DE102008033259A1 - Sensor-free working synchronous motor operating method, involves activating units for avoidance of oscillations of synchronous motor during short acceleration phase and change-over process - Google Patents

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Abstract

The method involves accelerating a stator of a sensor-free working synchronous motor (1) from the standstill on a predetermined rotation speed for execution of high-dynamic processes in a short acceleration phase in a controlled operation, in which a defined stator current is predetermined. The defined stator current is changed-over with achievement of the predetermined rotation speed to the controlled operation. Units for the avoidance of oscillations of the synchronous motor are activated during the short acceleration phase and the change-over process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines sensorlos arbeitenden Synchronmotors.The The invention relates to a method for operating a sensorless operating Synchronous motor.

Synchronmotoren der in Rede stehenden Art werden zur Durchführung hochdynamischer Prozesse eingesetzt, bei welchen die Synchronmotoren bei sehr hohen Drehzahlen arbeiten, die typischerweise bei 20.000 U/min. und in bestimmten Fällen sogar 250.000 U/min. und mehr betragen können.synchronous motors The type in question will be used to carry out highly dynamic processes used in which the synchronous motors at very high speeds work, typically at 20,000 rpm. and in certain make even 250,000 rpm. and more.

Typische Beispiele für derartige Prozesse sind mit Synchronmotoren angetriebene Werkzeugspindeln, welche beispielsweise zum Schleifen oder zum Bohren von Leiterplatten eingesetzt werden.typical examples for such processes are synchronous motor driven tool spindles, which for example for grinding or for drilling printed circuit boards be used.

Die hierfür eingesetzten sensorlosen Synchronmotoren arbeiten ohne separate Sensorik, was die Robustheit und Fehleranfälligkeit der Synchronmotoren sowie deren Herstellkosten senkt. Die Positions- und/oder Drehzahlbestimmung des Rotors eines solchen Synchronmotors kann typischerweise durch die Bestimmung der induzierten Spannung des Synchronmotors erfolgen.The therefor used sensorless synchronous motors operate without separate Sensor technology, what the robustness and error susceptibility of the synchronous motors and lowers their production costs. The position and / or speed determination the rotor of such a synchronous motor can typically by the determination of the induced voltage of the synchronous motor take place.

Ein wesentliches Problem bei der Durchführung derartiger hochdynamischer Prozesse besteht darin, dass der Synchronmotor nicht nur bei sehr hohen Drehzahlen betrieben werden muss, sondern auch sehr schnell aus dem Stillstand auf seine Nenndrehzahl hoch beschleunigt werden muss und ebenso schnell wieder abgebremst werden muss. Typischerweise liegen die geforderten Beschleunigungszeiten und Bremszeiten bei einer Sekunde oder sogar darunter.One significant problem in the implementation of such highly dynamic Processes is that the synchronous motor not only at very high speeds must be operated, but also very fast be accelerated from standstill to its rated speed must and must be braked just as quickly. typically, The required acceleration times and braking times are included a second or even less.

Problematisch hierbei ist, dass in den Beschleunigungs- und Bremsphasen, solange die Drehzahl des Synchronmotors unterhalb eines bestimmten Grenzwerts liegt, die induzierte Spannung des Synchronmotors nicht groß genug ist, um die Position des Synchronmotors zu bestimmen. Damit aber kann in den Beschleunigungs- und Bremsphasen keine entsprechende Positions- und/oder Drehzahlregelung des Synchronmotors durchzuführen werden, die für ein definiertes Beschleunigen und Bremsen des Synchronmotors notwendig wäre.Problematic Here is that in the acceleration and braking phases, as long as the speed of the synchronous motor below a certain limit is, the induced voltage of the synchronous motor is not big enough is to determine the position of the synchronous motor. But with that can not be used during the acceleration and braking phases Position and / or speed control of the synchronous motor to perform the for a defined acceleration and braking of the synchronous motor necessary would.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Durchführung hochdynamischer Prozesse mittels eines sensorlosen Synchronmotors ermöglicht.Of the Invention has for its object to provide a method which the implementation highly dynamic processes by means of a sensorless synchronous motor allows.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.to solution This object, the features of claim 1 are provided. advantageous embodiments and appropriate training The invention are described in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb eines sensorlos arbeitenden Synchronmotors mit einem Rotor und einem Stator. Zur Durchführung hochdynamischer Prozesse wird in einer kurzen Beschleunigungsphase in einem gesteuerten Betrieb ein definierter Statorstrom vorgegeben, wodurch der Synchronmotor aus dem Stillstand auf eine vorgegebene Drehzahl beschleunigt wird. Bei Erreichen der vorgegebenen Drehzahl wird auf einen geregelten Betrieb umgeschaltet, in welchem eine sensorlose Lage- oder Drehzahlregelung des Synchronmotors erfolgt. Mittel zur Vermeidung von Schwingungen des Synchronmotors sind während der Beschleunigungsphase und des Umschaltvorgangs aktiviert.The inventive method is used to operate a sensorless synchronous motor with a rotor and a stator. For carrying out highly dynamic processes engages in a controlled acceleration in a short acceleration phase defined stator current predetermined, whereby the synchronous motor off the standstill is accelerated to a predetermined speed. When reaching the specified speed is on a regulated operation switched, in which a sensorless position or speed control the synchronous motor takes place. Means for avoiding vibrations of the synchronous motor are during the acceleration phase and the switching operation is activated.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, den Synchronmotor nicht dauernd in einem geregelten Betrieb zu betreiben, sondern vielmehr in den Beschleunigungs- und entsprechend auch in den Bremsphasen den Synchronmotor in einem gesteuerten Betrieb zu betreiben. Dabei kann generell der Synchronmotor im geregelten Betrieb natürlich auch noch beschleunigt und gebremst werden. Die Beschleunigungsphase definiert generell den gesteuerten Betrieb aus dem Stillstand heraus. Umgekehrtes gilt für die Abbremsphase.Of the The basic idea of the invention is therefore the synchronous motor not permanently in a regulated operation, but rather in the acceleration and accordingly also in the braking phases to operate the synchronous motor in a controlled mode. there Of course, the synchronous motor in regulated operation can of course also still accelerated and slowed down. The acceleration phase generally defines the controlled operation from standstill. inverted applies to the braking phase.

