用于适配电子换向的电机的换向的方法和设备的制作方法

用于适配电子换向的电机的换向的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于具有电子换向的电机（2）的定位器系统（1）中以复位力加载的调节机构（3）的位置调节的方法，所述方法具有以下步骤：根据预给定的额定位置说明和实际位置说明实施所述调节机构（3）的位置调节，其中所述位置调节提供调整量（SG），所述调整量被分配给一个空间矢量，借助所述空间矢量能够控制所述电机（2）的定子装置；以校正量（PO）加载所述空间矢量，以便校正所述空间矢量的空间矢量角度；提供辅助信号；通过所述辅助矢量改变通过所述调整量（SG）定义的空间矢量的空间矢量角度；将一个参量积分至一个积分值，其中待积分的参量取决于所述辅助信号和所述位置调节的调整量（SG），所述调整量作为对所述空间矢量的空间矢量角度的变化的响应获得，其中由所述积分值导出所述校正量（PO）。
【专利说明】用于适配电子换向的电机的换向的方法和设备
【技术领域】
[0001 ] 本发明一般性地涉及电子换向的电机的控制、尤其涉及用于适配在电机的转子上产生的激励场和通过定子线圈的换向产生的电动机磁场之间的超前角的措施。
【背景技术】
[0002]电子换向的电机一例如同步电机或异步电机具有定子和转子。定子用于提供电动机磁场。转子包括永磁体和/或短接的转子线圈，以便提供激励磁场。
[0003]定子具有多个定子线圈，这些定子线圈分别分配给电机的一个或多个相。以合适的方式给定子线圈通电以运行作为电动机的电机，从而产生电动机磁场。通过电动机磁场和激励磁场之间的相互作用，产生作用于转子的驱动力矩。
[0004]根据换向方法实施各个定子线圈的通电，其中为了产生最大驱动力矩必须在激励磁场的方向上设有由定子线圈产生的电动机磁场的超前。因为转子相对于定子线圈运动，所以为了在定子线圈上施加合适的通电转子的位置(转子位置)和(因此)激励磁场的方向必须是已知的，以便可以产生具有相应超前的电动机磁场。在电动机磁场相对于激励磁场的超前是90°时(电转子位置；相应于机械的转子位置除以转子的极对数)时可以实现最大的驱动力矩。
[0005]因此，在电子换向的电机中通常设有用于探测转子位置的内部的位置传感器。然后，根据通过位置传感器探测的转子位置，在相应的定子线圈上施加通电模式。通常如此确定内部的位置传感器的尺寸，使得所述内部的位置传感器提供足够的位置分辨率，以便实施换向。
[0006]在使用电子换向的电机用于定位器时，为了降低用于探测转子位置的开销可以提出:不使用内部的位置传感器，而仅仅探测通过电机运行的调节机构的位置。用于检测调节机构的位置的所谓的外部位置传感器的使用不仅降低用于电机的开销而且降低用于电机和控制设备之间的布线的开销并且因此是有利的。然而，调节机构往往通过减速装置与电机连接，从而由于减速和由于不可避免的齿隙仅能不精确地推断转子位置。在使用内部的位置传感器的情况下，出于成本原因可能符合目的的是，限制位置传感器的分辨率的精度。
[0007]由调节机构的位置求取转子位置时的不精确性导致所述超前不可调节到90°的最佳超前角度上。因此，用于运行电子换向的电机的外部位置传感器的使用具有以下缺点:不能够实现以最大的转矩运行电机。

【发明内容】

[0008]因此，本发明的任务是，提出一种电子换向的电机的改进换向，其中存在关于具有降低精度的转子位置的信息。
[0009]所述任务通过根据权利要求1所述的用于适配电子换向的电机的换向的方法以及通过根据并列的权利要求所述的设备和电动机系统解决。
[0010]其他的有利构型在从属权利要求中说明。[0011]根据第一方面提出一种用于具有电子换向的电机的定位器系统中以复位力加载的调节机构的位置调节的方法。所述方法包括以下步骤:
[0012]-根据预给定的额定位置说明和实际位置说明实施调节机构的位置调节，其中所述位置调节提供调整量，所述调整量分配给一个空间矢量，借助所述空间矢量可控制电机的定子装置；
[0013]-以校正量加载所述空间矢量，以便校正所述空间矢量的空间矢量角度；
