DE102018130477A1

DE102018130477A1 - Verfahren zum Steuern eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102018130477A1
Application number: DE102018130477.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Meßner; Mario Ruoff; Karsten Krohs; Christian Dieterich
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines elektrisch kommutierten Elektromotors, wobei das Verfahren das Ermitteln eines Profils, das dem zeitlichen Verlauf der Rotorposition des Elektromotors in Folge einer Stellvorgabe entspricht, das Ermitteln einer maximalen Sollbeschleunigung für ein vorgegebenes Beschleunigungsprofil aus dem Profil, das Festlegen einer reduzierten Sollbeschleunigung, welche kleiner als die maximale Sollbeschleunigung ist, und das Ermitteln der Kommutierungszeitpunkte des Elektromotors für das vorgegebene Beschleunigungsprofil und die reduzierte Sollbeschleunigung umfasst.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anlaufvorgänge von Elektromotoren, insbesondere für die Optimierung von Anlaufvorgängen in elektrisch kommutierten Elektromotoren.
HINTERGRUND
Elektromotoren finden vielfältige Anwendung in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und übernehmen auch infolge der Digitalisierung eine zunehmende Anzahl von Aufgaben. Diese Zunahme an Elektromotoren in elektronisch gesteuerten Geräten hat jedoch auch dazu geführt, dass an einzelne Elektromotoren höhere Anforderungen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit mit anderen elektrischen Geräten und der Energieeffizienz der Elektromotoren gestellt werden.
Gerade Brems- und Beschleunigungsvorgänge können dabei zu einem erhöhten elektromagnetischen Störpotential führen, welches die Funktionsweise benachbarter elektrischer Geräte negativ beeinflussen kann, und können gleichzeitig den Energieverbrauch des Elektromotors erhöhen. Eine Optimierung und Reduzierung solcher Vorgänge kann daher zu einem verbesserten Verhalten des Elektromotors führen.
In sensorlosen Elektromotoren ist eine Rückkopplung zwischen der Bewegung des Elektromotors und dem Antrieb und damit eine optimale Kontrolle erst ab einer gewissen Mindestdrehzahl möglich, bei der die gegenelektromotorische Kraft, welche in den Windungen des Elektromotors von veränderlichen magnetischen Feldern erzeugt wird, eine Detektionsschwelle übersteigt.
Unterhalb der Mindestdrehzahl wird ein solcher Elektromotor jedoch häufig „blind“ betrieben, was die Ursache dafür sein kann, dass Anlaufvorgänge in Elektromotoren ineffizient und langsam sind oder zu einer verringerten elektromagnetischen Verträglichkeit des Elektromotors führen.
DE 10 2012 102 868 A1 lehrt zweistufige Anlaufvorgänge, die sich aus einer ersten Beschleunigungsphase mit vorberechneten Kommutierungszeitpunkten und einer zweiten dynamischen Beschleunigungsphase zusammensetzen, in welcher die elektrische Kommutierung anhand von Sensorsignalen durchgeführt wird. Die Beschleunigung des Motors anhand der vorberechneten Kommutierungssignale umfasst 10 bis 15 Kommutierungsschritte.
DE 10 2013 014 481 A1 beschreibt ebenfalls zweistufige Anlaufvorgänge, bei denen die Pulsweitenmodulation während der Startphase des Elektromotors auf Basis der sehr variablen Betriebsgleichspannung des Elektromotors modifiziert oder überbrückt wird, um bei langen Schaltzeiten der Motorelektronik zuverlässige Anlaufvorgänge zu erhalten. Die Beschleunigungsphase des Motors auf Basis der vorberechneten Kommutierungssignale umfasst 20 Kommutierungsschritte.
DE 600 25 845 T2 offenbart die Überdimensionierung von bürstenlosen Gleichstrommotoren zum Betrieb im Start/Stopp Modus, wobei eine variierende Batteriespannung bei Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen voll an die Windungen des Elektromotors weitergegeben wird und ansonsten über Pulsweitenmodulation auf einer vorgegeben effektiven Spannung gehalten wird.
Sowohl langsame Anlaufvorgänge als auch die Überdimensionierung des Elektromotors für den Start/Stopp-Betrieb führen jedoch nicht zu einer effizienten und kostengünstigen Lösung bei gleichzeitiger guter elektromagnetischer Verträglichkeit.
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Anlaufdynamik für Elektromotoren bereitzustellen, in denen die Auswirkungen der oben genannten Probleme reduziert sind und/oder ein vorteilhafter Kompromiss erhalten werden kann.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren und einem Elektromotor nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
In einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern eines elektrisch kommutierten Elektromotors, wobei das Verfahren das Ermitteln eines Profils umfasst, das dem zeitlichen Verlauf der Rotorposition des Elektromotors in Folge einer Stellvorgabe entspricht. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln einer maximalen Sollbeschleunigung für ein vorgegebenes Beschleunigungsprofil aus dem Profil, das Festlegen einer reduzierten Sollbeschleunigung, welche kleiner als die maximale Sollbeschleunigung ist, und das Ermitteln der Kommutierungszeitpunkte des Elektromotors für das vorgegebene Beschleunigungsprofil und die reduzierte Sollbeschleunigung.
Dabei hat sich herausgestellt, dass die maximale Sollbeschleunigung, welche dem dynamischen Verhalten des Elektromotors gegenüber einer Stellvorgabe entspricht, in der Praxis kein optimales Verhalten erzielt. Vielmehr kann durch die Wahl von Kommutierungsschritten, die einer gegenüber der maximalen Sollbeschleunigung reduzierten Beschleunigung entsprechen, im sensorlosen Betrieb eines Elektromotors eine verbesserte Charakteristik erhalten werden. Durch die Wahl der reduzierten Sollbeschleunigung auf Basis des Wertes der maximalen Sollbeschleunigung können dabei Einschwingvorgänge des Rotors, welche zu Beginn des Beschleunigungsprofils auftreten können, reduziert werden.
Das Beschleunigungsprofil mit der reduzierten Sollbeschleunigung kann in dem Elektromotor über eine Brückenschaltung implementiert werden, wobei eine Phasenspannung mit einem vorgegebenen Vorzeichen an unterschiedlichen Windungen des Elektromotors angelegt wird. Bei zyklischer Kommutierung der Zustände der Schaltmatrix kann in dem Elektromotor eine Drehung des Rotors hervorgerufen werden.
Die Stellvorgabe kann die Phasenspannung des elektrisch kommutierten Elektromotors umfassen. Die Phasenspannung kann der Spannungsamplitude der Spannung entsprechen, welche an Windungen des elektrisch kommutierten Elektromotors anliegt, um eine Rotation des Elektromotors zu erzeugen. Die Spannung kann moduliert sein, um eine niedrigere effektive Phasenspannung zu erhalten, wie eine sinusförmige Spannung oder Pulsweitenmodulierte Spannung. Die Spannung kann jedoch auch immer mit der vollen Amplitude, als sogenannte Blockspannung, anliegen, wobei eine Pulsweitenmodulation überlagert sein kann.