Dabei erfolgt eine fliegende Umschaltung von gesteuerten in den geregelten Betrieb am Ende der Beschleunigungsphase und vom geregelten in den gesteuerten Betrieb am Anfang einer Abbremsphase.there there is a flying changeover from controlled to regulated Operation at the end of the acceleration phase and from the regulated into the controlled operation at the beginning of a braking phase.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, während der Umschaltvorgänge und auch während Beschleunigungs- und Abbremsphasen durch gezielte Maßnahmen Schwingungen des Synchronmotors zu vermeiden. Derartige Schwingungen führen zu einer wesentlichen Störung des Betriebs des Synchronmotors, wobei insbesondere Schwingungen während des Umschaltens der Betriebsart besonders kritisch sind.One An essential feature of the method according to the invention is while the switching operations and also while Acceleration and deceleration phases through targeted measures Vibrations to avoid the synchronous motor. Such vibrations lead to a significant disorder the operation of the synchronous motor, in particular vibrations while the switching of the operating mode are particularly critical.

Da mit dem Synchronmotor hochdynamische Prozesse mit sehr kurzen Beschleunigungsphasen durchgeführt werden müssen, würden sich bereits bei Anfahren des Synchronmotors aus dem Stillstand entstehende Schwingungen auf die Umschaltvorgänge auswirken. Dementsprechend sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, Schwingungen während der gesamten Beschleunigungsphase, insbesondere auch bei Anfahren des Synchronmotors zu unterdrücken. Entsprechendes gilt für die jeweilige Abbremsphase.There with the synchronous motor highly dynamic processes with very short acceleration phases carried out Need to become, would already at startup of the synchronous motor from standstill resulting oscillations affect the switching operations. Accordingly sees the method according to the invention before, vibrations during the entire acceleration phase, especially when starting of the synchronous motor. The same applies to the respective braking phase.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird im Stillstand des Synchronmotors durch Ausgabe von Stromimpulsen mit unterschiedlichen Phasen auf die Wickelungen des Stators und Messen des Stromes durch Kurzschließen der Wickelungen der Winkel des Rotors bestimmt und in Abhängigkeit hierzu der Statorstrom für die Beschleunigungsphase vorgegeben.According to an advantageous embodiment of the invention is determined at standstill of the synchronous motor by output of current pulses with different phases on the windings of the stator and measuring the current by shorting the windings of the angle of the rotor and in Depending on the stator current for the acceleration phase specified.

Die Stromimpulse bilden kurze Testpulse, die den Synchronmotor nur kurz aus der Ruhelage beschleunigen und damit den Zustand des Synchronmotors zur Durchführung nicht merklich ändern. Damit durch die Messung überhaupt keine Zustandsänderung des Synchronmotors auftrifft, werden kurz nacheinander Stromimpulse entgegengesetzter Richtung generiert, deren Wirkungen sich gegenseitig aufheben.The Current pulses form short test pulses, which only short-circuit the synchronous motor accelerate from the rest position and thus the state of the synchronous motor to carry out do not change noticeably. So by the measurement at all no change of state the synchronous motor impinges, power pulses are shortly after one another generated opposite direction, whose effects are mutually exclusive cancel.

Schwingungen bei Anfahren des Synchronmotors werden dann dadurch vermieden, dass in Abhängigkeit der mit den Stromimpulsen bestimmten Rotorposition, das heißt dem Rotorwinkel, der Statorstrom daran derart angepasst wird, dass dessen Phase parallel zum Rotorwinkel eingestellt wird, so dass am Anfang keine unkontrollierte Bewegung des Rotors stattfindet.vibrations when starting the synchronous motor are then avoided that dependent on the rotor position determined by the current pulses, that is the rotor angle, the stator current is adjusted so that its phase is parallel is set to the rotor angle, so that at the beginning no uncontrolled Movement of the rotor takes place.

Gemäß einer ersten Alternative wird beim Beschleunigen in der Beschleunigungsphase ein im Betrag konstanter Statorstrom mit einer definierten vektoriellen Ausrichtung so vorgegeben, dass sich der Rotor parallel zum Stator-Magnetfeld ausrichtet, und dass anschließend die Frequenz des Statorstroms erhöht wird.According to one first alternative is when accelerating in the acceleration phase an absolute constant stator current with a defined vectorial Orientation predetermined so that the rotor is aligned parallel to the stator magnetic field, and that afterwards the frequency of the stator current is increased.

Bei der Erhöhung der Frequenz des Statorstroms kann durch Überschwingungen des Rotors dazu kommen, dass dieser dem Statorfeld nicht mehr folgen kann. Dies führt aufgrund der dann entstehenden hohen Wirbelstromverluste zu einer raschen Erwärmung des Rotors und muss unbedingt vermieden oder zumindest erkannt werden.at the increase the frequency of the stator current can be due to overshoots of the rotor come that he can no longer follow the stator field. This leads due the resulting high eddy current losses to a rapid warming of the rotor and must be avoided or at least recognized.

