DE102009037464A1 - Method for determining the angular position of a permanently excited rotor of an electrically commutated motor - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Ermittlung der Winkellage eines permanent erregten Rotors eines elektrisch kommutierten Motors in Bezug auf die Wicklungslage des Stators des Motors durch eine Messung des Magnetfeldes des Rotors soll die Winkellage des Rotors noch genauer als bisher ermittelt und dadurch die Ansteuerung des Motors im Hinblick auf eine optimale Kraftentfaltung bei minimalen Geräuschen noch weiter verbessert werden können, ohne dass hierfür zusätzliche Komponenten benötigt werden. Dies ist dadurch möglich, dass sich bei der Messung des Magnetfeldes der Motor in einem Betriebszustand befindet, in dem sich der Rotor ohne ein angelegtes Statorfeld dreht.In a method for determining the angular position of a permanently excited rotor of an electrically commutated motor in relation to the winding position of the stator of the motor by measuring the magnetic field of the rotor, the angular position of the rotor is to be determined more precisely than before and thereby the control of the motor with regard to an optimal power development with minimal noise can be further improved without the need for additional components. This is possible because when the magnetic field is measured, the motor is in an operating state in which the rotor rotates without an applied stator field.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Winkellage eines permanent erregten Rotors eines elektrisch kommutierten Motors, insbesondere eines permanent erregten Synchronmotors in Aufzugtürsteuerungssystemen, in Bezug auf die Wicklungslage des Stators des Motors durch eine Messung des Magnetfeldes des Rotors.The The invention relates to a method for determining the angular position of a permanently excited rotor of an electrically commutated motor, in particular a permanent magnet synchronous motor in elevator door control systems, with respect to the winding position of the stator of the motor by a measurement the magnetic field of the rotor.
Bei der Ansteuerung von elektrisch kommutierten Synchron-Motoren, ist für eine optimale Kraftentfaltung bei minimalen Geräuschen die exakte Kenntnis der Rotorlage in Bezug auf die Wicklungslage des Stators unbedingt erforderlich. So werden beispielsweise bei Synchronmotoren in Aufzugtürsteuerungssystemen Geräusche von weniger als 50 dBA gefordert. Im Hinblick auf eine minimale Geräuschentwicklung werden die Motoren deshalb üblicherweise mit einer sinusförmigen Ansteuerung betrieben. Für die Messung des Magnetfeldes des Rotors kommen beispielsweise Hall-Sensoren zum Einsatz, die auf das Magnetfeld des Rotors reagieren und ein analoges oder digitales Ausgangssignal abgeben.at the control of electrically commutated synchronous motors, is for one optimal power development with minimal noise the exact knowledge the rotor position with respect to the winding position of the stator necessarily required. For example, in synchronous motors in elevator door control systems Sounds required by less than 50 dBA. With regard to a minimum noise Therefore, the engines are common with a sinusoidal Control operated. For the measurement of the magnetic field of the rotor come, for example Hall sensors used, which react to the magnetic field of the rotor and an analogue or digital output.
Als problematisch erweist sich hierbei, dass bei einer Bestimmung der Winkellage des Rotors im normalen Betrieb des Motors die Sensoren zur Messung des Magnetfeldes gleichzeitig sowohl dem Rotorfeld als auch dem Statorfeld ausgesetzt sind. Durch die sich überlagernde Wirkung des Statorfeldes werden Sektorübergange der Permanentmagnete des Rotors entlang des Drehwinkels des Rotors scheinbar verschoben, was zu Ungenauigkeiten in der Bestimmung der Winkellage des Rotors führt.When problematic proves that in a determination of Angular position of the rotor in normal operation of the engine sensors for measuring the magnetic field simultaneously both the rotor field and are also exposed to the stator field. By the overlapping Effect of the stator field become sector transitions of the permanent magnets the rotor seems to be displaced along the angle of rotation of the rotor, resulting in inaccuracies in the determination of the angular position of the rotor leads.
