DE102007063386B4

DE102007063386B4 - Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen mit Vorrichtungen zur Kommutierung und Positionserkennung

Info

Publication number: DE102007063386B4
Application number: DE102007063386.8A
Authority: DE
Inventors: Jörg Krupar
Original assignee: DMOS GmbH
Current assignee: Dmos De GmbH
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2027-12-19
Also published as: DE102007063386A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von der elektrischen Rotorposition einer elektrischen Maschine (1,11) mit einer Vorrichtung (10) zur Kommutierung und Positionserkennung, wobei die Maschine (1,11) mit Rotor (2) und Stator (3) mit Wicklungen (4,5,6) in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit jeweils drei Anschlüssen (7,8,9) ausgebildet ist, wobei die Anschlüsse (7,8,9) an die Vorrichtung (10) geführt sind, die zumindest eine Steuereinheit (16), eine Positionsdetektion (17) und ein Leistungsteil (12) enthält, wobei an die Positionsdetektion (17) die Statoranschlüsse (7,8,9) geführt sind und wobei die Maschine (1,11) in Segmentintervalle (26,27,28) eingeteilt wird, mit folgenden Schritten:- Anlegen einer Spannung (U) an zwei Anschlüssen (8,9;7,9;7,8) der drei Anschlüsse (7,8,9),- Messung mindestens einer Messspannung (Uc) am dritten Anschluss (7;8;9), an dem von außen keine Erregung stattfindet, und- Durchführung der Messungen entweder bei bewegtem Rotor (2) oder bei ruhendem Rotor (2) zur Bestimmung der Rotorposition zum Starten der Maschine (1,11)unter Ausnutzung der Abhängigkeit der Induktivität der Statorwicklungen von der Rotorstellung, wobei am nicht erregten dritten Anschluss (7;8;9) eine eindeutige Rotorlage ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet,- dass unter Ausnutzung der Abhängigkeit der Induktivität (L1,L2,L3) der Wicklungen (4,5,6) der Maschine (1,11) von der Rotorstellung und dem eingespeisten Strom während einer oder mehrerer Messungen die Ableitung der Messspannung (Uc) am nicht erregten dritten Anschluss (7;8;9) ausgewertet wird, wobei eine Bestimmung wenigstens eines Anstieges der erfassten Messspannung (Uc) am dritten Anschluss (7;8;9) zur Bestimmung der Lage von Nordpol (NP) und von Südpol (SP) des Rotors (2) im gemessenen Segmentintervall (26,27,28) durchgeführt wird, wobei die Ableitung der Messspannung (Uc) den Anstieg der Messspannung (Uc) darstellt.

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 mit Wicklungen in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit jeweils drei Anschlüssen ausgebildet sind, wobei die Anschlüsse an die Vorrichtung geführt sind, die zumindest eine Steuereinheit, eine Positionsdetektion und ein Leistungsteil enthält, wobei an die Positionsdetektion die Statoranschlüsse geführt sind und wobei die Maschine in Segmentintervalle eingeteilt wird, mit folgenden Schritten:

- Anlegen einer Spannung U an zwei Anschlüssen der drei Anschlüsse,
- Messung mindestens einer Messspannung Uc am dritten Anschluss, an dem von außen keine Erregung stattfindet, sowie
- Durchführung der Messungen entweder bei bewegtem Rotor oder bei ruhendem Rotor zur Bestimmung der Rotorposition zum Starten der Maschine.

