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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen der Position eines Rotors eines elektrischen Motors. Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Schaltung, die in der Lage ist, die Position zu erfassen.
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Um einen bürstenlosen Gleichstrommotor 11 (BLDCM) zu regeln, ist es notwenig, die Position des Rotors 5 der Maschine 1 zu kennen. Die Position des Rotors 5 kann unter Verwendung von Sensoren gefunden werden. Dies ist nicht praktisch in einer Kompressoranwendung wegen einer sehr rauen Umgebung und ebenfalls wegen des Preises. Ein anderer Weg ist der sensorlose Zugang. In der Verdichterindustrie ist das am meisten verwendete fühlerlose Positionsbestimmungsverfahren, das ”direkte BEMF-Verfahren” (direktes gegenelektromagnetische Kraftverfahren), bei dem die Nullpunkt-Kreuzungen der induzierten Maschinenspannung erfasst wird durch Auslesen der Motorrückführungssignale 2 nach 1.
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1 zeigt die Motorrückführsignale 2, die direkt auf den Maschinen (Motor)-Phasen 3 gelesen werden. Die Rückführungssignale 2 werden durch die Steuereinheit 4 verarbeitet, um die geeignete Kommutierungssequenz zum Motor 11 zu bestimmen.
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Mit dem ”direkten BEMF-Verfahren”, das in 1 gezeigt ist (BEMF = Gegenelektromagnetische Kraft) ist es möglich, die Position des Rotors 5 durch jedes 60° elektrisch Intervall zu lesen. Ein Modell 7 (eine repräsentative equivalente Schaltung) für eine BLDCM ist in 2 dargestellt, die einen 3-Phasen-Vollbrückeninverter 8 und Modell 7 eines BLDCM zeigt. Die induzierten Spannungen werden mit ea, eb und ec bezeichnet.
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Der Antrieb des BLDCM 11 wird vorgenommen unter Verwendung einer 2-Phasen-Leitungsstrategie. Das bedeutet, dass idealerweise zwei Phasen 3a, 3b, 3c zu einem Zeitpunkt leiten. In der Realität ist dies nicht vollständig der Fall. Während der Kommutierung zwischen den Phasenfolgen leiten alle drei Phasen 3a, 3b, 3c für eine kurze Zeitperiode. Der Grund dafür ist, dass magnetische Energie (Rückflugenergie) in den Maschineninduktanzen 9 gespeichert ist. Die ”zusätzliche” Phase 3a, 3b, 3c, die für eine kurze Zeitperiode leitet (für die so genannte Demagnetisierungsperiode) nach der Kommutierung spielt eine wichtige Rolle. Von dieser Phase 3a, 3b, 3c wird die Position des Rotors 5 abgeleitet unter Verwendung der BEMF-Spannung (Nullpunktdurchgang der BEMF). Dieses Ereignis wird im Wesentlichen verwendet, um zu bestimmen, wann die Phasenkommutierung stattfindet.
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Im Folgenden wird eine Beschreibung des Antriebs des BLDCM präsentiert. Die relevanten Ereignisse, die dem Antrieb zugeordnet sind, sind: Nullpunktdurchgang der BEMF-Spannung (Z-Ereignis), Kommutierung (C-Ereignis) und Demagnetisierung (D-Ereignis). Diese Ereignisse werden im Folgenden beschrieben. 3 zeigt diese elektrischen Ereignisse für eine elektrische Umdrehung und ist eine rohe Skizze von einigen der relevanten Signale, wenn man einen BLDCM 11 antreibt. Die durchgezogenen Linien in 3 zeigen die gegenelektromagnetischen Kraft-Spannungen des Motors für drei Phasen 3a, 3b, 3c. Die gestrichelten Linien zeigen die drei Motorphasenströme Ia, Ib, Ic.
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3 zeigt drei Ereignisse, die von Relevanz für den Antrieb eines BLDCM
11 sind: Nullpunktdurchgang der BEMF (Z-Ereignis), Kommutierung (C-Ereignis) und Demagnetisierung (D-Ereignis). Weiterhin kann man sehen, dass sich die Phasen-BEMF-Spannungen e
a, e
b, e
c und die Phasenströme I
a, I
b, I
c jeweils nach 360° elektrisch wiederholen.