Eine Abhilfe hierfür besteht darin, dass ein zusätzlicher Sensormagnet mit dem Rotor gekoppelt wird, und der oder die Sensoren unbeeinflusst durch das Statorfeld und das Rotorfeld nur das Feld des Sensormagneten messen. Eine andere Abhilfe besteht in einer zusätzlichen Messung nichtmagnetischer Größen, z. B. einer optischen Abtastung.A Remedy for this is that an additional Sensor magnet is coupled to the rotor, and the one or more sensors unaffected by the stator field and the rotor field only the field of the sensor magnet. Another remedy is one additional Measurement of non-magnetic quantities, eg. B. an optical scan.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Winkellage des Rotors noch genauer als bisher durch eine Messung des Magentfeldes des Rotors ermittelt und dadurch die Ansteuerung des Motors im Hinblick auf eine optimale Kraftentfaltung bei minimalen Geräuschen noch weiter verbessert werden kann, ohne dass hierfür zusätzliche Komponenten (z. B. Sensoren oder Magnete) benötigt werden.outgoing It is an object of the present invention to provide a method with the angular position of the rotor even more accurate than before by a Measurement of the magnetic field of the rotor determined and thereby the control of the engine with regard to optimal power delivery at minimum sounds can be further improved without this additional Components (eg sensors or magnets) are needed.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.The solution This object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous embodiments are each the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass sich bei der Messung des Rotor-Magnetfeldes der Motor in einem Betriebszustand befindet, in dem sich der Rotor ohne ein angelegtes Statorfeld dreht. Die Messung des Magnetfeldes kann somit ohne die störende Überlagerung des Statorfeldes erfolgen. Hierdurch können Sektorübergange der Permanentmagnete auf dem Rotor äußerst genau erfasst und dadurch die Winkellage des Rotors sehr genau ermittelt werden. Das Verfahren kann beispielsweise zur Ermittlung der exakten Rotorlage bei einer Erstinbetriebnahme des Motors genutzt werden. Die durch das Verfahren gewonnenen Informationen über die genaue Rotorlage können dann in einer Steuereinrichtung für den Motor abgespeichert und für den Normalbetrieb genutzt werden. Das Verfahren kann aber auch nach jedem Spannungsverlust des Motors bzw. seiner Steuerung, die mit einem Verlust von Informationen über die genaue Rotorlage verbunden ist, zur Wiederermittlung von Informationen über die genaue Rotorlage genutzt werden.The inventive method provides that when measuring the rotor magnetic field of the Engine is in an operating condition in which the rotor without an applied stator field rotates. The measurement of the magnetic field can thus without the disturbing overlay of the stator field. As a result, sector transitions of the permanent magnets extremely accurate on the rotor detected and thereby determines the angular position of the rotor very accurately become. The method can be used, for example, to determine the exact Rotor position are used in a first commissioning of the engine. The information obtained by the procedure on the exact Rotor position can then stored in a control device for the engine and for normal operation be used. The process can also after any loss of power of the engine or its controller, with a loss of information about the accurate rotor position is connected, for re-identification of the exact information Rotor position can be used.
