DE112016000358T5

DE112016000358T5 - Steuerung und Verfahren zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE112016000358T5
Application number: DE112016000358.7T
Authority: DE
Inventors: Dierk Ortmann
Original assignee: Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-10-05
Also published as: US20170373631A1; CN107210662B; CN107210662A; US10333451B2; WO2016115428A1

Abstract

Ein Blockadeerkenner zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine weist auf: einen ersten Leistungsermittler und einen zweiten Leistungsermittler zum Ermitteln einer ersten Leistungsaufnahme und einer zweiten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine erste Strangspannung und eine zweite Strangspannung zum Betreiben mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit und einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt, einen Quotientenbildner zum Erzeugen eines Leistungsquotienten zwischen der ersten Leistungsaufnahme und der zweiten Leistungsaufnahme; und einen Vergleicher zum Vergleichen des Leistungsquotienten mit einem Schwellenwert für den Leistungsquotienten. Außerdem betrifft die Erfindung eine Wechselrichtersteuerung, einen Wechselrichter, ein Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem und ein Fahrzeug, die bzw. das einen erfindungsgemäßen Blockadeerkenner aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese PCT-Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 62/104,287, eingereicht am 16. Januar 2015, deren gesamte Offenbarung der Anmeldung als Teil der Offenbarung angesehen wird und die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Blockadeerkenner zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine kann eine Drehfeldmaschine oder eine Linearmaschine sein. Insbesondere kann die elektrische Maschine ein bürstenloser Gleichstrommotor sein.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Wechselrichtersteuerung mit einem Blockadeerkenner.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Wechselrichter mit einer Wechselrichtersteuerung, die einen Blockadeerkenner aufweist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der so einen Wechselrichter aufweist, und ein Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem, das so einen bürstenlosen Gleichstrommotor aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, das so ein Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem aufweist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine.
Die DE 10 2010 049 169 A1 beschreibt einen Überwachungsrechner zum Berechnen einer Überwachungsdrehzahl einer bürstenlosen Gleichstrommaschine mittels eines drehzahlsensorlosen feldorientierten Maschinenmodells. Wenn eine Abweichung zwischen der Überwachungsdrehzahl und einem Drehgebersignal außerhalb eines Toleranzbereichs liegt, wird auf eine Betriebsstörung (beispielsweise aufgrund eines Sensorfehlers) geschlossen. Um die Überwachungsdrehzahl mit dem sensorlosen Verfahren auch in einem Betriebsbereich um null Hertz erfassen zu können, wird vorgeschlagen, auf die Statorwicklungen Testsignale aufzuschalten. Das Bereitstellen der Testsignale ist mit einem Mehraufwand verbunden.
Kurzfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein anderes verlässliches und kostengünstig realisierbares drehzahlsensorloses Verfahren zum Erkennen einer Blockade eines bürstenlosen Gleichstrommotors bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einem Blockadeerkenner gelöst zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine, wobei der Blockadeerkenner einen ersten Leistungsermittler zum Ermitteln einer ersten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine erste Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; einen zweiten Leistungsermittler zum Ermitteln einer zweiten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine zweite Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; einen Quotientenbildner zum Erzeugen eines Leistungsquotienten zwischen der ersten Leistungsaufnahme und der zweiten Leistungsaufnahme; und einen Vergleicher zum Vergleichen des Leistungsquotienten mit einem Schwellenwert für den Leistungsquotienten aufweist, mit einer Wechselrichtersteuerung, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Steuersignal für einen Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, und auch dazu eingerichtet ist, ein zweites Steuersignal für den Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, mit einem Wechselrichter, mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, mit einem Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem, mit einem Fahrzeug, das ein Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor aufweist, das einen Wechselrichter aufweist, der eine Wechselrichtersteuerung aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Steuersignal für einen Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, und auch dazu eingerichtet ist, ein zweites Steuersignal für den Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, und mit einem Verfahren zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren umfasst: Ermitteln einer ersten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine erste Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; Ermitteln einer zweiten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine zweite Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; Erzeugen eines Leistungsquotienten zwischen der ersten Leistungsaufnahme und der zweiten Leistungsaufnahme; und Vergleichen des Leistungsquotienten mit einem Schwellenwert für den Leistungsquotienten.