In einigen Ausführungsformen wird die effektive Phasenspannung zumindest während der Vorgabe des Beschleunigungsprofils nicht proportional zu der reduzierten Sollbeschleunigung reduziert.
Beispielsweise wird nach dem Festlegen der reduzierten Sollbeschleunigung weiterhin die volle Phasenspannung zum Beschleunigen des Elektromotors verwendet oder eine Modulation der Phasenspannung derart durchgeführt, dass die effektive Phasenspannung nicht einen proportional zu der reduzierten Sollbeschleunigung reduzierten Wert aufweist, sondern größer als der proportional zu der reduzierten Sollbeschleunigung reduzierte Wert ist. Das Anlegen der höheren oder der vollen Phasenspannung während der Beschleunigung kann dabei Anlaufproblemen des Elektromotors unter Last entgegenwirken. Insbesondere kann die Phasenspannung durch das Einprägen eines Phasenstroms eingestellt werden. Der Phasenstrom kann beispielsweise abhängig von einer anliegenden Last gewählt werden. Bei einer gegebenen Eingangsspannung wird sich die Phasenspannung folglich in Abhängigkeit des eingeprägten Strom einstellen.
In einigen Ausführungsformen ruht der Elektromotor vor der Stellvorgabe.
Die Ruheposition, in welcher der Elektromotor ruht, kann einer natürlichen Ruhestellung des Elektromotors entsprechen, in die der Elektromotor durch eine entsprechende Stellvorgabe für einen Haltebetrieb gebracht werden kann. Der Haltebetrieb kann das Vorgeben eines Haltestroms umfassen, welcher an Windungen des elektrisch kommentierten Elektromotors angelegt wird. Der Haltestrom kann ein konstanter Strom in den ausgewählten Windungen sein, dessen Stromwert über Pulsweitenmodulation der angelegten Phasenspannung bestimmt werden kann.
Anschließend kann die Stellvorgabe vorgegeben werden, welche eine Beschleunigung des Elektromotors vorgibt. Beispielsweise wird ausgehend von einer Startkonfiguration der Brückenschaltung eine Blockkommutierung vorgegeben, wobei die Phasenspannung in der kommutierten Konfiguration der Brückenschaltung bis zu einem ersten Kommutierungszeitpunkt vorgegeben wird.
Auf diese Weise kann das Profil das dynamische Verhalten des Elektromotors infolge einer Stellvorgabe aus der Ruhestellung bereitstellen, sodass ein Anlaufvorgang des Elektromotors anhand der dynamischen Antwort des Elektromotors auf die Stellvorgabe optimiert werden kann.
Das Profil kann den gemessenen oder simulierten zeitlichen Verlauf der Rotorposition oder dessen zeitlicher Ableitung in Folge einer Stellvorgabe oder das für die Simulation oder Berechnung des zeitlichen Verlaufs der Rotorposition oder dessen zeitlicher Ableitung verwendete Modell umfassen.
In einigen Ausführungsformen ist das Profil gleich dem zeitlichen Verlauf der Rotorposition oder dessen zeitlicher Ableitung.
Die zeitliche Ableitung der Rotorposition wird im Folgenden auch Winkelgeschwindigkeit genannt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Winkelgeschwindigkeit kann beispielsweise die Beschleunigung des Elektromotors abgelesen, und auf das Drehmoment des Elektromotors rückgeschlossen werden.
In einigen Ausführungsformen sieht das vorgegebene Beschleunigungsprofil eine monotone, insbesondere eine lineare oder quadratische, Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors vor.
Die (streng) monotone, bzw. lineare oder quadratische, Erhöhung der Windgeschwindigkeit kann durch die Kommutierungszeitpunkte vorgegeben werden, wobei die Stellvorgabe eine Verkleinerung der Kommutierungsschritte vorgeben kann.
Anhand des Profils kann das dynamische Verhalten des Elektromotors abgelesen werden, sodass ein optimaler Kommutierungszeitpunkt zum Beschleunigen des Elektromotors bestimmt werden kann, welcher der maximalen Sollbeschleunigung für das vorgegebene Beschleunigungsprofil entspricht.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Ermitteln des optimalen Kommutierungszeitpunkts zum Beschleunigen des Elektromotors aus dem Profil, wobei die maximale Sollbeschleunigung aus dem optimalen Kommutierungszeitpunkt bestimmt wird.
In einigen Ausführungsformen entspricht der optimale Kommutierungszeitpunkt dem Kommutierungszeitpunkt, der das Drehmoment des Elektromotors maximiert und/oder eine Welligkeit des Drehmoments des Elektromotors während des Betriebs minimiert.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Stellvorgabe mindestens eine elektrische Kommutierung in dem Elektromotor.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Stellvorgabe für das Ermitteln des Profils mindestens eine elektrische Kommutierung, bei der die Phasenspannung unmoduliert an den Windungen des Elektromotors vorgesehen ist oder, wobei die Modulation der Phasenspannung eine zuvor festgelegte effektive Phasenspannung für den Elektromotor erzeugt, wie eine untere Grenze einer Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs oder eine leistungsbegrenzende Schwellenspannung.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Ermitteln des Profils in Folge einer Stellvorgabe eine Simulation einer Regelstrecke des Elektromotors, wobei die Regelstrecke ein elektrisches Modell des Elektromotors und ein mechanisches Modell des Elektromotors umfasst.
Die Simulation einer Regelstrecke des Elektromotors kann auf einer Verarbeitungseinrichtung implementiert sein, wie einem ASIC, FPGA oder Mikroprozessor, und kann als HiL- (Hardware In the Loop) oder MiL-Simulation (Model In the Loop) vorgesehen sein. Das dynamische Verhalten der Regelstrecke kann als Ausgabe des Simulationsmodells die Rotorposition oder deren zeitlicher Ableitung in Folge der Stellvorgabe als Reihe von elektrischen Werten umfassen, wobei die Parameter für die Simulation der Regelstrecke des Elektromotors die Eigenschaften des Elektromotors abbilden.
In einigen Ausführungsformen wird das Profil direkt an dem Elektromotor gemessen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ermitteln der gegenelektromotorischen Spannung an den Kommutierungs-bedingten Detektionszeitpunkten anhand des Profils, das Vergleichen der gegenelektromotorischen Spannung an den Detektionszeitpunkten mit einem Detektionsschwellwert, und das Anpassen der Sollbeschleunigung anhand des Vergleichs der gegenelektromotorischen Spannung mit dem Detektionsschwellwert.
Die gegenelektromotorische Spannung in dem Elektromotor kann die Messung der Rotorposition und damit den sensorlosen Betrieb des Elektromotors erlauben. Für den zuverlässigen Betrieb des Elektromotors sollte die gegenelektromotorische Spannung den für die Elektronik des Elektromotors spezifischen Detektionsschwellwert übersteigen.
