DE102012013652A1

DE102012013652A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines bürstenlosen Elektroantriebs

Info

Publication number: DE102012013652A1
Application number: DE102012013652A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schwarzkopf
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2013-11-07
Also published as: CN104321961A; KR20150013229A; WO2013164092A2; KR101685462B1; WO2013164092A3; CN104321961B; US20150054441A1; DE112013002301A5; US9337758B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines wenigstens zweiphasigen, insbesondere dreiphasigen bürstenlosen Elektroantriebs mit wenigstens zwei Phasenwicklungen (U, V, W), die jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss (9, 12, 13, 14) aufweisen, wobei ein zweiter Anschluss einer ersten Phasenwicklung (W) mit dem ersten Anschluss einer zweiten Phasenwicklung (V) an einem gemeinsamen Verbindungsanschluss (1) elektrisch verbunden ist. Um eine auch bei geringen Drehzahlen zuverlässige Positionsbestimmung des Elektroantriebs zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Anschluss (9) der ersten Phasenwicklung (W) und dem zweiten Anschluss (30) der zweiten Phasenwicklung (V) ein Spannungsimpuls angelegt wird, dass an dem Verbindungsanschluss (1) oder an einer mit diesem verbundenen dritten Phasenwicklung die dort sich einstellende Spannung erfasst und daraus das Spannungsteilungsverhältnis zwischen der ersten Phasenwicklung (W) und der zweiten Phasenwicklung (V) bestimmt und dass aus dem Spannungsteilungsverhältnis das Verhältnis zwischen den variablen Induktivitäten bestimmt wird.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektroantriebe und bezieht sich auf bürstenlose Antriebe und deren Positionsbestimmung.
Zur Vermeidung der bekannten Nachteile von Elektroantrieben, insbesondere Elektromotoren mit mechanischen Kommutatoreinrichtungen in Form von Bürsten, wie beispielsweise des entstehenden Bürstenfeuers und der Abnutzungsprobleme der mechanischen Kommutatoreinrichtung mit entsprechenden Nutzleistungsverlusten, wurden unter Ausnutzung der Möglichkeiten der Leistungselektronik sogenannte bürstenlose Elektroantriebe entwickelt, deren Störungsanfälligkeit wesentlich geringer ist und deren Verschleiß im Wesentlichen durch den Lagerverschleiß bestimmt und damit sehr gering ist.
Bei einem derartigen bürstenlosen Elektroantrieb weist der Rotor eine Anzahl von Permanentmagnete auf, die sich in einem rotierenden Magnetfeld des mit Phasen- oder Spulenwicklungen versehenen Stators bewegen. Die Spulen des Stators werden mit Leistungshalbleiterschaltern, insbesondere mit Leistungstransitoren, insbesondere MOSFET's angesteuert. Die Ansteuerung der verschiedenen Phasenwicklungen des Stators erfolgt zyklisch. Um eine zuverlässige Ansteuerung und Regelung eines derartigen Antriebes zu ermöglichen, ist die Ermittlung der Ist-Position des Rotors notwendig, um Drehzahldifferenzen zwischen Soll- und Ist-Drehzahl zu minimieren. Damit kann auch auf wechselnde Lasten des Antriebs optimal reagiert werden.
Zur Positionsbestimmung eines derartigen Rotors eines bürstenlosen Elektroantriebes können Hallsensoren eingesetzt werden. Eine derartige Lösung ist jedoch kostenintensiv und störungsanfällig.
Zudem kann die durch die Drehbewegung des Rotors in der Statorwicklung induzierte Spannung, die sogenannte Elektromotorische Kraft (EMK, engl. EMF), zur Positions- und Drehzahlbestimmung hergezogen werden. Diese Methode ist jedoch besonders bei niedrigen Drehzahlen unzuverlässig und funktioniert bei niedrigsten Drehzahlen nicht.
