DE102019100281A1

DE102019100281A1 - Rotororientierungserkennung bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor

Info

Publication number: DE102019100281A1
Application number: DE102019100281.8A
Authority: DE
Inventors: Klaus Schaefer-van den Boom; Eugen Balzer; Hafedh Sammoud
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2020-07-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Rotororientierung bei einem Synchronmotor mit einem Permanentmagnet-Rotor mit 180°-Periodizität im Verlauf der Statorinduktivität in Abhängigkeit von der Rotororientierung, umfassend Bestimmen der Rotorlage, Anlegen eines Testimpulses an den Stator mit einer ersten Stromrichtung entsprechend der Rotorlage und Bestimmen der resultierenden Induktivität, Vergleichen der bestimmten Induktivität mit einem Schwellenwert, und Erkennen der Rotororientierung als „mit“ der ersten Stromrichtung, wenn die bestimmte Induktivität über dem Schwellenwert liegt, und als „entgegen“ der ersten Stromrichtung, wenn die bestimmte Induktivität unter dem Schwellenwert liegt. Die Erfindung betrifft fernen einen Synchronmotor mit einer Steuereinheit, die das Verfahren ausführt, sowie ein Haushaltsgerät mit dem Motor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung der Orientierung des Rotors bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor im Stillstand.
Bei einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit unterschiedlichen magnetischen Widerständen in d- und q-Achse, z.B. aufgrund innen liegender Magneten, Luftspaltaufweitung oder bestimmter Polgeometrie, ändert sich die Statorinduktivität in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors. Diesen Effekt kann man sich zur sensorlosen Rotorlageerkennung zunutze machen, denn besonders bei kleinen Drehzahlen oder im Stillstand sind EMK-basierte Verfahren weniger gut geeignet. Jedoch bleibt bei dieser Art der Rotorlagemessung (Saliency-Based Sensorless Control) eine Unsicherheit von 180°_el hinsichtlich der Rotororientierung, d.h. der relativen Lage des magnetischen Nord- und Südpols. Die mit diesem Verfahren ermittelte Information über die Rotorlage des Rotors ist somit zweideutig.
Für einen korrekten Anlauf ist jedoch die eindeutige Kenntnis über Rotorstellung, umfassend elektrischer Rotorlagewinkel und Rotororientierung bezüglich Nord-/Süd-Unsicherheit, erforderlich. Es ist daher bekannt, den Rotor vor dem Anlaufen in eine bekannte Startstellung auszurichten, z.B. mittels gezielter Impulse auf den Stator. Dies kostet einerseits viel Energie und verzögert andererseits den Anlauf, da beim Ausrichten das Einpendeln des Rotors bis zum Stillstand in der Ruhestellung abgewartet werden muss.
Bei manchen Haushaltsgeräten ist darüber hinaus ein vom Benutzer sichtbares Element mit dem Motor verbunden, beispielsweise die Trommel von Waschautomaten oder Wäschetrocknern. Ein Ausrichten des Motors ist hier zwangsläufig mit einer Bewegung des sichtbaren Elements, wie etwa der Trommel, verbunden, was bei dem Benutzer einen geringwertigen Eindruck des Geräts erzeugen kann. Analoges gilt für ein nicht sichtbares angetriebenes Element wie etwa eine Pumpe oder ein Lüfter, dessen Bewegung für einen Benutzer jedoch hörbar sein kann. Beides gilt es daher zu vermeiden, um eine hochwertigere Anmutung für den Benutzer zu erzielen.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine Erkennung der Rotororientierung eines Permanentmagnet-Synchronmotors bereitzustellen, wobei die vorgenannten Probleme beseitigt oder zumindest verringert werden. Es soll somit ein Zeit- und Energie-sparendes, sowie ruckfreies Anlaufen des Motors ohne initiales Ausrichten ermöglicht werden.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren, einen Motor und ein Haushaltsgerät mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erkennung der Rotororientierung bei einem Synchronmotor mit einem Permanentmagnet-Rotor mit 180°-Periodizität der Orientierung bereitgestellt, umfassend:

- Bestimmen der Rotorlage;
- Anlegen eines Testimpulses an den Stator mit einer ersten Stromrichtung entsprechend der Rotorlage und Bestimmen der resultierenden Induktivität;
- Vergleichen der bestimmten Induktivität mit einem Schwellenwert; und
- Erkennen der Rotororientierung als „mit“ der ersten Stromrichtung, wenn die bestimmte Induktivität über dem Schwellenwert liegt, und als „entgegen“ der ersten Stromrichtung, wenn die bestimmte Induktivität unter dem Schwellenwert liegt.

Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, die 180°-Unsicherheit bei der Bestimmung der Rotorlage mit der Verwendung von nur einem Testimpuls und einem Schwellenwert zu eliminieren. Der Schwellenwert wird entsprechend den Verläufen der Induktivität des gegebenen Motors so ausgewählt, dass eine sichere Unterscheidung gewährleistet ist, zu welcher Kennlinie (I- oder I+) eine erkannte Induktivität gehört.
Bevorzugt umfasst das Verfahren weiter ein Messen der Temperatur des Motors, wobei der Schwellenwert von der gemessenen Temperatur des Motors abhängt. Dies kann beispielsweise mittels Messung mindestens eines der Wicklungswiderstände und der anschließenden Berechnung der Ist-Temperatur der Motorwicklung, basierend auf dem bekannten Wicklungswiderstand bei Raumtemperatur R₂₀, erfolgen.
Da die Induktivität von der Temperatur des Motors abhängt, kann es die Erkennungssicherheit erhöhen, wenn ein temperaturabhängiger Schwellenwert verwendet wird. Bei höheren Temperaturen sinkt grundsätzlich die erkannte Induktivität I+, während die Induktivität I- im Wesentlichen davon unabhängig ist. Mit einem temperaturabhängigen Schwellenwert kann dies kompensiert werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Erkennung der Rotororientierung bei einem Synchronmotor mit einem Permanentmagnet-Rotor mit 180°-Periodizität der Orientierung bereitgestellt, umfassend:

- Bestimmen der Rotorlage;
- Anlegen eines Testimpulses an den Stator mit einer ersten Stromrichtung entsprechend der Rotorlage und Bestimmen der resultierenden Induktivität;
- Anlagen eines Testimpulses an den Stator mit einer zweiten Stromrichtung entgegen der ersten Stromrichtung und Bestimmen der resultierenden Induktivität; und
- Erkennen der Rotororientierung als „mit“ der Stromrichtung des Testimpulses, der die höhere bestimmte Induktivität aufweist.

Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, die 180°-Unsicherheit bei der Bestimmung der Rotorlage mit der Verwendung von zwei Testimpulsen zu eliminieren. Ein Schwellenwert ist hier nicht erforderlich, da sich die nötige Information bereits relativ aus den zwei resultierenden Induktivitätswerten ergibt.
Bevorzugt umfasst das Verfahren weiter:

- Bestimmen der Temperatur des Synchronmotors basierend auf der höheren bestimmten Induktivität und einer Temperatur-Induktivitäts-Kennlinie.

Da der höhere Induktivitätswert I+ temperaturabhängig ist, gestattet es die Ausführungsform mit zwei Testimpulsen, die Motortemperatur abzuschätzen. Voraussetzung dafür ist, dass für zwei oder mehr Temperaturen eine eigene Induktivitätskennlinie I+ vorliegt, bzw. allgemein die Temperaturabhängigkeit des Induktivitätswerts I+ bekannt ist.
Bevorzugt erfolgt das Bestimmen der Rotorlage mittels HF-Injektion. Grundsätzlich eignet sich die Erfindung jedoch auch für andere Varianten der Rotorlageerkennung, die eine 180°-Unsicherheit in der Rotororientierung aufweisen.
Bevorzugt wird das Verfahren im Stillstand des Synchronmotors ausgeführt und umfasst weiter:

- Starten des Synchronmotors basierend auf der erkannten Rotorlage und Rotororientierung.

