用於運行電機的方法與流程
2023-06-11 22:57:31
本發明涉及一種用於運行電機的方法和一種用於運行電機的系統。
背景技術：
電機可以針對第一電參量具有多個相，它們可以通過脈寬調製相對彼此調整。但是第二電參量的值僅僅可以在確定的時刻測量並且因此不能夠持續地測量。
技術實現要素：
在這個背景下提出一種具有獨立權利要求的特徵的方法和系統。由從屬權利要求和說明書中得知該方法和系統的設計方案。
按照本發明的方法被設置用於控制具有三個相的電機的運行，其中，針對三個相的電參量的脈衝，實施脈寬調製。根據電機的機電部件相對彼此的位置，針對三個相中的第一相第一電參量具有的脈衝脈寬最長，針對三個相中的第二相第一電參量具有的脈衝脈寬中等，針對三個相中的第三相第一電參量具有的脈衝脈寬最短。此外，脈寬調製的周期由兩個時刻——即在周期開始時的時刻和在周期結束時的時刻——來限定。在所述方法中，所述三個相的第一脈衝被移向限定周期的兩個時刻中的第一時刻，所述三個相的第二脈衝被移向限定周期的兩個時刻中的第二時刻，而所述三個相的第三脈衝保持不變。第二電參量的至少一個值在周期期間在至少一個測量窗內被測量。
在該方法的範圍中，作為電參量，考慮電壓以及電流。如果在設計方案中將電壓限定為第一電參量，那麼，作為第一電參量的電壓，作為該電壓的脈衝，三個電壓脈衝中的兩個電壓脈衝被移動。在這種情況下，可將電流限定為第二電參量並且在測量窗內以及在電壓脈衝內或期間進行測量。也可以設想，將電流限定為第一電參量和將電壓限定為第二電參量。
為此在設計方案中設置不同的變型方案，即三個脈衝的哪兩個脈衝被移向、特別是移動到限定周期的兩個時刻中的一個時刻，和哪一個脈衝保持不被移動。可能的變型方案藉助於下面的表1示出:
表1
通常兩個時刻中的第一時刻是周期開始的時刻，兩個時刻中的第二時刻是周期結束的時刻。
在運行電機時電機的兩個機電部件相對運動，一般地是轉動，其中，依據電機的運行方式和/或設計方案的不同情況，電能被轉換成機械能或機械能被轉換成電能。兩個機電部件中的一個通常被設計成定子和另一個被設計成轉子和/或被稱為定子和轉子。此外，兩個機電部件中的一個包括永磁體和另一個包括線圈，它們在要實施的能量轉換中通過電磁場相互作用。如果兩個機電部件相對轉動，那麼它們相對彼此的位置取決於角位置或者說角度位置。在電機運行期間相的脈衝的脈寬的長度依賴於位置和/或角度位置例如以排列(permutativ)的方式變化。
通常第一電參量，也就是說或者電壓或者電流，的脈衝被移動。此外用於電機的一個中間電路的第二電參量，也就是說通常或者電流或者電壓，的至少一個值被測量。
限定至少一個測量窗的一個時刻被設置在限定周期的兩個時刻中的一個時刻上。因此測量窗在周期開始的時刻開始或在周期結束的時刻結束。一般地使用兩個測量窗，即一個在脈寬調製的周期結束時和一個在脈寬調製的周期開始時，其中，在開始時的測量窗中，被移向、特別是移動到開始時的時刻的脈衝的值被測量，和在結束時的測量窗中，被移向、特別是移動到結束時的時刻的脈衝的值被測量。中等脈衝的值由該兩個另外的脈衝的值計算出來。
本方法被實施用於設計成電動機和/或發電機的電機。本方法也適用於不僅要作為發動機而且要作為發電機運行的電機。
作為第二電參量，通過電機流動的電流被控制，該電流流過相中的至少一個相和/或中間電路，其中，作為第一電參量的電壓的相應的相的兩個由電壓脈衝形成的脈衝被移動，電流的至少一個值在至少一個測量窗內被測量。