Sobald der Detektionsschwellwert überschritten wird, kann von dem „blinden“ Betrieb des Elektromotors während einer Startphase auf einen rückgekoppelten Betrieb umgeschalten werden, sodass die Kommutierungszeitpunkte dynamisch anhand der gemessenen gegenelektromotorischen Spannung bestimmt werden können. Bei diesem im Folgenden als dynamische Regelung bezeichneten Betrieb kann die elektromagnetische Verträglichkeit und der Energieverbrauch dynamisch optimiert werden.
Vor dem Umschalten auf die dynamische Regelung kann eine fehlerhaft gewählte Sollbeschleunigung zu einem Überschreiten einer vorgegebenen Betriebsgeschwindigkeit führen, sodass der Elektromotor anschließend abgebremst werden muss. Auch sollte vor dem Umschalten auf die dynamische Regelung die Detektion der gegenelektromotorischen Spannung durch Vergleich mit erwarteten Detektionszeitpunkten verifiziert werden.
In einigen Ausführungsformen wird die maximale Sollbeschleunigung derart reduziert, dass der Elektromotor vor Erreichen der Betriebsgeschwindigkeit anhand der erwarteten detektierten gegenelektromotorischen Spannung auf die dynamische Regelung umschalten kann.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren daher ferner das Erhalten einer vorgegebenen Betriebsgeschwindigkeit des Elektromotors und das Anpassen der Sollbeschleunigung, so dass eine Anzahl an detektierbaren Kommutierungsschritten, bei welcher die gegenelektromotorische Spannung größer als der Detektionsschwellwert ist, größer als ein vorgegebener Mindestwert ist, wobei während eines detektierbaren Beschleunigungszeitfensters, welches der Anzahl an detektierbaren Kommutierungsschritten entspricht, der Elektromotor die Betriebsgeschwindigkeit nicht erreicht.
In einigen Ausgangsformen ist der vorgegebene Mindestwert größer oder gleich 2 oder größer oder gleich 3.
Anhand von mindestens 3 detektierten Kommutierungsschritte kann eine korrekte Detektion der gegenelektromotorischen Spannung verifiziert werden, sodass vor dem Erreichen der vorgegebenen Betriebsgeschwindigkeit des Elektromotors, der Motor auf die dynamische Regelung umgeschaltet werden kann.
In einigen Ausführungsformen wird anhand der ermittelten maximalen Sollbeschleunigung oder der reduzierten Sollbeschleunigung eine Reihe entsprechender Kommutierungszeitpunkte berechnet, wobei für jeden oder zumindest einen Teil der entsprechenden Kommutierungszeitpunkte die gegenelektromotorische Spannung ermittelt wird.
Anhand der ermittelten Werte der gegenelektromotorischen Spannungen kann ein erster detektierbarer Kommutierungszeitpunkt, an welchem die gegenelektromotorische Spannung den Detektionsschwellwert übersteigt, bestimmt werden. Anschließend kann die Sollbeschleunigung derart angepasst werden, dass die gegenelektromotorischen Spannung für den ersten detektierbaren Kommutierungszeitpunkt den Detektionsschwellwert um einen vorgegebenen Toleranzbetrag, wie etwa 20% oder 10%, übersteigt, oder, wenn die gegenelektromotorischen Spannung für den ersten detektierbaren Kommutierungszeitpunkt unterhalb des durch den vorgegebenen Toleranzbetrag erhöhten Detektionsschwellwert liegt, die Sollbeschleunigung derart angepasst werden, dass die gegenelektromotorische Spannung für einen zweiten detektierbaren Kommutierungszeitpunkt, welcher auf den ersten detektierbaren Kommutierungszeitpunkt folgt, den Detektionsschwellwert um den vorgegebenen Toleranzbetrag übersteigt.
Somit kann die reduzierte Sollbeschleunigung derart gewählt werden, dass eine hohe Sollbeschleunigung bei gleichzeitiger schnellstmöglicher Umschaltung auf den dynamischen Betrieb erhalten werden kann. Der Toleranzbetrag kann Varianzen der vorgesehenen Last des Elektromotors und/oder Fertigungstoleranzen der Teile des Elektromotors berücksichtigen.
In einigen Ausführungsformen ist die reduzierte Sollbeschleunigung größer oder gleich ein Drittel der maximalen Sollbeschleunigung, insbesondere größer oder gleich der Hälfte der maximalen Sollbeschleunigung oder ungefähr gleich der Hälfte der maximalen Sollbeschleunigung und kleiner als 80% oder 70% der maximalen Sollbeschleunigung.
Eine reduzierte Sollbeschleunigung, welche größer oder gleich ein Drittel der maximalen Sollbeschleunigung ist, kann eine elektromagnetische Verträglichkeit des Elektromotors begünstigen.
In einigen Ausführungsformen wird, wenn eine reduzierte Sollbeschleunigung kleiner als 40% der ermittelten maximalen Sollbeschleunigung ist, die Phasenspannung derart moduliert und/oder reduziert, dass die maximale Sollbeschleunigung für die resultierende effektive Phasenspannung die reduzierte Sollbeschleunigung nicht um einen Faktor übersteigt, der größer als 2,5 ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Anpassen wenigstens des ersten auf der Basis der reduzierten Sollbeschleunigung ermittelten Kommutierungszeitpunkts, sodass wenigstens der erste Kommutierungszeitpunkt eine Vorkommutierung für das vorgegebene Beschleunigungsprofil und die reduzierte Sollbeschleunigung umfasst.
Die ermittelten Kommutierungszeitpunkte für eine reduzierte Sollbeschleunigung, wie sie nach einem der vorstehenden Ausführungsformen bestimmt werden, können vorteilhaft in Elektromotoren angewandt werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Verwenden der Kommutierungszeitpunkte zum Beschleunigen eines Elektromotors und/oder das Hinterlegen der Kommutierungszeitpunkte in einem nichtflüchtigen Speicher einer Steuereinheit des Elektromotors.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Elektromotor mit einem nichtflüchtigen Speicher, wobei in dem nichtflüchtigen Speicher Kommutierungszeitpunkte gespeichert sind, welche den ermittelten Kommutierungszeitpunkten gemäß einem der vorhergehenden Verfahren des ersten Aspekts entsprechen.
Die ermittelten Kommutierungszeitpunkte können bei einem Anlaufvorgang des Elektromotors zum Beschleunigen des Elektromotors aus einer Ruhestellung vorgegeben werden.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Eigenschaften und die verschiedenen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erschließen sich am besten aus den Zeichnungen, wobei:

1 eine schematische Ansicht eines Elektromotors gemäß einem Beispiel ist;
2 einen beispielhaften Regelkreis eines Elektromotors zeigt;
3 die Systemkomponenten eines beispielhaften Elektromotors zeigt;
4 ein Modell einer Regelstrecke gemäß einem Beispiel zeigt;
5 die Komponenten eines mechanischen Teilsystems der Regelstrecke gemäß einem Beispiel veranschaulicht;
6 das simulierte dynamische Verhalten eines Elektromotors als Antwort auf eine Stellvorgabe gemäß einem Beispiel zeigt; und
7 idealisierte Verläufe der Winkelgeschwindigkeit und der erzeugten gegenelektromotorischen Spannungen für unterschiedliche vorgegebene Beschleunigungen an einem beispielhaften Elektromotor veranschaulicht.

