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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Vorkommutierungswinkels einer elektrischen Maschine beim motorischen Betrieb sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen mit permanent- oder fremderregtem Rotor und einer oder mehreren Wicklungen für den Stator, insbesondere Synchronmaschinen, z.B. sog. bürstenlose Gleichstrommotoren, können bspw. über einen Mikrocontroller angesteuert werden, wobei in der Regel Statorströme mittels eines Pulswechselrichters eingestellt werden. Die Rotorposition, welche zur Ansteuerung, insbesondere auch der Kommutierung, der elektrischen Maschine in der Regel erforderlich ist, kann dabei bspw. über die Nulldurchgänge einer sog. Polradpannung ermittelt werden.
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Für einen optimalen Betrieb der elektrischen Maschine ist dabei in der Regel erforderlich, dass sich ein minimal möglicher Strom in der elektrischen Maschine einstellt. Hierzu sollten die innere Spannung der elektrischen Maschine und der zugehörige Motorgrundwellenstrom in Phase liegen. Hierzu ist in der Regel aufgrund der Induktivität der elektrischen Maschine eine zeitlich vorversetzte Ansteuerung der Phasen nötig. Diese Korrektur, welche das nacheilende Verhalten des Motorgrundwellenstroms kompensiert, wird durch den sog. Vorkommutierungswinkel beschrieben.
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Aus der
EP 1 734 648 A1 ist bspw. ein Verfahren zum Kommutieren der Motorphasen eines bürstenlosen und sensorlosen Gleichstrommotors bekannt, bei dem die Ansteuerung der Motorphasen asynchron erfolgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln eines Vorkommutierungswinkels einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln eines Vorkommutierungswinkels beim motorischen Betrieb einer elektrischen Maschine mit permanent- und/oder fremderregtem Rotor und mehreren Wicklungen für einen Stator, insbesondere eine Synchronmaschine. Es kann sich insbesondere um eine dreiphasige elektrische Maschine handeln, jedoch sind auch mehrere Phasen (bzw. Wicklungen), bspw. fünf oder sieben, denkbar. Es wird anhand einer Spannung, die über wenigstens eine der Wicklungen abfällt, eine Dauer einer Kommutierung für den Betrieb der elektrischen Maschine ermittelt. Unter einer Kommutierung ist hierbei ein Wechsel der Ansteuerung der Wicklungen der elektrischen Maschine zu verstehen und unter ihrer Dauer diejenige Dauer, bis der Strom in der einen Wicklung, von der weggeschaltet wird, abgeklungen ist. Unter Berücksichtigung der Dauer der Kommutierung wird dann der Vorkommutierungswinkel ermittelt.
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Ein Vorkommutierungswinkel, welcher in der Regel vom aktuellen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine abhängig ist, kann zwar bspw. durch Vermessung der betreffenden elektrischen Maschine für viele relevante Arbeitspunkte ermittelt und dann bspw. in einer Look-Up-Tabelle hinterlegt werden, jedoch ist dies sehr aufwändig. Es wurde nun erkannt, dass sich auch aus der Dauer der Kommutierung beim Betrieb der elektrischen Maschine ein sehr guter Wert für den Vorkommutierungswinkel ermitteln lässt. Dies ist möglich, da die Dauer der Kommutierung von der Induktivität der Wicklungen abhängt, welche Induktivität ebenfalls für den Vorkommutierungswinkel relevant ist. Insbesondere kann auf diese Weise ein benötigter Vorkommutierungswinkel bei dem aktuellen Arbeitspunkt ermittelt werden. Eine Vielzahl zu ermittelnder und zu hinterlegender Vorkommutierungswinkel für verschiedene Arbeitspunkte ist nicht mehr nötig.
