專利名稱：電動設(shè)備及用以測量該設(shè)備的電動勢的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括交流電動馬達和控制逆變器的電動設(shè)備，以及用以測量該設(shè)備的電動勢的相應(yīng)方法，并適用于交流電動馬達領(lǐng)域。本發(fā)明特別適用于電動機動車尤其是牽引逆變器以及它們相應(yīng)的電動馬達領(lǐng)域， 或者更適用于空調(diào)壓縮機逆變器以及它們相應(yīng)的電動馬達領(lǐng)域。然而，盡管特別為這樣的應(yīng)用而準(zhǔn)備，該設(shè)備以及相應(yīng)的方法也可以使用在其它領(lǐng)域，例如，助力轉(zhuǎn)向或風(fēng)機電動馬達。
背景技術(shù)：
通常地，電動車輛被配備以高壓電池傳遞直流電到逆變器，其將該直流電轉(zhuǎn)換為交流電用以驅(qū)動電動馬達，后者驅(qū)動該車輛的移動。為了控制馬達尤其控制逆變器的開關(guān)，必須要知道馬達的角位置以在正確的時刻驅(qū)動馬達的每一相位來獲得最優(yōu)的驅(qū)動扭矩。這通常通過位置傳感器來實現(xiàn)，例如霍耳效應(yīng)編碼器/傳感器，位于電動馬達的旋轉(zhuǎn)軸，正如在例如文獻US6307336中描述的。然而，看來這些位置探測器在系統(tǒng)中是薄弱點且如果傳感器故障會引起車輛停止。此外，這些傳感器價格昂貴。在文獻EP1564882中，輔助繞組被提議來直接測量馬達每一相的電動勢。然而，這個解決方案給電動馬達帶來復(fù)雜的改變。此外，至于位置傳感器，例如，不知道測量信號的缺失是源于輔助配置的故障還是源于馬達自身。文獻US7489097描述了一種包括交流馬達和用以直接測量該馬達各相的電動勢的控制逆變器的電動系統(tǒng)。為此，逆變器必須以一個特殊的方式控制馬達，從而使得被測量 EMF的相在測量期間不被驅(qū)動。碰巧各相的梯形控制使得具有兩個驅(qū)動的相和一個未驅(qū)動的相成為可能。在此情況下，在測量EMF且探測其零交點的足夠長的期間內(nèi)，電流是零。然而，此方式不適于例如正弦馬達控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供了一種使直接獲得馬達各相的電動勢且無需任何位置傳感器成為可能的設(shè)備和方法。為此，本發(fā)明的主題是一種包括交流電動馬達和用以控制該馬達各相的控制逆變器的電動設(shè)備，其特征在于該馬達包括，在至少一相的至少一個繞組上，用以測量相對于預(yù)定電勢的電壓的點，該測量點選擇使得其分割繞組成為第一和第二部分，從而在兩個部分中感應(yīng)的電動勢彼此相關(guān)地相移，以及用以測量該測量點和該預(yù)定電勢之間電壓的部件。通過直接在各相的繞組級別(level)上選擇測量點，使得其分割繞組成為第一和第二部分，從而在兩部分中感應(yīng)的電動勢彼此相關(guān)地相移，馬達控制的形狀變得無關(guān)緊要。根據(jù)一個方面，用以測量該測量點和該預(yù)定電勢之間電壓的部件配置使得當(dāng)逆變器已經(jīng)轉(zhuǎn)換關(guān)注的相為續(xù)流模式時測量該電壓。根據(jù)另一個方面，馬達的繞組是具有中點的繞組，且該測量點是繞組的中點。此外，對繞組兩部分中的每一感應(yīng)電動勢可以規(guī)定實質(zhì)上等幅。然后，逆變器可以被設(shè)定為同時轉(zhuǎn)換所有的相成為續(xù)流模式，以允許馬達每一相的電壓的同時測量。根據(jù)一個方面，該逆變器是標(biāo)準(zhǔn)三相逆變器。根據(jù)一個發(fā)展，該逆變器是H型三相橋式逆變器。該交流電動馬達是，例如，多相電動馬達，其機械步進與機械角度的一部分相應(yīng)。該交流電動馬達可以是交流三相電動馬達。該設(shè)備可以包括馬達控制單元，其連接到所述測量部件且被設(shè)定為用以通過每一相的測量結(jié)果推斷馬達每一相的電動勢，并且根據(jù)測量的電動勢來控制該逆變器。該控制單元是，例如，被設(shè)定為通過每一相的電動勢的零交點來推斷馬達的角位置。本發(fā)明的另一主題目標(biāo)在于一種用于測量電動設(shè)備的電動勢的方法，該電動設(shè)備包括交流電動馬達和用以控制該馬達的各相的控制逆變器，其特征在于-在至少一相的繞組的測量點和預(yù)定電勢之間的電壓被測量，該測量點選擇使得其分割繞組成為第一和第二部分，從而在兩部分中感應(yīng)的電動勢彼此相關(guān)地相移。