Um derartige Überschwinger zu vermeiden, wird in der Beschleunigungsphase ein zeitlicher veränderlicher Statorstrom vorgegeben, dessen Betrag gemäß einer vorgegebenen Rampenfunktion erhöht wird. Durch das langsame Hochfahren des Stroms werden bereits Schwingungen effektiv reduziert.Around such overshoots to avoid, in the acceleration phase, a temporally variable Stator specified, the amount according to a predetermined ramp function is increased. The slow start-up of the current is already causing vibrations effectively reduced.

Besonders vorteilhaft wird anhand der gemessenen induzierten Spannung des Synchronmotors die Rotordrehzahl überwacht. Dasselbe gilt für die Abbremsphase. Hier wird der Umstand ausgenutzt, dass in der Beschleunigungsphase oder Abbremsphase die induzierte Spannung zwar noch nicht für eine sensorlose Positionsbestimmung des Synchronmotors ausreicht, jedoch die induzierte Spannung bereits als Kenngröße zur systematischen Unterdrückung von Schwingungen einsetzbar ist. Diese Verfahrensvariante kann insbesondere in der Beschleunigungsphase bis zum Umschalten in den geregelten Betrieb zur Unterdrückung von Schwingungen genutzt werden.Especially is advantageous based on the measured induced voltage of the Synchronous motor monitors the rotor speed. The same applies to the braking phase. Here, the fact is exploited that in the acceleration phase or deceleration phase the induced voltage is not yet for a sensorless Position determination of the synchronous motor is sufficient, but the induced voltage already as a parameter for the systematic suppression of vibrations can be used. This variant of the method can in particular in the acceleration phase until switching to controlled operation for suppression of Vibrations are used.

Die Betriebssicherheit des Synchronmotors wird vorteilhaft weiter dadurch erhöht, dass anhand der gemessenen induzierten Spannung des Synchronmotors die Rotordrehzahl überwacht wird.The Reliability of the synchronous motor is advantageously further characterized elevated, that based on the measured induced voltage of the synchronous motor monitors the rotor speed becomes.

Weiterhin wird durch Messen der induzierten Spannung und Drehzahl des Synchronmotors eine Temperaturüberwachung und eine Überprüfung von mechanischen Rotordefekte durchgeführt.Farther is determined by measuring the induced voltage and speed of the synchronous motor a temperature monitoring and a review of mechanical Rotor defects performed.

Besonders vorteilhaft wird zur Vermeidung von Oberwellenverlusten ein schneller Stromregler eingesetzt und/oder eine Vorverzerrung von Stromsollwerten durchgeführt. Zur Vermeidung von Oberwellenverlusten ist ein LC-Filter als Tiefpass zwischen dem Synchronmotor und einem diesen steuernden Umrichter vorgesehen.Especially Advantageously, to avoid harmonic losses a faster Current regulator used and / or a predistortion of current setpoints carried out. To avoid harmonic losses is an LC filter as a low pass between the synchronous motor and a converter controlling it intended.

Oberwellenverluste, die auf diese Weise vermieden werden, sind insbesondere Wärmeverluste des Synchronmotors bedingt durch Wirbelströme, die dadurch entstehen, dass im Leistungsspektrum Anteile enthalten sind, welche nicht der Drehfrequenz entsprechen.Harmonic losses, which are avoided in this way, in particular heat losses of the Synchronous motor due to eddy currents that result from that the range of services includes shares which are not the Turning frequency correspond.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann generell für Synchronmotoren, die in dem vorgenannten hochdynamischen Prozessen verwendet werden, eingesetzt werden. Beispiele für derartige Prozesse sind neben dem Antrieb von Werkzeugspindeln auch Antriebe für Vakuumerzeuger oder auch Gasverdichter, beispielsweise Pumpen für Gaslaser aber auch Brennstoffzellen oder Turbolader.The inventive method can generally for Synchronous motors, in the aforementioned highly dynamic processes can be used. Examples of such processes are beside the drive of tool spindles also drives for vacuum generators or also Gas compressor, for example pumps for gas lasers but also fuel cells or turbocharger.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained below with reference to the drawings. It demonstrate:

1: Schematische Darstellung eines Synchronmotors zum Antrieb eines Stellglieds. 1 : Schematic representation of a synchronous motor for driving an actuator.

2: Einphasiges Ersatzschaltbild des Synchronmotors gemäß 1. 2 : Single-phase equivalent circuit of synchronous motor according to 1 ,

3: Transistorschaltung im Umrichter zur Ansteuerung des Synchronmotors für die Anordnung gemäß 1. 3 : Transistor circuit in the inverter for controlling the synchronous motor for the arrangement according to 1 ,