Die elektrische Maschine kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein. Eine solche Maschine ist in der Druckschrift DE 25 11 567 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 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 Positionserkennung 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, 8, 9 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. Das Problem besteht darin, dass die Verfahren 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 B1 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 Motoranschluss 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. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung, zum Starten, zur weiteren Kommutierung und zur Überstromerkennung eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist in der Druckschrift DE 10 2004 055 156 A1 beschrieben. Die Vorrichtung ist mit einem Permanentmagnet- oder gleichstromerregenden Rotor und einem eine dreiphasige Wicklung tragenden Stator, sowie einer von einer Ansteuerlogik gesteuerten Schaltvorrichtung mit sechs Transistoren, die in einer Sechs-Puls-Brückenschaltung zusammen gefasst sind, zum folgerichtigen Anschließen der Statorwicklungen an eine Netzgleichspannung versehen. Die Statorwicklungen sind während des Rotorstillstandes durch entsprechende Ansteuerung der Schaltvorrichtung mit einer Mehrzahl, insbesondere von sechs kurzen Teststromimpulsen beaufschlagbar. Die Vorrichtung weist für jede der drei Phasen einen Komparator auf, dessen einer Eingang mit der zugehörigen Phase des Elektromotors verbunden und dessen zweiter Eingang mit einer Referenzspannung beaufschlagt ist, wobei die Ausgänge der Komparatoren mit der Ansteuerlogik verbunden sind, welche zumindest einen Zähler zum Messen der Stromanstiegszeit bis zum Erreichen eines Schwellwertes und einen Speicher aufweist, der zum Speichern des Zählerstandes, des Levels des Komparators der jeweiligen Phase und des Bestromungszustandes des relevanten Teststromimpulses dient. Bei dem Verfahren zur Bestimmung der Drehstellung des bürstenlosen Gleichstrommotors mit der vorgenannten Vorrichtung wird der Zähler mit Zuschalten eines jeden Teststromimpulses gestartet. Die Spannung wird über den geschalteten zur Masse liegenden Transistor gemessen und über einen jeweils ersten Komparator mit einer ersten Referenzspannung für die Stromlageerkennung verglichen, wobei der Zähler bei Überschreiten der Referenzspannung gestoppt wird und der Zählerstand sowie der zugehörige Bestromungszustand des Teststromimpulses im Speicher abgelegt werden. Die Teststromimpulse sind so kurz, dass hierdurch keine Drehung des Elektromotors entsteht. Um einen Einsatz für ein schnelles Hochlaufen des Elektromotors zu ermöglichen, wird im Stillstand des Elektromotors die Läuferposition für einen dreiphasigen Motor mit zwei Polpaaren bis auf 30° elektrisch verbessert, indem sechs kurze Teststromimpulse auf die Wicklungen des Motors gegeben und das Bestromungsmuster des Teststromimpulses mit der kürzesten Stromanstiegszeit bestimmt wird. Hierdurch entsteht eine Rotorlageerkennung mit einer Auflösung von 60° elektrisch. Zusätzlich wird über der nicht bestromten Phase eine induzierte Spannung am induktiven Spannungsteiler gemessen und mit einer Referenzspannung zur EMK-Erfassung, also mit der halben Betriebsspannung verglichen. Durch Hinterlegen des entsprechenden Ergebnisses kann die Auflösung bis auf 30° elektrisch verbessert werden. Eine entsprechende Vorrichtung beinhaltet lediglich die übliche Sechs-Puls-Brücken-Schaltung sowie eine Ansteuerlogik und drei Komparatoren.
Ein Problem besteht darin, dass Testsignale zum Bestimmen der Positionen des Rotors während des Startens und des Betriebes eingesetzt werden. Dabei werden zur Bestimmung der initialen Rotorposition Stromanstiegsmessungen durchgeführt. Infolgedessen ist eine Referenzumschaltvorrichtung zur Umschaltung der Referenzspannungen der Komparatoren vorgesehen. Es wird der Innenwiderstand der Leistungsschalter im durchgesteuerten Zustand zur Strommessung benutzt. Ein Problem dabei ist die relativ starke Exemplarstreuung dieses Parameters im Bereich von +/-30%. Diese kann zu fehlerhaften Ergebnissen in der Positionsdetektion führen. Das angegebene Verfahren basiert auf Stromanstiegsmessungen und damit auf zusätzlicher Hardware. Die Hardware besteht entweder in der Referenzspannungs-umschaltung oder in zusätzlichen Komparatoren, die den Vergleich mit anderen Referenzen benötigen. Ohne diese zusätzliche Hardware kann das Verfahren keine Positionsbestimmung im Stillstand durchführen.
Ein Motorsteuerungsverfahren für einen N(N>2)-phasigen Motor ist in der Druckschrift EP 1 833 157 A1 beschrieben. Dort erfolgen das Starten mit N-Motorwicklungen bei der Einspeisung eines Prüfstromes und eines Startstromes in einem Prüf- und einem Start-Modus und das Betreiben des N(N>2)-phasigen Motors bei der Einspeisung des Betriebsstroms in einem Gegen-EMK-Modus, wobei das Motorsteuerungsverfahren folgende Schritte enthält:

- Erzeugen eines Prüfsignals, eines Startsignals und eines normalen Betriebssignals,
- Produzieren des Prüfsignals, des Startsignals und des Betriebssignals, basierend auf dem Prüfsteuersignal, dem Startsteuersignal und dem Betriebssteuersignal,
- Erzeugen einer Pseudo-Sternpunktspannung, die die mittlere Spannung auf den N-phasigen Motoranschlüssen darstellt,
- Erfassen einer Sternpunkt-Spannungdifferenz, die die Differenz zwischen der Sternpunktspannung und einem allgemeinen Verzweigungspunkt zu den N-phasigen Motorwicklungen und der Pseudo-Sternpunktspannung anzeigt, und
- Ausgeben eines erfassten resultierenden Signals,

Ein Problem besteht darin, dass zur Positionsbestimmung die Spannung des 30 tatsächlichen Sternpunktes mit der Spannung des künstlichen Sternpunktes und nicht die Spannung an der offenen Phase mit der Spannung am künstlichen Sternpunkt verglichen wird. Den Vergleich führen Komparatoren durch. Das Verfahren ist nur für Motoren in Sternschaltung einsetzbar.
Ein Stillstandrotorpositionserkennungsverfahren in einer Ansteuerschaltung eines bürstenlosen Dreiphasenelektromotors mit drei Motoranschlüssen ist in der Druckschrift DE 10 2007 050 663 A1 mit folgenden Schritten beschrieben:

- Beaufschlagen von zwei der drei Motoranschlüssen mit einer Messfolge, bei der motoranschlusswechselseitig nacheinander an jedem Motoranschluss und mit unterschiedlichen Vorzeichen Gleichspannungen an zwei der Motoranschlüsse angelegt werden, wobei die Gleichspannung in einem begrenzten Zeitraum im Wesentlichen gleich bleibt,
- Messen der induzierten Spannung am jeweils dritten unbestromten Motoranschluss innerhalb des Zeitraums und ein oder mehrere Male während einer Messfolge,
- Bewerten der während der Messfolge gemessenen Spannungen hinsichtlich der Rotorposition.

Die eingesetzten Vorrichtungen enthalten gegebenenfalls einen Multiplexer sowie zumindest einen dem Multiplexer oder den Anschlüssen nachgeschalteten Komparator. Auch wird die Bestimmung der Rotorposition mit bestimmten Winkelsegmentbereichen in Verbindung gebracht.
Das Problem besteht darin, dass die Anwendung zu einer Mehrdeutigkeit der Rotorposition von 180° el. führt, d.h. mit dem Verfahren ist nicht die Polarität der anzulegenden Spannung für den Start des Motors in die richtige Richtung bestimmbar. Dazu sind weitere Messungen nötig, die nach dem Stand der Technik wieder auf zusätzliche Strommessungen wie im Datenblatt „The Smart™ Technique for BLDC Motors“, Application Brief 42020, Fairchild Semiconductors™, Rev. 1.0 10/15/2000, September 1996 hinausführen.
Aus US2001/0030517 A1 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen mit Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung anzugeben, das derart geeignet ausgebildet ist, die Mehrdeutigkeit der Rotorposition von elektrisch 180° zu vermeiden und eine Eindeutigkeit mittels einer Bestimmung der Polarität der anzulegenden Spannung für den Start des Motors in die richtige Richtung zu ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen mit Vorrichtungen zur Kommutierung und Positionserkennung, wobei die Maschinen mit Rotor und Stator mit Wicklungen in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit jeweils drei Anschlüssen ausgebildet sind, wobei die Anschlüsse an die Vorrichtung geführt sind, die zumindest eine Steuereinheit, eine Positionsdetektion und ein Leistungsteil enthält, wobei an die Positionsdetektion die Statoranschlüsse geführt sind und wobei die Maschine in Segmentintervalle eingeteilt wird, weist folgende Schritte auf:

- Anlegen einer Spannung U an zwei Anschlüssen der drei Anschlüsse,
- Messung mindestens einer Messspannung U_c am dritten Anschluss, an dem von außen keine Erregung stattfindet, und sowie
- Durchführung der Messungen entweder bei bewegtem Rotor oder bei ruhendem Rotor zur Bestimmung der Rotorposition zum Starten der Maschine unter Ausnutzung der Abhängigkeit der Induktivität der Statorwicklungen von der Rotorstellung, wobei am nicht erregten dritten Anschluss eine eindeutige Rotorlage ermittelbar ist,
- wobei unter Ausnutzung der Abhängigkeit der Induktivität L1. L. L3 der Wicklungen der Maschine von der Rotorstellung und dem von eingespeisten Strom während einer oder mehrerer Messungen die Ableitung der Messspannung U_c am nicht erregten dritten Anschluss ausgewertet wird, wobei eine Bestimmung wenigstens eines Anstieges der erfassten Messspannung U_c am dritten Anschluss zur Bestimmung der Lage von Nordpol und von Südpol des Rotors im gemessenen Segmentintervall durchgeführt wird, wobei die Ableitung der Messspannung U_c den Anstieg der Messspannung U_c darstellt.

Es kann eine mehrfache Wiederholung der Messungen durchgeführt werden.
Nach der jeweiligen Bestimmung der Rotorposition kann ein Starten oder ein Kommutieren der elektrischen Maschinen durchgeführt werden. Nach einer Positionsbestimmung mittels einer Messung kann eine Feststellung des Kommutierungsereignisses durchgeführt werden.
Es können auch kurzzeitig drei aufeinanderfolgende Kommutierungen K1,K2,K3 aktiviert und der jeweils zugehörige Anstieg der Mssspannung U_c zu jeder Messung als Messergebnisse in einem Speicher der Rechnereinheit abgelegt wird, 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 ermittelte Rotorposition angeben.
In wenigstens drei Messungen mit Speicherung und Bestimmung der Rotorposition jeweils drei Schrittkombinationen durchgeführt werden:

A) Messschritt in mit dem Zustand der Kommutierung K1 anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt mit Speicherung des Anstieges,
B) Messschritt in mit dem Zustand der Kommutierung K2 anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt mit Speicherung des Anstieges,
C) Messschritt in mit dem Zustand Kommutierung K3 anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt mit Speicherung des Anstieges,

_c

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 der Diskretisierung der gemessenen Rotorposition bei einer Maschine mit Segmentintervallen sowie Rotor und Stator nach dem Stand der Technik und
5 einen Ablaufplan zur vollständigen Bestimmung der Rotorposition.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand der 3 und 4 erläutert. Das Verfahren zur Bestimmung von elektrischen Rotorpositionen in elektrischen Maschinen 1,11 mit Vorrichtungen 10 zur Kommutierung und Positions-erkennung, wobei die Maschinen 1,11 mit Rotor 2 und Stator 3 mit Wicklungen 4,5,6 in Dreieckschaltung gemäß 4 mit jeweils drei Anschlüssen 7,8,9 ausgebildet sind, wobei die Anschlüsse 7,8,9 an die Vorrichtung 10 gemäß 3 geführt sind, die zumindest eine Steuereinheit 16, eine Positionsdetektion 17 und ein Leistungsteil 12 enthält, wobei an die Positionsdetektion 17 die Statoranschlüsse 7,8,9 geführt sind und wobei die Maschine 1,11 in diskretisierte Bereiche 48,49 von Segmentintervallen 26,27,28 gemäß 4 eingeteilt wird, weist folgende Schritte auf:

- Anlegen einer Spannung U an zwei Anschlüssen 7,8 der drei Anschlüsse 7,8,9,
- Messung der Messspannung U_c am dritten Anschluss 9, an dem von außen keine Erregung stattfindet, sowie
- Durchführung der Messungen entweder bei bewegtem Rotor 2 oder bei ruhendem Rotor 2 zur Bestimmung der Rotorposition zum Starten der Maschine 1,11.

