专利名称：电动设备及用以测量该设备的电动势的方法
技术领域：
本发明涉及一种包括交流电动马达和控制逆变器的电动设备，以及用以测量该设备的电动势的相应方法，并适用于交流电动马达领域。本发明特别适用于电动机动车尤其是牵引逆变器以及它们相应的电动马达领域， 或者更适用于空调压缩机逆变器以及它们相应的电动马达领域。然而，尽管特别为这样的应用而准备，该设备以及相应的方法也可以使用在其它领域，例如，助力转向或风机电动马达。
背景技术：
通常地，电动车辆被配备以高压电池传递直流电到逆变器，其将该直流电转换为交流电用以驱动电动马达，后者驱动该车辆的移动。为了控制马达尤其控制逆变器的开关，必须要知道马达的角位置以在正确的时刻驱动马达的每一相位来获得最优的驱动扭矩。这通常通过位置传感器来实现，例如霍耳效应编码器/传感器，位于电动马达的旋转轴，正如在例如文献US6307336中描述的。然而，看来这些位置探测器在系统中是薄弱点且如果传感器故障会引起车辆停止。此外，这些传感器价格昂贵。在文献EP1564882中，辅助绕组被提议来直接测量马达每一相的电动势。然而，这个解决方案给电动马达带来复杂的改变。此外，至于位置传感器，例如，不知道测量信号的缺失是源于辅助配置的故障还是源于马达自身。文献US7489097描述了一种包括交流马达和用以直接测量该马达各相的电动势的控制逆变器的电动系统。为此，逆变器必须以一个特殊的方式控制马达，从而使得被测量 EMF的相在测量期间不被驱动。碰巧各相的梯形控制使得具有两个驱动的相和一个未驱动的相成为可能。在此情况下，在测量EMF且探测其零交点的足够长的期间内，电流是零。然而，此方式不适于例如正弦马达控制。
发明内容
本发明的目标是提供了一种使直接获得马达各相的电动势且无需任何位置传感器成为可能的设备和方法。为此，本发明的主题是一种包括交流电动马达和用以控制该马达各相的控制逆变器的电动设备，其特征在于该马达包括，在至少一相的至少一个绕组上，用以测量相对于预定电势的电压的点，该测量点选择使得其分割绕组成为第一和第二部分，从而在两个部分中感应的电动势彼此相关地相移，以及用以测量该测量点和该预定电势之间电压的部件。通过直接在各相的绕组级别(level)上选择测量点，使得其分割绕组成为第一和第二部分，从而在两部分中感应的电动势彼此相关地相移，马达控制的形状变得无关紧要。根据一个方面，用以测量该测量点和该预定电势之间电压的部件配置使得当逆变器已经转换关注的相为续流模式时测量该电压。根据另一个方面，马达的绕组是具有中点的绕组，且该测量点是绕组的中点。此外，对绕组两部分中的每一感应电动势可以规定实质上等幅。然后，逆变器可以被设定为同时转换所有的相成为续流模式，以允许马达每一相的电压的同时测量。根据一个方面，该逆变器是标准三相逆变器。根据一个发展，该逆变器是H型三相桥式逆变器。该交流电动马达是，例如，多相电动马达，其机械步进与机械角度的一部分相应。该交流电动马达可以是交流三相电动马达。该设备可以包括马达控制单元，其连接到所述测量部件且被设定为用以通过每一相的测量结果推断马达每一相的电动势，并且根据测量的电动势来控制该逆变器。该控制单元是，例如，被设定为通过每一相的电动势的零交点来推断马达的角位置。本发明的另一主题目标在于一种用于测量电动设备的电动势的方法，该电动设备包括交流电动马达和用以控制该马达的各相的控制逆变器，其特征在于-在至少一相的绕组的测量点和预定电势之间的电压被测量，该测量点选择使得其分割绕组成为第一和第二部分，从而在两部分中感应的电动势彼此相关地相移。根据一个方面，当逆变器已经将关注的相转换为续流模式时，在至少一相的绕组的测量点和预定电势之间的电压被测量。根据另一个方面，该马达的绕组是具有中点的绕组，且该测量点是绕组的中点。可能，例如，对绕组两部分中的每一感应电动势规定实质上等幅。可能同时转换所有的相，例如通过脉宽调制，成为续流模式，以允许马达的每一相电压的同时测量。该逆变器是，例如，标准三相逆变器或H型三相桥式逆变器。该交流电动马达是，例如，多相电动马达，其机械步进与机械角度的一部分相应。该交流电动马达可以是交流三相电动马达。根据一个方面，马达每一相的电动势通过每一相的电压测量被推断，且根据测量的电动势来控制该逆变器。根据另一个方面，马达的角位置通过每一相的电动势的零交点被推断。诊断可以通过马达每一相电动势的测量来推断，且在其中一相故障的情况下产生
报警信号。
本发明通过参照附图阅读详细的典型实施例将被更好的理解，实施例通过无限制的范例给出，其中图1示意性地描述该设备的第一典型实施例，图2示意性地描述图1中设备的细节，
