DE102013106528A1

DE102013106528A1 - start-up procedure

Info

Publication number: DE102013106528A1
Application number: DE102013106528.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Essig; Martin Löffler
Original assignee: Wittenstein SE
Current assignee: Wittenstein SE
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2014-12-24

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (3), insbesondere Anlaufverfahren für eine elektrische Maschine (3) zum Antrieb einer Turbomolekularpumpe, wobei die elektrische Maschine (3) eine Mehrzahl von Motorphasen (15, 16, 17) umfasst, mit: Bestromen aller Motorphasen (15, 16, 17) der elektrischen Maschine (3) während eines Bestromungszeitraums, Unterbrechen der Bestromung für einen Unterbrechungszeitraum nach dem Bestromungszeitraum, so dass alle Motorphasen (15, 16, 17) in einem unbestromten Zustand sind, Ermitteln mindestens einer Bewegungsgröße eines Rotors der elektrischen Maschine (3), und Wiederbestromung aller der Motorphasen (15, 16, 17) in Abhängigkeit der mindestens einen ermittelten Bewegungsgröße.Method for operating an electrical machine (3), in particular starting method for an electrical machine (3) for driving a turbomolecular pump, the electrical machine (3) comprising a plurality of motor phases (15, 16, 17), with: energizing all motor phases ( 15, 16, 17) of the electrical machine (3) during an energization period, interrupting the energization for an interruption period after the energization period so that all motor phases (15, 16, 17) are in a de-energized state, determining at least one movement quantity of a rotor of the electrical machine (3), and energizing all of the motor phases (15, 16, 17) as a function of the at least one determined movement quantity.

Description

Gebiet der Erfindung Field of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine und einen Antrieb, der eine Kontrolleinrichtung und eine elektrischen Maschine umfasst. The invention relates to a method for operating an electric machine and a drive, which comprises a control device and an electric machine.

Stand der Technik State of the art

Aus dem Stand der Technik sind Kontrolleinrichtungen für elektrische Maschinen bekannt, welche geeignet sind, bürstenlose Gleichstrommaschinen zu betreiben. Dabei ist es erforderlich, Motorphasen der elektrischen Maschine in einer geeigneten Phasenlage zu bestromen, um ein Antriebsmoment zu erzeugen. Bei üblichen Kontrolleinrichtungen wird dies erreicht, indem kontinuierlich Wirkleistung und Blindleistung an den Motorphasen überwacht werden bzw. es wird eine Regelung basierend auf elektromotorischer Kraft verwendet. Control devices for electrical machines are known from the prior art, which are suitable to operate brushless DC machines. It is necessary to energize motor phases of the electric machine in a suitable phase position in order to generate a drive torque. In conventional control devices, this is achieved by continuously monitoring active power and reactive power at the motor phases, or using control based on electromotive force.

Bei hochdrehenden Antrieben stellt sich in niedrigen Drehzahlbereichen allerdings das Problem, dass ein Stromregler bei niedrigen Drehzahlen einen zu geringen Signal-zu-Rauschabstand mit dem Eingangssignal erhält, um eine wirkungsvolle Regelung zu erreichen. Bei hochdrehenden Motoren von Turbomolekularpumpen kann ein gesteuertes Anlaufverfahren eingesetzt werden, wobei allerdings die Anlaufsicherheit nicht optimal ist. Dies bedeutet, dass nicht aus jedem Betriebszustand, beispielsweise Stillstand oder richtig oder falsch drehendem Rotor, ein sicheres Anlaufen in einen Drehzahlbereich, bei welchem eine EMK(elektromagnetische Kraft)-Regelung eingesetzt werden kann, erreicht wird. In high-speed drives, however, the problem arises in low speed ranges that a current controller at low speeds receives too little signal-to-noise ratio with the input signal in order to achieve an effective control. For high-speed engines of turbomolecular pumps, a controlled start-up procedure can be used, although the start-up safety is not optimal. This means that not from any operating condition, such as standstill or right or wrong rotating rotor, a safe start in a speed range in which an EMF (electromagnetic force) control can be used is achieved.

Aus der US 5,017,845 ist ein Anlaufverfahren bekannt, bei welchem nur einzelne der Motorphasen während eines Bestromungszeitraums bestromt werden, wobei in einem nicht-bestromten Zeitraum zuvor unbestromte Motorphasen verwendet werden können, um Informationen über die Lage des Rotors zu erhalten. Die DE 601 24 832 T2 schlägt vor, zwei Motorphasen zu bestromen und eine für eine Messung zu verwenden. Diese Methoden können zu einem eingeschränkten Antriebs-Drehmoment führen. From the US 5,017,845 a startup method is known in which only some of the motor phases are energized during a lighting period, wherein in a non-energized period previously de-energized motor phases can be used to obtain information about the position of the rotor. The DE 601 24 832 T2 suggests to energize two motor phases and to use one for a measurement. These methods can result in limited drive torque.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, Kontrolleinrichtungen und Anlaufverfahren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, zu verbessern. Insbesondere soll ein zuverlässiges Anlaufverfahren angegeben werden, mit dem Turbomolekularpumpen in möglichst kurzer Zeit angefahren werden können oder sicher in niedrigen Drehzahlbereichen kontrolliert werden können. The object of the invention is to improve control devices and starting methods, as they are known from the prior art. In particular, a reliable start-up method is to be specified, with which turbomolecular pumps can be started in as short a time as possible or can be safely controlled in low speed ranges.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Anspruch 1 und einem Antrieb mit einer elektrischen Maschine und einer Kontrolleinrichtung nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst. The object is achieved by a method according to claim 1 and a drive with an electric machine and a control device according to the independent claim.

