DE102019204934A1 - Method for controlling an electric motor, control device and corresponding systems - Google Patents
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Abstract
Es ist ein Verfahren zum Regeln eines Elektromotors, insbesondere eines elektronisch kommutierten Elektromotors, offenbart, wobei eine Drehzahl (n) des Elektromotors (M) mittels eines Drehzahlregler (2) auf eine Solldrehzahl geregelt wird, wobei die Solldrehzahl durch einen Sollwert vorgegeben wird und wobei der Elektromotor (M) während seines Betriebs mit einem Lastmoment (M) belastet wird. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:Erfassen eines Ist-Motorstroms (l), der bei dem Lastmoment (M) fließt,Erfassen einer Ist-Drehzahl (n), mit der sich ein Rotor des Elektromotors (M) dreht,Berechnen einer Kenngröße basierend auf dem Ist-Motorstrom (l) und der Ist-Drehzahl (n), wobei die Kenngröße repräsentativ für einen Arbeitspunkt des Elektromotors (M) ist,Ermitteln einer maximalen Drehzahl (nmax) basierend auf der Kenngröße und einer Kennlinie, wobei die Kennlinie eine Abhängigkeit von einer maximalen Stromstärke (Imax) und einer maximalen Drehzahl (nmax) angibt,Erzeugen eines skalierten Sollwerts durch Skalieren des Sollwerts basierend auf der maximalen Drehzahl (nmax) undEingaben des skalierten Sollwerts in den Drehzahlregler (2).Es ist ferner eine entsprechende Regeleinrichtung (1), sowie Systeme bestehend aus dieser Regeleinrichtung (1) und einem Elektromotors bzw. einem Ventilator offenbart.A method for regulating an electric motor, in particular an electronically commutated electric motor, is disclosed, wherein a speed (n) of the electric motor (M) is regulated to a target speed by means of a speed controller (2), the target speed being specified by a target value and wherein the electric motor (M) is loaded with a load torque (M) during its operation. This method comprises the steps of: detecting an actual motor current (l) that flows at the load torque (M), detecting an actual speed (n) at which a rotor of the electric motor (M) rotates, calculating a parameter based on the actual motor current (l) and the actual speed (n), the parameter being representative of an operating point of the electric motor (M), determining a maximum speed (nmax) based on the parameter and a characteristic curve, the characteristic curve being a dependency of a maximum current strength (Imax) and a maximum speed (nmax), generating a scaled setpoint by scaling the setpoint based on the maximum speed (nmax) and inputting the scaled setpoint into the speed controller (2). Furthermore, a corresponding control device ( 1), as well as systems consisting of this control device (1) and an electric motor or a fan are disclosed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Elektromotors, insbesondere eines elektronisch kommutierten Elektromotors (EC-Motor). Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Regeleinrichtung für einen Elektromotor, ein System aus einer derartigen Regeleinrichtung und einem Elektromotor, sowie ein System aus einer derartigen Regeleinrichtung und einem Ventilator.The invention relates to a method for controlling an electric motor, in particular an electronically commutated electric motor (EC motor). The invention also relates to a corresponding control device for an electric motor, a system comprising such a control device and an electric motor, and a system comprising such a control device and a fan.
Elektromotoren erzeugen während ihres Betriebs ein Antriebsmoment. Diesem Antriebsmoment steht üblicherweise ein Lastmoment entgegen, wobei Lastmoment und Antriebsmoment in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind. Wenn das Antriebsmoment größer ist als das Lastmoment, wird der Elektromotor beschleunigt. Wenn das Antriebsmoment kleiner ist als das Lastmoment, wird der Elektromotor abgebremst. Wenn Lastmoment und Antriebsmoment gleich groß sind, bleibt die Drehzahl konstant, sodass ein stabiler Betriebspunkt vorliegt. Das Lastmoment wird üblicherweise durch das Element erzeugt, das durch den Elektromotor angetrieben wird.Electric motors generate drive torque during their operation. This drive torque is usually opposed by a load torque, the load torque and the drive torque being directed in opposite directions. If the drive torque is greater than the load torque, the electric motor is accelerated. If the drive torque is less than the load torque, the electric motor is braked. If the load torque and drive torque are the same, the speed remains constant so that a stable operating point is present. The load torque is usually generated by the element that is driven by the electric motor.
Wenn der Elektromotor Teil eines Ventilators ist und der Elektromotor ein Laufrad des Ventilators antreibt, wird das Lastmoment durch das Laufrad und das durch das Laufrad bewegte gasförmige Medium - meist Luft - hervorgerufen. Der Ventilator befördert das gasförmige Medium von einer Zuströmseite zu einer Abströmseite und erzeugt dabei eine Druckerhöhung. Abhängig von der Technologie des Ventilators und dem prinzipiellen Aufbau entsteht infolge der Druckerhöhung ein Volumenstrom des durch den Ventilator bewegten gasförmigen Mediums. Dabei stellt sich eine gegenseitige Abhängigkeit von Volumenstrom und Druckerhöhung ein, die in einer Ventilatorkennlinie (auch als Lüfterkennlinie und nachfolgend auch als Druckkennlinie bezeichnet) beschrieben werden kann. Die Ventilatorkennlinie wird in Datenblättern angegeben und von einem Hersteller des Ventilators an einem Ventilator-Prüfstand gemessen. Dabei wird der vermessene Ventilator üblicherweise als freistehender Lüfter betrieben, so dass der durch den Ventilator erzeugte Volumenstrom ungehindert fließen kann. Eine reale Einbausituation kann diese Kennlinie beeinflussen.If the electric motor is part of a fan and the electric motor drives an impeller of the fan, the load torque is generated by the impeller and the gaseous medium - usually air - moved by the impeller. The fan conveys the gaseous medium from an inflow side to an outflow side, thereby generating an increase in pressure. Depending on the technology of the fan and the basic structure, the pressure increase creates a volume flow of the gaseous medium moving through the fan. There is a mutual dependency of the volume flow and pressure increase, which can be described in a fan characteristic curve (also referred to as a fan characteristic curve and hereinafter also referred to as a pressure characteristic curve). The fan characteristic is given in data sheets and measured by a manufacturer of the fan on a fan test bench. The measured fan is usually operated as a free-standing fan so that the volume flow generated by the fan can flow unhindered. A real installation situation can influence this characteristic.
Wenn ein Ventilator in einer Anlage oder einem Gerät eingebaut ist, muss der Ventilator gegen einen Strömungswiderstand arbeiten. Der Betriebspunkt (auch als Arbeitspunkt bezeichnet) eines derartigen Ventilators ergibt sich als Schnittpunkt der Ventilatorkennlinie mit der Anlagen-/ Gerätekennlinie. Liegt eine Anlage/ein Gerät mit einem großen Strömungswiderstand vor, steigt die Anlagen-/Gerätekennlinie steil an. If a fan is installed in a system or a device, the fan must work against a flow resistance. The operating point (also referred to as the operating point) of such a fan results from the intersection of the fan characteristic with the system / device characteristic. If there is a system / device with a large flow resistance, the system / device characteristic curve rises steeply.
Bei einem kleinen Strömungswiderstand verläuft die Anlagen-/Gerätekennlinie flacher. An dem Betriebspunkt erzeugt der Ventilator eine Druckerhöhung, die den Druckverlust im Gerät bzw. der Anlage genau kompensiert.With a small flow resistance, the system / device characteristic is flatter. At the operating point, the fan generates a pressure increase that precisely compensates for the pressure loss in the device or system.