根據(jù)一個方面，當(dāng)逆變器已經(jīng)將關(guān)注的相轉(zhuǎn)換為續(xù)流模式時，在至少一相的繞組的測量點和預(yù)定電勢之間的電壓被測量。根據(jù)另一個方面，該馬達的繞組是具有中點的繞組，且該測量點是繞組的中點?？赡?，例如，對繞組兩部分中的每一感應(yīng)電動勢規(guī)定實質(zhì)上等幅?？赡芡瑫r轉(zhuǎn)換所有的相，例如通過脈寬調(diào)制，成為續(xù)流模式，以允許馬達的每一相電壓的同時測量。該逆變器是，例如，標(biāo)準(zhǔn)三相逆變器或H型三相橋式逆變器。該交流電動馬達是，例如，多相電動馬達，其機械步進與機械角度的一部分相應(yīng)。該交流電動馬達可以是交流三相電動馬達。根據(jù)一個方面，馬達每一相的電動勢通過每一相的電壓測量被推斷，且根據(jù)測量的電動勢來控制該逆變器。根據(jù)另一個方面，馬達的角位置通過每一相的電動勢的零交點被推斷。診斷可以通過馬達每一相電動勢的測量來推斷，且在其中一相故障的情況下產(chǎn)生
報警信號。


本發(fā)明通過參照附圖閱讀詳細的典型實施例將被更好的理解，實施例通過無限制的范例給出，其中圖1示意性地描述該設(shè)備的第一典型實施例，圖2示意性地描述圖1中設(shè)備的細節(jié)，
圖3展示根據(jù)圖1中設(shè)備的PWM控制圖形，圖4是三相馬達的電動勢測量的矢量圖表示，圖5示意性地描述該設(shè)備第二典型實施例，圖6示意性地描述圖5中的電路，在其中逆變器被轉(zhuǎn)換以允許中點電壓被測量，圖7是小功率步進交流電動馬達的簡圖，圖8展示圖7中馬達繞組的第一范例，圖9展示圖7中馬達繞組的第二范例，圖10在圖形上展示電動勢的測量作為配備根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的機動車輛的速度的函數(shù)的代表性范例，圖11在圖形上展示用以零交點檢測的三相馬達各相電動勢的時間趨勢，以及圖12展示作為速度的函數(shù)測量的EMF的兩個零交點之間的延遲。
具體實施例方式在所有的圖中，同一元件采用相同的附圖標(biāo)記。圖1展示根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備1，一方面，其包括交流電動馬達3以及，另一方面，其包括控制逆變器5用以控制馬達3的PA，PB以及PC相。該表述“電動馬達”應(yīng)該被理解為意味著一種電動機器，當(dāng)被電流驅(qū)動時其轉(zhuǎn)換電能成為機械運動，且其也可以轉(zhuǎn)換機械運動成為電能(電流發(fā)生器)。在本范例中，電動馬達3是沒有零壓點的三相馬達，其三相PA，PB以及PC均由具有中點Ma，Mb以及Mc的繞組產(chǎn)生。因此可以理解，在圖1中馬達只由它的擔(dān)任電感的繞組部分地代表。在此范例中，用以控制馬達各相的控制逆變器5是H型電橋三相逆變器。在此實施例中，逆變器包括三個H型電橋，Ha, Hb以及He。每一H 型電橋包括四個開關(guān)，Si，j(i = 1,2 ;j = A，A，，B，B，，C，C，)，系數(shù) i = 1 代表電橋的基(bottom)部，也被稱為電橋的底部，且系數(shù)i = 2為電橋的頂部。系數(shù)j，具有或者不具有符號“，，，，代表開關(guān)所屬的相。該開關(guān)Si，j(i = 1,2 ；j =A，A，，B，B，，C，C，)是電源開關(guān)，例如IGBT (隔離柵雙極晶體管)型，其相當(dāng)于混合晶體管，結(jié)合了在輸入端的金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET) 和在輸出端的雙極晶體管。術(shù)語“H型電橋結(jié)構(gòu)”或者“H型電橋”相當(dāng)于已知的電動或者電子線路本身。例如，對于H型電橋，Ha，它包括通常示意性地如圖1所示以H形式安排的四個開關(guān)元件S1A，S2A，S1A’以及S2A’，在一邊通過開關(guān)元件S1A，S2A，在另一邊通過開關(guān)元件 SlA', S2A’各自形成兩個垂直分支，并且設(shè)置在H水平分支的任一邊，其相當(dāng)于電橋的負載，這就是說，相當(dāng)于電動馬達1的PA相的繞組。每一開關(guān)Si，j被連接到控制單元9，其提供PWM(脈寬調(diào)制)控制從而使得實現(xiàn)不同功能成為可能，例如，在一個或者另一個方向上馬達的旋轉(zhuǎn)以推進機動車輛。