Ein typisches Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere Anlaufverfahren für eine elektrische Maschine zum Antrieb einer Turbomolekularpumpe, wobei die elektrische Maschine eine Mehrzahl von Motorphasen aufweist, umfasst ein Bestromen aller Motorphasen der elektrischen Maschine während eines Bestromungszeitraums. Bei weiteren typischen Ausführungsbeispielen erfolgt ein Unterbrechen der Bestromung für einen Unterbrechungszeitraum nach dem Bestromungszeitraum, so dass alle Motorphasen in einem unbestromten Zustand sind. Üblicherweise wird ein Ermitteln mindestens einer Bewegungsgröße eines Rotors der elektrischen Maschine durchgeführt und zumindest ein Teil, typischerweise alle der Motorphasen in Abhängigkeit der mindestens einen ermittelten Bewegungsgröße mit einer Wiederbestromung wieder bestromt, wobei ein neuer Bestromungszeitraum beginnt. Typischerweise wird das Verfahren mehrfach wiederholt, beispielsweise bis ein bestimmter Parameter erreicht ist. A typical method for operating an electric machine, in particular start-up method for an electric machine for driving a turbomolecular pump, wherein the electric machine has a plurality of motor phases, comprises energizing all the motor phases of the electric machine during an energization period. In further typical embodiments, the energization is interrupted for an interruption period after the energization period, so that all motor phases are in a de-energized state. Usually, determining at least one movement variable of a rotor of the electric machine is performed and at least a part, typically all of the motor phases are energized in response to the at least one determined amount of movement with a re-energizing, with a new lighting period begins. Typically, the process is repeated several times, for example until a certain parameter is reached.

Typische Effekte von Ausführungsformen der Erfindung sind ein erhöhtes Drehmoment auf Grund der Bestromung aller Motorphasen der elektrischen Maschine während des Bestromungszeitraumes. Typischerweise weist die elektrische Maschine ausschließlich die Motorphasen als Wicklungen auf. Typischerweise ist die Dauer des Unterbrechungszeitraumes nicht-proportional zur Drehzahl der elektrischen Maschine, insbesondere ist die Dauer des Unterbrechungszeitraumes unabhängig von der Drehzahl oder konstant. Auf diese Weise kann regelmäßig außer im Stillstand eine absolute Rotorlagebestimmung durchgeführt werden. Typical effects of embodiments of the invention are an increased torque due to the energization of all motor phases of the electric machine during the energization period. Typically, the electric machine has only the motor phases as windings. Typically, the duration of the interruption period is not proportional to the rotational speed of the electrical machine, in particular the duration of the interruption period is independent of the rotational speed or constant. In this way, an absolute rotor position determination can be performed regularly except when at a standstill.

Typische Verfahren von Ausführungsformen der Erfindung eignen sich zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere für eine hochdrehende elektrische Maschine zum Antrieb einer Turbomolekularpumpe. Die elektrische Maschine ist typischerweise ein bürstenloser Gleichstrommotor, welcher typischerweise einen Permanentmagnet-erregten Rotor umfasst. Eine weitere elektrische Maschine, welche bei typischen Ausführungsformen eingesetzt wird, ist eine permanentmagneterregte Synchronmaschine oder eine bürstenlose Gleichstrommaschine. Bei Ausführungsbeispielen verwendete elektrische Maschinen weisen üblicherweise Nenndrehzahlen auf, welche bei mindestens 40.000, oder sogar mindestens 50.000 Umdrehungen liegen. Verfahren von Ausführungsformen und Kontrolleinrichtungen von Ausführungsformen sind besonders geeignet für bürstenlose Gleichstrommaschinen, insbesondere solche mit einer elektrischen Drehfrequenz von mehr als 400 Hz oder mehr als 600 Hz oder mehr als 800 Hz. Bei solchen elektrischen Maschinen ist es häufig schwierig, mit einem EMK-basierten Verfahren bei kleinen Drehzahlen die elektrische Maschine geregelt zu bestromen. Ein Grund ist, dass die Massenträgheitsmomente solcher Maschinen im Verhältnis zum Nenndrehmoment vergleichsweise hoch sind. Elektrische Maschinen, welche durch Verfahren von Ausführungsformen oder von Kontrolleinrichtungen kontrolliert werden, weisen typischerweise ein Verhältnis von Nenndrehmoment zu Massenträgheitsmoment des Rotors von maximal 500 N/kgm oder von maximal 400 N/kgm oder von maximal 290 N/kgm auf. Bei solchen elektrischen Maschinen ist es sehr aufwändig, diese mit gängigen Verfahren anlaufen zu lassen. Typical methods of embodiments of the invention are suitable for operating an electric machine, in particular for a high-speed electric machine for driving a turbomolecular pump. The electric machine is typically a brushless DC motor, which typically includes a permanent magnet-energized rotor. Another electric machine used in typical embodiments is a permanent magnet synchronous machine or brushless DC machine. Electrical machines used in embodiments typically have rated speeds that are at least 40,000, or even at least 50,000 revolutions. Methods of embodiments and control devices of embodiments are particularly suitable for brushless DC machines, in particular those with an electrical rotation frequency of more than 400 Hz or more than 600 Hz or more than 800 Hz. In such electric machines, it is often difficult to energize the electric machine with an EMF-based method at low speeds. One reason is that the moments of inertia of such machines are relatively high in relation to the rated torque. Electric machines controlled by methods of embodiments or control devices typically have a ratio of rated torque to moment of inertia of the rotor of a maximum of 500 N / kgm or a maximum of 400 N / kgm or a maximum of 290 N / kgm. In such electrical machines, it is very expensive to start these with conventional methods.

