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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum geräuschreduzierten Betreiben eines geschalteten Reluktanzmotors.
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Aus dem Stand der Technik sind geschaltete Reluktanzmotoren bekannt. Ferner sind Steuerungsverfahren bekannt, welche den Phasenstrom modulieren, um eine Laufgeräuschverringerung zu erreichen. Nachteilig ist hierbei, dass entweder eine aufwändige Anpassung an den jeweiligen Motor erfolgen muss oder die Laufgeräuschverringerung nicht optimiert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren aufzuzeigen, welches mit geringem Aufwand bei unterschiedlichen Varianten von Reluktanzmotoren anwendbar ist und den Geräuschpegel wirksam verringert.
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Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das Verfahren zum geräuschreduzierten Betreiben eines geschalteten Reluktanzmotors wird mittels einer Reluktanzmotoranordnung mit den nachfolgend beschriebenen Merkmalen durchgeführt.
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Die Reluktanzmotoranordnung weist erfindungsgemäß den geschalteten Reluktanzmotor, eine Steuerungs- und Auswerteeinheit, einen Datenspeicher, einen Stromregler, einen Rotorwinkelsensor und einen Drehmomentevaluator auf. Der Datenspeicher, der Stromregler, der Rotorwinkelsensor und der Drehmomentevaluator sind jeweils mit der Steuerungs- und Auswerteeinheit datenverbunden. Die Steuerungs- und Auswerteeinheit ist ausgebildet, Daten vom Rotorwinkelsensor und Drehmomentevaluator zu empfangen sowie diese zu verarbeiten.
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Weiterhin ist die Steuerungs- und Auswerteeinheit ausgebildet, den Stromregler zu steuern und Daten vom Datenspeicher zu lesen und auch in den Datenspeicher zu schreiben. Bei der Steuerungs- und Auswerteeinheit handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Schaltung wie einen Rechner oder einen Controller. Insbesondere der Datenspeicher, der Drehmomentevaluator und der Stromregler können zusammen mit der Steuerungs- und Auswerteeinheit eine integrierte Baueinheit bilden.
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Der geschaltete Reluktanzmotor weist erfindungsgemäß einen Stator, einen Rotor und Motorspulen auf. Der Rotor befindet sich vorzugsweise im Inneren eines rotationssymmetrischen Stators und ist um eine Rotationsachse drehbar gelagert. Der Stator und der Rotor weisen weichmagnetisches Material in einer Zahnstruktur auf. Diese werden nachfolgend auch als Statorzähne und Rotorzähne bezeichnet. Die Rotorzähne werden nachfolgend teilweise auch als Rotorarme bezeichnet. Die Motorspulen sind am Stator vorzugsweise symmetrisch um die Rotationsachse des Rotors an den Statorzähnen angeordnet. Der Reluktanzmotor ist so ausgebildet, dass durch das Beaufschlagen der Motorspulen mit einem elektrischen Strom ein magnetischer Fluss durch den Rotor erzeugt wird. Durch die Reluktanzkraft werden die Rotorzähne zu den Statorzähnen so ausgerichtet, dass der magnetische Widerstand reduziert wird. Durch die geometrische Anordnung der Rotorzähne und Statorzähne zueinander wird somit eine Rotation des Rotors hervorgerufen. Durch das Zuschalten und Abschalten der Motorspulen an unterschiedlichen Statorzähnen wird immer wieder erneut ein solcher magnetischer Fluss erzeugt, der den Rotor veranlasst, sich zur Minimierung des magnetischen Widerstands auszurichten. Der geschaltete Reluktanzmotor wird nachfolgend auch teilweise verkürzt lediglich als Reluktanzmotor oder Motor bezeichnet.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich die Rotorzähne und die Statorzähne infolge der Reluktanzkraft insbesondere quer zu deren Längsachsen verformen. Diese Verformung führt zu Schwingungen der Rotorzähne und der Statorzähne sowie teilweise auch weiterer mechanisch verbundener Bauteile des Reluktanzmotors oder einer angetriebenen Einheit, welche als Geräusch wahrgenommen werden. Zur Reduzierung der Schwingung und damit zur Geräuschreduzierung zeigt das Verfahren eine Lösung auf, nach der die Kraft auf die Rotorzähne und Statorzähne so gesteuert wird, dass deren Schwingung reduziert wird. Hierzu wird das Drehmoment möglichst in allen Winkelstellungen des Rotors konstant gehalten. Damit wirken auch auf die Rotorzähne und Statorzähne im Wesentlichen konstante Kräfte quer zu deren Längsachsen. Das Verfahren stellt dabei eine Lösung bereit, welche nicht an eine bestimmte Geometrie und sonstige bauliche Ausbildung der Rotorzähne und Statorzähne gebunden ist.
