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Die Erfindung betrifft eine Technik zur Kommutierung einer elektrischen Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die elektronische Kommutierung einer elektrischen Maschine während des Anlaufens.
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Stand der Technik
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Eine elektrische Maschine, die linear oder als Rotationsmaschine aufgebaut sein kann, erfordert eine Kommutierung, die sicher stellt, dass Ströme durch Spulen zu genau den Zeitpunkten aktiviert bzw. deaktiviert werden, die zu einer Bewegung bzw. relativen Position der elektrischen Maschine korrespondiert. Die Kommutierung kann mittels Bürsten oder auch bürstenlos erfolgen. Bei der bürstenlosen Kommutierung wird üblicherweise eine Position eines Teils der elektrischen Maschine zum Anderen mittels Sensoren bestimmt. Umfasst die elektrische Maschine beispielsweise drei elektrisch von einander getrennte Spulen, so können drei Magnetfelssensoren dazu verwendet werden, die relative Position der Permanentmagneten bezüglich der Spulen zu bestimmen, um die Spulen dementsprechend anzusteuern. Es gibt auch sensorlose Verfahren, bei denen die Position des Läufers bezüglich des Ständers der Maschine ohne einen Sensorwert bestimmt oder geschätzt wird.
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Sensorlose Verfahren eignen sich im Allgemeinen gut zur Steuerung der laufenden elektrischen Maschine. Das Anlaufen der Maschine aus dem Stillstand erfolgt häufig „blind“ d. h., dass keine Positionsinformationen vorliegen, bis die elektrische Maschine eine vorbestimmte Geschwindigkeit angenommen hat. Während dieser Zeit können die Spulen nicht geregelt sondern nur gestellt angesteuert werden. Liegt eine mechanische Last an der elektrischen Maschine, so dass die Bewegung des Läufers gegenüber dem Ständer gebremst oder blockiert ist, so kann ein solches Verfahren versagen. Andere Verfahren, die ein sicheres Anlaufen der elektrischen Maschine ohne den Einsatz eines Sensors ermöglichen, sind häufig sehr rechenintensiv und erfordern eine dementsprechend leistungsfähige Steuereinrichtung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt anzugeben, die es erlauben, eine sensorlos kommutierbare elektrische Maschine während ihres Anlaufens verbessert zu steuern. Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels eines Verfahrens, einer Vorrichtung und eines Computerprogrammprodukts mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen einer Läuferlage einer elektronisch kommutierten Maschine umfasst Schritte des Bestimmens einer induzierten Spannung in Spulen der elektrischen Maschine Maschinenströmen und Maschinenspannungen und des Schätzens der Läuferlage und/oder einer Geschwindigkeitsangabe aus einer Abweichung der induzierten Spannung von einer geschätzten induzierten Spannung. Dabei werden die geschätzte Läuferlage und/oder die Geschwindigkeitsangabe mit einem binären Positionssignal synchronisiert, das zwei Positionsflanken für eine Kommutierung von 360° elektrisch bereitstellt.
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Ein an sich bekanntes Verfahren zur sensorlosen Steuerung der elektrischen Maschine kann mittels des Positionssignals so auf einfach und effiziente Weise dazu verwendet werden, die elektrische Maschine sicher anlaufen zu lassen, eventuell sogar gegen eine mechanische Last. Dabei werden an das Positionssignal nur sehr geringe Anforderungen gestellt, so dass ein kostengünstiger Sensor verwendet werden kann, der überdies an der elektrischen Maschine angebracht werden kann, ohne größere Umbauten zu erfordern.