[0014]-提供辅助信号；
[0015]-通过所述辅助信号改变通过调整量定义的空间矢量的空间矢量角度；
[0016]-将一个参量积分至一个积分值，其中待积分的参量取决于辅助信号和位置调节的调整量，所述调整量作为对空间矢量的空间矢量角度的变化的响应获得，其中由积分值导出校正量(PO)。
[0017]以上方法的思想在于，在其调节机构应被调整到一个位置上的定位器系统中，SP使在使用其用于确定用于定子线圈控制的正常换向模式的位置分辨率过小的位置传感器的情况下，可以如此实施定位器系统的电机的控制，从而使电动机磁场相对于激励磁场的超前尽可能地适配到90°上。这通过以下方式实现:借助校正量由用于调整调节机构的位置的位置调节将调整量校正到额定位置上。通过以下方式进行所述校正:借助相位偏移校正位置调节回路的调整量，所述相位偏移根据周期性的辅助信号引起空间矢量的矢量角度的变化，所述空间矢量相应于调整量。分析位置调节的相应响应。
[0018]如果电动机磁场相对于激励磁场超前恰恰90°，则在辅助信号的两个半波中空间矢量角度的变化平均导致调整力矩的恒定减弱，从而不引起调整量方面的变化。在电动机磁场和激励磁场之间的超前角度与理想的90°的超前角度的偏差的情况下，空间矢量角度的变化导致调整力矩的不同的升高或者降低并且由此导致位置调节以调整量波动形式的响应，所述调整量的频率相应于辅助信号的频率。可以相应地分析处理调整量的所述波动，以便适配校正量。通过这种方式，还可以将具有公差的位置传感器信号用于换向，因为通过以上方法校正量均衡位置传感器的可能的不精确性。也可以适配位置传感器的在运行过程中出现的传感器误差，如热漂移、样本分布或改变电动机磁场相对于激励磁场的超前的老化效应。
[0019]可以提出，对辅助信号和通过空间矢量的空间矢量角度的变化获得的调整量进行带通滤波，其中待积分的参量相应于经带通滤波的辅助信号和经带通滤波的、通过空间矢量的空间矢量角度的变化获得的调整量的乘积。
[0020]此外，在积分之前，对待积分的参量进行低通滤波。
[0021]根据一种实施方式，可以设有预控制，以便给预控制参量分配额定位置说明，尤其通过加法以所述预控制参量加载由位置调节提供的调整量。
[0022]此外，辅助信号可以是周期性的并且周期性的辅助信号的主频率可以小于位置调节的极限频率。
[0023]辅助信号尤其可以是周期性的并且作为方波信号、梯状信号或正弦形信号或作为它们的组合被提供。
[0024]此外可以提出，空间矢量角度在空间矢量角度的直到+/-20°的范围内、尤其在直到+/-10°的范围内变化。[0025]根据另一方面提出一种用于具有电子换向的电机的定位器系统中调节机构的位置调节的设备。所述设备包括:
[0026]-用于根据预给定的额定位置说明和实际位置说明实施位置调节的位置调节单元，其中所述位置调节提供调整量，所述调整量相应于一个空间矢量，借助所述空间矢量可控制电机的定子装置；
[0027]-用于以校正量加载空间矢量以便校正空间矢量的空间矢量角度的装置；
[0028]-用于提供辅助信号的信号发生器；
[0029]-用于通过辅助信号改变通过调整量定义的空间矢量的空间矢量角度的装置；
[0030]-用于将参量积分到一个积分值的积分器，其中待积分的参量取决于辅助信号和位置调节的调整量，所述调整量作为对空间矢量的空间矢量角度的变化的响应获得，其中由积分值导出校正量(PO)。
[0031]根据另一方面提出一种定位器系统。所述定位器系统包括:
[0032]-以复位力加载的调节机构；
[0033]-用于提供实际位置说明的位置传感器；
[0034]-与调节机构耦合的电机；
[0035]-以上设备。
[0036]根据另一方面提出一种计算机程序产品，其包含程序代码，当在数据处理单元上执行所述程序代码时，所述程序代码实施以上方法。
【专利附图】

【附图说明】
[0037]以下根据附图详细解释本发明的优选实施方式。附图示出:
[0038]图1:用于调整调节机构的定位器系统的示意图；
[0039]图2:关于电动机磁场和由转子产生的激励磁场之间的超前的转矩的曲线的示图；