3 zeigt auch, dass die drei zuvor erwähnten Ereignisse (d. h. das Z-Ereignis, C-Ereignis und D-Ereignis) jeweils alle 60° elektrisch vorhanden sind. Der Antrieb des BLDCM mit trapezoidförmigen Phasen-BEMF-Spannungen e
a, e
b , e
c wird unter Verwendung einer 6-Schritt-Verfahrensweise vorgenommen, wo herkömmlich zwei Phasen
3a,
3b,
3c über jeweils 60° elektrisch leiten. Diese 6-Schritt-Betriebsweise ist in Tabelle 1 dargestellt.
| Grad elektrisch | 60 | 120 | 180 | 240 | 300 | 360 |
| Phase A Strom | Positive Stromeinspeisung
(+Ia) | | Negative Stromeinspeisung
(–Ia) | Negative Stromeinspeisung
(–Ia) | | Positive Stromeinspeisung
(+Ia) |
| Phase B Strom | | Positive Stromeinspeisung
(+Ib) | Positive Stromeinspeisung
(+Ib) | | Negative Stromeinspeisung
(–Ib) | Negative Stromeinspeisung
(–Ib) |
| Phase C Strom | Negative Stromeinspeisung
(–Ic) | Negative Stromeinspeisung
(–Ic) | | Positive Stromeinspeisung
(+Ic) | Positive Stromeinspeisung
(+Ic) | |
Tabelle 1
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Tabelle 1 und 3 zeigen, dass diese Strategie darauf gestützt ist, 120° elektrisch Stromimpulse in den BLDCM 11 einzuspeisen.
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Wenn man Phase B studiert, kann man sehen, dass das erste Ereignis, das stattfindet, die Demagnetisierung ist (bei dem Intervall zwischen 0° elektrisch – was ”identisch” mit 360° elektrisch ist – und 60° elektrisch direkt folgend dem vorangehenden Intervall, insbesondere dem vorangehenden Intervall zwischen 240° 360° elektrisch, wo ein negativer Strom –Ib eingespeist wird). Dieser abgeschlossene Demagnetisierungsintervall findet statt wegen der Energiespeicherung in der Induktanz 9b. Die Stromfolge geht von (+Ia, –Ib) (zwischen 300° und 360° elektrisch) bis (+Ia, –Ic) (zwischen 0° = 360° elektrisch und 60° elektrisch). Dies bedeutet, dass an diesem Punkt kein weiterer Strom Ib in Phase B eingespeist wird. Die Phasen B Induktanz 9b enthält magnetische Feldenergie. Diese magnetische Feldenergie wird freigegeben (Rückflugeffekt) zurück in den Drei-Phasen-Vollbrückeninverter 8. Das Ende der Demagnetisierung kann angesehen werden als ein Sprung auf den Motorpotentialspannungen eb auf dem BLDCM 11, weil der Energiepfad normalerweise durch die Freilaufdioden 10 in dem Drei-Phasen-Vollbrückeninverter 8 ist und dies bedeutet, dass die Motorpotentialspannungen ea, eb, ec anfangs an der positiven oder negativen Gleichstromverbindungsschiene sind (hier wird ein Spannungsabfall über die Freilaufdioden 10 aus der Betrachtung herausgelassen), bis die jeweilige Phaseninduktanz 9a, 9b, 9c energielos gemacht wird. Wenn die Phase 3a, 3b, 3c energielos gemacht wird, kehrt das jeweilige Motorpotential ea, eb , ec zurück zu grob der halben Gleichstromschienenspannung Vdc.
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Das nächste Ereignis, das anwesend ist, ist der Nullpunktdurchgang der BEMF-Spannung eb der Phase B (zwischen 0° elektrisch und 60° elektrisch). Dieses Ereignis kann leicht gesehen werden auf dem Motorpotential eb der Phase B, weil die Phase B energielos gemacht wird (kein Strom Ib fließt). Hier kann man sehen, dass die Steigung der B BEMF-Spannung es ansteigt. Der Nullpunktdurchgang wird gesucht. Dieser Nullpunktdurchgang wird bei einem gewissen elektrischen Winkel (theoretisch bei 30° elektrisch) nach dem Kommutierungsereignis hervorgerufen. Das bedeutet, dass die Stromfolge von (+Ia, –Ic) zu (+Ib, –Ic) usw. geht. Die Folge hier ist, Ia, Ib, Ic in die Phase zur richtigen Zeit einzuspeisen, um ein optimales Motormoment zu erzeugen. Hier sollte bemerkt werden, dass die augenblickliche Leistung an der Welle 5 berechnet werden kann als:
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Gleichung 1:
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PWelle = Ia·ea + Ib·eb + Ic·ec
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Worin
- • Ia, Ib und Ic der augenblickliche Motorphasenstrom (gemessen in Ampere [A]) ist.
