DE102020007985B4

DE102020007985B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen eines Haltestromes einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102020007985B4
Application number: DE102020007985.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Seule; Robert Wolfram
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2020-07-06
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: DE102020007985A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (2) mit einer Statorwicklung (3) mit mehreren Phasensträngen (4) und einem Läufer (5), wobei die elektrische Maschine (2) mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen (V1, V2) an Phasenanschlüsse (7) zum Bestromen von Phasensträngen (4) betrieben wird, mit folgenden Schritten:- zum Anhalten der elektrischen Maschine (2), Bestromen der Statorwicklung (3), so dass der Läufer (5) in einem Stoppbereich (S) gegen ein Wirken eines Lastmoments angehalten wird;- nach dem Anhalten in dem Stoppbereich (S), kontinuierliches oder schrittweises Reduzieren einer Ansteuerspannung betragsmäßig als Differenz zwischen den anliegenden Ansteuerpotenzialen (V1, V2), so dass der Läufer sich in Richtung des wirkenden Lastmoments bewegt, wobei nach Feststellen des Überschreitens des Maximums oder Minimums mindestens eines Messpotenzials eine Haltepositionsregelung gestartet wird, wobei das mindestens eine Messpotenzial einem Potential an einem unbestromten Phasenanschluss der elektrischen Maschine bei der Ansteuerung mit der Blockkommutierung entspricht und von der Induktivität der Statorwicklung abhängt.

Description

Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft bürstenlose elektrische Maschinen, insbesondere Verfahren zum Betreiben von elektrischen Maschinen. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur Reduzierung eines Haltestroms für elektronisch kommutierte elektrische Maschinen beim Halten gegen ein Lastmoment.
Technischer Hintergrund
Bürstenlose elektrische Maschinen weisen Statorspulen auf, um ein Erregermagnetfeld zu erzeugen. Das Erregermagnetfeld wird abhängig von der Läuferlage so eingestellt, um ein Moment auf den Läufer auszuüben und dadurch eine Läuferbewegung zu bewirken.
Derartige elektrische Maschinen können Statoranordnungen in Stern- oder Polygonverschaltung aufweisen. Je nach Einsatzgebiet und Betriebsanforderung werden die elektrischen Maschinen mit einer Kommutierungsart betrieben, durch die ein Statormagnetfeld generiert wird. Eine einfache Kommutierungsart stellt dabei die Blockkommutierung dar, um die Phasenstränge der Statorwicklung einer solchen elektrischen Maschine zu bestromen. Bei der Blockkommutierung werden die Statorspulen der Statoranordnung mit einem Kommutierungsmuster angesteuert, wobei jeweils einer der Phasenanschlüsse mit einem hohen Versorgungspotenzial und ein weiterer der Phasenanschlüsse mit einem niedrigen Versorgungspotenzial verbunden wird, während der eine oder die mehreren übrigen Phasenanschlüsse unbestromt bleiben.
Für den Betrieb einer bürstenlosen elektrischen Maschine ist eine Kenntnis über die Läuferlage notwendig, um eine Umschaltung des an den Phasenanschlüssen anliegenden Kommutierungsmusters so vorzunehmen, dass die elektrische Maschine betrieben werden kann und ein gleichgerichtetes Moment erzeugt wird.
Das Betreiben einer elektrischen Maschine mittels Blockkommutierung bietet sich dann an, wenn die Läuferlage sensorlos erfasst wird. Dabei kann eine Information über die Läuferlage durch Vermessen eines Potenzials an einem unbestromten Phasenanschluss bestimmt werden, wobei das gemessene Potenzial u.a. durch eine läuferlageabhängige Induktivität der bestromten Statorwicklungen bestimmt ist. Somit kann dem gemessenen Potenzial eine Angabe über die Läuferlage zugeordnet werden.
Derartige elektrische Maschinen können in Anwendungen verwendet werden, bei denen nach einem Anhalten der elektrischen Maschine ein Haltemoment gegen ein wirkendes Lastmoment aufgebracht werden muss. Insbesondere bei Verwendung einer Blockkommutierung können für das Festhalten des Läufers an einer Halteposition je nach Läuferlage hohe Phasenströme notwendig sein, um den Läufer gegen ein Lastmoment zu halten, insbesondere bei Läuferlagen, in denen ein Läuferpol direkt zu einem Statorzahn ausgerichtet ist.
Weiterhin kann aufgrund der in der Regel an der Antriebswelle gekoppelten Untersetzungsgetriebe für die Halteposition ein größerer Toleranzbereich zulässig sein.
Die Druckschrift DE 10 2016 220 014 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Wechselrichters einer elektrischen Maschine mithilfe eines pulsweitenmodulierten Ansteuerverfahrens. Beispielsweise kann die Ansteuerung dafür vorgesehen sein, ein Drehmoment im Stillstand aufzubringen, um bei einem Kraftfahrzeug in einer sogenannten Hill-hold-Situation ein kontinuierliches Drehmoment ohne Drehung der elektrischen Maschine vorzusehen.
Aus der Druckschrift EP 3 605 832 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Haltemoments im Stillstandszustand eines mindestens zwei Wicklungen aufweisenden elektrisch kommutierten Elektromotors bekannt. Hierbei wird der Haltestrom sukzessive verringert, bis eine betragsmäßige Abweichung des Motorinduktivitätsparameters gegenüber dem Anfangswert um mehr als eine vorgegebene Regelabweichung erreicht wird. Ist die vorgegebene Regelabweichung erreicht, wird eine Regelung des Motorinduktivitätsparameters betragsmäßig auf einen Wert durchgeführt, der um nicht mehr als die Regelabweichung vom bei Beginn der Regelung gegebenen Regelungsausgangswert des Motorinduktivitätsparameters abweicht.