Typischerweise wird bei Verfahren von typischen Ausführungsformen bei Erreichen einer Grenzdrehzahl eine unterbrechungsfreie Bestromung der elektrischen Maschine oder eine EMK-basierte Regelung der Bestromung der elektrischen Maschine, beispielsweise basierend auf gemessenen Strömen der bestromten Motorphasen, verwendet. Ein solches Umschalten bei einer Grenzdrehzahl bietet den Vorteil, dass für jeden Drehzahlbereich das ideale Verfahren verwendet wird. Die Grenzdrehzahl beträgt bei typischen Ausführungsformen mindestens 1% der Nenndrehzahl der elektrischen Maschine. Bei weiteren Ausführungsformen beträgt die Grenzdrehzahl höchstens 10% oder höchstens 15% der Nenndrehzahl der elektrischen Maschine. Die Drehzahl wird bei dem Vergleich mit der Grenzdrehzahl im Betrag mit der Grenzdrehzahl verglichen. Verfahren von Ausführungsformen sind sowohl für positive als auch negative Drehzahlen geeignet. Bei typischen Turbomolekularpumpen ist lediglich eine Drehzahlrichtung interessant zur Erzeugung eines Vakuums, diese Richtung wird üblicherweise mit „positiv“ bezeichnet. Bei weiteren Anwendungen können jedoch auch beide Drehrichtungen von Interesse sein. Grundsätzlich sind Anlaufverfahren von Ausführungsformen der Erfindung geeignet, in beide Drehrichtungen verwendet zu werden und in beiden Drehrichtungen Brems- als auch Beschleunigungs-Momente einzuprägen. Typically, in the case of typical embodiments, upon reaching a limit speed, uninterrupted energization of the electric machine or EMF-based control of the energization of the electric machine, for example based on measured currents of the energized motor phases, is used. Such switching at a limit speed offers the advantage that the ideal method is used for each speed range. The limit speed is in typical embodiments at least 1% of the rated speed of the electric machine. In further embodiments, the limit speed is at most 10% or at most 15% of the rated speed of the electric machine. The speed is compared in the comparison with the limit speed in the amount with the limit speed. Methods of embodiments are suitable for both positive and negative speeds. In typical turbomolecular pumps only one direction of rotation is interesting for generating a vacuum, this direction is commonly referred to as "positive". In other applications, however, both directions of rotation may be of interest. In principle, starting methods of embodiments of the invention are suitable for being used in both directions of rotation and for impressing braking as well as acceleration moments in both directions of rotation.

Bei typischen Ausführungsformen wird die elektrische Maschine mit einer Sinus-Kommutierung bestromt. Typischerweise werden während des Bestromungszeitraumes alle drei Motorphasen bestromt. Auf diese Weise ist es möglich, ein möglichst großes Drehmoment zum Beschleunigen oder Abbremsen zu erzeugen. Bei weiteren Ausführungsformen wird die elektrische Maschine mit einer Blockkommutierung bestromt. Dies kann die Ansteuerung erleichtern. In typical embodiments, the electrical machine is energized with a sine commutation. Typically, during the energization period, all three motor phases are energized. In this way it is possible to generate the largest possible torque for acceleration or deceleration. In further embodiments, the electric machine is energized with a block commutation. This can facilitate the control.

Auf einen Bestromungszeitraum folgt ein Unterbrechungszeitraum, während dem sämtliche Motorphasen der elektrischen Maschine in einem unbestromten Zustand sind. Typischerweise beträgt der Unterbrechungszeitraum mindestens 10% oder mindestens 20% des Bestromungszeitraums. Bei üblichen Ausführungsformen beträgt der Unterbrechungszeitraum höchstens 70% oder höchstens 100% oder höchstens 250% oder höchstens 500% des Bestromungszeitraums. Zu kurze Unterbrechungszeiträume würden nicht ausreichen, um eine gesicherte Bestimmung der Rotorlage zu ermöglichen. Zu lange Unterbrechungszeiträume könnten sich negativ auf das eingeprägte durchschnittliche Drehmoment auswirken. Bei typischen Verfahren beträgt der Unterbrechungszeitraum mindestens eine halbe Motorumdrehung bei 0,3% der Nenndrehzahl oder bei 0,5% der Nenndrehzahl. Der Unterbrechungszeitraum ist typischerweise ausreichend, um eine Bestimmung einer absoluten Rotorlage sowie eine Drehzahl des Rotors zu ermöglichen. Typischerweise ist der Bestromungszeitraum konstant während des Verfahrens oder unabhängig von der Drehzahl. Dies bietet den Vorteil eines einfachen Verfahrensablaufs. An energization period is followed by an interruption period during which all the motor phases of the electrical machine are in a de-energized state. Typically, the interruption period is at least 10% or at least 20% of the lighting period. In usual embodiments, the interruption period is at most 70% or at most 100% or at most 250% or at most 500% of the energization period. Too short interruption periods would not be sufficient to allow a reliable determination of the rotor position. Too long interruption periods could negatively affect the impressed average torque. In typical procedures, the interruption period is at least half an engine revolution at 0.3% of rated speed or 0.5% of rated speed. The interruption period is typically sufficient to allow determination of an absolute rotor position as well as a rotational speed of the rotor. Typically, the energization period is constant during the process or independent of the speed. This offers the advantage of a simple procedure.

