专利名称：控制电动机的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机的控制，尤其是一种无刷电动机的控制，其中转子相对定子的绝对相位被确定。
在以下“转子”及“定子”的概念仅意味着一个电动机基本元件的功能名称，或是相对于一个外部座标系变化位置(转动或移动)的——转子——或是相对于外部座标系固定的一定子。
在电动机刚起动时希望知道转子相对于所属定子的精确角度位置或相位，以便能在转子上产生出适当的转矩。在公知的方法或装置中是通过绝对位置测量来取得该信息的。为此，例如将一个绝对测量系统安装在装有转子的转子轴上。该绝对测量系统在每个时间点给出转子相对于定子的精确角度位置。
作为绝对测量系统，通常使用所谓同步解析器或霍耳传感器。该同步解析器例如是电感测量器或旋转变压器。霍耳传感器通常是三个绕轴错开120°安装的传感器。这种绝对测量系统为此安装在电动机上，即在所有的运行状态中，甚至在关断电动机控制装置的情况下，这些绝对测量系统能不断地给出转子相对定子的绝对相位。但为了操纵及实施这些系统需要昂贵的，因此费用很高的电子电路。
尤其在具有电刷或刷夹的同步电动机中已公知了一种控制方法，在该方法中，由电动机端子上感应的正弦电压的相位来确定绝对相位。但这种方法具有缺点，即该方法只在转子转动期间即在电动机运行时才起作用。
但是电动机——例如在接通电源时——不许或仅许做很小的运动。例如在工件电腐蚀加工装置中电动机控制加工台和/或电极导体向装置的运动，其中，特别重要的是，在电动机通电时一方面要知道转子相对于定子的精确相位，另一方面在该接通阶段期间要尽可能避免转子的不受控制的转动。当考虑到在这种设备中以多高的精度进行加工时，才会理解这些要求。如果电动机用于控制电极或切割线的导向头，则微米范围的不希望有的移动就会对工件的加工质量带来明显的负作用。电动机不受控的运动甚至可能引起机械单元(导向头)或被加工工件的损坏。
本发明的目的在于，开发一种控制电动机，尤其是无刷电动机的方法及装置，该控制方法和装置能简化绝对相位的确定。
按照本发明的主题来确定电动机转子相对于定子的绝对相位，其方法为激励转子的一个或多个运动，测量转子相对于定子的具体的、实际的相位变化或角度变化并由此推导出绝对相位。然后应将被激励的运动量选择得很小，使上述的问题，即在起动阶段转子的过大的、不希望有的运动问题不会出现。最好对被激励的运动量也在不考虑可能出现的不希望有的转子运动的情况下来选择。
一种适用于上述方法的装置具有一个用于激励转子相对于定子的运动的励磁装置，一个用于测量转子相对于定子的实际相位变化的测量装置及一个用于推导转子相对于定子的绝对相位的估值装置。
本发明的优点在于应用一个现有的测量转子相对于定子的相位变化的测量系统并由此使整个结构大大简化及由于构件数目的减少可降低构成费用。这个测量系统最好是用于无刷电动机中，在其中它用于调节或控制。本发明的另一优点是，在根据发明的方法确定绝对相位时既不需要关于瞬时加载的电流的信息又不需要关于如在电机端子上瞬时感应电压的信息。
无刷电动机长期以来已被大量使用，因为它以紧凑、可靠、结构简单及优异的动态特性著称。
根据励磁电流或感应电压的波形，基本上分为两种不同类型的无刷电动机。励磁电流例如可具有梯形波或正弦波。
用梯形波励磁电流激励的无刷电动机鉴于其电子电路构造要比用正弦波励磁电流励磁的无刷电动机在成本上有利，因为将360°的电周期可粗近似地分成六个区段——六个60°角。在每个60°角内电压或电流仅在三个连接点中的两个之间被馈给及控制。在60°角之内，用梯形波激励电流激励的无刷电动机在原理上相当于一个常规的直流电动机，因为在这个区段中受激励的电流变化基本上是恒定的。
在由正弦波励磁电流激励的无刷电动机中，在三相电流供电的情况下所有的三相都是有源的，因此这种无刷电动机在原理上相当于一个具有永磁转子的(同步)一交流电动机。
在电动机或尤其是无刷电动机中的上述测量系统基本上仅测量角度的变化(或线性电机中长度的增长)。角度变化或长度变化的测量值接着被传送到一个与电动机相连接的控制装置。控制装置利用这些值推导出电动机对先前由控制装置加载的电压或电流的反应。控制装置在选择下一电压的或电流的脉冲(或矢量)时考虑这一反应并以此避免运行阶段期间失控的相位偏离或转子运动的所谓转差。
根据本发明，对上述的测量系统附带地使用，以便借助于一个构思出的估值装置及激励装置同样地来确定绝对相位——例如在接通电源后。
经常用于在具有正弦波形的激励电流的无刷电机中确定绝对相位的公知同步解析器虽然在原理上同样可实现这些功能——由绝对测量值推导出相位变化，但与上述在测量原理上仅测量相位变化的测量装置相比则大为相形见拙。上述同步解析器的分辨率通常仅限于几个角分。另外，同步解析器信号的电子后级处理是与极昂贵的电子成本相关联并通常提供的仅是很差的信噪比，和由此在转子低速时的一个推导出的很差的速度信息。因此同步解析器通常不适于在电动机中进行转子速度测量。
