具有負載轉矩適應的電動機致動方法

專利名稱：具有負載轉矩適應的電動機致動方法
技術領域：
本發明涉及如權利要求1前序部分的電動機驅動方法以及所述方法的應用。
背景技術：
WO 01/95471A1介紹了一種確定DC電動機驅動軸的旋轉位置的方法，在該方法 中，電流紋波(實際電流紋波)受到評估。為此目的，將合適的基準電流紋波與在電動機運 行期間測量的實際電流紋波進行比較。DE 42 32 130 Al公開了一種電路布置，采用該布置，在ABS制動控制裝置中，可 在脈寬調制(PWM)驅動運行期間確定DC泵用電動機的發電機電壓(generator voltage) 0 液壓泵的傳送速率在發電機電壓的幫助下受到控制。然而，在這種情況下，不對電流紋波進 行評估。在ABS控制裝置中用于確定泵旋轉速度的發電機電壓的評估也在DE 103 55 239 Al中介紹。在此文檔中，以允許閥以噪音最優化方式受到控制為目的，旋轉速度受到控制。 最后，這里，泵所產生的液壓也被間接地確定。

發明內容
本發明的目的在于指出一種電動機驅動方法，特別是DC電動機驅動方法，其以簡 單的方式提供負載適應性的電動機電流，使得例如電動機旋轉速度中負載波動的可聽見的 紋波得以減小。根據本發明，此目的通過權利要求1的電動機驅動方法實現。在根據本發明的電動機驅動方法中，電動機——其優選為有刷電動機——由脈沖 或線性控制的電源驅動。依賴于在電動機的特定角位置上施加到軸的實際負載，作為電 動機的設計的函數，對于特定的泵電流，產生特定的電動機旋轉速度。然而，電動機回轉 (revolution)期間的負載轉矩不是恒定的，這是因為電動機經由電動機軸被連接到依賴于 角度的負載。因此，負載具有依賴于轉子位置的轉矩(轉矩曲線(torque profile))。紋波 信號由施加到電動機的電壓電位(例如換向器(commutator)電壓)和/或由電動機電流 產生，并受到評估。根據該方法，電動機的旋轉速度優選為由此確定。特別優選的是規定電動機旋轉 速度也由紋波信號控制。根據按照本發明的方法，電動機功率在電動機回轉期間根據紋波 信號以及可能的其他變量——例如已知的負載曲線——(合適地)改變，使得角速度被適 應于電動機回轉期間的需求，特別是使得旋轉速度的波動盡可能低和/或電動機回轉期間 的紋波信號周期偏差盡可能低，和/或使得電動機所安裝到的整個組件的噪音產生盡可能 低。360°電動機電流驅動曲線(驅動曲線)優選為基于紋波信號和負載(例如負載 曲線)的360°轉矩曲線特征變量產生，以在電動機的至少一個回轉上適應于負載的轉矩 曲線的方式，所述電動機電流驅動曲線用于驅動電動機的電流。電動機電流驅動曲線優選為——特別是在學習(learning)階段——基于泵特征變量和紋波信號或旋轉速度來確定，所述電動機電流驅動曲線用于驅動電動機的電流，以 在電動機的至少一個回轉上適應于轉矩曲線的方式。結果，可以將電動機的旋轉速度保持 為盡可能恒定，甚至在變化的負載轉矩的情況下。不言自明，如果對于本發明的可用應用可 以想到的話，還可以施加另一電流曲線(例如，對不一致路徑進行增強的電流曲線)。如已經提到的那樣，電動機的旋轉速度可由施加到電動機的電壓電位和/或由電 動機電流來確定。這里介紹的優選實施例的另一特定的特征在于，在電子機動車制動系統 領域中，可以基于電動機電流紋波(換向紋波)的評估來確定對泵進行驅動的DC電動機的 旋轉速度。在DC電動機(有刷電動機)的情況下的換向導致供電電流中的紋波。這些波 的基本頻率(紋波頻率)直接與電動機旋轉速度有關，因此，可以在紋波的幫助下以極為靈 敏的方式識別旋轉速度。測量得到的電壓電位和/或電動機電流優選為轉換為數字信號， 其中，特別地，脈沖間隔為測量得到的旋轉速度的量度。有利的是，轉換可使用施密特觸發 器來進行，特別有利的是，施密特觸發器具有連接在上游的放大器。如果DC電動機以脈沖方式受到驅動一例如如所優選的借助脈寬調制電路 (PWM)，上面介紹的電流紋波既在開啟階段期間也在關斷階段期間產生。通過以對應的方式 設計電子線路的布置，可以僅僅考慮在這些階段之一中的電流紋波。然而，優選為，在連接 階段和斷開階段期間考慮電流紋波。