Bei typischen Ausführungsformen wird nach dem Unterbrechen der Bestromung zumindest der Verlauf der Spannungen von mindestens zwei Motorphasen gemessen. Dies bietet den Vorteil, dass mehr Informationen über die Rotorlage erhalten werden, als wenn lediglich eine Motorphase gemessen wird. Gegenüber Verfahren, welche während des Bestromungszeitraums lediglich einen Teil der Motorphasen bestromen und während des Unterbrechungszeitraums lediglich eine Motorphase messen, bieten Ausführungsformen mit dem Messen von dem Spannungsverlauf von mindestens zwei Motorphasen den Vorteil einer höheren Genauigkeit. Bei weiteren Ausführungsformen werden die Spannungen von drei oder von allen drei Motorphasen der elektrischen Maschine gemessen. Dies ermöglicht bei Ausführungsformen eine besonders schnelle und zuverlässige Rotorlagebestimmung. Anhand des Spannungsverlaufs der mindestens zwei Motorphasen im Unterbrechungszeitraum wird zumindest eine Bewegungsgröße des Rotors bestimmt. Typischerweise werden bei Ausführungsformen die Drehzahl der elektrischen Maschine und die Rotorlage des Rotors der elektrischen Maschine bestimmt. Typischerweise wird eine absolute Rotorlage bestimmt. Dies bietet Vorteile gegenüber Ausführungsformen, bei welchen lediglich eine Rotorlage relativ zu einer umlaufenden Bestromung der Motorphasen bestimmt wird. In typical embodiments, at least the course of the voltages of at least two motor phases is measured after the interruption of the current supply. This offers the advantage that more information about the rotor position is obtained than if only one motor phase is measured. Compared with methods which energize only part of the motor phases during the lighting period and measure only one motor phase during the interruption period, embodiments with the measurement of the voltage characteristic of at least two motor phases offer the advantage of higher accuracy. In further embodiments, the voltages of three or all three motor phases of the electrical machine are measured. This allows a particularly fast and reliable rotor position determination in embodiments. On the basis of the voltage curve of the at least two motor phases in the interruption period, at least one movement variable of the rotor is determined. Typically, in embodiments, the speed of the electric machine and the rotor position of the rotor of the electric machine are determined. Typically, an absolute rotor position is determined. This offers advantages over embodiments in which only one rotor position is determined relative to a circulating current supply of the motor phases.

Typische elektrische Maschinen weisen drei Motorphasen oder ein ganzzahliges Vielfaches von drei Motorphasen auf. Bei sechs, neun oder mehr Motorphasen können die Motorphasen zu drei Gruppen jeweils zusammengeschlossen werden. Bei solchen Ausführungsformen bezieht sich die Beschreibung bei der Nennung von einer Motorphase dann jeweils auf eine Gruppe von Motorphasen. Typical electrical machines have three motor phases or an integral multiple of three motor phases. With six, nine or more motor phases, the motor phases can be combined into three groups each. In such embodiments, the Description in the naming of a motor phase then each on a group of motor phases.

Typischerweise erfolgt die Wiederbestromung in Abhängigkeit der ermittelten Rotorlage. Bei typischen Ausführungsformen wird anhand der Drehzahl und der Rotorlage eine Extrapolation vorgenommen, um eine Information darüber zu erhalten, welche Lage der Rotor während eines Bestromungszeitraums hat. Durch die Bestimmung der Rotorlage und der Drehzahl aus den Spannungsverläufen ergibt sich die Möglichkeit, nach jedem Unterbrechungszeitraum ein optimiertes feldorientiertes drehzahlgeregeltes Anfahren durchzuführen. So können auch aus negativen Drehzahlen, aus dem Stillstand oder aus einer positiven Drehzahl heraus beliebig Brems- oder Beschleunigungsmomente erzeugt werden. The re-energization typically takes place as a function of the determined rotor position. In typical embodiments, an extrapolation is made on the basis of the rotational speed and the rotor position in order to obtain information about which position the rotor has during a lighting period. By determining the rotor position and the speed from the voltage curves, it is possible to carry out an optimized field-oriented speed-controlled starting after each interruption period. Thus, any braking or acceleration torques can be generated from negative speeds, from standstill or from a positive speed out.

Typischerweise wird mit Hilfe eines Maschinenmodells der elektrischen Maschine eine kontinuierliche Winkelinformation erzeugt. Auf diese Weise kann der Antrieb in der drehmomentbildenden Achse stetig kommutiert werden. Bei typischen Ausführungsformen werden während des Unterbrechungszeitraums alle drei Motorphasen kontinuierlich erfasst oder es werden die induzierten Spannungen in allen drei Phasen während des Unterbrechungszeitraums kontinuierlich erfasst. Dies bietet die Möglichkeit, innerhalb möglichst kurzer Zeit eine möglichst genaue Bestimmung von Bewegungsgrößen zu ermöglichen. Typischerweise ist der Unterbrechungszeitraum bei einer Pulsweitenmodulation länger als eine Periode der Pulsweitenmodulation, typischerweise länger als zwei oder drei Perioden der Pulsweitenmodulation. Auf diese Weise können störende Effekte aus der Pulsweitenmodulation abklingen, bevor die Bestimmung der Rotorlage erfolgt. Typically, continuous angular information is generated by means of a machine model of the electric machine. In this way, the drive can be commutated steadily in the torque-forming axis. In typical embodiments, during the interruption period, all three motor phases are continuously detected, or the induced voltages in all three phases are continuously detected during the interruption period. This offers the possibility to allow the most accurate determination of movement quantities within the shortest possible time. Typically, the interruption period in a pulse width modulation is longer than one period of the pulse width modulation, typically longer than two or three pulse width modulation periods. In this way, disturbing effects from the pulse width modulation can decay before the determination of the rotor position takes place.