在以下的说明中，仅深入说明具有一个无刷电动机的发明的实施例，而非普遍地讨论电动机。但这不可被理解为限制，而仅是为了使用统一的术语。
在本发明的一个优选的实施形式中，电动机被一个位置及速度调节装置激励。在相应的装置中，则激励装置包括一个位置及速度调节装置。据此，本发明的用于确定绝对相位的装置是公知的位置及速度调节装置的前级并依靠同一个激励装置。因而在电路技术上用于实施发明的装置所需的费用明显地减少了。发明的方法在原理上与无刷电动机的现有的位置及速度调节装置并列地运用。
本发明电动机最好由一种正弦波形的或梯形的电流激励(权利要求3)。其中，发明的电动机最好是一种无刷电动机，其中，转子磁场通过一个永磁铁来产生，或是一个同步交流电动机，其中，转子磁场通过一个电磁铁来产生。在用正弦波激励的情况下，重要的是知道转子相对于定子的精确位置，因为只有当供电电流的相位角与转子磁场的相位处于一定的关系中，例如超前90°时，才可能在转子上在所需方向上产生出所需的转矩。这个问题在梯形波励磁磁的情况下虽然也出现，但是这里要充分知道转子处在六个60°中的哪个之中。因此，对用梯形波的电流激励的无刷电动机而言，只要使用一个非常粗略的相位确定程序就足以能得到对电动机的全面控制。
下面就发明的用于确定绝对相位的方法(及装置)优先地对具有一个用正弦波励磁电流供电的无刷电机的实施例作出详细说明。这些实施例当然也就包括了具有一个用梯形波激励电流供电的无刷电动机的其它实施例，后者已作为简化的实施形式。
在另一优选的实施形式中，借助一个增量式的光学测量系统来测量相位变化(权利要求4及16)。光学测量系统通常以特别高的分辨能力著称，如果光学测量系统譬如具有一个激光器，则在转子转动完整的一圈中可得到100,000个角度位置的分辨率。
在本发明的一个特别优选的实施形式中，根据一个粗确定程序及一个细确定程序来进行绝对相位的确定，其中，在粗确定程序中使转子保持在一个预定的相位范围中，尤其是保持在一确定的相位值上(也可在电动机被一个静态负载，如在Z轴上加载的条件下)，及在细确定程序中确定精确的绝对相位(权利要求5)。相位确定程序分成两个单独的确定程序的优点在于，在确定程序的开始阶段根据测量系统的一个起始增量相位信息便可很快地得到转子位置的可接收的近似值并尽可能地避免转子运动，然后对转子位置的近似值任意地精确化。这里，粗确定程序有利地在起动阶段的期间提供了绝对相位的近似值，这已足以使无刷电动机沿所需方向运动及使其受到控制。它也有利地提供了使无刷电动机在抵抗电机负载动态特性的影响时保持稳定的附加安全机理。整个的相位确定程序在无刷电动机上施加一个静态负载的应用场合，例如在该无刷电机譬如使一个机床的垂直轴移动的情况下工作起来和在没有该负载的应用场合同样地好。由粗确定程序所确定的绝对相位通常有小于或等于90°的误差。在不利的情况下由此产生了较差的转矩储备，就是说，电动机的动态特性是不够的。为了排除这种缺陷，使用了细确定程序。该细确定程序在随后的选代步中反复地改善绝对相位的近似值。但是该细确定程序本身还不足以使无刷电动机处于控制之下。这尤其是指头几个选代步，在这些选代步中，绝对相位还未被满意地选到或求得。最好将这两种确定程序与公知的电动机控制装置并列地工作。
在细确定程序中绝对相位最好通过折半查找方法来确定(权利要求6)。利用这种查找方法，从一个待供电的相位角的近似值出发这样地求得以后待供电的相位角的所有以后的值，即下一值总是相当于上一值的折半。然后分别测量相位的变化，并将测量值作为确定绝对相位的基础。这种折半查找方法能特别有效及快速地确定绝对相位角。
在一个优选的实施形式中，在相位确定开始时，两个程序一直运行到转子占有一个预定的相位区域、尤其是一个相位值为止，然后在粗确定程序中只需对电动机的相位偏离失控进行监视(权利要求7)。在粗确定程序中确定出一个恒定的偏置值，该值加上增量的转子位置信息，提供一个确定的相位角。然后利用该信息产生出按三相分配的电流，利用该电流可使无刷电动机产生出适当的转矩。一旦找到了该偏置值的适当近似值，它被粗确定程序保持恒定，直到细确定程序也运行结束为止。随后，该偏置值被由细确定程序发现的值校正。在细确定程序的整个运行期间，粗确定程序仅监视或许出现的、不希望有的电动机运动或相位偏离，并仅当该相位偏离超出一个确定的预定值或超出一个预定的范围时才介入。
因此这两个确定程序在相位确定的开始时同时地运行一所谓并联运行。一旦无刷电动机被置于控制之下，粗确定程序调整其主要功能并仅监视或许出现的电动机相位偏离。从该时间点开始主要由细确定程序工作，一直到其结束。利用所有这些措施可以得到一种特别有效、快速且安金的确定绝对相位的方法。
