无传感器技术、基于脉宽调制时间段的取样反电动势电压值和/或取样电感值的评估

具体实施方式

根据本发明一实施例，对于二相电动机，通过具有4个晶体管的H功率桥对每个相供电。在图1的示例性实施例中示出这种电动机的实例。

图2示出在电流PWM限制为正值1A时流经一个电动机相(通过图1的示意图上的符号Φ表示)的相电流的实例。将PWM施加在两个晶体管T1和T3上，所述晶体管T1和T3导通，直到电流到达其目标限制1A(在Ton时间段上是可变的)，所述晶体管T1和T3在固定时间段期间(在循环流经二极管D4和D2时电流减少)关断。

图3示出在电流PWM限制为负值-1A时流经一个电动机相(通过图1的示意图上的符号Φ表示)的相电流的实例。将PWM施加在两个晶体管T2和T4上，所述晶体管T2和T4导通，直到电流到达其目标限制-1A(在Ton时间段上是可变的)，所述晶体管T2和T4在固定时间段期间(在循环流经二极管D1和D3时电流绝对值减少)关断。

可基于PWM时间段(例如一个Toff时间段及其随后的Ton时间段)以确定相电感的平均值和相反电动势的平均值来实施本发明实施例。对于两个未知的值，需要两个方程式。

根据一个实施例，相电压方程式如下：

$u_{\mathrm{applied}}=R·i+L·\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+u_{\mathrm{ind}}$

在将该方程式应用于OFF时间段以及ON时间段时(图4中示出两种所述时间段的实例)，并通过假设这些时间段足够短以允许方程式的线性化：

在关断时间Toff期间：

u_appliedOFF＝-24V

$i=\frac{I_{1\mathrm{off}}+I_{2\mathrm{off}}}{2}$

di＝I_2off-I_1off

dt＝T_off

在导通时间Ton期间：

u_appliedON＝24V

$i=\frac{I_{1\mathrm{on}}+I_{2\mathrm{on}}}{2}$

di＝I_2on-I_1on

dt＝T_on

这两个方程式和两个未知值能够确定：

·L，在PWM时间段上计算的相电感的平均值；以及

·uind，在PWM时间段上计算的相反电动势电压的平均值。

还通过以下实例示出本发明的实施例。然而，可以理解，符合本发明的实施例不限于这些实例。当然，例如根据电感是常量(然后仅一个方程式是必须的)还是变量(两个方程式是必须的)，可进行许多配置(变型)。

例如根据实现PWM控制的方式，可进行其它可能的配置(变型)，例如：

·具有单个比较的最大电流限制Imax和固定关断时间段Toff的电流限制：I2on＝I1off＝Imax，Ton是变量，I1on和I2off是变量。电流PWM限制可应用于一个或两个晶体管上(在关断时间段期间，一个或两个晶体管关断)。

·具有2个比较的电流水平的电流限制：I2on＝I1off＝Imax，I1on＝I2off＝Imin，Ton和Toff是变量。电流PWM限制可应用于一个或两个晶体管上(在关断时间段期间，一个或两个晶体管关断)。

·电压限制(通过PWM占空比控制平均电压)，采用时间段Ton和Toff，并且电流水平是变量(必须测量I1off、I2off＝I1on、和I2on)。电压PWM控制可应用于一个或两个晶体管上(在关断时间段期间，一个或两个晶体管关断)。

以下在符合本发明的所示实施例中考虑4个示例性情形。

情况1：

L常量，PWM在单个比较的最大电流限制Imax和固定关断时间段Toff的情况下加倍。

仅一个方程式是必须的，考虑到完整的PWM时间段：

$u_{\mathrm{applied}}=\frac{T_{\mathrm{on}}·24V+T_{\mathrm{off}}·(-24V)}{T_{\mathrm{on}}+T_{\mathrm{off}}}$

