DE102009020505B4

DE102009020505B4 - Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors und Antrieb

Info

Publication number: DE102009020505B4
Application number: DE102009020505.5A
Authority: DE
Inventors: Manuel Heil
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2029-05-09
Also published as: DE102009020505A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors,wobei der Elektromotor gespeist wird von einem Wechselrichter, dessen Schalter von einer Steuerelektronik angesteuert werden, so dass Statorflussraumzeiger vorgebbar ist,wobei Sensorsignale eines Winkelsensors (1) zur Detektion der Winkellage des Rotors (4) des Elektromotors zur Steuerelektronik zugeleitet werden,wobei der Sensor (1) ein Hall-Sensor oder ein anderer Magnetfeld-Sensor ist, wie magnetorestriktiver Sensor, der einen am axialen Ende des Rotors (4) befestigten Dauermagnet (3) detektiert, dessen Hauptfeldrichtung der Magnetisierung von der radialen Richtung abweicht, so dass sich eine vom Sensor (1) detektierte, von der realen Winkelstellung des Rotors (4) sinusförmig abhängig verlaufende Winkelabweichung ergibt,wobei in einem ersten Verfahrensschritt, bei Inbetriebnahme, aufeinander folgend Winkelstellungen des Statorflussraumzeigers vorgegeben werden, wobei in diesem ersten Verfahrensschritt bei der Erfassung eines jeweiligen Wertes die Winkelstellung des Statorflussraumzeigers derart lange vorgegeben wird, dass Einschwingvorgänge abgeklungen sind, also diese Vorgabezeit größer als eine Zeitkonstante eines Einschwingvorgangs gewählt wird, wobei die vorgegebenen Winkelstellungen des Statorflussraumzeigers äquidistant zueinander angeordnet sind,wobei die jeweils zugehörigen vom Winkelsensor (1) erfassten Werte erfasst und zusammen mit den jeweiligen Werten an Winkelstellung in einem Speicher hinterlegt werden,wobei in einem zweiten Verfahrensschritt, bei Normalbetrieb, zu vom Winkelsensor (1) erfassten Werte die jeweils im Speicher zugeordneten Werte ermittelt werden unter Anwendung einer Spline-Interpolation der äquidistanten Messstellen und als Istwerte für Winkelstellung des Rotors (4) an eine Regelungseinheit der Steuerelektronik übermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors und einen Antrieb.
Es ist allgemein bekannt, an den Rotor eines Elektromotor einen Winkelsensor anzubauen zur Detektion der Winkellage des Rotors.
Aus der DE 102 53 388 B4 ist eine Kompensation eines Winkel-Offsets bekannt. Hierzu ist ein Elektromotor offenbart, welcher von einem Wechselrichter gespeist wird. Weiterhin ist ein Lagegeber offenbart, dessen Signale der Steuerung des Wechselrichters bereitgestellt werden. Für die Justierung des Lagegebers wird die Motorwelle bewegt und die EMK sowie die Sensorsignale aufgenommen. Aus diesen Signalen erfolgt die Zuordnung der relativen Winkellage, welche in einem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt wird.
Aus der DE 101 18 072 A1 ist eine Kompensation der Winkelabweichung von Kommutierungswinkellagen bekannt. Hierzu ist eine Drehstrommaschine offenbart, welche mit einem Lagegeber bestückt ist. Die Zuordnung des Relativwinkels von Polrad und Lagegeber erfolgt, indem feste Stromraumzeiger eingeprägt werden, und der sich einstellende Winkel des Lagegebers in einem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt wird.
Aus der DE 198 12 966 A1 ist bekannt, bei einem bürstenlosen Elektromotor die Totzeiten des Leistungsteils zu kompensieren. Dabei wird ein Lagegeber verwendet, der mit einem Hall-Sensor aufgebaut ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit einer verbesserten Winkelerfassung in kompakter Weise weiterzubilden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors nach den in Anspruch 1 und bei dem Antrieb nach den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors sind, dass der Elektromotor, insbesondere dessen Statorwicklung, gespeist wird von einem Wechselrichter, dessen Schalter von einer Steuerelektronik angesteuert werden, so dass Statorflussraumzeiger vorgebbar ist,
wobei Sensorsignale eines Winkelsensors zur Detektion der Winkellage des Rotors des Elektromotors zur Steuerelektronik zugeleitet werden,
wobei in einem ersten Verfahrensschritt, insbesondere bei Inbetriebnahme, aufeinander folgend Winkelstellungen des Statorflussraumzeigers vorgegeben werden,
wobei die jeweils zugehörigen vom Winkelsensor erfassten Werte erfasst und zusammen mit den jeweiligen Werten an Winkelstellung in einem Speicher hinterlegt werden,
wobei in einem zweiten Verfahrensschritt, insbesondere Normalbetrieb oder im geregelten Betrieb, zu vom Winkelsensor erfassten Werte die jeweils im Speicher zugeordneten Werte ermittelt werden und als Istwerte für Winkelstellung des Rotors an eine Regelungseinheit der Steuerelektronik übermittelt werden.
