DE102013217029A1 - Method for detecting a position angle of a rotor of a synchronous machine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erfassung eines Positionswinkels eines Rotors einer Synchronmaschine, welche drei in Stern verschaltete Phasen aufweist und jede Phase jeweils wenigstens eine Statorspule umfasst und die mittels Vektorregelung auf Basis eines rotorbezogenen d/q-Koordinatensystems geregelt wird, wobei das d/q-Koordinatensystem eine d-Achse und eine q-Achse aufweist, bei dem ein d-Vektor eine magnetische Flussdichte und ein q-Vektor ein Drehmoment abbilden, und sich weiterhin dadurch auszeichnet, dass zwei der drei Phasen mit wenigstens einem ersten Spannungsimpuls beaufschlagt werden, wobei eine Erfassung zumindest einer ersten Impulsantwort des ersten Spannungsimpulses der zwei Phasen an der dritten, unbestromten Phase der drei Phasen vorgenommen wird.The invention describes a method for detecting a position angle of a rotor of a synchronous machine, which has three phases connected in star and each phase comprises at least one stator coil and which is controlled by vector control on the basis of a rotor-related d / q coordinate system, wherein the d / q Coordinate system has a d-axis and a q-axis, in which a d-vector, a magnetic flux density and a q-vector torque, and further characterized in that two of the three phases are applied to at least a first voltage pulse, wherein a detection of at least a first impulse response of the first voltage pulse of the two phases is performed on the third, de-energized phase of the three phases.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Positionswinkels eines Rotors einer Synchronmaschine gemäß Oberbegriff von Anspruch 1. The present invention relates to a method for detecting a position angle of a rotor of a synchronous machine according to the preamble of claim 1.
Die
Aus der
Entsprechend den beschriebenen Verfahren müssen zur Bestimmung der Rotorposition den Statorspulen jedoch signifikant große Ströme eingeprägt werden. Da diese sowohl in eine d-Achse sowie in eine q-Achse eines rotorbezogenen Koordinatensystems eingeprägt werden, können akustische Emissionen hervorgerufen werden. Ein d-Vektor der d-Achse stellt dabei die magnetische Flussdichte im Rotor und ein q-Vektor der q-Achse das vom Rotor erzeugte Drehmoment dar. Weiterhin ist gemäß den beschriebenen Verfahren eine Erfassung des Stromes insbesondere mittels kostenintensiver Stromsensoren notwendig.According to the described methods, however, significantly large currents have to be impressed on the stator coils in order to determine the rotor position. Since these are imprinted both in a d-axis and in a q-axis of a rotor-related coordinate system, acoustic emissions can be produced. A d-vector of the d-axis represents the magnetic flux density in the rotor and a q-vector of the q-axis represents the torque generated by the rotor. Furthermore, according to the described methods, a detection of the current is necessary, in particular by means of cost-intensive current sensors.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der die oben genannten Nachteile überwunden werden und welche eine möglichst preiswerte Realisierung ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide a possibility with which the abovementioned disadvantages are overcome and which enables the most cost-effective realization possible.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erfassung eines Positionswinkels eines Rotors einer Synchronmaschine, welche drei in Stern verschaltete Phasen aufweist und jede Phase jeweils wenigstens eine Statorspule umfasst und die mittels Vektorregelung auf Basis eines rotorbezogenen d/q-Koordinatensystems geregelt wird, wobei das d/q-Koordinatensystem eine d-Achse und eine q-Achse aufweist, bei dem ein d-Vektor eine magnetische Flussdichte und ein q-Vektor ein Drehmoment abbilden, und sich das Verfahren weiterhin dadurch auszeichnet, dass zwei der drei Phasen mit wenigstens einem ersten Spannungsimpuls beaufschlagt werden, wobei eine Erfassung zumindest einer ersten Impulsantwort des ersten Spannungsimpulses an der dritten, unbestromten Phase vorgenommen wird.The invention describes a method for detecting a position angle of a rotor of a synchronous machine, which has three phases connected in star and each phase comprises at least one stator coil and which is controlled by vector control on the basis of a rotor-related d / q coordinate system, wherein the d / q Coordinate system has a d-axis and a q-axis, in which a d-vector magnetic flux density and a q-vector torque, and the method further characterized in that two of the three phases is applied to at least a first voltage pulse , wherein a detection of at least a first impulse response of the first voltage pulse is performed on the third, de-energized phase.
