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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines permanentmagneterregten
Synchronmotors unter Auswertung elektrischer Größen. Das Verfahren betrifft
speziell einen elektrisch kommutierten Motor. Dies sind mehrphasige
Elektromotoren, die mit einem elektrisch oder elektronisch erzeugten
Drehfeld angesteuert werden. Wesentlich für den Betrieb und besonders
für ein
reibungsloses Anlaufen des Motors ist, daß die Kommutierung der Phasen
an den richtigen Rotorpositionen erfolgt.
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Zu
Bestimmung der Rotorposition können
Positionssensoren verwendet werden. Da Positionssensoren aber relativ
aufwendig sind und damit einen wesentlichen Kostenfaktor bei der
Herstellung eines Motors darstellen, ist es vorteilhaft, ein Verfahren
zur Ansteuerung des Motors vorzusehen, welches keine Positionssensoren
voraussetzt. Bei derartigen Verfahren wird die Rotorposition nur
aus den Signalen von Strom- und Spannungssensoren bestimmt, wobei
diese Sensoren Bestandteil der den Motor steuernden Leistungselektronik
sein können.
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Die
elektrischen Größen hängen von
der jeweils erreichten Drehzahl des Motors ab und variieren daher
während
der Hochlaufphase des Motors stark.
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Dies
wird von bekannten Ansteuerverfahren allerdings nicht explizit berücksichtigt,
so daß sich
durch eine ungenaue Ansteuerung die Hochlaufphase des Motors verzögern kann.
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Es
stellte sich daher die Aufgabe, ein Ansteuerverfahren zu schaffen,
welches ohne Positionssensoren ein besonders schnelles und stabiles
Hochlaufen eines elektrisch kommutierten Motors ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß in
jedem Kommutierungssektor die zur aktuellen Motordrehzahl gehörende treibende
Spannung ermittelt wird und die Rotorposition aus dem Verlauf des erfaßten Motorstroms
bei konstant gehaltener treibender Spannung oder aus dem Verlauf
der treibenden Spannung bei konstant gehaltenem Motorstrom ermittelt
wird.
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Die
Bestimmung des Kommutierungszeitpunkts aus elektrischen Größen ist
grundsätzlich
bekannt. So zeigt die
DE
196 14 755 A1 einen bürstenlosen
Gleichstrommotor, der zusätzlich
zu den Arbeitswicklungen des Motors Hilfswicklungen aufweist, damit
auch im unteren Drehzahlbereich eine ausreichend große Induktionsspannung
zur Kommutierungssteuerung abgegriffen werden kann. Ein derartiger
Aufbau eines Motors ist aufgrund der zusätzlich vorgesehenen Hilfswicklungen
sehr kostenaufwendig.
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Die
DE 103 52 117 A1 schlägt vor,
den Schwellwert eines Stromsignals zur Kommutierung eines Motors
heranzuziehen. Allerdings ist aus diesem Dokument nicht bekannt,
zunächst
eine erste elektrische Größe zu erfassen
und konstant zu halten, und daraufhin den Verlauf einer zweiten
elektrischen Größe zu überwachen
und zur Kommutierungssteuerung zu verwenden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 den
Zusammenhang zwischen Generatorspannung und Motorstrom während einer
Kommutierung,
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2 den
Einfluss der Generatorspannung auf den Stromverlauf,
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3 das
Ersatzschaltbild eines dreiphasigen Synchronmotors,
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4a, 4b einen
idealisierter Verlauf der Flussverkettung in den drei Phasen über eine
elektrische Umdrehung bei konstanter Drehzahl,
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5 ein
vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Synchronmotors.
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Anhand
der 3 und 4 sei zunächst die
der Erfindung zugrunde liegende Problemstellung dargestellt.
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3 zeigt
die Statorschaltung eines dreiphasigen elektrisch kommutierbaren
Elektromotors. Diese besteht aus drei in Sternschaltung miteinander
verbundenen Spulenzweigen, die im folgenden auch kurz als Phasen
U, V, W bezeichnet werden. Wie das dargestellte Ersatzschaltbild
zeigt, kann jede Phase U, V, W als eine Reihenschaltung eines ohmschen
Widerstands R mit einem Spannungsabfall R·Ik (mit
dem Spulenstrom Ik), einer Induktivität L mit
einem Spannungsabfall L·dlk/dt und einem Generator, der bei der Motordrehzahl ω die Generatorspannung ω·ψk(ϕ) erzeugt, beschrieben werden,
wobei die magnetische Durchflutung ψk(ϕ)
eine Funktion des Rotorwinkels ϕ ist.
