在正常运行时调整转速。通过控制装置的微控制器的输出，借助于一个优选用MOSFET-晶体管构建起来的全桥逆变器电路以原则上已知的方式实现对于相电流的换向整流和控制，这种电路通过一个配属的具有脉冲扩大调制的晶体管激励器来驱动。
按照本发明的方法的其它细节和有利的设计方案可以由对于实施例以及从属权利要求的说明得出。
附图所示为
图1具有永磁激励转子的一种三相无传感器的电子可整流的直流电机，图2在起动时集成的类似的转子位置信号的随时间的变化的原理图。
图1中用10表示直流电源的正极，用12表示与地连接的负极，所述直流电源给一个设计成具有MOSFET晶体管的六线圈变频器桥的逆变器14供电。逆变器的输出口通过线路16，18，20与一个无传感器的电子可整流直流电机的定子22的相绕组U，V，W连接，电机的永磁激励转子用24表示。转子24上的双箭头26表示了该转子可以在相反的旋转方向上被驱动。
通过逆变器14的另一个出口使直流回路里的电流在利用电流脉冲对相绕组U，V，W加载时输送给一个接地的测量分流器27，用来求出在电机停止状态时的转子位置。在所述分流器27上的电压降在一个比较器25中与一个参考电压Uref进行比较，并将比较器25的输出信号输送给一个控制装置54用于求出转子的停止位置，在这里相应于所述通过转子位置所决定的在相绕组U，V，W里的最快电流升高可以测定转子位置。在DE 101 62 380 A1里详细描述了这种方法，关于该文献中的实施方式可作参考。
相绕组U，V，W联接成一个星点28，另一个星点30则借助于三个相阻抗32，34，36构成，它们的端部一侧联接成星点30，另一侧与至相绕组U，V，W的输电线路16，18，20相连接。相阻抗32，34和36还与一个阻抗38一起构成第一个接地的分压器，其分支点37与一个布线作为积分器46的运算放大器的负入口相连接。积分器46的正入口位于一个由两个阻抗44和42所构成的分压器的分支点41处，其中阻抗44的远离分支点41的端部与阻抗38的对应端部一起接地。积分器46成一体地由一个运算放大器构成。关于连接于所述两个星点28和30上的分压器的最下点可能必需的是使阻抗38和44的相互连接的端部连接于一个虚线表示的辅助电源48，此电源在应用一种单极的电源时提供静止信号用于位置检测。
积分器46的输出口一方面通过一个A/D转换器50而另一方面通过一个具有滞后的比较器52连接于控制装置54的微控制器(μC)。在另外的入口上给该微控制器输入一个用于电机名义转速的信号56以及比较器25的输出信号。该微控制器的出口通过一个脉冲扩大调制器58、一个上/下计数器60和一个释放接线61与一个用于逆变器14的晶体管激励器62相连。此外所述上/下计数器60也位于比较器52的出口处。由控制装置54的微控制器，所述上/下计数器60得到关于转子起动位置的信号、充电信号、释放信号以及用于对应于所希望的电机右转或左转的向上计数或者向下计数的信号。此时所有连接导线都用单线表示，用于各个连接的导线的实际数分别用数字表示。至脉冲扩大调制器58的输入导线用64表示，至用于转子起动位置的计数器60的导线用66表示，用于给计数器充电的导线用68表示，用于释放计数器的导线用70表示，而用于右转或者左转的输入导线用72表示。
按照本发明的、用于起动一种无传感器的电子可整流的具有永磁激励转子的直流电机的方法按如下工作在起动电机之前首先借助于测量分流器27、一个参考电压Uref、比较器25和微控制器μC求出停止时的当前转子位置。对此适合的方法例如在DE 101 62 380 A1中作了介绍。此处首先使多数短的电流脉冲通过逆变器14连接到相绕组U，V，W上，其中在定子绕组中在每个电流脉冲时使电流升高，其升高的速度取决于转子24的位置。在比较器25处测量一直到达所规定的阈值的时间。多数测试电流脉冲一前一后地被接通到定子绕组上，因而测试电流脉冲在定子里在360°(电的)上产生偏转相同角度步幅的定子磁势矢量。对于每个定子磁势矢量，在此时测量在馈电的直流电路里的电流升高时间，其中具有最短的电流升高时间的定子磁势矢量的相位就规定了转子位置。这种适合于确定转子停止位置的方法的详细情况已在上述公开出版物中作了详细说明，而这里就不需要再作详细叙述了。
