DE102009011674A1

DE102009011674A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102009011674A1
Application number: DE102009011674A
Authority: DE
Inventors: Rainer Nase
Original assignee: HKR Climatec GmbH
Current assignee: HKR Seuffer Automotive GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-09-02
Also published as: CN101814891A; CN101814891B

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (12), die eine Vielzahl von Statorwicklungen (14, 16, 18) und einen Rotor (20) aufweist, mit folgenden Schritten: a) Anlegen einer alternierenden Spannung (U, U, U) an wenigstens eine der Statorwicklungen (14, 16, 18), wobei die alternierende Spannung (U, U, U) eine Vielzahl von Spannungsimpulsen (90) aufweist, b) Erfassen von Strommomentanwertenn zeitlichen Verlauf eines Stroms (I, I, I) repräsentiert, der in Reaktion auf die angelegte Spannung (U, U, U) durch wenigstens eine der Statorwicklungen (14, 16, 18) fließt, c) Auswerten der Strommomentanwerte (40), wobei hierzu ein erster Kenngrößenwert (I, F, S) und ein zweiter Kenngrößenwert (I, F, S) einer Stromverlaufskenngröße (I, F, S) in Abhängigkeit der Strommomentanwerte (40) ermittelt werden, wobei die Stromverlaufskenngröße (I, F, S) das zeitliche Verhalten des durch die Statorwicklung (14, 16, 18) fließenden Stroms (I, I, I) charakterisiert, und d) Ermitteln eines Rotorwinkelwertes (52) in Abhängigkeit der beiden Kenngrößenwerte (I, I, F, F, S, S). Ferner werden eine entsprechende Vorrichtung sowie ein entsprechendes Computerprogramm aufgezeigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die eine Vielzahl von Statorwicklungen und einen Rotor aufweist.
Unter einer elektrischen Maschine versteht man einen elektrischen Motor, mit dem elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, oder einen elektrischen Generator, mit dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die mechanische Energie liegt dabei vorzugsweise in Form von Rotationsenergie vor. In der Regel kann eine elektrische Maschine sowohl in einem Motorbetrieb als auch in einem Generatorbetrieb betrieben werden. Deshalb sollen nachfolgende Ausführungen, die sich auf elektrische Motoren beziehen, keine einschränkende Wirkung haben und in entsprechender Weise auch für elektrische Generatoren gelten.
Bei elektrischen Motoren wird hinsichtlich deren Stromversorgung zwischen Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren unterschieden. In einer Ausführungsform weist ein Gleichstrommotor einen Rotor auf, der eine Anzahl von Wicklungen trägt. Der Rotor ist drehbar in einem durch einen Stator erzeugten Magnetfeld angeordnet. Der Stator kann als Permanentmagnet ausgebildet sein. Der Gleichstrommotor kann aber auch elektrisch erregt sein. Die Wicklungen des Rotors sind über einen Kommutator an eine Spannungsquelle angeschlossen. Der Kommutator hat die Aufgabe, in Abhängigkeit der Ausrichtung des Rotors in Bezug auf das Magnetfeld den Stromfluss durch die Rotorwicklungen so zu ändern, dass der Rotor keine stabile Lage einnimmt, sondern permanente eine Drehbewegung ausführt.
Gleichstrommotoren mit einem mechanischen Kommutator haben unter anderem den Nachteil, dass beim Betrieb Funken entstehen. Diese auch als Bürstenfeuer bezeichnete Funken führen zu hochfrequenten Störungen, die in das Leitungsnetz einspeist werden. Beim Betrieb eines sog. bürstenlosen Gleichstrommotors tritt dieses Problem nicht auf. Hierbei handelt es sich um einen Gleichstrommotor, der keinen mechanischen Kommutator aufweist. Stattdessen wird dieser Gleichstrommotor elektronisch kommutiert. Der Rotor ist als Permanentmagnet ausgebildet und der Stator besteht aus mehreren, meist drei Magnetspulen, den sog. Statorwicklungen. Die Kommutation übernimmt eine Umrichterschaltung, die aus Halbleiter-Stellgliedern, bspw. Schalttransistoren aufgebaut ist.
Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren tritt nun allerdings folgendes Problem auf: Im unbestromten Zustand weist der Rotor eine beliebige Ausrichtung und somit einen beliebigen Rotorwinkel auf. Um einen bürstenlosen Gleichstrommotor ausgehend vom Stillstand auf eine definierte Drehzahl optimal hochfahren zu können, sollte der Wert des im Stillstand vorliegenden Rotorwinkels bekannt sein. Dieses Problem tritt bei allen elektronisch kommutierten Elektromotoren auf. Somit auch bei einem permanent erregten Synchronmotor und bei einem Reluktanzmotor.
Der Rotorwinkel kann bspw. durch im Elektromotor angebrachte Lagesensoren, die bspw. als Hall-Sensoren ausgebildet sein können, erfasst werden. Der Einsatz solcher Sensoren führt allerdings zu hohen Zusatzkosten. Weitere Nachteile sind ein erhöhter Verkabelungsaufwand und ein erhöhtes Ausfallrisiko aufgrund zusätzlicher Bauteile. Folglich ist es wünschenswert, den Rotorwinkel sensorlos ermitteln zu können. Sensorlos bedeutet in diesem Sinne, dass zusätzlich zu denjenigen Komponenten, die für das Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors benötigt werden und somit bereits vorhanden sind, keine weiteren Komponenten erforderlich sind.
Aus DE 10 2006 043 683 A1 ist ein Verfahren zum sensorlosen Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors während seiner Hochlaufphase bekannt. Hierbei werden an dessen Statorwicklungen Spannungstestimpulse nach einem vorgegebenen Muster angelegt. Aus den Spannungstestimpulsen resultieren Stromimpulse, die in einem Zwischenkreis mittels Stromsensoren erfasst werden. Die Stromimpulse werden zur Ermittlung des Rotorwinkels ausgewertet. Hierzu wird die Anstiegszeit ermittelt, die der Stromimpuls benötigt, um ausgehend von einem Stromwert Null einen Referenzwert zu erreichen. In Abhängigkeit der Anstiegszeit wird dann der Rotorwinkel ermittelt. Ergänzend kann auch eine entsprechend ermittelte Abstiegszeit ausgewertet werden. Ferner wird vorgeschlagen, alternativ zu den Zeitdauern eine Flussänderung zu ermitteln und auszuwerten. Bei den Spannungstestimpulsen handelt es sich nicht um alternierende Spannungen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren und eine alternative Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die eine Vielzahl von Statorwicklungen und einen Rotor aufweist, zu schaffen, bei dem der Rotorwinkel einfach, schnell, eindeutig und somit zuverlässig sowie kostengünstig, d. h. ohne hierfür zusätzliche Sensoren vorsehen zu müssen, ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:

a) Anlegen einer alternierenden Spannung an wenigstens eine der Statorwicklungen, wobei die alternierende Spannung eine Vielzahl von Spannungsimpulsen aufweist,
b) Erfassen von Strommomentanwerten eines Stromsignals, wobei das Stromsignal den zeitlichen Verlauf eines Stroms repräsentiert, der in Reaktion auf die angelegte Spannung durch wenigstens eine der Statorwicklungen fließt,
c) Auswerten der Strommomentanwerte, wobei hierzu ein erster Kenngrößenwert und ein zweiter Kenngrößenwert einer Stromverlaufskenngröße in Abhängigkeit der Strommomentanwerte ermittelt werden, wobei die Stromverlaufskenngröße das zeitliche Verhalten des durch die Statorwicklung fließenden Stroms charakterisiert,
d) Ermitteln eines Rotorwinkelwertes in Abhängigkeit der beiden Kenngrößenwerte.

Diese Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die folgende Einheiten aufweist: Erste Einheiten zum Anlegen einer alternierenden Spannung an wenigstens eine der Statorwicklungen, wobei die alternierende Spannung eine Vielzahl von Spannungsimpulsen aufweist, zweite Einheiten zum Erfassen von Strommomentanwerten eines Stromsignals, wobei das Stromsignal den zeitlichen Verlauf eines Stroms repräsentiert, der in Reaktion auf die angelegte Spannung durch wenigstens eine der Statorwicklungen fließt, dritte Einheiten zum Auswerten der Strommomentanwerte, wobei hierzu ein erster Kenngrößenwert und ein zweiter Kenngrößenwert einer Stromverlaufskenngröße in Abhängigkeit der Strommomentanwerte ermittelt werden, wobei die Stromverlaufskenngröße das zeitliche Verhalten des durch die Statorwicklung fließenden Stroms charakterisiert, und vierte Einheiten zum Ermitteln eines Rotorwinkelwertes in Abhängigkeit der beiden Kenngrößenwerte.
Es hat sich gezeigt, dass mit dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung in einfacher Art und Weise, sowie ohne großen Zeit- und Kostenaufwand der Rotorwinkel eindeutig als ein zwischen 0° und 360° liegender Winkel ermittelt werden kann.
Eine an eine Statorwicklung angelegte Spannung bewirkt einen durch diese Statorwicklung fließenden Strom. Im einfachsten Fall kann somit derjenige Strom betrachtet werden, der durch diejenige Statorwicklung fließt, an die die alternierende Spannung angelegt wird. Es kann aber auch ein Strom betrachtet werden, der durch eine der anderen Statorwicklungen fließt. Denn eine an eine Statorwicklung angelegte Spannung bewirkt in den anderen Statorwicklungen des Motors jeweils eine induzierte Spannung. Werden entsprechende Vorkehrungen an einer dieser Statorwicklungen getroffen, die einen Stromfluss ermöglichen, so kann auch ein durch eine induzierte Spannung bewirkter Stromfluss betrachtet werden. Da bei der zuerst genannten Ausführungsform der schaltungstechnische Aufwand allerdings geringer ist, wird bei den nachfolgenden Betrachtungen angenommen, dass es sich bei dem Strom um denjenigen handelt, der durch diejenige Statorwicklung fließt, an die die Spannung angelegt wird.
Eine an eine Statorwicklung angelegte alternierende Spannung bewirkt einen durch diese Statorwicklung fließenden Strom, der in seinem zeitlichen Verlauf zunehmendes und abnehmendes Verhalten aufweist. Durch geeignete Wahl der alternierenden Spannung kann erreicht werden, dass auch der Strom alterniert. Ein durch eine Statorwicklung fließender Strom erzeugt eine auf den Rotor wirkende Kraft. Wirkt diese Kraft über längere Zeit auf den Rotor ein, wird ein Impuls auf den Rotor übertragen. Dies führt zu einer Energieeinkoppelung auf den Rotor, was letztlich dazu führen kann, dass der Rotor eine minimale Bewegung ausführen kann. Aufgrund dieser Bewegung entsteht eine elektromotorische Kraft, die sich der angelegten Spannung überlagert. Alterniert nun der durch die Statorwicklung fließende Strom, so bewirkt dies eine auf den Rotor wirkende alternierende Kraft, die zu einer entspre chenden Beeinflussung der Rotorbewegung und somit der elektromotorischen Kraft führt. Insgesamt bewirkt dies, dass die angelegte Spannung aufgrund der elektromotorischen Kraft abwechselnd entweder erhöht oder erniedrigt wird. Dies wiederum hat einen Einfluss auf den durch die Statorwicklung fließenden Strom und somit dessen zeitliches Verhalten. Folglich kann dieser Einfluss mittels einer Stromverlaufskenngröße, die das zeitliche Verhalten des durch die Statorwicklung fließenden Stroms charakterisiert, festgestellt werden. Genau dies macht sich das neue Verfahren und die neue Vorrichtung zunutze, um den Rotorwinkelwert zu ermitteln. Da hierbei auf den Einsatz zusätzlicher Sensoren verzichtet werden kann, handelt es sich um eine sehr kostengünstige Möglichkeit der Ermittlung des Rotorwinkelwertes.
