采用線(xiàn)圈電感確定法的裝置以及用于操作該裝置的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種包括具有定子、電樞尤其是轉(zhuǎn)子、至少一個(gè)線(xiàn)圈的電動(dòng)電機(jī)的裝 置。本發(fā)明還涉及一種用于操作該裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動(dòng)電機(jī)（尤其是無(wú)刷DC電機(jī)）在醫(yī)療設(shè)備中用作激勵(lì)器。例如，可以在液體給 藥設(shè)備中提供電動(dòng)電機(jī)，以激勵(lì)藥品交付。交付給病患的藥品的劑量可以于是直接取決于 電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而電機(jī)旋轉(zhuǎn)的精確控制對(duì)于這些應(yīng)用是關(guān)鍵。用于電機(jī)控制的輸入信號(hào)通常 是在本領(lǐng)域中一般以電機(jī)上的附加傳感器以光學(xué)或磁方式所估計(jì)的電樞的位置。然而，附 加傳感器需要附加組件并且因此增加成本。由于額外組件可能產(chǎn)生附加功能失效，因此它 們也可能連累設(shè)備對(duì)于故障的魯棒性。
[0003] 存在使用電動(dòng)勢(shì)測(cè)量法的已知的較少傳感器的電機(jī)控制系統(tǒng)。電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量法對(duì) 于高速度（高rpm)運(yùn)作得良好，但對(duì)于低速度（低rpm)電機(jī)較差。然而，對(duì)于一些應(yīng)用 (例如給藥設(shè)備），也必須以低速度精確地控制電機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 因此，本發(fā)明的目的在于提供一種在低速度也具有精確電機(jī)控制的受電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 裝置，其不需要附加傳感器。
[0005] 該目的通過(guò)一種裝置至少部分地得以解決，裝置包括：電動(dòng)電機(jī)，其具有定子、電 樞（尤其是轉(zhuǎn)子）、至少一個(gè)線(xiàn)圈，其中，裝置還包括檢測(cè)部件，其配置為通過(guò)測(cè)量在電機(jī)的 操作期間與線(xiàn)圈有關(guān)的至少一個(gè)電學(xué)量以確定線(xiàn)圈的電感L。通過(guò)提供這種檢測(cè)部件，線(xiàn)圈 電感L是可在電機(jī)操作期間確定的，并且可以據(jù)此計(jì)算電機(jī)的操作參數(shù)（例如當(dāng)前電樞位 置）。
[0006] 該目的進(jìn)一步通過(guò)一種用于操作該裝置的方法至少部分地得以解決，其中，裝置 的檢測(cè)部件通過(guò)測(cè)量在電機(jī)的操作期間與線(xiàn)圈有關(guān)的至少一個(gè)電學(xué)量以確定線(xiàn)圈的電感L 和/或作為線(xiàn)圈的電感L的函數(shù)的電樞的位置。
[0007] 我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)確定在電機(jī)操作期間的線(xiàn)圈電感L，可以對(duì)于例如在給藥設(shè)備中的 應(yīng)用足夠精確地確定電樞位置。此外，通過(guò)測(cè)量與線(xiàn)圈有關(guān)的電學(xué)量而不使用附加感測(cè)部 件（比如例如另外用于例如控制電樞位置的光學(xué)或磁傳感器），電感L被發(fā)現(xiàn)為在操作操作 期間是可確定的。
[0008] 裝置包括電動(dòng)電機(jī)，其具有定子、電樞、至少一個(gè)線(xiàn)圈。電動(dòng)電機(jī)可以是具有定子、 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)式電機(jī)，但也可以是具有定子、線(xiàn)性移動(dòng)電樞的線(xiàn)性電機(jī)。具體地說(shuō)，電機(jī)可以 是醫(yī)療設(shè)備中經(jīng)常使用的DC電機(jī)（尤其是無(wú)刷DC電機(jī)）。電機(jī)可以受線(xiàn)路電流或移動(dòng)功 率模塊（例如電池）供電，并且受控于例如脈寬調(diào)制。電機(jī)的線(xiàn)圈服務(wù)于在電機(jī)內(nèi)生成磁 場(chǎng)，并且可以置于定子或電樞上。在旋轉(zhuǎn)式電機(jī)的情況下，線(xiàn)圈可以例如置于轉(zhuǎn)子上。
[0009] 電機(jī)優(yōu)選地配置為以0. 01與20000rpm之間，優(yōu)選地0. 1與lOOOrpm之間，更優(yōu)選 地1與lOrpm之間的速度工作。該電機(jī)速度典型地用在例如醫(yī)療交付設(shè)備中。