1 zeigt einen beispielhaften bürstenlosen Elektromotor 6 mit einem 3-phasigen Stator 7 mit den Phasenwindungen W1, W2, W3 und einem Rotor 8 mit einem Polpaar. Die Phasenwindungen W1- W3 umfassen jeweils gegenläufig gewundene Windungsabschnitte A, A , B, B , C, C auf gegenüberliegenden Seiten des Stators 7. Das Polpaar des Rotors 8 umfasst die Magnetpole N und S.
Wenn ein Strom durch die Windungen W1 fließt, können die Windungsabschnitte A, Ä gemeinsam ein magnetisches Feld entlang ihrer Verbindungslinie erzeugen. Auf diese Weise kann der Rotor 8 beispielsweise entlang der Magnetpole N, S mit den Windungsabschnitten A, A , ausgerichtet werden.
Zur Drehung des Rotors 8 sollte die an den Windungen W1-W3 angelegte Spannung zyklisch derart kommutiert werden, dass ein rotierendes magnetisches Feld erzeugt und somit ein Drehmoment auf den Rotor 8 wirken kann. Anhand der zeitlichen Abstände der Kommutierungen kann die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 8 gesteuert werden.
Die Drehung des Rotors 8 kann über eine Welle des Rotors 8 und ein mit der Welle verbundenes Getriebe auf ein Stellglied übertragen werden, sodass der Elektromotor 6 eine äußere Last antreiben kann.
Während der Drehung des Rotors 8 kann der Permanentmagnet des Rotors 8 in den Windungen W1-W3 des Stators 7 die sogenannte gegenelektromotorischen Spannung (BACK-EMF- oder BEMF Spannung) induzieren, sodass anhand des Stroms in den unbestromten Windungen W1-W3 des Stators 7 die Position des Rotors 8 erkannt werden kann. Dies kann einen sensorlosen Betrieb des Elektromotors 6 erlauben, wobei die Kommutierungen der Ströme in den Windungen W1-W3 des Elektromotors 6 anhand der induzierten gegenelektromotorischen Spannung durchgeführt werden kann.
2 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Regelungs-Schaltkreises 10 einer Block-Kommutierung für einen sensorlosen Elektromotor 6, um die zuvor beschriebene zyklische Kommutierungen der an den Windungen W1-W3 anliegenden Spannung durchzuführen. Der Regelungs-Schaltkreis 10 umfasst einen Regler 12, die Brückenschaltung aus den Schaltern S1-S6 und die jeweils zu den Schaltern S1-S6 parallel geschalteten Dioden D1-D6. Eine Phasenspannung U_zk wird von der Steuerung des Elektromotors 6 für den Regelungs-Schaltkreis 10 bereitgestellt und kann einen Stromfluss durch die Spulenwindungen W1-W3 des Elektromotors 6 bewirken, welche mit dem Regelungs-Schaltkreis 10 verbunden sind.
Der Regler 12 kann die Stellung der Schalter S1-S6 kontrollieren, sodass im Betrieb des Elektromotors 6 jeweils zwei Spulenwindungen W1-W3 des Elektromotors 6 stromdurchflossen sind, für die mit den Schaltern S1-S6 ebenfalls eine vorgegebene Stromrichtung gewählt werden kann. Aus den unterschiedlichen Stromrichtungen und den verschieden Kombinationen der Windungen W1-W3 ergeben sich 6 Konfigurationen, zwischen denen der Regler 12 zyklisch kommutieren kann.
Die zyklisch kommutierten, stromdurchflossenen Windungen W1-W3 können ein rotierendes Magnetfeld erzeugen, welches ein Drehmoment auf einen mit Permanentmagneten bestückten Rotor 8 bewirkt, sodass eine gesteuerte Drehung des Elektromotors 6 erfolgen kann.
Beispielsweise kann eine Sechs-Schritt-Blockkommutierung umgesetzt sein, in welcher jeweils zwei der drei Phasenwicklungen W1, W2, W3 bestromt sind und jeder Kommutierungsschritt, also die Zeitspanne zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten, einer Drehung des Rotors von 60° elektrisch entspricht. Die Halbleiterschalter S1 bis S6 können zusätzlich mit einer überlagerten Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert werden. Typischerweise wird für die PWM eine Frequenz im Bereich 1 bis 100 kHz, insbesondere im Bereich 10 bis 25 kHz gewählt. Über das Tastverhältnis der PWM kann das von dem Elektromotor 6 bewirkte Drehmoment und/oder eine Drehgeschwindigkeit des Rotors 8, beziehungsweise die Stellgeschwindigkeit eines damit gekoppelten Stellgliedes, eingestellt werden. Die Kommutierungsschritte können dann jeweils in einem Abstand von circa 60° elektrisch erfolgen. Der ideale Kommutierungszeitpunkt liegt dann jeweils 30° elektrisch entfernt in der Mitte zwischen zwei Nulldurchgängen der BEMF. In anderen Ausgestaltungen kann auch eine 12-Schritt-Kommutierung, in welcher abwechselnd jeweils zwei oder drei Phasen W1, W2, W3 des Elektromotors 6 bestromt werden, vorgesehen sein.
3 zeigt die Systemkomponenten zur Steuerung eines beispielhaften Elektromotors 6. Eine Motorsoftware 11 kann eine Steuerung 14 des Elektromotors 6 und den Regler 12 implementieren. Die Steuerung 14 kann den Betriebsmodus und die Betriebsparameter des Elektromotors 6 an den Regler 12 vorgeben. Der Regler 12 regelt das Verhalten und empfängt Signale eines Stellglieds 16, welches die Motorelektronik umfasst. Die Motorelektronik ist mit der Regelstrecke 18 des Elektromotors 6 gekoppelt, sodass das Stellglied 16 über ein mit dem Elektromotor 6 verbundene Getriebe eine gekoppelte mechanische Last kontrollieren kann. Zusätzlich können die Systemkomponenten eine Sensorik 20 umfassen, welche in der Regelstrecke 18 aufgenommene Sensorsignale an den Regler 12 zurückgibt, sodass eine Steuerung des Elektromotors 6 optimiert und/oder der Elektromotor 6 dynamisch geregelt werden kann.
In einem sensorlosen Elektromotor 6 kann der Regler die dynamische Regelung ohne zusätzliche Sensoren anhand der in den Statorwindungen W1-W3 erzeugten gegenelektromotorischen Spannung durchführen, um optimale Kommutierungszeitpunkte dynamisch zu bestimmen.
Während der Startphase des Elektromotors 6 kann jedoch die dynamische Position des Rotors 8 aufgrund der niedrigen Drehgeschwindigkeit des Rotors 8 nicht anhand der entsprechend niedrigeren gegenelektromotorischen Spannung bestimmt werden. In der Startphase kann daher die Kommutierung des Elektromotors 6 fest vorgegeben werden, wobei die vorgegebenen Kommutierungszeitpunkte im Voraus bestimmt werden können.