Die oben genannte Aufgabe ist vollständig gelöst.
Vorzugsweise weist das Verfahren außerdem folgenden Schritt auf:

e) Berücksichtigen des Rotorwinkelwertes beim Betreiben der elektrischen Maschine.

In entsprechender Weise weist die Vorrichtung vorzugsweise fünfte Einheiten zum Berücksichtigen des Rotorwinkelwertes beim Betreiben der elektrischen Maschine auf.
Der Rotorwinkel wird beim Betreiben der elektrischen Maschine vorzugsweise dergestalt berücksichtigt, dass die an die Statorwicklung angelegte Spannung modifiziert wird oder zusätzlich an einer weiteren Statorwicklung eine Spannung angelegt wird, um insgesamt eine Veränderung des erzeugten Magnetfeldes derart zu erreichen, dass das Magnetfeld und die Ausrichtung des Rotors zueinander passen.
Vorzugsweise wird als elektrische Maschine ein bürstenloser Gleichstrommotor betrachtet, der einen als Permanentmagnet ausgebildeten Rotor aufweist. Der Rotorwinkel beschreibt dann den Auslenkungswinkel, den einer der beiden Pole in Bezug auf eine definierte Raumachse bzw. Raumrichtung aufweist. Beispielsweise den Auslenkungswinkel des Nordpols in Bezug auf die Vertikale. Dies soll keine einschränkende Wirkung haben, es kann auch der Südpol oder die Horizontale betrachtet werden. Der Rotorwinkel kann als Kombination zweier Größen angesehen werden. Zum einen der Rotorlage, d. h. der Lage des Rotors als solchen, ohne Berücksichtigung seiner Polarität. Die Rotorlage kann einen Wert zwischen 0° und 180° annehmen. Und zum anderen der Rotorpolarität, d. h. bspw. der Ausrichtung des Rotornordpols. Wird die Rotorpolarität berücksichtigt, steht fest, ob es sich bei dem durch die Rotorlage definierten Winkel um denjenigen Winkel handelt, der in dem Intervall 0° bis 180° liegt, oder um denjenigen Winkel handelt, der um 180° phasenverschoben ist, und somit in dem Intervall 180° bis 360° liegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die alternierende Spannung einen rechteckförmigen Verlauf auf.
Es handelt sich hierbei um eine einfach zu erzeugende alternierende Spannung. Zudem führt die alternierende rechteckförmige Spannung zu klar definierten Zuständen der elektrischen Maschine. So fließt durch die Statorwicklung bspw. ein dreieckförmiger Strom. Dieser kann in einfacher Art und Weise ausgewertet und der Rotorwinkelwert somit zuverlässig ermittelt werden. Eine alternierende Spannung im Sinne des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung weist abwechselnd Zeitabschnitte mit positiven Momentanwerten und Zeitabschnitte mit negativen Momentanwerten auf, wie dies bspw. bei einer sinusförmigen Spannung ohne Gleichanteil der Fall ist. Alternativ kann der Verlauf der alternierenden Spannung auch rechteck-, dreieck- oder sägezahnförmig sein. Weist die alternierende Spannung aus einzelnen Impulsabschnitten bestehende Impulse auf, so sollen die einzelnen Impulsabschnitte abwechselnd unterschiedliches Vorzeichen aufweisen. Vorteilhafterweise handelt es sich um eine alternierende Spannung mit einem 50%-igen Tastverhältnis.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Statorwicklung, durch die der Strom fließt, um diejenige Statorwicklung, an die die alternierende Spannung angelegt wird.
Wie bereits ausgeführt, ist der schaltungstechnische Aufwand für das Erfassen des Stromes dann am geringsten, wenn derjenige Strom erfasst wird, der durch diejenige Statorwicklung fließt, an die die alternierende Spannung angelegt wird. Folglich ist es besonders konsequent diesen Strom zu erfassen. Die Kosten werden gering gehalten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die elektrische Maschine drei Statorwicklungen auf, wobei die alternierende Spannung gleichzeitig an zwei Statorwicklungen angelegt wird.
Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, dass der durch die Statorwicklung fließende dreieckförmige Strom gegenüber äußeren Störeinflüssen sehr robust ist und der Rotorwinkelwert somit sehr zuverlässig ermittelt werden kann. Vorzugsweise wird der durch die beiden Statorwicklungen fließende Strom erfasst. Die vorstehende Bezugnahme auf drei Statorwicklungen soll keine einschränkende Wirkung haben. Selbstverständlich ist das neue Verfahren für Motoren mit einer beliebigen Anzahl von Statorwicklungen einsetzbar. Ferner ist es bei Motoren mit mehr als drei Statorwicklungen denkbar, die alternierende Spannung gleichzeitig an mehr als zwei Statorwicklungen anzulegen.
Die drei Statorwicklungen können sternförmig oder dreieckförmig verschaltet werden. Beide Verschaltungen können prinzipiell durch entsprechende Transformationen ineinander überführt werden. Vorzugsweise wird die sternförmige Verschaltung gewählt, da es dann möglich ist, gezielt an zwei Statorwicklungen eine Spannung anzulegen, ohne gleichzeitig diese Spannung auch an die dritte Statorwicklung anzulegen. Dadurch lassen sich bei einer sternförmigen Verschaltung die benötigten Strommomentanwerte einfacher erfassen. Außerdem lassen sich bei einer sternförmigen Verschaltung eingesetzte Statorwicklungen einfacher herstellen, als die bei einer dreieckförmigen Verschaltung eingesetzten Statorwicklungen. Mit dem neuen Verfahren kann der Rotorwinkelwert ermittelt werden, ohne hierfür eine Messung des Sternpunktpotentials vornehmen zu müssen. Darüber hinaus ist es auch nicht erforderlich, an den Sternpunkt ein Potential anzulegen. Insgesamt ist das neue Verfahren wenig aufwändig.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Stromverlaufskenngröße um eine Amplitude.
Der Begriff Amplitude soll neben der Bedeutung, die er im Zusammenhang mit sich zeitlich wiederholenden oder periodischen Signalen hat, auch die Bedeutung eines Maximalwerts, insbesondere eines lokalen Maximalwerts haben.
Wie bereits ausgeführt, bewirkt das Anlegen einer alternierenden Spannung an eine Statorwicklung, dass durch diese Statorwicklung ein Strom mit einem charakteristischen zeitlichen Verhalten fließt. Bei einer speziell ausgeführten, noch zu beschreibenden alternierende Spannung fließt durch die Statorwicklung ein alternierender Strom mit bspw. dreieckförmigem Verlauf. Es zeigt sich nun, dass die alternierenden Dreiecke nicht identisch aufgebaut sind. Sie weisen nicht allesamt dieselbe Höhe auf. Der dreieckförmige Strom besteht aus Dreiecken mit zwei unterschiedlichen Höhen. Ferner haben Untersuchungen gezeigt, dass die beiden Dreieckhöhen vom Rotorwinkel abhängig sind. Das heißt in diesem speziellen zeitlichen Verlauf bzw. zeitlichen Verhalten steckt eine den Rotorwinkel charakterisierende Information. Demzufolge kann der Rotorwinkelwert unter Verwendung einer Stromverlaufskenngröße, die das zeitliche Verhalten des durch die Statorwicklung fließenden Stroms charakterisiert, ermittelt werden. Die Form des Stromverlaufs hängt in einem gewissen Maße auch von der Güte der Messanordnung ab. Bei einer Messanordnung mit einer besonders hohen Güte kann ein sägezahnförmiger Stromverlauf festgestellt werden.
Aufgrund des vorstehend dargelegten Sachverhalts wird als Stromverlaufskenngröße vorteilhafterweise die Amplitude verwendet. Somit werden im Schritt c) ein erster Amplitudenwert und ein zweiter Amplitudenwert in Abhängigkeit der Strommomentanwerte ermittelt. Dies kann bspw. schaltungstechnisch mit Hilfe eines sogenannten Scheitelwertmessers erfolgen. Programmtechnisch kann dies mit Hilfe von Vergleichen erfolgen. Hierzu werden bspw. die zeitlich nacheinander erfassten Strommo mentanwerte beginnend mit dem ersten Strommomentanwert in einen Speicher eingelesen und solange durch einen zeitlich nachfolgenden Strommomentanwert überschrieben, solange der nachfolgende Strommomentanwert größer als der abgespeicherte Strommomentanwert ist. Der zuletzt abgespeicherte Strommomentanwert ist dann der gesuchte Amplitudenwert. Für zwei definierte Zeitabschnitte können zwei Amplitudenwerte ermittelt werden.
Alternativ kann als Stromverlaufskenngröße auch eine Flächengröße verwendet werden. Die Flächengröße repräsentiert die jeweilige Fläche der Dreiecke, aus denen der dreieckförmige Stromverlauf aufgebaut ist. Somit werden im Schritt c) ein erster und ein zweiter Dreieckflächenwert in Abhängigkeit der Strommomentanwerte ermittelt. Die Flächengröße kann bspw. mittels Summenbildung ermittelt werden. Als weitere Alternative kann als Stromverlaufskenngröße eine Steigungsgröße verwendet werden. Insbesondere für diejenigen Dreiecke mit positiven Strommomentanwerten werden für die Schenkel mit negativer Steigung Steigungswerte ermittelt. Somit werden im Schritt c) ein erster und ein zweiter Steigungswert in Abhängigkeit der Strommomentanwerte ermittelt. Die Steigungswerte können bspw. in Form von Differentialquotienten ermittelt werden.
Den vorstehenden Ausführungen liegt folgender Sachverhalt zugrunde: die Steigung des Stromsignals ist ein Maß für die Induktivität der Statorwicklungen. Folglich ergeben sich, unter Zugrundelegung definierter Zeitabschnitte, bei unterschiedlichen Rotorwinkeln unterschiedliche Maxima im Stromsignal. Was die Stromverlaufskenngröße angeht, so hat die Auswertung einer Flächengröße gegenüber einer Steigungsgröße den Vorteil, dass die Flächengröße vergleichsweise weniger verrauscht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in Schritt c) ein Abweichungswert ermittelt, der eine zwischen dem ersten Kenngrößenwert und dem zweiten Kenngrößenwert vorhandene Abweichung repräsentiert, wobei in Schritt d) der Rotorwinkelwert in Abhängigkeit des Abweichungswerts ermittelt wird.
Wie bereits ausgeführt, ist die Abweichung zwischen dem ersten Kenngrößenwert und dem zweiten Kenngrößenwert ein Maß für den Rotorwinkel. Folglich ist es konsequent, in Abhängigkeit dieser beiden Kenngrößenwerte einen Abweichungswert zu ermitteln. Der Abweichungswert kann bspw. durch Differenzbildung oder Quotientenbildung ermittelt werden. Gelingt es, die beiden Kenngrößenwerte in einer entsprechend hohen Güte zu ermitteln, lässt der Abweichungswert eine quantitative Aussage zu und der Rotorwinkelwert kann allein unter Verwendung des Abweichungswertes ermittelt werden. D. h. in Abhängigkeit des Abweichungswerts kann für den Rotorwinkelwert ein zwischen 0° und 360° liegender Wert ermittelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Schritte a) bis c) zunächst für eine erste Statorwicklung durchgeführt, wobei das Stromsignal den zeitlichen Verlauf eines durch die erste Statorwicklung fließenden ersten Stroms repräsentiert, wobei in Abhängigkeit der beiden für diesen ersten Strom ermittelten Kenngrößenwerte ein erster Abweichungswert ermittelt wird, und dass die Schritte a) bis c) anschließend für eine zweite Statorwicklung durchgeführt werden, wobei das Stromsignal den zeitlichen Verlauf eines durch die zweite Statorwicklung fließenden zweiten Stroms repräsentiert, wobei in Abhängigkeit der beiden für diesen zweiten Strom ermittelten Kenngrößenwerte ein zweiter Abweichungswert ermittelt wird, wobei im Schritt d) der Rotorwinkelwert in Abhängigkeit der beiden Abweichungswerte ermittelt wird.
