DE102016211153A1

DE102016211153A1 - Ansteuern eines Haushaltsgeräte-Motors

Info

Publication number: DE102016211153A1
Application number: DE102016211153.1A
Authority: DE
Inventors: Hasan Gökcer Albayrak; Christian Brixner; Patrick Deckert; Jörg Skrippek
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Ein Verfahren dient zum Ansteuern eines Haushaltsgeräte-Motors (M) mit geberloser Drehzahlregelung, bei dem der Motor (M) im Anlauf in einer Steuerungsphase (OL) mit einem vorgegebenen Verlauf einer Winkelgeschwindigkeit (ωRamp) eines Rotors und einem vorgegebenen Verlauf eines Rotorwinkels (θRamp) gesteuert betrieben wird, dann der Motor (M) in einer folgenden Übergangsphase (MP) die vorgegebene Winkelgeschwindigkeit (ωRamp) und der vorgegebene Rotorwinkel (θRamp) an mittels eines Beobachters (9) rekonstruierte Werte (θOBS, ωOBS) für einen stetigen Übergang in eine folgende drehzahlgeregelte Regelungsphase (CL) angepasst werden und dann der Motor (M) in die drehzahlgeregelte Regelungsphase (CL) übergeleitet wird, wobei in der Steuerungsphase (OL) ein mittlerer Winkelfehler (θerravg) aus einer Mittelung von zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten einzelnen Winkelfehlern (θerr) zwischen einem gesteuerten Rotorwinkel (θRamp) und einem mittels des Beobachters (9) rekonstruierten Rotorwinkels (θOBS) bestimmt wird. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf ein Ansteuern von Motoren zum Drehen einer Wäschetrommel eines Wäschepflegegeräts oder zum Antreiben einer Pumpe, z.B. einer Kondensatpumpe, einer Laugenpumpe, einer Abwasserpumpe usw.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Haushaltsgeräte-Motors mit geberloser Drehzahlregelung, bei dem der Motor in einer Steuerungsphase im Anlauf mit einem vorgegebenen Verlauf einer Winkelgeschwindigkeit eines Rotors und einem vorgegebenen Verlauf eines Rotorwinkels betrieben wird, dann in einer anschließenden Übergangsphase die vorgegebene Winkelgeschwindigkeit und der vorgegebene Rotorwinkel an mittels eines Beobachters rekonstruierte Werte für die Winkelgeschwindigkeit und den Rotorwinkel für einen stetigen Übergang in eine folgende Regelungsphase angepasst und folgend der Motor in die drehzahlgeregelte Regelungsphase übergeht. Die Erfindung betrifft auch ein Haushalts-Wäschepflegegerät, das einen Motor und eine Steuereinrichtung zum Betreiben des Motors aufweist, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf ein Ansteuern von Motoren zum Drehen einer Wäschetrommel eines Wäschepflegegeräts oder zum Antreiben einer Pumpe, z.B. einer Kondensatpumpe, einer Laugenpumpe, einer Abwasserpumpe usw.
Gewünscht ist ein stetiges Anfahren eines Haushaltsgeräte-Motors, z.B. eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit geberloser Drehzahlregelung vom Stillstand auf eine gewünschte Enddrehzahl. Verfahrensbedingt liefert eine sensorlose Drehzahlschätzung (auch als "Beobachter" oder "Observer" bezeichnet) ohne initiale Lageerkennung jedoch erst ab einer vorgegebenen Mindestdrehzahl eine verwertbare Winkelgeschwindigkeit. Folglich muss der Motor bis zum Erreichen dieser Mindestdrehzahl gesteuert betrieben werden (auch als Steuerungsphase oder "Open Loop" bezeichnet), und geht anschließend in den drehzahlgeregelten Betrieb (auch als Regelungsphase oder "Closed Loop" bezeichnet) über. Dieser Übergang sollte stetig erfolgen, wozu eine Übergangsphase (auch als "Merge" bezeichnet) vorgesehen ist.
In dem Referenz-Handbuch der Firma NXP Semiconductors, Niederlande: "Sensorless PMSM Control for an H-axis Washing Machine Drive", ist auf Seite 3–30, 10, ein Übersichtsblockbild einer Motorregelung eines Haushaltsgeräte-Motors mit geberloser Drehzahlregelung dargestellt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere einen verbesserten Übergang zwischen der Steuerungsphase und der Regelungsphase bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Ansteuern eines Haushaltsgeräte-Motors mit geberloser Drehzahlregelung, bei dem der Motor in einer Steuerungsphase im Anlauf mit einem vorgegebenen Verlauf einer Winkelgeschwindigkeit eines Rotors und einem vorgegebenen Verlauf eines Rotorwinkels betrieben wird. In einer anschließenden Übergangsphase werden die vorgegebene Winkelgeschwindigkeit und der vorgegebene Rotorwinkel an mittels eines Beobachters rekonstruierte Werte für die Winkelgeschwindigkeit und den Rotorwinkel für einen stetigen Übergang in die Regelungsphase angepasst, wobei in der Steuerungsphase ein mittlerer Winkelfehler aus einer Mittelung von zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten "einzelnen" Winkelfehlern zwischen einem gesteuerten Rotorwinkel und einem mittels des Beobachters rekonstruierten Rotorwinkels bestimmt wird.