- • ea, eb und ec die augenblickliche Spannung pro Phase (gemessen in Volt [V]) ist.
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Es ist möglich, die folgende Tabelle (d. h. Tabelle 2) aufzustellen, die ein allgemeines Bild für die Regelung eines BLDC Motors
11 zeigt.
| Signale\Grad elektrisch [° elektrisch] | 60 | 120 | 180 | 240 | 300 | 360 |
| Phase A BEMF-Spannung | | Fallende BEMF\ | | | Ansteigende BEMF/ | |
| Phase B BEMF-Spannung | Ansteigende BEMF/ | | | Fallende BEMF\ | | |
| Phase C BEMF-Spannung | | | Ansteigende BEMF/ | | | Fallende BEMF\ |
| Phase A Strom | Positive Stromeinspeisung | | Negative Stromeinspeisung | Negative Stromeinspeisung | | Positive Stromeinspeisung |
| Phase B Strom | | Positive Stromeinspeisung | Positive Stromeinspeisung | | Negative Stromeinspeisung | Negative Stromeinspeisung |
| Phase C Strom | Negative Stromeinspeisung | Negative Stromeinspeisung | | Positive Stromeinspeisung | Positive Stromeinspeisung | |
Tabelle 2
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Um ein optimales Motormoment zu erzeugen, ist es wesentlich, dass die in Tabelle 2 erwähnten Ereignisse ordentlich gehandhabt werden. Die beiden Ereignisse, die erfasst und validiert werden müssen, sind die Demagnetisierung (D-Ereignis) und der Nullpunktdurchgang (Z-Ereignis) der BEMF. Das Kommutierungsereignis (C-Ereignis) basiert auf dem Nullpunktdurchgang der BEMF. Um diese Ereignisse zu erfassen und zu validieren, ist eine gewisse externe Schaltung notwendig zusammen mit einem Prozessor mit einem eingebauten Komparator (z. B. eine Regeleinheit 4).
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Die Erfassung wird gehandhabt als ein Vergleich zwischen den Motorpotentialspannungen ea, eb , ec und dem Potential des Motorsternpunkts 12, 15. Diese Aspekte werden weiter unten beschrieben.
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Das folgende sollte in Erinnerung bleiben:
- • Die 6-Schritt-Betriebsweise ist auf eine Zwei-Phasen-Leitungsstrategie gestützt, wenn man die Demagnetisierung außer Betracht lässt.
- • Die energielos gemachten Phasen 3a, 3b, 3c werden verwendet, um den Nullpunktdurchgang der BEMF zu erfassen, um eine optimale Momenterzeugung sicherzustellen.
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Die Größe der BEMF-Spannungen ea, eb , ec ist maschinengeschwindigkeitsabhängig. Das bedeutet, dass bei niedrigen Geschwindigkeiten des Motors 11 die BEMF-Spannungen ea, eb , ec klein sind. Deswegen ist es relativ schwierig, einen BLDCM 11 zu starten wegen der fehlenden BEMF-Spannungen ea, eb , ec (oder um genauer zu sein: die BEMF-Spannungen ea, eb , ec sind nicht groß genug, um durch die Regeleinheit 4 mit ausreichender Genauigkeit verarbeitet zu werden). Die Motorrückführsignale 2 in 1 sollten sehr sorgfältig betrachtet werden, weil dies der Schlüssel zum Erfolg ist, wenn man den Nullpunktdurchgang der BEMF erfasst. Einige Beispiele für die Motorrückführsignale 2 werden unten vorgestellt.
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Beispiele für die Motorrückführsignale:
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Neue Kompressortechnologie-bürstenlose Gleichstrommaschinen (Motoren) 11 (BLDC) mit beträchtlich höheren Trägheitsmomenten sind zwischenzeitlich eingeführt worden. Dies gibt Anlass zu einigen kritischen Herausforderungen. Insbesondere, wenn Startverfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden, ist es notwendig, Maschinengeschwindigkeit aufzubauen (in der Lage zu sein, den Nullpunktdurchgang der BEMF-Spannung mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen) durch Laufen in einer Schrittbetriebsweise für eine längere Zeitdauer (ein Verfahren für diese anfängliche Startphase eines BLDC 11 ist an sich im Stand der Technik bekannt). Dies ist sehr kritisch, weil es ein mögliches Risiko gibt, die Position des Rotors 5 zu verlieren wegen der unbekannten Kompressorbelastung (oder anderer mechanischer Belastung).