Auch ist es denkbar, diejenige strominduzierte Spannung über den Phasenwicklungen zu ermitteln, die bekanntermaßen von der Änderung des Speisestroms und der variablen Induktivität abhängt. Solche Messverfahren sind jedoch insbesondere bei Ansteuerung mit pulsweitenmodulierten Signalen stark gestört und benötigen außerdem, wenn spezielle Messimpulse verwendet werden, eine bestimmte Mindestdauer des Messimpulses, um eine spezifische Stromänderung bestimmen zu können. Entsprechend langzeitige Messimpulse können aber den Antrieb stören und Drehmomentwelligkeiten erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung von bürstenlosen Elektroantrieben anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und mit besonders geringem konstruktiven und schaltungstechnischen Aufwand eine zuverlässige Positionsbestimmung auch bei niedrigen Drehzahlen und im Stillstand eines Antriebs erlauben.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bzgl. der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
Die Erfindung bezieht sich demnach auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines wenigstens zweiphasigen, insbesondere dreiphasigen bürstenlosen Elektroantriebs mit wenigstens zwei Phasenwicklungen, die jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweisen. Ein zweiter Anschluss einer ersten Phasenwicklung ist mit dem ersten Anschluss einer zweiten Phasenwicklung an einem gemeinsamen Verbindungsanschluss elektrisch verbunden. Dabei ist mit einer Phasenwicklung jeweils eine durch eine Phase gespeiste Wicklung des Stators oder eine von einer einzelnen Phase gespeiste Gruppe von Wicklungen des Stators gemeint. Eine solche Gruppe von Wicklungen kann beispielsweise eine der Anzahl der Polpaare des Rotors entsprechende Anzahl von Einzelwicklungen aufweisen. Mit einem bürstenlosen Elektroantrieb ist im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein bürstenloser dreiphasiger Elektromotor in Sternschaltung oder Dreieckschaltung gemeint. Grundsätzlich ist die Erfindung aber beispielsweise auch auf Linearantriebe anwendbar.
Erfindungsgemäß wird zwischen den ersten Anschluss der ersten Phasenwicklung und den zweiten Anschluss der zweiten Phasenwicklung wenigstens ein Spannungsimpuls angelegt. An dem Verbindungsanschluss oder an einer mit diesem verbundenen dritten Phasenwicklung wird die dort sich einstellende Spannung erfasst und daraus das Spannungsteilungsverhältnis zwischen der ersten Phasenwicklung und der zweiten Phasenwicklung bestimmt wobei insbesondere falls die sich einstellende Spannung an der dritten Phasenwicklung erfasst werden soll, der Spannungsimpuls angelegt wird, während die dritte Phasenwicklung (U) stromlos ist. Aus dem Spannungsteilungsverhältnis wird das Verhältnis zwischen den variablen Induktivitäten bestimmt. Es werden somit jeweils zwei in Reihe geschaltete Phasenwicklungen betrachtet, die im Zeitraum der Messung von demselben Strom durchflossen werden, wobei die zeitliche Ableitung des Stroms für beide Phasenwicklungen gleich ist.
Der Verbindungsanschluss kann als Sterpunkt der Wicklungen ausgebildet sein, es kann jedoch auch eine sogenannte Delta-Wicklung vorgesehen sein.
Als Verhältnis der Spannungsabfälle bei beiden Phasenwicklungen ergibt sich damit, wie weiter unten genauer gezeigt wird, das Verhältnis der zum Zeitpunkt der Messung geltenden variablen Wicklungsinduktivitäten. Dieses Verhältnis ist von der Position des Antriebes, das heißt von der Stellung der Permanentmagnete im Rotor zu den Wicklungen des Stators abhängig, so dass aus dem Verhältnis unter Berücksichtigung der Periodizität und insbesondere der Zwischenkreisspannung auf die relative Position und damit auf den Drehwinkel des Rotors geschlossen werden oder zumindest ein Nulldurchgang der Spannung ermittelt werden kann.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die in den Phasenwicklungen durch die Bewegung des Elektroantriebs induzierte Spannung ermittelt und diese bei der Ermittlung des Spannungsteilungsverhältnisses des angelegten Spannungsimpulses zwischen den Phasenwicklungen berücksichtigt wird.
Die Aufteilung der Spannung bei Anlegen eines Spannungsimpulses über der Serienschaltung von zwei Phasenwicklungen ist in erster Linie vom Verhältnis der variablen Induktivitäten der einzelnen Phasenwicklungen abhängig. Es besteht jedoch zudem eine Abhängig von der zeitlichen Ableitung der Induktivität (was hier vernachlässigt werden kann) und von der induzierten Spannung (EMK, EMF), d. h. von den durch die Relativbewegung von Stator und Rotor in den einzelnen Phasenwicklungen induzierten Strömen und Spannungen. Diese letztgenannten induzierten Spannungen sind bei einer Drehzahl Null nicht vorhanden und wachsen mit der Drehzahl des Antriebs linear an. Da die induzierten Spannungen üblicherweise eine andere Periodizität aufweisen als die durch die Stromänderungen in den Wicklungen induzierten Spannungen, kann durch gleichzeitige Berücksichtigung beider Effekte, die sich applikationsabhängig addieren können, eine höhere Sensitivität und auch gegebenenfalls eine bessere Ortsauflösung erreicht werden.
