用于獲取同步機的轉子角的控制機構和方法
【專利摘要】本發明涉及用于獲取同步機的轉子角的控制機構和方法。具有以下步驟：根據有待饋入同步機中的電壓產生大量用于向同步機饋電的逆變器的相位的脈寬調制操控信號；將第一相位差運用到脈寬調制的操控信號中的一個或多個上，使逆變器的相應切換狀態的持續時間延長，以產生用于逆變器相位的第一切換模式，在逆變器的相應切換狀態中輸出有源的電壓空間矢量；將第二相位差運用到操控信號中的一個或多個上，以產生用于逆變器相位的第二切換模式；選擇第一和第二切換模式中的一個或多個，用于操控逆變器；在用所選切換模式操控逆變器的過程中獲取同步機星形匯接點中的一個或者多個星形匯接點電位并根據獲取的星形匯接點電位計算同步機的轉子角。
【專利說明】用于獲取同步機的轉子角的控制機構和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于尤其在用電運行的機動車的電氣的驅動系統的同步機的轉速較低時獲取同步機的轉子角的一種控制機構以及一種方法。
【背景技術】
[0002]事實表明，在將來不僅在固定的應用方案比如風力發電設備或者太陽能設備中而且在機動車比如混合動力車或者電動機中都越來越多地使用電子的系統，所述電子的系統將新穎的蓄能技術與電的驅動技術組合起來。
[0003]在對比如用電運行的機動車的電氣的驅動系統中的同步機進行調節時，對所述同步機的轉子相對于定子的相對位置的了解起到中心的作用。為了用同步機提供所要求的轉矩，在所述電機的定子中產生旋轉電場，所述旋轉電場與所述轉子同步旋轉。為了產生這種場，需要所述轉子的當前的角度，以進行調節。
[0004]一種用于確定轉子角的可行方案在于，在所述同步機中的不同的相電流情況中測量所述同步機的星形匯接點中的電壓，用于從中推斷出當前的轉子角。
[0005]比如公開文獻WO 2009/136381 A2公開了一種用于確定同步機的轉子角的方法，對于該同步機來說通過脈寬調制的相操控的節拍模式(Taktmuster)的移動來對用于測量星形匯接點中的電壓的測量周期進行優化。
[0006]公開文獻DE 697 01 762 T2公開了一種用于異步電動機的變頻器，該變頻器為了在所述電動機的轉速較小時獲取相電流而通過平均等效的輸出電壓空間矢量的總和來取代空間矢量調制的PWM控制信號的單個的輸出電壓空間矢量，用于提高用于相電流的測量持續時間。
[0007]公開文獻US 2004/0195995 Al公開了一種用來對用于同步機的倒相器進行操控的空間矢量調制方法，對于該方法來說通過PWM操控信號的有針對性的延長來對PWM操控周期進行調整，用于對轉子位置測定情況進行優化。
[0008]Vdf Hochschulverlag AG (Vdf 高校出版社股份公司)的 Jenny F、Wiiest D 的1995 年第 152-167 頁的章節 “Steuerverfahren fiir selbstgefiihrte Stromrichter (用于自引導的整流器的控制方法)”公開了關于用于進行三相的電壓發生的空間矢量調制方法的基本考慮。
【發明內容】
[0009]本發明按照一個方面提供一種用于獲取同步機的轉子角的方法，該方法具有以下步驟:根據有待饋入到所述同步機中的電壓來產生大量的用于向所述同步機饋電的逆變器的相位的脈寬調制的操控信號；將第一相位差運用到所述大量的脈寬調制的操控信號中的一個或者多個脈寬調制的操控信號上，使得所述逆變器的相應的切換狀態的持續時間得到了延長，用于產生用于所述逆變器的相位的第一切換模式，其中在所述逆變器的相應的切換狀態中輸出有源的(aktiv)電壓空間矢量；將第二相位差運用到所述大量的脈寬調制的操控信號中的一個或者多個脈寬調制的操控信號上，用于產生用于所述逆變器的相位的第二切換模式；選擇所述第一和第二切換模式中的一個或者多個切換模式，用于操控所述逆變器；在用所選擇的切換模式來操控所述逆變器的過程中獲取所述同步機的星形匯接點中的一個或者多個星形匯接點電位，并且根據所獲取的星形匯接點電位來計算所述同步機的轉子角。