Die Druckschrift DE 10 2012 013 652 A1 offenbart ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines wenigstens zweiphasigen, insbesondere dreiphasigen bürstenlosen Elektroantriebs mit wenigstens zwei Phasenwicklungen, die jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss, wobei ein zweiter Anschluss einer ersten Phasenwicklung mit dem ersten Anschluss einer zweiten Phasenwicklung an einem gemeinsamen Verbindungsanschluss elektrisch verbunden ist, wobei zwischen den Phasenwicklungen ein Spannungsimpuls angelegt wird. Am Verbindungsanschluss oder an einer mit diesem verbundenen weiteren Phasenwicklung wird die sich einstellende Spannung erfasst und daraus das Spannungsteilungsverhältnis zwischen den Phasenwicklungen bestimmt. Aus dem Spannungsteilungsverhältnis wird das Verhältnis zwischen den variablen Induktivitäten bestimmt, wobei der Spannungsimpuls angelegt wird, während die weitere Phasenwicklung stromlos ist.
Die Druckschrift DE 10 2019 127 051 A1 betrifft ein Verfahren zur messpulsfreien Regelung der Bestromung eines Motors, insbesondere im Haltebetrieb. Der Motor wird mit bipolarer Blockkommutierung mithilfe eines PWM-Signals messpulsfrei angesteuert, so dass zwei der mindestens drei Motoranschlüsse bestromt sind. Bei der Blockkommutierung wird eine erste elektrische Spannung an die zwei bestromten Motoranschlüsse in einem ersten PWM-Teilabschnitt der PWM-Periode angelegt und ein erster Messwert für die Spannung des unbestromten Motoranschlusses gegenüber einem Referenzpotenzial erfasst. Eine zweite elektrische Spannung wird an die zwei bestromten Motoranschlüsse in einem darauffolgenden zweiten PWM-Teilabschnitt angelegt und ein zweiter Messwert für die Spannung des unbestromten Motoranschlusses bezüglich des Referenzpotenzials ermittelt. Die betragsmäßige Differenz der gemessenen Spannungswerte wird zur Regelung des elektrischen Stroms für die Bestromung der bestromten Motoranschlüsse verwendet.
Die Druckschrift EP 2 621 078 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors bei der Verstellung eines Stellelementes. Während der Verstellung des Stellelementes in eine Zielposition wird der bürstenlose Gleichstrommotor mittels eines aus Rotorpositionssignalen abgeleiteten antreibenden Kommutierungsmusters betrieben. Nach dem Erreichen der Zielposition wird der bürstenlose Gleichstrommotor in einen Haltemodus überführt, in welchem er mittels eines ein benötigtes Haltemoment bereitstellenden Kommutierungsmusters betrieben wird. Im Haltemodus wird der zur Bereitstellung des benötigten Haltemoments erforderliche Haltestrom mittels eines iterativen Haltestromreduzierungsverfahrens auf einen das benötigte Haltemoment gewährleistenden Haltestromwert minimiert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Einstellen eines Haltestroms zum Halten einer elektrischen Maschine in einem Haltezustand zur Verfügung zu stellen, wobei insbesondere der Haltestrom minimiert ist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Halten des Läufers der elektrischen Maschine eine Bewegung des Läufers bei sich änderndem Lastmoment im Wesentlichen zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Einstellen eines Haltestroms zum Halten eines Läufers an der elektrischen Maschine an einer Halteposition gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine mit einer Statorwicklung mit mehreren Phasensträngen und einem Läufer, wobei die elektrische Maschine mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen an Phasenanschlüsse zum Bestromen von Phasensträngen betrieben wird, mit folgenden Schritten:

- Erfassen mindestens eines Messpotenzials, das sich nach Anlegen eines Messimpulses an einen der Phasenanschlüsse einstellt;
- bei einem Stillstand der elektrischen Maschine, Halten des Läufers gegen ein Lastmoment mithilfe einer Haltestromregelung, deren Regelgröße von dem mindestens einen Messpotenzial abhängt oder diesem entspricht und die als Stellgröße die Ansteuerpotenziale der Blockkommutierung vorgibt.

Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen können mit einer Kommutierung betrieben werden, wobei abhängig von einer Läuferlage Statorspulen einer Statorwicklung wechselweise bestromt werden. Die einfachste Kommutierungsart stellt die sogenannte Blockkommutierung dar, bei der ein Statormagnetfeld eingestellt wird, dessen Ausrichtung sich an den Positionen der bestromten Statorspulen orientiert. Abhängig von einer Läuferlage werden die Statorspulen so bestromt, dass die Ausrichtung des Statormagnetfelds dem Läufermagnetfeld in Bewegungsrichtung des Läufers voreilt.
Bei der Blockkommutierung wird ungeachtet, ob die bürstenlose elektrische Maschine in einer Sternverschaltung oder Polygonverschaltung ausgebildet ist, läuferlageabhängig eine Versorgungsspannung zwischen zwei der Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine angelegt. Die gewählten Phasenanschlüsse hängen dabei von der momentanen Läuferlage ab. Die Stärke des Statormagnetfelds und damit das auf den Läufer wirkende Motormoment kann dabei durch Vorgabe der an die Phasenanschlüsse angelegten Phasenspannungen eingestellt werden. Die Phasenspannungen können dabei durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren eingestellt werden.