Hierzu kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass nach dem Anlegen (und nach dem Ende) eines ersten Spannungsimpulses ein bzgl. der Polarität der Spannung umgekehrter, insbesondere betragsmäßig gleichgroßer Spannungsimpuls oder auch ein anderer definierter Spannungsimpuls, beispielsweise auch ein Nullimpuls, angelegt wird. Infolge der Umkehrung des Spannungsimpulses an der Messeinrichtung und des Vergleichens der jeweils gemessenen, sich einstellenden Spannungsteilung kann ermittelt werden, ob die Spannungen, die an den Induktivitäten abfallen (und die durch den angelegten Spannungsimpuls bestimmt sind) bzgl. der Polarität den durch die Relativbewegung induzierten Spannungen entgegengesetzt oder beide Spannungen gleicher Polarität sind. D. h. es kann festgestellt werden, ob die jeweilige Messung nach einem positiven, ansteigenden Nulldurchgang der indizierten Spannung (EMK) oder nach einem negativen Nulldurchgang der EMK stattfindet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht weiter vor, dass verglichen wird, bei welcher Polarität des angelegten Spannungsimpulses an dem Verbindungsanschluss eine höhere Spannung auftritt.
Da im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Reaktion des in den Induktivitäten verzögerten Stroms auf den angelegten Spannungsimpuls beobachtet wird, sondern lediglich eine statische Spannungsaufteilung, sind bereits kurze Spannungsimpulse ausreichend, die die Welligkeit der Antriebsansteuerung bzw. des resultierenden Drehmoments nur minimal beeinflussen.
Es kann dabei vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Impulsdauer des Spannungsimpulses zwischen 1 μs und 20 μs liegt, insbesondere zwischen 2 μs und 10 μs weiter insbesondere bei 5 μs.
Es kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass für die Erfassung der Spannung an dem Verbindungsanschluss ein Spannungsimpuls verwendet wird, der im Rahmen der Ansteuerung des Elektroantriebes als Antriebsimpuls vorgesehen ist. Ein solcher Spannungsimpuls kann bedarfsweise verlängert werden, wenn dies für die erfindungsgemäße Messung vorteilhaft ist.
Die eigentliche Antriebsansteuerung kann auf verschiedene Weise erfolgen, indem mittels einer Leistungshalbleiterschaltung zeitlich veränderliche oder konstante Gleichspannungsimpulse an die Phasenwicklungen angelegt werden. Es wird dabei bevorzugt das Verfahren der Pulsweitenmodulation verwendet, bei dem die zyklisch variable Ansteuerungsintensität periodisch durch zeitlich mehr oder weniger dichte und mehr oder weniger lange dauernde Gleichspannungsimpulse, d. h. mit unterschiedlichem Tastgrad (duty cycle) gestaltet wird. Sowohl die zeitliche Dichte (Frequenz) als auch die Pulsweite können somit moduliert sein. Einer der genannten Gleichspannungsimpulse kann dann für die Zwecke der erfindungsgemäßen Positionsbestimmung herangezogen werden. Dadurch wird die eigentliche Antriebsansteuerung in diesem Fall nicht beeinflusst.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich speziell auch auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines dreiphasigen Elektroantriebs, bei dem mit dem Verbindungsanschluss ein erster Anschluss einer dritten Phasenwicklung verbunden ist, wobei der Spannungsimpuls angelegt wird, während die dritte Phasenwicklung stromlos ist.
Das genannte Verfahren bietet sich sowohl in der Stern- als auch in der Dreiecksschaltung an, um sicher zu stellen, dass das Spannungsniveau am Verbindungsanschluss ausschließlich durch den durch den Spannungsimpuls getriebenen Strom bestimmt wird, der die erste und die zweite Phasenwicklung durchfließt und entsprechende Spannungsabfälle an den Induktivitäten hervorruft. Hinzu kommen die in der ersten und zweiten Phasenwicklung durch die Relativbewegung von Stator und Rotor induzierten Spannungen, die jedoch je nach der Drehzahl, bei der die Messung durchgeführt wird, vernachlässigt oder berücksichtigt werden können.
