CN105284044B - 用于运行电子换向的伺服马达的方法和装置及定位器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行电子换向的伺服马达(2)的方法，其中，按照优化目标根据所述伺服马达(2)的转子的转子位置(L)和预给定的转矩通过根据换向模式生成的电压空间矢量来控制所述伺服马达(2)，其中，预给定一个控制范围，所述控制范围给出允许的电压空间矢量的范围，其中，以如下方式实施所述伺服马达(2)的控制，使得仅使用所述控制范围之内的电压空间矢量。

Description

用于运行电子换向的伺服马达的方法和装置及定位器系统

技术领域

本发明涉及电子换向的电机，其尤其用于定位器应用，例如用于节流活门定位器。本发明还涉及用于在这样控制的电机中限制电流的措施。

背景技术

在定位器应用中，也可使用电子换向的直流电动机、所谓的无刷直流电动机作为电刷换向的直流电动机的替代。电子换向的直流电动机通常在可比较的特别功率数据情况下具有较好的效率以及较小的结构大小。然而，与电刷换向的直流电动机相比，电子换向的直流电动机必须被电子地控制或者说换向，其中，为了选择控制电压，需要相对准确地了解转子位置，并且需要相对准确地了解马达电流用于基于转矩的调节。转子位置感测和/ 或电流测量中的不准确性导致效率和提供的驱动转矩的显著降低。

对于节流活门定位器设置，通过电子换向的驱动马达取代伺服马达，并且，取代在马达轴上直接感测转子位置而基于在节流活门上已存在的节流活门角度发送器间接地感测转子位置，所述节流活门通过减速的传动装置与马达轴连接。所述布置允许具有大于10°的机械转子位置的典型不确定性的、仅不准确的转子位置感测。

此外，由于成本原因，也应该放弃设置一用于感测马达电流的电流传感器装置。在这类大角度不确定性以及其他的参数波动的情况下，通过根据所感测的转子位置施加的换向模式来控制导致违反电流限制，所述违反可导致马达被功率电子器件紧急关断。

发明内容

因此，本发明的任务是，为电子换向的定位器马达提供稳健的控制以供使用，在该控制的情况下，尽管在确定转子位置时出现不准确性和/或其他的参数不准确性，但排除了超过电流限制，并且该控制由此能够实现可靠的运行。

所述任务通过根据权利要求1的、用于运行电子换向的定位器马达的方法以及通过根据并列权利要求的装置、定位器系统和计算机程序解决。

在从属权利要求中给出本发明的其他有利构型。

根据第一方面，设置用于运行电子换向的伺服马达的方法，其中，按照优化目标根据伺服马达的转子的转子位置和预给定的转矩通过按照换向模式生成的电压空间矢量来控制所述伺服马达，其中，预给定一控制范围，所述控制范围给出允许的电压空间矢量的范围，其中，以如下方式实施所述伺服马达的控制，使得仅使用所述控制范围之内的电压空间矢量。

此外，可基于预给定的特性曲线族来实施所述伺服马达的控制，所述特性曲线族按照优化目标根据伺服马达的转子的转子位置和预给定的转矩来预给定电压空间矢量。

根据一种实施方式，所述特性曲线族还可预给定不满足所述优化目标的电压空间矢量，尤其是所述控制范围的边缘上的电压空间矢量。

所述电子换向的伺服马达具有相位接头，可在所述相位接头上分别调节相位电压。伺服马达的借助相位电压的控制被称为换向并给出如何在每个时间点将相位电压施加到伺服马达上，以调节产生当前要求的转矩的马达电流。所述换向的输入变量是额定转矩和马达轴的转子位置角度。

在没有设置电流感测的、电子换向的伺服马达情况下，在马达电流方面不调节地运行所述伺服马达。在这种情况下，除额定转矩和马达轴的转子位置角度之外，也需要转速作为用于所述换向的输入变量。理想的伺服马达会在确定的所施加的控制电压情况下提供期望的转矩并且会产生相应的马达电流。