Ein erfindungsgemäßer Blockadeerkenner zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine umfasst einen ersten und einen zweiten Leistungsermittler, einen Quotientenbildner und einen Vergleicher. Der erste Leistungsermittler ist zum Ermitteln einer ersten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine eingerichtet, während an der elektrischen Maschine eine erste Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt. Der zweite Leistungsermittler ist zum Ermitteln einer zweiten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine eingerichtet, während an der elektrischen Maschine eine zweite Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt. Der Quotientenbildner ist zum Erzeugen eines Leistungsquotienten zwischen der ersten und der zweiten Leistungsaufnahme eingerichtet. Der Vergleicher ist zum Vergleichen des Leistungsquotienten mit einem Schwellenwert für den Leistungsquotienten eingerichtet. Die Strangspannung ist die zeitveränderliche Spannung einer Phase eines Drehstromsystems zur Versorgung von Wicklungen (typischerweise sind dies Statorwicklungen) der elektrischen Maschine. Das Drehstromsystem ist typischerweise dreiphasig. Außerdem ist es typischerweise symmetrisch.
Eine erfindungsgemäße Wechselrichtersteuerung weist einen erfindungsgemäßen Blockadeerkenner auf. Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter weist eine erfindungsgemäße Wechselrichtersteuerung auf. Ein erfindungsgemäßer bürstenloser Gleichstrommotor weist einen erfindungsgemäßen Wechselrichter mit einer erfindungsgemäßen Wechselrichtersteuerung auf. Der Wechselrichter ist typischerweise dazu eingerichtet, die elektrische Maschine des bürstenlosen Gleichstrommotors elektronisch zu kommutieren.
Ein erfindungsgemäßes Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem weist einen erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrommotor auf. Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist ein erfindungsgemäßes Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem auf.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt wird eine erste Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine ermittelt, während an der elektrischen Maschine eine erste Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt. In einem zweiten Schritt wird eine zweite Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine ermittelt, während an der elektrischen Maschine eine zweite Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt. In einem dritten Schritt wird ein Leistungsquotient zwischen der ersten und der zweiten Leistungsaufnahme erzeugt. In einem vierten Schritt wird der Leistungsquotient mit einem Schwellenwert für den Leistungsquotienten verglichen.
Hierbei wird unterstellt, dass die Leistungsaufnahme, die der jeweilige Leistungsermittler ermittelt, keine Soll-Leistungsaufnahme, sondern eine Ist-Leistungsaufnahme ist. Für das erfindungsgemäße Konzept in seiner allgemeinsten Definition ist es unerheblich, wie der jeweilige Leistungsermittler die Ist-Leistungsaufnahme ermittelt. Zum Ermitteln der jeweiligen Leistungsaufnahme wird typischerweise zunächst eine Stärke einer Ist-Stromaufnahme der elektrischen Maschine und/oder eines Wechselrichters ermittelt, der die elektrische Maschine antreibt. Dieser ermittelte Wert der Ist-Stromaufnahme wird dann mit einer ermittelten Ist-Betriebsspannung multipliziert, mit der der Wechselrichter versorgt wird, oder mit einer Soll-Betriebsspannung multipliziert, von der unterstellt wird, dass sie während des Anlaufvorgangs am Wechselrichter eingangsseitig anliegt. Typischerweise wird der Wechselrichter eingangsseitig aus einer Gleichspannungsquelle mit elektrischer Energie versorgt. Typischerweise wird unterstellt, dass die Erfassung der Leistungsaufnahme bei der ersten Drehfeldgeschwindigkeit und die Erfassung der Leistungsaufnahme bei der zweiten Drehfeldgeschwindigkeit während des Anfahrvorgangs mit mechanischer Last (beispielsweise einem Lüfter oder einer Pumpe) stattfindet.
Ein Konzept der Erfindung kann darin gesehen werden, dass der Leistungsaufnahmequotient der Leistungsaufnahmen zweier unterschiedlicher Drehfeldgeschwindigkeiten viel weniger stark von der Betriebstemperatur abhängig ist als davon, ob der bürstenlose Gleichstrommotor mechanisch blockiert ist oder nicht. Denn die Leistungsaufnahmequotienten im blockierten Zustand unterscheiden sich (unter sonst gleichen Randbedingungen) immer stark von Leistungsaufnahmequotienten im nicht blockierten Zustand. So kann ein Leistungsaufnahmequotient im blockierten Zustand beispielsweise immer viel kleiner als ein bestimmter Schwellenwert sein und im nicht blockierten Zustand immer viel größer als dieser Schwellenwert sein. Deshalb kann ein Schwellenwert festgelegt werden, der unabhängig von der Betriebstemperatur ist. Das Konzept der vorliegenden Erfindung beruht also darauf, dass sich der Leistungsaufnahmequotient der Leistungsaufnahmen zweier unterschiedlicher Drehfeldgeschwindigkeiten besonders gut für eine einfache Auswertung (mittels eines Vergleichs mit dem Schwellenwert) und einer darauf basierenden Entscheidung eignet, ob der bürstenlose Gleichstrommotor blockiert ist oder nicht. Es ist zweckmäßig, für den Schwellenwert einen Wert zu wählen, der ein arithmetisches Mittel zwischen einem niedrigsten Leistungsaufnahmequotienten im nicht blockierten Zustand und einem höchsten Leistungsaufnahmequotienten im blockierten Zustand darstellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Leistungsermittler einen ersten Stromaufnahmeermittler zum Ermitteln einer Stromaufnahme der elektrischen Maschine auf, wobei der erste Leistungsermittler zum Ermitteln der