1 zeigt schematisch einen Synchronmotor 1, der von einem Umrichter 2 mit einer dort integrierten Steuerlogik angesteuert ist, und der zum Antrieb eines Stellglieds 3 dient. Im vorliegenden Fall wird mit Synchronmotoren 1 eine Werkzeugspindel zum Bohren von Leiterplatten angetrieben. Generell werden mit dem Stellglied 3 hochdynamische Prozesse durchgeführt, bei welchen Drehzahlen des Synchronmotors 1 benötigt werden, die oberhalb von 20.000 U/min. liegen. Dabei muss der Synchronmotor 1 in einer kurzen Beschleunigungsphase, die typischerweise bei 1 sec. oder noch kleineren Zeiten liegt, aus dem Stillstand auf die geforderte Nenndrehzahl erhöht werden. In einer ebenso kurzen Abbremsphase muss der Synchronmotor 1 von der Nenndrehzahl in den Stillstand abgebremst werden. 1 schematically shows a synchronous motor 1 from a converter 2 is controlled with a control logic integrated there, and for driving an actuator 3 serves. In the present case, with synchronous motors 1 a tool spindle for drilling printed circuit boards driven. Generally be with the actuator 3 highly dynamic processes performed at which speeds of the synchronous motor 1 needed to be above 20,000 rpm. lie. In this case, the synchronous motor must 1 in a short acceleration phase, which is typically at 1 sec. or even smaller times, from standstill to the required nominal rotation number be increased. In an equally short braking phase, the synchronous motor must 1 be braked from the rated speed to a standstill.

Bei dem Antrieb gemäß 1 handelt es sich um einen sensorlosen Synchronmotor 1, der in bekannter Weise einen Rotor mit einer Anordnung von Permanentmagneten und einen Stator aufweist. Der Stator weist in bekannter Weise drei Statorwicklungen auf. Durch Einprägen von Strömen im Stator wird im Luftspalt zwischen Rotor und Stator ein Magnetfeld erzeugt, das einen bestimmten Winkel zum Magnetfeld des Rotors hat. Durch diese Stromeinprägung wird der Synchronmotor 1 in Drehung versetzt.In the drive according to 1 it is a sensorless synchronous motor 1 which comprises in a known manner a rotor with an arrangement of permanent magnets and a stator. The stator has three stator windings in a known manner. By impressing currents in the stator, a magnetic field is generated in the air gap between the rotor and stator, which has a certain angle to the magnetic field of the rotor. This current injection makes the synchronous motor 1 set in rotation.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Synchronmotor 1 während der Beschleunigungsphase und während der Abbremsphase in einem gesteuerten Betrieb betrieben. In den verbleibenden Zeitintervallen, in welcher der Syn chronmotor 1 insbesondere mit der gewünschten Nenndrehzahl betrieben wird, wird der Synchronmotor 1 in einem geregelten Betrieb betrieben, wobei hier eine Lage- und/oder Drehzahlregelung des Synchronmotors 1 erfolgt.According to the method of the invention, the synchronous motor 1 operated during the acceleration phase and during the deceleration phase in a controlled operation. In the remaining time intervals in which the syn chronmotor 1 is operated in particular with the desired rated speed, the synchronous motor 1 operated in a controlled operation, in which case a position and / or speed control of the synchronous motor 1 he follows.

Hierzu erfolgt eine sensorlose Positionserfassung bei dem Synchronmotor 1. Diese sensorlose Positionsbestimmung wird anhand des einphasigen Ersatzschaltbilds des Synchronmotors 1 gemäß 2 erläutert. Der Synchronmotor 1 wird dabei beschrieben durch den ohmschen Widerstand R und die Motorinduktivität L des Synchronmotors 1. Weitere Parameter sind die am Synchronmotor 1 angelegte Klemmenspannung UKL sowie die am Widerstand R anliegende Spannung UR und die an der Motorinduktivität L anliegende Spannung UL.For this purpose, a sensorless position detection takes place in the synchronous motor 1 , This sensorless position determination is based on the single-phase equivalent circuit diagram of the synchronous motor 1 according to 2 explained. The synchronous motor 1 is described by the ohmic resistance R and the motor inductance L of the synchronous motor 1 , Other parameters are those on the synchronous motor 1 applied terminal voltage U KL and the voltage applied to the resistor R U R and the voltage applied to the motor inductance L voltage U L.

Weiterhin bezeichnet Uind die induzierte Spannung des Synchronmotors 1. Die induzierte Spannung entsteht durch das sich beim Drehen des Rotors ändernde Magnetfeld in den Statorspulen. Bei bestimmtem Motorstrom und bekannter Klemmenspannung und den bekannten Werten für R und L kann diese induzierte Spannung berechnet werden. Aus dem Verlauf der induzierten Spannung kann wiederum der Winkel des Rotors, das heißt die Position des Rotors bestimmt werden. Durch die Bildung der zeitlichen Ableitung der so bestimmten Position wird die aktuelle Geschwindigkeit des Rotors ermittelt. Diese aktuellen Geschwindigkeiten können einem Drehzahlregler zugeführt werden um eine Drehzahlregelung des Synchronmotors 1 durchzuführen.Furthermore, U ind denotes the induced voltage of the synchronous motor 1 , The induced voltage is caused by the magnetic field in the stator coils changing as the rotor rotates. For certain motor current and voltage and the known R and L values, this induced voltage can be calculated. From the course of the induced voltage, in turn, the angle of the rotor, that is, the position of the rotor can be determined. By forming the time derivative of the thus determined position, the current speed of the rotor is determined. These current speeds can be fed to a speed controller for speed control of the synchronous motor 1 perform.

Prinzipiell kann auf die Messung der induzierten Spannung verzichtet werden, wenn der Zusammenhang zwischen Drehzahl und induzierter Motorspannung bekannt ist. In diesem Fall müssen zur Positionsbestimmung des Rotors nur die Nulldurchgänge der Klemmenspannung erfasst werden, was mit einer einfachen Komparatorschaltung möglich ist.in principle can be dispensed with the measurement of the induced voltage, if the relationship between speed and induced motor voltage is known. In this case you need to Position determination of the rotor only the zero crossings of the Terminal voltage can be detected, resulting in a simple comparator circuit possible is.

