DE102013218122A1

DE102013218122A1 - Electronically commutated electrical machine and method for operating an electrical machine

Info

Publication number: DE102013218122A1
Application number: DE102013218122.1A
Authority: DE
Inventors: Torsten Wilharm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sensorlosen Betreiben einer mehrphasigen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (2) mit Phasensträngen (21) einer Statorwicklung, wobei die elektrische Maschine (2) durch Anlegen von Phasenspannungen (UU, UV, UW) betreibbar ist, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen von regulären Phasenspannungen (UU, UV, UW) zum Anlegen an Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine (2) gemäß dem Schema einer Blockkommutierung, wobei zu einem Umkommutierungszeitpunkt (TU), der einer bestimmten Läuferlage zugeordnet ist, eine Umkommutierung vorgenommen wird, indem ein zuvor bestromter Phasenstrang (21) in einen stromlosen Zustand und ein zuvor unbestromter Phasenstrang (21) in einen stromführenden Zustand geschaltet wird; – Vorsehen eines Messzeitfensters (11) vor dem Umkommutierungszeitpunkt (TU), während dessen keiner der Phasenstränge (21) bestromt wird; – Überwachen einer verketteten Strangspannung innerhalb des Messzeitfensters (11) auf Eintreten einer Kommutierungsbedingung; und – Durchführen einer Umkommutierung, wenn das Vorliegen der Kommutierungsbedingung festgestellt wird.The invention relates to a method for sensorless operation of a multi-phase, electronically commutated electrical machine (2) with phase strands (21) of a stator winding, wherein the electrical machine (2) by application of phase voltages (UU, UV, UW) is operable, comprising the following Steps: provision of regular phase voltages (UU, UV, UW) for application to phase connections of the electric machine (2) according to the scheme of a block commutation, wherein a commutation is performed at a commutation time (TU), which is assigned to a certain rotor position, by switching a previously energized phase strand (21) into a de-energized state and a previously de-energized phase strand (21) into a current-carrying state; - Providing a measuring time window (11) before Umkommutierungszeitpunkt (TU) during which none of the phase strands (21) is energized; - monitoring a chained strand voltage within the measurement time window (11) upon the occurrence of a commutation condition; and - performing a re-commutation if the presence of the commutation condition is determined.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen sowie insbesondere Verfahren zur sensorlosen elektronischen Kommutierung einer elektrischen Maschine. The invention relates to electronically commutated electrical machines and in particular to methods for sensorless electronic commutation of an electrical machine.

Stand der Technik State of the art

Für einen effizienten und geregelten Betrieb einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine ist eine Angabe über eine Läuferlage notwendig, um das aktuelle Motormoment über die Vorgabe von Phasenspannungen bzw. Phasenströmen präzise einstellen zu können. Bei herkömmlichen elektrischen Maschinen kann die Läuferlage mithilfe geeigneter Positionssensoren erfasst werden, die z. B. an einer Rotorwelle angebracht sein können. For an efficient and controlled operation of an electronically commutated electrical machine, an indication of a rotor position is necessary in order to be able to precisely set the current engine torque via the specification of phase voltages or phase currents. In conventional electric machines, the rotor position can be detected by means of suitable position sensors, the z. B. may be attached to a rotor shaft.

Ferner sind Verfahren bekannt, um die Läuferlage anhand der Auswertung von elektrischen Größen sensorlos zu bestimmen. Beispielsweise kann die zum Betrieb erforderliche Erfassung der Läuferlage durch Bestimmen eines Zeitpunkts eines Nulldurchgangs einer in der Statorwicklung induzierten Spannung sowie durch Zuordnen einer bestimmten bekannten Läuferlage zu diesem bestimmten Zeitpunkt erfolgen. Der Nulldurchgang der induzierten Spannung wird dabei in einem aktuell unbestromten Phasenstrang bestimmt. Furthermore, methods are known for sensorless determination of the rotor position based on the evaluation of electrical variables. For example, the required for operation detection of the rotor position by determining a time zero crossing of an induced voltage in the stator winding and by assigning a certain known rotor position at this particular time. The zero crossing of the induced voltage is determined in a currently de-energized phase strand.

Jedoch ist die Höhe der induzierten Spannung von der Drehzahl abhängig, so dass bei sehr geringen Drehzahlen die induzierte Spannung gering ist und somit aufgrund von auftretenden Störsignalen und/oder einer beschränkten Auflösung eines Spannungsdetektors nicht oder nicht mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden kann. Daher ist häufig bei niedrigen Drehzahlen vorgesehen, die elektrische Maschine gesteuert zu betreiben, was ohne Kenntnis der Läuferlage möglich ist. Aufgrund der mangelnden Rückkopplung erfolgt eine derartige Ansteuerung der elektrischen Maschine jedoch nicht in optimaler Weise, weshalb die elektrische Maschine unbemerkt stehen bleiben und eine hohe Stromaufnahme sowie eine entsprechende Erwärmung aufweisen kann. Weiterhin ist das dadurch erreichbare Anzugsdrehmoment sehr gering und es tritt eine hohe Geräuschentwicklung auf. However, the magnitude of the induced voltage is dependent on the speed, so that at very low speeds, the induced voltage is low and thus can not be detected due to noise occurring and / or a limited resolution of a voltage detector or not with sufficient accuracy. Therefore, it is often provided at low speeds to operate the electric machine controlled, which is possible without knowledge of the rotor position. However, due to the lack of feedback such a control of the electric machine does not take place in an optimal manner, which is why the electric machine remain unnoticed and can have a high power consumption and a corresponding heating. Furthermore, the tightening torque achievable thereby is very low and high noise occurs.

