DE102007063386A1

DE102007063386A1 - Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen mit Vorrichtungen zur Kommutierung und Positionserkennung

Info

Publication number: DE102007063386A1
Application number: DE102007063386A
Authority: DE
Inventors: Jörg Krupar
Original assignee: TRIMOS GmbH
Current assignee: Dmos De GmbH
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: DE102007063386B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen (1, 11) mit Vorrichtungen (10) zur Kommutierung und Positionserkennung. Die Aufgabe besteht darin, dass eine 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 zugehörigen Maschinen (1, 11) mit Rotor (2) und Stator (3) sind in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit jeweils drei Anschlüssen (7, 8, 9) ausgebildet, wobei die Anschlüsse (7, 8, 9) an die Vorrichtung (10) geführt sind, und folgende Schritte sind vorgesehen: - 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 (17), - 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).

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 nach 1 als auch für eine Maschine 11 in Sternschaltung nach 2 genutzt sein. In den beiden 1 und 2 ist die jeweilige elektrische Maschine 1, 11 mit ihren Elementen: drehbarer Rotor 2 und bewickelter Stator 3, schematisch als Schaltsymbol dargestellt. Die Maschinen 1, 11 sind jeweils über die Anschlüsse 7, 8, 9 strangmäßig mit einer herkömmlichen Vorrichtung 10 zur Kommutierung und Positionserkennung verbunden.
In 3 ist ein Aufbau einer herkömmlichen Vorrichtung 10 zur Kommutierung und Positionserkennung – der Kommutierungselektronik –, wobei die Vorrichtung 10 über die Anschlussleitungen 7, 8, 9 an die elektrische Maschine 1, 11 angeschlossen ist, dargestellt. Die Vorrichtung 10 enthält ein von einer Steuereinheit 16 gesteuertes Leistungsteil 12, das im Wesentlichen eine Schaltergruppe 14 aus sechs gesteuerten Schaltern 141, 142, 143, 144, 145, 146, der Steuereinheit 16 und einer Baugruppe 17 zur Positionserkennung des Rotors 2 besteht. Die Baugruppe 17 zur Positionser kennung des Rotors 2 verarbeitet die Signale auf den Anschlussleitungen 7, 8, 9 der angeschlossenen elektrischen Maschine 1, 11 und stellt der Steuereinheit 16 die Informationen über die aktuelle Rotorposition zur Verfügung. Die Steuereinheit 16 generiert daraus die Signale für das Leistungsteil 12 und, falls nötig, zusätzliche Signale zur Ansteuerung der Baugruppe 17 zur Positionserkennung des Rotors 2.
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 Komparatoren 19 eingesetzt. Da ausschließlich die EMK bewertet wird, funktionieren diese Baugruppen bisher nur dann, wenn sich der Rotor 2 mit ausreichender Drehzahl dreht.
In 4 ist eine solche einfache Variante der Baugruppe 17 in Form einer Schaltung 171 gezeigt. Die Schaltung 171 erzeugt mit einem Widerstandnetzwerk 18 aus drei parallel geschalteten Widerständen eine externe Sternpunktspannung. Die drei Phasenspannungen an den Anschlüssen 7 M₁, 8 M₂, 9 M₃ der Maschine 1, 11 werden mittels der drei Komparatoren 19 mit der Spannung des externen Sternpunktes verglichen. Die Steuereinheit 16 wertet die Ausgangssignale N₁, N₂, N₃ der Komparatoren 19 aus und generiert daraus die Steuersignale für das Leistungsteil 12.
Eine andere Variante der Baugruppe 17 in Form der Schaltung 172 zur EMK-Detektion mit noch geringerem Bauelementeaufwand ist in 5 dargestellt. Sie benötigt nur einen Komparator 19. Das auch aus drei parallel geschalteten Widerständen bestehende Widerstandnetzwerk 18 erzeugt wie in der vorherigen Schaltung 171 eine externe Sternpunktspannung. Die Steuereinheit 16 legt mit Hilfe eines Umschalters 23 fest, welche der drei Phasenspannungen an den Anschlüssen 7 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 Rotors 2 zum Starten der Maschine 1, 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 Druckschrift US 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 der 3 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 Druckschrift US 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 U_R 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 U_C zwischen mindestens einem Anschluss, an dem von außen keine Erregung stattfindet, während an wenigstens zwei anderen Anschlüssen von außen eine Spannung U_CC 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 U_C an mindestens einem Anschluss, an dem von außen keine Erregung stattfindet, während zwischen wenigstens zwei anderen Anschlüssen von außen die Spannung U_CC angelegt wird, durchgeführt werden.
Zusätzlich kann während einer oder mehrerer Messungen oder einer oder mehrerer separaten Messungen die Ableitung der Messspannung U_C 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 U_C an mindestens einem Anschluss, an dem von außen keine Erregung stattfindet, während zwischen wenigstens zwei anderen Anschlüssen von außen die Spannung U_CC 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 U_CC die Messspannung U_C 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,

