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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmaschine, die einen Stator mit Statorspulen und einen Läufer aufweist, der dazu ausgebildet und angeordnet ist, eine Rotationsbewegung oder eine Linearbewegung auszuführen, und die einen Sensor zum Ermitteln einer Iststellung des Läufers aufweist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine dreiphasige Permanentmagnet-Synchronmaschine.
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Für die Regelung einer linearen oder rotativ arbeitenden Permanentmagnet-Synchronmaschine (PMSM) wird zumeist ein Sensor zur Stellungsmessung, insbesondere für eine Positions- oder Winkelmessung, verwendet. Die Kenntnis der genauen Stellung des Läufers ist wichtig, um die Permanentmagnet-Synchronmaschine effektiv steuern zu können. In der Regel stimmt beispielsweise eine Nullposition der Sensormessung nicht mit der Nullposition des Magnetfeldes der Maschine überein. Diese Abweichung ist konstant und muss vorab in Form eines Kalibrationswertes bestimmt werden, um die Maschine präzise regeln und kommutieren zu können.
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Aus
DE 10 2006 031 453 ist ein elektrischer Motor und ein Verfahren zur Bestimmung einer Relativposition eines Läufers zu einem Stator des Motors bekannt, bei dem der Läufer durch ein Erregerfeld angetrieben wird, das von Erregerwicklungen des Stators erzeugt wird, wobei der Läufer durch das Erregerfeld zu einer Schwingungsbewegung angeregt wird, deren Verlauf durch eine Positionsmesseinrichtung zur Messung von Positionen des Läufers erfasst und zur Ermittlung der Relativposition ausgewertet wird. Das Verfahren beinhaltet den Schritt des Vorgebens eines Sollwertsignals für eine Sollschwingung an eine Kommutierungseinrichtung zur Bestromung der Erregerwicklungen. Es folgt ein Verändern eines Vorgabe-Kommutierungsoffsetwerts bei der Kommutierungseinrichtung innerhalb eines Wertebereichs, der im Wesentlichen einem Abstand zweier benachbarter Pole des Läufers entspricht, wobei der Vorgabe-Kommutierungsoffsetwert eine angenommene Relativposition zu mindestens einer Erregerwicklung des Stators definiert. Als weitere Schritte folgen ein Bestromen der Erregerwicklungen anhand des jeweiligen Vorgabe-Kommutierungsoffsetwerts und des Soll-Wertsignals, so dass der Läufer zu einer dem Sollwertsignal entsprechenden Schwingungsbewegung angetrieben wird, und ein Ermitteln mindestens eines Ist-Kommutierungsoffsetwerts, bei dem die Schwingungsamplitude der Schwingungsbewegung im Bereich ihres Maximums ist.
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Aus
DE 102 13 375 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Kommutierungsoffsets aus der Abweichung der tatsächlichen Position des Läufers einer Synchronmaschine von einem steuerungsinternen Kommutierungswinkel, der aus einem Positionssignal abgeleitet wird, das von einer die Läuferposition erfassenden Positionsmesseinrichtung abgegeben wird, die mit dem Läufer und dem Ständer der Synchronmaschine und mit einer numerischen Steuerung verbunden ist, die über ein Leistungsteil die Synchronmaschine ansteuert und einen Stromregler enthält, dessen Eingang mit der Differenz eines Strom-Sollwertes und eines am Ausgang des Leistungsteils erfassten Strom-Istwertes beaufschlagt ist, und dessen Ausgang eine Regler-Ausgangsspannung inverse Spannung an das Leistungsteil abgibt, bekannt. Es werden der Strom-Sollwert auf Null gesetzt, der Läufer und/oder der Ständer der Synchronmaschine relativ zueinander bewegt, der Verlauf der von der Regeleinrichtung an das Leistungsteil abgegebenen Regler-Ausgangsspannung inverse Spannung erfasst und mit dem Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels verglichen. Außerdem wird aus dem Vergleich des Verlaufs der Regler-Ausgangsspannung mit dem Verlauf des steuerungsinternen Kommutierungswinkels die Phasenabweichung bzw. der Kommutierungsoffset bestimmt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren sind sehr aufwendig und erreichen oftmals nicht die erforderliche Präzision, um eine Synchronmaschine effektiv und effizient steuern zu können.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Kalibrieren einer dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmaschine anzugeben, das es ermöglicht, auf einfache Weise zuverlässig einen genauen Kalibrationswert zu ermitteln.