Erfindungsgemäß wird während einer oder mehrerer Messungen die Ableitung der Messspannung U_c am nicht erregten Anschluss 7;8;9 ausgewertet, wobei eine Bestimmung wenigstens eines Anstieges der erfassten Messspannung U_c am dritten Anschluss 7;8;9 zur Bestimmung der Lage von Nordpol NP und von Südpol SP des Rotors 2 im gemessenen Segmentintervall 26,27,28 durchgeführt wird, wobei die Ableitung der Messspannung U_c den Anstieg der Messspannung U_c darstellt.
Es kann eine mehrfache Wiederholung der Messungen durchgeführt werden.
Nach der jeweiligen Bestimmung der Rotorposition kann ein Starten oder ein Kommutieren der elektrischen Maschinen 1,11 durchgeführt werden.
Nach einer Positionsbestimmung mittels einer Messung kann eine Feststellung des Kommutierungsereignisses durchgeführt werden. Die Erfindung nutzt die Abhängigkeit der Induktivität L₁, L₂, L₃ der Wicklungen 4, 5, 6 der Maschine 1, 11 von der Rotorstellung und dem eingespeisten Strom aus.
Zur Messung erfolgt während des Anlegens einer Spannung U_CC an zwei Anschlüssen 7, 8 der drei Anschlüsse 7, 8, 9 die Messung des Anstieges einer Messspannung U_C des offenen dritten Anschlusses 9. Nach wenigstens drei kurzzeitig und reihum durchgeführten Messungen, bei denen zwischen unterschiedliche Anschlüsse 7, 8;8, 9;9, 7 die Spannung U angelegt wird und am jeweils dritten Anschluss 9;7;8 der Anstieg der Messspannung U_C ausgewertet wird, ist die Position des Rotors 2 hinreichend genau festgestellt, um die Maschine 1, 11 starten zu können. 5 zeigt den Ablaufplan zur vollständigen Bestimmung der Rotorposition. Es werden kurzzeitig drei aufeinander folgende Kommutierungen K₁, K₂, K₃ aktiviert und der zugehörige Anstieg 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 gemäß 5 folgende Schrittkombinationen durchgeführt:

A) Messschritt 29 mit dem Zustand Kommutierung K₁ anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt 30 mit Speicherung des Anstieges,
B) Messschritt 31 mit dem Zustand Kommutierung K₂ anlegen mit nachfolgenden Speicherschritt 32 mit Speicherung des Anstieges,
C) Messschritt 33 mit dem Zustand Kommutierung K₃ anlegen mit nachfolgendem Speicherschritt 34 mit Speicherung des Anstieges,

DE 10 2007 050 663 A1

4

Die zugehörige Auswertung des Einflusses des Spulenstromes 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, d.h. mit einer solchen Messung ist die Rotorposition mit 180° Auflösung bestimmt. Durch mehrfache Wiederholung der Messungen an unterschiedlichen Motoranschlüssen 7,8,9 wird die Auflösung der gemessenen Rotorposition erhöht. Mit der Kenntnis dieser Rotorposition kann sofort die Maschine 1, 11 gestartet werden, ohne weitere Positionsbestimmungen zur Bestimmung der Drehrichtung durchführen zu müssen.
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.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Maschine in Dreieckschaltung
2: Rotor
3: Stator mit Wicklungen
4: Wicklung
5: Wicklung
6: Wicklung
7: Anschluss
8: Anschluss
9: Anschluss
10: Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung
11: Elektrische Maschine in Sternschaltung
12: Leistungsteil
13: Spannung U
14: Schaltergruppe
15: Steuerleitung der Schalter
16: Steuereinheit
17: Positionsdetektion
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
UR: Referenzspannung
UC: Messspannung
L1: erste Induktivität
L2: zweite Induktivität
L3: dritte Induktivität
N: Komparatorausgabewert