In vorteilhafter Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sensorlose Bestimmung des Positionswinkels des Rotors einer Synchronmaschine erfolgen, was beispielsweise bei der Verwendung von sensorlos blockkommutierten Elektromotoren, insbesondere wenn die vom Rotor induzierte Spannung erfasst wird, Verwendung finden kann. Damit ist es möglich einen gültigen Startvektor für einen gesteuerten Anlauf bereitzustellen, ohne einen Stromsensor vorsehen zu müssen. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren geeignet, um eine von einem absoluten Positionssensor gemessene, bekannte Rotorposition zu verifizieren und/oder um beispielsweise einen Offsetfehler im Bereich von etwa 180°, welcher eine Drehrichtungsumkehr bewirken würde, auszuschließen, womit auch eventuelle Redundanzanforderungen erfüllt werden könnten. Bei geeigneter Reduzierung des Aussteuergrades bzw. der Dauer der Bestromung der Phasen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum sensorlosen Betrieb einer Synchronmaschine bzw. eines BLDC-Motors verwendet werden.Advantageously, with the method according to the invention, a sensorless determination of the position angle of the rotor of a synchronous machine can take place, which can be used, for example, when using sensorless block commutated electric motors, in particular when the voltage induced by the rotor is detected. This makes it possible to provide a valid startup vector for a controlled startup without having to provide a current sensor. Furthermore, the method according to the invention is suitable for verifying a known rotor position measured by an absolute position sensor and / or for excluding, for example, an offset error in the range of approximately 180 °, which would cause a reversal of rotation, so that any redundancy requirements could also be met. With a suitable reduction of the Aussteuergrades or the duration of the energization of the phases, the inventive method can also be used for sensorless operation of a synchronous machine or a BLDC motor.
Bevorzugt ist der erste Spannungsimpuls zeitlich derart ausgestaltet, dass ein resultierender Strom in den zwei jeweiligen Phasen im Wesentlichen kein Drehmoment des Rotors hervorruft. Akustische Emissionen sowie an sich ungewollte Reaktionen der Synchronmaschine können dadurch in vorteilhafter Weise unterbunden und zeitlich schnelle Messungen ausgeführt werden. Preferably, the first voltage pulse is designed in such a time that a resulting current in the two respective phases causes substantially no torque of the rotor. Acoustic emissions as well as unwanted reactions of the synchronous machine can be prevented in an advantageous manner and timely measurements can be carried out.
Gemäß einer bevorzugen Ausführungsform der Erfindung werden innerhalb eines definierten Winkelbereichs des Rotors und/oder der Synchronmaschine, zur Erfassung einer diskreten Induktivitätsverteilung, eine Mehrzahl an ersten Impulsantworten für eine Mehrzahl an Richtungen eines Spannungsraumzeigers erfasst, wobei der Spannungsraumzeiger aus den zwei jeweils mit dem Spannungsimpuls beaufschlagten Phasen resultiert. Besonders bevorzugt erstreckt sich der Winkelbereich des Rotors und/oder der Synchronmaschine dabei über einen Vollwinkel (360°). Es ist aufgrund der Abhängigkeit der Induktivität der Statorspulen vom Einfluss des Rotormagnetfeldes und daher von der Position des Rotors in vorteilhafter Weise möglich, mittels der solchermaßen abgebildeten diskreten Induktivitätsverteilung, den elektrischen Rotorpositionswinkel der Synchronmaschine zu ermitteln.According to a preferred embodiment of the invention, within a defined angular range of the rotor and / or the synchronous machine, for detecting a discrete inductance distribution, a plurality of first Pulse responses detected for a plurality of directions of a voltage space pointer, wherein the voltage space pointer results from the two phases each acted upon by the voltage pulse. Particularly preferably, the angular range of the rotor and / or the synchronous machine extends over a full angle (360 °). Due to the dependence of the inductance of the stator coils on the influence of the rotor magnetic field and therefore on the position of the rotor, it is advantageously possible to determine the electrical rotor position angle of the synchronous machine by means of the discrete inductance distribution shown in this way.