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Das Verfahren ist durch folgende Reihenfolge von Verfahrensschritten gekennzeichnet:
- a. Bewegen des Läufers in eine erste Vorabstellung,
- b. Anlegen eines vorgegebenen oder vorgebbaren Spannungszeigers, dem eine von der Vorabstellung verschiedene Sollstellung des Läufers zugeordnet ist, so dass sich der Läufer aus der Vorabstellung in Richtung auf die Sollstellung zu bewegt,
- c. Messen einer ersten Iststellung des Läufers nachdem er zum Stillstand gekommen ist mit dem Sensor,
- d. Bewegen des Läufers in eine zweite, von der ersten Vorabstellung verschiedene Vorabstellung, die derart gewählt wird, dass sich der Läufer bei erneutem Anlegen des Spannungszeigers in entgegengesetzter Richtung auf die Sollstellung zu bewegt,
- e. Anlegen desselben Spannungszeigers
- f. Messen einer zweiten Iststellung des Läufers nachdem er zum Stillstand gekommen ist mit dem Sensor, und
- g. Errechnen eines Kalibrationswertes aus der Sollstellung und den gemessenen Iststellungen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte dreiphasige Permanentmagnet-Synchronmaschine anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine dreiphasige Permanentmagnet-Synchronmaschine gelöst, die, vorzugsweise selbsttätig, in der Lage ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen und/oder eine dreiphasige Permanentmagnet-Synchronmaschine, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kalibriert ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass mit geringem Aufwand ein Kalibrationswert sehr schnell, sehr genau und reproduzierbar bestimmt werden kann. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne zusätzliche Komponenten ausgeführt werden. Vielmehr genügen ausschließlich die Bauteile zum Ermitteln eines Kalibrationswertes, die bei einer Permanentmagnet-Synchronmaschine ohnehin vorhanden sind. Zumeist reicht es schlicht aus, die Steuerungssoftware zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszulegen.
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Unter einem Spannungszeiger wird im Sinne dieser Anmeldung ein Vektor verstanden, der an die Statorspulen angelegte oder anzulegende Spannungen und deren Phasenbeziehung zueinander beschreibt. Hierbei gehört zu jedem Spannungszeiger eine bestimmte Stellung des Läufers.
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Insbesondere ist es durch die Erfindung vorteilhaft ermöglicht, dass eine Steuerungsvorrichtung der Permanentmagnet-Synchronmaschine eigenständig eine Kalibration gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vornimmt. Dies beispielsweise automatisch, sobald die Permanentmagnet-Synchronmaschine eingeschaltet wird oder wenn, beispielsweise nach einer Reparatur, Veränderungen vorgenommen wurden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft unabhängig davon zum Einsatz kommen, welcher Art die Permanentmagnet-Synchronmaschine ist. Die Permanentmagnet-Synchronmaschine kann beispielsweise ein Motor, der eine Rotationsbewegung einer Abtriebswelle bewirkt, sein. Es ist alternativ auch möglich, dass der Läufer der Permanentmagnet-Synchronmaschine eine Linearbewegung ausführt. Der Läufer kann ein Innenläufer oder auch ein Außenläufer sein. Ebenso wenig limitieren die Anzahl oder die Form oder die Anordnung der Permanentmagnete oder Statorspulen oder die Art der Verschaltung der Statorspulen die Einsetzbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft auch bei Permanentmagnet-Synchronmaschinen eingesetzt werden, die Bauartbedingt nur kleine Bewegungen (Beispielsweise lediglich +/–90 Grad elektrisch) ausführen können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den ganz besonderen Vorteil, dass es auch bei belasteten, insbesondere reibungsbelasteten Systemen sehr gute Ergebnisse liefert. Insbesondere kommen hierbei beispielsweise Systeme in Betracht, die durch die Lagerung des Läufers und/oder durch Dichtungen und/oder durch sonstige mit dem Läufer verbundene Baueinheiten, wie beispielsweise Getriebe, belastet, insbesondere reibungsbelastet, sind. Dies insbesondere dann, wenn der die Permanentmagnet-Synchronmaschine einen als Rotor ausgebildeten Läufer aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat außerdem den ganz besonderen Vorteil, dass sich Asymmetrien und Toleranzen der Permanentmagnet-Synchronmaschine, insbesondere Asymmetrien und Toleranzen der Permanentmagnete, bei der Ermittlung eines Kalibrationswertes nicht oder nur unwesentlich auswirken.
