用于确定电子换向式多相直流马达的转子位置的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于确定电子换向式多相直流马达的转子位置的方法，该电子换 向式多相直流马达的极数多2并且具有多股的绕组系统以及用于在绕组系统中产生相位 电压的换向装置，其中，该直流马达包括转子和定子。
【背景技术】
[0002] 这种电子换向式直流马达（无刷直流（BLDC)马达或电子换向（EC)马达）是普遍 公知的并且例如包括作为转子的永磁体，该永磁体由以回旋运动的励磁场加以驱动。该励 磁场例如由构造到星形或三角形电路中的三相绕组系统来产生，方式为：绕组系统的绕组 股被以梯形或正弦形的、彼此相位错开的电流特性曲线来馈电。
[0003]BLDC马达的换向依照标准方式基于以微处理器或软件为基础对BLDC马达的绕 组系统的绕组的各个相电流加以控制和调节，方式为：按照已知方式例如将由功率接通件 (例如金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET))构成的三半桥用于产生多个在相位和振 幅方面不同的、流过绕组系统的电流。功率半导体由微处理器操控，对于该微处理器而言， 为了确定最佳的换向时间点必须知道转子的转子位置。对转子位置的测定能够在不用传感 器的情况下实现或者凭借附加的传感器件来实现。
[0004] 为了以不用传感器的方式测定BLDC马达的转子的转子位置，公知不同的方法。在 第一组方法中，通过对各未被馈电的绕组股中的感应电动势的零交点的评估来测定当前的 转子位置，这是因为在绕组系统中感应产生的电压矢量单一明确地与转子位置建立关系。 但是，这个评估方案是以停止状态为前提的。虽然也可以在转周数非常低的情况下应用所 述方法，但是随着转速增大，所测定的转子位置出现越来越大的误差。
[0005]第二组方法基于BLDC马达的电感的改变。作为永磁体的转子产生了磁性的非对 称性，这是因为在其磁化方向（d轴）上的磁阻比横向（q轴）上的磁阻更大。由此，获得了 BLDC马达的与转子位置相关的电感。定子的其磁轴与转子的d轴重合的那个绕组股具有 最小的电感，而其磁轴与q轴重合（也就是转过90° )的那个绕组股具有最大的电感。在 BLDC马达的未被馈电的状态下，作为永磁体的转子的南极和北极具有相同的作用，由此，该 可变的电感关于电学变量的特性曲线具有双倍的周期性。180°的不单一性必须针对完整 的位置信息加以分析。为此，与转子方向相对应地加载电压信号，从而由此使定子中的饱和 度降低或增强，也就是说：相应的电感增大或减小，从而由此能够确定转子位置。
[0006]用于确定转子位置的感应方案例如由文献AT395 487B公知，其中，对由电压脉 冲产生的电流脉冲和所附属的电压脉冲加以探测并且确定由此获得的电感。电感数值对应 的是沿圆周的正弦形特性曲线，以便由此测定在该正弦形特性曲线内部的当前位置。为了 能够在测量结果中对当转子转动时出现的感应电动势加以补偿，根据已知的方法必须执行 第二测量。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于，给出一种开头提到类型的方法，凭借所述方法能够以高可靠 性来确定BLDC马达在所有工作状态下的转子位置。
[0008] 根据本发明提出一种具有权利要求1特征的方法。
[0009] 据此，设置有：
[0010] -种用于确定电子换向式多相直流马达的转子位置的方法，该电子换向式多相直 流马达的极数多2并且具有多股的绕组系统以及用于在绕组系统中产生相位电压的换向 装置，其中，该直流马达包括转子和定子。在此，根据本发明的方法的长处在于下列方法步 骤：（a)在不同的分布于360°之上的相位中借助换向装置以预设的接通时长AT在绕组系 统中产生多个测试电压脉冲；(b)在各个测试电压脉冲的接通时长的过程中对测试电压脉 冲的电流应答的电流值进行测量；（c)通过将具有振幅IEMK的基波与具有振幅IInd的所附属 的第一高次谐波相叠加而得的周期性逼近函数，与测试电压脉冲的相位相关地逼近得出所 测得的电流数值，其中，正弦形的基波模拟定子的反向感应电动势的时间特性曲线，而第一 高次谐波模拟直流马达的定子的电感的时间特性曲线；(d)确定逼近函数的基波和第一高 次谐波的振幅1?和IInd的振幅比值IEMK/IInd; (e)与振幅比值IEK/IInd相关地由逼近函数 的基波的幅角来确定作为感应电动势（EMK)角的转子位置和/或由逼近函数的第一高次谐 波的幅角来确定作为电感角的转子位置，其中，感应电动势角给出的是定子的感应电动势 的正弦形特性曲线相对于逼近函数的相位偏移，并且电感角给出的是定子的电感的正弦形 特性曲线相对于逼近函数的相位偏移。
[0011] 本发明所基于的认识在于：感应电动势（EMK)主要与转子的速度和位置相关。本 发明的构思则在于，不将感应电动势视为干扰量，而是视为信息量。
[0012] 因此，在根据本发明的方法中，以有利的方式将感应电动势还有基于磁性的不对 称性产生的可变的电感用作用以确定转子的转子位置的有用信号。特别是在感应电动势和 磁性不对称性对测得的电流数值的影响大致等大的转速下，凭借根据本发明的方法提高了 正确确定转子位置的可靠性以及所确定出的转子位置的准确性。