Da es je nach Orientierung des Rotors zu einem Ruck der damit angetriebenen Komponente kommen kann, sollte bevorzugt direkt nach dem Erkennen der Rotorlage und Rotororientierung und damit der gesamten Rotorstellung das Anlaufen erfolgen. Dies „kaschiert“ eine nicht immer vollständig vermeidbare Bewegung der angetriebenen Komponente.
Bevorzugt beträgt die Dauer eines Testimpulses zwischen 50 µs und 900 µs, noch mehr bevorzugt zwischen 125 µs und 350 µs. Eine Mindestlänge ist erforderlich, um eine ausreichende Unterscheidbarkeit der Werte von I+ und I- zu gewährleisten. Andererseits sollten die Testimpulse möglichst kurz sein, da längere Impulse dazu führen können, dass diese von Benutzern als „Knacken“ oder dergleichen wahrgenommen werden.
Bevorzugt entspricht der elektrische Winkel des Testimpulses oder der Testimpulse dem nächstliegenden Grundspannungsraumzeiger. Da eine Modulation bei den Testimpulsen nicht möglich ist, wird der jeweils nächstliegende ohne Modulation erzeugbare Grundspannungsraumzeiger gewählt.
Bevorzugt ist die Spannungs-Zeit-Fläche des ersten und zweiten Testimpulses gleich. Damit wird möglichst kein effektives Drehmoment erzeugt, um den Rotor idealerweise nicht zu bewegen (keine oder nur geringfügige Rotationsbewegung des Rotors unter Ausnutzung der Massenträgheit).
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Synchronmotor für ein Haushaltsgerät bereitgestellt, umfassend:

- einen Permanentmagnet-Rotor mit 180°-Periodizität der magnetischen Widerstände in d- und q-Achse;
- einen Stator mit mindestens 2 Phasen;
- einen Frequenzumrichter, der zum Betreiben des Synchronmotors eingerichtet ist; und
- eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, das vorstehende Verfahren auszuführen.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Haushaltsgerät bereitgestellt, umfassend einen vorstehenden Synchronmotor.
Bevorzugt treibt der Synchronmotor ein von einem Benutzer sichtbares und/oder hörbares Element an, insbesondere Trommel, Bürste, Pumpe, Gebläse oder Lüfter.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

1 einen Rotor eines Permanentmagnet-Synchronmotors;
2 einen Spannungszwischenkreis-Umrichter (Wechselrichter) zur Ansteuerung eines Permanentmagnet-Synchronmotors;
3 eine Darstellung von Spannungsraumzeigern in der komplexen Ebene;
4 eine beispielhafte Ausrichtung eines Rotors in der komplexen Ebene; und
5 beispielhafte Verläufe der resultierenden Stromspitzenwerte bei der Beaufschlagung des Stators mit Spannungs-Testimpulsen der Dauer Δt.