Der gewünschte Betriebszustand, in dem sich der Rotor ohne ein angelegtes Statorfeld dreht, kann dadurch erreicht werden, dass zuerst durch ein am Stator angelegtes Drehfeld der Rotor in eine Drehung versetzt wird. Die Ansteuerung des Stators kann hierbei hilfsweise ohne Kenntnis der exakten Winkellage durch eine Messung des Magnetfeldes des Rotors einschließlich des überlagernden Statorfeldes erfolgen, was im Normalfall bei elektrisch kommutierten Motoren möglich ist, wenngleich dann natürlich Einbußen in Hinblick auf die Kraftentfaltung und Geräuschentwicklung in Kauf zu nehmen sind. Wenn das Verfahren jedoch nur bei der Erstinbetriebnahme und/oder bei einer Initialisierungsroutine nach einem Spannungsverlust durchgeführt wird, sind diese Einbußen im Normalfall hinnehmbar. Nachdem der Rotor in Drehung gebracht ist, wird das Statorfeld abgeschaltet. Der Rotor wird dann aufgrund seiner Massenträgheit langsam austrudeln. Während dieser Zeit liegt der gewünschte Betriebszustand vor, in dem sich der Rotor ohne ein angelegtes Statorfeld dreht.Of the desired Operating condition in which the rotor without an applied stator field can be achieved by first turning on the stator applied rotating field of the rotor is set in rotation. The Actuation of the stator can herewith without knowledge of the exact angular position by measuring the magnetic field of the rotor including of the overlying one Stator field done what normally commutated with electric Motors possible is, albeit then of course losses in view of the power development and noise in purchase take. However, if the procedure only at the first commissioning and / or an initialization routine after a power loss carried out is, these are losses normally acceptable. After the rotor is rotated is, the stator field is switched off. The rotor is then due his inertia slow down. While this time lies the desired Operating state in which the rotor without an applied stator field rotates.
Von Vorteil wird das Statorfeld abgeschaltet, wenn der Stator eine vorgegebene Drehzahl erreicht hat.From Advantage, the stator is turned off when the stator is a predetermined Speed has reached.
Alternativ kann das Statorfeld auch dann abgeschaltet werden, wenn seit einem Beschleunigen des Motors aus dem Stillstand eine vorgegebene Zeit abgelaufen ist.alternative the stator field can be switched off even if for a while Acceleration of the engine from standstill expired a predetermined time is.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass das Statorfeld nach Messung einer vorgegebenen Anzahl von Sektorübergängen von Permanentmagneten des Rotors entfernt wird.A another possibility is that the stator field after measuring a predetermined number of sector transitions of Permanent magnet of the rotor is removed.
Eine andere vorteilhafte Möglichkeit, den gewünschte Betriebszustand, in dem sich der Rotor ohne ein angelegtes Statorfeld dreht, zu erreichen, besteht darin, dass durch ein am Motor angelegtes Statorfeld ein Federspeicher geladen wird, das Statorfeld abgeschaltet und durch eine Entladung des Federspeichers eine Drehung des Rotors bewirkt wird. Hierbei liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich in den meisten Antriebssträngen zahlreiche Elemente befinden, die sich bei Belastung ähnlich einer Feder elastisch verformen. Die für die Verformung aufgewendete Energie wird in diesen Elementen gespeichert und bei Entlastung wieder freigegeben. Im Fall von Aufzugstürsteuerungssystemen handelt es sich bei diesen Elementen beispielsweise um Zahnriemen und Dichtungslippen der Türen. Wenn der Motor durch ein angelegtes Statorfeld gegen eine derartige Federkraft arbeitet und anschließend das Statorfeld abgeschaltet wird, dann wird der Rotor durch die Federkraft automatisch in Drehung versetzt. Im Fall, dass es sich bei dem Motor um den Antriebsmotor einer Aufzugtür handelt, kann die Ermittlung der Winkellage des Rotors vorteilhaft aus der geöffneten bzw. geschlossenen Position heraus erfolgen, da in diesen Zuständen der Federspeicher bereits betrieblich durch das Aufbringen einer Offen- oder Geschlossen-Haltekraft aufgeladen wurde. Wenn bei einem nun folgenden Fahrbefehl das Statorfeld kurzfristig abgeschaltet wird, kann sich der Federspeicher entladen und dabei die Lage des Rotors vor Beginn der eigentlichen Fahrt ermittelt werden.Another advantageous possibility of achieving the desired operating state in which the rotor rotates without an applied stator field, consists in that a spring accumulator is charged by a stator field applied to the motor, the stator field is switched off and a rotation of the rotor is caused by a discharge of the spring accumulator. This is based on the finding that there are numerous elements in most drive trains, which deform elastically under load similar to a spring. The energy used for the deformation is stored in these elements and released again on discharge. In the case of elevator door control systems, these elements are, for example, toothed belts and sealing lips of the doors. If the motor works against such a spring force by an applied stator field and then the stator field is switched off, then the rotor is automatically rotated by the spring force. In the event that the motor is the drive motor of an elevator door, the angular position of the rotor can advantageously be determined from the open or closed position, since in these states the spring accumulator is already operationally applied by the application of an open or closed position Holding power was charged. If the stator field is switched off at short notice in the case of a now following travel command, the spring accumulator can be discharged and the position of the rotor can be determined before the start of the actual journey.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Messung des Rotorfeldes nach Ablauf einer Wartezeit nach dem Abschalten des Statorfeldes gestartet. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Messung erst beginnt, wenn das Statorfeld und eventuelle Übergangseffekte abgeklungen sind.According to one Particularly advantageous embodiment, the measurement of the rotor field After a waiting time has elapsed after switching off the stator field started. This can ensure that the measurement only starts when the stator field and any transition effects have subsided.
