DE102018130477A1 - Method for controlling an electric motor - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Steuern eines elektrisch kommutierten Elektromotors, wobei das Verfahren das Ermitteln eines Profils, das dem zeitlichen Verlauf der Rotorposition des Elektromotors in Folge einer Stellvorgabe entspricht, das Ermitteln einer maximalen Sollbeschleunigung für ein vorgegebenes Beschleunigungsprofil aus dem Profil, das Festlegen einer reduzierten Sollbeschleunigung, welche kleiner als die maximale Sollbeschleunigung ist, und das Ermitteln der Kommutierungszeitpunkte des Elektromotors für das vorgegebene Beschleunigungsprofil und die reduzierte Sollbeschleunigung umfasst.A method for controlling an electrically commutated electric motor, the method determining a profile that corresponds to the time course of the rotor position of the electric motor as a result of a setting, determining a maximum target acceleration for a predetermined acceleration profile from the profile, determining a reduced target acceleration, which is smaller than the maximum setpoint acceleration, and includes determining the commutation times of the electric motor for the specified acceleration profile and the reduced setpoint acceleration.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Anlaufvorgänge von Elektromotoren, insbesondere für die Optimierung von Anlaufvorgängen in elektrisch kommutierten Elektromotoren.The present invention relates to starting processes of electric motors, in particular for the optimization of starting processes in electrically commutated electric motors.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Elektromotoren finden vielfältige Anwendung in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und übernehmen auch infolge der Digitalisierung eine zunehmende Anzahl von Aufgaben. Diese Zunahme an Elektromotoren in elektronisch gesteuerten Geräten hat jedoch auch dazu geführt, dass an einzelne Elektromotoren höhere Anforderungen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit mit anderen elektrischen Geräten und der Energieeffizienz der Elektromotoren gestellt werden.Electric motors are used in a wide variety of consumer products and are also taking on an increasing number of tasks as a result of digitalization. However, this increase in electric motors in electronically controlled devices has also led to higher demands being made on individual electric motors with regard to electromagnetic compatibility with other electrical devices and the energy efficiency of the electric motors.
Gerade Brems- und Beschleunigungsvorgänge können dabei zu einem erhöhten elektromagnetischen Störpotential führen, welches die Funktionsweise benachbarter elektrischer Geräte negativ beeinflussen kann, und können gleichzeitig den Energieverbrauch des Elektromotors erhöhen. Eine Optimierung und Reduzierung solcher Vorgänge kann daher zu einem verbesserten Verhalten des Elektromotors führen.Braking and acceleration processes in particular can lead to an increased electromagnetic interference potential, which can negatively influence the functioning of neighboring electrical devices, and can simultaneously increase the energy consumption of the electric motor. Optimizing and reducing such processes can therefore lead to improved behavior of the electric motor.
In sensorlosen Elektromotoren ist eine Rückkopplung zwischen der Bewegung des Elektromotors und dem Antrieb und damit eine optimale Kontrolle erst ab einer gewissen Mindestdrehzahl möglich, bei der die gegenelektromotorische Kraft, welche in den Windungen des Elektromotors von veränderlichen magnetischen Feldern erzeugt wird, eine Detektionsschwelle übersteigt.In sensorless electric motors, feedback between the movement of the electric motor and the drive, and thus optimal control, is only possible from a certain minimum speed at which the counter-electromotive force, which is generated in the windings of the electric motor by changing magnetic fields, exceeds a detection threshold.
Unterhalb der Mindestdrehzahl wird ein solcher Elektromotor jedoch häufig „blind“ betrieben, was die Ursache dafür sein kann, dass Anlaufvorgänge in Elektromotoren ineffizient und langsam sind oder zu einer verringerten elektromagnetischen Verträglichkeit des Elektromotors führen.However, such an electric motor is often operated “blindly” below the minimum speed, which may be the reason why starting processes in electric motors are inefficient and slow or lead to a reduced electromagnetic compatibility of the electric motor.
Sowohl langsame Anlaufvorgänge als auch die Überdimensionierung des Elektromotors für den Start/Stopp-Betrieb führen jedoch nicht zu einer effizienten und kostengünstigen Lösung bei gleichzeitiger guter elektromagnetischer Verträglichkeit.However, both slow start-up processes and the oversizing of the electric motor for start / stop operation do not lead to an efficient and inexpensive solution with good electromagnetic compatibility at the same time.
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGGENERAL DESCRIPTION OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Anlaufdynamik für Elektromotoren bereitzustellen, in denen die Auswirkungen der oben genannten Probleme reduziert sind und/oder ein vorteilhafter Kompromiss erhalten werden kann.The invention is therefore based on the object of providing improved starting dynamics for electric motors in which the effects of the problems mentioned above are reduced and / or an advantageous compromise can be obtained.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren und einem Elektromotor nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.This object is achieved by a method and an electric motor according to the independent claims. The dependent claims relate to preferred embodiments of the invention.
In einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern eines elektrisch kommutierten Elektromotors, wobei das Verfahren das Ermitteln eines Profils umfasst, das dem zeitlichen Verlauf der Rotorposition des Elektromotors in Folge einer Stellvorgabe entspricht. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln einer maximalen Sollbeschleunigung für ein vorgegebenes Beschleunigungsprofil aus dem Profil, das Festlegen einer reduzierten Sollbeschleunigung, welche kleiner als die maximale Sollbeschleunigung ist, und das Ermitteln der Kommutierungszeitpunkte des Elektromotors für das vorgegebene Beschleunigungsprofil und die reduzierte Sollbeschleunigung.In a first aspect, the invention relates to a method for controlling an electrically commutated electric motor, the method comprising determining a profile that corresponds to the time profile of the rotor position of the electric motor as a result of a setting. The method further comprises determining a maximum target acceleration for a predetermined acceleration profile from the profile, determining a reduced target acceleration which is smaller than the maximum target acceleration, and determining the commutation times of the electric motor for the predetermined acceleration profile and the reduced target acceleration.
Dabei hat sich herausgestellt, dass die maximale Sollbeschleunigung, welche dem dynamischen Verhalten des Elektromotors gegenüber einer Stellvorgabe entspricht, in der Praxis kein optimales Verhalten erzielt. Vielmehr kann durch die Wahl von Kommutierungsschritten, die einer gegenüber der maximalen Sollbeschleunigung reduzierten Beschleunigung entsprechen, im sensorlosen Betrieb eines Elektromotors eine verbesserte Charakteristik erhalten werden. Durch die Wahl der reduzierten Sollbeschleunigung auf Basis des Wertes der maximalen Sollbeschleunigung können dabei Einschwingvorgänge des Rotors, welche zu Beginn des Beschleunigungsprofils auftreten können, reduziert werden.It has been found that the maximum target acceleration, which corresponds to the dynamic behavior of the electric motor in relation to a setting, does not achieve optimal behavior in practice. Rather, the choice of commutation steps can be compared to one correspond to the maximum target acceleration reduced acceleration, an improved characteristic can be obtained in sensorless operation of an electric motor. By choosing the reduced target acceleration on the basis of the value of the maximum target acceleration, transient processes of the rotor, which can occur at the beginning of the acceleration profile, can be reduced.
Das Beschleunigungsprofil mit der reduzierten Sollbeschleunigung kann in dem Elektromotor über eine Brückenschaltung implementiert werden, wobei eine Phasenspannung mit einem vorgegebenen Vorzeichen an unterschiedlichen Windungen des Elektromotors angelegt wird. Bei zyklischer Kommutierung der Zustände der Schaltmatrix kann in dem Elektromotor eine Drehung des Rotors hervorgerufen werden.The acceleration profile with the reduced target acceleration can be implemented in the electric motor via a bridge circuit, a phase voltage with a predefined sign being applied to different windings of the electric motor. With cyclical commutation of the states of the switching matrix, a rotation of the rotor can be caused in the electric motor.
Die Stellvorgabe kann die Phasenspannung des elektrisch kommutierten Elektromotors umfassen. Die Phasenspannung kann der Spannungsamplitude der Spannung entsprechen, welche an Windungen des elektrisch kommutierten Elektromotors anliegt, um eine Rotation des Elektromotors zu erzeugen. Die Spannung kann moduliert sein, um eine niedrigere effektive Phasenspannung zu erhalten, wie eine sinusförmige Spannung oder Pulsweitenmodulierte Spannung. Die Spannung kann jedoch auch immer mit der vollen Amplitude, als sogenannte Blockspannung, anliegen, wobei eine Pulsweitenmodulation überlagert sein kann.The setting can include the phase voltage of the electrically commutated electric motor. The phase voltage can correspond to the voltage amplitude of the voltage which is applied to windings of the electrically commutated electric motor in order to generate a rotation of the electric motor. The voltage can be modulated to obtain a lower effective phase voltage, such as a sinusoidal voltage or pulse width modulated voltage. However, the voltage can always be present with the full amplitude, known as the block voltage, with pulse width modulation being superimposed.
In einigen Ausführungsformen wird die effektive Phasenspannung zumindest während der Vorgabe des Beschleunigungsprofils nicht proportional zu der reduzierten Sollbeschleunigung reduziert.In some embodiments, the effective phase voltage is not reduced in proportion to the reduced target acceleration, at least during the specification of the acceleration profile.