Von Vorteil ist dabei, dass in einfacher Weise Fehlstellungen des Winkelsensors berücksichtigbar und ausgleichbar sind. Hierzu wird einfach das winkelabhängige Fehlsignal ermittelt und dann ein Korrekturwert bestimmt, der im Normalbetrieb, also nachfolgenden geregelten Betrieb, berücksichtigt wird. Die Winkelerfassung ist also verbessert ausbildbar. Außerdem ist der Motor mit integriertem Winkelsensor sehr kompakt ausführbar, da nur ein Dauermagnet in einem Schraubteil vorzusehen ist, das in einen axialen Endbereich des Rotors des Motors einzuschrauben ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Elektromotor ein Drehstrommotor und/oder machen die Statorwicklungen des Elektromotors einen Statorflussraumzeiger mit vorgebbarer Winkellage erzeugbar. Von Vorteil ist dabei, dass mittels Vorgabe eines Statorflusszeigers der Rotor sich in eine definierte Winkelstellung, also in eine eineindeutig zur vorgegebenen Winkellage des Statorflusszeigers zugehörige Winkellage, bringen lässt. Dies erfolgt besonders gut, wenn keine Last am Rotor verbunden ist und der Motor als Synchronmotor, insbesondere mit einem mit Dauermagneten oder mit einer Erregerfeldwicklung versehenem Rotor.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Motorstrom erfasst, insbesondere wobei ein Motorstromraumzeiger gebildet wird, und der Steuerelektronik zugeführt wird, insbesondere im Normalbetrieb oder im geregelten Betrieb, zur Regelung auf einen Sollraumzeiger hin, wobei die Motorspannung vom Wechselrichter gestellt wird, dessen steuerbare Schalter von der Steuerelektronik entsprechend pulsweitenmodulierte Ansteuersignale erhalten. Von Vorteil ist dabei, dass ein Umrichter zu Speisung des Elektromotors in einfacher Weise verwendbar ist. Insbesondere ist die Erfindung im Wesentlichen als Software realisierbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die vorgegebenen Winkelstellungen des Statorflussraumzeigers äquidistant zueinander angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass durch eine Interpolation der äquidistanten Messstellen ein besonders glattes Interpolationssignal erhältlich ist. Außerdem sind Spline-Interpolationsverfahren in besonders einfacher und wenig rechenintensiven Art und Weise anwendbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich der Motor im ersten Verfahrensschritt im Leerlauf, also wird keine Last angetrieben, und somit das Trägheitsmoment des Rotors das gesamte rotorseitige Trägheitsmoment ist. Unter Leerlauf wird auch das lastfreie Drehen eines Motors verstanden, der als Getriebemotor ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Rotor sehr präzise der durch den Statorfluss vorgegebenen Winkelstellung folgt und diese einnimmt. Insbesondere gilt dies, wenn der Statorflussraumzeiger länger als die Einschwingzeitkonstante des Rotors konstant vorgegeben wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Normalbetrieb oder im geregelten Betrieb das Trägheitsmoment des Rotors kleiner als das gesamte rotorseitige Trägheitsmoment. Von Vorteil ist dabei, dass im Normalbetrieb eine Last verbindbar ist mit dem Rotor und trotzdem mittels der erfindungsgemäßen Korrekturtabelle eine präzise Winkelbestimmung ausführbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird im ersten Verfahrensschritt bei der Erfassung eines jeweiligen Wertes die Winkelstellung des Statorflussraumzeigers derart lange vorgegeben, dass Einschwingvorgänge abgeklungen sind, insbesondere also wird diese Vorgabezeit größer als eine Zeitkonstante eines Einschwingvorgangs gewählt. Von Vorteil ist dabei, dass eine sehr hohe Genauigkeit in der Korrekturtabelle erreichbar ist.