Aus Kostengründen kann eine elektrische Maschine sensorlos ausgebildet sein. Im sensorlosen Betrieb wird durch Messen einer elektrischen Größe eine läuferlageabhängige Induktivität der Statorwicklung ermittelt und diese einer Läuferlage zugeordnet.
Eine typische Induktivitätsmessung erfolgt bei der Blockkommutierung durch Messen und Auswerten eines Messpotenzials an einem unbestromten Phasenanschluss der elektrischen Maschine, deren Potenzial im Wesentlichen abhängig von der Induktivität der Statorwicklung ist. Um eine Angabe zu der von der Läuferlage abhängigen Induktivität der Statorwicklung zu ermitteln, wird an die bestromten Phasenanschlüsse ein Messimpuls angelegt und ein resultierendes Messpotenzial an einem unbestromten Phasenanschluss gemessen. Es kann vorgesehen sein, dass der Messimpuls als Teil einer pulsweitenmodulierten Generierung des Ansteuerpotenzials gebildet wird, oder der pulsweitenmodulierten Generierung des Ansteuerpotenzials überlagert wird. Alternativ kann die Kommutierung der elektrischen Maschine kurzzeitig unterbrochen werden, um den Messimpuls anzulegen und die Messung vorzunehmen.
Weiterhin können zwei Messpotenziale, insbesondere zeitlich innerhalb eines Pulsweitenmodulationszyklusses des Pulsweitenmodulationsverfahrens, abhängig von dem Anlegen von zwei gegenläufigen Messimpulsen erfasst werden, wobei eine Messpotenzialdifferenz (R) aus den beiden Messpotenzialen bestimmt wird, wobei die Haltestromregelung als Regelgröße die Messpotenzialdifferenz (R) erhält.
Somit kann, um zu vermeiden, dass bei einer Bewegung des Läufers das Messpotenzial durch eine Induktionsspannung aufgrund des Wirkens einer gegenelektromotorischen Kraft (Back-EMF) verfälscht wird, bei gleichem Kommutierungsmuster in dichter Folge ein positiver Messimpuls und ein negativer Messimpuls auf den Strompfad durch die Statorwicklung eingeprägt und die entsprechenden Messpotenziale an dem betreffenden unbestromten Phasenanschluss gemessen werden. Durch die Differenzbildung zwischen den so erhaltenen Messpotenzialen kann man eine Angabe zu einer Induktivität der Statorwicklung erhalten, wobei der Einfluss der Back-EMF bei einer Läuferbewegung eliminiert ist.
Dadurch kann mithilfe der Ermittlung der Messpotenzialdifferenz eine Angabe zur Läuferlage bezüglich eines elektrischen Läuferlagewinkels (Polradwinkel) ermittelt werden. Die elektrische Läuferlage entspricht der mechanischen Läuferlage multipliziert mit einer Polpaarzahl der Läuferpole.
Im Wesentlichen entspricht eine Messpotenzialdifferenz von 0 Volt einer Ausrichtung eines der Läuferpole in Richtung einer bestromten Statorspule, was einem elektrischen Lagewinkel von 0° entspricht. Bei einem Versatz zwischen Läuferpol und Statorzahn ändert sich die Messpotenzialdifferenz entsprechend, da sich die Induktivität der Statorwicklung ändert. Bei einer Drehung des Läufers verläuft die Messpotenzialdifferenz im Wesentlichen sinusförmig mit Bezug zur elektrischen Läuferlage.
Bei einer Ausrichtung des Läuferpols zum Statorzahn (0° elektrischer Lagewinkel bzw. Polradwinkel) der bestromten Statorspule kann im Wesentlichen kein nennenswertes Motormoment erzielt werden, da keine tangentiale Kraft bzw. Querkraft auf den Läufer wirken kann. Dagegen steigt das Motormoment bei gleichbleibender Ansteuerung bis zu einem Versatzwinkel von 90° elektrischem Läuferlagewinkel zwischen Läuferpol und bestromten Statorzahn an. Bei einem Versatzwinkel von größer als 90° nimmt das erreichbare Motormoment wieder ab.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Läufer der elektrischen Maschine auf eine Halteposition zu regeln, die einem Versatzwinkel entspricht, der an 90° angenähert ist. Dort ist die Umsetzung zwischen dem aufgewendeten Haltestrom zu dem erreichbaren Motormoment besonders hoch. Idealerweise kann der Regelpunkt mit einem regelungstechnisch günstigen Sicherheitsabstand vor einen Versatzwinkel von 90° festgelegt werden. Insbesondere kann der Versatz zwischen 60" und 85°, vorzugsweise zwischen 70" und 80°, betragen. Grundsätzlich sind auch Versatzwinkel von über 90° möglich, die jedoch durch eine Regelung nur aufwändig gehalten werden können.
Beim Halten des Läufers an einer Halteposition kann das bestehende Kommutierungsmuster beibehalten werden. Für die Haltepositionsregelung der elektrischen Maschine kann aufgrund der Läuferlageabhängigkeit die Messpotenzialdifferenz direkt als Regelgröße verwendet werden. Die Lageregelung kann mithilfe eines PI-, PD- oder PID-Reglers implementiert sein.
