DE102007063386A1 - Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen mit Vorrichtungen zur Kommutierung und Positionserkennung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen mit Vorrichtungen zur Kommutierung und Positionserkennung, wobei die Maschinen mit Rotor und Stator in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit jeweils drei Anschlüssen ausgebildet sind und die Anschlüsse an die Vorrichtung geführt sind.
- Die elektrische Maschine kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein. Eine solche Maschine ist in der Druckschrift
DE 2 511 567 A1 beschrieben, die einen mit Permanentmagneten versehenen Rotor sowie eine auf dem Stator angeordnete mehrphasige Wicklung enthält, wobei jede Phase der Wicklung wenigstens eine Formspule aufweist, wobei die Formspulen im Wesentlichen gleich ausgebildet sind. An den Kreuzungsstellen der Spulenköpfe ist jeweils der Kopf der in Umfangsrichtung nachfolgenden Spule und Phase über der vorherigen Spule liegend angeordnet, wobei herkömmliche Kommutierungselektroniken zum Einsatz kommen. Zwecks Kommutierung der durch Phasen der Wicklung eines Gleichstrommotors fließenden Ströme werden Signale entsprechend der jeweiligen Rotorstellung benötigt. Dazu wird die durch die Drehung des Rotors in die einzelnen Formspulen induzierte Spannung gemessen und von der Kommutierungselektronik ausgewertet. Die Kommutierungselektronik erzeugt daraus Ansteuersignale zur Bestromung der Formspulen. Die Bestromung sorgt für die Drehbewegung des Rotors. - Die jeweilige Maschine – Innenläufer oder Außenläufer – kann sowohl eine Maschine
1 in Dreieckschaltung nach1 als auch für eine Maschine11 in Sternschaltung nach2 genutzt sein. In den beiden1 und2 ist die jeweilige elektrische Maschine1 ,11 mit ihren Elementen: drehbarer Rotor2 und bewickelter Stator3 , schematisch als Schaltsymbol dargestellt. Die Maschinen1 ,11 sind jeweils über die Anschlüsse7 ,8 ,9 strangmäßig mit einer herkömmlichen Vorrichtung10 zur Kommutierung und Positionserkennung verbunden. - In
3 ist ein Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung10 zur Kommutierung und Positionserkennung – der Kommutierungselektronik –, wobei die Vorrichtung10 über die Anschlussleitungen7 ,8 ,9 an die elektrische Maschine1 ,11 angeschlossen ist, dargestellt. Die Vorrichtung10 enthält ein von einer Steuereinheit16 gesteuertes Leistungsteil12 , das im Wesentlichen eine Schaltergruppe14 aus sechs gesteuerten Schaltern141 ,142 ,143 ,144 ,145 ,146 , der Steuereinheit16 und einer Baugruppe17 zur Positionserkennung des Rotors2 besteht. Die Baugruppe17 zur Positionser kennung des Rotors2 verarbeitet die Signale auf den Anschlussleitungen7 ,8 ,9 der angeschlossenen elektrischen Maschine1 ,11 und stellt der Steuereinheit16 die Informationen über die aktuelle Rotorposition zur Verfügung. Die Steuereinheit16 generiert daraus die Signale für das Leistungsteil12 und, falls nötig, zusätzliche Signale zur Ansteuerung der Baugruppe17 zur Positionserkennung des Rotors2 . - Sehr einfache Schaltungen, die in herkömmlicher Weise nur die elektromotorische Kraft – EMK – verarbeiten, vergleichen die Spannung eines oder mehrerer Motoranschlüsse
7 M1,8 M2,9 M3 mit einem externen Sternpunkt. Zum Vergleich werden teilweise Analog-Digitalwandler – ADC – und teilweise auch Komparatoren19 eingesetzt. Da ausschließlich die EMK bewertet wird, funktionieren diese Baugruppen bisher nur dann, wenn sich der Rotor2 mit ausreichender Drehzahl dreht. - In
4 ist eine solche einfache Variante der Baugruppe17 in Form einer Schaltung171 gezeigt. Die Schaltung171 erzeugt mit einem Widerstandnetzwerk18 aus drei parallel geschalteten Widerständen eine externe Sternpunktspannung. Die drei Phasenspannungen an den Anschlüssen7 M1,8 M2,9 M3 der Maschine1 ,11 werden mittels der drei Komparatoren19 mit der Spannung des externen Sternpunktes verglichen. Die Steuereinheit16 wertet die Ausgangssignale N1, N2, N3 der Komparatoren19 aus und generiert daraus die Steuersignale für das Leistungsteil12 . - Eine andere Variante der Baugruppe
17 in Form der Schaltung172 zur EMK-Detektion mit noch geringerem Bauelementeaufwand ist in5 dargestellt. Sie benötigt nur einen Komparator19 . Das auch aus drei parallel geschalteten Widerständen bestehende Widerstandnetzwerk18 erzeugt wie in der vorherigen Schaltung171 eine externe Sternpunktspannung. Die Steuereinheit16 legt mit Hilfe eines Umschalters23 fest, welche der drei Phasenspannungen an den Anschlüssen7 M1,8 M2,9 M3 mit der Spannung des externen Sternpunktes zu vergleichen ist. - Das Problem besteht darin, dass beide Schaltungen
171 ,172 bisher nur zur EMK-Detektion eingesetzt werden. Eine Positionserkennung des Rotors2 zum Starten der Maschine1 ,11 bei Stillstand ist damit nicht möglich. - Der Start der Maschine
