DE102012102898A1

DE102012102898A1 - Verfahren und System zur Bestimmung einer Rotorlage eines Synchronmotors

Info

Publication number: DE102012102898A1
Application number: DE201210102898
Authority: DE
Inventors: Alexander Bähr
Original assignee: LTI Drives GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2032-04-04
Also published as: DE102012102898B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der Rotorlage eines Synchronmotors (16) mit Inkrementalgebereinrichtung (18) durch Bestromung der Statorspulen (2) eines Motors (16) mit einem Teststromraumzeiger / zur Ermittlung eines Geberoffsets φoff = φm – φg zwischen einem Geberwinkel φg der Inkrementalgebereinrichtung (18) und einem Rotorlagewinkel φm des Läufers. Hierzu wird eine Raumzeiger-Drehfrequenz ωe = ω0 des Teststromraumzeigers / vorgegeben und der Verlauf des Geberwinkels φg aufgenommen, so dass durch Korrelation des Geberwinkels φg mit dem Stromzeigerphasenverlauf φe der Rotorlagewinkel φm bestimmt wird. Das erfindungsgemäße System (10) umfasst eine Umrichtervorrichtung (12) zur phasen- und amplitudenmodulierten Bestromung der Statorphasen (52) eines Synchronmotors (16), eine Umrichtersteuervorrichtung (14) zur Steuerung der Umrichtervorrichtung (12) und eine Inkrementalgebereinrichtung (18) zur Bestimmung eines Geberwinkeloffsets φoff. Die Umrichtersteuervorrichtung (14) umfasst eine Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung (20) die eingerichtet ist, aus einem vorgegebenen Stromzeigerphasenverlauf φe und einem gemessenen Geberwinkelverlauf φg einen Geberoffset φoff = φm – φq zu ermitteln und somit die Bestimmung eines Polradwinkels ϑ = φe – φm zu ermöglichen.

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Bestimmung einer Rotorlage eines Synchronmotors mit Inkrementalgebereinrichtung.
Die betrachtete Synchronmaschine kann ein permanent- oder fremderregter Synchronmotor sein, der sowohl rotierend, als auch linear antreibend ausgelegt ist. Des Weiteren kann die Erfindung auf Einphasen- und Dreiphasen Synchronmotoren, bürstenlosen Gleichstrommotoren (Brushless-DC-Motoren), Reluktanzmotoren oder Transversalflussmotoren umgesetzt werden, d.h. auf alle Arten linear und rotierend betreibbaren Motoren, bei denen eine eindeutige Zuordnung von Rotorlage zur Ausrichtung eines Statormagnetfeld existiert.
Für eine Kommutierung, d.h. Ansteuerung der elektrischen Bestromungsphasen der Statorspulen einer vorgenannten Synchronmaschine ist die Kenntnis der absoluten Lage der Rotorausrichtung gegenüber dem Statormagnetfeld zur Erreichung eines möglichst hohen Drehmoments, einer energiesparenden Betriebsweise, sowie eines hohen Wirkungsgrads von entscheidender Bedeutung. Absolutwertgeber, die eine absolute Position des Rotors gegenüber dem Stator angeben, sind verhältnismäßig teuer oder störanfällig. Inkrementalgeber können eine relative Bewegung von Rotor gegenüber Stator erkennen, jedoch ist für ihre Eignung zur Kommutierung eine inertiale absolute Lageinformation, bzw. eine "Eichung" erforderlich, die bei jeder Neuinbetriebnahme des Motors ermittelt werden muss. Aus den Signalen des Inkrementalgebers wird ein Geberwinkel φ_g ermittelt, der auf eine willkürliche Nulllage des Rotors (z.B. durch die Lage nach Einschalten des Systems) bezogen ist. Für die Regelung des Motors ist jedoch die Kenntnis der tatsächlichen Lage der magnetischen Achse des Rotors φ_m wichtig, die von dem Geberwinkel φ_g um den Winkelversatz φ_off = φ_m– φ_g abweicht. Diese Differenz φ_off = φ_m – φ_g gilt es vor dem Betrieb des Motors zu ermitteln.
Aus dem Stand der Technik sind in Bezug auf Synchronmaschinen mit Inkrementalgeber verschiedene Techniken bekannt, um einen Korrekturwert eines Geberwinkels φ_g zu bestimmen, so dass auf Basis des Geberwinkels φ_g eine optimale Kommutierung des Motors erfolgen kann. Diese basieren auf einer gesteuerten Bestromung des Stators, wobei der Rotor eine Position einnimmt, so dass nach Einnahme der Rotorposition der Geberwinkel φ_g dem Rotorlagewinkel φ_m zugeordnet werden kann. In reibungs- und lastfrei gelagerten Motoren richtet sich die magnetische Achse des Rotors φ_m entlang der magnetischen Achse eines Statormagnetfeldes φ_e aus. Somit kann durch Vorgabe eines Stromzeigerwinkels φ_e im Stator, dies erfolgt durch Bestromung der Statorspule durch einen komplexen Teststromraumzeiger I, eine definierte Ausrichtung des Rotorlagewinkels φ_m erreicht werden, wobei sich der Rotor bezüglich des elektrisch vorgegebenen Winkels φ_e = φ_m ausrichtet. Die tatsächliche Rotorlage φ_m ist dann gleich φ_e und somit bekannt, und der Geberoffset φ_off kann ermittelt werden.
Ist der Motor durch Reibung und/oder den Antriebsstrang belastet, so muss die Maschine im Ausrichtvorgang ein Drehmoment ausbilden, das eine Ausrichtung an der magnetischen Rotorachse an der Statormagnetfeldachse verhindert. Nach der Gleichung M = Km·I·sin(ϑ) stellt sich ein Kommutierungswinkel, der auch als Polradwinkel ϑ = φ_e – φ_m bezeichnet wird, ein. Der Polradwinkel ϑ = φ_e – φ_m gibt im laufenden Motorbetrieb die Differenz zwischen der mechanischen Lage des Rotors, d.h. dem Rotorlagewinkel φ_m und der elektrischen Stromzeigerphase φ_e des Statormagnetfelds an. Dieser geht bei diesen Verfahren in die Ermittlung des Geberoffsets φ_off als Fehler ein. Der Polradwinkel ϑ ist in der Regel identisch zu dem Winkel zwischen magnetischer Hauptachse des Rotors und magnetischer Hauptachse des eingeprägten Stromvektors des Statormagnetfeldes. Die Größe des Polradwinkels wird entscheident durch die vom Motor angetriebene Last bestimmt, und kann daher auch als Lastwinkel bezeichnet werden. In diesem Zusammenhang bezeichnet der Reibwinkel einen speziellen Lastwinkel, oder den Anteil am gesamten Lastwinkel, der durch die Reibung des mechanischen Systems hervorgerufen wird.
In der praktischen Umsetzung werden beispielsweise Hall-Sensoren als zusätzliches Absolutmesssystem eingesetzt, wobei zwei oder mehrere in zueinander unterschiedlichen Winkelausrichtungen angebrachte Hall-Sensoren am Stator die Ausrichtung des Rotormagnetfelds gegenüber dem Stator bestimmen können. Daneben können geberlose Verfahren eingesetzt werden, die eine Induktivitätsmessung des Stators in verschiedenen Rotorlagen vornehmen, um die Ausrichtung des Rotors gegenüber dem Stator durch Strom-/Spannungsmessungen feststellen zu können. Schließlich ist die Anwendung einer Gleichstromeinprägung bekannt, durch die Ausrichtbewegungen des Rotors in eine stationäre Ausrichtlage hervorgerufen werden, wobei zwei meist in orthogonaler Lage zueinander erzeugte Ausrichtbewegungen Aufschluss über den Geberwinkelversatz φ_off geben.
Aus der DE 10315754 A1 ist bekannt, durch Vorgabe eines sinusförmigen Verlaufs der Stromzeigerphase φ_e des Statormagnetfeldes einen Rotor in harmonische Schwingungen zu versetzen, und mittels der erfassten Strom- und Spannungssignale sowie Werten des Inkrementalgebers die Rotorlage bzw. den Polradwinkel zwischen Rotorlagewinkel φ_m und elektrischer Stromzeigerphase φ_e des Statormagnetfelds zu bestimmen. Auf Basis dieser Informationen kann eine Kommutierung durchgeführt werden.
Allerdings stoßen die vorgenannten Bestimmungsverfahren an ihre Grenzen, sobald hohe Reibmomente des Motors, eine hohe Motorlast und/oder hohe Rastmomente die dynamischen Rotoreigenschaften beeinflussen. Insbesondere bei Motoranwendungen mit hohen Reibmomenten sowie Lasten auf Zugsysteme, bei denen insbesondere hängende Lasten, d.h. Lasten, die in eine Richtung wirken, auftreten, liefern die vorgenannten Verfahren nur ungenaue Ergebnisse.
Insbesondere bei der sogenannten trockenen Reibung, bei der aus dem Stillstand heraus zur Drehung eines Rotors zunächst ein nicht zu vernachlässigendes Reibdrehmoment überwunden werden muss, kann der Geberoffset nur mit großer Ungenauigkeit bestimmt werden. Demzufolge kann eine optimale Kommutierung des Motors nicht erreicht werden, worunter Energieaufnahme, Wirkungsgrad, Drehmoment und Lebensdauer des Motors leiden.