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Vorzugsweise wird die Dauer der Kommutierung anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund einer Kommutierung zwischen den Wicklungen beim Betrieb der elektrischen Maschine auftreten, ermittelt. Die Spannung ist dabei in der Regel in der Grundform sinus- oder trapezförmig und weist somit Nulldurchgänge auf. Diese Nulldurchgänge werden, wie auch der Spannungsverlauf selbst, durch die Drehbewegung des Rotors und die dadurch in den Wicklungen hervorgerufene Induktionsspannung erzeugt. Weiterhin wird dieser Spannungsverlauf jedoch überlagert von ohmschen und induktiven Spannungsabfällen über der Wicklung selbst sowie den Spannungsänderungen, welche aufgrund der Kommutierung in den anderen Wicklungen entstehen. Während der Kommutierung fließt Strom in mehreren Wicklungen. Bei diesen Kommutierungen treten dabei in der Regel auch Spannungswerte auf, die in der Überlagerung mit dem zugrundeliegenden sinus- bzw. trapezförmigen Verlauf zu wenigstens zwei Nulldurchgängen bei einer mechanischen Umdrehung führen, welche sich in aller Regel von den vorher erwähnten Nulldurchgängen aufgrund der Drehbewegung unterscheiden. Solche Nulldurchgänge lassen sich einfach ermitteln und aus deren zeitlichem Abstand kann somit die Dauer der Kommutierung ermittelt werden. Aus der zeitlichen Dauer kann über die Drehzahl der elektrischen Maschine dann auch sehr einfach der zugehörige Winkel ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise wird der Vorkommutierungswinkel als ein zwischen 25% und 75%, insbesondere zwischen 40% und 60%, der Dauer der Kommutierung entsprechender Winkel gewählt. Besonders bevorzugt ist dabei die Hälfte der Dauer der Kommutierung. Es wurde erkannt, dass bei Verwendung dieser Werte, insbesondere bei der Hälfte der Dauer, die Polradspannung und der Motorgrundwellenstrom möglichst genau in Phase liegen. Dies lässt sich bspw. anhand geeigneter Mess- oder Simulationswerten ermitteln. Für eine detaillierte Erläuterung sei an dieser Stelle auf die Figurenbeschreibung verwiesen. Dies führt somit zu einem möglichst geringen Strom in der elektrischen Maschine beim jeweiligen Arbeitspunkt und somit zu einem besonders effektiven Betrieb.
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Es ist von Vorteil, wenn der Vorkommutierungswinkel während des Betriebs der elektrischen Maschine kontinuierlich oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen ermittelt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der im aktuellen Arbeitspunkt optimale Vorkommutierungswinkel ermittelt wird und eingestellt werden kann. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass bspw. nur bei einer Änderung des Arbeitspunktes eine neue Ermittlung des Vorkommutierungswinkels vorgenommen wird.
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Vorzugsweise wird weiterhin anhand der Spannung eine Position des Rotors in Bezug zu dem Stator ermittelt. Zweckmäßigerweise kann dabei die Position des Rotors in Bezug zu dem Stator anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Rotation des Rotors auftritt, ermittelt werden. Auf diese Weise kann sehr einfach, bspw. mit einer hinterlegten Bezugsposition, die Position des Rotors ermittelt werden. Dies ermöglicht eine gezielte Kommutierung bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine. So kann bspw. alle 30° nach einem Nulldurchgang ein Schaltvorgang im Zuge der Kommutierung vorgenommen werden, wenn bspw. eine dreiphasige elektrische Maschine verwendet wird.
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Vorzugsweise wird weiterhin anhand der Spannung eine Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt. Zweckmäßigerweise wird die Drehzahl dabei anhand eines zeitlichen Abstands von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Rotation des Rotors auftreten, ermittelt. Dies ermöglicht eine sehr einfache Ermittlung der Drehzahl. Die Drehzahl kann dabei auch für die Ermittlung der zeitlichen Schaltpunkte im Zuge der Kommutierung herangezogen werden, da die Schaltungen in Bezug auf eine Winkeldifferenz zwischen Rotor und Stator vorgenommen werden müssen.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch und vereinfacht eine elektrische Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann.
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2 zeigt eine idealisierte Bestromung der Wicklungen einer solchen elektrischen Maschine.
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3 zeigt einen Verlauf einer Motorphasenspannung beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.
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4 zeigt einen Verlauf eines Motorphasenstroms beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.