Weiterhin kann zum Anhalten der elektrischen Maschine die Statorwicklung, insbesondere in einem ungeregelten oder gesteuerten Betrieb, so bestromt werden, dass der Läufer in einem Stoppbereich, insbesondere gegen ein Wirken eines Lastmoments angehalten wird, wobei der Stoppbereich in einem Bereich elektrischer Lagewinkel liegt, in dem der Lagewinkel einen vorgegebenen Sicherheitsabstand zum Maximum der Messpotenzialdifferenz aufweist, insbesondere in einem Bereich von Lagewinkeln zwischen 0° und +/-40°, insbesondere zwischen 0° und +/-20°, wobei 0° elektrischer Lagewinkel einer Ausrichtung eines Läuferpols zu einem bestromten Statorzahn entspricht.
Gemäß einer Ausführungsform kann somit die Regelung vorsehen, dass beim Anhalten des Läufers zunächst sichergestellt wird, dass der Läufer sich in einem Winkelbereich eines Versatzwinkels zu einem entsprechenden Statormagnetfeld befindet, der sicher zwischen 0 und -45° oder 0 und +45° liegt. Dies kann durch Einprägen einer hohen Ansteuerspannung zwischen den zwei zu bestromenden Phasenanschlüssen erfolgen, das im Wesentlichen unabhängig von der aktuellen Läuferlage vorgenommen wird.
Insbesondere kann nach dem Anhalten in dem Stoppbereich eine Ansteuerspannung als Differenz zwischen den anliegenden Ansteuerpotenzialen betragsmäßig kontinuierlich oder schrittweise reduziert werden, so dass der Läufer sich in Richtung eines wirkenden Lastmoments bewegt, wobei abhängig von einem Verlauf des mindestens einen Messpotenzials bezüglich des elektrischen Lagewinkels im Laufe der Läuferbewegung ein Überschreiten eines Maximums oder Minimums des Messpotenzials festgestellt wird, wobei nach Feststellen des Überschreitens des Maximums oder Minimums des Messpotenzials die Haltepositionsregelung gestartet wird.
Infolge kann durch die oben beschriebenen Messungen der Messpotenziale mithilfe des Anlegens der Messimpulse kontinuierlich eine Messpotenzialdifferenz erfasst und beobachtet werden. Nun wird die Ansteuerspannung, insbesondere durch Reduzieren des Tastverhältnisses für das Erzeugen der Ansteuerpotenziale, schrittweise reduziert. Durch die Beobachtung der Messpotenzialdifferenz wird erkannt, dass aufgrund des wirkenden Lastmoments die Läuferlage sich von der elektrischen Läuferlage von 0° wegbewegt. Insbesondere kann festgestellt werden, wenn die Messpotenzialdifferenz ein Maximum oder Minimum überschreitet. Nach Überschreiten des betreffenden Maximums/Minimums kann die Haltepositionsregelung aktiviert werden. Die Messpotenzialdifferenz dient dabei als Regelgröße, die auf einen Wert geregelt wird, der etwa einen elektrischen Versatzwinkel zwischen Statormagnetfeld und Läufermagnetfeld von zwischen 60° bis 85°, insbesondere zwischen 70° und 80°, entspricht. Auf diese Weise wird ein möglichst effizientes Halten des Läufers an einer Halteposition gewährleistet, wobei ein Überschreiten einer elektrischen Läuferlage von +/- 90° durch den dadurch gewährleisteten Sicherheitsbereich vermieden werden soll. Eine Haltepositionsregelung ist zwar auch bei Versatzwinkeln von über 90° möglich, diese ist jedoch aufgrund des dann mit Zunahme des Versatzwinkels abnehmenden Haltemoments in der Regel aufwändig zu realisieren. Überschreitet der Lageversatz den Versatzwinkel von 90°, müsste zumindest kurzzeitig ein erhöhter Haltestrom angelegt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Haltepositionsregelung beendet werden, wenn abhängig von dem Messpotenzial festgestellt wird, dass der elektrische Lagewinkel betragsmäßig einen vorgegebenen Grenzwinkel überschreitet oder das zuvor überschrittene Maximum/Minimum des Messpotenzials bei sich betragsmäßig verringerndem elektrischen Lagewinkel erneut überschritten wird.
Es kann vorgesehen sein, dass bei aktiver Haltepositionsregelung das bestehende Kommutierungsmuster beibehalten wird. In einer alternativen Ausführungsform kann das Kommutierungsmuster für die aktive Haltestromregelung auch von der Kommutierungsart des Normalbetriebs der elektrischen Maschine verschieden sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine mit einer Statorwicklung mit mehreren Phasensträngen und einem Läufer vorgesehen, wobei die elektrische Maschine mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen an Phasenanschlüsse zum Bestromen von Phasensträngen betrieben wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:

- Erfassen mindestens eines Messpotenzials, das sich nach Anlegen eines Messimpulses an einen der Phasenanschlüsse einstellt;
- bei einem Stillstand der elektrischen Maschine, Halten des Läufers gegen ein Lastmoment mithilfe einer Haltepositionsregelung, deren Regelgröße von dem mindestens einen Messpotenzial abhängt oder diesem entspricht und die als Stellgröße die Ansteuerpotenziale der Blockkommutierung vorgibt.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System mit einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer dreiphasig elektronisch kommutierten elektrischen Maschine mit Sternverschaltung der Statorwicklung;
2 ein Signal-Zeit-Diagramm der Ansteuerpotenziale bei einem gewählten Tastverhältnis und die daraus resultierenden Messpotenziale.