Die Ursache der Ungenauigkeit im Falle eines hohen Reibmoments kann wie folgt erläutert werden: Wird ein Synchronmotor bei einer unbekannten Startposition mit einem Stromzeiger bestromt, so wird er sich im Falle eines hohen Reibmoments M_f nur dann bewegen, wenn für den Polradwinkel ϑ zwischen der d-Achse des Rotors (Hauptachse des Rotormagnetfelds) φ_m und der Bestromungsachse φ_e des
Teststromraumzeigers gilt:
mit M_f Reibmoment, K_m Motorkonstante und I Absolutwert des Stromraumzeigers bei kleinen Werten von ϑ << 90°. Die Motorkonstante gibt an, welches Drehmoment der Motor bei gegebenem Statorstrom erzeugt. Entsprechend wird sich bei der trockenen Reibung die Rotorlage im Falle einer nicht gleichmäßigen Drehbewegung auf einen unbekannten Wert im Bereich von φ_e +/– ϑ₀ ausrichten. Dabei setzt sich der Polradwinkel ϑ = ϑ_K + ϑ₀ aus einem von dem Drehmoment abhängigen Polradwinkel ϑ_K und dem Reibwinkel ϑ₀ zusammen, wobei ϑ_K die drehmomentabhängige Abweichung der Polradlage von der Ausrichtung des Statormagnetfeldes angibt, und ϑ₀ den Einfluss einer mechanischen Last, Reibung, Rastmoment und ähnliches beschreibt. Im lastfreien Fall kann mit dem Ansatz φ_m = φ_e der Geberoffset nur mit der Genauigkeit +/–ϑ₀ fehlerhaft ermittelt werden.
Somit ergibt sich aus dem Stand der Technik das Problem, die Bestimmung des Geberoffsets, d.h. des Unterschieds zwischen dem vom Inkrementalgeber ausgegebenenen Geberwinkel φ_g und dem Rotorlagewinkel φ_m derart zu verbessern, dass eine exakte Bestimmung des Polradwinkels erreicht werden kann, um eine optimale Bestromung des Motors mit hohem Wirkungsgrad und großem Drehmoment zu ermöglichen.
Das vorgenannte Problem wird durch ein Verfahren und ein System nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In einem ersten erfinderischen Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Rotorlage eines Synchronmotors mit Inkrementalgebereinrichtung vorgeschlagen, bei dem eine Bestromung der Statorspulen eines Motors, insbesondere eines Synchronmotors mit einem Teststromraumzeiger I zur Ermittlung eines Geberoffsets φ_off = φ_m – φ_g zwischen einem Geberwinkel φ_g der Inkrementalgebereinrichtung und einem Rotorlagewinkel φ_m des Rotors durchgeführt wird. Hierzu wird vorgeschlagen, das eine im Wesentlichen konstante Stromzeiger-Drehfrequenz ω_e = ω₀ des Teststromraumzeigers I vorgegeben wird, und der Verlauf des Geberwinkels φ_g der Inkrementalgebereinrichtung aufgenommen wird, so dass durch Korrelation des Geberwinkelverlaufs φ_g mit dem Stromzeigerphasenverlauf φ_e der Rotorlagewinkel φ_m und somit der Geberoffset φ_off bestimmt wird.
Somit kann durch eine im Wesentlichen konstante Drehfrequenz ω_e des Teststromraumzeigers I und folglich einer vorgegebenen Drehfrequenz des Statormagnetfelds der Rotor in eine Drehbewegung versetzt werden, wobei durch Vorgabe des elektrischen Drehwinkels φ_e und Messung des Geberwinkelverlaufs φ_g, d.h. des Ausgabewertes des Inkrementalgebers, der durch einen zunächst unbekannten Geberoffset φ_off mit dem Rotorlagewinkel φ_m verknüpft ist, der Rotorlagewinkel φ_m bestimmt werden. Ist dieser bekannt, kann der Geberwinkel φ_g des Inkrementalgebers für den laufenden Betrieb mit φ_m = φ_g + φ_off korrigiert werden. Grundlage des Verfahrens ist, dass im Falle eines ausreichend großen Statormagnetfelds der Rotorlagewinkel φ_m dem elektrischen Drehwinkel φ_e entspricht, da sich die d-Achse, d.h. magnetische Hauptachse des Rotors an der Hauptmagnetisierungsachse des Statormagnetfeldes ausrichtet. Somit entspricht φ_m bei hohen Statormagnetfeldern gerade φ_e und φ_off kann durch φ_off = φ_e – φ_g ermittelt werden.
Die Erfindung schlägt zur Bestimmung der Rotorlage vor, nicht mit einem stehenden, sondern mit einem langsam rotierenden Teststromraumzeiger I mit der Winkelgeschwindigkeit ω_e = ω₀ eine definierte gleichförmige Drehung des Rotors vorzunehmen, wobei angenommen wird, dass sich im Laufe der Drehbewegung der Rotorlagewinkel φ_m weitestgehend an dem Stromzeigerphasenverlauf φ_e ausrichtet, so dass bei einem last- und reibfreiem Motor idealerweise ein Polradwinkel ϑ = 0 zu erwarten ist. Durch Kenntnis des Stromzeigerphasenverlaufs und Messung des Geberwinkels φ_g kann die Differenz φ_off von Rotorlagewinkel φ_m und Geberwinkel φ_g bestimmt und der Geberwinkel φ_g korrigiert werden. Im Falle eines vorhandenen konstanten Reibmomentes erfolgt ein definiertes "Nachschleppen" des Rotors. Der Rotorlagewinkel φ_m unterscheidet sich gegenüber dem elektrischen Winkel φ_e des Statormagnetfelds um den Reibwinkel ϑ₀. Folglich lässt sich die Rotorlage bis auf einen unbekannten Wert ϑ₀ bestimmen. Selbst bei hohen Reibmomenten des Motors kann die Rotorlage annähernd genau bestimmt und, sofern das Reibdrehmoment M_f bekannt ist, der Geberoffset φ_off auch bezüglich des Reibwinkels ϑ₀ bestimmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung kann der Amplitudenbetrag |I| des Stromraumzeigers I während der Bestromung von 0 auf einen vordefinierbaren Maximalwert |I_abs|, insbesondere linear erhöht werden, wobei bevorzugt der Anstieg in einem Stromzeigerphasenbereich φ_e < 360°, insbesondere in einem Stromzeigerphasenbereich φ_e < 180°, erfolgen kann. Durch ein langsames Hochfahren des Amplitudenbetrags |I| des Teststromraumzeigers I wird ein sanftes Einschalten der Bestimmungsbewegung ermöglicht, so dass durch einen sanften Anlauf der Motor, sowie angehängtes Getriebe, nicht nennenswert belastet werden. Erst im Bereich einer hohen Stromamplitude, d.h. im Bereich einer Grenzstrombelastung der Statorspulen kann sichergestellt werden, dass der Polradwinkel ϑ nahezu 0 ist und somit der Rotorlagewinkel φ_m mit dem elektrischen Phasenwinkel φ_e übereinstimmt. Durch Beschränkung des verwendeten Stromzeigerphasenbereichs φ_e < 360°, insbesondere φ_e < 180°, kann sichergestellt werden, dass selbst in der Nähe von Endanschlägen des mechanischen Systems und unter unwesentlicher Bewegung des mechanischen Systems in kurzer Zeit eine genaue Lageinformation der Rotorlage ermittelbar ist. Hierdurch wird die Bestimmungszeitkonstante ΔT und die Anfahrgeschwindigkeit der Synchronmaschine erheblich verkürzt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Bestimmung wiederholt mit verschiedenen Maximalwerten |I_abs| und/oder verschiedenen Anstiegszeiten ΔT vom Anstieg 0 bis zum Maximalwert |I_abs| des Teststromraumzeigers erfolgen, um insbesondere den Einfluss einer mechanischen Last im Bestimmungsvorgang durch Vergleich ermittelter Rotorlagen zu berücksichtigen. So kann der Einfluss einer konstanten Last, die unabhängig von Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit auftritt, herausgerechnet werden. Bezüglich hängender Lasten, wie beispielsweise bei Kränen, Fahrstuhlantrieben oder ähnlichen einseitig belasteten mechanischen Systemen, kann durch Vorgabe verschiedener maximaler Amplitudenwerte des Teststromraumzeigers verschiedene Geberoffsets bestimmt, und durch den Vergleich des Verlaufs der Polradbewegung bzw. des Geberoffsets φ_off bei verschiedenen Stromamplituden und -anstiegen kann auf die Größe der angehängten Last geschlossen werden. Somit kann die Größe des Reibwinkels ϑ₀ extrahiert, der Einfluss der hängenden Last auf den Polradwinkel ϑ berücksichtigt und deren Einfluss zur Identifikation des Geberoffsets φ_off heraus gerechnet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann bis zur Feststellung einer Drehbewegung des Rotors die Stromzeigerdrehfrequenz ω_e größer als die Test-Drehfrequenz ω₀ als Suchfrequenz ω_es > ω_o und sehr viel kleiner ω_es << ω_mf als eine kleinste Eigenfrequenz ω_mf des mechanischen Systems des Motors mit Antriebsstrang eingestellt werden, und nach Feststellung einer mechanischen Drehbewegung des Rotors auf die Testfrequenz ω_e = ω₀ herabgesetzt werden. So tritt bei Synchronmaschinen, die einen hohen Reibungswert bzw. eine hohe mechanische Last aufweisen, insbesondere bei geringen Amplitudenwerten des Teststromraumzeigers I, oder beim Hochfahren der Amplitude des Teststromraumzeigers erst dann eine Drehbewegung auf, wenn die Größe des Statormagnetfelds es ermöglicht, das Reibdrehmoment zu überwinden. Wird in dieser Phase des hochfahrenden Amplitudenwerts des Teststromraumzeigers die Suchfrequenz ω_e erhöht, beispielsweise um einen Faktor 1.5 bis 4 der Test-Drehfrequenz ω₀, so ermöglicht diese Suchfrequenz ein beschleunigtes Einstellen oder Koppeln des Rotormagnetfeldes mit dem Statormagnetfeld, so dass die Zeit zur Durchführung des Bestimmungsverfahrens erheblich verkürzt werden kann. Somit kann mit einer erhöhten Suchfrequenz gegenüber einer Test-Drehfrequenz eine schnellere Kopplung von Statormagnetfeld an Rotormagnetfeld erreicht werden. Sind Test- und Suchfrequenz ω_e, ω₀ sehr viel kleiner als eine kleinste Eigenfrequenz ω_mf des mechanischen Systems des Motors mit Antriebsstrang eingestellt, wird der Motor nicht in ungewollte mechanische Schwingungen versetzt, die das Messergebnis zur Bestimmung der Rotorlage verfälschen können. In der Regel sollte die Test-Drehfrequenz ω₀ in einem sehr niedrigen Frequenzbereich gewählt, so dass während der Bestimmung wenige Umdrehungen pro Sekunde auftreten, und mechanische Eigenfrequenzen kaum eine Rolle spielen.
