DE10056879C1

DE10056879C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung des elektrischen Startrotorwinkels

Info

Publication number: DE10056879C1
Application number: DE10056879A
Authority: DE
Inventors: Olaf Kunz; Gerhard Froehlich; Viktor Barinberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-11-16
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: EP1334546A2; EP1334546B1; ES2360431T3; JP2004514394A; DE10195002D2; WO2002041468A3; AU2002218978A1; JP4215504B2; WO2002041468A2; US20040073389A1; US6996482B2

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung eines elektrischen Startrotorwinkels eines Elektromotors vorgeschlagen, bei welchen der Elektromotor (10) mit einer in etwa sinusförmigen Spannung beaufschlagt wird. DOLLAR A Anschließend wird der zugehörige sich einstellende Stromverlauf (i) erfaßt. Nach einem erneuten Beaufschlagen des Elektromotors (10) mit einer in etwa sinusförmigen Spannung wird der dazugehörige weitere Stromverlauf (i) erneut erfaßt. Anschließend wird ein Verhältnis eines Maßes der Grundwelle (I1) und des Maßes der ersten Oberwelle (I2) aus den Stromverläufen (i) ermittelt als Maß für den elektrischen Startrotorwinkel (delta).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Ermittlung des elektrischen Startrotorwinkels nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus dem Artikel "detection of the starting rotor angel of a pmsm at standstill", C. Brunotte, W. Schumacher, EPE/97, Seiten 1250 bis 1253, wird eine Vorgehensweise zur Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels beschrieben. Hierzu wird ein permamentmagneterregter Synchronmotor mit einem sinusförmigen Strom von 500 Hz beaufschlagt. Von einem auftretenden Strom wird zur Bestimmung des elektrischen Rotorwinkels das Spektrum bestimmt. Aufgrund von Sättigungseffekten und daraus resultierender Asymmetrien des Stromverlaufs kann die Stellung des mit Spulen ausgestatteten Stators des Synchronmotors gegenüber dem mit Permanentmagneten ausgestatteten Rotor ermittelt werden. Beispielsweise anhand einer Fast-Fourier-Transformation wird aus dem gemessenen Stromverlauf der Koeffizienz der zweiten Harmonischen des Spektrums bestimmt. Dieser Koeffizient der zweiten Harmonischen ist ein Maß für den elektrischen Rotorwinkel.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das eingangs beschriebene Verfahren zur elektrischen Startrotorwinkelbestimmung hinsichtlich der Genauigkeit weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnen sich nun dadurch aus, dass aus dem Spektrum der Meßgröße sowohl Grundwelle (erste Harmonische) als auch die erste Oberwelle (zweite Harmonische) ermittelt und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden als Maß für den Startrotorwinkel des Elektromotors, vorzugsweise Synchronmotor. Als besonders geeignet hat sich hierbei herausgestellt, zur Bestimmung des Startrotorwinkels die erste Oberwelle durch die dritte Potenz der Grundwelle zu dividieren. Dadurch können insbesondere Asymmetrien, die auf die Bauweise des Motors zurückzuführen sind, besser berücksichtigt werden. Dies wirkt sich positiv auf die Genauigkeit der Startrotorwinkelbestimmung aus, was sich anhand nachfolgend gezeigter Messkurven belegen lässt.