Beispielsweise wird nach dem Festlegen der reduzierten Sollbeschleunigung weiterhin die volle Phasenspannung zum Beschleunigen des Elektromotors verwendet oder eine Modulation der Phasenspannung derart durchgeführt, dass die effektive Phasenspannung nicht einen proportional zu der reduzierten Sollbeschleunigung reduzierten Wert aufweist, sondern größer als der proportional zu der reduzierten Sollbeschleunigung reduzierte Wert ist. Das Anlegen der höheren oder der vollen Phasenspannung während der Beschleunigung kann dabei Anlaufproblemen des Elektromotors unter Last entgegenwirken. Insbesondere kann die Phasenspannung durch das Einprägen eines Phasenstroms eingestellt werden. Der Phasenstrom kann beispielsweise abhängig von einer anliegenden Last gewählt werden. Bei einer gegebenen Eingangsspannung wird sich die Phasenspannung folglich in Abhängigkeit des eingeprägten Strom einstellen.For example, after the reduced target acceleration has been set, the full phase voltage is still used to accelerate the electric motor or the phase voltage is modulated such that the effective phase voltage does not have a value that is reduced in proportion to the reduced target acceleration, but is greater than that reduced in proportion to the reduced target acceleration Is worth. Applying the higher or full phase voltage during acceleration can counteract starting problems of the electric motor under load. In particular, the phase voltage can be set by impressing a phase current. The phase current can be selected, for example, depending on an applied load. For a given input voltage, the phase voltage will consequently be set depending on the impressed current.
In einigen Ausführungsformen ruht der Elektromotor vor der Stellvorgabe.In some embodiments, the electric motor is at rest before the setting is made.
Die Ruheposition, in welcher der Elektromotor ruht, kann einer natürlichen Ruhestellung des Elektromotors entsprechen, in die der Elektromotor durch eine entsprechende Stellvorgabe für einen Haltebetrieb gebracht werden kann. Der Haltebetrieb kann das Vorgeben eines Haltestroms umfassen, welcher an Windungen des elektrisch kommentierten Elektromotors angelegt wird. Der Haltestrom kann ein konstanter Strom in den ausgewählten Windungen sein, dessen Stromwert über Pulsweitenmodulation der angelegten Phasenspannung bestimmt werden kann.The rest position in which the electric motor rests can correspond to a natural rest position of the electric motor, into which the electric motor can be brought by a corresponding setting for a holding operation. The holding operation can include the specification of a holding current which is applied to windings of the electrically commented electric motor. The holding current can be a constant current in the selected windings, the current value of which can be determined via pulse width modulation of the applied phase voltage.
Anschließend kann die Stellvorgabe vorgegeben werden, welche eine Beschleunigung des Elektromotors vorgibt. Beispielsweise wird ausgehend von einer Startkonfiguration der Brückenschaltung eine Blockkommutierung vorgegeben, wobei die Phasenspannung in der kommutierten Konfiguration der Brückenschaltung bis zu einem ersten Kommutierungszeitpunkt vorgegeben wird.Then the setting can be specified, which specifies an acceleration of the electric motor. For example, starting from a start configuration of the bridge circuit, a block commutation is specified, the phase voltage in the commutated configuration of the bridge circuit being specified up to a first commutation time.
Auf diese Weise kann das Profil das dynamische Verhalten des Elektromotors infolge einer Stellvorgabe aus der Ruhestellung bereitstellen, sodass ein Anlaufvorgang des Elektromotors anhand der dynamischen Antwort des Elektromotors auf die Stellvorgabe optimiert werden kann.In this way, the profile can provide the dynamic behavior of the electric motor as a result of a setting from the rest position, so that a starting process of the electric motor can be optimized on the basis of the dynamic response of the electric motor to the setting.
Das Profil kann den gemessenen oder simulierten zeitlichen Verlauf der Rotorposition oder dessen zeitlicher Ableitung in Folge einer Stellvorgabe oder das für die Simulation oder Berechnung des zeitlichen Verlaufs der Rotorposition oder dessen zeitlicher Ableitung verwendete Modell umfassen.The profile can include the measured or simulated time profile of the rotor position or its time derivative as a result of a setting or the model used for the simulation or calculation of the time profile of the rotor position or its time derivative.
In einigen Ausführungsformen ist das Profil gleich dem zeitlichen Verlauf der Rotorposition oder dessen zeitlicher Ableitung.In some embodiments, the profile is equal to the time profile of the rotor position or its time derivative.
Die zeitliche Ableitung der Rotorposition wird im Folgenden auch Winkelgeschwindigkeit genannt. Aus dem zeitlichen Verlauf der Winkelgeschwindigkeit kann beispielsweise die Beschleunigung des Elektromotors abgelesen, und auf das Drehmoment des Elektromotors rückgeschlossen werden.The time derivative of the rotor position is also called angular velocity in the following. The acceleration of the electric motor can be read, for example, from the time profile of the angular velocity and conclusions can be drawn about the torque of the electric motor.
In einigen Ausführungsformen sieht das vorgegebene Beschleunigungsprofil eine monotone, insbesondere eine lineare oder quadratische, Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit des Elektromotors vor.In some embodiments, the predefined acceleration profile provides for a monotonous, in particular a linear or quadratic, increase in the angular velocity of the electric motor.
