DE102019210279A1

DE102019210279A1 - Verfahren zur sensorlosen Ermittlung einer Lage eines Rotors einer Drehfeldmaschine

Info

Publication number: DE102019210279A1
Application number: DE102019210279.4A
Authority: DE
Inventors: Walter Frölich; Agnes Poks
Original assignee: Ziehl Abegg SE
Current assignee: Ziehl Abegg SE
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sensorlosen Ermittlung einer Lage eines Rotors einer Drehfeldmaschine, insbesondere eines EC-Motors, mit einem System mit zumindest zwei Wicklungssträngen, umfassend die Schrittea) Messen einer Stromantwort, insbesondere der Stromanstiegsgeschwindigkeit, für jeden Wicklungsstrang für zumindest zwei unterschiedliche Raumzeigerstellungen einer elektrischen Größe anhand einer Erregung des jeweiligen Wicklungsstrangs,b) Ermitteln der rotorlageabhängigen verketteten Admittanzen für jeden Wicklungsstrang,c) Ermitteln der unverketteten Strangadmittanzen anhand der verketteten Admittanzen basierend auf einer Netzwerktransformation, undd) Ermitteln von Rotorlageinformationen anhand der ermittelten unverketteten Admittanzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sensorlosen Ermittlung einer Lage eines Rotors einer Drehfeldmaschine, insbesondere eines EC-Motors mit einem System mit zumindest zwei Wicklungssträngen.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur sensorlosen Ermittlung einer Lage eines Rotors einer Drehfeldmaschine, insbesondere eines EC-Motors mit einem System mit zumindest zwei Wicklungssträngen.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Drehfeldmaschinen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung anhand von Drehfeldmaschinen in Form von permanenterregten oder Reluktanz-EC-Motoren erläutert.
Zum Betreiben sogenannter elektronisch kommutierter Motoren ist es erforderlich, die momentane Rotorlage vom Stillstand bis zur Maximaldrehzahl zu erfassen. Dies ist zur zeitlichen Steuerung der Motorströme über eine Motorelektronik erforderlich. Unabhängig von der Art der Kommutierung/Stromsteuerung, blockkommutiert, sinusgesteuert oder raumzeigermoduliert, muss das magnetische Erregerfeld des Stators des Motors so gesteuert sein, dass eine Kraftwirkung auf den Rotor des Motors derart erfolgt, dass ein Drehmoment pro Strom und/oder ein maximaler Wirkungsgrad erzielt wird. Das bedeutet, dass das rotierende Magnetfeld des Stators um einen durch eine Regelelektronik vorgegebenen Winkel, dem des Rotors in Drehrichtung, vorauseilen muss.
Zur Erfassung der Rotorlage ist es bekannt geworden, sogenannte Winkellagegeber einzusetzen, welche fest mit der Rotorachse verbunden bzw. an vorgegebene Stellen am Statorumfang angeordnet sind. Dazu können beispielsweise rotierende Segmentscheiben, Resolver, also elektromagnetische Messumformer zur Wandlung der Winkellage eines Rotors in eine elektrische Größe oder Hallsensoren verwendet werden. Insbesondere Hallsensoren müssen während des Fertigungsprozesses des Motors fest eingebaut und gegebenenfalls justiert bzw. kalibriert werden. Hierdurch entstehen Kosten und zudem durch den Einsatz dieser Komponenten eine Verringerung der Systemzuverlässigkeit.