Bei typischen Ausführungsformen wird ein festes Verhältnis zwischen Unterbrechungszeitraum und Bestromungszeitraum verwendet. Typischerweise werden bei aufeinanderfolgenden Anlaufvorgängen dieselben Unterbrechungszeiträume und Bestromungszeiträume, wobei jeweils die Dauer dieser Zeiträume gemeint ist, verwendet. Bei typischen Ausführungsformen wird für eine bestimmte elektrische Maschine oder bei einem Antrieb mit einer elektrischen Maschine und einer Kontrolleinrichtung zur Regelung der elektrischen Maschine immer von denselben Unterbrechungszeiträumen und Bestromungszeiträumen ausgegangen. Fest Zeitvorgaben für den Unterbrechungszeitraum und den Bestromungszeitraum bieten den Vorteil, dass sie auf die jeweilige elektrische Maschine angepasst werden können und während des Betriebs nicht eine Optimierung erfolgen muss. Eine Anleitung zur Bestimmung einer aktuellen Rotorlage aus induzierten Spannungen ist z.B. dem Buch „Sensorless Vector and Direct Torque Control“ von Peter Vas zu entnehmen. In typical embodiments, a fixed ratio between the interrupt period and the energization period is used. Typically, in successive start-up operations, the same interruption periods and energization periods, meaning the duration of these periods, are used. In typical embodiments, for a particular electric machine or in a drive with an electric machine and a control device for controlling the electric machine is always assumed by the same interruption periods and energization periods. Fixed time limits for the interruption period and the lighting period offer the advantage that they can be adapted to the respective electrical machine and that there is no need to optimize during operation. A guide for determining a current rotor position from induced voltages is e.g. in the book "Sensorless Vector and Direct Torque Control" by Peter Vas.

Ein weiterer unabhängiger Gegenstand ist ein Antrieb mit einer elektrischen Maschine und einer Kontrolleinrichtung zur Regelung eines Anfahrvorgangs der elektrischen Maschine, wobei die Kontrolleinrichtung eingerichtet ist, um ein Verfahren in einer der hier beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Unteransprüche umfassen Weiterbildungen typischer Ausführungsformen, wobei in Verfahrensansprüchen angegebene Vorrichtungsmerkmale ebenso bei Vorrichtungen typischer Ausführungsformen Verwendung finden. Another independent object is a drive with an electric machine and a control device for controlling a starting operation of the electric machine, wherein the control device is set up to perform a method in one of the embodiments described here. Subclaims include developments of typical embodiments, device features specified in method claims also being used in devices of typical embodiments.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Weitere Vorteile und Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei die Figuren zeigen: Further advantages and features of preferred embodiments of the invention will be explained below with reference to the accompanying drawings, in which:

1 zeigt in einer schematisierten Darstellung eine typische Ausführungsform eines Antriebs; und 1 shows a schematic representation of a typical embodiment of a drive; and

2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ablaufdiagramm eines typischen Verfahrens. 2 shows a schematic diagram of a flowchart of a typical process.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Description of preferred embodiments

In der 1 ist schematisch ein Antrieb für eine Turbomolekularpumpe gezeigt. Der Antrieb umfasst eine elektrische Maschine 3. Die elektrische Maschine 3 weist eine Nenndrehzahl von 60.000 Umdrehungen pro Minute (rpm) auf und ein Nenndrehmoment von 60 mNm. Die elektrische Maschine 3 weist eine Polpaarzahl von 1 auf. Somit ergibt sich eine elektrische Drehfrequenz von 1.200 Hz. Bei solchen elektrischen Drehfrequenzen ist eine Regelung mit Verfahren aus dem Stand der Technik schwierig oder mit Nachteilen behaftet. Die elektrische Maschine 3 ist als permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgebildet, wobei das Verhältnis von Nenndrehmoment zu Massenträgheitsmoment des Rotors der elektrischen Maschine 3 290 N/kgm beträgt. Damit ist die elektrische Maschine 3 besonders geeignet, um Laufräder einer Turbomolekularpumpe anzutreiben. Solche Pumpen benötigen hohe Drehzahlen, um effektiv ein Vakuum zu erzeugen. Die elektrische Maschine 3 umfasst drei Motorphasen 15, 16, 17, welche über ein Kabel 5 elektrisch mit einer Kontrolleinrichtung 7 verbunden sind. Jede der Motorphasen 15, 16, 17 umfasst eine Wicklung der elektrischen Maschine 3, welche ansonsten keine weiteren Wicklungen aufweist. Weiterhin sind die drei Motorphasen 15, 16, 17 mit einem Leistungsmodul 9 verbunden. Die Kontrolleinrichtung 7 kann über eine Steuerleitung 11 Einfluss auf das Leistungsmodul 9 nehmen. Das Leistungsmodul 9 ist dazu eingerichtet, die elektrische Maschine 3 in einem Puls-Weiten-Modulationsverfahren (PWM) mit einer Sinuskommutierung zu bestromen. Die Kontrolleinrichtung 7 gibt dabei Amplitude, Phasenlage und Frequenz der Bestromung vor. In the 1 is shown schematically a drive for a turbomolecular pump. The drive includes an electric machine 3 , The electric machine 3 has a nominal speed of 60,000 revolutions per minute (rpm) and a rated torque of 60 mNm. The electric machine 3 has a pole pair number of 1 on. This results in an electrical rotation frequency of 1,200 Hz. At such electrical rotation frequencies, control by methods of the prior art is difficult or disadvantageous. The electric machine 3 is designed as a permanent magnet synchronous machine, wherein the ratio of rated torque to moment of inertia of the rotor of the electric machine 3 290 N / kgm. This is the electric machine 3 particularly suitable for driving impellers of a turbomolecular pump. Such pumps require high speeds to effectively create a vacuum. The electric machine 3 includes three motor phases 15 . 16 . 17 which has a cable 5 electrically with a control device 7 are connected. Each of the motor phases 15 . 16 . 17 includes a winding of the electric machine 3 , which otherwise has no further windings. Furthermore, the three motor phases 15 . 16 . 17 with a power module 9 connected. The control device 7 can via a control line 11 Influence on the power module 9 to take. The power module 9 is set up the electric machine 3 in a pulse width modulation (PWM) method with a Sine commutation to energize. The control device 7 indicates the amplitude, phase position and frequency of the current supply.