Bei dieser Maßnahme soll der Abweichungswert einen quantitativen Charakter haben, d. h. der Rotorwinkelwert kann allein in Abhängigkeit des Abweichungswertes eindeutig ermittelt werden. Prinzipiell werden keine Werte einer weiteren Größe benötigt. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau und eine schnelle Ermittlung. Durch die Berücksichtigung zweier unabhängig voneinander ermittelter Abweichungswerte wird die Genauigkeit und Zuverlässigkeit beim Ermitteln des Rotorwinkelwerts erhöht. Vorzugsweise werden zeitlich nacheinander die Schritte a) bis c) für jede der Statorwicklungen durchgeführt und dabei jeweils ein Abweichungswert ermittelt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in Schritt c) zusätzlich ein Stromflächenwert in Abhängigkeit der Strommomentanwerte ermittelt, wobei der Stromflächenwert ein für den durch die Statorwicklung fließenden Strom gebildetes zeitliches Integral charakterisiert, wobei in Schritt d) der Rotorwinkelwert zusätzlich in Abhängigkeit des Stromflächenwerts ermittelt wird.
Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, dass der Rotorwinkelwert durch die Verwendung eines zweiten Wertes zuverlässiger ermittelt werden kann. Insbesondere dann, wenn die beiden Kenngrößenwerte und somit der Abweichungswert nicht in der erforderlichen Güte ermittelt werden können, ermöglicht die Berücksichtigung des Stromflächenwertes eine zuverlässige Ermittlung des Rotorwinkelwertes. Steht der Stromflächenwert zur Verfügung, kann grundsätzlich folgender Ansatz verfolgt werden: Es ist ausreichend, die beiden Kenngrößenwerte und somit den Abweichungswert lediglich in solch einer Güte zu ermitteln, die erforderlich ist, damit anhand des Abweichungswerts eine qualitative Aussage bzgl. des Rotorwinkels gemacht werden kann. In diesem Fall repräsentiert der Abweichungswert die Rotorpolarität. Mit ihm lässt sich feststellen, ob bspw. der Nordpol des Rotors einen Winkel einnimmt, der in dem Intervall 0° bis 180° oder in dem Intervall 180° bis 360° liegt. Die Zugehörigkeit zu diesen beiden Intervallen ist bspw. anhand des Vorzeichens des Abweichungswerts feststellbar. Gleichzeitig repräsentiert der Stromflächenwert die Rotorlage, d. h. er zeigt an, welchen in dem Intervall von 0° bis 180° liegenden Winkel der Rotor gegenüber einer Bezugsrichtung einnimmt. Durch die Kombination des Abweichungswertes und des Stromflächenwertes kann dann der Rotorwinkel eindeutig ermittelt werden. Insgesamt kann der schaltungstechnische Aufwand reduziert werden, da die beiden Kenngrößenwerte und somit auch der Abweichungswert nicht in der hohen Güte vorliegen müssen, die zu fordern ist, wenn allein anhand des Abweichungswerts eine quantitative Aussage gemacht werden soll.
Wird zudem als Stromverlaufskenngröße eine Flächengröße verwendet, so führt dies zu einer weiteren Vereinfachung beim Ermitteln des Rotorwinkelwertes. In diesem Fall kann sowohl der Abweichungswert als auch der Stromflächenwert unter Ver wendung desselben Auswertungsmechanismus, nämlich einer Flächenermittlung, ermittelt werden. Vorteilhafterweise wird beim Ermitteln des Stromflächenwertes zuvor ein in dem zeitlichen Verlauf des Stromes enthaltener Gleichstromanteil eliminiert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird im Schritt d) der Abweichungswert mit einer Anzahl von Abweichungsvergleichswerten und/oder der Stromflächenwert mit einer Anzahl von Flächenvergleichswerten verglichen.
Den Rotorwinkelwert vergleichsbasiert zu ermitteln, hat mehrere Vorteile. Es handelt sich um eine einfach realisierbare Maßnahme, die zudem schnell und zuverlässig ist. Die benötigten Vergleichswerte können bspw. mit Hilfe von im Vorfeld durchgeführten Versuchsmessungen ermittelt werden. Hierzu werden für den Rotor sukzessive unterschiedliche, in dem Intervall 0° bis 360° liegende Rotorwinkel eingestellt. Für jeden der eingestellten Rotorwinkel wird dann eine alternierende Spannung an eine der Statorwicklungen angelegt und die Strommomentanwerte erfasst und ausgewertet. Der dabei jeweils ermittelte Abweichungswert und Stromflächenwert wird zusammen mit dem Rotorwinkelwert in Form eines Tupels abgespeichert, bspw. in einem EEPROM. Die Versuchsmessungen werden für alle Statorwicklungen durchgeführt. Alternativ können die Vergleichswerte auch unter Verwendung eines mathematischen Modells gewonnen werden, mit dem sich für unterschiedliche Rotorwinkelwerte die Abweichungswerte und Stromflächenwerte berechnen lassen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die alternierende Spannung einen gegen den Wert Null gehenden zeitlichen Mittelwert auf.
Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, dass der Rotor lediglich minimale Bewegungen um seine Ruhelage herum ausführt. Nennenswerte Drehbewegungen werden vermieden. Ferner wird dadurch der in Reaktion auf die angelegte alternierende Spannung fließende Strom klein gehalten.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die alternierende Spannung zumindest zwei Spannungsimpulse auf, einen ersten Spannungsimpuls mit einer ersten Impulsdauer und zweiten Spannungsimpuls mit einer zweiten Impulsdauer, wobei der erste Kenngrößenwert das zeitliche Verhalten des Stromes innerhalb der ersten Impulsdauer und der zweite Kenngrößenwert das zeitliche Verhalten des Stromes innerhalb der zweiten Impulsdauer charakterisiert.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die alternierende Spannung so ausgebildet ist, dass der durch die Statorwicklung fließende Strom eine komplette Periodendauer und somit einen solchen zeitlichen Verlauf aufweist, der für das Ermitteln des Abweichungswerts erforderlich ist. Somit können sowohl die Strommomentanwerte eines Dreiecks mit der ersten Höhe als auch die Strommomentanwerte eines Dreiecks mit der zweiten Höhe ausgewertet und bspw. der erste und der zweite Amplitudenwert ermittelt werden.
In einer alternativen Betrachtungsweise, bei der auf die Periodendauer des durch die Stromwicklung fließenden Stromes abgestellt wird, wird für einen ersten Teil der Periodendauer der erste Kenngrößenwert und für einen zweiten Teil der Periodendauer der zweite Kenngrößenwert ermittelt. Auch in diesem ist sichergestellt, dass beide Kenngrößenwerte ermittelt werden können. Vorteilhafterweise wird der erste Kenngrößenwert für einen ersten Stromimpulsanteil und der zweite Kenngrößenwert für einen zweiten Stromimpulsanteil ermittelt. Besonders vorteilhafterweise jeweils für das in diesen Stromimpulsanteilen enthaltene erste Dreieck. Entsprechendes gilt auch, wenn die alternierende Spannung mehr als zwei Spannungsimpulse und somit der durch die Stromwicklung fließende Strom mehr als einen Stromimpuls aufweist. In diesem Fall kann für einen bestimmten Stromimpuls die Auswertung der Strommomentanwerte entsprechend vorgenommen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist jeder der Spannungsimpulse drei rechteckförmige Impulsabschnitte auf, wobei ein erster Impulsabschnitt und ein dritter Impulsabschnitt jeweils einen im Wesentlichen identischen ersten Impulswert und eine im Wesentlichen identische erste Abschnittsdauer aufweisen, und ein zweiter Impulsabschnitt einen zweiten Impulswert und eine zweite Abschnittsdauer aufweist, wobei die beiden Impulswerte und die beiden Abschnittsdauern so gewählt sind, dass der Spannungsimpuls einen gegen den Wert Null gehenden zeitlichen Mittelwert aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass sich bei dieser Form des Spannungsimpuls das charakteristische zeitliche Verhalten des dreieckförmigen Stromes am deutlichsten zeigt. Vorteilhafterweise ist der erste Impulswert positiv und der zweite Impulswert negativ. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die zweite Abschnittsdauer länger als die erste Abschnittsdauer ist. Bei einer längeren zweiten Abschnittsdauer können weniger durch Rauschen verfälschte Strommomentanwerte erfasst werden. Der gegen den Wert Null gehende zeitliche Mittelwert bewirkt den dreieckförmigen Verlauf des Stroms. Ist die erste Abschnittsdauer halb so groß wie die zweite Abschnittsdauer, bewirkt dies den alternierenden Stromverlauf.
Mit dem neuen Verfahren kann ein Rotorwinkelwert sowohl dann ermittelt werden, wenn der Rotor gegenüber dem Stator stillsteht als auch dann, wenn der Rotor eine Drehbewegung mit einer geringen Drehzahl ausführt.
Wie bereits ausgeführt, wird vorteilhafterweise derjenige Strom erfasst, der durch die beiden Statorwicklungen fließt, an die die alternierende Spannung angelegt wird. Es ist auch denkbar, für jede Statorwicklung den jeweils durch sie fließenden Strom zu erfassen. Üblicherweise ist die Summe dieser drei Ströme Null. Werden alle drei Ströme erfasst, können bspw. Fehlfunktionen festgestellt werden.
Vorzugsweise weist die alternierende Spannung eine definierte Anzahl von Spannungsimpulsen auf. Diese Spannung hat den Charakter eines zeitlich begrenzten Testsignals.
Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, dass einerseits eine genügend große Anzahl von Strommomentanwerten zur Verfügung steht, andererseits aber der für deren Auswer ten benötigte Rechenaufwand sich in Grenzen hält. Der Stromflächenwert kann zuverlässig ermittelt werden. Zum anderen besteht die Möglichkeit den Abweichungswert durch Mittelwertbildung zu ermitteln. Hierzu werden für mehrere Stromimpulspaare die Abweichungswerte ermittelt und anschließend aus diesen ein Mittelwert gebildet. Zudem ermöglicht diese Maßnahme, beim Auswerten der Strommomentanwerte an diese Situation angepasste und somit optimierte Maßnahmen einzusetzen, wodurch sich der Rotorwinkelwert besonders zuverlässig ermitteln lässt. Es hat sich gezeigt, dass mit einer alternierenden Spannung, die 16 Spannungsimpulse aufweist, besonders gute Ergebnisse erzielt werden.
Alternativ kann es sich bei der alternierenden Spannung auch um eine in einer definierten zeitlichen Reihenfolge an die Statorwicklung angelegte Betriebsspannung der elektrischen Maschine handeln.