Die Nutzung des mittleren Winkelfehlers ergibt den Vorteil, dass ein hochgradig stetiger und robuster Übergang vom gesteuerten in den geregelten Betrieb bzw. von der Steuerungsphase in die Regelungsphase für den gesamten Arbeits-/Lastbereich ermöglicht wird. Dabei wird ausgenutzt, dass der mittlere Winkelfehler direkt proportional zu der an dem Motor anliegenden Last bzw. dem zugehörigen Lastmoment ist und damit auch zu dem drehmomentbildenden Motorstrom Iq. Die Berücksichtigung einer solchen "Lasterkennung" gibt einen zusätzlichen Anhaltspunkt, wie der Motor besonders effizient betreibbar ist.
Das Verfahren zum Ansteuern eines Motors im Anlauf kann als ein Verfahren zum Anfahren des Motors angesehen werden.
In der Steuerungsphase werden also die Drehzahl f_rot des Rotors sowie der Rotorwinkel θ gesteuert vorgeben. Anstelle der Drehzahl f_rot kann synonym die Winkelgeschwindigkeit ω = 2·π·f_rot des Rotors verwendet werden.
In der Regelungsphase wird die Winkel- und Drehzahlschätzung mittels eines Beobachters durchgeführt. Unter einem Beobachter kann insbesondere ein System verstanden werden, das aus bekannten Eingangsgrößen (z. B. Stellgrößen oder messbaren Störgrößen) und Ausgangsgrößen (Messgrößen) eines beobachteten Referenzsystems nicht messbare Größen (Zustände) rekonstruiert. Dazu bildet er das beobachtete Referenzsystem als Modell nach und führt mit einem Regler die messbaren, und deshalb mit dem Referenzsystem vergleichbaren Zustandsgrößen aufgrund von Modellabweichungen nach. Der Beobachter kann z.B. ein Luenberger-Beobachter sein.
Der mittlere Winkelfehler θ_erravg ist insbesondere ein aus einer Zeitreihe von n einzeln bestimmten Winkelfehlern θ_err,i arithmetisch gemittelter Wert, der z.B. gemäß θ_erravg = ¹/_nΣ n / i=1θ_err,i berechnet werden kann. Dabei lässt sich ein einzelner Winkelfehler θ_err z.B. gemäß θ_err(t) = θ_OBS(t) – θ_SET(t) als eine Differenz aus dem rekonstruierten Rotorwinkel θ_OBS des Beobachters und dem gesteuerten Rotorwinkel θ_SET berechnen.
Über die Proportionalität zwischen dem mittleren Winkelfehler θ_erravg und einem zugehörigen Lastmoment M_Last kann ein benötigtes Drehmoment berechnet werden, welches als drehmomentbildender Motorstrom I_q in den Motor eingeprägt wird. Hierzu konvergiert der Motorstrom I_q von seinem Ausgangswert auf den berechneten Wert.
Zweck der Übergangsphase ist ein Angleichen des gesteuerten Rotorwinkels θ_SET und der gesteuerten Winkelgeschwindigkeit ω_SET an die rekonstruierten Größen, die der Beobachter ausgibt. Hierfür werden die gesteuerten Größen in Richtung der rekonstruierten Werte innerhalb einer definierten Übergangszeit mit einer drehzahlabhängigen Wichtung f_ωgesteuert nachgeführt, so dass der Winkelfehler θ_err und der Fehler der Winkelgeschwindigkeit ω_err zu Null werden, z.B. gemäß θ_aktuell(t) = θ_OBS(t) – (1 – f_{ωgesteuert(n)})·θ_err1 und ω_aktuell(t) = ω_OBS(t)·f_{ωgesteuert(n)} + (1 – f_{ωgesteuert(n)})·ω_SET(t), wobei θ_aktuell und ω_aktuell Momentanwerte der Übergangsphase sind. Die Wichtung f_ωgesteuert steigt von Null zu Beginn der Übergangsphase bis 1 gegen Ende der Übergangsphase an. Nach Abschluss dieser Übergangsphase erfolgt der Übergang in den geregelten Betrieb.
