DE102012111799A1

DE102012111799A1 - Elektrisch kommutierter Motor und Verfahren zum Kalibieren eines elektrisch kommutierten Motors

Info

Publication number: DE102012111799A1
Application number: DE102012111799A
Authority: DE
Inventors: Robert Haas
Original assignee: Clean Mobile AG
Current assignee: TQ-SYSTEMS GMBH, DE
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Kalibieren eines elektrisch kommutierten Motors (1), der einen Stator (7), einen Rotor (5), mindestens eine erste Statorerregerwicklung, eine zweite Statorerregerwicklung und eine dritte Statorerregerwicklung (15), eine Steuervorrichtung (200) zum phasenversetzten Bestromen der Statorerregerwicklungen (15) und zumindest eine Sensoreinheit (2) zum Erfassen eines Winkels zwischen einer Position des Rotors (5) und einer Position des Stators (7) aufweist. Es erfolgt ein Übermitteln einer Kalibrieranforderung von einer außerhalb des elektrisch kommutierten Motors (1) angeordneten Recheneinheit (210) an die Steuervorrichtung (200), ein Setzen der Ströme durch Statorerregerwicklungen (15) jeweils auf erste Gleichstromwerte und ein Ermitteln, ob der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat. Nachdem ermittelt wird, dass der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, erfolgt ein Ermitteln eines Winkels zwischen dem Rotor (5) und dem Stator (7) und ein Abspeichern des ermittelten Winkels als ersten Winkel. Zudem wird ein erster Korrekturwinkel basierend auf dem ersten Winkel und der ersten Phasenlage gebildet und als Nullpunktfehler für den von der zumindest einen Sensoreinheit (2) erfassten Winkel zum Ansteuern des elektrisch kommutierten Motors (1) abgespeichert.

Description

Die Anmeldung betrifft einen elektrisch kommutierten Motor und ein Verfahren zum Kalibieren eines elektrisch kommutierten Motors. Elektrisch kommutierte Motoren sind beispielsweise Drehfeldmaschinen mit einem Rotor und einem Stator. Die Drehzahl des Rotors wird dabei durch ein Drehfeld, das mit Hilfe von drehstromerregten Wicklungen erzeugt wird, bestimmt. Zur effektiven Erzeugung des Drehfelds ist es notwendig, die Position des Rotors in Bezug auf den Stator zu kennen. Einige Motoren weisen dazu eine Sensoreinheit auf, die zwei Teile aufweist, von denen ein erster Teil mit dem Rotor mitläuft und ein zweiter Teil ortsfest zum Stator angeordnet ist. Mit dieser Sensoreinheit wird der Winkel zwischen der Position des Rotors und der Position des Stators erfasst. Dieser Winkel wird zum Ansteuern des Stroms durch die Erregerwicklungen im Stator verwendet.
Damit die Anfangsposition zwischen Rotor und Stator bekannt ist, muss die Ansteuerung des Motors wissen, an welchem Ort in Bezug auf den Rotor der mit dem Rotor mitlaufende Teil der Sensoreinheit vorgesehen ist. Dieser mitlaufende Teil ist häufig als ein Permanentmagnet, der auf dem Rotor aufgeklebt wird, ausgebildet, während der mit der Sensoreinheit ortsfest verbundene Teil einen Hallsensor enthält. Die Montage des Magneten auf dem Rotor hat sehr genau zu erfolgen, damit der Winkel zwischen Rotor und Magnet keine Abweichung von einem gewünschten Wert aufweist.
Es ist Aufgabe der Anmeldung, einen elektrisch kommutierten Motor sowie ein Verfahren zum Kalibrieren eines elektrisch kommutierten Motors bereitzustellen, mit dessen Hilfe der Montageaufwand für den Motor sinkt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es wird ein Verfahren zum Kalibieren eines elektrisch kommutierten Motors bereitgestellt, wobei der elektrisch kommutierte Motor einen Stator, einen Rotor und mindestens eine erste Statorerregerwicklung, eine zweite Statorerregerwicklung und eine dritte Statorerregerwicklung aufweist. Eine Steuervorrichtung ist zum phasenversetzten Bestromen der ersten, der zweiten und der dritten Statorerregerwicklungen ausgebildet. Zudem weist der elektrisch kommutierte Motor zumindest eine Sensoreinheit auf, die zum Erfassen eines Winkels zwischen einer Position des Rotors und einer Position des Stators ausgebildet ist. Das Verfahren weist einen Schritt eines Übermittelns einer Kalibrieranforderung von einer außerhalb des elektrisch kommutierten Motors angeordneten Recheneinheit an die Steuervorrichtung auf. In einem weiteren, darauf folgenden Schritt werden die Ströme durch die erste Statorerregerwicklung, die zweite Statorerregerwicklung und die dritte Statorerregerwicklung jeweils auf erste Gleichstromwerte gesetzt.
Diese ersten Gleichstromwerte entsprechen Stromwerten zu einer ersten Phasenlage innerhalb eines Zyklus des Bestromens der Statorerregerwicklungen. Eine solche erste Phasenlage kann z.B. 30° sein; die Gleichstromwerte entsprechen dabei dem Stromwert durch die erste Statorerregerwicklung zur Phasenlage 30°, dem Stromwert durch die zweite Statorerregerwicklung während der Phasenlage 30° und dem Stromwert durch die dritte Statorerregerwicklung zu der Phasenlage 30°.
