DE102019204934B4 - Method for controlling an electric motor, control device and corresponding systems - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Regeln eines Elektromotors, insbesondere eines elektronisch kommutierten Elektromotors, wobei eine Drehzahl (n) des Elektromotors (M) mittels eines Drehzahlregler (2) auf eine Solldrehzahl geregelt wird, wobei die Solldrehzahl durch einen Sollwert vorgegeben wird, wobei der Elektromotor (M) während seines Betriebs mit einem Lastmoment (ML) belastet wird, umfassend die Schritte:Erfassen eines Ist-Motorstroms (Iist), der bei dem Lastmoment (ML) fließt,Erfassen einer Ist-Drehzahl (nist), mit der sich ein Rotor des Elektromotors (M) dreht,Berechnen einer Kenngröße basierend auf dem Ist-Motorstrom (Iist) und der Ist-Drehzahl (nist), 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), dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße als Quotient aus der Ist-Stromstärke (Iist) und dem Quadrat der Ist-Drehzahl (nist) berechnet wird.Method for controlling an electric motor, in particular an electronically commutated electric motor, in which a speed (n) of the electric motor (M) is controlled to a desired speed by means of a speed controller (2), the desired speed being specified by a desired value, the electric motor (M) is loaded with a load moment (ML) during its operation, comprising the steps:detecting an actual motor current (Iact) which flows at the load moment (ML),detecting an actual speed (nact) at which a rotor of the electric motor is rotating (M) rotates,calculating a parameter based on the actual motor current (Iact) and the actual speed (nact), 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, the characteristic indicating a dependence on a maximum current (Imax) and a maximum speed (nmax), generating a scaled setpoint by scaling the Setpoint based on the maximum speed (nmax) and inputs of the scaled setpoint into the speed controller (2), characterized in that the parameter is calculated as the quotient of the actual current (Iact) and the square of the actual speed (nact).
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 made up of such a control device and an electric motor, and a system made up of 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 operation. This drive torque is usually counteracted by a load torque, with the load torque and drive torque being directed in opposite directions. If the drive torque is greater than the load torque, the electric motor will accelerate. 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 there is a stable operating point. 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 moment is caused by the impeller and the gaseous medium - usually air - moved by the impeller. The ventilator 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 increase in pressure results in a volume flow of the gaseous medium moved by the fan. A mutual dependency of volume flow and pressure increase occurs, which can be described in a fan characteristic curve (also referred to as fan characteristic curve and also referred to below as pressure characteristic curve). The fan characteristic is specified in data sheets and measured by a fan manufacturer 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. When a fan is installed in a system or 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 curve with the system/device characteristic curve. If there is a system/device with a high flow resistance, the system/device characteristic 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 low flow resistance, the system/device characteristic curve is flatter. At the operating point, the fan creates a pressure increase that exactly 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 specific drive torque and - because of the proportionality between drive torque and motor current - at a specific motor current, different speeds are set. Thus, in different situations in which the fan is used, depending on the flow resistance of the system in which the fan is installed, a pressure is set that determines the speed. 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. This means that the maximum possible speed for a specific fan or, more generally, for a specific electric motor cannot be determined without knowledge of the current application situation. However, parameters of this installation situation can only be determined with considerable effort, for example by using pressure sensors to determine 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 controlling the speed of a motor or a fan, it is common to assign a control signal (for example a voltage between 0 volts and 10 volts) specifying the speed setpoint 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 value. If the setpoint specification is scaled to the lowest possible maximum speed, a large part of the possible working range would not be used in most installation situations, since the electric motor then - regardless of the actual installation situation - cannot be regulated 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 engineering 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 resistance 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.
Eine derartige Drehmomentregelung kann beispielsweise der
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, doing without speed control leads to a number of 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 - "follows". In addition, many engine properties are based on speed values, such as step operation or the hiding of certain speeds to avoid resonances. In addition, instabilities can occur in combination with upstream process controls due to the lack of speed control. This list of potential disadvantages, which is a non-exhaustive example, shows that speed control would be preferable to pure torque control.