Es ist eine Ausgestaltung, dass aus dem mittleren Winkelfehler θ_erravg ein Eingangswert eines Drehmoment-Parameters oder Drehmomentäquivalents für die Übergangsphase bestimmt wird, dann das Drehmomentäquivalent auf den zuvor bestimmten Eingangswert überführt wird und anschließend der Motor in die Übergangsphase übergeht bzw. übergeleitet wird, wobei der Eingangswert so bestimmt wird, dass am Ende der Übergangsphase das Drehmomentäquivalent einem Lastmoment der folgenden Regelungsphase entspricht. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das beim Übergang zur Regelungsphase erzeugte Drehmoment mit hoher Genauigkeit zu dem angeschlossenen Lastmoment passt. Dadurch wiederum ist der Übergang in den geregelten Betrieb in allen Arbeitspunkten stetig, was ohne diese "Lasterkennung" lediglich für einen Arbeitspunkt der Fall wäre.
Ein drehmomentbildender Strom Iq kann als Drehmomentäquivalent bzw. als Drehmoment-Parameter verstanden werden. Das Drehmoment braucht also nicht explizit bestimmt zu werden, kann es aber.
Wird, was grundsätzlich möglich ist, auf die Übergangsphase verzichtet, kann das Drehmomentäquivalent direkt auf das Drehmomentäquivalent der folgenden Regelungsphase eingestellt oder angepasst werden.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Steuerungsphase einen Rücksetzabschnitt (auch als "Reset Time" bezeichnet) und einen sich anschließenden Einschwingabschnitt (auch als "Settle Time" bezeichnet) für den Beobachter aufweist und der mittlere Winkelfehler in dem Einschwingabschnitt bestimmt wird. Dies ergibt den Vorteil, dass der mittlere Winkelfehler nicht durch Einschwingfehler zu Beginn eines Drehvorgangs des Rotors beeinträchtigt ist.
Dem Rücksetzabschnitt – oder allgemein der Steuerungsphase – kann ein Ausrichtungsabschnitt (auch als "Alignment" bezeichnet) vorgeschaltet sein, in dem der Rotor auf einen vorgegebenen Startwinkel hin ausgerichtet wird. Hierbei kann jeder beliebige Startwinkel gewählt werden. Je größer jedoch der Unterschied zwischen dem tatsächlichen Startwinkel und dem gesteuertem Startwinkel ist, desto stärker ist die Auslenkung des Rotors in Richtung des gesteuerten Startwinkels. Dies ist auch als "Rucken" des Rotors zu beobachten. Ist der Rotor ausgerichtet, wird er in der folgenden Steuerungsphase mit Hilfe des gesteuerten Rotorwinkels und des vordefinierten Drehzahlgradienten durch ein eingeprägtes Drehfeld beschleunigt. Dabei werden der Drehzahlgradient und der drehmomentbildende Motorstrom Iq vorteilhafterweise so gewählt, dass eine Kommutierung in allen Lastfällen erhalten bleibt.
Nach dem Ausrichten des Rotors kann es nach Einprägen eines Drehfeldes bei kleinen Lastmomenten zu großen Winkelfehlern zwischen einem tatsächlichem Startwinkel und einem gesteuertem Startwinkel kommen und dadurch zu einem anfänglich gestörten Einschwingvorgang. Dieser Umstand wird durch das sog. Rücksetzen des Beobachters für einen vorgegebenen Zeitabschnitt ("Rücksetzabschnitt") berücksichtigt, in dem der Beobachter kontinuierlich neu initialisiert wird. So wird ein sicheres Einschwingen gewährleistet. Der Beobachter wird also erst in einem sich dem Rücksetzabschnitt anschließenden Einschwingabschnitt aktiviert, in dem diese Störung praktisch nicht mehr auftritt.
Der Übergang des Rücksetzabschnitts in den Einschwingabschnitt – und damit die Beurteilung eines erfolgreichen, praktisch störungsfreien Einschwingens – kann beispielsweise mit Erreichen einer vorgegebenen gesteuerten Drehzahl, erfolgen.
Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass dem Motor in der Steuerungsphase zumindest anfänglich ein drehmomentbildender Motorstromstrom Iq mit einem maximalen Spitzenwert Iqmax eingeprägt wird, um vorteilhafterweise ein maximales Drehmoment bereitzustellen und damit die Kommutierung in allen Lastfällen zu erhalten. Zusätzlich wird vorteilhafterweise eine definierte Stellreserve (z.B. von 0,5 A) für einen Drehzahlregler vorgehalten. Mit steigender Drehzahl kann der Motorstromstrom Iq ausgehend von dem Maximalwert Iqmax bereits in der Steuerungsphase wieder verringert werden, z.B. von 6,5 A auf 6,0 A.