Wichtige Merkmale bei dem Antrieb sind, dass der Elektromotor und Wechselrichter einen Winkelsensor umfasst, der einen Hallsensor aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass der Winkelsensor in einfacher und kostengünstiger Weise herstellbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerelektronik mit Mitteln zur Stromerfassung und mit dem Winkelsensor verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass der bestimmte und korrigierte Winkelwert von einer Regeleinheit, die von der Steuerelektronik umfasst ist, verwendbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt.

Dabei ist am axialen Ende eines Rotors 4 eines Elektromotors ein Dauermagnet 3 befestigt. Vorzugsweise wird der Dauermagnet 3 hierzu in einem Kopf einer Schraube eingelassen und drehfest mit dieser verbunden. Die Schraube ist in einer zur Rotorachse koaxial ausgerichteten Gewindebohrung schraubverbunden. Die Magnetisierungsrichtung des Dauermagnets 3 ist in radialer Richtung, also senkrecht zur Rotorachse vorgesehen.
Axial gegenüber angeordnet ist eine Leiterplatte 2, auf der zumindest ein Sensor 1 und eine elektronische Auswerteschaltung, der die Sensorsignale zugeführt werden, angeordnet sind. Vorzugsweise wird als Sensor zumindest ein Hall-Sensor verwendet. Mittels des Sensors ist eine Detektion des Magnetfeldes des Dauermagnets und somit der Winkellage des Rotors 4 ausführbar.
Der Elektromotor ist vorzugsweise als Synchronmotor ausgeführt, wobei am Rotor Dauermagnete vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung aufeinander folgend jeweils in radialer Richtung abwechselnd magnetisiert sind. Der Stator des Elektromotors ist vorzugsweise mit einer Drehstromwicklung ausgeführt, so dass ein Drehfeld erzeugbar ist. Der Rotor folgt dem Drehfeld bis auf geringe Winkelabweichungen exakt, insbesondere bei nicht vorhandener Last. Statt eines solchen Synchronmotors ist aber auch eine fremderregte Synchronmaschine verwendbar, bei der auf dem Rotor ein Rotorblechpaket angeordnet ist, um dessen radial ausgerichteten, in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Zähne eine Erregerwicklung vorgesehen ist. Vorzugsweise sind die Zähne in Umfangsrichtung in äquidistantem Abstand zueinander angeordnet.
Die Vorgabe des Drehfeldes erfolgt durch Vorgabe eines Motorstromraumzeigers, der einen entsprechenden Statorflussraumzeiger bewirkt. Bei einer als Statorwicklung verwendeten Drehstromwicklung werden die Phasenströme, also die Ströme in den drei Wicklungen des Stators, derart vorgegeben, dass der zugehörige Motorstromraumzeiger die erwünschte Winkellage hat. Vorzugsweise wird der Motor hierzu von einem Wechselrichter gespeist, dessen Ausgangsspannung gestellt wird und dessen Ausgangsströme, also Phasenströme, bestimmt werden und durch Stellen der Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert hin geregelt werden.
Die Auswerteschaltung umfasst auch einen Speicher zur Hinterlegung von Werten, insbesondere auch einer beim Einmessen der Anordnung bestimmten Korrekturtabelle.
Diese Korrekturtabelle wird bestimmt, indem bei einer Inbetriebnahme des Motors aufeinander folgend verschiedene Winkelwerte oder ein Winkelverlauf des Drehfeldes vorgegeben, also gestellt, wird, indem der in die Statorwicklungen eingespeiste Strom und die Spannung entsprechend vorgegeben werden.
Der aus dem Sensorsignal bestimmte Winkelwert des Rotors wird dem jeweiligen gestellten Winkelwert des Drehfeldes zugeordnet und zusammen mit dem jeweils zugeordneten abgespeichert.
Die auf diese Weise erstellte und hinterlegte Korrekturtabelle entspricht einer Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen dem gestellten und bestimmten Werten darstellt.
Im nach der Inbetriebnahme erfolgenden Normalbetrieb wird zu jedem Zeitpunkt wiederum ein Winkelwert mittels des Sensors bestimmt. Der so bestimmte Winkelwert wird jedoch mittels der Korrekturtabelle korrigiert. Hierzu wird aus der Korrekturtabelle der entsprechende Winkelwert des Drehfeldes entnommen, wofür also nur ein schnell durchführbarer Tabellenzugriff notwendig ist, und als korrigierter Winkelwert der Steuerelektronik des den Elektromotor speisenden Wechselrichters zugeführt als Rückführgröße. Vorzugsweise wird aus diesen Winkelwerten die Drehzahl des Rotors bestimmt und einem in der Steuerelektronik vorgesehenen Drehzahlregler als Istwert zugeführt.
