EP2319169A1 - Verfahren zur erfassung der rotorlage einer elektrischen maschine und vorrichtung hierzu - Google Patents

Verfahren zur erfassung der rotorlage einer elektrischen maschine und vorrichtung hierzu

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EP2319169A1
EP2319169A1 EP09781268A EP09781268A EP2319169A1 EP 2319169 A1 EP2319169 A1 EP 2319169A1 EP 09781268 A EP09781268 A EP 09781268A EP 09781268 A EP09781268 A EP 09781268A EP 2319169 A1 EP2319169 A1 EP 2319169A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor position
electric machine
determined
information
speed
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09781268A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Kocher
Rolf Jaros
Kurt Reutlinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2319169A1 publication Critical patent/EP2319169A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/185—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using inductance sensing, e.g. pulse excitation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting
    • H02P6/21—Open loop start

Definitions

  • the invention generally relates to the detection of the rotor position, in particular for the electronic commutation of an electric motor by means of the detected rotor position.
  • the knowledge of the absolute angular position of the rotor, the rotor position is required.
  • the rotor position may be determined by means of suitable sensors, e.g. incremental resolution encoders, Hall sensors, etc. are detected.
  • Alternative position detections can be done without position sensors, e.g. Evaluate the phase current or the phase voltage of a winding strand of the stator winding and calculate the rotor position using suitable methods. For example, the rotor position in such a method by evaluating the third harmonic of the course of a
  • the rotor position or detect only with insufficient accuracy, so that an electronic commutation based on such a detected rotor position at low speeds is not reliable possible.
  • these are distorted by saturation effects and differences between them, which makes them un-evaluable.
  • the back-EMF process can no longer be used because there are no longer current-free time ranges.
  • a method for providing information about a rotor position of a rotor of an electrical machine, in particular a synchronous machine, for use in a downstream function.
  • the method comprises the following steps: determining at least one electrical operating variable of a stator winding of the electric motor Machine, in particular a strand current and / or a - -
  • One idea of the invention is to provide the rotor position determined by an evaluation of the phase current and / or the phase voltage only at speeds above a speed threshold value. In this way, either a rotor position is provided only if it is sufficiently accurate or sufficiently reliable, so that an electronic commutation of the electric machine is possible.
  • an electronic commutation of the synchronous machine can be carried out depending on the determined by means of the electrical operating variable rotor position.
  • no rotor position can be determined.
  • information can be provided which indicates that no information about a rotor position can be provided.
  • rotor position of the electrical machine determined by the electrical operating variable, wherein the rotor of the electric machine is controlled by ramping up, in particular by a drive signal of increasing frequency, e.g. is operated for a stepping operation, independently of the provision of information about the rotor position, when the rotational speed of the electric machine does not exceed the threshold speed or information is provided indicating that no indication of a rotor position is available.
  • the method can have the further steps:
  • This provides rotor position information, as determined by a rotor position sensing technique used to detect rotor position at lower speeds or at standstill, i. are suitable for speeds below the speed threshold.
  • an electronic commutation of the electric machine can be carried out depending on the rotor position determined with the aid of the electrical operating variable, if the rotational speed of the electric machine exceeds the threshold speed, wherein as the downstream function an electronic commutation of the electric machine depends on the determined by means of the specific inductance rotor position is performed when the speed of the electric machine does not exceed the threshold speed.
  • the device comprises:
  • a calculation unit for determining at least one electrical operating variable of a stator winding of the synchronous machine, in particular a strand current and / or a strand voltage; a conversion unit for determining a rotor position as a function of the electrical operating variable;
  • the apparatus may further comprise an alternative operation unit configured to provide information indicating that no indication of rotor position is available, the control unit being configured to drive the selection unit to provide the information indicating that No information about the rotor position can be provided if the speed of the electric machine exceeds a threshold speed.
  • a motor system is provided with the above device and an inverter for driving the synchronous motor, wherein the inverter is designed,
  • the device can be provided with an alternative operating unit which is designed to determine an inductance of one of the stator windings, to determine a rotor position as a function of the specific inductance and to provide information about the rotor position determined with the aid of the determined inductance, the control unit provided with the aid of the determined inductance rotor position via the selection unit to the inverter when the speed of the electric machine does not exceed the threshold speed.
  • an alternative operating unit which is designed to determine an inductance of one of the stator windings, to determine a rotor position as a function of the specific inductance and to provide information about the rotor position determined with the aid of the determined inductance, the control unit provided with the aid of the determined inductance rotor position via the selection unit to the inverter when the speed of the electric machine does not exceed the threshold speed.
  • Inverter be provided for driving the electric machine, wherein the inverter is designed to perform as a subordinate function of the electronic commutation of the electric machine depending on the information provided about the rotor position.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of an engine system with a
  • Fig. 2 is a schematic block diagram of the rotor position determination in the
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of an engine system 1 with a synchronous motor 2 as an electric machine.
