DE102011113780A1 - Verfahren zur Steuerung eines permanenterregten Synchronmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines permanenterregten Synchronmotors, insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors, mit einem permanent magnetisierten Rotor und einer Anzahl feststehender Statorwicklungen, die mit einer Wechselspannung vorbestimmter Amplitude und Frequenz beaufschlagt werden, wobei die Frequenz der Wechselspannung durch die Drehzahl des Motors vorgegeben ist und je Statorwicklung zwischen der Wechselspannung und dem Wechselstrom sich eine Phasendifferenz ergibt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen: die Bestromung der Statorwicklungen erfolgt in einer Weise, dass zwischen Wechselspannung (UPhase) und Wechselstrom (IPhase) sich ein Phasenwinkel (ψsoll, ψ'soll) einstellt, der als von der Drehzahl (ω), der Motorinduktivität (L) und der Leistungsaufnahme des Motors abhängig gewählt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines permanenterregten Synchronmotors, insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors, sowie eine entsprechend ausgebildete Steuerung, welche das Verfahren ausführt.
• Bei bekannten bürstenlosen Gleichstrommotoren erfolgt die Ansteuerung der Statorwicklungen über einen Umrichter. Der permanentmagnetische Rotor folgt dem umlaufenden Feld. Zur Regelung auf vorgegebene Werte werden am Antrieb, dem Umrichter und/oder dem vorgeschalteten Spannungswandler Größen entnommen, und diese in der Steuerungslogik in Verbindung mit einem Drehzahlwert, mit dem der Motor zu betreiben ist, zu den Umrichter steuernden Signalen verarbeitet, so dass der Umrichter den erforderlichen Wechselspannungsverlauf zur Wicklungsbeaufschlagung erzeugen kann.
• Damit bei vorgegebenem Drehzahlwert der Rotor dem Spannungsverlauf bestmöglich folgen kann, muss zwischen Spannung und Strom ein bestimmter Phasenwinkel liegen, die Spannung eilt dem Strom voraus, was je nach Last einen unterschiedlichen Winkel bedingt. Wird unter Berücksichtigung der vom Motor zu treibenden Last streng auf diesen Winkel geregelt, so muss die Elektronik auf den sich bei maximaler Last ergebenden hohen Blindstrom ausgelegt sein, was Bauteilaufwand erfordert.
• Aus der EP 2 133 991 B1 ist ein Kreiselpumpenaggregat mit einem elektrischen Antriebsmotor und einer einen Frequenzumrichter aufweisenden Steuereinrichtung zur Drehzahlsteuerung bekannt. Die Steuereinrichtung ist derart ausgebildet, dass in einem vorgesehenen Steuerbereich eine Feldschwächung im Antriebsmotor erzeugt wird, durch welche die Drehzahl des Antriebsmotors erhöht wird.
• Die US 6.965.212 beschreibt den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors unter Ausnutzung der Feldschwächung. Die Feldschwächung ermöglicht eine Minimierung der benötigten Spannung um den Motor bei einer bestimmten Drehzahl anzutreiben.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie die das Verfahren ausführende Steuerung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 insbesondere mit Blick auf den bauteiltechnischen Aufwand zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. 6 angegebenen Merkmale gelöst.
• Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Phasenwinkel zwischen Phasenstrom und Phasenspannung aus der dem Umrichter zugeführten Leistung, der Phasenspannung am Umrichter, der aktuellen Drehzahl und dem Wert der Motorinduktivität rechnerisch ermittelt wird. Es wird somit auf den Winkel zwischen dem Strom und der Spannung geregelt und nicht – wie sonst üblich – auf den Winkel zwischen BEMF/Rotorlage und der Spannung.
• Die Erfindung erfasst die Gleichstrom- und Spannungsaufnahme, die Stromrichtung und die Phasenspannung, welche vom Umrichter bereitgestellt wird. Der zugehörige Phasenstrom wird aus diesen Werten in noch zu erläuternder Weise errechnet. Dies hat zum Vorteil, dass die BEMF nicht bekannt, erfasst werden muss.
• Für die vom Umrichter aus der Gleichspannung U_DC erzeugbare maximale Phasenspannung U_max gilt auf Grund der Raumzeigermodulation: U_max = U_DC/√3
• Ist U größer als U_max, so ist die Phasenspannung limitiert auf U_Phase = U_max. U ist hierbei die vom Regler ausgegebene Spannung, um den Soll-Winkel zu erreichen.
• Der sich bei vorliegender Phasenspannung ergebene Phasenstrom wird aus der dem Umrichter zugeführten Gleichspannungsleistung, dem Produkt aus den Werten von Gleichstrom und Gleichspannung, bestimmt. Es wird hierbei genähert, dass für den Phasenstrom I_Phase gilt: I_Phase = 1/3 × (I_DC × U_DC)/(U_Phase × cosψ)
• Hierbei ist:

U_Phase

die Phasenspannung

U_DC

der Gleichspannungswert

I_DC

der Gleichstromwert

ψ

der Phasenwinkel zwischen Phasenspannung und Phasenstrom.