Die Amplitude der induzierten Spannung ist erst dann groß genug für eine sensorlose Positionsbestimmung des Synchronmotors 1, wenn dessen Motordreh zahl, das heißt die Drehzahl des Rotors oberhalb eines bestimmten Grenzwerts liegt.The amplitude of the induced voltage is only then large enough for a sensorless position determination of the synchronous motor 1 , If the engine speed, that is, the speed of the rotor is above a certain limit.

Daher wird in den Beschleunigungsphasen und in den Abbremsphasen der Synchronmotor 1 nicht mit der sensorlosen Positionsbestimmung in einem geregelten Betrieb, sondern in einem nur gesteuerten Betrieb betrieben. Da die Steuervorgänge für die Beschleunigungsphase und Abbremsphase entsprechend sind, wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden allein die Beschleunigungsphase erläutert.Therefore, in the acceleration phases and deceleration phases, the synchronous motor becomes 1 not operated with the sensorless position determination in a controlled operation, but in a controlled only operation. Since the control processes for the acceleration phase and deceleration phase are corresponding, the acceleration phase is explained below without limiting the generality in the following.

Wesentlich ist, dass in der Beschleunigungsphase, wie auch in der Abbremsphase, bei dem gesteuerten Betrieb Maßnahmen zur Schwingungsvermeidung und zur Schwingungsunterdrückung getroffen werden, um ein schwingungsfreies und damit exakt reproduzierbares fliegendes Umschalten vom gesteuerten auf geregelten Betrieb des Synchronmotors 1 am Ende einer Beschleunigungsphase beziehungsweise am Ende einer Abbremsphase zu ermöglichen.It is essential that in the acceleration phase, as well as in the deceleration phase, in the controlled operation measures for vibration prevention and vibration suppression are taken to a vibration-free and thus exactly reproducible flying switching from controlled to controlled operation of the synchronous motor 1 to allow at the end of an acceleration phase or at the end of a deceleration phase.

Bei den mit dem Synchronmotor 1 durchzuführenden hochdynamischen Prozessen liegen die Längen der Beschleunigungsphase und Abbremsphase bei einer Sekunde und darunter. Dementsprechend steht für die Dauer der fliegenden Umschaltung nur eine Zeitspanne zur Verfügung, die um eine Größenordnung kleiner ist als die Dauer der Beschleunigungsphase oder Abbremsphase. Wenn dann bei diesem Umschaltvorgang signifikante Schwingungen im Synchronmotor 1 verbunden wären, wäre der Umschaltvorgang nicht reproduzierbar durchführbar.At the with the synchronous motor 1 To be performed highly dynamic processes are the lengths of the acceleration phase and deceleration phase at one second and below. Accordingly, only one period of time is available for the duration of the flying changeover, which is smaller by one order of magnitude than the duration of the acceleration phase or deceleration phase. If then in this switching significant oscillations in the synchronous motor 1 would be connected, the switching would not be reproducible feasible.

Während der Beschleunigungsphase wird bereits bei Stillstand des Synchronmotors 1, das heißt des Rotors die Rotorposition bestimmt, um dann den Statorstrom zumindest näherungsweise parallel zum Rotorwinkel, das heißt zur Rotorposition einzuprägen und so den Synchronmotor 1 in der Beschleunigungsphase zu beschleunigen. Durch diese Einprägung des Statorstroms paral lel zur Rotorposition werden bereits bei Anfahren des Synchronmotors 1 aus dem Stillstand heraus Schwingungen unterdrückt beziehungsweise vermieden.During the acceleration phase is already at standstill of the synchronous motor 1 that is, the rotor determines the rotor position, in order then to impress the stator current at least approximately parallel to the rotor angle, that is to say to the rotor position, and thus the synchronous motor 1 to accelerate in the acceleration phase. This impression of the stator current paral lel to the rotor position are already at startup of the synchronous motor 1 From a standstill, vibrations are suppressed or avoided.

Da im Stillstand des Rotors die induzierte Spannung des Synchronmotors 1 nicht zur Positionsmessung zur Verfügung steht, werden hierzu als Testimpulse im Umrichter 2 definierte Stromimpulse generiert. 3 zeigt eine hierfür verwendete Transistorschaltung im Umrichter 2 der Anordnung gemäß 1.As at the standstill of the rotor, the induced voltage of the synchronous motor 1 is not available for position measurement, are used as test pulses in the inverter 2 defined current pulses generated. 3 shows a transistor circuit used for this purpose in the inverter 2 the arrangement according to 1 ,

Diese Schaltung umfasst sechs Transistoren T1...T6 zur Ansteuerung der drei Phasen des Stators, wobei hierfür drei Zuleitungen auf den Synchronmotor 1 wie in 3 dargestellt, geführt sind. Neben den Transistoren umfasst die Schaltung gemäß 3 sechs Dioden D1...D6.This circuit comprises six transistors T1 ... T6 for driving the three phases of the stator, for which purpose three leads to the synchronous motor 1 as in 3 shown, are guided. In addition to the transistors, the circuit according to 3 six diodes D1 ... D6.