Die sich am Verbindungsanschluss, der im Falle der Sternschaltung identisch mit dem Sternpunkt ist, einstellende Spannung kann dann auch an der dritten Phasenwicklung gemessen werden.
Werden nur die Vorzeichen der gemessenen Spannungsabfälle an den einzelnen Phasenwicklungen berücksichtigt, so ist eine Auflösung von 15° bezogen auf einen Gesamtzyklus der Antriebsansteuerung möglich. Werden die Beträge der Spannungsmessungen berücksichtigt, so ist eine genauere Auflösung möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren sieht zur Positionsbestimmung eines solchen dreiphasigen Elektroantriebs, bei dem zwischen dem ersten Anschluss der ersten Phasenwicklung und dem zweiten Anschluss der zweiten Phasenwicklung eine dritte Phasenwicklung angeschlossen ist, vor, dass der Spannungsimpuls angelegt wird, während die dritte Phasenwicklung stromlos ist. Dieses Verfahren bezieht sich speziell auf eine Dreieckschaltung eines dreiphasigen Antriebes mit einer Phasenwicklung pro Phase.
Die Erfindung bezieht sich außer auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Elektroantriebes auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens für einen bürstenlosen Elektroantrieb, insbesondere mit drei Phasen in Sternschaltung oder Dreiecksschaltung. Erfindungsgemäß sind eine Messeinrichtung mit einer Spannungsquelle und wenigstens einem elektronischen Schalter zum Anlegen eines definierten Spannungsimpulses über zwei an einem Verbindungsanschluss miteinander verbundene Phasenwicklungen sowie eine Spannungsmesseinrichtung zur Messung der Spannung am Verbindungsanschluss vorgesehen.
Vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung Mittel aufweist, um einen definierten Spannungsimpuls wahlweise an eine erste und zweite miteinander verbundene Phasenwicklung oder an eine erste und dritte miteinander verbundene Phasenwicklung oder insbesondere auch an eine erste und eine dritte miteinander verbundene Phasenwicklung anzulegen sowie jeweils die Spannung am Verbindungsanschluss zu messen. Dabei sind die jeweils paarweise verbundenen Phasenwicklungen insbesondere in Reihe geschaltet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch die Phasenwicklungen eines Elektroantriebs in Sternschaltung,
2 eine Brückenschaltung zur Ansteuerung jeweils einer Phasenwicklung eines Antriebs,
3 ein Ersatzschaltbild für eine Spannungsversorgung einer Phase,
4 ein schematisiertes Ersatzschaltbild für einen Elektroantrieb in Dreiecksschaltung,
5 eine zeitlich aufgelöste Darstellung des Verlaufs des Spannungsabfalls an der Induktivität einer Phasenwicklung im Zuge der Spannungsteilung und den Verlauf der induzierten Spannung (EMF, EMK) bei einer ersten niedrigen Drehzahl, sowie
6 ein Ablaufdiagramm entsprechend dem Diagramm aus 5 bei einer höheren Drehzahl.
1 zeigt schematisch eine Sternschaltung von drei Phasenwicklungen U, V, W, wobei der Sternpunkt 1 den Verbindungsanschluss zwischen jeweils zwei Phasenwicklungen U, V, W bildet. Die einzelnen Phasenwicklungen sind in Form eines Ersatzschaltbildes mit jeweils einer Induktivität 2 und einem ohmschen Widerstand 3 sowie einem Spannungsabfall gezeigt, der – anhand des Kreises 4 repräsentiert – mittels einer aufgrund der Bewegung induzierten Spannung (EMK, EMF) erzeugt wird.
Wenn eine der drei Phasenwicklungen als stromlos angenommen wird, so ergibt sich jeweils eine Reihenschaltung der beiden übrigen Phasenwicklungen, die am Sternpunkt 1 verbunden sind. Die jeweils über einer Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung ist durch die Pfeile 20, 21 bzw. 22 repräsentiert und ergibt sich jeweils als Summe der Spannungsabfälle über der Induktivität und dem ohmschen Widerstand sowie der induzierten Spannung.
Die Ansteuerung eines derartigen, in Sternschaltung betriebenen bürstenlosen Elektroantriebs kann beispielsweise über eine sogenannte B6-Schaltung erfolgen, bei der an jede der Phasenwicklungen wahlweise ein höheres Gleichspannungsniveau oder ein niedrigeres Gleichspannungsniveau, insbesondere Erdpotential angelegt werden kann. Damit ist ein solcher Elektroantrieb bezüglich der Drehzahl, Leistung und der Drehrichtung steuerbar.