Zur Verringerung dieses Aufwands sind sogenannte geberlose Rotorlageerfassungen bekannt geworden. Zur Auswertung können insbesondere bei permanenterregten Motoren und auch Reluktanzmotoren magnetische Varianzen mit daraus resultierenden Induktivitätsänderungen herangezogen werden. Beim Reluktanzmotor sind ausgeprägte Polsegmente am Rotor zur gezielten Flussführung vorhanden, die einen deutlichen Induktivitätsunterschied zwischen der d- bzw. q-Achse des Rotors hervorrufen. Bei permanenterregten Motoren, insbesondere bei Motoren mit Oberflächenmagneten, ist ein weniger ausgeprägter d-q Unterschied, hervorgerufen durch den Einfluss des permanenten Rotorflusses auf das Eisen des Stators, vorhanden. In Richtung des Hauptflusses (d-Achse) wird das Stator-Eisen entsprechend der Magnetisierungskennlinie von Eisen stärker gesättigt als in der q-Achse, deren Fluss geringer ist.
Diese Flussunterschiede, die mit der Rotorlage gekoppelt sind, führen wegen der Sättigungseffekte zu unterschiedlichen Induktivitäten in den korrespondierenden Statorspulen. Somit ist es möglich, durch Induktivitätsmessungen in den unterschiedlichen räumlichen Winkeln des Stators, eine Lageabschätzung des Rotors vorzunehmen. Durch die üblicherweise dreisträngige Wicklungsanordnung der EC-Motoren ergeben sich 6 beziehungsweise 12 Winkelschritte durch die Erregung der Statorwicklung (Raumwinkel), die bezüglich ihrer Induktivität ausgewertet werden müssen.
Aus 1 ist ersichtlich, dass an den drei Motorleitungen in jedem der 12 Schaltzustände stets eine Wicklungskombination aus zwei oder drei Wicklungssträngen erfassbar ist. Bei unterschiedlichen Induktivitätseinflüssen durch die Rotorlage ist daher immer nur eine verkettete Induktivität messbar. Zur genaueren Ermittlung der aktuellen Rotorlage mit den flusserzeugenden Permanentmagneten ist eine Impedanz- bzw. Admittanzmessung der einzelnen Wicklungsstränge erforderlich. Hierzu ist es bekannt geworden, den Sternpunkt als Verbindungspunkt der Wicklungsstränge zusätzlich zu den drei Wicklungsanfängen eines dreiphasigen Wicklungssystems auszuführen und mit der Messschaltung zu verbinden. Dies stellt jedoch einen zusätzlichen Aufwand dar, da der Anschluss des Sternpunktes für die Stromversorgung des Motors nicht erforderlich ist.
Weiterhin ist aus der EP 2 026 461 A2 ein Verfahren zur sensorlosen Regelung einer Drehstrommaschine bekannt geworden. Hierbei erfolgt während der Zeit der zur Rotorpositionsauswertung herangezogenen Umrichterschalterstellungen die Stromführung in zwei Phasen und mindestens eine der Phasen ist stromlos. Der Rotor- bzw. Flusswinkel wird anhand von zwei während unterschiedlicher zeitnah hintereinander auftretenden Umrichterschalterstellungen gültigen Spannungsgleichungen, wobei die beiden Umrichterschalterstellungen die gleiche stromlose Phase aufweisen, bestimmt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur sensorlosen Ermittlung einer Lage eines Rotors einer Drehfeldmaschine mit einem System mit zumindest zwei Wicklungssträngen anzugeben, welches einfach und kostengünstig durchzuführen bzw. herstellbar ist und mit einer möglichst geringen Anzahl von Messungen eine zuverlässige Ermittlung der Lage eines Rotors ermöglicht.
In einer Ausführungsform löst die vorliegende Erfindung die vorstehende Aufgabe durch ein Verfahren zur sensorlosen Ermittlung einer Lage eines Rotors einer Drehfeldmaschine, insbesondere eines EC-Motors, mit einem System mit zumindest zwei Wicklungssträngen, umfassend die Schritte