Gemäß eines überaus vorteilhaften Ausführungsbeispiels des erfinderischen Verfahrens kann in einem ersten Verfahrensschritt ein Polradwinkel ϑ₁ in einer ersten Drehrichtung und in einem zweiten Verfahrensschritt ein Polradwinkel ϑ₂ in eine zweite, entgegengesetzte Drehrichtung, bevorzugt bei gleicher Test-Drehfrequenz ω₀ ermittelt werden, und hieraus ein gemittelter Polradwinkel ϑ bestimmt werden, so dass der Einfluss eines Reibmoment-Winkelfehler ϑ₀ eliminiert werden kann. Somit schlägt diese Weiterentwicklung vor, zwei entgegengesetzte Bestromungsphasenverläufe ±φ_e(t) einzusetzen, bei denen mit der gleichen Geschwindigkeit ω₀ in entgegengesetzte Richtungen links – wie rechtsherum gedreht wird. Grundsätzlich entspräche der Polradwinkel φ_m während der Testfahrt bei kaum vorhandenem Drehmoment dem Stromzeigerwinkel φ_e, wobei ϑ = 0 ist. Dies wird jedoch durch den Reibwinkel ϑ₀ verfälscht. Von den beiden durch den Inkrementalgeber gemessenen Verläufen des Rotorlagewinkels kann ein Durchschnitt ϑ gebildet werden, so dass der Reibwinkel ϑ₀, der in beiden Bestimmungsbewegungen eine nacheilende Abweichung des Polradwinkels φ_m gegenüber dem Stromzeigerwinkel φ_e bewirkt, d.h. unterschiedliche Vorzeichen in beiden Kommutierungsoffsets aufweist, durch ein numerisches Verfahren zur Mittelwertbildung herausgerechnet werden kann. Der Polradwinkel wird somit zu Null bestimmt und die Polradlage entspricht dem Bestromungswinkel.
Mit anderen Worten wird in dem ersten Verfahrensschritt ein Geberoffset φ_off1 in einer ersten Drehrichtung und in dem zweiten Verfahrensschritt mit entgegengesetzter Drehrichtung ein Geberoffset φ_off2 ermittelt werden, um hieraus einen gemittelten Geberoffset φ_off zu bestimmen, bei dem der Einfluss eines Reibmoment-Winkelfehler ϑ₀ eliminiert ist. Hierbei fließt der Reibwinkel ϑ₀, der in beiden Bestimmungsbewegungen eine nacheilende Abweichung des Rotorlagewinkels φ_m gegenüber dem Raumzeigerwinkel φ_e bewirkt, mit unterschiedlichen Vorzeichen bei der Ermittlung des Geberoffsets φ_off ein, und lässt sich durch ein numerisches Verfahren zur Mittelwertbildung herausrechnen:

1. Messung erste Drehrichtung: φ_off1 = φ_off + ϑ₀
2. Messung zweite Drehrichtung: φ_off2 = φ_off – ϑ₀
3. φ_off = (φ_off1 + φ_off2)/2

Der Geberoffset φ_off ist selbst bei großen Reibmomenten einfach ermittelbar. Durch eine zwei- oder mehrmalige Durchführung des Verfahrens in verschiedene Richtungen und beispielsweise mit verschiedenen Geschwindigkeiten oder Stromamplituden können beliebige Reibmomente, die die Rotorlagenbestimmung beeinflussen können, eliminiert werden, so dass das Verfahren für beliebige und besonders reibbehaftete Motoren einsetzbar ist.
Insbesondere im Bereich der Überwindung des Reibdrehmoments, bei dem zumindest der Reibwinkel ϑ₀ eingenommen wird, kommt es aufgrund hoher Reibung zu sogenannten Stick-Slip-Schwingungen, die ungewollte Schwingungsbewegungen des Rotors beim Anfahren nach sich ziehen, und hierdurch die präzise Bestimmung der Rotorlage deutlich erschweren. Um dem Problem dieser Stick-Slip-Schwingungen, d.h. dem sogenannten Haftgleiteffekt bzw. Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Körpern zu begegnen, kann in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens eine Proportionalregelung, insbesondere eine PI-Regelung (Proportionalregelung mit integrativem Anteil) der Stromzeigerphase φ_e gegenüber dem Geberwinkel φ_g oder davon abgeleiteten Größen, insbesondere der Drehfrequenz ω_g vorgenommen werden, so dass die Schwingungsbewegung durch Nachregelung der Stromzeigerphase effektiv gedämpft werden kann. Mit φ_m (t) = φ_g (t) + φ_off gilt folgender funktionaler Zusammenhang:
Für das Drehmoment gilt: M = I·K_m·sin(φ_e – φ_m = I·K_m·sin(ϑ)
Da das Drehmoment auch beschrieben wird als
mit J Massenträgheitsmoment des Rotors mit angeschlossener mechanischer Last. Verwendet man für den Ausdruck
und nimmt man ferner einen kleinen Lastwinkel ϑ << 90° an, so kann die Gleichung linearisiert werden mit
Dies entspricht der Differentialgleichung einer ungedämpften Schwingung. Nimmt man an, dass ein regeltechnischer Zusammenhang zwischen elektrischer Stromzeigerphase φ_e und mechanischer Drehfrequenz ω_m hergestellt werden kann, und hierzu ein Proportionalregler (P-Regler) mit Regelverstärkung –K_P eingesetzt wird, so gilt:
Setzt man diese Gleichung weiter oben ein, so erhält man:
Dies ist die Gleichung einer gedämpften Schwingung, wodurch erkenntlich wird, dass durch Verwendung eines P-Reglers, mit dem die elektrische Stromzeigerphase φ_e in Abhängigkeit der mechanischen Drehfrequenz ω_m geregelt wird, eine Dämpfung der Schwingungsbewegung des Rotors während des Bestimmungsverfahrens ermöglicht werden kann. Vorteilhafterweise verwendet man anstelle eines P-Reglers einen PI-Regler, so dass das System möglichst schnell in den Zustand φ_m = φ_e ± ϑ einschwingt.
Alternativ oder auch additiv zu der vorgenannten Möglichkeit einer Schwingungsdämpfung können im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens während der Vorgabe der Test-Drehfrequenz ω_e = ω₀ die aus dem Inkrementalgeber ermittelten und daraus weiterverarbeiteten Größen gefiltert werden, insbesondere Rotordrehzahl ω_m und/oder der Rotorlagewinkel φ_m frequenzgefiltert werden, so dass Schwingungen unterdrückt werden. So kann der Polradwinkel während des Ausrichtvorgangs laufend ermittelt und gefiltert werden, und dadurch die Schwingungen des mechanischen Polradwinkels im Ergebnis unterdrückt und die Bestimmungsgeschwindigkeit erhöht werden. Der Geberoffset φ_off,est (t) nimmt früher einen stationären Wert an und kann in φ_off übertragen werden. Insbesondere bei hohen Rastmomenten, die zu ungewollten Schwingungen führen, kann ein Tiefpass- oder Bandpassfilter angepasster Frequenz verwendet werden, um Rastschwingungen auszufiltern oder um auftretende mechanische Eigenfrequenzen zu unterdrücken. Hierdurch werden eine Erhöhung der Genauigkeit und eine Beschleunigung des Bestimmungsvorgangs erreicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Geberoffset φ_off und somit der Polradwinkel ϑ mittels Detektion eines Absolutwinkelimpulses bzw. Nullimpulses φ_g0 der Inkrementalgebereinrichtung korreliert bzw. korrigiert werden. So kann die Inkrementalgebereinrichtung bei Überfahren eines Referenzpunktes einen Nullpunktimpuls φ_g0 bzw. einen Absolutwertreferenzimpuls generieren, so dass zumindest nach einer mehrzahligen Umdrehung des Rotors die bestimmte Rotorlage durch Berücksichtigung der Absolutwertinformation korreliert bzw. auf Fehler überprüft oder auch korrigiert werden kann. Des Weiteren kann nach einem Neustart der Motoransteuerschaltung beispielsweise eine Neubestimmung des Geberoffsets φ_off vorgenommen werden, wobei beim Überfahren der Nullimpulsposition φ_g0 ein Vergleich mit der zuvor bekannten Lage des Nullimpulses φ_g0 während der zuletzt oder mehreren zuvor vorgenommen Bestimmungen vorgenommen werden kann. Treten signifikante Unterschiede auf, kann auf eine fehlerhafte Rotorlagenbestimmung oder eine Veränderung des mechanischen Systems geschlossen werden. In diesem Fall kann ein Fehlersignal ausgegeben oder eine wiederholte Neubestimmung durchgeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann bei einem Neustart eine Suchfahrt nach der Position der Nullimpulsposition φ_g0 vorgenommen werden, und ein zuvor bestimmter Polradwinkel verwendet werden, wodurch das System ohne wiederholte Kalibrierung sehr schnell in den Betriebszustand versetzbar ist. Somit werden eine Fehlerkorrektur und eine Erhöhung der Genauigkeit sowie schnellere Inbetriebnahme erreicht.