• Bei kleinem Winkel ψ gilt demnach für den Phasenstrom genähert: I_Phase = 1/3 × (I_DC × U_DC)/(U_Phase)
• Es wird hierbei ausgenutzt, dass bei kleinem Werten von ψ genähert gilt: cosψ ≈ 1
• Um den Blindstrom zu minimieren wird der Lastwinkel ψ_Last wie folgt bestimmt: ψ_Last = arcsin((I_Phase × ω × L)/U_Phase))
• Bei kleinem Winkel ψ_Last gilt dann: ψ_Last = (I_Phase × ω × L)/U_Phase wobei hier ausgenutzt wird, dass bei kleinen Werten von ψ_Last genähert gilt: arcsin((I_Phase × ω × L)/U_Phase)) ≈ (I_Phase × ω × L)/U_Phase

ω

ist hierbei die Frequenz, die Motordrehzahl,

L

die Induktivität des Motors.

• In dem zuvorstehend erläuterten Fall war die Phasenspannung U_Phase betragsmäßig kleiner als U_max. Der Sollwinkel ψ_soll, auf den geregelt wird, ist in diesem Fall: ψ_soll = ψ_Last für U ≤ U_max
• Wenn U größer ist als U_max, so wird der Soll-Winkel modifiziert, indem der Feldschwächungswinkel ψ_{Feldschwächung} auf ψ_Last addiert wird. ψ_Last + ψ_{Feldschwächung}
• Durch diesen modifizierten Winkel, auf den geregelt wird, ergibt sich eine Reduktion der Spannung. Es gilt also für den Soll-Winkel ψ_soll auf den geregelt wird: ψ_soll = ψ_Last + ψ_{Feldschwächung} für U > U_max
• Der Soll-Winkel wird somit derartig angepasst, dass dieser mit der zur Verfügung stehenden Spannung einzuhalten ist.
• Für den Winkel der Feldschwächung gilt: ψ_{Feldschwächung} = (U_max – U)/(I_Phase × ω × L)
• Allgemein wird also bei der Ausführung der Erfindung der Soll-Winkel ψ_soll wie folgt gewählt: ψ_soll = ψ_Last + ψ_{Feldschwächung} mit ψ_{Feldschwächung} = 0 für U ≤ U_max, und
  ψ_{Feldschwächung} = (U_max – U)/(I_Phase × ω × L) für U > U_max
• Für den Wert des Phasenstromes I_Phase wird der weiter oben beschriebene Näherungswert eingesetzt, wonach I_Phase = 1/3 × (I_DC × U_DC)/(U_Phase) ist. Der Soll-Winkel ψ_soll, auf welchen erfindungsgemäß geregelt wird, ist daher nur noch ein Wert, der von den aktuellen Gleichspannungs- und Gleichstromwerten (Leistungsaufnahme), der Motordrehzahl und der Motorinduktivität abhängt.
• Die 1 und 2 zeigen den Vektor der Spannung U sowie den Phasenwinkel ψ zwischen Strom I und Spannung U in einer Ebene. Der Vektor der Spannung U ist hier die Summe aus der Back-EMF, dem Spannungsabfall am ohmschen Widerstand der Wicklung R × I sowie dem senkrecht hierzu stehenden Vektor L ω × I, also dem Vektorprodukt aus Strom I und Drehzahl ω.
• Bei der in der 1 dargestellten Situation liegt keine Feldschwächung vor, d. h. für den Wert der Spannung gilt: U ≤ U_max. In diesem Fall wird ψ_soll = ψ_Last gewählt und ψ_Last dazu wie bereits erläutert berechnet.
• 2 zeigt einen Fall, bei welchem mittels Feldschwächung durch Wahl eines entsprechend größeren Phasenwinkels ψ_soll der Wert der Spannung U auf U = U_max (wenn U > U_max) limitiert werden kann. Dies entspricht der Situation, bei der ψ'_soll = ψ_Last + ψ_{Feldschwächung} gewählt wird. ψ_Last und ψ_{Feldschwächung} werden wie angegeben berechnet.
• Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Steuerung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Der Motor 1 weist in an sich bekannter und nicht weiter dargestellter Weise einen permanentmagnetischen Rotor und Statorwicklungen auf. Die Statorwicklungen werden von einem Umrichter 2 bestromt. Der Umrichter 2 wird über einen nicht weiter dargestellten Spannungswandler mit Gleichstrom I_DC und Gleichspannung U_DC versorgt.
• Die Steuerung 3 erhält Signale, welche den Werten der Versorgung mit der Gleichstrom I_DC und Gleichspannung U_DC entsprechen, also die Leistungsaufnahme wiedergeben. Ferner wird der Steuerung ein Signal der Phasenspannung U_Phase zugeführt, was in der Figur angedeutet ist. Letztlich erhält die Steuerung 3 ein der Drehzahl ω, auf welche der Motor zu regeln ist, entsprechendes Signal. Entsprechend der aufgezeigten Berechnungsweise nimmt der Umrichter 2 nun die Bestromung der Statorwicklungen so vor, dass der Sollwinkel ψ_soll zwischen Phasenspannung U_Phase und Phasenstrom I_Phase den vorgesehenen Wert einnimmt. Wie bereits erläutert wird dieser Sollwinkel ψ_soll aus der gleichspannungsseitigen Leistungsaufnahme, der Drehzahl, dem Spannungswert sowie einem vorgegebenen Wert der Motorinduktivität L bestimmt. Für den Fall der Spannungslimitierung U = U_max erfolgt Feldschwächung um einen Wert ψ_{Feldschwächung}, der wie bereits aufgezeigt ermittelt wird.
• Bezugszeichenliste