Es zeigt sich, dass sich in Abhängigkeit der Druckerhöhung bei einem bestimmten Antriebsmoment und - wegen der Proportionalität zwischen Antriebsmoment und Motorstrom - bei einem bestimmten Motorstrom unterschiedliche Drehzahlen einstellen. Damit wird sich in unterschiedlichen Einsatzsituationen des Ventilators entsprechend dem Strömungswiderstand der Anlage, in dem der Ventilator verbaut ist, ein Druck einstellen, der die Drehzahl bestimmt. Wenn ein maximal möglicher Motorstrom fließt, ergibt sich damit eine maximal mögliche Drehzahl für die aktuelle Einbausituation. Da sich Anlagenwiderstände in der Praxis mit der Zeit ändern können, beispielsweise durch zunehmende Verschmutzung von Filtern, kann sich die maximal mögliche Drehzahl während des Betriebs ebenfalls ändern. Dies führt dazu, dass die maximal mögliche Drehzahl für einen bestimmten Ventilator bzw. ganz allgemein für einen bestimmten Elektromotor nicht ohne Kenntnis der aktuellen Einsatzsituation bestimmt werden kann. Parameter dieser Einbausituation lassen sich aber lediglich mit erheblichem Aufwand ermitteln, indem beispielsweise Drucksensoren den Druckunterschied ermitteln.It turns out that depending on the pressure increase at a certain drive torque and - because of the proportionality between drive torque and motor current - at a certain motor current, different speeds are set. In this way, in different situations in which the fan is used, a pressure is set that determines the speed, depending on the flow resistance of the system in which the fan is installed. If a maximum possible motor current flows, this results in a maximum possible speed for the current installation situation. Since system resistances can change over time in practice, for example due to increasing contamination of filters, the maximum possible speed can also change during operation. As a result, the maximum possible speed for a specific fan or, more generally, for a specific electric motor cannot be determined without knowledge of the current operational situation. However, parameters of this installation situation can only be determined with considerable effort by, for example, pressure sensors determining the pressure difference.
Bei einer Drehzahlregelung eines Motors bzw. eines Ventilators ist es üblich, ein den Drehzahlsollwert vorgebendes Steuersignal (beispielsweise eine Spannung zwischen 0 Volt und 10 Volt) einem Bereich zwischen Minimaldrehzahl (beispielsweise 0 Umdrehungen/Minute) und Maximaldrehzahl zuzuordnen. Da die Maximaldrehzahl allerdings bei Herstellung des Ventilators unbekannt ist, entsteht die Schwierigkeit, die Sollwertvorgabe geeignet zu wählen. Wenn die Sollwertvorgabe auf die kleinstmögliche Maximaldrehzahl skaliert wird, würde in den meisten Einbausituationen ein großer Teil des möglichen Arbeitsbereichs nicht genutzt, da der Elektromotor dann - unabhängig von der realen Einbausituation - nicht jenseits dieser kleinstmöglichen Maximaldrehzahl geregelt werden kann. Wenn die größtmögliche Maximaldrehzahl zur Skalierung der Sollwertvorgabe genutzt würde, würde in den meisten Einbausituationen diese maximale Drehzahl nie erreicht, weshalb ein Teil des Wertebereichs des Sollwertes nicht ausgeschöpft wird. Dies ist aus regelungstechnischen Gründen unerwünscht.When regulating the speed of a motor or a fan, it is common to assign a control signal specifying the speed setpoint (for example a voltage between 0 volts and 10 volts) to a range between minimum speed (for example 0 revolutions / minute) and maximum speed. However, since the maximum speed is unknown when the fan is manufactured, the difficulty arises in choosing a suitable setpoint. If the setpoint specification is scaled to the lowest possible maximum speed, a large part of the possible working area would not be used in most installation situations, since the electric motor then - regardless of the actual installation situation - cannot be controlled beyond this lowest possible maximum speed. If the greatest possible maximum speed were used to scale the setpoint specification, this maximum speed would never be reached in most installation situations, which is why part of the value range of the setpoint is not exhausted. This is undesirable for control reasons.
Wegen dieser Schwierigkeiten wird in der Praxis üblicherweise auf eine Drehzahlregelung verzichtet und stattdessen eine Drehmomentregelung eingesetzt. Hierbei stellt sich automatisch eine Drehzahl ein, die den Anlagenwiderständen und den Motorstromvorgaben über das Steuersignal entspricht. Dadurch wird das Ziel erreicht, dass beispielsweise bei einem Steuersignal von 0 bis 10 Volt der gesamte Bereich bis zu der jeweiligen Maximaldrehzahl abgedeckt werden kann.Because of these difficulties, speed control is usually dispensed with in practice and torque control is used instead. A speed is automatically set that corresponds to the system resistances and the motor current specifications via the control signal. This achieves the goal that, for example, with a control signal of 0 to 10 volts, the entire range up to the respective maximum speed can be covered.
Der Verzicht auf eine Drehzahlregelung führt jedoch zu einigen Nachteilen im praktischen Betrieb. So sind beispielsweise Anlaufprobleme in Folge eines Festsitzens des Elektromotors mit einer Drehzahlregelung deutlich besser zu beherrschen, da die Drehzahlreglung - im Gegensatz zu der Drehmomentregelung - „nachschiebt“. Zudem basieren viele Motoreigenschaften auf Drehzahlwerten, wie beispielsweise ein Stufenbetrieb oder das Ausblenden bestimmter Drehzahlen zur Vermeidung von Resonanzen. Darüber hinaus kann es in Kombination mit vorgelagerten Prozessregelungen durch den Verzicht auf eine Drehzahlregelung zu Instabilitäten kommen. Diese beispielhafte, jedoch nicht abschließende Aufzählung möglicher Nachteile zeigt, dass eine Drehzahlregelung einer reinen Drehmomentregelung vorzuziehen wäre.However, dispensing with speed control leads to some disadvantages in practical operation. For example, start-up problems as a result of the electric motor getting stuck can be managed much better with a speed control, since the speed control - in contrast to the torque control - "pushes". In addition, many motor properties are based on speed values, such as step mode or the fading out of certain speeds to avoid resonances. In addition, in combination with upstream process controls, dispensing with speed control can lead to instabilities. This exemplary, but not exhaustive, list of possible disadvantages shows that speed control would be preferable to pure torque control.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Regeleinrichtung und Systeme der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine flexible Drehzahlvorgabe basierend auf einer Betriebssituation des Elektromotors möglich ist.The present invention is therefore based on the object of designing and developing a method, a control device and systems of the type mentioned at the outset in such a way that a flexible speed specification based on an operating situation of the electric motor is possible.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird bei dem in Rede stehende Verfahren eine Drehzahl des Elektromotors mittels eines Drehzahlreglers auf eine Solldrehzahl geregelt, wobei die Solldrehzahl durch einen Sollwert vorgegeben wird, wobei der Elektromotor während seines Betriebs mit einem Lastmoment belastet wird. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:
- Erfassen eines Ist-Motorstroms, der bei dem Lastmoment fließt,
- Erfassen einer Ist-Drehzahl, mit der sich ein Rotor des Elektromotors dreht,
- Berechnen einer Kenngröße basierend auf dem Ist-Motorstrom und der Ist-Drehzahl, wobei die Kenngröße repräsentativ für einen Arbeitspunkt des Elektromotors ist,
- Ermitteln einer maximalen Drehzahl basierend auf der Kenngröße und einer Kennlinie, wobei die Kennlinie eine Abhängigkeit von einer maximalen Stromstärke und einer maximalen Drehzahl angibt,
- Erzeugen eines skalierten Sollwerts durch Skalieren des Sollwerts basierend auf der maximalen Drehzahl und
- Eingaben des skalierten Sollwerts in den Drehzahlregler.