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Ein typisches Beispiel einer früher verwendeten BEMF-Schaltung 13 ist in 4 gezeigt. Mit dieser Schaltung 13, die in 4 gezeigt ist, werden die Motorrückführsignale ea, eb, ec von den Phasen 3a, 3b, 3c gedämpft durch die Spannungsteiler 14 (R10 und R13; R11 und R14; R12 und R15). Dies ist nicht ideal für diese BLDCMs 11 mit hoher Trägheit wegen des längeren schrittbetriebsweisen Betriebs und der Möglichkeit, die Position des Rotors 5 zu ”verlieren”.
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Eine mögliche Lösung für die Herausforderung der hohen Trägheit könnte sein, die Bodenwiderstände (R13, R14, R15 in 4 werden R4, R5, R6 in 5) abzutrennen und es der Regeleinheit 4 zu erlauben, die nicht unterdrückten BEMF-Signale zu erfassen. Dieses Verfahren wird in 5 vorgestellt. In diesem Verfahren wird die Erfassung des Nullpunktdurchgangs synchron mit der pulsbreiten Modulation (PWM) des Drei-Phasen-Vollbrückeninverters 8 vorgenommen in der Aus-Zeit, wo der Nullpunktdurchgang der BEMF-Spannung sich auf Masse beziehen kann.
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Der Nachteil ist, dass es nicht möglich ist, 100% PWM zu verwenden, was eine Verschlechterung in der maximalen Maschinengeschwindigkeit ergibt, die erzielt werden könnte.
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Um (im wesentlichen) 100% PWM bei höheren Geschwindigkeiten zu bekommen, ist es notwendig, die unteren Widerstände mit Masse zu verbinden (wie es mit R13, R14, R15 in 4 gemacht ist) und die Motorrückführsignale zu unterdrücken. Die Erfassung des Nullpunktdurchgangs der BEMF-Spannung wird dann synchron mit der PWM in der An-Zeit vorgenommen. Der Bezug bei hohen Geschwindigkeiten wird dann der tatsächliche Maschinensternpunkt 12 sein, der 4 erzeugt wird.
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Die Unterbrechung/Verbindung der unteren Widerstände (R4, R5, R6 in 5) mit Masse wird vorgenommen über einige digitale Stifte auf der Steuereinheit, vergleiche 5, die eine modifizierte BEMF-Schaltung zeigt.
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Der Aufbau, der in 5 gezeigt, ist wird jedoch nicht arbeiten, da Signal auf EMK_A beeinflusst wird durch den Signalpegel auf EMK_B oder EMK_C durch die Widerstände (R7, R8, R9 in 5), die verwendet werden, um den Sternpunkt 12 zu erzeugen. 325 V Gleichstrom werden auf einer der anderen Motorphasen 3a, 3b, 3c vorhanden sein und dies wird beträchtlich das Signal stören, das dafür vorgesehen ist, gemessen zu werden.
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Eine Lösung könnte sein, den Widerstand zu dem Sternpunkt 12 auf ein Niveau zu vergrößern, wo diese Störung nicht länger ein Problem ist, aber da die oberen Spannungsteilerwiderstände (R1, R2, R3 in 5) im Megaohmbereich sind, um Verluste zu begrenzen, müssen die Widerstände (R7, R8, R9 in 5) zu dem Sternpunkt 12 Zehner von Megaohm sein, um den Einfluss zu begrenzen. Wenn man dies tut, wird der Sternpunkt 12 sehr empfindlich auf eingekuppelte Störung und Widerstandswerte in diesem Bereich sind nicht sehr stabil, wenn es zu Staub und Feuchtigkeit kommt, was den Sternpunkt 12 unzuverlässig macht.
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Eine andere Lösung ist es, einen verschobenen Sternpunkt 15 zu erzeugen, der in 6 gezeigt ist.
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Die in 6 gezeigte Lösung wird arbeiten, aber wird zu zwei Mal so vielen Verlusten in der BEMF-Schaltung führen und sie dadurch unattraktiv machen, wenn man hoch effiziente Schaltungen benötigt.
