專利名稱：用于確定電子換向的電機的瞬時轉矩以及用于調節平均轉矩的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子換向的電機，尤其是應當根據預先給定的額定轉矩提供轉矩的電機。
背景技術：
諸如同步電動機、異步電動機等的多相電子換向的電機是普遍公知的。為了運行這種電機而使用控制單元，所述控制單元操控驅動電路以通過預先給定相電壓變化曲線來調整出期望的轉矩。相應的相電壓可以借助所謂的脈寬調制來調整，其方式是在各相支路上分別交替地施加高電勢和低電勢。從而通過脈寬調制的預先給定的占空比，可以有效地調整施加在相支路上的電壓。
關于由電機提供的轉矩的反饋一般通過分析相電流來獲得，從而借助面向場的調節可以調節由電機提供的轉矩。相電流的測量一般要費事地實現，并且例如可能在使用測量電阻(分流器)的情況下導致測量損耗，所述測量損耗影響電機的功率并因此是不期望的。
發明內容
因此本發明的任務是提供用于確定電機的瞬時轉矩、尤其是用于在轉矩調節中使用的方法和設備，其中無需費事地測量相電流也能確定轉矩。該任務通過根據權利要求I的用于確定電機的轉矩的方法、通過根據并列權利要求的用于調節電機平均轉矩的方法以及設備來解決。其它有利設計在從屬權利要求中說明。根據第一方面，設計一種用于確定多相電機的實際轉矩的方法。借助驅動電路來操控該電機，其方式是在電機的各相支路上施加相電壓或相電勢的變化曲線。該方法包括以下步驟
-確定電機的所吸收的電功率和歐姆損耗功率；
-依據所吸收的電功率和歐姆損耗通過功率平衡來確定電機所提供的機械功率；
-借助所確定的機械功率來確定實際轉矩。上述方法的思想在于，借助功率平衡來確定由電機瞬時提供的轉矩，其中取決于所提供的轉矩的機械功率由所輸送的電功率和電熱損耗得到，尤其是由所輸送的電功率與電熱損耗之差得到。由此可以在確定瞬時實際轉矩時放棄對各個相電流的測量，而代替地僅執行唯一的電流測量以測量總共輸送給電機的電動機電流。此外，確定電機的所吸收的電功率和歐姆損耗功率可以借助總耗用電流來執行，其中確定驅動電路的總耗用電流，以檢測流過電機的各相支路的總電動機電流。根據一種實施方式，可確定絕對的轉子位置，其中借助所確定的絕對的轉子位置來確定機械功率。
驅動電路可以根據脈寬調制來控制電機，其中依據脈寬調制的占空比來確定歐姆損耗功率。可以規定，相電壓或相電勢的變化曲線正弦形地形成，從而總電動機電流的低頻部分不具有或僅具有少量的定子位置依賴性。所確定的總電動機電流或者所確定的總電動機電流的低頻部分可以被施加形狀因子，該形狀因子由通過操控類型確定的相電壓或相電勢的變化曲線確定。所確定的總電動機電流或者所確定的總電動機電流的低頻部分可以除以cosφ以被校正，V作為期望電流與電壓之間的相移。根據另一方面設置一種用于調節電機的轉矩的方法。該方法包括以下步驟
-根據上述方法確定實際轉矩； -依據實際轉矩和所提供的額定轉矩確定通過相電壓或相電勢確定的電壓矢量的絕對
值；
-通過施加具有所確定的絕對值的電壓矢量來操控電機。根據另一方面設置一種用于確定多相電機的實際轉矩的設備，其中借助驅動電路來操控該電機，其方式是在電機的各相支路上施加相電壓或相電勢的變化曲線，具有以下步驟
-確定電機的所吸收的電功率和歐姆損耗功率；
-依據所吸收的電功率和歐姆損耗通過功率平衡來確定電機所提供的機械功率；
-借助所確定的機械功率來確定實際轉矩。根據另一方面設置一種電動機系統，包括
-電機；
-驅動電路；
-控制設備，該控制設備具有上述設備和調節裝置，以依據實際轉矩和所提供的額定轉矩確定通過相電壓或相電勢確定的電壓矢量的絕對值，并且借助驅動電路通過施加具有所確定的絕對值的電壓矢量來操控電機。