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Das Verfahren beinhaltet erfindungsgemäß dabei folgende Verfahrensschritte:
- a) Definition einer Wertetabelle in dem Datenspeicher, welche mehrere Tabellenpunkte enthält, wobei die Tabellenpunkte als Wertetupel gebildet werden. Die Wertetupel beinhalten jeweils ein Wertepaar aus einem Soll-Drehmoment und einem Rotorwinkel sowie einem zugeordneten Soll-Strom.
- b) Durchführung eines Teilzyklus
- b)1 Vorgabe eines Soll-Drehmoments
- b)2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors
- b)3 Auslesen des Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswerteeinheit, der dem ersten Wertepaar dem Soll-Drehmoment und dem ersten Ist-Rotorwinkel zugeordnet ist. Dabei werden die nächstliegenden zwei Tabellenpunkte zu dem vorgegebenen Soll-Drehmoment und die nächstliegenden zwei Tabellenpunkte zu dem Ist-Rotorwinkel ermittelt und die Entfernung der realen Werte des Soll-Drehmoments und des ersten Ist-Rotorwinkels von den Tabellenpunkten berechnet. Der Soll-Strom wird durch bilineare Interpolation aus den jeweiligen Soll-Strömen der vier Tabellenpunkte ermittelt.
- b)4 Einstellen des Soll Stroms durch den Stromregler
- b)5 Strombeaufschlagung der Motorspulen
- b)6 Evaluation des Ist-Drehmoments mittel des Drehmomentevaluators
- b)7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und Auswerteeinheit durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments und des Ist-Drehmoments
- b)8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswerteeinheit auf der Grundlage der Drehmomentabweichung. Die Berechnung erfolgt für alle vier zuletzt verwendeten Tabellenpunkte in Abhängigkeit des verwendeten Interpolationsabstands.
- b)9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungs- und Auswerteeinheit und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms.
- c) Wiederholte Durchführung des Teilzyklus bis zum Erreichen eines Rotorwinkels, der einem vollständigen Motorstate entspricht, und somit Ausbildung eines Gesamtzyklus.
- d) Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus
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Das Verfahren wird nachfolgend anhand der Verfahrensschritte im Detail beschrieben:
- a) Definition einer Wertetabelle
Ein Beispiel für eine entsprechende Wertetabelle ist in Tabelle 1 dargestellt. Einem Rotorwinkel (Oist) und dem Soll-Drehmoment sind jeweils Soll-Ströme für die jeweilige zu beaufschlagende Motorspule zugeordnet. Ein Tabellenpunkt bildet ein Wertetupel aus, welches den Rotorwinkel (Oist), das Soll-Drehmoment (MSoll) und mindestens einen Soll-Strom, oder vorzugsweise zwei Soll-Ströme, konkret je einen Sollstrom für zwei benachbarte Motorspulen (I1, I2), aufweist.
Die Tabelle 1 zeigt eine Wertetabelle für einen Reluktanzmotor mit zwei Spulen. Bei einem Reluktanzmotor mit mehr Spulen enthalten die Wertetupel zusätzliche Soll-Stromwerte für jede weitere Spule.
Diese Wertetabelle wird im Datenspeicher gespeichert. Die Steuerungs- und Auswerteeinheit ist ausgebildet, auf den Datenspeicher und die Wertetabelle zuzugreifen.
- b) Durchführen eines Teilzyklus
- b)1 Vorgabe eines Soll-Drehmomentes
Die Vorgabe eines Soll-Drehmoments wird bestimmt durch die Last, die von dem Motor aufgebracht werden soll. Die Vorgabe des Soll-Drehmoments erfolgt von der Steuerungs- und Auswerteeinheit beim Startvorgang des geschalteten Reluktanzmotors
- b)2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors
Der Rotorwinkelsensor misst die mechanische Winkelposition des Rotors. Auf diese Weise ist bekannt, wie die Rotorzähne und die Statorzähne zueinander positioniert sind. Der Rotorwinkelsensor bestimmt damit zugleich die Stellung des Rotors innerhalb eines Motorstates.
- b)3 Auslesen des Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswerteeinheit
Die Steuerungs- und Auswerteeinheit liest die Soll-Ströme zu den nächstliegenden Rotorwinkeln und dem Soll-Drehmoment aus der Wertetabelle des Datenspeichers aus. Die Werte der ausgelesenen vier umliegenden Tabellenpunkte werden mit den realen Werten verrechnet und die Entfernung der realen Werte des Soll-Drehmoments und des ersten Ist-Rotorwinkels zu den Tabellenpunkten bestimmt. Ein Beispiel für vier ermittelte Punkte ist in der Wertetabelle durch einen Rahmen hervorgehoben.