In 1 ist der Rotor einer permanentmagneterregten Synchronmaschine gezeigt, hier beispielhaft als 6-poliger Rotor (3 Polpaare). Bei einer solchen permanentmagneterregten Synchronmaschine mit innen liegenden Magneten (Nord-/Südseite n, s) ändert sich (z.B. bei gegebener Polgeometrie) die Statorinduktivität in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors. Bei innen liegenden Magneten, Luftspaltaufweitung oder bestimmter Polgeometrie ändert sich der magnetische Widerstand des Stators rotorlageabhängig (je nach Orientierung der d- und q-Achse des Rotors in Bezug auf die Statorpole). Dabei ergeben sich die Minima der Phaseninduktivität einer Phase, wenn die magnetische Hauptflussachse des Rotors (q-Achse) mit einem magnetischen Pol des Stators übereinstimmt, d.h. kein Magnet gegenüber dieser Phase steht.
Dagegen erreicht die Induktivität ihr Maximum, wenn die magnetische Hauptflussachse des Rotors (q-Achse) senkrecht zur einem magnetischen Pol des Stators steht. Hierbei stimmt die magnetische Nebenpolachse (d-Achse) mit einem magnetischen Pol des Stators überein - d.h. ein Magnet steht gegenüber einer Phase. Somit wiederholt sich diese ggf. sinusförmige Induktivitätsänderung zweimal, wenn der Rotor um eine elektrische Umdrehung gedreht wird. Pro mechanischer Umdrehung wiederholen sich die elektrischen Umdrehungen in Abhängigkeit von der Polpaarzahl des Motors. Diesen Effekt kann man sich zur sensorlosen Rotorlageerkennung zunutze machen, denn besonders bei kleinen Drehzahlen oder im Stillstand sind EMK- (elektromotorische Kraft) basierte Verfahren weniger gut geeignet, da die induzierten Spannungen des Motors aufgrund der geringen Winkelgeschwindigkeit des Rotors nahezu oder gleich Null sind.
Sofern die Maschine Anisotropien aufweist, kann durch Injektion von HF- (Hochfrequenz) Signalen mit einer anderen Frequenz als der grundlegenden die Rotorlage abgeschätzt werden, denn bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen wird die Änderung der Ständerinduktivität mit der Orientierung des Rotors charakterisiert. Dabei wird eine HF-Komponente dem Steuersignal überlagert, was zu einer hochfrequenten Stromantwort (Impulsantwort, Sprungantwort) führt. Die lageabhängigen hochfrequenten Ströme können verwendet werden, um die Rotorlage zu erfassen. Diese Art der Rotorlageerfassung wird auch als „Saliency-Verfahren“ bezeichnet, denn es gilt, dass die Querinduktivität ungleich der Längsinduktivität ist: Ld ≠ Lq (Unterschiedliche magnetische Widerstände in d- und q-Achse).
Zur Messung der momentanen Statorinduktivität werden beispielsweise in alle drei Phasen nacheinander hochfrequente Spannungstestsignale „eingeprägt“ und die daraus resultierende Stromänderung (derselben Frequenz) gemessen. Idealerweise kann das Testsignal auch das PWM-Signal selbst sein, um akustische Nebeneffekte zu vermeiden. Da sich die Statorinduktivität zweimal pro elektrischer Umdrehung ändert bleibt ein Winkelfehler von 180° elektrisch. Somit sind die Ergebnisse dieses Verfahrens zweideutig. Die Frequenz der messbaren Positionssignale ist also das Zweifache der elektrischen Frequenz. Es bleibt bei dieser Rotorlagemessung also eine Ungenauigkeit von 180° elektrisch. Die Folge dieser Doppeldeutigkeit wäre ein möglicher Anlauf des Rotors in die falsche Drehrichtung, ein „Kippen“ des Motors, oder ein Ruck des Rotors, was es zu vermeiden gilt.
In 1 ist ein Beispiel eines Permanentmagnet-Rotors mit der Polpaarzahl p=3 dargestellt. Daher entspricht hier eine elektrische Umdrehung 120° mechanisch. Da die Induktivität mit der doppelten elektrischen Frequenz verläuft, entspricht hingegen eine magnetische Periode (periodischer Verlauf der Induktivität) lediglich 60° mechanisch (Doppeldeutigkeit).
Die Endstufe des zur Ansteuerung der permanentmagneterregten Synchronmaschine verwendeten Frequenzumrichters besteht in der Regel aus einer B6-Brücke mit sechs Leistungsschaltern (Su,v,w) bzw. drei Halbbrücken HB1 bis HB3 (siehe 2). Jede Halbbrücke kann zwei Zustände einnehmen: Ein (1) und Aus (0). Dadurch kann die Ausgangsspannung der Phase (U, V, W) sowohl auf das positive als auch auf das negative Zwischenkreispotenzial (UDC) gelegt werden.