Die einzelnen Winkelfehler θ_err folgen typischerweise einem zeitlich periodischen Verlauf mit einer gegebenen Periodendauer folgen, d.h., dass der zeitliche Verlauf der einzelnen Winkelfehler θ_err eine periodische, insbesondere sinusförmige, Form aufweisen kann.
Es ist eine weitere Ausgestaltung, dass der Einschwingabschnitt mindestens doppelt so lange dauert bzw. gewählt wird wie eine Periodendauer des Verlaufs der einzelnen Winkelfehler θ_err und der mittlere Winkelfehler θ_erravg frühestens ab Beginn einer zweiten Periode während des Einschwingabschnitts bestimmt wird. Es wird also zumindest eine Periode des Winkelfehlers θ_err abgewartet, bevor mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Werte einzelner Winkelfehler θ_err zur Mittelung herangezogen werden. Dies ermöglicht eine besonders genaue Bestimmung des mittleren Winkelfehlers θ_erravg. Es ist eine Weiterbildung, dass der Einschwingabschnitt genau zwei volle Perioden des Winkelfehlers θ_err umfasst. Der mittlere Winkelfehler θ_erravg kann während der zweiten Periode bestimmt werden, insbesondere wie bereits oben beschrieben als arithmetischer Mittelwert.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass der Motor ein dreiphasiger Motor ist, insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor. Jedoch können auch andere Arten von Motoren mittels dieses Verfahrens betrieben werden, insbesondere angefahren werden.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass der Motor ein Antriebsmotor einer drehbaren Wäschetrommel eines Haushalts-Wäschepflegegeräts ist. Das Haushalts-Wäschepflegegerät kann dann z.B. eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner oder eine kombinierte Wasch-/Trocknungs-Maschine (Waschtrockner) sein. Das Verfahren ist hierbei aufgrund der häufig wechselnden Lasten besonders vorteilhaft einsetzbar.
Es ist eine alternative Weiterbildung, dass der Motor ein Antrieb einer Pumpe ist. Die Pumpe kann eine Kondensatpumpe, eine Abwasserpumpe, eine Laugenpumpe usw. sein. Das Haushalts-Wäschepflegegerät kann dann z.B. eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner, eine kombinierte Wasch-/Trocknungs-Maschine (Waschtrockner), ein Geschirrspüler usw. sein.
Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass während eines Wäschebehandlungsablaufs (z.B. ein Waschgang oder ein Trocknungsgang) mehrere Trommeldrehungs-Vorgänge oder Trommeldrehungen mit jeweils einem Anfahrvorgang durchgeführt werden. Dem Motor wird aber nur in mindestens einer anfänglichen Trommeldrehung bzw. bei einem Anfahrvorgang in der Steuerungsphase ein drehmomentbildender Motorstromstrom Iq mit einem maximalen Spitzenwert Iqmax eingeprägt, während bei einer folgenden Trommeldrehung bzw. einem folgenden Anfahrvorgang dem Motor in der Steuerungsphase ein drehmomentbildender Motorstromstrom Iq mit einem geringeren Spitzenwert eingeprägt werden kann. Dabei wird ausgenutzt, dass sich die erkannte Last zwischen zwei aufeinanderfolgenden Trommeldrehungen typischerweise nur wenig unterscheidet und daher bereits ausreichend genau bekannt ist, ob die Wäschetrommel den maximalen Spitzenwert Iqmax des drehmomentbildenden Motorstromstroms Iq zum Erhalt der Kommutierung benötigt, oder nicht. Durch diese Ausgestaltung kann Energie gespart werden, die sonst durch ein unnötig hohes anfängliches Einprägen des Motorstromstroms Iq verschwendet werden würde. Unter einer Trommeldrehung kann ein Drehvorgang des Motors vom Anfahren bis Stoppen verstanden werden. Eine Trommeldrehung kann einen teilweisen Umlauf, einen vollständigen Umlauf oder mehrere Umläufe der Wäschetrommel umfassen. Solche Trommeldrehungen können beispielsweise ein Drehen einer Wäschetrommel zum Umwälzen von Wäsche während eines Waschgangs, ein Drehen einer Wäschetrommel zum Schleudern von Wäsche, ein Drehen einer Wäschetrommel zum Entknittern von getrockneter Wäsche usw. umfassen. Solche Trommeldrehungen können wenige Sekunden bis mehrere Minuten andauern. Aufeinanderfolgende Trommeldrehungen können sich in ihrer Drehrichtung unterscheiden, dies kann auch als Reversieren der Trommel oder Trommeldrehung bezeichnet werden.
