[0002] 本PCT
专利申请要求于2015年1月16日提交的美国临时专利申请第62/104,287号的权益，该申请的全部公开内容被认为是本申请的公开内容的一部分，并通过引用在此并入。
技术领域
[0003] 本
发明涉及用于检测电机的阻塞状态的阻塞检测器。电机可以是旋转场机或线性机。电机尤其可以是无刷直流
马达。
[0004] 本发明还涉及具有阻塞检测器的逆变器控制器。
[0005] 此外，本发明涉及具有逆变器控制器的逆变器，该逆变器控制器具有阻塞检测器。
[0006] 此外，本发明涉及具有这种逆变器的无刷直流马达以及涉及具有这种无刷直流马达的驱动、通
风或
空调系统。本发明还涉及具有这种驱动、
通风或空调系统的交通工具。
[0007] 本发明还涉及用于检测电机的阻塞状态的方法。
背景技术
[0008] DE 10 2010 049 169A1描述了用于借助于不使用速度
传感器的面向
磁场的机器模型来计算无刷直流电机的监测速度的监测计算机。如果监测速度和
转速传感器信号之间的差异超出容差范围，则出现操作故障(例如由于传感器错误)。为了也能够使用无传感器方法记录在零赫兹左右的操作范围内的监测速度，提出了向
定子绕组施加测试信号。提供测试信号与额外的工作量相关联。
发明内容
[0009] 本发明的一个目的是提供用于检测无刷直流马达的阻塞的另一可靠方法，该方法可以以性价比高的方式被实施且不具有速度传感器。
[0010] 该目的通过用于检测电机的阻塞状态的阻塞检测器，逆变器控制器，逆变器，无刷直流马达，驱动、通风或空调系统，交通工具以及用于检测电机的阻塞状态的方法来实现。阻塞检测器具有：第一功率确定器，用于在使电机以第一旋转场速度运行的第一相
电压被施加到电机时确定电机的第一功耗；第二功率确定器，用于在使电机以第二旋转场速度运行的第二相电压被施加到电机时确定电机的第二功耗；商形成器，用于产生第一功耗和第二功耗间的功率商，以及比较器，用于将功率商与针对功率商的
阈值进行比较。逆变器控制器被设置成生成使电机以第一旋转场速度运行的逆变器的第一
控制信号，并且还被设置成生成使电机以第二旋转场速度运行的逆变器的第二控制信号。交通工具具有驱动、通风或空调系统，驱动、通风或空调系统具有无刷直流马达，无刷直流马达具有逆变器，逆变器具有逆变器控制器，逆变器控制器被设置成生成使电机以第一旋转场速度运行的逆变器的第一控制信号，并且逆变器控制器还被设置成生成使电机以第二旋转场速度运行的逆变器的第二控制信号。该方法包括：在使电机以第一旋转场速度运行的第一相电压被施加到电机时确定电机的第一功耗；在使电机以第二旋转场速度运行的第二相电压被施加到电机时确定电机的第二功耗；产生第一功耗和第二功耗间的功率商；以及将功率商与针对功率商的阈值进行比较。
[0011] 根据本发明的用于检测电机的阻塞状态的阻塞检测器包括第一功率确定器、第二功率确定器、商形成器以及比较器。第一功率确定器被设置成在使电机以第一旋转场速度运行的第一相电压被施加到电机时确定电机的第一功耗。第二功率确定器被设置成在使电机以第二旋转场速度运行的第二相电压被施加到电机时确定电机的第二功耗。商形成器被设置成产生第一功耗和第二功耗间的功率商。比较器被设置成将功率商与针对功率商的阈值进行比较。相电压是用于提供电机绕组(通常是定子绕组)的三相系统的
相位的时变电压。三相系统通常具有三个相。三相系统通常还是对称的。
[0012] 根据本发明的逆变器控制器具有根据本发明的阻塞检测器。根据本发明的逆变器具有根据本发明的逆变器控制器。根据本发明的无刷直流马达具有根据本发明的逆变器，该逆变器具有根据本发明的逆变器控制器。逆变器通常被设置成对无刷直流马达的电机进行
电子整流。
[0013] 根据本发明的驱动、通风或空调系统具有根据本发明的无刷直流马达。根据本发明的交通工具具有根据本发明的驱动、通风或空调系统。
[0014] 根据本发明的用于检测电机的阻塞状态的方法包括以下步骤。在第一步骤中，在使电机以第一旋转场速度运行的第一相电压被施加到电机时，确定电机的第一功耗。在第二步骤中，在使电机以第二旋转场速度运行的第二相电压被施加到电机时，确定电机的第二功耗。在第三步骤中，产生第一功耗和第二功耗间的功率商。在第四步骤中，将功率商与针对功率商的阈值进行比较。
