DE102019126501A1

DE102019126501A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lageerkennung eines rotierenden Rotors

Info

Publication number: DE102019126501A1
Application number: DE102019126501.0A
Authority: DE
Inventors: Jonas Kiefer; Mario Ruoff; Johannes Eisenring; Fabian Armbruster
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2020-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lageerkennung eines rotierenden Rotors eines Elektromotors mit folgenden Schritten: Bestimmen eines Stroms durch ein induktives Element des Elektromotors während eines Messzeitraums; Bestimmen eines charakteristischen Kurvenpunkts, wobei der charakteristische Kurvenpunkt einer Nullstelle oder Extremstelle einer Charakterisierungsfunktion entspricht und die Charakterisierungsfunktion eine zeitliche Ableitung des Verlaufs des Stroms während des Messzeitraums charakterisiert; und Bestimmen einer Lage des Rotors zu einem Referenzzeitpunkt, wobei der Referenzzeitpunkt dem Zeitpunkt des charakteristischen Kurvenpunkts entspricht.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lageerkennung eines rotierenden Rotors eines Elektromotors und eine Vorrichtung mit einem Elektromotor und einer entsprechenden Lageerkennungseinheit.
HINTERGRUND
Elektrische Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Servomotor, Lüftermotor oder Antrieb für Klappensteller oder Ventile, beispielsweise Nadelventile. Zur Steuerung und Überwachung können solche Elektromotoren mit Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren ausgestattet sein, um Motorparameter wie die Rotorstellung oder die Rotordrehzahl zu bestimmen. Aus Kosten- oder Platzgründen kommt der Einbau von Sensoren für viele Anwendungen allerdings nicht in Frage. In diesen Fällen kommen daher sensorlose Elektromotoren zum Einsatz, insbesondere sensorlose BLDC-Motoren, die sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise und ihrer hohen Effizienz gerade für derartige Anwendungen eignen.
Jedoch ist bei BLDC-Motoren ein sensorloser Betrieb nicht ohne weiteres zu realisieren, da diese Motoren eine auf die Rotorlage abgestimmte Kommutierung elektrischer Antriebsignale erfordern. Dies gilt in gleicher Weise für andere Bauformen von Elektromotoren, bei denen die Antriebsignale ebenfalls synchron kommutiert werden müssen. Daher werden Verfahren benötigt, die indirekte Rückschlüsse auf die Rotorlage erlauben. Ein solches Verfahren basiert auf der Messung der Spannung, die durch die Rotorbewegung in einer Phasenwicklung des Motors im unbestromten Zustand induziert wird und häufig als back electromotive force (BEMF)/elektromotorische Kraft (EMK) bzw. BEMF-Spannung bezeichnet wird. Abhängig von der Motorgeometrie weist die BEMF-Spannung einen oder mehrere charakteristische Nulldurchgänge auf, wobei ein Nulldurchgang auftritt, wenn der Rotor eine bestimmte Stellung durchläuft. Anhand eines solchen Nulldurchgangs kann somit der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem sich ein bewegter Rotor in dieser Stellung befindet. Dies ermöglicht es, die Antriebssignale der Rotorlage entsprechend zu kommutieren.
Dieses Verfahren ist allerdings nur für Motoren mit hohen Drehzahlen geeignet, da die induzierte Spannung mit abnehmender Drehzahl kleiner wird. Es kann daher in der Regel unterhalb einer Drehzahl von etwa 800 1/min nicht mehr eingesetzt werden. Dies ist bei der Beschleunigung des Rotors aus dem Stillstand der Fall, aber auch im Regelbetrieb von niedrig drehenden Elektromotoren. Solche Motoren kommen häufig zum Einsatz, wenn eine präzise Bewegung eines Stellglieds, gegebenenfalls in Kombination mit einer großen Kraft, erforderlich ist, beispielsweise zur Steuerung von Nadelventilen. In diesen Situationen wird nach dem Stand der Technik die Kommutierung blind, d.h. unabhängig von der Rotorlage, durchgeführt. Die fehlende Synchronisation der Kommutierungen führt zu einer niedrigeren Effizienz des Motors und kann Vibrationen verursachen, die einen höheren Verschleiß nach sich ziehen und sensorlose BLDC-Motoren für bestimmte Anwendungen ungeeignet machen können.
ÜBERBLICK
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Lageerkennung eines rotierenden Rotors eines Elektromotors und eine Vorrichtung mit einem Elektromotor und einer entsprechenden Lageerkennungseinheit anzugeben, welche eine gezielte Steuerung und Überwachung eines Elektromotors über einen weiten Drehzahlbereich ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 13 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zur Lageerkennung eines rotierenden Rotors vorgesehen, welches folgende Schritte umfasst: (1) Bestimmen eines Stroms durch ein induktives Element des Elektromotors während eines Messzeitraums; (2) Bestimmen eines charakteristischen Kurvenpunkts, wobei der charakteristische Kurvenpunkt einer Nullstelle oder Extremstelle einer Charakterisierungsfunktion entspricht und die Charakterisierungsfunktion eine zeitliche Ableitung des Verlaufs des Stroms während des Messzeitraums charakterisiert; und (3) Bestimmen einer Lage des Rotors zu einem Referenzzeitpunkt, wobei der Referenzzeitpunkt dem Zeitpunkt des charakteristischen Kurvenpunkts entspricht. Die Nummerierung der Schritte dient ausschließlich der Klarheit und impliziert keinesfalls eine bestimmte Abfolge, in der die Schritte ausgeführt werden. Soweit technisch möglich, können Schritte vertauscht werden und das Verfahren und sämtliche weiteren Ausgestaltungen in einer beliebigen Abfolge ausgeführt werden.
Das induktive Element kann auch mehrere Elemente, insbesondere mehrere Antriebsspulen einer Phasenwicklung, umfassen. Das induktive Element kann sowohl eine Reihen- oder eine Parallelschaltung mehrerer Antriebsspulen, als auch eine Kombination daraus, umfassen.
Während der Rotor sich in Bewegung befindet wird der Verlauf des Stroms durch das induktive Element, beispielsweise eine Phasenwicklung, während des Messzeitraums ermittelt. Dies kann zum Beispiel durch eine direkte Messung des Stroms in dem induktiven Element selbst oder in den entsprechenden Zuleitungen erfolgen. In anderen Fällen kann eine zum Strom proportionale Größe bestimmt werden, etwa ein durch den Strom erzeugtes Magnetfeld oder ein Spannungsabfall über einen bekannten Widerstand. Soweit bekannt, wird der Messzeitraum bevorzugt an die Drehzahl des Rotors angepasst oder auf die Steuersignale abgestimmt. Wird der Motor beispielsweise durch Kommutierung elektrischer Antriebsignale angetrieben, kann der Messzeitraum der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen entsprechen. Alternativ kann der Messzeitraum etwas kürzer als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen gewählt werden, etwa um eine Beeinflussung durch das Schalten der Antriebsignale zu vermeiden.
Anschließend wird untersucht, ob der Verlauf des Stroms einen charakteristischen Kurvenpunkt aufweist und zu welchem Zeitpunkt dieser gegebenenfalls auftritt. Der charakteristische Kurvenpunkt ist dabei definiert als ein Punkt, an dem die Charakterisierungsfunktion eine Nullstelle oder Extremstelle hat, wobei die Charakterisierungsfunktion eine zeitliche Ableitung beliebiger Ordnung des Stromverlaufs während des Messzeitraums charakterisiert.
Die Charakterisierungsfunktion kann dieser Ableitung über den gesamten Messzeitraum oder einen Teil des Messzeitraums exakt oder näherungsweise entsprechen. Die Charakterisierungsfunktion kann auch einen zeitlichen Mittelwert dieser Ableitung, z.B. einen gleitenden Mittelwert, beschreiben, beispielsweise um den Einfluss schneller Fluktuationen des Stroms oder der Strommessung zu vermindern. In einem anderen Beispiel kann die Charakterisierungsfunktion durch eine Inter- oder Extrapolation dieser Ableitung zwischen diskreten Zeitpunkten oder Intervallen während des Messzeitraums gegeben sein. Diese Zeitpunkte können durch die Strommessung vorgegeben sein, wenn diese nur zu bestimmten Zeitpunkten erfolgt. Die Zeitpunkte oder Intervalle können zudem abhängig von den Antriebsignalen gewählt werden, insbesondere wenn diese etwa durch Pulsweitenmodulation moduliert werden. Eine Funktion, deren Ableitung genau der Charakterisierungsfunktion entspricht, wird im Folgenden als effektiver Strom bezeichnet. Der charakteristische Kurvenpunkt ist somit mit einer bestimmten geometrischen Eigenschaft des effektiven Stroms verknüpft, zum Beispiel mit einem Extremum, Sattelpunkt oder Wendepunkt.
Weist der Stromverlauf mehr als einen Punkt auf, der die oben genannte Bedingung für den charakteristischen Kurvenpunkt erfüllt, kann einer dieser Punkte als der charakteristische Kurvenpunkt gewählt werden. Dies kann beispielsweise der erste solche Punkt innerhalb des Messzeitraums sein oder derjenige Punkt, welcher dem Mittelpunkt des Messzeitraums am nächsten kommt.
Aus dem charakteristischen Kurvenpunkt wird schließlich die Lage des Rotors zum Referenzzeitpunkt abgeleitet, wobei der Referenzzeitpunkt durch den Zeitpunkt gegeben ist, zu dem der charakteristische Kurvenpunkt auftritt. Dies ist möglich, da der Strom von der durch den bewegten Rotor induzierten Spannung abhängt, die wiederum von der Lage und Geschwindigkeit des Rotors bestimmt wird. Somit lässt sich eine Beziehung zwischen dem Auftreten eines charakteristischen Kurvenpunkts und der Rotorlage angeben, aus der anschließend die Rotorlage zum Referenzzeitpunkt ermittelt werden kann. Die Bestimmung dieser Beziehung kann zusätzliche Informationen über die Anordnung des induktiven Elements innerhalb des Elektromotors und die Rotorform erfordern. Aus diesen Informationen kann zum Beispiel mit Hilfe eines physikalischen Modells eine solche Beziehung hergeleitet werden. In einem anderen Beispiel kann das Auftreten charakteristischer Kurvenpunkte abhängig von der Rotorlage empirisch untersucht werden, um eine solche Beziehung zu ermitteln.
Die Bestimmung der Rotorlage aus dem Strom durch ein induktives Element ermöglicht eine Lageerkennung über einen weiten Drehzahlbereich und insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, für die eine Lageerkennung anhand der BEMF-Spannung nicht möglich ist. Zwar wird das Auftreten des charakteristischen Kurvenpunkts ebenfalls von einer induzierten Spannung beeinflusst, allerdings ist der dadurch induzierte Strom nach dem Induktionsgesetz proportional zum Integral der induzierten Spannung über die Zeit und kann somit selbst bei niedrigen Drehzahlen nachweisbar sein. Da die Charakterisierungsfunktion eine zeitliche Ableitung des Stromverlaufs charakterisiert, ist das erfindungsgemäße Verfahren im Gegensatz zur Bestimmung eines Nulldurchgangs der BEMF-Spannung unabhängig von konstanten Offsets, die beispielsweise bei der Messung eines Signals entstehen können. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und einer daraus resultierenden geringen BEMF-Spannung können solche Offsets bei einer Lagebestimmung aus der BEMF-Spannung zu einer großen Ungenauigkeit führen, wodurch der Einsatz solcher Verfahren auf hohe Drehzahlen beschränkt ist.
Neben dem Auftreten einer Nullstelle oder Extremstelle können weitere Bedingungen mit dem charakteristischen Kurvenpunkt assoziiert sein, zum Beispiel ein Nulldurchgang der Charakterisierungsfunktion. In diesem Fall entspricht der charakteristische Kurvenpunkt einem Vorzeichenwechsel der Charakterisierungsfunktion.