1 ,11 erfolgt in diesen Fällen meist durch „blindes" Anlegen einer Kommutierungsfolge und einer anschließenden Kontrolle, ob sich eine EMK aufgebaut hat. Hat sich die EMK aufgebaut, so wird die Kommutierungsfolge nach dem „blinden" Start mit der EMK synchronisiert und der normale Betrieb mit EMK-Detektion aktiviert. Hat sich aber keine EMK aufgebaut, wird der Startvorgang entweder abgebrochen oder eventuell mit veränderten Parametern wiederholt. - Ein Problem besteht des Weiteren darin, dass der Start nur dann erfolgreich verläuft, wenn die Parameter (Kommutierungsfrequenz, Tastverhältnis, PWM-Frequenz) gut auf die elektrische Maschine und deren Last abgestimmt sind. Sind die Parameter schlecht abgestimmt, kann dies zu einer erhöhten Belastung bis hin zu einer Überlastung der elektrischen Maschine, der an sie angeschlossenen mechanischen Komponenten, des Leistungsteils der Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung oder der Stromversorgung des Systems führen. Weiterhin kann es mit dieser Variante des Startens der Maschine vorkommen, dass die elektrische Maschine
1 ,11 in Gegenrichtung zum angelegten Drehfeld startet und die falsche Drehrichtung beibehält. Auch dieser Zustand ist mit einer erhöhten Belastung der elektrischen und mechanischen Systemkomponenten oder einer möglichen Zerstörung mechanischer Komponenten verbunden. - Zur Positionsdetektion zum Starten der sensorlosen elektrischen Maschine existieren andererseits verschiedene Vorrichtungen:
Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung von sensorlosen elektrischen Maschinen ist in der DruckschriftUS 5 254 914 A beschrieben, wobei vor dem Start kurze Stromimpulse in die einzelnen Phasen eingespeist werden und die Dauer bis zum Abklingen der Spannung am jeweiligen Anschluss gemessen wird. Dazu wird die Anschlussspannung mit der Spannung des tatsächlichen Sternpunktes der elektrischen Maschine verglichen und ausgewertet. Zum Generieren der Stromimpulse für die Messung ist das einfache Leistungsteil aus der3 nicht geeignet und es ist ein zusätzlicher Realisierungsaufwand notwendig. Weiterhin ist das Verfahren ausschließlich auf elektrische Maschinen in Sternschaltung anwendbar, bei denen der Sternpunkt als zusätzliche Leitung herausgeführt ist. Viele Maschinen führen entweder den Sternpunkt nicht heraus oder sind in der Dreieckschaltung verschaltet. Dann ist das Verfahren nicht anwendbar. - Eine fremderregte elektrische Maschine ist in der Druckschrift
EP 1 005 716 beschrieben, wobei zur Positionsbestimmung kurzzeitig Spannungen an die einzelnen Phasen angelegt und die Spannung am tatsächlichen Sternpunkt der elektrischen Maschine ausgewertet werden. Zum Anlegen der Spannungen kann das vorhandene Leistungsteil ohne Erweiterungen genutzt werden, was zu einer deutlichen Reduktion des notwendigen Realisierungsaufwandes gegenüber der in der DruckschriftUS 5 254 914 A angegebenen Einrichtung führt. Das mit der Auswertung der tatsächlichen Sternpunktspannung der elektrischen Maschine verbundene Problem der starken Einschränkung der Einsetzbarkeit des Verfahrens bei verschiedenen Applikationen bleibt jedoch bestehen. - Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rotorpositionsbestimmung ist in der Druckschrift Dobrucky, Filka, Spanik, Zigmund: Real-Time PMSM Rotor Position Estimator Based an Virtual HF Injection Methode (VHFIM), In proc. EPE' 05, September 2005, Dresden beschrieben, bei dem kein herausgeführter Sternpunkt benötigt wird. Dazu wird aber in die einzelnen Anschlüsse ein Hochfrequenz(HF)-Signal eingespeist und das gefilterte Signal ausgewertet.
- Ein Problem besteht darin, dass das Verfahren jedoch einen enormen zusätzlichen Realisierungsaufwand zur Erzeugung, Einspeisung und Auswertung des HF-Signals benötigt.
- Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Rotorposition bei sich bereits drehendem Rotor der elektrischen Maschine (EMK-Detektion) mit mehreren Motoranschlüssen ist in der Druckschrift
DE 100 64 486 A1 beschrieben, wobei die Maschine insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor ist, bei dem zur Bestimmung der Rotorposition die Polarität zumindest einer in zumindest einem ersten Mo toranschluss induzierten Strang-Spannung als mindestens ein erster Polaritätswert durch einen Vergleich mit einem Referenzwert, insbesondere mit einer realen oder nachgebildeten, an einem Sternpunkt der Motorstränge anliegenden Sternpunktspannung ermittelt wird. Dabei wird die Ermittlung des mindestens einen ersten Polaritätswertes auf einen Einschaltzeitpunkt zur Bestromung des mindestens einen ersten Motoranschlusses und eines zweiten Motoranschlusses synchronisiert. Der mindestens eine erste Polaritätswert wird nach einer sich an den mindestens einen Einschaltzeitpunkt anschließenden, vorbestimmten Wartezeit ermittelt. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen mit Vorrichtungen zur Kommutierung und Positionserkennung anzugeben, das derart geeignet ausgebildet ist, dass die Durchführung sowohl mit einem minimalen bauelementetechnischen Aufwand realisierbar ist als auch eine Positionsbestimmung sowohl bei Stillstand als auch bei sich drehendem Rotor ermöglicht wird.
- Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Das Verfahren zur Positionsbestimmung von Rotoren in elektrischen Maschinen mit Vorrichtungen zur Kommutierung und Positionserkennung gemäß dem Patentanspruch 1, wobei die Maschinen mit Rotor und Stator in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit jeweils drei Anschlüssen ausgebildet sind, wobei die Anschlüsse an die Vorrichtung geführt sind, weist folgende Schritte auf:
- – Festlegung einer Spannung UR eines extern vorgegebenen Sternpunktes oder einer anderen Vergleichs- oder Referenzspannung mittels der Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung einschließlich einer Steuereinheit und Positionsdetektion,
- – Messung mindestens einer Messspannung UC zwischen mindestens einem Anschluss, an dem von außen keine Erregung stattfindet, während an wenigstens zwei anderen Anschlüssen von außen eine Spannung UCC angelegt wird, sowie
- – Durchführung der Messungen sowohl bei bewegtem Rotor als auch bei ruhendem Rotor zur Bestimmung der Rotorposition zum Starten der Maschine.
- Es kann eine mehrfache Wiederholung der Messung jeweils einer Messspannung UC an mindestens einem Anschluss, an dem von außen keine Erregung stattfindet, während zwischen wenigstens zwei anderen Anschlüssen von außen die Spannung UCC angelegt wird, durchgeführt werden.
- Zusätzlich kann während einer oder mehrerer Messungen oder einer oder mehrerer separaten Messungen die Ableitung der Messspannung UC am nicht erregten Anschluss ausgewertet werden, um Informationen über die magnetische Polarität des Rotors zu erhalten.
- Nach der jeweiligen Positionsbestimmung des Rotors kann ein Starten oder ein Kommutieren der elektrischen Maschinen durchgeführt werden.
- Es kann nach einer Positionsbestimmung mittels einer Messung jeweils einer Messspannung UC an mindestens einem Anschluss, an dem von außen keine Erregung stattfindet, während zwischen wenigstens zwei anderen Anschlüssen von außen die Spannung UCC angelegt wird, eine Feststellung des Kommutierungsereignisses erfolgen.
- Die erfinderische Lösung besteht darin, dass nacheinander kurzzeitig eine Spannung U an jeweils zwei der drei Anschlüsse angelegt wird und während des Anlegens der Spannungsdifferenz UCC die Messspannung UC am dritten Anschluss ausgewertet wird. Diese Art der Auswertung erlaubt die Positionsbestimmung des Rotors sowohl im Stillstand der elektrischen Maschine als auch bei Drehung des Rotors. Die Auswertung kann sowohl für in Dreieckschaltung betriebene als auch in Sternschaltung betriebene elektrische Maschinen eingesetzt werden. Eine separate Leitung für den Sternpunkt ist nicht nötig. Das Verfahren kann unter Nutzung der gegenüber der einfachsten Systemrealisierung unveränderten Komponenten Leis tungsteil und EMK-Detektion angewendet werden. Lediglich die Steuereinheit und Baugruppe zur Positionserkennung der Vorrichtung sind dem hier beschriebenen Verfahren entsprechend zu modifizieren. Bei Systemen, in denen die Steuereinheit und Baugruppe zur Positionserkennung in Form einer Rechnereinheit – eines Mikrorechners – realisiert sind, auf dem programmtechnische Mittel zur Bestimmung der elektrischen Rotorposition und zur Kommutierung vorhanden sind, besteht die notwendige Modifikation in einer Änderung der programmtechnischen Mittel zur Bestimmung der elektrischen Rotorposition und zur Kommutierung.
- In dem Verfahren werden kurzzeitig drei aufeinander folgende Kommutierungen K1, K2, K3 aktiviert und das jeweils zugehörige Ausgangssignal N1, N2, N3 der Komparatoren der Vorrichtung zu jeder Messung als Messergebnisse in einem Speicher der Rechnereinheit abgelegt, wobei die Zeiten so kurz eingestellt werden, dass die Messung weder zu einer mechanischen Bewegung des Rotors führt noch mit einer vorhandenen mechanischen Bewegung des Rotors wechselwirkt, wobei nach Abschluss der Messung die drei gespeicherten Messergebnisse zur Adressierung beim Auslesen der aktuellen Rotorposition aus einer im Speicher befindlichen Tabelle dienen und die Rotorposition angeben.
