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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine 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 (BLDC; englisch: brushless DC), können beispielsweise über einen Mikrocontroller angesteuert werden, wobei in der Regel Statorströme mittels eines Pulswechselrichters eingestellt werden. Die Rotorposition, deren Kenntnis zur Ansteuerung, insbesondere auch zur Kommutierung, der elektrischen Maschine in der Regel erforderlich ist, kann dabei beispielsweise über die Nulldurchgänge einer sog. Polradspannung ermittelt werden. Da beispielsweise bei einer Blockkommutierung außerhalb des eigentlichen Kommutierungsvorgangs immer nur zwei Wicklungsstränge bestromt werden, kann in einem jeweils stromlosen Wicklungsstrang die Polradspannung erfasst 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 Wicklungsstränge 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 beispielsweise ein Verfahren zum Kommutieren eines bürstenlosen und sensorlosen Gleichstrommotors bekannt, bei dem die Ansteuerung der Wicklungsstränge asynchron erfolgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betrieb 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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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit permanent- und/oder fremderregtem Rotor und mehreren Wicklungssträngen für einen Stator, insbesondere eine Synchronmaschine. Es kann sich insbesondere um eine dreiphasige elektrische Maschine handeln, jedoch sind auch mehr Phasen (bzw. Wicklungsstränge), beispielsweise. fünf oder sieben, denkbar.
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Dabei wird die elektrische Maschine in Blockkommutierung betrieben, bei der jeweils einer der Wicklungsstränge für eine Blocklänge bestromt und nach einer Kommutierung ein anderer der Wicklungsstränge bestromt wird. Die Blocklänge wird dann unter Berücksichtigung einer Dauer der Kommutierung zwischen den Wicklungssträngen bei einem aktuellen Arbeitspunkt angepasst. Besonders bevorzugt kann diese Anpassung auch stufenlos erfolgen. Unter einer Kommutierung ist hierbei ein Wechsel der Stromflüsse durch die Wicklungsstränge der elektrischen Maschine zu verstehen (Stromwendung). Als Dauern können hier sowohl Zeitdauern als auch Winkeldauern bzw. Winkeldifferenzen verstanden werden, welcher unter Berücksichtigung einer Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine ineinander umrechenbar sind. Unter einer Dauer einer solchen Kommutierung wäre dabei diejenige Dauer zu verstehen, bis der Strom in dem Wicklungsstrang, von dem weggeschaltet wird, abgeklungen ist. Damit kann als Ende der Kommutierung ein Zeitpunkt oder ein Winkel angesehen werden, zu dem der Strom abgeklungen ist. Erst wenn dieser Strom abgeklungen ist, kann dann beispielsweise eine Induktionsspannung erfasst bzw. ermittelt werden, beispielsweise zur Ermittlung einer Position des Rotors.
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Eine Dauer zwischen zwei Bestromungen der Wicklungsstränge (welche jeweils eine Blocklänge lang dauert) ließe bei konstanter Blocklänge bei geringer Dauer der Kommutierung eine größere Lücke, in welcher die Induktionsspannung erfasst bzw. ermittelt werden kann, als nötig. Eine längere Blocklänge führt jedoch zu einem geringeren Strom in den Wicklungssträngen und damit zu einem effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine. Die Anpassung der Blocklänge unter Berücksichtigung einer Dauer der Kommutierung ermöglicht also einen effizienteren Betrieb als bei Verwendung konstanter Blocklänge.
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Insofern ist es auch besonders zweckmäßig, wenn die Blocklänge derart angepasst wird, dass eine Dauer zwischen zwei Bestromungen eines Wicklungsstrangs die Dauer der Kommutierung ergänzt um einen festen oder einen von der Dauer der Kommutierung abhängigen Wert beträgt. Mit anderen Worten kann die Dauer zwischen zwei Bestromungen also so gering wie möglich ausgebildet werden, um gerade noch zuverlässig beispielsweise die Induktionsspannung zu erfassen bzw. zu ermitteln.
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Vorteilhafterweise wird die Dauer der Kommutierung anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Kommutierung auftreten, ermittelt. Dies stellt eine besonders einfache und genaue Möglichkeit dar, die aktuelle Dauer der Kommutierung zu ermitteln.
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Alternativ ist es bevorzugt, wenn die Dauer der Kommutierung anhand eines Stroms in den Wicklungssträngen bei dem aktuellen Arbeitspunkt und unter Berücksichtigung einer Induktivität der Wicklungsstränge ermittelt wird. Auf diese Weise ist nur eine Ermittlung des Stroms nötig, sodass - bei bekannter Induktivität - sehr einfach die Dauer der Kommutierung ermittelt und damit die Blocklänge angepasst werden kann.
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Vorzugsweise wird die Blocklänge zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert angepasst. insbesondere können der Minimalwert 120° und/oder der Maximalwert 180° betragen. Dies stellt eine möglichst große Bandbreite für die Blocklänge dar, bei der immer noch zuverlässig eine Erkennung der Induktionsspannung möglich ist.
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Es ist von Vorteil, wenn weiterhin anhand der Spannung eine Position des Rotors in Bezug zu dem Stator ermittelt wird. Zweckmäßigerweise kann dabei die Position des Rotors in Bezug zu dem Stator anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Rotation des Rotors auftreten, ermittelt werden. Auf diese Weise kann sehr einfach, beispielsweise mit einer hinterlegten Bezugsposition, die Position des Rotors ermittelt werden. Dies ermöglicht eine gezielte Kommutierung bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine. So kann beispielsweise alle 30° nach einem Nulldurchgang ein Schaltvorgang im Zuge der Kommutierung vorgenommen werden, wenn beispielsweise eine dreiphasige elektrische Maschine verwendet wird.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, 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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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch und vereinfacht eine elektrische Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann.