4 zeigt ein Beispiel eines Modells eines Elektromotors 6 für das Ermitteln eines Profils des Elektromotors 6, sodass ein dynamisches Verhalten des Elektromotors 6 für die Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte berücksichtigt werden kann. Die idealisierte Regelstrecke 18 umfasst dabei ein elektrisches Teilsystem ΣRGS_E und ein mechanisches Teilsystem ΣRGS_M , welche über das innere elektrische Drehmoment M_i(t) gekoppelt sind.
Eine Stellvorgabe in Form eines durch den Regler 12 vorgegebenen zeitlich veränderlichen Spannungsverlaufs u(t) an den Windungen W1-W3 des Elektromotors 6 steuert das Verhalten des elektrischen Teilsystems ΣRGS_E . Auf das mechanische Teilsystem ΣRGS_M wirkt von außen das Lastmoment M_L(t). Die Ausgangsgrößen des Modells sind die Winkelposition φ_m(t) und die Winkelgeschwindigkeit φ̇_m(t) des Rotors 8.
Das elektrische Teilsystem ΣRGS_E kann anhand von Gleichung (1) beschrieben werden: $\underset{{\vec{u}}_{n}}{\underset{︸}{(\begin{array}{l} u_{1} \\ u_{2} \\ u_{3} \end{array})}} = \underset{u_{R, n}}{\underset{︸}{R \cdot \underset{{\vec{i}}_{n}}{\underset{︸}{(\begin{array}{l} i_{1} \\ i_{2} \\ i_{3} \end{array})}}}} + \underset{L_{123}}{\underset{︸}{(\begin{matrix} L & - \frac{L}{2} & - \frac{L}{2} \\ - \frac{L}{2} & L & - \frac{L}{2} \\ - \frac{L}{2} & - \frac{L}{2} & L \end{matrix})}} \cdot \frac{d}{d t} \underset{{\vec{i}}_{n}}{\underset{︸}{(\begin{array}{l} i_{1} \\ i_{2} \\ i_{3} \end{array})}} + \underset{{\vec{u}}_{p, n}}{\underset{︸}{(\begin{array}{l} u_{p,1} \\ u_{p,2} \\ u_{p,3} \end{array})}}$
wobei angenommen wird, dass die Windung W1-W3 gleiche Induktivitäten L und Widerstände R besitzen, u₁-u₃ die von dem Regler 12 vorgegebenen Phasenspannungen, i₁-i₃ die Phasenströme in den jeweiligen Windungen W1-W3 und u_p,1-u_p,3 die Polradspannungen sind.
Somit ergeben sich die Phasenspannungen u₁-u₃ aus der Summe der ohmschen Spannungsabfälle, u_R,n , der Selbstinduktionsspannung aufgrund der Induktivitäten L₁₂₃ der Windungen W1-W3 und den Polradspannungen u_p,1-u_p,3 , welche von den Permanentmagneten des Rotors 8 bei einer Rotation in den Windungen W1-W3 erzeugt werden können. Gleichung (1) kann auch kompakter in der Vektorschreibweise geschrieben werden, wie in Gleichung (2) dargestellt: ${\vec{u}}_{n} = R \cdot {\vec{i}}_{n} + L_{123} \cdot {\dot{\vec{i}}}_{n} + {\vec{u}}_{p, n}$
Über eine Clarke-Transformation kann Gleichung (1) zunächst in ein statorfestes zweidimensionales Koordinatensystem und anschließend zur weiteren Vereinfachung über eine Park-Transformation in ein rotorfestes Koordinatensystem überführt werden, sodass die Gleichungen (3) und (4) erhalten werden können, welche die Bestimmung der Statorspannung u_d längs des Rotors 8 und die Statorspannung u_q quer zum Rotor 8 erlauben: $u_{d} = R \cdot i_{d} + L_{q} \cdot {\dot{φ}}_{e} \cdot i_{q} + L_{d} \cdot \frac{d i_{d}}{d t}$
$u_{q} = R \cdot i_{q} + L_{d} \cdot {\dot{φ}}_{e} \cdot i_{d} + L_{q} \cdot \frac{d i_{q}}{d t} + {\dot{φ}}_{e} \cdot {\hat{Ψ}}_{p}$
wobei R der Widerstand des jeweils aktiven elektrischen Teilsystems, φ̇_e die Winkelgeschwindigkeit des elektrischen 3-Phasen-Systems, L_d und L_q die Längs- und Querkomponenten der Induktivitäten der Windungen W1-W3, i_d , i_q die Längs- und Querkomponenten der Statorströme und Ψ̂_p der von den Permanentmagneten des Rotors 8 erzeugte Polradfluss ist.
Die so ungeformten Spannungsgleichungen können anschließend über das von den Statorströmen erzeugte Drehmoment in Bezug zu dem mechanischen Teilsystem der Regelstrecke 18 gebracht werden, um das dynamische Verhalten des Gesamtsystems zu bestimmen.
5 zeigt ein beispielhaftes Modell des mechanischen Teilsystems der Regelstrecke 18, wobei das von dem elektrischen Teilsystem ΣRGS_E erzeugte inneren Drehmoment M_i entgegen dem Reibmoment M_R und dem mechanischen Moment M_M sowie der Massenträgheit J_R des Rotors 8 über die Getriebeübersetzung i eine Last mit dem Lastmoment M_L,Ab. und der Lastmasse J_L antreibt.
Die „mechanische“ Winkelposition φ_m bzw. Winkelgeschwindigkeit φ_̇m des Rotors 8 hängt über die Polpaarzahl PP mit der „elektrischen“ Winkelposition φ_e bzw. Winkelgeschwindigkeit φ_̇e des elektrischen 3-Phasen-Systems in bekannter Weise zusammen und bewirkt über die Getriebeübersetzung i eine Bewegung der Position φ_L des Stellglieds mit der Winkelgeschwindigkeit φ_̇L.
Für das gekoppelte mechanische und elektrische Teilsystem kann die zeitliche Ableitung der elektrischen Winkelgeschwindigkeit und damit die Beschleunigung φ̈_e anhand der Gleichung (5) bestimmt werden: ${\ddot{φ}}_{e} = P P \cdot \frac{(M_{i} - M_{R} - M_{L})}{J_{M}}$
wobei zur Vereinfachung das Massenträgheitsmoment des Antriebssystems als Trägheitsmoment $J_{M} = J_{R} + \frac{J_{L}}{i^{2}}$
zusammengefasst wurde und wobei $M_{L} = \frac{M_{L, A b .}}{i}$
das effektiv von dem Getriebe mit der Getriebeübersetzung i an den Elektromotor 6 übertragene Lastmoment der mechanischen Last ist.
