采用线圈电感确定法的装置以及用于操作该装置的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种包括具有定子、电枢尤其是转子、至少一个线圈的电动电机的装 置。本发明还涉及一种用于操作该装置的方法。
【背景技术】
[0002] 电动电机（尤其是无刷DC电机）在医疗设备中用作激励器。例如，可以在液体给 药设备中提供电动电机，以激励药品交付。交付给病患的药品的剂量可以于是直接取决于 电机旋转，从而电机旋转的精确控制对于这些应用是关键。用于电机控制的输入信号通常 是在本领域中一般以电机上的附加传感器以光学或磁方式所估计的电枢的位置。然而，附 加传感器需要附加组件并且因此增加成本。由于额外组件可能产生附加功能失效，因此它 们也可能连累设备对于故障的鲁棒性。
[0003] 存在使用电动势测量法的已知的较少传感器的电机控制系统。电动势的测量法对 于高速度（高rpm)运作得良好，但对于低速度（低rpm)电机较差。然而，对于一些应用 (例如给药设备），也必须以低速度精确地控制电机。
【发明内容】
[0004] 因此，本发明的目的在于提供一种在低速度也具有精确电机控制的受电机驱动的 装置，其不需要附加传感器。
[0005] 该目的通过一种装置至少部分地得以解决，装置包括：电动电机，其具有定子、电 枢（尤其是转子）、至少一个线圈，其中，装置还包括检测部件，其配置为通过测量在电机的 操作期间与线圈有关的至少一个电学量以确定线圈的电感L。通过提供这种检测部件，线圈 电感L是可在电机操作期间确定的，并且可以据此计算电机的操作参数（例如当前电枢位 置）。
[0006] 该目的进一步通过一种用于操作该装置的方法至少部分地得以解决，其中，装置 的检测部件通过测量在电机的操作期间与线圈有关的至少一个电学量以确定线圈的电感L 和/或作为线圈的电感L的函数的电枢的位置。
[0007] 我们发现，通过确定在电机操作期间的线圈电感L，可以对于例如在给药设备中的 应用足够精确地确定电枢位置。此外，通过测量与线圈有关的电学量而不使用附加感测部 件（比如例如另外用于例如控制电枢位置的光学或磁传感器），电感L被发现为在操作操作 期间是可确定的。
[0008] 装置包括电动电机，其具有定子、电枢、至少一个线圈。电动电机可以是具有定子、 转子的旋转式电机，但也可以是具有定子、线性移动电枢的线性电机。具体地说，电机可以 是医疗设备中经常使用的DC电机（尤其是无刷DC电机）。电机可以受线路电流或移动功 率模块（例如电池）供电，并且受控于例如脉宽调制。电机的线圈服务于在电机内生成磁 场，并且可以置于定子或电枢上。在旋转式电机的情况下，线圈可以例如置于转子上。
[0009] 电机优选地配置为以0. 01与20000rpm之间，优选地0. 1与lOOOrpm之间，更优选 地1与lOrpm之间的速度工作。该电机速度典型地用在例如医疗交付设备中。
[0010] 装置还包括检测部件。这些检测部件可以例如包括连接到用于操作电机的电路的 电路。例如，检测部件可以包括集成电路或模拟电子器件或其组合。检测部件配置为确定 线圈的电感L。线圈的电感L 一方面取决于预定线圈参数（例如绕组的的数量、线圈的尺 寸、线圈核心等），另一方面取决于线圈环境的（时间依赖性）磁特性（例如尤其是线圈对 于电枢的相对空间定向、装置（尤其是电机）的永磁体和/或其它铁一、超一或抗磁组件）。 电感L随着时间的变化因此包含关于电枢位置（即关于线圈对于电枢的相对空间定向（如 果线圈处于定子上）或关于线圈对于定子的相对空间定向（如果线圈处于电枢上））的信 息。
[0011] 检测部件配置为通过测量与线圈有关的至少一个电学量以确定线圈的电感L。电 学量可以具体地是线圈的放电电流（线圈电流）和/或线圈上的电压（线圈电压）。例如， 检测部件可以包括用于测量电压的相应电流的安培计电路或伏特计电路。至少一个电学量 待在电机操作期间受测量。因此，检测部件必须如此配置以允许在电机操作期间的测量。具 体地说，检测部件包括控件，其配置为在电机操作期间执行测量。电机操作在该上下文中尤 其表示电枢处于运动中，例如，旋转式电机的转子相对于定子旋转。
[0012] 以下将描述装置和方法的其它实施例。即使仅关于这些实施例之一描述它们，它 们的的特征和优点也理解为同样应用于装置和方法。