Die Kontrolleinrichtung 7 ist weiterhin dazu eingerichtet, das Leistungsmodul 9 derart anzusteuern, dass die drei Motorphasen 15, 16, 17 der elektrischen Maschine 3 für einen Unterbrechungszeitraum stromlos geschaltet werden. Während eines solchen Unterbrechungszeitraums oder auch während eines Bestromungszeitraums kann die Kontrolleinrichtung 7 Spannungen und Ströme der drei Motorphasen der elektrischen Maschine 3 erfassen und aufzeichnen. Die Kontrolleinrichtung 7 ist geeignet, eine geberlose Regelung basierend auf elektromagnetischer Kraft durchzuführen oder auch ein Verfahren typischer Ausführungsformen durchzuführen, bei welchem die elektrische Maschine 3 während Bestromungszeiträumen bestromt wird und während Unterbrechungszeiträumen stromlos geschaltet wird. Die Funktionsweise der Kontrolleinrichtung 7 und des Antriebs 1 der 1 werden im Folgenden im Zusammenhang mit dem in der 2 schematisch dargestellten Verfahren eingehender erläutert. The control device 7 is also set to the power module 9 in such a way that the three motor phases 15 . 16 . 17 the electric machine 3 be de-energized for an interruption period. During such an interruption period or even during an energization period, the control device may 7 Voltages and currents of the three motor phases of the electric machine 3 capture and record. The control device 7 is suitable to perform a sensorless control based on electromagnetic force or to perform a method of typical embodiments, in which the electric machine 3 during energizing periods is energized and is switched off during interruption periods. The functioning of the control device 7 and the drive 1 of the 1 will be discussed below in connection with the 2 schematically illustrated method explained in more detail.

In der 2 ist schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens typischer Ausführungsformen gezeigt. Das Verfahren startet mit einem Block 21. Anschließend wird in einem Block 22 eine Initialisierung durchgeführt. Dabei werden die drei Motorphasen stromlos geschaltet und mittels eines Tiefpassfilters Gleichspannungsanteile ermittelt, um Spannungs-Offsets der einzelnen Motorphasen ermitteln zu können. Diese Spannungs-Offsets können bei der späteren Auswertung von ermittelten Spannungsverläufen berücksichtigt werden, um die Genauigkeit zu erhöhen. Weiterhin wird in dem Initialisierungsblock 22 versucht, aus den gemessenen Spannungsverläufen der drei Motorphasen eine Drehzahl und eine Rotorlage zu bestimmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass beispielsweise bei einem Stillstand des Rotors eine solche Ermittlung nicht möglich sein kann. Sollte eine Bestimmung einer Rotorlage und einer Drehzahl möglich sein, so wird in einem Block 23 eine Bestromung der drei Motorphasen mit einer Sinuskommutierung vorgenommen. Dabei wird der Rotor idealerweise in einer gewünschten Richtung beschleunigt. Eine gewünschte Richtung für das Verfahren kann ein negatives oder positives Beschleunigen sein. Eine negative Beschleunigung wird insbesondere dann erforderlich sein, falls die elektrische Maschine als Antrieb einer Turbomolekularpumpe in die „falsche“ Richtung läuft. Dabei bezeichnet „falsch“ die Richtung, welcher eine Laufrichtung im üblichen Betrieb der Turbomolekularpumpe entgegengesetzt ist. Aus einer solchen entgegengesetzten Laufrichtung muss der Rotor zunächst abgebremst werden, bevor er in die übliche Laufrichtung während des Betriebs beschleunigt werden kann. Ist eine Ermittlung einer Drehzahl und einer Rotorlage im Initialisierungsblock 22 nicht möglich, beispielsweise falls die elektrische Maschine still steht, wird eine Bestromung mit einem vorgegebenen Programm vorgenommen, um die elektrische Maschine in Bewegung zu versetzen, so dass bei einem nachfolgenden Unterbrechungszeitraum eine Drehzahlbestimmung auf Grund eines sich dann drehenden Rotors möglich ist. In the 2 1 is a schematic of a flowchart of a method of typical embodiments. The procedure starts with a block 21 , Subsequently, in a block 22 an initialization performed. The three motor phases are de-energized and determined by means of a low-pass filter DC components to determine voltage offsets of the individual motor phases can. These voltage offsets can be taken into account in the later evaluation of determined voltage curves in order to increase the accuracy. Furthermore, in the initialization block 22 tries to determine a speed and a rotor position from the measured voltage curves of the three motor phases. It should be noted that, for example, at a standstill of the rotor such a determination may not be possible. If a determination of a rotor position and a speed is possible, then in a block 23 an energization of the three motor phases made with a sinusoidal commutation. The rotor is ideally accelerated in a desired direction. A desired direction for the method may be negative or positive acceleration. A negative acceleration will be required in particular if the electric machine is running in the "wrong" direction as the drive of a turbomolecular pump. In this case, "wrong" denotes the direction, which is opposite to a direction in normal operation of the turbomolecular pump. From such an opposite direction of rotation, the rotor must first be braked before it can be accelerated in the usual direction during operation. Is a determination of a speed and a rotor position in the initialization block 22 not possible, for example, if the electric machine is stationary, energization is performed with a predetermined program to move the electric machine in motion, so that in a subsequent interruption period, a speed determination is possible due to a then rotating rotor.