Aus den Gleichungen (3), (4) und (5) kann anschließend das System der Differentialgleichungen des Gesamtsystems nach Gleichung (6) erhalten werden: $\begin{matrix} (\begin{array}{l} {\dot{x}}_{1} \\ {\dot{x}}_{2} \\ {\dot{x}}_{3} \\ {\dot{x}}_{4} \end{array}) = (\begin{matrix} - \frac{R}{L_{d}} & \frac{L_{q}}{L_{d}} \cdot x_{3} & 0 & 0 \\ - \frac{L_{q}}{L_{d}} \cdot x_{3} & - \frac{R}{L_{d}} & - \frac{{\dot{Ψ}}_{p}}{L_{q}} & 0 \\ \frac{3}{2} \frac{P P^{2} \cdot (L_{q} - L_{d})}{J_{M}} \cdot x_{2} & \frac{3}{2} \frac{P P^{2} {\dot{Ψ}}_{p}}{J_{M}} & - \frac{d_{m}}{J_{M}} & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{matrix}) \cdot (\begin{array}{l} x_{1} \\ x_{2} \\ x_{3} \\ x_{4} \end{array}) + (\begin{matrix} \frac{1}{L_{d}} & 0 \\ 0 & \frac{1}{L_{d}} \\ 0 & 0 \\ 0 & 0 \end{matrix}) \cdot (\begin{array}{l} U_{d} \\ U_{q} \end{array}) \\ + (\begin{matrix} 0 \\ 0 \\ - \frac{P P}{J_{M}} \\ 0 \end{matrix}) \cdot M_{L} \end{matrix}$
wobei x₁ die Längs-Stromkomponente i_d , x₂ die Quer-Stromkomponente i_q , x₃ die elektrische Winkelgeschwindigkeit φ̇_e, x₄ die elektrischen Winkelposition φ_e bezeichnet und d_m die Reibungskonstante ist.
Nach entsprechender Charakterisierung des Elektromotors 6 kann daher grundsätzlich das dynamische Verhalten des Stellglieds als Funktion einer Stellvorgabe durch entsprechende Polradspannungen u_d , u_q erhalten werden. Somit kann ein Profil des Elektromotors 6 für eine vorgegebene Stellvorgabe unter Berücksichtigung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Rotor/Stator-Kombination, der Reibung, der äußeren mechanischen Last, und/oder der Trägheitsmomente des Rotors 8 und des mechanischen Teilsystems ermittelt werden. Die Stellvorgabe sollte dabei den Beschleunigungsvorgang während der Startphase des Elektromotors 6 nachbilden.
Zur Beschleunigung eines Elektromotors 6 aus der Ruhestellung während einer Startphase kann an den Windungen W1-W3 des Elektromotors 6 die Phasenspannung U_zk angelegt und nach einer gewissen Zeit die stromdurchflossenen Windungen W1-W3 kommutiert werden. Dabei kann ein Beschleunigungsprofil des Elektromotors 6 vorgegeben werden, wie ein lineares Beschleunigungsprofil, sodass die Windgeschwindigkeit des Elektromotors 6 linear ansteigt. Für eine gegebene Beschleunigung α kann der Zeitpunkt des nächsten Kommutierungszeitpunkts t_k anhand der Gleichung (7) bestimmt werden: $t_{k} (t) = - \frac{t_{s u m}}{2} \cdot \sqrt{{(\frac{t_{s u m}}{2})}^{2} + \frac{10}{a \cdot P P}}$
wobei f_sum die Summe aller vorherigen Kommutierungszeitpunkte t_k(t) ist, sodass die Abstände zwischen Kommutierungen während der Beschleunigung des Elektromotors 6 kontinuierlich geringer werden.
Wenn dem Beschleunigungsvorgang ein Haltebetrieb vorausgeht, kann der Rotor 8 aufgrund des Haltestroms vorausgerichtet sein, und er muss bis zum Erreichen der neuen Kommutierungsposition nur um 30° elektrisch drehen, anstelle von 60° elektrisch, wie bei einer üblichen Sechs-Schritt-Kommutierung oder 60°-Block-Kommutierung im stationären Betrieb. Der Rotor 8 kann also die neue Kommutierungsposition schon nach 50% der hierfür vorgesehenen Zeit einnehmen. Das Beschleunigungsprofil kann für den Fall eines vorangehenden Haltebetriebs daher eine entsprechende Verkürzung des ersten Kommutierungsschrittes vorsehen.
Zur Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte kann ferner ein dynamisches Reibungsmodell, beispielsweise das LuGren-Modell, betrachtet werden. Das LuGren-Modell basiert auf dem Ansatz, dass die Reibung als Widerstandskraft von vielen kleinen Borsten, die, sobald auf einen Körper externe Kräfte wirken, ausgelenkt werden und dadurch eine Gegenkraft hervorrufen. Im LuGren-Modell wird die Summe aller Borsten in Form einer einzigen Borste, die den aggregierten Zustand aller Borsten beschreibt, betrachtet. Es entsteht eine nichtlineare Differentialgleichung erster Ordnung: $F = σ_{z} + σ_{1} (v) \frac{d z}{d t} + σ_{2} (v)$
$\frac{d z}{d t} = v - σ_{0} \frac{v}{g (v)} z$
Die Gleichung (8) entspricht einer gedämpften Schwingungsgleichung mit einer Federkonstanten, bzw. Federsteifigkeit σ0 und einer Dämpfungsfunktion σ1(v). Die Dämpfungsfunktion σ1(v) kann beispielsweise wie folgt gewählt werden: $σ_{1} (v) = σ_{1} e^{- {(\frac{v}{v_{d}})}^{2}}$
Hier ist σ1 eine Dämpfungskonstante und v_D ein von der Geschwindigkeit v abhängiger Parameter. Nach Canudas de Wit, H. Olsen K.J. Astrom, und P. Lischinsky. „A new model for control of system with friction “, IEEE TRANSACTION ON AUTOMATIC CONTROL, 40, Nr.3, 1995, kann die Funktion g(v) wie folgt gewählt werden: $g (v) = \frac{1}{σ_{0}} (F_{C} + (F_{H} - F_{C}) e^{- {(\frac{v}{v_{S}})}^{2}})$
g(v) beschreibt den Übergang von der Haft- zur Gleitreibung, wobei der Übergang mit Hilfe des Parameters v_S modelliert werden kann. Alternativ kann der Übergang von der Haft- zur Gleitreibung auch anders modelliert werden.
Mittels σ₂(v) kann ferner ein Anteil viskoser Reibung berücksichtigt werden, mit $σ_{2} (v) = σ {| v |}^{δ_{v}} s i g n (v),$
wobei δ_v ein Parameter ist, der üblicherweise im Bereich 1 ≤ δ_v ≤ 2 gewählt wird. Für positive Geschwindigkeiten und δ_v=1 ergibt sich folglich die übliche Formel der Stoke'schen (viskosen) Reibung: $σ_{2} (v) = σ v .$
6 zeigt einen entsprechenden Verlauf der Winkelgeschwindigkeit des Rotors 8 eines simulierten beispielhaften Elektromotors 6 als Funktion der Zeit t mit einer gegebenen Beschleunigung a, wobei eine Stellvorgabe in Form einer zyklischen Kommutierung der Polradspannungen u_p,1 , u_p,2 , u_p,3 mit der Spannungsamplitude U_zk in den drei Phasen eines Elektromotors 6 ohne äußeres Lastmoment M_L vorgegeben wird. Der simulierte Verlauf kann durch Simulation des dynamischen Verhaltens des beispielhaften Elektromotors 6 entsprechend der Gleichung (6) erhalten werden.