$i=\frac{I_{1\mathrm{on}}+I_{2\mathrm{on}}}{2}=I_{\max }-\frac{\mathrm{\Delta I}}{2}$

dt＝T_on+T_off

情况2：

L常量，PWM在具有单个比较的最大电流限制Imax和固定关断时间段Toff的一个晶体管上。

仅一个方程式是必须的，考虑到完整的PWM时间段：

$u_{\mathrm{applied}}=\frac{T_{\mathrm{on}}·24V+T_{\mathrm{off}}·\left(0V\right)}{T_{\mathrm{on}}+T_{\mathrm{off}}}$

$i=\frac{I_{1\mathrm{on}}+I_{2\mathrm{on}}}{2}=I_{\max }-\frac{\mathrm{\Delta I}}{2}$

dt＝T_on+T_off

注意：di＝I1off-I2on＝0是假设的，并且必须被验证。这允许选择可使用的连续时间段ON和OFF(例如，见图4)。

情况3：

具有2个比较的电流水平的电流限制：I2on＝I1off＝Imax，I1on＝I2off＝Imin，Ton和Toff是变量。电流PWM限制可应用于两个晶体管上(在关断时间段期间，两个晶体管关断)。

I_1on＝I_2off＝I_min

I_2on＝I_1off＝I_max

在这个实例中，两个方程式是必须的：

在导通时间段Ton期间的方程式1：

u_appliedON＝U_alim＝24V

$i=\frac{I_{1\mathrm{on}}+I_{2\mathrm{on}}}{2}=\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}$

di_on＝I_max-I_min

dt＝T_on

$24V=R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}+L·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{on}}}+u_{\mathrm{ind}}---\left(1\right)$

在关断时间段Toff期间的方程式2：

u_appliedOFF＝-U_alim＝-24V

$i=\frac{I_{1\mathrm{off}}+I_{2\mathrm{off}}}{2}i=\frac{I_{\max }+I_{\min }}{2}$

di_off＝I_min-I_max＝-di_on

dt＝T_off

$-24V=R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}-L·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{off}}}+u_{\mathrm{ind}}---\left(2\right)$

两个方程式和两个未知值的解：

$2·U_{\mathrm{alim}}=L·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{on}}}+L·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{off}}}---\left(1\right)-\left(2\right)$

$2·U_{\mathrm{alim}}=\frac{1}{T_{\mathrm{on}}}+\frac{1}{T_{\mathrm{off}}}·(I_{\max }-I_{\min })·L---\left(1\right)-\left(2\right)$

$2·U_{\mathrm{alim}}=\frac{T_{\mathrm{on}}+T_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}·T_{\mathrm{on}}}·(I_{\max }-I_{\min })·L---\left(1\right)-\left(2\right)$

$24V=R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}+2·\frac{U_{\mathrm{alim}}}{(I_{\max }-I_{\min })}\frac{T_{\mathrm{on}}·T_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}}·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{on}}}+u_{\mathrm{ind}}---\left(3\right)\mathrm{in}\left(1\right)$

$U_{\mathrm{alim}}=R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}+2·U_{\mathrm{alim}}\frac{T_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}}+u_{\mathrm{ind}}---\left(3\right)\mathrm{in}\left(1\right)$

$u_{\mathrm{ind}}=U_{\mathrm{alim}}(1-2·\frac{T_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}})-R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}=U_{\mathrm{alim}}\left(\frac{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}-{2T}_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}}\right)-R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}$

情况4：

具有2个比较的电流水平的电流限制：I2on＝I1off＝Imax，I1on＝I2off＝Imin，Ton和Toff是变量。电流PWM限制可应用于一个晶体管上(在关断时间段期间，一个晶体管关断)：

I_1on＝I_2off＝I_min

I_2on＝I_1off＝I_max

在这个实例中，两个方程式是必须的：

在导通时间段Ton期间的方程式1：

u_appliedON＝U_alim＝24V

$i=\frac{I_{1\mathrm{on}}+I_{2\mathrm{on}}}{2}=\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}$

di_on＝I_max-I_min

dt＝T_on

$24V=R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}+L·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{on}}}+u_{\mathrm{ind}}---\left(1\right)$