Die Bestromung erfolgt bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer festgesetzten Bestromungszeit von 178 Millisekunden. Nach Ablauf der 178 Millisekunden wird die Sinuskommutierung, bei welcher alle drei Motorphasen bestromt werden, auf allen drei Motorphasen unterbrochen, Block 24. Der Unterbrechungszeitraum, während welchem sämtliche Motorphasen nicht bestromt werden, weist eine Dauer von 115 Millisekunden auf. Sowohl die Dauerbestromung als auch die Dauer der Unterbrechung sind für die elektrische Maschine 3 (1) festgelegt. The energization takes place in the embodiment shown here with a fixed current of 178 milliseconds. After the 178 milliseconds have passed, the sinusoidal commutation, in which all three motor phases are energized, is interrupted on all three motor phases, block 24 , The interruption period, during which all motor phases are not energized, has a duration of 115 milliseconds. Both the continuous power and the duration of the interruption are for the electric machine 3 ( 1 ).

Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind andere elektrische Maschinen mit anderen Nenndrehzahlen oder anderen Drehmomenten oder einem anderen Aufbau vorhanden, wobei abweichende Bestromungszeiträume und abweichende Unterbrechungszeiträume verwendet werden. Während des Unterbrechungszeitraums werden in einem Block 25 die Spannungsverläufe von allen drei Motorphasen aufgezeichnet. Durch das Aufzeichnen der Spannungsverläufe mit beispielsweise mehr als zwei Einzelwerten pro Motorphase und Unterbrechungszeitraum ergibt sich der Vorteil, dass nicht nur kurzfristige Momentaufnahmen vorhanden sind, sondern mit den Informationen aus den Spannungsverläufen eine Drehzahl- und eine absolute Rotorlagen-Ermittlung möglich ist. In einem Schritt 26 werden noch während des Unterbrechungszeitraums und während die Spannungsverläufe weiter aufgezeichnet werden, bereits mit der Auswertung begonnen. Es sollte daher klar sein, dass die Blöcke 24, 25 und 26 nicht primär nacheinander ablaufen sondern gleichzeitig ablaufen, wobei jedoch das Unterbrechen Voraussetzung für die Aufnahme der Spannungsverläufe und die Aufnahme der Spannungsverläufe wiederum Voraussetzung für die Auswertung ist. Dennoch können die einzelnen Tätigkeiten dann im Folgenden parallel ablaufen. Bei der Auswertung wird aus den Spannungsverläufen eine Drehzahl ermittelt. Weiterhin wird aus der ermittelten Drehzahl und den Spannungsverläufen eine absolute Rotorlagebestimmung vorgenommen, wobei Drehzahl und die Winkellage des Rotors für einen bestimmten Zeitpunkt bestimmt werden. In other embodiments, there are other electrical machines having different rated speeds or other torques or other structure, using different energizing periods and different interruption periods. During the interruption period are in a block 25 recorded the voltage waveforms of all three motor phases. By recording the voltage waveforms with, for example, more than two individual values per motor phase and interruption period, there is the advantage that not only short-term snapshots are available, but with the information from the voltage curves a speed and an absolute rotor position determination is possible. In one step 26 are started during the interruption period and while the voltage waveforms continue to be recorded, already started the evaluation. It should therefore be clear that the blocks 24 . 25 and 26 not run primarily one after the other but run simultaneously, but the interruption condition for the recording of the voltage waveforms and the recording of the voltage waveforms in turn is a prerequisite for the evaluation. Nevertheless, the individual activities can then run parallel in the following. In the evaluation, a speed is determined from the voltage curves. Furthermore, an absolute rotor position determination is carried out from the determined rotational speed and the voltage profiles, whereby rotational speed and the angular position of the rotor are determined for a specific time.

Nachfolgend wird in einem Block 27 überprüft, ob die ermittelte Drehzahl eine Grenzdrehzahl überschreitet. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Grenzdrehzahl 1.200 Umdrehungen pro Minute und beträgt etwa 2% der Nenndrehzahl. Die Grenzdrehzahl kann für verschiedene Ausführungsformen und insbesondere für verschiedene elektrische Maschinen unterschiedlich gewählt werden, wobei eine Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute bis 1600 Umdrehungen pro Minute als Grenze ein Werte sind, welche in einem Bereich üblicher Ausführungsformen liegen. Weitere Ausführungsformen weisen andere Drehfrequenzen als Grenze auf, beispielsweise 700 Umdrehungen pro Minute bis 2000 Umdrehungen pro Minute. Ergibt die Überprüfung, dass die Drehzahl über einer Grenzdrehzahl liegt, so springt das Verfahren zu einem Block 28. Der Block 28 stellt den Einsprungschritt für eine feldorientierte drehzahlgeregelte EMK-Regelung der elektrischen Maschine dar. Solche Regelverfahren sind im Stand der Technik für Turbomolekularpumpen hinlänglich bekannt und werden daher hier nicht weiter ausführlich beschrieben. Below is in a block 27 checks whether the determined speed exceeds a limit speed. In the embodiment described here, the limit speed is 1,200 revolutions per minute and is about 2% of the rated speed. The limit speed can for different embodiments and in particular for different electrical machines are chosen differently, with a speed of 1000 revolutions per minute to 1600 revolutions per minute as a limit are a value, which are within a range of conventional embodiments. Other embodiments have different rotational frequencies than limit, for example 700 revolutions per minute to 2000 revolutions per minute. If the check reveals that the speed is above a limit speed, the method jumps to a block 28 , The block 28 FIG. 10 illustrates the step-in step for field-oriented speed-controlled EMF control of the electric machine. Such control methods are well-known in the art for turbomolecular pumps and therefore will not be described in detail here.