然而，所述伺服马达的马达参数可能由于批量生产(Serienstreuung) 和温度影响决定而有偏差和/或转子位置感测可能由于间接感测而包含错误的。这导致错误换向，在错误换向的情况下，马达电流和由此产生的转矩与额定值有偏差。如果所述偏差导致不允许的高马达电流，则功率电子装置就必须中断伺服马达的运行，以避免伺服马达或者电子装置的过热或者毁坏。尤其在安全临界的使用范围内，例如在内燃机中的节流活门定位器中，必须在任何情形下都避免这种情况。因此，必须这样实施所述伺服马达的控制，使得即使在不准确的转子位置感测以及在马达参数方面有波动或者不确定性的情况下，马达电流的数值不超过马达电流阈值。

在大部分的运行点上，可关于所述优化目标运行所述伺服马达。按照上述运行方法，设置，在边界范围中运行时有利于稳健性地偏离优化目标。

上述方法设置，首先将额定转矩配属给转子固定的dq坐标系中的一个电压矢量，例如借助于以合适的方法参数化的特性曲线族。根据所述额定转矩、转速和预给定的优化目标由相应的特性曲线族得出待调节的电压矢量，所述特性曲线族可以离线方式算出并提供用于实施所述方法。如果由所述特性曲线族已求取转子固定的dq坐标系中的待调节的电压矢量，那么可实施坐标变换，以根据转子位置确定用于控制多相的、电子换向的伺服马达的相位电压。

因为通过多个待调节的相位电压仅应当调节一个目标变量、即额定转矩，所以存在多种控制可能性，以实现预给定的额定转矩。在此，在三个相位电压的情况下，有效地存在开启优化潜能的自由度以供使用。针对每个转速和每个待实现的额定转矩，可分开地和不同地利用所述自由度。按照上述方法利用所述自由度，以便在标称情况下按照优化目标实现控制。为此，必须针对每个转速和每个额定转矩分开地确定所述控制、即换向模式，通过所述控制可最佳地实现优化目标。

此外，作为所述优化的附加条件可确定，针对所述优化仅考虑这类解决方案，所述解决方案在不准确的转子位置感测的情况下和在参数偏差或者说参数不准确性的情况下即使在最不利的情况下也不会导致高于最大允许的马达电流。为了建立特性曲线族，必须在确定转子位置时将最大可能的要容忍的误差具体化。替代地或附加地，要定量所述参数与它们的标称值的可能偏差。由此，在所述优化中根据额定转矩和转速针对每个可能的控制求取一个不利的组合，所述组合对于是否允许所述可能的控制起决定作用。由所有允许的控制则可选择鉴于优化目标的最佳可能性。

可以离线方式实施特性曲线族的建立，并且，在伺服马达的控制中提供这样获得的特性曲线族。

用于运行伺服马达的方法具有如下优点，即使在与标称变量值的变量偏差的情况下和/或在转子位置的不准确的感测或提供的情况下阻止高于允许的马达电流。

尤其，所述特性曲线族还可沿着所述控制范围的边缘从通过其满足优化目标的电压空间矢量直到通过其提供最大能实现的转矩的电压空间矢量限定电压空间矢量。

可设置，所述特性曲线族的电压空间矢量限于由控制范围允许的电压空间矢量。

根据一种实施方式，对于一转子位置在所述控制范围之内不存在满足所述优化目标的电压空间矢量，可以针对一预给定的转矩和该转子位置，在相对于满足所述优化目标的电压空间矢量具有最小间距的控制范围之内选择一电压空间矢量，通过该电压空间矢量提供所述预给定的转矩。

此外，还可根据伺服马达的当前转速通过按照换向模式生成的电压空间矢量来控制伺服马达。

所述控制范围可以给出允许的电压空间矢量的一个范围，在所述允许的电压空间矢量的情况下，马达电流的数值不高于预给定的马达电流阈值和/或马达电压的数值不高于预给定的马达电压阈值。

此外，可以如下方式限定允许的电压空间矢量的控制范围，使得即使在所给出的转子位置(L)相对于实际的转子位置偏差一个预给定的不准确性的情况下和/或在所述伺服马达(2)的一个或多个马达参数相对于相应的额定值偏差一个预给定的不确定性的情况下，也不高于所述预给定的马达电流阈值和/或所述预给定的马达电压阈值。