Die Charakterisierungsfunktion kann zum Beispiel die zweite zeitliche Ableitung des Verlaufs des Stroms während des Messzeitraums charakterisieren. In diesem Fall weist der effektive Strom einen Wendepunkt auf, wenn die Charakterisierungsfunktion eine Nullstelle hat und ihr Vorzeichen wechselt. In einem anderen Beispiel kann die Charakterisierungsfunktion die erste zeitliche Ableitung charakterisieren, sodass der charakteristische Kurvenpunkt einem Extremum und/oder Sattelpunkt des effektiven Stroms entsprechen kann.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst das induktive Element eine Phasenwicklung des Elektromotors, so dass das erfindungsgemäße Verfahren ohne den Einbau eines weiteren induktiven Elements ausgeführt werden kann. Die Phasenwicklung kann eine oder mehrere Antriebsspulen umfassen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die oben beschriebenen Anwendungen mit strikten Anforderungen an Kosten, Komplexität und Größe des Motors wünschenswert, zumal da entsprechende Messelemente zur Bestimmung der Ströme durch Phasenwicklungen in vielen Elektromotoren bereits implementiert sind und daher für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur eine entsprechende Modifikation der zugehörigen Steuereinheit nötig ist.
Während des Messzeitraums kann zudem eine Versorgungsspannung an der Phasenwicklung anliegen. Eine solche Versorgungsspannung kann beispielsweise dem Antrieb des Rotors dienen. Die Versorgungsspannung kann dabei kontinuierlich anliegen oder im Verlauf des Messzeitraums verändert werden, zum Beispiel durch eine Pulsweitenmodulation. Die Bestimmung des Stroms und/oder die Bestimmung des charakteristischen Kurvenpunkts können an die Versorgungsspannung angepasst sein. Im Falle einer Pulsweitenmodulation kann der Strom beispielsweise nur zu bestimmten Zeitpunkten ermittelt werden, die mit den Versorgungsspannungspulsen korreliert sind. In einem anderen Beispiel kann der Strom während des gesamten Messzeitraums bestimmt werden, für die Bestimmung des charakteristischen Kurvenpunkts aber nur geeignete Zeitpunkte oder Intervalle berücksichtigt werden. Ferner kann der Messzeitraum an die Versorgungsspannung angepasst sein, zum Beispiel zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen der Versorgungsspannung liegen oder so eingeschränkt werden, dass von der Rotorlage unabhängige charakteristische Kurvenpunkte, die etwa durch einen Einschwingvorgang hervorgerufen werden können, bei der Lageerkennung unberücksichtigt bleiben.
Die Bestimmung des Stroms kann das Bilden eines zeitlichen Mittelwerts des Stroms umfassen. Hierfür können beispielsweise Messwerte innerhalb vordefinierter Intervalle gemittelt werden oder ein gleitender Durchschnitt des Stroms berechnet werden. Der gemittelte Strom kann dem effektiven Strom entsprechen, d. h. die Charakterisierungsfunktion entspricht einer zeitlichen Ableitung des gemittelten Stroms. Die zur Bestimmung des Mittelwerts verwendeten Intervalle können abhängig von der verwendeten Mess- und Steuerelektronik gewählt werden. Darüber hinaus kann die Bestimmung des Stroms das Interpolieren und/oder Extrapolieren von zu diskreten Zeitpunkten oder innerhalb bestimmter Intervalle erfassten Messwerten umfassen.
Um den charakteristischen Kurvenpunkt zu bestimmen, kann das erfindungsgemäße Verfahren das Bestimmen der Charakterisierungsfunktion aus dem Verlauf des Stroms während des Messzeitraums umfassen. Dies kann zum Beispiel durch numerische Berechnung der entsprechenden Ableitung aus einem gemessenen Stromverlauf erfolgen. Wie bereits erwähnt, kann hierfür der Strom und/oder eine daraus berechnete Ableitung zeitlich gemittelt werden. In einem anderen Beispiel kann die Charakterisierungsfunktion aus einem gemessenen Stromverlauf mittels einer geeigneten analogen Elektronikschaltung bestimmt werden.
Zusätzlich zur Lageerkennung kann das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin die Bestimmung eines Zeitpunkts für eine zukünftige Kommutierung anhand des ermittelten charakteristischen Kurvenpunkts umfassen. Hierzu wird ein erster Kommutierungszeitpunkts bestimmt, zudem eine Kommutierung eines elektrischen Antriebssignals des Elektromotors erfolgt. Dieser erste Kommutierungszeitpunkt kann zum Beispiel von einer Steuereinheit des Motors übermittelt werden und kann sich auf eine bereits erfolgte Kommutierung oder eine zukünftige Kommutierung beziehen. Ausgehend vom ersten Kommutierungszeitpunkt wird dann unter Berücksichtigung des Referenzzeitpunkts ein zweiter Kommutierungszeitpunkt bestimmt.
Die Kenntnis der Rotorlage zum Referenzzeitpunkt ermöglicht es, den zweiten Kommutierungszeitpunkt so zu bestimmen, dass eine Kommutierung zum zweiten Kommutierungszeitpunkt auf die Rotorlage abgestimmt erfolgt. Hierzu kann wiederum ein physikalisches Modell des Motors verwendet werden, aus dem sich ideale Rotorlagen für eine Kommutierung der Antriebsignale exakt oder näherungsweise ableiten lassen. Unter der Annahme, dass sich der Rotor zum ersten Kommutierungszeitpunkt in einer idealen Lage befindet, kann der zweite Kommutierungszeitpunkt so gewählt werden, dass sich der Rotor zu diesem Zeitpunkt voraussichtlich in einer idealen Lage befindet. Alternativ können die idealen Rotorlagen empirisch ermittelt werden.
Nach einem einfachen Modell für einen beispielhaften BLDC-Motor ist die in einer Phasenwicklung induzierte Spannung sinusförmig und der Strom durch die Phasenwicklung sollte bei idealer Kommutierung einen Wendepunkt in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen aufweisen. In diesem Fall kann daher bevorzugt ein charakteristischer Kurvenpunkt bestimmt werden, der einem Wendepunkt des effektiven Stroms entspricht, so dass sich der Referenzpunkt idealerweise ebenfalls in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen befindet. Der zweite Kommutierungszeitpunkt kann entsprechend auf Basis der Summe aus dem Referenzzeitpunkt und der Differenz zwischen dem Referenzzeitpunkt und dem ersten Kommutierungszeitpunkt bestimmt werden. Soll die nächste Kommutierung am zweiten Kommutierungszeitpunkt erfolgen, kann dieser beispielsweise berechnet werden, indem die Differenz zwischen dem Referenzzeitpunkt und dem ersten Kommutierungszeitpunkt zum Referenzzeitpunkt addiert wird. In einem anderen Beispiel kann der zweite Kommutierungszeitpunkt für die übernächste Kommutierung verwendet werden und entsprechend die dreifache Differenz zum Referenzzeitpunkt addiert werden.
Die Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkts kann auch das Addieren oder Subtrahieren eines Zeitoffsets umfassen. Damit können beispielsweise Abweichungen von dem oben beschriebenen einfachen Modell kompensiert werden. Der Zeitoffset kann zum Beispiel empirisch oder aus einem komplexeren physikalischen Modell bestimmt werden können. Insbesondere kann der Zeitoffset an die spezifische Bauform des Motors angepasst sein. Falls der Kommutierungszeitpunkt für eine weiter in der Zukunft liegende Kommutierung herangezogen werden soll, kann dies ebenfalls über den Zeitoffset berücksichtigt werden, beispielsweise indem zur Differenz zwischen dem Referenzzeitpunkt und dem ersten Kommutierungszeitpunkt ein Vielfaches einer üblichen Kommutierungszeitpunkt hinzu gezählt wird.
Für die Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkts können zudem weitere Informationen über den Zustand des Motors herangezogen werden. Wird der Rotor beispielsweise beim Anlaufen auf eine Solldrehzahl beschleunigt, so dass der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen während der Beschleunigung immer kürzer werden sollte, kann dies berücksichtigt werden, in dem ein entsprechender Zeitoffset subtrahiert wird. Entsprechendes gilt für ein Abbremsen des Rotors. In ähnlicher Weise kann auch eine mit dem Rotor verbundene Last einbezogen werden. In einem anderen Beispiel kann darüber hinaus berücksichtigt werden, dass eine zum ersten Kommutierungszeitpunkt durchgeführte Kommutierung unter Umständen nicht zum idealen Zeitpunkt erfolgt ist, was insbesondere beim Anlaufen aus dem Stillstand der Fall sein kann.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Verfahren dahingehend erweitert werden, dass die Lageerkennung zusätzlich für ein zweites induktives Element und insbesondere eine zweite Phasenwicklung, durchgeführt wird. In einem Beispiel kann ein zweiter Strom durch ein zweites induktives Element des Elektromotors während eines zweiten Messzeitraums bestimmt werden. Der zweite Messzeitraum kann unter Umständen mit dem ersten Messzeitraum ganz oder teilweise überlappen. Für den zweiten Strom kann ein zweiter charakteristischer Kurvenpunkt bestimmt werden, wobei der zweite charakteristischer Kurvenpunkt der Nullstelle oder Extremstelle einer zweiten Charakterisierungsfunktion entspricht und die zweite Charakterisierungsfunktion eine zeitliche Ableitung beliebiger Ordnung des Verlaufs des zweiten Stroms während des zweiten Messzeitraums charakterisiert. Die Ordnung der Ableitung ist in einer bevorzugten Ausführung für die erste und die zweite Charakterisierungsfunktion gleich, so dass beide charakteristische Kurvenpunkte der gleichen Art von geometrischer Eigenschaft des effektiven Stromverlaufs entsprechen. Beispielsweise können die Charakterisierungsfunktionen in beiden Fällen eine zweite zeitliche Ableitung des jeweiligen Stromverlaufs charakterisieren und die charakteristischen Kurvenpunkte jeweils einem Nulldurchgang der jeweiligen Charakterisierungsfunktion entsprechen, so dass an beiden Punkten ein Wendepunkt im effektiven Stromverlauf auftritt. Für die zweite Phasenwicklung kann analog zur ersten Phasenwicklung eine Lage des Rotors zu einem zweiten Referenzzeitpunkt bestimmt werden, wobei der zweite Referenzzeitpunkt dem Zeitpunkt des zweiten charakteristischen Kurvenpunkts entspricht. Ausgehend vom zweiten Referenzzeitpunkt und einem dritten Kommutierungszeitpunkt kann zudem ein vierter Kommutierungszeitpunkt wie oben beschrieben bestimmt werden. Als dritter Kommutierungspunkt kann hierfür ein zuvor bestimmter zweiter Kommutierungspunkt herangezogen werden, so dass ausgehend von dem ersten Kommutierungszeitpunkt anhand der Referenzzeitpunkte sukzessive weitere Kommutierungspunkte bestimmt werden können.
Das Verfahren kann entsprechend auf eine beliebige Anzahl von induktiven Elementen erweitert werden. In einem anderen Beispiel kann ein Strom durch mehrere induktive Elemente des Elektromotors gemessen werden, insbesondere durch zwei in Serie geschaltete Phasenwicklungen. Das Verfahren kann zudem mehrfach wiederholt werden, zum Beispiel nach jeder Kommutierung oder nach einer bestimmten Anzahl von Kommutierungen. Somit kann eine Lageerkennung und synchrone Kommutierung im Dauerbetrieb eines Motors realisiert werden.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens kann ab dem Erreichen einer Mindestdrehzahl zusätzlich oder alternativ auch eine Lageerkennung anhand der BEMF-Spannung erfolgen. Beispielsweise kann die Lageerkennung unterhalb der Mindestdrehzahl, wie oben beschrieben, alleine anhand der Strommessung erfolgen und ab dem Erreichen der Mindestdrehzahl alleine anhand einer Auswertung der BEMF-Spannung erfolgen. Alternativ kann ab dem Erreichen der Mindestdrehzahl eine Auswertung der Strommessung mit einer Analyse der BEMF-Spannung kombiniert werden. Die BEMF-Spannung kann anhand ihrer Nulldurchgänge mittels wenigstens eines Spannungskomparators und/oder mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers ausgewertet werden. Insbesondere kann es bei höheren Drehzahlen auch vorhergesehen sein, dass zum Erkennen einer Blockade die Lage der Nulldurchgänge der BEMF-Spannung mit der Lage der charakteristischen Kurvenpunkte der Strommessung verglichen wird.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung mit einem Elektromotor, wobei der Elektromotor einen Rotor und wenigstens ein induktives Element aufweist. Die Vorrichtung weist eine Lageerkennungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Erkennung einer Rotorlage wie oben beschrieben durchzuführen.