電路連接到DC電壓源E。在應(yīng)用此電路到機動車輛的背景中，這是，例如，諸如電源電池的蓄電裝置。馬達3包括，在至少一相的至少一個繞組上，用以測量相對于預(yù)定電勢的電壓的點，該測量點選擇使得其分割繞組成為第一和第二部分，從而在兩部分中感應(yīng)的電動勢相對于彼此被相移。在本范例中，這些測量點被有利地規(guī)定與PA，PB以及PC相繞組的中點Ma，Mb以及 Mc相同。當(dāng)逆變器已經(jīng)，例如，轉(zhuǎn)變關(guān)于PA，PB, PC的相成為續(xù)流模式(freewheeling mode)時，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備還包括部件11A，11B和IlC用以測量該測量點Ma，Mb以及Mc 與預(yù)定電勢(例如電路的接地M)之間的電壓。PA,PB以及PC相成為續(xù)流模式的轉(zhuǎn)變是可選擇的，但是提供了消除偏移(offset) 的優(yōu)勢。更多細節(jié)，參考圖2，其詳細描述了作為范例的電橋Ha，它的轉(zhuǎn)換元件示意性地由開關(guān)表示?？梢钥闯?，電橋底部的開關(guān)，這就是說開關(guān)SlA和S1A’閉合，這就是說相A已經(jīng)通過逆變器5被轉(zhuǎn)換成為續(xù)流模式。繞組的第一部分由它的阻抗Zal標(biāo)出，第二部分由它的阻抗Za2標(biāo)出。在此情況下，可以假定如下的方程
權(quán)利要求
1.包括交流電動馬達C3)和用以控制該馬達(3)的相的控制逆變器(5)的電動設(shè)備 (1)，其特征在于該馬達(3)包括，在至少一相(PA，PB, PC)的至少一個繞組上，用于測量相對于預(yù)定電勢(M)的電壓的點(Ma，Mb，Mc)，該測量點(Ma，Mb，Mc)被選擇使得其分割繞組成為第一(Zal ；Zbl ；Zcl)和第二(Za2 ；Zb2 ；Zc2)部分，從而在兩個部分中感應(yīng)的電動勢(eal，ea2)彼此相關(guān)地相移，以及包括用于測量在該測量點和該預(yù)定電勢之間電壓的部件 (11A ；IlB ； 11C)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于用于測量在該測量點和該預(yù)定電勢之間電壓的部件(11A;11B;11C)設(shè)定為當(dāng)該逆變器(5)已經(jīng)將關(guān)注的各相轉(zhuǎn)換為續(xù)流模式時測量該電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于該馬達(3)的繞組是具有中點(Ma， Mb, Mc)的繞組且在其中該測量點是該繞組的該中點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一項所述的設(shè)備，其特征在于在繞組的兩個部分的每個部分中感應(yīng)的該電動勢本質(zhì)上具有相等的幅度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的任一項所述的設(shè)備，其特征在于該逆變器( 設(shè)定為同時轉(zhuǎn)換所有相成為續(xù)流模式以允許馬達(3)的每一相的電壓的同時測量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的任一項所述的設(shè)備，其特征在于該逆變器( 是標(biāo)準(zhǔn)三相逆變器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5的任一項所述的設(shè)備，其特征在于該逆變器是H型三相橋式逆變器(5)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7的任一項所述的設(shè)備，其特征在于交流電動馬達(3)是多相電動馬達，其機械步進與機械角度的一部分相應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8的任一項所述的設(shè)備，其特征在于交流電動馬達C3)是交流三相電動馬達。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9的任一項所述的設(shè)備，其特征在于它包括馬達控制單元(9)，其連接到所述測量部件(11A ；IlB ； 11C)且設(shè)定為通過每一相的測量結(jié)果，推斷馬達每一相的電動勢，以根據(jù)測量的電動勢來控制該逆變器(5)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于該控制單元(9)設(shè)定為通過每一相的電動勢的零交點推斷馬達(3)的角位置。