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Eine dritte Lösung wird sein, den Maschinensternpunkt (nicht gezeigt) zu erzeugen unter Verwendung der Gleichstrombus-Spannung, um einen verschobenen Sternpunkt 15 zu erzeugen. Jedoch könnte dies möglicherweise falsche Erfassungen der Nullpunktdurchgänge der BEMF-Spannung ergeben.
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Deswegen gibt es immer noch einen Bedarf für ein verbessertes Verfahren zum Erfassen der Position eines Rotors eines elektrischen Motors. In gleicher Weise gibt es einen Bedarf für eine verbesserte Schaltung zur Erfassung der Position eines Rotors eines elektrischen Motors.
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Es ist deswegen eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erfassen der Position eines Rotors eines elektrischen Motors zur Verfügung zu stellen, das gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verbessert ist. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Schaltung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, die Position eines Rotors eines elektrischen Motors zu erfassen und die gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Schaltungen verbessert ist.
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Die Erfindung löst dieses Problem.
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Es wird vorgeschlagen, ein Verfahren zur Erfassung der Position eines Rotors eines elektrischen Motors durchzuführen, das mindestens teilweise eine Gegenelektromagnetische-Kraft-Spannung von mindestens einer Motorphase des elektrischen Motors verwendet durch Abtasten mindestens einer Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannung mindestens einer Motorphase und Erfassen eines Durchgangs eines bestimmten Spannungspegels der Gegenmagnetischen-Kraft-Spannung, wobei die Phasen des elektrischen Motors über einen gemeinsamen Stern miteinander verbunden sind in einer Weise, dass zumindest eine Motorphase zumindest zeitweilig teilweise elektrisch von dem Sternpunkt entkoppelt ist durch mindestens eine elektrische Entkopplungseinrichtung. Im Prinzip kann der elektrische Motor eine im Wesentlichen wahlfreie Zahl von Motorphasen haben. Als ein Beispiel, kann er zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf oder selbst mehr Motorphasen haben (wobei der typische Aufbau mit einer geraden Anzahl von Motorphasen ist). Die Abtastung der mindestens einen Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannung mindestens einer Motorphase kann vorgenommen werden mit im Wesentlichen allen Mitteln, die im Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann eine Spannungsmessung über einen Widerstand oder die Messung eines magnetischen Felds (Stärke) und/oder eines magnetischen Felds (Stärke) und/oder einer magnetischen Feld (Stärke) Variation ins Auge gefasst werden. Die Abtastung kann ausgelesen und verarbeitet werden durch eine analoge und/oder eine digitale Schaltung. Insbesondere können digitale Verarbeitungseinheiten (wie ein Einplatinen-Computer oder der gleichen) verwendet werden. Solche Einrichtungen können ebenfalls verwendet werden zum Steuern des Stroms, der dem elektrischen Motor zugeführt wird. Wie es bei elektrischen Motoren üblich ist, werden die unterschiedlichen Phasen des elektrischen Motors miteinander verbunden über einen gemeinsamen Stern. Dies bedeutet nicht notwendigerweise, dass sie direkt verbunden sind, beispielsweise durch (im Wesentlichen) Kurzschließen der jeweiligen Leitungen. Stattdessen ist es möglich, dass Widerstände oder andere Einrichtungen in Reihe mit und/oder parallel zu den jeweiligen Leitungen gelegt werden. Der Sternpunkt selbst kann geerdet sein (wahrscheinlich durch einen Widerstand oder dergleichen) und/oder er kann flotieren (dadurch, dass er von Masse getrennt wird, und/oder durch Verwendung eines Widerstands mit einem hohen Widerstandswert, beispielsweise im Bereich von Megaohm oder selbst darüber hinaus). Nach dem vorliegenden Vorschlag wird mindestens eine Phase zumindest zeitweilig teilweise elektrisch von dem Sternpunkt entkoppelt durch mindestens eine elektrische Entkupplungseinrichtung. Das elektrische Entkoppeln kann in einer großen Vielzahl von Wegen vorgenommen werden. Insbesondere ist es möglich, dass eine Richtung des elektrischen Stroms der anderen vorgezogen wird (eine extreme Form würde eine Diode sein, wo der Vorzug im Wesentlichen ”100” ist; es sind jedoch auch ”kleinere” Vorzüge möglich). Es ist auch möglich, dass eine Verbindung (einschließlich eine Verbindung, die eine Richtung bevorzugt) eingerichtet wird lediglich während bestimmter Zeitintervalle. Weiterhin ist es möglich, dass die partielle elektrische Entkopplung durchgeführt wird durch ein nicht-lineares Verhalten der elektrischen Kopplung (als ein Mittel des Vergleichs sollte ein elektrischer Standard-Widerstand ein lineares Verhalten zeigen zwischen der angelegten Spannung und dem Strom, der durch den Widerstand geht). Ein nicht-lineares Verhalten kann auch eine Verstärkungseinrichtung einschließen (einschließlich Verstärkungseinrichtungen, die eine Richtung vor einer anderen bevorzugen).