Alternativ und auch additiv zum vorgenannten Ausführungsbeispiel kann in einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens der Geberoffset φ_off durch eine zusätzliche Bestimmung eines geberlos ermittelten Rotorlagewinkels φ_m ^* aus einem elektrischen Modell des Motors basierend auf Messsignalen von Statorspannungen/Statorströmen im Stillstand oder im Betrieb korreliert bzw. korrigiert werden. Mit dem auf alternativen und aus dem Stand der Technik bekannten Weg ermittelten Rotorlagewinkel φ_m ^* kann der Geberoffset φ_off überprüft bzw. kalibriert werden. Hierzu sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von geberlosen Bestimmungsverfahren beruhend auf elektrischen Modellen des Motors zur Bestimmung der Rotorlage bzw. des Polradwinkels ϑ bekannt, in denen im Stillstand des Motors Testsignale zur Analyse der Polradausrichtung in die Statorwicklungen eingeprägt werden. Daneben existieren Verfahren, bei denen der Polradwinkel ϑ bei Drehzahlen in Höhe der Nenndrehzahl des Motors ermittelt werden kann. Diese Verfahren stehen in der Regel nicht für das Anfahren des Motors zur Verfügung. Nach erfolgtem Hochfahren des Motors kann der erfindungsgemäß ermittelte Polradwinkel durch Anwendung eines dieser Verfahren korreliert bzw. der bestimmte Geberoffset φ_off überprüft oder gegebenenfalls korrigiert werden, um eine verbesserte Steuerung des Motors zu erreichen.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein System zur Bestimmung einer Rotorlage eines Drehstromsynchronmotors vorgeschlagen, das bevorzugt ein Verfahren nach einem der oben genannten Ausführungsbeispiele durchführen kann. Das System umfasst eine Umrichtervorrichtung zur phasen- und amplitudenmodulierten Bestromung der Statorphasen eines Synchronmotors, eine Umrichtersteuervorrichtung zur Steuerung der Umrichtervorrichtung und eine Inkrementalgebereinrichtung zur Ermittlung des Geberwinkeloffsets φ_off. Die Umrichtersteuervorrichtung umfasst eine Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung, in der eine Drehfrequenzvorgabeeinheit eingerichtet ist, eine Drehfrequenz ω_e = ω₀ eines Teststromraumzeigers I zur Bestromung der Statorspulen des Motors vorzugeben. Des Weiteren umfasst die Umrichtersteuervorrichtung eine Winkelregeleinheit, die eingerichtet ist, aus dem vorgegebenen Stromzeigerphasenverlauf φ_e und dem gemessenen Geberwinkelverlauf φ_g einen Geberoffset φ_off = φ_m – φ_g mittels einer Offsetbestimmungseinheit durch eine Kalibrierungsfahrt zu bestimmen und somit ausgehend von dem Geberwinkel φ_g eine Rotorwinkellage φ_m zu ermitteln, so dass im laufenden Betrieb ein Polradwinkel ϑ = φ_e – φ_m bestimmbar ist, der für die Korrektur des inkrementellen Drehwinkelgebers verwendet werden kann.
Die Umrichtersteuervorrichtung erzeugt Schaltimpulse PU +/–, PV +/–, PW +/– zur Ausbildung eines rotierenden Statormagnetfelds des Motors. Um eine phasenrichtige Aufschaltung der einzelnen Schaltimpulse vorzunehmen, die die Halbleiterschaltelemente der Wechselrichterbrücken ein- bzw. ausschalten, ist eine exakte Kenntnis des Rotorlagewinkels φ_m erforderlich. Zur Erzeugung der phasenrichtigen Schaltimpulse dient die Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung der Umrichtersteuervorrichtung, die insbesondere bei einer erstmaligen Inbetriebnahme bzw. beim Einschalten der Synchronmaschine, bevorzugt durch Ausführung eines der vorgenannten Verfahren, eine Geberdifferenz φ_off zwischen dem von der Inkrementalgebereinrichtung herausgegebenen Geberwinkel φ_g und dem Rotorlagewinkel φ_m ermitteln kann. Hierzu ist die Kenntnis des Rotorlagewinkels φ_m erforderlich. Eine Drehfrequenzvorgabeeinheit erzeugt eine rotierende Stromzeigerphase φ_e mit einer Stromzeiger-Drehfrequenz ω_e = ω₀ als Test-Drehfrequenz, und gibt den Phasenverlauf eines Teststromraumzeigers I vor. Die Winkelregeleinheit erfasst den Geberwinkelverlauf φ_g, vergleicht diesen mit dem vorgegebenen Stromzeigerphasenverlauf φ_e und kann unter Annahme, dass sich der Rotorlagewinkel φ_m an der Stromzeigerphase φ_e ausgerichtet hat, die Differenz zwischen Geberwinkel φ_g und Rotorlagewinkel φ_m bestimmen, um basierend auf dem gemessenen Geberwinkel φ_g im laufenden Betrieb eine optimale Stromphase φ_e zur Erzeugung der Schaltimpulse PU, PV und PW unter Betrachtung des Polradwinkels ϑ erzeugen zu können. Hierzu kann die Umrichtersteuervorrichtung ein Rechenwerk, insbesondere einen digitalen Signalprozessor, einen Mikrokontroller oder ähnliches umfassen, um die notwendigen Berechnungen durchführen zu können. Durch Vorgabe eines insbesondere konstant rotierenden Teststromraumzeigers I und Messen des Geberwinkels φ_g kann im Bereich des durch das Reibdrehmoment und die Last des mechanischen Betriebs verursachten Reibwinkels ϑ₀ die Rotorlage bestimmt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Systems kann die Drehfrequenzvorgabeeinheit ein Drehrichtungsumkehrelement umfassen, dass während eines ersten Bestimmungszeitintervalls eine erste Phasenverlaufsrichtung und während eines nachfolgenden zweiten Bestimmungszeitintervalls eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Phasenverlaufsrichtung der Drehfrequenz ω_e vorgibt. Daneben kann die Offsetbestimmungseinheit ein Polradwinkelmittelungselement umfassen, dass aus dem während des ersten Bestimmungszeitintervalls ermittelten Polradwinkel ϑ₁, bzw. Geberoffsets φ_off,1 und dem während des zweiten Bestimmungszeitintervalls ermittelten Polradwinkel ϑ₂ bzw. Geberoffsets φ_off,2 einen gemittelten Polradwinkel ϑ bzw. φ _off bestimmen kann, so dass ein Reibmoment-Winkelfehler ϑ₀ eliminierbar ist. Die Weiterbildung weist ein Drehrichtungsumkehrelement auf, das ausgelegt ist, eine alternierende Drehrichtung des Stromraumzeigers vorzugeben, so dass zunächst der Polradwinkel in eine erste und anschließend in eine entgegengesetzte zweite Richtung vorgegeben wird. Folglich läuft der Rotor mit dem Phasenverlauf des Teststromraumzeigers mit, und die Offsetnachführungseinheit bestimmt den Polradwinkel ϑ₁ und Polradwinkel ϑ₂ der beiden Drehrichtungen. Das Polradwinkelmittelungselement nimmt eine Mittelung der beiden Polradwinkel ϑ₁, ϑ₂ vor, so dass der Einfluss einer mechanischen Last oder eines Reibmomentes eliminierbar ist, wobei dies insbesondere bei drehrichtungsinvarianten Lasten ein sehr genaues Ergebnis liefert. Durch ein Drehrichtungsumkehrelement in der Drehfrequenzvorgabeeinheit und Polradwinkelmittelungselement in der Offsetbestimmungseinheit kann diese Weiterbildung des Systems ein Verfahren zur Elimination eines die Polradwinkel-Bestimmung verfälschenden Reibmomentes durchführen.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung des Systems kann die Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung eine Amplitudenvorgabeeinheit umfassen, die eingerichtet ist, den Amplitudenbetrag |I| des Stromraumzeigers I während der Bestimmung von 0 auf einen vordefinierbaren Maximalwert |I_abs| zu erhöhen. Durch ein insbesondere lineares Erhöhen des Absolutwertes des Stromraumzeigers wird ein langsames Anfahren und Ankoppeln des Rotors an das drehende Statormagnetfeld ermöglicht. Somit kann eine schwingungsarme und schnelle Bestimmung der Rotorlage erreicht werden. Die Schleppdifferenz ϑ₀ wird in kürzester Zeit eingenommen. Bevorzugt kann zunächst ein rotierender Stromzeiger in eine erste Richtung und nachträglich in eine zweite entgegengesetzte Richtung vorgegeben werden, und aus der Differenz der in beiden Richtungen auftretenden Rotorlagen kann eine gemittelte Rotorlage ermittelt werden, aus der die Reibmomente und symmetrischen Lastmomente eliminiert sein können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung des Systems kann die Winkelregeleinheit, insbesondere eine P- oder PI-Regelmittel umfassen, das eingerichtet ist, die Teststromzeigerphase φ_e gegenüber dem Rotorlagewinkel φ_m zur Schwingungsunterdrückung auszuregeln, so dass das System schnell in den Zustand mit φ_m = φ_e ± ϑ einschwingt. Wie bereits weiter oben angemerkt, dient der Proportionalanteil K_M, der eine Verbindung zwischen vorgegebener elektrischer Teststromzeigerphase φ_e und Rotordrehfrequenz ω_m = ω_g bzw. zeitlicher Ableitung des Geberwinkels φ_g herstellt, zur Einführung einer Dämpfung im Regelkreis, so dass auftretende Stick-Slip-Schwingungen oder mechanische Eigenfrequenzen unterdrückt werden können und die Genauigkeit der Rotorlagenbestimmung erhöht werden kann. Der I-Anteil dient zur schnellen Ausregelung und verhindert ein Überschwingen des Regelverhaltens.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung des Weiteren eine Filtereinheit umfassen, die eingerichtet ist, eine Filterung des Geberoffsets φ_off der Inkrementalgebereinrichtung vorzunehmen. Somit können insbesondere mechanische Eigenschwingungen, Stick-Slip-Schwingungen oder sonstige Störeinflüsse des mechanischen Systems bei der Bestimmung der Rotorlage bzw. des Geberoffsets unterdrückt, die Genauigkeit erhöht und die Bestimmungsgeschwindigkeit verbessert werden.