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Die geschätzte Läuferlage und/oder die Geschwindigkeitsangabe können auf der Basis des Positionssignals bestimmt werden, wenn die Geschwindigkeit der Maschine einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Dieser Schwellenwert kann von der Zahl der Spulen der elektrischen Maschine abhängig sein. Beispielsweise kann bei drei Spulen der Schwellenwert im Bereich von ca. 300 U/min liegen. Oberhalb des vorbestimmten Schwellenwerts kann das Verfahren das Positionssignal verwerfen oder als zusätzlichen Parameter für die Steuerung benutzen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die geschätzte Läuferlage und/oder die Geschwindigkeitsangabe auf der Basis des Positionssignals bestimmt, sobald die Spulen der Maschine aus dem Stillstand heraus um 360° elektrisch kommutiert sind. Anders ausgedrückt kann das binäre Positionssignal nach zwei Taktflanken bereits ausreichen, um das Anlaufen der elektrischen Maschine auch gegen eine mechanische Last zu ermöglichen.
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In einem Anwendungsfall umfasst die Maschine eine Anlenkung, die ein mechanisches Spiel aufweist, wobei die Maschine unter Ausnutzung des Spiels zum Anlaufen angesteuert wird. So kann sicher gestellt werden, dass der kleine verbleibende Bereich, in dem die Maschine während des Anlaufens „blind“ gesteuert wird, auch bei vollständigem Blockieren der Maschine ausreicht, um das sensorlose Regelverfahren in Gang zu bringen.
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In einer Variante wird die Maschine gezielt in eine erste Richtung angetrieben und dann reversiert, um das Spiel zum Anlaufen auszunutzen. So kann sicher gestellt sein, dass die elektrische Maschine wenigstens einen Bewegungsspielraum hat, der zum Anlaufen der Regelung ausreicht, so dass die Maschine mit oder ohne mechanische Last sicher geregelt werden kann.
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Strangströme können während des Anlaufens der elektrischen Maschine bestimmt werden, wobei das Drehfeld der Maschine auf der Basis der Strangströme überwacht wird. Dadurch können Permanentmagnete der elektrischen Maschine verbessert gegen Entmagnetisierung geschützt bzw. das Entmagnetisieren verhindert werden. Dadurch können preiswertere Permanentmagnete verwendet werden, deren Entmagnetisierfestigkeit weniger hoch ist. Ferner kann der Anlauf der Maschine unter Last dadurch besser gesteuert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Programmcodemittel zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Verarbeitungseinrichtung abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur sensorlosen Bestimmung einer Läuferlage einer elektronisch kommutierten Maschine umfasst eine Verarbeitungseinrichtung zum Bestimmen einer induzierten Spannung in Spulen der elektrischen Maschine aus Maschinenströmen und Maschinenspannungen, einen Schätzer zum Schätzen der Läuferlage und/oder eine Geschwindigkeitsangabe aus einer Abweichung der induzierten Spannung von einer geschätzten induzierten Spannung und einen Sensor zur Bereitstellung eines Positionssignals, das die Läuferposition mit einer Genauigkeit von 180° elektrisch anzeigt, wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die geschätzte Läuferlage und/oder die Geschwindigkeitsangabe mit dem Positionssignal zu synchronisieren.
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Dadurch kann eine verbesserte Steuerung der elektrischen Maschine gelingen. Insbesondere kann ein Anlaufen der elektrischen Maschine auch gegen eine mechanische Last ermöglicht werden. Ein Einlernen der Verarbeitungseinrichtung, um einen genauen Bezug des Positionssignals zur Stellung des Rotors herzustellen, kann im Rahmen einer Produktion der Vorrichtung leicht durch kurzes Anlaufen ohne mechanische Last erfolgen.
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Die Maschine kann ein erstes und ein zweites Teil umfassen, die gegeneinander beweglich sind, wobei am ersten Teil die Spulen und am zweiten Teil Permanentmagneten angeordnet sind und der Sensor unbeweglich bezüglich den Spulen angebracht ist, um das Magnetfeld der Permanentmagneten zu bestimmen. Beispielsweise kann der Sensor ein kostengünstiger Hall-Sensor mit binärem Ausklang sein. Das erste Teil kann ein Ständer und das zweite Teil ein Läufer sein, im Fall einer Rotationsmaschine ein Rotor.