Ferner wird ermittelt, ob der Rotor nach dem Setzen der Ströme auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, basierend auf zumindest einem Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit. Nachdem ermittelt wird, dass der Rotor nach dem Setzen der Ströme auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, erfolgt ein Ermitteln eines Winkels zwischen dem Rotor und dem Stator mittels von der zumindest einen Sensoreinheit ermittelter Daten und ein Abspeichern des ermittelten Winkels als ersten Winkel. Zudem wird ein erster Korrekturwinkel basierend auf dem ersten Winkel und der ersten Phasenlage gebildet. Anschließend wird der gebildete erste Korrekturwinkel als systematischer Nullpunktfehler für den von der zumindest einen Sensoreinheit erfassten Winkel zum Ansteuern des elektrisch kommutierten Motors abgespeichert.
Der ermittelte erste Korrekturwinkel wird damit als systematischer Nullpunktfehler zur Steuerung des Motors verwendet. Bei der Steuerung des Motors wird somit berücksichtigt, dass der von der zumindest einen Sensoreinheit angezeigte Winkel um den ersten Korrekturwinkel korrigiert werden muss, um den tatsächlichen Winkelversatz zwischen Rotor und Stator zu bestimmen.
Der erste Korrekturwinkel wird in dem Verfahren gemäß der Anmeldung mit Hilfe eines Messverfahrens bestimmt. Die zumindest eine Sensoreinheit kann daher in einer beliebigen Winkelposition zum Rotor und zum Stator montiert werden. Dieser Montageschritt muss daher nicht mehr hochpräzise erfolgen. Die geforderte Genauigkeit der Steuerung kann mit Hilfe des Korrekturwinkels gewährleistet werden. Die vereinfachte Montage verringert die Montagezeit und bedeutet auch, dass die Präzision des Montageschritts nicht getestet werden muss. Das Verfahren gemäß der Anmeldung ermöglicht somit in vorteilhafter Weise, den Montageaufwand für den Motor zu senken.
Durch das Vorsehen einer außerhalb des elektrisch kommutierten Motors angeordneten Recheneinheit, d.h. einer externen Recheneinheit, zur Einleitung des Verfahrens wird zudem eine Überprüfung des Kalibrierverfahrens ermöglicht. Dazu wird der ermittelte erste Korrekturwinkel beispielsweise an die außerhalb des elektrisch kommutierten Motors angeordnete Recheneinheit übermittelt. Insbesondere kann weiterhin überprüft werden, ob der ermittelte erste Korrekturwinkel innerhalb einer vorbestimmten Toleranzgrenze liegt, d.h., ob der Absolutwert des ermittelten ersten Korrekturwinkel einen vorbestimmen Schwellenwert nicht überschreitet. Ist dies der Fall, kann der elektrisch kommutierte Motor entsprechend als fehlerfrei bzw. geeignet gekennzeichnet werden. Ferner können mittels der externen Recheneinheit die Ergebnisse mehrerer Kalibrierverfahren für unterschiedliche Motoren und damit für unterschiedliche Rotor-Stator-Paare miteinander verglichen werden und dadurch besonders geeignete Rotor-Stator-Paare ermittelt werden.
Das Setzen der Ströme durch die erste Statorerregerwicklung, die zweite Statorerregerwicklung und die dritte Statorerregerwicklung kann direkt oder indirekt erfolgen. Beim direkten Setzen werden die Ströme gesteuert oder geregelt. Bei einem indirekten Setzen wird beispielsweise die Spannung über zumindest einer der Statorerregerwicklungen gesteuert oder geregelt, womit auch die Ströme durch diese Statorerregerwicklung definiert gesetzt sind.
Das Verfahren weist in einer Ausführungsform vor dem Setzen der Ströme durch die erste, zweite und dritte Statorerregerwicklung auf die ersten Gleichstromwerte einen Schritt des Setzens der Ströme durch die erste, die zweite und die dritte Statorerregerwicklung auf Null auf. Wenn der Strom durch die Wicklungen Null ist, ist der Motor zunächst in einer Ruhelage. Durch das Erhöhen der Ströme auf die ersten Gleichstromwerte wird der Rotor in eine bestimmte Position gezogen. Der von der zumindest einen Sensoreinheit in dieser Position angezeigte Winkel wird verwendet, um daraus den Korrekturwinkel zu berechnen.
Der erste Korrekturwinkel ergibt sich in einer Ausführungsform als erster Winkel minus erste Phasenlage. Gibt beispielsweise die Sensoreinheit einen ersten Winkel von 60° an und wird die erste Phasenlage auf 30° gesetzt, so ist der erste Korrekturwinkel gleich 30°.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird ermittelt, dass der Rotor nach dem Setzen der Ströme auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, nachdem das zumindest eine Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit während einer vorbestimmten Mindestdauer einen zeitlich konstanten Messwert aufweist. Damit kann eine Ruhelage des Rotors in einfacher und zuverlässiger Weise ermittelt werden.