Die (streng) monotone, bzw. lineare oder quadratische, Erhöhung der Windgeschwindigkeit kann durch die Kommutierungszeitpunkte vorgegeben werden, wobei die Stellvorgabe eine Verkleinerung der Kommutierungsschritte vorgeben kann.The (strictly) monotonous, or linear or quadratic, increase in the wind speed can be specified by the commutation times, the setting specification being able to specify a reduction in the commutation steps.
Anhand des Profils kann das dynamische Verhalten des Elektromotors abgelesen werden, sodass ein optimaler Kommutierungszeitpunkt zum Beschleunigen des Elektromotors bestimmt werden kann, welcher der maximalen Sollbeschleunigung für das vorgegebene Beschleunigungsprofil entspricht. The dynamic behavior of the electric motor can be read on the basis of the profile, so that an optimal commutation time for accelerating the electric motor can be determined which corresponds to the maximum target acceleration for the specified acceleration profile.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Ermitteln des optimalen Kommutierungszeitpunkts zum Beschleunigen des Elektromotors aus dem Profil, wobei die maximale Sollbeschleunigung aus dem optimalen Kommutierungszeitpunkt bestimmt wird.In some embodiments, the method includes determining the optimal commutation time for accelerating the electric motor from the profile, the maximum target acceleration being determined from the optimal commutation time.
In einigen Ausführungsformen entspricht der optimale Kommutierungszeitpunkt dem Kommutierungszeitpunkt, der das Drehmoment des Elektromotors maximiert und/oder eine Welligkeit des Drehmoments des Elektromotors während des Betriebs minimiert.In some embodiments, the optimal commutation time corresponds to the commutation time that maximizes the torque of the electric motor and / or minimizes a ripple in the torque of the electric motor during operation.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Stellvorgabe mindestens eine elektrische Kommutierung in dem Elektromotor.In some embodiments, the setting specification comprises at least one electrical commutation in the electric motor.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Stellvorgabe für das Ermitteln des Profils mindestens eine elektrische Kommutierung, bei der die Phasenspannung unmoduliert an den Windungen des Elektromotors vorgesehen ist oder, wobei die Modulation der Phasenspannung eine zuvor festgelegte effektive Phasenspannung für den Elektromotor erzeugt, wie eine untere Grenze einer Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs oder eine leistungsbegrenzende Schwellenspannung.In some embodiments, the setting for determining the profile comprises at least one electrical commutation, in which the phase voltage is provided unmodulated on the windings of the electric motor or, wherein the modulation of the phase voltage generates a predetermined effective phase voltage for the electric motor, such as a lower limit one Battery voltage of a motor vehicle or a power-limiting threshold voltage.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Ermitteln des Profils in Folge einer Stellvorgabe eine Simulation einer Regelstrecke des Elektromotors, wobei die Regelstrecke ein elektrisches Modell des Elektromotors und ein mechanisches Modell des Elektromotors umfasst.In some embodiments, the determination of the profile as a result of a setting specification comprises a simulation of a controlled system of the electric motor, the controlled system comprising an electrical model of the electric motor and a mechanical model of the electric motor.
Die Simulation einer Regelstrecke des Elektromotors kann auf einer Verarbeitungseinrichtung implementiert sein, wie einem ASIC, FPGA oder Mikroprozessor, und kann als HiL- (Hardware In the Loop) oder MiL-Simulation (Model In the Loop) vorgesehen sein. Das dynamische Verhalten der Regelstrecke kann als Ausgabe des Simulationsmodells die Rotorposition oder deren zeitlicher Ableitung in Folge der Stellvorgabe als Reihe von elektrischen Werten umfassen, wobei die Parameter für die Simulation der Regelstrecke des Elektromotors die Eigenschaften des Elektromotors abbilden.The simulation of a controlled system of the electric motor can be implemented on a processing device, such as an ASIC, FPGA or microprocessor, and can be provided as HiL (Hardware In the Loop) or MiL simulation (Model In the Loop). As the output of the simulation model, the dynamic behavior of the controlled system can include the rotor position or its time derivative as a result of the setting as a series of electrical values, the parameters for the simulation of the controlled system of the electric motor representing the properties of the electric motor.
In einigen Ausführungsformen wird das Profil direkt an dem Elektromotor gemessen.In some embodiments, the profile is measured directly on the electric motor.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ermitteln der gegenelektromotorischen Spannung an den Kommutierungs-bedingten Detektionszeitpunkten anhand des Profils, das Vergleichen der gegenelektromotorischen Spannung an den Detektionszeitpunkten mit einem Detektionsschwellwert, und das Anpassen der Sollbeschleunigung anhand des Vergleichs der gegenelektromotorischen Spannung mit dem Detektionsschwellwert.In some embodiments, the method further comprises determining the counterelectromotive voltage at the commutation-related detection times based on the profile, comparing the counterelectromotive voltage at the detection times with a detection threshold, and adjusting the target acceleration based on the comparison of the counterelectromotive voltage with the detection threshold.