Es ist daher grundsätzlich wünschenswert, die Zeitdauer des rein gesteuerten Betriebs der elektrischen Maschine bei einem Anlauf möglichst zu reduzieren. It is therefore basically desirable to reduce the duration of the purely controlled operation of the electric machine during a startup as possible.

Weiterhin wird anhand einer Schätzung der aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine sowie der zu dem Zeitpunkt des Nulldurchgangs der induzierten Spannung bestimmten Läuferlage ein Kommutierungszeitpunkt bestimmt. Da jedoch der Kommutierungszeitpunkt von der Genauigkeit der Schätzung der aktuellen Drehzahl abhängt, kommt es zu einer Abweichung zwischen dem tatsächlichen Kommutierungszeitpunkt und einem für den Betriebszustand der elektrischen Maschine optimalen Kommutierungszeitpunkt. Furthermore, a commutation time is determined on the basis of an estimate of the current rotational speed of the electric machine and of the rotor position determined at the time of the zero crossing of the induced voltage. However, since the commutation time depends on the accuracy of the estimate of the current speed, there is a deviation between the actual commutation time and an optimal for the operating state of the electric machine commutation.

Es ist Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, mit dem diese robuster und mit einer höheren Drehmomentabgabe im Anlauf betrieben werden kann. Insbesondere ist es Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, mit dem diese bereits bei sehr geringeren Drehzahlen sensorlos geregelt betrieben werden kann. It is an object to provide a method for operating an electrical machine with which it can be operated more robustly and with a higher torque output during startup. In particular, it is an object to provide a method for operating an electrical machine, with which it can be operated without sensors at very low speeds.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben einer mehrphasigen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung, das Motorsystem und das Computerprogramm gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. This object is achieved by the method for operating a multi-phase, electronically commutated electric machine according to claim 1 and by the device, the motor system and the computer program according to the independent claims.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum sensorlosen Betreiben einer mehrphasigen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine mit in Stern- oder Dreieckschaltung verschalteten Phasensträngen einer Statorwicklung vorgesehen, wobei die elektrische Maschine durch Anlegen von Phasenspannungen betreibbar ist, umfassend die folgenden Schritte:

– Bereitstellen von regulären Phasenspannungen zum Anlegen an Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine gemäß dem Schema einer Blockkommutierung, wobei zu einem Umkommutierungszeitpunkt, der einer bestimmten Läuferlage zugeordnet ist, eine Umkommutierung vorgenommen wird, indem ein zuvor bestromter Phasenstrang in einen stromlosen Zustand und ein zuvor unbestromter Phasenstrang in einen stromführenden Zustand geschaltet wird;
– Vorsehen eines Messzeitfensters vor dem Umkommutierungszeitpunkt, während dessen keiner der Phasenstränge bestromt wird;
– Überwachen einer verketteten Strangspannung innerhalb des Messzeitfensters auf Eintreten einer Kommutierungsbedingung; und
– Durchführen einer Umkommutierung, wenn das Eintreten der Kommutierungsbedingung festgestellt wird.

According to a first aspect, there is provided a method for sensorless operation of a multi-phase electronically commutated electric machine having star-connected or delta-connected phase strands of a stator winding, the electric machine being operable by applying phase voltages, comprising the steps of:

- Providing regular phase voltages for application to phase terminals of the electric machine according to the scheme of a block commutation, wherein at a Umkommutierungszeitpunkt, which is assigned to a specific rotor position, a Umkommutierung is made by a previously energized phase strand in a de-energized state and a previously de-energized phase strand in a current-carrying state is switched;
Providing a measurement time window before the commutation time during which none of the phase strands is energized;
- monitoring a chained strand voltage within the measurement window on the occurrence of a commutation condition; and
- Performing a commutation when the occurrence of the commutation condition is detected.

Das obige Verfahrens sieht vor, eine elektrische Maschine mithilfe einer Blockkommutierung zu betreiben, wobei Kommutierungszeitpunkte so gewählt sein sollten, dass eine Kommutierung zum Zeitpunkt des Vorliegens einer Kommutierungsbedingung erfolgt. Bei einer Kommutierung erfolgt jeweils ein Abschalten der Bestromung eines Phasenstrangs und Einschalten einer Bestromung eines weiteren, zuvor unbestromten Phasenstrangs. Bei einer Blockkommutierung sind, insbesondere bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine, stets zwei der Phasenstränge der elektrischen Maschine bestromt, während die übrigen Phasenstränge unbestromt bleiben. The above method provides to operate an electric machine by means of a block commutation, wherein commutation should be chosen so that a commutation takes place at the time of the presence of a Kommutierungsbedingung. In the case of a commutation, the energization of a phase strand is switched off and the energization of another, previously de-energized phase strand is switched on. In a block commutation, in particular in a three-phase electric machine, always two of the phase strands of the electric machine are energized, while the remaining phase strands remain energized.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, unmittelbar vor mindestens einem der Kommutierungszeitpunkte ein Messzeitfenster zu schaffen, in dem keiner der Phasenstränge bestromt ist, so dass das Vorliegen bzw. das Eintreten der Kommutierungsbedingung überprüft werden kann, um eine entsprechende Kommutierung, d. h. einen Wechsel wenigstens einer der bestromten Phasen, vorzunehmen. One idea of the above method is to provide a measurement time window immediately before at least one of the commutation times, in which none of the phase strands is energized, so that the presence or the occurrence of the commutation condition can be checked in order to obtain a corresponding commutation, ie. H. a change of at least one of the energized phases to make.