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verlaufs der Messpotenzialdifferenz als Regelgröße einer Haltepositionsregelung abhängig von der elektrischen Läuferlage; und
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Betriebsverfahrens für die elektrische Maschine beim Anhalten des Läufers und beim Halten des Läufers gegen ein wirkendes Lastmoment.

Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einer elektrischen Maschine 2, die als bürstenlose elektrische Maschine ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 2 kann als Synchron- oder Asynchronmotor vorgesehen sein. Die elektrische Maschine ist im gezeigten Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgestaltet und weist eine Statorwicklung 3 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Sternschaltung aus Phasensträngen 4 aus jeweils einer oder mehrerer Statorspulen verschaltet ist. Das nachfolgend beschriebene Verfahren lässt sich jedoch in gleicher Weise für elektrische Maschinen mit mehr als drei Phasensträngen und mit in Dreiecks-/Polygonschaltung verschalteten Phasensträngen 4 betreiben.
Die elektrische Maschine 2 weist neben den Statorspulen der Statorwicklung 3 einen beweglich gelagerten Läufer 5 auf, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Läuferpole 6 aufweist. Das nachfolgende Verfahren lässt sich auch auf elektrische Maschinen 2 mit mehr als zwei Läuferpolen anwenden.
Die Statorwicklung 3 kann über Phasenanschlüsse 7 angesteuert werden. Die Phasenanschlüsse sind dazu mit einer Leistungseinheit 8 verbunden, die wahlweise ein Ansteuerpotenzial an Phasenanschlüsse 7 anlegen kann oder einen Phasenanschluss stromlos schalten kann. Die Leistungseinheit 8 kann in an sich bekannter Weise als B6-Schaltung oder H-Brückenschaltung ausgebildet sein.
Die Leistungseinheit 8 wird über eine Steuereinheit 9 angesteuert. Dazu generiert die Steuereinheit 9 entsprechend einem Kommutierungsmuster Ansteuersignale für Transistoren der Leistungseinheit 8. Die Ansteuersignale geben an, dass die Transistoren der Leistungseinheit 8 leitend oder nichtleitend geschaltet werden, um ein entsprechendes Ansteuerpotenzial an einen entsprechenden Phasenanschluss 7 anzulegen.
In der Steuereinheit 9 kann ein Blockkommutierungsverfahren ausgeführt werden, das abhängig von der Läuferlage einen Strom zwischen zwei der Phasenanschlüsse einprägt. Der Strom wird durch Vorgabe einer Ansteuerspannung eingestellt, die sich zwischen den Ansteuerpotenzialen an mindestens zwei der Phasenanschlüsse 7 einstellt und die durch Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung V_vers erzeugt werden kann. Die Pulsweitenmodulation erfolgt durch zyklisches Ein- und Ausschalten von Transistoren der Leistungseinheit abhängig von einem Tastverhältnis für jeden der Phasenanschlüsse. Das Tastverhältnis bestimmt das effektiv an die Phasenanschlüsse angelegte Ansteuerpotenzial.
Die Ansteuersignale können basierend auf einer Blockkommutierung generiert werden, wobei einer der Phasenanschlüsse mit einem hohen (pulsweitenmodulierten) Versorgungspotenzial V_vers und ein weiterer der Phasenanschlüsse mit einem niedrigen (pulsweitenmodulierten) Versorgungspotenzial V_vers verbunden werden und die übrigen Phasenanschlüsse potenzialfrei geschaltet sind (durch Öffnen der mit diesen verbundenen Transistoren). Die bestromten Phasenanschlüsse werden entsprechend der Läuferlage ausgewählt, so dass ein in Richtung des zu bewirkenden Motormoments voreilende Ausrichtung des Statormagnetfelds erreicht wird.
Das Motorsystem 1 kann sensorlos ausgebildet sein, wobei eine Läuferlage in an sich bekannter Weise aus einer Vermessung eines Messpotenzials an dem nicht bestromten Phasenanschluss ermittelt werden kann. Alternativ kann ein Lagesensor für die Läuferlage vorgesehen sein, die eine Signalisierung ermöglicht, die für eine Kommutierung der Ansteuerung der Statorwicklung über die Leistungseinheit verwendet wird.
Vorzugsweise werden für eine Bestromung der Statorwicklung Ansteuerpotenziale zwischen einem hohem (V_vers) und einem niedrigem Versorgungspotenzial (0V) generiert. Bei einem Anlegen einer Ansteuerspannung von 0 Volt an die zu bestromenden Statorspulen werden beide Ansteuerspannungen mit einem Tastverhältnis von 50% generiert. Soll eine Spannung größer 0 V angelegt werden, wird das Tastverhältnis für einen ersten der Phasenanschlüsse ausgehend von 50% erhöht und für einen zweiten der Phasenanschlüsse ausgehend von 50% erniedrigt. Beispielsweise können so Kombinationen von Tastverhältnissen von 60% zur Generierung der ersten Ansteuerspannung und 40% zur Generierung der zweiten Ansteuerspannung verwendet werden.
Die so erzeugten Spannungsimpulse an den Phasenanschlüssen führen bei dem jeweils unbestromten Phasenanschluss zu einem Messpotenzial, das von der Induktivität der Statorwicklung bzw. von einem Induktivitätsverhältnis der beiden bestromten Phasenstränge 4 abhängt. Da die Induktivität läuferlagenabhängig ist, kann das sich an dem unbestromten Phasenanschluss einstellende Messpotenzial einer Angabe für die Läuferlage entsprechen. Die Phasenanschlüsse sind dazu mit einer Messeinrichtung 10 verbunden, die ein Messpotenzial an dem jeweils unbestromten Phasenanschluss misst und dieses an die Steuereinheit 9 übermittelt.