[0010]本發明按照另一個方面提供一種用于獲取同步機的轉子角的控制機構，其中該控制機構設計用于實施按本發明的一個方面所述的方法。
[0011 ] 按照另一個方面，本發明提供一種電氣的驅動系統，該電氣的驅動系統具有按本發明的控制機構、與所述控制機構相耦合的同步機以及逆變器，所述逆變器與所述控制機構及所述同步機相耦合并且所述逆變器設計用于提供用于所述同步機的供電電壓，其中所述控制機構設計用于根據所獲取的轉子角來操控所述逆變器。
[0012]本發明的構思是，尤其在轉速較低時在無傳感器的情況下為同步機實施轉子角測定。在此如此對既存的脈寬調制的操控(PWM操控)進行調整，從而取代在一個PWM脈沖周期之內使用用于各個定子相位的中心定位的PWM操控信號的做法使所述PWM操控信號的各個PWM操控信號相對于其余的PWM操控信號以時間上的偏差為幅度進行移動。通過對于有待在時間上移動的PWM操控信號的以及相應的移動的方向的不同的選擇，可以產生大量的偏差節拍模式(Versatztaktmuster)。這些偏差節拍模式而后可以為每個PWM操控周期周期性或者任意地更換(durchtauschen)。
[0013]這種處理方式的顯著的優點在于，不必將額外的電壓脈沖或者電流脈沖饋入到所述同步機中，用于確定轉子角。換而言之，可以以有利的方式如此調整本來用于對所述同步機進行操控的PWM操控模式，從而可以在所述同步機的連續的運行的過程中確定轉子角。在轉速較低時零電壓空間矢量的使用頻率相對于有源的電壓空間矢量的比例特別高，尤其在轉速較低時所述按本發明的處理方式可以顯著提高相應的持續時間，在所述相應的持續時間里適合于確定轉子角的電壓空間矢量加載在所述同步機的星形匯接點上。
[0014]此外，相對于已知的無傳感器的方法，所述轉子角確定方法的穩健性和可靠性顯著得到了改進。這比如能夠將所述轉子角確定方法用在具有電氣的驅動系統的量產車輛中。
[0015]此外存在著這樣的優點，即在確定程序的運行過程中沒有通過測試電壓脈沖產生額外的激勵，這在運行過程中改進了所述同步機的運轉平穩性。
[0016]按照所述按本發明的方法的一種實施方式，所述同步機可以包括凸極電機或者隱極電機。凸極電機以有利的方式沿著縱向方向和橫向方向也就是說沿著d軸或者說q軸具有不同的電感。
[0017]按照所述按本發明的方法的一種實施方式，對于轉子角的計算可以根據所獲取的星形匯接點電位的差值來進行。由此可以更好地考慮到干擾、暫時的波動以及測量誤差。
[0018]按照所述按本發明的方法的另一種實施方式，可以以交替的順序來選擇所述第一和第二切換模式，用于操控所述逆變器。
[0019]按照所述按本發明的方法的另一種實施方式，所述方法此外包括以下步驟:將第三相位差運用到所述大量的脈寬調制的操控信號中的一個或者多個脈寬調制的操控信號上，用于產生用于所述逆變器的相位的第三切換模式；并且選擇所述第一、第二和第三切換模式中的一個或者多個切換模式，用于操控所述逆變器。
[0020]按照所述按本發明的方法的另一種實施方式，可以以周期性的順序來選擇所述第一、第二和第三切換模式，用于操控所述逆變器。
[0021]按照所述按本發明的方法的另一種實施方式，可以關于所述脈寬調制的操控信號交替地選擇所述第一、第二和第三切換模式，用于操控所述逆變器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]本發明的實施方式的其它特征和優點從以下參照附圖所作的說明中獲得。附圖示出如下:
圖1是具有按本發明的一種實施方式的同步機的電氣的驅動系統的示意圖；