In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, den Elektromotor mit einer sinusförmigen Spannung zu beaufschlagen. Der den Elektromotor ansteuernde Wechselrichter fungiert somit als Spannungsgenerator. Die Amplitude und der Startphasenwinkel der einzuspeisenden Spannung lassen sich leicht an den jeweiligen Motor anpassen. Die Spannung ist einerseits so gewählt, dass zur leichteren Messwerterfassung ein hoher Strom fließt, der Motor jedoch andererseits noch nicht in Bewegung versetzt wird, um undefinierte Anfahrvorgänge zu unterbinden. Die Amplitude der Spannung hängt vorzugsweise von dem Nennstrom des Motors, der Motorinduktivität, beziehungsweise der Reaktanz der Motorinduktivität, ab. Die eingeprägte Spannung bringt deutlich bessere Nutzsignale für die Auswertung, als ein eingeprägter Strom.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, den Elektromotor für eine bestimmte Zeitspanne mit einer sinusförmigen Spannung zu beaufschlagen, die Messgröße jedoch nicht zugleich am Anfang, sondern vorzugsweise gegen Ende des Einspeisevorgangs für die Weiterverarbeitung zu erfassen. Wird der Elektromotor beispielsweise mit acht Sinusschwingungen bei 500 Hz gespeist, so werden lediglich die drei letzten Schwingungsperioden des resultierenden Stromes zur Spektralanalyse ausgewertet, nicht hingegen die fünf Anfangsschwingungen. Durch das gezielte Ausblenden von Einschwingvorgängen kann die Qualität der Messung weiterhin verbessert werden.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, zumindest zweimal die Messgrößen zu erfassen zur Bestimmung der Amplituden der Grundwelle und der ersten Oberwelle. Bei dem zweiten Erfassungsvorgang wird der Elektromotor mit einem von der ersten Ansteuerung unterschiedlichen elektrischen Winkel beaufschlagt. Zumindest zwei Messungen sind erforderlich, um eindeutig den Startrotorwinkel rechnerisch zu bestimmen.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, aus zumindest drei Messgrößen die spektralen Informationen zu erhalten. Da nun zumindest eine Messgröße nicht zwingend erforderlich ist zur Startrotorwinkelbestimmung, können die Messwerte zum Beispiel durch die Methode der kleinsten Quadrate gefiltert werden. Die Qualität der Winkelbestimmung lässt sich weiter verbessern.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist ein inkrementeller Geber vorgesehen, der die Bewegung des Motors erfasst. Die Signale des inkrementalen Gebers werden zwischen den zumindest zwei Messungen erfasst und für die Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels berücksichtigt. Der elektrische Startrotorwinkel kann dadurch im Falle eines sich während der Messungen bewegenden Elektromotors mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Es zeigen die Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur elektrischen Startrotorwinkelermittlung, die Fig. 2 den Verlauf der ersten Oberwelle 12 des Stroms in Abhängigkeit von dem elektrischen Rotorwinkel nach dem Stand der Technik, die Fig. 3 den Verlauf der ersten Oberwelle dividiert durch die dritte Potenz der Grundschwingung in Abhängigkeit von dem elektrischen Rotorwinkel gemäß dem Ausführungsbeispiel - jeweils einer Referenz-Sinuskurve gegenübergestellt, die Fig. 4a den zeitabhängigen Verlauf der eingeprägten Spannung, die Fig. 4b den zeitabhängig dargestellten erfassten Stromverlauf, die Fig. 5 eine genauere Darstellung des Verhältnisses von erster Oberwelle zu der dritten Potenz der Grundwelle in Abhängigkeit von dem elektrischen Rotorwinkel sowie Fig. 6 ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Ermittlung des elektrischen Startrotorwinkels.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Drehung eines elektrischen Motors 10 erfasst ein Inkrementalgeber 12, dessen Inkrementalgebersignal 30 an eine Auswerteeinheit 18 gelangt. Ein Wechselrichter 20 erzeugt aus einer Gleichspannung eines Gleichspannungszwischenkreises, die von einem Versorgungsmodul 22 bereitgestellt wird, näherungsweise sinusförmige Spannungen bzw. Ströme, mit denen eine erste, eine zweite und eine dritte Phase 24, 26, 28 des Elektromotors 10 beaufschlagt werden. Der durch die erste Phase 24 fließende Strom wird von einem ersten Stromsensor 14, der durch die zweite Phase 26 fließende Strom von einem zweiten Stromsensor 16 erfaßt, welche als erster Stromwert 32 und als zweiter Stromwert 34 der Auswerteeinheit 18 zugeführt werden. In der Auswerteeinheit 18 ist ein Speicher 19 angeordnet. Die Auswerteeinheit 18 steuert den Wechselrichter 20 an.

Als Elektromotor 10 kommt insbesondere ein permanentmagneterregter Synchronmotor zum Einsatz. Die Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels ist für die gezielte Ansteuerung des Motors 10 notwendig, um eine Bewegung in der erwünschten Anfahrrichtung zu erzielen. Bei dem Ausführungsbeispiel kann insbesondere auf einen Absolutwertgeber verzichtet werden.

