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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Synchronmotors, der vorzugsweise in einer Kupplungsbetätigungsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt ist.
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Aus dem Stand der Technik ist es durch die
DE 102 15 428 A1 prinzipiell bekannt, die Rotorlage eines Synchronmotors zu bestimmen, indem für eine Vielzahl von Stromvektoren, die über eine elektrische Umdrehung des Synchronmotors verteilt sind, der Betrag des Stromvektors bestimmt wird, der nötig ist, um eine definierte Auslenkung des Rotors zu erzielen. Aus der Lage der Minima der so bestimmten Beträge lässt sich unter Berücksichtigung der Drehrichtung des Rotors die Lage des Rotors berechnen. Das Einlegen einer Bremse sorgt dafür, dass Nutungskräfte und Maschinenvibrationen keine Rolle spielen.
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Es sind folglich auch bereits Ausführungen bekannt, mit denen der Grundaufbau eines sensorgesteuerten EC-Motors gezeigt ist. Es besteht prinzipiell bei diesen Ausführungen die Anforderung, dass das Statorfeld in Abhängigkeit der Rotorlage erzeugt werden muss, um das maximale elektromagnetische Drehmoment, eine hohe Dynamik sowie eine Funktionssicherheit zu erreichen. Insbesondere wird das Drehmoment bei gleichbleibendem Strom dann maximal, wenn das Stator- und das Rotorfeld innerhalb einer elektrischen Periode mit einem Winkel von 90° zueinander stehen. Dadurch werden die Effizienz sowie Dynamik des Motors gesteigert. Die Funktionssicherheit kann verbessert werden, dass eine genauere Positionsregelung des Rotors durchgeführt wird.
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Als ein Nachteil der bisher umgesetzten Verfahren zum Kalibrieren von Synchronmotoren hat es sich jedoch herausgestellt, dass die durchgeführten Verfahrensschritte gegenüber Reibkrafteinflüssen stark anfällig sind. Zwar kann die Reibung durch Mittelwertbildung oder anderen Methoden teilweise korrigiert werden, dazu ist es jedoch notwendig, dass die vorhandene Reibung in ihrer Größe bekannt ist oder zumindest in beiden Drehrichtungen des Rotors identisch ist. Insbesondere für Synchronmotoren, bei denen die Reibung in beiden entgegengerichteten Drehrichtungen unterschiedlich ist, sind diese Verfahren ungeeignet.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und insbesondere ein verlässliches, von äußeren Reibungseinflüssen möglichst unabhängiges Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Synchronmotors zur Verfügung zu stellen.
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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist ein Verfahren zum Kalibrieren eines Synchronmotors umgesetzt, wobei der Synchronmotor eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Drehlage seines Rotors aufweist, welche Sensoreinrichtung weiterhin mehrere in einem Stator angeordnete, über einen Innenumfang verteilte Sensoren und einen rotorfesten Sensormagneten aufweist, wobei in einem ersten Schritt der Rotor des Synchronmotors drehfest mit einer Drehmoment- und Drehwinkelmesswelle verbunden wird, welche Messwelle weiter an einen externen Motor angeschlossen ist, in einem zweiten Schritt der externe Motor derart betrieben wird, dass er den Rotor mittels der Messwelle mit einer konstanten Drehzahl antreibt, in einem dritten Schritt zumindest ein Spulenstrang des Stators bestromt wird, während zum einen ein sich dadurch sinusförmig ändernder Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf des Rotors mittels der Drehmoment- und Drehwinkelmesswelle und zum anderen eine Winkellage des Rotors (/ des Sensormagneten) mittels der Sensoreinrichtung erfasst werden, und in einem vierten Schritt zumindest eine Polstelle (vorzugsweise zwei Polstellen) eines an dem Rotor angebrachten Rotormagneten an einem Maximum und/oder einem dem Maximum unmittelbar folgenden Minimum des Drehmoment-Drehwinkel-Verlaufs in ihrer Winkelposition der durch die Sensoreinrichtung erfassten Winkellage des Rotors zugeordnet wird.