- 2 zeigt eine idealisierte Bestromung der Wicklungsstränge einer solchen elektrischen Maschine.
- 3 zeigt einen idealisierten Verlauf einer Wicklungsstrangsspannung beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.
- 4 zeigt verschiedene Blocklängen bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.
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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 Wicklungsstränge 111, 112, 113 aufweist. Weiterhin weist die elektrische Maschine 100 einen Rotor 120 auf, welcher beispielsweise einen Permanentmagneten aufweist. Zu jedem der Wicklungsstränge, welche eine Induktivität aufweisen, ist ein nicht näher bezeichneter ohmscher Widerstand eingezeichnet. Weiterhin sind beispielhaft eine Wicklungsstrangsspannung Umot sowie ein Wicklungsstrangsstrom Imot. eingezeichnet.
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Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung 180 gezeigt, an die die drei Wicklungsstränge 111, 112, 113 angeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung weist sechs Schalter, beispielsweise Halbleiterschalter wie Transistoren (z.B. MOS-FETs, IGBTs), auf, mittels welcher die drei Wicklungsstränge beispielsweise abwechselnd mit positiver und negativer Spannung oder Masse verbunden werden können und von welchen beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 181 bezeichnet ist.
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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 beispielsweise eine intrinsische Body-Diode oder eine separate Diode für eine Rückwärtsleitfähigkeit (z.B. bei IGBTs).
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Die Schaltungsanordnung 180 und insbesondere die Schalter können hierzu beispielsweise 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 Wicklungsstränge 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 jeden der drei Wicklungsstränge 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 Wicklungssträngen sind hier mit IU, IV und IW für die drei Wicklungsstränge im Sinne von Phasen bezeichnet. Die Bestromung, d.h. eine Blocklänge Δφ, 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 Wicklungsstränge bzw. Phasen symmetrisch verteilt auf dem Stator angeordnet sind.
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In 3 ist in einem Diagramm ein Verlauf einer Wicklungsstrangsspannung 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 Wicklungssträngen hervorgerufen wird. Zusätzlich ist eine idealisierte Wicklungsstrangsspannung Umot eingezeichnet, die der tatsächlich vorliegenden Spannung entspricht.
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Die Wicklungsstrangsspannung Umot setzt sich dabei zusammen aus der Polradspannung U‘mot, dem ohmschen und induktiven Spannungsabfall über dem Wicklungsstrang 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 dem einen Wicklungsstrang, von dem weggeschaltet wird, abgeklungen ist, liegen, je nach Wicklungssträngen, 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 Wicklungsstrangsspannung Umot über dem Winkel φ aufgetragen. Anhand des Vorzeichens V sind die Nulldurchgänge der Wicklungsstrangsspannung 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 und damit aus der Rotation des Rotors. 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 Wicklungsstrangsspannung lässt sich somit die Dauer der Kommutierung ermitteln, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als dritte Dauer bezeichnet wird und beispielsweise als Vorsteuerwert verwendet werden kann.
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In 4 sind verschiedene Blocklängen bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist ein Strom I über einem Winkel φ des Rotors in Bezug zum Stator für einen der drei Wicklungsstränge aufgetragen (ähnlich zu 2).
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Zusätzlich zu der Blocklänge Δφ = 120° ist die zugehörige Dauer µ der Kommutierung, wie sie in Bezug auf Figur 3 näher erläutert wurde, dargestellt. Die Dauer L zwischen zwei Bestromungen des Wicklungsstrangs ist dabei jedoch deutlich größer als die Dauer µ der Kommutierung.
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Die Blocklänge kann daher unter Berücksichtigung der Dauer µ der Kommutierung angepasst werden. Im vorliegenden Fall wird die Blocklänge verlängert auf Δφ‘ = 150°. Dies führt entsprechend zu einer Reduzierung der Dauer zwischen zwei Bestromungen des Wicklungsstrangs auf L‘. Dabei entspricht die Dauer L‘ nunmehr der Dauer µ der Kommutierung ergänzt um einen festen Wert W. Die Dauer, die diesem festen Wert W entspricht, ist dabei ausreichend, um beispielsweise die Induktionsspannung zu erfassen bzw. zu ermitteln.
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Hierzu sei angemerkt, dass die Anpassung der Blocklänge insbesondere (quasi-) stufenlos erfolgen kann, d.h. es kann auch eine Erhöhung um nur wenige Grad erfolgen, damit kann auch auf nur geringe Änderungen des Arbeitspunktes reagiert werden. Weiterhin kann auch die Anpassung von einem zu einem anderen Wert beispielsweise (quasi-)kontinuierlich bzw. in kleinen Schritten über mehrere Blocklängen hinweg erfolgen. Auf diese Weise können damit Drehzahlsprünge vermieden werden.
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Es versteht sich, dass die Dauer µ der Kommutierung nicht nur gemäß Erläuterung zu 3, sondern auch - wie eingangs erwähnt - aus dem Wicklungsstrangsstrom und der Induktivität berechnet werden kann. In beiden Fällen kann jedoch eine möglichst lange Blocklänge eingestellt werden, was zu einem effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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