在确定转子位置之后，在电机起动之前通过控制装置54的微控制器用一个起动值对上/下计数器60进行加载，该起动值相当于以前求出的转子起动位置。其它用于起动电机和用于调节电机转速的方法则基于通过对电机相电压的三次和/或其它次的奇数高次谐波进行分析处理用来无传感器地检测转子位置的一种方法。这些高次谐波由于磁场分布为非正弦形的而在气隙里具有谐波，其中由于对于极中心对称的励磁场分布所以只出现了具有奇数序号的高次谐波。由于气隙磁通密度呈梯形至矩形地发生变化，所以这里尤其是磁通密度的三次谐波，它则也作为三次谐波出现于相电压中，它有一个可观的大小，而其余的高次谐波则在考察研究时一般可以忽略。
通过相绕组U，V，W的星形连接在各个绕组里就不会产生三次的电流高次谐波，因为在所有三个相里所感应出的三次的高次谐波在相位和大小上都是相同的。所述三次的高次谐波则构成一个零系统，它容易地由在相绕组的星点28和一个人工的、通过三个相阻抗32，34，36所构成的星点之间的电压差得出来，因为这种人工的星点30并不模拟零电压系统。
为使电机起动，首先求出在这两个星点28和30之间的电压差，其方法是将这两个星点电压通过分压器的分支点37和41-此分压器具有并联的相阻抗32，34，36和阻抗38、或者阻抗42和44-加到集成的差动放大器46的入口处。此处使相绕组星点28上的分压器的分支点37接到积分器46的正入口上，而使阻抗-星点30的分压器上的分支点41接到积分器46的负入口上。这两个星点电压在此处在分压器上都是相对于接地电位而言。
在积分器46的入口处的差动信号是一种纯粹的交流电压，差动信号的振幅正比于磁极转子电压的振幅。因为这种磁极转子电压随电机转速的增大而增高，所以所使用的运算放大器接线设计成积分器46，以避免过激励。运算放大器的这两种功能形成了一种具有差动输入口的积分器46，其中在积分器46的出口处产生了一个具有恒定幅度的电压。此外，积分器46的输出电压相对于其输入电压产生相位移动，从而使积分器46出口处的交零的随时间变化的位置相应于三次的高次谐波的极端值、并因此相应于逆变器14的换向时刻。
图2表示了在起动过程中模拟的位置信号∫U3的随时间变化的原理图。此处直至时刻T1是指一种静止信号。至时刻T1使转子24运动，但只有大致到时刻T2，所述滞后地工作的比较器52的矩形输出信号才提供一种可利用的位置信息。此时无论是具有在T2时的拐点的曲线形状、随后的最大值或者最小值或者还是信号的一个绝对值都可以用来求出一个连续的位置信息。图2中的虚线曲线表明根据转子24的起始位置，信号可以或者按实线形状在电机起动后升高，或者也可以对应于虚线下降，其中虚线对应于通过信号的静止值的直线上的镜面反射。
在积分器46出口处的转子位置信号同时输送给以滞后工作的比较器52和A/D转换器50。在积分器46的出口处有一个模拟的、很近似于正弦状的转子位置信号∫U3，该信号通过A/D转换器50被输给微控制器μC，从而使控制装置54能够在任何时刻检测到该信号的值。A/D转换器50给微控制器提供了当前的位置信号作为二进制形式的8位值，其中恰恰是一个降下或升起的侧面相应于通过静止值的转子信号(图2)的每次通过。
比较器52的二进制信号此外位于二进制上/下计数器60上，该计数器用二进制位置信号的每个侧面向上或向下计数一个值。计数器根据转子24的各自60°的(电的)位置识别出6种状态。控制装置54的微控制器通过输入导线70使计数器60释放，并经过导线72通过计数方向向上或者向下来确定电机的旋转方向。通过输入导线68，计数器60得到信号“装载”，接着使计数器用一个3-位宽的起动值通过输入导线66对应于转子24的以前求得的起动位置而赋予初值。然后由上/下计数器将6种可能的计数器读数作为3-位数据输送给逆变器14用的晶体管激励器62，此激励器由计数器读数来确定所要的更新的开关元件。这里优先指MOSFET晶体管。