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Folglich wird durch die Koppelung des Synchronmotors an den externen Motor ein verlässlicher, reibungsunabhängiger Antrieb des Rotors während der Messschritte erzielt. Zudem kommt es zu einer verlässlichen, fertigungstoleranzunabhängigen Zuordnung der tatsächlichen Winkelposition der Polstellen gegenüber der Winkellage des Rotors, sodass der Synchronmotor besonders leistungsfähig im Betrieb angesteuert werden kann. Da sich die jeweilige Polstelle am Rotor genau am Maximum oder am Minimum (je nach Magnetisierungsrichtung) befindet, können die Polstellen somit idealerweise genau bestimmt werden. Das bedeutet, dass pro Vollwelle der Sinusschwingung die Zuordnung zu den Statorspulen für genau ein Polpaar, also zwei Polstellen, bestimmt werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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In diesem Zusammenhang ist es des Weiteren von Vorteil, wenn in dem dritten Schritt ausschließlich ein Spulenstrang des Stators des dreiphasigen Synchronmotors bestromt wird (während die beiden weiteren Spulenstränge des Stators unbestromt bleiben).
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Alternativ hierzu ist es auch von Vorteil, wenn in dem dritten Schritt drei Spulenstränge des Stators des dreiphasigen Synchronmotors bestromt werden, wobei zwei der drei Spulenstränge mit einem gleichen Stromwert mit gleicher Flussrichtung versorgt / betrieben werden. Dadurch erfolgt die Kalibrierung besonders verlässlich.
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Vorausgesetzt ist dabei stets, dass die Ausrichtung des Statorfeldes bekannt ist und in Richtung der Statorspulen eines Spulenstrangs liegt. Dazu wird prinzipiell bei Synchronmotoren, deren Schaltung es zulassen, nur ein Spulenstrang bestromt. Eine Ausnahme sind Stern-Motoren / Synchronmotoren in Sternschaltung mit Mittenabgriff, bei denen dies nicht möglich ist. Deshalb werden bei diesen Stern-Motoren alle drei Spulenstränge so bestromt, dass ein Spulenstrang den maximalen Strom aufweist und die anderen beiden Spulenstränge einen geringeren Strom aufweisen. Dadurch richtet sich das Magnetfeld in Richtung der am stärksten bestromten Statorspule aus.
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Idealerweise werden die beiden anderen Spulenstränge so durchflossen, dass das Magnetfeld in Richtung der am stärksten durchströmten Statorspule verstärkt wird.
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Zudem ist es zweckmäßig, wenn in dem vierten Schritt mehrere Polstellen mehrerer Rotormagneten in ihrer Winkelposition der durch die Sensoreinrichtung erfassten Winkellage des Rotors zugeordnet werden. Dadurch wird die Steuerung des Synchronmotors noch effizienter umgesetzt.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn in oder nach dem vierten Schritt ein die feste Zuordnung der Winkelposition der zumindest einen Polstelle zu der Winkellage des Rotors umfassender Datensatz (durch eine externe Rechnereinheit) in einer Steuerungseinheit des Synchronmotors hinterlegt / gespeichert wird.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage anhand von Drehmomentschwingungen (des Rotors) umgesetzt. Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren bestimmt den Zusammenhang zwischen einem Sensorwinkel und der Rotorlage inklusive der einzelnen Polstellenpositionen. Zur Durchführung des Verfahrens ist der EC-Motor (Synchronmotor) über eine Drehmoment- und Winkelmesswelle an einen externen Motor angeschlossen. Die Synchronmaschine wird dabei so mit Spannung versorgt, dass entweder ein oder drei Stränge des dreiphasigen EC-Motors bestromt werden. Dies ist abhängig von der Motorverschaltung. Falls alle drei Stränge bestromt werden, weisen zwei von drei Strängen einen möglichst gleich großen Strom mit gleicher Flussrichtung auf. Der externe Motor treibt den Motor dabei mit konstanter Drehzahl an. Durch die Bestromung der Statorspulen entsteht ein Magnetfeld, dessen Vektor genau entlang der Statorspulen des am stärksten bestromten Stranges verläuft. Die Kräfte, die dadurch auf den Rotor wirken, sind abhängig von der Winkellage des Rotors in einer elektrischen Periode, wodurch sie sich in Größe und Vorzeichen unterscheiden. Über den Umfang des Rotors entsteht ein Drehmoment, welches durch die externe Drehmomentmesswelle erfasst wird. Die Winkelinformation zu den Drehmomenten wird mittels des externen Winkelsensors erfasst.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert.