Es kann vorgesehen sein, dass die verkettete Strangspannung einer Summe der an den Phasensträngen abfallenden Strangspannungen entspricht, wobei das Überwachen auf Eintreten der Kommutierungsbedingung einem Überprüfen eines Nulldurchgangs der verketteten Strangspannung oder einem Überprüfen auf eine Gleichheit von mindestens zwei der Strangspannungen entspricht. It can be provided that the concatenated phase voltage corresponds to a sum of the phase voltages dropping at the phase strands, wherein monitoring for occurrence of the commutation condition corresponds to checking a zero crossing of the linked phase voltage or checking for equality of at least two of the phase voltages.

Dadurch kann als Überwachungsgröße anstelle der induzierten Spannung, die z.B. an einem Sternpunkt gemessen wird, eine erhöhte verkettete Strangspannung gemessen werden, die nicht durch die Gegenkopplung der Strangspannungen der weiteren Phasenstränge am Sternpunkt gestört wird. Darüber hinaus bestimmt der Nulldurchgang der verketteten Strangspannung unmittelbar den Kommutierungszeitpunkt, so dass kein zusätzlicher Fehler durch die Extrapolation einer erkannten Läuferlage zu der Läuferlage am Kommutierungszeitpunkt, z. B. mithilfe einer geschätzten Drehzahl, auftreten kann. Thereby, as a monitoring quantity, instead of the induced voltage, e.g. is measured at a star point, an increased concatenated strand voltage are measured, which is not disturbed by the negative feedback of the phase voltages of the other phase strands at the neutral point. In addition, the zero crossing of the concatenated strand voltage immediately determines the commutation, so that no additional error by the extrapolation of a detected rotor position to the rotor position at the commutation, z. B. using an estimated speed can occur.

Insbesondere kann der Beginn des Messzeitfensters auf eine Läuferlage festgelegt werden, die um eine bestimmte Differenzläuferlage vor der Läuferlage des nächstfolgenden Umkommutierungszeitpunkts liegt. In particular, the beginning of the measurement time window can be set to a rotor position, which is a certain difference rotor position before the rotor position of the next Umkommutierungszeitpunkts.

Weiterhin kann vor Beginn des Messzeitfensters der Betrag der an einen Phasenstrang angelegten regulären Phasenspannung während einer Erhöhungszeitdauer erhöht werden. Gemäß einer Ausführungsform kann der Differenzbetrag zwischen dem erhöhten Betrag der Phasenspannung und der regulären Phasenspannung und/oder die Erhöhungszeitdauer so gewählt werden, dass ein zusätzliches Drehmoment bereitgestellt wird, das eine Reduzierung eines Motormoments aufgrund des Messzeitfensters ausgleicht. Furthermore, before the beginning of the measurement time window, the amount of the regular phase voltage applied to a phase string can be increased during an increase time period. According to an embodiment, the difference between the increased amount of the phase voltage and the regular phase voltage and / or the increase time period may be selected to provide an additional torque that compensates for a reduction in motor torque due to the measurement time window.

Dies dient der Gewährleistung, dass durch das Messzeitfenster, während dessen keiner der Phasenstränge bestromt und somit kein Drehmoment bereitgestellt wird, das mittlere Motormoment nicht reduziert wird. Daher wird vorgesehen, den Betrag der Phasenspannungen der bestromten Phasenstränge insbesondere für eine vorbestimmte Erhöhungszeitdauer vor Beginn des Messzeitfensters zu erhöhen. Dadurch kann der Läufer kurzzeitig mit einem erhöhten Drehmoment beschleunigt werden, so dass die durch die Messzeit bewirkte Drehmomentreduzierung kompensiert werden kann. This is to ensure that the average engine torque is not reduced by the measuring time window, during which none of the phase strands energized and thus no torque is provided. It is therefore provided to increase the magnitude of the phase voltages of the energized phase strands, in particular for a predetermined increase time period before the start of the measurement time window. As a result, the rotor can be accelerated for a short time with an increased torque, so that the torque reduction caused by the measuring time can be compensated.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit, zum sensorlosen Betreiben einer mehrphasigen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine mit in Stern- oder Dreieckschaltung verschalteten Phasensträngen einer Statorwicklung vorgesehen, wobei die elektrische Maschine durch Anlegen von Phasenspannungen betreibbar ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist um:

– reguläre Phasenspannungen zum Anlegen an Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine gemäß dem Schema einer Blockkommutierung bereitzustellen, wobei zu einem Umkommutierungszeitpunkt, der einer bestimmten Läuferlage zugeordnet ist, eine Umkommutierung vorgenommen wird, indem jeweils ein zuvor bestromter Phasenstrang in einen stromlosen Zustand und ein zuvor unbestromter Phasenstrang in einen stromführenden Zustand geschaltet wird;
– ein Messzeitfenster vor dem Umkommutierungszeitpunkt vorzusehen, während dessen keiner der Phasenstränge bestromt wird;
– eine verkettete Strangspannung innerhalb des Messzeitfensters auf Eintreten einer Kommutierungsbedingung zu überwachen; und
– eine Umkommutierung durchzuführen, wenn das Vorliegen der Kommutierungsbedingung festgestellt wird.