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Während es im Prinzip ausreichend ist, dass mindestens eine Gegenelektromagnetische-Kraft-Spaltung abgetastet wird und/oder mindestens eine Motorphase zumindest zeitweilig teilweise elektrisch von dem Sternpunkt entkoppelt wird, ist es bevorzugt, wenn eine Vielzahl und/oder (im Wesentlichen) alle Gegenelektromagnetische-Kraft-Spannung abgetastet beziehungsweise, wenn eine Vielzahl und/oder (im Wesentlichen) alle Motorphasen teilweise elektrisch entkoppelt werden. Als eine Daumenregel: je mehr Gegenelektromagnetische-Kraft-Spannungen abgetastet und/oder je mehr Motorphasen teilweise elektrisch entkoppelt werden, desto besser ist die Positionserfassung. Als Spannungsniveau, das für die Erfassung verwendet wird, können im Wesentlichen alle Spannungsniveaus verwendet werden. Insbesondere sind bestimmte Niveaus bevorzugt, wie ein Niveau (dicht) an der auftretenden Maximal- und/oder der Minimal-Spannung. Insbesondere bevorzugt wird ein ”Nullpunktdurchgang” erfasst. Der ”Nullpunktdurchgang” kann ein Null-Massenniveau und/oder ein Spannungsniveau sein, das zwischen zwei Potentialen eine Gleichstrom-Spannungsversorgung ist und/oder ein Spannungsniveau, das zwischen einem auftretenden maximalen Spannungsniveau beziehungsweise einem minimalen Spannungsniveau liegt. Andere Potentiale sind natürlich ebenfalls möglich.
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Insbesondere kann das Verfahren verwendet werden in einer Weise, dass zumindest eine Gegenelektromotorische Kraft-Spannung verglichen wird mit einer Referenzspannung. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Ausführungsform ins Auge gefasst werden. Normalerweise können Referenzspannungen vergleichsweise leicht erzeugt werden. Ein Vergleich kann vorgenommen werden auf einen ”Null-Differenz” Vergleich. Solch ein Vergleich kann besonders präzise und/oder besonders einfach sein.
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Obwohl es möglich ist, eine große Verschiedenheit von Spannungsniveaus zu erfassen, ist es bevorzugt, das Verfahren in einer Weise zu verwenden, dass ein Nullpunktdurchgang von mindestens einer Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannung erfasst wird. Solch ein Nullpunktdurchgang ist typischerweise sehr bedeutsam für die Bestimmung der Position des Rotors. Mit der Bezeichnung ”Nullpunktdurchgang” ist nicht notwendigerweise ein Durchgang eines Masseniveaupotentials gemeint. Stattdessen, insbesondere falls ein elektrischer Motor verwendet wird, der galvanisch vom Masseniveau getrennt ist, können andere Potentiale verwendet werden. Eine besonders gut geeignete Ausführungsform kann erhalten werden, wenn ein Mittelspannungspotentialniveau zwischen den beiden Potentialen einer Leistungsversorgung (insbesondere einer Gleichstromleistungsversorgung und/oder den ”Extremen” einer Wechselspannungsleistungsversorgung) verwendet wird als ein Nullniveau zum Erfassen des Nullpunktdurchgangs.
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Es ist bevorzugt, wenn mindestens eine elektrische Entkopplungseinrichtung zumindest teilweise gestaltet ist als eine nicht-lineare elektrische Entkopplungseinrichtung. Erste Versuche haben gezeigt, dass solch ein nichtlineares Verhalten ausreichend sein kann zum Verbessern der Erfassung. Insbesondere kann eine Nicht-Linearität auftreten, indem man ein nicht-lineares Verhalten zwischen angelegter Spannung und dem sich ergebenden Strom hat und/oder wenn eine Richtung vor der anderen bevorzugt wird. Um einfach einige typische elektronische Komponenten zu nennen, die ein nicht-lineares Verhalten zeigen, Dioden, Zener-Dioden, DIACs, TRIACs, IGBTs, Transistoren, FETs, MOSFETs, Operationsverstärker oder dergleichen können verwendet werden.