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Bevorzugterweise sind die Permanentmagneten dabei als Halbach-Anordnung angeordnet. Im Fall einer Rotationsmaschine kann ein Halbach-Ring verwendet werden. Dadurch können die Effizienz der elektrischen Maschine gesteigert und die Bestimmbarkeit der relativen Bewegung bzw. der relativen Position auf der Basis des Magnetfelds vereinfacht sein.
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Der Sensor kann zusätzlich ein Richtungssignal bereitstellen, wobei die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die geschätzte Läuferlage und/oder die Geschwindigkeitsangabe unter Beachtung des Richtungssignals mit dem Positionssignal zu synchronisieren. Dadurch kann beispielsweise detektiert werden, wenn die Maschine beim Anlaufen gegen einen elastischen mechanischen Widerstand läuft, so dass die fälschliche Bestimmung des Anlaufens der Maschine weniger wahrscheinlich ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Maschinen einen Elektromotor, der dazu eingerichtet ist, einen Scheibenwischer für ein Kraftfahrzeug anzutreiben. Dadurch kann ein kostengünstiger, genau steuerbarer Scheibenwischerantrieb bereitgestellt sein, der auf einfache Weise produziert bzw. eingelernt werden kann.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben werden, in denen:
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1 ein Blockdiagramm eines Motorsystems mit einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine zum sensorlosen Betrieb;
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2 eine elektronisch kommutierbare Linearmaschine;
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3 eine elektronisch kommutierbare Rotationsmaschine, und
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4 einen Scheibenwischerantrieb auf der Basis der Rotationsmaschine von 3
darstellt.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Motorsystem 100 zum Betreiben einer elektrischen Maschine 105. Die elektrische Maschine 105 ist vorzugsweise als bürstenlose, d. h. elektronisch kommutierte, elektrische Maschine ausgeführt. Die elektrische Maschine 105 ist mehrphasig ausgebildet und es werden über Phasenleitungen 110 Phasenspannungen an die elektrische Maschine 105 zum Betreiben angelegt. Die Phasenspannungen werden in einer Treiberschaltung 115 erzeugt. Im Fall, dass die elektrische Maschine 105 als ein Generator ausgebildet ist, werden über die Phasenleitungen 110 elektrischen Spannungen und Ströme von der Treiberschaltung 115, die in diesem Fall als Wandlerschaltung betrieben wird, empfangen.
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Die Treiberschaltung 115 legt zum Betreiben der elektrischen Maschine 105 zeitlich aufeinander folgend Phasenpotentiale an die Phasenleitungen 110 an, abhängig von Steuersignalen, die der Treiberschaltung 115 über Steuerleitungen 120 bereitgestellt werden. Dazu ist mit der Treiberschaltung 115 eine Versorgungsquelle (nicht gezeigt) verbunden, die die elektrische Energie zum Betreiben des Motors 105 bereitstellt.
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Die Steuersignale werden in einer Verarbeitungseinrichtung 125 abhängig von einer Läuferlage eines Läufers der elektrischen Maschine 105 und optional abhängig von einer Läufergeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Läufers generiert. Die Verarbeitungseinrichtung 125 kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet sein.
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Im vorliegenden Fall soll das Motorsystem 100 sensorlos ausgebildet sein und es werden die Läuferlage bzw. die Drehzahl aus Phasenspannungen und Phasenströmen abgeleitet. Ein Verfahren hierfür ist die Bestimmung der induzierten Spannung durch Berechnung mithilfe des so genannten Calculated Back-EMF-Verfahrens (cBEMF). Beim Calculated Back-EMF-Verfahren wird der Verlauf der induzierten Spannung Uind in den Phasensträngen des Motors 105, d.h. in den Phasenleitungen 110, ermittelt und die induzierte Spannung Uind einer festen Läuferposition zugeordnet. Dabei kann insbesondere auf die Nulldurchgänge der induzierten Spannung Uind abgestellt werden.