Die Vorrichtung kann mindestens zwei Phasenwicklungen umfassen, von denen eine das für die Lageerkennung verwendete induktive Element sein kann. Wie oben beschrieben kann die Lageerkennungseinheit auch dazu eingerichtet sein, das Verfahren zur Lageerkennung für mehr als eine Phasenwicklung durchzuführen. Ferner kann die Vorrichtung eine Steuereinheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die elektrischen Antriebsignale für die Phasenwicklung zu kommutieren, um den Rotor zu bewegen. Hierzu kann die Steuereinheit eine geeignete Brückenschaltung umfassen oder diese steuern. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, von der Lageerkennungseinheit einen idealen Kommutierungszeitpunkt zu empfangen und eine Kommutierung an dem idealen Kommutierungszeitpunkt auszuführen. Der ideale Kommutierungszeitpunkt kann beispielsweise dem zweiten oder vierten Kommutierungszeitpunkt entsprechen. In einem Beispiel können die Steuereinheit und die Lageerkennungseinheit in einer Einheit zusammengefasst sein, die dazu eingerichtet ist, die entsprechenden Funktionen auszuführen.
Die Vorrichtung kann einen Shunt-Widerstand umfassen, beispielsweise zwischen dem induktiven Element und einem Erdungskontakt. Die Lageerkennungseinheit kann dazu eingerichtet sein, den Strom durch das induktive Element über eine Messung des Stroms durch den Shunt-Widerstand zu bestimmen. Ist der Widerstand des Shunt-Widerstands bekannt, kann dies beispielsweise über eine Messung der am Shunt-Widerstand abfallenden Spannung erfolgen. In einer anderen Ausgestaltung kann die Vorrichtung mehrere Shunt-Widerstände aufweisen, zum Beispiel je einen Shunt-Widerstand in der Zuleitung jeder Phasenwicklung, beziehungsweise jeweils zwischen einer Phasenwicklung und Masse. Entsprechend kann die Lageerkennungseinheit dazu eingerichtet sein, den Strom durch jeden dieser Shunt-Widerstände zu messen.
Die Strommessung kann prinzipiell mit Hilfe einer „High-side“-Messung, einer „Low-side“-Messung, einer „In-line“-Messung oder einer „DC link“-Messung erfolgen.
Die „High-side“-Messung zeichnet sich durch eine Messung über ein resistives Element der oberen Brückenseite, insbesondere über einen zwischen der Eingangsspannung und den oberen Brückenschaltern angeordneten Shunt-Widerstand aus.
Die „DC-link“-Messung zeichnet sich durch eine Strommessung über ein an der unteren Brückenseite angeordnetes resistives Element, insbesondere einen zwischen den unteren Brückenschaltern und Masse angeordneten Shunt-Widerstand aus.
Die „Low-side“-Messung entspricht im Wesentlichen der „DC link“-Messung, wobei zwischen jedem Brückenschalter der unteren Brückenseite und Masse jeweils ein resistives Element/Shunt-Widerstand angeordnet ist.
Die „In line“-Messung kennzeichnet sich durch eine Strommessung über ein zwischen einer Phasenwicklung und einer Halbbrücke angeordnetes resistives Element aus. Insbesondere kann zur Strommessung wenigstens ein Shunt-Widerstand zwischen einer Phasenwicklung und einem oberen Brückenschalter und einem unteren Brückenschalter einer Halbbrücke angeordnet sein. Insbesondere bei höheren PWM-Frequenzen können bei der „In line“-Messung die durch die PWM generierten Spannungssprünge zu Störungen der Strommessung aufgrund der endlichen Gleichtaktunterdrückung eines Messverstärkers führen. Daher kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Steuerschaltung eine aktive Schaltung umfasst, mittels welcher die durch die PWM hervorgerufenen Überschwinger („ringing“) am Schaltungsausgang minimiert werden können. Solch eine aktive Schaltung kann beispielsweise in ein PWM-Modul integriert sein. Beispielsweise kann das PWM-Modul ein sogenanntes Enhanced-PWM(EPWM)-Modul sein. Alternativ kann bei der „In line“-Messung ein Breitband-Messverstärker vorgesehen sein, beispielsweise mit einem Frequenzband im MHz-Bereich.
In anderen Ausgestaltungen kann die Strommessung auch mittels einer in der Brückenschaltung angeordneten Stromspiegelschaltung erfolgen.
Die Lageerkennungseinheit kann einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, der dazu eingerichtet ist, ein analoges Signal des Verlaufs des Stroms in ein digitales Signal umzuwandeln. Außerdem kann die Lageerkennungseinheit einen Mikrocontroller aufweisen, der dazu eingerichtet ist, aus dem digitalen Signal den charakteristischen Kurvenpunkt zu bestimmen. Hierzu kann der Mikrocontroller dazu eingerichtet sein, den Stromverlauf geeignet zu mitteln, zu inter- und/oder extrapolieren, die Charakterisierungsfunktion durch Ableiten zu bestimmen und/oder eine Nullstelle, Extremstelle oder einen Nulldurchgang der Charakterisierungsfunktion zu ermitteln. Der Mikrocontroller kann zudem dazu eingerichtet sein, den zweiten Kommutierungszeitpunkt wie oben beschrieben zu bestimmen. Dafür kann die Lageerkennungseinheit dazu eingerichtet sein, den ersten Kommutierungszeitpunkt und/oder weitere Informationen über den Zustand des Motors von der Steuereinheit zu empfangen. Der Mikrocontroller kann weiterhin dazu eingerichtet sein, ein Triggersignal zu erzeugen, beispielsweise um das Auftreten eines charakteristischen Kurvenpunkts anzuzeigen, d. h. das Durchlaufen des Rotors durch die mit dem charakteristischen Kurvenpunkt verknüpfte Rotorlage. In einem anderen Beispiel kann ein solches Triggersignal verwendet werden, um eine Kommutierung durch die Steuereinheit zu initiieren. Sind die Steuereinheit und die Lageerkennungseinheit in einer Einheit zusammengefasst, kann der Mikrocontroller außerdem dazu eingerichtet sein, mit der Steuerung der Antriebssignale verknüpfte Aufgaben auszuführen.
Die Lageerkennungseinheit kann dazu eingerichtet sein, das erfindungsgemäße Verfahren mehrfach zu wiederholen, um eine Vielzahl von Referenzzeitpunkten zu bestimmen, und die Vielzahl von Referenzzeitpunkten an die Steuereinheit zu übermitteln. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, aus dieser Vielzahl von Referenzzeitpunkten die Drehzahl des Motors zu bestimmen. Bevorzugt ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Drehzahl des Rotors auf Basis der aus den Referenzzeitpunkten bestimmten Drehzahl zu steuern. Hierzu kann die Steuereinheit ein PI-Regelmodul (proportional-integral controller) aufweisen, um eine entsprechende PI-Regelung der Drehzahl über die Antriebsignale auszuführen.
Die Steuereinheit kann weiterhin ein Pulsweitenmodulation-Modul (PWM-Modul) umfassen, das dazu eingerichtet ist, Spannungspulse als Antriebsignale für die Phasenwicklungen zu erzeugen. Hierzu kann das PWM-Modul beispielsweise für jede der Phasenwicklungen jeweils eine periodische Folge von Rechteckpulsen generieren, etwa durch geeignetes Schalten einer konstanten externen Versorgungsspannung. Alternativ kann das PWM-Modul ein Antriebssignal erzeugen, das über eine Brückenschaltung auf die Phasenwicklungen verteilt werden kann. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, über das PWM-Modul das Tastverhältnis der Pulse, d. h. das Verhältnis der Pulsdauer zur Periodendauer aufeinanderfolgender Pulse, einzustellen. In einem anderen Beispiel kann das PWM-Modul auch dazu eingerichtet sein, die Höhe der Spannungspulse zu kontrollieren.
Die Lageerkennungseinheit kann dazu eingerichtet sein, eine Stillstandslage des Rotors im Stillstand zu bestimmen. Dies ist zum Beispiel von Bedeutung, wenn der Rotor im Stillstand nicht durch einen Haltestrom in einer definierten Position gehalten wird oder um eine Last des Rotors abschätzen zu können wie weiter unten beschrieben. Hierzu kann beispielsweise die Abhängigkeit der Induktivitäten der Phasenwicklungen und/oder anderer induktiver Elemente von der Lage des stehenden Rotors ausgenutzt werden. Diese Abhängigkeit kann im Voraus zum Beispiel empirisch ermittelt werden. Das PWM-Modul kann dazu eingerichtet sein, Lageerkennungspulse für die Phasenwicklungen zu erzeugen, und die Lageerkennungseinheit kann dazu eingerichtet sein, ein Maß für eine Induktivität für jeden der Lageerkennungspulse zu bestimmen und aus den Maßen für die Induktivitäten die Stillstandslage zu bestimmen.
Wird ein Spannungspuls an ein induktives Element angelegt, wird der Verlauf des Stroms während des Spannungspulses durch die Induktivität des Elements bestimmt. Entsprechend kann aus dem Stromverlauf oder dem Wert des Stroms zu einem definierten Zeitpunkt ein Maß für die Induktivität abgeleitet werden. Die Lageerkennungspulse können so gestaltet sein, dass während eines Pulses jeweils eine Spannung an eine bestimmte Phasenwicklung angelegt wird, um die Induktivität dieser Phasenwicklung zu bestimmen, und ein entsprechender Puls nacheinander für verschiedene Phasenwicklungen erzeugt wird. Können die Phasenwicklungen wie bei vielen BLDC-Motoren üblich nur in Paaren angesteuert werden, kann eine geeignete Pulssequenz generiert werden, um die Induktivitäten verschiedener paarweiser Kombinationen von Phasenwicklungen zu ermitteln.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, eine Lastabschätzung für den Rotor durchzuführen. Hierzu kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, Lastabschätzungs-Antriebsignale für die Phasenwicklungen zu erzeugen. Die Lageerkennungseinheit kann dazu eingerichtet sein, eine erste Stillstandslage des Rotors vor Beginn der Lastabschätzungs-Antriebsignale sowie eine zweite Lage des Rotors nach Beginn der Lastabschätzungs-Signale zu bestimmen. Die zweite Lage kann dabei während einer Bewegung des Rotors mit dem erfindungsgemäßen Lageerkennungsverfahren bestimmt werden. Bevorzugt wird nach dem Ende der Lastabschätzungs-Antriebsignale die zweite Lage bei Stillstand des Rotors ermittelt. Die Steuereinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, eine Last des Rotors aus der ersten Stillstandslage und der zweiten Lage abzuschätzen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Bewegung des Rotors aufgrund der Lastabschätzungs-Antriebsignale, charakterisiert durch die Differenz zwischen der zweiten Lage und der ersten Stillstandslage, als Funktion der anliegenden Last kalibriert wird, um anschließend auf Basis dieser Kalibrierung die Last aus der entsprechenden Differenz abschätzen zu können. In einem anderen Beispiel können die Lastabschätzungs-Antriebsignale so angepasst werden, dass die Differenz zwischen den beiden Lagen einem vordefinierten Wert entspricht.
Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, beim Anlaufen des Motors die elektrischen Antriebsignale an die abgeschätzte Last des Rotors anzupassen. Dies ist beispielsweise durch Wahl eines geeigneten Tastverhältnisses mittels des PWM-Moduls möglich. Insbesondere kann auch der Zeitpunkt einer ersten Kommutierung abhängig von der abgeschätzten Last und der Ausgangslage für das Anlaufen, z.B. der zweiten Lage, gewählt werden.