Durch eine bilineare Interpolation werden die Soll-Ströme aus den jeweiligen Soll-Strömen der vier Tabellenpunkte berechnet.
- b)4 Einstellen der Soll-Ströme durch den Stromregler
Der Stromregler stellt die berechneten Soll-Ströme für die jeweiligen Motorspulen ein. Es kann sich hierbei um jegliche aus dem Stand der Technik bekannte Art von Stromreglern handeln, welche ausreichend schnelle Schaltzeiten aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich um einen digitalen Stromregler.
- b)5 Strombeaufschlagung der Motorspulen
Der Stromregler leitet den Soll-Strom an die entsprechende Motorspule, wodurch ein magnetischer Fluss und in der Folge eine Kraft auf den Rotor erzeugt wird.
- b)6 Evaluation des Ist-Drehmoments mittels des Drehmomentevaluators
Der Drehmomentevaluator bestimmt das Ist-Drehmoment. Vorzugsweise wird das Ist-Drehmoment aus den verfügbaren Kenngrößen wie den Ist-Strömen und dem Rotorwinkel ermittelt.
- b)7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und Auswerteeinheit
Die Steuerungs- und Auswerteeinheit bestimmt eine Drehmomentabweichung durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments mit dem Ist-Drehmoment.
- b)8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs-und Auswerteeinheit auf Grundlage der Drehmomentabweichung
Aus einer festgestellten Drehmomentabweichung ergibt sich, dass die Höhe des Soll-Stroms nicht vollständig geeignet war, das vorgegebene Soll-Drehmoment einzustellen. Zugleich ergibt sich aus der Höhe der festgestellten Drehmomentabweichung eine Aussage, in welchem Maß ein geänderter Soll-Strom voraussichtlich dazu führen würde, dass das Ist-Drehmoment dem Soll-Drehmoment entspricht.
Erfindungsgemäß erfolgt die Berechnung für alle vier zuletzt verwendeten Tabellenpunkte. Die Berechnung erfolgt in Abhängigkeit des verwendeten Interpolationsabstands (h, I) und der Drehmomentabweichung (Msoll-Mist). Ferner wird in die Berechnung eine Lernkonstante (KLern) einbezogen.
- b)9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungs- und Auswerteeinheit und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms
Die Steuerungs- und Auswerteeinheit schreibt die ermittelten Werte für die korrigierten Soll-Ströme in die Wertetupel der vier Tabellenpunkte.
- c) Wiederholte Durchführung des Teilzyklus bis zum Erreichen eines Motorwinkels, der einem vollständigen Motorstate entspricht
Als Motorstate wird die Betriebsphase des Motors von einer Kommutierung bis zur nächsten Kommutierungen bezeichnet. Der Rotor durchläuft hierbei alle Winkelstellungen beginnend von der Winkelstellung der einen Kommutierung bis zur nächsten Kommutierung. Die Winkelstellung des Rotors am Ende eines Motorstates ist gleich der Winkelstellung am Beginn des nächsten Motorstates.
Der Teilzyklus wird solange wiederholt, bis der Rotor des Reluktanzmotors einen Rotationswinkel erreicht hat, welcher einer kongruente Lage zu dem Rotationswinkel am Beginn eines nächsten Motorstates entspricht. Je nach Anzahl der Arme des Rotors erreicht dieser eine kongruente Lage für einen solchen Motorstate immer nach einem Winkel, der 360° dividiert durch die Anzahl der Motorstates entspricht. Dabei wird von einer rotationssymmetrischen Ausbildung des Rotors ausgegangen.
Bei einem dreiarmigen Rotor tritt eine Beendigung eines Motorstates alle 120° ein. Damit ist ein Gesamtzyklus erreicht. Ein Gesamtzyklus bezeichnet also die Gesamtheit aller Teilzyklen, die vom Beginn eines Motorstates bis zum Abschluss eines Motorstates durchgeführt werden.
Der Teilzyklus wird nach dem Erreichen des ersten Motorstates auch für den nächsten Motorstate durchgeführt und wiederholt, bis erneut ein Gesamtzyklus erreicht wird.
- d) Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus
Das Verfahren wird für alle folgenden Gesamtzyklen wiederholt. Für eine vollständige Rotation des Rotors um 360° werden bei einem dreiarmigen Rotor drei Motorstates und damit drei Gesamtzyklen durchgeführt. Für jeden Motorstate wird jeweils immer wieder ein Teilzyklus durchgeführt, bis wieder ein Gesamtzyklus erreicht wird.