在上/下计数器60之后，也经过导线64通过微控制器μC用一个起动值使脉冲扩大调制器58赋予初值。逆变器14的开关元件的进行控制对应于所述通过脉冲扩大调制器58经过晶体管激励器62而规定的工作比来进行，其中由控制装置54的微控制器给脉冲扩大调制器58设置电机电压来作为二进制的信号。晶体管激励器62的释放直接通过微控制器经过释放接线61来进行。微控制器则通过A/D转换器50来跟踪所述模拟的位置信号的值，如图2所示的那样。它提高了由逆变器14输送给定子22相绕组U，V，W的电机电压，超过输入给脉冲扩大调制器58的二进制数值，一直到模拟的位置信号在积分器46出口处在时刻T1时离开其在图2中所示的静止值。在此时刻，克服了具有连接上的载荷的电机的附着力矩，而且转子位置信号∫U3例如以图2中所示的形状升高超过其静止电平，在时刻T1时首次经过一个拐点，在时刻T3经过一个相对最大值或最小值并在时刻T4转变成近似正弦状的曲线，它对应于相电压的三次的高次谐波。若模拟的转子位置信号∫U3偏离于其静止电平R一个规定的值，或者说信号经过一个拐点，微控制器就使上/下计数器60释放，因此该计数器通过比较器52出口处的二进制位置信号的每个侧面自动地继续逐步计数，并因此使电机电流换向整流。接着根据加在控制装置54的微控制器上的名义转速信号56通过设定脉冲扩大调制器58来进行电机的转速调整。为此通过控制装置54的微控制器来测量在比较器52出口处的二进位转子位置信号的频率或者周期。
总结来说可以确定，通过根据本发明的用于起动一种电子可整流的直流电机的方法特别有利地不仅使电机在规定的转速范围里实现受调整的运行，而且电机的起动也可以以受调节的方式进行，并且监测故障。这可以如下来实现首先在真正的起动过程之前求出转子的静止位置，这在停止的转子时只要求有一个慢的计算速度并因此对控制装置54要求一个相对来说简单的和价廉的微控制器μC。由于接着有目的地对相绕组中的两个供给电流，使得在转子和定子磁势轴线之间形成一个大致在60°(电的)和120°(电的)之间的角度，优选约为90°(电的)，转子24由停止状态起受到最大可能的加速的转矩。接着提高在转子22的相绕组中的电流，直到转子24开始旋转，其中积分器46的输出信号离开其静止电平R。在高于或者低于积分器信号的一个规定极限值之后则通过一个二进制转子位置信号的侧面使自动换向整流释放。通过所述的措施也就是用小的电路技术方面的费用就可以实现与载荷有关的调整，而不会使电机在起动时有卡住的危险。
权利要求
1.用于起动一种无传感器的电子可整流的直流电机的方法，此电机具有一个永磁激励的转子和一个装有一种多相、尤其是三相定子绕组的定子，并且具有一个由一个控制装置来控制的配电装置用于一致地给定子的相绕组从一个直流电源供给电流，其特征在于，转子停止时和起动开始时在转子转速的最小值以下的范围里通过控制装置(54)首先求出转子(24)的位置，并接着通过配电装置(14)使定子(22)的相绕组(U，V，W)受调整地流过起始电流，而在达到规定的转子转速的最小值之后，控制装置(54)得到由相电压的三次和/或由其它次的奇数的高次谐波直接导出的位置信号(∫U3)作为用于电机自动换向整流的转子位置信号，并由此将控制信号传送给配电装置(14)用于对相绕组(U，V，W)在正常运行时提供电流。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，控制装置(54)在转子停止时将电流脉冲接通到定子的相绕组(U，V，W)上，并从各个绕组里的电流升高求出转子(24)的静止位置。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，给定子(22)的相绕组(U，V，W)供给起始电流的时间长短和/或大小分别匹配于电机的负载。