下面借助附圖更詳細闡述本發明的優選實施方式。圖I示出電動機系統的示意 圖2a和2b示出多相電機的驅動電路的可能拓撲；以及 圖3示出圖I的電動機系統的控制設備的結構框圖。
具體實施例方式圖I示出電動機系統I的示意圖，該電動機系統I具有可以構成為同步電動機、異步電動機等的電機2。下面假定電動機2作為電機2 ;但是也可以是用轉矩驅動的發電機。電動機2是電子換向的，也就是說電動機不具有必須由外部的、例如經由機械換向器或經由滑動觸頭電供給的轉子繞組。在同步電動機的情況下，轉子設置有永久磁鐵，所述永久磁鐵構成轉子極以提供激勵磁場。此外在相應的定子上設置多個相支路，這些相支路通過施加相電壓或相電勢得到操控，以便在取決于通過相電壓確定的電壓矢量的方向上產生磁場。該磁場相對于轉子的運動方向和通過永久磁鐵產生的磁場的方向被提前產生，從而可以提供轉矩。由電動機2提供的轉矩基本上取決于馬達參數、電壓矢量的電壓絕對值以及通過電壓矢量引起的定子磁場相對于通過轉子產生的激勵磁場提前的角度。下面示例性地描述借助同步電動機2的實施方式，其中所介紹的方法也可以用其它類型的電子換向的電機來執行。同步電動機2由驅動電路3操控，該驅動電路輸出相電壓或相電勢以提供電壓矢量。驅動電路3用于提供運行同步電動機2的電功率。相電壓或相電勢通過在驅動電路3上施加合適的控制信號來產生。這些控制信號由控制設備4提供。在圖2a和2b中示出驅動電路3的示例。圖2a示意性示出第一驅動電路31。第一驅動電路31以所謂的B6拓撲構建，以便向具有在所示實施例中相互連接成星形電路的相支路21a，21b，21c的三相同步電動機供應相電勢Vu, Vv, Vw。第一驅動電路31針對每個相支路21a，21b，21c具有逆變器電路33a，33b，33c，這些逆變器電路分別具有高壓側功率開關34a，34b，34c以及對應的低壓側功率開關35a， 35b，35c。高壓側功率開關34a，34b，34c和低壓側功率開關35a，35b，35c可以分別構成為諸如M0SFET、晶閘管、IGBT, IGCT等的功率晶體管。在每一個逆變器電路33a，33b，33c中，高壓側功率開關34a，34b，34c與對應的低壓側功率開關35a，35b，35c串聯地連接在高供應電勢Vh和低供應電勢'之間。在高和低供應電勢VH，Vl之間對應地施加供應電壓UDC。分別在功率開關34a，34b，34c和35a，35b，35c之間的連接節點Ku, Kv, Kw與同步電動機2的相支路21a，21b，21c連接。功率開關34a，34b，34c和35a，35b，35c通過控制信號Tl至T6得到操控。通過對控制信號Tl至Τ6的對應選擇可以在連接節點Ku, Kv, Kff上生成相電勢。根據一種操控類型，總是有兩個逆變器電路33a，33b，33c是活躍的，即在所涉及的連接節點Ku, Kv, Kff上施加高的或低的供應電勢VH，Vl,而在其余逆變器電路33a，33b，33c的連接節點上不輸出電壓電勢。對應的連接節點是浮動的，即該連接節點具有浮動電勢。這種類型的操控稱為塊換向；但是也可以考慮其它操控和運行同步電動機2的可能性。總之，通過選擇連接節點Ku, Kv, Kff上的相電壓電勢Vu, Vv, Vff生成具有特定的絕對值和相位角的電壓矢量。為了產生有效的相電壓Vu, Vv, Vw，所述相電壓的絕對值位于高供應電勢Vh和低供應電勢 '之間，使用脈寬調制，其中確定逆變器電路33a，33b，33c的高壓側功率開關34a，34b，34c和對應的低壓側功率開關35a，35b，35c周期性地交替接通，其中功率開關的接通時間分別通過脈寬調制的占空比來確定。該占空比一般被說明為以下持續時間與整個周期持續時間的比例，在所述持續時間期間對應逆變器電路33a，33b，33c的高壓側功率開關34a，34b，34c之一在恒定的周期持續時間內是導通的。