Zum Zeitpunkt t=0,0037 s wird eine erste Kommutierung durchgeführt, sodass der Elektromotor 6 aus seiner Ruheposition beschleunigt wird. Eine zweite Kommutierung wird bei t=0,012 s durchgeführt.
Die mechanische Winkelgeschwindigkeit φ̇_m des Elektromotors 6 wird bis t= 0,0065 s auf eine Winkelgeschwindigkeit von φ̇_m= 1000 rpm beschleunigt, dann jedoch bis t=0,0085 s abgebremst und anschließend bis t= 0,0011 s in die entgegengesetzte Drehrichtung auf eine Winkelgeschwindigkeit von φ̇_m= -800 rpm beschleunigt.
Somit reagiert der in 6 gezeigte Elektromotor 6 bezüglich der äußeren Stellvorgabe zu schnell, sodass ein Über- und ein Zurückschwingen des Rotors 8 bezüglich des Stators 7 stattfindet. Diese Folge von Abbremsungen und Beschleunigungen kann sich anschließend bis zu dem Zeitpunkt fortsetzen, an dem die Kommutierungsschritte zeitlich nah genug beieinander liegen, um das dynamische Verhalten des Elektromotors 6 annähernd abzubilden. Dieser vor der wirksamen Beschleunigung erfolgende Einschwingvorgang kann jedoch eine elektromagnetische Verträglichkeit des Elektromotors 6 verringern und zu hoher Beanspruchung und hohem Energieverbrauch des Elektromotors 6 führen.
Ein Profil des Elektromotors 6 wie es in 6 veranschaulicht wird, kann es jedoch erlauben, eine maximale Sollbeschleunigung α zu bestimmen, welche dem dynamischen Verhalten des Elektromotors 6 entspricht. Dazu kann der optimale Kommutierungszeitpunkt bzw. eine entsprechende Beschleunigung aus dem Verlauf der Winkelgeschwindigkeit abgelesen werden und anschließend die Sollbeschleunigung des Elektromotors 6 angepasst werden. Die reduzierte Sollbeschleunigung des Elektromotors 6 kann das dynamische Verhalten des Elektromotors 6 abbilden und kann das Auftreten einer Folge von Beschleunigung- und Abbremsungsvorgängen des Rotors 8 minimieren.
Beispielsweise kann die maximale Sollbeschleunigung anhand des optimalen Kommutierungszeitpunkts von t=0,0045 s aus dem 6 entsprechenden Profil des Elektromotors 6 bestimmt werden.
Gleichzeitig hat sich jedoch gezeigt, dass die Vorgabe der maximalen Sollbeschleunigung im Zusammenhang mit niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten, schwankenden Lastmomenten des Elektromotors 6 oder Fertigungstoleranzen nicht in jedem Fall zu optimalen Ergebnissen führt. Insbesondere kann zur Optimierung der Startphase der Übergang zwischen dem „blinden“ Betrieb und der dynamischen Regelung anhand der gegenelektromotorischen Spannung berücksichtigt werden.
7 zeigt idealisierte Geschwindigkeitsverläufe (durchgezogene Linien) und entsprechende in den Windungen W1-W3 hervorgerufene gegenelektromotorische Spannungen (BEMF, gestrichelte Linien) jeweils als Funktion der Schaltpunkte, welche die Zeitpunkte für eine Kommutierung der Schalter S1-S6 des Regelungs-Schaltkreises 10 darstellen, für ein beispielhaftes simuliertes Verhalten eines Elektromotors 6 mit einem zusätzlichen äußeren Lastmoment M_L . Die mit Rauten gekennzeichnete, gestrichelte horizontale Linie kennzeichnet die Detektionsschwelle des Elektromotors 6, um die gegenelektromotorische Spannung BEMF in der Regelungselektronik des beispielhaft untersuchten Elektromotors 6 zuverlässig detektieren zu können.
Der Geschwindigkeitsverlauf und die entsprechende gegenelektromotorische Spannung BEMF für die maximale Sollbeschleunigung des beispielhaften Elektromotors 6 von α = 2317 1/s² ist durch Kreise gekennzeichnet und zeigt einen schnellen Anstieg der Drehzahl auf. Der beispielhaft illustrierte Elektromotor 6 ist für eine Betriebsgeschwindigkeit von 1500 rpm ausgelegt, welche bei der maximalen Sollbeschleunigung schon nach dem zweiten Schaltpunkt überschritten wird.
Zu diesem Zeitpunkt konnten jedoch erst höchstens zwei Signale der gegenelektromotorischen Spannung durch die Regelungselektronik des Elektromotors 6 detektiert werden. Eine wenig fehleranfällige Regelungselektronik setzt jedoch häufig die Detektion von mindestens drei Signalen aus der gegenelektromotorischen Spannung voraus, um auf eine dynamische Regelung der Kommutierungszeitpunkte anhand der gegenelektromotorischen Spannung umzuschalten. Zum Zeitpunkt der Detektion des dritten von der gegenelektromotorischen Spannung induzierten Signals ist der Elektromotor 6 jedoch schon oberhalb der Betriebsgeschwindigkeit und muss daraufhin während der dynamischen Regelung abgebremst werden.
Eine optimierte Startphase ist ebenfalls in 7 gezeigt. Der entsprechende Geschwindigkeitsverlauf und die gegenelektromotorische Spannung BEMF für die reduzierte Sollbeschleunigung des beispielhaften Elektromotors 6 von α = 1250 1/s² ist durch Dreiecke gekennzeichnet, wobei die Sollbeschleunigung auf ungefähr die Hälfte der maximalen Sollbeschleunigung reduziert wurde. Insbesondere kann eine reduzierte Sollbeschleunigung zwischen 800 m/s² und 1700 m/s², oder 900 m/s² und 1600 m/s², vorzugsweise zwischen 1000 m/s² und 1500 m/s² gewählt werden, wenn die maximale Sollbeschleunigung ca. a= 2300 m/s² beträgt.
Anders ausgedrückt sollte das Verhältnis zwischen reduzierter Sollbeschleunigung und maximaler Sollbeschleunigung zwischen Werten von 35% und 75% oder zwischen Werten von 40% und 70% oder zwischen Werten von 45% und 65% gewählt werden, um ein verbessertes Verhalten des Elektromotors 6 zu erhalten.
In dem vorliegenden Beispiel wurde die reduzierte Sollbeschleunigung auf ungefähr die Hälfte bezüglich der maximalen Sollbeschleunigung reduziert, sodass vor Überschreiten der Betriebsgeschwindigkeit eine Anzahl von Sensorsignalen der gegenelektromotorischen Spannung, welche größer als zwei ist, detektiert werden kann. Da die reduzierte Sollbeschleunigung jedoch größer als ein Drittel der maximalen Sollbeschleunigung ist, kommt es während der Beschleunigung des Elektromotors 6 nicht zu einer Umkehr der Winkelgeschwindigkeit, sodass die elektromagnetische Verträglichkeit und auch der Energieverbrauch des Elektromotors 6 verbessert werden kann.