Beispielhaft ist eine Anordnung aus zwei Schaltern für die Phase W in der 1 dargestellt, wobei mit 5 der Erdpotentialanschluss und mit 6 ein höheres Gleichspannungspotential bezeichnet ist. Über die Schalter 7, 8 kann der erste Anschluss 9 der Phasenwicklung W entweder mit dem höheren Gleichspannungspotential oder mit Erdpotential verbunden werden. Wird der Schalter 7 geschlossen und der Schalter 8 geöffnet, so ist der Anschluss 9 mit dem höheren Spannungspotential verbunden. Ist der Anschluss 7 geöffnet und der Anschluss 8 geschlossen, so wird der erste Anschluss 9 der Phasenwicklung W mit dem Erdpotential verbunden. Je nach der Schaltstellung der einzelnen Schalter 7, 8 kann somit die Phasenwicklung U, V, W mit zwei verschiedenen Spannungsniveaus beaufschlagt werden.
2 stellt detaillierter die mögliche Konstruktion einer Schaltung mit einer Konstellation aus zwei Halbleiterschaltern 7, 8 analog den Bezeichnungen aus der 1 dar, über die gezielt zwei verschiedene Spannungspotentiale an eine Phasenwicklung U, V, W angeschlossen werden können. Der Phasenwicklungsanschluss ist mit 9 bezeichnet. Ein niedriges Spannungsniveau, beispielsweise das Erdpotential, ist mit dem Erdpotentialanschluss 5 bezeichnet, während das höhere Gleichspannungspotential an dem Anschluss 6 anliegt. Die Schalter 7, 8 sind als MOSFET's realisiert, die jeweils Durchschalten oder Sperren können und die durch eine Steuerspannung bzgl. deren Schaltzustandes ansteuerbar sind. Die Steuerspannungseingänge sind in 2 mit 10 bzw. 11 bezeichnet. Durch entsprechende Ansteuerung der Steuerspannungseingänge 10, 11 kann somit an eine Phasenwicklung U, V, W einer Schaltung, beispielsweise einer Sternschaltung eines Elektroantriebs, wahlweise ein Gleichspannungsimpuls eines höheren Spannungsniveaus oder eines geringeren Spannungsniveaus oder Erdpotentials übertragen werden.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild für eine Spannungsquelle, die beispielsweise das höhere Spannungsniveau am Anschluss 6 in 2 gegenüber Erdpotential liefern kann. Dabei bezeichnet 23 den Innenwiderstand der Spannungsquelle, 24 die Eigeninduktivität, 25 die Kapazität, 26 den Erdpotentialanschluss, 27 einen Shunt (Messwiderstand), an dem die Nutzspannung abfällt sowie 28 die gelieferte Nutzspannung und 29 den gelieferten Strom. Strom und Spannung werden (auf der linken Seite der Schaltung) beispielhaft von einer Batterie geliefert.
Eine solche Spannungsquelle ist auch geeignet, um mithilfe der oben beschriebenen Halbleiterschalter 7, 8 ein Messsignal in Form eines Gleichspannungsimpulses gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren an eine der Phasen bzw. zwischen zwei äußere Anschlüsse von zwei miteinander in Reihe geschalteten Phasen anzulegen.
Üblicherweise weist eine Sternschaltung gemäß 1 jeweils Halbleiterschalterbrücken für jede Phasenwicklung auf, wie beispielsweise in 2 dargestellt. Zudem kann der Batterieanschluss vorgesehen sein, der zusätzlich zu der Antriebsansteuerung einen Spannungsimpuls für das erfindungsgemäße Messverfahren liefert.