ersten Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der Stromaufnahme eingerichtet ist, die von dem ersten Stromaufnahmeermittler ermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Leistungsermittler einen zweiten Stromaufnahmeermittler zum Ermitteln einer Stromaufnahme der elektrischen Maschine aufweisen, wobei der zweite Leistungsermittler zum Ermitteln der zweiten Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der Stromaufnahme eingerichtet ist, die von dem zweiten Stromaufnahmeermittler ermittelt wird. Typischerweise wird für beide Leistungsermittler derselbe Stromaufnahmeermittler verwendet. Der Stromaufnahmeermittler des ersten Leistungsermittlers bedient sich typischerweise eines Stromsensors zum Erfassen einer Stromaufnahme des Wechselrichters und/oder der elektrischen Maschine. Auch der Stromaufnahmeermittler des zweiten Leistungsermittlers bedient sich typischerweise desselben oder eines weiteren Stromsensors zum Erfassen einer Stromaufnahme des Wechselrichters und/oder der elektrischen Maschine. Wenn der erste bzw. der zweite Leistungsermittler den jeweiligen Stromaufnahmeermittler zum Ermitteln einer Stromaufnahme der elektrischen Maschine aufweist, kann dies eine optimale Anpassung des Stromaufnahmeermittlers an übrige Komponenten des Leistungsermittlers und umgekehrt begünstigen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Leistungsermittler einen ersten Spannungsermittler zum Ermitteln einer Versorgungsspannung der elektrischen Maschine auf, wobei der erste Leistungsermittler zum Ermitteln der ersten Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der Versorgungsspannung eingerichtet ist, die von dem ersten Spannungsermittler ermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich weist der zweite Leistungsermittler einen zweiten Spannungsermittler zum Ermitteln einer Versorgungsspannung der elektrischen Maschine auf, wobei der zweite Leistungsermittler zum Ermitteln der zweiten Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der Versorgungsspannung eingerichtet ist, die von dem zweiten Spannungsermittler ermittelt wird. Typischerweise wird für beide Leistungsermittler derselbe Spannungsermittler verwendet. Der Spannungsermittler des ersten Leistungsermittlers bedient sich typischerweise eines Spannungssensors zum Erfassen einer am Wechselrichter anliegenden Versorgungsspannung. Auch der Spannungsermittler des zweiten Leistungsermittlers bedient sich typischerweise desselben oder eines weiteren Spannungssensors zum Erfassen einer am Wechselrichter anliegenden Versorgungsspannung. Wenn der erste bzw. der zweite Leistungsermittler den jeweiligen Spannungsermittler zum Ermitteln einer am Wechselrichter anliegenden Versorgungsspannung aufweist, kann dies eine optimale Anpassung des Spannungsermittlers an übrige Komponenten des Leistungsermittlers und umgekehrt begünstigen.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform umfasst der Blockadeerkenner einen Temperaturermittler zum Ermitteln einer Temperatur der elektrischen Maschine und einen Schwellenwertermittler zum Ermitteln des Schwellenwerts unter Berücksichtigung der von dem Temperaturermittler ermittelten Temperatur der elektrischen Maschine. Typischerweise wird für beide Leistungsermittler derselbe Temperaturermittler verwendet. Der Temperaturermittler des ersten Leistungsermittlers bedient sich typischerweise eines Temperatursensors zum Erfassen einer Temperatur der elektrischen Maschine. Auch der Temperaturermittler des zweiten Leistungsermittlers bedient sich typischerweise desselben oder eines weiteren Temperatursensors zum Erfassen einer Temperatur der elektrischen Maschine. Wenn der erste bzw. der zweite Leistungsermittler den jeweiligen Temperaturermittler zum Ermitteln einer Temperatur der elektrischen Maschine aufweist, kann dies eine optimale Anpassung des Temperaturermittlers an übrige Komponenten des Leistungsermittlers und umgekehrt begünstigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines an einer Gleichspannungsquelle angeschlossenen bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer erfindungsgemäßen Blockadeerkennung für den bürstenlosen Gleichstrommotor;
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild der elektrischen Maschine des bürstenlosen Gleichstrommotors;
3 je ein schematisches Zeigerdiagramm für einen (quasistationären) Motorbetrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer ersten und einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit;
4 schematische Verläufe der Strangspannung, Stromaufnahme und elektrischen Leistung über die elektrische Kreisdrehzahl beim Anlauf des bürstenlosen Gleichstrommotors;
5 je ein schematisches Zeigerdiagramm für einen Ansteuerungszustand des bürstenlosen Gleichstrommotors in einem Blockadezustand mit Strangspannungs-Sollwerten, ohmschem Spannungsabfall und induktivem Spannungsabfall für eine erste und für eine zweite elektrische Kreisdrehzahl;
6 schematisch ein berechnetes Kennlinienfeld, das temperaturabhängige Verläufe der Amplitude der Strangspannung über kleine Motordrehzahlen zeigt, mit der ein bürstenloser Gleichstrommotor aus dem Stillstand mit näherungsweise konstanter elektrischer Leistung beschleunigt wird;
7 schematisch mittels Versuchen ermittelte Leistungsaufnahmequotienten für eine Versorgungsspannung von 10V und 16V und drei Betriebstemperaturen jeweils bei Anlauf ohne Blockade und im Blockadezustand; und
8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In den Figuren werden für entsprechende Komponenten jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet. Bezugszeichenbezogene Erläuterungen gelten daher auch figurenübergreifend, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt.