在粗确定程序中，最好根据测得的电动机的转子偏离速度或偏离加速度对转子的待激励运动的量进行选择(权利要求8)。如果由粗确定程序在监视电动机相位偏离时确定出转子出现了一个不希望的运动，则转子要校正这时监视到的相位，其校正量最好与转子偏离速度，即与用以使转子以其不希望有地从一个预定相位范围中偏离出来的速度成正比。该粗确定程序最好也能以正比于转子加速度的量或与其符号与偏离速度有关的常数相同的量来校正这时监视到的相位。尤其有利的是，可采用所述三种不同校正方式的各种组合。
一旦转子又处于其起始位置周围的一确定相位范围内或取得一个预定的相位值时，粗确定程序将恒定保持上次得到的相位近似值，并再转换回到被动的监视状态。据此，粗确定程序完成了它的主要功能并从现在开始又行使监视功能，直到无刷电动机重新发生相位偏离时为止。如果有重新偏离的情况，则粗确定程序寻找绝对相位的更好的近似值，其中，粗确定程序将以一个例如最好正比于偏离速度的值来校正上一次的相位值。利用该措施可得到一个特别稳定的安全系统，该安全系统能使“故障状态”中的无刷电动机快速及可靠地处于控制之下。据此使无刷电动机受到保护不仅能抗外界的干扰，也能抗内部在相位确定中出现的问题。如果当确定程序运行期间作用于无刷电动机的外部负载发生了变化，则粗确定程序将自动地投入并力图抗衡外部负载。
在另一优选的实施形式中，在细确定程序时，电动机持续地由位置及速度调节装置提供电流(权利要求9)。在细确定程序的每次程序循环后，位置及速度调节装置将一直工作，直到无刷电动机稳定地回到它的初始位置为止。
在细确定程序中，最好重复进行的是首先选择一个电流矢量并将其与由位置及速度调节装置预给定的一个电流矢量相加；对电动机用所得到的电流矢量供电；然后对由此引起的转子相位变化进行测量及在该变化的基础上选择另一电流矢量以及确定绝对相位(权利要求10)。特别有剩的是，电流矢量的幅值被选择为位置及速度调节装置的驱动电路的最大允许幅值(权利要求11)。因此在相位确定程序期间无刷电动机也能有利地经受住大的负载。
在另一个优选实施形式中，对在确定程序期间允许其转子转动的电动机仅使用细确定程序(权利要求12)。这种特殊情况也可能当在无刷电动机上没有静态负载(例如对于水平运动轴)时发生。如果由于结构或精确度的要求在确定程序期间使无刷电动机做极小地运动，则将整个确定程序缩减到调用细确定程序就够了，但是有个前提，即在每次细确定程序的程序循环后插入一个暂停间隔，使转子有足够的时间完全到达静止。最好这时不使转子调回到其初始的相位上，而是将转子相对于定子的瞬时相位选择为用于确定绝对相位的新起始值(权利要求13)。
最好借助模糊调节器对程序内部的及装置内部的参数进行优化(权利要求14及20)。由此可使作为确定程序基础的参数及规定譬如程序的收敛速度或抗外界干扰的稳定性的参数，即在内部被程序本身优化。由此得到了一个极其灵活的和适应能力强的系统。如果一个无刷电动机装有上述发明的装置，则该无刷电动机接着可用于各种应用场合，其中，电动机在初步试运行时就能独立地适应于它的新环境，并且在试运行后在继续运行中灵活考虑由外界影响产生的波动及对其进行补偿。
在另一个优选的实施形式中，位置和/或速度调节装置包括一个双极性驱动电路(权利要求18)。由此，估值装置和/或激励装置最好被体现在一个可编程的程序组件中(权利要求19)。据此，可用非常低的成本将整个发明的装置设在一个紧凑的小电路中。
权利要求15至20之一所述的装置最好应用来控制电动机的起动(权利要求21)。刚起动时没有有关绝对相位的信息。虽然在电动机关断时可以将关于绝对相位的信息存储在一个固定存储器中，但是可能由外部影响使转子位置发生变化，使其完全失去参考价值。因此在起动时，电子装置必须重新确定精确的绝对相位。同样地在无刷电机运行时由于外界干扰等也会导致转子位置信息消失。在此情况下最好也将发明的方法投入使用。
从以下对优选实施例的说明中可以得到本发明构型的另外优点。该说明将参照其附图。附图为
图1具有无刷电动机位置及速度调节装置及发明的确定绝对相位的装置的一个电路的示意图，图2具有发明的为粗及细确定程序的前级的控制程序的概要流程的流程图，图3具有本发明的粗确定程序概要流程的流程图，图4具有本发明的细确定程序概要流程的流程图。
图1以概要形式示出了一个电路结构2，该电路包括一个无刷电动机4，一个作为测量系统的增量编码器6，一个位置及速度调节装置8，一个三相正弦波发生器10，一个本发明的、用以确定无刷电动机4中转子的相对于定子的绝对相位的装置12及一个电流控制装置14。
三相正弦波发生器10通过其三个输出端用三根分开的连接线与各个乘法器16，18及20的输入端相连接，这些乘法器又通过各自的一个输出端用三根连接线与电流控制装置14的三个输入端形成电气连接。同样地，位置及速度调节装置8通过一个输出端与三个乘法器16、18及20中的每个的输入端相连接，并且电流控制装置14通过其三个输出端用三根分开的连接线与无刷电动机4的三个极对子电气连接。