如在表1中例如按照第一變型方案規定，最長脈衝被移向、特別是移動到周期開始的時刻，最短脈衝被移向、特別是移動到周期結束的時刻。備選地，按照第三變型方案，最長脈衝被移向、特別是移動到周期結束的時刻，最短脈衝被移向、特別是移動到周期開始的時刻。按照這兩個變型方案，最長和最短脈衝在脈寬調製的範圍中以布置在邊緣的形式被移向、特別是移動到相應的、限定周期的時刻和/或被適配或被調整到所述相應的時刻。相反，中等脈衝，它的位置在周期期間未改變或者說保持不變，是居中布置的。在其它的藉助於表1介紹的變型方案中相應地進行處理。
此外在考慮至少一個被測量的值的情況下下檢查並由此控制和/或調節電機的運行。
按照本發明的系統或相應的用於控制具有三個相的電機的運行的裝置包括微控制器和至少一個傳感器。在此，微控制器被設計用於，針對三個相的第一電參量——或者電壓或者電流——的脈衝，實施脈寬調製。相應地根據電機的機電部件相對彼此的位置，第一電參量對於三個相中的第一相具有的脈衝具有最長脈寬，第一電參量對於三個相中的第二相具有的脈衝具有中等脈寬，第一電參量對於三個相中的第三相具有的脈衝具有最短脈寬。此外，脈寬調製的周期通過兩個時刻，即在周期開始時的時刻和在周期結束的時刻，來限定。微控制器此外被設計用於，將三個相中的第一脈衝移向、特別是移動到限定周期的兩個時刻中的第一時刻，將三個相中的第二脈衝移向、特別是移動到限定周期的兩個時刻中的第二時刻。至少一個傳感器被設計用於，在周期期間在至少一個測量窗內測量第二電參量的至少一個值。
在一設計方案中，系統只有一個用於測量第二電參量的至少一個值的傳感器。一般地，該至少一個傳感器被設計成測量電阻。
微控制器此外被設計用於，異步地移動第一電參量的要移動的脈衝。
通過實施該方法，可以控制電機，通常是電動機或必要時是發電機。在此情況下通過適配第一電參量，例如電壓或電流，的相的脈衝，通過藉助於唯一的測量電阻或測量分流器的脈寬調製，可以重構第二電參量，例如電流或電壓，的相、並由此實現相電流重構或相電壓重構。
在此情況下，可以適配對作為用於電機的示例的電驅動裝置的檢查和由此控制和/或調節。此外可以在不限制對電機要實施的檢查的情況下節省一個測量分流器、並由此節省一個用於測量電流或電壓的部件並且提高電機的耐用性。
本發明的其它的優點和設計方案由說明書和附圖中得出。
不言而喻，上面所述的和以下還要解釋的特徵不僅可以在各個給出的組合中使用，而且可以在其它的組合中或者單獨地使用，而不脫離本發明的範圍。
附圖說明
本發明藉助於實施方式在附圖中示意地示出並且參照附圖示意地和詳細地進行描述。
圖1示出用於電機的電壓矢量的示意的空間矢量圖。
圖2示出按照現有技術的具有用於設置用於測量作為電參量的電流的測量窗的示例的簡圖。
圖3示出具有用於測量作為電參量的電流的測量窗的簡圖，如這些測量窗在按照本發明的方法的實施方式中設置的那樣。
圖4在示意的圖示中示出一個電系統的實施方式，藉此可以實施按照本發明的方法的實施方式，以及關於作為電參量的電壓的變化的簡圖。
具體實施方式
下面相互關聯地並且在整體上對附圖進行描述，相同的附圖標記表示相同的部件。
圖1中的用於說明電機的作為第一電參量的電壓的電壓矢量12的變化的空間矢量圖10在此處包括一個六邊形，該六邊形被劃分成第一區段1，它在此處覆蓋0°至60°的角度位置，第二區段2，它在此處覆蓋60°至120°的角度位置，第三區段3，它在此處覆蓋120°至180°的角度位置，第四區段4，它在此處覆蓋180°至240°的角度位置，第五區段5，它在此處覆蓋240°至300°的角度位置，和第六區段6，它在此處覆蓋300°至360°的角度位置。在此情況下，給出的角度位置涉及電角度。電壓矢量12從六邊形的中心點開始，如通過彎曲的箭頭14表示的那樣，該電壓矢量在電機運行期間轉動和在此規則地相繼通過六個區段1，2，3，4，5，6。位置、在此處是電壓矢量的角度位置，取決於電機的兩個機電部件的相對位置或角度位置。