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Die Phasenströme I
S und optional die Phasenspannungen U
S können in der Treiberschaltung
115 gemessen und der Verarbeitungseinrichtung
125 zugeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Spannung der Treiberschaltung
115 erfasst und mit einem Tastverhältnis multipliziert werden, um die Phasenspannung U
S zu bestimmen. Gemäß nachstehender Motordifferentialgleichung kann die induzierte Spannung U
ind ermittelt werden:
wobei R dem Wicklungswiderstand und L der Induktivität entspricht und Schätzwerte durch ein Dachsymbol über der betreffenden Größe angezeigt werden.
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Im Anlauf können die Strangstrominformationen aus dem sensorlosen Verfahren zur Drehfeldüberwachung genutzt werden. Beispielsweise kann ein mechanisches Blockieren der Maschine auf der Basis eines Vergleichs der Strangströme mit einem vorbestimmten Schwellenwert. Einerseits kann der Anlauf der Maschine unter Last dadurch besser gesteuert werden, anderseits können Permanentmagnete der elektrischen Maschine so verbessert gegen Entmagnetisierung geschützt werden.
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2 zeigt eine Linearmaschine 200, die als Motor 105 im Motorsystem 100 aus 1 eingesetzt werden kann. Die Linearmaschine 200 umfasst einen ersten Teil 205, der hier exemplarisch als Ständer ausgebildet ist, und einen zweiten Teil 210, der hier als Läufer ausgebildet ist. An einem der Teile 205, 210 sind Spulen und am anderen Teil Permanentmagnete 215 angebracht. Die Verteilung von Spulen und Permanentmagneten 215 auf den ersten Teil 205 und den zweiten Teil 210 ist im Allgemeinen beliebig; vorliegend sind die Permanentmagneten 215 am ersten Teil 205 angebracht.
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Benachbarte Permanentmagneten 215 sind magnetisch unterschiedlich ausgerichtet. In einer einfachen Ausführungsform können sich an einer Oberfläche des ersten Teils 205 Nord- und Südpole der Permanentmagneten 215 abwechseln. In der dargestellten Ausführungsform, die als Halbach-Anordnung 220 bekannt ist, sind die Richtungen der Magnetfelder benachbarter Permanentmagnete 215 gemäß der Pfeildarstellung jeweils um 90° verdreht. Die Pfeile sind zur vereinfachten Darstellung nur im vorderen Bereich des ersten Teils 205 eingezeichnet.
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Ein Sensor 225 ist fest am zweiten Teil 210 angebracht und dazu eingerichtet, das Magnetfeld der ihm gegenüber liegenden Permanentmagneten 215 des ersten Teils 205 zu bestimmen. Dabei ist der Sensor 225 bevorzugterweise ein Hall-Sensor mit einem binären Ausgang, der eine positive oder negative Taktflanke zur Verfügung stellt, wenn sich das Magnetfeld ändert. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Sensor 225 noch einen zweiten Ausgang, an dem er ein binäres Richtungssignal bereitstellt. Weist das Richtungssignal einen ersten Wert auf, während das Positionssignal seinen Zustand ändert, so weist dies auf die Bewegung des ersten Teils 205 bezüglich des zweiten Teils 210 in einer ersten Richtung hin. Der gleiche Übergang des Positionssignals, während das Richtungssignal einen zweiten Wert einnimmt, weist auf eine Bewegung in der entgegen gesetzten Richtung hin. Ein solcher Sensor 225 wird beispielsweise von Infineon unter der Bezeichnung TLE 4966 vermarktet.
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Figur zeigt eine Rotationsmaschine 300, die alternativ zur Linearmaschine 200 aus 2 im Motorsystem 100 aus 1 als Motor 105 eingesetzt werden kann. Hier sind der erste Teil 205 und der zweite Teil 210 konzentrisch und gegeneinander um eine Drehachse 305 drehbar angeordnet. Der zweite Teil 210 wird hier auch Rotor genannt. In der vorliegenden stirnseitigen Ansicht sind Spulen 315 erkennbar, die am ersten Teil 205 angebracht sind. Radial innen liegende Enden der Spulen 315 liegen den Permanentmagneten 215 des Rotors 210 gegenüber.