Da das Messpotenzial an dem unbestromten Phasenanschluss 7 weiterhin auch von einer Induktionsspannung abhängen kann, die sich bei einer Bewegung des Läufers 5 ergibt, ist vorgesehen, für jede Messung jeweils zwei Messpotenziale M1, M2 nacheinander zu messen. In 2 ist ein Signal-Zeit-Diagramm dargestellt, das die Verläufe der Messpotenziale M1, M2 über der Zeit bei vorgegeben Ansteuerpotenzialen V1, V2 darstellt.
Das erste Messpotenzial M1 wird bestimmt, nachdem an den ersten der Phasenanschlüsse ein erstes Ansteuerpotential V1 mit einer steigenden Flanke von dem niedrigen zu dem hohen Versorgungspotenzial V_vers bei niedrigem Versorgungspotenzial an dem zweiten der Phasenanschlüsse anlegt wurde. Das zweite Messpotenzial M2 wird bestimmt, nachdem an den zweiten der Phasenanschlüsse ein zweites Ansteuerpotenzial V2 mit einer steigenden Flanke von dem niedrigen zu dem hohen Versorgungspotenzial V_vers bei niedrigem Versorgungspotenzial 0 an dem ersten der Phasenanschlüsse anlegt wurde. Die Messpotenziale M1, M2 werden jeweils nach einem Einschwingzeitraum nach dem Flankenanstieg bzw. -abfall ermittelt, d. h. nach einem Zeitraum, nach dem ein Überschwingen/Unterschwingen aufgrund der Flankenansteuerung durch die Messimpulse abgeklungen ist. Die so erfassten Messpotenziale M1, M2, die aus den gegenläufigen Messimpulsen resultieren, sind durch die aktuelle Läuferlage bestimmt. Durch Differenzbildung der Messpotenziale M1, M2, die vorzugsweise bei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden Ansteuerpotenzialflanken ermittelt werden, erhält man eine Messpotenzialdifferenz R, die als Regelgröße für eine nachgelagerte Haltepositionsregelung verwendet werden kann.
In 3 ist ein Diagramm gezeigt, das den Verlauf der Messpotenzialdifferenz ΔV beispielhaft abhängig von der elektrischen Läuferlage θ angibt. Die elektrische Läuferlage θ ergibt sich aus einem Versatzwinkel zwischen den Richtungen des Statormagnetfelds und des Läufermagnetfelds, und sie beträgt insbesondere dann 0°, wenn ein Läuferpol exakt zu einem bestromten Statorzahn ausgerichtet ist. Man erkennt weiterhin, dass der Verlauf der Messpotenzialdifferenz hin zu Versatzwinkeln der Läuferlage von -90° und +90° einem etwa halbsinusförmigen Verlauf entspricht. Der Verlauf der Messpotenzialdifferenz ermöglicht es nun, diese als Regelgröße für eine Haltepositionsregelung des Läufers 5 an einer Halteposition zu nutzen, bei der der Haltestrom effektiv minimiert werden kann. Diese ist beispielhaft mit CP angegeben.
Nachfolgend wird anhand des Flussdiagramms der 4 ein Verfahren beschrieben, mit dem ein Läufer der elektrischen Maschine mit einem minimierten Haltestrom an einer Halteposition gegen das Wirken eines Lastmoments gehalten werden kann.
Das Verfahren kann in der Steuereinheit 9 als Software oder Hardware implementiert sein.
In Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob die elektrische Maschine 2 angehalten werden soll. Ist dies der Fall, so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
In Schritt S2 wird durch gesteuertes Anlegen eines Kommutierungsmusters eine Anhalteposition bei einem Lagewinkel in einem Stoppbereich S um eine Nullposition (elektrischer Lagewinkel=0°) angefahren. Dies kann beispielsweise durch Bereitstellen von hohen Motorströmen bei gleichbleibendem Kommutierungsmuster (konstanter Raumzeiger) erfolgen, so dass ein Läuferlagewinkel in einem Bereich um 0° - 40° elektrischer Läuferlage zwischen Statormagnetfeld und Läufermagnetfeld bei Wirken eines positiven Lastmoments auf den Läufer 5 der elektrischen Maschine 2 eingenommen wird, oder so dass ein Läuferlagewinkel in einem Bereich um 0° - -40° elektrischer Läuferlage zwischen Statormagnetfeld und Läufermagnetfeld bei Wirken eines negativen Lastmoments auf den Läufer der elektrischen Maschine 2 eingenommen wird. Nachfolgend wird das Verfahren unter Bezugnahme auf lediglich ein positives Lastmoment beschrieben, wobei das Verfahren analog auch für ein negatives Lastmoment ausgeführt werden kann. Insbesondere sollte der Motorstrom so gewählt sein, dass der Läufer 5 bei einem Läuferlagewinkel in einem Stoppbereich S, d.h. einem Lagewinkelbereich von 0 -20° sicher zu einem Stillstand gelangt (bei einer Läuferbewegung unter einem vorgegebenen Drehzahlwert).
In Schritt S3 wird überprüft, ob der Läufer 5 im Wesentlichen ohne nennenswerte Bewegung in einem Bereich von 0° Läuferlagewinkel angehalten hat. Wird dies festgestellt (Alternative: Ja) wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S2 zurückgesprungen.