  • the synchronous motor 2 has three phase windings (not shown) via corresponding phase lines. 3 - -
  • the inverter 4 receives a manipulated variable S from externally, which serves to specify the torque of the synchronous motor. Furthermore, the inverter can also get an indication of or a control speed (target speed). Furthermore, the inverter 4 receives a drive signal for operating the synchronous motor 2 via a signal line 5.
  • a control device 6 which outputs the control signal via the signal line 5 to the inverter 4.
  • the control device 6 comprises a calculation unit 7 for calculating the pole wheel flow.
  • the calculation unit 7 receives a phase current from a current detector 8, e.g. has a measuring resistor (shunt), and further determines the
  • Phase voltage ui on the same phase at which the phase current is determined is determined.
  • the phase voltage may be measured directly or taken from the pulse width modulated drive signal, e.g. be derived via the corresponding duty cycle.
  • Phase voltage ui and phase current h are provided to the calculation unit 7, which corresponds to the formulas
  • the formula (2) corresponds to a voltage equation of a strand of a permanent magnet excited machine (according to formula (1)) - -
  • the flux linkages in the machine (formula (3)), which is a reduced formula of the mathematical machine model.
  • the main flux ⁇ i (t) represents the integral over the strand voltage ui (t).
  • High frequency components in the terminal voltage e.g. caused by the PWM clock of the inverter, have a much lower share after integration.
  • the high-frequency voltage components have a lower proportion of the total flux linkage ⁇ i (t) corresponding to the frequency.
  • the pole wheel flux ⁇ p (t) is calculated from the integrated line voltage ui (t) in the line current ii (t), which is multiplied by the factor of the winding inductance L.
  • the rotor flux position ⁇ p (t) thus determined can be assigned to the rotor flux.
  • the conversion of the Polradiseres in the rotor position is performed in the conversion unit 9.
  • the determination of the rotor position via the Polradhne is especially suitable if the phase currents do not go missing, i. when the phase windings of the synchronous motor are permanently energized (for example, sinusoidal current).
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of the calculation unit 7 and of the conversion unit 9.
  • the calculation unit 7 adapts the received voltage signal and the received current signal respectively in signal adaptation units 21 and integrates the adapted voltage signal Ui 'in an integration block 22 and amplifies the adapted current signal h' in FIG a gain block 23.
  • the outputs of the integration block 22 and the gain block 23 are added in a summation block 24.
  • Conversion unit 9 is assigned to the value at the output of the summation 24 a rotor position.
  • a switch 11 selection unit controlled by a control unit 10 is provided, which is switched so that at a speed of the - -
  • Synchronous motor 2 which is above a predetermined speed threshold SW, which is determined by the conversion unit 9 rotor position via the signal line 5 to the inverter 4 is transmitted.
  • the inverter 4 carries out an electronic commutation of the synchronous motor 2 based on the transmitted rotor position.
  • the speed is determined from the detected phase current, which is sinusoidal.
  • the period is proportional to the speed of the synchronous motor 2.
  • the speed threshold SW is preferably selected to indicate the lowest possible speed at which the determination of the rotor position based on the phase current and / or the phase voltage still provides a sufficiently reliable value that allows electronic commutation.
  • the changeover switch 11 is switched so that the signal line 5 is connected to an output of an alternative operating unit 12.
  • the alternative operating unit 12 may provide that at speeds of the synchronous motor 2 below the speed threshold SW, as is the case for example in a start phase of the synchronous motor 2, first a controlled start-up of the synchronous motor 2 is effected.
  • a control circuit for the operation of the synchronous motor 2 at low speeds such as a ramp circuit may be provided which outputs via the signal line 5 to the inverter 4 a frequency drive signal constant or increasing frequency.
  • the frequency control signal is suitable to start the synchronous motor 2 with increasing frequency until a certain speed, which is indicated by the frequency of the signal transmitted via the signal line 5 frequency drive signal is exceeded.
  • the frequency drive signal with a constant frequency is suitable for operating the synchronous motor 2 at a speed corresponding to the frequency, for example in step mode.
  • the control unit 10 switches the changeover switch 11 so that the rotor position determined and output by the conversion unit 9 is transmitted via the Signal line 5 is transmitted to the inverter 4 instead of the frequency drive signal.
  • the inverter 4 recognizes, based on the type of the signal transmitted via the signal line 5, whether it is a frequency drive signal of the alternative mode unit 12 or rotor position information from the conversion unit 9. This may be achieved, for example, in the inverter by e.g. in a corresponding discrimination unit (not shown), it is detected that the received signal is an analog frequency drive signal or digital rotor position information when the rotor position information is provided in digital form.