特別地，由于一開始在所述階段中分立地確定并接著 借助適應電路合并以形成共有信號的信號，這是可行的。模擬多工器特別優選用于此目的， 所述模擬多工器以合適的方式將兩個信號連接到評估電路，這些信號事先被標準化為同樣 的電壓。以這種方式確定的電流紋波于是可用于根據本發明的方法。優選為，為此目的而 確定數字信號中的脈沖間隔。在電動機的一次回轉期間，脈沖間隔或者準確性較高或者準 確性較低地產生紋波信號的周期偏差，因此，作為電動機的360°回轉期間電動機角速度的 恒定性的量度。于是，電動機回轉期間負載波動的時間可優選為由脈沖間隔來確定。根據 此時間，例如，負載中的最大波動的時間，于是，定義了電動機電流驅動曲線關于電動機回 轉的相位角。優選為，數字信號在微控制器的輸入捕獲寄存器的幫助下被讀入。合適的算法于 是在微控制器內評估數字信號。類似地，用離散電子部件對數字信號的電子處理也是可能 的。在原理上，電動機曲線可非常準確地適應于負載曲線。然而，實際上，非常少地要 求這種程度的準確性。因此，已經證明，特別有利的是，通過在具有增大的負載的轉子或電 動機軸的角位置上對于特定時間周期以預定偏移值增大電動機功率，使得驅動電流的矩形 曲線在具有負載中的最大波動的區域周圍產生。根據按照本發明的方法的另一優選實施例，在角區域中，轉子表現出可在換向信 號上測量的至少一個電氣轉子變化(electrical rotor change)，此轉子變化允許一個或 多于一個的角位置被標注。在標注的幫助下，即使完全沒有紋波信號的可識別變化——該 變化由于轉矩曲線而產生——或附加的位置傳感器，可以以需要的準確度來確定轉子位 置，并以已知的轉矩曲線作為負載的函數地驅動電動機。轉子變化優選為涉及a)安裝在轉子上的換向器的部分的至少一個換向器疊片，其關于其他換向器疊片變化，特別是aa)通過由不同材料構成的所述換向器疊片，和/或ab)關于換向器周緣，所述換向器疊片具有變化的長度，和/或ac)所述換向器疊片具有不同的角位置，和/或b)安裝在轉子電樞上的匝片段(turn segment)的匝的數量或繞卷方式作為角度 的函數而變化。繞卷方式可由已經相比于其他轉子線圈變化得以多個匝繞卷的轉子線圈中的一 個而變化。如果例如在具有換向器中的η個槽和兩個極對的DC電動機中進行此轉子變化， 結果是兩個電流峰，其相比于其他η-2換向紋波顯著變化，間隔為180°。第二，在具有換向 器中的η個槽和4個極對的DC電動機中，變化的電流峰可以以90°的間隔產生(四個電流 峰，其相比于η-4換向紋波顯著變化)。如果用于標注目的的換向器疊片用不同的材料構成，其具有與其他疊片不同的電 阻。因此，可以在考慮這種變化的電氣特性的情況下標注角位置。根據本發明的另一優選實施例，電動機的轉子關于泵軸而定向，使得其具有關于 轉子角位置、因此關于所述至少一個轉子變化的角位置的規定的角位置。角位置特別優選為被設置，轉子變化被執行為使得轉子變化產生的轉矩變化自動 補償負載中存在的波動。這提供了電動機轉矩中依賴于角度的變化——其適應于轉矩—— 可在沒有電動機的任何特定電子驅動的情況下進行的優點。負載優選為液壓泵，上面描述的角位置被設置為使得實現液壓流體的更為均勻的 傳送和/或電動機泵組件噪音的減小。本發明還涉及一種方法，其中，以上面介紹的方式獲得的電動機位置信號用于作 為其函數驅動流體閥，特別是液壓閥，特別優選為模擬驅動的液壓閥。結果，可以補償液壓 系統中的壓力的波動，這些壓力中的波動由于不均勻的泵傳送導致。本發明還涉及上面介紹的方法在電子制動控制系統(例如ABS、ESP、ASR、EBC等) 中的使用。本發明優選為涉及防抱死制動系統和/或輪壓控制系統，特別是在適應性巡航 控制系統(ACC)中，其中，泵所產生的壓力波動或噪音——其根據本發明得以避免——可具 有特別不受歡迎的作用。


由從屬權利要求和下面參照附圖對示例性實施例的介紹，將會明了其他的優選示 例性實施例。在附圖中圖1示出了用于提供數字化電流紋波信號的電路布置；圖2示出了在有和沒有負載的情況下數字畫轉換紋波信號的時間曲線(在不應用 根據本發明的方法的情況下)；圖3示出了應用根據本發明的方法的情況下的多種信號曲線；圖4示出了所標注的轉子的實例；圖5示出了對于圖4的轉子的繞組電阻的電阻曲線；圖6示出了關于泵的偏心輪的定向的電動機軸的定向的實例；圖7示出了偏心輪兩活塞泵的360°轉矩曲線。