Die Vorgehensweise zur Ermittlung des elektrischen Startrotorwinkels wird in Verbindung mit Fig. 6 näher erläutert. In Schritt 101 erhält die Auswerteeinheit 18 ein entsprechendes Aktivierungssignal, um das Verfahren zur Ermittlung eines elektrischen Startrotorwinkels δ zu beginnen. In Schritt 103 werden die Spannungsamplitude U sowie der Startphasenwinkel α ermittelt als Parameter für die von dem Wechselrichter 20 einzuprägende näherungsweise sinusförmige Spannung. Die Parameter der einzuprägenden Spannung wie die Amplitude Û sowie der Startphasenwinkel α lassen sich leicht in Abhängigkeit von dem jeweils anzusteuernden Motor 10 bestimmen. Hierzu wird auf motorspezifische Kenngrößen wie der maximale Strom IN, die Motorwicklungsinduktivität L, sowie der Motorwiderstand r zurückgegriffen. Diese motorspezifischen Kenngrößen L, r, IN könnten beispielsweise in dem Speicher 19 oder in einem elektronischen Typenschild am Motor hinterlegt werden und in Verbindung mit dem Startvorgang, Schritt 101, zu der Auswerteeinheit 18 übertragen werden. Die Auswerteeinheit 18 ermittelt aus den motorspezifischen Kenngrößen L, r, IN die Spannungsamplitude Û beispielsweise nach folgender Formel:

wobei ω die Kreisfrequenz 2πf bei einer Schwingung von beispielsweise f = 500 Hz ist.

Der Startphasenwinkel α wird nach der Formel ermittelt:

Dieser Startphasenwinkel α gibt an, bei welchem Winkel α die einzuprägende sinusförmige Spannung U gestartet werden soll, um Einschwingvorgänge zu minimieren, wie beispielsweise in Fig. 4a angedeutet. Die beispielhaft genannte Dimensionierung der einzuprägenden Spannung U führt einerseits zu einem relativ hohen Strom i, der andererseits jedoch den Motor 10 noch nicht zu einer Bewegung veranlaßt. Die Einprägung einer relativ großen Spannungsamplitude Û stellt nämlich sicher, dass der Sättigungsbereich des Eisens erreicht wird, bei dem die auszuwertenden Nichtliniaritäten auftreten. Andererseits ist jedoch die Spannung U so dimensioniert, dass der maximale Strom IN des Motors in der Regel nicht überschritten wird. Die Auswertung lässt sich durch die Einprägung einer Spannung U besonders leicht erreichen, da die erforderlichen Stromsensoren vorhanden sind. Andererseits könnte das Messprinzip, wie bereits im Stand der Technik beschrieben, auch mit einem einzuprägenden Strom durchgeführt werden.

Die Auswerteeinheit 18 steuert nun den Wechselrichter 20 so an, dass dieser eine sinusförmige Spannung U beispielsweise der Frequenz 500 Hz mit der Amplitude Û und dem Startphasenwinkel α ausgibt. Der ersten Ansteuerung gemäß Schritt 105 wird beispielsweise die erste Phase 24 mit der in Fig. 4a gezeigten Sinusspannung beaufschlagt, während die zweite und dritte Phase 26, 28 mit jeweils hierzu invertierten Spannungswerten versorgt werden. Diese Ansteuerung gemäß Schritt 105 wird beispielsweise für acht Sinusschwingungen aufrecht erhalten. Der Ansteuerzeitraum ist grundsätzlich so zu wählen, dass die Messzeiten für die nachfolgende Strommessung außerhalb der Einschwingvorgänge liegen. Gemäß Fig. 4 wird davon ausgegangen, dass die Einschwingvorgänge nach fünf Periodendauern der eingeprägten Spannung U so weit abgeklungen sind, sodass in den verbleibenden drei Periodendauern innerhalb der Messzeit tm der Stromverlauf des sich einstellenden Stroms i aufgenommen werden kann.