Schließlich kann die Lageerkennungseinheit dazu eingerichtet sein, anhand des Stroms durch das induktive Element eine Blockade des Rotors zu erkennen. Eine Blockade kann sich beispielsweise durch das Fehlen eines charakteristischen Kurvenpunkts manifestieren. Die Lageerkennungseinheit kann daher dazu eingerichtet sein, eine Blockade zu erkennen, wenn der Stromverlauf keinen charakteristischen Kurvenpunkt aufweist. Anschließend kann die Lageerkennungseinheit ein Blockadesignal an die Steuereinheit zu übermitteln.
In Anwendungen, in denen auch höhere Drehzahlen des Rotors des Elektromotors erreicht werden kann zusätzlich auch eine spannungsbasierte Lageerkennung vorgesehen sein. Ab dem Erreichen einer Mindestdrehzahl, die beispielsweise vorab festgelegt sein kann, kann dann die Lageerkennung mittels einer Strommessung auch mit einer Lageerkennung auf Basis der in den Phasenwicklungen induzierten BEMF-Spannung erfolgen. Dazu kann die aufgrund der Rotation des Rotormagneten in den jeweils unbestromten Phasenwicklungen induzierte BEMF-Spannung detektiert werden. Beispielsweise kann die Detektion über eine Erkennung der Nulldurchgänge der BEMF-Spannung mittels wenigstens eines Spannungskomparators erfolgen. Somit kann eine besonders präzise und zuverlässige Lageerkennung realisiert werden. Ferner kann die Erkennung der BEMF-Spannung zur Ermittlung weiterer Motorparameter oder Regelparameter verwendet werden. Beispielweise kann die BEMF-Spannung zur Detektion der sogenannten Flyback-Pulse verwendet werden. Als Flyback-Pulse werden die beim Trennen einer Phasenwicklung von der Versorgungsspannung aufgrund der Induktivität der Phasenwicklung auftretenden Strompulse bezeichnet. Aus der Form, insbesondere aus der zeitlichen Länge der Flyback-Pulse können Regelparameter zur Kommutierung des Elektromotors abgeleitet werden. Die Mindestdrehzahl zum Erkennen der Nulldurchgänge der BEMF-Spannung liegt, je nach Elektromotor, typischerweise im Bereich von 400 1/min bis 800 1/min .
Ein Regelkonzept eines Aktuators kann beispielsweise eine oben beschriebene Blockadeerkennung umfassen und dabei eine Steuerung des Phasenstrom vorsehen. Der Phasenstrom kann in solchen Ausgestaltungen dann ohne Rückkopplung gesteuert werden (englisch: „Open Loop Control“). Insbesondere kann der Phasenstrom, beziehungsweise das erzeugte Drehmoment, mit Hilfe der durch einen Zustandsbeobachters gewonnenen Informationen gesteuert werden. Mit Hilfe des Zustandsbeobachters kann insbesondere ein Tastgrad einer Pulsweitenmodulation des Phasenstroms in Abhängigkeit von Systemparametern und/oder Systemvariablen, insbesondere in Abhängigkeit von einer Temperatur, einem elektrischen Widerstand der Phasenwicklungen und/oder einer Drehzahl des Elektromotors eingestellt werden. Dier Zustandsbeobachter kann insbesondere wie in der Offenlegungsschrift DE 102017131406 A1 beschrieben, konzipiert und ausgestaltet sein, auf die Bezug genommen wird. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der der Zustandsbeobachter eine oder mehrere der folgenden Größen überwacht: eine Motortemperatur, eine Umgebungstemperatur, eine Drehzahl, eine Phasenspannung, eine Versorgungsspannung, ein Phasenstrom. Desweiteren kann die Drehzahl entsprechend der anliegenden Last und in Abhängigkeit von einem Ist- oder Sollwertes des Phasenstroms geregelt werden.
Entsprechend der Offenbarung in der DE 102017131406 A1 kann die Vorrichtung zur Lageerkennung in einer bürstenlosen Gleichstrommaschine mit einem Rotor und mit einem Stator, der mindestens eine Phasenwicklung umfasst, vorgesehen sein. Die Gleichstrommaschine weist ferner eine Ansteuerschaltung zum Ansteuern der bürstenlosen Gleichstrommaschine auf, wobei die Ansteuerschaltung wenigstens eine Zustandsgröße der Gleichstrommaschine überwacht (im Sinne eines Zustandsbeobachters) und die Gleichstrommaschine in Abhängigkeit der Zustandsgröße ansteuert. Die wenigstens eine Zustandsgröße umfasst mindestens eine der folgenden Größen: Eine an der Phasenwicklung anliegende Versorgungsspannung U_VBAT, einen Tastgrad T_PWM einer der Versorgungsspannung U_VBAT überlagerten Pulsweitenmodulation, eine aktuelle Drehfrequenz ω der Gleichstrommaschine.
Die Ansteuerschaltung kann zur Überwachung der Zustandsgröße beispielsweise einen Zustandssimulator umfassen. Der Zustandssimulator ist dann dazu ausgebildet, aus einer oder mehreren Eingangs- und oder Ausgangsgrößen eines simulierten Referenzsystems der Gleichstrommaschine die wenigstens eine Zustandsgröße zu rekonstruieren. Die rekonstruierte Zustandsgröße kann dann beispielsweise einem Zustandsregler der Gleichstrommaschine zugeführt werden.
Vorzugsweise berechnet die Ansteuerschaltung einen durch die Phasenwicklung fließenden Phasenstrom I_P der Gleichstrommaschine. In manchen Ausgestaltungen ist es vorgesehen, dass die Phasenspannung von einer PWM überlagert ist und dass die Ansteuerschaltung den Phasenstrom anhand der an der Phasenwicklung anliegenden Versorgungsspannung, dem Tastgrad der PWM und der Drehfrequenz ω des Rotors bestimmt.
In einigen Ausführungsformen ist es vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung die Berechnung des Phasenstroms I_P unter Einbeziehung einer Motorkonstanten k_e und eines Ohm'schen Widerstands R der bestromten Phasenwicklung ausführt. Desweiteren kann es vorgesehen sein, dass eine Induktivität L der bestromten Phasenwicklung und/oder eine zeitliche Änderung dI_P/dt des Phasenstroms in die Berechnung der Zustandsgröße miteinbezogen werden.
Die Berechnung oder Rekonstruktion des Phasenstroms, insbesondere des Ist-Wertes des Phasenstroms, hat den Vorteil, dass der so berechnete Wert direkt mit einem gemessenen Ist-Wert verglichen werden kann. Im Gegensatz zu Varianten, in denen ein berechneter Strom-Sollwert I_soll mit einem gemessenen Ist-Wert verglichen wird, kann hier der gemessene Wert direkt verifiziert und die Differenz der beiden Werte zur Absicherung des gemessenen Wertes und/oder zu weiteren Regelung verwendet werden. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, den berechneten Wert des Phasenstroms nicht zur Bestimmung des Strom-Sollwertes I_soll einer Stromregelung rückzuführen. Durch das Verzichten auf diese Kopplung, wird erreicht, dass ein Fehler in der Messung, beziehungsweise eine Fehlfunktion der Gleichstrommaschine, schneller und zuverlässiger detektiert werden kann. Dadurch, dass der gemessene Wert und der berechnete Wert nicht miteinander verknüpft werden, wird solch ein Fehler nicht durch die Anpassung aufgrund eines zurückgeführten berechneten Stromwertes klein gehalten. Dadurch kann solch ein Fehler schnell detektiert werden und zügig eine entsprechende Regelmaßnahme, beispielsweise ein Not-Stopp, durchgeführt werden. Desweiteren kann das Verfahren auf relativ einfachen und kostengünstigen Mikrocontrollern ausgeführt werden, da eine Regelschleife zur Bestimmung des Strom-Sollwertes I_soll ohne die Rückkopplung des durch den Simulator bestimmten Wertes mit weniger Rechenaufwand erfolgen kann.
Die an den bestromten Phasenwicklungen der Gleichstrommaschine anliegende Spannung U_M kann näherungsweise als U_M = U_W + U_BEMF geschrieben werden, wobei Uw den aus dem Spannungsabfall über die resistiven und induktiven Anteile der Motorwicklung und
U_BEMF die aufgrund der Rotationsbewegung eines Rotormagneten in den Phasenwicklungen induzierte Spannung, die sogenannten Gegenelektromotorischen Kraft (BEMF), ist. U_BEMF ist über die elektrische Konstante k_e[Vs / rad] und über die Drehfrequenz ω des Rotors als U_BEMF = k_e ω definiert, wobei ω mit Hilfe der Drehzahl n als ω = 2 π n ausgedrückt werden kann.
Die an der Gleichstrommaschine anliegende (Motor), beziehungsweise von ihr bereitgestellte (Generator), Spannung U_M kann durch eine PWM überlagert sein und durch U_M = U_VBAT T_PWM beschrieben werden, wobei T_PWM den Tastgrad der PWM angibt. Schließlich kann für die Spannung Uw die folgende aufgestellt werden: $U_{W} = {R I}_{P} + L \frac{di}{d t}$
Aus den obigen Beziehungen kann nun eine Gleichung für den Phasenstrom I_P als Funktion der Drehfrequenz ω, der Versorgungsspannung U_VBAT und dem Tastgrad T_PWM der PWM abgeleitet werden. Durch lösen der obigen Gleichung kann somit der Phasenstrom I_P bestimmt werden. Im Folgenden wird der durch die Ansteuerschaltung berechnete Wert des Phasenstroms I_P mit i bezeichnet, während ein durch eine Messeinrichtung gemessener Wert mit i' bezeichnet wird. Die Messeinrichtung kann in die Ansteuerschaltung integriert oder separat ausgeführt sein. In manchen Ausgestaltungen bestimmt die Ansteuerschaltung auf Grundlage der wenigstens einen Zustandsgröße den Phasenstrom i anhand der folgenden Gleichung: $i = \frac{U_{V B A T} T_{P W M} + k_{e} ω}{R} .$
Der derart berechnete Wert i des Phasenstroms kann nun von der Ansteuerschaltung zur Ansteuerung oder Reglung der Gleichstrommaschine verwendet werden. Beispielsweise kann die Gleichstrommaschine den berechneten Phasenstrom i zur Absicherung und/oder Regelung des Phasenstroms I_P verwenden. In manchen Ausgestaltungen kann etwa die Regelung des Phasenstroms I_P auf einen den Strom-Sollwert I_soll erfolgen. Ebenso kann der berechnete Phasenstrom i verwendet werden, um das Über- oder Unterschreiten eines Stromgrenzwertes zu erkennen oder zu verhindern. Zusätzlich oder alternativ kann der berechnete Phasenstrom i dazu verwendet werden, in der Gleichstrommaschine integriertes oder mit ihr verbundenes ein Messsystem zu überprüfen und eine etwaige Fehlfunktion oder Beschädigungen zu erkennen. Das Messsystem kann insbesondere ein System zur Messung des Phasenstroms I_P sein, und beispielsweise einen Analog-Digital-Converter (ADC) umfassen. Wird in solchen Ausgestaltungen des Verfahrens eine Fehlfunktion oder Beschädigung erkannt, kann beispielsweise eine Notausschaltung der Gleichstrommaschine ausgeführt werden.
In anderen Ausgestaltungen kann die Berechnung des Phasenstroms durch die Ansteuerschaltung verfeinert werden, indem eine zeitliche Änderung des Phasenstromes berücksichtigt wird. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung den Phasenstrom i anhand der Formel $i = \frac{U_{V B A T} T_{P W M} + k_{e} ω}{R} - \frac{L}{R} \frac{d i}{d t}$
bestimmt, wobei L die Induktivität der bestromten Phasenwicklungen bezeichnet. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine leistungsfähige Ansteuerschaltung, beispielsweise mit einem leistungsfähigen Mikrocontroller, zur Realisierung der Ansteuerschaltung oder deren Überwachungseinheit bereitsteht.