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Der
Verlauf der Generatorspannung, also der induzierten Gegenspannung
des Motors, gemessen zwischen zwei Klemmen ergibt sich zu ω·ψkn(ϕ) = ω·(ψk(ϕ) – (ψn(ϕ))mit k = U, V, W und n
= V, W, U
und ist annähernd
trapezförmig.
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Das
Drehmoment M des Motors bestimmt sich allgemein durch die Anteile
aller drei Phasen M = ψ·I = ψu(ϕ)·Iu + ψv(ϕ)·Iv + ψw(ϕ)·Iw.
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Um
ein möglichst
großes
und glattes Drehmoment M zu erreichen, wird der Motor im Blockmodus
angesteuert, das heißt,
daß immer
nur zwei Phasen bestromt werden. In der dritten stromfreien Phase
kann die durch die Bewegung der Rotormagnete im Stator induzierte
Spannung gemessen werden, die dann einen Nulldurchgang zeigt.
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Im
Blockmodus gilt beispielsweise bei Uw =
0 und Uuv ≠ 0
: IU = –Iv = I. Die richtigen Phasen sind dann eingeschaltet,
wenn gilt ψu(ϕ) = –ψv(ϕ).
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Die
idealen Umschaltzeitpunkte sind in 4a eingezeichnet;
diese Darstellung geht von einer konstanten Drehzahl aus. Des weiteren
bezieht sich die nachfolgende Beschreibung, ohne Beschränkung der
Allgemeinheit, auf einen Rotor, der genau ein Polpaar aufweist,
so daß der
hier betrachtete Rotorfeldwinkel, im folgenden als Rotorposition ϕ bezeichnet,
identisch mit dem mechanischen Rotorwinkel ist. Im Allgemeinen gilt:
Rotorfeldwinkel
= mechanischer Rotorwinkel/Polpaarzahl des Rotors.
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Von ϕ =
0° bis zum
Zeitpunkt A fließt
der Strom von Phase W nach Phase V (–VW = WV). Zum Zeitpunkt A
wird der Strom so umgeschaltet, daß er dann von Phase U nach
V fließt
(UV), zwischen B und C fließt der
Strom von Phase U nach W (–WU
= UW), zwischen C und D fließt
der Strom von Phase V nach Phase W (VW), zwischen D und E von Phase
V nach U (–UV
= VU) und zwischen E und F von Phase W nach U (WU). Nach einer elektrischen
Umdrehung wird zum Zeitpunkt A' wieder
Phase –VW
eingeschaltet.
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In
der 4b sind zur Verdeutlichung die in den Kommutierungssektoren
(A bis A') eingeschalteten Phasenpaare
graphisch hervorgehoben. Erkennbar ist, daß die eingeschalteten Phasenpaare
jeweils so gewählt
sind, daß die Durchflutung ψkn in dem jeweiligen Winkelbereich einen
konstanten Wert aufweist.
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Hierdurch
ergibt sich, bei richtigem und zeitgenauem Umschalten für das Drehmoment
M der einfache Zusammenhang M = 2 ψk I.
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Die
Rotorposition ϕ wird ohne Positionssensoren nur aus den
Signalen der Strom- und Spannungssensoren auf der den Motor versorgenden
Leistungselektronik berechnet. Die Rotorposition ϕ wird
benötigt, um
den richtigen Zeitpunkt für
das Umschalten auf das nächste
Phasenpaar zu ermitteln.
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Es
gilt für
die Spannungen
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Die
Spannung in der stromlosen Phase k ist im Blockmodus Uk = ω·ψk(ϕ)mit k = U, V, W
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Diese
Spannung zeigt einen Nulldurchgang. Beispielsweise ist in der 4b im
Bereich A–B
das Phasenpaar +U–V
bestromt und die Generatorspannung ω·ψw(ϕ),
die in der Figur nicht dargestellt ist, zeigt einen positiven Nulldurchgang.
Das Auftreten dieses Nulldurchganges läßt direkt auf die Rotorposition
schließen.
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Da
diese Spannung Uk leider bei kleinen Drehzahlen ω auch klein
ist und außerdem
durch Messwertrauschen und Rotorpendeln sehr gestört ist,
kann das Verfahren erst bei höheren
Geschwindigkeiten sicher eingesetzt werden.
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Daher
werden positionssensorlos betriebene Motoren bisher im unteren Drehzahlbereich
sehr hoch bestromt und zu festen Zeiten kommutiert, was zu Pendelmomenten,
zu zu langsamen Hochläufen,
zu unnötiger
Wärme und
schlimmstenfalls zum Stillstand führt. Bei einem Hochlauf dieser
Art ist es nicht möglich
auf Last- oder Trägheitsänderungen
zu reagieren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird anhand der 1 und 2 erläutert. Wenn
der Motor mit konstanter Klemmenspannung betrieben wird, weist ein
Ansteigen des Motorstromes Ik, ersichtlich
in der 2, auf ein Absinken des Rotorflusses ψkn (mit k = U, V, W und n = V, W, U) hin.