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5 zeigt einen Verlauf eines Motorphasenstroms beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine mit Verwendung eines Vorkommutierungswinkels, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt wurde.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch und vereinfacht eine elektrische Maschine 100 gezeigt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Bei der elektrischen Maschine 100 handelt es sich vorliegend um einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
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Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 110 auf, welcher beispielhaft wiederum drei Wicklungen 111, 112, 113 aufweist. Weiterhin weist die elektrische Maschine 100 einen Rotor 120 auf, welcher bspw. einen Permanentmagneten aufweist. Zu jeder der Wicklungen, welche eine Induktivität aufweisen, ist ein nicht näher bezeichneter ohmscher Widerstand eingezeichnet. Weiterhin sind beispielhaft eine Motorphasenspannung Umot sowie ein Motorphasenstrom Imot. eingezeichnet.
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Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung 180 gezeigt, an die die drei Wicklungen 111, 112, 113 angeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung weist sechs Schalter, bspw. Halbleiterschalter wie Transistoren (z.B. MOSFET, IGBT), auf, mittels welcher die drei Wicklungen bspw. abwechselnd mit positiver und negativer Spannung oder Masse verbunden werden können und von welchen beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 180 bezeichnet ist. Weiterhin ist eine Zwischenkreisspannung UZK gezeigt, welche an der Schaltungsanordnung anliegt. Weiterhin ist jedem der Schalter eine parallel geschaltete Diode zugeordnet, von welchen beispielhaft eine mit dem Bezugszeichen 182 bezeichnet ist. Dies symbolisiert bspw. eine intrinsische Body-Diode oder eine separate Diode für eine Rückwärtsleitfähigkeit (bspw. bei IGBTs).
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Die Schaltungsanordnung 180 und insbesondere die Schalter können hierzu bspw. mittels der Recheneinheit 190 angesteuert werden. Die Funktionsweise einer solchen elektrischen Maschine ist im Übrigen an sich bekannt und soll daher hier nicht weiter erläutert werden.
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In 2 ist eine idealisierte Bestromung der Wicklungen einer elektrischen Maschine, wie sie in 1 dargestellt ist, gezeigt. Hierzu ist ein Strom I über einem Winkel φ des Rotors in Bezug zum Stator für jede der drei Wicklungen aufgetragen. Der Winkel φ kann dabei auch als Produkt der Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors mit der Zeit t, d.h. φ = ωt, gesehen werden.
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Die Ströme in den drei Wicklungen sind hier mit IU, IV und IW für die drei Wicklungen im Sinne von Phasen bezeichnet. Die Bestromung dauert dabei jeweils 120° an und beginnt jeweils 30° nach einem Nulldurchgang der jeweiligen Phasenspannung. Hierbei handelt es sich um eine übliche Bestromung ("Blockkommutierung"), welche durch geeignete Ansteuerung der Schalter, wie sie in 1 gezeigt sind, erfolgen kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass die drei Wicklungen bzw. Phasen symmetrisch verteilt auf dem Stator angeordnet sind.
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In 3 ist in einem Diagramm ein Verlauf einer Motorphasenspannung beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in 1 dargestellt ist, gezeigt. Hierzu ist eine Spannung U über dem Winkel φ aufgetragen. Mit U'mot ist dabei eine Polradspannung eingezeichnet, wie sie durch eine Drehung des Rotors und aufgrund von Induktion in den Wicklungen hervorgerufen wird. Zusätzlich ist eine reale Motorphasenspannung Umot eingezeichnet, die der tatsächlich vorliegenden Spannung entspricht.
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Die Motorphasenspannung Umot entspricht dabei der Polradspannung U'mot, dem ohmschen und induktiven Spannungsabfall über der Wicklung sowie einer überlagerten Spannung aufgrund der Kommutierung der anderen Phasen. So findet bspw. bei den Winkeln φ von 30°, 90°, 150° und 210° eine Kommutierung (hierunter fallen sowohl ein Beginn als auch ein Ende der Bestromung) statt, wie auch der 2 zu entnehmen ist.
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Während der Dauer μ der Kommutierung, d.h. bis der Strom in der einen Wicklung, von der weggeschaltet wird, abgeklungen ist, liegen, je nach Wicklungen, die betrachtet und geschaltet werden, betragsmäßig ein Drittel oder zwei Drittel der Zwischenkreisspannung UZK an, wie dem Verlauf Umot zu entnehmen ist.