- Acquisition of an actual motor current that flows at the load torque
- Acquisition of an actual speed at which a rotor of the electric motor rotates,
- Calculating a parameter based on the actual motor current and the actual speed, the parameter being representative of an operating point of the electric motor,
- Determining a maximum speed based on the parameter and a characteristic curve, the characteristic curve indicating a dependency on a maximum current intensity and a maximum speed,
- Generating a scaled setpoint by scaling the setpoint based on the maximum speed and
- Input of the scaled setpoint in the speed controller.
Hinsichtlich einer Regeleinrichtung ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale das Anspruchs 12 gelöst. Danach umfasst die Regeleinrichtung für den während seines Betriebs mit einem Lastmoment belasteten Elektromotor:
- einen Drehzahlregler,
- einen Sollwerteingang zum Eingeben eines Sollwerts,
- einen Stromeingang zum Eingeben eines Ist-Motorstroms, der bei dem Lastmoment in den Elektromotor fließt,
- einen Drehzahleingang zum Eingeben einer Ist-Drehzahl des Elektromotors, mit der sich ein Rotor des Elektromotors dreht,
- einen Speicher mit einer Kennlinie, die eine Abhängigkeit zwischen einer maximalen Stromstärke und einer maximalen Drehzahl angibt,
- eine Berechnungseinheit, die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem Ist-Motorstrom, der Ist-Drehzahl und der Kennlinie eine maximale Drehzahl zu ermitteln, und
- eine Skalierungseinheit, die basierend auf der maximalen Drehzahl den Sollwert skaliert und als skalierten Sollwert an den Drehzahlregler ausgibt.
- a speed controller,
- a setpoint input for entering a setpoint,
- a current input for entering an actual motor current that flows into the electric motor at the load torque,
- a speed input for entering an actual speed of the electric motor at which a rotor of the electric motor rotates,
- a memory with a characteristic that indicates a dependency between a maximum current strength and a maximum speed,
- a calculation unit which is designed to determine a maximum speed based on the actual motor current, the actual speed and the characteristic curve, and
- a scaling unit that scales the setpoint based on the maximum speed and outputs it as a scaled setpoint to the speed controller.
Hinsichtlich der Systeme ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Ansprüche 16 und 18 gelöst. Danach umfassen diese Systeme eine erfindungsgemäße Regeleinrichtung sowie einen Elektromotor bzw. einen Ventilator.With regard to the systems, the above object is achieved by the features of claims 16 and 18. According to this, these systems comprise a control device according to the invention and an electric motor or a fan.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass basierend auf einem Ist-Motorstrom und einer Ist-Drehzahl eine Kenngröße bestimmt werden kann, die für einen Arbeitspunkt des Elektromotors in der aktuellen Betriebssituation repräsentativ ist. Aus dieser Kenngröße kann wiederum mittels einer Kennlinie, die eine Abhängigkeit zwischen einer maximalen Stromstärke und einer maximalen Drehzahl angibt, ermittelt werden. Durch Nutzung dieser Erkenntnis kann eine maximale Drehzahl des aktuellen Arbeitspunktes ermittelt und damit ein skalierter Sollwert erzeugt werden, ohne dass diese maximale Drehzahl tatsächlich vorliegen und/oder der maximale Motorstrom tatsächlich fließen muss.In a manner according to the invention, it was first recognized that, based on an actual motor current and an actual speed, a parameter can be determined which is representative of an operating point of the electric motor in the current operating situation. This parameter can in turn be used to determine by means of a characteristic curve which indicates a dependency between a maximum current intensity and a maximum speed. By using this knowledge, a maximum speed of the current operating point can be determined and thus a scaled setpoint can be generated without this maximum speed actually being present and / or without the maximum motor current actually having to flow.
Zur Nutzung dieser Erkenntnis wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst ein Ist-Motorstrom erfasst, der während des Betriebs des Elektromotors bei einer Belastung mit einem Lastmoment fließt. Des Weiteren wird eine Ist-Drehzahl erfasst, mit der sich ein Rotor des Elektromotors unter der Belastung mit dem Lastmoment dreht. Basierend auf diesem Ist-Motorstrom und dieser Ist-Drehzahl wird in einem nächsten Schritt eine Kenngröße berechnet, die repräsentativ für den aktuellen Arbeitspunkt des Elektromotors ist. Dabei ist der Arbeitspunkt - wie zuvor dargelegt - von dem fließenden Ist-Motorstrom bzw. dem dadurch erzeugten Antriebsmoment und dem Lastmoment abhängig. Unter Verwendung einer Kennlinie, die eine Abhängigkeit zwischen einer maximalen Stromstärke und einer maximalen Drehzahl angibt, wird in einem weiteren Schritt basierend auf der Kenngröße eine maximale Drehzahl ermittelt. Die maximale Drehzahl wird schließlich zum Erzeugen eines skalierten Sollwerts genutzt. Dieser skalierte Sollwert wird schließlich in den Drehzahlregler eingegeben. Auf diese Weise kann der ursprünglich eingegebene Sollwert vollkommen losgelöst von der tatsächlichen Betriebssituation des Elektromotors festgelegt werden. So kann ganz allgemein beispielsweise ein Wert angegeben werden, der zwischen 0 und 100% liegt. Welcher Drehzahl dies schließlich entspricht, wird durch die Skalierung auf die maximale Drehzahl festgelegt. Auf diese Weise wird der Drehzahlregler stets mit einem Sollwert beaufschlagt, der zwischen einem minimalen Drehzahlwert und dem maximalen Drehzahlwert liegt. Dadurch kann der Wertebereich für die Sollwertvorgabe stets voll ausgeschöpft werden.To use this knowledge, in the method according to the invention, an actual motor current is first recorded, which flows during operation of the electric motor when a load torque is applied. Furthermore, an actual speed at which a rotor of the electric motor rotates under the load with the load torque is recorded. Based on this actual motor current and this actual speed, a parameter is calculated in a next step which is representative of the current operating point of the electric motor. The operating point - as explained above - is dependent on the actual motor current flowing or the drive torque generated thereby and the load torque. Using a characteristic curve which indicates a dependency between a maximum current intensity and a maximum speed, a maximum speed is determined in a further step based on the parameter. The maximum speed is finally used to generate a scaled setpoint. This scaled setpoint is then entered into the speed controller. In this way, the originally entered setpoint value can be determined completely independently of the actual operating situation of the electric motor. For example, a value between 0 and 100% can generally be specified. Which speed this ultimately corresponds to is determined by scaling to the maximum speed. In this way, the speed controller is always subjected to a setpoint that is between a minimum speed value and the maximum speed value. This means that the range of values for the setpoint specification can always be fully utilized.