Des Weiteren sind in dem Dokument
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,
- detecting an actual motor current flowing at the load torque,
- detecting 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 characteristic 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
- Entering the scaled setpoint in the speed controller,
Hinsichtlich einer Regeleinrichtung ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale das Anspruchs 11 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 Quotienten aus dem Ist-Motorstrom und dem Quadrat der Ist-Drehzahl eine Kennzahl zu berechnen und basierend auf der Kennzahl 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 inputting an actual motor current that flows into the electric motor at the load moment,
- a speed input for inputting an actual speed of the electric motor, at which a rotor of the electric motor rotates,
- a memory with a characteristic that indicates a relationship between a maximum current and a maximum speed,
- a calculation unit which is designed to calculate an index based on the quotient of the actual motor current and the square of the actual speed and to determine a maximum speed based on the index and the characteristic curve, and
- a scaling unit that scales the setpoint based on the maximum speed and outputs it to the speed controller as a scaled setpoint.
Hinsichtlich der Systeme ist die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Ansprüche 15 und 17 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
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 has first been recognized that a parameter that is representative of an operating point of the electric motor in the current operating situation can be determined based on an actual motor current and an actual speed. This parameter can in turn be used to determine a characteristic curve that indicates a relationship between a maximum current 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 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.In order to use this knowledge, in the method according to the invention, an actual motor current is first detected, which flows during operation of the electric motor when loaded with a load torque. Furthermore, an actual speed is recorded, with which a rotor of the electric motor rotates under the load of the load moment. Based on this actual motor current and this actual speed, a parameter that is representative of the current operating point of the electric motor is calculated in a next step. As explained above, the operating point is dependent on the actual motor current flowing or the drive torque generated thereby and the load torque. In a further step, a maximum speed is determined based on the parameter using a characteristic curve that indicates a relationship between a maximum current intensity and a maximum speed. Finally, the maximum speed is used to generate a scaled setpoint. This scaled setpoint is finally entered into the speed controller. In this way, the setpoint value that was originally entered can be defined completely independently of the actual operating situation of the electric motor. In general, for example, a value between 0 and 100% can be specified. The speed that this ultimately corresponds to is determined by the scaling to the maximum speed. In this way, the speed controller is always subjected to a setpoint that lies between a minimum speed value and the maximum speed value. As a result, the value range 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. Erfindungsgemäßer Weise 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 a wide variety 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, which occurs when the load torque is applied. According to the invention, the parameter is calculated as the quotient of the actual current and the square of the actual speed. This choice allows a particularly favorable parameter to be obtained, particularly in the case of an electric motor which 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 a wide variety of ways. As long as the rotor of the electric motor is loaded in a defined manner by the load moment, the prerequisites for using the method according to the invention are in principle met. In a preferred embodiment, however, the load moment is generated by an impeller of a fan, with the electric motor driving this impeller. Since the impeller will move an air flow, a load torque that depends on the speed is generated. In this case, the load moment is preferably influenced by a flow resistance which opposes an air flow moved through the impeller. The higher the flow resistance, the higher the load moment.
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 basically irrelevant how the fan is constructed. The validity of the method according to the invention could be proven 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 used to calculate the maximum speed can be defined in a variety of ways. For example, the characteristic curve can be defined via a mathematical relationship in the form of a formula, which means that relatively any 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 complex 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 value is preferably scaled to a range between a minimum speed and the maximum speed. The minimum speed is particularly preferably equal to zero revolutions per minute. In principle, it is irrelevant how the entered setpoint is scaled. Ultimately, relatively any behavior can be mapped via scaling. Scaling with an exponential relationship is just as conceivable as quadratic or polynomial relationships. However, an essentially linear scaling is preferably carried out, i.e. a range of the input reference value is mapped to a range of the scaled reference value by means of a linear relationship. It is also conceivable that speeds to be omitted are also taken into account in the setpoint scaling, so that when an impermissible setpoint speed is entered, a scaled speed is output which is a differential value Δn above or below the entered speed value, with Δn indicating a small speed difference and preferably based on the gap to be left out and/or the maximum speed. Thus, in a preferred embodiment, Δn is at most 10% of the maximum speed, particularly preferably at most 5% of the maximum speed and very particularly preferably at most 1% of the maximum speed. However, it should be ensured that the shifted scaled setpoint is outside of 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 a wide variety of ways. It is thus conceivable that a dedicated current sensor is present for determining the actual motor current, which current values are recorded and made available—preferably in digitized form—for further processing in the method according to the invention. A dedicated speed