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Es zeigt die einzige 1 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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Das Ausführungsbeispiel ist lediglich schematischer Natur und dient daher ausschließlich dem Verständnis der Erfindung.
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In der 1 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen der einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Synchronmotors. Der Synchronmotor ist als EC-Motor (/ bürstenloser Gleichstrommotor) umgesetzt. Der Synchronmotor weist einen typischen Aufbau auf und ist weiterhin bevorzugt in einer Kupplungsbetätigungsvorrichtung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Der Synchronmotor dient folglich bevorzugt zum Ein- und Ausrücken einer hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Kupplung eines Kraftfahrzeugantriebstrangs.
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Der Synchronmotor weist des Weiteren auf typische Weise einen Stator sowie einen relativ zum Stator verdrehbar angeordneten Rotor auf. Der Rotor umfasst mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete Permanentmagnete, die mit mehreren Spulen des Stators im Betrieb zusammenwirken. Die Spulen sind in drei Spulenstränge unterteilt, die unter Ausbildung eines dreiphasigen Synchronmotors angesteuert werden.
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Des Weiteren umfasst der Synchronmotor eine Sensoreinrichtung, welche Sensoreinrichtung mehrere in dem Stator aufgenommene, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Sensoren aufweist. Die Sensoren sind bspw. als magnetoresistive Sensoren ausgebildet. Die jeweiligen Sensoren wirken mit zumindest einem rotorfesten Sensormagneten zusammen.
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In einem ersten Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Rotor / eine unmittelbar den Rotor aufnehmende Rotorwelle des Synchronmotors mit einer Drehmoment- und Drehwinkelmesswelle (auch abgekürzt schlicht als Messwelle bezeichnet) verbunden. Die Messwelle ist folglich mit zumindest einem Sensor zum Erfassen eines durch die Messwelle übertragenen Drehmoments sowie einem Sensor zum Erfassen einer Winkelposition / eines Drehwinkels der Messwelle ausgestattet. Die Messwelle ist direkt drehfest an der Rotorwelle befestigt. Mit ihrem dem Rotor des Synchronmotors abgewandten Endbereich ist die Messwelle an einen externen Motor angeschlossen. Dieser externe Motor ist vorzugsweise ebenfalls als ein Elektromotor ausgeführt.
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In einem zweiten Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der externe Motor angeschaltet und derart betrieben, dass er den Rotor mit einer konstanten Drehzahl (in einer bestimmten Drehrichtung) antreibt / fortbewegt.
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In einem dritten Schritt c) wird dann, während der Rotor mit der konstanten Drehzahl angetrieben wird, in einer ersten Teilausführung nur einer der drei Spulenstränge des Synchronmotors bestromt. In einer weiteren Teilausführung werden gar alle drei Spulenstränge des Synchronmotors bestromt, wobei dann zwei der drei Stränge mit einem gleichen Stromwert und einer gleichen Flussrichtung bestromt werden. Folglich sind zwei der drei Spulenstränge mit gleichem Stromwert und der dritte Spulenstrang mit einem größeren Stromwert als die beiden anderen Spulenstränge bestromt, sodass sich das Statorfeld in Richtung des am stärksten bestromten Strangs ausrichtet.
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Jedenfalls entsteht in dem dritten Schritt c) durch die Bestromung des zumindest einen Spulenstrangs ein Magnetfeld, dessen Vektor genau entlang der Statorspulen des am stärksten bestromten Spulenstranges verläuft. Somit richtet sich das Statorfeld entlang des bestromten oder am stärksten bestromten Spulenstrangs aus. Die Kräfte, die dadurch auf den Rotor wirken, sind abhängig von der Winkellage des Rotors in einer elektrischen Periode, wodurch sie sich in Größe und Vorzeichen unterscheiden. Über den Umfang des Rotors entsteht somit ein Drehmoment, welches durch die Messwelle über eine gewisse Zeitspanne (über zumindest eine volle Umdrehung des Rotors) erfasst wird. Auch die Winkelinformation / Winkellage der Messwelle und somit des Rotors wird von dem Winkelsensor der Drehmoment- und Drehwinkelmesswelle mit erfasst.