Claims

Verfahren zur Bestimmung von der elektrischen Rotorposition einer elektrischen Maschine (1,11) mit einer Vorrichtung (10) zur Kommutierung und Positionserkennung, wobei die Maschine (1,11) mit Rotor (2) und Stator (3) mit Wicklungen (4,5,6) in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung mit jeweils drei Anschlüssen (7,8,9) ausgebildet ist, wobei die Anschlüsse (7,8,9) an die Vorrichtung (10) geführt sind, die zumindest eine Steuereinheit (16), eine Positionsdetektion (17) und ein Leistungsteil (12) enthält, wobei an die Positionsdetektion (17) die Statoranschlüsse (7,8,9) geführt sind und wobei die Maschine (1,11) in Segmentintervalle (26,27,28) eingeteilt wird, mit folgenden Schritten: - Anlegen einer Spannung (U) an zwei Anschlüssen (8,9;7,9;7,8) der drei Anschlüsse (7,8,9), - Messung mindestens einer Messspannung (Uc) am dritten Anschluss (7;8;9), an dem von außen keine Erregung stattfindet, und - Durchführung der Messungen entweder bei bewegtem Rotor (2) oder bei ruhendem Rotor (2) zur Bestimmung der Rotorposition zum Starten der Maschine (1,11)unter Ausnutzung der Abhängigkeit der Induktivität der Statorwicklungen von der Rotorstellung, wobei am nicht erregten dritten Anschluss (7;8;9) eine eindeutige Rotorlage ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, - dass unter Ausnutzung der Abhängigkeit der Induktivität (L1,L2,L3) der Wicklungen (4,5,6) der Maschine (1,11) von der Rotorstellung und dem eingespeisten Strom während einer oder mehrerer Messungen die Ableitung der Messspannung (Uc) am nicht erregten dritten Anschluss (7;8;9) ausgewertet wird, wobei eine Bestimmung wenigstens eines Anstieges der erfassten Messspannung (Uc) am dritten Anschluss (7;8;9) zur Bestimmung der Lage von Nordpol (NP) und von Südpol (SP) des Rotors (2) im gemessenen Segmentintervall (26,27,28) durchgeführt wird, wobei die Ableitung der Messspannung (Uc) den Anstieg der Messspannung (Uc) darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrfache Wiederholung der Messungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach der jeweiligen Bestimmung der Rotorposition ein Starten oder ein Kommutieren der elektrischen Maschinen (1,11) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Positionsbestimmung mittels einer Messung eine Feststellung des Kommutierungsereignisses durchgeführt wird.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass kurzzeitig drei aufeinanderfolgende Kommutierungen (K1,K2,K3) aktiviert und der jeweils zugehörige Anstieg der Messspannung (L1c) zu jeder Messung als Messergebnisse in einem Speicher der Rechnereinheit (16,17) abgelegt wird, 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 ermittelte Rotorposition (36) angeben.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens drei Messungen mit Speicherung und Bestimmung der Rotorposition jeweils drei Schrittkombinationen durchgeführt werden: A) Messschritt (29) in dem Zustand der Kommutierung (K1) mit nachfolgendem Speicherschritt (30) mit Speicherung des Anstieges, B) Messschritt (31) in dem Zustand der Kommutierung (K2) mit nachfolgendem Speicherschritt (32) mit Speicherung des Anstieges, C) Messschritt (33) in dem Zustand Kommutierung (K3) mit nachfolgendem Speicherschritt (34) mit Speicherung des Anstieges, wobei die Speicherung der Anstiege und der Anschlüsse (7,8,9) in einer Tabelle des Speichers der Rechnereinheit (16,17) eingetragen werden und wobei danach die ermittelte Position (36) des Rotors (2) für die zugehörige Maschine (1,11) im Schritt (35) aus der Tabelle ausgelesen wird.