Der Anlauf des Elektromotors aus dem Stillstand kann anhand vorgegebener Kommutierungszeiten erfolgen. Beispielsweise kann eine Abfolge an Kommutierungszeitpunkten in einer Tabelle in einem Speicher der Steuerschaltung hinterlegt sein. Der Elektromotor kann bis zum Erreichen einer Mindestdrehzahl somit mittels synchroner Zwangskommutierung betrieben werden. Während dem synchronen Anlauf kann ein Verfahren zur Lageerkennung gemäß der Erfindung zum Bestimmen eines Kommutierungszeitpunktes ausgeführt werden. Insbesondere kann ein mittels des Verfahrens bestimmter charakteristischer Kurvenpunkt des Phasenstroms oder ein Kommutierungszeitpunkt über mehrere Kommutierungsschritte hinweg ermittelt und, beispielsweise über eine mechanische Umdrehung des Rotors, gemittelt werden. Der während der synchronen Anlaufphase bestimmte Kommutierungszeitpunkt kann dann zum Ansteuern des Elektromotors beim Übergang in einen sensorlosen Betriebsmodus verwendet werden. Nach dem Anlauf, beispielsweise nach dem Erreichen einer Mindestdrehzahl, kann somit in einen sensorlosen Betriebsmodus gewechselt und der Elektromotor unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens angesteuert oder geregelt werden.
In manchen Weiterbildungen kann es ferner vorgesehen sein, dass der Elektromotor beim Anhalten, beziehungsweise Stoppen, mittels synchroner Zwangskommutierung angesteuert wird. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass in einem Bereich vor einem erwarteten Endanschlag in einen Betriebsmodus mit synchroner Zwangskommutierung gewechselt wird. Dadurch kann bis zu dem Erreichen des Endanschlags oder bis kurz vor dem Endanschlag ein maximales Drehmoment bereitgestellt werden.
Ferner kann das Verfahren eine Blockadeerkennung umfassen. Die Blockadeerkennung kann in vorteilhaften Ausgestaltungen das Bestimmen eines Stroms durch ein induktives Element des Elektromotors während eines Messzeitraums umfassen. Ferner kann die Blockadeerkennung das Überprüfen, ob der Verlauf des Stroms während des Messzeitraums einen charakteristischen Kurvenpunkt aufweist, umfassen. Der charakteristische Kurvenpunkt kann einer Nullstelle oder Extremstelle einer Charakterisierungsfunktion entsprechen und die Charakterisierungsfunktion kann beispielsweise eine zeitliche Ableitung des Verlaufs des Stroms während des Messzeitraums charakterisieren.
Desweiteren kann es vorgesehen sein, dass eine Blockade des Rotors erkannt wird, wenn eine Bedingung für das Erkennen einer Blockade erfüllt ist, wobei die Bedingung das Fehlen eines charakteristischen Kurvenpunkts umfasst. Die Charakterisierungsfunktion kann dabei die erste oder zweite zeitliche Ableitung des Verlaufs des Stroms während des Messzeitraums charakterisieren.
Insbesondere kann eine Blockadeerkennung, wie in der Anmeldeschrift DE 102018124247 beschrieben, verwendet werden. Auf die DE 102018124247 wird Bezug genommen.
Entsprechend der Offenbarung in der DE 102018124247 kann ein Verfahren zur Blockadeerkennung für einen Rotor eines Elektromotors umfassen: (1) Bestimmen eines Stroms durch ein induktives Element des Elektromotors während eines Messzeitraums; (2) Überprüfen, ob der Verlauf des Stroms während des Messzeitraums einen ersten charakteristischen Kurvenpunkt aufweist, wobei der erste charakteristische Kurvenpunkt einer Nullstelle oder Extremstelle einer ersten Charakterisierungsfunktion entspricht und die erste Charakterisierungsfunktion eine zeitliche Ableitung des Verlaufs des Stroms während des Messzeitraums charakterisiert; und (3) Erkennen einer Blockade des Rotors, wenn eine Bedingung für das Erkennen einer Blockade erfüllt ist, wobei die Bedingung das Fehlen eines ersten charakteristischen Kurvenpunkts umfasst. Die Nummerierung der Schritte dient ausschließlich der Klarheit und impliziert keinesfalls eine bestimmte Abfolge, in der die Schritte ausgeführt werden. Soweit technisch möglich, können die Schritte vertauscht werden und das Verfahren und sämtliche weiteren Ausgestaltungen in einer beliebigen Abfolge ausgeführt werden.
Zunächst wird der Verlauf des Stroms durch das induktive Element, beispielsweise eine Spule, während des Messzeitraums ermittelt. Dies kann zum Beispiel durch eine direkte Messung des Stroms in dem induktiven Element selbst oder in den entsprechenden Zuleitungen erfolgen. Das induktive Element kann auch mehrere Elementen, insbesondere mehrere Antriebsspulen einer Phasenwicklung umfassen, beziehungsweise durch eine Phasenwicklung gebildet sein. In anderen Fällen kann eine zum Strom proportionale Größe bestimmt werden, etwa ein durch den Strom erzeugtes Magnetfeld oder ein Spannungsabfall über einen bekannten Widerstand. Soweit bekannt, wird der Messzeitraum bevorzugt an die Drehzahl des Rotors angepasst oder auf die Steuersignale abgestimmt. Wird der Motor beispielsweise durch Kommutierung elektrischer Antriebsignale angetrieben, kann der Messzeitraum der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen entsprechen. Alternativ kann der Messzeitraum etwas kürzer als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen gewählt werden, etwa um eine Beeinflussung durch das Schalten der Antriebsignale zu vermeiden.
Anschließend wird untersucht, ob der Verlauf des Stroms einen ersten charakteristischen Kurvenpunkt aufweist. Ein erster charakteristischer Kurvenpunkt ist dabei definiert als ein Punkt, an dem die erste Charakterisierungsfunktion eine Nullstelle oder Extremstelle hat, wobei die erste Charakterisierungsfunktion eine zeitliche Ableitung beliebiger Ordnung des Stromverlaufs während des Messzeitraums charakterisiert.
Die erste Charakterisierungsfunktion kann dieser Ableitung über den gesamten Messzeitraum oder einen Teil des Messzeitraums exakt oder näherungsweise entsprechen. Die erste Charakterisierungsfunktion kann auch einen zeitlichen Mittelwert dieser Ableitung, z.B. einen gleitenden Mittelwert, beschreiben, beispielsweise um den Einfluss schneller Fluktuationen des Stroms oder der Strommessung zu vermindern. In einem anderen Beispiel kann die erste Charakterisierungsfunktion durch eine Inter- oder Extrapolation dieser Ableitung zwischen diskreten Zeitpunkten oder Intervallen während des Messzeitraums gegeben sein. Diese Zeitpunkte können durch die Strommessung vorgegeben sein, wenn diese nur zu bestimmten Zeitpunkten erfolgt. Die Zeitpunkte oder Intervalle können zudem abhängig von den Antriebsignalen gewählt werden, insbesondere wenn diese etwa durch Pulsweitenmodulation moduliert werden. Eine Funktion, deren Ableitung genau der ersten Charakterisierungsfunktion entspricht, wird im Folgenden als effektiver Strom bezeichnet. Ein erster charakteristischer Kurvenpunkt ist somit mit einer bestimmten geometrischen Eigenschaft des effektiven Stroms verknüpft, zum Beispiel mit einem Extremum, Sattelpunkt oder Wendepunkt.
Schließlich wird überprüft, ob die Bedingung für das Erkennen einer Blockade erfüllt wird, und eine Blockade des Rotors erkannt, wenn dies der Fall ist. Die Bedingung umfasst das Fehlen eines ersten charakteristischen Kurvenpunkts, d. h. es ist eine notwendige Bedingung für das Erkennen einer Blockade, dass der Verlauf des Stroms keinen ersten charakteristischen Kurvenpunkt während des Messzeitraums aufweist. Das Fehlen eines ersten charakteristischen Kurvenpunkt kann hinreichend für das Erkennen einer Blockade sein. Alternativ kann die Bedingung für das Erkennen einer Blockade daneben weitere Unterbedingungen umfassen, die erfüllt sein müssen, damit eine Blockade erkannt wird. Diese Unterbedingungen können sich beispielsweise auf andere charakteristische Merkmale des Stromverlaufs beziehen. Zudem können restriktivere Bedingungen für einen ersten charakteristischen Kurvenpunkt gewählt werden. Beispielsweise kann gefordert werden, dass dieser nicht nur einer Nullstelle, sondern einem Nulldurchgang der ersten Charakterisierungsfunktion entspricht.
Die Vorrichtung und das Verfahren zur Lageerkennung gemäß der Erfindung können in Verbindung mit jedem der beschriebenen Konzepte des synchronen Anlaufs, des Anhaltens im Synchronmodus, der Blockadeerkennung, des Zustandsbeobachters und der sensorlosen Steuerung anhand des Stromverlaufs im normalen Betrieb einzeln oder in beliebiger Kombination, einschließlich aller Unterkombinationen, oder unabhängig von diesen Konzepten realisiert werden. Im normalen Betrieb kann dabei eine Pulsweitenmodulation vorgesehen sein, deren Tastgrad mit Hilfe der von einem Zustandsbeobachter erfassten Informationen eingestellt wird.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung

1: eine Vorrichtung mit einem Elektromotor gemäß einem Beispiel;
2a: ein Beispiel für einen Stromverlauf durch einen Shunt-Widerstand eines kommutierenden Elektromotors im Betrieb;
2b: den Stromverlauf aus 2a sowie die entsprechende erste und zweite zeitliche Ableitung während eines beispielhaften Messzeitraums;
3: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Lageerkennung gemäß einem Beispiel;
4: die Bestimmung eines zweiten Kommutierungszeitpunkts gemäß einem Beispiel;
5: ein Beispiel für einen Verlauf der Ströme durch zwei Phasenwicklungen eines kommutierenden Elektromotors im Betrieb;
6: ein geregeltes Anlaufen eines kommutierenden Elektromotors mit Lastabschätzung gemäß einem Beispiel.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine Vorrichtung 100 gemäß einem Beispiel, mit der das erfindungsgemäße Verfahren implementiert werden kann. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Elektromotor 102. Dieser kann zum Beispiel ein bürstenloser Gleichstrommotor sein, der aus einem äußeren Stator 104 und einem beweglich gelagerten inneren Rotor 106 besteht. Der Rotor 106 kann einen oder mehrere Permanentmagnete 108 umfassen und mit anderen beweglichen Elementen mechanisch gekoppelt sein, zum Beispiel mit einem Stellglied wie einem Kolben eines Nadelventils. Der Stator 104 kann mehrere Phasenwicklungen 110 aufweisen, von denen jeweils ein Ende über einen Sternpunkt 112 mit den anderen Phasenwicklungen 110 verbunden sein kann. In anderen Ausgestaltungen der Vorrichtung 100 können die Phasenwicklungen 110 auch über eine Dreiecksschaltung verbunden sein oder einzeln ansteuerbar sein.
Zur Steuerung des Motors sind die Phasenwicklungen 110 mit einer Steuereinheit 114 verbunden, welche dazu eingerichtet ist, die Ströme durch die Phasenwicklungen 110 so zu regeln, dass ein zeitabhängiges Magnetfeld erzeugt wird, welches den Rotor 106 in Bewegung versetzen kann. Durch Regelung der Ströme kann die Motorbewegung gesteuert werden. Hierzu kann die Steuereinheit 114 ein Pulsweitenmodulation-Modul (PWM-Modul) 116 aufweisen, um elektrische Spannungspulse als Antriebsignale für die Phasenwicklungen zu erzeugen. In einem anderen Beispiel kann die Steuereinheit 114 eine regelbare Gleichspannungsquelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere variable Gleichspannungen als Antriebsignale bereitzustellen.