圖2是按本發明的另一種實施方式的、用于同步機的電感與轉子角的角度相關性的示意性的參數圖表；
圖3是用于對于按本發明的另一種實施方式的三路的同步機的操控的示意性的空間
矢量圖表；
圖4是用于同步機的示范性的PWM操控信號的示意性的圖表；
圖5是用于按本發明的另一種實施方式的同步機的示范性的PWM操控信號的示意性的圖表；并且
圖6是一種用于確定按本發明的另一種實施方式的同步機的轉子角的方法的示意圖。【具體實施方式】
[0023]一般來說，相同的附圖標記表示同類的或者起相同作用的組件。在附圖中示出的示意性的信號曲線及參數曲線僅僅具有示范性的特性，出于簡明的原因而理想化地描繪出所述信號曲線及參數曲線。不言而喻，在實際上由于有偏差的邊緣條件而可能產生有偏差的信號曲線及參數曲線，并且所示出的信號曲線和參數曲線僅僅用于說明本發明的原理以及功能的方面。
[0024]本發明意義上的同步機是一種電機，對于這種電機來說恒定地磁化的轉動件或者轉子同步地由環抱著的定片或定子中的取決于時間的旋轉磁場通過磁性的相互作用來驅動，使得所述轉子執行與所述定子中的電壓比同步的運動，也就是說，所述轉速通過極偶數關聯定子電壓的頻率。本發明的意義上的同步機比如可以是交流電-同步機，所述交流電-同步機比如可以構造為擁有一個轉子和一個定子的外極電機或者內極電機。此外，本發明意義上的同步機可以包括凸極電機或者隱極電機。隱極電機擁有轉子的不取決于軸的電感，而凸極電機則具有優秀的極軸，也稱為d軸，由于較小的氣隙沿著所述極軸的方向主電感比沿著極隙也稱為q軸的方向大。下面提到的方法和控制機構原則上同樣可以用于隱極電機和凸極電機，除非下面明確參照對于同步機類型的不同的探討內容。
[0025]圖1示出了具有同步機101的電氣的驅動系統100的示意圖，可以向所述同步機101中饋入三相的交流電。在此，通過構造為脈沖逆變器102的形式的變流器來將由直流中間電路103提供的直流電壓逆變為三相的交流電壓。所述直流電壓中間電路103由一條由串聯的電池模塊105構成的支路104來饋電。為了能夠滿足為相應的應用方案給定的針對功率和能量的要求，經常在牽引用蓄電池104中將多個電池模塊105串聯。[0026]所述電機101比如可以是同步機101，該同步機擁有定子電感1^山和L3。所述同步機101示范性地是三相的同步機。但是原則上也可以為所述同步機設置其它數目的相位。在此，對于所述電氣的驅動系統中的同步機101的調節起到中心的作用。為了用同步機提供所要求的轉矩，在所述電機的定子中產生旋轉電場，所述旋轉電場與所述轉子同步旋轉。為了產生這種場，需要所述轉子的當前的角度，以進行所述調節。
[0027]因此，所述電氣的驅動系統100包括控制機構10，該控制機構與所述同步機101相耦合并且該控制機構設計用于操控所述同步機101或者說對其運行進行調節。所述控制機構10為了這種操控或者說調節而采用所述同步機101的轉子的、關于該同步機101的定子的、取決于時間的轉子角。在此所述控制機構10可以獲取所述同步機101的電氣的工作參數。比如所述控制機構10可以設計用于在所述同步機101的星形匯接點106上獲取電壓。為了獲取所述星形匯接點電壓，所述控制機構10比如可以連接在所述同步機101的星形匯接點接頭上，用于相對于正的或者負的基準電位來確定所述星形匯接點電壓。也可以從三個星形連接的同類的電阻中獲取對并聯的網絡的星形匯接點的星形匯接點電壓。
[0028]此外，所述控制機構10可以具有觀測機構11，借助于該觀測機構可以對所述星形匯接點106上的所獲取的星形匯接點電壓繼續進行處理。所述觀測機構11為了支持角度觀測比如可以具有卡爾曼Kalman觀測器、Luenberger觀測器、Hautus觀測器或者Gilbert觀測器。所述觀測機構11可以從所獲取到的星形匯接點電壓中產生用于所述脈沖逆變器102的操控信號。為此，所述觀測機構I可以設計用于實施Clarke變換(Clarke-Transformation),用于從所述獲取的電壓值中計算轉子角。