  • the inverter 4 If the inverter 4 receives the frequency drive signal, the inverter generates phase-shifted frequency signals for driving the synchronous motor 2 for the three phase lines. If the inverter 4 instead receives the rotor position information, then the inverter 4 will have an electronic commutation based on the rotor position information and dependent on the rotor position information
  • the inverter can also be operated in a clocked manner in accordance with a specification via the signal line 5, wherein the timing of the conversion unit 9 or the alternative operating unit 12 can be specified.
  • the alternative operating unit 12 likewise provides rotor position information - -
  • the alternate operation unit 12 may determine a rotor position using the test pulse method, which detects and uses asymmetries of the rotor to determine the rotor position by association.
  • the test pulse method the inductance of a stator coil (stator winding) changes depending on the position of the rotor. Since the rotor has different inductances in the longitudinal and transverse direction due to its structure, the course of the inductance of a stator coil via a rotation of the rotor is characteristic, so that thus the rotor position can be detected by comparing with previously learned or provided inductance profiles.
  • test pulse method is suitable for rotor position determination with a stationary rotor or at low rotational speeds of the rotor.
  • test pulse method is a good complement to those methods for determining the rotor position, which are based on the course of the measurement of a phase current and / or a phase voltage and therefore can only be used at higher speeds.
  • the controlled start-up function of the synchronous motor 2 may also be fully implemented in the inverter 4, the alternative operating unit 12 outputting only a specific signal received from the inverter 4 via the signal line 5.
  • the specific signal the inverter 4 can be signaled that the controlled
  • the control unit 10 may then timed the switching of the changeover switch 11, wherein the time period during which the alternate operation unit 12 applied the determined signal to the inverter 4 is selected depending on the time in which the synchronous motor has probably reached the necessary rotation speed which is necessary to perform an electronic commutation based on the determined by the calculation unit 7 and the converter unit 9 rotor position.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Information über eine Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine (2) zur Verwendung in einer nachgeordneten Funktion, mit folgenden Schritten: - Bestimmen mindestens einer elektrischen Betriebsgröße einer Statorwicklung der elektrischen Maschine, insbesondere einen Strangstrom und/oder eine Strangspannung; - Ermitteln einer Rotorlage abhängig von der elektrischen Betriebsgröße; - Bereitstellen der Information über die abhängig von der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage für die nachgeordnete Funktion, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine (2) eine Schwellendrehzahl (SW) übersteigt.

Description

- -
ROBERT BOSCH GMBH, 70442 Stuttgart
Beschreibung
Titel
Verfahren zur Erfassung der Rotorlage einer elektrischen Maschine und Vorrichtung hierzu
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein die Erfassung der Rotorlage insbesondere zum elektronischen Kommutieren eines Elektromotors mithilfe der erfassten Rotorlage.
Stand der Technik
Zur elektronischen Kommutierung elektrischer Maschinen ist die Kenntnis der absoluten Winkellage des Rotors, die Rotorlage, erforderlich. Die Rotorlage kann mithilfe geeigneter Sensoren, wie z.B. inkremental auflösende Drehgeber, Hall- Sensoren usw. erfasst werden. Alternative Lageerfassungen kommen ohne Lagesensoren aus, indem sie z.B. den Strangstrom oder die Strangspannung eines Wicklungsstranges der Statorwicklung auswerten und durch geeignete Methoden die Rotorlage berechnen. Beispielsweise kann die Rotorlage bei einem solchen Verfahren durch Auswertung der dritten Harmonischen des Verlaufs eines
Strangstromes oder einer Strangspannung, mithilfe des "Back-EMF-Verfahrens" und dgl. bestimmt werden.
Die Verfahren zum Erfassen der Rotorlage basierend auf der Auswertung des Strangstroms oder der Strangspannung haben jedoch den Nachteil, dass diese bei - -
niedrigen Drehzahlen und/oder bei sehr hohen Drehzahlen bzw. im Lastfall die Rotorlage nicht oder nur mit einer ungenügenden Genauigkeit erfassen, so dass eine elektronische Kommutierung auf Grundlage einer so erfassten Rotorlage bei niedrigen Drehzahlen nicht zuverlässig möglich ist. Z.B. wird bei der Bestimmung der Rotorlage durch Auswertung der dritten Harmonischen diese durch Sättigungseffekte und Unterschiede zwischen verzerrt, wodurch diese unauswertbar wird. Bei hohen Drehzahlen kann das „Back-EMF-Verfahren" nicht mehr angewendet werden, da hierbei keine stromlosen Zeitbereiche mehr existieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur sensorlosen Bestimmung der Rotorlage zur Verfügung zu stellen, bei denen Fehlfunktionen einer nachgeordneten Funktion, wie z.B. einer elektronischen Kommutierung, aufgrund von unzuverlässigen Angaben über die Rotorlage vermieden werden können.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer Information über eine Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, zur Verwendung in einer nachgeordneten Funktion vorgesehen.- Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: - Bestimmen mindestens einer elektrischen Betriebsgröße einer Statorwicklung der elektrischen Maschine, insbesondere einen Strangstrom und/oder eine - -
Strangspannung;
- Ermitteln einer Rotorlage abhängig von der elektrischen Betriebsgröße;
- Bereitstellen der Information über die abhängig von der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage für die nachgeordnete Funktion, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine eine Schwellendrehzahl übersteigt.