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In dem Beispiel nach der Tabelle 1 wird ein erster Motorstate nach einer Rotation des Rotors um 60° abgeschlossen. Für eine vollständige Rotordrehung um 360° werden sechs Motorstates und somit sechs Gesamtzyklen durchlaufen.
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Dies wird für die Herbeiführung einer dauerhaften Rotation des Rotors fortlaufend wiederholt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere folgende besonderen Vorteile auf.
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Das Verfahren ist iterativ selbstlernend. Mit jedem Durchlauf eines Teilzyklus werden die Tabellenpunkte bezogen auf den Wert des Soll-Stroms optimiert. Mit fortgesetzter Durchführung des Verfahrens werden alle Tabellenpunkte von der Optimierung erfasst. Durch die wiederholte Durchführung nähert sich der Soll-Strom immer weiter dem optimalen Wert an, so dass sich die Drehmomentabweichung asymptotisch gegen Null einstellt.
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Bedingt durch die sich immer verbessernde Einstellung des Drehmoments wird als Vorteil eine besonders hohe Laufruhe und Geräuschreduzierung erreicht.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass das Verfahren ohne Anpassung oder mit lediglich geringem Anpassungsaufwand bei unterschiedlichen Motoren anwendbar ist. Es ist lediglich erforderlich, die Wertetabelle zunächst mit grob ermittelten Werten zu besetzen, die lediglich eine Lauffähigkeit des Motors ermöglichen müssen. Durch die Anwendung des Verfahrens wird mit jedem Durchlauf der Teilzyklen und des Gesamtzyklus selbsttätig eine Optimierung der Werte des Soll-Stroms in Anpassung an den jeweiligen Motor erreicht.
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Vorteilhaft ist zudem, dass das Verfahren eine selbsttätige Kompensierung etwaiger Fertigungstoleranzen bereitstellt.
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Weiterhin besteht der Vorteil, dass das Verfahren eine selbsttätige Anpassung an sich möglicherweise erst im Laufe eines Betriebs des Motors sukzessiv ergebende Veränderungen, wie beispielsweise Unwuchten oder ein unrunder Lauf durch Lagerverschleiß, bereitstellt. Das Verfahren bewirkt, dass die Soll-Ströme der jeweiligen physischen Beschaffenheit des Motors angepasst werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Wertetabelle für einen vollständigen Rotorumlauf ausgebildet.
Wird die Wertetabelle für einen vollen Rotorumlauf, also für eine Rotation um 360° ausgelegt, sind jeder physischen Lagebeziehung eines Rotorzahns zu einem Statorzahn Tabellenpunkte umkehrbar eindeutig zugeordnet. So können auch feinste Fertigungsunterschiede bei den einzelnen Rotor- oder Statorzähnen, Unwuchten oder Verschleißerscheinungen am Rotor durch das Verfahren ausgeglichen werden. Dadurch kann die Laufruhe des Reluktanzmotors zusätzlich erhöht werden und selbst nach langen Laufzeiten gewährleistet werden.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 Reluktanzmotoranordnung
- 2 schematischer Ablaufplan des Verfahrens
- 3 Drehmomentverhalten des Reluktanzmotors bei dem Verfahren
- 4 Werte, Interpolation und Berechnung der Korrekturen näher erläutert.
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1 zeigt einen schematischen Aufbau der Reluktanzmotoranordnung. Die Reluktanzmotoranordnung weist eine Steuerungs- und Auswerteeinheit 2, einen Datenspeicher 3, einen Stromregler 4, einen Rotorwinkelsensor 5, einen Drehmomentevaluator 6 und einen geschalteten Reluktanzmotor 1 auf.
Der Stromregler 4, der Rotorwinkelsensor 5 und der Drehmomentevaluator 6 sind jeweils mit dem Reluktanzmotor 1 und der Steuerungs- und Auswerteeinheit 2 verbunden.
In dieser Ausführung ist der Datenspeicher 3 mit der Wertetabelle in die Steuerungs- und Auswerteeinheit 2 integriert.
Der geschaltete Reluktanzmotor 1 weist einen Stator 7, einen Rotor 8 und mehrere Motorspulen 9 auf.
Der Stromregler regelt die Soll-Ströme für die Motorenspulen auf die von der Steuerungs- und Auswerteeinheit übermittelten Werte.