₁

₂

₃

_C

_R

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 U_CC angelegt wird, wird die Spannungsdifferenz zwischen dem dritten, freien Anschluss und der halben Spannung U_CC/2 oder der Spannung U_R 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 U_C 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 und 6b und 3 erläutert.
Die Erfindung nutzt die Abhängigkeit der Induktivität L₁, L₂, L₃ der Wicklungen 4, 5, 6 der Maschine 1, 11 von der Rotorstellung aus. Dabei kann aufgrund der noch beschriebenen veränderten Ansteuerung des Leistungsteils 12 sowohl das bestehende Leistungsteil 12 als auch die einfache Schaltung 171, 172 zur Detektion der EMK nach den 4 oder 5 auch zur Bestimmung der Rotorposition bei Stillstand der Maschine 1, 11 verwendet werden.
Das Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen 1, 11 mit einer Vorrichtung 10 zur Kommutierung und Positionserkennung, wobei die Maschinen 1, 11 mit einem Rotor 2 und einem 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, weist folgende Schritte auf:

– Festlegung einer Spannung U_R eines externen Sternpunktes oder einer anderen Vergleichs- oder Referenzspannung mittels der Vorrichtung 10 zur Kommutierung und Positionserkennung einschließlich einer Steuereinheit 16 und einer Positionsdetektion 17,
– Messung mindestens einer Messspannung U_C 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 U_CC – eine Versorgungsspannung – angelegt wird, sowie
– Durchführung der Messungen sowohl bei bewegtem Rotor 2 als auch bei ruhendem Rotor 2 zur Bestimmung der Rotorposition zum Starten der Maschine 1.

Zur Messung erfolgt während des Anlegens einer Spannung U_CC an zwei Anschlüssen 7, 8 der drei Anschlüsse 7, 8, 9 der Vergleich einer Messspannung U_C des offenen dritten Anschlusses 9 entweder mit der halben angelegten Spannung U_CC/2 oder mit der Spannung U_R des externen Sternpunktes.
Die Messspannung U_C am dritten Anschluss 9 ist abhängig von den Induktivitäten L₁, L₂, L₃ der drei Wicklungen 4, 5, 6. Aufgrund der Abhängigkeit der Aussteuerung der einzelnen Kerne der Induktivitäten L₁, L₂, L₃ von der Position des Rotors 2 sind auch die drei Induktivitäten L₁, L₂, L₃ und damit die Messspannung U_C abhängig von der Rotorposition. Nach wenigstens drei kurzzeitig und reihum durchgeführten Messungen, bei denen zwischen unterschiedliche Anschlüsse 7, 8; 8, 9; 9, 7 die Spannung U_CC angelegt wird und am jeweils dritten Anschluss 9; 7; 8 die Messspannung U_C ausgewertet wird, ist die Position des Rotors 2 hinreichend genau festgestellt, um die Maschine 1, 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 Anschluss 8 die Spannung U_CC angelegt. Die Einschaltzeit ist hier so kurz zu wählen, dass der durch Anlegen der Spannung U_CC in den Spulen 4, 5, 6 aufgebaute magnetische Fluss gegenüber dem durch die Magnete des Rotors 2 in die Spulen 4, 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 U_C am dritten Anschluss 9 aus.
Die Abhängigkeit der Messspannung U_C 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 Anschluss 9 erfasste Messspannung U_C ist größer als die halbe Spannung U_CC/2 bzw. größer als die Spannung U_R am extern festgelegten Sternpunkt.
B) Zeigt ein Pol auf die Induktivität L₃, wie in 6b gezeigt ist, gilt L₂ > L₃ und die am Anschluss 9 erfasste Messspannung U_C ist geringer als die halbe Spannung U_CC/2 und als die Spannung U_R 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 Komparators 19 zu jeder Messung in einem Speicher der Rechnereinheit 16, 17 abgelegt. Die Zeiten sind so kurz eingestellt, dass die Messung weder zu einer mechanischen Bewegung des Rotors 2 führt noch mit einer vorhandenen mechanischen Bewegung des Rotors 2 wechselwirkt. Nach Abschluss der Messung dienen die drei gespeicherten Messergebnisse zur Adressierung beim Auslesen 35 der aktuellen Rotorposition 36 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 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,

₁

₂

₃

7

8

9

2

1

Messung			Spannung an Anschlüssen	Komparatoranschluss N_x
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