Es ist eine Weiterbildung, dass der geringere Spitzenwert dem Eingangswert des drehmomentbildenden Motorstroms Iq für die Übergangsphase entspricht. Es ist eine alternative Weiterbildung, dass der geringere Spitzenwert dem Eingangswert der Phasenstromamplitude für die Übergangsphase zuzüglich einer vorgegebenen Stellreserve (z.B. von 0,5 A) entspricht.
Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass aus dem mittleren Winkelfehler eine Beladung der Wäschetrommel bestimmt wird. Dies ermöglicht mit geringem Zusatzaufwand eine genaue Bestimmung der Beladung ohne einen zusätzlichen Beladungssensor. Die Beladung kann für unterschiedliche Trommeldrehungen mit jedem Anfahren individuell bestimmt werden. Bei dieser Ausgestaltung wird ausgenutzt, dass der Winkelfehler (einschließlich des mittleren Winkelfehlers) proportional zu der Last ist, die bei Wäschepflegegeräten wiederum stark von der Beladung der Wäschetrommel abhängt, z.B. von einer Art und einer Feuchtigkeit der Wäsche.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Haushaltsgerät, das zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet ist (z.B. durch eine entsprechende Programmierung einer Motorsteuerung bzw. Steuereinrichtung und). Das Haushaltsgerät kann z.B. ein Wäschepflegegerät oder eine Spülmaschine sein. Das Haushaltsgerät kann analog zu dem Verfahren ausgebildet sein und weist die gleichen Vorteile auf. Es ist eine Ausgestaltung davon, dass das Haushaltsgerät, insbesondere ein Haushalts-Wäschepflegegerät, einen Motor und eine Steuereinrichtung zum Betreiben des Motors aufweist, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Die Steuereinrichtung kann als Drehzahlregler für den Motor ausgebildet sein oder mit einem eigenständigen Drehzahlregler verbunden sein.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
1 zeigt Spannungsverläufe von drei Phasen zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors im Anlauf mit geberloser Drehzahlregelung;
2 zeigt eine Auftragung eines Winkelfehlers θ_err über die Zeit t;
3 zeigt eine Auftragung eines drehmomentbildenden Motorstroms Iq über einen mittleren Winkelfehler θ_erravg;
4 zeigt ein Übersichtsblockbild einer Motorsteuerung eines Haushaltsgeräts; und
5 zeigt eine Auftragung eines mittleren Winkelfehlers θ_erravg über mehrere Motoranläufe reversierender Trommelbewegungen für mehrere unterschiedliche Beladungen.
1 zeigt zeitliche Verläufe von Spannungen U1, U2, U3 von drei Phasen zum Betreiben eines dreiphasigen Motors M im Anlauf, z.B. eines bürstenlosen Gleichstrommotors, mit geberloser Drehzahlregelung (siehe 4). Der Motor M kann ein Antriebsmotor einer drehbaren Wäschetrommel oder ein Antriebsmotor einer Pumpe sein.
In einer ersten Phase ("Ausrichtungsphase" AP) zwischen Zeitpunkten t0 und t1 werden die Spannungen U1, U2, U3 kontinuierlich erhöht, so dass sich der Rotor des Motors M auf einen vorgegebenen bzw. festen Rotorwinkel ausrichten kann.
Zum Zeitpunkt t1 geht die Ausrichtungsphase AP in eine Steuerungsphase OL über. Ab diesem Zeitpunkt t1 werden die Spannungen U1 bis U3 dem Motor M als Wechselspannungen eingeprägt. Dabei wird dem Motor anfänglich ein drehmomentbildender Motorstrom Iq mit einem maximalen Spitzenwert eingeprägt, was sich in 1 in maximalen Stromamplituden zu Beginn der Steuerungsphase OL äußert.
Die Steuerungsphase OL weist einen ersten Abschnitt ("Rücksetzabschnitt" RA) auf, in dem noch kein Beobachter 9 (siehe 4) aktiv ist. An einem Zeitpunkt t2 geht der Rücksetzabschnitt RA in einen anschließenden Einschwingabschnitt EA über, in welchem der Beobachter 9 aktiv ist. Der Beobachter wird also zum Zeitpunkt t2 aktiviert. Mittels des Beobachters 9 können aus Parametern des Motorbetriebs eine Winkelgeschwindigkeit und ein Rotorwinkel rekonstruiert werden.
In dem Einschwingabschnitt EA wird ein mittlerer Winkelfehler θ_erravg aus einer Mittelung von einzelnen Winkelfehlern θ_err bzw. Abweichungen zwischen einem gesteuerten Rotorwinkel θ_SET und einem mittels des Beobachters rekonstruierten Rotorwinkels θ_OBS bestimmt.