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Insbesondere ist es bevorzugt, das Verfahren in einer Weise durchzuführen, dass mindestens eine elektrische Entkopplungseinrichtung zumindest teilweise als eine Verstärkungseinrichtung gestaltet ist, insbesondere als eine Operationsverstärkereinrichtung. Insbesondere kann eine solche Verstärkungseinrichtung ein nicht-lineares Verhalten zeigen (obwohl ein lineares Verstärkungsverhalten, zumindest über ein breites Intervall), das ebenfalls zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden kann. Um einfach ein paar elektronische Komponenten zu nennen, die ein Verstärkungsverhalten zeigen, können Transistoren, FETs, MOSFETs, IGBTs, Operationsverstärker oder dergleichen verwendet werden. Experimente haben gezeigt, dass insbesondere Operationsverstärker (oder elektronische Komponenten, die ein ähnliches Verstärkungsverhalten haben) besonders gut geeignet sind zum Durchführen des vorliegend vorgeschlagenen Verfahrens.
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Es wird ferner vorgeschlagen, dass zumindest eine Gegenelektromagnetische-Kraft-Spannung gemessen wird zumindest an Zeitpunkten während eines im Wesentlichen Voll-Pulsbereiten-Modulation-Abtastzyklus. Heutzutage (insbesondere, wenn Inverter zum Antreiben von elektrischen Motoren verwendet werden), sind elektrische Motoren ziemlich oft geregelt durch eine Pulsbreiten-Modulation (PWM). Früher vorgeschlagene Verfahren zum Erfassen der Position eines Rotors eines elektrischen Motors haben typischerweise den Nachteil, dass eine Positionserfassung nicht durchgeführt werden kann (mit ausreichender Präzision oder überhaupt), wenn der Motor mit (im Wesentlichen) 100% Pulsbreiten-Modulation-Abtastzyklus angetrieben wird. Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist dies jedoch möglich. Deswegen kann die Leistung und/oder das Moment des elektrischen Motors in vollem Ausmaß verwendet werden, was besonders vorteilhaft ist.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, das Verfahren zumindest zeitweilig während eines Betriebs des elektrischen Motors mit niedriger Geschwindigkeit zu verwenden. Dies ist ein weiterer Vorteil des vorliegend vorgeschlagenen Verfahrens, da erste Experimente gezeigt haben, dass die gemessene Genauigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens vergleichsweise hoch ist, selbst bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten des elektrischen Motors. Insbesondere in Kombination mit der Verwendung eines 100% PWM Abtastzyklus ist dies sehr vorteilhaft. Als eine Daumenregel, wenn das Verfahren sehr früh verwendet wird, kann eine anfängliche Startphase (beispielsweise unter Verwendung eines Schrittmotorverhaltens) abgekürzt werden, was es möglich macht, die Startzeit zu verkürzen.
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Weiterhin wird eine elektrische Schaltungseinrichtung zum Erfassen der Position eines elektrischen Motors unter Verwendung mindestens teilweise einer Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannung mindestens einer Motorphase des elektrischen Motors vorgeschlagen, wobei die Phasen des elektrischen Motors miteinander durch einen gemeinsamen Sternpunkt verbunden sind, die mindestens eine Abtasteinrichtung zum Abtasten mindestens einer Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannung mindestens einer Motorphase und mindestens eine Auswertereinrichtung zum Erfassen eines Durchgangs eines bestimmten Spannungsniveaus der Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannung aufweist, wobei mindestens eine elektrische Entkopplungseinrichtung verwendet wird, die für mindestens eine Motorphase verwendet wird und die partiell elektrisch mindestens zeitweilig diese Motorphase von dem Sternpunkt entkoppelt. Unter Verwendung solch einer elektrischen Schaltungseinrichtung können die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile üblicherweise ebenfalls erreicht werden, zumindest in analoger Weise. Weiterhin ist es möglich, die elektrische Schaltungseinrichtung in dem zuvor beschriebenen Sinne, zumindest in analoger Weise, ebenfalls zu modifizieren.
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Insbesondere ist es möglich, die elektrische Schaltungseinrichtung in einer Weise zu modifizieren, dass die mindestens eine elektrische Entkopplungseinrichtung zumindest teilweise als eine Verstärkungseinrichtung gestaltet ist, insbesondere als eine Operationsverstärkereinrichtung. Unter Verwendung solch einer Ausführungsform können die zuvor beschriebenen Merkmale und Vorteile üblicherweise ebenfalls verwendet werden, zumindest in einer analogen Weise.