[0013] 需要说明的是，对一方面的电感以及另一方面的感应电动势的影响的评估方案是 已知的。但是在这种已知的解决方案中，总是仅能够看到这两个效应之一，或者试图将第二 效应的影响消除或者降至最低。在本发明中，与之相区别地，两种效应都有助于测定位置并 且因此得到测定。
[0014] 有利的构造方案和改进方案由其他从属权利要求以及由参照附图的说明书来获 得。
[0015] 在本发明的有利的构造方案中，当振幅比值IEMK/IInd的数值A很大（在这里，A》ai >> 1)时，将感应电动势角确定为转子的转子位置。这种很大的振幅比例意味着直流马达 很高的转速，在这种高转速下，感应电动势的影响占主导并且因此转子的由于转子的磁性 不对称性产生的变化的电感可以忽略。按照简单而直接的方式，能够由基波的幅角来确定 转子的转子位置。
[0016] 在本发明的另一构造方案中，当在振幅比值IEMK/IInd的数值A很小（在这里，A<a2 << 1)时，电感角被确定为转子的方向，其中，180°具有不单一性或者说非单一性。振幅 比例的很小的数值出现在转子停止或转动很慢的情况下，从而没出现感应电动势或者其数 值非常小，从而可以忽略逼近函数的基波的相应振幅，并且因此能够以简单的方式由第一 高次谐波的幅角来确定转子的方向。为了排除180°的不单一性，按照已知的方式执行另一 测量，方式为：与转子方向相对应地加载电压信号，从而由此使定子内部的饱和度减小或增 强，也就是对应的电感减小或增大，从而由此能够确定转子位置。
[0017] 根据本发明的方法的高鲁棒性在本发明的特别优选的改进方案中实现，其中，在 振幅比例IEMK/IInd的数值A为a2<A<ai(其中，a2<< 1且&1>> 1)时，转子的转子位 置由感应电动势角和/或电感角来确定。这种振幅比例与马达的工作状态相对应，在该状 态下，马达的感应电动势还有由于转子的磁性不对称性产生的变化的电感对于所测得的电 流数值具有关键性的影响。
[0018] 在此，根据一构造方案有利的是：由感应电动势角和电感角的加权数值确定出转 子的转子位置数值，其中，加权与感应电动势角和电感角的数值相关地进行。加权也能够以 固定的比例进行。由此，对于所要得到的角度实现了很高的精确度。
[0019] 另外，特别有利的是：根据改进方案确定出感应电动势角与电感角之间的因马达 而异的相位差，并且将该相位差的数值用来对由感应电动势角和电感角来确定的、针对转 子的转子位置的数值进行可信性校验。感应电动势角与电感角之间的相位差对于每个马达 是恒定数值，并且能够被测定，并且一般要么为+ /4,要么是-/4。于是，这一数值用作 关于感应电动势角和/或电感角的测量误差的指标。
[0020] 根据本发明的另一构造方案，当振幅比例IEMK/IInd的数值A为a2<A< &1(其中， a2<< 1且&1>> 1)时，在感应电动势角与电感角之间的因马达而异的相位差被测定为 + /4的情况下，逼近函数的最小绝对值的数值被用作转子的转动位置。相反地，根据改进 方案，当所述相位差为_ /4时，逼近函数的最小绝对值的数值被用作转子的转动位置。由 此，除了对逼近函数的解析评估外，对逼近函数快速的图解评估也是可行的。
[0021] 在本发明的另一有利的构造方案中，逼近函数的第一高次谐波中的电感角通过与 因马达而异测得的差值建立呈感应电动势角与电感角之间所做差值形式的关联来替代。凭 借这一扩展的逼近函数，实现了更佳的逼近特性，于是更好而更可靠地确定转子的转子位 置。
[0022] 按照简单而直接的方式，根据改进方案基于扩展的逼近函数，由基波的幅角和第 一高次谐波的幅角获得表示转子的转子位置的感应电动势角。
[0023] 在特别有利的构造方案中，逼近函数与测试电压脉冲的相位as相关地通过将具 有所述振幅的正弦形基波与具有某一振幅的所附属的第一高次谐波相叠加来形成。优选的 是，选取正弦函数。逼近函数也可以不是正弦函数。例如当感应电动势或电感变化不是正 弦形时。
[0024] 上面的构造方案和改进方案只要合理就可以任意地相互组合。本发明的其他可行 的构造方案、改进方案以及实现方案也包括本发明的之前或后续关于实施例所介绍的特征 的未详细提到的组合。在此，特别是对于本领域技术人员也可以将单独的方案作为改进方 案或补充方案添加到本发明的各基本形式中。
【附图说明】
[0025] 下面借助附图的示意图中给出的实施例来详细阐述本发明。在此：
[0026] 图1示出用于阐述根据本发明的方法的电路图，其具有BLDC马达的绕组系统的替 代电路图、半桥以及换向装置，
[0027] 图2示出用于给根据图1的BLDC马达的绕组系统供电的中间电路的电路图，
[0028] 图3示出用于根据本发明的方法来给出测试电压脉冲的电压空间矢量图线，以及
[0029] 图4示出与转子角相关的、对应逼近函数及其基波以及第一高次谐波的电流特性 曲线的图线。
[0030] 这些附图应当传达出对本发明实施方式的进一步理解。这些附图示出实施方式并 且与说明书相关地用于解释本发明的原理和方案。其他实施方式以及其他提到的优点鉴于 附图获得。图中的元件并非一定忠实于彼此间比