Die Steuereinheit 114 kann über eine Brückenschaltung 118 mit den Phasenwicklungen 110 verbunden sein, um die elektrischen Antriebsignale zu kommutieren. Ein Ausgang der Steuereinheit 114 kann mit einem Eingang 120 der Brückenschaltung 118 verbunden sein, um eine Versorgungsspannung anzulegen, zum Beispiel die vom PWM-Modul erzeugten Spannungspulse. Ein Ausgang 122 der Brückenschaltung 118 kann mit einem Erdungskontakt 124 verbunden sein. Über eine Reihe von Eingangsschaltern 126 kann der Eingang 120 jeweils mit demjenigen Ende einer Phasenwicklung 110 verbunden werden, welches nicht mit dem Sternpunkt 112 verbunden ist. In gleicher Weise kann das entsprechende Ende mittels einer Reihe von Ausgangsschaltern 128 an den Ausgang 122 gekoppelt werden. Die Steuereinheit 114 kann dazu eingerichtet sein, die Eingangsschalter 126 und die Ausgangsschalter 128 geeignet anzusteuern, um die am Eingang 120 anliegende Versorgungsspannung zu kommutieren. Dafür können zum Beispiel die Phasenwicklungen 110 sukzessive paarweise mit dem Eingang 120 bzw. Ausgang 122 verbunden werden, so dass jeweils ein Phasenwicklungspaar über den Sternpunkt 112 in Reihe zwischen den Eingang 120 und den Ausgang 122 geschaltet ist und bei jeder Kommutierung auf ein anderes Phasenwicklungspaar umgeschaltet wird.
Für die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Vorrichtung 100 eine Lageerkennungseinheit 130 auf, welche dazu eingerichtet ist, die im Folgenden in Bezug auf 3 beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen. Die Lageerkennungseinheit 130 kann einen Analog-Digital-Wandler 132 enthalten, um ein analoges Eingangssignal, zum Beispiel eine gemessene Stromstärke, in ein digitales Signal umzuwandeln. Hierzu kann der Analog-Digital-Wandler 132 eine Sample-and-Hold-Schaltung aufweisen. In einem Beispiel kann ein Analog-Digital-Wandler mit einer Auflösung von 12 Bit verwendet werden. Die Lageerkennungseinheit 130 kann ferner eine Verstärkerschaltung umfassen, um das analoge Eingangssignal vor der Umwandlung zu verstärken. Um das von dem Analog-Digital-Wandler 132 ausgegebene digitale Signal dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend zu verarbeiten, kann die Lageerkennungseinheit 130 zudem einen Mikrocontroller 134 umfassen. Die Lageerkennungseinheit 130 kann ferner mit der Steuereinheit 114 gekoppelt sein, um Daten mit dieser auszutauschen. Die Lageerkennungseinheit 130 kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, von der Steuereinheit 114 einen Befehl zur Durchführung einer Lageerkennung zu empfangen und dieser das Ergebnis zu übermitteln.
Die Vorrichtung 100 kann ferner einen Shunt-Widerstand 136 aufweisen, der sich zwischen dem Ausgang 122 der Brückenschaltung 118 und dem Erdungskontakt 124 befindet. In einem anderen Beispiel kann die Brückenschaltung 118 mehrere Shunt-Widerstände aufweisen, die jeweils zwischen einem der Ausgangsschalter 128 und dem Ausgang 122 eingebracht sind. Mittels eines Messgerätes 138 kann die über den Shunt-Widerstand 136 abfallende Spannung gemessen werden, um den zwischen Ausgang 122 und Erdungskontakt 124 fließenden Strom zu ermitteln. Ist der Ausgang 122 über die Ausgangsschalter 128 mit genau einer der Phasenwicklungen 110 verbunden, entspricht der über den Shunt-Widerstand 136 gemessene Strom dem durch die entsprechende Phasenwicklung fließenden Strom. In einem anderen Beispiel kann das Messgerät 138 ein Strommessgerät sein, welches sich direkt in der Leitung zwischen dem Ausgang 122 und dem Erdungskontakt 124 befindet. Die Lageerkennungseinheit 130 kann mit dem Messgerät 138 verbunden sein, um den über den Shunt-Widerstand 136 fließenden Strom zu bestimmen.
Neben dem in 1 dargestellten Beispiel 100 können zahlreiche weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert werden. Die Steuereinheit 114 und die Lageerkennungseinheit 130 können zum Beispiel in einer gemeinsamen Einheit zusammengefasst sein, welche die entsprechenden Aufgaben wahrnimmt. Hierzu kann der Mikrocontroller 134 dazu eingerichtet sein, die Ansteuerung des PWM-Moduls 116 und der Brückenschaltung 118 auszuführen. Daneben kann die Anzahl und/oder Verschaltung der Phasenwicklungen 110 variieren. Diese können beispielsweise nicht miteinander verbunden sein, sondern einzeln angesteuert werden. Zudem kann die Vorrichtung 100 dazu eingerichtet sein, den Strom durch jede der Phasenwicklungen 110 einzeln zu messen. Des Weiteren können andere Elektromotor-Bauformen zu Einsatz kommen.
In 2a ist beispielhaft für einen wie in 1 gezeigten BLDC-Motor der durch den Shunt-Widerstand 136 fließende Strom I(t) 200 als Funktion der Zeit t dargestellt. Das Umschalten zwischen verschiedenen Konfigurationen der Phasenwicklungen 110 während der Kommutierungen führt zu kurzzeitigen Einbrüchen 202 im Stromverlauf 200. Innerhalb eines Kommutierungsschritts zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen weist der Strom 200 einen kontinuierlichen Verlauf auf, der unter anderem von den Induktivitäten der Phasenwicklungen 110 und den durch die Bewegung des Rotors 106 in den Phasenwicklungen 110 induzierten Spannungen beeinflusst wird. Wird bei einer der Kommutierungen 202 jeweils ein Phasenwicklungspaar in Reihe mit einer Versorgungsspannung geschaltet, entspricht der Stromverlauf 200 zwischen zwei Kommutierungen dem durch die beiden Phasenwicklungen fließenden Strom. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Strom während eines Messzeitraums 204 bestimmt. Dieser wird bevorzugt so gewählt, dass keine Kommutierung 202 während des Messzeitraums 204 erfolgt. Somit kann eine Beeinflussung der Lageerkennung durch die Kommutierungen 202 ausgeschlossen werden.
In der Regel weist der Stromverlauf 200 kurzzeitige Fluktuationen auf, die beispielsweise durch eine fluktuierende Versorgungsspannung und/oder die Messung des Stroms hervorgerufen werden können. Um diese zu unterdrücken, kann die Lageerkennungseinheit 130 dazu eingerichtet sein, den Stromverlauf 200 geeignet zu mitteln, zum Beispiel durch Bilden eines gleitenden zeitlichen Mittelwerts oder durch Mitteln der Messwerte innerhalb gewisser Zeitintervalle. Wird die Versorgungsspannung durch Pulsweitenmodulation oder ähnliche Verfahren moduliert, kann die Strommessung geeignet angepasst werden, beispielsweise durch Synchronisierung mit der Modulation, um den Stromverlauf 200 zu glätten und eine Beeinflussung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch von einer solchen Modulation hervorgerufene Stromschwankungen zu vermeiden. Dies kann durch eine entsprechende Ansteuerung des Messgerätes 138 oder durch eine nachgeschaltete Datenverarbeitung durch den Mikrocontroller 134 erfolgen. Die nachgeschaltete Datenverarbeitung kann zudem eine Interpolation und/oder Extrapolation diskreter Messwerte umfassen. Die hier beschriebenen Schritte können zum Beispiel verwendet werden, um ausgehend von einem gemessenen Stromverlauf einen effektiven Stromverlauf zu erhalten, aus dem durch Ableiten eine Charakterisierungsfunktion berechnet werden kann.
2b illustriert den Stromverlauf 206 während des Messzeitraums 204 sowie die erste zeitliche Ableitung 208 und die zweite zeitliche Ableitung 210 des Stromverlaufs 206. Der Stromverlauf 206 weist ein lokales Maximum 212, einen Wendepunkt 214 sowie ein lokales Minimum 216 auf. Diese stellen wie weiter unten in den Ausführungen zu 3 beschrieben jeweils Beispiele für einen charakteristischen Kurvenpunkt dar. Am Maximum 212 des Stromverlaufs zeigt die erste Ableitung 208 einen Nulldurchgang 218. In gleicher Weise tritt am Minimum 216 ebenfalls ein Nulldurchgang 220 auf. Am Wendepunkt 214 weist hingegen die zweite Ableitung 210 einen Nulldurchgang 222 auf. Ferner weist die erste Ableitung 208 ein Minimum auf, welches dem Wendepunkt 214 des Stromverlaufs 206 entspricht. Das Minimum kann insbesondere dem Zeitpunkt in der Mitte zwischen zwei Kommutierungen entsprechen. Ein folgender Kommutierungszeitpunkt kann also in Abhängigkeit von der vorigen Kommutierung und der zeitlichen Lage des Minimums der ersten Ableitung 208 bestimmt werden.
In 3 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 300 zur Lageerkennung eines rotierenden Rotors gemäß einem Beispiel dargestellt. In Schritt 302 wird zunächst der Strom durch ein induktives Element des Elektromotors während eines Messzeitraums bestimmt. Dies kann wie oben beschrieben zum Beispiel durch Messung des durch den Shunt-Widerstand 136 fließenden Stroms während des Zeitraums 204 erfolgen, sodass bei paarweiser Kommutierung der Strom durch das in Reihe geschalteten Phasenwicklungspaar gemessen wird. In einem anderen Beispiel können die Phasenwicklungen 110 einzeln angesteuert werden und entsprechend der Strom durch eine der Phasenwicklungen 110 bestimmt werden. Wie bereits erwähnt kann die Bestimmung des Stroms eine zeitliche Mittelwertbildung umfassen und/oder bei einer Modulation der Versorgungsspannung zu entsprechenden Zeitpunkten oder in entsprechenden Zeitintervallen erfolgen.
Anschließend wird in Schritt 304 ein charakteristischer Kurvenpunkt bestimmt, an dem eine Nullstelle einer Charakterisierungsfunktion auftritt, wobei die Charakterisierungsfunktion die zeitliche Ableitung einer bestimmten Ordnung des Stromverlaufs charakterisiert. Hierzu kann gegebenenfalls die Charakterisierungsfunktion aus dem Stromverlauf ermittelt werden, beispielsweise indem durch Mittelung, Interpolation und/oder Extrapolation des gemessenen Stromverlaufs ein effektiver Stromverlauf bestimmt wird und die entsprechende Ableitung des effektiven Stromverlaufs numerisch oder analytisch berechnet wird. Die Charakterisierungsfunktion kann dann auf Nullstellen untersucht werden, um den charakteristischen Kurvenpunkt zu identifizieren. Neben der Bedingung, dass die Charakterisierungsfunktion eine Nullstelle aufweist, können weitere Bedingungen für den charakteristischen Kurvenpunkt festgelegt werden. Beispielsweise kann gefordert werden, dass der charakteristische Kurvenpunkt einem Nulldurchgang der Charakterisierungsfunktion entspricht. In einem anderen Beispiel kann ein Zeitintervall innerhalb des Messzeitraums definiert werden, in dem sich der charakteristische Kurvenpunkt befinden muss.
Die Bestimmung des charakteristischen Kurvenpunkts wird im Folgenden anhand des in 2b gezeigten Beispiels beschrieben. In einer Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Charakterisierungsfunktion gewählt werden, welche die zweite zeitliche Ableitung des Stromverlaufs charakterisiert. Weist die Charakterisierungsfunktion einen Nulldurchgang auf, entspricht dies einem Wendepunkt des effektiven Stromverlaufs, der sich in ähnlicher Weise im tatsächlichen Stromverlauf widerspiegeln kann. Für den Stromverlauf 206 würde somit der Wendepunkt 214 anhand des Nulldurchgangs 222 der zweiten Ableitung 210 als charakteristischer Kurvenpunkt identifiziert werden. In einer anderen Ausgestaltung kann die Charakterisierungsfunktion mit der ersten zeitlichen Ableitung 208 des Stromverlaufs 206 assoziiert sein. In diesem Fall stellen die Extrema 212 und 216 mögliche charakteristische Kurvenpunkte dar, da die erste Ableitung 208 an diesen Punkten Nulldurchgänge 218 und 220 aufweist. Kommen mehrere Punkte als charakteristischer Kurvenpunkt infrage, kann anhand vordefinierter Kriterien einer dieser Punkte als charakteristischer Kurvenpunkt ausgewählt werden ausgewählt werden, beispielsweise der erste oder letzte Punkt. In einem anderen Beispiel können die Folgeschritte des Lageerkennungsverfahrens für jeden der Punkte durchgeführt werden.