Der in Fig. 4b gezeigte und von der eingeprägten Spannung U hervorgerufene Stromverlauf i wird beispielsweise von dem ersten Stromsensor 14, gegebenenfalls abgetastet, erfaßt und an die Auswerteeinheit 18 weitergegeben. Außerdem erfaßt die Auswerteeinheit 18 das Inkrementalgebersignal 30 mit einem korrespondierenden Startwert β1. Dies dient insbesondere der Berücksichtigung eines sich möglicher Weise zwischen den beiden Messungen (Schritt 107, Schritt 111) bewegenden Motors 10. Die Auswerteeinheit 18 bestimmt aus dem erfaßten Stromverlauf i, wie beispielsweise in Fig. 4b dargestellt, das Spektrum, insbesondere die Amplitude der Grundschwingung I1 sowie die Amplitude der ersten Oberwelle I2 des zugehörigen Spektrums des Stroms. Unter Grundschwingung wird die Anregungsfrequenz der einzuprägenden Spannung U, beispielsweise 500 Hz, verstanden, unter erster Oberwelle das Doppelte der Anregungsfrequenz (2.500 Hz) verstanden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe der bekannten Fast- Fourier-Transformation oder mit den im Stand der Technik beschriebenen Algorithmen erfolgen. Daraus ergibt sich ein erster Wert P1, wenn folgende Formel Verwendung findet.

l = I2 : (I1)³,

wobei I1 die Grundwelle, I2 die erste Oberwelle des Stromverlaufs i.

Der eindeutigen Bestimmung einer Sinuskurve gemäß Fig. 5 bedarf es noch einer zweiten Messung, aus deren Auswertung der zweite Punkt P2 hervorgeht.

Diese zweite Ansteuerung gemäß Schritt 109 wird nun beispielsweise mit einem gegenüber der ersten Messung abweichenden Feldwinkel, beispielsweise von 120°, durchgeführt. Die einzuprägende Sinusspannung behält die in Schritt 103 ermittelten Parameter Û, α bei. Nun wird jedoch die zweite Phase 26 mit der in Fig. 4a gezeigten Sinusspannung beaufschlagt, während die erste und die dritte Phase 26, 28 mit der hierzu invertierten Spannung angesteuert werden, um einen gegenüber der ersten Ansteuerung (Schritt 105) veränderten bekannten Feldwinkel zu erhalten (beispielsweise bei der beschriebenen Ansteuerung 120°). Wiederum wird der resultierende Stromverlauf i der letzten drei Perioden tm erfaßt. Nach der Spektralanalyse wird wiederum die zweite Oberwelle I2 durch die dritte Potenz der Grundwelle I1 geteilt, so dass sich der zweite Punkt P2 ergibt. Anhand des Inkrementalgebersignals 30 steht nun auch der Inkrementalgeberwinkel β2 zum Zeitpunkt der zweiten Messung (Schritt 111) zur Verfügung.

In der nachfolgenden Auswertung gemäß Schritt 113 soll nun der elektrische Startrotorwinkel δ ermittelt werden. Bekannt sind lediglich aus der ersten Messung (Schritt 107) der erste Punkt P1 sowie der erste Inkrementalgeberwinkel β1, sowie aus der zweiten Messung (Schritt 111) der zweite Punkt P2 sowie der zweite Inkrementalgeberwinkel β2. Außerdem ist näherungsweise bekannt, dass der elektrische Rotorwinkel ϕ einen sinusförmigen Verlauf annimmt. Dies ist beispielsweise in Fig. 3 gezeigt. Hier wurden unterschiedliche Verhältnisse von der ersten Oberschwingung 12 dividiert durch die dritte Potenz der Grundschwingung I1 angetragen in Abhängigkeit von dem elektrischen Rotorwinkel ϕ. Es läßt sich ein deutlich verbesserter sinusfömiger Verlauf gegenüber der Berechnungsmethode nach dem Stand der Technik (Fig. 2) erkennen, bei dem lediglich die zweite Oberwelle I2 als Maß für den elektrischen Winkel ϕ verwendet wurde. Der elektrische Startrotorwinkel δ kann nun numerisch anhand der nachfolgenden Gleichungssysteme ermittelt werden:

P1 = a.sinβ1 + b.cosβ1

P2 = a.sin(β2 - 120°) + b.cos(β2 - 120°),

wobei P1 = (I21) : (I11)³, P2 = (I22) : (I12)³,
wobei I11 die Grundwelle des Stromverlaufs i aus der ersten Messung (Schritt 107), I21 die zweite Oberwelle aus dem Stromverlauf i der ersten Messung (Schritt 107),
I12 die Grundwelle des Stromverlaufs i aus der zweiten Messung (Schritt 111),
I22 die zweite Oberwelle des Stromverlaufs i der zweiten Messung (Schritt 111).

