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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation einer Reluktanz eines Synchronmotors sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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US 2007/0241715 A1 und
US 2008/0048606 A1 zeigen Ansätze zur Regelung von Elektromotoren, wobei elektrische Kenngrößen, wie z. B. Induktivität, ermittelt werden und in die Regelung einfließen.
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Zur Identifikation einer Reluktanz von Synchronmotoren ist bisher vorgesehen, Testpulse in verschiedene Richtungen zu erzeugen. Aus dem Verhältnis zwischen den Spannungszeitflächen und den Stromänderungen wird die jeweilige Induktivität ermittelt. Durch Auswertung eines winkelabhängigen Verlaufs der Induktivität, z. B. Berechnung eines Maximal- und Minimalwerts, werden die Induktivitäten in einer d- und q-Achse eines für die Beschreibung von Systemen wie Synchronmotoren häufig verwendeten d–q-Systems bestimmt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik, der zur Identifikation einer Reluktanz eines Synchronmotors zumindest Sonderfunktionen eines Steuersatzes für den Synchronmotor erfordert, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein einfaches und unkompliziert zu realisierendes Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zur Identifikation einer Reluktanz eines Synchronmotors anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dazu wird bei einem Verfahren zur Identifikation einer Reluktanz eines Synchronmotors der Synchronmotor mit Gleichstrom steigender Stromstärke beaufschlagt (bestromt), eine Ausrichtung einer von dem Synchronmotor umfassten Motorachse überwacht, bei einer Veränderung der Ausrichtung der Motorachse die momentane Stromstärke des Gleichstroms ermittelt und mit der ermittelten Stromstärke die Reluktanz des Synchronmotors abgeleitet. Eine korrespondierende Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens umfasst ein Bestromungsmittel zur Bestromung des Synchronmotors mit Gleichstrom steigender Stromstärke und einer Motorachsüberwachung zur Überwachung einer Ausrichtung einer von dem Synchronmotor umfassten Motorachse, wobei bei einem Ansprechen der Motorachsüberwachung eine zu diesem Zeitpunkt von dem Bestromungsmittel abgegebene Stromstärke des Gleichstroms erfassbar und auf dieser Basis eine Reluktanz des Synchronmotors ermittelbar ist, und zwar anhand weiter unten erläuterter formelmäßiger Zusammenhänge.
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Der Vorteil der Erfindung besteht vor allem darin, dass das Einprägen eines Gleichstroms sehr einfach realisierbar ist. Es ist keine Sonderfunktion des Steuersatzes oder der Regelung notwendig. Die Auswertung kann zudem bei vergleichsweise hohem Gleichstrom erfolgen, so dass auch ein Sättigungsverhalten der in dieser Hinsicht kritischen Komponenten des Synchronmotors berücksichtigt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass nach einer ersten Veränderung der Ausrichtung der Motorachse und Erfassen der damit assoziierten ersten Stromstärke des Gleichstroms die Bestromung des Synchronmotors mit Gleichstrom fallender Stromstärke fortgesetzt wird. Dann wird bei einer erneuten Veränderung der Ausrichtung der Motorachse die momentane Stromstärke des Gleichstroms als zweite Stromstärke erfasst und die Reluktanz des Synchronmotors wird auf Basis eines Mittelwertes von erster und zweiter Stromstärke ermittelt. Die zur Ausführung dieses Verfahrens erweiterte korrespondierende Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass Motorachsüberwachung und Bestromungsmittel derart miteinander kombiniert oder koordiniert sind, dass bei einem Ansprechen der Motorachsüberwachung das Bestromungsmittel zur Bestromung des Synchronmotors mit fallender Stromstärke umschaltbar ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass durch Berücksichtigung eines Mittelwerts aus erster Stromstärke, bei dem bei steigendem Gleichstrom eine erste Veränderung der Ausrichtung der Motorachse aufgetreten war, und zweiter Stromstärke, bei dem sich die Ausrichtung der Motorachse bei fallender Stromstärke erneut geändert hat, Reibungsmomente kompensiert werden (Drehung beim Erhöhen und Rückdrehung beim Absenken).