Eine Idee der Erfindung besteht darin, die durch eine Auswertung des Strangstroms und/oder der Strangspannung ermittelte Rotorlage nur bei Drehzahlen oberhalb eines Drehzahlschwellwerts bereitzustellen. Auf diese Weise wird entweder nur dann eine Rotorlage bereitgestellt, wenn diese ausreichend genau oder ausreichend zuverlässig ist, so dass eine elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine möglich ist.
Als die nachgeordnete Funktion kann eine elektronische Kommutierung der Synchronmaschine abhängig von der mit Hilfe der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage durchgeführt werden.
Weiterhin kann, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine die Schwellendrehzahl nicht übersteigt, keine Rotorlage bestimmt werden. Insbesondere kann eine Information bereitgestellt werden, die angibt, dass keine Angabe über eine Rotorlage bereitstellbar ist.
Somit ist vorgesehen, unterhalb des Drehzahlschwellwerts keine Rotorlageinformation bereitzustellen und insbesondere in geeigneter Weise eine Information zu kommunizieren, die angibt, dass keine Angabe über eine Rotorlage bereitstellbar ist, wodurch es z.B. der nachgeordneten Funktion möglich ist, eine Funktion auszuführen, die ohne eine Information über die Rotorlage auskommt, wie z.B. die Realisierung eines Schrittbetriebs des Elektromotors.
Insbesondere kann als die nachgeordnete Funktion eine elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine abhängig von der mit Hilfe der - -
elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage durchgeführt werden, wobei der Rotor der elektrischen Maschine durch gesteuertes Hochfahren, insbesondere durch ein Ansteuersignal ansteigender Frequenz z.B. für einen Schrittbetrieb, unabhängig von dem Bereitstellen einer Information über die Rotorlage betrieben wird, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine die Schwellendrehzahl nicht übersteigt oder eine Information bereitgestellt wird, die angibt, dass keine Angabe über eine Rotorlage bereitstellbar ist.
Weiterhin kann das Verfahren die weiteren Schritte aufweisen:
- Bestimmen einer Induktivität einer der Statorwicklungen; - Ermitteln einer Rotorlage abhängig von der bestimmten Induktivität;
- Bereitstellen der mit Hilfe der bestimmten Induktivität ermittelten Rotorlage für die nachgeordnete Funktion, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine die Schwellendrehzahl nicht übersteigt.
Dadurch wird eine Information über die Rotorlage bereitgestellt, die von einem Verfahren zur Erfassung der Rotorlage ermittelt wird, das zur Erfassung der Rotorlage bei niedrigeren Drehzahlen oder im Stillstand, d.h. bei Drehzahlen unterhalb des Drehzahlschwellwerts geeignet sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann als die nachgeordnete Funktion eine elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine abhängig von der mit Hilfe der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage durchgeführt werden, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine die Schwellendrehzahl übersteigt, wobei als die nachgeordnete Funktion eine elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine abhängig von der mit Hilfe der bestimmten Induktivität ermittelten Rotorlage durchgeführt wird, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine die Schwellendrehzahl nicht übersteigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Information über eine Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine zur - -
Verwendung in einer nachgeordneten Funktion vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst:
- eine Berechnungseinheit zum Bestimmen mindestens einer elektrischen Betriebsgröße einer Statorwicklung der Synchronmaschine, insbesondere einen Strangstrom und/oder eine Strangspannung; - eine Konvertierungseinheit zum Ermitteln einer Rotorlage abhängig von der elektrischen Betriebsgröße;
- eine Steuereinheit zum Ansteuern einer Auswahleinheit, um die Information über die abhängig von der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage für die nachgeordnete Funktion bereitzustellen, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine eine Schwellendrehzahl übersteigt.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine Alternativbetriebseinheit aufweisen, die ausgebildet ist, eine Information bereitzustellen, die angibt, dass keine Angabe über eine Rotorlage bereitstellbar ist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um die Auswahleinheit anzusteuern, so dass die Information bereitgestellt wird, die angibt, dass keine Angabe über die Rotorlage bereitstellbar ist, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine eine Schwellendrehzahl übersteigt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit der obigen Vorrichtung und einem Wechselrichter zum Ansteuern des Synchronmotors vorgesehen, wobei der Wechselrichter ausgebildet ist,
- die elektronische Kommutierung der Synchronmaschine abhängig von der mit Hilfe der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage durchzuführen, wenn der Wechselrichter die mit Hilfe der elektrischen Betriebsgröße ermittelte Rotorlage empfängt, und
- den Rotor der elektrischen Maschine durch gesteuertes Hochfahren, insbesondere durch ein Ansteuersignal ansteigender Frequenz, unabhängig von dem Bereitstellen einer Information über die Rotorlage anzutreiben, wenn der Wechselrichter die Information empfängt, die angibt, dass keine Angabe über eine Rotorlage bereitstellbar ist. - -
Alternativ kann die Vorrichtung mit einer Alternativbetriebseinheit versehen sein, die ausgebildet ist, eine Induktivität einer der Statorwicklungen zu bestimmen, eine Rotorlage abhängig von der bestimmten Induktivität zu ermitteln und eine Information über die die mit Hilfe der bestimmten Induktivität ermittelten Rotorlage bereitzustellen, wobei die Steuereinheit die mit Hilfe der bestimmten Induktivität ermittelten Rotorlage über die Auswahleinheit dem Wechselrichter bereitstellt, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine die Schwellendrehzahl nicht übersteigt.