According to a further aspect, a device, in particular a control unit, for sensorless operation of a multi-phase, electronically commutated electric machine is provided with star-connected or delta-connected phase strands of a stator winding, wherein the electric machine is operable by applying phase voltages, wherein the device is formed around:

To provide regular phase voltages for application to phase terminals of the electric machine according to the block commutation scheme, wherein at a re-commutation time, which is assigned to a certain rotor position, a Umkommutierung is made by each one previously energized phase string is switched to a de-energized state and a previously de-energized phase strand in a current-carrying state;
To provide a measuring time window before the commutation time during which none of the phase strands is energized;
To monitor a chained strand voltage within the measurement window for commutation condition to occur; and
- to perform a Umkommutierung if the presence of the commutation condition is determined.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:

– eine mehrphasige elektrische Maschine;
– eine Treiberschaltung zum Bereitstellen von Phasenspannungen an Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine;
– einen Spannungsdetektor, um eine verkettete Strangspannung zu detektieren;
– eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um: • die Treiberschaltung anzusteuern, um reguläre Phasenspannungen zum Anlegen an Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine gemäß dem Schema einer Blockkommutierung bereitzustellen, wobei zu einem Umkommutierungszeitpunkt, der einer bestimmten Läuferlage zugeordnet ist, eine Umkommutierung vorgenommen wird, indem jeweils ein zuvor bestromter Phasenstrang in einen stromlosen Zustand und ein zuvor unbestromter Phasenstrang in einen stromführenden Zustand geschaltet wird; • ein Messzeitfenster vor dem Umkommutierungszeitpunkt vorzusehen, während dessen keiner der Phasenstränge bestromt wird; • die verkettete Strangspannung innerhalb des Messzeitfensters auf Eintreten einer Kommutierungsbedingung zu überwachen; und • die Treiberschaltung anzusteuern, um eine Umkommutierung durchzuführen, wenn das Vorliegen der Kommutierungsbedingung festgestellt wird.

In another aspect, an engine system is provided, comprising:

A multiphase electric machine;
A driver circuit for providing phase voltages to phase terminals of the electric machine;
A voltage detector to detect a chained strand voltage;
A device configured to: drive the driver circuit to provide regular phase voltages for application to phase terminals of the electrical machine according to the block commutation scheme, wherein at a commutation time associated with a particular rotor position, re-commutation is performed by in each case a previously energized phase strand is switched to a de-energized state and a previously de-energized phase strand in a current-carrying state; Provide a measuring time window before the commutation time during which none of the phase strands is energized; • monitor the chained strand voltage within the measurement window for a commutation condition to occur; and • to drive the driver circuit to perform a commutation when the presence of the commutation condition is detected.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine; 1 a schematic representation of an engine system with an electronically commutated electric machine;

2 ein Beispiel einer Bestromung von Phasensträngen einer dreiphasigen elektrischen Maschine bei einer Blockkommutierungsart; und 2 an example of energization of phase strands of a three-phase electric machine in a Blockkommutierungsart; and

3 ein Diagramm zur Darstellung der Bestromung der Phasenstränge einer dreiphasigen elektrischen Maschine mit einem modifizierten Stromverlauf. 3 a diagram showing the energization of the phase strands of a three-phase electric machine with a modified current waveform.

Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments

1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einer elektrischen Maschine 2, die als dreiphasige elektronisch kommutierte elektrische Maschine, insbesondere als Synchronmaschine, ausgebildet ist. Die elektronisch kommutierte elektrische Maschine 2 weist einen Stator mit einer Statorwicklung mit drei Phasensträngen 21 auf, die in 1 schematisch als Induktivitäten dargestellt sind. Die Phasenstränge 21 sind über jeweils einen Anschluss miteinander verbunden, d. h. in Sternschaltung angeordnet. 1 shows an engine system 1 with an electric machine 2 , which is designed as a three-phase electronically commutated electric machine, in particular as a synchronous machine. The electronically commutated electric machine 2 has a stator with a stator winding with three phase strands 21 on that in 1 are shown schematically as inductors. The phase strands 21 are connected to each other via one connection, ie arranged in star connection.

Im Falle einer Synchronmaschine weist die elektrische Maschine 2 weiterhin einen mit Permanentmagneten 23 versehenen Läufer 22 auf. Die Permanentmagnete 23 bilden ein Erregermagnetfeld, das sich bei Bestromung der Phasenstränge 21 der Statorwicklung zu einem resultierenden Statormagnetfeld ausrichtet. In the case of a synchronous machine, the electric machine 2 furthermore one with permanent magnets 23 provided runner 22 on. The permanent magnets 23 form an exciter magnetic field, which occurs when the phase strands are energized 21 the stator winding aligns to a resulting stator magnetic field.

Durch entsprechende Anpassung der Bestromung der Phasenstränge 21 der elektrischen Maschine 2 kann das Statormagnetfeld umlaufend (d. h. rotierend) ausgebildet werden, so dass die Ausrichtung (bzw. Läuferlage) des Läufers 22 aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Erregermagnetfeld und dem Statormagnetfeld folgt. By appropriate adjustment of the energization of the phase strands 21 the electric machine 2 the stator magnetic field can be formed circumferentially (ie rotating), so that the orientation (or rotor position) of the rotor 22 due to the interaction between the exciter magnetic field and the stator magnetic field.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 2 sensorlos vorgesehen, d. h. es ist kein Positionssensor vorgesehen, der es ermöglicht, die Läuferlage zu erfassen. In the present embodiment, the electric machine 2 provided sensorless, ie there is no position sensor provided, which makes it possible to detect the rotor position.