Die gegenelektromotorische Spannung in dem Elektromotor kann die Messung der Rotorposition und damit den sensorlosen Betrieb des Elektromotors erlauben. Für den zuverlässigen Betrieb des Elektromotors sollte die gegenelektromotorische Spannung den für die Elektronik des Elektromotors spezifischen Detektionsschwellwert übersteigen.The counterelectromotive voltage in the electric motor can allow the measurement of the rotor position and thus the sensorless operation of the electric motor. For reliable operation of the electric motor, the counterelectromotive voltage should exceed the detection threshold specific to the electronics of the electric motor.
Sobald der Detektionsschwellwert überschritten wird, kann von dem „blinden“ Betrieb des Elektromotors während einer Startphase auf einen rückgekoppelten Betrieb umgeschalten werden, sodass die Kommutierungszeitpunkte dynamisch anhand der gemessenen gegenelektromotorischen Spannung bestimmt werden können. Bei diesem im Folgenden als dynamische Regelung bezeichneten Betrieb kann die elektromagnetische Verträglichkeit und der Energieverbrauch dynamisch optimiert werden.As soon as the detection threshold value is exceeded, the “blind” operation of the electric motor can be switched over to a feedback operation during a start phase, so that the commutation times can be determined dynamically on the basis of the measured counter-electromotive voltage. In this operation, hereinafter referred to as dynamic control, the electromagnetic compatibility and the energy consumption can be optimized dynamically.
Vor dem Umschalten auf die dynamische Regelung kann eine fehlerhaft gewählte Sollbeschleunigung zu einem Überschreiten einer vorgegebenen Betriebsgeschwindigkeit führen, sodass der Elektromotor anschließend abgebremst werden muss. Auch sollte vor dem Umschalten auf die dynamische Regelung die Detektion der gegenelektromotorischen Spannung durch Vergleich mit erwarteten Detektionszeitpunkten verifiziert werden.Before switching to dynamic control, an incorrectly selected target acceleration can lead to a predetermined operating speed being exceeded, so that the electric motor must then be braked. Before switching to dynamic control, the detection of the counterelectromotive voltage should also be verified by comparison with expected detection times.
In einigen Ausführungsformen wird die maximale Sollbeschleunigung derart reduziert, dass der Elektromotor vor Erreichen der Betriebsgeschwindigkeit anhand der erwarteten detektierten gegenelektromotorischen Spannung auf die dynamische Regelung umschalten kann.In some embodiments, the maximum target acceleration is reduced in such a way that the electric motor can switch to dynamic control based on the expected detected counter-electromotive voltage before the operating speed is reached.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren daher ferner das Erhalten einer vorgegebenen Betriebsgeschwindigkeit des Elektromotors und das Anpassen der Sollbeschleunigung, so dass eine Anzahl an detektierbaren Kommutierungsschritten, bei welcher die gegenelektromotorische Spannung größer als der Detektionsschwellwert ist, größer als ein vorgegebener Mindestwert ist, wobei während eines detektierbaren Beschleunigungszeitfensters, welches der Anzahl an detektierbaren Kommutierungsschritten entspricht, der Elektromotor die Betriebsgeschwindigkeit nicht erreicht.In some embodiments, the method therefore further comprises obtaining a predetermined operating speed of the electric motor and adapting the target acceleration so that a number of detectable commutation steps in which the counterelectromotive voltage is greater than the detection threshold value is greater than a predetermined minimum value, during one detectable acceleration time window, which corresponds to the number of detectable commutation steps, the electric motor does not reach the operating speed.
In einigen Ausgangsformen ist der vorgegebene Mindestwert größer oder gleich 2 oder größer oder gleich 3. In some initial forms, the predetermined minimum value is greater than or equal to 2 or greater than or equal to 3.
Anhand von mindestens 3 detektierten Kommutierungsschritte kann eine korrekte Detektion der gegenelektromotorischen Spannung verifiziert werden, sodass vor dem Erreichen der vorgegebenen Betriebsgeschwindigkeit des Elektromotors, der Motor auf die dynamische Regelung umgeschaltet werden kann.Correct detection of the counterelectromotive voltage can be verified on the basis of at least 3 detected commutation steps, so that the motor can be switched to dynamic control before the predetermined operating speed of the electric motor is reached.
In einigen Ausführungsformen wird anhand der ermittelten maximalen Sollbeschleunigung oder der reduzierten Sollbeschleunigung eine Reihe entsprechender Kommutierungszeitpunkte berechnet, wobei für jeden oder zumindest einen Teil der entsprechenden Kommutierungszeitpunkte die gegenelektromotorische Spannung ermittelt wird.In some embodiments, a series of corresponding commutation times is calculated on the basis of the determined maximum target acceleration or the reduced target acceleration, the counterelectromotive voltage being determined for each or at least some of the corresponding commutation times.