Zur Erhöhung der Genauigkeit der Rotorlagenbestimmung kann nach einem ersten Anlauf der Synchronmaschine in einer vorteilhaften Weiterbildung des Systems die Inkrementalgebereinrichtung eine Nullimpulseinheit zur Ausgabe eines Signals bei Überfahren eines Referenzgeberwinkels φ_g0 umfassen, die eine Referenz zur Überprüfung der Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit der Rotorlagebestimmung bereitstellen kann. Alternativ und/oder additiv kann die Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung eine geberlose Rotorlagemodelleinheit zur Ausgabe eines geberlos ermittelten Rotorlagewinkels φ_m ^* umfassen, und die Offsetnachführungseinheit zur Korrelation bzw. Korrektur der bestimmten Rotorlage auf Basis von φ_g0 bzw. φ_m ^* mit der Nullimpulseinheit bzw. dem geberlosen Rotorlagemodelleinheit verbunden sein. Somit können aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeiten zur Überprüfung oder Korrektur der Rotorlage, wie die Generierung eines Nullimpulses, d.h. einer absoluten, geberfesten Lagereferenz der Inkrementalgebereinrichtung oder einer Rotorlageninformation sensorlos auf Basis der gemessenen Motorspannung und -ströme, beispielsweise durch Erkennung von Induktivitätsänderungen, berücksichtigt werden, um die erfindungsgemäß bestimmte Rotorlage zu überprüfen bzw. zu korrigieren. Die vorgenannten Möglichkeiten können nach Anlauf des Motors genutzt werden, um im laufenden Betrieb eine Verbesserung der Rotorlageninformation bereitzustellen.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltdiagramm eines Rotorlagen-Bestimmungssystems eines Drehstrommotors nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 Skizze zur funktionalen Darstellung eines Polradwinkels ϑ, Statorphase φ_e, Rotorlagewinkel φ_m und Geberwinkel φ_g;
3 ein Blockdiagramm eines Bestimmungssystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 schematisch der Aufbau eines Regelkreis gemäß eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 Amplituden-/Phasenverläufe eines Bestimmungsverfahrens nach dem Stand der Technik für einen reibmomentbehafteten Motor;
6 ein Amplituden-/Phasenverläufe unter Anwendung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
7 einen Amplitudenphasenverlauf unter Anwendung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bestimmungssystems 10 einer Rotorlage eines Synchronmotors 16 mit Inkrementalgebereinrichtung 18. Die Energie zum Antrieb des Motors 16 wird von einem Energienetz 40 als dreiphasige Drehstromspannung zur Verfügung gestellt. Diese wird in einer Umrichtervorrichtung 12 mittels einer Gleichrichtereinheit 42 durch Gleichrichterdioden 70 gleichgerichtet, durch einen Glättungskondensator 72 in einem DC-Zwischenkreises 44 geglättet und einer Wechselrichtereinheit 46 zugeführt. Halbleiterschaltelemente 74, insbesondere IGBT-Transistoren mit parallelen Freilaufdioden der Wechselrichtereinheit 46 werden durch eine Umrichtersteuervorrichtung 14 mit Steuersignalen PU+/–, PV+/–, PW+/– derart angesteuert, dass die drei Motorphasen U1-U2, V1-V2 und W1-W2 des Stators der sterngeschalteten Synchronmaschine 16 mit einem umlaufenden Statormagnetfeld beaufschlagt werden können. Die Steuersignale schalten bzw. sperren die den Statorphasen U, V, W des Motors 16 zugeordneten Halbleiterschaltelementen 74 der Umrichtereinheit 46. An die mechanische Abtriebswelle 62 des Motors 16 ist eine Inkrementalgebereinrichtung 18, beispielsweise ein photoelektrischer, magnetischer Sensor oder Ähnliches angekoppelt. Die Inkrementalgebereinrichtung 18 erfasst eine relative Winkeländerung, gibt einen willkürlich gegenüber dem Rotorlagenwinkel φ_m ausgerichteten Geberwinkel φ_g aus und kann beispielsweise an einer Stelle eines Absolutwert-Referenzwinkels φ_g0 ein Referenzsignal liefern. Typischerweise erfolgt die Berechnung des Polradwinkels ϑ aus den Signalen der Gebereinrichtung 18 in der Umrichtervorrichtung 12. Die Abtriebswelle 62 des Synchronmotors 16 treibt einen Antriebsstrang 60 mit einer Winkelgeschwindigkeit ω_m an, an dem eine mechanische Last angehängt sein kann, die symmetrisch oder asymmetrisch, d.h. hängend, wirken kann.
Zur phasenrichtigen Beaufschlagung der Schaltimpulse wird der Geberwinkel φ_g durch die Inkrementalgebereinrichtung 18 an die Umrichtersteuervorrichtung 14 weitergegeben. Aus dem Geberwinkel φ_g ist die Lage des Rotors φ_m in einem statorfesten Koordinatensystem zu bestimmen. Innerhalb der Umrichtersteuervorrichtung 14 zur Vorgabe der Steuersignale, wird in Abhängigkeit von φ_m ein Statormagnetfeld φ_e vorgegeben, so dass eine gewünschte Drehzahl ω_m und/oder Drehmoment des Motors 16 bereitgestellt werden kann. Für einen optimalen Betrieb des Synchronmotors 16 ist eine exakte Bestimmung des Rotorlagewinkels φ_m und demzufolge Eichung des Geberwinkels φ_g zur Generierung von Schaltimpulsen für die Vorgabe von Phase φ_e und Amplitude |I| der Stromzeigerphase I zur Regelung des Motorverhaltens wesentlich. Da die Inkrementalgebereinrichtung 18 nach Inbetriebnahme des Systems 10 zunächst „zu eichen“ ist, d.h. ein Korrekturwert für den Geber φ_off zu ermitteln ist, sodass φ_m = φ_g + φ_off gilt, ist ein Geberoffset-Bestimmungsverfahren durchzuführen, das zunächst den Polradwinkel ϑ, d.h. die Abweichung des Rotorlagewinkels φ_m vom elektrischen Phasenwinkel φ_e bestimmt und bei Kenntnis des elektrischen Phasenwinkels einen Geberoffset φ_off für den Geberwinkel φ_g bereitstellt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Bestimmungsverfahren versagen häufig bei Motoren mit hohen Reibmomenten bzw. mit großen angehängten Lasten, da bei der Ermittlung des Geberoffsets diese Reibmomente bzw. Lastmomente nicht ausreichend berücksichtigt werden.