Aus dem mittleren Winkelfehler θ_erravg wiederum kann ein Wert des Motorstroms Iq bestimmt werden, der als eine Eingangsgröße für eine sich an einem Zeitpunkt t4 anschließende Übergangsphase MP verwendet wird. 2 zeigt dazu einen Verlauf des einzelnen Winkelfehlers θ_err in Grad über die Zeit in Sekunden für seine ersten beiden vollen Perioden im Einschwingabschnitt EA. Durch eine arithmetische Mittelung der über die zweite Schwingung oder Periode gemittelten einzelnen Winkelfehler θ_err wird, wie z.B. oben beschrieben, der mittlere Winkelfehler θ_erravg berechnet. Die zweite Schwingung weist eine Periodendauer Tm auf. Eine Dauer des Einschwingabschnitts EA beträgt also mindestens 2·Tm.
Nun wieder in Bezug auf 1 wird zur Überführung des in dem Einschwingabschnitt EA vorliegenden Motorstroms Iq auf den als Eingangsgröße für die Übergangsphase MP gewünschten Wert zwischen den Einschwingabschnitt EA und die Übergangsphase MP ein Konvergenzabschnitt KA der Steuerungsphase OL eingeführt. In dem zeitlich von einem Zeitpunkt t3 bis zu dem Zeitpunkt t4 dauernden Konvergenzabschnitt KA werden die Spannungen U1 bis U3 derart eingestellt (z.B. hier verringert), dass der Motorstrom Iq den gewünschten Eingangswert erreicht. Daraufhin wird der Motorbetrieb zum Zeitpunkt t5 von der Steuerungsphase OL in die Übergangsphase MP umgeschaltet.
3 zeigt eine Auftragung des drehmomentbildenden Motorstroms Iq in Ampere über den mittleren Winkelfehler θ_erravg in Grad zur Anpassung des drehmomentbildenden Motorstroms Iq in dem Konvergenzabschnitt KA. Der Motorstrom Iq, dessen Ausgangswert hier vor seiner Anpassung als 5,5 A angenommen wird, kann abhängig von dem Wert des berechneten mittleren Winkelfehlers θ_erravg abgesenkt werden. Bei einem geringeren mittleren Winkelfehler θ_erravg braucht ggf. keine Anpassung der Phasenstromamplitude Iq vorgenommen zu werden, während z.B. bei einem mittleren Winkelfehler θ_erravg von 90° oder mehr eine starke Absenkung auf ca. 0,5 A vorgenommen wird. In einem weiten Bereich des mittleren Winkelfehlers θ_erravg zwischen ca. 25° und 90° wird hier ein linearer Zusammenhang zwischen dem in dem Konvergenzabschnitt KA zu erreichenden Endwert des Motorstroms Iq (welcher dem Eingangswert für die Übergangsphase MP entspricht) und dem mittleren Winkelfehler θ_erravg zugrunde gelegt.
Nun wieder in Bezug auf 1 werden in der Übergangsphase MP eine Drehzahl des Rotors bzw. eine Winkelgeschwindigkeit und der Rotorwinkel an mittels des Beobachters rekonstruierte Werte θ_OBS, ω_OBS für die folgende Regelungsphase CL angepasst. Dadurch wird auch der Motorstrom Iq geändert (hier: verringert). Daher ist der Eingangswert des Motorstroms Iq so bestimmt oder eingestellt worden, dass am Ende der Übergangsphase MP der Motorstrom Iq einen Wert aufweist, welcher einem Wert der folgenden Regelungsphase CL entspricht.
Zwischen dem Beginn der Steuerungsphase OL und dem Beginn der Regelungsphase CL, und ggf. auch noch während der Regelungsphase CL, kann eine Drehzahl des Rotors kontinuierlich erhöht werden, z.B. linear. Dies wird durch eine Periodenverkürzung bzw. Frequenzerhöhung der Spannungen U1 bis U3 erreicht. Zum Zeitpunkt t5 ist eine Mindestdrehzahl erreicht oder bereits überschritten worden, bei der eine geberlose Regelung der Drehzahl praktisch sinnvoll durchführbar ist. Es ist auch möglich, dass ein Übergang in die Übergangsphase MP nicht vor Erreichen der Mindestdrehzahl durchgeführt wird, insbesondere mit Erreichen der Mindestdrehzahl.
4 zeigt ein Übersichtsblockbild einer Motorsteuerung S des dreiphasigen Motors M mit geberloser Drehzahlregelung eines Haushaltsgeräts H. Das Haushaltsgerät kann ein Wäschepflegegerät sein. Die Motorsteuerung S kann mittels einer Steuereinrichtung SE des Haushaltsgeräts H umgesetzt sein. Die Funktionen, Module, Blöcke usw. der Motorsteuerung S können ganz oder teilweise als Hardware implementiert sein. Die Funktionen, Module, Blöcke usw. können aber zumindest teilweise auch als Software umgesetzt sein, z.B. als entsprechende Algorithmen.