Anhand der ermittelten Werte der gegenelektromotorischen Spannungen kann ein erster detektierbarer Kommutierungszeitpunkt, an welchem die gegenelektromotorische Spannung den Detektionsschwellwert übersteigt, bestimmt werden. Anschließend kann die Sollbeschleunigung derart angepasst werden, dass die gegenelektromotorischen Spannung für den ersten detektierbaren Kommutierungszeitpunkt den Detektionsschwellwert um einen vorgegebenen Toleranzbetrag, wie etwa 20% oder 10%, übersteigt, oder, wenn die gegenelektromotorischen Spannung für den ersten detektierbaren Kommutierungszeitpunkt unterhalb des durch den vorgegebenen Toleranzbetrag erhöhten Detektionsschwellwert liegt, die Sollbeschleunigung derart angepasst werden, dass die gegenelektromotorische Spannung für einen zweiten detektierbaren Kommutierungszeitpunkt, welcher auf den ersten detektierbaren Kommutierungszeitpunkt folgt, den Detektionsschwellwert um den vorgegebenen Toleranzbetrag übersteigt.On the basis of the determined values of the counterelectromotive voltages, a first detectable commutation time at which the counterelectromotive voltage exceeds the detection threshold value can be determined. The setpoint acceleration can then be adjusted such that the counterelectromotive voltage for the first detectable commutation point in time exceeds the detection threshold value by a predetermined tolerance amount, such as 20% or 10%, or if the counterelectromotive voltage for the first detectable commutation point in time is below that specified by the Tolerance amount is increased detection threshold, the target acceleration is adjusted such that the counterelectromotive voltage for a second detectable commutation time, which follows the first detectable commutation time, exceeds the detection threshold by the predetermined tolerance amount.
Somit kann die reduzierte Sollbeschleunigung derart gewählt werden, dass eine hohe Sollbeschleunigung bei gleichzeitiger schnellstmöglicher Umschaltung auf den dynamischen Betrieb erhalten werden kann. Der Toleranzbetrag kann Varianzen der vorgesehenen Last des Elektromotors und/oder Fertigungstoleranzen der Teile des Elektromotors berücksichtigen.The reduced setpoint acceleration can thus be selected such that a high setpoint acceleration can be obtained while simultaneously switching over to dynamic operation as quickly as possible. The tolerance amount can take into account variances of the intended load of the electric motor and / or manufacturing tolerances of the parts of the electric motor.
In einigen Ausführungsformen ist die reduzierte Sollbeschleunigung größer oder gleich ein Drittel der maximalen Sollbeschleunigung, insbesondere größer oder gleich der Hälfte der maximalen Sollbeschleunigung oder ungefähr gleich der Hälfte der maximalen Sollbeschleunigung und kleiner als 80% oder 70% der maximalen Sollbeschleunigung.In some embodiments, the reduced target acceleration is greater than or equal to one third of the maximum target acceleration, in particular greater than or equal to half the maximum target acceleration or approximately equal to half of the maximum target acceleration and less than 80% or 70% of the maximum target acceleration.
Eine reduzierte Sollbeschleunigung, welche größer oder gleich ein Drittel der maximalen Sollbeschleunigung ist, kann eine elektromagnetische Verträglichkeit des Elektromotors begünstigen.A reduced setpoint acceleration, which is greater than or equal to one third of the maximum setpoint acceleration, can favor the electromagnetic compatibility of the electric motor.
In einigen Ausführungsformen wird, wenn eine reduzierte Sollbeschleunigung kleiner als 40% der ermittelten maximalen Sollbeschleunigung ist, die Phasenspannung derart moduliert und/oder reduziert, dass die maximale Sollbeschleunigung für die resultierende effektive Phasenspannung die reduzierte Sollbeschleunigung nicht um einen Faktor übersteigt, der größer als 2,5 ist.In some embodiments, if a reduced target acceleration is less than 40% of the determined maximum target acceleration, the phase voltage is modulated and / or reduced such that the maximum target acceleration for the resulting effective phase voltage does not exceed the reduced target acceleration by a factor that is greater than 2 , 5 is.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Anpassen wenigstens des ersten auf der Basis der reduzierten Sollbeschleunigung ermittelten Kommutierungszeitpunkts, sodass wenigstens der erste Kommutierungszeitpunkt eine Vorkommutierung für das vorgegebene Beschleunigungsprofil und die reduzierte Sollbeschleunigung umfasst.In some embodiments, the method further comprises adapting at least the first commutation time determined on the basis of the reduced target acceleration, so that at least the first commutation time includes pre-commutation for the predetermined acceleration profile and the reduced target acceleration.