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In einem weiteren Diagramm unterhalb des Diagramms mit dem Spannungsverlauf ist ein Vorzeichen V der Motorphasenspannung Umot über dem Winkel φ aufgetragen. Anhand des Vorzeichens V sind die Nulldurchgänge der Motorphasenspannung Umot ermittelbar. Vorliegend treten bei den Winkeln φ1, φ2, φ3 und φ4 Nulldurchgänge auf.
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Die Nulldurchgänge φ1 und φ4 resultieren dabei aus dem Verlauf der Polradspannung U'mot. Daraus lässt sich die Position des Rotors in Bezug zum Stator ermitteln. Die Nulldurchgänge φ2 und φ3 hingegen resultieren aus dem Kommutierungsvorgang. Dabei ist erkennbar, dass der Abstand der beiden Nulldurchgänge φ2 und φ3 genau der Dauer μ der Kommutierung entspricht. Durch Ermittlung der Nulldurchgänge der Motorphasenspannung lässt sich somit die Dauer der Kommutierung ermitteln.
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In 4 ist ein Motorphasenstrom beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in 1 dargestellt ist, gezeigt. Dazu ist ein Strom I über dem Winkel φ aufgetragen. Mit Imot ist hierbei der Verlauf des realen Motorphasenstroms bezeichnet. Zusätzlich sind ein idealisierter Motorphasenstrom I'mot, der sog. Motorgrundwellenstrom und die Polradspannung U'mot, d.h. eine idealisierte Motorphasenspannung, aufgetragen.
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Beim realen Motorphasenstrom Imot ist zu sehen, dass, entsprechend den Kommutierungsvorgängen, wie sie auch aus den 2 und 3 ersichtlich sind, bei Winkeln von 30°, 90°, 150° und 210° und jeweils um eine Dauer μ später eine Änderung im Stromverlauf auftritt. Der zugrundeliegende Motorgrundwellenstrom I'mot jedoch eilt der Polradspannung U'mot nach und zwar um die Hälfte der Dauer μ der Kommutierung.
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Aus den idealisierten Verläufen in 4 ist zu erkennen, dass der Grundwellenstrom der Polradspannung, bei einer Ansteuerung ohne Vorkommutierung, rund der halben Kommutierungsdauer nacheilt. Zur Kompensation der Phasenverschiebung wird der Vorkommutierungswinkel genau zu µ/2 gewählt, wodurch der Grundwellenstrom mittig in die Austastlücke verschoben wird und somit Polradspannung und Grundwellenstrom in Phase sind. Für diesen Betrieb ergibt sich der minimale Motorstrom für einen gegebenen Arbeitspunkt. In der Praxis zeigt sich, dass der Vorkommutierungswinkel ggf. leicht größer gewählt werden sollte als µ/2, um die Polradspannung und den Motorgrundwellenstrom in Phase zu bringen, da der Motorgrundwellenstrom aufgrund ungleicher An- und Abstiegszeiten nicht ganz mittig auf dem realen Motorstromsignal sitzt.
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In 5 ist ein Motorphasenstrom beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in 1 dargestellt ist, mit Verwendung eines Vorkommutierungswinkels, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt wurde, gezeigt. Auch hier ist ein Strom I über dem Winkel φ aufgetragen. Mit Imot ist hierbei der Verlauf des realen Motorphasenstroms bezeichnet. Zusätzlich sind wieder ein idealisierter Motorphasenstrom I'mot, der sog. Motorgrundwellenstrom, und die Polradspannung U'mot, d.h. eine idealisierte Motorphasenspannung, aufgetragen.
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Im Vergleich zu dem in 4 gezeigten Verlauf ist der Motorphasenstrom Imot hier um einen Vorkommutierungswinkel α, der der Hälfte der Dauer μ der Kommutierung entspricht, nach vorne versetzt. Dies kann durch eine entsprechend frühere Ansteuerung der betreffenden Schalter (vgl. 1) erreicht werden. Der zugrundeliegende Motorgrundwellenstrom I'mot liegt nun mit der Polradspannung U'mot in Phase, was zu minimaler Verlustleistung des Umrichters und der elektrischen Maschine für einen gegebenen Arbeitspunkt führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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