Die Schritte des Verfahrens werden bevorzugt jeweils für einen Rückwärtslauf des elektrisch kommutierten Motors und für einen Vorwärtslauf des elektrisch kommutierten Motors ausgeführt und ein Mittelwert aus einem für den Rückwärtslauf gebildeten Korrekturwinkel und aus einem für den Vorwärtslauf gebildeten Korrekturwinkel gebildet. Dadurch können mechanische Toleranzen in vorteilhafter Weise zu einem möglichst großen Teil eliminiert werden. Beispielsweise erfolgen die Schritte des Setzens der Ströme und des Ermitteln des Winkels zwischen dem Rotor und dem Stator zunächst für einen links drehenden Betrieb und anschließend für einen rechts drehenden Betrieb. Anschließend kann ein Mittelwert aus den ermittelten Korrekturwinkeln gebildet werden.
Vorzugsweise enthält das Verfahren noch weitere Schritte, so dass die Ströme durch die erste, die zweite und die dritte Statorerregerwicklung jeweils auf zweite Gleichstromwerte gesetzt werden, die Strömen zu einer zweiten Phasenlage im Zyklus des Bestromens der Statorerregerwicklungen entsprechen, und ermittelt wird, ob der Rotor nach dem Setzen der Ströme auf die zweiten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, basierend auf zumindest einem Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit. Nachdem ermittelt wird, dass der Rotor nach dem Setzen der Ströme auf die zweiten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, erfolgt ein Ermitteln eines Winkels zwischen dem Rotor und dem Stator mittels von der zumindest einen Sensoreinheit ermittelter Daten und ein Abspeichern des ermittelten Winkels als zweiten Winkel. Ferner wird ein zweiter Korrekturwinkel basierend auf dem zweiten Winkel und der zweiten Phasenlage gebildet.
Nach der Bildung des zweiten Korrekturwinkels kann ein Durchschnitt bzw. Mittelwert aus dem ersten Korrekturwinkel und dem zweiten Korrekturwinkel gebildet werden. Durch eine Erhöhung der Zahl der Messungen kann die Genauigkeit des berechneten Korrekturwinkels erhöht werden.
Neben der Bildung eines Mittelwerts können die Korrekturwinkel auch individuell für die jeweilige Ruhelage des Rotors abgespeichert werden.
Die genannten Schritte werden dabei bevorzugt für eine komplette mechanische Umdrehung des Rotors wiederholt.
Durch Wiederholen der Schritte in regelmäßigen Abständen wird in einer weiteren Ausführungsform sichergestellt, dass Fehler beim Abspeichern des Korrekturwinkels oder mechanische Veränderungen zwischen dem Magneten und dem Rotor nicht zu dauerhaften Fehlern führen.
In einem Zyklus des Bestromens der Statorwicklungen werden die Statorwicklungen mit Strömen beaufschlagt, die zeitlich variieren. Während eines Zyklus haben die Ströme durch eine Statorwicklung beispielsweise einen Verlauf einer vollständigen Sinusschwingung. Dabei sind die Ströme der ersten, zweiten und dritten Statorwicklung zueinander jeweils um 120° phasenversetzt.
In einer Ausführungsform weist der Motor eine Anzahl n > 1 von Polpaaren auf. Die Differenz aus erster Phasenlage und zweiter Phasenlage ergibt sich aus 360° geteilt durch die Anzahl n der Polpaare. Dadurch wird sichergestellt, dass der Rotor keinen zu großen Weg zwischen der ersten Phasenlage und der zweiten Phasenlage zurückzulegen hat.
In einer weiteren Ausführungsform weist die zumindest eine Sensoreinheit einen Hallsensor auf, der ortsfest in Bezug auf den Stator angeordnet ist. Ein derartiger Hallsensor ermöglicht in Verbindung mit einem an dem Rotor angeordneten Magneten die Messung der Winkelposition zwischen dem Rotor und dem Stator mit hoher Präzision.
Die zumindest eine Sensoreinheit gibt dabei typischerweise ein erstes, sinusförmiges Messsignal und ein zweites, kosinusförmiges Messsignal aus. Das Ermitteln des Winkels zwischen dem Rotor und dem Stator erfolgt in dieser Ausgestaltung basierend auf dem ersten und dem zweiten Messsignal.
Vorzugsweise werden die Schritte des Verfahrens durchgeführt, während der Motor ohne Last betrieben wird. Damit wird ein Einfluss der Last, die der Bewegung des Rotors entgegenwirkt, ausgeschlossen. Möglich ist es beispielsweise, einen Motor, der im Rückwärtslauf von der Last abgekoppelt ist, zu betreiben, während die Schritte durchgeführt werden. Es ist auch möglich, dass ein schaltbarer Freilauf vorgesehen ist, der beim Kalibrieren eingeschaltet wird, so dass das Kalibrieren während eines Vorwärtslaufs ohne Last durchgeführt werden kann.
Die Anmeldung betrifft ferner einen elektrisch kommutierten Motor mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator mindestens eine erste, eine zweite und eine dritte Statorerregerwicklung aufweist. Eine Steuervorrichtung ist zum phasenversetzten Bestromen der ersten, der zweiten und der dritten Statorerregerwicklung ausgebildet. Weiterhin weist der Motor zumindest eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Winkels zwischen einer Position des Rotors und einer Position des Stators auf.