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Diese Vorteile werden erfindungsgemäß insbesondere dadurch erreicht, dass der Läufer für unterschiedliche Messungen der Iststellung jeweils aus entgegengesetzten Richtungen in die Sollstellung überführt wird. Durch diese entgegensetzte Symmetrie beim jeweiligen Einstellen der Sollstellung, werden insbesondere reibungsbedingte Fehlmessungen vermieden. Bei einer besonders genauen Ausführung ist das Prinzip der entgegengesetzten Symmetrie zusätzlich durch die abgestimmte Wahl der Vorabstellungen verwirklicht. Vorzugsweise werden die erste Vorabstellung und die zweite Vorabstellung symmetrisch um die Sollstellung gewählt, so dass der Weg des Läufers von der ersten Vorabstellung zur Sollstellung genauso weit ist, wie der Weg des Läufers von der zweiten Vorabstellung zur Sollstellung.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich die oben genannten Verfahrensschritte a bis f für wenigstens eine weitere Sollstellung wiederholt werden und der Kalibrationswert aus der Sollstellung, der wenigstens einen weiteren Sollstellung und den gemessenen Iststellungen errechnet wird. Hierzu gibt es vorzugsweise für jede weitere Sollstellung zumindest zwei unterschiedliche, weitere vorgegebene oder vorgebbare Vorabstellungen, um zu gewährleisten, dass der Läufer für die jeweiligen Messungen der Iststellung jeweils aus entgegengesetzten Richtungen in die weitere Sollstellung überführt wird.
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Es ist beispielsweise möglich, die Sollstellung zunächst aus unterschiedlichen Richtungen einzustellen und die jeweiligen Istwerte zu messen, bevor die weitere Sollstellung aus unterschiedlichen Richtungen eingestellt wird, um die weiteren Iststellungen zu messen.
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Es ist jedoch auch möglich, die Sollstellungen zunächst nacheinander jeweils aus derselben Richtung kommend einzustellen, um erste Iststellungen zu ermitteln und anschließend dieselben Sollstellungen aus der entgegengesetzten Richtung kommend einzustellen, um zweite Iststellungen zu ermitteln. Insoweit kann insbesondere vorgesehen sein, dass zunächst nacheinander jeweils die oben genannten Verfahrensschritte a bis c für die Sollstellung und die wenigstens eine weitere Sollstellung ausgeführt werden und anschließend jeweils die Verfahrensschritte d bis f für die Sollstellung und die wenigstens eine weitere Sollstellung ausgeführt werden, bevor der Kalibrationswert aus der Sollstellung, der wenigstens einen weiteren Sollstellung und den gemessenen Iststellungen errechnet wird.
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Hierbei kann vorteilhaft insbesondere vorgesehen sein, dass eine Vorabstellung für eine Messung an einer weiteren Sollstellung der Sollstellung der vorherigen Messung entspricht. Beispielsweise kann zur Ausführung des Verfahrens ein Rotor einer Permanentmagnet-Synchronmaschine durch Anlegen der entsprechenden Spannungszeiger zunächst beispielsweise im Uhrzeigersinn von Sollstellung zu Sollstellung gedreht werden, wobei jeweils erste Iststellungen gemessen werden, und anschließend, wieder durch Anlegen der entsprechenden Spannungszeiger, gegen den Uhrzeigersinn von Sollstellung zu Sollstellung. Auf diese Weise wird jede Sollstellung des Rotors aus beiden Richtungen kommend eingestellt und jeweils die Iststellungen gemessen.
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Um negative Einflüsse durch analoges oder digitales Rauschen des Sensors zu verringern, ist bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung vorgesehen, dass das Messsignal des Sensors jeweils über einen vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitraum aufgenommen wird und zur Feststellung des jeweiligen Istwertes eine zeitliche Mittelung des Messsignals vorgenommen wird.
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Vorzugsweise werden die Vorabstellungen des Läufers jeweils durch Anlegen eines der jeweiligen Vorabstellung zugeordneten Vorabstellungs-Spannungszeiger eingestellt. Allerdings kann der Läufer alternativ auch auf andere Weise, beispielsweise durch äußere Kraft- oder Drehmomenteinwirkung, in die jeweilige Vorabstellung bewegt werden.
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Vorzugsweise beinhaltet das Errechnen des Kalibrationswertes die Bildung von Differenzwerten jeweils zwischen der Sollstellung und den Iststellungen. Wenn mehrere unterschiedliche Sollstellungen eingestellt werden, um jeweils Iststellungen zu messen, beinhaltet das Errechnen des Kalibrationswertes die Bildung von Differenzwerten jeweils zwischen der Sollstellung und den Iststellungen und zwischen der wenigstens einen weiteren Sollstellung und den dazugehörigen Iststellungen. Das Errechnen des Kalibrationswertes kann insbesondere die Bildung eines arithmetischen Mittelwertes aus den errechneten Differenzwerten beinhalten.