Bevorzugt erfolgt zur Bestimmung der d-Achse und/oder der q-Achse des Rotors ein Vergleich der diskreten Induktivitätsverteilung mit einer vorgegebenen Referenzverteilung. Vorteilhafterweise kann mittels dieses Vergleichs der Rotorpositionswinkel bezogen auf 180° eineindeutig bestimmt sowie die d-Achse und die q-Achse des rotorbezogenen Koordinatensystems erfasst werden.For the determination of the d-axis and / or the q-axis of the rotor, a comparison of the discrete inductance distribution with a predetermined reference distribution is preferably carried out. Advantageously, by means of this comparison, the rotor position angle relative to 180 ° can be determined unambiguously and the d-axis and the q-axis of the rotor-related coordinate system can be detected.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden zur eineindeutigen Bestimmung des Positionswinkels des Rotors bevorzugt zwei der drei Phasen mit wenigstens einem zweiten Spannungsimpuls und resultierendem Strom einer ersten Richtung beaufschlagt, wobei als erste Phase die Phase beaufschlagt wird, deren Statorspule einen geringsten Winkelbetrag zu der d-Achse aufweist, und als zweite Phase die Phase beaufschlagt wird, deren Statorspule einen geringsten Winkelbetrag zu der q-Achse aufweist, wobei wenigstens eine zweite Impulsantwort an der dritten, unbestromten Phase erfasst wird. Bevorzugt wird mittels der zweiten Impulsantwort ein Rückschluss auf eine Orientierung des d-Vektors der d-Achse und/oder des q-Vektors der q-Achse vorgenommen. In vorteilhafter Weise wird somit die bestehende Zweideutigkeit des Rotorpositionswinkels aufgelöst. According to an advantageous development of the invention, for unambiguous determination of the position angle of the rotor, preferably two of the three phases are acted upon by at least one second voltage pulse and resulting current of a first direction, the phase being applied as the first phase, the stator coil of which has a least angular value to the d. Has axis, and as a second phase, the phase is applied, the stator coil having a least angular amount to the q-axis, wherein at least a second impulse response to the third, energized phase is detected. Preferably, by means of the second impulse response, an inference is made to an orientation of the d-vector of the d-axis and / or of the q-vector of the q-axis. Advantageously, thus the existing ambiguity of the rotor position angle is resolved.
Die zweite Impulsantwort wird bevorzugt nach einer definierten Zeitdauer nach Aktivierung des zweiten Spannungsimpulses und/oder bei einer definierten Stromstärke des Stroms erfasst. Ein Vorteil davon ist, dass eine Messunsicherheit sowie Dauer der Messung beeinflusst werden können. The second impulse response is preferably detected after a defined period of time after activation of the second voltage pulse and / or at a defined current intensity of the current. An advantage of this is that a measurement uncertainty and duration of the measurement can be influenced.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei der drei Phasen mit wenigstens einem dritten Spannungsimpuls und resultierendem Strom einer zweiten Richtung beaufschlagt, wobei die zweite Richtung der ersten Richtung des Stroms entgegengesetzt ist und zumindest eine dritte Impulsantwort erfasst wird. In vorteilhafter Weise wird somit die Zuverlässigkeit bei der Bestimmung des Positionswinkels des Rotors erhöht.According to a preferred embodiment, two of the three phases are subjected to at least a third voltage pulse and resulting current of a second direction, wherein the second direction is opposite to the first direction of the current and at least one third impulse response is detected. Advantageously, the reliability in determining the position angle of the rotor is thus increased.