Eine Kalibriervorrichtung zum Kalibrieren des Motors ist derart ausgebildet, dass sie die Ströme durch die erste, zweite und dritte Statorerregerwicklung jeweils auf erste Gleichstromwerte setzt, die Stromwerten zu einer ersten Phasenlage innerhalb eines Zyklus des Bestromens der Statorerregerwicklungen entsprechen, und basierend auf zumindest einem Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit ermittelt, ob der Rotor nach dem Setzen der Ströme auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat. Nachdem ermittelt wird, dass der Rotor nach dem Setzen der Ströme auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, ist die Kalibriervorrichtung ferner ausgebildet, einen Winkel zwischen dem Rotor und dem Stator mittels Daten der zumindest einen Sensoreinheit zu ermitteln, den ermittelten Winkel als ersten Winkel in einer Speichereinheit abzuspeichern und mittels einer Berechnungseinheit einen ersten Korrekturwinkel basierend auf dem ersten Winkel und der ersten Phasenlage zu berechnen. Die Steuervorrichtung ist ferner ausgebildet, den ersten Korrekturwinkel als systematischen Nullpunktfehler für den von der zumindest einen Sensoreinheit erfassten Winkel zum Ansteuern des elektrisch kommutierten Motors zu verwenden.
Mit Hilfe der Kalibriervorrichtung kann der Nullpunktfehler für den erfassten Winkel automatisch bestimmt werden, damit die Steuervorrichtung den Motor möglichst präzise steuert. Dadurch bedarf es keiner genauen Montage der zumindest einen Sensoreinheit im Bezug auf die Position des Rotors und des Stators.
Vorzugsweise ist die Kalibriervorrichtung weiterhin zum Durchführen der folgenden Verfahrensschritte ausgebildet: Setzen der Ströme durch die erste, zweite und dritte Statorerregerwicklung jeweils auf zweite Gleichstromwerte, die den Strömen zu einer zweiten Phasenlage im Zyklus des Bestromens der Statorerregerwicklungen entsprechen, und Ermitteln, ob der Rotor nach dem Setzen der Ströme auf die zweiten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, basierend auf zumindest einem Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit. Nachdem ermittelt wird, dass der Rotor nach dem Setzen der Ströme auf die zweiten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, ist die Kalibriervorrichtung ferner ausgebildet zum Ermitteln eines Winkels zwischen dem Rotor und dem Stator mittels Daten der zumindest einen Sensoreinheit und zum Abspeichern des ermittelten Winkels als zweiten Winkel sowie zum Bilden eines zweiten Korrekturwinkels basierend auf dem zweiten Winkel und der zweiten Phasenlage mittels der Berechnungseinheit.
Die Kalibriervorrichtung ist ferner bevorzugt zum Bilden eines Mittelwerts aus dem ersten Korrekturwinkel und aus dem zweiten Korrekturwinkel ausgebildet.
Die Steuervorrichtung kann ferner einen A/D-Wandler aufweisen, der zum Umwandeln des zumindest einen Messsignals der zumindest einen Sensoreinheit ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist die zumindest eine Sensoreinheit einen Hallsensor auf, der ortsfest in Bezug auf den Stator angeordnet ist. Mit einem derartigen Hallsensor kann die Änderung des Winkels mit einer hohen Auflösung gemessen werden.
Die Differenz aus erster Phasenlage und zweiter Phasenlage entspricht in einer Ausführungsform 360° geteilt durch die Anzahl n der Polpaare des Motors. Dadurch wird sichergestellt, dass der Rotor keinen zu großen Weg zwischen der ersten Phasenlage und der zweiten Phasenlage zurückzulegen hat.
Weiterhin kann ein Freilauf zum Schalten des elektrisch kommutierten Motors in einen lastfreien Zustand während des Kalibrierens vorgesehen sein.
Der elektrisch kommutierte Motor ist in den oben genannten Ausführungsformen beispielsweise ein Drehstrommotor, insbesondere ein Synchronmotor.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen, die mit Hilfe der Figuren erläutert werden, dargestellt.
Dabei zeigt
1 einen Querschnitt durch einen Synchronmotor;
2 einen Querschnitt durch den Elektromotor aus 1;
3 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Elektromotors;
4 ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der Verfahrensschritte;
5 den Verlauf der Erregerströme während einer Phase.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen als Synchronmotor ausgebildeten elektrisch kommutierten Motor 1. Es handelt sich um einen Außenläufermotor, dessen Rotor 5 außerhalb eines zylinderförmigen Stators 7 läuft. Der Rotor 5 weist eine Glockenform auf, wobei in der Darstellung von 1 die Glocke nach unten geöffnet ist. Der Rotor 5 und der Stator 7 weisen die gleiche Mittelachse 300 als Symmetrieachse auf. Der Rotor 5 weist eine umlaufende Wand 50 auf, an der Permanentmagnete 6 und 8 angebracht sind. Ein Luftspalt 9 zwischen Rotor 5 und Stator 7 ist links zwischen dem Stator 7 und dem Permanentmagneten 6 sichtbar, während ein Luftspalt 9 rechts zwischen dem Permanentmagneten 8 und dem Stator 7 erkennbar ist. Die Wand 50 besteht aus Metall. Der Rotor 5 weist zudem eine Verbindungsplatte 53 auf, die die Wand 50 nach oben abschließt.