Da drei Halbbrücken für ein Dreiphasendrehstromsystem notwendig sind, ergeben sich dadurch 2³ mögliche Schalterstellungen und somit acht Schaltzustände. Es ergibt sich bei jeder Schalterstellung eine andere Spannungskonstellation zwischen den Phasen und damit auch ein anderer Spannungsraumzeiger. Die zwei Schalterstellungen, bei denen entweder alle drei oberen oder alle drei unteren Schalter geschlossen sind, stellen eine Ausnahme dar. Bei diesen Schalterstellungen werden alle drei Phasen kurzgeschlossen. Somit ist zwischen den Phasen keine Spannung messbar. Diese beiden Spannungsvektoren werden als Nullspannungsraumzeiger bezeichnet. Daraus lassen sich 6 aktive und zwei passive Spannungsraumzeiger darstellen. In folgender Tabelle 1 sind jeweils die verketteten Ausgangsspannungen der acht Schalterstellungen, die auftreten können, aufgelistet:

Grund-Spannungsraumzeiger	HB 1 S_U1/S_U0	HB2 S_V1/S_V0	HB 3 S_W1/S_W0	U_UV	U_VW	U_WU
U₀	0	0	0	0V	0V	0V
U₁	1	0	0	+U_DC	0V	-U_DC
U₂	1	1	0	0V	+U_DC	-U_DC
U₃	0	1	0	-U_DC	+U_DC	0V
U₄	0	1	1	-U_DC	0V	+U_DC
U₅	0	0	1	0V	-U_DC	+U_DC
U₆	1	0	1	+U_DC	-U_DC	0V
U₇	1	1	1	0V	0V	0V