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Eine Veränderung der Ausrichtung der Motorachse ist besonders einfach anhand eines Signals erkennbar, das im Betrieb von einem der Motorachse zugeordneten Geber, insbesondere einem Drehzahl- oder Positionsgeber, erhältlich ist. Eine alternative Möglichkeit zur Erkennung einer Veränderung der Ausrichtung der Motorachse besteht darin, dass ein Auftreten einer im Synchronmotor induzierten Spannung überwacht und erkannt wird.
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Die Vorrichtung zur Identifikation einer Reluktanz eines Synchronmotors umfasst bevorzugt Mittel zur Ausführung des Verfahrens wie oben skizziert und nachfolgend weiter beschrieben, also insbesondere eine Steuerungseinrichtung mit einer Verarbeitungseinheit nach Art eines Prozessors oder dergleichen, die geeignet und vorgesehen ist, in einem der Steuerungseinheit zugeordneten Speicher hinterlegten Programmcode zur Initiierung einzelner Verfahrensschritte oder zur Aktivierung oder Deaktivierung des Bestromungsmittels und/oder der Motorüberwachung sowie zur Ermittlung der Reluktanz des Synchronmotors auszuführen. Insoweit betrifft die Erfindung auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer, also z. B. die vorgenannte Steuerungseinheit, ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens wie hier oder nachfolgend beschrieben, sowie ein Computerprogrammprodukt, insbesondere Speichermedium, mit durch einen Computer ausführbaren derartigem Computerprogramm.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen.
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Es zeigen
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1 einen Synchronmotor mit Mitteln zur Umsetzung des Ansatzes gemäß der Erfindung und
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2 sowie
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3 eine graphische Darstellung einer Drehmoment-Winkel-Kennlinie zur Erläuterung des Verfahrens.
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1 zeigt in schematisch vereinfachter Darstellung einen Synchronmotor 10 mit davon umfassten Spulen 12, 14, 16 zur Erzeugung eines Drehfelds, sowie einen im Betrieb des Synchronmotors 10 in dem Drehfeld drehbaren Rotor 18. Der Rotor 18 steht in an sich bekannter Art und Weise mit einer Motorachse 20 in Verbindung, so dass die im Synchronmotor 10 erzeugte Rotationsenergie wie üblich, z. B. für Antriebsaufgaben, nutzbar ist. Zur Erzeugung eines Drehfelds ist bekanntlich erforderlich, dass der Synchronmotor 10 mit einem Drehstrom beaufschlagt ist, was hier durch ein Dreileitersystem 22 dargestellt ist. Das Dreileitersystem 22 wird von einer zuschaltbaren Drehstromquelle 24, z. B. einem Frequenzumrichter, gespeist.
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Zur Identifikation einer Reluktanz eines Synchronmotors 10 ist entsprechend dem Ansatz gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der Synchronmotor 10 mit Gleichstrom steigender oder fallender Stromstärke bestromt wird. Dazu dient ein Bestromungsmittel 26, das eine Gleichstromquelle 28 umfasst. Das Bestromungsmittel 26 kann zudem eine Schaltvorrichtung 30 umfassen, die gewährleistet, dass stets entweder nur die Drehstromquelle 24 oder die Gleichstromquelle 28 mit dem Dreileitersystem 22 verbunden ist. Das Bestromungsmittel kann vorteilhaft durch den gleichen Frequenzumrichter realisiert werden, der im Normalbetrieb die Drehstromquelle 24 bildet. Der Gleichstrom entsteht dann durch Vorgabe eines Drehstroms mit der Frequnz null. Sobald der Synchronmotor 10 mittels des Bestromungsmittels 26 bestromt wird, z. B. zunächst mit einem Gleichstrom steigender Stromstärke, wird sich ab einer gewissen Höhe des von der Gleichstromquelle 28 abgegebenen Gleichstroms im Synchronmotor 10 ein Magnetfeld einstellen, das eine Veränderung der Ausrichtung des Rotors 18 und damit eine Veränderung der Ausrichtung der Motorachse 20 bewirkt. Zur Erfassung derartiger Effekte ist eine Motorachsüberwachung 32 vorgesehen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel einen der Motorachse 20 zugeordnetem Geber 34 umfasst. Ein vom Geber 34 erhältliches Signal ist ein Maß für eine Ausrichtung, also eine durch einen Drehwinkel beschreibbare Ausrichtung, der Motorachse 20, so dass sich an dem Signal oder einer Veränderung desselben eine Veränderung der Ausrichtung der Motorachse 20 erkennen lässt. Alternativ kann die Drehbewegung auch an der dadurch induzierten Motorspannung erkannt werden. Hierzu kann die Motorspannung gemessen oder aus der Sollspannung des Bestromungsmittels errechnet werden. Im vorliegenden Fall ist die induzierte Spannung die in der senkrecht zur Stromrichtung liegenden Achse gemessene Spannung.