Die Motorsteuerung S weist unter anderem einen Rampengenerator oder Hochlaufgeber 1, einen PI-Regler 2 zur Drehzahleinstellung, einen PI-Regler 3 zur Stromeinstellung, einen inversen Park-Transformator 4, einen Raumvektor-Modulator 5 ("Space Vector Modulator"), einen Inverter 6, einen Clarke-Transformator 7, einen Park-Transformator 8, einen EMK-Beobachter 9 ("Back-EMF Observer"), einen Winkelintegrator 10 sowie einen ersten Merge-Block 11 und einen zweiten Merge-Block 12 auf. Der Inverter 6 ist über drei Phasenanschlüsse mit dem Motor M verbunden, an denen die entsprechenden Spannungen U1 bis U3 anliegen. Dem Hochlaufgeber 1 wird eine gewünschte Enddrehzahl bzw. analog dazu eine gewünschte End-Winkelgeschwindigkeit ω_Soll vorgegeben, der einen entsprechenden rampenartigen (z.B. linearen) zeitlichen Verlauf einer gesteuerten Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit ω_Soll an den PI-Regler 2 zur Drehzahleinstellung (bzw. Einstellung einer Winkelgeschwindigkeit) ausgibt. Die Motorsteuerung S ist bis hierhin ähnlich zu der auf Seite 3–30, 10, in "Sensorless PMSM Control for an H-axis Washing Machine Drive" gezeigten Motorsteuerung ausgebildet und wird daher nicht näher erläutert. Im Folgenden werden hauptsächlich Unterschiede zu der bekannten Motorsteuerung näher erläutert.
Die Motorsteuerung S weist zusätzlich einen Konvergenzblock 13 auf, mittels dessen die Berechnung des mittleren Winkelfehlers θ_erravg und die Anpassung des drehmomentbildenden Motorstroms Iq während des Konvergenzabschnitts KA durchgeführt werden kann. Dazu ist der Konvergenzblock 13 dem PI-Regler 2 zur Drehzahleinstellung nachgeschaltet. Zudem erhält der Konvergenzblock 13 den maximalen Wert Iqmax des Motorstroms Iq, ferner von dem EMK-Beobachter 9 Werte des rekonstruierten Rotorwinkels θ_OBS und zudem von dem Winkelintegrator 10 Werte des gesteuerten Rotorwinkels θ_SET = θ_Ramp (wie durch die geklammerten Bezugszeichen angedeutet).
5 zeigt eine Auftragung eines mittleren Winkelfehlers θ_erravg über mehrere Motoranläufe im Rahmen reversierender Motoranläufe während eines Waschvorgangs z.B. des Haushaltsgeräts H für verschiedene Beladungen C1 bis C6. Die Beladung C1 entspricht einer leeren Wäschetrommel. Die Beladungen C2 bis C6 betreffen Beladungen mit Wäsche aus Frottee mit unterschiedlichem Trockengewicht und unterschiedlichem Wassergehalt, nämlich C2: (2 kg Frottee + 6 Liter Wasser), C3: (4 kg + 12 l), C4: (6 kg + 18 l), C5: (8 kg + 24 l), C6: (10 kg + 30 l). Dabei ist pro Motoranlauf eine Messung des mittleren Winkelfehlers θ_erravg durchgeführt worden. Für die unterschiedlichen Beladungen C1 bis C6 ergeben sich größtenteils eindeutig zuordenbare mittlere Winkelfehler θ_erravg. Dabei wird ausgenutzt, dass der mittlere Winkelfehler θ_erravg direkt proportional zu der an dem Motor M anliegenden Last bzw. dem zugehörigen Lastmoment ist, das im Fall einer drehbaren Wäschetrommel wiederum von der Beladung abhängt.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: Hochlaufgeber
2: PI-Regler
3: PI-Regler
4: Inverser Park-Transformator
5: Raumvektor-Modulator
6: Inverter
7: Clarke-Transformator
8: Park-Transformator
9: EMK-Beobachter
10: Winkelintegrator
11: Erster Merge-Block
12: Zweiter Merge-Block
13: Konvergenzblock
AP: Ausrichtungsphase
CL: Regelungsphase
C1–C6: Beladungen
EA: Einschwingabschnitt
H: Haushaltsgerät
Iq: Drehmomentbestimmender Motorstrom
Iqmax: Maximaler Wert der Phasenstromamplitude
KA: Konvergenzabschnitt
M: Motor
MP: Übergangsphase
OL: Steuerungsphase
RA: Rücksetzabschnitt
t1–t5: Zeitpunkte eines Motoranlaufs
TM: Periodendauer
U1: Spannung einer ersten Phase
U2: Spannung einer zweiten Phase
U3: Spannung einer dritten Phase
S: Motorsteuerung
SE: Steuereinrichtung
θ_err: Einzelner Winkelfehler
θ_erravg: Mittlerer Winkelfehler
θ_OBS: Rekonstruierter Rotorwinkel