具體實施例方式如圖1所示，電動機1以脈沖方式受到電子制動系統的PWM驅動的驅動。為此目 的，FET 2作為高側開關連接在DC電源裝置的極和電動機1之間。電壓Ui在電動機1的面 向FET 2的電動機連接上分接，由于電動機的換向器，所述電壓具有依賴于旋轉速度的紋 波。電壓Ui被饋送到運算放大器3。運算放大器3放大的信號被施密特觸發器4轉換為矩 形數字信號。圖2a)示出了在施密特觸發器4的輸出上產生的信號。該信號具有矩形曲線，并 在0和5V之間交替。齒側面(flanks)的間隔td作為電動機軸的角速度的函數而變化。有刷電動機1——由之產生圖2b)的脈沖信號——被連接到ABS制動控制裝置的 液壓系統的泵。泵為偏心輪活塞泵，如圖6所示，其借助軸被驅動，由于其不對稱設計，在負 載下的傳送運行期間，對于泵軸的每次回轉顯示出轉矩中相對較高的波動。在泵運行期間 存在的這些負載中的波動是可以聽見的。如可從圖2b)的信號Ua的時間曲線收集到的，標 為tp的區域中的齒側面間隔顯著大于其它齒側面的間隔。此時，特別高的轉矩被施加到泵 軸，因此，電動機旋轉速度在此區域中急劇下降。旋轉速度中這樣的急劇下降對于軸的每次 回轉發生一次或多于一次，依賴于泵的設計原理。圖2中的數字信號在微控制器的輸入捕獲寄存器的幫助下被讀入。微控制器中的 合適的算法對數字信號進行評估，負載片段(load snatch)開始的時刻A(圖2b)(在所示 出的實例中，第一長脈沖間隔的開始)在此評估處理中被確定。于是，作為時刻A的函數地 確定超前時間(lead time)B，其以時刻B之前的特定時間段Tv存在。如圖3a)所示，電動機電流在時刻B以特定的量Ip增大。在時間Td已經過去后， 電動機電流再次減小到由制動控制系統預定的值。值Ip、TD、Tv的幅度依賴于泵、電動機和 液壓系統的設計。值可由一系列的測量來確定。確定上述補償參數的另一可能的方式涉及， 首先進行學習階段，其中，對于后續的補償階段確定合適的值。圖3b)示出了電動機運行階 段期間的數字化旋轉速度信號Ua，其中，進行上面描述的電動機片段負載補償。在液壓泵的 示例性應用中，齒側面間隔中的波動——其在上面進一步介紹——可大大減小。結果，電動 機更為均勻地運行，液壓泵產生小得多的運行噪音。圖4示出了原理性的轉子的三個角位置(φ=0°, φ=22.5°, φ=45° )，其中，
在收集器(collector)中，關于換向器的周緣，一個疊片大大寬于收集器的其他碟片(在所 示出的實例中，寬度加倍)。三個圖的每一個下面示出了等效電阻電路圖，電阻器符號6表 示轉子的繞組片段，電流通過其在所述等效電阻電路圖中流動。電壓被施加到刷觸點7、8， 以便運行電動機。如圖4的圖片部分a)所示，刷觸點7、8各自與收集器疊片9、10接觸，使得電流可 流經轉子的繞組。因此，圖片部分d)中的等效電路圖在具有同樣的電阻的兩個繞組路徑之 間分割電流10、10'。在圖片部分b)中，在φ=22.5°的角位置上，刷觸點7短接疊片9、9'，觸點8短接 疊片9"和11。收集器疊片11是其他疊片9的寬度的兩倍。對于繞組電阻產生圖片部分 e)所示的等效電路圖。φ=22.5°處，電流路徑10相比于電流路徑10'具有較低的電阻。
在圖片部分C)中，在Cp=ISii的角位置上，刷觸點7與收集器疊片9'接觸。刷觸點 8建立與較寬的疊片11的接觸。對于繞組電阻產生圖片部分f)所示的等效電路圖。電流 路徑10具有比φ=22.5°的電流路徑10'低的電阻。整體電阻高于φ=22.5°,但低于<Ρ=0°。為了進一步的說明，圖5示出了作為角度的函數，對于轉子的半個回轉(180° )的 轉子繞組的整體電阻R。圖6示出了電動機泵組件。泵包含兩個泵活塞12 (以高度原理性的方式示出)，借 助其，力分量F在傳送運行期間作用在偏心輪方向上。由于圓(cycle) 13的中心14的偏心 位置，關于泵軸對偏心輪的角位置進行符號化。在所示出的角位置中，收集器的較寬的疊片 11與左手向電動機刷7相對地定位。在此位置上，轉子繞組的電阻最小值與依賴于角度的 泵轉矩的止點(dead center)重合，使得噪音最小化，即使在沒有功率控制的情況下。圖7示出了圖6中的偏心輪兩活塞泵的360°轉矩曲線。標注15對收集器的角位 置進行符號化，其中，較寬的疊片11與刷元件7或8相對地定位。由圖7可見，當泵軸上的 轉矩呈現最小值時(偏心輪的止點)，對于泵軸的關于換向器的合適定位來說情況就是這 樣。因此，通過對修改后的換向器疊片進行機械定向，可實現穩定的速度，即使是在不對稱 的轉矩曲線的情況下(例如，當泵的兩個活塞對于不同的壓力工作時)。