Alternativ kann das Motorsystem mit der vorstehenden Vorrichtung und einem
Wechselrichter zum Ansteuern der elektrischen Maschine versehen sein, wobei der Wechselrichter ausgebildet ist, als nachgeordnete Funktion die elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine abhängig von der bereitgestellten Information über die Rotorlage durchzuführen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung eines Motorsystems mit einer
Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine; und
Fig. 2 eine schematische Blockdarstellung der Rotorlageermittlung in dem
Motorsystem der Fig. 1.
Beschreibung von Ausführungsformen
Fig. 1 zeigt eine schematische Blockdarstellung eines Motorsystems 1 mit einem Synchronmotor 2 als elektrische Maschine. Der Synchronmotor 2 weist drei Phasenwicklungen (nicht gezeigt) auf, die über entsprechende Phasenleitungen 3 - -
von einem Wechselrichter 4 angesteuert werden. Der Wechselrichter 4 erhält eine Stellgröße S von extern, die dazu dient, das Drehmoment des Synchronmotors anzugeben. Ferner kann der Wechselrichter auch eine Angabe über oder eine Regeldrehzahl (Solldrehzahl) erhalten. Weiterhin erhält der Wechselrichter 4 über eine Signalleitung 5 ein Ansteuersignal zum Betreiben des Synchronmotors 2.
Es ist weiterhin eine Steuervorrichtung 6 vorgesehen, die das Ansteuersignal über die Signalleitung 5 an den Wechselrichter 4 ausgibt. Die Steuervorrichtung 6 umfasst eine Berechnungseinheit 7 zur Berechnung des Polradflusses. Dazu empfängt die Berechnungseinheit 7 einen Phasenstrom von einem Stromdetektor 8, der z.B. einen Messwiderstand (Shunt) aufweist, und ermittelt ferner die
Phasenspannung ui an derselben Phase, an der auch der Phasenstrom ermittelt wird. Die Phasenspannung kann direkt gemessen werden oder aus dem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal, z.B. über das entsprechende Tastverhältnis abgeleitet werden. Phasenspannung ui und Phasenstrom h werden der Berechnungseinheit 7 zur Verfügung gestellt, die entsprechend der Formeln
(1 )
U1(I) = U^z) ^ L ^ (2)
. (t) = φ1 (τ) - L * i1 (t) mit φ = i uάt
(3)
den Polradfluss ermitteln. Die Formel (2) entspricht einer Spannungsgleichung eines Stranges einer Permanentmagnet erregten Maschine (gemäß Formel (1 ) ) - -
unter Vernachlässigung des ohmschen Spannungsabfalls gegenüber den anderen Spannungskomponenten. Durch Integration der Formel (1 ) erhält man die Flussverkettungen in der Maschine (Formel (3)), wobei es sich um eine reduzierte Formel des mathematischen Maschinenmodells handelt. Der Hauptfluss φi(t) stellt das Integral über die Strangspannung ui(t) dar. Hochfrequente Anteile in der Klemmenspannung, die z.B. durch den PWM-Takt des Wechselrichters hervorgerufen werden, besitzen nach der Integration einen deutlich geringeren Anteil. Die hochfrequenten Spannungsanteile haben einen entsprechend der Frequenz niedrigeren Anteil an der Gesamtflussverkettung φi(t). Der Polradfluss φp(t) berechnet sich demnach aus der integrierten Strangspannung ui(t) in dem Strangstrom ii(t), welcher mit dem Faktor der Wicklungsinduktivität L multipliziert wird.