- In wenigstens drei Messungen mit Speicherung und Bestimmung der Rotorposition werden jeweils drei Schrittkombinationen durchgeführt:
- A) Messschritt mit dem Zustand Kommutierung K1 anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt mit Speicherung des Ausgabewertes N1 am Ausgang des Komparators,
- B) Messschritt mit dem Zustand Kommutierung K2 anlegen mit nachfolgenden Speicherschritt mit Speicherung des Ausgabewertes N2 am Ausgang des Komparators,
- C) Messschritt mit dem Zustand Kommutierung K3 anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt mit Speicherung des Ausgabewertes N3 am Ausgang des Komparators,
- Eine wiederholte Kontrolle der Rotorposition kann nach der ersten Kommutierungsumschaltung mit folgenden Schritten durchgeführt werden:
- – Vor dem Anlegen der ersten Kommutierung erfolgt eine Positionsbestimmung des Rotors,
- – mit der ermittelten Rotorposition vor dem Start wird die entsprechende Kommutierung zum Starten der Maschine angelegt und am dritten freien Anschluss immer in den Zeitintervallen, in denen zwischen den anderen beiden Anschlüssen durch ein Leistungsteil der Vorrichtung eine Spannung UCC angelegt wird, wird die Spannungsdifferenz zwischen dem dritten, freien Anschluss und der halben Spannung UCC/2 oder der Spannung UR des externen Sternpunktes im Schritt ausgewertet,
- – bei einem Wechsel des Vorzeichens der Spannungsdifferenz hat der Rotor den ursprünglichen Bereich verlassen und es erfolgt eine erneute Positionsbestimmung,
- – dann wird die bestimmte Position mit der um ein Intervall weiter geschalteten ursprünglichen Position verglichen, wobei anschließend eine Ergebnisermittlung mit zwei Möglichkeiten ermittelt wird: a) Stimmen beide Positionen gemäß dem Ergebnis überein, so dreht der Rotor in die richtige Richtung und es kann zum normalen Motorbetrieb umgeschaltet werden, b) Stimmen beide Positionen gemäß Ergebnis nicht überein, so wird die Kommutierung entsprechend der gemessenen Position korrigiert und der Vorgang wird ab der korrigierten Kommutierung wiederholt.
- Zur Vermeidung einer Fehlkommutierung bei bereits rückwärts drehendem Rotor kann der Vorgang zwischen den Schritten der Kommutierung und dem Vergleich der gemessenen und gespeicherten Position solange wiederholt werden, bis eine Positionsbestimmung die Übereinstimmung von gemessener und weiter geschalteter Rotorposition bestätigt.
- Zur Bestimmung, welcher der beiden Pole NP oder SP im gemessenen Segmentintervall liegt, reicht eine Bestimmung eines Anstieges der erfassten Messspannung UC am dritten Anschluss während der Positionsbestimmung des Rotors aus und es wird mit der Kenntnis der bestimmten Rotorposition sofort die Maschine gestartet, ohne dass weitere Positionsbestimmungen zur Bestimmung der Drehrichtung durchgeführt werden.
- Weiterbildungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in nachgeordneten Unteransprüchen angegeben.
- Die Erfindung soll anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert werden.
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine in einer Dreieckschaltung mit einer Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung nach dem Stand der Technik, -
2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine in einer Sternschaltung mit einer Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung nach dem Stand der Technik, -
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung nach dem Stand der Technik, -
4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur EMK-Detektion mit drei Komparatoren nach dem Stand der Technik, -
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung mit einem Komparator und einem Umschalter nach dem Stand der Technik, -
6 eine schematische Darstellung des der Bestimmung der Rotorposition zugrunde liegenden Funktionsprinzips, wobei -
6a den Rotor mit seinem Nordpol in einem diskretisierten Bereich und -
6b den Rotor mit seinem Nordpol in einem anderen diskretisierten Bereich
zeigen, -
7 einen Ablaufplan des erfinderisches Verfahrens zur Bestimmung der Rotorposition, -
8 eine schematische Darstellung der Diskretisierung der gemessenen Rotorposition, wobei -
8a eine erste Rotorpositionsbestimmung anhand von drei durchgeführten Messungen und -
8b eine zweite Rotorpositionsbestimmung anhand von ebenfalls drei durchgeführten Messungen
zeigen, und -
9 einen Ablauf zum Start der Maschine mit Überprüfung der Rotorposition nach der Kommutierungsumschaltung. - Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand der
6 ,6a und6b und3 erläutert. - Die Erfindung nutzt die Abhängigkeit der Induktivität L1, L2, L3 der Wicklungen
4 ,5 ,6 der Maschine1 ,11 von der Rotorstellung aus. Dabei kann aufgrund der noch beschriebenen veränderten Ansteuerung des Leistungsteils12 sowohl das bestehende Leistungsteil12 als auch die einfache Schaltung171 ,172 zur Detektion der EMK nach den4 oder5 auch zur Bestimmung der Rotorposition bei Stillstand der Maschine1 ,11 verwendet werden. - Das Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen
1 ,11 mit einer Vorrichtung10 zur Kommutierung und Positionserkennung, wobei die Maschinen1 ,11 mit einem Rotor2 und einem Stator3 in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit jeweils drei Anschlüssen7 ,8 ,9 ausgebildet sind, wobei die Anschlüsse7 ,8 ,9 an die Vorrichtung10 geführt sind, weist folgende Schritte auf: - – Festlegung einer Spannung
UR eines externen Sternpunktes oder einer
anderen Vergleichs- oder Referenzspannung mittels der Vorrichtung
10 zur Kommutierung und Positionserkennung einschließlich einer Steuereinheit16 und einer Positionsdetektion17 , - – Messung mindestens einer Messspannung UC an
mindestens einem Anschluss
7 ;8 ;9 , an dem von außen keine Erregung stattfindet, während zwischen wenigstens zwei anderen Anschlüssen8 ,9 ;7 ,9 ;7 ,8 von außen eine Spannung UCC – eine Versorgungsspannung – angelegt wird, sowie - – Durchführung der Messungen sowohl bei bewegtem
Rotor
2 als auch bei ruhendem Rotor2 zur Bestimmung der Rotorposition zum Starten der Maschine1 . - Zur Messung erfolgt während des Anlegens einer Spannung UCC an zwei Anschlüssen
7 ,8 der drei Anschlüsse7 ,8 ,9 der Vergleich einer Messspannung UC des offenen dritten Anschlusses9 entweder mit der halben angelegten Spannung UCC/2 oder mit der Spannung UR des externen Sternpunktes. - Die Messspannung UC am dritten Anschluss
9 ist abhängig von den Induktivitäten L1, L2, L3 der drei Wicklungen4 ,5 ,6 . Aufgrund der Abhängigkeit der Aussteuerung der einzelnen Kerne der Induktivitäten L1, L2, L3 von der Position des Rotors2 sind auch die drei Induktivitäten L1, L2, L3 und damit die Messspannung UC abhängig von der Rotorposition. Nach wenigstens drei kurzzeitig und reihum durchgeführten Messungen, bei denen zwischen unterschiedliche Anschlüsse7 ,8 ;8 ,9 ;9 ,7 die Spannung UCC angelegt wird und am jeweils dritten Anschluss9 ;7 ;8 die Messspannung UC ausgewertet wird, ist die Position des Rotors2 hinreichend genau festgestellt, um die Maschine1 ,11 starten zu können. - Das den einzelnen Messungen zugrunde liegende Wirkprinzip ist in
6 ,6a ,6b dargestellt. Der gestrichelte Pfeil kennzeichnet die Rotorstellung. - An den mit GND bezeichneten Anschluss
7 wird die Masse und an den Anschluss8 die Spannung UCC angelegt. Die Einschaltzeit ist hier so kurz zu wählen, dass der durch Anlegen der Spannung UCC in den Spulen4 ,5 ,6 aufgebaute magnetische Fluss gegenüber dem durch die Magnete des Rotors2 in die Spulen4 ,5 ,6 eingespeisten Fluss vernachlässigbar bleibt. Die zwei Induktivitäten L2 und L3 bilden einen induktiven Spannungsteiler. An der größeren der beiden Induktivitäten L2 und L3 fällt auch die größere Spannung ab. Zur Bestimmung der Rotorposition reicht es aus, festzustellen, welche der beiden Induktivitäten L2 und L3 die größere ist. Die Absolutwerte der Induktivitäten L2 und L3 sind dabei ohne Belang. Daher reicht zur Positionsbestimmung ein einfacher Vergleich der Messspannung UC am dritten Anschluss9 aus. - Die Abhängigkeit der Messspannung UC von der Rotorposition ist dann folgende:
- A) Zeigt
ein Pol auf die Induktivität L2,
wie in
6a gezeigt ist, so gilt L2 < L3. Die am Anschluss9 erfasste Messspannung UC ist größer als die halbe Spannung UCC/2 bzw. größer als die Spannung UR am extern festgelegten Sternpunkt. - B) Zeigt ein Pol auf die Induktivität L3,
wie in
6b gezeigt ist, gilt L2 > L3 und die am Anschluss9 erfasste Messspannung UC ist geringer als die halbe Spannung UCC/2 und als die Spannung UR am extern festgelegten Sternpunkt. - Das Prinzip der vollständigen Bestimmung der Rotorposition besteht darin, durch wenigstens drei aufeinander folgende Messungen die Induktivitäten L1, L2, L3 aller drei Wicklungen
4 ,5 ,6 miteinander zu vergleichen. -
7 zeigt den Ablaufplan zur vollständigen Bestimmung der Rotorposition. Es werden kurzzeitig drei aufeinander folgende Kommutierungen K1, K2, K3 aktiviert und das zugehörige Ausgangssignal N1, N2, N3 des Komparators19 zu jeder Messung in einem Speicher der Rechnereinheit16 ,17 abgelegt. Die Zeiten sind so kurz eingestellt, dass die Messung weder zu einer mechanischen Bewegung des Rotors2 führt noch mit einer vorhandenen mechanischen Bewegung des Rotors2 wechselwirkt. Nach Abschluss der Messung dienen die drei gespeicherten Messergebnisse zur Adressierung beim Auslesen35 der aktuellen Rotorposition36 aus einer Tabelle 1. - In wenigstens drei Messungen mit Speicherung und Bestimmung der Rotorposition werden jeweils drei Schrittkombinationen durchgeführt:
- A) Messschritt
29 mit dem Zustand Kommutierung K1 anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt30 mit Speicherung des Ausgabewertes N1 am Ausgang des Komparators20 , - B) Messschritt
31 mit dem Zustand Kommutierung K2 anlegen mit nachfolgenden Speicherschritt32 mit Speicherung des Ausgabewertes N2 am Ausgang des Komparators21 , - C) Messschritt