Das in 1 schematisch dargestellte Fahrzeug FZ umfasst eine Gleichspannungsquelle GQ, an der ein bürstenloser Gleichstrommotor BM angeschlossen ist. Der bürstenlose Gleichstrommotor BM weist einen Wechselrichter WR auf, der als Drehstromquelle zur Bestromung eines Stators S des bürstenlosen Gleichstrommotors BM eingerichtet ist. Ein Läufer L des bürstenlosen Gleichstrommotors BM weist mindestens einen Permanentmagneten auf. Der Winkel β bezeichnet eine Winkelstellung des Läufers L relativ zum Stator S. Das Fahrzeug FZ weist eine Steuerung ST auf, die dazu eingerichtet ist, Steuersignale SS1 zum Steuern des Wechselrichters WR für einen Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors BM mit einer ersten elektrischen Kreisdrehzahl ω₁ und Steuersignale SS2 für einen Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors BM mit einer zweiten elektrischen Kreisdrehzahl ω₂ bereitzustellen.
Der Proportionalitätsfaktor zwischen elektrischer Kreisdrehzahl ω und elektrischer Frequenz f der Strangspannung U_S ist 2π: ω = 2πf (Gleichung 1).
Der Proportionalitätsfaktor zwischen der elektrischen Frequenz f der Strangspannung U_S und der mechanischen Drehzahl n (des Läufers L) der elektrischen Maschine EM ist eine Polpaarzahl p der elektrischen Maschine: n·p = f = ω/2π (Gleichung 2).
Die Steuerung ST umfasst eine Wechselrichtersteuerung WS und einen Blockadeerkenner BE. Die Wechselrichtersteuerung WS ist dazu eingerichtet, die Steuersignale SS1, SS2 zum Steuern des Wechselrichters WR zu erzeugen. In der Ausführungsform der 1 ist die Wechselrichtersteuerung WS eine Spannungssteuerung, die Steuersignale SS1, SS2 erzeugt, mit denen (im Nichtblockadefall) unter unterstellten und/oder erfassten Betriebsbedingungen (wie beispielsweise Versorgungsspannung U und Betriebstemperatur T der elektrischen Maschine) während der Anlaufsteuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors BM ein vorgegebener Verlauf der Stromaufnahme I_A des bürstenlosen Gleichstrommotors BM über der elektrischen Kreisdrehzahl ω bewirkt wird.
Der Blockadeerkenner BE zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrische Maschine EM umfasst einen ersten Leistungsermittler LE1 und einen zweiten Leistungsermittler LE2 zum Ermitteln einer ersten Leistungsaufnahme P₁ und einer zweiten Leistungsaufnahme P₂ der elektrischen Maschine EM, während an der elektrischen Maschine EM eine erste Strangspannung U_S1 und eine zweite Strangspannung U_S2 zum Betreiben mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit und einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt. Außerdem umfasst der Blockadeerkenner BE einen Quotientenbildner QB zum Erzeugen eines Leistungsquotienten PQ zwischen der ersten Leistungsaufnahme P₁ und der zweiten Leistungsaufnahme P₂; und einen Vergleicher V zum Vergleichen des Leistungsquotienten PQ mit einem Schwellenwert SW für den Leistungsquotienten PQ.