Der Rotor 5 weist weiterhin einen Zylinder 4 auf, der oberhalb der Verbindungsplatte 53 angeordnet ist und der achszentriert zu der Mittelachse 300 des Stators 7 ist. An dem Zylinder 4 ist ein Abtriebszahnrad 80 montiert, das sich mit dem Rotor 5 mit dreht. Auf der Oberseite des Zylinders 4 befindet sich ein als Permanentmagnet ausgebildeter Magnet 11, dem ein Hallsensor 3 gegenüberliegt, der Teil einer Sensoreinheit 2 ist.
Im Stator 7 befinden sich Statorerregerwicklungen 15, die von einer Steuervorrichtung 200 angesteuert werden. Ändern sich die Ströme durch die Statorerregerwicklungen 15, so kommt es zu einer Bewegung des Rotors 5.
Bewegt sich der Rotor 5 um die Mittelachse 300, wird auch der Magnet 11, dessen Nord-Süd-Achse 110 senkrecht zur Mittelachse 300 ist, bewegt, wobei die Nord-Süd-Achse 110 des Magneten 11 vertikal rotiert. Die Bewegung des Magneten 11 erzeugt ein zeitlich variierendes elektromagnetisches Feld, das mit Hilfe des Hallsensors 3, der etwas außerhalb der Drehachse des Zylinders 4 angebracht ist, erfasst wird. Der Hallsensor 3 der Sensoreinheit 2 gibt dabei ein erstes, sinusförmiges Messsignal und ein zweites, kosinusförmiges Messsignal aus. Ein Winkel zwischen dem Rotor 5 und dem Stator 7 kann basierend auf dem ersten und dem zweiten Messsignal ermittelt werden. Dazu werden die ersten und zweiten Messsignale an die Steuervorrichtung 200 ausgegeben und mittels eines A/D-Wandlers 202 der Steuervorrichtung 200 in digitale Signale umgewandelt. Die Steuervorrichtung 200 bestimmt basierend auf dem ermittelten Winkel, mit welchen Strömen die Statorerregerwicklungen 15, die sich im Stator 7 befinden, anzusteuern sind.
2 zeigt einen Querschnitt durch den Synchronmotor entlang der Schnittebene AA' aus 1. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in 1 werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht nochmals erläutert.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält der Stator 7 sechs Ankerköpfe, die auch als Ständerpole 12 bezeichnet werden und die in etwa T-förmig gestaltet sind. Jeweils rechts und links der Ständerpole 12 sind im Schnitt Wicklungen 13 und 14 zu sehen, wobei die beiden Wicklungen, die genau einen Ständerpol 12 magnetisieren, entweder nicht bestromt oder gegenläufig bestromt werden. Die Wicklungen 13 und 14, die zusammen einem Ständerpol 12 zugeordnet sind, werden zusammen als Statorerregerwicklung 15 bezeichnet, da sie Teil einer einzigen Wicklung sind und nur im Querschnitt als getrennte Elemente erscheinen. Tatsächlich sind sie oben und/oder unten im Stator 7 miteinander verbunden.
Die Ströme, die durch die Wicklungen 13 und 14 fließen, werden von einem in der Steuervorrichtung 200 befindlichen, in 1 gezeigten Mikrokontroller 201 angesteuert, wobei der Mikrokontroller 201 jeweils die Winkelstellung zwischen Rotor 5 und Stator 7 berücksichtigt. Für die Winkelstellung wird ein mittels einer Kalibrierung ermittelter Korrekturwinkel berücksichtigt, wie im Zusammenhang mit 4 näher erläutert wird. Die Schritte des in 4 erläuterten Verfahrens werden dabei nach einer Kalibrieranforderung, die von einer außerhalb des elektrisch kommutierten Motors angeordneten, in 1 gezeigten Recheneinheit 210 an die Steuervorrichtung 200 übermittelt wird, ausgeführt. Die Recheneinheit 210 ist dazu über eine Wirkverbindung mit der Steuervorrichtung 200 gekoppelt. Die Wirkverbindung kann dabei drahtgebunden und/oder drahtlos sein.
In dem Rotor 5 sind die Permanentmagnete, unter ihnen die Permanentmagnete 6 und 8, eingezeichnet. In Umfangsrichtung wechseln sich Nordpole N und Südpole S ab.
Bei dieser Ausführungsform gemäß 2 handelt es sich um eine Synchronmaschine mit zwei Polpaaren bzw. vier Polen.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Synchronmotors mit fünf Polpaaren in einer gleichen Ansicht wie 2. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und im Folgenden nicht nochmals erläutert.
Die Ansteuerung der Statorerregerwicklungen beim Kalibrieren wird an die Polpaarzahl angepasst. Der Übersichtlichkeit halber ist die Anzahl der Statorerregerwicklungen und der Permanentmagnete 6 des Rotors gleich. In der Praxis ist die Anzahl typischerweise ungleichmäßig vorgesehen, wobei beispielsweise die Anzahl der Permanentmagnete 6 um eins größer als die Anzahl der Statorerregerwicklungen ist.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Kalibrieren des Synchronmotors gemäß einer Ausführungsform der Anmeldung.