Die Messung des Rotorfeldes kann nach Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl des Rotors, nach Ablauf einer vorgegebenen Messzeit oder nach Messung einer vorgegeben Anzahl von Sektorübergängen von Permanentmagneten des Rotors beendet werden. Die Drehzahl oder Messzeit kann hierbei derart gewählt werden, dass nur genau soviel Zeit für das Verfahren benötigt wird, wie für eine exakte Ermittlung der Rotorlage benötigt wird, so dass möglichst bald in den Normalbetrieb des Motors gewechselt werden kann.The Measurement of the rotor field can after reaching a predetermined speed of the rotor, at the end of a given measuring time or after measurement a predetermined number of sector transitions of permanent magnets of the rotor are terminated. The speed or measuring time can be such chosen be that just as much time is needed for the procedure, as for an exact determination of the rotor position is needed so that possible can soon be changed to normal operation of the engine.
Die Genauigkeit in der Ermittlung der Winkellage des Rotors kann noch dadurch verbessert werden, dass das Verfahren hintereinander für beide Drehrichtungen des Rotors durchgeführt wird. Von den in beiden Drehrichtungen ermittelten Winkellagen kann dann ein Mittelwert ermittelt werden und für die Ansteuerung des Motors im Normalbetrieb genutzt werden. Hiersteuerung des Motors im Normalbetrieb genutzt werden. Hierdurch können Hystereseeffekte bei der Ermittlung der Winkellage ausgeschlossen werden.The Accuracy in determining the angular position of the rotor can still be improved by the process one behind the other for both directions carried out of the rotor becomes. From the determined in both directions angular positions can then an average value can be determined and for the control of the motor be used in normal operation. Control of the motor in normal operation be used. This allows Hysteresis effects excluded when determining the angular position become.
Bevorzugt wird der Motor als Antriebsmotor für eine Aufzugtür verwendet.Prefers the motor is used as a drive motor for an elevator door.
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es sich für beliebige Lastfälle des Motors eignet, also auch bei schwankenden und/oder asymmetrischen Lasten anwendbar ist.One greater Advantage of the method according to the invention is that it is for any load cases of the motor, so even with fluctuating and / or asymmetric Loads is applicable.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles in der Figur näher erläutert. Das darin gezeigte Diagramm stellt den Verlauf der Drehzahl n des permanent erregten Rotors eines elektrisch kommutierten Motors über der Zeit t für den Fall dar, dass der Betriebszustand, in dem sich der Rotor ohne ein angelegtes Statorfeld dreht, dadurch erreicht wird, dass der Rotor durch ein an dem Stator angelegtes Drehfeldfeld in eine Drehung versetzt wird. Der Verfahrensablauf wird typischerweise zur Ermittlung der exakten Rotorlage außerhalb des Normalbetriebes des Motors durchgeführt.The Invention and further advantageous embodiments of the invention according to characteristics the dependent claims will be described below with reference to an embodiment in the figure explained in more detail. The The diagram shows the course of the speed n of the permanent excited rotor of an electrically commutated motor over the Time t for the case that the operating state in which the rotor without an applied stator field rotates, is achieved in that the Rotor by a applied to the stator rotating field in a rotation is offset. The procedure is typically for identification the exact rotor position outside the normal operation of the engine performed.