三相正弦波发生器10将三个分别相位移120°的正弦波U，V，W分别输出到相应的三个乘法器16，18及20上。这三个正弦波U、V、W例如由下列确定
U(t)＝cos(Ф(t)＋ФI) (1)V(t)＝cos(Ф(t)＋ФI＋2π/3)(2)W(t)＝cos(Ф(t)＋ФI＋4π/3)(3)在式(1)，(2)及(3)中，Ф(t)表示转子相位随时间的变化，它也可以表达如下Ф(t)＝α(t)*2P(4)其中，角α(t)表示机械相位随时间的变化，P表示无刷电动机4的极对数。在式(1)，(2)及(3)中ФI是待确定的相位角，它与相位随时间的变化量Ф(t)一起表示在时间点t出现的瞬时绝对相位。位置及速度调节装置8将一确定幅值及相位的电流i输出到所有的三个乘法器16，18及20上。该电流i将在相应的乘法器中相应于三相正弦波发生器10的相位U、V、W产生相位移，由此得到以下的三个电流相位iU，iV及iWiU(t)＝icos(Ф(t)＋ФI)(5)iV(t)＝icos(Ф(t)＋ФI＋2π/3) (6)iW(t)＝icos(Ф(t)＋Фr＋4π/3) (7)如果现在来观察一个简化的无刷电动机，它正好具有3个极对，这些极对被分别供以电流相位iU，iV及iW，则在假定在气隙中的磁感应B是正弦形分布的情况下，在三个配属于一个相的绕组的每个绕组上得到的磁场强度为BU(Ф)＝Bcos(Ф(t)＋ФI) (8)BV(Ф)＝Bcos(Ф(t)＋ФI＋2π/3)(9)BW(Ф)＝Bcos(Ф(t)＋ФI＋4π/3)(10)作用在转子上的总转矩是由每个相在相应绕组中产生的、作用在转子上的转矩之和M＝MU＋MV＋MW＝K(BUiU＋BViV＋BWiW)(11)为简化起见，将绕组数目、几何系数、极对数归纳为常数K。并通过将式(5)-(7)及(8)-(10)代入式(11)得到总转矩M＝3/2KBicos(Ф(t)＋ФI)(12)由式(12)可见，该总转矩M-例如在起动时(Ф(t)＝0)——仅在一定的相位ФI时才能获得一个有利的值。在最不利的情况下，该总转矩M甚至可变为零。因此可以理解的是，为使无刷电动机4能被精确控制，为什么必须知道转子相对于定子的绝对相位。
在图1中所描绘的实施形式中，电流控制装置14对供给无刷电动机4的各电流相iU，iV及iW产生影响。内环30是一个电流控制环，它通常体现在硬件中，在此情况下它控制电流相iW。外环32是一个位置与速度调节环，它通常体现在一个软件中，在此情况下它控制电流相iU。
增量编码器6跟随着转子的转动，并由此跟随着无刷电动机4中转子相对定子的相位变化。增量编码器将这样得到的信息或是直接地或是经过编码——即经过译码地——传送给用于确定绝对相位的装置12、位置及速度调节装置8和三相正弦波发生器10。为此，增量编码器6与用于确定绝对相位的装置12、位置及速度调节器8相连接，并通过一个加法器28与三相正弦波发生器10相连接。该加法器28主要将由增量编码器6提供的信息和由用于确定绝对相位的装置12提供的信息相加，并将其和再传送给三相正弦波发生器10。
用于确定绝对相位的装置12主要包括两个装置，它们是为了操作下列两个程序设计的一个细的确定程序22及一个粗的确定程序24。对这两个程序被供以增量编码器6的信息。根据以下要详细说明的确定的条件，这两个程序22及24的运行视作为辅助结构绘入的所谓开关位置而定，开始时——起动阶段期间——在确定绝对相位时这两个程序22及24彼此以所谓并联方式或相互有关地运行，而在起动阶段后，仅是细确定程序22来确定绝对相位，而粗确定程序24只是对不希望的无刷电动机4的相位偏离失控进行监视，并在必要时进行补偿。
当整个电路2接通电源，并由此使无刷电动机4也接通电源时，转子相对于定子处于任意的相位上。如式(12)所指出的，电动机4通常不能单独保持在传统的位置及速度调节装置8的控制之下，因为在接通电源的时间点上值ФI是未知的。如果随机地选择值ФI，则有可能出现电动机4仅产生很小的转矩或根本不产生转矩，或在最坏的情况下使电机沿与所需转向相反的方向偏离。因此单独地采用公知的位置及速度调节装置8只能提供一个相对值Ф(t)，该相对值Ф(t)没有涉及到真实出现的起始值ФI，并且该相对值Ф(t)在接通电源时从零值开始有时间性地受到增量编码器6的继续跟踪。
根据本发明，用于粗确定程序24的装置确定出恒定相位值ФI的近似值，该恒定相位值ФI借助于加法器28与增量编码器6的相位随时间的变化值Ф(t)相加，并将作为结果值的转子相对于定子的近似绝对相位输出。该信息将接着输往三相正弦波发生器10，三相正弦波发生器10由此产生出三相正弦波U，V，W。利用这些各相波再产生出电流相iU，iV及iW，由这些电流相可使无刷电动机4输出适当的转矩。一旦对ФI估算出一个适当的近似值，该近似值将保持不变，直到用于细确定程序22的装置运行结束并输出相位值ФI为止，该值再与相位随时间的变化值Ф(t)相加，并给出转子相对于定子的瞬时绝对相位值。据此，用于确定绝对相位的装置12便完成了它的任务，并且所有的其它控制同样由位置及速度控制装置8来接管。