[0015] 在这种情况下，假定由相应的功率确定器确定的功耗不是期望功耗，而是实际功耗。对于根据本发明的最一般的定义下的构思来说，其与相应的功率确定器如何确定实际功耗无关。为了确定相应的功耗，通常首先确定电机和/或
驱动电机的逆变器的实际
电流消耗的强度。然后，将这个所确定的实际电流消耗的值与所确定的供应给逆变器的实际工作电压相乘或与在启动过程期间被假定施加至逆变器的输入端的期望工作电压相乘。逆变器的输入通常由来自直流电压源的
电能来供应。通常假定，在具有机械负载(例如风扇或
泵)的启动过程期间实施第一旋转场速度下的功耗的记录和第二旋转场速度下的功耗的记录。
[0016] 本发明的构思可以从下述事实看出：与无刷直流马达是否被机械阻塞相比，两个不同旋转场速度的功耗的功耗商更不会随运行
温度而变化。这是因为阻塞状态下的功耗商与非阻塞状态下的功耗商总是会有极大不同(除非在相同边界条件下)。例如，在阻塞状态下功耗商可以总是比特定阈值小很多，并且在非阻塞状态下可以总是比这个阈值大很多。因此，可以规定不随运行温度而变化的阈值。因此，本发明的构思基于下述事实：两个不同旋转场速度的功耗的功耗商对于关于无刷直流马达是否被阻塞的简单评估(通过与阈值的比较以及基于该比较做出的决定)来说尤其是适当的。有利地，选择非阻塞状态下的最低功耗商和阻塞状态下的最高功耗商之间的算术平均值作为阈值的值。
[0017] 在一个有利的实施方式中，第一功率确定器具有用于确定电机的电流消耗的第一电流消耗确定器，第一功率确定器被设置成在将由第一电流消耗确定器确定的电流消耗考虑在内的情况下确定第一功率消耗。可替代地或另外地，第二功率确定器可以具有用于确定电机的电流消耗的第二电流消耗确定器，第二功率确定器被设置成在将由第二电流消耗确定器确定的电流消耗考虑在内的情况下确定第二功率消耗。针对这两个功率确定器，通常都使用相同的电流消耗确定器。第一功率确定器的电流消耗确定器通常使用电流传感器来记录逆变器和/或电机的电流消耗。第二功率确定器的电流消耗确定器通常也使用相同的电流传感器或另外的电流传感器来记录逆变器和/或电机的电流消耗。如果第一功率确定器或第二功率确定器具有用于确定电机的电流消耗的相应电流消耗确定器，则这可以利于电流消耗确定器对功率确定器其他部件的最佳适配，反之亦然。
[0018] 在另一有利的实施方式中，第一功率确定器具有用于确定电机的
电源电压的第一电压确定器，第一功率确定器被设置成在将由第一电压确定器确定的电源电压考虑在内的情况下确定第一功率消耗。可替代地或另外地，第二功率确定器具有用于确定电机的电源电压的第二电压确定器，第二功率确定器被设置成在将由第二电压确定器确定的电源电压考虑在内的情况下确定第二功率消耗。针对这两个功率确定器，通常都使用相同的电压确定器。第一功率确定器的电压确定器通常使用电压传感器来记录施加到逆变器的电源电压。第二功率确定器的电压确定器通常也使用相同的电压传感器或另外的电压传感器来记录施加到逆变器的电源电压。如果第一功率确定器或第二功率确定器具有用于确定施加到逆变器的电源电压的相应的电压确定器，则这可以利于电压确定器对功率确定器其他部件的最佳适配，反之亦然。
[0019] 在另一有利的实施方式中，阻塞检测器包括用于确定电机温度的温度确定器，以及用于在将由温度确定器确定的电机温度考虑在内的情况下确定阈值的阈值确定器。针对这两个功率确定器，通常都使用相同的温度确定器。第一功率确定器的温度确定器通常使用温度传感器来记录电机的温度。第二功率确定器的温度确定器通常也使用相同的温度传感器或另外的温度传感器来记录电机的温度。如果第一功率确定器或第二功率确定器具有用于确定电机的温度的相应温度确定器，则这可以利于温度确定器对功率确定器其他部件的最佳适配，反之亦然。
附图说明
[0020] 下面使用在示意性附图中示出的示例性实施方式更详细地说明本发明内容，在附图中：
[0021] 图1示出了无刷直流马达的示意性
框图，该无刷直流马达被连接至直流电压源，并且具有根据本发明的用于无刷直流马达的阻塞检测器；
[0022] 图2示出了无刷直流马达的电机的等效
电路图；