In der 2 ist schematisch die Ausrichtung des Rotors 54 gegenüber den Statorspulen 52 dargestellt. Die Winkellage des Rotors 54 bezeichnet man als Rotorlagewinkel φ_m. In einem lastfreien System richtet sich die Achse des Rotors 54 nach der Vorgabe des Statormagnetfelds mit dem Phasenwinkel φ_e an diesem aus. Das Statormagnetfeld wird durch Bestromung der drei Statorspulen U1-U2, V1–V2 und W1–W2 mittels gesteuerten Schaltens der Halbleiterschaltelemente 74 der Wechselrichtereinheit 46 erzeugt. Durch hohe Reibmomente M_f und dem Einfluss einer angehängten mechanischen Last läuft der Rotor 54 bei Vorgabe einer konstanten Drehzahl gegenüber der elektrischen Ausrichtung des Statormagnetfelds φ_e um einen Polradwinkel ϑ hinterher. Die magnetische Achse des Rotormagnetfelds 56 ist somit gegenüber der Achse des Statormagnetfelds 58 bei Vorhandensein einer reinen Reiblast um einen reibungsabhängigen Reibwinkel ϑ₀ abweichend. Schließlich ist noch ein Geberwinkel φ_g dargestellt, der sich auf einen willkürlich festgelegte Nulllage bezieht, allerdings mechanisch mit dem Rotorlagewinkel φ_m durch den zu bestimmenden Geberoffset φ_off verknüpft ist. Ziel der vorgeschlagenen Erfindung ist, den Versatzwinkel φ_off zwischen dem Geberwinkel φ_g und dem Rotorlagewinkel φ_m in einer effizienten und schnellen Weise zu ermitteln, um den Polradwinkel ϑ im laufenden Betrieb mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können, so dass der Motor optimal betrieben werden kann.
3 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bestimmungssystems 10 zum Antrieb eines Synchronmotors 16 dar, in der die innere Struktur der Umrichtersteuervorrichtung 14 erläutert wird. Der Synchronmotor 16 wird durch eine Umrichtervorrichtung 12 bestromt, die ein rotierendes Statormagnetfeld durch phasenrichtige Erzeugung von Statorströmen bewirkt. An der mechanischen Antriebsachse 62 des Synchronmotors 16, die mit der Drehzahl ω_m rotiert, ist eine Inkrementalgebereinrichtung 18 angekoppelt. Diese liefert einen Geberwinkel φ_g, der in einer Umrichtersteuervorrichtung 14 eingegeben wird. Der Geberwinkel φ_g weicht vom dem Rotorlagewinkel φ_m um den statischen Versatz φ_off ab, wobei φ_m = φ_g + φ_off gilt. Der Versatz φ_off ist in einer anfänglichen Kalibrierungsphase oder bei Bedarf während des Betriebes gemäß eines Ausführungsbeispiels des erfinderischen Verfahrens zu ermitteln. Alternativ kann die Inkrementalgebereinrichtung 18 gemäß dem bekannten Stand der Technik lediglich Rechteck- bzw. Sinussignale liefern, sodass die Berechnung des Geberwinkels φ_g in der Umrichtersteuervorrichtung 14 erfolgt.
Die Umrichtersteuervorrichtung 14 berechnet die Steuersignale zur Bestromung des Motors 16 und liefert diese an die Umrichtervorrichtung 12, um die Halbleiterschaltelemente 74 der Wechselrichtereinheit 46 phasenrichtig zu schalten. Die Umrichtersteuervorrichtung 14 umfasst zur Erzeugung dieser Schaltimpulse eine PWM-Steuereinheit 34, die auf Basis eines komplexen Bestromungszeigers I pulsweitenmodulierte Schaltimpulse zur Verfügung stellt, und zu deren Erzeugung die Rotorlage φ_m benötigt wird. Zur Kalibrierung der Inkrementalgebereinrichtung 18 umfasst die Umrichtersteuervorrichtung 14 eine Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung 20. Die Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung 20 umfasst eine Drehfrequenzvorgabeneinheit 22, eine Rotorlagenmodelleinheit 23, eine Offsetnachführungseinheit 24, eine Offsetbestimmungseinheit 28, eine Filtereinheit 32, eine Stromzeigererzeugungseinheit 36 mit Amplitudenvorgabeeinheit 26 und eine Winkelregeleinheit 38. Beim Einschalten bzw. Initialisieren der Antriebsschaltung bestimmt die Bestimmungseinrichtung 20 zunächst den Geberoffset φ_off zwischen Rotorlagewinkels φ_m und Geberwinkel φ_g, so dass im weiteren Betrieb die Stromraumzeigerphase φ_e für einen gewünschten Motorbetrieb und unter Berücksichtigung des Rotorlagewinkels φ_m erzeugt werden kann.
Hierzu generiert die Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung 20 in einer Einschalt- bzw. Kalibrierungsphase des Bestimmungssystems 10 einen Teststromraumzeiger I, um ein rotierendes Statormagnetfeld auszubilden. Die Drehfrequenzvorgabeeinheit 22 erzeugt eine Vorgabe-Stromzeigerdrehfrequenz ω_0. unter der Annahme, dass sich während der relativ langsamen Bestimmungsbewegung die magnetische Achse des Rotors am Statormagnetfeld ausrichtet und somit im wesentlichen φ_e = φ_m gilt. Die Frequenzfiltereinheit 32 empfängt den von der tatsächlich ausgegebenen Stromzeigerphase φ_e subtrahierten Geberwinkel φ_g, filtert diesen und gibt somit φ_off ± ϑ = φ_e – φ_g = φ_m ± ϑ – φ_g mit φ_off = φ_m – φ_g an die Offsetbestimmungseinheit 28 aus. Beim Einschalten bzw. Initialisieren der Antriebsschaltung bestimmen die Offsetbestimmungseinheit 28 zunächst die Abweichung zwischen Rotorlagewinkel φ_m und vorgegebenem Raumzeiger φ_0, was dem aufgrund Reibung verfälschten gesuchten Polradwinkel ϑ entspricht. Dazu filtert die Filtereinheit 32 kontinuierlich die Differenz φ_e – φ_g mit einer Tiefpasscharakteristik, um den Einfluss von Schwingungen und ähnliches zu reduzieren. Mittels der Offsetbestimmungseinheit 28, die den durch eine Filtereinheit 32 tiefpassgefilterten Geberwinkel φ_g, der von der vorgegebenen Stromzeigerphase φ_e subtrahiert ist, empfängt, wobei der Einfluss eines Rastmomentes M_r und mechanischer Eigenschwingungen ausgefiltert sind, sowie des weiteren die Drehrichtung und Wert der vorgegebenen Stromzeigerphase φ₀ empfängt, wird die Abweichung von Geberwinkel zur Rotorlage φ_off = φ_m – φ_g durch die vorgegebene Stromzeigerphase φ₀ und den gemessenen Geberwinkel φ_g nach Durchlauf der Kalibrierungsbewegung, die aus mehreren zusammengesetzten Bewegungen, z.B. in verschiedene Richtungen bestehen kann, bestimmt. Da der Versatzwinkel φ_off dem Rotorlagewinkel φ_m unabhängig von der Drehrichtung um einen konstanten Betrag vor- bzw. nacheilt, kann durch Vorgabe des Stromzeigerwinkels φ₀ und Aufzeichnung des Geberwinkels φ_g durch die Offsetbestimmungseinheit 28 bei einem beispielsweise Links- und nachfolgenden Rechtslauf zwei unterschiedliche Winkelverlaufsdifferenzen ϑ₁, ϑ₂ erkannt werden, deren Mittelung ϑ den wahren Polradwinkel ergibt, bzw. deren Unterschied gerade den Versatzwinkel φ_off bestimmt. Der ermittelte Versatz φ_off wird zusammen mit der vorgegebenen Stromzeigerphase φ₀ und dem Geberwinkel φ_g an die Winkelregeleinheit 38 gegeben, die hieraus den Polradwinkel ϑ = φ_e – φ_m = φ_e– φ_g + φ_off bestimmt und zur verbesserten Bestimmung in der Inertialisierungsphase ausregeln kann, beispielsweise nach einem PI-Regelverfahren, und diesen an die Stromerzeugungseinheit 36 weitergibt, die den Stromzeigerwinkel I entsprechend einem gewünschten Verhalten des Motors 16 vorgibt. In einer einfachen ungeregelten Ausführungsform entspricht die vorgegebene Stromzeigerphase φ₀ der tatsächlich ausgegebenen Stromzeigerphase φ_e, d.h. φ_e = φ₀. Die Winkelregeleinheit 38 kann im Laufe des Ermittlungsvorgangs des Geberoffsets φ_off mittels eines internen Regelverhaltens bei Vorgabe einer Stromzeigerphase φ₀ unter Berücksichtigung des Verhaltens des Rotorlagewinkels φ_m den Verlauf der tatsächlich ausgegebenen Stromzeigerphase φ_e nachregeln, so dass eine schnelle und effiziente Bestimmung des Geberoffsets φ_off durchführbar ist.
Die Amplitudenvorgabeeinheit 26 gibt den Betragsverlauf des Teststromraumzeigers |I| vor, so dass die Stromzeigererzeugungseinheit 36 nach Empfang der Stromzeigerphase φ_e den rotierenden Teststromraumzeiger I generiert und auf dessen Basis die PWM-Steuereinheit 34 die Schaltimpulse Pu±, Pv±, Pw± zur Erzeugung des rotierenden Stromraumzeigers ausgibt. Durch ein langsames Rotieren des Synchronmotors 16, insbesondere Rotieren in entgegengesetzte Richtungen mit einer konstanten oder geregelten Stromzeiger-Drehfrequenz ω₀ bzw. ω_e, wird φ_off = φ_g – φ_m bestimmt, so dass der Polradwinkel ϑ im Folgenden durch die Umrichtersteuervorrichtung 14 bestimmt und im laufenden Betrieb zu einer optimalen Kommutierungsregelung verwendet werden kann. Nachdem durch die Testbestromung der Geberoffset φ_off bestimmt wurde, kann im laufenden Betrieb durch eine Nullimpulseinheit 30 der Inkrementalgebereinrichtung 18 eine absolute Lageinformation φ_g0 ausgelesen werden. Durch die Offsetnachführungseinheit 24 kann unter Berücksichtigung dieser Referenzlage überprüft werden, ob der ermittelte Versatzwinkel φ_off weiterhin gültig ist. Des Weiteren kann eine Rotorlagemodelleinheit 23, die die Motorströme I_m und Motorspannungen U_m, sowie die vorgegebene Stromzeigerphase φ₀ und den Geberwinkel φ_g empfängt, einen sensorlos und elektrisch ermittelten Rotorlagewinkel φ_m ^* zur weiteren Korrektur und Überprüfung des Versatzwinkels φ_off bereitstellen, um eine verbesserte Genauigkeit der Rotorlagenerkennung zu erreichen. Somit kann eine optimale Bestromung des Synchronmotors mit hohem Wirkungsgrad, hohem Drehmoment und langer Lebensdauer des Motors erreicht werden.