Bevorzugt werden die zweite und die dritte Impulsantwort verglichen, wobei insbesondere deren Differenz gebildet wird. Ein Ergebnis des Vergleichs der zweiten und dritten Impulsantwort wird bevorzugt als Indikator der Orientierung des d-Vektors und/oder q-Vektors und/oder für ein Kriterium einer Güte der Bestimmung des Positionswinkels herangezogen. In dieser Weise kann der Rotorpositionswinkel vorteilhafterweise bezogen auf 360° absolut angeben werden. Preferably, the second and the third impulse response are compared, wherein in particular their difference is formed. A result of the comparison of the second and third impulse response is preferably used as an indicator of the orientation of the d-vector and / or q-vector and / or for a criterion of a quality of the determination of the position angle. In this way, the rotor position angle can advantageously be given in relation to 360 ° absolute.
Die zweite und/oder dritte Impulsantwort und/oder ein Ergebnis des Vergleichs der zweiten und dritten Impulsantwort werden gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung mit wenigstens einem Grenzwert und/oder wenigstens einem Erwartungswert verglichen. Vorteilhafterweise kann in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs mit dem Grenzwert und/oder Erfassungswert eine Konsequenz bzw. Reaktion für nachfolgende Messungen durchgeführt werden. The second and / or third impulse response and / or a result of the comparison of the second and third impulse response are compared according to a preferred embodiment of the invention with at least one threshold and / or at least one expected value. Advantageously, depending on the result of the comparison with the limit value and / or detection value, a consequence or reaction can be carried out for subsequent measurements.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erfassung eines Positionswinkels eines Rotors einer Synchronmaschine mittels Auswertung elektrischer Messwerte, die durch Anlegen von Spannungsimpulsen an die in Stern verschalteten Phasen der Synchronmaschine gewonnen werden, wobei jede Phase in an sich bekannter Weise zumindest eine Statorspule umfasst. Dabei ist kein absolut messender Sensor zur Bestimmung der Rotorposition notwendig. Further preferred embodiments will become apparent from the following description of exemplary embodiments. The invention describes a method for detecting a position angle of a rotor of a synchronous machine by evaluating electrical measured values which are obtained by applying voltage pulses to the phases of the synchronous machine connected in star, wherein each phase comprises at least one stator coil in a manner known per se. No absolute measuring sensor is necessary to determine the rotor position.
An zwei von drei Phasen wird gemäß einem vorgegebenen Spannungsraumzeiger ein positiver oder negativer Spannungsimpuls eingeprägt. Mittels der dritten, unbestromten Phase erfolgt eine Erfassung der Spannung bzw. mit anderen Worten, der Impulsantwort des sich ergebenden induktiven Spannungsteilers der mit dem Spannungsimpuls beaufschlagten zwei Phasen. Die Induktivität der Statorspulen ist grundsätzlich abhängig vom Einfluss des Rotormagnetfeldes und daher von der Position des Rotors, weshalb sich durch Wiederholung der beschriebenen Vorgehensweise, für weitere Richtungen des Spannungsraumzeigers über einen definierten Winkelbereich von beispielsweise 360° (Vollwinkel), der elektrische Rotorpositionswinkel in diskreten Punkten einer Induktivitätsverteilung der Synchronmaschine abbilden lässt. Der aus diesen Punkten, beispielsweise durch Vergleich mit einer vorgegebenen Referenzverteilung, erhaltene Wert des Rotorpositionswinkels ist dabei bezogen auf 180° eineindeutig und es kann die d-Achse und die q-Achse des rotorbezogenen Koordinatensystems bestimmt werden. Die Spannungsimpulse zur Erfassung der Induktivitätsverteilung werden bevorzugt zeitlich so kurz ausgeführt, dass sich in den Statorspulen kein wesentlicher Strom aufbaut und somit keine relevante akustische Emission, beispielsweise durch ein Drehmoment des Rotors, auftritt.At two out of three phases, a positive or negative voltage pulse is impressed according to a predetermined voltage space vector. By means of the third, de-energized phase, a detection of the voltage or, in other words, of the impulse response of the resulting inductive voltage divider of the voltage applied to the two phases. The inductance of the stator coils is fundamentally dependent on the influence of the rotor magnetic field and therefore on the position of the rotor, which is why, by repeating the procedure described, for further directions of the voltage space vector over a defined angular range of, for example, 360 ° (full angle), the rotor position angle is discrete an inductance distribution of the synchronous machine can be mapped. The value of the rotor position angle obtained from these points, for example by comparison with a given reference distribution, is unambiguous in relation to 180 ° and the d-axis and the q-axis of the rotor-related coordinate system can be determined. The voltage pulses for detecting the inductance distribution are preferably carried out so short in time that no in the stator coils Substantial current builds up and thus no relevant acoustic emission, for example by a torque of the rotor occurs.