[0023] 图3示出了在第一旋转场速度和第二旋转场速度下无刷直流马达的(准稳)电机运行的相应示意性矢量图；
[0024] 图4示出了在启动无刷直流马达时相电压、电流消耗和电功率相对于电
角速度的示意性曲线；
[0025] 图5示出了对于第一电角速度和第二电角速度，在具有期望相电压值、
电阻电压降以及电感电压降的阻塞状态下无刷直流马达的控制状态的相应示意性矢量图；
[0026] 图6示意性地示出了计算出的特征曲线族，该特征曲线族示出了相电压幅度相对于低马达速度的随温度而变的曲线，其中无刷直流马达以近似恒定的电功率从静止状态
加速；
[0027] 图7示意性地示出了在无阻塞状态的启动期间和阻塞状态的启动期间的每种情况下对10V和16V的电源电压和三个运行温度使用测试所确定的功耗商；以及[0028] 图8示出了用于检测电机的阻塞状态的方法的示意性
流程图。
具体实施方式
[0029] 在附图中，相同的附图标记分别用于相对应的部件。因此，基于附图标记的说明也适用于整个附图，除非上下中另有指示。
[0030] 在图1中示意性地示出的交通工具FZ包括直流电压源GQ，该直流电压源GQ与无刷直流马达BM连接。无刷直流马达BM具有逆变器WR，该逆变器WR被设置为用于给无刷直流马达BM的定子S供电的三相源。无刷直流马达BM的
转子L具有至少一个
永磁体。角度β表示转子L相对于定子S的角
位置。交通工具FZ具有控制器ST，该控制器ST被设置成提供控制逆变器WR的控制信号SS1以使无刷直流马达BM以第一电角速度ω1运行以及提供控制信号SS2以使无刷直流马达BM以第二电角速度ω2运行。
[0031] 电角速度ω与相电压US的电
频率f之间的比例因数是2π：
[0032] ω＝2πf (公式1)
[0033] 相电压US的电频率f与电机EM的(转子L的)机械速度n之间的比例因数是电机的极对数p：
[0034] n*p＝f＝ω/2π (公式2)
[0035] 控制器ST包括逆变器控制器WS和阻塞检测器BE。逆变器控制器WS被设置成生成用于控制逆变器WR的控制信号SS1、SS2。在图1中的实施方式中，逆变器控制器WS是生成控制信号SS1、SS2的电压控制器，该电压控制器用于(在没有阻塞的情况下)在无刷直流马达BM启动控制期间的假定和/或记录的操作条件(例如电机的电源电压U和运行温度T)下实现无刷直流马达BM的电流消耗IA相对于电角速度ω的预定曲线。
[0036] 用于检测电机EM的阻塞状态的阻塞检测器BE包括第一功率确定器LE1和第二功率确定器LE2，第一功率确定器LE1用于在使电机以第一旋转场速度运行的第一相电压US1被施加于电机EM时确定电机EM的第一功耗P1，并且第二功率确定器LE2用于在使电机以第二旋转场速度运行的第二相电压US2被施加于电机EM时确定电机EM的第二功耗P2。阻塞检测器BE还包括用于产生第一功耗P1和第二功耗P2间的功率商PQ的商形成器QB，以及用于将功率商PQ与功率商PQ的阈值SW进行比较的比较器V。
[0037] 比较结果BZI可以用于以下目的中的一个或更多个，例如：
[0038] -如果检测到阻塞，则中断启动过程，或者如果检测到未发生阻塞(例如在检测到未发生阻塞之后的大约5ms)，则继续启动过程；
[0039] -如果检测到未发生阻塞(例如在检测到未发生阻塞之后的大约5ms)，则(在启动过程之后)初始化实际发动过程；
[0040] -激活用于从阻塞状态释放电机EM的通电方案(例如借助于反向操作)；
[0041] -在阻塞的情况下使错误
存储器递增，和/或在不存在阻塞的情况下使错误存储器递减；和/或
[0042] -发送警告项或维护信息项(例如经由交通工具总线)。
[0043] 为此，可以使逆变器控制器WS可获得比较结果BZI。实际发动过程通常基于操作点和/或基于上至最大允许马达速度以最大允许功耗P实施。
[0044] 图2示出了无刷直流马达BM的电机EM的单相等效电路图(本身已知)。该
串联电路大体上包括定子电感L、定子
电阻器R和提供与速度成比例的转子电压UP的理想电压源。无刷直流马达BM通常具有可以用于根据以下公式计算与速度成比例的转子电压UP的特定设计的速度常数kn：
[0045] UP＝n*kn＝(f/p)*kn＝(ω/2πp)*kn (公式3).