Die ermittelten Kommutierungszeitpunkte für eine reduzierte Sollbeschleunigung, wie sie nach einem der vorstehenden Ausführungsformen bestimmt werden, können vorteilhaft in Elektromotoren angewandt werden.The determined commutation times for a reduced target acceleration, as determined according to one of the above embodiments, can advantageously be used in electric motors.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Verwenden der Kommutierungszeitpunkte zum Beschleunigen eines Elektromotors und/oder das Hinterlegen der Kommutierungszeitpunkte in einem nichtflüchtigen Speicher einer Steuereinheit des Elektromotors.In some embodiments, the method further comprises using the commutation times for accelerating an electric motor and / or storing the commutation times in a non-volatile memory of a control unit of the electric motor.
In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Elektromotor mit einem nichtflüchtigen Speicher, wobei in dem nichtflüchtigen Speicher Kommutierungszeitpunkte gespeichert sind, welche den ermittelten Kommutierungszeitpunkten gemäß einem der vorhergehenden Verfahren des ersten Aspekts entsprechen.In a further aspect, the invention relates to an electric motor with a non-volatile memory, commutation times which correspond to the determined commutation times according to one of the preceding methods of the first aspect being stored in the non-volatile memory.
Die ermittelten Kommutierungszeitpunkte können bei einem Anlaufvorgang des Elektromotors zum Beschleunigen des Elektromotors aus einer Ruhestellung vorgegeben werden.The ascertained commutation times can be predetermined during a starting process of the electric motor to accelerate the electric motor from a rest position.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
Die Eigenschaften und die verschiedenen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erschließen sich am besten aus den Zeichnungen, wobei:
-
1 eine schematische Ansicht eines Elektromotors gemäß einem Beispiel ist; -
2 einen beispielhaften Regelkreis eines Elektromotors zeigt; -
3 die Systemkomponenten eines beispielhaften Elektromotors zeigt; -
4 ein Modell einer Regelstrecke gemäß einem Beispiel zeigt; -
5 die Komponenten eines mechanischen Teilsystems der Regelstrecke gemäß einem Beispiel veranschaulicht; -
6 das simulierte dynamische Verhalten eines Elektromotors als Antwort auf eine Stellvorgabe gemäß einem Beispiel zeigt; und -
7 idealisierte Verläufe der Winkelgeschwindigkeit und der erzeugten gegenelektromotorischen Spannungen für unterschiedliche vorgegebene Beschleunigungen an einem beispielhaften Elektromotor veranschaulicht.
-
1 4 is a schematic view of an electric motor according to an example; -
2nd shows an exemplary control circuit of an electric motor; -
3rd shows the system components of an exemplary electric motor; -
4th shows a model of a controlled system according to an example; -
5 illustrates the components of a mechanical subsystem of the controlled system according to an example; -
6 shows the simulated dynamic behavior of an electric motor in response to a setting according to an example; and -
7 Idealized curves of the angular velocity and the counter-electromotive voltages generated for different predetermined accelerations illustrated on an exemplary electric motor.
Wenn ein Strom durch die Windungen
Zur Drehung des Rotors
Die Drehung des Rotors
Während der Drehung des Rotors
Der Regler
Die zyklisch kommutierten, stromdurchflossenen Windungen
Beispielsweise kann eine Sechs-Schritt-Blockkommutierung umgesetzt sein, in welcher jeweils zwei der drei Phasenwicklungen
In einem sensorlosen Elektromotor
Während der Startphase des Elektromotors
Eine Stellvorgabe in Form eines durch den Regler
Das elektrische Teilsystem
Somit ergeben sich die Phasenspannungen
Über eine Clarke-Transformation kann Gleichung (1) zunächst in ein statorfestes zweidimensionales Koordinatensystem und anschließend zur weiteren Vereinfachung über eine Park-Transformation in ein rotorfestes Koordinatensystem überführt werden, sodass die Gleichungen (3) und (4) erhalten werden können, welche die Bestimmung der Statorspannung
Die so ungeformten Spannungsgleichungen können anschließend über das von den Statorströmen erzeugte Drehmoment in Bezug zu dem mechanischen Teilsystem der Regelstrecke
Die „mechanische“ Winkelposition
Für das gekoppelte mechanische und elektrische Teilsystem kann die zeitliche Ableitung der elektrischen Winkelgeschwindigkeit und damit die Beschleunigung φ̈e anhand der Gleichung (5) bestimmt werden:
Aus den Gleichungen (3), (4) und (5) kann anschließend das System der Differentialgleichungen des Gesamtsystems nach Gleichung (6) erhalten werden:
Nach entsprechender Charakterisierung des Elektromotors
Zur Beschleunigung eines Elektromotors