Tabelle 1
Eine räumliche Darstellung dieser sechs bzw. acht Spannungsraumzeiger, bezogen auf einen dreiphasigen Stator eines Elektromotors mit räumlich um 120° versetzt angeordneten Phasenwicklungen U, V und W ist in 3 dargestellt. Der Spannungsraumzeiger Ua kann durch Modulation erreicht werden. Da er exakt den halben Winkel der Spannungsraumzeiger U1 und U2 hat, kann dies dadurch realisiert werden, indem der Spannungsraumzeiger U1 abwechselnd mit dem Spannungsraumzeiger U2 ausgegeben wird.
Für die Kommutierung einer Drehfeldmaschine ist es jedoch unerlässlich, auch die Amplitude der Ausgangsspannung, also den Betrag des Spannungsraumzeigers, beliebig wählen zu können. Um dies zu realisieren, werden die beiden Nullspannungsraumzeiger benötigt. Möchte man nun beispielsweise den Spannungsraumzeiger Ub ausgeben, muss das Verhältnis der Ausgabezeiten der Spannungsraumzeiger U1 und U2, wie im vorherigen Beispiel, exakt gleich sein. Um den Betrag des resultierenden Spannungsraumzeigers nun reduzieren zu können, wird eine zusätzliche Zeit eingeführt, in welcher ein Nullspannungsraumzeiger (U0 oder U7) ausgegeben wird. Der Betrag des resultierenden Spannungsraumzeigers hängt also vom Verhältnis der Einschaltzeit der aktiven Spannungsraumzeiger und der Einschaltzeit des Nullspannungsraumzeigers ab.
Der für die Messung der Sättigung notwendige Statorstrom wird mittels Spannungsimpulsen auf die Statorwicklungen eingeprägt. Hierbei können aber lediglich Ströme in Richtung der Grundspannungsraumzeiger U1 bis U6 in den Stator eingeprägt werden. Eine Modulation kann nicht verwendet werden. Die Sprungantwort des Stators, also der Strom durch die Statorwicklung, ist abhängig davon, ob die Richtung des magnetischen Flusses der Permanentmagneten dieselbe ist wie die Richtung des durch den Testpuls hervorgerufenen Flusses der Statorspulen. Ursache dafür sind Sättigungseffekte, die bei hohen Feldstärken im Eisen auftreten.
Die sättigungsabhängige Änderung der Induktivität wird durch den Rotorfluss verursacht. Je nachdem, ob das Rotorfeld in oder entgegen der Richtung des Statorfeldes liegt, wird das Rotorfeld zum Statorfeld addiert oder davon subtrahiert (gestärkt oder geschwächt). Da die resultierende Induktivität durch Sättigungseffekte beeinflusst wird (der Statorfluss addiert sich vorzeichenbehaftet zum Rotorfluss bzw. Dauermagnet-Fluss und bringt das Eisen mehr oder weniger früh in Sättigung), lassen sich anhand des resultierenden Statorstroms Rückschlüsse auf die Orientierung des Rotors ziehen. Diese Sättigungseffekte lassen sich den einzelnen Wicklungssträngen des Stators zuordnen. Dadurch lassen sich Nord- und Südpole der Magneten unterscheiden.
Die relative Permeabilitätszahl µr hängt als Stoffkonstante nicht nur von dem jeweiligen Material ab, sondern auch von der magnetischen Flussdichte. Bei hohen magnetischen Flussdichten kommt es zu einer so genannten magnetischen Sättigung der Materialien und als Folge einer Reduktion der relativen Permeabilitätszahl µr (bis auf 1). Dadurch ist die Induktivität direkt von der magnetischen Flussdichte abhängig, die ihrerseits meist eine Funktion des durch die Spule fließenden elektrischen Stromes ist. Somit ändert sich die Induktivität einer Spule in Abhängigkeit vom Momentanwert des elektrischen Stromes, der durch die Spule fließt.
Aufgrund der Vormagnetisierung durch die Permanentmagnete wird dieser Effekt bei gleicher Flussrichtung verstärkt, wobei er bei entgegen gesetzten Flussrichtungen kaum eine Rolle spielt. Das bedeutet, dass sich die Induktivität unterschiedlich verhält, je nachdem, ob die Bestromung des Stators in die eine (Richtung des Statorflusses = Richtung des Permanentmagnetflusses, im Folgenden als I+ bezeichnet) oder andere Richtung (Richtung des Statorflusses ≠ Richtung des Permanentmagnetflusses, im Folgenden als I- bezeichnet) erfolgt. Das Ergebnis der Messung der in einem bestimmten Zeitraum auftretenden Strommaxima lässt Rückschlüsse auf die jeweiligen Flussrichtungen und damit die Ausrichtung des Rotors zu.

In 4 ist eine mögliche initiale Rotorstellung beim PM-Motor gezeigt. Der elektrische Winkel beträgt in diesem Beispiel ε_el ≈ 25°elektrisch. Die d-Achse des Rotors ist durch den Pfeil angedeutet. Die initiale Rotorlage kann mittels HF-Injektion ermittelt werden. Die zunächst durchgeführte Rotorlageerkennung mittels HF-Injektion (dies schließt auch die PWM-Frequenz selbst mit ein) ermittelt über den Induktivitätsverlauf der Maschine zwei mögliche, elektrische Initialwinkel ε_el,HF1 = 25°elektrisch und ε_el,HF2 = 205°elektrisch. Für die Testimpulse werden die nächstliegenden Grundspannungsraumzeiger ermittelt, anhand der Tabelle 2:

Initialer Rotorlagewinkel ε_el,HF	nächstgelegener Grundspannungsraumzeiger	exponentielle Schreibweise
330° (-30°) < ε_el,HF ≤ 30°	U₁	U × e^j0°
30° < ε_el,HF ≤ 90°	U₂	U × e^j60°
90° < ε_el,HF ≤ 150°	U₃	U × e^j120°
150° < ε_el,HF ≤ 210°	U₄	U × e^j180°
210° < ε_el,HF ≤ 270°	U₅	U × e^j240°
270° < ε_el,HF ≤ 330°	U₆	U × e^j300°