Das obige Gleichungssystem mit drei Unbekannten und drei Gleichungen läßt sich eindeutig lösen. Mit dem nun bekannten elektrischen Startrotorwinkel δ ist eine gezielte Ansteuerung des Motors 10 mit Blick auf die gewünschte Anlaufrichtung möglich.

In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, zusätzlich zu den Ansteuerungen und Messungen der Schritte 105, 107; 109, 111 noch eine dritte Ansteuerung mit zugehöriger Erfassung durchzuführen. In der dritten Ansteuerung wird der Motor 10 um weitere 120° versetzt angesteuert, d. h. die dritte Phase 28 wird mit einer, wie beispielsweise in Fig. 4a gezeigten sinusförmigen Spannung beaufschlagt, die erste und zweite Phase 24, 26 hingegen mit einer hierzu invertierten Spannung. Anschließend wird der sich ergebende Verlauf des Stroms in der dritten Phase 28 sowie das Ausgangssignal des Inkrementalgebers 12, β3 erfasst. In übereinstimmender Weise wird der dritte Punkt P3 aus dem Verhältnis der ersten Oberwelle I2 dividiert durch die dritte Potenz der Grundwelle I1 gebildet. Nun stehen also drei Punkte P1, P2, P3 zur Verfügung, die näherungsweise auf einer Sinuskurve liegen sollen. Diese Sinuskurve wird unter Verwendung der drei Punkte sowie der drei Inkrementalgebersignale β1, β2, β3 beispielsweise nach der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt. Daraus wird der Startrotorwinkel δ bestimmt.

Der Kurvenverlauf der Anregungsspannung muß nicht notwendiger Weise sinusförmig sein, eine periodische Schwingung genügt, um die Grundwelle und die erste Oberwelle der erfassten Messgröße zu ermitteln.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung eines elektrischen Startrotorwinkels eines Elektromotors, mit folgenden Schritten:
Beaufschlagen des Elektromotors (10) mit einer periodischen elektrischen Größe, Erfassen des zugehörigen Verlaufs einer Meßgröße (i),
Ermitteln eines Verhältnisses (P1, P2) eines Maßes der Grundwelle (I1) und eines Maßes einer ersten Oberwelle (I2) aus dem Spektrum des Verlaufs der Meßgröße (i) zur Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels (δ).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe eine Spannung (U) und die Messgröße ein Stromverlauf (i) ist und dass der Stromverlauf zweimal erfasst wird.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels (δ) die erste Oberwelle (I2) geteilt wird durch die dritte Potenz der Grundwelle (I1).

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Elektromotor (10) beaufschlagende elektrische Größe (U) in Abhängigkeit von zumindest einer motorspezifischen Kenngröße (IN, L, r) gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (Û) sowie der Startphasenwinkel (α) bei einer in etwa sinusförmigen Spannung (U) in Abhängigkeit von mindestens einer motorspezifischen Kenngröße (IN, L, r) bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) für eine vorgebbare Zeitspanne mit einer periodischen elektrischen Größe (U) beaufschlagt wird, wobei die Meßgröße (i) in einem gegenüber der Ansteuerzeit verkleinerten Meßinterval (tm) erfaßt wird.

7. Vorrichtung zur Ermittlung eines elektrischen Startrotorwinkels eines Elektromotors, mit einer Signalerfassung (18), die ein Ansteuersignal für einen Wechselrichter (20) erzeugt, der zumindest ein Ausgangsignal (32, 34) zumindest eines Sensors (14, 16) zugeführt ist, die aus einer erfaßten Meßgröße (i) zur Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels (δ) zumindest die erste Oberwelle (I2) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Startrotorwinkels (δ) die Auswerteeinheit (18) auch die Grundwelle (I1) der Meßgröße (i) bestimmt.

8. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertemittel (18) vorgesehen sind, die aus zumindest einer Motorkenngröße (IN, L, r) zumindest eine Amplitude (Û) und/oder einen Startphasenwinkel (α) einer elektrischen Größe (U) bestimmen, mit der der Elektormotor (10) angesteuert wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (18) ein Inkrementalgebersignal (30) auswertet, um eine zwischenzeitliche Bewegung des Motors (10) bei der Bestimmung des elektrischen Startrotorwinkels (δ) zu berücksichtigen.