θ_Ramp: Gesteuerter Rotorwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Firma NXP Semiconductors, Niederlande: "Sensorless PMSM Control for an H-axis Washing Machine Drive", ist auf Seite 3–30 [0003]

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines Haushaltsgeräte-Motors (M) mit geberloser Drehzahlregelung, bei dem – der Motor (M) in einer Steuerungsphase (OL) im Anlauf mit einem vorgegebenen Verlauf einer Winkelgeschwindigkeit (ω_Ramp) eines Rotors und einem vorgegebenen Verlauf eines Rotorwinkels (θ_Ramp) gesteuert betrieben wird, dann – in einer folgenden Übergangsphase (MP) die vorgegebene Winkelgeschwindigkeit (ω_Ramp) und der vorgegebene Rotorwinkel (θ_Ramp) an mittels eines Beobachters (9) rekonstruierte Werte (θ_OBS, ω_OBS) für einen stetigen Übergang in eine folgende drehzahlgeregelte Regelungsphase (CL) angepasst werden und dann – der Motor (M) in die drehzahlgeregelte Regelungsphase (CL) übergeleitet wird, wobei – in der Steuerungsphase (OL) ein mittlerer Winkelfehler (θ_erravg) aus einer Mittelung von zu unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmten einzelnen Winkelfehlern (θ_err) zwischen einem gesteuerten Rotorwinkel (θ_Ramp) und einem mittels des Beobachters (9) rekonstruierten Rotorwinkels (θ_OBS) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – aus dem mittleren Winkelfehler (θ_erravg) ein Eingangswert eines Drehmomentäquivalents (Iq) für die Übergangsphase (MP) bestimmt wird, dann – das Drehmomentäquivalent (Iq) auf den zuvor bestimmten Eingangswert überführt wird und dann – der Motor (M) in die Übergangsphase (MP) übergeht, – wobei der Eingangswert so bestimmt wird, dass am Ende der Übergangsphase (MP) das Drehmomentäquivalent (Iq) einem Wert der folgenden Regelungsphase (CL) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Drehmomentäquivalent einem drehmomentbildenden Motorstrom (Iq) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerungsphase (OL) einen Rücksetzabschnitt (RA) für den Beobachter (9) und einen sich anschließenden Einschwingabschnitt (EA) für den Beobachter (9) aufweist und der mittlere Winkelfehler (θ_erravg) in dem Einschwingabschnitt (EA) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein zeitlicher Verlauf der einzelnen Winkelfehler (θ_err) periodisch ist, der Einschwingabschnitt (EA) mindestens doppelt so lange gewählt wird wie eine Periodendauer (Tm) des Verlaufs der einzelnen Winkelfehler (θ_err) und der mittlere Winkelfehler (θ_erravg) frühestens ab Beginn einer zweiten Periode während des Einschwingabschnitts bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem dem Motor (M) in der Steuerungsphase (OL) zumindest anfänglich der drehmomentbildende Motorstrom (Iq) mit einem maximalen Spitzenwert (Iqmax) eingeprägt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Motor (M) ein dreiphasiger Motor ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Motor (M) ein Antriebsmotor einer drehbaren Wäschetrommel eines Haushalts-Wäschepflegegeräts (H) ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 3, 6 und 8, bei dem während eines Wäschebehandlungsablaufs mehrere Trommeldrehungen durchgeführt werden, nur in mindestens einer anfänglichen Trommeldrehung dem Motor (M) in der Steuerungsphase (OL) der Motorstrom (Iq) mit einem maximalen Spitzenwert (Iqmax) eingeprägt wird und in einer folgenden Trommeldrehung dem Motor (M) in der Steuerungsphase (OL) ein Motorstrom (Iq) mit einem Spitzenwert eingeprägt wird, der einen Eingangswert des Motorstroms (Iq) für die Übergangsphase (MP) nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem aus dem mittleren Winkelfehler (θ_erravg) eine Beladung (C1–C6) der Wäschetrommel bestimmt wird.
Haushalts-Wäschepflegegerät (H), aufweisend einen Motor (M) und eine Steuereinrichtung zum Betreiben des Motors (M), wobei die Steuereinrichtung (SE) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.