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die elektrische Schaltungsanordnung durch einen elektrischen Motor ”vervollständigt” wird. Insbesondere kann der elektrische Motor mit einem Kompressor verbunden sein, was zu einer typischerweise besonders vorteilhaften Ausgestaltung führt. Insbesondere ist es möglich, eine vormontierte Gruppe zu vermarkten, die eine elektrische Schaltungseinrichtung und/oder einen elektrischen Motor und/oder eine Kompressoreinrichtung als eine vorfabrizierte Gruppe und/oder als einen Konstruktionssatz aufweist.
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Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden klarer, wenn man die nachfolgende Beschreibung von möglichen Ausführungsformen der Erfindung betrachtet, die beschrieben werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die zeigen:
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1 eine mögliche Ausführungsform eines elektrischen Motors mit einer Regeleinheit in einem schematischen Schaltungsdiagram;
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2 eine mögliche Ausführungsform einer elektrischen Schaltung eines elektrischen Inverters zum Antrieb eines Drei-Phasen-Elektromotors;
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3 ein mögliches Betätigungsschema für einen bürstenlosen Gleichstrommotor und die Rückführung durch den elektrischen Motor;
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4 eine erste Ausführungsform einer elektrischen Schaltung zum Gewinnen eines Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannungssignals;
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5 eine zweite Ausführungsform einer elektrischen Schaltung zum Gewinnen eines Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannungssignals;
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6 eine dritte Ausführungsform einer elektrischen Schaltung zum Gewinnen eines Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannungssignals;
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7 eine vierte Ausführungsform einer elektrischen Schaltung zum Gewinnen eines Gegenelektromagnetischen-Kraft-Spannungssignals;
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7 zeigt eine Ausführungsform einer verbesserten Schaltung 17 zum Erfassen des Nulldurchgangs (Z-Ereignis) der BEMF. Die vorgeschlagene Schaltung 17, die in 7 gezeigt ist, weist Operationsverstärker 16 auf zum teilweisen elektrischen Entkoppeln des Sternpunkts 12.
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Die in 7 gezeigte Schaltung 17 macht es möglich, das Folgende zu kombinieren.
- • Minimierung des Schritt-Betriebsweisen-Betriebs wegen der Fähigkeit, den Nullpunktdurchgang (Z-Ereignis) der BEMF-Spannung bei niedrigen Geschwindigkeiten zu erfassen. Erfassung des Nullpunktdurchgangs der BEMF-Spannung bei niedrigen Geschwindigkeiten ist kritisch, um in der Lage zu sein, mit Maschinen hoher Trägheit, beispielsweise Kompressoren, zu arbeiten.
- • Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit und hoher Geschwindigkeit unter Verwendung von 100% PWM, die keine unzulässige Verschlechterung in der Geschwindigkeitsleistung ergibt.
- • Schaltung mit niedrigen Verlusten wegen eines nichtgetrennten Sternpunkts.
- • Aufrechterhalten eines korrekten Sternpunkts 12, um inkorrekte Erfassung des Nullpunktdurchgangs des Sternpunkts 12 zu vermeiden.
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Insbesondere kann die Erfindung wie folgt betrachtet werden:
Ein Verfahren zum Erfassen eines Nullpunktdurchgangs einer Gegen-EMF, wobei das Verfahren aufweist:
- – Abtasten einer Gegen-EMF-Spannung einer Motorphase während 100% PWM Abtastzyklus,
- – Vergleichen der abgetasteten Gegen-EMF-Spannung mit einer Referenzspannung,
- – Erfassen eines Nullpunktdurchgangs, gestützt auf den Vergleich der Gegen-EMF-Spannung und der Referenz-Spannung und
- – Entkoppeln eines Sternpunkts mit Hilfe von Verstärker, Motorphasen und dem Sternpunkt.
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Zusätzliche Information kann aus den Anmeldungen entnommen werden, die unter den Aktenzeichen 10 2012 006 492.6 und 10 2012 006 495.0 am gleichen Tag wie vorliegende Anmeldung eingereicht worden sind. Die Offenbarung dieser Anmeldungen wird in die vorliegende Anmeldung als Zitat aufgenommen. Und insbesondere ist es möglich, die Vorschläge zu kombinieren, die in allen dieser drei Anmeldungen gemacht worden sind.