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Der Rotorwinkelsensor 5 ermittelt die Stellung des Rotors 8 und übermittelt diese an die Steuerungs- und Auswerteeinheit 2 und an den Drehmomentevaluator 6. Der Drehmomentevaluator 6 ermittelt aus den am Reluktanzmotor 1 anliegenden Kenngrößen, im Ausführungsbeispiel insbesondere aus dem tatsächlichen Strom, bezogen auf einen konkreten Rotorwinkel das Ist-Drehmoment und übermittelt dieses ebenfalls an die Steuerungs- und Auswerteeinheit 2. Hieraus errechnet die Steuerungs- und Auswerteeinheit 2 eine Drehmomentabweichung sowie auf dieser Grundlage optimierte Soll-Stromwerte und trägt diese an Stelle der bisherigen Soll-Stromwerte in die Wertetabelle des Datenspeichers 3 ein.
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2 stellt ein Schema des Verfahrens zum geräuschreduzierten Betreiben eines geschalteten Reluktanzmotors dar. Das Schema zeigt zusammengefasst alle Verfahrensschritte von a) bis d), wobei der Verfahrensschritt b) mit allen Teilschritten dargestellt ist. Der Teilzyklus (Verfahrensschritt b)) wird bis zum Erreichen des Endes des ersten Motorstates wiederholt und nach Erreichen des ersten Motorstate erfolgt die Wiederholung bis zum Erreichen des Endes des nächsten Motorstates (Verfahrensschritt c)). Hierbei handelt es sich um einen Gesamtzyklus.
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Der Gesamtzyklus wird für alle Motorstates wiederholt, bis eine volle Umdrehung des Rotors um 360° erreicht wird (Verfahrensschritt d)). Ist eine volle Rotordrehung abgeschlossen, kann der Ablauf in Gänze beliebig wiederholt werden, um eine dauerhafte Rotation zu bewirken.
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Die Wertetabelle wird im Verfahrensschritt b)9 ständig aktualisiert.
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3 zeigt eine Zusammenstellung von Grafiken zum Drehmomentverhalten des Reluktanzmotors bei der Anwendung des Verfahrens. Am Anfang (t=0 bzw. links) zeigt der geschaltete Reluktanzmotor noch hohe Drehmomentspitzen, auch als Drehmomentrippel bezeichnet, welche durch eine nicht optimale Überlagerung der Teildrehmomente insbesondere beim Übergang von einem Motorstate zum Nächsten entstehen (unten links). Nach mehreren Gesamtzyklen sind die Drehmomentspitzen deutlich reduziert (unten rechts) und die Teildrehmomente überlagern sich vorteilhafter. Die Drehmomentspitzen sind verantwortlich für ein Schwingen der Rotorzähne und Statorzähne und damit für ein lautes Laufgeräusch des Reluktanzmotors. Die Reduzierung der Drehmomentspitzen bewirkt damit auch eine Reduzierung des Motorgeräuschs.
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4 zeigt die Interpolation der Werte im Koordinatensystem a) und die Berechnung der Korrekturen für die Soll-Ströme in Tabelle b).
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Die Werteinterpolation gemäß dem Verfahrensschritt b)3 ist im Koordinatensystem a) grafisch dargestellt. Die Steuerungs- und Auswerteeinheit bekommt das Soll-Drehmoment vorgegeben und der Rotorwinkelsensor liefert den Ist-Rotorwinkel (Oist). Die Steuerungs- und Auswerteeinheit ermittelt die vier nächstgelegenen Tabellenpunkten (P11, P12, P21, P22) und interpoliert einen Soll-Strom (Isoll) durch bilineare Interpolation. Der so durch Interpolation erhaltene Wert für einen Soll-Strom (Isoll) wird in Verfahrensschritt b)4 und b)5 durch den Stromregler eingestellt und an die Motorspulen geleitet.
In Verfahrensschritt b)6 wird das anliegende Ist-Drehmoment (Mist) mittels des Drehmomentevaluators evaluiert und in Verfahrensschritt b)7 durch die Steuerungs- und Auswerteeinheit mit dem Soll-Drehmoment (Msoll) zu einer Drehmomentabweichung (Msoll-Mist) verrechnet.
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4 zeigt in Tabelle b) die Berechnungsformeln für die Korrekturwerte (gemäß Verfahrensschritt b)8) mit der Drehmomentabweichung anhand der verwendeten Interpolationsabstände (h, I), einer Lernkonstante (KLern) und der Drehmomentabweichung (Msoll-Mist).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- geschalteter Reluktanzmotor
- 2
- Steuerungs-und Auswerteeinheit
- 3
- Datenspeicher
- 4
- Stromregler
- 5
- Rotorwinkelsensor
- 6
- Drehmomentevaluator
- 7
- Stator
- 8
- Rotor
- 9
- Motorspulen