In einem Schritt 399 wird eine Kalibrieranforderung von der außerhalb des Synchronmotors angeordneten Recheneinheit an die Steuervorrichtung übermittelt. Diese Kalibrieranforderung veranlasst die Steuervorrichtung, die weiteren Verfahrensschritte auszuführen.
In Schritt 400 werden die Ströme durch die Statorerregerwicklungen auf Null gesetzt. Anschließend wird gemäß Schritt 401 der Wert j auf 1 und die Phasenlage φ(j) auf 360° mal j geteilt durch n gesetzt, wobei n die Anzahl der Polpaare ist. Anschließend werden im Schritt 402 die Statorerregerwicklungen auf die Stromwerte U, V und W zur Phasenlage φ(j) gesetzt. Dazu wird der Stromverlauf in den Statorerregerwicklungen der Phasen U, V und W während des Normalbetriebs eines Synchronmotors verwendet und die Stromwerte werden während der Phasenlage φ(j) als Gleichstromwerte, mit denen die Statorerregerwicklungen während dieses Schrittes 402 bestromt werden, gespeichert.
Somit wird der Strom durch die Statorerregerwicklung auf den Gleichstromwert gesetzt, der dem Gleichstromwert während der Phasenlage φ(j) entspricht. φ(j) ist beispielsweise 30°, und die Ströme, die zu der Phasenlage φ = 30° herrschen, werden in die Statorerregerwicklungen eingeprägt.
In einem Schritt 402' wird ermittelt, ob der Rotor nach dem Setzen der Ströme U, V, W auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, basierend auf zumindest einem Messsignal der Sensoreinheit. Dieser Schritt wird solange wiederholt, bis der Rotor die Ruhelage eingenommen hat.
Nachdem ermittelt wird, dass der Rotor nach dem Setzen der Ströme U, V, W auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator eine Ruhelage eingenommen hat, wird in einem Schritt 403 mit Hilfe der Sensoreinheit, beispielsweise einer Hallsensoreinheit, der Winkel Φ(j) zwischen dem Rotor und dem Stator gemessen und abgespeichert. Anschließend wird die Laufvariable j in einem Schritt 404 um eins erhöht und der Winkel φ um 360° geteilt durch n erhöht.
In einem darauf folgenden Schritt 405 wird abgefragt, ob die Laufvariable j = n + 1 ist. Ist dies nicht der Fall, schleift das Verfahren zu dem Schritt 402 zurück, wonach die Ströme auf weitere Werte gesetzt werden, die jeweils den Stromwerten eines Zyklus des Synchronmotors der nun aktuellen Phasenlage entsprechen.
Die Winkel Φ(j) werden jeweils als erster Winkel, zweiter Winkel und dritter Winkel in Schritt 403 abgespeichert. Wird während des Verfahrens die Abfrage 405 bejaht, wird der Korrekturwinkel gemäß der Formel
in Schritt 406 gesetzt. Somit wird zum Berechnen des Korrekturwinkels der Durchschnitt aus den Differenzen zwischen den gemessenen Winkeln Φ(j) und der jeweils dazugehörigen Phasenlage φ(j) gebildet. In weiteren Ausführungsformen kann bei der Berechnung des Korrekturwinkels die Differenz jeweils gewichtet werden, wenn davon ausgegangen wird, dass einige der Messungen vertrauenswürdiger als andere sind.
Mit Hilfe des nun bestimmten Korrekturwinkels wird dieser im Betrieb des Synchronmotors als systematischer Nullpunktfehler berücksichtigt. Beträgt beispielsweise der Korrekturwinkel 12°, so ist dies dem Produktionsprozess des Synchronmotors geschuldet. Mit Hilfe des Kalibrierverfahrens wird dieser Korrekturwinkel gemessen und bei der Ansteuerung des Synchronmotors berücksichtigt. Somit kann der Montageschritt "Aufbringen des Magneten auf dem Rotor" mit einer großen Ungenauigkeit erfolgen, was den Produktionsprozess vereinfacht. Der Magnet kann sogar in Bezug auf die Winkelstellung zum Rotor beliebig aufgeklebt werden, solange die Nord-Süd-Achse des Magneten senkrecht zu der Mittelachse ist, um die sich der Rotor dreht.
Trotz beliebiger Stellung des Magneten auf dem Rotor kann mit Hilfe des Verfahrens ermittelt werden, wo sich der Rotor in Bezug auf den Stator befindet.
Dieses Verfahren kann einmalig bei der Inbetriebnahme des Motors erfolgen. Alternativ ist es möglich, das Kalibrierverfahren in regelmäßigen Abständen, beispielsweise monatsweise, zu wiederholen.
Die Verfahrensschritte werden mit Hilfe der Kalibriereinheit durchgeführt. Diese Kalibriereinheit kann beispielsweise einen Mikrokontroller aufweisen, der ein Computerprogramm aufweist, das den Elektromotor gemäß den Schritten 400 bis 406 ansteuert. Die Berechnung des Korrekturwinkels erfolgt dann ebenfalls im Mikrokontroller. Der berechnete Korrekturwinkel wird nach dem Schritt 406 vorzugsweise in einem Flash-Speicher abgespeichert und steht somit für die Lebensdauer des Motors, der beispielsweise Bestandteil eines Fahrrads ist, zur Verfügung. Weiterhin kann der ermittelte Korrekturwinkel an die außerhalb des Motors angeordnete Recheneinheit übermittelt werden.