可设置，以如下方式确定用于所述特性曲线族的优化目标，使得为预给定的额定转矩配属一个电压空间矢量，在该电压空间矢量的情况下达到所述伺服马达的最大效率。

根据另一方面，提出用于运行电子换向的伺服马达的装置，其中，所述装置构造为：

-按照优化目标根据预给定的转矩和所述伺服马达的转子的转子位置 (L)通过按照换向模式生成的电压空间矢量来控制该伺服马达；

-预给定一个控制范围，所述控制范围给出允许的电压空间矢量；

-以如下方式实施所述伺服马达的控制，使得仅使用所述控制范围之内的电压空间矢量。

根据另一方面，设置定位器系统，其包括：

-用于驱动调节单元的、电子换向的伺服马达和

-上述装置。

根据另一方面，提出计算机程序产品，所述计算机程序产品包含程序代码，当在运算单元上实施所述程序代码时，所述程序代码实施上述方法。

附图说明

在下面参考附图详细解释本发明的优选实施方式。附图示出：

图1具有电子换向的伺服马达的定位器系统；

图2用于在伺服马达的转速预给定的情况下在转子固定的dq坐标系中示出稳健可靠的控制范围和示例性的换向策略的曲线图；

图3用于求取用于运行电子换向的伺服马达的相位电压的方法的功能图示。

具体实施方式

图1示出具有伺服马达2的定位器系统1，所述伺服马达构造为电子换向的电马达。伺服马达2通过马达轴3通过机械装置或传动装置5驱动调节单元4。例如，定位器系统1可以相应于节流活门定位器，其中，通过伺服马达2的相应控制来调节作为内燃机空气供入系统中的调节单元的节流活门的位置。

伺服马达2通过多个相位接头6被电控制。在该情况下，伺服马达2 构造为三相的电马达。在伺服马达2上施加相位电压U_a，U_b，U_c(相位电势)，所述相位电压导致伺服马达2的相应电流消耗，由所述电流消耗产生由伺服马达2通过马达轴3提供的转矩。

通过控制单元10进行伺服马达2的控制，所述控制单元获得作为预给定值的额定转矩M_额定并借助合适的传感器装置来获得转速说明n和关于转子位置L的说明。控制单元10生成用于控制伺服马达2的相位电压U_a， U_b，U_c。

作为预给定变量的额定转矩M_额定用于根据换向模式执行对相位电压 U_a，U_b，U_c的换向。所述换向表明如何在每个时间点将相位电压U_a，U_b， U_c施加在伺服马达2的相位接头6上以产生当前需要的额定转矩M_额定的方式和方法。在三个或更多个待调节的相位电压的情况下，存在多种控制可能性，以便能够实现额定转矩M_额定。在此，存在至少一个自由度以供使用，所述自由度开启优化潜能(Optimierungspotential)。可针对每个待达到的额定转矩M_额定针对每个转速或者说每个转速范围分开地和不同地使用所述自由度。

上述定位器系统1应建立为具有高稳健性。然而，在感测转子位置L 时以及由于伺服马达2的参数波动，经常在理想电流消耗和实际电流消耗之间出现偏差。如果马达电流高于预给定的马达电流阈值，那么控制单元 10通常设置紧急关断，以保护控制单元10和/或伺服马达2不受损坏或毁坏。

在定位器系统中间接地进行转子位置感测，即，例如在通过传动装置5 与伺服马达2连接的调节单元4上进行转子位置感测，尤其在所述定位器系统2的情况下，可能在感测转子位置L时存在高的不准确性，所述不准确性可为显著大于10°的机械角位置。

在通过相位电压U_a，U_b，U_c控制的情况下，构成空间矢量，所述空间矢量给出在伺服马达2运行时绕转的定子磁场的方向。为了能够与转速无关地表示所述空间矢量，通常在转子固定的dq坐标系中示出所述空间矢量。

可在按照预给定的优化目标优化时、例如对效率优化时，利用所述自由度。

在图2中示出dq坐标系的电压矢量U_d，U_q的曲线图。通过圆形的或约椭圆的边界线，还示出允许的电流的电流范围BS和允许的电压的电压范围BSP。允许的马达电流的电流范围BS代表转子固定的dq坐标系中的空间矢量的范围，在所述范围中，马达电流的数值处于预给定的马达电流阈值之下。在此，允许的马达电流的电流范围BS的电流边界线LS代表所有 U_q，U_d组合的线，在所述组合情况下，马达电流达到马达电流阈值。