12.用于測量包括交流電動馬達(3)和用以控制該馬達的相的控制逆變器(5)的電力設(shè)備(1)的電動勢的方法，其特征在于-在至少一相(PA，PB, PC)的繞組的測量點(Ma，Mb, Mc)和預(yù)定電勢(M)之間的電壓被測量，該測量點選擇使得其分割該繞組成為第一(Zal ；Zbl ；Zcl)和第二(Za2 ；Zb2 ；Zc2) 部分，從而在兩個部分中感應(yīng)的電動勢被此相關(guān)地相移。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于當(dāng)該逆變器已經(jīng)將關(guān)注的相轉(zhuǎn)換到續(xù)流模式時，在至少一相(PA，PB，PC)的繞組的測量點(Ma，Mb，Mc)和預(yù)定電勢(M)之間的電壓被測量。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于馬達C3)的繞組是具有中點(Ma， Mb, Mc)的繞組且在其中該測量點是該繞組的該中點。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14的任一項所述的方法，其特征在于在繞組的兩個部分的每個部分中感應(yīng)的電動勢本質(zhì)上具有相等的幅度。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15的任一項所述的方法，其特征在于所有的相被同時轉(zhuǎn)換，例如通過脈寬調(diào)制，成為續(xù)流模式以允許該馬達C3)每一相的電壓的同時測量。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-15的任一項所述的方法，其特征在于該逆變器( 是標(biāo)準(zhǔn)三相逆變器。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-15的任一項所述的方法，其特征在于該逆變器(5)是H型三相橋式逆變器。
19.根據(jù)權(quán)利要求12-18的任一項所述的方法，其特征在于交流電動馬達(3)是多相電動馬達，其機械步進與機械角度的一部分相應(yīng)。
20.根據(jù)權(quán)利要求12-19的任一項所述的方法，其特征在于交流電動馬達(3)是三相電動馬達。
21.根據(jù)權(quán)利要求12-20的任一項所述的方法，其特征在于通過每一相(PA，PB,PC) 的電壓測量，推斷該馬達每一相的電動勢，且根據(jù)測量的電動勢控制該逆變器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于該馬達的角位置通過每一相(PA，PB, PC)的電動勢的零交點來推斷。
23.根據(jù)權(quán)利要求12-22的任一項所述的方法，其特征在于診斷是通過該馬達的每一相的電動勢的測量來推斷，且在其中一相故障的情況下，產(chǎn)生報警信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括交流電動馬達(3)和用以控制該馬達的相的控制逆變器的電動裝置(1)。該馬達(3)包括，在至少一相(PA，PB，PC)的至少一個繞組上，用以測量相對于預(yù)定電勢(M)的電壓的點(Ma，Mb，Mc)，該測量點(Ma，Mb，Mc)被選擇使得其分隔該繞組成為第一(Za1；Zb1；Zc1)和第二(Za2Zb2；Zc2)部分，從而在兩個部分中感應(yīng)的電動勢(ea1，ea2)彼此相關(guān)地相移，以及包括用以測量該測量點和該預(yù)定電勢之間電壓的部件(11A；11B；11C)。本發(fā)明也涉及測量電動勢的相關(guān)方法。
文檔編號H02P27/06GK102437756SQ20111025368
公開日2012年5月2日 申請日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者B·鮑切茲, L·德索薩 申請人:法雷奧電機控制系統(tǒng)公司