Die Transistoren T1...T6 der Schaltung sind vorteilhaft als IGBT (insulated gate bipolar transistor) ausgebildet. Zur Bestimmung der Rotorposition werden mittels der Schaltung gemäß 3 auf die drei Phasen des Stators kurze Stromimpulse mit unterschiedlichen Phasenwinkeln ausgegeben, wodurch ein Drehmoment entsteht, das den Rotor beschleunigt. Die Richtung des Drehmoments ist vom aktuellen Rotorwinkel und von den Phasenwinkeln der Stromimpulse abhängig. Direkt nach Beaufschlagung der Stromimpulse werden die drei Phasen des Stators kurzgeschlossen, beispielsweise durch gleichzeitiges Einschalten der Transistoren T2, T4, T6. Dann wird der Strom gemessen, der in den einzelnen Phasen des Stators fließt. Je nach Drehrichtung des Motors und des anfänglichen Rotorwinkels unterscheiden sich die Vorzeichen der Ströme, wodurch der Rotorwinkel mit einer Auflösung, die durch die Zahl der Stromimpulse bestimmt ist, bestimmt werden kann. Damit sich der Rotorwinkel durch die Messung nicht ändert, werden bevorzugt zwei Gruppen von je drei Stromimpulsen in entgegengesetzter Richtung generiert. Bei einer derartigen Verwendung von sechs Stromimpulsen, deren Phasenlagen 0°, 180°, 120°, 300°, 240°, 60° betragen, wird eine Auflösung der Position von 60° erreicht.The transistors T1 ... T6 of the circuit are advantageously designed as IGBT (insulated gate bipolar transistor). To determine the rotor position by means of the circuit according to 3 On the three phases of the stator short current pulses with different phase angles output, whereby a torque is generated, which accelerates the rotor. The direction of the torque depends on the current rotor angle and the phase angles of the current pulses. Immediately after the application of the current pulses, the three phases of the stator are short-circuited, for example by simultaneous switching on of the transistors T2, T4, T6. Then the current flowing in the individual phases of the stator is measured. Depending on the direction of rotation of the motor and the initial rotor angle, the signs of the currents differ, whereby the rotor angle can be determined with a resolution which is determined by the number of current pulses. So that the rotor angle does not change as a result of the measurement, it is preferred to generate two groups of three current pulses each in the opposite direction. With such use of six current pulses whose phase angles are 0 °, 180 °, 120 °, 300 °, 240 °, 60 °, a resolution of the position of 60 ° is achieved.

Zur Beschleunigung des Synchronmotors 1 aus dem Stillstand heraus kann im einfachsten Fall ein statischer Strom mit definierter vektorieller Ausrichtung vom Umrichter 2 auf den Stator ausgegeben werden, wodurch sich der Rotor parallel zum Stator-Magnetfeld, das durch den Strom generiert wird, ausrichtet. Anschließend wird die Frequenz des Statorstroms erhöht, wodurch sich das Statorfeld immer schneller vorwärts dreht. Der Rotor folgt dieser Bewegung, das heißt er wird beschleunigt.To accelerate the synchronous motor 1 From a standstill, in the simplest case, a static current with defined vectorial orientation from the inverter 2 are outputted to the stator, whereby the rotor aligns parallel to the stator magnetic field generated by the current. Subsequently, the frequency of the stator current is increased, whereby the stator field rotates forward faster and faster. The rotor follows this movement, ie it is accelerated.

Bei diesen Beschleunigungen des Synchronmotors können Schwingungen dadurch entstehen, dass der Rotor nicht exakt dem Statorfeld folgen kann. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Rotor um 180° zum Statorfeld verdreht ist, so dass kein Drehmoment auf dem Rotor wirkt, so dass der Rotor zunächst stehen bleibt. Dreht sich dann der Phasenwinkel des Statorstroms um einen kleinen Betrag weg, reagiert der Rotor mit einer Drehung in die untere Richtung, wodurch Schwingungen des Rotors entstehen.at These accelerations of the synchronous motor vibrations can arise because of the rotor can not follow exactly the stator field. This is special the case when the rotor is 180 ° to the Stator field is twisted so that no torque acts on the rotor, so the rotor first stop. Then rotates the phase angle of the stator current by a small amount away, the rotor responds with one turn in the lower direction, causing vibrations of the rotor.

Derartige Schwingungen können bereits dadurch reduziert werden, dass auf den Stator ein gemäß einer vorgegebenen Rampe zeitlich langsam ansteigender Strom ausgegeben wird, dessen Frequenz zu Beginn der Beschleunigungsphase relativ klein ist und danach langsam erhöht wird.such Vibrations can already be reduced by the fact that on the stator according to a given ramp ramped slowly increasing current whose frequency is relatively small at the beginning of the acceleration phase is and then slowly increased becomes.

Während der Beschleunigungsphase, und entsprechend auch während der Abbremsphase, ist die induzierte Spannung zwar noch nicht ausreichend groß um diese für einen geregelten Betrieb verwenden zu können. Jedoch kann die gemessene induzierte Spannung zur Schwingungsdämpfung verwendet werden.During the Acceleration phase, and accordingly during the braking phase, is the Although induced tension is not yet sufficiently large around this for one to be able to use regulated operation. However, the measured induced Voltage for vibration damping be used.

Dabei wird zweckmäßig zwischen der Spannungskomponente der induzierten Spannung, die parallel zum Strom (Q-Spannung) und die senkrecht zum Strom (D-Spannung) verläuft, unterschieden.there will be useful between the voltage component of the induced voltage parallel to Current (Q-voltage) and perpendicular to the current (D-voltage) runs, differentiated.