Die Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 erfolgt mithilfe einer Treiberschaltung 3, die abhängig von Ansteuersignalen A auf einer Ansteuerleitung 5 eine Bestromung der Phasenstränge 21 vornimmt. Beispielsweise kann die Treiberschaltung 3 eine B6-Schaltung aufweisen, die drei (oder eine der Phasenanzahl entsprechende Anzahl von) Inverterschaltungen 31 mit jeweils zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern 32, wie beispielsweise Leistungs-MOSFETs, Thyristoren, IGBTs, IGCTs und dergleichen, aufweist. Zwischen den beiden Leistungshalbleiterschaltern 32 jeder Inverterschaltung 31 befindet sich ein Phasenanschluss, der mit einem entsprechenden Phasenstrang 21 der Statorwicklung verbunden ist. The control of the electric machine 2 is done using a driver circuit 3 , which depends on drive signals A on a drive line 5 an energization of the phase strands 21 performs. For example, the driver circuit 3 have a B6 circuit, the three (or the number of phases corresponding number of) inverter circuits 31 each with two series-connected power semiconductor switches 32 such as power MOSFETs, thyristors, IGBTs, IGCTs, and the like. Between the two power semiconductor switches 32 each inverter circuit 31 There is a phase connection, which is connected to a corresponding phase string 21 the stator winding is connected.

Je nach Ansteuerung der Inverterschaltungen 31 wird jeder der Phasenstränge 21 entweder mit einem bereitgestellten hohen Versorgungspotential V_H, einem niedrigen Versorgungspotential V_L, insbesondere einem Massepotential, oder mit keinem der beiden Potentiale verbunden, so dass der betreffende Phasenstrang 21 unbestromt bleibt. Weiterhin ist ein Stromsensor 33 im Zwischenkreis vorgesehen, um einen jeweiligen Phasenstrom bzw. Motorstrom zu messen. Die an dem entsprechenden Phasenstrang 21 abfallende Strangspannung U_X, U_Y, U_Z wird durch Messung an dem entsprechenden Phasenanschluss bei ausgeschalteter Phase ermittelt. Depending on the control of the inverter circuits 31 becomes each of the phase strands 21 either with a provided high supply potential V _H , a low supply potential V _L , in particular a ground potential, or connected to neither of the two potentials, so that the relevant phase strand 21 remains energized. Furthermore, a current sensor 33 provided in the intermediate circuit to measure a respective phase current or motor current. The at the appropriate phase strand 21 decreasing phase voltage U _X , U _Y , U _Z is determined by measurement at the corresponding phase connection when the phase is switched off.

Mithilfe von Spannungsdetektoren 34 können die Phasenspannungen U_U, U_V, U_W an den Phasenanschlüssen bestimmt werden. Using voltage detectors 34 For example, the phase voltages U _U , U _V , U _W at the phase terminals can be determined.

Die Ansteuersignale A für die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter 32 werden von einer Steuereinheit 4 bereitgestellt. Die Steuereinheit 4 erhält von dem Stromsensor 33 eine entsprechende Angabe über den fließenden Phasenstrom. Die Steuereinheit 4 stellt gemäß einem Blockkommutierungsschema Ansteuersignale A bereit, die Schaltzustände der Leistungshalbleiterschalter 32 vorgeben. Anhand der angelegten und bekannten Phasenspannungen U_U, U_V, U_W ist es möglich, mithilfe geeigneter sensorloser Verfahren eine Läuferlage eines Läufers 22 der elektrischen Maschine 2 bzw. Kommutierungszeitpunkte für eine Umkommutierung zu ermitteln. The drive signals A for the control of the power semiconductor switches 32 be from a control unit 4 provided. The control unit 4 receives from the current sensor 33 a corresponding indication of the flowing phase current. The control unit 4 provides drive signals A according to a block commutation scheme, the switching states of the power semiconductor switches 32 pretend. Based on the applied and known phase voltages U _U , U _V , U _W , it is possible by means of suitable sensorless method a rotor position of a runner 22 the electric machine 2 or commutation for a Umkommutierung to determine.