5 zeigt den Verlauf der Erregerströme während eines Zyklus über der Zeit.
Der Strom U entspricht dem Strom durch die erste Statorerregerwicklung, der Strom V dem Strom durch die zweite Statorerregerwicklung und der Strom W dem Strom durch die dritte Statorerregerwicklung. Diese Ströme sind jeweils über der Zeit aufgetragen. Man erkennt, dass die Stromverläufe zueinander jeweils um 120° phasenverschoben sind. Als erste Phasenlage wird φ₁ gesetzt und die Ströme U(φ₁), V(φ₁) und W(φ₁) werden abgelesen. Diese Werte werden als erste Gleichstromwerte im Kalibrierverfahren gesetzt. In einem späteren Schritt werden die Werte U(φ₂), V(φ₂) und W(φ₂) zu einer zweiten Phasenlage φ₂ als zweite Gleichstromwerte verwendet. Die Ströme verlaufen typischerweise nicht exakt sinusförmig, die Ströme nehmen vielmehr jeweils für bestimmte Zeiträume diskrete Werte derart an, dass der Verlauf der Ströme sich jeweils einer Sinusform annähert.
Die Spannungen, die über den ersten, zweiten und dritten Statorerregerwicklungen jeweils anliegen, haben prinzipiell den gleichen Verlauf wie die Verläufe der Ströme durch die Statorerregerwicklungen. Dies gilt grundsätzlich für alle Drehzahlen.
Ein Zyklus des Bestromens verläuft zwischen den Zeitpunkten 0 und t_z. Nach dem Zeitpunkt t_z beginnt ein neuer Zyklus.
Bezugszeichenliste

1: Motor
2: Sensoreinheit
3: Hallsensor
4: Zylinder
5: Rotor
6: Permanentmagnet
7: Stator
8: Permanentmagnet
9: Luftspalt
11: Magnet
12: Ständerpol
13: Wicklung
14: Wicklung
15: Statorerregerwicklung
50: Wand
53: Verbindungsplatte
80: Abtriebszahnrad
110: Nord-Süd-Achse
200: Steuervorrichtung
201: Mikrokontroller
202: A/D-Wandler
210: Recheneinheit
300: Mittelachse
399: Schritt
400: Schritt
401: Schritt
402: Schritt
402': Schritt
403: Schritt
405: Schritt
406: Schritt
N: Nordpol
S: Südpol

Claims

Verfahren zum Kalibieren eines elektrisch kommutierten Motors, wobei der elektrisch kommutierte Motor folgende Merkmale aufweist: – einen Stator (7), – einen Rotor (5), – mindestens eine erste, eine zweite und eine dritte Statorerregerwicklung (15), – eine Steuervorrichtung (200) ausgebildet zum phasenversetzten Bestromen der Statorerregerwicklungen (15), – zumindest eine Sensoreinheit (2) ausgebildet zum Erfassen eines Winkels (Φ) zwischen einer Position des Rotors (5) und einer Position des Stators (7), und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Übermitteln einer Kalibrieranforderung von einer außerhalb des elektrisch kommutierten Motors (1) angeordneten Recheneinheit (210), – Setzen der Ströme (U, V, W) durch die erste, zweite und dritte Statorerregerwicklung (15) jeweils auf erste Gleichstromwerte, die Stromwerten zu einer ersten Phasenlage (φ₁) innerhalb eines Zyklus des Bestromens der Statorerregerwicklungen (15) entsprechen, – Ermitteln, ob der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme (U, V, W) auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, basierend auf zumindest einem Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit (2), – nachdem ermittelt wird, dass der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme (U, V, W) auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, Ermitteln eines Winkels zwischen dem Rotor (5) und dem Stator (7) mittels von der zumindest einen Sensoreinheit (2) ermittelter Daten und Abspeichern des ermittelten Winkels als ersten Winkel (Φ₁), – Bilden eines ersten Korrekturwinkels basierend auf dem ersten Winkel (Φ₁) und der ersten Phasenlage (φ₁), – Abspeichern des ersten Korrekturwinkels als Nullpunktfehler für den von der zumindest einen Sensoreinheit (2) erfassten Winkel zum Ansteuern des elektrisch kommutierten Motors (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ermittelt wird, dass der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme (U, V, W) auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, nachdem das zumindest eine Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit (2) während einer vorbestimmten Mindestdauer einen zeitlich konstanten Messwert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Verfahrens jeweils für einen Rückwärtslauf des elektrisch kommutierten Motors (1) und für einen Vorwärtslauf des elektrisch kommutierten Motors (1) ausgeführt werden und ein Mittelwert aus einem für den Rückwärtslauf gebildeten Korrekturwinkel und aus einem für den Vorwärtslauf gebildeten Korrekturwinkel gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: – Setzen der Ströme (U, V, W) durch die erste, zweite und dritte Statorerregerwicklung (15) jeweils auf zweite Gleichstromwerte, die den Strömen zu einer zweiten Phasenlage (φ₂) im Zyklus des Bestromens der Statorerregerwicklungen (15) entsprechen, – Ermitteln, ob der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme (U, V, W) auf die zweiten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, basierend auf zumindest einem Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit (2), – nachdem ermittelt wird, dass der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme (U, V, W) auf die zweiten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, Ermitteln eines Winkels zwischen dem Rotor (5) und dem Stator (7) mittels von der zumindest einen Sensoreinheit (2) ermittelter Daten und Abspeichern des ermittelten Winkels als zweiten Winkel, – Bilden eines zweiten Korrekturwinkels basierend auf dem zweiten Winkel und der zweiten Phasenlage.