[0046] 图3中示出的矢量图示出了在针对两个不同的电角速度ω1、ω2的等效电路图中(在准稳操作点处)的电压矢量。
[0047] 为了在启动无刷直流马达BM期间完全利用无刷直流马达BM的电源装置Q及其绕组但不至超出无刷直流马达BM的电源装置Q及其绕组的负载容量，以使得逆变器WR生成相电压US的期望值的方式在启动过程期间控制无刷直流马达BM的逆变器WR已证明是成功的，该期望值使无刷直流
电动机BM以近似恒定的电功率PE启动。
[0048] 为了说明的目的，下文在不限制一般性的情况下假定电源电压U在启动过程期间是恒定的。然后，以使得逆变器WR生成相电压US的期望值的方式在启动过程期间控制无刷直流马达BM的逆变器WR，该期望值使无刷直流电动机BM以近似恒定的电流消耗IA启动。因此，在图3中，无刷直流马达BM在较高电角速度ω2时的电流消耗IA与它在较低电角速度ω1时的电流消耗IA相等(因此I2＝I1)。对于图3所示的全部的值，标记1表示在较低电角速度ω1时的值，并且标记2表示在较高电角速度ω2时的值。
[0049] 在启动期间，恒定的电流消耗IA导致在无刷直流马达BM的非电抗绕组电阻器R两端的恒定(或者说是不随速度变化的)的电压降以及定子电感L两端的与速度成比例的电压降。
[0050] 图3示出了针对两个不同的电角速度ω1和ω2，相电压US是如何组成的。由于表示的原因，在不限制一般性的情况下针对图3选择ω2/ω1＝大约1.5。图3中的矢量图示出在启动期间转子电压UP如何随着电角速度ω的增大而增大以及因此相电压US的绝对值|US|如何也随着电角速度ω的增大而增大。
[0051] 机械负载
扭矩通常随着电角速度ω的增大而大大增大。这种关系在风扇和泵中甚至通常是立方的关系。因此，在稳定状态操作期间不随速度变化的电流消耗IA(也就是说恒定扭矩Mges)一般是不可能的，而在启动相位期间是可能的，只要过量驱动扭矩可以被用于加速机械
转动惯量即可。一旦电角速度ω达到了机械负载扭矩与驱动扭矩一样大时的电角速度，则加速过程结束(dω/dt＝0)，并且因此不再有用于进一步加速机械转动惯量的过量驱动扭矩。然后，在无刷直流马达BM的负载(在附图中未示出)下，无刷直流马达BM具有在不使电流IA增大或改变其他操作参数的情况下无法进一步增大(也就是说稳态操作点)的电角速度ω。
[0052] 所有实施方式的变型具有以下共同点。由无刷直流马达BM的定子绕组生成的旋转磁场以具有斜坡的方式加速，使得无刷直流马达BM或其电机EM在非阻塞状态和连接有机械负载的情况下以消耗近似恒定的电功率PE的方式预定义该斜坡。
[0053] 图4示出了相电压US、电流消耗IA和功率PE相对于无刷直流马达BM的第一启动相位的电角速度ω的曲线。无刷直流马达BM是同步机，也就是说转子电压UP与马达EM的机械速度n成比例(参见公式3)。
[0054] 为了简化的目的，在下文中，在启动无刷直流马达BM时，假定电流消耗IA是近似恒定的。在用于逆变器WR的恒定的电源电压U下，这导致无刷直流马达BM的近似恒定的电功耗PE。
[0055] 施加于电机EM的相电压US的绝对值|US|随着电角速度ω从最小值Umin开始以近似线性的方式增加，目的是生成用于克服静摩擦的启动电流Inb。
[0056] 图5示出了阻塞状态下由直流电流源GQ针对具有第一电角速度ω1的第一相电压US1和具有第二电角速度ω2的第二相电压US2的无刷直流马达BM的控制状态所提供的电源电压的划分。