33 mit dem Zustand Kommutierung K3 anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt34 mit Speicherung des Ausgabewertes N3 am Ausgang des Komparators22 , - Dabei stellt N jeweils den Vergleichswert zwischen der erfassten Messspannung UC und der Spannung am externen Sternpunkt aus dem Widerstandsnetzwerk
18 oder der Vergleichs- oder Referenzspannung dar. Eine Diskretisierung der so ausgelesenen Rotorstellung ist in8 dargestellt. Mit der Messung kann festgestellt werden, in welchem der zwischen den gestrichelten Linien befindlichen Bereiche48 ,49 oder detaillierter – in den Segmentintervallen26 ,27 ,28 – ein Pol NP oder SP des Rotors2 liegt. - In
8a sind eine erste Rotorpositionsbestimmung anhand von drei durchgeführten Messungen M1, M2, M3 und in8b eine zweite Rotorpositionsbestimmung anhand von ebenfalls drei durchgeführten Messungen M1, M2, M3 gezeigt. Liegt der Rotor z. B. in der in8a dargestellten Position ist, lautet die ermittelte Folge der Vorzeichen „+ + -„ (Zeile 2 in Tab. 1) und zum Start der Maschine ist die Spannung UCC zwischen den Anschlüssen8 und9 anzulegen. Für die in8b dargestellte Rotorposition ergibt die Messung die Vorzeichenfolge „+ + +" (Zeile 3 in Tab. 1). Zum Start der Maschine ist die Spannung UCC ebenfalls zwischen den Anschlüssen8 und9 anzulegen. Mit dem Verfahren kann nicht festgestellt werden, welcher der beiden Pole im detektierten Bereich48 ,49 liegt. Zur Feststellung, welcher der beiden Pole NP oder SP in diesem Bereich48 ,49 liegt, können zwei Verfahren verwendet werden. - Im Folgenden wird die wiederholte Kontrolle der Rotorposition nach der ersten Kommutierungsumschaltung erläutert:
-
9 zeigt den Ablaufplan zum Start der Maschine1 mit Überprüfung der Position des Rotors2 nach der Kommutierungsumschaltung. - Vor dem Anlegen der ersten Kommutierung
39 erfolgt eine Positionsbestimmung38 nach7 . Mit der ermittelten Rotorposition36 in7 vor dem Start wird die entsprechende Kommutierung39 nach Schritt37 zum Starten der Maschine1 angelegt und jeweils am dritten freien Anschluss9 ;8 ;7 immer in den Zeitintervallen, in denen zwischen den jeweils anderen beiden Anschlüssen7 ,8 ;7 ,9 ;8 ,9 durch das Leistungsteil12 eine Spannung UCC angelegt wird, die Spannungsdifferenz zwischen dem dritten, freien Anschluss9 und der halben Spannung UCC/2 oder der Spannung UR des externen Sternpunktes im Schritt40 ausgewertet. Wechselt die Spannungsdifferenz in Schritt41 das Vorzeichen, so hat der Rotor2 den ursprünglichen Bereich48 oder49 verlassen und es erfolgt eine erneute Positionsbestimmung in Schritt42 . Die Positionsbestimmung wird mit der um einen Schritt weiter geschalteten ursprünglichen Position im Schritt43 verglichen. - 1. Stimmen beide Positionen gemäß dem
Ergebnis
44 überein, so dreht der Rotor2 in die richtige Richtung und es kann zum normalen Motorbetrieb umgeschaltet werden, bei dem die Positionsbestimmung nach7 nicht mehr nötig ist, jedoch aufgrund der noch nicht auswertbaren EMK das Verlassen des aktuellen Abschnittes, in dem sich der Rotor2 befindet, durch Auswertung der erwähnten Spannungsdifferenz, während die Spannung UCC zwischen den Anschlüssen7 ,8 angelegt ist, erfolgt. Das Umschalten der Kommutierung kann auch nach Ablauf einer zum Zeitpunkt des detektierten Vorzeichenwechsels addierten Zeitspanne erfolgen. Je nach Bedarf kann auch bei höheren Drehzahlen zur normalen EMK-Detektion umgeschaltet werden. - 2. Stimmen beide Positionen gemäß Ergebnis
45 nicht überein, so wird die Kommutierung entsprechend der gemessenen Position korrigiert und der Vorgang wird ab der korrigierten Kommutierung wiederholt. - Um bei bereits rückwärts drehendem Rotor
2 eine Fehlkommutierung zu verhindern, ist dieser Vorgang zwischen den Schritten der Kommutierung39 und dem Vergleich43 der gemessenen und gespeicherten Position solange zu wiederholen, bis eine Positionsbestimmung die Übereinstimmung von gemessener und weiter geschalteter Rotorposition bestätigt. - Die zugehörige Auswertung des Einflusses des Spulenstromes (im zweiten Teilverfahren) auf die Kernsättigung wird folgendermaßen durchgeführt:
Da innerhalb der Zeit, in der zwischen zwei Anschlüssen7 ,8 der drei Anschlüsse7 ,8 ,9 die Spannung UCC anliegt, der Strom an den Induktivitäten L1, L2, L3 steigt, ändert sich ebenfalls die Aussteuerung und somit die Induktivität L1, L2, L3 der Motorwicklungen4 ,5 ,6 während dieser Zeit. Dies führt zu einer sich ändernden Messspannung UC am dritten Anschluss9 der Maschine1 ,11 . - – Steigt der Betrag der gemessenen Spannungsdifferenz innerhalb der Messzeit, so addieren sich die Feldstärken, die durch den Magneten und den Spulenstrom verursacht werden.
- – Sinkt der Betrag der gemessenen Spannungsdifferenz innerhalb der Messzeit, so subtrahieren sich die Feldstärken, die durch den Magneten und den Spulenstrom verursacht werden.