Nach einem Neustart des Systems kann durch eine Suchfahrt die Nullimpulslage φ_g0 angefahren werden, und mit dem zuvor bestimmten Versatzwinkel φ_g eine phasenrichtige Bestromung durchgeführt werden, so dass ein Motorbetrieb mit bisherigem Geberoffset φ_off ohne Neukalibrierung erfolgen kann. Alternativ kann nach einem Neustart eine erneute Bestimmung durchgeführt werden, und bei Überfahren des Referenzwinkels φ_g0 dessen Lage mit einer erwarteten Lage aus einem bereits zuvor bestimmten Polradwinkel, bzw. Geberwinkelversatz φ_off = φ_g – φ_m, z.B. zuvor durch eine im lastfreien Zustand durchgeführten Suchfahrt ermittelten Versatz verglichen werden. Stimmt die erwartete Kommutierungslage mit der neuen Kommutierungslage bezüglich der Referenzposition φ_g0 nicht oder in einem Toleranzbereich nicht überein, kann von einer fehlerhaften Bestimmung oder einer Veränderung des mechanischen Systems, beispielsweise von einer Verstellung der Ausrichtung des Inkrementalgebers 18 ausgegangen werden, und es kann ein Fehlersignal ausgegeben werden und/oder eine weitere Neubestimmung durchgeführt werden.
In der 4 ist schematisch ein das Verständnis des Gesamtsystems erläuterndes Regelkreis-Bockdiagramm eines Synchronmotors 16 mit Ansteuerung dargestellt. Das Antriebsstrangdrehmoment M_M des Motors 16 wird gebildet aus Strom I, Polradwinkel ϑ und Drehmomentkonstante K_m. Dem stehen die Drehmomente M_F (trockene Reibung), M_L (Belastung durch den Antriebsstrang), M_R (Nutrasten) und M_M (mechanische Schwingungen) gegenüber; die Summe wird mit dem Massenträgheitsmoment J des Antriebsvorgangs gewichtet, zur mechanischen Drehzahl ω_m und weiter zum Rotorlagewinkel φ_m integriert.
Der Rotorlagewinkel φ_m wird durch die Inkrementalgebereinrichtung 18 (mit dem zunächst unbekannten Geberversatz φ_off) als gemessener Geberwinkel φ_g der Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung 20 zugeführt, und mittels eines zuvor bestimmten Korrekturwinkels φ_off in den Rotorlagewinkel φ_m umgerechnet. Der Rotorlagewinkel φ_m wird als rückgeführte Größe zur Regelung der auszugebenden Stromzeigerphase φ_e der Winkelregeleinheit 38 zugeführt. Die ausgeregelte Stromzeigerphase φ_e als Ausgabeparameter der Winkelregeleinheit 38 dient als Grundlage einer d- bzw. q-Komponentenzerlegung (sinus- bzw. kosinusmoduliert) und wird gewichtet mit einem vorgegebenen d bzw. q-Amplitudenbetrag |I| zur Erzeugung des rotierenden Stromraumzeigers I verwendet.
Zur Erzeugung der Stromzeigerphase φ_e wird mittels der Drehfrequenzvorgabeeinheit 22 eine bevorzugt konstante Drehfrequenz ω₀ vorgegeben. Von der Drehfrequenz ω₀ wird eine durch einen Differentiator 50 aus dem Rotorlagewinkel φ_m abgeleitete mechanische Drehfrequenz ω_m abgezogen, um als Regelgröße eines PI-Regelmittel 64 der Winkelregeleinheit 38 und addiert mit dem durch Integration gewonnenen umlaufenden Stromzeiger φ₀ = ω₀·t als geregelter elektrischer Raumfeldwinkel φ_e ausgegeben zu werden.
Im Synchronmotor 16 erfolgt auf Basis der komplexen Stromamplitude I die Drehmomentbildung. Das PI-Regelmittel 64 dient dazu, auftretende Schwingungen in der Stromzeigerphase nach Beaufschlagung mit einem Drehfeld ω₀ möglichst schnell zu dämpfen. Die Regelung hat die Aufgabe, die Rotordrehfrequenz ω_m der Soll-Drehfrequenz ω₀ durch eine schnelle Nachführung anzugleichen. Stellgröße ist der elektrische Bestromungswinkel φ_e, der unmittelbar auf die Drehmomentbildung Einfluss nimmt. Zur Umwandlung des Geberwertes φ_g in den Rotorlagewinkel φ_m wird während einer Initialisierungsphase eine Testbestromung durchgeführt, um durch Beobachtung des Geberwinkelverlaufs φ_g gegenüber einem vorgegebenen bzw. geregelten Stromzeigerphasenverlauf φ_e den Geberoffset φ_off zu bestimmen.
Das in 4 dargestellte Regelverfahren ermöglicht die Durchführung eines Ausführungsbeispiels mit Ausregelung der Teststromzeigerphase φ_e zur Bestimmung der Rotorlage des Synchronmotors 16 mittels Inkrementalgebereinrichtung 18 und vorgegebener konstanter Drehfrequenz ω₀ als Testbestromung. Das Verfahren ermöglicht eine Korrelation von vorgegebener Phase des Teststromzeigers φ_e mit dem Rotorlagewinkel φ_m wodurch die Abweichung φ_off = φ_m – φ_g zum Geberwert φ_g der Inkrementalgebereinrichtung 18 ermittelbar und für den laufenden Betrieb des Motors 16 verwendbar ist. Im einfachen Fall wird die Solldrehfrequenz ω₀ direkt zu dem Bestromungswinkel φ_e aufintegriert und ausgegeben; im geregelten Fall dient dieser Zweig als Vorsteuerung des Regelmittels 64.
5 zeigt ein Amplitudenphasendiagramm eines typischen Rotorlagen-Bestimmungsverfahrens aus dem Stand der Technik für einen Motor mit hohem Reibmoment, bei dem eine Statoramplitude eines Teststromraumzeigers I von 0 während einer Anstiegszeitdauer ΔT auf einen Absolutwert |I_abs| hochgefahren wird und zwei um 90° verschobene statische Ausrichtposition des Statormagnetfeldes vorgegeben werden. Dabei erfolgt in einem ersten Schritt eine statische Bestromung der Statormagnetspule in eine Statorlage φ_e1 = 45°, wobei der Rotor sich in eine erste vorbestimmte Position φ_m1 nach Erhöhung der Ausrichtamplitude |I| ausrichtet, in der ein erster Polradwinkel ϑ₁ identifiziert werden kann. Danach erfolgt eine zweite, statische Ausrichtung durch Vorgabe eines um 90° verdrehten Teststromraumzeigers mit dem Winkel φ_e2 = 135° eine zweite Position φ_m2, in dem sich ein zweiter Polradwinkel ϑ₂ einstellt. Für den gesuchten Geberoffset φ_off = φ_m– φ_g ergeben sich aufgrund der Reibung unterschiedliche Werte ϑ₁, ϑ₂ die als Ungenauigkeit in der Größenordnung bis +/–ϑ₀ hingenommen werden muss. Die Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Rotorlage bei Antrieben mit hohem Reibmoment ist derart groß, dass der Motor nicht mit optimalem Wirkungsgrad bestromt werden kann.
In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen wird zur besseren Darstellung davon ausgegangen, dass bei Anwendung des Verfahrens der Geberoffset φ_off = 0 beträgt, so dass φ_g = φ_m angenommen werden kann und lediglich die Auswirkung der mechanischen Last bzw. Reibung als Fehler in den Phasenverläufen auftritt.
6 zeigt Amplitudenverlauf, Phasenlage und auftretende Winkelgeschwindigkeit bei Anwendung eines Bestimmungsverfahrens mit φ_off = 0 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Amplitude wird von 0 auf einen Maximalwert |I_abs| erhöht, während dessen das Statormagnetfeld konstant gedreht wird. Der Rotor eilt dem drehenden Statormagnetfeld nach und es stellt sich ein konstanter Polradwinkel ϑ₁ ein. Nach Abschluss der ersten Drehrichtungsphase rotiert das Statormagnetfeld in die entgegengesetzte Richtung mit gleicher Winkelfrequenz und umgekehrten Vorzeichen und der Rotor eilt wiederum dem Statormagnetfeld um einen Polradwinkel ϑ₂ hinterher. Die beiden Polradwinkel ϑ₁, ϑ₂ weisen ein alternierendes Vorzeichen gegenüber dem Stromzeigerphasenverlauf φ_e auf. Durch arithmetische Mittelung der beiden Polradwinkel
kann der Einfluss des Reibmoments eliminiert werden.