Bei einer Schwingung des Synchronmotors 1 entsteht ein Drehmoment, welches näherungsweise einen in Abhängigkeit der Winkelauslenkung des Rotors (bezogen auf die parallel zum Statorfeld verlaufende Richtung) sinusförmigen Verlauf aufweist. Dieses Drehmoment ist näherungsweise proportional zur Q-Spannung, die in der Beschleunigungsphase und Abbremsphase typischerweise erheblich kleiner ist als die D-Spannung, da in diesen Fällen der Rotor fast parallel zum Statormagnetfeld ist.At a vibration of the synchronous motor 1 This results in a torque which has approximately a sinusoidal course as a function of the angular deflection of the rotor (relative to the direction running parallel to the stator field). This torque is approximately proportional to the Q voltage, which in the acceleration phase and deceleration phase is typically considerably smaller than the D voltage, since in these cases the rotor is almost parallel to the stator magnetic field.

Da die Schwingung einen näherungsweise sinusförmigen Verlauf hat, hat die Geschwindigkeit des Rotors, relativ zur Geschwindigkeit des Statorfelds eine Phasenverschiebung von 90° zur Kraft. Durch zeitliche Ableitung der Q-Spannung erhält man einen Wert, der der Schwinggeschwindigkeit proportional ist. Wenn man den Phasenwinkel des Statorstroms mit diesem Geschwindigkeitssignal mit passendem Vorzeichen moduliert, ergibt sich eine wirkungsvolle Schwingungsdämpfung.There the oscillation has an approximately sinusoidal course has, has the speed of the rotor, relative to the speed of the stator field, a phase shift of 90 ° to the force. By temporal Derivation of the Q voltage you get a value proportional to the vibration velocity. If the phase angle of the stator current with this speed signal modulated with the appropriate sign, results in an effective Vibration damping.

Gleichzeitig kann die D-Spannung auch zur Überwachung der Rotordrehzahl verwendet werden. Solange der Rotor und Stator des Synchronmotors 1 synchron laufen, steigt diese Spannung proportional zur Drehzahl. Sobald die Synchronität verloren geht, geht diese Spannung im Mittelwert gegen Null.At the same time, the D-voltage can also be used to monitor the rotor speed. As long as the rotor and stator of the synchronous motor 1 run synchronously, this voltage increases in proportion to the speed. As soon as the synchrony is lost, this voltage tends to zero on average.

Weiterhin kann für weitere Überwachungen ausgenutzt werden, dass das Verhältnis von D-Spannung und Drehzahl des Rotors eine material- und temperaturabhängige Konstante ist. Somit können durch Messen der D-Spannung und der Drehzahl die Temperatur bestimmt und gegebenenfalls vorhandene Defekte des Rotors aufgedeckt werden.Farther can for exploited further surveillance be that relationship of D-voltage and speed of the rotor a material- and temperature-dependent constant is. Thus, through Measuring the D voltage and the speed determines the temperature and possibly existing defects of the rotor are revealed.

Im Synchronmotor 1 kann bedingt durch entstehende Wirbelströme im Rotor eine erhöhte Wärmentwicklung im Rotor auftreten, was zu einer unerwünscht hohen Verlustleistung des Synchronmotors 1 führt. Eine Ausbildung derartiger Wirbelströme erfolgt dann, wenn sich das Stator-Magnetfeld oder vektorielle Teile hiervon, sogenannte Oberwellen, nicht genau synchron mit dem Rotor dreht oder die Amplitude des Stator-Magnetfelds nicht exakt konstant ist. Die dadurch induzierten Spannungen führen zu Wirbelströmen im Rotor. Weitere Ursachen für Wirbelströme sind Rippleströme im Stator bei einer im Umrichter 2 durchgeführten Pulsweitenmodulation zur Vorgabe des Statorstroms. Weiterhin können Oberwellenverluste durch Nichtlinearitäten in der von Leistungshalbleitern gebildeten Endstufe des Umrichters 2 entstehen. Auch eine zu grobe Quantisierung des über den Umrichter 2 vorgegebenen Kommulierungswinkels kann zu Oberwellen führen. Schließlich können Oberwellen durch Schwingungen von im Umrichter 2 vorhandenen Elektronikeinheiten wie einem Drehzahlregler oder Stromregler bedingt sein.In synchronous motor 1 may occur due to the resulting eddy currents in the rotor increased heat development in the rotor, resulting in a uner wishes high power loss of the synchronous motor 1 leads. A formation of such eddy currents takes place when the stator magnetic field or vectorial parts thereof, so-called harmonics, does not rotate exactly synchronously with the rotor or the amplitude of the stator magnetic field is not exactly constant. The induced voltages lead to eddy currents in the rotor. Other causes of eddy currents are ripple currents in the stator at one in the inverter 2 carried out pulse width modulation for the specification of the stator current. Furthermore, harmonic losses due to nonlinearities in the final stage of the converter formed by power semiconductors 2 arise. Also too coarse quantization of the over the inverter 2 given Kommulierungswinkels can lead to harmonics. Finally, harmonics can be caused by vibrations in the inverter 2 existing electronic units such as a speed controller or current controller conditional.

Um die Rippleströme zu reduzieren kann zwischen Umrichter 2 und Synchronmotor 1 ein LC-Filter als Tiefpass geschaltet werden. Nichtlineare Verzerrungen, die in der Endstufe des Umrichters 2 entstehen, können durch den Einsatz eines sehr schnellen Stromreglers oder durch eine geeignete Vorverzerrung der Stromsollwerte für den Stator vermieden oder reduziert werden.To reduce the ripple currents can be between inverter 2 and synchronous motor 1 an LC filter can be switched as a low-pass filter. Nonlinear distortions occurring in the final stage of the inverter 2 can be avoided or reduced by the use of a very fast current regulator or by a suitable predistortion of the current setpoint values for the stator.