[0010] 裝置還包括檢測(cè)部件。這些檢測(cè)部件可以例如包括連接到用于操作電機(jī)的電路的 電路。例如，檢測(cè)部件可以包括集成電路或模擬電子器件或其組合。檢測(cè)部件配置為確定 線(xiàn)圈的電感L。線(xiàn)圈的電感L 一方面取決于預(yù)定線(xiàn)圈參數(shù)（例如繞組的的數(shù)量、線(xiàn)圈的尺 寸、線(xiàn)圈核心等），另一方面取決于線(xiàn)圈環(huán)境的（時(shí)間依賴(lài)性）磁特性（例如尤其是線(xiàn)圈對(duì) 于電樞的相對(duì)空間定向、裝置（尤其是電機(jī)）的永磁體和/或其它鐵一、超一或抗磁組件）。 電感L隨著時(shí)間的變化因此包含關(guān)于電樞位置（即關(guān)于線(xiàn)圈對(duì)于電樞的相對(duì)空間定向（如 果線(xiàn)圈處于定子上）或關(guān)于線(xiàn)圈對(duì)于定子的相對(duì)空間定向（如果線(xiàn)圈處于電樞上））的信 息。
[0011] 檢測(cè)部件配置為通過(guò)測(cè)量與線(xiàn)圈有關(guān)的至少一個(gè)電學(xué)量以確定線(xiàn)圈的電感L。電 學(xué)量可以具體地是線(xiàn)圈的放電電流（線(xiàn)圈電流）和/或線(xiàn)圈上的電壓（線(xiàn)圈電壓）。例如， 檢測(cè)部件可以包括用于測(cè)量電壓的相應(yīng)電流的安培計(jì)電路或伏特計(jì)電路。至少一個(gè)電學(xué)量 待在電機(jī)操作期間受測(cè)量。因此，檢測(cè)部件必須如此配置以允許在電機(jī)操作期間的測(cè)量。具 體地說(shuō)，檢測(cè)部件包括控件，其配置為在電機(jī)操作期間執(zhí)行測(cè)量。電機(jī)操作在該上下文中尤 其表示電樞處于運(yùn)動(dòng)中，例如，旋轉(zhuǎn)式電機(jī)的轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)。
[0012] 以下將描述裝置和方法的其它實(shí)施例。即使僅關(guān)于這些實(shí)施例之一描述它們，它 們的的特征和優(yōu)點(diǎn)也理解為同樣應(yīng)用于裝置和方法。
[0013] 根據(jù)裝置的實(shí)施例，檢測(cè)部件進(jìn)一步配置為確定作為在電機(jī)的操作期間（尤其是 當(dāng)電樞處于運(yùn)動(dòng)中時(shí)）的線(xiàn)圈的電感L的函數(shù)的電樞的位置。由于線(xiàn)圈電感L尤其是線(xiàn)圈 對(duì)于電樞、磁體、線(xiàn)圈環(huán)境中的組件的空間相對(duì)位置的函數(shù)，因此可根據(jù)時(shí)間依賴(lài)性電感L 確定電動(dòng)電機(jī)的電樞位置。在具有置于定子上的線(xiàn)圈的旋轉(zhuǎn)式電機(jī)的情況下，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)例 如改變轉(zhuǎn)子上的磁體對(duì)于定子上的線(xiàn)圈的相對(duì)位置，由此影響線(xiàn)圈電感L，從而可通過(guò)線(xiàn)圈 電感L的時(shí)間依賴(lài)性測(cè)量確定轉(zhuǎn)子位置。
[0014] 可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真、分析、實(shí)驗(yàn)性測(cè)量或其任何組合關(guān)于特定電機(jī)幾何形狀確 定線(xiàn)圈電感L與的電樞位置之間的特定關(guān)系。例如，線(xiàn)圈電感與電樞位置之間的關(guān)系可以 存儲(chǔ)在裝置的存儲(chǔ)部件上的查找表中，從而在操作期間，可以通過(guò)對(duì)查找表與當(dāng)前線(xiàn)圈電 感測(cè)量進(jìn)行比較推斷當(dāng)前電樞位置。
[0015] 應(yīng)理解，對(duì)于確定作為線(xiàn)圈電感L的函數(shù)的電樞位置，通過(guò)例如將電感L的實(shí)際值 存儲(chǔ)為特定存儲(chǔ)器位置中的變量，無(wú)需首先明確計(jì)算和/或輸出該值。此外，電感L的確 定可以暗含地或明確地合并到電樞位置的確定中，從而電感L的值可以?xún)H顯現(xiàn)為公式的部 分，以確定電樞位置。例如，作為電學(xué)量的函數(shù)的電感L的關(guān)系式可以插入到作為線(xiàn)圈電感 L的函數(shù)的電樞位置的關(guān)系式，產(chǎn)生作為電學(xué)量的函數(shù)的電樞位置的關(guān)系式。