第一驅動電路31的輸入側設置有電容36，該電容用于對供應電壓Udc進行平滑并且減小在用于對驅動電路3供應電壓的供應電壓線路上的電流波紋。在圖2b中示出驅動電路3的另一種實施方式。圖2b的第二驅動電路32用于操控兩相同步電動機2并且具有2H拓撲的結構。在2H拓撲的情況下，兩相同步電動機2的兩個相支路分別連接在兩個逆變器電路37a，37b ;37c，37d之間。逆變器電路37a，37b ；37c,37d在其結構方面與第一驅動電路31的逆變器電路33a，33b，33c對應，并且包括分別通過控制信號Tl至T8得到操控的功率開關。此外第二驅動電路32設置有與供應電壓Udc并聯連接的電容36。同步電動機2的相支路分別連接在兩個逆變器電路37a，37b的連接節點Kal，Ka2之間和逆變器電路37c，37d的連接節點Kbl，Kb2之間。一般要在相支路上施加相電壓，其方式是被分配給一個相支路的逆變器電路之一被脈寬調制地操控，同時被分配給相支路的各其它逆變器電路的低壓側功率開關導通地連接。由此可以根據哪一個逆變器電路被脈寬調制地操控，經由每一個相支路在+Udc和-Udc之間施加電壓。驅動電路3，31，32的操控通過控制設備4進行，所述控制設備提供對額定轉矩Msoll的說明作為預先給定參量V。控制設備4實施轉矩調節并且為此從設置在同步電動機2處的位置檢測器5獲得轉子位置信息V來作為反饋參量。位置檢測器5例如可以借助霍爾傳感器或GMR (GMR Giant Magnetic Resistance,巨磁電阻)傳感器來相對或絕對地說明轉子位置并且將該轉子位置傳送給控制設備4。如果位置檢測器5僅僅說明了一次轉子位置變化，則可以規定由此例如借助計數器確定絕對的轉子位置。
此外，驅動電路3設置有電壓傳感器6和電流傳感器7，以檢測供應電壓Udc和直接流過逆變器電路33a，33b，33c或37a，37b，37c, 37d的電流IZK，并且向控制設備4提供對應的說明。電流Izk等于供應電流減去流過對應電容36，39的電流。在圖3中示意性地作為結構框圖示出控制設備4的功能。控制設備4包括轉矩調節器41形式的調節裝置作為主要單元，該轉矩調節器接收對額定轉距Mstjll和由同步電動機2瞬時提供的實際轉矩Mlst的說明作為預先給定參量V。依據額定轉矩Mstjll和實際轉矩Mlst之間的差，預先給定用于脈寬調制的占空比，該占空比在控制信號生成塊42中被轉換為控制信號Tl至T6或Tl至T8。控制信號生成塊42依據瞬時轉子位置Φ和依據預先給定的占空比來產生控制信號Tl至Τ6或Tl至Τ8，所述占空比由轉矩調節器作為關于待提供的轉矩的說明而預先給定。轉子位置由位置確定塊43提供。位置確定塊43與同步電動機2處的位置檢測器5連接，確定關于瞬時絕對轉子位置Φ的說明并且將該說明以合適的方式提供給控制信號生成塊42。如果位置檢測器5檢測同步電動機2的轉子的相對位置變化，則位置確定塊43例如可以具有計數器。計數器依據同步電動機2的轉子的旋轉方向及其濕度或轉速遞增或遞減。計數器值隨時都表示關于當前轉子位置Φ的說明，該說明可以被提供給控制信號生成塊42。此外，位置確定塊43通過當前轉子位置變化的時間導數提供關于同步電動機2的轉速ω的說明。此外，控制設備4包括電壓采集塊44，該電壓采集塊經由模擬數字轉換器45與電壓檢測器6連接以采集供應電壓UDC。電壓采集塊44提供關于所施加的供應電壓Udc的數字化說明。此外設置耗用電流采集塊46，該耗用電流采集塊經由第二模擬數字轉換器47與電流檢測器7連接。耗用電流采集塊46提供關于由逆變器電路(在此也是附圖標記？)吸收的總電流Izk的說明。所采集的電動機電流在此是流經驅動電路和同步電動機2的一個或多個相支路的電流。耗用電流采集塊應當盡可能不測量流過電容36，39的電流或其它不流經同步電動機2的相支路的電流。轉矩調節器41依據額定轉矩Mstjll和實際轉矩Mlst之間的差調節當前由同步電動機2提供的轉矩。例如，如果額定轉矩Mstjll和實際轉矩Mlst之間的差為正，則提高預先給定的占空比，反之如果額定轉矩Mstjll和實際轉矩Mlst之間的差為負，則減小預先給定的占空比。轉矩調節器41可以包括預控制器和/或可以構成為P-、PI_、PD-或PID-調節器。實際轉矩Mlst在當前的控制設備4中借助功率平衡來確定。對于同步電動機的運行下式成立