Dabei stellt N jeweils den Vergleichswert zwischen der erfassten Messspannung U_C und der Spannung am externen Sternpunkt aus dem Widerstandsnetzwerk 18 oder der Vergleichs- oder Referenzspannung dar. Eine Diskretisierung der so ausgelesenen Rotorstellung ist in 8 dargestellt. Mit der Messung kann festgestellt werden, in welchem der zwischen den gestrichelten Linien befindlichen Bereiche 48, 49 oder detaillierter – in den Segmentintervallen 26, 27, 28 – ein Pol NP oder SP des Rotors 2 liegt.
In 8a sind eine erste Rotorpositionsbestimmung anhand von drei durchgeführten Messungen M₁, M₂, M₃ und in 8b eine zweite Rotorpositionsbestimmung anhand von ebenfalls drei durchgeführten Messungen M₁, M₂, M₃ gezeigt. Liegt der Rotor z. B. in der in 8a dargestellten Position ist, lautet die ermittelte Folge der Vorzeichen „+ + -„ (Zeile 2 in Tab. 1) und zum Start der Maschine ist die Spannung U_CC zwischen den Anschlüssen 8 und 9 anzulegen. Für die in 8b dargestellte Rotorposition ergibt die Messung die Vorzeichenfolge „+ + +" (Zeile 3 in Tab. 1). Zum Start der Maschine ist die Spannung U_CC ebenfalls zwischen den Anschlüssen 8 und 9 anzulegen. Mit dem Verfahren kann nicht festgestellt werden, welcher der beiden Pole im detektierten Bereich 48, 49 liegt. Zur Feststellung, welcher der beiden Pole NP oder SP in diesem Bereich 48, 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 Maschine 1 mit Überprüfung der Position des Rotors 2 nach der Kommutierungsumschaltung.
Vor dem Anlegen der ersten Kommutierung 39 erfolgt eine Positionsbestimmung 38 nach 7. Mit der ermittelten Rotorposition 36 in 7 vor dem Start wird die entsprechende Kommutierung 39 nach Schritt 37 zum Starten der Maschine 1 angelegt und jeweils am dritten freien Anschluss 9; 8; 7 immer in den Zeitintervallen, in denen zwischen den jeweils anderen beiden Anschlüssen 7, 8; 7, 9; 8, 9 durch das Leistungsteil 12 eine Spannung U_CC angelegt wird, die Spannungsdifferenz zwischen dem dritten, freien Anschluss 9 und der halben Spannung U_CC/2 oder der Spannung U_R des externen Sternpunktes im Schritt 40 ausgewertet. Wechselt die Spannungsdifferenz in Schritt 41 das Vorzeichen, so hat der Rotor 2 den ursprünglichen Bereich 48 oder 49 verlassen und es erfolgt eine erneute Positionsbestimmung in Schritt 42. Die Positionsbestimmung wird mit der um einen Schritt weiter geschalteten ursprünglichen Position im Schritt 43 verglichen.

1. 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, bei dem die Positionsbestimmung nach 7 nicht mehr nötig ist, jedoch aufgrund der noch nicht auswertbaren EMK das Verlassen des aktuellen Abschnittes, in dem sich der Rotor 2 befindet, durch Auswertung der erwähnten Spannungsdifferenz, während die Spannung U_CC zwischen den Anschlüssen 7, 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 Kommutierung 39 und dem Vergleich 43 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 Anschlüssen 7, 8 der drei Anschlüsse 7, 8, 9 die Spannung U_CC anliegt, der Strom an den Induktivitäten L₁, L₂, L₃ steigt, ändert sich ebenfalls die Aussteuerung und somit die Induktivität L₁, L₂, L₃ der Motorwicklungen 4, 5, 6 während dieser Zeit. Dies führt zu einer sich ändernden Messspannung U_C am dritten Anschluss 9 der Maschine 1, 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 U_C am dritten Anschluss 9 während der Positionsbestimmung des Rotors 2 aus. Mit der Kenntnis dieser Rotorposition kann sofort die Maschine 1, 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 U_CC zwischen zwei Anschlüssen 7, 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 Maschine 1, 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 U_CC
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
U_CC: Spannung
U_R: Referenzspannung
U_C: Messspannung
L₁: erste Induktivität
L₂: zweite Induktivität
L₃: dritte Induktivität
N: Komparatorausgabewert
N₁: Ausgabewert
N₂: Ausgabewert
N₃: Ausgabewert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2511567 A1 [0002]
- US 5254914 A [0011, 0012]
- EP 1005716 [0012]
- DE 10064486 A1 [0015]

Claims

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 (U_R) 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 (U_C) 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 (U_CC) angelegt wird oder Vergleich der Spannung (U_C) 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 (U_C) 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 (U_C) 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 (U_C) 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_CC) 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 (U_C) und der Spannung (U_R) 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 (U_CC/2) oder der Spannung (U_R) 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 (U_C) 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.