In Schritt S4 wird nun gesteuert durch die Steuereinheit 9 der Motorstrom reduziert. Dies erfolgt durch schrittweises Verringern der Ansteuerspannung (Potenzialdifferenz zwischen den Ansteuerpotenzialen) an den zwei gewählten Phasenanschlüssen 7. In der Regel wird sich der Läufer 5 entsprechend von dem Stoppbereich S fortbewegen, wenn ein externes Lastmoment auf den Läufer 5 wirkt. Dadurch ändert sich die Läuferlage. Wirkt kein Lastmoment auf den Läufer 5, so verbleibt dieser an der zuletzt angefahrenen Position und das Ansteuerpotenziale werden bis auf 0 Volt reduziert.
Zum Anlegen der Ansteuerspannung werden die Ansteuerpotenziale V1, V2 als effektive Potenziale insbesondere pulsweitenmoduliert aus der Versorgungsspannung abhängig von einem vorgegebenen Tastverhältnis erzeugt. Die an den Phasenanschlüssen 7 durch die Leistungseinheit 8 angelegten Spannungen weisen Rechteck-Verläufe auf, die als Messimpulse verwendet werden können. Die jeweils nach einer Einschwingzeit abgreifbaren Messpotenziale M1, M2 werden zur Ermittlung der Messpotenzialdifferenz R genutzt.
In Schritt S5 wird während des schrittweisen Verringerns der Ansteuerspannung V1, V2 die Messpotenziale M1, M2 der Messimpulse gemessen und überprüft, ob die Messpotenzialdifferenz R ein Maximum oder ein Minimum R_min überschritten hat. Das Überschreiten des Maximums kann durch Aufzeichnen von mehreren aufeinanderfolgenden Messpotenzialdifferenzen R ermittelt werden. Um den Einfluss von Störsignalen zu vermindern, kann der Verlauf der Messpotenzialdifferenzen R mithilfe eines geeigneten Filters geglättet werden. Das Maximum Rmax bzw. das Minimum R_min der Messpotenzialdifferenz R wird zwischengespeichert.
Wird festgestellt, dass aufgrund der Bewegung des Läufers 5 aufgrund des Reduzierens der Ansteuerspannung die Messpotenzialdifferenz R nach dem Überschreiten des Maximums wieder abnimmt (Alternative: Ja), so kann in Schritt S6 die Haltepositionsregelung gestartet bzw. fortgesetzt werden. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S4 zurückgesprungen und die Ansteuerspannung weiterhin schrittweise reduziert.
Die Haltepositionsregelung wird mit der Messpotenzialdifferenz R als Regelgröße durchgeführt und basiert auf einem Sollwert für die Messpotenzialdifferenz R, die einer Läuferlage entspricht, die durch einen Läuferlagewinkel mit einem regelungstechnisch günstigen Sicherheitsabstand vor einem Versatzwinkel von 90° bestimmt ist. Insbesondere kann die Haltepositionsregelung mit der Messpotenzialdifferenz R als Regelgröße durchgeführt werden, die einer Läuferlage zwischen 60 und 85° bzw. -60 und -85°, vorzugsweise zwischen 70° und 80° bzw. -70° und -80° entspricht. Alternativ kann der Sollwert der Messpotenzialdifferenz R abhängig von einer maximalen bzw. minimalen Messpotenzialdifferenz R_max, R_min, wie z. B. zwischen 5 und 35% der maximalen bzw. minimalen Messpotenzialdifferenz R_max, R_min, insbesondere zwischen 10 und 25% der maximalen bzw. minimalen Messpotenzialdifferenz R_max, R_min , angegeben werden. Die maximale bzw. minimale Messpotenzialdifferenz R_max, R_min kann beispielsweise durch kontinuierliches Erfassen der Messpotenzialdifferenzen bei der Bewegung des Läufers 5 von der Anhalteposition zu der Läuferlage, an der der Läufer 5 gehalten werden soll, ermittelt werden.
Die Haltepositionsregelung kann einer PD-, PI- oder PID-Regelung entsprechen und stellt als Stellgröße eine Ansteuerspannung bereit, die zur Vorgabe von entsprechenden Tastverhältnissen für die Ansteuerpotenziale führt. Insbesondere kann die Haltepositionsregelung unmittelbar das Tastverhältnis zur Generierung der Ansteuerspannungen V1, V2 als Stellgröße bereitstellen.
In Schritt S7 wird überprüft, ob der Läuferlagewinkel betragsmäßig einen vorgegebenen Grenzwinkel überschritten hat. Wird während der Regelung festgestellt, dass der Grenzwinkel überschritten ist (Alternative: Ja), so wird die Haltepositionsregelung in Schritt S10 abgebrochen und das Halten des Läufers 5 an der Halteposition aufgegeben. Anderenfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S8 fortgesetzt und die Haltepositionsregelung weiter betrieben.
In Schritt S8 wird weiterhin überprüft, ob aufgrund einer Änderung des wirkenden Lastmoments, insbesondere einer Richtungsumkehr des Lastmoments, der Läufer 5 sich in Richtung des Stoppbereichs bewegt Dies kann festgestellt werden, indem die Messpotenzialdifferenz R zunächst bis zum Maximum Rmax ansteigt bzw. zum Minimum R_min abfällt, dieses überschreitet und dann wieder in Richtung von Lagewinkeln im Stoppbereich S abfällt.