在关断时间段Toff期间的方程式2：

u_appliedOFF＝0

$i=\frac{I_{1\mathrm{off}}+I_{2\mathrm{off}}}{2}i=\frac{I_{\max }+I_{\min }}{2}$

di_off＝I_min-I_max＝-di_on

dt＝T_off

$0=R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}-L·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{off}}}+u_{\mathrm{ind}}---\left(2\right)$

具有两个未知值的两个方程式的解：

$U_{\mathrm{alim}}=L·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{on}}}+L·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{off}}}---\left(1\right)-\left(2\right)$

$U_{\mathrm{alim}}=\frac{1}{T_{\mathrm{on}}}+\frac{1}{T_{\mathrm{off}}}·(I_{\max }-I_{\min })·L---\left(1\right)-\left(2\right)$

$U_{\mathrm{alim}}=\frac{T_{\mathrm{on}}+T_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}·T_{\mathrm{on}}}·(I_{\max }-I_{\min })·L---\left(1\right)-\left(2\right)$

$24V=R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}+\frac{U_{\mathrm{alim}}}{(I_{\max }-I_{\min })}\frac{T_{\mathrm{on}}·T_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}}·\frac{I_{\max }-I_{\min }}{T_{\mathrm{on}}}+u_{\mathrm{ind}}---\left(3\right)\mathrm{in}\left(1\right)$

$U_{\mathrm{alim}}=R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}+U_{\mathrm{alim}}\frac{T_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}}+u_{\mathrm{ind}}---\left(3\right)\mathrm{in}\left(1\right)$

$u_{\mathrm{ind}}=U_{\mathrm{alim}}(1-\frac{T_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}})-R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}=U_{\mathrm{alim}}\left(\frac{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}-T_{\mathrm{off}}}{T_{\mathrm{off}}+T_{\mathrm{on}}}\right)-R·\frac{I_{\min }+I_{\max }}{2}$

实现实例：

根据本发明的实施例，电路U11可作为例如允许给如下步进电动机的两个相A和B供电的双H功率桥(例如见图5)实现：

·电动机相A连接至相Ap(连接+)和相Am(连接-)。目标电流限制的值通过RC滤波器R66和C67滤波的信号PWM4Bdac给出。信号CAP3给出允许测量相A的导通和关断时间段Ton和Toff的持续时间的逻辑电平信号。

·电动机相B连接至相Bp(连接+)和相Bm(连接-)。目标电流限制的值通过RC滤波器R110和C68滤波的信号PWM5Bdac给出。信号CAP4给出允许测量相B的导通和关断时间段Ton和Toff的持续时间的逻辑电平信号。

如图6所示，信号CAP3和CAP4连接至DSP TMS320F2808PZ的捕获输入端(CAP3在ECCAP3管脚99上，CAP4在ECCAP4管脚79上)。每个捕获输入端允许在给定正和/或负边缘上记忆计数器值(该计数器正连续向上计数)，这意味着测量导通和关断时间段Ton和Toff。

电流PWM限制可应用于具有单个比较的最大电流限制(+/-Imax)和固定关断时间段Toff的两个晶体管上(在OFF时间段期间，两个晶体管关断)：I2on＝I1off＝Imax，Ton是变量，I1on＝I2off是变量。

根据示例性实施例，图7示出以4000步/秒旋转的二相步进电动机(例如Sanyo Denki XSH5210-149型，200步/转)中的一个相电流。曲线1给出限制在+/-2.4A并具有恒定关断时间的相电流。曲线4给出在所测量的电动机相上施加的电压，在导通和关断时间段Ton和Toff期间其电压值为24V或-24V。曲线1：相电流[A]。曲线4：施加的相电压[V]。

连接至DSP TMS320F2808PZ的捕获输入端的信号CAP3和CAP4(CAP3在ECCAP3管脚99上，CAP4在ECCAP4管脚79上)是施加的相电压的逻辑状态：