[0057] 为了说明的目的，在下文中不限制一般性的情况下假定电源电压U在启动过程期间是恒定的。还假定，在启动过程中以使得逆变器WR在不存在阻塞的情况下生成使无刷直流马达BM以近似恒定的电流消耗IA启动的相电压US的方式(实际上有意)控制无刷直流马达BM的逆变器WR。如果无刷直流马达BM被阻塞，则转子电压UP是零伏。然后，在包括定子电感L和绕组电阻器R的串联电路两端的整个相电压下降，这导致无刷直流马达BM在阻塞状态下的实际电流消耗Iblock(与无阻塞的启动过程相比)随着相电压US的角频率ω以近似线性的方式增加。
[0058] 图6中示出的无刷直流马达BM的特征曲线族是借助于计算确定的。特征曲线族示出了在无刷直流马达BM的电机EM以近似恒定的电功率PE从静止状态加速的情况下，对于两个不同的运行温度T(-25℃和175℃)和两个不同的电流消耗IA(8A和40A)，相电压US的绝对值|US|相对于机械马达速度n的曲线。由此可以看出的是，对于所有的图示操作参数(也就是说8A或40A的电流消耗和-25℃或175℃的运行温度)绝对值|US|相对于角频率ω的曲线都是近似线性的。还可以从附图得出的是，为了达到不变的通电状态，相电压US的幅度值|US|在具有低电角速度ω的操作点处必须以与运行温度T近似成比例的方式增大。
[0059] 图7示出了在总共36个测试中分别在阻塞状态和无阻塞状态下确定的针对电源电压U和运行温度T的不同组合的功耗商PQ＝32768*P1/P2。因此，在不限制一般性的情况下，在此使用因数32768对功耗商PQ进行标准化。横坐标值i是指示相应的测试的运行标记。测试1至6、测试13至18和测试25至30在非阻塞状态下实施。测试7至12、测试19至24和测试31至36在阻塞状态下实施。测试1至12在运行温度T为-40℃时实施。测试13至24在运行温度T为30℃时实施。测试25至36在运行温度T为100℃时实施。
[0060] 图7中的图示出了与功耗商PQ随无刷直流马达BM是否被机械地阻塞而变化的程度相比，功耗商PQ更不会随运行温度T而变化。这是因为在阻塞状态下功耗商PQ在这里总是显著小于特定阈值SW，并且在非阻塞状态下总是显著大于该阈值SW。这可以通过不随运行温度T而变化的阈值SW来实现。因此，本发明的构思基于下述事实：在两个不同的电角速度ω1、ω2下的功耗P1、P2的功耗商PQ尤其适用于关于无刷直流马达BM是否被阻塞的简单评估(借助于与恒定阈值的比较以及基于该比较做出的决定)。
[0061] 图8示出了用于检测电机EM的阻塞状态的方法100的示意性流程图。方法100包括以下步骤。在第一步骤110中，在使电机EM以第一旋转场速度运行的第一相电压US1被施加到电机EM时，确定电机EM的第一功耗P1。在第二步骤120中，在使电机EM以第二旋转场速度运行的第二相电压US2被施加到电机EM时，确定电机EM的第二功耗P2。在第三步骤130中，计算第一功耗P1和第二功耗P2间的功率商PQ。在第四步骤140中，将功率商PQ与该功率商PQ的阈值SW进行比较。逆变器控制器WS优选地被设置成在通过给定子S供电而使转子L加速之前将转子L移动至定义的起始转子位置。
[0062] 所提出的方法100的优点在于，作为用于确定无刷直流马达BM是否被阻塞的准则的功率商PQ在很大程度上不会随无刷直流马达BM的运行温度T而变化。这是因为运行温度T对功率商PQ的分子和分母至少在相同意义上产生影响(尽管严格来说不是以成比例的方式)。因此，在计算功率商PQ时，运行温度T和功率值中系统误差的影响因此大大减小。