Dem so ermittelten Polradfluss φp(t) lässt sich eine Rotorlage zuordnen. Die Konvertierung des Polradflusses in die Rotorlage wird in der Konvertierungseinheit 9 durchgeführt. Die Ermittlung der Rotorlage über den Polradfluss eignet sich vor allem dann, wenn die Phasenströme nicht lücken, d.h. wenn die Phasenwicklungen des Synchronmotors permanent bestromt werden (z.B. Sinusbestromung).
Fig. 2 zeigt eine schematische Blockdarstellung der Berechnungseinheit 7 sowie der Konvertierungseinheit 9. Die Berechnungseinheit 7 passt das empfangene Spannungssignal und das empfangene Stromsignal jeweils in Signalanpassungseinheiten 21 an und integriert das angepasste Spannungssignal Ui'in einem Integrationsblock 22 und verstärkt das angepasste Stromsignal h' in einem Verstärkungsblock 23. Die Ausgänge des Integrationsblockes 22 und des Verstärkungsblockes 23 werden in einem Summierblock 24 addiert. In der
Konvertierungseinheit 9 wird dem Wert am Ausgang des Summierblockes 24 eine Rotorlage zugeordnet.
Es ist weiterhin ein von einer Steuereinheit 10 gesteuerter Umschalter 11 (Auswahleinheit) vorgesehen, der so geschaltet wird, dass bei einer Drehzahl des - -
Synchronmotors 2, die über einem vorgegebenen Drehzahlschwellenwert SW liegt, die von der Konvertierungseinheit 9 ermittelte Rotorlage über die Signalleitung 5 an den Wechselrichter 4 übertragen wird. Der Wechselrichter 4 führt in diesem Fall eine elektronische Kommutierung des Synchronmotors 2 basierend auf der übermittelten Rotorlage aus.
Die Drehzahl wird aus dem detektierten Phasenstrom ermittelt, der sinusförmig ist. Die Periodendauer ist proportional zur Drehzahl des Synchronmotors 2.
Der Drehzahlschwellenwert SW ist vorzugsweise so gewählt, dass er die niedrigstmögliche Drehzahl angibt, bei der die Ermittlung der Rotorlage basierend auf dem Phasenstrom und/oder der Phasenspannung noch einen ausreichend zuverlässigen Wert ergibt, der eine elektronische Kommutierung erlaubt.
Stellt die Steuereinheit 10 fest, dass die Drehzahl des Synchronmotors 2 den Drehzahlschwellenwert SW nicht übersteigt, so wird der Umschalter 11 so geschaltet, dass die Signalleitung 5 mit einem Ausgang einer Alternativbetriebseinheit 12 verbunden ist. Die Alternativbetriebseinheit 12 kann vorsehen, dass bei Drehzahlen des Synchronmotors 2 unterhalb des Drehzahlschwellenwerts SW, wie es beispielsweise in einer Startphase des Synchronmotors 2 der Fall ist, zunächst ein gesteuertes Hochfahren des Synchronmotors 2 bewirkt wird. Dazu kann in der Alternativbetriebseinheit 12 eine Steuerschaltung für den Betrieb des Synchronmotors 2 bei niedrigen Drehzahlen, wie z.B. eine Rampenschaltung vorgesehen sein, die über die Signalleitung 5 dem Wechselrichter 4 ein Frequenz- Ansteuersignal gleichbleibender oder steigender Frequenz ausgibt. Das Frequenz- Ansteuersignal ist geeignet, bei steigender Frequenz den Synchronmotor 2 anlaufen zu lassen, bis eine bestimmte Drehzahl, die durch die Frequenz des über die Signalleitung 5 übertragenen Frequenz-Ansteuersignals angegeben wird, überschritten wird. Das Frequenz-Ansteuersignal mit gleichbleibender Frequenz ist geeignet, den Synchronmotor 2 bei einer der Frequenz entsprechenden Drehzahl z.B. im Schrittbetrieb zu betreiben. - -
Hat die Rampenschaltung der Alternativbetriebseinheit 12 eine Frequenz erreicht, die eine Drehzahl des Synchronmotors 2 darstellt, die dem Drehzahlschwellwert SW entspricht oder diesen übersteigt, so schaltet die Steuereinheit 10 den Umschalter 11 um, so dass die von der Konvertierungseinheit 9 ermittelte und ausgegebene Rotorlage über die Signalleitung 5 anstelle des Frequenz- Ansteuersignal an den Wechselrichter 4 übermittelt wird. Der Wechselrichter 4 erkennt anhand der Art des über die Signalleitung 5 übertragenen Signals, ob es sich um ein Frequenz-Ansteuersignal der Alternativbetriebsarteinheit 12 oder um eine Rotorlageinformation von der Konvertiereinheit 9 handelt. Dies kann beispielsweise in dem Wechselrichter dadurch z.B. in einer entsprechenden Unterscheidungseinheit (nicht dargestellt) erfolgen, dass erkannt wird, ob das empfangene Signal ein analoges Frequenz-Ansteuersignal ist oder ob es sich um eine digitale Rotorlageinformation handelt, wenn die Rotorlageinformation in digitaler Form bereitgestellt wird.