Das Vergleichsergebnis BZI kann beispielsweise für einen oder mehrere der folgenden Zwecke verwendet werden:

– Abbrechen eines Anlaufvorgangs bei erkannter Blockade bzw. Fortführen des Anlaufvorgangs bei erkannter Nichtblockade (beispielsweise ca. 5 ms nach Erkennen der Nichtblockade);
– Einleiten eines (dem Anlaufvorgang nachfolgenden) eigentlichen Hochfahrvorgangs bei erkannter Nichtblockade (beispielsweise ca. 5 ms nach Erkennen der Nichtblockade);
– Aktivieren eines Bestromungsschemas zum Lösen der elektrischen Maschine EM aus dem Blockadezustand (beispielsweise mittels eines reversierenden Betriebs);
– Hochzählen eines Fehlerspeichers im Blockadefall und/oder Runterzählen des Fehlerspeichers im Nichtblockadefall; und/oder
– Versenden einer Warn- oder einer Wartungsinformation (beispielsweise über einen Fahrzeugbus).

Dafür kann das Vergleichsergebnis BZI der Wechselrichtersteuerung WS bereitgestellt werden. Der eigentliche Hochfahrvorgang erfolgt typischerweise mit einer maximal zulässigen Leistungsaufnahme P in Abhängigkeit vom Betriebspunkt und/oder bis zu einer maximal zulässigen Motordrehzahl.
Die 2 zeigt ein an sich bekanntes einphasiges Ersatzschaltbild der elektrischen Maschine EM eines bürstenlosen Gleichstrommotors BM. Diese Serienschaltung besteht im Wesentlichen aus einer Statorinduktivität L, einem Statorwiderstand R und einer idealen Spannungsquelle für eine drehzahlproportionale Polradspannung U_p. Der bürstenlose Gleichstrommotor BM weist typischerweise eine bauartspezifische Drehzahlkonstante k_n auf, mit der sich die drehzahlproportionale Polradspannung U_p nach folgender Gleichung berechnen lässt: U_p = n·k_n = (f/p)·k_n = (ω/2πp)·k_n (Gleichung 3).
Die in der 3 dargestellten Zeigerdiagramme zeigen Spannungsvektoren im elektrischen Ersatzschaltbild (in quasistationären Arbeitspunkten) für zwei unterschiedliche elektrische Kreisdrehzahlen ω₁, ω₂.
Um während eines Anlaufs des bürstenlosen Gleichstrommotors BM eine Belastbarkeit von Versorgungseinrichtungen Q des bürstenlosen Gleichstrommotors BM und dessen Wicklungen voll zu nutzen aber nicht zu überfordern, hat es sich bewährt, den Wechselrichter WR des bürstenlosen Gleichstrommotors BM beim Anlaufvorgang so anzusteuern, dass der Wechselrichter WR einen Sollwert der Strangspannung U_S erzeugt, die bewirkt, dass der bürstenlose Gleichstrommotor BM mit einer elektrischen Leistung P_E angefahren wird, die näherungsweise konstant ist.
Zur Erläuterung wird im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit unterstellt, dass die Versorgungsspannung U während des Anlaufvorgangs konstant ist. Dann wird der Wechselrichter WR des bürstenlosen Gleichstrommotors BM beim Anlaufvorgang so angesteuert, dass er einen Sollwert der Strangspannung U_S erzeugt, der bewirkt, dass der bürstenlose Gleichstrommotor BM mit näherungsweise konstanter Stromaufnahme I_A angefahren wird. Damit ist in der 3 die Stromaufnahme I_A des bürstenlosen Gleichstrommotors BM bei der höheren elektrischen Kreisdrehzahl ω₂ gleich seiner Stromaufnahme I_A bei der niedrigeren elektrischen Kreisdrehzahl ω₁ (entsprechend gilt I₂ = I₁). Für alle in der 3 gezeigten Werte kennzeichnet der Index 1 den Wert bei der niedrigeren elektrischen Kreisdrehzahl ω₁ und der Index 2 den Wert bei der höheren elektrischen Kreisdrehzahl ω₂.
Die konstante Stromaufnahme I_A führt beim Anlauf zu einem konstanten (d. h. drehzahlunabhängigen) Spannungsabfall am ohmschen Wicklungswiderstand R und zu einem drehzahlproportionalen Spannungsabfall an der Statorinduktivität L des bürstenlosen Gleichstrommotors BM.
Die 3 zeigt für zwei unterschiedliche elektrische Kreisdrehzahlen ω₂ und ω₁, wie sich die Strangspannung U_S zusammensetzt. Aus Darstellungsgründen wurde für die 3 ohne Beschränkung der Allgemeinheit ω₂/ω₁ = ca. 1,5 gewählt. Die Zeigerdiagramme der 3 verdeutlichen, wie sich beim Anlauf mit zunehmender elektrischer Kreisdrehzahl ω die Polradspannung U_p und damit auch der Betrag |U_S| der Strangspannung U_S vergrößern.