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Die Motorachsüberwachung ist vorteilhaft im Frequenzumrichter realisiert und benutzt das für Regelungszwecke ohnehin vorhandene Drehzahl- oder Lagesignal oder die Sollspannungen des Modulators.
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Zur Identifikation der Reluktanz eines Synchronmotors wird damit nach dem Ansatz gemäß der Erfindung der Synchronmotor 10 zunächst mit einem Gleichstrom steigender Stromstärke durch das Bestromungsmittel 26 und die davon umfasste Gleichstromquelle 28 bestromt. Dabei wird eine Ausrichtung der vom Synchronmotor 10 umfassten Motorachse 20 durch die Motorachsüberwachung 32 überwacht. Bei einer Veränderung der Ausrichtung der Motorachse 20 wird die momentane Stromstärke des Gleichstroms erfasst und mit der erfassten Stromstärke die Reluktanz des Synchromotors 10 ermittelt. Aus der ermittelten Stromstärke I lässt sich mit dem magnetischen Fluss Φ und der für das Reluktanzmoment ursächlichen Asymmetrie der Motorinduktivität (Lq – Ld) die Reluktanz des Synchronmotors des jeweiligen Synchronmotors 10 ableiten.
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Zur Steuerung und/oder Koordination von Bestromungsmittel 26 und Motorachsüberwachung 32 dient eine Steuerungseinheit 36. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerungseinheit 36 als Programmcode in einem Frequenzumrichter realisiert, der auch die Bestromungsmittel 26 und die Drehstromquelle 24 bildet. Mit der Steuerungseinheit 36 ist z. B. das Bestromungsmittel 26 derart aktivierbar, dass ein Gleichstrom steigender Stromstärke abgegeben wird. Der Gleichstrom kann dabei kontinuierlich oder schrittweise erhöht werden, wobei auch die Schrittweite oder die Steigung einer kontinuierlichen Erhöhung veränderlich sind. Die Motorachsüberwachung 32 kann kontinuierlich oder zu vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitpunkten überwacht werden, so dass sichergestellt ist, dass evtl. Veränderungen der Ausrichtung der Motorachse 20 unmittelbar oder zumindest zeitnah zur Drehung des Rotors 18 erkannt werden. Immer dann, wenn mittels der Motorachsüberwachung 32 eine Änderung der Ausrichtung der Motorachse 20 erkannt wird, wird die in diesem Moment von dem Bestromungsmittel 26 abgegebene Stärke des Gleichstroms erfasst. Zur Ermittlung der Reluktanz des jeweiligen Synchronmotors 10 umfasst die Steuerungseinheit 36 sodann Mittel, insbesondere Programmcodemittel, um aus der jeweiligen Stromstärke und bekannten Kenngrößen des Synchronmotors 10, insbesondere magnetischem Fluss Φ sowie der Asymmetrie der Motorinduktivität (Lq – Ld) die Reluktanz zu ermitteln.