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Im unteren Bereich von 3 ist eine Variation des Rotors 310 angedeutet, bei der die Permanentmagneten 215 als Halbach-Ring magnetisch orientiert sind. Es bietet sich an, den Sensor 225 in axialer Richtung bezüglich der Permanentmagneten 215 anzuordnen, weil durch die Spulen 315 nur wenig radialer Bauraum im Bereich des Rotors 210 zur Verfügung steht.
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4 zeigt einen Scheibenwischerantrieb auf der Basis der Rotationsmaschine 300 von 3. Der Rotor 210 ist mit einer Welle 404 verbunden, die einen Spindeltrieb 410 trägt, der in einem Laufrad 415 kämmt. Das Laufrad 415 treibt eine Welle 420 an, die beispielsweise als Wischerwelle auf einen Wischerarm wirken kann, der dazu eingerichtet ist, ein Wischerblatt über eine zu reinigenden Scheibe, insbesondere an einem Kraftfahrzeug, zu führen. Die gesamte Anordnung des Spindeltriebs 410, des Laufrads 415, der Welle 420 und der mit ihr verbundenen Komponenten wird im Folgenden als Anlenkung 425 bezeichnet.
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Die Anlenkung 425 weist üblicherweise ein durch die Bauart bestimmtes mechanisches Spiel zwischen ihrem Eingang, also dem Motor 300, und ihrem Ausgang, also dem Wischerarm oder dem Wischerblatt, auf. In einer Ausführungsform ist die Anzahl der Permanentmagneten 215 des Rotors 210 so auf das mechanische Spiel abgestimmt, dass der Sensor 225 auch dann, wenn die Anlenkung 425 ausgangsseitig durch eine externe Kraft vollständig blockiert ist, einen verbleibenden Bewegungsspielraum aufweist, der ausreicht, wenigstens zwei Positionssignale durch den Sensor 225 zu generieren. Je kleiner das mechanische Spiel ist, desto größer muss daher die Zahl der Permanentmagneten 215 auf dem Rotor 210 gewählt werden.
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Der Scheibenwischerantrieb 400 ist üblicherweise dazu eingerichtet, wahlweise in oder gegen den Uhrzeigersinn zu laufen. Um beim Anlaufen des Scheibenwischerantriebs 400 das mechanische Spiel der Anlenkung 425 vollständig ausnutzen zu können, können die Spulen 315 „blind“ angesteuert werden, den Rotor 210 zunächst in die entgegen gesetzte Richtung zu drehen, bis der verfügbare Teil des mechanischen Spiels aufgebraucht ist, bevor die Spulen 315 dazu angesteuert werden, den Rotor 210 in die ursprünglich beabsichtigte Richtung zu drehen. Auf diese Weise steht das mechanische Spiel der Anlenkung 425 voll zur Verfügung und der Rotor 210 kann sich auf jeden Fall soweit drehen, dass seine Bewegung 360° elektrisch entspricht, der Sensor 225 also wenigstens zwei Flanken als Positionssignale bereitstellt. Die beiden Taktflanken können bereits ausreichen, um die Steuerung der Rotationsmaschine 300 des Scheibenwischerantriebs 400 gemäß des Motorsystems 100 aus 1 sicher zu ermöglichen.
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In unterschiedlichen Ausführungsformen kann das Motorsystem 100 aus 1 dazu eingerichtet sein, die Positionssignale des Sensors 225 nur unter einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit der Rotationsmaschine 300 zur Bestimmung der Lage oder der Geschwindigkeit des Rotors 210 zu bestimmen. Oberhalb dieser Drehgeschwindigkeit können die Signale des Sensors 225 optional zur zusätzlichen Synchronisierung oder Verbesserung der auf der Basis der in den Spulen 315 induzierten Spannungen erfolgten Schätzung der Lage bzw. der Geschwindigkeit des Rotors 210 verwendet werden.