Basierend auf dem charakteristischen Kurvenpunkt wird in Schritt 306 die Lage bestimmt, in der sich der Rotor 106 zum Referenzzeitpunkt, d. h. dem Zeitpunkt des Auftretens des charakteristischen Kurvenpunkts, befindet. Hierzu kann eine bekannte Beziehung zwischen der Rotorlage und dem Auftreten eines charakteristischen Kurvenpunkts verwendet werden, die zum Beispiel im Voraus empirisch oder mithilfe eines physikalischen Modells des Elektromotors 102 bestimmt wurde. Der durch das induktive Element fließende Strom wird neben der anliegenden Versorgungsspannung maßgeblich durch die von dem bewegten Rotor 106 induzierte Spannung bestimmt, die von der Bauform des Motors 102 abhängig ist. In einem Beispiel kann die induzierte Spannung näherungsweise sinusförmig sein und ein Maximum aufweisen, wenn die Achse eines auf dem Rotor 106 befindlichen Permanentmagnets 108 einen bestimmten Winkel mit der Spulenachse einschließt. Über das Induktionsgesetz ist die induzierte Spannung mit der ersten zeitlichen Ableitung des durch das induktive Element fließenden Stroms verknüpft, so dass in diesem Fall ein Wendepunkt zu erwarten wäre, wenn die Achse des Permanentmagnets 108 diesen Winkel zur Spulenachse passiert. Folglich kann aus dem Auftreten eines Wendepunkts abgeleitet werden, dass sich der Rotor 106 zum Referenzzeitpunkt in einer entsprechenden Lage befindet. Eine analoge Betrachtung kann ebenso bei einer mehrere Spulen umfassenden Phasenwicklung erfolgen, wobei der Stromfluss durch die in allen Spulen der Phasenwicklung induzierte Spannung bewirkt wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ausgehend von der ermittelten Rotorlage in Schritt 308 ein Zeitpunkt für eine Kommutierung der Antriebsignale für die Phasenwicklungen bestimmt werden. Für einen möglichst effizienten Betrieb eines Elektromotors kann es abhängig von der Anordnung der Phasenwicklungen 110 und dem Aufbau des Rotors 106 ideale Zeitpunkte, d. h. ideale Rotorstellungen, für eine Kommutierung der Antriebsignale geben. Sind die entsprechenden Rotorstellungen bekannt, kann aus dem Zeitpunkt einer früheren Kommutierung und dem Referenzzeitpunkt ein Zeitpunkt für eine zu erfolgende Kommutierung berechnet werden, der zumindest näherungsweise einem idealen Kommutierungszeitpunkt entspricht. Unter der Annahme, dass sich der Rotor 106 zum ersten Kommutierungszeitpunkt in einer idealen Lage befand, kann aus der Differenz zwischen dem Referenzzeitpunkt und dem ersten Kommutierungszeitpunkt ein zweiter Kommutierungszeitpunkt abgeschätzt werden, zu dem sich der Rotor 106 voraussichtlich in einer anderen idealen Rotorstellung befinden wird. Dies wird im Folgenden in Bezug auf 4 näher ausgeführt.
In 4 ist ein Ausschnitt des Stromverlaufs 200 gezeigt, welcher eine erste Kommutierung sowie einen sich daran anschließenden Messzeitraum zur Bestimmung der Rotorlage umfasst. Innerhalb dieses Messzeitraums tritt nach einer Zeit Δt nach der ersten Kommutierung ein charakteristischer Punkt auf, in diesem Fall ein Wendepunkt, anhand dessen die Rotorlage zu diesem Referenzzeitpunkt bestimmt wird. Gemäß eines vereinfachten Modells eines wie in 1 gezeigten BLDC-Motors 102 kann für eine bestimmte Motorgeometrie angenommen werden, dass ein solcher Wendepunkt bei idealer Kommutierung genau in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen auftritt. Ist die erste Kommutierung ideal erfolgt, sollte die nächste Kommutierung 2Δt später durchgeführt werden. Somit kann der zweite Kommutierungszeitpunkt berechnet werden, indem die Differenz Δt zu dem Referenzzeitpunkt hinzu addiert wird. In der Praxis können sich Abweichungen von dem vereinfachten Modell ergeben, sodass sich der ideale Zeitpunkt für die zweite Kommutierung vom berechneten Zeitpunkt unterscheidet. Eine solche Abweichung kann kompensiert werden, in dem zu dem berechneten Zeitpunkt ein Zeitoffset δt addiert oder von diesem subtrahiert wird, um den zweiten Kommutierungszeitpunkt zu erhalten. Dieser Zeitoffset kann für eine gegebene Motorgeometrie beispielsweise empirisch bestimmt werden.
In einem anderen Beispiel kann der charakteristische Kurvenpunkt zu einem anderen Zeitpunkt zwischen aufeinanderfolgenden idealen Kommutierungen auftreten. In diesem Fall kann die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen durch Multiplikation der Differenz Δt mit einem geeigneten Faktor bestimmt werden, um den zweiten Kommutierungszeitpunkt zu berechnen.
5 illustriert beispielhaft den Verlauf der Ströme 500 und 502 durch zwei Phasenwicklungen eines kommutierenden Elektromotors. Diese können beispielsweise durch Messung der Ströme in den jeweiligen Zuleitungen zu den Phasenwicklungen bestimmt werden. Für einen BLDC-Motor mit drei Phasenwicklungen wie dem in 1 dargestellten Elektromotor 102 müssen die Antriebsignale sechsmal pro Umdrehung des Rotors 106 kommutiert werden. An eine gegebene Phasenwicklung wird in zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten eine positive Versorgungsspannung angelegt und in zwei weiteren aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten eine negative Versorgungsspannung. Dazwischen befindet sich jeweils ein Kommutierungsschritt, in dem die Phasenwicklung unbestromt bleibt. Daher weist der Stromverlauf 500 für eine erste Phasenwicklung beispielsweise zunächst zwei Kommutierungsschritte mit positiven Stromwerten auf und anschließend einen unbestromten Kommutierungsschritt, bevor das Vorzeichen des Stroms wechselt und zwei Kommutierungsschritte mit negativen Stromwerten folgen. Nach einem weiteren unbestromten Kommutierungsschritt hat der Rotor 106 eine Umdrehung abgeschlossen und der Zyklus beginnt von neuem. Die Lage des Rotors 106 kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in den bestromten Kommutierungsschritten wie zuvor beschrieben bestimmt werden.
In gleicher Weise kann das Verfahren zusätzlich für eine zweite Phasenwicklung durchgeführt werden. Der Verlauf des Stroms 502 durch die zweite Phasenwicklung ähnelt dem Verlauf 500, ist aber um zwei Kommutierungsschritte verschoben. Folglich fließt durch die zweite Phasenwicklung auch in den Kommutierungsschritten ein Strom, in denen die erste Phasenwicklung unbestromt bleibt. Somit kann die Rotorlage während jedes Kommutierungsschritts ermittelt werden. Wird das Verfahren für mehrere Phasenwicklungen in einem Kommutierungsschritt gleichzeitig durchgeführt, können die Ergebnisse der Lagebestimmung kombiniert werden, um die Genauigkeit der Lageerkennung zu erhöhen.
In 6 ist der Stromverlauf I(t) 600 durch einen Shunt-Widerstand wie den Widerstand 136 schematisch für das Anlaufen eines Elektromotors 102 aus dem Stillstand illustriert, wobei die Lageerkennungseinheit 130 und die Steuereinheit 114 der Motorvorrichtung 100 dazu eingerichtet sind, vor dem Start eine Lastabschätzung für den Rotor 106 durchzuführen und die Drehzahl des Rotors 106 durch Anpassung der elektrischen Antriebsignale geeignet zu steuern.
Zu Beginn sind die Antriebsignale unterbrochen, sodass kein Strom fließt und der Rotor 106 sich im Stillstand befindet. Während dieser Zeit kann unter Umständen durch einige der Phasenwicklungen 110 ein Haltestrom fließen, um den Rotor 106 in einer definierten Position zu halten.
Um den Rotor 106 möglichst effizient beschleunigen zu können, wird vor dem Anlaufen die Last abgeschätzt. Hierzu kann die Lageerkennungseinheit 130 in einer ersten Lagebestimmung zunächst eine erste Stillstandslage des Rotors 106 bestimmen. Die Lage des Rotors 106 im Stillstand kann beispielsweise ermittelt werden, indem die Induktivitäten der Phasenwicklungen 110 bestimmt werden. Diese sind von der Lage des Rotors 106 abhängig und erlauben es somit, eine entsprechende Kalibrierung vorausgesetzt, Rückschlüsse auf die Lage des Rotors 106 zu ziehen. Werden die Phasenwicklungen 110 wie in der Vorrichtung 100 mittels einer Sternpunktschaltung paarweise bestromt, können entsprechend die kombinierten Induktivitäten verschiedener Phasenwicklungspaare ermittelt werden. Das PWM-Modul 116 kann dazu eingerichtet sein, Lageerkennungspulse für die Phasenwicklungen 110 zu erzeugen, die ausreichend kurz sind, so dass sie den Rotor 106 nicht in Bewegung versetzen. Über die Brückenschaltung 118 kann ein solcher Lageerkennungspuls an ein Phasenwicklungspaar angelegt werden und über das Messgerät 138 der Stromverlauf während des Lageerkennungspulses gemessen werden. Der Strom zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Lageerkennungspulses kann als Maß für die Induktivität des Phasenwicklungspaares verwendet werden. Die Lageerkennungseinheit 130 kann so ein Maß für die Induktivitäten verschiedener Phasenwicklungspaare, bevorzugt aller sechs möglichen Kombinationen, ermitteln und daraus die erste Stillstandslage bestimmen. In einem anderen Beispiel kann die erste Stillstandslage im Voraus bekannt sein, wenn der Rotor 106 zuvor durch Halteströme in einer bestimmten Position gehalten wird.
Anschließend kann durch die Steuereinheit ein Lastabschätzungspuls erzeugt werden, durch den an die Phasenwicklungen 110 in einer bestimmten Konfiguration Lastabschätzungs-Antriebsignale angelegt werden, um diese für eine festgelegte Zeit zu bestromen und den Rotor 106 dadurch in Bewegung zu versetzen. Als Lastantriebssignal kann beispielsweise eine konstante Gleichspannung oder ein PWM-Signal mit einem festen Tastverhältnis verwendet werden. Nach Beginn des Lastabschätzungspulses kann eine zweite Lage des Rotors 106 bestimmt werden. Bevorzugt wird diese nach dem Ende des Lastabschätzungspulses bei Stillstand des Rotors 106 wie zuvor beschrieben ermittelt. Alternativ kann die zweite Lage auch bestimmt werden, während sich der Rotor 106 in Bewegung befindet. Aus der Differenz der zweiten Lage und der ersten Stillstandslage können Rückschlüsse auf die Last des Rotors 106 gezogen werden, da sich der Rotor 106 umso schwerer in Bewegung versetzen lässt je größer die Last ist. Hierfür kann die Bewegung des Rotors 106 infolge des Lastabschätzungspulses zuvor für bekannte Lasten kalibriert werden. In einem anderen Beispiel kann das beschriebene Lastabschätzungsverfahren für Lastabschätzungs-Antriebsignale mit verschiedenen Spannungsamplituden und/oder Tastverhältnissen wiederholt werden, um Lastabschätzungs-Antriebsignale zu bestimmen, für die sich der Rotor 106 um einen vordefinierten Winkel dreht.