In 2 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ansteuerung der Treiberschaltung 3 durch die Ansteuersignale A gemäß dem Schema einer herkömmlichen Blockkommutierung dargestellt. 2 zeigt für eine dreiphasige elektrische Maschine 2 die durch die Blockkommutierung an die Phasenanschlüsse angelegten Phasenspannungen U_U, U_V, U_W. Weiterhin wird die resultierende Strangspannung U_X, U_Y, U_Z, die sich im Idealfall als sinusförmige Spannung ergibt, dargestellt. Bei einem herkömmlichen Verfahren wird die Blockkommutierung einer dreiphasigen elektrischen Maschine durchgeführt, indem ein Nulldurchgang einer der Strangspannungen U_X, U_Y, U_Z detektiert wird, während dem Phasenanschluss des entsprechenden Phasenstrangs 21 keine Ansteuerspannung durch die Treiberschaltung 3 bereitgestellt wird. Der Nulldurchgang dieser Strangspannung U_X, U_Y, U_Z definiert die Mitte eines Zeitfensters, während dessen der betreffende Phasenstrang 21 nicht bestromt wird. Der Kommutierungszeitpunkt zum Anlegen von entsprechend umkommutierten Phasenspannungen ermittelt sich dann aus dem Zeitpunkt, der sich durch eine Bewegung des Läufers 22 um 30° elektrischer Läuferlage ergibt. Bei einer Blockkommutierung wird in der Regel als Ansteuerspannung eine positive Spannung während eines ersten Zeitfensters und eine negative Spannung während eines zweiten Zeitfensters vorgegeben, wobei das erste und das zweite Zeitfenster durch dritte Zeitfenster unterbrochen sind, die in Summe die gleiche Zeitdauer aufweisen wie das erste bzw. das zweite Zeitfenster. Da die Drehzahl eine veränderliche Größe darstellt, ist die Ermittlung des Kommutierungszeitpunkts abhängig von dem Nulldurchgang der Phasenspannung nicht exakt. So muss z. B. vor einer Umkommutierung bei einer dreiphasigen elektrischen Maschine auf eine Bewegung des Läufers 22 um 30° elektrischer Phasenlage ausgehend von dem Zeitpunkt und der Läuferlage des Nulldurchgangs der unbestromten Strangspannung U_X, U_Y, U_Z gewartet werden. In 2 is a diagram illustrating the driving of the driver circuit 3 represented by the drive signals A according to the scheme of a conventional block commutation. 2 shows for a three-phase electric machine 2 the phase voltages U _U , U _V , U _W applied by the block commutation to the phase terminals. Furthermore, the resulting strand voltage U _X , U _Y , U _Z , which results in the ideal case as a sinusoidal voltage, is shown. In a conventional method, the block commutation of a three-phase electric machine is performed by detecting a zero crossing of one of the phase voltages U _X , U _Y , U _Z during the phase connection of the corresponding phase line 21 no drive voltage through the driver circuit 3 provided. The zero crossing of this phase voltage U _X , U _Y , U _Z defines the center of a time window during which the relevant phase string 21 is not energized. The commutation time for applying appropriately commutated phase voltages is then determined from the time, which is determined by a movement of the rotor 22 results in 30 ° electrical rotor position. In the case of a block commutation, a positive voltage during a first time window and a negative voltage during a second time window are generally specified as drive voltage, wherein the first and the second time window are interrupted by third time windows, which in sum have the same duration as the first or the second time window the second time window. Since the speed represents a variable magnitude, the determination of the commutation time is not exact depending on the zero crossing of the phase voltage. So z. Example, before a commutation in a three-phase electric machine to a movement of the rotor 22 to be serviced by 30 ° electrical phase position starting from the time and the rotor position of the zero crossing of the unpowered phase voltage U _X , U _Y , U _Z.

Der Betrag und das Vorzeichen der Phasenspannung U_U, U_V, U_W, die an die Phasenstränge 21 angelegt wird, wird in der Regel durch eine Pulsweitenmodulation mit einer vorgegebenen Periodendauer vorgenommen, wobei der Betrag der Phasenspannung U_U, U_V, U_W durch ein Tastverhältnis vorgegeben wird. Die Phasenspannung U_U, U_V, U_W wird hierin als reguläre Phasenspannung bezeichnet. Der das Motormoment bestimmende Motorstrom wird durch die Höhe der Phasenspannung U_U, U_V, U_W, die an den betreffenden Phasenstrang 21 angelegt wird, bestimmt. The magnitude and the sign of the phase voltage U _U , U _V , U _W , to the phase strands 21 is applied, is usually made by a pulse width modulation with a predetermined period, wherein the amount of the phase voltage U _U , U _V , U _W is specified by a duty cycle. The phase voltage U _U , U _V , U _W is referred to herein as the regular phase voltage. The motor current determining the motor torque is determined by the height of the phase voltage U _U , U _V , U _W , which are connected to the respective phase strand 21 is created, determined.

Um die oben genannten Nachteile zu vermeiden, ist vorgesehen, die Kommutierungsart der Blockbestromung wie in 3 dargestellt zu modifizieren und ein Messzeitfenster 11 bereitzustellen, während dessen sämtliche Phasenspannungen U_U, U_V, U_W Null betragen und somit kein Strom durch die Phasenstränge 21 fließen kann. Weiterhin wird das Messzeitfenster 11 unmittelbar vor einem Umkommutierungszeitpunkt T_U vorgesehen. In order to avoid the above-mentioned disadvantages, it is provided that the commutation of the Blockbestromung as in 3 shown to modify and a measurement time window 11 during which all the phase voltages U _U , U _V , U _{W are} zero and thus no current through the phase strands 21 can flow. Furthermore, the measuring time window becomes 11 provided immediately before a Umkommutierungszeitpunkt T _U.

Insbesondere werden Phasenspannungen U_U, U_V, U_W der aktuell bestromten Phasenstränge 21 vor dem Messzeitfenster 11, das mit einem Umkommutierungszeitpunkt T_U endet, während eines vorgegebenen Erhöhungszeitfensters 12 mit einer Erhöhungszeitdauer T_H gegenüber dem Betrag der regulären Phasenspannung betragsmäßig erhöht und anschließend zu dem Zeitpunkt des Beginns des Messzeitfensters 11 abgeschaltet. Innerhalb des Messzeitfensters 11 wird eine verkettete Strangspannung, die der Summe der Strangspannungen U_X, U_Y, U_Z über den einzelnen Phasensträngen 21 entspricht, ermittelt und auf eine Kommutierungsbedingung hin überprüft. Als Kommutierungsbedingung kann beispielsweise ein Nulldurchgang der verketteten Strangspannung angenommen werden. Wird der Nulldurchgang detektiert, so wird das Messzeitfenster 11 beendet und es wird unmittelbar, d. h. ohne zeitlichen Versatz, eine Umkommutierung vorgenommen. In particular, phase voltages U _U , U _V , U _{W of} the currently energized phase strands 21 before the measuring time window 11 which ends at a commutation time T _U during a predetermined increase time window 12 is increased in magnitude with respect to the amount of the regular phase voltage with an increase time duration T _H and then at the time of the start of the measurement time window 11 off. Within the measurement window 11 is a concatenated strand voltage, the sum of the phase voltages U _X , U _Y , U _Z over the individual phase strands 21 corresponds, determined and checked for a commutation condition. As a commutation condition, for example, a zero crossing of the chained strand voltage can be assumed. If the zero crossing is detected, then the measuring time window becomes 11 terminated and it is made directly, ie without a time offset, a Umkommutierung.