类似地，允许的马达电压的电压范围BSP代表这样的范围，空间矢量 U_q，U_d可处于所述范围中，从而不高于预给定的马达电压阈值。由两个相位接头6之间的相位电压U_a，U_b，U_c产生的马达电压阈值基本上通过供应电压的用于伺服马达2运行的可用性来限制。在预给定的供应电压的情况下允许的或者可提供的相位电压U_a，U_b，U_c的电压范围BSP通过电压边界线LSP来示出，所述电压边界线给出所有空间矢量U_q，U_d的量，在所述空间矢量的情况下，相位电压U_a，U_b，U_c相应于预给定的相位电压阈值。

现在，从允许的马达电流的电流范围BS和允许的相位电压U_a，U_b， U_c的电压范围BSP出发，求取稳健可靠的控制范围AB，在转子位置感测的预给定的不准确性和/或参数不准确性的情况下，所述控制范围在任何情况下都排除：马达电流被提高超过通过电流边界线LS预给定的马达电流阈值。

即，借助预给定的转子位置不准确性和预给定的参数不准确性求取针对每个转速和针对每个电压空间矢量的最坏情况情形。

此外，在示出的特性曲线族中给出所述空间矢量值，用于实现确定的转矩。这通过转矩线ML来标记。可看到，在控制范围AB之内，为了提供额定转矩M_额定，多个空间矢量控制可能用于在转子位置不准确性或者参数不准确性的情况下在避免过高的马达电流的条件下选择预给定的额定转矩M_额定。

在图3中示出控制单元10的示意图。控制单元10具有限制单元11，所述限制单元根据当前转速n并基于预给定的额定转矩M_额定限制所要求的转矩。

现在，在特性曲线族方块12中，根据所要求的转矩和转速n，求取转子固定的dq坐标系中的待调节的空间矢量Uq，Ud。参考图2的曲线图以如下方式进行所述求取：

首先，提供由所要求的额定转矩M_额定和转速展开的特性曲线族K，其中，在电流范围BS和电压范围BSP之内，将空间矢量U_q，U_d配属给一个运行点，从而保持预给定的优化目标，在考虑参数不确定性和转子位置感测的不确定性的情况下通过所述电流范围和所述电压范围确定控制范围 AB。如果对于预给定的额定转矩M_额定和当前转速n在特性曲线族K上存在一个处于控制范围AB之内的空间矢量U_q，U_d，则使用所述空间矢量用于伺服马达2的控制。

如果找不到转矩线ML的相应于额定转矩M_额定的交点，那么在控制范围AB的外部边界线BAB上离开预给定的特性曲线族K，并替代地在用于控制范围AB的边界线BAB上检验：能不能通过控制范围AB的涉及的边界线BAB上的空间矢量U_q，U_d达到所希望的额定转矩M_额定。如果能达到，那么提供相应的空间矢量U_q，U_d。在其他情况下，调节空间矢量U_q，U_d，通过所述空间矢量可达到最大转矩，而不离开允许的控制范围AB。

在坐标变换方块13中，借助感测到的转子位置L将所提供的空间矢量 U_q，U_d转换为相应的相位电压U_a，U_b，U_c。

用于通过输入变量额定转矩M_额定和转速n来求取经优化的空间矢量 U_q，U_d的特性曲线族K以离线方式被建立并例如通过查找表格或其他表示特性曲线族K的函数被记录或者说存储在控制单元10中。所述优化基于传统方法进行并且导致特性曲线族K，所述特性曲线族在控制范围AB内有效。特性曲线族K的处于所述控制范围的边界线BL上的空间矢量U_q，U_d取代空间矢量特性曲线直到在数值上最大的转矩，从而只要空间矢量特性曲线与边界线BAB相遇，就沿着在数值上更高的转矩的方向通过边界线 BAB预给定空间矢量Uq，Ud。产生特性曲线的具有特征的三分，如其在图2中在所述控制范围之内示出的那样。

作为针对允许的控制范围之内的空间矢量特性曲线的优化目标，可以取代效率最大化也实现其他目标。

因为参数不确定性很大程度上源于温度影响，所以对伺服马达2的整体温度范围的考虑可以强烈地限制可供稳健使用的转矩。如果可确定或估计伺服马达2的当前温度，那么可针对不同温度范围分开地设计所述控制并根据当前温度而定在预给定的特性曲线族之间转换。

Claims (10)