Die bestehende Zweideutigkeit des Rotorpositionswinkels wird aufgelöst, indem zwei der drei Phasen mit einem weiteren Spannungsimpuls beaufschlagt werden. Die erste der beiden beaufschlagten Phasen weist im Vergleich zu den weiteren Phasen bzw. Statorspulen eine betragsmäßig geringste Winkelabweichung zur d-Achse auf. Die zweite der beiden Phasen liegt dabei der ermittelten q-Achse am nächsten. Der Spannungsimpuls ist zeitlich lang genug, um einen für die Durchführung der nachfolgend beschriebenen Vorgehensweise ausreichenden Stromfluss in diesen Phasen hervorzurufen, wobei für die Dauer des Spannungsimpulses im Wesentlichen von einem konstanten, linearen Anstieg des Stromes ausgegangen werden kann. An der dritten Phase erfolgt, wie bereits für die Erfassung der Induktivitätsverteilung beschrieben, die Messung und Auswertung der Impulsantwort des induktiven Spannungsteilers der stromdurchflossenen Phasen. Fließt der Strom annähernd in Richtung des d-Vektors der d-Achse wird das Statoreisen soweit gesättigt, dass die Induktivität der Phase und somit auch die an der Induktivität abfallende Spannung sinkt, was mittels der Messung an der dritten Phase erfasst wird. Liegt jedoch eine Stromrichtung entgegen dem d-Vektor vor, nimmt die Sättigung des Statoreisens hingegen ab, wobei die Spannung an der Induktivität steigt. Die Phase bzw. Statorspule, welche den geringsten Winkelabstand bezogen auf die q-Achse aufweist, zeigt keinen vergleichbar ausgeprägten Effekt, da das Statoreisen weniger magnetisch vorgesättigt ist.The existing ambiguity of the rotor position angle is resolved by applying another voltage pulse to two of the three phases. In comparison to the other phases or stator coils, the first of the two applied phases has a magnitude-wise smallest angular deviation from the d-axis. The second of the two phases is closest to the determined q-axis. The voltage pulse is sufficiently long in time to produce a sufficient current flow in these phases for carrying out the procedure described below, it being possible for the duration of the voltage pulse essentially to assume a constant, linear rise in the current. As already described for the detection of the inductance distribution, the measurement and evaluation of the impulse response of the inductive voltage divider of the current-carrying phases takes place at the third phase. If the current flows approximately in the direction of the d-vector of the d-axis, the stator iron is saturated to such an extent that the inductance of the phase and thus also the voltage dropping at the inductance decreases, which is detected by means of the measurement at the third phase. However, if there is a current direction opposite to the d-vector, the saturation of the stator wire decreases, whereby the voltage at the inductance increases. The phase or stator coil, which has the smallest angular distance with respect to the q-axis, shows no comparable pronounced effect, since the stator iron is less magnetically pre-saturated.