Dabei kann zumindest für den ersten Kommutierungszeitpunkt eine Vorkommutierung von größer als 15°, wie beispielsweise 30° (bezüglich der elektrischen Winkelposition), gewählt werden, d.h. die erste Kommutierung wird zu einem früheren als dem vorgesehenen Zeitpunkt durchgeführt, wobei die Position des Elektromotors 6 zum Zeitpunkt der Vorkommutierung gegenüber der vorgesehenen Position um 30° verschoben ist, um beispielsweise eine Umkehr der Winkelgeschwindigkeit zu verhindern. Die Vorkommutierung kann für die folgenden Kommutierungszeitpunkte fortgeführt werden, wobei ein der Vorkommutierung entsprechender Winkel reduziert werden kann, zum Beispiel monoton mit der Anzahl an Kommutierungen reduziert wird.
Vorzugsweise wird die reduzierte Sollbeschleunigung derart angepasst, dass die gegenelektromotorische Spannung an dem ersten Kommutierungs-bedingten Detektionszeitpunkt den Detektionsschwellwert um einen vorgegebenen Toleranzbetrag, wie etwa 20% oder 10%, übersteigt. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Detektion der ersten vorgesehenen detektierten gegenelektromotorische Spannung gewährleistet werden. Eine solche Anpassung kann den Betrieb des Elektromotors 6 bei niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten verbessern.
Zusätzlich kann eine Reduktion und/oder Modulation der Phasenspannung U_ZK für die Startphase durchgeführt werden, wenn bei wie zuvor reduzierter Sollbeschleunigung gemäß einem Profil des Elektromotors 6 für die reduzierte Sollbeschleunigung ein Zurückschwingen des Rotors 8 ermittelt wird.
Somit kann durch Reduzieren der maximalen Sollbeschleunigung auf eine reduzierte Sollbeschleunigung ein vorteilhafter Kompromiss für den Betrieb des Elektromotors 6 erhalten werden.
Bezugszeichenliste

6: Elektromotor
7: Stator
8: Rotor
10: Regelungs-Schaltkreis
11: Motorsoftware
12: Regler
14: Steuerung
16: Stellglied
18: Regelstrecke
20: Sensorik
W₁-W₃: Windungspaare
N, S: Magnetpole
S₁-S₆: Schalter
D₁-D₆: Dioden
U_zk: Phasenspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012102868 A1 [0006]
DE 102013014481 A1 [0007]
DE 60025845 T2 [0008]

Claims

Verfahren zum Steuern eines elektrisch kommutierten Elektromotors, wobei das Verfahren umfasst: - Ermitteln eines Profils, das dem zeitlichen Verlauf der Rotorposition des Elektromotors in Folge einer Stellvorgabe entspricht, - Ermitteln einer maximalen Sollbeschleunigung für ein vorgegebenes Beschleunigungsprofil aus dem Profil, - Festlegen einer reduzierten Sollbeschleunigung, welche kleiner als die maximale Sollbeschleunigung ist, und - Ermitteln der Kommutierungszeitpunkte des Elektromotors für das vorgegebene Beschleunigungsprofil und die reduzierte Sollbeschleunigung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Profil gleich dem zeitlichen Verlauf der Rotorposition oder dessen zeitlicher Ableitung ist.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei der Elektromotor vor der Stellvorgabe ruht.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei die Stellvorgabe mindestens eine elektrische Kommutierung in dem Elektromotor umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei das Ermitteln des Profils in Folge einer Stellvorgabe eine Simulation einer Regelstrecke des Elektromotors umfasst, und wobei die Regelstrecke ein elektrisches Modell des Elektromotors und ein mechanisches Modell des Elektromotors umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei das vorgegebene Beschleunigungsprofil eine monotone, insbesondere lineare oder quadratische, Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors vorsieht.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, welches ferner umfasst: - Ermitteln eines optimalen Kommutierungszeitpunkts zum Beschleunigen des Elektromotors aus dem Profil, wobei die maximale Sollbeschleunigung aus dem optimalen Kommutierungszeitpunkt bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der optimale Kommutierungszeitpunkt dem Kommutierungszeitpunkt entspricht, der das Drehmoment des Elektromotors maximiert und/oder eine Welligkeit des Drehmoments des Elektromotors während des Betriebs minimiert.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, welches ferner umfasst: - Ermitteln der gegenelektromotorischen Spannung an den Kommutierungs-bedingten Detektionszeitpunkten anhand des Profils, und - Vergleichen der gegenelektromotorischen Spannung an den Detektionszeitpunkten mit einem Detektionsschwellwert, - Anpassen der Sollbeschleunigung anhand des Vergleichs der gegenelektromotorischen Spannung mit dem Detektionsschwellwert.
Verfahren nach Anspruch 9, welches ferner umfasst: - Erhalten einer vorgegebenen Betriebsgeschwindigkeit des Elektromotors, - Anpassen der maximalen Sollbeschleunigung, - so dass eine Anzahl an detektierbaren Kommutierungsschritten, bei denen die gegenelektromotorische Spannung größer als der Detektionsschwellwert ist, größer als ein vorgegebener Mindestwert ist, - wobei während eines detektierbaren Beschleunigungszeitfensters, welches der Anzahl an detektierbaren Kommutierungsschritten entspricht, der Elektromotor die Betriebsgeschwindigkeit nicht erreicht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der vorgegebene Mindestwert größer oder gleich 3 ist.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei die reduzierte Sollbeschleunigung größer oder gleich ein Drittel der maximalen Sollbeschleunigung ist, insbesondere größer oder gleich der Hälfte der maximalen Sollbeschleunigung oder ungefähr gleich der Hälfte der maximalen Sollbeschleunigung.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren ferner umfasst: - Verwenden der Kommutierungszeitpunkte zum Beschleunigen eines Elektromotors und/oder - Hinterlegen der Kommutierungszeitpunkte in einem nichtflüchtigen Speicher einer Steuereinheit des Elektromotors.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren an einem sensorlosen Elektromotor ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, welches ferner umfasst: - Anpassen wenigstens des ersten Kommutierungszeitpunkts der ermittelten Kommutierungszeitpunkte, sodass wenigstens der erste Kommutierungszeitpunkt eine Vorkommutierung für das vorgegebene Beschleunigungsprofil und die reduzierte Sollbeschleunigung umfasst.
Elektromotor mit einem nichtflüchtigen Speicher, wobei in dem nichtflüchtigen Speicher Kommutierungszeitpunkte gespeichert sind, welche den ermittelten Kommutierungszeitpunkten gemäß einem der vorhergehenden Verfahren aus den Ansprüchen 1 bis 14 entsprechen.
Elektromotor mit einem Prozessor, welcher eingerichtet ist, das Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 15 durchzuführen, um Kommutierungszeitpunkte für die Beschleunigung des Elektromotors zu erhalten.