Bei der Betrachtung der auftretenden Rotordrehfrequenz ω_m während der ersten und zweiten Phase sind Schwingungen zu erkennen, die zum einen durch auftretende Rastmomente beim Einrasten der magnetischen Polnuten hervorgerufen werden, zum anderen auf Basis von Stick-Slip-Effekten durch Reibkräfte bei langsamen Drehbewegungen erzeugt werden.
Zur Unterdrückung der vorgenannten Schwingungsbewegung kann eine Nachregelung der Stromzeigerphase φ_e bei Vorgabe einer konstanten Drehfrequenz ω₀ vorgenommen werden. Der verwendete Regler wirkt dämpfend.
Als Ergebnis wird in 7 ein vergleichbares Verfahren unter der Annahme φ_off = 0 betrachtet, bei dem die mechanische Drehfrequenz ω_m lediglich einen kurzen Einschwingvorgang zeigt und sich schnell an die vorgegebene elektrische Drehfrequenz ω_e annähert. Dies wird durch eine Nachregelung der elektrischen Stromzeigerphase φ_e erreicht. Während des Anstiegs der Teststromamplitude im Zeitbereich t = 0 bis 0.4s erfolgt eine Drehung des Statormagnetfelds mit einer etwa fünffach höheren Drehfrequenz ω_e = 5·ω₀, die als Suchfrequenz derart eingestellt ist, dass ein schnelles Ankoppeln des Rotors an das rotierende Statormagnetfeld ermöglicht ist. Nach Feststellung einer Rotorbewegung wird die vorgegebene Stromzeiger-Drehfrequenz ω_e wieder auf ω₀ reduziert, um ein schnelles Einschwingen und die Ausbildung einer konstanten Schleppabweichung ϑ zu erreichen, aus der die Rotorlage bestimmt werden kann.
Die Erfindung ermöglicht insbesondere bei Antrieben mit hohen Reibmomenten oder großen symmetrischen und asymmetrischen Lasten eine schnelle Bestimmung des Polradwinkels mit hoher Genauigkeit, so dass eine optimale Bestromung mit hohem Wirkungsgrad, hoher Energieeffizienz und exakter Drehmomentvorgabe eines Motors, bei dem sich die Rotorlage eindeutig an der Ausrichtung des Statormagnetfelds orientiert, ermöglicht wird. Hierdurch wird Langlebigkeit, Antriebsverhalten und Wirkungsgrad derartiger Antriebe verbessert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10315754 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage eines Synchronmotors (16) mit Inkrementalgebereinrichtung (18) durch Bestromung der Statorspulen (2) eines Motors (16), insbesondere Synchronmotors, mit einem Teststromraumzeiger I zur Ermittlung eines Geberoffsets φ_off = φ_m – φ_g zwischen einem Geberwinkel φ_g der Inkrementalgebereinrichtung (18) und einem Rotorlagewinkel φ_m des Läufers, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromzeiger-Drehfrequenz ω_e = ω₀ des Teststromraumzeigers I vorgegeben und der Verlauf des Geberwinkels φ_g der Inkrementalgebereinrichtung (18) aufgenommen wird, so dass durch Korrelation des Geberwinkelverlaufs φ_g mit dem Stromzeigerphasenverlauf φ_e der Rotorlagewinkel φ_m und somit der Geberoffset φ_off bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude |I| des Stromraumzeigers I während der Bestimmung von 0 auf einen vordefinierbaren Maximalwert |I_abs| insbesondere linear ansteigt, wobei bevorzugt der Anstieg in einem Stromzeigerphasenbereich φ_e < 360°, insbesondere in einem Stromzeigerphasenbereich φ_e < 180°, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung wiederholt mit verschiedenen Maximalwerten |I_abs| und/oder verschiedenen Anstiegszeiten ΔT erfolgt, um insbesondere den Einfluss einer mechanischen Last im Bestimmungsvorgang durch Vergleich der ermittelten Rotorlagen zu berücksichtigen.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bis zur Feststellung einer Drehbewegung des Rotors die Stromzeiger-Drehfrequenz ω_e größer als die Test-Drehfrequenz ω₀ als Suchfrequenz ω_es > ω_o und sehr viel kleiner ω_es << ω_mf als eine kleinste Eigenfrequenz ω_mf des mechanischen Systems des Motors (16) mit Antriebsstrang (60) eingestellt wird, und nach Feststellung einer Drehbewegung des Rotors auf die Test-Drehfrequenz ω_e = ω₀ herabgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein Polradwinkel ϑ₁ in eine erste Drehrichtung und in einem zweiten Verfahrensschritt ein Polradwinkel ϑ₂ in eine zweite entgegengesetzte Drehrichtung ermittelt, und hieraus ein gemittelter Polradwinkel ϑ bestimmt wird, so dass ein Reibmoment-Winkelfehler ϑ₀ eliminiert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Proportionalregelung, insbesondere eine PI-Regelung der Stromzeigerphase φ_e vorgenommen wird, so dass eine Schwingungsbewegung des Rotors (54) gedämpft wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Vorgabe der Test-Drehfrequenz ω_e = ω₀ die aus dem Inkrementalgeber ermittelten und daraus weiterverarbeiteten Größen, insbesondere Rotordrehzahl ω_m und/oder der Rotorlagewinkel φ_m frequenzgefiltert werden, so dass eine Dämpfung des Regelvorgangs erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Geberoffset φ_off durch Detektion eines Referenzwinkelimpulses φ_g0 der Inkrementalgebereinrichtung (18) korreliert bzw. korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Geberoffset φ_off durch eine zusätzliche Bestimmung eines geberlos ermittelten Rotorlagewinkel φ_m ^* aus einem elektrischen Modell des Motors (16) basierend auf Messsignalen von Statorspannungen/-strömen bei hinreichend hoher Rotordrehzahl ω_m korreliert bzw. korrigiert wird.
System (10) zur Bestimmung der Rotorlage eines Drehstrom-Synchronmotors (16), bevorzugt unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend eine Umrichtervorrichtung (12) zur phasen- und amplitudenmodulierten Bestromung der Statorphasen (52) eines Synchronmotors (16), eine Umrichtersteuervorrichtung (14) zur Steuerung der Umrichtervorrichtung (12) und eine Inkrementalgebereinrichtung (18) zur Ermittlung eines Geberwinkeloffsets φ_off, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichtersteuervorrichtung (14) eine Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung (20) umfasst, in der eine Drehfrequenzvorgabeeinheit (22) eingerichtet ist, eine Drehfrequenz ω_e = ω₀ eines Teststromraumzeigers I zur Bestromung der Statorspulen (52) des Motors (16) vorzugeben, und eine Winkelregeleinheit (38) umfasst, die eingerichtet ist, aus dem vorgegebenen Stromzeigerphasenverlauf φ_e und dem gemessenen Geberwinkelverlauf φ_g einen Geberoffset φ_off = φ_m – φ_g mittels einer Offsetbestimmungseinheit (28) durch eine Kalibrierungsfahrt zu bestimmen und somit eine Rotorwinkellage φ_m zu ermitteln, so dass im laufenden Betrieb ein Polradwinkel ϑ = φ_e – φ_m bestimmbar ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfrequenzvorgabeeinheit (22) ein Drehrichtungsumkehrelement umfasst, das während eines ersten Bestimmungszeitintervalls eine erste Phasenverlaufsrichtung und während eines nachfolgenden zweiten Bestimmungszeitintervalls eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Phasenverlaufsrichtung der Drehfrequenz ω_e vorgibt, und dass die Offsetbestimmungseinheit (28) ein Polradwinkelmittelungselement umfasst, dass aus dem während des ersten Bestimmungszeitintervalls ermittelten Polradwinkel ϑ₁ und dem während des zweiten Bestimmungszeitintervalls ermittelten Polradwinkel ϑ₂ einen gemittelten Polradwinkel ϑ bestimmt werden kann, so dass ein Reibmoment-Winkelfehler ϑ₀ eliminierbar ist.
System (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung (20) eine Amplitudenvorgabeeinheit (26) umfasst, die eingerichtet ist, die Amplitude |I| des Stromraumzeigers I während der Bestimmung von 0 auf einen vordefinierbaren Maximalwert |I_abs| zu erhöhen.
System (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelregeleinheit (38), insbesondere ein P- oder PI-Regelmittel (64) umfasst, das eingerichtet ist, die Teststromzeigerphase φ_e gegenüber dem Geberwinkel φ_m zur Schwingungsunterdrückung auszuregeln.
System (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung (20) des Weiteren eine Filtereinheit (32) umfasst, die eingerichtet ist, eine Frequenzfilterung des Geberwinkeloffsets φ_off vorzunehmen.
System (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Inkrementalgebereinrichtung (18) eine Nullimpulseinheit (30) zur Ausgabe eines Referenz-Geberwinkels φ_g0 umfasst und/oder die Polradwinkel-Bestimmungseinrichtung (20) ein geberloses Rotorlagemodelleinheit (23) zur Ausgabe eines geberlos ermittelten Kommutierungswinkels φ_m ^* umfasst, und die Offsetnachführungseinheit (24) zur Korrelation bzw. Korrektur des Geberoffsets φ_off auf Basis von φ_g0 bzw. φ_m ^* mit der Nullimpulseinheit (30) bzw. dem geberlosen Rotorlagemodelleinheit (23) verbunden ist.