Die Kenngröße kann prinzipiell auf verschiedenste Weise gebildet sein, solange die Kenngröße eine Abhängigkeit von dem Ist-Motorstrom und der Ist-Drehzahl aufweist und daraus eine maximale Drehzahl bestimmt werden kann. Dabei muss die Kenngröße repräsentativ für den Arbeitspunkt des Elektromotors sein, der sich bei der Belastung mit dem Lastmoment einstellt. Vorzugsweise wird die Kenngröße als Quotient aus der Ist-Stromstärke und dem Quadrat der Ist-Drehzahl berechnet. Durch diese Wahl kann insbesondere bei einem Elektromotor, der Bestandteil eines Ventilators ist und ein Laufrad dieses Ventilators antreibt eine besonders günstige Kenngröße gewonnen werden. Denn bei Ventilatoren ist der Motorstrom proportional zu dem Quadrat der Drehzahl.In principle, the parameter can be formed in the most varied of ways, as long as the parameter is dependent on the actual motor current and the actual speed and a maximum speed can be determined therefrom. The parameter must be representative of the operating point of the electric motor that is set when the load torque is applied. The parameter is preferably calculated as the quotient of the actual current strength and the square of the actual speed. Through this choice, a particularly favorable parameter can be obtained, particularly in the case of an electric motor that is part of a fan and drives an impeller of this fan. Because with fans the motor current is proportional to the square of the speed.
Prinzipiell kann das an dem Elektromotor anliegende Lastmoment auf verschiedenste Weise erzeugt sein. Solange der Rotor des Elektromotors definiert durch das Lastmoment belastet wird, liegen prinzipiell die Voraussetzungen zur Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Lastmoment jedoch durch ein Laufrad eines Ventilators erzeugt, wobei der Elektromotor dieses Laufrad abtreibt. Da das Laufrad einen Luftstrom bewegen wird, entsteht ein von der Drehzahl abhängiges Lastmoment. Dabei wird das Lastmoment vorzugsweise von einem Strömungswiderstand beeinflusst, der einem durch das Laufrad bewegten Luftstrom entgegensteht. Je höher der Strömungswiderstand ist, desto höher ist entsprechend das Lastmoment.In principle, the load torque applied to the electric motor can be generated in the most varied of ways. As long as the rotor of the electric motor is loaded in a defined manner by the load torque, the prerequisites for using the method according to the invention exist in principle. In a preferred embodiment, however, the load torque is generated by an impeller of a fan, the electric motor driving this impeller. Since the impeller will move a stream of air, a load torque is created that is dependent on the speed. The load torque is preferably influenced by a flow resistance that opposes an air flow moving through the impeller. The higher the flow resistance, the higher the load torque.
Wenn der Elektromotor Teil eines Ventilators ist, so ist es prinzipiell unerheblich, wie der Ventilator aufgebaut ist. Die Gültigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens konnte für Axiallüfter, für Diagonallüfter und für Radiallüfter (mit vorwärts gekrümmten Schaufeln an dem Laufrad) belegt werden, so dass diese bevorzugte Ausgestaltungen darstellen.If the electric motor is part of a fan, it is in principle irrelevant how the fan is constructed. The validity of the method according to the invention could be demonstrated for axial fans, for diagonal fans and for radial fans (with forward curved blades on the impeller), so that these represent preferred configurations.
Die Kennlinie, die zur Berechnung der maximalen Drehzahl verwendet wird, kann auf verschiedenste Weisen definiert sein. So kann die Kennlinie über einen mathematischen Zusammenhang in Form einer Formel festgelegt sein, wodurch sehr einfach relativ beliebige Werte der Kennlinie durch Lösen der Formel berechnet werden können. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Kennlinie jedoch als Wertetabelle (auch als Look-Up-Tabelle bekannt) in einem Speicher abgelegt und bei Ermitteln der maximalen Drehzahl eine Interpolation durchgeführt. Auf diese Weise können auch mathematisch komplexe Zusammenhänge ausreichend präzise abgebildet sein, ohne dass aufwändige Berechnungen notwendig wären.The characteristic that is used to calculate the maximum speed can be defined in various ways. The characteristic curve can thus be determined via a mathematical relationship in the form of a formula, which means that any desired values of the characteristic curve can be calculated very easily by solving the formula. In a preferred embodiment, however, the characteristic curve is stored in a memory as a table of values (also known as a look-up table) and an interpolation is carried out when the maximum speed is determined. In this way, even mathematically complex relationships can be mapped with sufficient precision without the need for time-consuming calculations.
Vorzugsweise wird bei der Skalierung des Sollwerts auf einen Bereich zwischen einer minimalen Drehzahl und der maximalen Drehzahl vorgenommen. Dabei ist die minimale Drehzahl besonders bevorzugter Weise gleich Null Umdrehungen pro Minute. Prinzipiell ist es unerheblich, wie die Skalierung des eingegebenen Sollwerts erfolgt. Letztendlich können über die Skalierung relativ beliebige Verhalten abgebildet werden. Eine Skalierung mit exponentiellem Zusammenhang ist ebenso denkbar, wie quadratische oder polynomiale Zusammenhänge. Vorzugsweise wird jedoch eine im Wesentlichen lineare Skalierung vorgenommen, d.h. ein Bereich des eingegebenen Sollwerts wird mittels eines linearen Zusammenhangs auf einen Bereich des skalierten Sollwerts abgebildet. Dabei ist auch denkbar, dass in der Sollwertskalierung auszulassende Drehzahlen mitberücksichtigt werden, so dass bei Eingabe einer nicht zulässigen Solldrehzahl eine skalierte Drehzahl ausgegeben wird, die um einen Differenzwert Δn oberhalb oder unterhalb des eingegebenen Drehzahlwertes liegt, wobei Δn einen kleinen Drehzahlunterschied angibt und sich vorzugsweise anhand der auszulassenden Lücke und/oder der maximalen Drehzahl bemisst. So ist Δn in einer bevorzugten Ausgestaltung maximal 10% der maximalen Drehzahl groß, besonders bevorzugter Weise maximal 5% der maximalen Drehzahl und ganz besonders bevorzugter Weise maximal 1% der maximalen Drehzahl groß. Dabei sollte aber gewährleistet sein, dass der verschobene skalierte Sollwert außerhalb eines entsprechend „verbotenen“ Bereichs liegt.The setpoint is preferably scaled to a range between a minimum speed and the maximum speed. The minimum speed is particularly preferably zero revolutions per minute. In principle, it is irrelevant how the entered setpoint is scaled. Ultimately, relatively arbitrary behavior can be mapped via the scaling. Scaling with an exponential relationship is just as conceivable as quadratic or polynomial relationships. However, an essentially linear scaling is preferably carried out, ie a range of the entered setpoint value is mapped onto a range of the scaled setpoint value by means of a linear relationship. It is also conceivable that speeds to be omitted in the setpoint scaling are also taken into account, so that when a non-permissible setpoint speed is entered, a scaled speed is output that is a difference value Δn above or below the entered speed value, with Δn indicating a small speed difference and preferably based on the gap to be omitted and / or the maximum speed. Thus, in a preferred embodiment, Δn is a maximum of 10% of the maximum speed, particularly preferably a maximum of 5% of the maximum speed and very particularly preferably a maximum of 1% of the maximum speed. However, it should be ensured that the shifted, scaled setpoint is outside a correspondingly "forbidden" range.