图3展示根据图1中设备的PWM控制图形，图4是三相马达的电动势测量的矢量图表示，图5示意性地描述该设备第二典型实施例，图6示意性地描述图5中的电路，在其中逆变器被转换以允许中点电压被测量，图7是小功率步进交流电动马达的简图，图8展示图7中马达绕组的第一范例，图9展示图7中马达绕组的第二范例，图10在图形上展示电动势的测量作为配备根据本发明的设备的机动车辆的速度的函数的代表性范例，图11在图形上展示用以零交点检测的三相马达各相电动势的时间趋势，以及图12展示作为速度的函数测量的EMF的两个零交点之间的延迟。
具体实施例方式在所有的图中，同一元件采用相同的附图标记。图1展示根据本发明的设备1，一方面，其包括交流电动马达3以及，另一方面，其包括控制逆变器5用以控制马达3的PA，PB以及PC相。该表述“电动马达”应该被理解为意味着一种电动机器，当被电流驱动时其转换电能成为机械运动，且其也可以转换机械运动成为电能(电流发生器)。在本范例中，电动马达3是没有零压点的三相马达，其三相PA，PB以及PC均由具有中点Ma，Mb以及Mc的绕组产生。因此可以理解，在图1中马达只由它的担任电感的绕组部分地代表。在此范例中，用以控制马达各相的控制逆变器5是H型电桥三相逆变器。在此实施例中，逆变器包括三个H型电桥，Ha, Hb以及He。每一H 型电桥包括四个开关，Si，j(i = 1,2 ;j = A，A，，B，B，，C，C，)，系数 i = 1 代表电桥的基(bottom)部，也被称为电桥的底部，且系数i = 2为电桥的顶部。系数j，具有或者不具有符号“，，，，代表开关所属的相。该开关Si，j(i = 1,2 ；j =A，A，，B，B，，C，C，)是电源开关，例如IGBT (隔离栅双极晶体管)型，其相当于混合晶体管，结合了在输入端的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET) 和在输出端的双极晶体管。术语“H型电桥结构”或者“H型电桥”相当于已知的电动或者电子线路本身。例如，对于H型电桥，Ha，它包括通常示意性地如图1所示以H形式安排的四个开关元件S1A，S2A，S1A’以及S2A’，在一边通过开关元件S1A，S2A，在另一边通过开关元件 SlA', S2A’各自形成两个垂直分支，并且设置在H水平分支的任一边，其相当于电桥的负载，这就是说，相当于电动马达1的PA相的绕组。每一开关Si，j被连接到控制单元9，其提供PWM(脉宽调制)控制从而使得实现不同功能成为可能，例如，在一个或者另一个方向上马达的旋转以推进机动车辆。电路连接到DC电压源E。在应用此电路到机动车辆的背景中，这是，例如，诸如电源电池的蓄电装置。马达3包括，在至少一相的至少一个绕组上，用以测量相对于预定电势的电压的点，该测量点选择使得其分割绕组成为第一和第二部分，从而在两部分中感应的电动势相对于彼此被相移。在本范例中，这些测量点被有利地规定与PA，PB以及PC相绕组的中点Ma，Mb以及 Mc相同。当逆变器已经，例如，转变关于PA，PB, PC的相成为续流模式(freewheeling mode)时，根据本发明的设备还包括部件11A，11B和IlC用以测量该测量点Ma，Mb以及Mc 与预定电势(例如电路的接地M)之间的电压。PA,PB以及PC相成为续流模式的转变是可选择的，但是提供了消除偏移(offset) 的优势。更多细节，参考图2，其详细描述了作为范例的电桥Ha，它的转换元件示意性地由开关表示。可以看出，电桥底部的开关，这就是说开关SlA和S1A’闭合，这就是说相A已经通过逆变器5被转换成为续流模式。绕组的第一部分由它的阻抗Zal标出，第二部分由它的阻抗Za2标出。在此情况下，可以假定如下的方程
权利要求
1.包括交流电动马达C3)和用以控制该马达(3)的相的控制逆变器(5)的电动设备 (1)，其特征在于该马达(3)包括，在至少一相(PA，PB, PC)的至少一个绕组上，用于测量相对于预定电势(M)的电压的点(Ma，Mb，Mc)，该测量点(Ma，Mb，Mc)被选择使得其分割绕组成为第一(Zal ；Zbl ；Zcl)和第二(Za2 ；Zb2 ；Zc2)部分，从而在两个部分中感应的电动势(eal，ea2)彼此相关地相移，以及包括用于测量在该测量点和该预定电势之间电压的部件 (11A ；IlB ； 11C)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于用于测量在该测量点和该预定电势之间电压的部件(11A;11B;11C)设定为当该逆变器(5)已经将关注的各相转换为续流模式时测量该电压。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于该马达(3)的绕组是具有中点(Ma， Mb, Mc)的绕组且在其中该测量点是该绕组的该中点。