為了藉助於唯一的測量電阻或者說分流器和由此僅僅一個用於電流測量的傳感器在此處作為電動機設計的三相電機的中間電路中測量電機的作為第二電參量的電流，和/或為了對其進行控制，或者一個相或者兩個相被並聯地接通。在此在測量電阻中或由測量電阻測量的、作為第二電參量的電流各對應於三個相中的一個相。電機的功率電子裝置包括多個電子開關元件，在此處三個高壓側(highside)開關元件和三個低壓側(lowside)開關元件。如果或者全部三個高壓側或全部三個低壓側開關元件被接通，那麼在中間電路中沒有電流流動。電子開關元件或者由mosfet或者說金屬氧化物半導體場效應電晶體或者由igbt或者說(絕緣柵)雙極型電晶體構成。因此功率電子裝置例如包括三個高壓側和三個低壓側mosfet或三個高壓側和三個低壓側igbt。
在表2中，與針對不同的接通可能性的三個流過相的電流i1(用於第一相)，i2(用於第二相)，i3(用於第三相)相對應地——它們在表2的左列中通過接通矢量(a，b，c)給出，在右列中示出流過中間電路的電流iz的值。在此情況下，為第一相分配單位矢量a，為第二相分配單位矢量b和為第三相分配單位矢量c。如果對於在左列中的單位矢量a，b，c的一個值給出值1，那麼相應的相所對應的高壓側開關元件被接通。如果對於在左列中的一個單位矢量a，b，c給出值0，那麼相應相所對應的低壓側開關元件被接通。因此表2示出一個用於電子開關元件的接通可能性和通過中間電路流動的電流iz的由此產生的值的示例，電流iz在此處依據電子開關元件的位置的情況對應於三個相電流i1，i2，i3之一的正的或負的值。如果電動機由直流電機構成，那麼通過中間電路的電流iz同樣是直流電idc。
表2
在接通電子開關元件的情況下，通常由於各自的電子開關元件的自電容和自感，流過中間電路的電流、進而中間電路電流發生振蕩。備選地或補充地，在中間電路中的其它的效應，例如反向恢復效應，也可能導致振蕩。但是為了能夠正確地測量中間電路電流的值，為此設置的控制元件(控制器)必須等待，直到中間電路電流的振蕩被衰減掉。只有在此時才能夠精確地測量電流。在此始終只存在一個最小的測量窗，用於能夠正確地，也就是說精確地和無振蕩地測量電流。
電流的不可測量的區域在圖1中劃影線地標出。施加在電機上的電壓藉助於轉動的電壓矢量12示出，它的長度取決於施加的電壓，它的轉速取決於電機的機電部件相互相對旋轉所用的轉速。在低轉速下，施加的電壓小，在這種情況下電壓矢量12絕大部分位於劃影線地標出的區域中，在該區域中不可能進行電流的測量。要求的電壓越小，電壓矢量12就越小，其中，如果電壓矢量12低於一個最小長度，則不能夠進行電流的測量。在這種情況下電壓矢量整個時間都位於劃影線地標出的區域中。
圖2中的簡圖包括三個橫坐標16a，16b，16c，沿著它們分別標出時間。沿著第一縱坐標18a標出作為第一電參量的電壓的值，也就是說第一相的電壓u1，沿著第二縱坐標18b標出第二相的電壓u2值，沿著第三縱坐標18c標出第三相的電壓u3值。此外示出第一相的第一原始電壓脈衝20a，第二相的第二原始電壓脈衝20b和第三相的第三原始電壓脈衝20c。在此情況下，第一原始電壓脈衝20a具有最短脈寬，第二原始電壓脈衝20b具有中等脈寬，第三原始電壓脈衝20c具有最長脈寬。此外，在簡圖中示出在現有技術中要使用的、用於測量第二相的作為第二電參量的電流的舊的測量窗22和用於測量第三相的作為第二電參量的電流的舊的測量窗24。此外在簡圖中通過雙箭頭26示出用於電機的脈寬調製的周期，它在周期開始的時刻25開始，並在周期26結束的時刻27結束。