Prinzipiell können der Ist-Motorstrom und die Ist-Drehzahl auf verschiedenste Weise bestimmt werden. So ist es denkbar, dass für das Ermitteln des Ist-Motorstroms ein dedizierter Stromsensor vorhanden ist, der Stromwerte erfasst und - vorzugsweise in digitalisierter Form - zur Weiterverarbeitung in dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitstellt. Zum Ermitteln der Ist-Drehzahl kann ein dedizierter Drehzahlsensor vorgesehen sein, der die Drehzahl des Rotors oder eines mit dem Rotor verbundenen Elements erfasst. Entsprechende Strom- bzw. Drehzahlsensoren sind aus der Praxis hinlänglich bekannt. Insbesondere bei elektronisch kommutierten Motoren ist jedoch eine Motorelektronik vorhanden, die bereits Informationen über den Ist-Motorstrom und die Ist-Drehzahl enthält. Insofern umfasst in einer bevorzugten Weiterbildung der Schritt des Ermittelns eines Ist-Motorstroms den Schritt des Abfragens dieses Werts bei der Motorelektronik des Elektromotors und der Schritt des Ermittelns der Ist-Drehzahl einen Schritt des Abfragens dieses Wertes bei der Motorelektronik des Elektromotors. Auf diese Weise kann besonders einfach der Ist-Motorstrom und/oder die Ist-Drehzahl ermittelt werden, ohne dass weitere Sensorik erforderlich ist.In principle, the actual motor current and the actual speed can be determined in various ways. So it is conceivable that a dedicated current sensor is available for determining the actual motor current, which detects current values and - preferably in digitized form - provides them for further processing in the method according to the invention. To determine the actual speed, a dedicated speed sensor can be provided which detects the speed of the rotor or of an element connected to the rotor. Corresponding current or speed sensors are sufficiently known from practice. In the case of electronically commutated motors in particular, however, there is motor electronics that already contain information about the actual motor current and the actual speed. In this respect, in a preferred development, the step of determining an actual motor current includes the step of interrogating this value from the motor electronics of the electric motor and the step of determining the actual speed includes a step of interrogating this value from the motor electronics of the electric motor. In this way, the actual motor current and / or the actual speed can be determined in a particularly simple manner, without the need for additional sensors.
Wenn der Elektromotor ein Laufrad eines Ventilators antreibt, kann das erfindungsgemäße Verfahren ergänzend dazu genutzt werden, um ein durch den Ventilator erzeugten Volumenstrom, einen durch den Ventilator bewegten Massenstrom und/ oder eine durch den Ventilator erzeugte Druckerhöhung zu bestimmen. Da die Kenngröße repräsentativ für den Arbeitspunkt des Ventilators ist und der Arbeitspunkt sich in einer Druckkennlinie des Ventilators wiederfindet, kann auf diese Weise ein Volumenstrom und/oder eine Druckerhöhung ermittelt werden. Wenn die Druckkennlinie einen Zusammenhang zwischen Massenstrom und Druckerhöhung wiedergibt, kann auf diese Weise ein durch den Ventilator bewegten Massenstrom und/oder eine durch den Ventilator erzeugte Druckerhöhung bestimmt werden. Auf diese Weise kann der Ventilator zusätzlich als Sensor verwendet werden.If the electric motor drives an impeller of a fan, the method according to the invention can additionally be used to determine a volume flow generated by the fan, a mass flow moved by the fan and / or a pressure increase generated by the fan. Since the parameter is representative of the operating point of the fan and the operating point is found in a pressure characteristic curve of the fan, a volume flow and / or a pressure increase can be determined in this way. If the pressure characteristic shows a relationship between mass flow and pressure increase, a mass flow moved by the fan and / or a pressure increase generated by the fan can be determined in this way. In this way the fan can also be used as a sensor.
Die Druckkennlinie kann wiederum auf verschiedene Weise hinterlegt sein. Da die Druckkennlinie üblicherweise ein kompliziert zu beschreibender Zusammenhang ist, ist die Druckkennlinie vorzugsweise in Form einer Wertetabelle (Look-up-Tabelle) hinterlegt. Dabei wird vorzugsweise in der Wertetabelle ein Volumenstrom und/oder ein Massenstrom und/oder eine Druckerhöhung bezogen auf eine Drehzahl oder einen Motorstrom angegeben. Vorzugsweise ist dabei der Volumenstrom und/oder der Massenstrom auf die Drehzahl normiert und die Druckerhöhung auf den Motorstrom. Zum Bestimmen des Volumenstroms, des Massenstroms und/oder des Druckunterschieds würde dann ein Wert aus der Wertetabelle ausgelesen oder ein zwischen zwei vorhandenen Werten der Wertetabelle interpolierter Wert berechnet. Dieser ausgelesene oder interpolierte Wert würde dann - je nach Bezugsgröße des Wertes - mit der Ist-Drehzahl oder dem Ist-Motorstrom multipliziert. Auf diese Weise kann ein Zusatzeffekt erzeugt werden, dass nämlich der Elektromotor zu einem Sensor für Volumenstrom, Massenstrom und/oder Druckerhöhung wird.The pressure characteristic can in turn be stored in various ways. Since the pressure characteristic is usually a complex to describe relationship, the pressure characteristic is preferably stored in the form of a value table (look-up table). A volume flow and / or a mass flow and / or a pressure increase in relation to a speed or a motor current is preferably specified in the table of values. The volume flow and / or the mass flow is preferably normalized to the speed and the pressure increase to the motor flow. To determine the volume flow, the mass flow and / or the pressure difference, a value would then be read out from the table of values or a value interpolated between two existing values in the table of values would be calculated. This read out or interpolated value would then - depending on the reference variable of the value - be multiplied by the actual speed or the actual motor current. In this way, an additional effect can be generated, namely that the electric motor becomes a sensor for volume flow, mass flow and / or pressure increase.
In einer Weiterbildung kann ein anderer Zusatzeffekt erzeugt werden, indem ein oder mehrere während des Verfahrens gewonnene Werte an einen Benutzer oder ein übergeordnetes System weitergegeben werden. So kann dem Benutzer/übergeordneten System beispielsweise ausgegeben werden, wie hoch die aktuelle maximale Drehzahl ist. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms, eines Massenstroms und/oder einer Druckerhöhung verwendet wird, können diese Ergebnisse ebenso an den Benutzer/übergeordneten System ausgegeben werden. Auf welche Weise diese Werte ausgegeben werden, hängt von dem jeweiligen Anwendungsfall ab. Denkbar wäre, dass die das Verfahren abarbeitende Vorrichtung, beispielsweise ein Mikroprozessor, mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist und dass die Werte auf dieser Anzeigevorrichtung dargestellt werden oder dort darstellbar sind. Denkbar ist jedoch auch, dass eine Kommunikationseinheit vorhanden ist, über die die gewonnenen Werte ausgegeben werden. Die Kommunikationseinheit kann dabei auf verschiedenste Weise ausgebildet sein und es können verschiedenste Kommunikationsstandards und -technologien für eine Datenübertragung von und zu dieser Kommunikationseinheit eingesetzt werden. Digitale Übertragungstechniken können ebenso genutzt werden wie analoge. Die Übertragung kann drahtgebunden oder drahtlos erfolgen. Es lassen sich parallele oder serielle Übertragungsschnittstellen nutzen. Die Übertragung kann paketiert oder in Direktverbindungen erfolgen. Lediglich beispielhaft, jedoch nicht auf diese beschränkt, sei auf die Verwendung von Bluetooth, Bluetooth LE (Low Energy), NFC (Near Field Communication), Ethernet, RS485, Modbus, Profibus, CAN-Bus oder USB (Universal Serial Bus) verwiesen. Dabei stellt die Kommunikationseinheit besonders bevorzugter Weise eine Verbindung zu einem Industrie 4.0 Umfelds zur Verfügung.In a further development, another additional effect can be generated in that one or more values obtained during the method are passed on to a user or a higher-level system. For example, the user / higher-level system can be shown how high the current maximum speed is. If the method according to the invention is used to determine a volume flow, a mass flow and / or a pressure increase, these results can also be output to the user / higher-level system. The way in which these values are output depends on the particular application. It would be conceivable that the device executing the method, for example a microprocessor, is connected to a display device and that the values are displayed on this display device or can be displayed there. However, it is also conceivable that there is a communication unit via which the values obtained are output. The communication unit can be designed in the most varied of ways and the most varied of communication standards and technologies can be used for data transmission from and to this communication unit. Digital transmission technologies can be used as well as analog ones. The Transmission can be wired or wireless. Parallel or serial transmission interfaces can be used. The transmission can take place in packets or in direct connections. Merely by way of example, but not limited to these, reference is made to the use of Bluetooth, Bluetooth LE (Low Energy), NFC (Near Field Communication), Ethernet, RS485, Modbus, Profibus, CAN bus or USB (Universal Serial Bus). The communication unit particularly preferably provides a connection to an Industry 4.0 environment.