图2以概要方式表示出细确定程序22及粗确定程序24的上级控制程序12的流程图，该程序12体现在用于确定绝对相位的装置12之中。该上级程序12例如在对整个电路结构2接通电源时就被起动。
该控制程序12在其第一程序步骤P1中将待确定的相位值ФI及出现的最大相位变化量ΔФmax置为零。此外，它设置了一个决定参数，该决定参数不管粗确定程序24结束与否均指定为“未结束”。最后它再将两个值L，R置成一定的值，它们相当于一个待附加加载的相位——沿转子相对于定子的具体转向、顺时针或逆时针方向。在该实施例中，控制程序12将L置成零及将R置成值S11。接着，该控制程序12进行到程序步骤P2。
在程序步骤P2中，控制程序12读入由增量编码器6输出的值ΔФ。该值ΔФ表示涉及起始值的转子的相位随时间的变化——即涉及紧接着电路结构2接通电源后的转子位置值。然后，控制程序12再进行到程序步骤P3。
在程序步骤P3中，控制程序12调用细确定程序22的一个程序循环。该细程序22使得无刷电动机以一定的电流被加载，直到发生一个(由增量测量系统的分辨率确定的最小的)相位变化为止。该被测得的相位变化将在以下的计算中加以考虑。如果细确定程序22已经结束，即已经找到绝对相位，则控制程序12转移到程序步骤P4并在那里结束它的运行。如果该细确定程序22还未结束，则控制程序12进入程序步骤P5。
在程序步骤P5中控制程序12等待下一采样时间TN，它例如是由电路2的一个内部定时器给出的。然后，控制程序12进入到程序步骤P6，在该步骤中控制程序12检验转子相对于定子的位置是否又回到这样的值上，即例如在紧接着接通电源后的数值上——原则上是当相位随时间的变化值Ф(t)为零时。但是因为控制程序12不是连续地量测的，而仅能得到Ф(t)的离散值——这些值分别对应于相应的采样时间TN——因此要将离散的、相位随时间的变化值ΔФN与初始值ΔФO相比较。如果电动机又处于它的相当于ΔФO的起始位置，则控制程序12返回到程序步骤P3。否则，继续进行到程序步骤P7，在该步骤中，控制程序12调用位置及速度调节装置8，调用时间为一个程序循环。
在程序步骤P7中控制程序12保证将瞬时由位置及速度调节器加载的电动机电流i一直维持到该程序步骤P7的下一次重复为止。此外，控制程序12使离散的、相位随时间的变化值ΔФN处于最新状态。
然后，控制程序12继续进行到程序步骤P8，在此步骤中，控制程序12调用粗确定程序24，调用时间为一个程序循环。接着它返回到程序步骤P4。
图3以概要形式表示用于细确定程序22的流程图。当细确定程序22运行过程中，电路结构2中提供采样时间TN的内部定时器将被关断。同样，在细确定程序22运行过程中，无刷电动机4直到下一次调用为止一直被供以由位置及速度调节装置8计算的电流i，以保证电动机4能保持可能出现的静态负载(Z-轴)。这时，细确定程序22反复地把具有不同相的及尽可能最大幅值的电流矢量与由位置及速度调节装置8提供的电流i相加——就是说，由位置及速度调节装置8输出的电流i与由细确定程序22确定的电流的矢量和不超过无刷电动机4的驱动电路的最大允许电流的上限。这一切在很短的时间周期中发生，该时间内的确定准则在于转子可以稍有运动。接着，细确定程序22密切注视转子已转过多少及在什么方向上转动的。在每次送代N后，均对转向的信息进行考虑并将其后的检查间隔减半。据此，在最大的N次迭代之后得到一直要进行到所需精确度的待确定的ФI值，其中，N由L或R的初始值根据下式得出N＝Log2R(13)细确定程序22起始于程序步骤P1，在该步骤中细确定程序22将一个由两个值L及R求得的整数值赋给变量J。
接着该细确定程序进行到程序步骤P2，在该步骤中，通过与三个乘法器16，18及20相连接的三相正弦波发生器10将具有相位2πJ/512及最大允许幅值的电流矢量加到由位置及速度调节装置8所保持的电流i上。
细确定程序22继续进行到程序步骤P3，在该步骤中，将变量“时间”置成零。该变量是电动机4被供以步骤P2所产生的电流矢量(iU，iV及iW)的时间有多长的衡量标准。
细确定程序22继续进行到程序步骤P4，在该步骤中，细确定程序22读入相位随时间的变化的瞬时值ΔФ。因为定时器被关断，所以读入的不是正好对应于内部定时器的确定时间的离散的、相位随时间的变化值ΔФN，而仅是瞬时的、相位随时间的变化值ΔФ，这些值ΔФ对应于在程序步骤P4至P7之间的程序随时间的运行中“人为”产生的时间点。
细确定程序22继续进行到程序步骤P5，在该步骤中，构成实际测得的值ΔФ与先前在程序步骤P4中测得的相位随时间变化的瞬时值ΔФ大的差值并将其与一“阈值”相比较。该“阈值”例如可相当于增量编码器6的一些测量标志，即一定数目的最小分辨间隔。利用这种询问，细确定程序22可检验是否转子的转动如此的快或强，以致于超过一定的值——“阈值”。