·在电流正调制(限制为+Imax的电流)期间，信号CAPx的逻辑状态在导通时间段Ton期间为1(高电平有效(active high))(施加电压为24V)；信号CAPx的逻辑状态在关断时间段Toff期间为0(施加电压为-24V)。

·在电流负调制(限制为-Imax的电流)期间，信号CAPx的逻辑状态在导通时间段Ton期间为1(高电平有效)(施加电压为-24V)；信号CAPx的逻辑状态在关断时间段Toff期间为0(施加电压为24V)。

根据本发明实施例，可提供在DSP中编程的算法，以允许测量逻辑信号CAP3(相A)的时间段ON和OFF的持续时间以及逻辑信号CAP4(相B)的时间段ON和OFF的持续时间。

图8示出以4000步/秒旋转的步进电动机的所测量的实例：

m_MOT1_cap2_phA＝信号CAP3的Toff持续时间，10ns每单位。

m_MOT1_cap3_phA＝信号CAP3的Ton持续时间，10ns每单位。

m_MOT1_cap_phA_Uind＝基于所测量的Ton和Toff[cV]的确定的反电动势值。

基于所测量的Ton和Toff的确定的反电动势值(例如见图8中的曲线m_MOT1_cap_phA_Uind)示出正弦反电动势。然而，确定的反电动势在从正电流调制到负电流调制的每个转换处以及在从负电流调制到正电流调制的每个转换处被扰动(perturb)(不考虑这样的取样值)。确定的反电动势的取样率对应于PWM频率(在该实例中，其从50kHz改变到25kHz)。

对于该实例，电动机相电感可看作常数，可使用以下两个方程式之一确定相反电动势的平均值：

用于正电流调制，以及

用于负电流调制。

如上所示，本发明的实施例能够在电动机旋转并且用负和/或正电流对两个相供电时确定反电动势波形。然后，根据这些确定的相反电动势电压可确定转子位置和电动机速度。

通过实例，假设二相电动机具有90°电度(electrical degree)偏移的两个相反电动势，所以这两个相反电动势的比值的4个象限的反正切函数允许一个电时间段(electrical period)上的转子位置被如下确定：

$\mathrm{rotor}\_\mathrm{position}=\mathrm{Arctg}\left(\frac{u_{\mathrm{indA}}}{u_{\mathrm{indB}}}\right)+\mathrm{offset}$

然后，确定的转子位置和转子速度允许：

·在闭环内控制电动机相的供电(其允许控制转矩)；

·在闭环内控制电动机速度；和/或

·在闭环内控制转子位置。

以上所述实例仅代表根据本发明的原理可以使用的多个实例。当然，本发明的实施例不限于以上所述的示例性实施例，并且可在不脱离本发明的范围的情况下进行修改和改进。通过实例，尽管已经参照二相步进电动机(可看作二相永磁同步电动机)描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以理解，本发明的特征同样可应用于多相旋转电动机(m相电动机，m＝1，2，3，4，5，...)以及线性电动机。此外，尽管参照2相电动机(其每个相通过具有4个晶体管的H功率桥供电)描述了本发明，但是可以理解，本发明的实施例同样可应用于用6个晶体管功率桥供应的3相电动机。此外，尽管参照同步电动机描述了本发明，但是可以理解，本发明的实施例同样可应用于异步电动机。

本发明的实施例可提供或展示以下优点中的一个或多个：

·可通过用平电流(plain current)(全转矩可用)供应的电动机相来确定转子位置。

·作为应用于其中测量时间段的变型的本发明可允许在没有AD转换器的情况下具有较好的解。

·作为应用于其中PWM时间段(Ton和Toff)被应用以及测量“initial & end on & off”电流电平(I1off、I2off＝I1on和I2on)的变型的本发明可允许得到相同的结果，但是具有更加复杂的硬件。

尽管为了图示的目的在这里呈现了根据本发明的某些方法和设备，但是本领域技术人员可以理解，本发明的特征可以在硬件、软件、固件和/或其任意适合的组合中实现。

因此，说明书和实例仅认为是示例性的，而本发明的真实范围和精神通过随后的权利要求指定。