Die Kennlinie, die eine Abhängigkeit von einer maximalen Stromstärke und einer maximalen Drehzahl angibt, kann auf verschiedenste Weise gewonnen werden. In einer Ausgestaltung wird der Elektromotor, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird, in einem Prüfstand vermessen. Dies kann beispielsweise im Rahmen einer Endprüfung des Elektromotors nach dessen Fertigung erfolgen. Da Elektromotoren meist ohnehin einer Endprüfung unterzogen werden, kann die Kennlinie damit ohne allzu großem Zusatzaufwand ermittelt werden. Da sich gleiche Modelle eines Elektromotors hinsichtlich ihres Verhaltens sehr stark ähneln, ist auch denkbar, dass ein Elektromotor gleichen Typs vermessen wird und diese Kennlinie dann auf weitere produzierte Elektromotoren gleichen Typs verteilt wird. Sofern es bei den Berechnungen auf eine besondere Präzision ankommt, kann die Kennlinie in einer Weiterbildung während einer Inbetriebnahme des Elektromotors in einer Anlage, d.h. in seiner späteren Einbauumgebung, ermittelt werden. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass Einflüsse der Einbauumgebung unmittelbar in die Kennlinie einfließen.The characteristic curve, which indicates a dependency on a maximum current intensity and a maximum speed, can be obtained in the most varied of ways. In one embodiment, the electric motor in which the method according to the invention is carried out is measured in a test stand. This can be done, for example, as part of a final test of the electric motor after its manufacture. Since electric motors are usually subjected to a final test anyway, the characteristic curve can be determined without too much additional effort. Since identical models of an electric motor are very similar in terms of their behavior, it is also conceivable that an electric motor of the same type is measured and this characteristic curve is then distributed to other produced electric motors of the same type. If particular precision is required in the calculations, the characteristic curve can be used in a further development during commissioning of the electric motor in a system, i.e. in its later installation environment. This configuration offers the advantage that influences of the installation environment flow directly into the characteristic curve.
Bei Ermitteln der Kennlinie kann in den Elektromotor ein maximal zulässiger Motorstrom (und damit ein maximal mögliches Antriebsmoment) eingeprägt werden und das Lastmoment stufenweise bis zu einem Maximalwert erhöht werden. Wenn der Elektromotor Teil eines Ventilators ist und dessen Laufrad antreibt, kann dies dadurch erreicht werden, indem ein Strömungswiderstand für einen durch den Ventilator beförderten Luftstrom stufenweise erhöht wird, sodass sich ein stufenweise steigender Druck ergibt.When the characteristic curve is determined, a maximum permissible motor current (and thus a maximum possible drive torque) can be impressed on the electric motor and the load torque can be increased in stages up to a maximum value. If the electric motor is part of a fan and drives its impeller, this can be achieved in that a flow resistance for an air flow conveyed by the fan is increased in stages, so that the pressure increases in stages.
Prinzipiell kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich eine Kennlinie genutzt werden. Dies ist insbesondere dann besonders einfach möglich, wenn der Ist-Motorstrom und/oder die Ist-Drehzahl relativ präzise ermittelt werden kann. Es ist jedoch auch denkbar, die Kennlinie als Kennlinienfeld zur Verfügung zu stellen, wobei das Kennlinienfeld aus mehreren Einzelkennlinien besteht. Dabei werden vorzugsweise zwischen 5 und 50 Einzelkennlinien, ganz bevorzugter Weise zwischen 10 und 20 Einzelkennlinien genutzt. Bei Ermitteln der maximalen Drehzahl kann dann das Kennlinienfeld genutzt werden. Die Anwendung eines Kennlinienfeldes ist insbesondere dann empfehlenswert, wenn aufgrund der Charakteristik des Ventilators, der Anlage oder der Messeinrichtung Abweichungen von der Maximalkennlinie bei geringeren Drehzahlen oder Motorströmen vorhanden sind. Die Anwendung eines Kennlinienfeldes erhöht die Genauigkeit. Im Anwendungsfall wird die maximale Leistung eines Ventilators häufig nicht ausgenutzt. Für bessere Genauigkeit in solchen Fällen kann ein Kennlinienfeld Verbesserungen erzielen.In principle, only one characteristic curve can be used in the method according to the invention. This is particularly easy if the actual motor current and / or the actual speed can be determined relatively precisely. However, it is also conceivable to make the characteristic curve available as a characteristic curve field, the characteristic curve field consisting of several individual characteristic curves. In this case, between 5 and 50 individual characteristic curves, very preferably between 10 and 20 individual characteristic curves, are used. The family of characteristics can then be used when determining the maximum speed. The use of a family of characteristics is particularly recommended if, due to the characteristics of the fan, the system or the measuring device, there are deviations from the maximum characteristic at lower speeds or motor currents. The use of a family of characteristics increases the accuracy. In the application, the maximum power of a fan is often not used. For better accuracy in such cases, a family of characteristics can achieve improvements.
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung ist für das Regeln eines Elektromotors, insbesondere eines elektronisch kommutierten Motors, ausgebildet, der während seines Betriebs mit einem Lastmoment belastet ist. Dabei ist die Regeleinrichtung vorzugsweise zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung umfasst einen Drehzahlregler, einen Sollwerteingang, einen Stromeingang, einen Drehzahleingang, einen Speicher mit einer Kennlinie, eine Berechnungseinheit und eine Skalierungseinheit. Der Sollwerteingang ist zum Eingeben eines Sollwerts ausgebildet. Der Stromeingang ist zum Eingeben eines Ist-Motorstroms ausgebildet, der bei dem Lastmoment fließt. Der Drehzahleingang ist zum Eingeben einer Ist-Drehzahl des Elektromotors ausgebildet, mit der sich ein Rotor des Elektromotors dreht. Der Speicher speichert eine Kennlinie, die eine Abhängigkeit zwischen einer maximalen Stromstärke und einer maximalen Drehzahl angibt. Die Berechnungseinheit ist dazu ausgebildet, basierend auf dem Ist-Motorstrom, der Ist-Drehzahl und der Kennlinie eine maximale Drehzahl zu ermitteln. Die Skalierungseinheit ist dazu ausgebildet, basierend auf der maximalen Drehzahl den in den Sollwerteingang eingegebenen Sollwert zu skalieren und als skalierten Sollwert an den Drehzahlregler auszugeben.The control device according to the invention is designed for controlling an electric motor, in particular an electronically commutated motor, which is loaded with a load torque during its operation. The control device is preferably suitable for carrying out a method according to the invention. The control device according to the invention comprises a speed controller, a setpoint input, a current input, a speed input, a memory with a characteristic curve, a calculation unit and a scaling unit. The setpoint input is designed for entering a setpoint. The current input is designed to input an actual motor current that flows at the load torque. The speed input is designed to input an actual speed of the electric motor at which a rotor of the electric motor rotates. The memory stores a characteristic curve which indicates a relationship between a maximum current intensity and a maximum speed. The calculation unit is designed to determine a maximum speed based on the actual motor current, the actual speed and the characteristic curve. The scaling unit is designed to scale the setpoint entered in the setpoint input based on the maximum speed and to output it to the speed controller as a scaled setpoint.