Das mechanische Lastmoment nimmt in der Regel mit zunehmender elektrischer Kreisdrehzahl ω stark zu. Bei Lüftern und Pumpen ist der Zusammenhang typischerweise sogar kubisch. Eine drehzahlunabhängige Stromaufnahme I_A (also ein konstantes Drehmoment M_ges) im stationären Betrieb ist also in der Regel nicht möglich, aber ist während der Anlaufphase, solange noch ein Überschuss an Antriebsdrehmoment für eine Beschleunigung des mechanischen Trägheitsmoments nutzbar ist, möglich. Sobald eine elektrische Kreisdrehzahl ω erreicht ist, bei der das mechanische Lastmoment so groß wie das Antriebsmoment ist und somit kein Überschuss an Antriebsdrehmoment für eine weitere Beschleunigung des mechanischen Trägheitsmoments mehr besteht, ist der Beschleunigungsvorgang beendet (dω/dt = 0). Der bürstenlose Gleichstrommotor BM hat mit seiner (in der Figuren nicht dargestellten) Last dann eine elektrische Kreisdrehzahl ω, die ohne eine Erhöhung des Stroms I_A oder Änderung eines anderen Betriebsparameters nicht weiter erhöht werden kann (d. h. stationärer Arbeitspunkt).
Alle Ausführungsvarianten haben Folgendes gemeinsam. Das magnetische Drehfeld, das durch die Statorwicklung des bürstenlosen Gleichstrommotors BM erzeugt wird, wird mit einer Rampe beschleunigt, die so vordefiniert ist, dass der bürstenlose Gleichstrommotor BM oder dessen elektrische Maschine EM eine elektrische Leistung P_E aufnimmt, die im Nichtblockadezustand und mit angeschlossener mechanischer Last näherungsweise konstant ist.
Die 4 zeigt Verläufe der Strangspannung U_S, Stromaufnahme I_A und Leistung P_E über die elektrische Kreisdrehzahl ω in einer ersten Anlaufphase des bürstenlosen Gleichstrommotors BM. Der bürstenlose Gleichstrommotor BM ist eine Synchronmaschine, d. h. die Polradspannung U_p ist proportional zur mechanischen Drehzahl n der elektrischen Maschine EM (siehe Gleichung 3).
Zur Vereinfachung wird im Folgenden beim Anlauf des bürstenlosen Gleichstrommotors BM eine Stromaufnahme I_A unterstellt, die näherungsweise konstant ist. Bei konstanter Versorgungsspannung U des Wechselrichters WR folgt daraus eine näherungsweise konstante elektrische Leistungsaufnahme P_E des bürstenlosen Gleichstrommotors BM.
Der Betrag |U_S| der Strangsspannung U_S, die an der elektrischen Maschine EM anliegt, steigt ausgehend von einem Minimalwert U_min zum Erzeugen eines Anlaufstroms I_nb zum Überwinden einer Standreibung näherungsweise linear mit der elektrischen Kreisdrehzahl ω an.
Die 5 zeigt Aufteilungen der Versorgungsspannung, die durch die Gleichstromquelle GQ bereitgestellt wird, für einen Ansteuerungszustand des bürstenlosen Gleichstrommotors BM in einem Blockadezustand mit einer ersten Strangspannung U_S1 für eine erste elektrische Kreisdrehzahl ω₁ und einer zweiten Strangspannung U_S2 für eine zweite elektrische Kreisdrehzahl ω₂.
Zur Erläuterung wird im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit unterstellt, dass die Versorgungsspannung U während des Anlaufvorgangs konstant ist. Außerdem wird unterstellt, dass der Wechselrichter WR des bürstenlosen Gleichstrommotors BM für einen (eigentlich beabsichtigten) Anlaufvorgang so angesteuert wird, dass er eine Strangspannung U_S erzeugt, die bei Nichtblockade bewirken würde, dass der bürstenlose Gleichstrommotor BM mit näherungsweise konstanter Stromaufnahme I_A angefahren wird. Wenn der bürstenlose Gleichstrommotor BM blockiert ist, beträgt die Polradspannung U_p null Volt. Und die gesamte Strangspannung U_S fällt dann an der Serienschaltung von Statorinduktivität L und Wicklungswiderstand R ab, wodurch die tatsächliche Stromaufnahme I_block des bürstenlosen Gleichstrommotors BM im Blockadezustand (im Gegensatz zu einem Anlaufvorgang ohne Blockierung) näherungsweise linear mit der Kreisfrequenz ω der Strangspannung U_S ansteigt.