Wenn dem Beschleunigungsvorgang ein Haltebetrieb vorausgeht, kann der Rotor
Zur Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte kann ferner ein dynamisches Reibungsmodell, beispielsweise das LuGren-Modell, betrachtet werden. Das LuGren-Modell basiert auf dem Ansatz, dass die Reibung als Widerstandskraft von vielen kleinen Borsten, die, sobald auf einen Körper externe Kräfte wirken, ausgelenkt werden und dadurch eine Gegenkraft hervorrufen. Im LuGren-Modell wird die Summe aller Borsten in Form einer einzigen Borste, die den aggregierten Zustand aller Borsten beschreibt, betrachtet. Es entsteht eine nichtlineare Differentialgleichung erster Ordnung:
Die Gleichung (8) entspricht einer gedämpften Schwingungsgleichung mit einer Federkonstanten, bzw. Federsteifigkeit σ0 und einer Dämpfungsfunktion σ1(v). Die Dämpfungsfunktion σ1(v) kann beispielsweise wie folgt gewählt werden:
Hier ist
g(v) beschreibt den Übergang von der Haft- zur Gleitreibung, wobei der Übergang mit Hilfe des Parameters
Mittels
Zum Zeitpunkt t=0,0037 s wird eine erste Kommutierung durchgeführt, sodass der Elektromotor
Die mechanische Winkelgeschwindigkeit φ̇m des Elektromotors
Somit reagiert der in
Ein Profil des Elektromotors
Beispielsweise kann die maximale Sollbeschleunigung anhand des optimalen Kommutierungszeitpunkts von t=0,0045 s aus dem
Gleichzeitig hat sich jedoch gezeigt, dass die Vorgabe der maximalen Sollbeschleunigung im Zusammenhang mit niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten, schwankenden Lastmomenten des Elektromotors
Der Geschwindigkeitsverlauf und die entsprechende gegenelektromotorische Spannung BEMF für die maximale Sollbeschleunigung des beispielhaften Elektromotors
Zu diesem Zeitpunkt konnten jedoch erst höchstens zwei Signale der gegenelektromotorischen Spannung durch die Regelungselektronik des Elektromotors
Eine optimierte Startphase ist ebenfalls in
Anders ausgedrückt sollte das Verhältnis zwischen reduzierter Sollbeschleunigung und maximaler Sollbeschleunigung zwischen Werten von 35% und 75% oder zwischen Werten von 40% und 70% oder zwischen Werten von 45% und 65% gewählt werden, um ein verbessertes Verhalten des Elektromotors
In dem vorliegenden Beispiel wurde die reduzierte Sollbeschleunigung auf ungefähr die Hälfte bezüglich der maximalen Sollbeschleunigung reduziert, sodass vor Überschreiten der Betriebsgeschwindigkeit eine Anzahl von Sensorsignalen der gegenelektromotorischen Spannung, welche größer als zwei ist, detektiert werden kann. Da die reduzierte Sollbeschleunigung jedoch größer als ein Drittel der maximalen Sollbeschleunigung ist, kommt es während der Beschleunigung des Elektromotors
Dabei kann zumindest für den ersten Kommutierungszeitpunkt eine Vorkommutierung von größer als 15°, wie beispielsweise 30° (bezüglich der elektrischen Winkelposition), gewählt werden, d.h. die erste Kommutierung wird zu einem früheren als dem vorgesehenen Zeitpunkt durchgeführt, wobei die Position des Elektromotors
Vorzugsweise wird die reduzierte Sollbeschleunigung derart angepasst, dass die gegenelektromotorische Spannung an dem ersten Kommutierungs-bedingten Detektionszeitpunkt den Detektionsschwellwert um einen vorgegebenen Toleranzbetrag, wie etwa 20% oder 10%, übersteigt. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Detektion der ersten vorgesehenen detektierten gegenelektromotorische Spannung gewährleistet werden. Eine solche Anpassung kann den Betrieb des Elektromotors
Zusätzlich kann eine Reduktion und/oder Modulation der Phasenspannung
Somit kann durch Reduzieren der maximalen Sollbeschleunigung auf eine reduzierte Sollbeschleunigung ein vorteilhafter Kompromiss für den Betrieb des Elektromotors
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 66
- ElektromotorElectric motor
- 77
- Statorstator
- 88th
- Rotorrotor
- 1010th
- Regelungs-SchaltkreisControl circuit
- 1111
- MotorsoftwareEngine software
- 1212th
- ReglerRegulator
- 1414
- Steuerungcontrol
- 1616
- StellgliedActuator
- 1818th
- RegelstreckeControlled system
- 2020th
- SensorikSensors
- W1-W3 W 1 -W 3
- WindungspaarePairs of turns
- N, SN, S
- MagnetpoleMagnetic poles
- S1-S6 S 1 -S 6
- Schaltercounter
- D1-D6 D 1 -D 6
- DiodenDiodes
- Uzk U zk
- PhasenspannungPhase voltage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102012102868 A1 [0006]DE 102012102868 A1 [0006]
- DE 102013014481 A1 [0007]DE 102013014481 A1 [0007]
- DE 60025845 T2 [0008]DE 60025845 T2 [0008]
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DE102018130477.3A DE102018130477A1 (en) | 2018-11-30 | 2018-11-30 | Method for controlling an electric motor |
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Citations (4)
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-
2018
- 2018-11-30 DE DE102018130477.3A patent/DE102018130477A1/en active Pending
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