11
Synchronmotorsynchronous motor
22
Umrichterinverter
33
Stellgliedactuator
RR
Widerstandresistance
LL
Motorinduktivitätmotor inductance
T1...T6T1 ... T6
Transistorentransistors
D1...D6D1 ... D6
Diodendiodes

Claims (10)

Verfahren zum Betrieb eines sensorlos arbeitenden Synchronmotors (1) mit einem Rotor und einem Stator, welcher zur Durchführung hochdynamischer Prozesse in einer kurzen Beschleunigungsphase in einem gesteuerten Betrieb, in welchem ein definierter Statorstrom vorgegeben wird, aus dem Stillstand auf eine vorgegebene Drehzahl beschleunigt wird, und welcher bei Erreichen der vorgegebenen Drehzahl auf einen geregelten Betrieb umgeschaltet wird, in welchem eine sensorlose Lage- oder Drehzahlregelung des Synchronmotors (1) erfolgt, wobei Mittel zur Vermeidung von Schwingungen des Synchronmotors (1) während der Beschleunigungsphase und des Umschaltvorgangs aktiviert sind.Method for operating a sensorless synchronous motor ( 1 ) with a rotor and a stator, which is accelerated from standstill to a predetermined speed for performing highly dynamic processes in a short acceleration phase in a controlled operation, in which a defined stator current is set, and which upon reaching the predetermined speed to a controlled Is switched, in which a sensorless position or speed control of the synchronous motor ( 1 ), wherein means for preventing vibrations of the synchronous motor ( 1 ) are activated during the acceleration phase and the switching operation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbremsen des Synchronmotors (1) eine Umschaltung vom geregelten Betrieb in eine Abbremsphase erfolgt, in welcher der Synchronmotor (1) entsprechend der Beschleunigungsphase in einem gesteuerten Betrieb betrieben wird, wobei während des Umschaltvorgangs und der Abbremsphase Mittel zur Vermeidung von Schwingungen aktiviert sind.A method according to claim 1, characterized in that for braking the synchronous motor ( 1 ) a changeover from controlled operation to a deceleration phase takes place in which the synchronous motor ( 1 ) is operated according to the acceleration phase in a controlled operation, wherein during the switching operation and the deceleration phase means for preventing vibrations are activated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Stillstand des Synchronmotors (1) durch Ausgabe von Stromimpulsen mit unterschiedlichen Phasen auf die Wickelungen des Stators und Messen des Stromes nach Kurzschließen der Wicklungen der Winkel des Rotors bestimmt wird und in Abhängigkeit hierzu der Statorstrom für die Beschleunigungsphase vorgegeben wird.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that at standstill of the synchronous motor ( 1 ) is determined by output of current pulses having different phases on the windings of the stator and measuring the current after shorting the windings of the angle of the rotor and in response thereto, the stator current for the acceleration phase is specified. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschleunigungsphase ein Statorstrom mit konstantem Betrag mit einer definierten vektoriellen Ausrichtung so vorgegeben wird, dass sich der Rotor parallel zum Stator-Magnetfeld ausrichtet, und dass anschließend die Frequenz des Statorstroms erhöht wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that in the acceleration phase, a stator current with a constant Amount defined with a defined vectorial orientation is that the rotor aligns parallel to the stator magnetic field, and that afterwards the frequency of the stator current is increased. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschleunigungsphase ein zeitlicher veränderlicher Statorstrom vorgegeben wird, dessen Betrag gemäß einer vorgegebenen Rampenfunktion erhöht wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that in the acceleration phase a temporally variable Stator current is given, the amount according to a predetermined ramp function elevated becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Beschleunigungsphase die induzierte Spannung des Synchronmotors (1) sensorlos gemessen wird, und dass zur Dämpfung von Schwingungen der Phasenwinkel des Statorstroms mit einem aus der induzierten Spannung abgeleiteten Geschwindigkeitssignal moduliert wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that during the acceleration phase, the induced voltage of the synchronous motor ( 1 ) is measured sensorless, and that is modulated for damping oscillations, the phase angle of the stator current with a derived from the induced voltage signal velocity. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der gemessenen induzierten Spannung des Synchronmotors (1) die Rotordrehzahl überwacht wird.A method according to claim 6, characterized in that based on the measured induced voltage of the synchronous motor ( 1 ) the rotor speed is monitored. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messen der induzierten Spannung und Drehzahl des Synchronmotors (1) eine Temperaturüberwachung und eine Überprüfung von mechanischen Rotordefekten durchgeführt wird.Method according to one of claims 6 or 7, characterized in that by measuring the induced voltage and speed of the synchronous motor ( 1 ) a temperature control and a check of mechanical rotor defects is performed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Oberwellenverlusten ein schneller Stromregler eingesetzt wird und/oder eine Vorverzerrung von Stromsollwerten durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized that to avoid harmonic losses a fast current regulator is used and / or a predistortion of current setpoints carried out becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Oberwellenverlusten ein LC-Filter als Tiefpass zwischen dem Synchronmotor (1) und einem diesen steuernden Umrichter (2) vorgesehen ist.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that to avoid Harmonic losses an LC filter as a low pass between the synchronous motor ( 1 ) and a converter controlling it ( 2 ) is provided.
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