Analoges gilt für eine in 4 schematisch dargestellte Dreiecksschaltung, die ebenfalls als typische Schaltung eines Elektroantriebes dienen kann mit entsprechend in bekannter Weise gegenüber einer Sternschaltung verschiedener Antriebscharakteristik. Für die einzelnen Phasenwicklungen der Phasen U, V, W gilt das oben im Zusammenhang mit 1 Beschriebene. Auch die Ansteuerung kann ähnlich einer Sternschaltung bzgl. der Hardware realisiert sein, wobei Regelungsmechanismen der Ansteuerung verschieden sein können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei einer Dreieckschaltung wie in der 4 dargestellt angewendet werden, indem ein Spannungsimpuls an jeweils eine Serienschaltung von zwei Phasenwicklungen U, V, W angelegt wird, während die dritte Phasenwicklung stromlos ist. Beispielsweise kann eine Spannung an die in Reihe geschalteten Phasenwicklungen U, V angelegt werden, indem die Spannung zwischen den Anschlüssen 12, 13 angelegt wird und die Phasenwicklung W stromlos bleibt. Dann findet, wie im Zusammenhang mit 1 dargestellt, eine Spannungsteilung über den Phasenwicklungen U und V statt, wobei der Verbindungsanschluss durch den Anschluss 14 gebildet ist und an diesem die geteilte Spannung erfasst werden kann.
Ebenso kann ein Spannungsimpuls über die Phasenwicklungen V und W angelegt werden, indem die entsprechende Spannung an die Anschlüsse 12 und 14 angelegt und eine Messspannung am Verbindungsanschluss 13 erfasst wird. Somit ist auch für Elektroantriebe in Dreiecksschaltung eine Positionsermittlung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
Die Möglichkeit, aus der Spannungsteilung zwischen zwei Phasenwicklungen U, V, W bei gleichzeitiger Stromlosigkeit der dritten Phase Rückschlüsse auf die Induktivitäten und damit die Position der Rotormagnete relativ zu den statorseitigen Phasenwicklungen U, V, W zu ziehen, ergibt sich aus folgender Überlegung:
Die Induktivität L_{Phase_U} einer Phase setzt sich aus einem konstanten Teil der Induktivität der Wicklung selbst und aus einem periodisch durch die Annäherung und Entfernung der Magneten des Rotors und deren Permeabilität bestimmten Teil L_var·cos(x·(α + α₀)) zusammen. Der Faktor x bestimmt dabei, die wievielte Oberwelle betrachtet wird.
Im Weiteren wird nur die zweite Oberwelle der variablen Induktivität betrachtet. Es gilt für die verschiedenen Phasenwicklungen: L_{Phase_U} = L₀ + L_var·cos(2·(α + α₀)), L_{Phase_V} = L₀ + L_var·cos(2·(α + α₀ + 2π / 3)) und L_{Phase_W} = L₀ + L_var·cos(2·(α + α₀ – 2π / 3)), mit L₀ als Gleichanteil der variablen Induktivität, L_var als Wechselanteil der variablen Induktivität und α als elektrischen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator. Bei α = 0 hat die EMK der Phase U einen positiven Nulldurchgang und α₀ als Phasenlage der variablen Induktivität.
Für den Spannungsabfall an der Induktivität gilt:
Hier kann der Anteil aus der Veränderung der Induktivität vernachlässigt werden. Es ergibt sich:
Auswertung und Ermittlung der Position:

Sonderfall: Spannungsimpuls für die Messung erfolgt während des Nulldurchgangs der EMK in der unbestromten Phase.

Eine Phase bleibt unbestromt (hier: Phase U):
Folglich ist die Stromstärke durch die beiden anderen Phasen wegen der Reihenschaltung gleich.
Für die induzierten Spannungen gelten näherungsweise: U_{EMF_U} = U₀·n·sin(α), U_{EMF_V} = U₀·n·sin(α + 2π / 3) und U_{EMF_W} = U₀·n·sin(α – 2π / 3), mit n als Drehzahl und U₀ als induzierte Spannung bei der Drehzahl 1.
Wird die Phase W mit Masse und V mit dem Spannungssignal U_Z am Anschluss 6 durch Schließen des Schalters 7 verbunden und ist die Phase U stromlos, so ergibt sich: U_Z = 2·I_{Phase_V}·R_Phase + U_{L_Phase_V} – U_{L_Phase_W} + U_{EMF_V} – U_{EMF_W}
Es gilt:
Ist der Einfluss der Ableitung der Induktivität vernachlässigbar, so ergibt sich:
Dementsprechend verschiebt sich das Potential des Sternpunkts und mit diesem die Spannung an der Phase U.
Mit anderen Worten:

– eine Phase ist stromfrei,
– an die Reihenschaltung der beiden anderen Phasen werden verschiedene definierte Potentiale (Spannungsimpuls) angelegt (GND = Erdpotential und U_Z),
– ein Teil der Spannung fällt an den Widerständen und der induzierten Spannung ab,
– die verbleibende Restspannung (bei kleinen Drehzahlen der überwiegende Teil) fällt an den Induktivitäten ab und das Spannungsteilungsverhältnis, abgreifbar am Sternpunkt oder an der stromfreien Phase, spiegelt das Verhältnis der zum Zeitpunkt der Messung geltenden Induktivitäten wieder.