Auf diese Weise ist auch bei hohen Drehzahlen eine wenig rechenaufwendige Korrektur des Winkelwertes ermöglicht.
Anstatt eines Tabellenzugriffs ist auch vorteilhafterweise speichersparend eine Tabelle mit verringerter Auflösung und nachgeordnetem Interpolationsverfahrensschritt verwendbar.
Somit ist eine Abweichung des Dauermagneten von der idealen Lage, also der exakten Ausrichtung der Hauptfeldrichtung in radialer Richtung, ausgleichbar. Denn bei einer Verschiebung des Dauermagneten in einer radialen Richtung ergibt sich eine von der realen Winkelstellung des Rotors sinusförmig abhängig verlaufende Winkelabweichung. Ohne Korrektur bewirkt dies beim geregelten Betrieb eine Schwingung.
Mittels der Korrekturtabelle ist somit ein Ausgleichen dieser Abweichung ermöglicht und die Schwingung vermeidbar.
Statt eines Hall-Sensors sind auch andere Magnetfeld-Sensoren einsetzbar, wie magnetosrestriktive Sensoren.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Leiterplatte
3: Dauermagnet
4: Rotor

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors, wobei der Elektromotor gespeist wird von einem Wechselrichter, dessen Schalter von einer Steuerelektronik angesteuert werden, so dass Statorflussraumzeiger vorgebbar ist, wobei Sensorsignale eines Winkelsensors (1) zur Detektion der Winkellage des Rotors (4) des Elektromotors zur Steuerelektronik zugeleitet werden, wobei der Sensor (1) ein Hall-Sensor oder ein anderer Magnetfeld-Sensor ist, wie magnetorestriktiver Sensor, der einen am axialen Ende des Rotors (4) befestigten Dauermagnet (3) detektiert, dessen Hauptfeldrichtung der Magnetisierung von der radialen Richtung abweicht, so dass sich eine vom Sensor (1) detektierte, von der realen Winkelstellung des Rotors (4) sinusförmig abhängig verlaufende Winkelabweichung ergibt, wobei in einem ersten Verfahrensschritt, bei Inbetriebnahme, aufeinander folgend Winkelstellungen des Statorflussraumzeigers vorgegeben werden, wobei in diesem ersten Verfahrensschritt bei der Erfassung eines jeweiligen Wertes die Winkelstellung des Statorflussraumzeigers derart lange vorgegeben wird, dass Einschwingvorgänge abgeklungen sind, also diese Vorgabezeit größer als eine Zeitkonstante eines Einschwingvorgangs gewählt wird, wobei die vorgegebenen Winkelstellungen des Statorflussraumzeigers äquidistant zueinander angeordnet sind, wobei die jeweils zugehörigen vom Winkelsensor (1) erfassten Werte erfasst und zusammen mit den jeweiligen Werten an Winkelstellung in einem Speicher hinterlegt werden, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt, bei Normalbetrieb, zu vom Winkelsensor (1) erfassten Werte die jeweils im Speicher zugeordneten Werte ermittelt werden unter Anwendung einer Spline-Interpolation der äquidistanten Messstellen und als Istwerte für Winkelstellung des Rotors (4) an eine Regelungseinheit der Steuerelektronik übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Drehstrommotor ist und/oder dass die Statorwicklungen des Elektromotors einen Statorflussraumzeiger mit vorgebbarer Winkellage erzeugbar machen.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb der Motorstrom erfasst wird, wobei ein Motorstromraumzeiger gebildet wird und der Steuerelektronik zugeführt wird, zur Regelung auf einen Sollraumzeiger hin, wobei die Motorspannung vom Wechselrichter gestellt wird, dessen steuerbare Schalter von der Steuerelektronik entsprechend pulsweitenmodulierte Ansteuersignale erhalten.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt der Motor im Leerlauf sich befindet, also keine Last angetrieben wird, und somit das Trägheitsmoment des Rotors (4) das gesamte rotorseitige Trägheitsmoment ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ein Getriebemotor ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensschritt im Normalbetrieb das Trägheitsmoment nur des Rotors (4) kleiner als das gesamte rotorseitige Trägheitsmoment, welches von der Last und dem Rotor (4) erzeugt ist, ist.
Antrieb, umfassend Elektromotor und Wechselrichter, zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (1) einen Hallsensor aufweist, wobei die Steuerelektronik mit Mitteln zur Stromerfassung und mit dem Winkelsensor (1) verbunden ist.