[0040]图3:具有到90°的超前角度上的适配的位置调节的示意图；
[0041]图4:图3的位置调节的另一实施方式。
【具体实施方式】
[0042]图1示出具有作为电子换向的电机的同步电动机2的定位器系统I的示意图，其中同步电动机2的转子(未示出)例如通过传动装置9等等与调节机构3耦合。例如，所述定位器系统可以相应于内燃机中的节气门调节器，其中调节机构3相应于节气门。可以以复位弹簧7加载调节机构3，从而为了将调节机构3调节到一个确定的位置上必须通过同步电动机2施加一个确定的驱动力矩。
[0043]为了正常运行，同步电动机2需要关于转子的转子位置的说明。如在图1中示出的那样，在调节机构3上设有外部的位置传感器6。在所述实施例中，由关于调节机构3的位置的位置说明求取关于转子位置的说明，从而仅仅间接地提供关于同步电动机2的转子位置的位置信息。
[0044]在替代的实施方式中，虽然同步电动机2设有内部的位置传感器，但所述内部的位置传感器根据实施具有对于所需的换向仅仅不足够的位置分辨率，从而不能够实现正常的换向。
[0045]同步电动机2由驱动器电路4控制，所述驱动器电路根据调整量SG生成相电压和/或相电流，用于施加在同步电动机2上。驱动器电路4具有通常借助所谓的逆变器电路构造的末级(未示出)并且根据相数量可以包括2H桥电路、B6电路等等。此外，驱动器电路4具有分配功能，以便将调整量SG转换为用于同步电动机2的相应的通电模式。
[0046]以合适的方式由位置调节单元5例如以控制信号的形式提供调整量SG，所述位置调节单元根据额定位置Lstjll生成控制信号。额定位置Lstjll由控制单元8提供并且可以与外部的预给定参量相关。借助功率末级4将调整量SG转换为用于同步电动机2的定子绕组的电压曲线或电流曲线，从而调整量一方面说明相电压的高度，所述相电压说明定义电动机磁场的空间矢量的振幅。此外，调整量SG还可以说明空间矢量的空间矢量角，使得为了提供同步电动机2的最大可能的驱动力矩或最大可能的效率实现由同步电动机2的定子线圈生成的电动机磁场和例如由同步电动机2的转子中的永磁体生成的激励磁场之间的90°电转子位置的超前。
[0047]通常转子的位置通过位置传感器6已知。在当前情形中，位置传感器6构造在调节机构3上，以便检测位置说明。根据同步电动机2的转子相对于调节机构3的运动的通过传动装置9设置的减速，由调节机构3的位置说明求取的转子位置的分辨率可能是仅仅不精确的，因此尤其不能确保具有电动机磁场和激励磁场之间的尽可能精确的90°的超前角度的正常换向。
[0048]为了对于调节机构3的调整提供在预给定的空间矢量振幅时同步电动机2的最大可能的调整力矩，需要由同步电动机2的定子线圈产生的电动机磁场和由转子产生的激励磁场之间的超前角度。例如在图2中示出调整力矩的与超前角度相关的曲线。可以看出，在90°的电转子位置的超前角度时调整力矩最大。
[0049]在图3中更详细地示出了通过位置调节单元5实现的位置调节。位置调节单元5包括位置调节器51，由求差单元52向所述位置调节器提供位置差。求差单元52接收额定位置Lstjll和由位置传感器6提供的实际位置List并且求取向位置调节器51提供的差信号Llliff。位置调节器51产生调整量SG，所述调整量被提供给驱动器电路4，所述驱动器电路在同步电动机2上施加与调整量SG相应的换向模式。
[0050]调整量SG基本上是调整力矩的说明。调整力矩的高度相应于调节机构3的位置，其中复位弹簧7的弹簧力和在复位弹簧7上通过调整力矩引起的调整力均衡。
[0051]通过位置传感器6相对于转子位置的初始平衡，始终可以由位置传感器信号产生电压曲线和电流曲线的所需相位。所述平衡可以借助校正量实现，所述校正量例如可以作为相位偏移PO说明并且例如说明被加到通过调整量SG说明的空间矢量的空间矢量角度上的校正角度。在运行过程中，例如位置传感器6的由于热漂移出现的传感器误差导致同步电动机2的转子的由位置说明求取的转子位置与实际转子位置的偏差。此外可能通过传动装置9的齿隙形成偏差并且由于传动装置9的减速形成不精确性。由此改变电动机磁场相对于激励磁场的最佳超前，其导致具有在图2中说明的程度的效率降低。为了均衡所述偏差可以提供一种适配方法。