U_DC

Gleichspannung

I_DC

Gleichstrom

U

Spannung Vorgabe Regler

U_Phase

Phasenspannung

I_Phase

Phasenstrom

L

Motorinduktivität

ω

Drehzahl

ψ_Last

Phasenwinkel Last

ψ_Soll, ψ'_Soll

Phasenwinkel Soll

ψ_{Feldschwächung}

Winkel Feldschwächung

1

Motor

2

Umrichter

3

Steuerung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 2133991 B1 [0004]
• US 6965212 [0005]

Claims (7)

1. Verfahren zur Steuerung eines permanenterregten Synchronmotors, insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors, mit einem permanent magnetisierten Rotor und einer Anzahl feststehender Statorwicklungen, die mit einer Wechselspannung vorbestimmter Amplitude und Frequenz beaufschlagt werden, wobei die Frequenz der Wechselspannung durch die Drehzahl des Motors vorgegeben ist und je Statorwicklung zwischen der Wechselspannung und dem Wechselstrom sich eine Phasendifferenz ergibt, gekennzeichnet durch, die Bestromung der Statorwicklungen erfolgt in einer Weise, dass zwischen Wechselspannung (U_Phase) und Wechselstrom (I_Phase) sich ein Phasenwinkel (ψ_soll, ψ'_soll) einstellt, der als von der Drehzahl (ω), der Motorinduktivität (L) und der Leistungsaufnahme des Motors abhängig gewählt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor die Leistungsaufnahme des Motors aus den dem Umrichter zugeführten Gleichstrom- und Spannungswerten (I_DC, U_DC) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Phasenwinkel (ψ_soll), welcher in Abhängigkeit der Drehzahl vorgegeben wird, ermittelt wird aus ψ_soll = (I_Phase × ω × L)/U_Phase mit I_Phase = 1/3 × (I_DC × U_DC)/(U_Phase), wobei L die Motorinduktivität und U_Phase die an der Statorwicklung anliegende Phasenspannung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei Limitierung der von einem Regler vorgegebenen Spannung U auf einen Maximalwert U_max erfolgt eine Feldschwächung um einen Wert (ψ_{Feldschwächung}) gegenüber dem nach Anspruch 3 ermittelten Phasenwinkel (ψ_soll).
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der für die Feldschwächung vorgesehene Wert (ψ_{Feldschwächung}) berechnet wird Zu ψ_{Feldschwächung} = (U_max – U)/(I_Phase × ω × L).
6. Steuerung für einen permanenterregten Synchronmotor, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor, mit einem permanent magnetisierten Rotor, einer Anzahl feststehender Statorwicklungen, die über einen Umrichter mit Wechselspannung vorbestimmter Amplitude und Frequenz beaufschlagbar sind, wobei dem Umrichter die zum Betrieb des Motors vorgesehene Drehzahl vorgebbar ist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, der mit dem Umrichter (2) in Verbindung stehenden Steuerung (3) wird neben dem Drehzahlwert (ω) ein der Leistungsaufnahme des Motors (1) entsprechendes Signal sowie die an der Statorwicklung anliegende Phasenspannung (U_Phase) zugeführt, wobie diese über den Umrichter (3) bewirkt, dass zwischen Wechselspannung (U_Phase) und Wechselstrom (I_Phase) sich ein Phasenwinkel (ψ_soll, ψ'_soll) einstellt, der als von der Drehzahl (ω), der Motorinduktivität (1) und der Leistungsaufnahme des Motors abhängig gewählt ist.
7. Steuerung nach Anspruch 6, wobei der Steuerung (3) den Gleichstrom- und Spannungswerten (I_DC, U_DC) entsprechende Signale zuführbar sind.

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