1.用于运行电子换向的伺服马达(2)的方法，其中，按照优化目标根据预给定的转矩和所述伺服马达(2)的转子的转子位置(L)通过按照换向模式生成的电压空间矢量来控制所述伺服马达(2)，

其中，预给定一控制范围，所述控制范围给出允许的电压空间矢量的范围，其中，以如下方式实施所述伺服马达(2)的控制，使得仅使用所述控制范围之内的电压空间矢量，其特征在于，基于预给定的特性曲线族来实施所述伺服马达(2)的控制，所述特性曲线族按照所述优化目标根据预给定的转矩和所述伺服马达(2)的转子的转子位置(L)来预给定所述电压空间矢量，

所述控制范围给出允许的电压空间矢量的一个范围，在所述允许的电压空间矢量的情况下，马达电流的数值不高于预给定的马达电流阈值和/或马达电压的数值不高于预给定的马达电压阈值，

所述特性曲线族的电压空间矢量限于被所述控制范围允许的电压空间矢量，

所述特性曲线族还预给定所述控制范围的边缘上的、不满足所述优化目标的电压空间矢量，并且如果对于所述预给定的转矩和当前转速在该特性曲线族上存在一个处于所述控制范围之内的空间矢量，则使用所述空间矢量，而如果不存在，则使用一个处于该控制范围的边缘上的空间矢量。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述特性曲线族还沿着所述控制范围的边缘从满足优化目标的电压空间矢量直到提供最大能达到的转矩的电压空间矢量限定了电压空间矢量。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，对于一转子位置在所述控制范围之内不存在满足所述优化目标的电压空间矢量，针对一预给定的转矩和该转子位置，在相对于所述特性曲线上的电压空间矢量具有最小间距的控制范围之内选择一电压空间矢量，通过该电压空间矢量提供所述预给定的转矩。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，通过按照换向模式生成的电压空间矢量还根据所述伺服马达(2)的当前转速来控制所述伺服马达(2)。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中，以如下方式限定允许的电压空间矢量的控制范围，使得即使在所给出的转子位置(L)相对于实际的转子位置偏差一个预给定的不准确性的情况下和/或在所述伺服马达(2)的一个或多个马达参数相对于相应的额定值偏差一个预给定的不确定性的情况下，也不高于所述预给定的马达电流阈值和/或所述预给定的马达电压阈值。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中，以如下方式确定用于所述特性曲线族的优化目标，使得为预给定的转矩配属一个电压空间矢量，在该电压空间矢量的情况下达到所述伺服马达(2)的最大效率。

7.用于运行电子换向的伺服马达(2)的装置，其中，所述装置构造为：

-按照优化目标根据预给定的转矩和所述伺服马达(2)的转子的转子位置(L)通过按照换向模式生成的电压空间矢量来控制该伺服马达(2)；

-预给定一个控制范围，所述控制范围给出允许的电压空间矢量；

-以如下方式实施所述伺服马达(2)的控制，使得仅使用所述控制范围之内的电压空间矢量，

其特征在于，所述装置被如此构造，

基于预给定的特性曲线族来实施所述伺服马达(2)的控制，所述特性曲线族按照所述优化目标根据预给定的转矩和所述伺服马达(2)的转子的转子位置(L)来预给定所述电压空间矢量，

所述控制范围给出允许的电压空间矢量的一个范围，在所述允许的电压空间矢量的情况下，马达电流的数值不高于预给定的马达电流阈值和/或马达电压的数值不高于预给定的马达电压阈值，

所述特性曲线族的电压空间矢量限于被所述控制范围允许的电压空间矢量，

所述特性曲线族还预给定所述控制范围的边缘上的、不满足所述优化目标的电压空间矢量，并且

如果对于所述预给定的转矩和当前转速在该特性曲线族上存在一个处于所述控制范围之内的空间矢量，则使用所述空间矢量，而如果不存在，则使用一个处于该控制范围的边缘上的空间矢量。

8.定位器系统(1)，其包括：

-用于驱动调节单元(4)的、电子换向的伺服马达(2)；和

-如权利要求7所述的装置。

9.电子存储介质，在所述电子存储介质上存储构造实施如权利要求1到6之一所述的方法的所有步骤的计算机程序。

10.电子控制设备，所述电子设备具有如权利要求9所述的电子存储介质。