Daraus folgt, dass über die Spannung an der stromfreien Phase, die sich periodisch mit der Drehung des Rotors verändert, die Position des Rotors ermittelt werden kann.
Die 5 zeigt auf der horizontalen Achse den Zeitverlauf eines gemessenen Spannungsabfalls über einen vollständigen Ansteuerungszyklus eines Antriebs gemessen in Grad, wobei 360° ein vollständiger Zyklus ist. Auf der Y-Achse ist jeweils eine gemessene Spannung aufgetragen. Aus dieser Spannung lässt sich die jeweils wirkende Induktivität bestimmen. Dabei bezeichnet die gestrichelte Kurve 15 den gemessenen Spannungsabfall, der sich in der Summe der Einflüsse des Spannungsabfalls des angelegten Messspannungsimpulses an den Induktivitäten und der durch die Relativbewegung des Rotors induzierten Spannung darstellt. Die eigentliche induzierte Spannung ist in Kurve 17 dargestellt. Dieser Einfluss ist bei der in der 5 vorausgesetzten Konstellation einer niedrigen Drehzahl relativ klein, wobei auch die induzierte Spannung entsprechend klein ist.
Mit 16 ist die durchgehende Kurve bezeichnet, die die an den Induktivitäten der Phasenwicklungen durch die Spannungsteilung der angelegten Messspannung abfallenden Teilspannungen und die hieraus resultierende Spannungsteilung wiedergibt. Der Einfluss der induzierten Spannung durch die Relativbewegung von Stator und Rotor, dargestellt durch die Kurve 17, ist aus dieser Kurve 16 herausgerechnet.
Beim Umkehren des angelegten Messspannungsimpulses dreht sich die Polarität der Kurve 16, also der rein durch den Spannungsabfall entstehende Spannungsaufteilung, um. Selbst wenn nur der Betrag der gesamten Spannung 15 gemessen wird zeigt sich, dass durch die Differenz der Maxima 18, 19, bei denen einmal die an den Induktivitäten abfallende Spannung und die induzierte Spannung gleichgerichtet und einmal entgegengesetzt gerichtet sind, ermittelbar ist, ob die Messung bei einem positiven Nulldurchgang der induzierten Spannung oder bei einem negativen (abfallenden) Nulldurchgang der induzierten Spannung stattgefunden hat. Damit lassen sich durch Spannungsumkehr die einzelnen Peaks der am Verbindungsanschluss erfassten Gesamtspannung unterscheiden, so dass damit die Auflösung der Positionsbestimmung vergrößert werden kann.
6 zeigt eine ähnliche Konstellation wie 5, jedoch bei einer höheren Drehzahl des Antriebs. Es fällt auf, dass die induzierte Spannung, bezeichnet durch die Kurve 17', wesentlich größer ist und einen größeren Einfluss auf die gemessene Spannung 15' am Verbindungsanschluss ausübt. Hier zeigt sich der große Betragsunterschied bei der Spannungsmessung im ersten Peak 18' und im zweiten Piek 19', so dass die Unterscheidung zwischen einem positiven und einem negativen Nulldurchgang der induzierten Spannung einfacher wird.
Mit 16' ist die rein aus der Spannungsaufteilung an den Induktivitäten resultierende Spannung am Verbindungsanschluss bezeichnet, die sich durch Differenzbildung der am Verbindungsanschluss gemessenen Spannung und der gesondert ermittelten, durch Rotation induzierten Spannung ergibt.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf die oben diskutierten Ausführungsbeispiele, insbesondere nicht auf die gezeigten Schaltungen der Phasenwicklungen und die dargestellten Ansteuerschaltungen beschränkt.