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelwert aus dem ersten Korrekturwinkel und aus dem zweiten Korrekturwinkel gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch kommutierte Motor (1) eine Anzahl n > 1 von Polpaaren aufweist und die Differenz aus erster Phasenlage (φ₁) und zweiter Phasenlage (φ₂) sich aus 360° geteilt durch die Anzahl n der Polpaare ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sensoreinheit (2) einen Hallsensor (3) aufweist, der ortsfest in Bezug auf den Stator (7) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sensoreinheit (2) ein erstes, sinusförmiges Messsignal und ein zweites, kosinusförmiges Messsignal ausgibt und das Ermitteln des Winkels (Φ) zwischen dem Rotor (5) und dem Stator (7) basierend auf dem ersten und dem zweiten Messsignal erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Verfahrens durchgeführt werden, während der elektrisch kommutierte Motor (1) ohne Last betrieben wird.
Elektrisch kommutierter Motor, aufweisend: – einen Stator (7), – einen Rotor (5), – mindestens eine erste Statorerregerwicklung, eine zweite Statorerregerwicklung und eine dritte Statorerregerwicklung (15), – eine Steuervorrichtung (200) ausgebildet zum phasenversetzten Bestromen der ersten, zweiten und dritten Statorerregerwicklung (15), – zumindest eine Sensoreinheit (2) zum Erfassen eines Winkels zwischen einer Position des Rotors (5) und einer Position des Stators (7), – eine Kalibriervorrichtung zum Kalibrieren des elektrisch kommutierten Motors (1), wobei die Kalibriervorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie – die Ströme durch die erste, zweite und dritte Statorerregerwicklung (15) jeweils auf erste Gleichstromwerte setzt, die Stromwerten zu einer ersten Phasenlage innerhalb eines Zyklus des Bestromens der Statorerregerwicklungen entsprechen, – basierend auf zumindest einem Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit (2) ermittelt, ob der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme (U, V, W) auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, – nachdem ermittelt wird, dass der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme (U, V, W) auf die ersten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, einen Winkel zwischen dem Rotor (5) und dem Stator (7) mittels Daten der zumindest einen Sensoreinheit (2) ermittelt und den ermittelten Winkel als ersten Winkel abspeichert, – einen ersten Korrekturwinkel basierend auf dem ersten Winkel und der ersten Phasenlage (φ₁) berechnet, – den ersten Korrekturwinkel als Nullpunktfehler für den von der zumindest einen Sensoreinheit (2) erfassten Winkel zum Ansteuern des elektrisch kommutierten Motors (1) verwendet.
Elektrisch kommutierter Motor nach Anspruch 10, wobei die Kalibriervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie weiterhin zum Durchführen der folgenden Verfahrensschritte ausgebildet ist: – Setzen der Ströme (U, V, W) durch die erste, zweite und dritte Statorerregerwicklung (15) jeweils auf zweite Gleichstromwerte, die den Strömen zu einer zweiten Phasenlage im Zyklus des Bestromens der Statorerregerwicklungen (15) entsprechen, – Ermitteln, ob der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme (U, V, W) auf die zweiten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, basierend auf zumindest einem Messsignal der zumindest einen Sensoreinheit (2), – nachdem ermittelt wird, dass der Rotor (5) nach dem Setzen der Ströme (U, V, W) auf die zweiten Gleichstromwerte relativ zu dem Stator (7) eine Ruhelage eingenommen hat, Ermitteln eines Winkels zwischen dem Rotor (5) und dem Stator (7) mittels Daten der zumindest einen Sensoreinheit (2) und Abspeichern des ermittelten Winkels als zweiten Winkel, – Bilden eines zweiten Korrekturwinkels basierend auf dem zweiten Winkel und der zweiten Phasenlage.
Elektrisch kommutierter Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibriervorrichtung zum Bilden eines Mittelwerts aus dem ersten Korrekturwinkel und aus dem zweiten Korrekturwinkel ausgebildet wird.
Elektrisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (200) einen A/D-Wandler (202) aufweist, wobei der A/D-Wandler (202) zum Umwandeln des zumindest einen Messsignals der zumindest einen Sensoreinheit (2) ausgebildet ist.
Elektrisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sensoreinheit (2) einen Hallsensor (3) aufweist, der ortsfest in Bezug auf den Stator (7) angeordnet ist.
Elektrisch kommutierter Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch einen Freilauf zum Schalten des elektrisch kommutierten Motors (1) in einen lastfreien Zustand während des Kalibrierens.