Tabelle 2
In diesem Beispiel liegen die beiden möglichen elektrischen Initialwinkel bei ε_el,HF1 = 25°elektrisch und ε_el,HF2 = 205°elektrisch. Daraus ergeben sich die beiden elektrischen Grundspannungsraumzeiger für die beiden entgegengesetzten Spannungspulse zur Auflösung der 180° bzw. Nord-/Süd-Unsicherheit der Rotororientierung:

Testpuls 1: ε_el,HF1 = 25° > U1 > Spannungssprung von 0 V auf U_Test1 = U_ampl × e^j0° Testpuls 2: ε_el,HF2 = 205° > U4 > Spannungssprung von 0 V auf U_Test2 = U_ampl × e^j180°

Durch die Auswahl der geeigneten Grundspannungsraumzeiger für die Testpulse zur Erfassung der Rotororientierung kann eine Bewegung des Rotors und damit der angetriebenen Komponente des Gerätes minimiert oder gänzlich vermieden werden. Zusätzlich zur Wahl eines geeigneten Grundspannungsraumzeigers zur Minimierung des Rucks und der Bewegung des Rotors wird bevorzugt für beide Testimpulse die gleiche Spannungs-Zeit-Fläche für die Spannungsraumzeiger gewählt, um kein effektives Drehmoment zu erzeugen und somit den Rotor idealerweise nicht zu bewegen.
In 5 sind beispielhafte Verläufe von I- sowie I+ bei kaltem (z.B. 20°C), bzw. warmem (z.B. 100°C) Motor gezeigt, jeweils abhängig von der Pulslänge der Testimpulse. Auf den Verlauf von I- hat die Motortemperatur keine relevante Auswirkung, so dass hier nur eine Kurve gezeigt ist. Für jede Motortemperatur gibt es grundsätzliche eine eigene Kurve, von der hier allerdings nur zwei gezeigt sind.
Die Pulslänge muss für einen gegebenen Motor vorgegeben werden. Sie sollte einerseits so niedrig wie möglich sein, um unerwünschte Auswirkungen wie Geräusche („Knacken“) durch die Testimpulse zu vermeiden, andererseits muss sie aber auch so hoch sein, dass ein zuverlässig messbarer Unterschied zwischen I- und I+ (warm/kalt) besteht, beispielsweise 10%. Hierbei ist der zu erwartende Temperaturbereich des Motors zu berücksichtigen, da die Differenz von I+_warm zu I- geringer ist als von I+_kalt zu I-. Sofern die Motortemperatur bekannt ist, könnte die Pulslänge abhängig davon angepasst werden, d.h. kürzere Pulslänge bei kälterem Motor. Eine konstante Pulslänge könnte auch so gewählt werden, dass im zu erwartenden Temperaturbereich des Motors die Differenz einen Minimalwert nicht unterschreitet.
Werden bei einer gegebenen Pulslänge p die zwei Werte I_test1 und I_test2 erhalten, so entspricht die gesuchte Rotororientierung der Richtung des Testimpulses mit dem höheren Wert. In diesem Fall entspricht die Rotororientierung daher der Stromrichtung entsprechend dem Testimpuls I_test1.
Aus der Kurve, mit der die größte Übereinstimmung des Wertes des „richtigen“ Testimpulses (d.h. in der richtigen Orientierung) vorliegt, kann auch auf die Temperatur des Motors geschlossen werden. In dem gezeigten Beispiel entspricht die Motortemperatur derjenigen der Kennlinie I+_warm. Tatsächlich wäre bei einer entsprechenden Ausführungsform eine Schar von Kennlinien für jede zu erkennende Temperatur des Motors vorhanden, beispielsweise in Unterteilungen von 5°C.
In einer (nicht gezeigten) Ausführungsform ist es auch möglich, mit nur einem Testimpuls zu arbeiten. Je nachdem, ob der erhaltene Messwert dann zur Kurve I+ oder I- gehört, ist die gesuchte Rotororientierung entweder diejenige des Testimpulses oder die entgegengesetzte. Angenommen, der Testimpuls führt zum Messwert I_test2, dann liegt dieser auf der Kurve I- und somit ist die Rotororientierung entgegengesetzt zu der des Testimpulses 2. Umgekehrt, führt der Testimpuls zum Messwert I_test1, dann liegt dieser auf einer Kurve I+ und somit ist die Rotororientierung parallel zu der des Testimpulses 1. Beides jeweils mit der Ungenauigkeit, die sich aus der endlichen Anzahl möglicher Grundraumspannungszeiger ergibt (s.o.).