Bezugszeichenliste

1: Sternpunkt
2: Induktivität
3: ohmscher Widerstand
4: induzierte Spannung
5: Erdpotentialanschluss
6: höheres Gleichspannungspotential
7: Schalter
8: Schalter
9: erster Anschluss der Phasenwicklung W
10, 11: Steuerspannungseingänge
12, 13, 14: Phasenanschlüsse in Dreieckschaltung
15, 15': gemessener Spannungsabfall
16, 16': an Induktivitäten abfallende Spannung
17, 17': induzierte Spannung
18, 18': erster Kurvenpeak
19, 19': zweiter Kurvenpeak
20, 21, 21: über Phasenwicklung abfallende Spannungen
23: Innenwiderstand der Spannungsquelle
24: Eigeninduktivität der Spannungsquelle
25: Kapazität der Spannungsquelle
26: Erdpotentialanschluss der Spannungsquelle
27: Shuntwiderstand der Spannungsquelle
28: Nutzspannung der Spannungsquelle
29: Strom der Spannungsquelle
30: zweiter Anschluss der Phasenwicklung V
U, V, W: Phasenwicklungen

Claims

Verfahren zur Positionsbestimmung eines wenigstens zweiphasigen, insbesondere dreiphasigen bürstenlosen Elektroantriebs mit wenigstens zwei Phasenwicklungen (U, V, W), die jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss (9, 12, 13, 14) aufweisen, wobei ein zweiter Anschluss einer ersten Phasenwicklung (W) mit dem ersten Anschluss einer zweiten Phasenwicklung (V) an einem gemeinsamen Verbindungsanschluss (1) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen dem ersten Anschluss (9) der ersten Phasenwicklung (W) und dem zweiten Anschluss (30) der zweiten Phasenwicklung (V) wenigstens ein Spannungsimpuls angelegt wird, – dass die am Verbindungsanschluss (1) oder an einer mit diesem verbundenen dritten Phasenwicklung (U) sich einstellende Spannung erfasst und daraus das Spannungsteilungsverhältnis zwischen der ersten Phasenwicklung (W) und der zweiten Phasenwicklung (V) bestimmt wird, und – dass aus dem Spannungsteilungsverhältnis das Verhältnis zwischen den variablen Induktivitäten bestimmt wird, wobei insbesondere falls die sich einstellende Spannung an der dritten Phasenwicklung (U) erfasst werden soll, der Spannungsimpuls angelegt wird, während die dritte Phasenwicklung (U) stromlos ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Phasenwicklungen (U, V, W) durch die Bewegung des Elektroantriebs induzierte Spannung ermittelt und bei der Ermittlung des Spannungsteilungsverhältnisses zwischen den Phasenwicklungen (U, V, W) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anlegen eines ersten Spannungsimpulses und dessen Beendigung ein anderer definierter, insbesondere bezüglich der Polarität der Spannung umgekehrter, weiter insbesondere betragsweise gleich großer Spannungsimpuls angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass verglichen wird, bei welcher Polarität des angelegten Spannungsimpulses an dem Verbindungsanschluss (1) eine höhere Spannung auftritt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer zwischen 1 μs und 20 μs liegt, insbesondere zwischen 2 μs und 10 μs weiter insbesondere bei 5 μs.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erfassung der Spannung an dem Verbindungsanschluss (1) ein Spannungsimpuls verwendet wird, der im Rahmen der Ansteuerung des Elektroantriebes als Antriebsimpuls vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Positionsbestimmung eines drei- oder mehrphasigen Elektroantriebs, bei dem zwischen dem ersten Anschluss (9) der ersten Phasenwicklung (W) und dem zweiten Anschluss (30) der zweiten Phasenwicklung (V) eine dritte Phasenwicklung (U) angeschlossen ist, wobei der Spannungsimpuls angelegt wird, während die dritte Phasenwicklung (U) stromlos ist.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 für einen bürstenlosen Elektroantrieb mit drei Phasenwicklungen (U, V, W) in Sternschaltung oder Dreiecksschaltung, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung mit einer Spannungsquelle (23, 24, 25, 26, 27) und wenigstens einem elektrischen Schalter (7, 8) zum Anlegen eines definierten Spannungsimpulses über zwei an einem Verbindungsanschluss (1) miteinander verbundene Phasenwicklungen (U, V, W), und mit einer Spannungsmesseinrichtung zur Messung der Spannung am Verbindungsanschluss (1).
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung Mittel aufweist, um einen definierten Spannungsimpuls wahlweise an eine erste und eine mit dieser verbundenen zweite Phasenwicklung (V, W) oder an eine erste und eine mit dieser verbundene dritte Phasenwicklung (V, U) oder insbesondere auch an eine zweite und eine mit dieser verbundene dritte Phasenwicklung (U, W) anzulegen und jeweils die Spannung am Verbindungsanschluss (1) zu messen.