- Zur Bestimmung, welcher der beiden Pole NP oder SP im gemessenen Segmentintervall
26 ,27 ,28 liegt, reicht eine Bestimmung eines Anstieges der erfassten Messspannung UC am dritten Anschluss9 während der Positionsbestimmung des Rotors2 aus. Mit der Kenntnis dieser Rotorposition kann sofort die Maschine1 ,11 gestartet werden, ohne weitere Positionsbestimmungen zur Bestimmung der Drehrichtung durchführen zu müssen. Auch hier ist aufgrund der zunächst sehr niedrigen Drehzahl die Auswertung der erwähnten Spannungsdifferenz, während die Spannung UCC zwischen zwei Anschlüssen7 ,8 angelegt ist, durchzuführen. - Kann in der Applikation ein Rückwärtslauf der Maschine
1 ,11 auftreten, so ist die Positionsbestimmung beim Umschalten der Kommutierung zu wiederholen, um eine Fehlkommutierung bei bereits rückwärtsdrehender Maschine1 ,11 zu verhindern. -
- 1
- Elektrische Maschine in Dreieckschaltung
- 2
- Rotor
- 3
- Stator mit Wicklungen
- 4
- Wicklung
- 5
- Wicklung
- 6
- Wicklung
- 7
- Anschluss M1
- 8
- Anschluss M2
- 9
- Anschluss M3
- 10
- Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung
- 11
- Elektrische Maschine in Sternschaltung
- 12
- Leistungsteil
- 13
- Spannung UCC
- 14
- Schaltergruppe
- 15
- Steuerleitung der Schalter
- 16
- Steuereinheit
- 17
- Positionsdetektion
- 18
- Widerstandsnetzwerk
- 19
- Komparator
- 20
- Komparatorausgang N1
- 21
- Komparatorausgang N2
- 22
- Komparatorausgang N3
- 23
- Umschalter S
- 24
- Signal aus der Steuereinheit
- 25
- Komparatorausgang N
- 26
- Segmentintervall
- 27
- Segmentintervall
- 28
- Segmentintervall
- 29
- Zustand Kommutierung 1 anlegen
- 30
- Zustand Ausgabewert N1 speichern
- 31
- Zustand Kommutierung 2 anlegen
- 32
- Zustand Ausgabewert N2 speichern
- 33
- Zustand Kommutierung 3 anlegen
- 34
- Zustand Ausgabewert N3 speichern
- 35
- Auslesen der Position aus Tabelle
- 36
- Bestimmte Rotorposition
- 37
- Start
- 38
- Positionsbestimmung
- 39
- Kommutierung
- 40
- Auswertung
- 41
- Kommutierungsposition erhöhen und speichern
- 42
- Positionsbestimmung
- 43
- Vergleich gemessene und gespeicherte Position
- 44
- Ergebnis „Gleich"
- 45
- Ergebnis „Ungleich"
- 46
- Korrektur der Kommutierung
- 47
- Nutzung der gespeicherten Kommutierung und Aktivierung des normalen Motorlaufes
- 48
- Erster diskretisierter Bereich
- 49
- Zweiter diskretisierter Bereich
- UCC
- Spannung
- UR
- Referenzspannung
- UC
- Messspannung
- L1
- erste Induktivität
- L2
- zweite Induktivität
- L3
- dritte Induktivität
- N
- Komparatorausgabewert
- N1
- Ausgabewert
- N2
- Ausgabewert
- N3
- Ausgabewert
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1005716 [0012]
- - DE 10064486 A1 [0015]
Messung | Spannung an Anschlüssen | Komparatoranschluss Nx | ||
M1 | M2 | M3 | ||
+ | - | - | 7,9 | 8 – N2 |
+ | + | - | 8,9 | 7 – N1 |
+ | + | + | 8,9 | 7 – N1 |
- | + | + | 7,8 | 9 – N3 |
- | - | + | 7,8 | 9 – N3 |
- | - | - | 7,9 | 8 – N2 |
Claims (10)
- Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen (
1 ,11 ) mit Vorrichtungen (10 ) zur Kommutierung und Positionserkennung, wobei die Maschinen (1 ,11 ) mit Rotor (2 ) und Stator (3 ) in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit jeweils drei Anschlüssen (7 ,8 ,9 ) ausgebildet sind, wobei die Anschlüsse (7 ,8 ,9 ) an die Vorrichtung (10 ) geführt sind, das folgende Schritte aufweist: – Festlegung einer Spannung (UR) eines externen Sternpunktes oder einer anderen Vergleichs- oder Referenzspannung mittels der Vorrichtung (10 ) zur Kommutierung und Positionserkennung einschließlich einer Steuereinheit (16 ) und Positionsdetektion (16 ), – Messung mindestens einer Messspannung (UC) an mindestens einem Anschluss (7 ;8 ;9 ), an dem von außen keine Erregung stattfindet, während zwischen wenigstens zwei anderen Anschlüssen (8 ,9 ;7 ,9 ;7 ,8 ) von außen eine Spannung (UCC) angelegt wird oder Vergleich der Spannung (UC) mit einer Referenzspannung, sowie – Durchführung der Messungen sowohl bei bewegtem Rotor (2 ) als auch bei ruhendem Rotor (2 ) zur Bestimmung der Rotorposition zum Starten der Maschine (1 ,11 ). - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrfache Wiederholung der Messung jeweils einer Messspannung (UC) an mindestens einem Anschluss (
7 ;8 ;9 ), an dem von außen keine Erregung stattfindet, während zwischen wenigstens zwei anderen Anschlüssen (8 ,9 ;7 ,9 ;7 ,8 ) von außen die Spannung (U) angelegt wird, durchgeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich während einer oder mehrerer Messungen oder einer oder mehrerer separaten Messungen die Ableitung der Messspannung (UC) am nicht erregten Anschluss ausgewertet wird, um Informationen über die magnetische Polarität des Rotors (
2 ) zu erhalten. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der jeweiligen Bestimmung der Rotorposition ein Starten oder ein Kommutieren der elektrischen Maschinen (
1 ,11 ) durchgeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Positionsbestimmung mittels einer Messung jeweils einer Messspannung (UC) an mindestens einem Anschluss (