Das in 6 gezeigte Kennlinienfeld des bürstenlosen Gleichstrommotors BM wurde durch Berechnung ermittelt. Das Kennlinienfeld zeigt für zwei unterschiedliche Betriebstemperaturen T (–25°C und 175°C) und zwei unterschiedliche Stromaufnahmen I_A (8 A und 40 A) Verläufe eines Betrags |U_S| der Strangspannung U_S über eine mechanische Motordrehzahl n, wenn die elektrische Maschine EM des bürstenlosen Gleichstrommotors BM aus dem Stillstand mit näherungsweise konstanter elektrischer Leistung P_E beschleunigt wird. Hieraus ist zu erkennen, dass der Verlauf des Betrags |U_S| über der Kreisfrequenz ω für alle dargestellten Betriebsparameter (also Stromaufnahme 8 A oder 40 A und Betriebstemperatur –25 °C oder 175 °C) näherungsweise linear ist. Außerdem kann der Figur entnommen werden, dass in Betriebspunkten mit kleiner elektrischer Kreisdrehzahl ω der Amplitudenwert |U_S| der Strangspannung U_S näherungsweise proportional mit der Betriebstemperatur T erhöht werden muss, um einen unveränderten Bestromungszustand zu erreichen.
Die 7 zeigt Leistungsaufnahmequotienten PQ = 32768·P₁/P₂ für unterschiedliche Kombinationen von Versorgungsspannung U und Betriebstemperatur T, die jeweils mit und ohne Blockadezustand in insgesamt 36 Versuchen ermittelt wurden. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit ist der Leistungsaufnahmequotient PQ hier also mit dem Faktor 32768 normiert. Der Abszissenwert i ist ein Laufindex, der den jeweiligen Versuch kennzeichnet. Die Versuche 1 bis 6, 13 bis 18 und 25 bis 30 wurden im nicht blockierten Zustand durchgeführt. Die Versuche 7 bis 12, 19 bis 24 und 31 bis 36 wurden im blockierten Zustand durchgeführt. Die Versuche 1 bis 12 wurden bei einer Betriebstemperatur T von –40 °C durchgeführt. Die Versuche 13 bis 24 wurden bei einer Betriebstemperatur T von 30 °C durchgeführt. Die Versuche 25 bis 36 wurden bei einer Betriebstemperatur T von 100 °C durchgeführt.
Das Diagramm der 7 veranschaulicht, dass der Leistungsaufnahmequotient PQ viel weniger stark von der Betriebstemperatur T abhängig ist als davon, ob der bürstenlose Gleichstrommotor BM mechanisch blockiert ist oder nicht. Denn die Leistungsaufnahmequotienten PQ sind hier im blockierten Zustand immer signifikant kleiner als ein bestimmter Schwellenwert SW und im nicht blockierten Zustand immer signifikant größer als dieser Schwellenwert SW. Dies kann mit einem Schwellenwert SW erreicht werden, der unabhängig von der Betriebstemperatur T ist. Das Konzept der vorliegenden Erfindung beruht also darauf, dass sich der Leistungsaufnahmequotient PQ der Leistungsaufnahmen P₁, P₂ bei zwei unterschiedlichen elektrischen Kreisdrehzahlen ω₁, ω₂ besonders gut für eine einfache Auswertung (mittels eines Vergleichs mit einem konstanten Schwellenwert) und einer darauf basierenden Entscheidung eignet, ob der bürstenlose Gleichstrommotor BM blockiert ist oder nicht.
Die 8 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine EM. Das Verfahren 100 umfasst folgende Schritte. In einem ersten Schritt 110 wird eine erste Leistungsaufnahme P₁ der elektrischen Maschine EM ermittelt, während an der elektrischen Maschine EM eine erste Strangspannung U_S1 zum Betreiben der elektrischen Maschine EM mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt. In einem zweiten Schritt 120 wird eine zweite Leistungsaufnahme P₂ der elektrischen Maschine EM ermittelt, während an der elektrischen Maschine EM eine zweite Strangspannung U_S2 zum Betreiben der elektrischen Maschine EM mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt. In einem dritten Schritt 130 wird ein Leistungsquotient PQ zwischen der ersten Leistungsaufnahme P₁ und der zweiten Leistungsaufnahme P₂ berechnet. In einem vierten Schritt 140 wird der Leistungsquotient PQ mit einem Schwellenwert SW für den Leistungsquotienten PQ verglichen. Vorzugsweise ist die Wechselrichtersteuerung WS dazu eingerichtet, den Läufer L vor dem Beschleunigen des Läufers L durch Bestromung des Stators S in eine definierte Ausgangs-Läuferlage zu bewegen.
Das vorgeschlagene Verfahren 100 hat den Vorteil, dass der Leistungsquotient PQ als Kriterium für die Entscheidung, ob der bürstenlose Gleichstrommotor BM blockiert ist oder nicht, weitgehend unabhängig von einer Betriebstemperatur T des bürstenlosen Gleichstrommotors BM ist. Denn die Betriebstemperatur T wirkt sich auf Zähler und Nenner des Leistungsquotienten PQ (zwar streng genommen nicht proportional, jedoch) zumindest gleichsinnig aus. Deshalb kürzen sich der Einfluss der Betriebstemperatur T und systematische Fehler in den Leistungswerten bei der Berechnung des Leistungsquotienten PQ im Ergebnis weitgehend heraus.