Die Bezugnahme in den vorstehenden Ausführungen auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor soll keine einschränkende Wirkung haben. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung können bei einem beliebig ausgebildeten elektronisch kommutierten Elektromotor, eingesetzt werden. Also auch bei einem permanent erregten Synchronmotor oder bei einen Reluktanzmotor. Ebenso ist der Einsatz bei einem elektrischen Generator denkbar. Durch entsprechende Analogieüberlegungen kann das Ausführungsbeispiel auch auf einen als Generator ausgebildete elektrische Maschine übertragen werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung in Verbindung mit einer zu betreibenden elektrischen Maschine,
2 eine schematische Darstellung der in einer elektronisch kommutierten Maschine enthaltenen Statorwicklungen,
3 einen Zeitverlauf einer für die Versorgung der elektrischen Maschine vorgesehenen Spannungsquelle,
4 einen Zeitverlauf von an verschiedenen Statorwicklungspaaren angelegten Spannungen,
5 einen Zeitverlauf von in unterschiedlichen Statorwicklungen induzierten Spannungen,
6 einen Zeitverlauf von in den Statorwicklungen fließenden Strömen,
7 einen Zeitverlauf einer alternierenden Spannung in einer ersten Ausführungsform, die an ein Statorwicklungspaar angelegt ist,
8 einen Zeitverlauf eines Stromes, der bei einer ersten Rotorposition durch das Statorwicklungspaar fließt, an dem die alternierende Spannung angelegt ist,
9 einen Zeitverlauf eines Stromes, der bei einer zweiten Rotorposition durch das Statorwicklungspaar fließt,
10 einen Zeitverlauf einer alternierenden Spannung in einer zweiten Ausführungsform, die an ein Statorwicklungspaar angelegt ist,
11 einen Zeitverlauf eines Stromes, der bei einem ersten Rotorwinkel durch das Statorwicklungspaar fließt, an den die alternierende Spannung angelegt ist,
12 einen Zeitverlauf eines Stromes, der bei einem zweiten Rotorwinkel durch das Statorwicklungspaar fließt,
13 ein Diagramm mit in Abhängigkeit des Rotorwinkels dargestellten Kurvenverläufen, und
14 ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Erläuterung des neuen Verfahrens.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Mit der Vorrichtung 10 wird eine elektrische Maschine 12 betrieben. Bei der elektrischen Maschine 12 handelt es sich um einen zur elektronischen Kommutierung vorgesehenen bzw. elektronisch kommutierten Elektromotor, vorzugsweise um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC – brushless DC motor). Die elektrische Maschine 12 weist drei Statorwicklungen auf, nämlich eine mit der Bezugsziffer 14 bezeichnete Statorwicklung A, eine mit der Bezugsziffer 16 bezeichnete Statorwicklung B und eine mit der Bezugsziffer 18 bezeichnete Statorwicklung C. Ferner weist die elektrische Maschine 12 einen Rotor 20 auf. Der Rotor 20 ist als Permanentmagnet ausgeführt, der einen Nordpol und einen Südpol aufweist, wobei der Nordpol durch eine Pfeilspitze 22 gekennzeichnet ist. Der Rotor 20 ist drehbar um eine aus der Zeichenebene heraustretende Achse 24 gelagert. Aufgrund der Drehbewegung weist der Rotor 20 einen Rotorwinkel φ auf, wobei der Rotorwinkel φ einen Wert zwischen 0° und 360° einnehmen kann. Im Rahmen des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Rotorwinkel φ als derjenige Winkel definiert, um den der Nordpol des Rotors 20 gegenüber der Vertikalen ausgelenkt ist. Dies soll keine einschränkende Wirkung haben. Beispielsweise kann bei der Definition des Rotorwinkels φ auch Bezug auf den Südpol des Rotors 20 oder die Horizontale genommen werden.
Für die Bestimmung des Rotorwinkels φ ist die Kenntnis der Rotorpolarität erforderlich. Diese ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Ausrichtung des Nordpols definiert. Ohne Kenntnis der Rotorpolarität kann lediglich die Rotorlage bestimmt werden. Mit anderen Worten: ohne Kenntnis der Rotorpolarität kann der Rotorwinkel φ nicht eindeutig, sondern nur zweideutig bestimmt werden. Mit der Vorrichtung 10 kann der Rotorwinkel φ eindeutig bestimmt werden. Und zwar unabhängig davon, ob der Rotor 20 in Bezug auf die Statorwicklungen 12, 16, 18 stillsteht oder sich relativ zu diesen dreht.
Die Vorrichtung 10 weist eine Steuereinheit 26 auf, mit der eine Schalteinheit 28 angesteuert wird. Die Schalteinheit 28 besteht bspw. aus drei Halbbrücken, die jeweils aus zwei Schalttransistoren aufgebaut sind. Bei den Schalttransistoren kann es sich bspw. um Bipolartransistoren oder um MOSFET-Transistoren handeln. Über die Schalteinheit 28 wird eine von einer Spannungsquelle 30 bereitgestellte Versorgungsspannung an die Statorwicklungen 14, 16, 18 angelegt. Die Statorwicklungen 14, 16, 18 sind über Leitungen 32, 34, 36 an die Schalteinheit 28 angeschlossen. Durch entsprechende Ansteuerung der Schalteinheit 28 kann an jede der Statorwicklungen 14, 16, 18 sowohl eine positive als auch eine negative Spannung angelegt werden.
Eine an eine Statorwicklung angelegte Spannung bewirkt einen Stromfluss durch diese Statorwicklung. Wird bspw. durch entsprechende Ansteuerung der Schalteinheit 28 die Versorgungsspannung an die Statorwicklung A angelegt, so fließt durch diese Statorwicklung ein Strom, der ihr ausgehend von der Spannungsquelle 30 über die Leitung 32 zugeführt wird. In entsprechender Weise wird der Statorwicklung B ein Strom über die Leitung 34 und der Statorwicklung C ein Strom über die Leitung 36 zugeführt.
Die Vorrichtung 10 weist eine Erfassungseinheit 38 auf, mit der Strommomentanwerte eines Stromsignals erfasst werden. Bspw. desjenigen Stromsignals, welches den Strom repräsentiert, der durch die Statorwicklung A und somit die Leitung 32 fliegt. Hierzu umfasst die Erfassungseinheit 38 bspw. einen sog. Shunt-Widerstand, der in der Leitung 32 angeordnet ist. Der durch die Leitung 32 fließende Strom erzeugt an dem Shunt-Widerstand einen dem Strom proportionalen Spannungsabfall. Basierend auf dem linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom liegt somit aufgrund des Spannungsabfalls ein Stromsignal vor, welches den durch die Statorwicklung A fließenden Strom repräsentiert. Dieses Stromsignal besteht aus einer zeitlichen Abfolge von Strommomentanwerten 40, die sowohl einer ersten Auswerteeinheit 42 als auch einer zweiten Auswerteeinheit 44 zugeführt werden. Der Wert des Shunt-Widerstandes sei hierbei bekannt. In entsprechender Weise ist auch in den Leitungen 34, 36 jeweils ein Shunt-Widerstand angeordnet. Somit können mit der Erfassungseinheit 38 auch Strommomentanwerte erfasst werden, die den durch die Statorwicklung B fließenden Strom oder den durch die Statorwicklung C fließenden Strom repräsentieren.
Zu der Erfassung der Strommomentanwerte mittels der Erfassungseinheit 38 gibt es Alternativen. Die Strommomentanwerte können auch ausgehend von demjenigen Strom ermittelt werden, der in einer der Zuleitungen fließt, über die die Spannungsquelle 30 an die Schalteinheit 28 angeschlossen ist. Da die Schaltzustände der Schalteinheit 28 bekannt sind, können die Strommomentanwerte, die für eine der beiden Zuleitungen erfasst werden, derjenigen Statorwicklung oder demjenigen Statorwicklungspaar zugeordnet werden, an der oder an das die alternierende Spannung angelegt ist. In diesem Fall wird nur ein Shunt-Widerstand benötigt. Alternativ können die Strommomentanwerte auch an den Schalttransistoren der Schalteinheit 28 erfasst werden. In diesem Fall kann zusätzlich festgestellt werden, ob ein Fehlstrom aufgrund Kurzschluss auftritt.
In der ersten Auswerteeinheit 42 werden in Abhängigkeit der Strommomentanwerte 40 ein erster Kenngrößenwert und ein zweiter Kenngrößenwert einer Stromverlaufskenngröße ermittelt, wobei die Stromverlaufskenngröße das zeitliche Verhalten eines durch eine Statorwicklung fließenden Stromes charakterisiert. Bei der Stromverlaufskenngröße kann es sich bspw. um eine Amplitude und somit bei den beiden Kenngrößenwerten um Amplitudenwerte handeln. In der ersten Auswerteeinheit 42 wird ein Abweichungswert 46 ermittelt, der eine zwischen dem ersten Kenngrößenwert und dem zweiten Kenngrößenwert vorhandene Abweichung repräsentiert. Der Abweichungswert 46 wird einer Vergleichseinheit 48 zugeführt. Bei dem Abwei chungswert 46 kann es sich bspw. um eine zwischen den beiden Kenngrößenwerten vorliegende Differenz oder um einen aus den beiden Kenngrößenwerten gebildeten Quotienten handeln. Der Rotorwinkelwert 52 wird in Abhängigkeit des Abweichungswertes 46 und somit in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Kenngrößenwertes ermittelt.
In der zweiten Auswerteeinheit 44 wird in Abhängigkeit der Strommomentanwerte 40 ein Stromflächenwert 50 ermittelt, der der Vergleichseinheit 48 zugeführt wird. Der Stromflächenwert 50 charakterisiert ein zeitliches Integral, welches für einen durch eine Statorwicklung fließenden Strom gebildet wird. Das zeitliche Integral kann bspw. durch Aufsummieren der einzelnen Strommomentanwerte 40 ermittelt werden. In der Vergleichseinheit 48 wird ein Rotorwinkelwert 52 in Abhängigkeit des Abweichungswertes 46 und des Stromflächenwertes 50 ermittelt. Hierzu wird der Abweichungswert 46 mit einer Anzahl von Abweichungsvergleichswerten 54 und der Stromflächenwert 50 mit einer Anzahl von Flächenvergleichswerten 56 verglichen. Für eine beliebige Anzahl von Rotorwinkelwerten sind die jeweils zugehörigen Abweichungsvergleichswerte 54 und die jeweils zugehörigen Flächenvergleichswerte 56 in einem Speicher 58 abgespeichert. Diese Vergleichswerte werden im Vorfeld bspw. durch Versuchsmessungen ermittelt, die mit der Vorrichtung 10 und der elektrischen Maschine 12 durchgeführt werden. Alternativ können die Vergleichswerte auch im Betrieb der elektrischen Maschine 12, im Sinne eines selbstlernenden Systems ermittelt werden. Der Rotorwinkelwert 52 wird der Steuereinheit 26 zugeführt, und kann somit beim Betreiben der elektrischen Maschine 12 berücksichtigt werden.
Bei den Einheiten 42, 44, 48 kann es sich jeweils entweder um strukturell oder funktionell ausgebildete Einheiten handeln. Diese Einheiten und weitere in 1 dargestellte Einheiten können jeweils eigenständig ausgeführt sein oder teilweise zu einem Verbund zusammengefasst sein.