Durch Erfassung des Motorstroms kann man somit die Ecken in dem
Flussverlauf detektieren. Da hierbei das Überschreiten einer festgelegten
Stromschwelle abzuwarten ist, liegen die so bestimmten Umschaltzeitpunkte
ca. 5° bis
10° hinter
den idealen Umschaltzeitpunkten. Dies ist für einen geregelten Hochlauf
ausreichend gut.
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Das
in der 5 dargestellte einsträngige Ersatzschaltbild faßt die in
der 3 dargestellten Phasen des Motors zusammen. Bei
der hier beispielhaft beschriebenen Ansteuerung eines Synchronmotors
im Blockmodus sind im zeitlichen Wechsel jeweils zwei der Phasen
bestromt. Da die Phasen im Sternpunkt miteinander verbunden sind,
ergibt sich zu jedem Zeitpunkt eine Reihenschaltung von zwei bestromten
Phasen, von den jeweils ein Endpunkt mit dem Potential und ein Endpunkt
mit dem Massepotential der Spannungsquelle mit der treibenden Spannung
Us verbunden ist. Das Ersatzschaltbild faßt damit
jeweils die elektrischen Eigenschaften von zwei miteinander verbunden
Phasen zusammen, wobei sich der ohmsche Spannungsabfall, die Generatorspannung
beider Phasen jeweils addieren.
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Daher
ergibt sich folgender Zusammenhang: Us = R·I + L·dldt + ω·ψ(φ) (Gleichung 1)
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Mit
steigender Drehzahl ω muss
die treibende Spannung Us mitansteigen.
Daher wird der Motor nach jeder Kommutierung zuerst mit einem konstanten geregeltem
Strom I bis kurz vor den geschätzten
nächsten Kommutierungspunkt
gefahren, um dabei die dafür
benötigte
Spannung Us zu ermitteln. Diese Spannung
Us wird danach konstant gehalten und der
Stromverlauf I gemessen, der in direktem Zusammenhang mit der Flussverkettung ψ(ϕ)
steht.
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Der
zeitliche Strom- und Spannungsverlauf ist in der 1 skizziert.
Nach der Kommutierung zum Zeitpunkt t0 fließen zuerst Umkommutierungsströme bis der
Motorstrom bei t1 den Wert Isoll erreicht.
Bis zum Zeitpunkt t2 bleibt die Stromregelung aktiv und hält den Motorstrom
I auf diesem Wert Isoll konstant. Die zur Erreichung
dieses Stromes Isoll benötigte Spannung Us wird
ab t2 konstant gehalten und der Stromverlauf wird durch eine geeignete
Stromsensorik beobachtet. Ein Ansteigen dieses Stromes weist auf
ein Absinken der induzierten Generatorspannung ω·ψkn hin,
woraus man den Umschaltzeitpunkt t3 erhält.
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Im
Zeitraum zwischen t2 und t3 ist der Strom I über den größten Teil des Intervalls konstant,
so daß L·dl/dt ≈ 0. Weiterhin
ist der Spulenwiderstand R und die treibende Spannung Us als
konstant und die Motordrehzahl als annähernd konstant anzusehen.
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Daher
ergibt sich für
den Zeitraum zwischen t2 und t3 aus der Gleichung 1 für Us ein einfacher Zusammenhang zwischen dem
Strom I(ϕ) und der Flussverkettung ψ(ϕ): I(ϕ)
= UsR – ωR ψ(ϕ)
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In
jedem Kommutierungsektor wird die zu der aktuellen Rotordrehzahl ω gehörende treibende
Spannung Us ermittelt. Diese Spannung Us wird dann konstant gehalten, um aus dem
Strom die Flussverkettung ψ(ϕ)
und damit die Rotorposition ϕ zu bestimmen.
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Alternativ
kann die Flussverkettung ψ(ϕ)
auch direkt aus der treibenden Spannung Us ermittelt
werden. Hält
man den Strom I über
den Zeitpunkt t2 hinaus konstant, so ergibt sich wegen L* dl/dt
= 0, bei konstantem Spulenwiderstand R und während der Kommutierungsphase
annähernd
konstanter Motordrehzahl ω für die treibende
Spannung aus der Gleichung 1 der Zusammenhang Us(ω ≈ const, φ) = I·R + ω·ψ(φ)so
daß sich
aus der Änderung
der Spannung Us die Rotorpostion ϕ bestimmen
läßt. Da sich
auch hier ab dem Umschaltzeitpunkt die Gegenspannung ω·ψ(φ) verringert,
nimmt wegen I·R
= const auch Us im gleichen Maße ab.