[0013] 根据装置的实施例，检测部件进一步配置为确定作为在电机的操作期间（尤其是 当电枢处于运动中时）的线圈的电感L的函数的电枢的位置。由于线圈电感L尤其是线圈 对于电枢、磁体、线圈环境中的组件的空间相对位置的函数，因此可根据时间依赖性电感L 确定电动电机的电枢位置。在具有置于定子上的线圈的旋转式电机的情况下，转子旋转例 如改变转子上的磁体对于定子上的线圈的相对位置，由此影响线圈电感L，从而可通过线圈 电感L的时间依赖性测量确定转子位置。
[0014] 可以通过计算机仿真、分析、实验性测量或其任何组合关于特定电机几何形状确 定线圈电感L与的电枢位置之间的特定关系。例如，线圈电感与电枢位置之间的关系可以 存储在装置的存储部件上的查找表中，从而在操作期间，可以通过对查找表与当前线圈电 感测量进行比较推断当前电枢位置。
[0015] 应理解，对于确定作为线圈电感L的函数的电枢位置，通过例如将电感L的实际值 存储为特定存储器位置中的变量，无需首先明确计算和/或输出该值。此外，电感L的确 定可以暗含地或明确地合并到电枢位置的确定中，从而电感L的值可以仅显现为公式的部 分，以确定电枢位置。例如，作为电学量的函数的电感L的关系式可以插入到作为线圈电感 L的函数的电枢位置的关系式，产生作为电学量的函数的电枢位置的关系式。
[0016] 根据装置的实施例，装置还包括脉宽调制（PWM)电路，其配置为控制电动电机，其 中，脉宽调制电路配置为在充电时间段??期间将线圈连接到电压源，并且在放电时间段 Trff期间将线圈与电压源断连，并且其中，检测部件配置为确定在放电时间段期间来自 线圈的放电电流。
[0017] 根据方法的对应实施例，电动电机受控于PWM，并且检测部件确定在PWM的至少一 个放电时间段1；"期间来自线圈的放电电流。
[0018] PWM是一种对于电机控制广泛使用的方法，其中，通过以快速步速打开并且关闭电 压源与电机之间的一个或多个开关开关控制馈送到电机的电压（或电流）的值，从而打开 时段与关闭时段T。"相比越长，提供给电机的功率越高。PWM是相对节能的，允许电机的 恰当控制，并且可以极大地集成在数字电子器件中。用于PWM的电子开关可以是例如晶体 管、IGBT 或 MOSFET。
[0019] 然而，归因于PWM将一个或多个开关从关闭到打开或反之亦然的PWM的高频率，由 于测量受PWM频率及其谐波干扰，因此这是对于确定关于在操作期间的电动电机的信息的 挑战。PWM时段（即从关闭到打开的两个连续切换之间的时间段（其等于一个?；η和一个 T#时段之和））优选地处于0. 2ms与100ms之间，更优选地处于0. 4ms与10ms之间（例如 大约一毫秒）。
[0020] 我们发现，通过确定在PWM的放电时间段期间来自线圈的放电电流，线圈电感 L的精确测量是可能的。
[0021] 在??时间段期间，线圈连接到电压源，从而通过线圈的电流逐渐增加。当PWM从 切换到T #时，电压源与线圈断连，线圈反而与具有总电阻R的放电电路连接，从而线圈 放电，并且通过线圈的电流再次逐渐降低。通过线圈的增加和降低电流分别称为充电电流 和放电电流。
[0022] 根据装置的实施例，检测部件配置为确定用于从第一给定电流值降落到第二给定 电流值的来自线圈的放电电流的时间长度。
[0023] 根据方法的对应实施例，检测部件确定从第一给定电流值降落到第二给定电流值 的用于来自线圈的放电电流的时间长度。
[0024] 在时段期间的电流降低通常由放电电流公式给出：
[0025] I (t) = 1〇 · exp (~t · R/L), (1)
[0026] 其中，I (t)是时间依赖性放电电流，I。是在相应间隔T rff的开始时的线圈电流，R 是线圈放电的放电电路的电阻，L是线圈电感，t是自从线圈放电（即自从具体地在相应间 隔T#的开始时线圈连接到放电电路）所经过的时间。
[0027] 通过两个给定的成对值（tp I (tD)，（t2, I (t2))，可以通过以下公式计算电感L :
[0029] 其中，At = R是线圈放电的电阻。因此，可以根据放电电流从第一给定电 流值1:降落到第二给定电流值I 2的时间间隔A t的长度确定L。
[0030] 第一和第二电流值^和込可以例如给出为在相应时间段ΤΜ的开始时的最大放电 电流I。的百分比。例如，第一和第二电流值可以分别选择为I。的100%和80%。当然，也 可以设置小于I。的100% (例如90% )的I 1<3
[0031] 根据装置的实施例，检测部件配置为