In der Vergleichseinheit 48 wird der Rotorwinkelwert 52 in Abhängigkeit von dem Abweichungswert 46 und dem Stromflächenwert 50 ermittelt. Es sind deshalb zwei Werte erforderlich, da der Stromflächenwert 50 die Rotorlage des Rotors 20 charakterisiert und somit allein unter Verwendung des Stromflächenwertes 50 der Rotorwinkel φ nicht eindeutig, sondern lediglich zweideutig ermittelt werden kann. Der Abweichungswert 46 charakterisiert die Rotorpolarität. Durch Kombination der beiden Werte kann somit der Rotorwinkel φ eindeutig ermittelt werden. Dabei reicht es aus, wenn der Abweichungswert 46 die Rotorpolarität qualitativ charakterisiert. Hierzu kann bspw. das Vorzeichen des Abweichungswertes 46 ausgewertet werden. In diesem Fall muss der Abweichungswert 46 in keiner allzu hohen Güte vorliegen. Liegt der Abweichungswert 46 dagegen mit einer sehr hohen vor, kann der Rotorwinkelwert 52 allein in Abhängigkeit des Abweichungswerts 46 ermittelt werden, da in diesem Fall der Abweichungswert 46 die Rotorpolarität quantitativ charakterisiert. In diesem Fall kann auf die Zusatzinformation, die durch den Stromflächenwert 50 bereitgestellt wird, verzichtet werden. Aus Gründen der erhöhten, verbesserten Zuverlässigkeit können in diesem Fall aber auch beide Werte ausgewertet werden.
Bei der Spannungsquelle 30 handelt es sich um eine Gleichspannungsquelle, die eine im Wesentlichen konstante elektrische Spannung liefert. Die Spannungsquelle 30 kann bspw. als Batterie ausgeführt sein. Bei der Spannungsquelle 30 kann es sich um diejenige Spannungsquelle handeln, die für das Betreiben der elektrischen Maschine 12 ohnehin vorgesehen ist. Dies ermöglicht einen kompakten und somit einfachen und kostengünstigen Aufbau der neuen Vorrichtung 10.
Mit der Vorrichtung 10 kann der Rotorwinkelwert 52 unabhängig davon, ob der Rotor 20 gegenüber den Statorwicklungen 14, 16, 18 stillsteht oder sich relativ zu diesen bewegt, ermittelt werden. Somit kann die Vorrichtung 10 ausgehend von einem Stillstand über einen Hochfahr- bzw. Anfahrvorgang bis hin zum gewöhnlichen Betriebsmodus der elektrischen Maschine 12 zum Ermitteln eines Rotorwinkelwertes 52 eingesetzt werden. Es ist aber auch denkbar, mit der Vorrichtung 10 den Rotorwinkelwert 52 lediglich im Anfahrvorgang bis zu einer bestimmten Drehzahl des Rotors 20 zu ermitteln und danach auf ein anderes, bspw. spannungsbasiertes Verfahren zur Ermittlung des Rotorwinkelwertes überzuwechseln.
Es sind noch weitere, in 1 nicht dargestellte Verschaltungen denkbar. Es kann bspw. eine Verbindung zwischen der Steuereinheit 26 und dem Speicher 58 vorgesehen sein. Ausgehend von einer in der Steuereinheit 26 ermittelbaren Abweichung, bspw. zwischen einem angenommenen Rotorwinkelwert, der der Ansteuerung der Schalteinheit 28 zugrunde liegt, und dem ermittelten Rotorwinkelwert 52, kann eine Anpassung der in dem Speicher abgelegten Vergleichswerte 54, 56 vorgenommen werden. Bspw. beim vorstehend erwähnten „Erlernen” der Vergleichwerte. Ferner können den beiden Auswerteeinheiten 42, 44 jeweils die Signale zugeführt werden, mit der die Steuereinheit 26 die Schalteinheit 28 ansteuert. Dadurch kann sichergestellt werden, dass in den beiden Auswerteeinheiten 42, 44 die Auswertungen jeweils mit dem Anlegen der alternierenden Spannung vollkommen synchronisiert sind.
Der Controller 26 kann über 140 auch den Speicher 58 beschreiben, denn 26 kennt ja die Abweichung der aktuellen ”Induktivität” von der erwarteten und so kann der Speicherinhalt auch während des Betriebes geändert werden.
Die Verbindung 141 sorgt noch dafür, dass die Einheiten 42 und 44 den Zustand des Systems kennt und so die Auswertung auch zum richtigen Zeitpunkt machen. Glaube, diese Verbindung fehlt noch.
In 2 sind in einer schematischen Darstellung die Statorwicklung A, die Statorwicklung B und die Statorwicklung C dargestellt. Die Statorwicklungen 14, 16, 18 sind in einem Sternenpunkt 70 zusammengeschaltet. Über freie Anschlüsse 72, 74, 76 können Spannungen zur Kommutierung angelegt werden. Beispielsweise ist zwischen den freien Anschlüssen 72, 74 eine Spannung U_AB an die beiden Statorwicklungen A, B angelegt. Die dadurch hervorgerufene bzw. damit verbundene Stromänderung bewirkt einen durch diese beiden Statorwicklungen fließenden Strom I_AB, mit sich zeitlich ändernden Momentanwerten. Bei geeigneter Wahl der angelegten Spannung U_AB und entsprechender Auswertung kann aus dem Strom I_AB der Rotorwinkelwert 52 ermittelt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird auf die Darstellung des Rotors 20 verzichtet.
Durch die symmetrische Kopplung der Spannung U_AB wird durch einen sich in der Statorwicklung C ergebenden, sich ändernden Fluss in dieser eine Spannung U_indC induziert. Ist die Statorwicklung C keinem Stromkreis zugeordnet, hat diese Spannung keinen Stromfluss zur Folge. Es ist aber auch denkbar, dies Statorwicklung C einem Stromkreis zuzuordnen. Aus dem dann fließenden Strom kann ebenfalls der Rotorwinkel ermittelt werden.
Werden zumindest zwei verschiedene Statorwicklungspaare nacheinander entsprechend mit einer alternierenden Spannung beschaltet, und die jeweils durch die Statorwicklungspaare fließenden Ströme erfasst und ausgewertet, so erhält man für jedes Statorwicklungspaar den für die Ermittlung des Rotorwinkelwertes 52 benötigten Abweichungswert 46 und Stromflächenwert 50. Im Fall von dynamisch erregten Maschinen ist beim Durchführen der Messungen im Allgemeinen eine Spannung anzulegen, um ein definiertes Magnetfeld zu erzeugen, da sonst keine definierte Rotorposition vorliegt.
In 3 ist der zeitliche Verlauf einer von der Spannungsquelle 30 bereitgestellten Versorgungsspannung U_vers dargestellt. Es handelt sich um eine Gleichspannung mit dem Wert U_V.
In 4 ist der zeitliche Verlauf der an die Statorwicklungen 14, 16, 18 angelegten Spannungen U_ij dargestellt. Dieser zeitliche Verlauf ergibt sich durch entsprechende Ansteuerung der Schalteinheit 28. Die einzelnen Spannungen U_ij weisen eine Amplitude U_V auf, die dem Wert der Versorgungsspannung U_vers entspricht. Durch eine entsprechende Einspeisung der von der Spannungsquelle 30 bereitgestellten Versorgungsspannung kann aber auch erreicht werden, dass die Amplitude der Spannungen U_ij den U_V/2 aufweist.
In einem ersten, durch zwei Zeitpunkte t₀ und t₂ definierten Zeitabschnitt ist die Versorgungsspannung U_vers an die beiden Statorwicklungen 14, 16 angelegt. Die Schalteinheit 28 wird dabei so angesteuert, dass sich der mit U_AB bezeichnete alternie rende Spannungsverlauf ergibt. In einem zweiten durch zwei Zeitpunkte t₂ und t₄ definierten Zeitabschnitt ist die Versorgungsspannung U_vers an die beiden Statorwicklungen 16, 18 angelegt. Die Schalteinheit 28 wird dabei so angesteuert, dass sich der mit U_BC bezeichnete alternierende Spannungsverlauf ergibt. In einem dritten, durch zwei Zeitpunkte t₄ und t₆ definierten Zeitabschnitt ist die Versorgungsspannung U_vers an die beiden Statorwicklungen 18, 14 angelegt. Die Schalteinheit 28 wird dabei so angesteuert, dass sich der mit U_CA bezeichnete alternierende Spannungsverlauf ergibt. Anschließend an den dritten Zeitabschnitt wird die Versorgungsspannung U_vers erneut entsprechend dem ersten Zeitabschnitt an die beiden Statorwicklungen 14, 16 angelegt. Die Schalteinheit 28 wird somit so angesteuert, dass zeitlich nacheinander an verschiedenen Statorwicklungspaaren jeweils eine alternierende Spannung anliegt. Die Schalteinheit 28 kann auch so angesteuert werden, dass die an den Statorwicklungspaaren jeweils angelegte alternierende Spannung anstelle des in 4 dargestellten einen Vorzeichenwechsel zeitlich nacheinander mehrere Vorzeichenwechsel aufweist. Dies hat entsprechende Auswirkungen auf die in den noch zu beschreibenden 5 und 6 dargestellten Verläufe.
5 zeigt den zeitlichen Verlauf von induzierten Spannungen U_indi, die in denjenigen Statorwicklungen induziert werden, an denen die alternierende Spannung nicht angelegt ist. So ist in dem ersten Zeitabschnitt die induzierte Spannung U_indC, in dem zweiten Zeitabschnitt die induzierte Spannung U_indA und in dem dritten Zeitabschnitt die induzierte Spannung U_indB dargestellt. Die induzierten Spannungen U_indi können an dem jeweiligen freien Anschluss 72, 74, 76 bspw. gegenüber Masse gemessen werden. Zu Zeitpunkten t₁, t₃, t₅ ergeben sich Spannungssprünge ΔU_indi, die von dem Vorzeichenwechsel in der an die jeweiligen Statorwicklungspaare angelegten alternierenden Spannung herrühren. Die jeweilige Statorwicklung, in der die Spannung U_indi induziert wird, ist üblicherweise offen, d. h. keinem Stromkreis zugeordnet. Wird die elektrische Maschine 12 allerdings so betrieben, dass alle Statorwicklungen 14, 16, 18 in den Stromkreis eingeschlossen sind, so wird die jeweilige induzierte Spannung U_indi durch weitere Induktionsspannungen infolge eintretender Stromänderungen ausgeglichen.
6 zeigt den zeitlichen Verlauf von Strömen I_ij. Es handelt sich hierbei jeweils um denjenigen Strom, der durch dasjenige Statorwicklungspaar fließt, an welches die alternierende Spannung angelegt wird. In dem ersten Zeitabschnitt fließt der Strom I_AB durch die beiden Statorwicklungen 14, 16. In dem zweiten Zeitabschnitt fließt der Strom I_BC durch die beiden Statorwicklungen 16, 18. In dem dritten Zeitabschnitt fließt der Strom I_CA durch die beiden Statorwicklungen 18, 14. Die Ströme I_ij zeigen einen dreieckförmigen zeitlichen Verlauf. Sich zeitlich wiederholende alternierende Spannungen U_ij, wie diese in 4 dargestellt sind, vorausgesetzt, hätte dieser Stromverlauf zur Folge, dass das für den jeweiligen Strom I_ij gebildete zeitliche Integral einen von Null verschiedenen, zunehmenden Wert aufweisen würde. Es würde sich somit ein von Null verschiedener mittlerer Strom einstellen, der zu einer gerichteten Kraftwirkung führt. Diese Kraftwirkung und die damit verbundene Drehbewegung des Rotors soll bei der Ermittlung des Rotorwinkels vermieden werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die an die Statorwicklungspaare angelegte alternierende Spannung einen vorteilhaften Verlauf aufweist. Zu den Zeitpunkten t₁, t₃, t₅ ändert sich der Gradient des jeweiligen Stromes I_ij.