權利要求
1.一種電動機驅動方法，其中，電動機包含轉子，轉子連接到電動機軸；定子，其具有 刷，并包含用于對布置在轉子上的繞組進行換向的多個換向器疊片，電動機由可脈沖或線 性控制的電源來驅動，電動機軸被連接到徑向驅動的負載，特別是泵，負載在轉子的回轉上 具有非線性的轉矩曲線，其特征在于，由施加到電動機的電壓電位和/或由電動機電流獲得紋波信號，轉子位 置信息由所述紋波信號的曲線獲得。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，電動機功率在電動機回轉期間變化，使得電動 機回轉期間紋波信號中的周期偏差與要求匹配，特別是使得旋轉速度中的波動和/或噪音 的產生盡可能低。
3.根據權利要求1或2的方法，其特征在于，基于負載的360°轉矩曲線特征變量和紋 波信號而產生360°電動機電流驅動曲線，所述電動機電流驅動曲線用于以在電動機的回 轉上適應于負載的轉矩曲線的方式驅動電動機的電流。
4.根據權利要求1-3中至少一項的方法，其特征在于，紋波信號被轉換為數字信號，其 中，特別地，脈沖間隔為測量得到的旋轉速度的量度。
5.根據權利要求4的方法，其特征在于，負載中的波動的時間通過測量脈沖間隔來確 定，電動機電流驅動曲線的相位角根據所述時間關于電動機的回轉來確定。
6.根據權利要求1-5中至少一項的方法，其特征在于，電動機電流在具有高轉矩要求 的電動機軸線的角位置上對于特定時間周期以預定的偏移值增大，使得產生驅動電流的矩 形曲線。
7.根據權利要求1-6中至少一項的方法，其特征在于，負載為電子機動車制動系統中 的液壓泵。
8.根據權利要求1-7中至少一項的方法，其特征在于，轉子在角區域中顯示出可在換 向信號上測量的至少一個電氣轉子變化，此轉子變化允許一個或多于一個的角位置被標注。
9.根據權利要求8的方法，其特征在于轉子變化涉及a)安裝在轉子上的換向器的部分的至少一個換向器疊片關于其他的換向器疊片變化， 特別是aa)通過所述換向器疊片用不同的材料制成，和/或ab)所述換向器疊片關于換向器周緣具有變化的長度，和/或ac)所述換向器疊片具有不同的角位置，和/或b)安裝在轉子電樞上的匝片段的匝的數量或繞卷方式作為角度的函數而變化。
10.根據權利要求8或9的方法，其特征在于，電動機的轉子關于泵軸而被定向，使得其 具有關于轉子角位置、因此關于所述至少一個轉子變化的角位置的規定的角位置。
11.根據權利要求10的方法，其特征在于，角位置被設置，轉子變化被執行，使得轉子 變化產生的轉矩變化和已有的負載波動自動補償。
12.根據權利要求11的方法，其特征在于，負載為液壓泵，角位置被設置，使得實現更 為均勻的液壓流體傳送和/或噪音的減小。
13.根據權利要求1-12中至少一項的方法在電子制動控制系統中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種電動機致動方法，其中，電動機包含轉子，轉子連接到電動機軸；定子，其具有電刷，所述定子包含多個換向器疊片，用于布置在轉子上的繞組的換向，電動機通過脈沖或線性可控制電源致動，其中，所述電動機軸連接到徑向驅動的負載，特別是泵，負載具有經由電動機回轉的非線性轉矩曲線，其中，波動信號也由施加到電動機的電壓電位和/或由電動機電流獲得，轉子位置信息由所述波動信號的曲線獲得。
文檔編號G05B19/21GK102007685SQ200980113472
公開日2011年4月6日 申請日期2009年3月9日 優先權日2008年4月15日
發明者A·海澤, A·里希特, C·比特施, D·巴塞爾, D·施密茨, R·哈特曼 申請人:大陸-特韋斯貿易合伙股份公司及兩合公司