Die Zuverlässigkeit bei der Erfassung des Rotorpositionswinkels kann weiter erhöht werden, indem die beschriebene Vorgehensweise mit der jeweiligen entgegengesetzten Stromrichtung der zuvor beaufschlagten Phasen wiederholt wird. Wenn beispielsweise während des ersten Messvorgangs eine sinkende Spannung gemessen wurde, was auf einen Strom in näherungsweise der Richtung der d-Achse hinweist, erfolgt in einem zweiten Messvorgang die Beaufschlagung der Phasen mit einem Spannungsimpuls in der Weise, dass der resultierende Strom die entgegengesetzte Richtung zur ersten Messung aufweist. Aus den jeweils nach einer definierten Zeit gemessenen Spannungswerten der beiden Messungen wird anschließend eine Differenz gebildet und das Vorzeichen der Differenz als Indikator der Orientierung der d-Achse bzw. q-Achse und somit des Rotorpositionswinkels herangezogen. In dieser Weise kann der Rotorpositionswinkel bezogen auf 360° absolut angeben werden. Der Betrag der Differenz kann des Weiteren als Gütekriterium der durchgeführten Messungen dienen, beispielsweise indem ein Grenzwert für einen minimalen Betrag definiert wird, unter dem die Erfassung des Rotorpositionswinkels wiederholt werden sollte. Unter Berücksichtigung des erhaltenen Betrags kann zudem die Definition einer zumindest notwendigen Dauer der Spannungsimpulse und damit zusammenhängenden Spannungsmessungen erfolgen, um einen Betrag zu erhalten, welcher oberhalb des Grenzwerts liegt, jedoch innerhalb einer akzeptablen Zeit erfasst werden kann. Die Anpassung der definierten Zeit, nach der die jeweilige Spannungsmessung vorgenommen wird, kann dabei im laufenden Betrieb adaptiert und/oder während eines Lernvorgangs insbesondere mittels eines Optimierungsalgorithmus vorgenommen werden. The reliability in the detection of the rotor position angle can be further increased by repeating the described procedure with the respective opposite current direction of the previously applied phases. For example, if a decreasing voltage was measured during the first measurement, indicating a current in approximately the direction of the d-axis, in a second measurement, the phases are applied with a voltage pulse such that the resulting current is in the opposite direction to the first measurement. From the voltage values of the two measurements measured in each case after a defined time, a difference is subsequently formed and the sign of the difference is used as an indicator of the orientation of the d-axis or q-axis and thus of the rotor position angle. In this way, the rotor position angle can be specified relative to 360 ° absolute. The amount of the difference may further serve as a quality criterion of the measurements made, for example by defining a threshold for a minimum amount below which the rotor position angle detection should be repeated. In addition, taking into account the amount obtained, the definition of an at least necessary duration of the voltage pulses and related voltage measurements may be made in order to obtain an amount which is above the limit but which can be detected within an acceptable time. The adaptation of the defined time, after which the respective voltage measurement is carried out, can be adapted during operation and / or during a learning process, in particular by means of an optimization algorithm.
Erfolgt zusätzlich eine Erfassung der Stromwerte der jeweiligen Phasen mittels eines Absolutwertsensors, beispielsweise zur redundanten Bestimmung des Rotorpositionswinkels, können auch die gemessenen Ströme zur Auflösung der Zweideutigkeit ausgewertet werden. Erfolgt eine direkte Erfassung der Stromwerte, kann ein Stromvektor in Richtung der d-Achse vorgegeben werden, da keine Phase für die Spannungserfassung unbestromt bleiben muss und somit der weitgehend exakte Stromvektor vorgegeben werden kann. Die beschriebenen Vorgehensweisen können in Kombination oder auch als unabhängige Alternativen voneinander ausgeführt werden.If in addition a detection of the current values of the respective phases by means of an absolute value sensor, for example for the redundant determination of the rotor position angle, the measured currents can be evaluated to resolve the ambiguity. If the current values are recorded directly, a current vector can be specified in the direction of the d-axis, since no phase for the voltage detection must remain de-energized and thus the largely exact current vector can be specified. The described procedures can be carried out in combination or as independent alternatives from each other.
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