[0052]在图3的位置调节回路中，相位偏移PO由两部分构成。这能够根据所测量的位置List和真正的位置之间的偏差实现相位偏移PO的永久匹配。为此，设有信号发生器53，所述信号发生器例如产生具有基本上恒定的周期时间的、尤其以方波形式的周期性信号。如此选择周期性变化的信号的频率，使得它低于定位器系统I的响应频率。周期性信号被提供给求和单元54，所述求和单元的输出端提供相位偏移PO。周期性变化的信号是相位偏移PO的一部分。替代周期性信号，还可以使用另一非周期性信号用于变化，以便获得相位偏移PO。
[0053]求和单元54的另一个输入端由积分器55提供。因此，在初始积分器值O的情况下，仅仅信号发生器53的周期性变化的信号相应于相位偏移PO,所述相位偏移PO相应于被添加到空间矢量角度上的偏移角度。
[0054]如果由位置传感器6提供的(所测量的)实际位置List相应于调节机构3的真正位置，则在位置传感器6本身上感知不到相位偏移PO的变化。这在于，转矩波动通常均衡，因为在施加信号发生器53的周期性变化的信号的正半波和负半波时调整力矩相同地减弱，使得位置调节器51没有均衡这类变化并且因此不出现调整量SG的相应周期性。通过周期性变化的信号的调整力矩的减弱可以通过由信号发生器53提供的周期性变化的信号的振幅的合适选择或限制来实现。
[0055]如果相位偏移PO除信号发生器53的周期性变化的信号以外不相应于对于最大调整力矩所需的相位偏移PO，则出现与电动机磁场和激励磁场之间的90°超前的偏差。在这种情形中，周期性变化的信号的正半波和负半波导致不同的调整力矩。所述不同的调整力矩在相应低频的周期性的情况下被转化为差信号Llliff的可探测的周期性的位置变化。
[0056]位置调节器51尝试均衡所述位置变化，使得在调整量SG上出现相应的周期性。为了匹配相位偏移PO，通过带通滤波器56向乘法单元57提供调整量SG。带通滤波器56具有以下带通频率范围:所述带通频率范围负责仅仅将调整量SG的相应于信号发生器53的周期性变化的信号的频率范围的那部分传输给乘法单元57。同样，通过尤其是相应于第一带通滤波器56的第二带通滤波器58向乘法单元57提供信号发生器53的周期性变化的信号。
[0057]不仅将经滤波的调整量SG而且将经滤波的周期性变化的信号彼此相乘的乘法单元57的输出端与积分器55连接。积分器55例如可以设为具有积分器部分的平滑低通滤波器，从而滤波器输出信号确定所需的相位偏移PO的一部分。积分器55的输出信号的电平设置通过相位偏移PO与理想相位偏移PO的偏差的正负号确定。相位偏移PO的偏差的正负号说明调整量SG与信号发生器53的周期性变化的信号主要相同还是反相。在第一种情形中，乘法的经平滑的结果是正的，否则是负的。由此相应地增加或减少积分器部分，使得可以在两个方向上进行积分器部分的匹配。
[0058]此外，随着相位偏移PO与理想相位偏移的偏差的数值增大，调整量SG的波动的振幅更大并且因此乘法单元57中乘积之后的信号强度也更大。由此，相位偏移PO与理想相位偏移的偏差的数值越大，则积分器值越快地接近理想相位偏移。
[0059]当位置调节器51扩展以具有虚极对的特定传输路径(其中极位置如此选择，使得它们与信号发生器信号的主频率部分一致)时，进一步提高所描述的方法的有效性。
[0060]此外，为了避免突然的力矩跳跃提出:限制信号发生器53的周期性变化的信号的边缘陡度，并且取而代之地提供梯状信号等等。重要的是，周期性变化的信号是零点对称的，也就是说，正半波和负半波分别覆盖相同的面积。可以借助FIR结构或IIR结构或这些结构的合适组合来构造积分器55的平滑低通滤波器。
[0061]在图4中示出了另一种实施方式，其中位置调节器51设有预控制单元60。所述预控制单元接收额定位置Lstjll并且给所述额定位置分配一个预控制值，借助于另一个求和单元61将所述预控制值加到调整量SG上。可以在位置调节器系统开始运转之前运用预控制值到额定位置Lstjll的分配。由此，可以在干扰行为方面优化位置调节器51并且在所期望的位置变化期间也可靠地实现相位偏移PO的电平设置。