4.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将定子(22)相电压的三次和/或其它奇数的高次谐波一方面通过相绕组(U，V，W)的星点(28)、另一方面通过一个由三个相阻抗(32，34，36)构成的辅助星点(30)输送给一个具有串接有积分器(46)的比较器(40)。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，积分器(46)的输出信号在电机停止状态时和起动过程开始时通过一个A/D转换器(50)、并在规定的转子转速最小值以上的范围里通过一个具有滞后的比较器(52)输送给控制装置(54)。
6.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，控制装置(54)具有一个微控制器(μC)，它得到了一个A/D转换器(50)的信号、具有滞后的比较器(52)的信号以及名义转速信号(56)作为输入信号，并且用其输出口通过一个激励器级(62)控制一个配电装置(14)用于给定子的相绕组(U，V，W)提供电流。
7.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，控制装置(54)通过具有滞后的比较器(52)在达到规定的转子转速的最小值之后继续得到二进制的位置信号用于取决于转子位置地使电机自动换向整流。
8.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，自一个由积分器(46)提供的模拟的转子信号(∫U3)的可预先规定的值起，在其静止值(R)和一个大致为正弦状振动(S)之间，对应于相电压的三次的高次谐波的变化曲线实现从对相绕组(U，V，W)的受调节的起始供电至通过具有滞后的比较器(52)的二进制输出信号的侧面的换向整流调节的转变的释放。
9.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，从受调节的相绕组(U，V，W)的起始确定(T2＞T＞0)至通过具有滞后的比较器(52)的输出信号的调节的转变的释放随着达到积分器(46)输出信号(∫U3)的第一个拐点(T2)而实现。
10.按上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在求出转子(24)的停止位置之后至少使定子(22)的两个相绕组(U，V，W)以一个起始值如此提供电流，使得在转子和定子磁势的轴线之间形成一个30°电的至150°电的角度，最好是大约90°电的角度。
全文摘要
建议了一种用于起动无传感器的、电子可整流的、具有一种永磁激励的转子(24)的直流电机的方法，其中定子(22)有一种尤其是三相绕组(U，V，W)，它们可以由一个直流电源从停止状态起就供给受调节的电流。为此通过所应用的控制装置(54)在转子停止时并在起动过程开始时在转子转速最小值以下的范围里首先求出转子(24)的位置，并接着通过配电装置(14)产生一个给定子(22)相绕组(U，V，W)的受调节的起始电流，而在到达转子转速的规定的最小值之后，控制装置(54)由相电压的三次的高次谐波和/或由另外的奇数的高次谐波得到直接导出的位置信号(∫U3)作为用于电机自动换向整流的转子位置信号，并由此将控制信号提供给配电装置(14)用于对正常运行的相绕组(U，V，W)供给电流。
文档编号H02P6/18GK1934778SQ200580008441
公开日2007年3月21日 申请日期2005年2月4日 优先权日2004年3月18日
发明者V·博施, B·维尔尼策尔 申请人:罗伯特·博世有限公司