如果转子的转动还在预定范围内，则细确定程序22转移到程序步骤P6，在该步骤中，细确定程序22把时间变量增加恰等于1的值。
细确定程序22从那里继续进行到程序步骤P7，在该步骤中，细确定程序22使时间变量与一个预定的“时间期满”值相比较。该“时间期满”值表示一段时间，在该时间内细确定程序22等待着转子对加载电流的反应。如果该段时间没有被用完，则细确定程序22返回到程序P4。如果该预定时间段被超出，则细确定程序22转移到程序步骤P8。
当细确定程序22在程序步骤P5中确定出现时值ΔФ与上一相位随时间的变化值ΔФ*的差大于预定的“阈值”时，细确定程序22也进行到程序步骤P8。
在程序步骤P8中，细确定程序22检验现时值ΔФ与上一相位随时间的变化值ΔФ*的差是否等于零，并在不等于零时，检验是正的还是负的。由此它检验在两个相继的时间点之间是否已发生相对的相位随时间的变化，当发生时，检验是在何方向上。
如果现时值ΔФ与上一相位随时间的变化值ΔФ*的差为正时，则该细确定程序22继续转移到程序步骤P9，在该步骤中，细确定程序22将变量J的值赋给变量R，因为转子已沿顺时针方向转动。
如果该差值为零，则细确定程序22转移到程序步骤P10，在该步骤中，细确定程序22将值J既赋给变量L也赋给变量R，因为转子已不再转动并且由此找到了相位值ФI。
如果该差值为负，则细确定程序22转移到程序步骤P11，在该步骤中，细确定程序22将值J赋给变量L，因为转子已沿逆时针方向转动。
细确定程序22从程序步骤P9-P11继续进行到程序步骤P12，在该步骤中，细确定程序22检验是否变量L的值与变量R的值相一致。如果不一致，则细确定程序22据此就找到了精确的相位值ФI(见P10)。在此情况下，细确定程序22转移到程序步骤P13，在该步骤中，细确定程序22根据下式确定出绝对相位ФIФI＝J/512×1/K－ΔФ*(14)式中，K是出自式(11)的几何系数。如果值R与L不一致，则转子还继续转动。据此，细确定程序22的当前的程序循环先结束，并且该细确定程序22返回到上级控制程序12。
在特殊的情况下，其中，在电动机4上没有静负载——例如仅是水平轴必须运动，并且在确定绝对相位的程序12期间有理由让电动机进行较大些的运动，原则上可能的是整个确定程序12仅限于调用细确定程序22。在此情况下，在电动机4的每个被激励的运动后作一暂停，直到电动机4完全地达到静止状态。接着将所测量的相位随时间变化的瞬时值ΔФ作为在下一程序循环中确定实际相位的基础。
在各个程序步骤中进行的所有赋值或询问均涉及到增量编码器6，该编码器6这样地接线，即该编码器6使无刷电动机4被供给式(5)-(7)所述的电流，其中，当被测得的运动或转动为正或沿顺时针方向运行时，Ф(t)是单调上升的。在相反的情况下，在流程图中具有*标志的量的符号必须改变。此外，在此情况下ФI的表达式(14)将改变成ФI＝-J/512×1/K－ΔФ*(14a)附带地，在图1所示电路结构2中的信息Ф在其被传送到三相正弦波发生器10以前它的符号也应改变。
图4以概要形式表示粗确定程序24的流程图。该粗确定程序24此外用于监视无刷电动机4，使电动机4不产生不受控制的运动。如果是这种不受控的情况时，粗确定程序24以一定的值使ФI变化，该值相当于系数K1，与转子的偏离速度成正比。该偏离速度在这里是一个衡量转子转动角速度的标准。一旦无刷电动机4在其起始位置附近一定的范围内，其中，该一定的范围用一系数K2作限界，粗确定程序24将保持实际求得的值ФI，并将一决定参数“粗确定程序”接到“结束”上。这表示，粗确定程序24告结束并从此时起仅还承担安全监视功能。当无刷电动机4又产生偏离时，粗确定程序24才重新被调用，以便对相位ФI做更精确的估算。
作为转子重新偏离的起始的“阈值”通过系数K3来规定。这里必须注意的是，当电动机4——譬如通过“干扰”运动时，为了解决问题，粗确定程序24仅能收敛。该“干扰”将主要是通过细确定程序22引起的。
粗确定程序24开始于程序步骤P1，在该步骤中，粗确定程序24询问决定参数“粗确定程序”。如果该决定参数处于“结束”状态，则该粗确定程序24转移到程序步骤P9。否则粗确定程序24进行到程序步骤P2。在该程序步骤P2中，粗确定程序24将现时的、离散的相位随时间的变化质ΔФN与在上一程序循环得到的离散的相位随时间的变化值ΔФN－1相比较。如果现时值大于上一次的值，则粗确定程序24转移到程序步骤P4。否则，它将继续进行到程序步骤P3，在此步骤中，它将进行与在程序步骤P2中进行相同的询问。
如果在程序步骤P3中确定出，现时值小于上一次的值，则该粗确定程序24转移到程序步骤P4，否则，在现时值等于上一次值的情况下，粗确定程序24告结束。