由於舊的測量窗22，24相對於電壓脈衝20a，20b，20c的時間位置，通過唯一的測量電阻來測量電流僅僅在有限的程度上是可能的，這是因為電機例如在低的轉速下不能夠可靠地進行調節。在高的轉速下，電流的測量在一些區域中也是不可能的。因此各自的相的電流的測量和由此需要的電流的重構是不精確的，這又對電機的可調節性具有影響。一般地，在磁場定向的調節的情況下在脈寬調製的周期內需要兩次測量。
圖3中的用於說明按照本發明的方法的實施方式的簡圖基於圖2中的簡圖。為此在這個簡圖中除了原始電壓脈衝20a，20b，20c和舊的測量窗22，24以外還示出在該方法的範圍中在第一箭頭30a的方向上被向右移動的第一電壓脈衝28a，它在此處由具有最短脈寬的第一原始電壓脈衝20a產生，在該方法的範圍中在第二箭頭30c的方向上被向左移動的第三電壓脈衝28c，它在此處由具有最長脈寬的第三原始電壓脈衝20c產生，用於測量第一相的電流i1的新的測量窗32，它的時間長度通過雙箭頭34表示，用於測量第三相的電流i3的第一新的測量窗40，它的時間長度通過雙箭頭42表示，和用於測量第三相的電流i3的第二新的測量窗44，它的時間長度通過雙箭頭46表示。
為了總是實現電流的有用的測量，依賴於圖1中的電壓矢量12的角度位置，原始電壓脈衝20a，20b，20c中的至少兩個在脈寬調製的周期內(雙箭頭26)被移動，其中，在此處出現用於第一和第三相的第一和第三被移動的電壓脈衝28a，28c，相反，第二相的、具有中等脈寬的原始第二電壓脈衝20b保持不變。
在此規定，第一被移動的電壓脈衝28a在周期結束的時刻27開始和第三被移動的電壓脈衝28c在周期開始的時刻25開始。兩個被移動的電壓脈衝28a，28c由此是設置在邊緣的。中等的原始電壓脈衝20b在時間上保持不變並且由此是設置為居中的。第一新的測量窗32在周期開始的時刻25開始。第三新的測量窗44在周期結束的時刻27結束。通常測量窗32，40，44相對於被移動的電壓脈衝28a，28e在時間上與這些電壓脈衝相交地布置。
在每個區段1，2，3，4，5，6中，三個相中的第一相的電壓脈衝20a或28a，20b，20c或28c，在圖3的簡圖中目前是第一相的電壓脈衝20a或28a，具有最短脈寬，三個相中的第二相的電壓脈衝20a或28a，20b，20c或28c，在圖3的簡圖中目前是第二相的電壓脈衝20b，具有中等脈寬；三個相中的第三相的電壓脈衝20a或28a，20b，20c或28c，在圖3的簡圖中目前是第三相的電壓脈衝20c或28c，具有最長脈寬。
以下的表3顯示出三個相的電壓脈衝20a或28a，20b，20c或28c的脈寬的長度在各自的區段1，2，3，4，5，6(圖1)中的分配:
表3
在實施本方法的實施方式時，具有最長脈寬的原始最長的電壓脈衝20a，20b，20c，在此處是第三原始電壓脈衝20c，被向左移到脈寬調製的周期開始的時刻25(布置在左邊緣)。具有中等脈寬的原始中等的電壓脈衝20a，20b，20c，在此處是第二原始電壓脈衝20b保持未被移動(居中布置)。具有最短脈寬的原始最短的電壓脈衝20a，20b，20c，在此處是第一電壓脈衝20a，被向右移到脈寬調製的周期結束的時刻27(布置在右邊緣)。
根據各自的脈寬來移動原始電壓脈衝20a，20b，20c的變型方案在下面的表4給出:
表4
在本方法的介紹的實施方式中，為三個相中的兩個相設置新的測量窗32，40，44。通過移動三個原始電壓脈衝20a，20b，20c中的兩個，由此在此處產生兩個被移動的電壓脈衝28a，28c，為傳感器提供用於測量電流的值的較大的測量窗32，40，42，在此處是用於第一相的電流i1的新的測量窗32以及用於第三相的電流i3的兩個新的測量窗40，44。通常在脈寬調製的每個周期中對電流的兩次採樣和由此測量足以可靠地測量電流。在此處未被測量的第二相的電流i2的值由兩個另外的相的電流i1，i3的值通過等式i1+i2+i3＝0計算，該等式表明，在同一時刻全部三個電流的總和為零。