【权利要求】
1.一种用于具有电子换向的电机(2)的定位器系统(I)中以复位力加载的调节机构(3)的位置调节的方法，所述方法具有以下步骤: 根据预给定的额定位置说明和实际位置说明实施所述调节机构(3)的位置调节，其中，所述位置调节提供调整量(SG)，所述调整量被分配给一个空间矢量，借助所述空间矢量能够控制所述电机(2)的定子装置； 以校正量(PO)加载所述空间矢量，以便校正所述空间矢量的空间矢量角度； 提供辅助信号； 通过所述辅助矢量改变通过所述调整量(SG)定义的空间矢量的空间矢量角度； 将一个参量积分至一个积分值，其中，待积分的参量取决于所述辅助信号和所述位置调节的调整量(SG)，所述调整量作为对所述空间矢量的空间矢量角度的变化的响应获得，其中，由所述积分值导出所述校正量(PO)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述辅助信号和通过所述空间矢量的空间矢量角度的变化获得的调整量进行带通滤波，其中，所述待积分的参量相应于经带通滤波的辅助信号和经带通滤波的、通过所述空间矢量的空间矢量角度的变化获得的调整量(SG)的乘积。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述积分之前对所述待积分的参量进行低通滤波。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，设有预控制，以便给预控制参量分配额定位置说明(Lstjll),尤 其通过加法以所述预控制参量加载由所述位置调节提供的调整量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述辅助信号是周期性的，其中，所述周期性的辅助信号的主频率小于所述位置调节的极限频率。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述辅助信号是周期性的，其中，作为方波信号、梯状信号或正弦形信号或作为它们的组合提供所述辅助信号。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述空间矢量角度在所述空间矢量角度的直到+/-20°的范围内、尤其在直到+/-10°的范围内变化。
8.一种用于具有电子换向的电机(2)的定位器系统(I)中调节机构的位置调节的设备，其中，所述设备包括: 用于根据预给定的额定位置说明(Lstjll)和实际位置说明(List)实施位置调节的位置调节单元(5)，其中，所述位置调节提供调整量(SG)，所述调整量相应于空间矢量，借助所述空间矢量能够控制所述电机(2)的定子装置； 用于以校正量(PO)加载所述空间矢量以便校正所述空间矢量的空间矢量角度的装置； 用于提供辅助信号的信号发生器(53)； 用于通过所述辅助信号改变通过所述调整量定义的空间矢量的空间矢量角度的装置； 用于将一个参量积分至一个积分值的积分器(55),其中，待积分的参量取决于所述辅助信号和所述位置调节的调整量，所述调整量作为对所述空间矢量的空间矢量角度的变化的响应获得，其中，所述校正量(PO)由所述积分值导出。
9.一种定位器系统(I)，其包括: 以复位力加载的调节机构； 用于提供实际位置说明(List)的位置传感器(6)； 与所述调节机构(3)耦合的电机(2)； 根据权利要求8所述的设备。
10.一种计算机程序产品，其包含程序代码，当在数据处理单元上执行所述程序代码时，所述程序代码 实施权利要求1至7中任一项所述的方法。
【文档编号】H02P6/16GK103460595SQ201280014109
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年1月16日 优先权日:2011年3月18日
【发明者】A·格罗斯曼, U·西贝尔, R·比勒, Z·托松 申请人:罗伯特·博世有限公司