sensor, which detects the speed of the rotor or of an element connected to the rotor, can be provided to determine the actual speed. Corresponding current or speed sensors are well known from practice. In the case of electronically commutated motors in particular, however, motor electronics are present which already contain information about the actual motor current and the actual speed. In a preferred development, the step of determining an actual motor current includes the step of querying this value from the motor electronics of the electric motor and the step of determining the actual speed includes a step of querying 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 can be found in a pressure characteristic of the fan, a volume flow and/or an increase in pressure 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 different ways. Since the pressure characteristic is usually a relationship that is complicated to describe, the pressure characteristic is preferably stored in the form of a value table (look-up table). A volumetric flow and/or a mass flow and/or a pressure increase based on 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 current. In order to determine the volumetric flow, the mass flow and/or the pressure difference, a value would then be read from the value table or entered calculated an interpolated value between two existing values in the value table. This read out or interpolated value would then - depending on the reference value of the value - be multiplied by the actual speed or the actual motor current. In this way, an additional effect can be created, 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 development, another additional effect can be generated by passing on one or more values obtained during the method to a user or a higher-level system. For example, the user/higher-level system can be informed of the current maximum speed. 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/superordinate system. How these values are output depends on the respective application. It would be conceivable that the device processing 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 a communication unit is present via which the values obtained are output. The communication unit can be designed in a wide variety of ways and a wide variety of communication standards and technologies can be used for data transmission from and to this communication unit. Digital transmission techniques can be used as well as analogue ones. 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. The use of Bluetooth, Bluetooth LE (Low Energy), NFC (Near Field Communication), Ethernet, RS485, Modbus, Profibus, CAN bus or USB (Universal Serial Bus) is referred to purely by way of example, but not limited to these. In this case, 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 a wide variety 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 inspection of the electric motor after it has been manufactured. Since electric motors are usually subjected to a final test anyway, the characteristic curve can be determined without too much additional effort. Since the same 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 electric motors of the same type that have been produced. If the calculations require particular precision, the characteristic curve can be determined in a further development during commissioning of the electric motor in a system, i.e. in its subsequent installation environment. This configuration offers the advantage that influences from 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 determining the characteristic curve, a maximum permissible motor current (and thus a maximum possible drive torque) can be impressed into the electric motor and the load torque can be increased in steps up to a maximum value. If the electric motor is part of a fan and drives its impeller, this can be achieved by gradually increasing a flow resistance for an air flow conveyed by the fan, so that there is a gradually increasing pressure.
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 to do when the actual motor current and/or the actual speed can be determined relatively precisely. However, it is also conceivable to make the characteristic available as a family of characteristics, with the family of characteristics consisting of a plurality of individual characteristics. In this case, preferably 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 to determine the maximum speed. The use of a family of characteristic curves is particularly recommended when there are deviations from the maximum characteristic curve at lower speeds or motor currents due to the characteristics of the fan, the system or the measuring device. The use of a family of characteristics increases the accuracy. In the application, the maximum performance of a fan is often not used. For better accuracy in such cases, a map can provide 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 includes a speed controller, a setpoint input, a current input, a speed input, a memory with a characteristic curve, and 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 moment. The speed input is designed to input an actual speed of the electric motor, with which a rotor of the electric motor rotates. The memory stores a characteristic that indicates a relationship between a maximum current 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. The scaling unit is designed to scale the setpoint entered into the setpoint input based on the maximum rotational speed and to output it to the rotational 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 a wide variety 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 many different ways. However, the memory is preferably in the form of 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 is brought as close as possible to an entered desired value. How the controller is structured in detail depends on the expected control behavior. Correspondingly suitable 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.In order to avoid or reduce undesired fluctuations in the scaled rotational speed over a period of time, a smoothing unit for smoothing fluctuations over a period of time can be coupled in between the calculation unit and the scaling unit. A maximum speed value calculated by the calculation unit would then be input into this smoothing unit. The smoothing unit would smooth the input maximum speed value over time and output the smoothed maximum speed value 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 generates and outputs 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, with the subordinate control device preferably controlling the torque of the electric motor. In this way, an even more targeted regulation of the electric motor can take place.