Claims

Verfahren zur Erkennung der Rotororientierung bei einem Synchronmotor mit einem Permanentmagnet-Rotor mit 180°-Periodizität im Verlauf der Statorinduktivität in Abhängigkeit von der Rotororientierung, umfassend: - Bestimmen der Rotorlage; - Anlegen eines Testimpulses an den Stator mit einer ersten Stromrichtung entsprechend der Rotorlage und Bestimmen der resultierenden Induktivität; - Vergleichen der bestimmten Induktivität mit einem Schwellenwert; und - Erkennen der Rotororientierung als „mit“ der ersten Stromrichtung, wenn die bestimmte Induktivität über dem Schwellenwert liegt, und als „entgegen“ der ersten Stromrichtung, wenn die bestimmte Induktivität unter dem Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend Messen der Temperatur des Motors, wobei der Schwellenwert von der gemessenen Temperatur des Motors abhängt.
Verfahren zur Erkennung der Rotororientierung bei einem Synchronmotor mit einem Permanentmagnet-Rotor mit 180°-Periodizität im Verlauf der Statorinduktivität in Abhängigkeit von der Rotororientierung, umfassend: - Bestimmen der Rotorlage; - Anlegen eines Testimpulses an den Stator mit einer ersten Stromrichtung entsprechend der Rotorlage und Bestimmen der resultierenden Induktivität; - Anlagen eines Testimpulses an den Stator mit einer zweiten Stromrichtung entgegen der ersten Stromrichtung und Bestimmen der resultierenden Induktivität; und - Erkennen der Rotororientierung als „mit“ der Stromrichtung des Testimpulses, der die höhere bestimmte Induktivität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend: - Bestimmen der Temperatur des Synchronmotors basierend auf der höheren bestimmten Induktivität und einer Temperatur-Induktivitäts-Kennlinie.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Rotorlage mittels HF-Injektion erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren im Stillstand des Synchronmotors ausgeführt wird, weiter umfassend: - Starten des Synchronmotors basierend auf der bestimmten Rotorlage und Rotororientierung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauer eines Testimpulses zwischen 50 µs und 900 µs, bevorzugt zwischen 125 µs und 350 µs beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrische Winkel des Spannungsraumzeigers des Testimpulses oder der Testimpulse dem nächstliegenden Grundspannungsraumzeiger entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungs-Zeit-Fläche des ersten und zweiten Testimpulses gleich ist.
Synchronmotor für ein Haushaltsgerät, umfassend: - einen Permanentmagnet-Rotor mit 180°-Periodizität im Verlauf der Statorinduktivität in Abhängigkeit von der Rotororientierung; - einen Stator mit mindestens 2 Phasen; - einen Frequenzumrichter, der zum Betreiben des Synchronmotors eingerichtet ist; und - eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Haushaltsgerät, umfassend einen Synchronmotor gemäß Anspruch 10.
Haushaltsgerät nach Anspruch 11, wobei der Synchronmotor ein von einem Benutzer sichtbares und/oder hörbares Element, insbesondere Trommel, Bürste, Pumpe, Gebläse oder Lüfter, antreibt.