Die Regeleinrichtung kann dabei auf verschiedenste Weise implementiert sein. Die Funktionen können als Software, als Hardware oder als Kombination von Soft- und Hardware implementiert sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Regeleinrichtung in einem geeignet programmierten Mikroprozessor mit zugehörigen Eingabeschnittstellen implementiert.The control device can be implemented in the most varied of ways. The functions can be implemented as software, as hardware or as a combination of software and hardware. In a preferred embodiment, the control device is implemented in a suitably programmed microprocessor with associated input interfaces.
Auch der Speicher kann auf verschiedenste Weise implementiert sein. Vorzugsweise ist der Speicher jedoch als nichtflüchtiger Speicher ausgebildet. Ein derartiger nichtflüchtiger Speicher kann beispielsweise ein EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory), ein Flash-Speicher, ein NVRAM (Non-volatile Random Access Memory) oder ein anderer Halbleiterspeicher sein.The memory can also be implemented in the most varied of ways. However, the memory is preferably designed as a non-volatile memory. Such a non-volatile memory can be, for example, an EEPROM (Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory), a flash memory, an NVRAM (Non-volatile Random Access Memory) or another semiconductor memory.
Der Drehzahlregler kann ebenso verschiedentlich implementiert sein. Wichtig ist, dass der Drehzahlregler derart auf den Elektromotor einwirkt, dass dessen Drehzahl möglichst nahe an einen eingegebenen Sollwert heranführt. Wie der Regler im Detail aufgebaut ist, hängt von dem erwarteten Regelverhalten ab. Entsprechend geeignete Ansätze sind aus der Praxis bekannt.The speed controller can also be implemented in various ways. It is important that the speed controller acts on the electric motor in such a way that its speed comes as close as possible to an entered setpoint. How the controller is structured in detail depends on the expected control behavior. Appropriate approaches are known from practice.
Zur Vermeidung oder zur Reduzierung von unerwünschten Schwankungen bei der skalierten Drehzahl über einen Zeitverlauf kann in einer Weiterbildung zwischen der Berechnungseinheit und der Skalierungseinheit eine Glättungseinheit zum Glätten von Schwankungen über einen Zeitverlauf eingekoppelt sein. Ein durch die Berechnungseinheit berechneter Wert für eine maximale Drehzahl würde dann in diese Glättungseinheit eingegeben. Die Glättungseinheit würde den eingegebenen Wert der maximalen Drehzahl über die Zeit glätten und den geglätteten Wert der maximalen Drehzahl an den Drehzahlregler ausgeben. Dabei kann die Glättungseinheit als Integrator ausgebildet sein.To avoid or reduce undesirable fluctuations in the scaled speed over time, a smoothing unit for smoothing fluctuations over time can be coupled in between the calculation unit and the scaling unit. A value calculated by the calculation unit for a maximum speed would then be entered in this smoothing unit. The smoothing unit would smooth the entered value of the maximum speed over time and output the smoothed value of the maximum speed to the speed controller. The smoothing unit can be designed as an integrator.
Prinzipiell kann der Drehzahlregler eine Stellgröße unmittelbar an eine Motorelektronik ausgeben, die dann basierend auf dieser Stellgröße Steuersignale für den Elektromotor erzeugt und ausgibt. In einer bevorzugten Weiterbildung wird die durch den Drehzahlregler ausgegebene Stellgröße jedoch einer untergeordneten Regeleinrichtung eingegeben, wobei die untergeordnete Regeleinrichtung vorzugsweise eine Drehmomentregelung des Elektromotors durchführt. Auf diese Weise kann eine noch gezieltere Regelung des Elektromotors erfolgen.In principle, the speed controller can output a manipulated variable directly to engine electronics, which then generate and output control signals for the electric motor based on this manipulated variable. In a preferred development, however, the manipulated variable output by the speed controller is input to a subordinate control device, the subordinate control device preferably performing a torque control of the electric motor. In this way, the electric motor can be regulated even more specifically.
Generell können die Eingänge der Regeleinrichtung, d.h. insbesondere der Sollwerteingang, der Stromeingang und/oder der Drehzahleingang, verschiedentlich ausgebildet sein. So ist es denkbar, dass die Eingänge durch Speicherzellen eines Speichers gebildet sind, in die eine „externe“ Einheit die jeweils einzugebenden Werte ablegt und aus denen die Regeleinrichtung diese Werte ausließt. Die Eingänge können auch durch (parallele oder serielle) Busleitungen gebildet sein, in die die jeweiligen Werte mittels Logikpegel eingegeben werden. Die einzelnen Eingänge können auch verschiedentlich ausgebildet sein. Bei dem Sollwerteingang kann der Sollwert als eine analoge Spannung eingegeben werden, die einen Wert zwischen einer minimalen Spannung und einer maximalen Spannung annimmt. Im Bereich der Regelung von Elektromotoren hat sich eine Spannung zwischen 0 Volt und 10 Volt zur Sollwerteingabe etabliert. Daher ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Sollwerteingang dazu ausgebildet, dass ein Sollwert durch ein derartiges Steuersignal eingegeben werden kann. Dabei kann das Steuersignal einen prozentualen Anteil der maximalen Drehzahl angeben. So würde beispielsweise eine Spannung von 8,5 Volt einem Sollwert von 85% der ermittelten maximalen Drehzahl entsprechen.In general, the inputs of the control device, i.e. in particular the setpoint input, the current input and / or the speed input can be designed differently. It is conceivable that the inputs are formed by memory cells of a memory, in which an “external” unit stores the values to be entered and from which the control device reads these values. The inputs can also be formed by (parallel or serial) bus lines into which the respective values are entered using logic levels. The individual inputs can also be designed differently. At the setpoint input, the setpoint can be entered as an analog voltage that assumes a value between a minimum voltage and a maximum voltage. In the field of regulating electric motors, a voltage between 0 volts and 10 volts has become established for entering setpoints. Therefore, in a preferred embodiment, the setpoint input is designed so that a setpoint can be input by means of such a control signal. The control signal can indicate a percentage of the maximum speed. For example, a voltage of 8.5 volts would correspond to a target value of 85% of the determined maximum speed.
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung kann zusammen mit einem Elektromotor oder einem Ventilator ein erfindungsgemäßes System bilden. Bei einem System mit einem Ventilator würde der Elektromotor ein Laufrad des Ventilators antreiben, wobei die Regeleinrichtung den Elektromotor regelt. In beiden Fällen kann der Elektromotor als elektronisch kommutierter Elektromotor ausgebildet sein und damit eine Motorelektronik umfassen. In diesem Fall kann die Regeleinrichtung in der Motorelektronik implementiert sein.The control device according to the invention can form a system according to the invention together with an electric motor or a fan. In a system with a fan, the electric motor would drive an impeller of the fan, the control device regulating the electric motor. In both cases, the electric motor can be designed as an electronically commutated electric motor and thus include motor electronics. In this case, the control device can be implemented in the engine electronics.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den nebengeordneten Ansprüchen nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
-
1 ein Blockdiagramm einer Drehmomentregelung gemäß Stand der Technik, -
2 eine Tabelle mit Kenndaten eines aus dem Stand der Technik bekannten Ventilators, -
3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems mit einer Drehzahlregelung mit adaptivem Sollwertbereich und -
4 ein Flussdiagramm für ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Bestimmung eines Volumenstroms und/ oder einer Druckerhöhung.