[0029]關于圖2到5要解釋，所述控制機構10以何種方式并且在考慮到哪些關聯的情況下尤其在同步機101的轉速較低時獲取所述同步機101的轉子角β。在此，所述控制機構10尤其可以實施關于圖6所解釋的方法20。
[0030]永久磁體勵磁激勵的同步機的縱向電流Id和橫向電流Iq在取決于沿著極軸方向的轉子電感Ld和沿著極隙方向的轉子電感Lq以及所加載的電壓Ud或者說Uq的情況下表現如下:
【權利要求】
1.用于獲取同步機(101)的轉子角(β)的方法(20)，具有以下步驟: -根據有待饋入到所述同步機(101)中的電壓來產生(21)大量的用于向所述同步機(101)饋電的逆變器(102)的相位的脈寬調制的操控信號； -將第一相位差運用(22)到所述大量的脈寬調制的操控信號中的一個或者多個脈寬調制的操控信號上，從而延長了所述逆變器(102)的相應的切換狀態的持續時間，用于產生用于所述逆變器(102)的相位的第一切換模式，其中在所述逆變器(102)的相應的切換狀態中輸出有源的電壓空間矢量； -將第二相位差運用(23)到所述大量的脈寬調制的操控信號中的一個或者多個脈寬調制的操控信號上，用于產生用于所述逆變器(102)的相位的第二切換模式； -選擇(24)所述第一和第二切換模式中的一個或者多個切換模式，用于操控所述逆變器(102)； -在用所選擇的切換模式來操控所述逆變器(102)的過程中獲取(25)所述同步機(101)的星形匯接點(106)中的一個或者多個星形匯接點電位；并且 -根據所獲取的星形匯接點電位來計算(26)所述同步機(101)的轉子角(β )。
2.按權利要求1所述的方法(20)，其中所述同步機(101)包括凸極電機或者隱極電機。
3.按權利要求1和2中任一項所述的方法(20)，其中根據所獲取的星形匯接點電位的差值來計算所述轉子角(β)。
4.按權利要求1到3中任一項所述的方法(20)，其中以交替的順序來選擇所述第一和第二切換模式，用于操控所述逆變器(102 )。
5.按權利要求1到4中任一項所述的方法(20)，另外具有以下步驟: -將第三相位差運用到所述大量的脈寬調制的操控信號中的一個或者多個脈寬調制的操控信號上，用于產生用于所述逆變器(102)的相位的第三切換模式；并且 -選擇所述第一、第二和第三切換模式中的一個或者多個切換模式，用于操控所述逆變器(102)。
6.按權利要求5所述的方法(20)，其中以周期性的順序來選擇所述第一、第二和第三切換模式，用于操控所述逆變器(102 )。
7.按權利要求6所述的方法(20)，其中關于所述脈寬調制的操控信號交替地選擇所述第一、第二和第三切換模式，用于操控所述逆變器(102 )。
8.用于獲取同步機(101)的轉子角(β)的控制機構(10)，其中所述控制機構(10)設計用于實施按權利要求1到7中任一項所述的方法(20)。
9.電氣的驅動系統(100)，具有 -按權利要求8所述的控制機構(10); -與所述控制機構(10)相耦合的同步機(101);以及 -逆變器(102)，該逆變器與所述控制機構(10)及所述同步機(101)相耦合，并且該逆變器設計用于提供用于所述同步機(101)的供電電壓，其中所述控制機構(10)設計用于根據所獲取的轉子角來操控所述逆變器(102 )。
【文檔編號】H02P6/18GK103856123SQ201310642692
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2012年12月5日
【發明者】A.尼德雷爾, G.克內希特, S.保盧斯, M.克爾納 申請人:羅伯特·博世有限公司