權利要求
1.一種用于確定多相電機(2)的實際轉矩的方法,其中借助驅動電路(3)來操控該電機(2)，其方式是在電機(2)的各相支路上施加相電壓或相電勢的變化曲線，該方法包括以下步驟 -確定電機(2)的所吸收的電功率(Pei)和歐姆損耗功率； -依據所吸收的電功率和歐姆損耗通過功率平衡來確定電機(2)的所提供的機械功率(Plech);以及 -借助所確定的機械功率(Pfch)來確定實際轉矩(MIst)。
2.根據權利要求I的方法，其中確定電機(2)的所吸收的電功率(Pei)和歐姆損耗功率借助總耗用電流來執行，其中確定驅動電路(3)的總耗用電流，以檢測流過電機(2)的各相支路的總電動機電流(IM)。
3.根據權利要求I或2的方法，其中確定絕對的轉子位置，其中借助所確定的絕對的轉子位置來確定機械功率(PfchX
4.根據權利要求I至3之一的方法，其中驅動電路(3)根據脈寬調制來操控電機(2)，其中依據脈寬調制的占空比來確定歐姆損耗功率。
5.根據權利要求4的方法，其中相電壓或相電勢的變化曲線正弦形地形成，從而總電動機電流具有恒定的變化曲線。
6.根據權利要求4的方法，其中所確定的總電動機電流被施加形狀因子，該形狀因子由通過操控類型確定的相電壓或相電勢變化曲線確定。
7.根據權利要求6的方法，其中所確定的總電動機電流(Im)除以期望的形狀因子cosφ。
8.一種用于調節電機(2)的轉矩的方法，包括以下步驟 -根據權利要求I至7之一的方法確定實際轉矩； -依據實際轉矩和所提供的額定轉矩(Mstjll)確定通過相電壓或相電勢確定的電壓矢量的絕對值； -通過施加具有所確定的絕對值的電壓矢量來操控電機(2)。
9.一種用于確定多相電機的實際轉矩的設備，其中借助驅動電路(3)來操控該電機(2)，其方式是在電機(2)的各相支路上施加相電壓或相電勢的變化曲線，具有以下步驟 -確定電機(2)的所吸收的電功率(Pei)和歐姆損耗功率； -依據所吸收的電功率(Pei)和歐姆損耗通過功率平衡來確定電機(2)的所提供的機械功率(Pfch);以及 -借助所確定的機械功率(Pfch)來確定實際轉矩(MIst)。
10.一種電動機系統(I),包括 -電機(2); -驅動電路(3); -控制設備(4)，該控制設備具有根據權利要求9的設備和調節裝置(41)，以依據實際轉矩(Mlst)和所提供的額定轉矩(Mstjll)確定通過相電壓或相電勢確定的電壓矢量的絕對值，并且借助驅動電路(3)通過施加具有所確定的絕對值的電壓矢量來操控電機(2)。
全文摘要
本發明涉及一種用于確定多相電機(2)的實際轉矩的方法，其中借助驅動電路(3)來控制該電機(2)，其方式是在電機(2)的各相支路上施加相電壓或相電勢的變化曲線，該方法包括以下步驟-確定電機(2)所吸收的電功率(PEI)和電機(2)的歐姆損耗功率；-依據所吸收的電功率和歐姆損耗通過功率平衡來確定電機(2)所提供的機械功率(PMech)；以及-借助所確定的機械功率(PMech)來確定實際轉矩(MIst)。
文檔編號H02P27/04GK102971960SQ201180034888
公開日2013年3月13日 申請日期2011年7月8日 優先權日2010年7月16日
發明者D.弗里克, G.克內希特 申請人:羅伯特·博世有限公司