在程序步骤P4中，粗确定程序24将出现的、离散的、相位随时间变化的最大值ΔФmax与实际的、相对的相位变化的符号相乘，并将其乘积与现时的、离散的、相位随时间变化值ΔФN相比较。在前值小于后值时，该粗确定程序24转移到程序步骤P5，在该步骤中，粗确定程序24将值ΔФmax置成等于现时的、离散的相位随时间的变化值ΔФN。据此，粗确定程序24使出现的、离散的相位随时间的变化的最大值ΔФmax始终置成最新状态。否则，粗确定程序24继续进行到程序步骤P6。
在程序步骤P6中，粗确定程序24使绝对相位ФI的值接下式变化ФI＝ФI＋K1(ΔФn－ΔФn－1)(15)接着，粗确定程序24继续进行到程序步骤P7，在该步骤中，粗确定程序24将现时的、离散的、相位随时间的变化量ΔФN与系数K2和出现的、离散的、相位随时间的变化的最大量ΔФmax两者的乘积相比较。如果前值小于后值，则粗确定程序24继续进行到程序步骤P8。否则，粗确定程序24告结束。
在程序步骤P8中，粗确定程序24将决定参数“粗确定程序”置成“结束”。
粗确定程序24从那里继续进行到程序步骤P9，在该步骤中，粗确定程序24重新进行一次询问。粗确定程序24在这里构成现时的、离散的、相位随时间的变化值ΔФn与出现的、离散的、相位随时间变化的最大值ΔФmax的符号的乘积，并将该乘积与ΔФmax的量和一常数K3的和相比较。如果该乘积大于该和，则粗确定程序24继续进行到程序步骤P10。否则，该粗确定程序24告结束。
在程序步骤P10中，粗确定程序24将决定参数“粗确定程序”置成“未结束”。接着，粗确定程序24告结束。
在绝对相位确定程序12期间，位置与速度调节装置对相位变化的反应能力必须相对于无刷电动机4正常工作期间的位置及速度调节装置的反应能力——即没有确定绝对相位的附加程序12运行时的反应能力——被衰减。对此基本上有两个理由第一，粗确定程序24易于感受到对无刷电机4的突然的或急剧的运动及过激励，这将可能导致出现相位值ФI的很差的近似值。
第二，在粗确定程序24的前几个程序循环期间，ФI的近似还不是非常精确的。因为位置及速度调节装置8利用ФI的这个近似值，所以可能使无刷电机4沿与所需方向相反的方向运动而使其处于失控。该粗确定程序24需要一定的时间才能找到ФI的合理近似值及使无刷电动机4置于控制之下。为了在该时间内把不希望的电动机运动减至最小，该位置及速度调节装置8不得过于剧烈地作出反应。
在正常工作期间及在确定程序12运行期间，位置及速度调节装置8应以与电动机正常运行时的方式相同的方式投入。由位置及速度调节装置8提供的电流i最好根据传统的数字PID型控制方式来确定。在第N次选代中的电流iN根据下列差分方程式来计算iN＝C1(Co(XN(ref)－XN(mot))＋VN(ref)－VN(mot))+C2/C1Co(iN－1)－C2/Co(VN－1(ref)－VN－1(mot))(16)式中VNO＝XNO－XN－10，XN(ref)，VN(ref)＝参考位置，参考速度，XN(mot)，VN(mot)＝电动机位置，速度反馈，C1，C2，Co＝系数。
这个附加的校正程序是用于检测转子位置可能的“滑动”并预先将其校正。这首先对于同步的多轴运动是重要的。虽然式(16)未直接地表示出此点，但是积分分量仅由位置误差带有。
为了在粗确定程序24的起动阶段提高位置及速度调节装置8的上述衰减性能，必须使位置误差放大器的权重因素相对于速度误差放大器的权重因素(相当于系数Co)极大地降低(与正常工作的值相比，譬如以加权系数50来降低)，而系数C1及C2几乎保持不变。据此，使每测量间隔所产生的反应减慢了。此外，位置误差绝大部分由积分因子C2校正并由此与固有的时间常数有关。
同样，在粗确定程序24中必须对一组系数K1，K2，K3作出仔细的选择。
系数K1确定了粗确定程序的“目标”，这就是说，从何时开始，ФI的近似值应是得到了足够精确地确定。据此，当K1的值增大时，粗确定程序24加快收敛并据此加快结束。但该值增大也同时引起整个确定程序12运行期间的不稳定。
系数K2为粗确定程序确定，何时应结束对ФI的一个更好的近似值的搜索。用接近于1的一个K2的值使粗确定程序24很快地结束在一个很不精确的ФI的近似值上。另一方面，用接近零的K2值时会出现不稳定性。
最后，通过K3的值设置了阈值，从该阈值起重新调用该粗确定程序24，以便在粗确定程序24结束过一次之后找到ФI的更好近似值。阈值不应选择得太窄小，以便使整个机电系统留有一定的活动余地。
显然，这些系数不是彼此无关的，应在多个试验或步骤中进行最佳协调。但是这些系数的选择并不象它们表现的那样严格，因而例如对K1、K2及K3的一种确定选择也可同样令人满意地用于不同的应用场合(不同负载、摩擦等等)。
对于系数C1，C2及Co的选择有利的是首先针对一个具有已知转子位置的无刷电动机4，或针对一个可进入已知绝对转子位置的无刷电动机4做出对系数C1，C2和Co的选择。