Erhält der Wechselrichter 4 das Frequenz-Ansteuersignal, so generiert der Wechselrichter für die drei Phasenleitungen phasenverschobene Frequenzsignale zum Ansteuern des Synchronmotors 2. Erhält der Wechselrichter 4 stattdessen die Rotorlageinformation, so wird der Wechselrichter 4 eine elektronische Kommutierung basierend auf der Rotorlageinformation und abhängig von der
Stellgröße S durchführen. Alternativ kann eine Information über die Schaltstellung des Umschalters 11 oder ein sonstiges Signal verwendet werden, um die Art der über die Signalleitung übermittelten Information dem Wechselrichter 4 anzuzeigen. Gemäß einer weiteren Alternativ kann der Wechselrichter auch gemäß einer Vorgabe über die Signalleitung 5 getaktet betrieben werden, wobei die Taktung von der Konvertiereinheit 9 oder der Alternativbetriebseinheit 12 vorgegeben werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Alternativbetriebseinheit 12 ebenfalls eine Rotorlageinformation zur Verfügung - -
stellt, wobei die Rotorlage über ein anderes sensorloses Verfahren ermittelt wird. Z.B. kann die Alternativbetriebseinheit 12 eine Rotorlage mithilfe des Testpulsverfahrens ermitteln, das Asymmetrien des Rotors erfasst und verwendet, um durch Zuordnung die Rotorlage zu bestimmen. Beim Testpulsverfahren ändert sich die Induktivität einer Statorspule (Statorwicklung) abhängig von der Position des Rotors. Da der Rotor aufgrund seines Aufbaus unterschiedliche Induktivitäten in Längs- und Querrichtung aufweist, ist der Verlauf der Induktivität einer Statorspule über eine Drehung des Rotors charakteristisch, so dass damit die Rotorlage durch Vergleichen mit zuvor eingelernten oder bereitgestellten Induktivitätsprofilen detektiert werden kann. Das Testpulsverfahren eignet sich jedoch für die Rotorlagebestimmung bei einem still stehenden Rotor oder bei niedrigen Drehzahlen des Rotors. Somit stellt das Testpulsverfahren eine gute Ergänzung zu denjenigen Verfahren zur Bestimmung der Rotorlage dar, die auf dem Verlauf der Messung eines Phasenstromes und/oder einer Phasenspannung basieren und daher nur bei höheren Drehzahlen angewendet werden können.
Alternativ kann die Funktion des gesteuerten Hochfahrens des Synchronmotors 2 auch vollständig in dem Wechselrichter 4 implementiert sein, wobei die Alternativbetriebseinheit 12 lediglich ein bestimmtes Signal ausgibt, das von dem Wechselrichter 4 über die Signalleitung 5 empfangen wird. Durch das bestimmte Signal kann dem Wechselrichter 4 signalisiert werden, dass das gesteuerte
Hochfahren nun aktiviert werden soll. Die Steuereinheit 10 kann dann das Schalten des Umschalters 11 zeitgesteuert durchführen, wobei die Zeitdauer, während der die Alternativbetriebseinheit 12 das bestimmte Signal an den Wechselrichter 4 angelegt abhängig davon gewählt ist, in welcher Zeit der Synchronmotor wahrscheinlich die notwendige Drehzahl erreicht hat, die notwendig ist, eine elektronische Kommutierung basierend auf der von der Berechnungseinheit 7 und der Konvertereinheit 9 ermittelten Rotorlage durchzuführen.