在此情況下在每個相上的作為第一電參量的電壓保持相等。此外，為了實現作為第二電參量的電流的測量，沒有針對電壓的任何電壓脈衝20a，20b，20c，28a，28b延長或改變脈寬。本方法可以簡單地實施並且不需要使電機的電子裝置承受任何附加的負荷以及不需要在控制中任何不對稱性。為了測量作為第二電參量的相應電流，在正弦整流和/或磁場定向的調節的情況下沒有功率限制地使用唯一的用於測量的測量電阻。
圖4a示出電機49的一個示例，該電機在此處構造成電動機並且具有機電部件50、功率電子裝置52和控制單元54。在此情況下，功率電子裝置52在此處包括三個高壓側(highside)開關元件56a，56b，56b和三個低壓側(lowside)開關元件57a，57b，57c、由此總共六個電子開關元件，它們例如由mosfet金屬氧化物半導體場效應電晶體或igbt構成。控制單元54包括微控制器58和驅動器60，其中，通過控制單元54也可以與本方法的在此處介紹的實施方式相獨立地針對電機49的三個相62a，62b，62c的作為至少一個電參量的電流和/或電壓實施作為功率脈寬調製設計的脈寬調製。
為此參見兩個圖4b和4c中的簡圖，它們各包括一個橫坐標64，沿著該橫坐標標出時間。圖4b中的簡圖包括用於電機49的第一相62a的要脈寬調製的第一電參量——在此處是電壓——的第一控制信號的變化曲線66a，用於第二相62b的要脈寬調製的電壓的第二控制信號的變化曲線66b和用於第三相62c的要脈寬調製的電壓的第三控制信號的變化曲線66c。由此得到在圖4c中的簡圖中示出的、用於相62a，62b，62c的電壓的變化曲線68a，68b，68c。在此情況下，在此處第一相62a的電壓的變化曲線68a對應於為第一相預先規定的控制信號的變化曲線66a，第二相62b的電壓的變化曲線68b對應於為第二相預先規定的控制信號的變化曲線66b和68c，第三相62c的電壓的變化曲線對應於為第三相預先規定的控制信號的變化曲線66c。
按照本發明的系統70或相應的裝置的在此處介紹的實施方式僅僅包括一個由測量電阻構成的傳感器72以及一個放大器80，傳感器用於測量在此處在電機49的中間電路76中電機49的至少一個相62a，62b，62c的在此處由電流74iz構成的第二電參量的值，其中，要測量的電流iz也可以稱為中間電路電流。
此外，在此處至少微控制器58也構造成系統70的部件。驅動器60和由此控制單元54在此處同樣構造成系統70的部件，其中，在設計方案中驅動器60由微控制器58控制。
微控制器58，它已經在電機49的與本方法相獨立的運行中被設計用於提供藉助於變化曲線66a，66b，66c示出的、用於實施脈寬調製的控制信號，在實施本方法的實施方式時補充地被設計用於，在時間上移動變化曲線66a，66b，66c和由此控制信號的脈衝，其中，變化曲線66a，66b，66c和由此脈衝的形狀被保持。控制信號由微控制器58傳輸到在此處由功率放大器構成的驅動器60並且從此處出發被用於控制功率電子裝置52的mosfet56a，56b，56c，57a，57b，57c。在此情況下，用於三個控制信號中的兩個控制信號的脈衝和由此電機50的相62a，62b，62c的至少一個電參量的三個脈衝，也就是說電壓的原始電壓脈衝20a，20b，20c，中的兩個脈衝，被微控制器58異步地移動。這種異步的移動分別針對具有最長脈寬和最短脈寬的控制信號實施，由此，如已經藉助於圖3的簡圖示例性地解釋的那樣，具有最短脈寬的原始電壓脈衝20a以及就具有最長脈寬的原始電壓脈衝20c被移動，由此產生為了實施測量被移動的電壓脈衝28a，28b。