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Der ermittelte Kalibrationswert kann vorteilhaft bei der Kommutierung der dreiphasigen Permanentmagnet-Synchronmaschine berücksichtigt werden, was eine hohe Effizienz und Leistungsfähigkeit der Permanentmagnet-Synchronmaschine gewährleistet.
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Von besonderem Vorteil ist eine dreiphasige Permanentmagnet-Synchronmaschine, die eine Steuerungsvorrichtung zum, insbesondere automatischen, Steuern der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Insbesondere kann die Steuerungsvorrichtung, alternativ oder zusätzlich, auch dazu ausgebildet sein, die Permanentmagnet-Synchronmaschine, insbesondere bei der Steuerung der Kommutierung der Statorspulen, zu steuern und hierbei einen zuvor ermittelten und vorzugsweise in einem Speicher abgelegten Kalibrationswert bei der Auswertung der Signale des Sensors zu berücksichtigen.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleich wirkende Elemente zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
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1 zeigt schematisch eine Permanentmagnet-Synchronmaschine mit einem drei Statorspulen 1, 2, 3 aufweisenden Stator 4 und mit einem Rotor 5, der in diesem Ausführungsbeispiel ein einziges Permanentmagnet-Polpaar mit einem Nordpol 6 und einem Südpol 7 aufweist, zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Permanentmagnet-Synchronmaschine weist außerdem einen Sensor zum Ermitteln einer Iststellung 15 des Rotors auf, wobei der Sensor der besseren Übersicht halber nicht eingezeichnet ist. Der Rotor 5 ist drehfest mit einer Rotorwelle 8 verbunden, die als Abtriebswelle der Permanentmagnet-Synchronmaschine fungiert. Zwischen dem Rotor 5 und dem Stator 4 befindet sich ein Luftspalt 9. Dem Stator ist in der Figur ein statorfestes Koordiantensystem 10 zugeordnet, wobei der mit Bezugszeichen 16 versehene Pfeil eine Rotor-Null-Position 16 (αelektrisch = 0° = 360°) markiert.
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Vor Ausführung des Verfahrens befindet sich der Rotor 5 der Permanentmagnet-Synchronmaschine im Allgemeinen in einer beliebigen Stellung. Vorzugsweise durch Anlegen eines ersten Vorabstellungs-Spannungszeigers wird der Rotor 5 in eine vorgegebene oder vorgebbare Vorabstellung (nicht eingezeichnet) gedreht, die bereits einer der Sollstellungen entsprechen kann.
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Durch Anlegen eines in Betrag und Richtung definierten Spannungszeigers 12 und anschließendes Anlegen weiterer Spannungszeiger wird der Rotor 5 der Permanentmagnet-Synchronmaschine nacheinander in definierte elektrische Stellungen der Reihe nach ausgerichtet.
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Beginnend mit einer Vorabausrichtung wird sichergestellt, dass sich der Rotor 5 stets aus einer definierten Richtung seiner jeweiligen Sollstellung nähert. Dies ist wichtig, um insbesondere Fehler infolge von Reibung zu vermeiden oder wenigstens zu minimieren. Nach der Vorabausrichtung wird der Rotor 5 der Reihe nach jeweils um 90° elektrisch weiterbewegt. In jeder Sollstellung (0°, 90°, 180°, 270°) werden Istwerte gemessen. Dies wird in beide Drehrichtungen durchgeführt, so dass sich Fehler infolge von Reibungseffekten zumindest minimieren. Beispielsweise können für jede Sollstellung zwei Korrekturwerte (für jede Drehrichtung einer) durch Differenzbildung jeweils zwischen der Sollstellung und der Iststellung errechnet werden und am Ende über alle Korrekturwerte zur Ermittlung eines Gesamt-Korrekturwertes gemittelt werden.
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Durch das Anfahren mehrerer elektrischer Sollstellungen (bei mehreren Polpaaren kann dies auch über mehrere elektrische Umdrehungen durchgeführt werden, um zumindest eine volle mechanische Umdrehung zu erreichen) werden Fehler infolge von Asymmetrien der Permanentmagnet-Synchronmaschine zumindest verringert. In jeder Sollstellung wird vorzugsweise außerdem eine zeitliche Mittelung des Sensorsignals durchgeführt, so dass sich negative Einflüsse durch analoges und/oder digitales Rauschen minimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006031453 [0004]
- DE 10213375 A1 [0005]