对各个系数的选择也可借助模糊调节器来进行。
权利要求
1.控制一个电动机、尤其是一个无刷电动机的方法，其中，电动机(4)的转子相对于定子的绝对相位被确定，其方法为a)激励转子的一个或多个运动，b)测量转子相对于定子的具体的真实的相位变化(ΔФN)，c)由此推导出绝对相位(“ФI”)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，电动机(4)由一个位置及速度调节装置(8)激励。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，电动机(4)由一种正弦形或梯形的电流(i)激励。
4.根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于，对相位变化(ΔФN)借助于一种增量式的光学测量系统(6)来测量。
5.根据上述权利要求任一项的方法，其特征在于，按照一个细确定程序(22)及一个粗确定程序(24)进行绝对相位的确定(12)，其中，在粗确定程序(24)中使转子保持在一个预定的相位范围中，尤其是保持在一确定的值上，及在细确定程序(22)中确定精确的绝对相位(“ФI”)。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，在细确定程序(22)中，绝对相位(“ФI”)通过折半查找方法来确定。
7.根据权利要求5或6的方法，其特征在于，在相位确定开始时，两个程序(22，24)一直运行到转子取得一个预定的相位区域、尤其是一个相位值为止，然后，在粗确定程序(24)中仅对电动机的相位偏离失控进行监视。
8.根据权利要求5至7中一项的方法，其特征在于，在粗确定程序(24)中，根据测得的电动机(4)的转子偏离速度或偏离加速度对转子的待激励运动的量进行选择。
9.根据权利要求5至8中一项的方法，其特征在于，在细确定程序(22)中，电动机(4)持续地由位置及速度调节装置(8)提供电流(i)。
10.根据权利要求5至9中一项的方法，其特征在于，在细确定程序(22)中重复地进行a)首先选择一个电流矢量并将其与由位置及速度调节装置(8)预给定的一个电流矢量(i)相加，b)用所得到的电流矢量((iU，iV，iW))对电动机(4)供电，c)然后，对由此引起的转子相位变化(ΔФN)进行测量，d)在该变化的基础上选择另一个电流矢量以及确定绝对相位(“ФI”)。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，电流矢量((iU，iV，iW))的幅值被选择为位置及速度调节装置(8)的驱动电路的最大允许幅值。
12.根据权利要求5至11之一的方法，其特征在于，对在确定程序(12)期间允许其转动的电动机(4)仅使用细确定程序(22)。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，转子不被调节回到其初始的相位(ΔФO)上，而是将瞬时相位(ΔФN)选择为用于确定绝对相位(“ФI”)的新起始值。
14.根据以上权利要求中一项的方法，其特征在于，对程序内部参数使用模糊调节器来优化。
15.用于控制一个电动机、尤其是一个无刷电动机(4)的装置，具有a)一个激励装置(8，10，14)用于激励转子相对于定子的运动；b)一个测量装置(6)，用于测量转子与定子之间的实际相位变化，c)一个估值装置(12)，用于推导转子相对于定子的绝对相位(“ФI”)。
16.根据权利要求15的装置，其特征在于，测量装置(6)是一个增量型光学测量系统。
17.根据权利要求15或16的装置，其特征在于，激励装置(8，10，14)包括一个位置及速度调节装置(8)。
18.根据权利要求17的装置，其特征在于，位置及速度调节装置(8)包括一个双极性驱动电路。
19.根据权利要求15至18中一项的装置，其特征在于，估值装置(12)和/或激励装置(8，10，14)体现在一个可编程的程序组件中。
20.根据权利要求15至19中一项的装置，其特征在于，具有一个用于优化装置内部参数的模糊调节器。
21.权利要求15至20中一项所述的装置的应用，用于起动电动机、尤其是启动无刷电动机(4)。
全文摘要
本发明涉及一种控制电动机，尤其是控制无刷电动机的方法，其中，确定电动机(4)的转子相对于定子的绝对相位，本发明还涉及一种配置的装置。其特征在于，激励转子的一个或多个运动，对转子相对定子的具体的、实际的相位变化进行测量，并由此推导出绝对相位。
文档编号G05B19/29GK1127954SQ95115988
公开日1996年7月31日 申请日期1995年10月20日 优先权日1994年10月21日
发明者R·蒙利昂 申请人:洛迦诺电子工业股份有限公司