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 in different ways. So 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. With 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 area of controlling 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 such that a setpoint can be entered by 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 single fan system, the electric motor would drive an impeller of the fan, with the controller controlling 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 motor 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
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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 adaptive setpoint range and -
4 a flowchart for a second exemplary 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.If the electric motor drives the impeller of a fan and the air moved by the fan encounters flow resistance in a system in which the fan is installed, such a control device automatically adjusts a speed according to the system resistance and the current specification via the control signal and in the installation environment, the goal is achieved that the 0-10V control signal corresponds to the range from 0 to maximum speed.
In
Diese Werte der Kenngröße Imax/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 I max /n max 2 together with associated speed and motor current values can be stored in the memory as a look-up table and form a characteristic 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 for 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 I/n2 sucht man den nächst größeren und kleineren Wert der Kenngröße I/n2 in der Wertetabelle. Angenommen der aktuelle Wert der Kenngröße I/n2 sei 2,26 E-07. Damit liegt dieser aktuelle Wert zwischen Tabelleneintrag 4 (Bereichsstart) und 5 (Bereichsende), die Maximaldrehzahl entsprechend im Bereich zwischen 1743 und 1823 1/min. Mit diesen Werten kann ein normierender Faktor F errechnet werden:
Dieser Faktor liegt im Bereich von 0 bis 1. In diesem Fall ist zu beachten, dass sich die Kenngröße I/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, you get a factor F = 0.4, which results in an nmax reference of 1775 rpm.
Ein durch die Maximalwertermittlung 6 gewonnener Wert für die maximale Drehzahl nmax wird an die Skalierungseinheit 7 übergeben. Diese nutzt den erhaltenen Wert nmax zur Skalierung eines in den Sollwerteingang 3 eingegebenen Sollwerts. Ein auf diese Weise erzeugter skalierter Sollwert wird an ein Summierglied 9 ausgegeben, das eine Differenz zwischen dem skalierten Sollwert und der Ist-Drehzahl nist ermittelt. Die dadurch ermittelte Differenz wird in den Drehzahlregler als Regeldifferenz eingegeben.A value for the maximum speed nmax obtained by determining the
Bei der Abarbeitung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nach der Ermittlung des Ist-Motorstroms Iist und der Ist-Drehzahl nist eine aktuelle Kenngröße Iist/nist 2 aus dem erfassten Ist-Motorstrom Iist 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 7 dazu genutzt, um die in den Sollwerteingang 3 eingegebene Sollwertvorgabe zu skalieren. Dabei ist die Sollwertvorgabe ein Steuersignal, das eine Spannung zwischen 0 und 10 Volt annehmen kann.When processing the method according to the present embodiment, after determining the actual motor current I act and the actual speed n act , a current parameter I act /n act 2 from the detected actual motor current I act and the detected actual speed n is calculated. An n max reference value for the maximum speed of the current operating point of the fan is determined from this parameter by means of interpolation from the characteristic curve. This n max reference value can be smoothed using an integrator in order to be able to compensate for fluctuations over time. This (possibly smoothed) value for the maximum speed nmax is used in the scaling unit 7 to scale the setpoint input entered into the setpoint input 3 . The setpoint specification is a control signal that can assume a voltage between 0 and 10 volts.
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 working point to determine the permissible maximum speed nmax for the working point. The background to this is that an electronically commutated motor (EC motor) only has a certain maximum torque available. At low pressures, ie high volume flows, the speed must be set lower than at high pressures and low volume flows, otherwise the fan will be overloaded or permanently limited, which has a negative effect on the control behavior. In this exemplary embodiment, the method is used to design the control behavior in an ideal manner at each operating point and to 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 a current EC motor design, a drive unit (power electronics) is integrated in a permanent magnet synchronous motor (PMSM). The core of 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 therefore also the speed must be known. These two values can be used to determine the operating point using 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 configurations, 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 claimed teaching, but do not restrict it to the exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteReference List
- 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
- 44
- Stromeingangpower input
- 55
- Drehzahleingangspeed input
- 66
- MaximaldrehzahlermittlungMaximum speed determination
- 77
- Skalierungseinheitscale unit
- 88th
- Drehmomentregelungtorque control
- 99
- Summiergliedsumming element
- 1010
- SchrittStep
- 1111
- SchrittStep
- 1212
- SchrittStep
- 1313
- SchrittStep
- 1414
- SchrittStep
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