Claims

Blockadeerkenner zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine, wobei der Blockadeerkenner aufweist: einen ersten Leistungsermittler zum Ermitteln einer ersten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine erste Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; einen zweiten Leistungsermittler zum Ermitteln einer zweiten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine zweite Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; einen Quotientenbildner zum Erzeugen eines Leistungsquotienten zwischen der ersten Leistungsaufnahme und der zweiten Leistungsaufnahme; und einen Vergleicher zum Vergleichen des Leistungsquotienten mit einem Schwellenwert für den Leistungsquotienten.
Blockadeerkenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leistungsermittler einen ersten Stromaufnahmeermittler zum Ermitteln einer Stromaufnahme der elektrischen Maschine aufweist und der erste Leistungsermittler zum Ermitteln der ersten Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der Stromaufnahme eingerichtet ist, die von dem ersten Stromaufnahmeermittler ermittelt wird, und/oder dass der zweite Leistungsermittler einen zweiten Stromaufnahmeermittler zum Ermitteln einer Stromaufnahme der elektrischen Maschine aufweist und der zweite Leistungsermittler zum Ermitteln der zweiten Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der Stromaufnahme eingerichtet ist, die von dem zweiten Stromaufnahmeermittler ermittelt wird.
Blockadeerkenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Leistungsermittler einen ersten Spannungsermittler zum Ermitteln einer Versorgungsspannung der elektrischen Maschine aufweist und der erste Leistungsermittler zum Ermitteln der ersten Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der Versorgungsspannung eingerichtet ist, die von dem ersten Spannungsermittler ermittelt wird, und/oder dass der zweite Leistungsermittler einen zweiten Spannungsermittler zum Ermitteln einer Versorgungsspannung der elektrischen Maschine aufweist und der zweite Leistungsermittler zum Ermitteln der zweiten Leistungsaufnahme unter Berücksichtigung der Versorgungsspannung eingerichtet ist, die von dem zweiten Spannungsermittler ermittelt wird.
Blockadeerkenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Blockadeerkenner zusätzlich aufweist: einen Temperaturermittler zum Ermitteln einer Temperatur der elektrischen Maschine, und einen Schwellenwertermittler zum Ermitteln des Schwellenwerts unter Berücksichtigung der von dem Temperaturermittler ermittelten Temperatur der elektrischen Maschine.
Wechselrichtersteuerung, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Steuersignal für einen Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, und auch dazu eingerichtet ist, ein zweites Steuersignal für den Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, wobei die Wechselrichtersteuerung einen Blockadeerkenner aufweist mit einem ersten Leistungsermittler zum Ermitteln einer ersten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine erste Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; einem zweiten Leistungsermittler zum Ermitteln einer zweiten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine zweite Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; einem Quotientenbildner zum Erzeugen eines Leistungsquotienten zwischen der ersten Leistungsaufnahme und der zweiten Leistungsaufnahme; und einem Vergleicher zum Vergleichen des Leistungsquotienten mit einem Schwellenwert für den Leistungsquotienten.
Wechselrichter, wobei der Wechselrichter eine Wechselrichtersteuerung aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Steuersignal für einen Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, und auch dazu eingerichtet ist, ein zweites Steuersignal für den Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen.
Bürstenloser Gleichstrommotor, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor einen Wechselrichter aufweist, mit einer Wechselrichtersteuerung, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Steuersignal für einen Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, und auch dazu eingerichtet ist, ein zweites Steuersignal für den Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen.
Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem, wobei das Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem einen bürstenlosen Gleichstrommotor aufweist, mit einem Wechselrichter, der eine Wechselrichtersteuerung aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Steuersignal für einen Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, und auch dazu eingerichtet ist, ein zweites Steuersignal für den Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen.
Fahrzeug, wobei das Fahrzeug ein Antriebs-, Lüftungs- oder Klimatisierungssystem aufweist, mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, der einen Wechselrichter aufweist, der eine Wechselrichtersteuerung aufweist, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Steuersignal für einen Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen, und auch dazu eingerichtet ist, ein zweites Steuersignal für den Wechselrichter zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit zu erzeugen.
Verfahren zum Erkennen eines Blockadezustands einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Ermitteln einer ersten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine erste Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer ersten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; Ermitteln einer zweiten Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine, während an der elektrischen Maschine eine zweite Strangspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine mit einer zweiten Drehfeldgeschwindigkeit anliegt; Erzeugen eines Leistungsquotienten zwischen der ersten Leistungsaufnahme und der zweiten Leistungsaufnahme; und Vergleichen des Leistungsquotienten mit einem Schwellenwert für den Leistungsquotienten.