Durch einen der zuvor bestromten Phasenstränge 21 wird in diesem Fall die Bestromung durch Anlegen der regulären (nicht der erhöhten) Phasenspannung U_U, U_V, U_W wiederaufgenommen. Der Beginn des Messzeitfensters 11 wird vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 und 30° elektrischer Phasenlage vor dem geschätzten Umkommutierungszeitpunkt T_U gewählt. Der geschätzte Umkommutierungszeitpunkt T_U wird basierend auf einem zuletzt ermittelten Nulldurchgang der verketteten Strangspannungen, dessen Zeitpunkt einer bestimmten Läuferlage zugeordnet werden kann, der seitdem verstrichenen Zeitdauer sowie der zuletzt ermittelten Drehzahl des Läufers 22 in bekannter Weise bestimmt. Through one of the previously energized phase strands 21 In this case, the energization is resumed by applying the regular (not the increased) phase voltage U _U , U _V , U _W. The beginning of the measurement window 11 is preferably selected in a range between 5 and 30 ° electrical phase position before the estimated Umkommutierungszeitpunkt T _U. The estimated Umkommutierungszeitpunkt T _U is based on a last determined zero crossing of the chained strand voltages whose time can be assigned to a particular rotor position, the time elapsed since then and the last determined speed of the rotor 22 determined in a known manner.

Insbesondere wird das Erhöhen der Phasenspannung U_U, U_V, U_W in dem Erhöhungszeitfenster 12 abhängig von der Höhe der regulären Phasenspannung U_U, U_V, U_W, der Drehzahl des bereitzustellenden Drehmoments sowie einer geschätzten Dauer des Messzeitfensters 11 festgelegt. Die Erhöhung der Phasenspannung U_U, U_V, U_W erfolgt so, dass das durch den während des Messzeitfensters 11 unbestromten Zustand aller Phasenstränge 21 verringerte Motormoment durch das durch die während des Erhöhungszeitfensters 12 erhöhten Phasenspannungen bewirkte erhöhte Motormoment im Mittel ausgeglichen wird, so dass die Ansteuerung der elektrischen Maschine 2 im Mittel mit einem konstanten Motormoment erfolgen kann. In particular, increasing the phase voltage U _U , U _V , U _W in the increase time window 12 depending on the height of the regular phase voltage U _U , U _V , U _W , the speed of the torque to be provided and an estimated duration of the measuring time window 11 established. The increase of the phase voltage U _U , U _V , U _W is such that by the during the measuring time window 11 de-energized state of all phase strands 21 decreased engine torque by that during the increase time window 12 increased phase voltages caused increased engine torque is balanced on average, so that the control of the electric machine 2 can be done on average with a constant engine torque.

Anstelle der induzierten Spannung wird eine verkettete Strangspannung ermittelt, d. h. die induzierte Spannung wird nicht, wie sonst üblich, gegen einen realen oder virtuellen Sternpunkt, sondern verkettet als Summe der Strangspannungen U_X, U_Y, U_Z an den Phasenanschlüssen gemessen. Der Kommutierungszeitpunkt T_U entspricht dann dem Zeitpunkt eines Nulldurchgangs der verketteten Strangspannung und es kann im Unterschied zu dem herkömmlichen Verfahren der Nulldurchgang der verketteten Strangspannung als Umkommutierungszeitpunkt T_U verwendet werden. Somit entfällt die Ungenauigkeit der Bestimmung des Kommutierungszeitpunkts aufgrund einer lediglich geschätzten aktuellen Drehzahl der elektrischen Maschine 2. Instead of the induced voltage, a chained strand voltage is determined, ie the induced voltage is not, as usual, against a real or virtual star point, but chained as the sum of the phase voltages U _X , U _Y , U _Z measured at the phase terminals. The commutation time T _U then corresponds to the time of a zero crossing of the chained strand voltage and it can be used as Umkommutierungszeitpunkt T _U , in contrast to the conventional method, the zero crossing of the chained strand voltage. Thus, the inaccuracy of the determination of the commutation time due to an estimated only current speed of the electric machine 2 ,

Weiterhin erfolgt das Ermitteln der verketteten Strangspannung während des Messzeitfensters 11, d. h. während eines Zeitraums, zu dem keine Ansteuerspannung an den Phasensträngen 21 der elektrischen Maschine 2 angelegt ist. Furthermore, the determination of the chained strand voltage takes place during the measurement time window 11 ie during a period when there is no drive voltage at the phase strings 21 the electric machine 2 is created.

Dadurch ist die so ermittelte verkettete Strangspannung nicht durch die getakteten pulsweitenmodulierten Ansteuerspannungen gestört, so dass auch geringe verkettete Strangspannungen noch zuverlässig und genau detektiert werden können. Dadurch kann eine Nulldurchgangsdetektion auch bei deutlich geringeren Drehzahlen als bisher mithilfe eines entsprechenden Verfahrens durchgeführt werden. As a result, the thus determined chained strand voltage is not disturbed by the clocked pulse-width modulated drive voltages, so that even small chained strand voltages can still be reliably and accurately detected. As a result, zero-crossing detection can be carried out even at significantly lower speeds than hitherto by means of a corresponding method.