[0016] 根據(jù)裝置的實(shí)施例，裝置還包括脈寬調(diào)制（PWM)電路，其配置為控制電動(dòng)電機(jī)，其 中，脈寬調(diào)制電路配置為在充電時(shí)間段??期間將線(xiàn)圈連接到電壓源，并且在放電時(shí)間段 Trff期間將線(xiàn)圈與電壓源斷連，并且其中，檢測(cè)部件配置為確定在放電時(shí)間段期間來(lái)自 線(xiàn)圈的放電電流。
[0017] 根據(jù)方法的對(duì)應(yīng)實(shí)施例，電動(dòng)電機(jī)受控于PWM，并且檢測(cè)部件確定在PWM的至少一 個(gè)放電時(shí)間段1；"期間來(lái)自線(xiàn)圈的放電電流。
[0018] PWM是一種對(duì)于電機(jī)控制廣泛使用的方法，其中，通過(guò)以快速步速打開(kāi)并且關(guān)閉電 壓源與電機(jī)之間的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)控制饋送到電機(jī)的電壓（或電流）的值，從而打開(kāi) 時(shí)段與關(guān)閉時(shí)段T。"相比越長(zhǎng)，提供給電機(jī)的功率越高。PWM是相對(duì)節(jié)能的，允許電機(jī)的 恰當(dāng)控制，并且可以極大地集成在數(shù)字電子器件中。用于PWM的電子開(kāi)關(guān)可以是例如晶體 管、IGBT 或 MOSFET。
[0019] 然而，歸因于PWM將一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)從關(guān)閉到打開(kāi)或反之亦然的PWM的高頻率，由 于測(cè)量受PWM頻率及其諧波干擾，因此這是對(duì)于確定關(guān)于在操作期間的電動(dòng)電機(jī)的信息的 挑戰(zhàn)。PWM時(shí)段（即從關(guān)閉到打開(kāi)的兩個(gè)連續(xù)切換之間的時(shí)間段（其等于一個(gè)?；η和一個(gè) T#時(shí)段之和））優(yōu)選地處于0. 2ms與100ms之間，更優(yōu)選地處于0. 4ms與10ms之間（例如 大約一毫秒）。
[0020] 我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)確定在PWM的放電時(shí)間段期間來(lái)自線(xiàn)圈的放電電流，線(xiàn)圈電感 L的精確測(cè)量是可能的。
[0021] 在??時(shí)間段期間，線(xiàn)圈連接到電壓源，從而通過(guò)線(xiàn)圈的電流逐漸增加。當(dāng)PWM從 切換到T #時(shí)，電壓源與線(xiàn)圈斷連，線(xiàn)圈反而與具有總電阻R的放電電路連接，從而線(xiàn)圈 放電，并且通過(guò)線(xiàn)圈的電流再次逐漸降低。通過(guò)線(xiàn)圈的增加和降低電流分別稱(chēng)為充電電流 和放電電流。
[0022] 根據(jù)裝置的實(shí)施例，檢測(cè)部件配置為確定用于從第一給定電流值降落到第二給定 電流值的來(lái)自線(xiàn)圈的放電電流的時(shí)間長(zhǎng)度。
[0023] 根據(jù)方法的對(duì)應(yīng)實(shí)施例，檢測(cè)部件確定從第一給定電流值降落到第二給定電流值 的用于來(lái)自線(xiàn)圈的放電電流的時(shí)間長(zhǎng)度。
[0024] 在時(shí)段期間的電流降低通常由放電電流公式給出：
[0025] I (t) = 1〇 · exp (~t · R/L), (1)
[0026] 其中，I (t)是時(shí)間依賴(lài)性放電電流，I。是在相應(yīng)間隔T rff的開(kāi)始時(shí)的線(xiàn)圈電流，R 是線(xiàn)圈放電的放電電路的電阻，L是線(xiàn)圈電感，t是自從線(xiàn)圈放電（即自從具體地在相應(yīng)間 隔T#的開(kāi)始時(shí)線(xiàn)圈連接到放電電路）所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
[0027] 通過(guò)兩個(gè)給定的成對(duì)值（tp I (tD)，（t2, I (t2))，可以通過(guò)以下公式計(jì)算電感L :
[0029] 其中，At = R是線(xiàn)圈放電的電阻。因此，可以根據(jù)放電電流從第一給定電 流值1:降落到第二給定電流值I 2的時(shí)間間隔A t的長(zhǎng)度確定L。
[0030] 第一和第二電流值^和込可以例如給出為在相應(yīng)時(shí)間段ΤΜ的開(kāi)始時(shí)的最大放電 電流I。的百分比。例如，第一和第二電流值可以分別選擇為I。的100%和80%。當(dāng)然，也 可以設(shè)置小于I。的100% (例如90% )的I 1<3
[0031] 根據(jù)裝置的實(shí)施例，檢測(cè)部件配置為