Claims

- -Ansprüche:
1. Verfahren zum Bereitstellen einer Information über eine Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer Synchronmaschine, zur Verwendung in einer nachgeordneten Funktion, mit folgenden Schritten: - Bestimmen mindestens einer elektrischen Betriebsgröße einer Statorwicklung der Synchronmaschine, insbesondere einen Strangstrom (h) und/oder eine Strangspannung (U2);
- Ermitteln einer Rotorlage abhängig von der elektrischen Betriebsgröße;
- Bereitstellen der Information über die abhängig von der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage für die nachgeordnete Funktion, wenn die Drehzahl der der elektrischen Maschine (2) eine Schwellendrehzahl (SW) übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als die nachgeordnete Funktion eine elektronische Kommutierung der der elektrischen Maschine (2) abhängig von der mit Hilfe der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine die Schwellendrehzahl (SW) nicht übersteigt, keine Rotorlage bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Information bereitgestellt wird, die angibt, dass keine Angabe über eine Rotorlage bereitstellbar ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei als die nachgeordnete Funktion eine elektronische Kommutierung der der elektrischen Maschine (2) abhängig von der mit Hilfe der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage durchgeführt wird, wobei der Rotor der der elektrischen Maschine (2) durch gesteuertes Hochfahren, insbesondere durch ein Ansteuersignal ansteigender Frequenz, unabhängig von dem Bereitstellen einer Information über die Rotorlage betrieben wird, wenn die - -
Drehzahl der elektrischen Maschine (2) die Schwellendrehzahl (SW) nicht übersteigt oder eine Information bereitgestellt wird, die angibt, dass keine Angabe über eine Rotorlage bereitstellbar ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , mit den weiteren Schritten: - Bestimmen einer Induktivität einer der Statorwicklungen;
- Ermitteln einer Rotorlage abhängig von der bestimmten Induktivität;
- Bereitstellen der mit Hilfe der bestimmten Induktivität ermittelten Rotorlage für die nachgeordnete Funktion, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine (2) die Schwellendrehzahl (SW) nicht übersteigt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als die nachgeordnete Funktion eine elektronische Kommutierung der der elektrischen Maschine (2) abhängig von der mit Hilfe der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage durchgeführt wird, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine (2) die Schwellendrehzahl (SW) übersteigt, wobei als die nachgeordnete Funktion eine elektronische Kommutierung der der elektrischen Maschine (2) abhängig von der mit Hilfe der bestimmten Induktivität ermittelten Rotorlage durchgeführt wird, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine (2) die Schwellendrehzahl (SW) nicht übersteigt.
8. Vorrichtung (6) zum Bereitstellen einer Information über eine Rotorlage eines Rotors einer Synchronmaschine zur Verwendung in einer nachgeordneten Funktion, umfassend:
- eine Berechnungseinheit (7) zum Bestimmen mindestens einer elektrischen Betriebsgröße einer Statorwicklung der elektrischen Maschine (2), insbesondere einen Strangstrom und/oder eine Strangspannung;
- eine Konvertierungseinheit (9) zum Ermitteln einer Rotorlage abhängig von der elektrischen Betriebsgröße;
- eine Steuereinheit (10) zum Ansteuern einer Auswahleinheit (11 ), um die Information über die abhängig von der elektrischen Betriebsgröße ermittelten - -
Rotorlage für die nachgeordnete Funktion bereitzustellen, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine (2) eine Schwellendrehzahl (SW) übersteigt.
9. Vorrichtung (6) nach Anspruch 8, mit einer Alternativbetriebseinheit (12), die ausgebildet ist, eine Information bereitzustellen, die angibt, dass keine Angabe über eine Rotorlage bereitstellbar ist, wobei die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, um die Auswahleinheit (11 ) anzusteuern, so dass die Information bereitgestellt wird, die angibt, dass keine Angabe über die Rotorlage bereitstellbar ist, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine (2) eine Schwellendrehzahl (SW) übersteigt.
10. Motorsystem (1 ) mit einer Vorrichtung (6) nach Anspruch 9 und einem Wechselrichter (4) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (2), wobei der Wechselrichter (4) ausgebildet ist,
- die elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine (2) abhängig von der mit Hilfe der elektrischen Betriebsgröße ermittelten Rotorlage durchzuführen, wenn der Wechselrichter (4) die mit Hilfe der elektrischen Betriebsgröße ermittelte Rotorlage empfängt, und
- den Rotor der elektrischen Maschine (2) durch gesteuertes Hochfahren, insbesondere durch ein Ansteuersignal ansteigender Frequenz, unabhängig von dem Bereitstellen einer Information über die Rotorlage anzutreiben, wenn der Wechselrichter (4) die Information empfängt, die angibt, dass keine Angabe über eine Rotorlage bereitstellbar ist.
11.Vorrichtung (6) nach Anspruch 8 mit einer Alternativbetriebseinheit (12), die ausgebildet ist, eine Induktivität einer der Statorwicklungen zu bestimmen, eine Rotorlage abhängig von der bestimmten Induktivität zu ermitteln und eine
Information über die die mit Hilfe der bestimmten Induktivität ermittelten Rotorlage bereitzustellen, wobei die Steuereinheit (10) die mit Hilfe der bestimmten Induktivität ermittelten Rotorlage über die Auswahleinheit (11 ) dem Wechselrichter (4) bereitstellt, wenn die Drehzahl der elektrischen Maschine (2) die Schwellendrehzahl (SW) nicht übersteigt. - -
12. Motorsystem mit einer Vorrichtung (6) nach Anspruch 11 und einem Wechselrichter (4) zum Ansteuern der elektrischen Maschine (2), wobei der Wechselrichter (4) ausgebildet ist, als nachgeordnete Funktion die elektronische Kommutierung der elektrischen Maschine (2) abhängig von der bereitgestellten Information über die Rotorlage durchzuführen.
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