Der Motor wird hierbei vom Stillstand beschleunigt und bei Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl n1 zum Zeitpunkt t1 der Stator vom versorgenden System getrennt, d. h. das Statorfeld wird abgeschaltet. Der Motor wird nun aufgrund seiner Massenträgheit austrudeln. Nach Abklingen des Statorfeldes innerhalb der Wartezeit Δta = t2 – t1 wird nun das magnetische Feld des Rotors während der Messzeit Δtb = t3 – t2 frei von Rückwirkungen des Statorfeldes gemessen. Die Kriterien für t2 bzw. n2 sind in aller Regel systembedingt, während die Kriterien für t3 bzw. n3 weitgehend frei wählbar sind. Mögliche Kriterien für t3 bzw. n3 sind eine vorgegebene Anzahl von Sektorübergängen der Permanentmagnete des Rotors, eine vorgegebene Messzeit Δtb oder eine vorgegebene Drehzahl n3.Of the Motor is accelerated from standstill and when it reaches a predetermined speed n1 at time t1, the stator of the supplying System separated, d. H. the stator field is switched off. The motor will now tumble due to its inertia. After fading away of the stator field within the waiting time Δta = t2 - t1 becomes the magnetic Field of the rotor during the measuring time Δtb = t3 - t2 free from repercussions of the stator field measured. The criteria for t2 and n2 are in all Usually systemic while the criteria for t3 or n3 largely freely selectable are. Possible criteria for t3 or n3 are a predetermined number of sector transitions of the permanent magnets of the rotor, a predetermined measuring time Δtb or a predetermined speed n3.
Bei dem Motor handelt es sich beispielsweise um einen permanent erregten Synchronmotor eines Aufzugtürsteuerungssystems. Der Motor wird hierbei zum Antrieb einer Aufzugstür verwendet. Ein derartiger Motor weist rotorseitig beispielsweise 10 Polpaare auf. Typischerweise hat ein derartiger Motor eine Spitzenleistung von 300–1000 W. Der in der Figur dargestellte Verfahrensablauf wird dann beispielsweise zur Ermittlung der exakten Rotorlage im Rahmen einer Initialisierungs- oder Eichungsroutine bei der ersten Inbetriebnahme des Aufzugtürsteuerungssystems durchgeführt. Die durch das Verfahren gewonnenen Informationen über die genaue Rotorlage können dann in einer Steuereinrichtung für den Motor abgespeichert und für den weiteren Betrieb genutzt werden. Das Verfahren kann aber auch im Rahmen einer Initialisierungs- oder Eichungsroutine nach jeder Trennung des Aufzugtürsteuerungssystems von seiner Spannungsversorgung, die mit einem Verlust von Informationen über die genaue Rotorlage verbunden ist, und zur Wiederermittlung der genauen Lage des Rotors nach einer anschließenden Wiederherstellung der Spannungsversorgung genutzt werden.The motor is, for example, a permanent-magnet synchronous motor of an elevator door control system. The motor is used here to drive an elevator door. Such a motor has, for example, 10 pole pairs on the rotor side. Typically, such a motor has a peak power of 300-1000 W. The process sequence shown in the figure is then performed, for example, to determine the exact rotor position during an initialization or calibration routine at the first start-up of the elevator door control system. The information obtained by the method about the exact rotor position can then be stored in a control device for the engine and used for further operation. However, the method can also be performed as part of an initialization or calibration routine after each disconnection of the elevator door control system from its power supply, with a loss of information about the exact rotor position connected and used to re-determine the exact position of the rotor after a subsequent restoration of the power supply.
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