7 zeigt den zeitlichen Verlauf einer alternierenden Spannung U_AB, die an das aus den Statorwicklungen 14, 16 bestehende Statorwicklungspaar angelegt ist. Die Betrachtung dieses Statorwicklungspaares soll keine einschränkende Wirkung haben. Die nachfolgenden Betrachtungen gelten aus Symmetriegründen in entsprechender Weise auch für das aus den Statorwicklungen 16, 18 gebildete Statorwicklungspaar und somit die Spannung U_BC und das aus den Statorwicklungen 18, 14 gebildete Statorwicklungspaar und somit die Spannung U_CA.
Die alternierende Spannung U_AB hat einen rechteckförmigen Verlauf und weist eine Vielzahl von Spannungsimpulsen 90 auf. Der rechteckförmige Verlauf hat den Vorteil, dass das Spannungssignal Abschnitte konstanter Spannung aufweist, was dazu führt, dass der durch das Statorwicklungspaar fließende Strom I_AB abschnittsweise linear ansteigt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Auswertung des Stromes. Die Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer rechteckförmigen Spannung wird als Blockkommutierung bezeichnet.
In 7 sind für die alternierende Spannung U_AB drei Spannungsimpulse dargestellt. Ein erster Spannungsimpuls 92 mit einer ersten Impulsdauer, die durch Zeitpunkte t₇ und t₁₁ definiert ist. Ein zweiter Spannungsimpuls 94 mit einer zweiten Impulsdauer, die durch Zeitpunkte t₁₁ und t₁₅ definiert ist. Ein dritter Spannungsimpuls 96 mit einer dritten Impulsdauer, die durch Zeitpunkte t₁₅ und t₁₉ definiert ist. Die Impulsdauer sollen im Wesentlichen denselben Wert aufweisen. Für die in 7 dargestellte alternierende Spannung U_AB wird angenommen, dass diese vor dem Zeitpunkt t₇ den Wert Null aufweist. Dies führt dazu, dass die in den 8 und 9 dargestellten und noch zu beschreibenden Ströme I_AB vor dem Zeitpunkt t₇ ebenfalls den Wert Null aufweisen. In 7 ist der weitere zeitliche Verlauf der Spannung U_AB nach dem Zeitpunkt t₂₀ offen gelassen. Entsprechendes gilt auch für die 8 und 9 dargestellten Ströme I_AB. Vorteilhafterweise weist die alternierende Spannung U_AB eine ganze Anzahl des in 7 dargestellten Spannungsimpulses 92 und zusätzlich einen halben Spannungsimpuls auf. Die alternierende Spannung würde demzufolge bspw. beginnend mit dem Zeitpunkt t₇ zum Zeitpunkt t₁₃ oder zum Zeitpunkt t₁₇ oder zu einem entsprechend späteren Zeitpunkt enden. Ein abschließender halber Spannungsimpuls führt dazu, dass der Strom I_AB zum Ende der alternierenden Spannung U_AB ebenfalls den Wert Null aufweist.
Jeder der Spannungsimpulse 92, 94, 96 weist drei rechteckförmige Abschnitte auf. Nachfolgend wird der erste Spannungsimpuls 92 betrachtet. Die Ausführungen gelten entsprechend auch für alle anderen in der alternierenden Spannung U_AB enthaltenen Spannungsimpulse. Der erste Spannungsimpuls 92 weist einen ersten Impulsabschnitt 98 mit einem ersten Impulswert U_V und einer ersten Abschnittsdauer, die durch Zeitpunkte t₇ und t₈ definiert ist, auf. Einen zweiten Impulsabschnitt 100 mit einem zweiten Impulswert –U_V und einer zweiten Abschnittsdauer, die durch Zeitpunkte t₈ und t₁₀ definiert ist. Einen dritten Impulsabschnitt 102 mit einem dritten Impulswert U_V und einer dritten Abschnittsdauer, die durch Zeitpunkte t₁₀ und t₁₂ definiert ist. Dabei soll gelten, dass der erste Impulswert und der dritte Impulswert identisch sind und die erste Abschnittsdauer und die dritte Abschnittsdauer identisch sind. Ferner soll gelten, dass der Impulswert und die Abschnittsdauer für den ersten und den dritten Impulsabschnitt 98, 102 einerseits und der Impulswert und die Abschnittsdauer für den zweiten Impulsabschnitt 100 andererseits so gewählt sind, dass der erste Spannungsimpuls 92 einen gegen den Wert Null gehenden zeitlichen Mittelwert aufweist. Da dieses für alle in der alternierenden Spannung U_AB enthaltenen Spannungsimpulse gelten soll, weist die alternierende Spannung U_AB insgesamt einen gegen den Wert Null gehenden zeitlichen Mittelwert auf. In Versuchen hat sich gezeigt, dass mit alternierenden Spannungen, die aus 16 Spannungsimpulsen bestehen, die besten Ergebnisse erzielt werden.
In 8 ist der zeitliche Verlauf eines Stromes I_AB dargestellt, der durch das aus den beiden Statorwicklungen 14, 16 gebildete Statorwicklungspaar fließt. Der Rotor 20 soll dabei einen ersten Rotorwinkel φ₁ aufweisen. Wie die Darstellung in 8 zeigt, weist der Strom I_AB ein sich zeitlich wiederholendes Verhalten auf. Er besteht aus einer Vielzahl von Stromimpulsen, von denen nachfolgend ein erster Stromimpuls 104 betrachtet wird. Der erste Stromimpuls 104 weist eine Stromimpulsdauer auf, die durch Zeitpunkte t₈ und t₁₆ definiert ist. Diese Stromimpulsdauer ist doppelt so lang wie die Impulsdauer der Spannungsimpulse 92, 94, 96. Ferner wird der erste Stromimpuls 104 durch zwei unterschiedlich große Amplitudenwerte charakterisiert, einen ersten Amplitudenwert I_AB1 und einen zweiten Amplitudenwert I_AB2, wobei der erste Amplitudenwert kleiner als der zweite Amplitudenwert ist. Ein die zwischen diesen beiden Amplitudenwerten vorhandene Abweichung repräsentierender Abweichungswert 46 ist charakteristisch und somit ein Maß für den Rotorwinkel φ₁. Die beiden Amplitudenwerte I_AB1 und I_AB2 lassen sich bspw. durch eine Maximalwertermittlung bestimmen.
Es kann aber auch eine Flächenbetrachtung angestellt werden. Ein dem ersten Amplitudenwert I_AB1 zugeordnetes Dreieck, bspw. das dem Zeitpunkt t₈ zugeordnete erste Dreieck 106, weist einen ersten Dreieckflächenwert F₁ auf. Ein dem zweiten Amplitudenwert I_AB2 zugeordnetes Dreieck, bspw. das dem Zeitpunkt t₁₂ zugeordnete zweite Dreieck 108, weist einen zweiten Dreieckflächenwert F₂ auf. Wie der Darstellung in 8 zu entnehmen ist, ist der zweite Dreieckflächenwert F₂ größer als der erste Dreieckflächenwert F₁. Folglich ist auch ein Abweichungswert 46, der die zwischen den beiden Dreieckflächenwerten vorhandene Abweichung repräsentiert, charakteris tisch und somit ein Maß für den Rotorwinkel φ₁. Die beiden Dreieckflächenwerte F₁ und F₂ lassen sich bspw. durch Bildung des jeweiligen zeitlichen Integrals, insbesondere durch Summenbildung, ermitteln.
Es kann aber auch eine Steigungsbetrachtung angestellt werden. Wie der Darstellung in 8 zu entnehmen ist, weisen die beiden in dem ersten Stromimpuls 104 enthaltenen fallenden Stromflanken unterschiedliche Steigungen auf. Eine erste Stromflanke 110 ist durch die Zeitpunkte t₈ und t₁₀ definiert und weist einen ersten Steigungswert S₁ auf. Eine zweite Stromflanke 112 ist durch die Zeitpunkte t₁₂ und t₁₄ definiert und weist einen zweiten Steigungswert S₂ auf. Folglich ist auch ein Abweichungswert 46, der die zwischen den beiden Steigungswerten vorhandene Abweichung repräsentiert, charakteristisch und somit ein Maß für den Rotorwinkel φ₁. Die Steigungswerte S₁ und S₂ lassen sich unter Verwendung von Differentialquotienten ermitteln, wobei für jede der beiden Stromflanken 110, 112 der jeweilige Steigungswert auch durch Mittelwertbildung aus mehreren Differentialquotienten ermittelt werden kann.
Die Abweichungswerte werden bspw. durch Differenzbildung ermittelt. Hierbei wird bspw. der dem zweiten Dreieck 108 zugeordnete zweite Amplitudenwert I_AB2 von dem ersten Amplitudenwert I_AB1, der dem ersten Dreieck 106 zugeordnet ist, abgezogen. Entsprechendes gilt für die Dreieckflächenwerte F₁, F₂ und die Steigungswerte S₁, S₂.
In 9 ist der zeitliche Verlauf eines Stromes I_AB dargestellt, der ebenfalls durch das Statorwicklungspaar fließt, welches aus den beiden Statorwicklungen 14, 16 besteht. Allerdings nimmt in diesem Fall der Rotor 20 einen Rotorwinkel 92 ein, für den φ₂ = φ₁ + 180° gilt.
Wie 9 zu entnehmen ist, wird auch für den Strom, der bei dem Rotorwinkel φ₂ fließt, dessen zeitliches Verhalten durch die beiden Amplitudenwerte I_AB1 und I_AB2 charakterisiert. Allerdings mit dem Unterschied, dass in dem ersten Stromimpuls 104' zunächst der zweite Amplitudenwert I_AB2 und anschließend der erste Amplitudenwert I_AB1 auftritt. In entsprechender Weise wird das zeitliche Verhalten des Stromes I_AB auch durch die beiden Dreieckflächenwerte F₁ und F₂ sowie durch die beiden Steigungswerte S₁ und S₂ charakterisiert. Allerdings mit folgendem Unterschied: ein dem Zeitpunkt t₈ zugeordnetes erstes Dreieck 106' weist im Wesentlichen den zweiten Dreieckflächenwert F₂ auf. Ein dem Zeitpunkt 112 zugeordnetes zweites Dreieck 108' weist im Wesentlichen den ersten Dreieckflächenwert F₁ auf. Eine erste Stromflanke 110' weist den ersten Steigungswert S₂ auf. Eine zweite Stromflanke 112' weist den ersten Steigungswert S₁ auf. Auch in diesem Fall können Abweichungswerte ermittelt werden, wobei die dem zweiten Dreieck 108' zugeordneten Werte von den Werten, die dem ersten Dreieck 106' zugeordnet sind, abgezogen werden. Somit ergeben sich dieselben Beträge, wie für den in 8 dargestellten Stromverlauf, allerdings mit anderem Vorzeichen.
Insgesamt kann somit ein Rotorwinkelwert 52 in Abhängigkeit eines Abweichungswertes 46, die die Abweichung zwischen zwei Kenngrößenwerten repräsentiert, eindeutig ermittelt werden. Die Abweichungswerte können auch durch Mittelwertbildung für mehrere Dreieckpaare, die jeweils ein dem ersten Dreieck 106, 106' entsprechendes Dreieck und ein dem zweiten Dreieck 108, 108' entsprechendes Dreieck aufweisen, gebildet werden. Wobei nach vorheriger Betragsbildung auch Dreiecke mit negativen Strommomentanwerten berücksichtigt werden.