Zum Bestimmen der verketteten Strangspannungen müssen während des Messzeitfensters 11 die Phasenspannungen U_U, U_V, U_W an den entsprechenden Phasenanschlüssen gemessen werden. Als Kommutierungsbedingung kann während des Messzeitfensters 11 der Nulldurchgang der verketteten Strangspannung als Summe der Phasenspannungen U_U, U_V, U_W an den Phasenanschlüssen festgestellt oder der Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem zwei der Phasenspannungen U_U, U_V, U_W den gleichen Wert aufweisen. To determine the chained strand voltages must be during the measurement window 11 the phase voltages U _U , U _V , U _W are measured at the corresponding phase terminals. As a commutation condition can during the measurement window 11 the zero crossing of the concatenated phase voltage is determined as the sum of the phase voltages U _U , U _V , U _W at the phase connections or the time is determined at which two of the phase voltages U _U , U _V , U _{W have} the same value.

Claims

Method for the sensorless operation of a multiphase, electronically commutated electrical machine ( 2 ) with phase strands ( 21 ) of a stator winding, wherein the electrical machine ( 2 ) by application of phase voltages (U _U , U _V , U _W ), comprising the following steps: - Providing regular phase voltages (U _U , U _V , U _W ) for application to phase terminals of the electrical machine ( 2 ) according to the scheme of a block commutation, wherein at a Umkommutierungszeitpunkt (T _U ), which is assigned to a specific rotor position, a Umkommutierung is made by a previously energized phase strand ( 21 ) in a de-energized state and a previously de-energized phase strand ( 21 ) is switched to a current-carrying state; - Provision of a measurement time window ( 11 ) before the commutation time (T _U ) during which none of the phase strands ( 21 ) is energized; Monitoring a chained strand voltage within the measurement window ( 11 ) upon the occurrence of a commutation condition; and - performing a re-commutation if the presence of the commutation condition is determined.

The method of claim 1, wherein the concatenated strand voltage is a sum of the phases ( 21 ) Sloping phase voltages (U _X U _Y, U _Z), wherein the monitoring on occurrence of the commutation condition corresponding to a check of a zero crossing of the phase voltage chained or checking for a parity of at least two of the phase voltages.

Method according to claim 1 or 2, wherein the beginning of the measurement time window ( 11 ) is set to a rotor position, which is a certain difference rotor position before the rotor position of the next Umkommutierungszeitpunkts (T _U ).

Method according to one of claims 1 to 3, wherein before the beginning of the measuring time window ( 11 ) the amount of a phase strand ( 21 ) is increased during a period of increase in time (T _H ) applied regular phase voltage (U _U , U _V , U _W ).

The method of claim 4, wherein the difference between the increased amount of the phase voltage and the regular phase voltage (U _U , U _V , U _W ) and / or the increase time duration (T _H ) are selected so that an additional torque is provided, the Reduction of engine torque due to the measuring time window ( 11 ) compensates.

Device, in particular control unit ( 4 ), for the sensorless operation of a multiphase, electronically commutated electrical machine ( 2 ) with phase strands ( 21 ) of a stator winding, wherein the electrical machine ( 2 ) is operable by applying phase voltages (U _U , U _V , U _W ), wherein the device is designed to: - regular phase voltages (U _U , U _V , U _W ) for application to phase connections of the electrical machine ( 2 ) according to the scheme of a block commutation, wherein at a Umkommutierungszeitpunkt (T _U ), which is assigned to a certain rotor position, a Umkommutierung is made by a previously energized phase strand ( 21 ) in a de-energized state and a previously de-energized phase strand ( 21 ) is switched to a current-carrying state; A measurement time window ( 11 ) before the commutation time (T _U ) during which none of the phase strands ( 21 ) is energized; A chained strand voltage within the measurement window ( 11 ) to monitor for the occurrence of a commutation condition; and - perform a re-commutation if the presence of the commutation condition is determined.

Engine system ( 1 ) comprising: a multiphase electronically commutated electric machine ( 2 ); A driver circuit ( 3 ) for providing phase voltages (U _U , U _V , U _W ) to phase terminals of the electric machine ( 2 ); A voltage detector ( 34 ) to detect a chained strand voltage; and a device configured to: drive the driver circuit ( 3 ) to generate regular phase voltages (U _U , U _V , U _W ) for application to phase connections of the electrical machine ( 2 ) according to the scheme of a block commutation, wherein at a Umkommutierungszeitpunkt (T _U ), which is assigned to a certain rotor position, a Umkommutierung is made by each a previously energized phase strand ( 21 ) in a de-energized state and a previously de-energized phase strand ( 21 ) is switched to a current-carrying state; • a measurement time window ( 11 ) before the commutation time (T _U ) during which none of the phase strands ( 21 ) is energized; • the chained strand voltage within the measurement window ( 11 ) to monitor for the occurrence of a commutation condition; and the driver circuit ( 3 ) to re-commutate when the presence of the commutation condition is detected.

Computer program adapted to carry out all steps of the method according to one of Claims 1 to 5.

An electronic storage medium on which a computer program according to claim 8 is stored.

Electronic control unit ( 4 ) comprising an electronic storage medium according to claim 9.