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Für eine bevorzugte Ausführungsform ist vorgesehen, dass aufgrund eines entsprechenden Signals der Steuerungseinheit 36 das Bestromungsmittel 26 zunächst einen Gleichstrom steigender Stromstärke abgibt. Nach einer ersten Veränderung der Ausrichtung der Motorachse 20 und Erfassen des damit assoziierten Gleichstroms als erste Stromstärke wird die Bestromung des Synchronmotors 10 mit Gleichstrom fallender Stromstärke fortgesetzt. Bei einer erneuten Veränderung der Ausrichtung der Motorachse 20 wird die momentane Stromstärke als zweite Stromstärke erfasst und die Reluktanz des Synchronmotors 10 auf Basis eines Mittelwerts von erster und zweiter Stromstärke ermittelt, so dass Reibungsmomente kompensiert werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Identifikation einer Reluktanz eines Synchronmotors besteht darin, dass bei jeder Erhöhung des Gleichstroms der Stromvektor um einige Grad gedreht wird. Dann muss es bei jedem Schritt zu einem Ausrichtvorgang, also einer Bewegung des Rotors 18, kommen. In diesem Fall muss für die Ermittlung der Reluktanz des jeweiligen Synchronmotors 10 diejenige Stromstärke verwendet werden bei der der Ausrichtvorgang ausbleibt. Anschließend wird der Gleichstrom ohne Winkeländerung abgesenkt, bis sich der Rotor 18 wieder ausrichtet. Bei dieser Variante ist die Drehrichtung während des Vorgangs definiert, so dass ein etwaiger fest gebremster Motor, bei dem das weiter oben beschriebene Verfahren nicht anwendbar ist, von einem Fall, bei dem der Synchronmotor 10 kein Reluktanzmoment hat, sicher unterschieden werden kann.
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Für eine vollständige Motoridentifikation ist der Ansatz gemäß der Erfindung mit bekannten Methoden, z. B. einer Bestimmung eines Ständerwiderstandes, kombinierbar.
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In 2 und 3 ist für einen Synchronmotor 10 der grundsätzlich in 1 schematisch dargestellten Art eine Winkelabhängigkeit des abgegebenen Drehmoments (Ordinate: Drehmoment in p. u.) über einer als Radiant abgetragenen Differenz aus Rotorwinkel und Stromwinkel gezeigt. Im Einzelnen zeigt 2 die Daten für einen eingeprägten Gleichstrom, dessen Höhe dem 2,6-fachen Nennstrom entspricht, und 3 die Daten für 2,8-fachen Nennstrom. Für beide Darstellungen gilt Ld = 0,4% und Lq = 0,7%. Wenn kein Lastmoment vorliegt, richtet sich der Rotor 18 (1) in einer Richtung aus, in der das Drehmoment verschwindet und die Änderung des Drehmoments mit dem Winkel positiv ist. In 2 ist dies der Winkel 0° und in 3 der Winkel 17° (oder –17°).
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Es wird also insgesamt ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zur Identifikation einer Reluktanz eines Synchronmotors 10 angegeben, bei dem dem Motor 10 ein Gleichstrom eingeprägt wird und dieser z. B. schrittweise zunächst erhöht wird, so dass der Motor 10 bei einer bestimmten Stromhöhe seine Ausrichtung ändert. Ursache hierfür ist das Reluktanzmoment. Mit der Stromhöhe I, bei der diese Lageänderung eintritt, lässt sich eine Beziehung zwischen dem magnetischen Fluss Φ im Motor und der für das Reluktanzmoment ursächlichen Asymmetrie der Motorinduktivität angeben: Lq – Ld = Φ/I.
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Zur Kompensation von Reibungsmomenten wird als Stromhöhe I dabei vorteilhaft ein Mittelwert aus einer ersten und zweiten Stromstärke, bei denen sich beim Erhöhen und nachfolgendem Absenken jeweils eine Drehung bzw. Rückdrehung des Rotors ergibt.
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Abschließend lassen sich einzelne Aspekte der vorliegenden Erfindung kurz wie folgt zusammenfassen: Es wird ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zur Identifikation einer Reluktanz eines Synchronmotors (10) vorgeschlagen, bei dem bzw. bei der der Synchronmotor (10) mittels eines Bestromungsmittels (26) mit einem Gleichstrom zunächst steigender Stromstärke bestromt wird, wobei mittels einer Motorachsüberwachung (32) eine Ausrichtung einer von dem Synchronmotor (10) umfassten Motorachse (20) überwacht wird und wobei bei einer Veränderung der Ausrichtung der Motorachse (20) die momentane Stromstärke erfasst und mit der erfassten Stromstärke die Reluktanz des Synchronmotors (10) ermittelt wird.