Nach der Lastabschätzung wird der Rotor 106 beschleunigt, zum Beispiel um eine bestimmte Soll-Drehzahl zu erreichen. Für die Vorrichtung 100 können hierzu die Antriebsignale für die Phasenwicklungen 110 wie in 5 gezeigt kommutiert werden. Während eines Kommutierungsschritts liegt entsprechend die von der Steuereinheit 114 bereitgestellte Versorgungsspannung an einem in Reihe geschalteten Phasenwicklungspaar an. Die Versorgungsspannung kann dabei eine Gleichspannung mit einer bestimmten Amplitude oder ein PWM-Signal mit einem bestimmten Tastverhältnis sein. Die Amplitude und/oder das Tastverhältnis kann basierend auf der abgeschätzten Last von der Steuereinheit 114 gewählt werden. Durch eine erste Kommutierung wird die Versorgungsspannung an ein erstes Phasenwicklungspaar angelegt und der Rotor 106 beginnt sich zu drehen. Nach der ersten Kommutierung kann die Lageerkennungseinheit 130 von der Steuereinheit 114 einen Befehl empfangen, das erfindungsgemäße Lageerkennungsverfahren durchzuführen, um einen Zeitpunkt für die zweite Kommutierung zu bestimmen. Die Lageerkennungseinheit 130 kann diesen Zeitpunkt an die Steuereinheit 114 übermitteln, damit diese zum entsprechenden Zeitpunkt eine Kommutierung in die nächste Phasenwicklungskonfiguration durchführen kann. Dieses Schema kann anschließend in jedem Kommutierungsschritt wiederholt werden, um die Kommutierung der Antriebsignale im weiteren Verlauf zu regeln. In einem anderen Beispiel kann die während des ersten Kommutierungsschritts durch den Rotor 106 induzierte Spannung aufgrund der langsamen Bewegung zu gering sein, um die Rotorlage zuverlässig zu bestimmen. In diesem Fall kann der zweite Kommutierungszeitpunkt alternativ basierend auf der im Rahmen der Lastabschätzung bestimmten zweiten Lage, der abgeschätzten Last und/oder der Versorgungsspannung ermittelt werden.
Die Lageerkennungseinheit 130 kann dazu eingerichtet sein, bei der Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkts die sich ändernde Drehzahl während der Beschleunigung des Rotors 106 zu berücksichtigen. Beschleunigt der Rotor 106, wird der nächste ideale Kommutierungszeitpunkt früher erreicht als bei einer konstanten Drehzahl erwartet. Dies kann beispielsweise in Form eines an die momentane Drehzahländerung angepassten Zeitoffset δt in die Berechnung des zweiten Kommutierungszeitpunkts einfließen.
Um den Rotor 106 zu beschleunigen und die Drehzahl zu kontrollieren, kann die Steuereinheit 114 dazu eingerichtet sein, während des Anlaufens und/oder des Betriebs des Motors 102 die Antriebsignale geeignet anzupassen, zum Beispiel durch Änderung des Tastverhältnisses. Insbesondere kann die Steuereinheit 114 dazu eingerichtet sein, anhand der von der Lageerkennungseinheit 130 übermittelten Referenzzeitpunkte eine momentane Drehzahl des Rotors 106 zu bestimmen und diese durch Anpassung der Antriebsignale auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl zu regeln. Ferner kann die Steuereinheit 114 dazu eingerichtet sein, die Antriebsignale während des Anlaufens so anzupassen, dass die Soll-Drehzahl schnellstmöglich erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner erweitert werden, eine Blockade des Rotors 106 zu erkennen. Blockiert der Rotor 106 im laufenden Betrieb, zum Beispiel bei Erreichen eines Endanschlags für ein mit dem Rotor 106 verbundenes Stellglied oder aufgrund eines im Motor 102 befindlichen Fremdkörpers, wird in einem für die Lageerkennung verwendeten induktiven Element keine Spannung mehr durch den Rotor 106 induziert. Entsprechend sollte während des Messzeitraums kein charakteristischer Kurvenpunkt mehr auftreten. Das erfindungsgemäße Verfahren kann folglich dahingehend erweitert werden, dass eine Blockade des Rotors 106 erkannt wird, wenn die Bestimmung des charakteristischen Kurvenpunkts zu keinem Ergebnis führt, beispielsweise weil keine Nullstelle der Charakterisierungsfunktion gefunden wird. Die Lageerkennungseinheit 130 kann dazu eingerichtet sein, in diesem Fall ein Blockadesignal an die Steuereinheit 114 zu übermitteln, zum Beispiel um die Antriebsignale zu unterbrechen und/oder einem Nutzer der Vorrichtung 100 eine Blockade anzuzeigen.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

100 -: Vorrichtung mit Elektromotor
102 -: Elektromotor
104 -: Stator
106 -: Rotor
108 -: Permanentmagnet
110 -: Phasenwicklungen
112 -: Sternpunkt
114 -: Steuereinheit
116 -: Pulsweitenmodulations-Modul
118 -: Brückenschaltung
120 -: Eingang der Brückenschaltung
122 -: Ausgang der Brückenschaltung
124 -: Erdungskontakt
126 -: Eingangsschalter
128 -: Ausgangsschalter
130 -: Lageerkennungseinheit
132 -: Analog-Digital-Wandler
134 -: Mikrocontroller
136 -: Shunt-Widerstand
138 -: Messgerät
200 -: Stromverlauf durch Shunt-Widerstand
202 -: Kommutierungen
204 -: Messzeitraum
206 -: Stromverlauf während des Messzeitraums
208 -: Erste zeitliche Ableitung des Stromverlaufs
210 -: Zweite zeitliche Ableitung des Stromverlaufs
212 -: Maximum des Stromverlaufs
214 -: Wendepunkt des Stromverlaufs
216 -: Minimum des Stromverlaufs
218 -: Nulldurchgang der ersten Ableitung
220 -: Nulldurchgang der ersten Ableitung
222 -: Nulldurchgang der zweiten Ableitung
300 -: Verfahren zur Lageerkennung gemäß einem Beispiel
302 -: Bestimmung des Stroms
304 -: Bestimmung des charakteristischen Kurvenpunkts
306 -: Bestimmung der Rotorlage
308 -: Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkts
400 -: Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkt gemäß einem Beispiel
500 -: Stromverlauf durch erste Phasenwicklung
502 -: Stromverlauf durch zweite Phasenwicklung
600 -: Stromverlauf durch Shunt-Widerstand während des Anlaufens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017131406 A1 [0047, 0048]
DE 102018124247 [0062, 0063]

Claims

Verfahren zur Lageerkennung eines rotierenden Rotors (106) eines Elektromotors (102) mit folgenden Schritten: Bestimmen eines Stroms durch ein induktives Element des Elektromotors (102) während eines Messzeitraums; Bestimmen eines charakteristischen Kurvenpunkts, wobei der charakteristische Kurvenpunkt einer Nullstelle oder einer Extremstelle einer Charakterisierungsfunktion entspricht und die Charakterisierungsfunktion eine zeitliche Ableitung des Verlaufs des Stroms während des Messzeitraums charakterisiert; und Bestimmen einer Lage des Rotors (106) zu einem Referenzzeitpunkt, wobei der Referenzzeitpunkt dem Zeitpunkt des charakteristischen Kurvenpunkts entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der charakteristische Kurvenpunkt einem Nulldurchgang der Charakterisierungsfunktion entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Charakterisierungsfunktion die zweite zeitliche Ableitung des Verlaufs des Stroms während des Messzeitraums charakterisiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das induktive Element eine Phasenwicklung (110) des Elektromotors (102) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei während des Messzeitraums eine Versorgungsspannung an der Phasenwicklung (110) anliegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung des Stroms das Bilden eines zeitlichen Mittelwerts des Stroms umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung des charakteristischen Kurvenpunkts das Bestimmen der Charakterisierungsfunktion aus dem Verlauf des Stroms während des Messzeitraums umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zusätzlich folgende Schritte umfasst: Bestimmen eines ersten Kommutierungszeitpunkts, zu dem eine Kommutierung eines elektrischen Antriebssignals des Elektromotors (102) erfolgt; und Bestimmen eines zweiten Kommutierungszeitpunkts ausgehend vom ersten Kommutierungszeitpunkt und dem Referenzzeitpunkt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der zweite Kommutierungszeitpunkt auf der Basis der Summe aus dem Referenzzeitpunkt und der Differenz zwischen dem Referenzzeitpunkt und dem ersten Kommutierungszeitpunkt bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkts das Addieren oder Subtrahieren eines Zeitoffsets umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkts unter Berücksichtigung einer Beschleunigung des Rotors (106) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zusätzlich für ein zweites induktives Element, insbesondere eine zweite Phasenwicklung (110), durchgeführt wird.
Vorrichtung (100) mit einem Elektromotor (102), wobei der Elektromotor (102) einen Rotor (106) und ein induktives Element aufweist, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorrichtung (100) eine Lageerkennungseinheit (130) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Rotorlageerkennung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, welche zusätzlich umfasst: mindestens zwei Phasenwicklungen (110); eine Steuereinheit (114) für das Kommutieren elektrischer Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110), wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, von der Lageerkennungseinheit (130) einen idealen Kommutierungszeitpunkt zu empfangen und eine Kommutierung an dem idealen Kommutierungszeitpunkt durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, welche zusätzlich einen Shunt-Widerstand (136) umfasst, wobei die Lageerkennungseinheit (130) dazu eingerichtet ist, den Strom durch Messung eines Stroms über den Shunt-Widerstand (136) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Lageerkennungseinheit (130) einen Analog-Digital-Wandler (132) und einen Mikrocontroller (134) aufweist, wobei der Analog-Digital-Wandler (132) dazu eingerichtet ist, ein analoges Signal des Verlaufs des Stroms in ein digitales Signal umzuwandeln, und wobei der Mikrocontroller (134) dazu eingerichtet ist, aus dem digitalen Signal den charakteristischen Kurvenpunkt zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Lageerkennungseinheit (130) dazu eingerichtet ist, das Verfahren zur Rotorlageerkennung mehrfach durchzuführen, um eine Vielzahl von Referenzzeitpunkten zu bestimmen, und wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, aus der Vielzahl von Referenzzeitpunkten eine Drehzahl des Rotors (106) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, die Drehzahl des Rotors (106) durch Anpassung der elektrischen Antriebsignale zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Steuereinheit (114) ein Pulsweitenmodulations-Modul (116) umfasst, welches dazu eingerichtet ist, Spannungspulse als Antriebsignale für jede der Phasenwicklungen (110) zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die Lageerkennungseinheit (130) ferner dazu eingerichtet ist, eine Stillstandslage des Rotors (106) im Stillstand zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Pulsweitenmodulations-Modul (116) dazu eingerichtet ist, Lageerkennungspulse für die Phasenwicklungen (110) zu erzeugen; und die Lageerkennungseinheit (130) dazu eingerichtet ist, ein Maß für eine Induktivität für jeden der Lageerkennungspulse zu bestimmen und aus den Induktivitätsmaßen die Stillstandslage zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, Lastabschätzungs-Antriebssignale für die Phasenwicklungen (110) zu erzeugen; die Lageerkennungseinheit (130) dazu eingerichtet ist, eine erste Stillstandslage des Rotors (106) vor Beginn der Lastabschätzungs-Antriebssignale und eine zweite Lage des Rotors (106) nach Beginn der Lastabschätzungs-Antriebssignale zu bestimmen; und die Steuereinheit (114) ferner dazu eingerichtet ist, eine Last des Rotors (106) aus der ersten Stillstandslage und der zweiten Lage abzuschätzen.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, die elektrischen Antriebssignale beim Anlaufen des Motors (102) an die abgeschätzte Last des Rotors (106) anzupassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, wobei die Lageerkennungseinheit (130) ferner dazu eingerichtet ist, eine Blockade des Rotors (106) zu erkennen, wenn der Stromverlauf keinen charakteristischen Kurvenpunkt aufweist.