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Aufgrund dieses Betriebs des Synchronmotors durch die unterschiedlichen Bestromung der Spulenstränge ändert sich das währenddessen an dem Rotor erzeugte sowie durch die Messwelle erfasste Drehmoment über den zurückgelegten Drehwinkel des Rotors / die Zeit sinusförmig. Bei der üblichen sinusförmigen Verteilung der Flussdichte am Rotor entsteht folglich ein sinusförmiger Verlauf des gemessenen Drehmoments. Dabei ist ein Maximum des Drehmoments umgesetzt, wenn ein Rotormagnet mit magnetischem Nordpol an der Außenseite des Rotors sich in Drehrichtung um 90° elektrisch vor der am stärksten bestromten Statorspule befindet. Ein Minimum des Drehmoments entsteht in Drehrichtung um 90° elektrisch hinter der am stärksten bestromten Statorspule.
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Somit werden in dem dritten Schritt durch Bestromung des zumindest einen Spulenstrangs des Stators mittels der Messwelle ein sich sinusförmig ändernder Drehmoment-Drehwinkel-Verlauf des Rotors sowie mittels der Sensoreinrichtung zugleich eine Winkellage des Sensormagneten / eine durch den Sensormagneten bestimmte Winkellage des Rotors erfasst.
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Im Anschluss wird in einem vierten Schritt d) zumindest eine Polstelle eines an dem Rotor angebrachten Rotormagneten festgelegt / bestimmt, welche Polstelle je nach Magnetisierungsrichtung des Rotormagneten genau am Maximum oder an dem diesem Maximum entlang des Drehmoment-Drehwinkel-Verlaufs unmittelbar folgenden Minimum liegt. Diese zumindest eine Polstelle wird in ihrer Winkelposition der durch die Sensoreinrichtung erfassten Winkellage des Rotors direkt zugeordnet. Dies kann auf einfache Weise erfolgen, da sich entlang einer sinusförmigen Vollwelle des Drehmoment-Drehwinkelverlaufs zwei Polstellen (eine erste Polstelle am Maximum und eine zweite Polstelle am Minimum) des am Rotor angebrachten Rotormagneten befinden.
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Im Anschluss wird in dieser Ausführung über eine externe Recheneinheit in einem fünften Schritt e) die entsprechend gemessene Winkelposition der Polstelle bestimmt und mit dem internen Sensorsignal des Synchronmotors, d.h. der durch die Sensoreinrichtung erfassten Winkellage des Sensormagneten / Rotors abgeglichen und einer Steuerungseinheit des Synchronmotors zugeführt bzw. hierin gespeichert. Die Reibung ist bei diesem Verfahren nicht relevant, da der externe Motor die Drehung vorgibt und dies durch den externen Winkelsensor erfasst wird sowie da Drehmomentmaxima und -minima unabhängig von der Reibung entstehen und dadurch die Polstellen bestimmt werden können.
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In anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß die Rotorlage über das an der Rotorwelle anliegende Drehmoment erfasst. Das Drehmoment entsteht durch eine feste Bestromung der Statorspulen. Der Rotor wird extern bei einer konstanten Drehzahl angetrieben, wodurch sich eine sinusförmige Änderung des Drehmoments ergibt. Das Drehmoment wird an einer Messwelle erfasst, gleichzeitig wird an der Welle der Winkel erfasst. Über die Minima und Maxima des Drehmomentverlaufs wird auf die Rotorlage und die einzelnen Polstellenpositionen geschlossen. Durch die rechnergestützte Auswertung des sinusförmigen Drehmomentverlaufs und der Zuordnung des motorinternen Sensorsignals zu den ermittelten Stützstellen gilt das Sensor-Motorsystem als kalibriert und kann in Betrieb genommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10215428 A1 [0002]
- DE 102017128891 A1 [0003]
- DE 102016212175 A1 [0003]
- DE 102013205905 A1 [0003]
- DE 102013208986 A1 [0003]
- DE 102013211041 A1 [0003]
- DE 102013213948 A1 [0003]
- DE 102013222366 A1 [0003]
- DE 102016207241 A1 [0003]