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1 a block diagram of a torque control according to the prior art, -
2 a table with characteristics of a fan known from the prior art, -
3 a block diagram of an embodiment of a system according to the invention with a speed control with an adaptive setpoint range and -
4th a flowchart for a second embodiment of a method according to the invention with a determination of a volume flow and / or a pressure increase.
Wenn der Elektromotor das Laufrad eines Ventilators antreibt und die durch den Ventilator bewegte Luft in einer Anlage, in die der Ventilator eingebaut ist, einen Strömungswiderstand erfährt, stellt sich mit einer derartigen Regeleinrichtung automatisch eine Drehzahl entsprechend der Anlagenwiderstände und der Stromvorgabe über das Steuersignal ein und in der Einbauumgebung erreicht man das Ziel, dass das Steuersignal 0-10V dem Bereich von 0 bis Maximaldrehzahl entspricht.When the electric motor drives the impeller of a fan and the air moved by the fan experiences a flow resistance in a system in which the fan is installed, such a control device automatically sets a speed according to the system resistances and the current specification via the control signal and In the installation environment, the goal is achieved that the control signal 0-10V corresponds to the range from 0 to maximum speed.
In
Diese Werte der Kenngröße lmax/nmax 2 samt zugehöriger Drehzahl- und Motorstromwerte können als Look-up-Tabelle in dem Speicher abgelegt werden und eine Kennlinie im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden. Die Kenngröße ist dabei für einen stabilen Arbeitspunkt kontant. Durch den quadratischen Zusammenhang zwischen Strom und Drehzahl bei einem Ventilator, können aus den Maximalwerten (max. möglicher Betriebspunkt) entsprechende Maximaldrehzahlen für andere Betriebspunkte errechnet werden.These values of the parameter l max / n max 2 together with the associated speed and motor current values can be stored as a look-up table in the memory and form a characteristic curve in the sense of the method according to the invention. The parameter is constant for a stable operating point. Due to the quadratic relationship between current and speed in a fan, corresponding maximum speeds for other operating points can be calculated from the maximum values (max. Possible operating point).
Da die Look-up-Tabelle nur vergleichsweise wenige Werte enthalten wird, kann eine Interpolation genutzt werden. Mit dem Istwert der Kenngröße l/n2 sucht man den nächst größeren und kleineren Wert der Kenngröße l/n2 in der Wertetabelle. Angenommen der aktuelle Wert der Kenngröße l/n2 sei 2,26 E-07. Damit liegt dieser aktuelle Wert zwischen Tabelleneintrag
Dieser Faktor liegt im Bereich von 0 bis 1. In diesem Fall ist zu beachten, dass sich die Kenngröße l/n2 gegenläufig zur Maximaldrehzahl verhält, was bei der Berechnung von F bereits berücksichtigt ist. Mit diesem Faktor F kann danach zwischen den Drehzahlen wie folgt interpoliert werden:
Mit dem Beispielwert 2,26 E-07 erhält man einen Faktor F = 0,4, welcher eine nmax-Referenz von 1775 1/min ergibt.With the example value 2.26 E-07 a factor F = 0.4 is obtained, which results in an nmax reference of 1775 rpm.
Ein durch die Maximalwertermittlung
Bei der Abarbeitung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nach der Ermittlung des Ist-Motorstroms list und der Ist-Drehzahl nist eine aktuelle Kenngröße list/nist 2 aus dem erfassten Ist-Motorstrom list und der erfassten Ist-Drehzahl nist berechnet. Aus dieser Kenngröße wird mittels Interpolation aus der Kennlinie ein nmax-Referenzwert für die maximale Drehzahl des aktuellen Arbeitspunkt des Ventilators ermittelt. Dieser nmax-Referenzwert kann mittels eines Integrators geglättet werden, um zeitliche Schwankungen ausgleichen zu können. Dieser (eventuell geglättete) Wert für die maximale Drehzahl nmax wird in der Skalierungseinheit
Das hier aufgezeigte Ausführungsbeispiel nutzt die Kenntnis über den Arbeitspunkt für die Ermittlung der zulässigen maximalen Drehzahl nmax für den Arbeitspunkt. Der Hintergrund hierfür ist, dass man bei einem elektronisch kommutierten Motor (EC-Motor) nur ein gewisses Maximal-Moment zur Verfügung hat. Bei geringen Drücken d.h. hohen Volumenströmen muss man die Drehzahl niedriger einstellen als bei hohen Drücken und niedrigen Volumenströmen, da man sonst den Lüfter überlastet bzw. dauerhaft in einer Begrenzung betreibt, was sich negativ auf das Regelverhalten auswirkt. Das Verfahren dient in diesem Ausführungsbeispiel dazu, das Regelverhalten in jedem Arbeitspunkt ideal zu gestalten und dabei immer den größten möglichen Volumenstrom im jeweiligen Arbeitspunkt zu erzielen.The exemplary embodiment shown here uses the knowledge of the operating point to determine the maximum permissible speed nmax for the operating point. The reason for this is that an electronically commutated motor (EC motor) only has a certain maximum torque available. At low pressures i.e. For high volume flows, the speed must be set lower than for high pressures and low volume flows, as otherwise the fan will be overloaded or permanently operated within a limit, which has a negative effect on the control behavior. In this exemplary embodiment, the method is used to ideally design the control behavior at each operating point and always achieve the greatest possible volume flow at the respective operating point.
Bei einem EC-Motor aktueller Bauart ist eine Antriebseinheit (Leistungselektronik) in einem permanent-erregten Synchronmotor (PMSM) integriert. Im Kern arbeitet die Motorregelung mit einer feldorientierten Stromregelung. Für diese Art der Motorregelung müssen die genauen Motorströme und die Position des Rotors und damit auch die Drehzahl bekannt sein. Diese beiden Werte können zur Bestimmung des Arbeitspunktes durch das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden.In an EC motor of the current type, a drive unit (power electronics) is integrated in a permanently excited synchronous motor (PMSM). In essence, the motor control works with a field-oriented current control. For this type of motor control, the exact motor currents and the position of the rotor and thus also the speed must be known. These two values can be used to determine the operating point by the method according to the invention.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.With regard to further advantageous refinements, to avoid repetition, reference is made to the general part of the description and to the appended claims.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.Finally, it should be expressly pointed out that the exemplary embodiments described above only serve to explain the teaching claimed, but do not restrict them to the exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- AA.
- DrehmomentregelungTorque control
- BB.
- LeistungselektronikPower electronics
- CC.
- SummiergliedSumming element
- DD.
- Sollwertvorgabe Setpoint specification
- MM.
- Motor engine
- 11
- RegeleinrichtungControl device
- 22
- DrehzahlreglerSpeed controller
- 33
- SollwerteingangSetpoint input
- 44th
- StromeingangPower input
- 55
- DrehzahleingangSpeed input
- 66th
- MaximaldrehzahlermittlungMaximum speed determination
- 77th
- SkalierungseinheitScaling unit
- 88th
- DrehmomentregelungTorque control
- 99
- SummiergliedSumming element
- 1010
- Schrittstep
- 1111
- Schrittstep
- 1212
- Schrittstep
- 1313
- Schrittstep
- 1414th
- Schrittstep
Claims (18)
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