Ergänzend zu dem Abweichungswert 46 kann auch ein Stromflächenwert 50 in Abhängigkeit der Strommomentanwerte ermittelt werden, wobei der Stromflächenwert 50 das zeitliche Integral des Stromes I_AB charakterisiert. Dabei wird das zeitliche Integral für die Beträge der Strommomentanwerte gebildet. Das zeitliche Integral repräsentiert somit die Fläche des Stromsignals. Das zeitliche Integral kann bspw. durch Summenbildung über die Beträge der einzelnen Strommomentanwerte gebildet werden. Vorzugsweise wird das zeitliche Integral über eine Vielzahl von Stromimpulsen gebildet. Durch Berücksichtigung des Abweichungswertes 46 und des Stromflächenwertes 50, lässt sich der Rotorwinkelwert 52 zuverlässig ermitteln.
Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, kann in Abhängigkeit zweier Kenngrößenwerte einer Stromverlaufkenngröße ein Rotorwinkelwert 52 ermittelt werden. Bei der Stromverlaufskenngröße kann es sich um eine Amplitude I_Amp, eine Fläche F, oder eine Steigung S handeln. Wie der Darstellung in 8 und 9 zu entnehmen ist, ist die alternierende Spannung U_AB so gewählt, dass der zeitliche Mittelwert des Stromes I_AB gegen den Wert Null geht.
Den Ausführungen zu den 7, 8, 9 ist zu entnehmen: für die Ermittlung des Abweichungswertes 46 ist es erforderlich, dass die alternierende Spannung U_AB zumindest einen ersten Spannungsimpuls 92 und einen zweiten Spannungsimpuls 94 aufweist.
In 10 ist eine alternierende Spannung U_AB' mit einem alternativen Verlauf dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine nicht-symmetrische alternierende Spannung. Die in 10 verwendeten, mit einem Strich versehenen Bezugsziffern, entsprechen den in 7 verwendeten Bezugsziffern. In entsprechender Weise gelten die für 7 gemachten Aussagen auch für 10. Auch was den zeitlichen Verlauf der alternierenden Spannung U_AB' vor dem Zeitpunkt t7 und das Beenden der alternierenden Spannung mit einem halben Spannungsimpuls angeht.
Der sich für die alternierende Spannung U_AB' für einen Rotorwinkel φ₁ ergebende Strom I_AB' ist 11 dargestellt. Dabei entsprechen die mit zwei Strichen versehenen Bezugsziffern den in 8 verwendeten entsprechenden Bezugsziffern. Die Ausführungen zu 8 gelten in entsprechender Weise für 11.
Der sich für die alternierende Spannung U_AB' für einen Rotorwinkel φ₂ ergebende Strom I_AB' ist in 12 dargestellt. Die mit drei Strichen versehenen Bezugsziffern entsprechen dabei den in 9 verwendeten, mit einem Strich versehenen Bezugsziffern. Die Ausführungen zu 9 gelten in entsprechender Weise für 12.
Der Übersichtlichkeit halber wurde sowohl in 11 als auch in 12 auf die Bezeichnung der einzelnen Zeitpunkte verzichtet.
In 13 sind verschiedene Kurven in Abhängigkeit des Rotorwinkels φ dargestellt. Die mit DI_ij bezeichneten Kurven repräsentieren die sich für unterschiedliche Rotorwinkelwerte 52 ergebenden Stromflächenwerte 50. Die mit dI_ij bezeichneten Kurven repräsentieren die sich für unterschiedliche Rotorwinkelwerte 52 ergebenden Abweichungswerte 46. Dabei sind die Kurven DI_AB und dI_AB dem aus den Statorwicklungen 14, 16 bestehenden Statorwicklungspaar zugeordnet. Die Kurven DI_BC und dI_BC sind dem aus den Statorwicklungen 16, 18 bestehenden Statorwicklungspaar zugeordnet. Die Kurven DI_CA und dI_CA sind dem aus den Statorwicklungen 18, 14 bestehenden Statorwicklungspaar zugeordnet.
Wie der Darstellung zu entnehmen ist, weisen die Kurven DI_ij eine Periode von 180° auf. Somit kann allein unter Verwendung der Stromflächenwerte der Rotorwinkelwert 52 nicht eindeutig ermittelt werden. Dagegen weisen die Kurven dI_ij eine Periode von 360° auf. Somit kann der Rotorwinkelwert 52 allein unter Verwendung der Abweichungswerte ermittelt werden. Die in 13 dargestellten Kurven dI_ij repräsentieren Abweichungswerten, die in einer sehr hohen Güte vorliegen. Aus diesem Grund verlaufen diese Kurven sinusförmig. Weisen die Abweichungswerte nicht die erforderliche Güte auf, so weichen die Kurven dI_ij von dem idealen sinusförmigen Verlauf ab.
Den idealen sinusförmigen Verlauf vorausgesetzt, kann durch Bestimmung von zwei Abweichungswerten der Rotorwinkelwert 52 bestimmt werden. Hierzu wird zeitlich nacheinander eine alternierende Spannung an zwei Statorwicklungspaare angelegt. Aus Messgenauigkeits- und Redundanzgründen ist es jedoch besser, den Rotorwinkel in Abhängigkeit aller drei Abweichungswerte zu bestimmen. In diesem Fall wird die alternierende Spannung nacheinander an alle drei Statorwicklungspaare angelegt. Noch besser ist es, wenn sowohl die drei Abweichungswerte als auch die drei Stromflächenwerte bestimmt und jeweils untereinander abgeglichen. Aus diesen sechs Werten lässt sich dann der Rotorwinkel mit sehr hoher Zuverlässigkeit ermitteln. Bezüglich der Reihenfolge sind viele Variationen denkbar. So können zunächst die Abweichungswerte bestimmt werden und danach die Stromflächenwerte. Es ist aber auch denkbar, paarweise vorzugehen, d. h. bspw. den Abweichungswert dI_AB und den Stromflächenwert DIAS zu ermitteln. Anschließend werden dann der Abweichungswert dI_BC und der Stromflächenwert DI_BC ermittelt. Anschließend danach werden der Abweichungswert dI_CA und der Stromflächenwert DI_CA ermittelt.
Für die Ermittlung des Rotorwinkelwertes 52 werden die Abweichungswerte 46 mit einer Anzahl von Abweichungsvergleichswerten 54 verglichen. Die Stromflächenwerte 50 werden mit einer Anzahl von Flächenvergleichswerten 56 verglichen. Die Abweichungsvergleichswerte 54 und die Flächenvergleichswerten 56 sind in dem Speicher 58 abgelegt. Auch für diese Vergleichswerte gelten die in 13 dargestellten Kurven.
Das in 14 dargestellte Flussdiagramm zeigt den prinzipiellen Ablauf des neuen Verfahrens. Gemäß einem Schritt 120 wird eine alternierende Spannung an wenigstens eine Statorwicklung angelegt. Im Regelfall wird die alternierende Spannung an ein Statorwicklungspaar angelegt. Die alternierende Spannung weit eine Vielzahl von Spannungsimpulsen auf, bspw. zwei Spannungsimpulse. In einem nächsten Schritt 122 werden Strommomentanwerte eines durch wenigstens eine Statorwicklung fließenden Stromes erfasst. Vorzugsweise wird der Strom erfasst, der durch die Statorwicklung fließt, an den die alternierende Spannung angelegt ist. In einem darauf folgenden Schritt 124 werden die erfassten Strommomentanwerte ausgewertet. Hierbei wird zumindest ein erster Kenngrößenwert und ein zweiter Kenngrößenwert einer Stromverlaufskenngröße in Abhängigkeit der Strommomentanwerte ermittelt. Es wird ein Abweichungswert 46 ermittelt, der eine zwischen den beiden Kenngrößenwerten vorhandene Abweichung repräsentiert. Ergänzend kann ein Stromflächenwert 50 in Abhängigkeit der Strommomentanwerte ermittelt werden.
Um den Rotorwinkelwert 52 mit einer höheren Zuverlässigkeit ermitteln zu können, können anschließend an den Schritt 124 erneut die Schritte 120, 122, 124 ausgeführt werden. Dabei wird die alternierende Spannung an ein anderes Statorwicklungspaar angelegt. Vorteilhafterweise werden die Schritte 120, 122, 124 für sämtliche drei Statorwicklungspaare durchgeführt.
In einem Schritt 126 wird der Rotorwinkelwert 52 zumindest in Abhängigkeit des Abweichungswertes 46 ermittelt. Hierzu wird der Abweichungswert 46 mit einer Anzahl von Abweichungsvergleichswerten 54 verglichen. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann der Rotorwinkelwert 52 zusätzlich in Abhängigkeit des Stromflächenwertes 50 ermittelt werden. Hierzu wird der Stromflächenwert 50 mit einer Anzahl von Flächenvergleichswerten 56 verglichen. In einem anschließenden Schritt 128 wird der Rotorwinkelwert 52 beim Betreiben der elektrischen Maschine 12 berücksichtigt. Befindet sich die elektrische Maschine 12 nach wie vor im Hochfahrvorgang, kann die vorstehend beschriebene Schrittfolge beginnend mit dem Schritt 120 erneut ausgeführt werden. Hat die elektrische Maschine 12 dagegen eine hinreichend große Drehzahl erreicht, kann die elektrische Maschine 12 im Normalbetrieb betrieben werden, das nochmalige Ausführen der vorstehend beschriebenen Schrittfolge ist nicht erforderlich.
Mit dem neuen Verfahren kann der Rotorwinkelwert eindeutig ermittelt werden, und somit eine elektrische Maschine optimal hochgefahren werden und anschließend in den Normalbetrieb übergehen. Für das neue Verfahren können dieselben Komponenten verwendet werden, die für den Normalbetrieb der elektrischen Maschine erforderlich sind. Mit dem neuen Verfahren und mit der neuen Vorrichtung ist die Ermittlung eines Rotorwinkelwertes ohne spezielle Lagersensoren möglich.
Mit dem neuen Verfahren ist es möglich, unter Verwendung einfacher Mittel, den Rotorwinkelwert mit einer Genauigkeit von weniger als ±5° zu ermitteln. Diese Ermittlung kann sehr schnell erfolgen, da alternierende Spannungen mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz, teilweise sogar mehr als 50 kHz verwendet werden können, was Periodendauern von weniger als 50 Mikrosekunden bzw. weniger als 20 Mikrosekunden entspricht. Selbstverständlich kann das neue Verfahren auch mit geringeren Frequenzen arbeiten.
Die alternierende Spannung U_AB bewirkt einen sich ändernden Strom I_AB. Entsprechendes gilt für die alternierende Spannung U_BC bzw. die alternierende Spannung U_CA. Insgesamt wird dadurch ein sich ändernder magnetischer Fluss bewirkt. Um die Änderungen des Stromes I_AB klein zu halten und somit bspw. eine Überhitzung oder Beschädigung der elektrischen Maschine zu verhindern, wird eine alternierende Spannung verwendet. Die Flussänderungsgeschwindigkeit hängt auf komplexe Weise mit den Kopplungsgraden der magnetischen Kreise der elektrischen Maschine zusammen, die sich wiederum in Abhängigkeit des Rotorwinkels φ verändern können. Somit kann durch eine Auswertung des Stromes I_AB der gesuchte Rotorwinkelwert, auch im Stillstand, ermittelt werden.
Durch die Zusammenhänge zwischen induzierten Spannungen und Strömen kann ggf. eine notwendige Information, etwa die Stromsteigung, nach einer entsprechenden Transformation unter Anwendung eines Motormodells auch aus einem Spannungssignal gewonnen werden.
Dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung liegt folgende Beobachtung zugrunde: Wird an ein Statorwicklungspaar eine Spannung angelegt, so ändert sich der Strom mit der Zeit. Der auf die Spannung bezogene Differenzenquotient Stromunterschied zu Zeitdauer wird mit der Induktivität des Statorwicklungspaares identifiziert. Dabei zeigt sich, dass die Induktivität eine Funktion des Rotorwinkels ist. Diese Abhängigkeit lässt sich wie folgt erklären. In einem magnetischen Kreis mit Durchflutung entsteht ein magnetischer Fluss, der sich so einstellt, dass die magnetische Energie minimal ist. Der Magnetisierung des Rotors entspricht eine elektrische Durchflutung, die am Umfang lokalisiert ist, was insbesondere dann deutlich wird, wenn der Rotor aufgeklebte Magnete aufweist. Damit magnetische Pole ausgewiesen sind, ist der Rotor nicht vollumfänglich mit Magneten ausgerüstet, sondern es gibt mindestens je einen ausgeprägten Nord- und Südpol, getrennt durch flussfreie Umfangsbereiche. Der magnetische Kreis besteht aus einem Abschnitt im Stator, umfasst von einer Spule, dem Luftspalt zum Rotor, dem isotrop flussführenden Rotor und wiederum dem Luftspalt zum Stator. Das Eisen des Stators und des Rotors kann als idealer magnetischer Leiter betrachtet werden, lediglich der Luftspalt stellt den magnetischen Widerstand dar. In der nachfolgenden Betrachtung wird angenommen, dass ein Magnetpol des Rotors die Statorwicklung A, genauer gesagt den Stator pol A überdeckt und dort einen Fluss erzeugt. In der Statorwicklung A erzeugt eine weitere Durchflutung ebenfalls einen Fluss, der von der Statorwicklung A über einen Luftspalt zum Rotor fließt. Im Bereich der Überdeckung sind die Flussrichtungen von Rotorfluss und Statorfluss entgegengerichtet, im restlichen Polbereich gleichgerichtet. Die für den Statorfluss verfügbare Luftspaltfläche, und damit die Reluktanz, ist also eine Funktion der Polüberdeckung, so dass die Änderung der Induktivität nicht eine Folge von Sättigungseffekten ist. Damit sind auch keine hohen Magnetisierungsströme nötigt, sondern die Signale entstehen bereits bei den, infolge der PWM-Beaufschlagung unvermeidbaren Stromimpulsen.
Dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung liegt des Weiteren folgende Überlegung zugrunde: Eine elektrische Maschine wandelt in der Regel über eine magnetische Wirkung elektrische Energie in mechanische Energie und umgekehrt. Folglich muss ein magnetisches Feld aufgebaut werden und die elektrische Maschine kann in einem ersten Ansatz als Induktivität betrachtet werden. Charakteristisch für einen Elektromotor ist nun, dass eine Spannung an ihn angelegt wird, deren Frequenz der Rotationsfrequenz des Motors entspricht. Dies ist aber nur möglich, wenn bekannt ist, wie schnell der Motor läuft. Dies gilt es zu ermitteln. Hierfür wird eine alternierende Spannung an ein Statorwicklungspaar angelegt und ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt. Vorzugsweise handelt es sich bei der alternierenden Spannung um eine pulsweitenmodulierte Spannung mit einem Tastverhältnis von 50%. Anhand der sich auf diese alternierende Spannung einstellenden Stromantwort kann nun erkannt werden, ob die Frequenz der angelegten alternierenden Spannung mit der Drehfrequenz des Motors übereinstimmt. Somit kann die pulsweitenmodulierte Spannung als eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz aufgefasst werden. Es handelt sich somit nicht um ein Testsignal im klassischen Sinne. Wird nun festgestellt, dass sich der Elektromotor nicht mit der angenommenen Frequenz dreht, was sich anhand der elektromotorischen Kraft oder einer Stromänderung erkennen lässt, wird die Phase der alternierenden Spannung verschoben. Dabei wird beobachtet, ob der Motor nun mit der angenommenen neuen Spannungsphase weiterläuft. Sollte dies nicht der Fall sein, kann nochmals die Phase der Spannung verändert werden. Anhand der dabei insgesamt erhaltenen Information ist es dann möglich, die Statorwicklungen des Elektromotors so anzusteuern, dass die Drehfrequenz bzw. der Rotorwinkel und das sich drehende Magnetfeld zueinander passen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006043683 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (12), die eine Vielzahl von Statorwicklungen (14, 16, 18) und einen Rotor (20) aufweist, mit folgenden Schritten: a) Anlegen einer alternierenden Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) an wenigstens eine der Statorwicklungen (14, 16, 18), wobei die alternierende Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) eine Vielzahl von Spannungsimpulsen (90) aufweist, b) Erfassen von Strommomentanwerten (40) eines Stromsignals, wobei das Stromsignal den zeitlichen Verlauf eines Stroms (I_AB, I_BC, I_CA) repräsentiert, der in Reaktion auf die angelegte Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) durch wenigstens eine der Statorwicklungen (14, 16, 18) fließt, c) Auswerten der Strommomentanwerte (40), wobei hierzu ein erster Kenngrößenwert (I_AB1, F₁, S₁) und ein zweiter Kenngrößenwert (I_AB2, F₂, S₂) einer Stromverlaufskenngröße (I_AB, F, S) in Abhängigkeit der Strommomentanwerte (40) ermittelt werden, wobei die Stromverlaufskenngröße (I_Amp, F, S) das zeitliche Verhalten des durch die Statorwicklung (14, 16, 18) fließenden Stroms (I_AB, I_BC, I_CA) charakterisiert, und d) Ermitteln eines Rotorwinkelwertes (52) in Abhängigkeit der beiden Kenngrößenwerte (I_AB1, I_AB2, F₁, F₂, S₁, S₂).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem folgenden Schritt: e) Berücksichtigen des Rotorwinkelwertes (52) beim Betreiben der elektrischen Maschine (12).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die alternierende Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) einen rechteckförmigen Verlauf aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Statorwicklung (14, 16, 18), durch die der Strom (I_AB, I_BC, I_CA) fließt, um diejenige Statorwicklung handelt, an die die alternierende Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (12) drei Statorwicklungen (14, 16, 18) aufweist, wobei die alternierende Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) gleichzeitig an zwei Statorwicklungen angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Stromverlaufskenngröße (I_Amp, F, S) um eine Amplitude (I_Amp) handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) ein Abweichungswert (46, dI_ij) ermittelt wird, der eine zwischen dem ersten Kenngrößenwert (I_AB1, F₁, S₁) und dem zweiten Kenngrößenwert (I_AB2, F₂, S₂) vorhandene Abweichung repräsentiert, wobei in Schritt d) der Rotorwinkelwert (52) in Abhängigkeit des Abweichungswerts (46, dI_ij) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte a) bis c) zunächst für eine erste Statorwicklung (14) durchgeführt werden, wobei das Stromsignal den zeitlichen Verlauf eines durch die erste Statorwicklung (14) fließenden ersten Stroms (I_AB) repräsentiert, wobei in Abhängigkeit der beiden für diesen ersten Strom (I_AB) ermittelten Kenngrößenwerte (I_AB1, I_AB2) ein erster Abweichungswert (dI_AB1) ermittelt wird, und dass die Schritte a) bis c) anschließend für eine zweite Statorwicklung (16, 18) durchgeführt werden, wobei das Stromsignal den zeitlichen Verlauf eines durch die zweite Statorwicklung fließenden zweiten Stroms (I_BC, I_CA) repräsentiert, wobei in Abhän gigkeit der beiden für diesen zweiten Strom (I_BC, I_CA) ermittelten Kenngrößenwerte (I_BC, I_BC2, I_CA1, I_CA2) ein zweiter Abweichungswert (dI_BC1, dI_CA1) ermittelt wird, wobei im Schritt d) der Rotorwinkelwert (52) in Abhängigkeit der beiden Abweichungswerte (dI_AB1, dI_BC1, dI_CA1) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c) zusätzlich ein Stromflächenwert (50, DI_ij) in Abhängigkeit der Strommomentanwerte (40) ermittelt wird, wobei der Stromflächenwert (50, DI_ij) ein für den durch die Statorwicklung (14, 16, 18) fließenden Strom (I_AB, I_BC, I_CA) gebildetes zeitliches Integral charakterisiert, wobei in Schritt d) der Rotorwinkelwert (52) zusätzlich in Abhängigkeit des Stromflächenwerts (50, DI_ij) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt d) der Abweichungswert (46, dI_ij) mit einer Anzahl von Abweichungsvergleichswerten (54) und/oder der Stromflächenwert (50, DI_ij) mit einer Anzahl von Flächenvergleichwerten (56) verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die alternierende Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) einen gegen den Wert Null gehenden zeitlichen Mittelwert aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die alternierende Spannung (U_AB, U_AB') zumindest zwei Spannungsimpulse aufweist, einen ersten Spannungsimpuls (92, 92') mit einer ersten Impulsdauer und zweiten Spannungsimpuls (94, 94') mit einer zweiten Impulsdauer, wobei der erste Kenngrößenwert (I_AB1, I_AB1') das zeitliche Verhalten des Stroms (I_AB, I_AB') innerhalb der ersten Impulsdauer und der zweite Kenngrößenwert (I_AB2, I_AB2') das zeitliche Verhalten des Stroms (I_AB, I_AB') innerhalb der zweiten Impulsdauer charakterisiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Spannungsimpulse (90, 90') drei rechteckförmige Impulsabschnitte aufweist, wobei ein erster Impulsabschnitt (98, 98') und ein dritter Impulsabschnitt (102, 102') jeweils einen im Wesentlichen identischen ersten Impulswert (U_V, U_V1) und eine im Wesentlichen identische erste Abschnittsdauer aufweisen, und ein zweiter Impulsabschnitt (100, 100') einen zweiten Impulswert (–U_V, –U_V2) und eine zweite Abschnittsdauer aufweist, wobei die beiden Impulswerte und die beiden Abschnittsdauern so gewählt sind, dass der Spannungsimpuls (90, 90') einen gegen den Wert Null gehenden zeitlichen Mittelwert aufweist.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wenn das Computerprogramm auf einem Computer (26) ausgeführt wird.
Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine (12), die eine Vielzahl von Statorwicklungen (14, 16, 18) und einen Rotor (20) aufweist, mit ersten Einheiten (28, 30, 32, 34, 36) zum Anlegen einer alternierenden Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) an wenigstens eine der Statorwicklungen (14, 16, 18), wobei die alternierende Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) eine Vielzahl von Spannungsimpulsen (90) aufweist, mit zweiten Einheiten (38) zum Erfassen von Strommomentanwerten (40) eines Stromsignals, wobei das Stromsignal den zeitlichen Verlauf eines Stroms (I_AB, I_BC, I_CA) repräsentiert, der in Reaktion auf die angelegte Spannung (U_AB, U_BC, U_CA) durch wenigstens eine der Statorwicklungen (14, 16, 18) fließt, mit dritten Einheiten (42, 44) zum Auswerten der Strommomentanwerte (40), wobei hierzu ein erster Kenngrößenwert (I_AB1, F₁, S₁) und ein zweiter Kenngrößenwert (I_AB2, F₂, S₂) einer Stromverlaufskenngröße (I_AB, F, S) in Abhängigkeit der Strommomentanwerte (40) ermittelt werden, wobei die Stromverlaufskenngröße (I_Amp, F, S) das zeitliches Verhalten des durch die Statorwicklung (14, 16, 18) fließenden Stroms (I_AB, I_BC, I_CA) charakterisiert, und mit vierten Einheiten (48, 58) zum Ermitteln eines Rotorwinkelwertes (52) in Abhängigkeit der beiden Kenngrößenwerte (I_AB1, I_AB2, F₁, F₂, S₁, S₂).