4.根据权利要求1-3的任一项所述的设备，其特征在于在绕组的两个部分的每个部分中感应的该电动势本质上具有相等的幅度。
5.根据权利要求1-4的任一项所述的设备，其特征在于该逆变器( 设定为同时转换所有相成为续流模式以允许马达(3)的每一相的电压的同时测量。
6.根据权利要求1-5的任一项所述的设备，其特征在于该逆变器( 是标准三相逆变器。
7.根据权利要求1-5的任一项所述的设备，其特征在于该逆变器是H型三相桥式逆变器(5)。
8.根据权利要求1-7的任一项所述的设备，其特征在于交流电动马达(3)是多相电动马达，其机械步进与机械角度的一部分相应。
9.根据权利要求1-8的任一项所述的设备，其特征在于交流电动马达C3)是交流三相电动马达。
10.根据权利要求1-9的任一项所述的设备，其特征在于它包括马达控制单元(9)，其连接到所述测量部件(11A ；IlB ； 11C)且设定为通过每一相的测量结果，推断马达每一相的电动势，以根据测量的电动势来控制该逆变器(5)。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于该控制单元(9)设定为通过每一相的电动势的零交点推断马达(3)的角位置。
12.用于测量包括交流电动马达(3)和用以控制该马达的相的控制逆变器(5)的电力设备(1)的电动势的方法，其特征在于-在至少一相(PA，PB, PC)的绕组的测量点(Ma，Mb, Mc)和预定电势(M)之间的电压被测量，该测量点选择使得其分割该绕组成为第一(Zal ；Zbl ；Zcl)和第二(Za2 ；Zb2 ；Zc2) 部分，从而在两个部分中感应的电动势被此相关地相移。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于当该逆变器已经将关注的相转换到续流模式时，在至少一相(PA，PB，PC)的绕组的测量点(Ma，Mb，Mc)和预定电势(M)之间的电压被测量。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于马达C3)的绕组是具有中点(Ma， Mb, Mc)的绕组且在其中该测量点是该绕组的该中点。
15.根据权利要求12-14的任一项所述的方法，其特征在于在绕组的两个部分的每个部分中感应的电动势本质上具有相等的幅度。
16.根据权利要求12-15的任一项所述的方法，其特征在于所有的相被同时转换，例如通过脉宽调制，成为续流模式以允许该马达C3)每一相的电压的同时测量。
17.根据权利要求12-15的任一项所述的方法，其特征在于该逆变器( 是标准三相逆变器。
18.根据权利要求12-15的任一项所述的方法，其特征在于该逆变器(5)是H型三相桥式逆变器。
19.根据权利要求12-18的任一项所述的方法，其特征在于交流电动马达(3)是多相电动马达，其机械步进与机械角度的一部分相应。
20.根据权利要求12-19的任一项所述的方法，其特征在于交流电动马达(3)是三相电动马达。
21.根据权利要求12-20的任一项所述的方法，其特征在于通过每一相(PA，PB,PC) 的电压测量，推断该马达每一相的电动势，且根据测量的电动势控制该逆变器。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于该马达的角位置通过每一相(PA，PB, PC)的电动势的零交点来推断。
23.根据权利要求12-22的任一项所述的方法，其特征在于诊断是通过该马达的每一相的电动势的测量来推断，且在其中一相故障的情况下，产生报警信号。
全文摘要
本发明涉及一种包括交流电动马达(3)和用以控制该马达的相的控制逆变器的电动装置(1)。该马达(3)包括，在至少一相(PA，PB，PC)的至少一个绕组上，用以测量相对于预定电势(M)的电压的点(Ma，Mb，Mc)，该测量点(Ma，Mb，Mc)被选择使得其分隔该绕组成为第一(Za1；Zb1；Zc1)和第二(Za2Zb2；Zc2)部分，从而在两个部分中感应的电动势(ea1，ea2)彼此相关地相移，以及包括用以测量该测量点和该预定电势之间电压的部件(11A；11B；11C)。本发明也涉及测量电动势的相关方法。
文档编号H02P27/06GK102437756SQ20111025368
公开日2012年5月2日 申请日期2011年6月27日 优先权日2010年6月25日
发明者B·鲍切兹, L·德索萨 申请人:法雷奥电机控制系统公司