7 ;8 ;9 ), an dem von außen keine Erregung stattfindet, während zwischen wenigstens zwei anderen Anschlüssen (8 ,9 ;7 ,9 ;7 ,8 ) von außen die Spannung (UCC) angelegt wird, eine Feststellung des Kommutierungsereignisses durchgeführt wird. - Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass kurzzeitig drei aufeinander folgende Kommutierungen (K1, K2, K3) aktiviert und das jeweils zugehörige Ausgangssignal (N1, N2, N3) des Komparators (
19 ) der Vorrichtung (10 ) zu jeder Messung als Messergebnisse in einem Speicher der Rechnereinheit (16 ,17 ) abgelegt werden, wobei die Zeiten so kurz eingestellt werden, dass die Messung weder zu einer mechanischen Bewegung des Rotors (2 ) führt noch mit einer vorhandenen mechanischen Bewegung des Rotors (2 ) wechselwirkt, wobei nach Abschluss der Messung die drei gespeicherten Messergebnisse zur Adressierung beim Auslesen (35 ) der aktuellen Rotorposition (36 ) aus einer im Speicher befindlichen Tabelle dienen und die bestimmte Rotorposition (36 ) angeben. - Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen 6, dadurch gekennzeichnet, dass In wenigstens drei Messungen mit Speicherung und Bestimmung der Rotorposition jeweils drei Schrittkombinationen durchgeführt werden: A) Messschritt (
29 ) mit dem Zustand Kommutierung (K1) anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt (30 ) mit Speicherung des Ausgabewertes (N1) am Ausgang des Komparators (20 ), B) Messschritt (31 ) mit dem Zustand Kommutierung (K2) anlegen mit nachfolgenden Speicherschritt (32 ) mit Speicherung des Ausgabewertes (N2) am Ausgang des Komparators (21 ), C) Messschritt (33 ) mit dem Zustand Kommutierung (K3) anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt (34 ) mit Speicherung des Ausgabewertes (N3) am Ausgang des Komparators (22 ), wobei die Speicherung der Werte (N1, N2, N3) und der Anschlüsse (7 ,8 ,9 ) in einer Tabelle des Speichers der Rechnereinheit (16 ,17 ) eingetragen werden und wobei danach die bestimmte Position (36 ) des Rotors (2 ) für die zugehörige Maschine (1 ,11 ) im Schritt (35 ) aus der Tabelle ausgelesen wird, wobei (N) jeweils den Vergleichswert zwischen der erfassten Messspannung (UC) und der Spannung (UR) am externen Sternpunkt aus dem Widerstandsnetzwert (18 ) oder einer Referenzspannung darstellt. - Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine wiederholte Kontrolle der Rotorposition nach der ersten Kommutierungsumschaltung mit folgenden Schritten durchgeführt wird: – Vor dem Anlegen der ersten Kommutierung (
39 ) erfolgt eine Positionsbestimmung (38 ) des Rotors (2 ), – mit der bestimmten Rotorposition aus Schritt (36 ) vor dem Start wird die entsprechende Kommutierung (39 ) nach Schritt (37 ) zum Starten der Maschine (1 ,11 ) angelegt und am dritten freien Anschluss (9 ) immer in den Zeitintervallen, in denen zwischen den anderen beiden Anschlüssen (7 ,8 ) durch ein Leis tungsteil (12 ) der Vorrichtung (10 ) eine Spannung (U) angelegt wird, wird die Spannungsdifferenz zwischen dem dritten, freien Anschluss (9 ) und der halben Spannung (UCC/2) oder der Spannung (UR) des externen Sternpunktes im Schritt (40 ) ausgewertet, – bei einem Wechsel des Vorzeichens der Spannungsdifferenz in Schritt (41 ) hat der Rotor (2 ) den ursprünglichen Bereich (48 ) oder (49 ) verlassen und es erfolgt eine erneute Positionsbestimmung in Schritt (42 ), – dann wird die bestimmte Position mit der um einen Schritt weiter geschalteten ursprünglichen Position im Schritt (43 ) verglichen, wobei anschließend eine Ergebnisermittlung mit zwei Möglichkeiten ermittelt wird: a. Stimmen beide Positionen gemäß dem Ergebnis (44 ) überein, so dreht der Rotor (2 ) in die richtige Richtung und es kann zum normalen Motorbetrieb umgeschaltet werden, b. Stimmen beide Positionen gemäß Ergebnis (45 ) nicht überein, so wird die Kommutierung entsprechend der gemessenen Position korrigiert und der Vorgang wird ab der korrigierten Kommutierung wiederholt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer Fehlkommutierung bei bereits rückwärts drehendem Rotor (
2 ) der Vorgang zwischen den Schritten der Kommutierung (39 ) und dem Vergleich (43 ) der gemessenen und gespeicherten Position solange wiederholt wird, bis eine Positionsbestimmung die Übereinstimmung von gemessener und weiter geschalteter Rotorposition bestätigt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung, welcher der beiden Pole (NP) oder (SP) im gemessenen Segmentintervall (
26 ,27 ,28 ) liegt, eine Bestimmung wenigstens eines Anstieges der erfassten Messspannung (UC) am dritten Anschluss (9 ) während der Positi onsbestimmung des Rotors (2 ) ausreicht und mit der Kenntnis der bestimmten Rotorposition sofort die Maschine (1 ,11 ) gestartet wird, ohne dass weitere Positionsbestimmungen zur Bestimmung der Drehrichtung durchgeführt werden müssen.
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