Wird eine Richtungsumkehr festgestellt (Alternative: Ja), so wird in Schritt S9 die Haltepositionsregelung nach Überschreiten des Maximums bzw. des Minimums der Messpotenzialdifferenz R_max, R_min wieder deaktiviert und der Läufer 5 befindet sich wieder in einem Läuferlagenwinkelbereich von -45° bis +45°. Danach wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S6 zurückgesprungen und die Haltepositionsregelung fortgesetzt.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (2) mit einer Statorwicklung (3) mit mehreren Phasensträngen (4) und einem Läufer (5), wobei die elektrische Maschine (2) mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen (V1, V2) an Phasenanschlüsse (7) zum Bestromen von Phasensträngen (4) betrieben wird, mit folgenden Schritten: - zum Anhalten der elektrischen Maschine (2), Bestromen der Statorwicklung (3), so dass der Läufer (5) in einem Stoppbereich (S) gegen ein Wirken eines Lastmoments angehalten wird; - nach dem Anhalten in dem Stoppbereich (S), kontinuierliches oder schrittweises Reduzieren einer Ansteuerspannung betragsmäßig als Differenz zwischen den anliegenden Ansteuerpotenzialen (V1, V2), so dass der Läufer sich in Richtung des wirkenden Lastmoments bewegt, wobei nach Feststellen des Überschreitens des Maximums oder Minimums mindestens eines Messpotenzials eine Haltepositionsregelung gestartet wird, wobei das mindestens eine Messpotenzial einem Potential an einem unbestromten Phasenanschluss der elektrischen Maschine bei der Ansteuerung mit der Blockkommutierung entspricht und von der Induktivität der Statorwicklung abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den weiteren Schritten: - Erfassen (S5) mindestens eines Messpotenzials (M1, M2), das sich nach Anlegen eines Messimpulses an einen der Phasenanschlüsse (7) einstellt; - bei einem Stillstand der elektrischen Maschine (2), Halten (S6) des Läufers (5) gegen ein Lastmoment mithilfe der Haltepositionsregelung, deren Regelgröße von dem mindestens einen Messpotenzial (M1, M2) abhängt oder diesem entspricht und die als Stellgröße die Ansteuerpotenziale (V1, V2) der Blockkommutierung vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Messimpuls als Teil einer pulsweitenmodulierten Generierung des Ansteuerpotenzials (V1, V2) gebildet wird, oder der pulsweitenmodulierten Generierung des Ansteuerpotenzials (V1, V2) überlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei zwei Messpotenziale (M1, M2), insbesondere zeitlich innerhalb eines Pulsweitenmodulationszyklusses, abhängig von dem Anlegen von zwei gegenläufigen Messimpulsen erfasst werden, wobei eine Messpotenzialdifferenz (R) aus den beiden Messpotenzialen (M1, M2) bestimmt wird, wobei die Haltepositionsregelung als Regelgröße die Messpotenzialdifferenz (R) erhält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stoppbereich (S) in einem Bereich elektrischer Lagewinkel liegt, in dem der Lagewinkel einen vorgegebenen Sicherheitsabstand zum Maximum der Messpotenzialdifferenz (R) aufweist, und insbesondere in einem Bereich von Lagewinkeln von zwischen 0° und +/-40°, insbesondere zwischen 0° und +/-20° liegt, wobei 0° elektrischer Lagewinkel einer Ausrichtung eines Läuferpols zu einem bestromten Statorzahn entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Haltepositionsregelung konfiguriert ist, dass der Läufer der elektrischen Maschine (2) auf eine Halteposition geregelt wird, die einem Versatzwinkel zwischen 60" und 85°, vorzugsweise zwischen 70" und 80°, entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Haltepositionsregelung beendet wird, wenn abhängig von dem Messpotenzial (M1, M2) festgestellt wird, dass der elektrische Lagewinkel betragsmäßig einen Grenzwinkel überschreitet oder das zuvor überschrittene Maximum/Minimum des Messpotenzials (M1, M2) bei sich betragsmäßig verringerndem elektrischen Lagewinkel erneut überschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei bei aktiver Haltepositionsregelung das bestehende Kommutierungsmuster beibehalten wird.
Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit (9) zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (2) mit einer Statorwicklung (3) mit mehreren Phasensträngen (4) und einem Läufer (5), wobei die elektrische Maschine (2) mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen an Phasenanschlüsse (7) zum Bestromen von Phasensträngen (4) betrieben wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um: - zum Anhalten der elektrischen Maschine (2), die Statorwicklung (3) zu bestromen, so dass der Läufer (5) in einem Stoppbereich (S) gegen ein Wirken eines Lastmoments angehalten wird; - nach dem Anhalten in dem Stoppbereich (S), eine Ansteuerspannung betragsmäßig als Differenz zwischen den anliegenden Ansteuerpotenzialen (V1, V2) kontinuierlich oder schrittweise zu reduzieren, so dass der Läufer sich in Richtung des wirkenden Lastmoments bewegt, wobei nach Feststellen des Überschreitens des Maximums oder Minimums mindestens eines Messpotenzials eine Haltepositionsregelung gestartet wird, wobei das mindestens eine Messpotenzial einem Potential an einem unbestromten Phasenanschluss der elektrischen Maschine bei der Ansteuerung mit der Blockkommutierung entspricht und von der Induktivität der Statorwicklung abhängt.
System mit einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (2) mit einer Statorwicklung (3) mit mehreren Phasensträngen (4) und einem Läufer (5) und einer Vorrichtung nach Anspruch 9.