Wird hingegen festgestellt, dass die Grenzdrehzahl noch nicht erreicht ist, so wird in einem Block 29 ermittelt, in welcher Phasenlage und mit welcher Frequenz eine Bestromung erfolgen sollte, um die gewünschte Beschleunigung des Rotors der elektrische Maschine 3 zu erreichen. Nach Ermittlung dieser Parameter wird zum Block 23 zurückgesprungen, in welchem die Bestromung für den Bestromungszeitraum vorgenommen wird. Dabei wird die Drehzahl als konstant über den Bestromungszeitraum angenommen. Aufgrund der Kürze des Bestromungszeitraums ist eine solche Annahme ausreichend. Bei weiteren Ausführungsformen wird die Drehzahl extrapoliert, wobei die Beschleunigung berücksichtigt wird. If, on the other hand, it is determined that the limit speed has not yet been reached, then it will be in a block 29 determines in which phase position and at which frequency an energization should take place to the desired acceleration of the rotor of the electric machine 3 to reach. After determining these parameters becomes the block 23 jump back in which the current for the Bestromungszeitraum is made. The speed is assumed to be constant over the energization period. Due to the brevity of the lighting period, such an assumption is sufficient. In other embodiments, the speed is extrapolated, taking into account the acceleration.

Das Verfahren wird dann wiederum mit einem Unterbrechen der Bestromung, Block 24, fortgesetzt und läuft, bis die Grenzdrehzahl erreicht ist. Bei Ausführungsformen der Erfindung kann nicht nur eine Grenzdrehzahl erreicht werden, sondern auch ein Stillstand kann Ziel eines typischen Verfahrens sein. Weiterhin sollte klar sein, dass mit Ausführungsformen der Erfindung bei einem Rotor, welcher sich in die „falsche“ Richtung bewegt, zunächst ein Abbremsen und dann ein Beschleunigen nach Erreichen des Stillstands vorgenommen werden kann. The process is then in turn with an interruption of the energization, block 24 , continues and runs until the limit speed is reached. In embodiments of the invention, not only can a limit speed be achieved, but also a stoppage can be the goal of a typical process. Furthermore, it should be understood that with embodiments of the invention, a rotor that moves in the "wrong" direction may first be decelerated and then accelerated upon reaching standstill.

Die Erfindung wurde unter Heranziehung typischer Ausführungsformen beschrieben, wobei die Kombinationen der Ausführungsbeispiele nicht einschränkend zu verstehen sind. Vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die unabhängigen Ansprüche bestimmt. The invention has been described with reference to typical embodiments, wherein the combinations of the embodiments are not intended to be limiting. Rather, the scope of the invention is determined by the independent claims.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5017845 [0004]
DE 60124832 T2 [0004]

Claims

Method for operating an electric machine ( 3 ), in particular start-up method for an electrical machine ( 3 ) for driving a turbomolecular pump, wherein the electric machine ( 3 ) a plurality of motor phases ( 15 . 16 . 17 ), comprising: - energizing all motor phases ( 15 . 16 . 17 ) of the electric machine ( 3 during a lighting period; Interrupting the energization for an interruption period after the energization period, so that all motor phases ( 15 . 16 . 17 ) are in a de-energized state; Determining at least one movement variable of a rotor of the electric machine ( 3 ); and - re-energizing at least part of the motor phases ( 15 . 16 . 17 ) as a function of the at least one determined amount of movement.

A method according to claim 1, wherein the duration of the energization period during the energizing and re-energizing, in particular during a repeated or multiple re-energizing constant and / or non-proportional to the rotational speed of the electric machine ( 3 ).

Method according to one of the preceding claims, wherein after the interruption of the energization voltage waveforms of at least two of the motor phases ( 15 . 16 . 17 ) are measured.

Method according to one of the preceding claims, wherein a rotational speed of the electric machine ( 3 ) as the at least one movement quantity is determined.

Method according to claim 4, wherein additionally a rotor position of a rotor of the electric machine ( 3 ) is determined as one of the motion quantities.

Method according to one of the preceding claims, wherein the electric machine ( 3 ) is a drive of a turbomolecular pump and / or an electrical rotation frequency of the electric machine ( 3 ) is at least 400 Hz.

Method according to one of claims 4 to 6, wherein the determined rotational speed is compared with a limit rotational speed and upon detection of an exceeding of the limit rotational speed an uninterruptible energization of the electric machine ( 3 ) and / or a regulation of the energization of the electric machine ( 3 ) based on measured currents of the energized motor phases ( 15 . 16 . 17 )he follows.

A method according to claim 7, wherein the limit speed is at least 1% of a rated speed of the electric machine ( 3 ) and / or is at most 15% of the rated speed.

Method according to one of the preceding claims, wherein the energization of the electric machine ( 3 ) with a sinusoidal commutation.

Method according to one of the preceding claims, wherein the interruption period is at least 10% of the energization period and / or the interruption period is at most 500% of the energization period.

Method according to one of the preceding claims, wherein the electric machine ( 3 ) a ratio between a rated torque and a moment of inertia of the rotor of the electric machine ( 3 ) of not more than 500 N / kgm.

Drive ( 1 ) for a turbomolecular pump with an electric machine ( 3 ) and a control device ( 7 ) for controlling a starting process of the electric machine ( 3 ), the control device ( 7 ) is arranged to carry out a method according to one of claims 1 to 11.