a) Messen einer Stromantwort, insbesondere der Stromanstiegsgeschwindigkeit, für jeden Wicklungsstrang für zumindest zwei unterschiedliche Raumzeigerstellungen einer elektrischen Größe anhand einer Erregung des jeweiligen Wicklungsstrangs,
b) Ermitteln der rotorlageabhängigen verketteten Admittanzen für jeden Wicklungsstrang,
c) Ermitteln der unverketteten Strangadmittanzen anhand der verketteten Admittanzen basierend auf einer Netzwerktransformation, und
d) Ermitteln von Rotorlageinformationen anhand der ermittelten unverketteten Admittanzen.

In einer weiteren Ausführungsform löst die vorliegende Erfindung die vorstehend genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zur sensorlosen Ermittlung einer Lage eines Rotors einer Drehfeldmaschine, insbesondere eines EC-Motors, mit einem System mit zumindest zwei Wicklungssträngen, umfassend eine Messeinrichtung zum Messen einer Stromantwort, insbesondere der Stromanstiegsgeschwindigkeit, für jeden Wicklungsstrang für zumindest zwei unterschiedliche Raumzeigerstellungen einer elektrischen Größe anhand einer Erregung des jeweiligen Wicklungsstrangs, eine Admittanzermittlungseinrichtung zum Ermitteln der rotorlageabhängigen verketteten Admittanzen für jeden Wicklungsstrang, eine Recheneinrichtung zum Ermitteln der unverketteten Strangadmittanzen anhand der verketteten Admittanzen basierend auf einer Netzwerktransformation, und eine Rotorlageeinrichtung zum Ermitteln von Rotorlageinformationen anhand der ermittelten unverketteten Admittanzen.
Mittels einer Netzwerktransformation, welche auf dem Konformitätsprinzip basiert, ist es möglich, die an den Netzwerkenden messbaren Admittanzen zu ermitteln. Anhand der gemessenen Admittanzen können dann die einzelnen Strangadmittanzen ermittelt werden. Sind diese ermittelt, ist dann die Bestimmung der Rotorlage auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise möglich.
Mit anderen Worten ist es möglich, mit möglichst wenigen Messungen an den verketteten Motorwicklungen, beispielsweise mit den Anschlüssen U-V-W bei einem dreisträngigen Motorsystem, auf die Impedanzwerte der einzelnen Motorstränge und über die Impedanzaufteilung der Motorstränge auf die Rotorlage zu schließen. Aufgrund der Lage der räumlichen Admittanz- bzw. Impedanzaufteilung, die beispielsweise einer Ellipse ähnelt, ist es möglich, Hinweise auf Streuungen der Motorparameter zur qualitativen Motorprüfung oder aber auch Hinweise zu möglichen Fehlern während des Betriebes des Motors zu erhalten bzw. zu ermitteln.
Das hier dargestellte Verfahren zur Rotorlageerkennung basiert insbesondere auf einer Stromantwort, die auf unterschiedliche Weise erzeugt wird, wie das Beaufschlagen der Wicklung mit einem hochfrequenten umlaufenden Raumzeiger oder dem Einprägen von Spannungspulsen in die dargestellten Raumzeiger des Stators und deren Erfassung der admittanzabhängigen Stromanstiegsgeschwindigkeit. Die Spannungsimpulse können beispielsweise in Form von Rechteckimpulsen mit vorgegebenem Puls-Pausen-Verhältnis bereitgestellt werden. Hierbei wird die Pulsbreite breit genug gewählt, damit eine auswertbare Stromantwort erhalten wird. Das Puls-Pausen-Verhältnis kann variieren, muss aber bekannt sein. Die Stromerfassung erfolgt hierbei mittels entsprechend angeordneter Messshunts oder einer vergleichbaren elektronischen Schaltung.
Die Stromantworten variieren mit den jeweiligen verketteten lageabhängigen Strangadmittanzen, die zur Ermittlung der Rotor-Lageinformation notwendig sind. Dabei ändern sich die Beträge der Strangadmittanzen analog zur Rotorlage.
Die Extraktion der einzelnen Stranginduktivitäten erfolgt dabei nach einer Netzwerktransformation. Hierbei wird ein Konformitätsprinzip der Netzwerkumwandlung genutzt, demgemäß die an den Netzwerkenden messbaren Admittanzen unabhängig sind von der Art des Netzwerks. Dies gilt insbesondere für die aufgezeigten Schaltzustände des Wicklungssystems gemäß der 1.
Die Erfindung macht sich die durch den permanentmagnetisch erregten Fluss durch die Rotormagnete hervorgerufene Anisotropie, die leicht zu unterschiedlichen Induktivitäten der Statorwicklungen führen, zu Nutze. Diese werden über das Stromanstiegsverhalten bei angelegten Spannungsimpulsen an die verketteten Wicklungsanschlüsse beziehungsweise durch hochfrequente Drehfelder mit geringen Spannungswerten und deren Stromantworten ermittelt. Die Erfassung folgt insbesondere mittels einer in einer elektronischen Schaltung integrierten Strommessung.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbart.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Schritte a)-d) zunächst bei stehendem Rotor durchgeführt. Dies ermöglicht eine besonders einfache und gleichzeitig zuverlässige Ermittlung von Rotorlageinformationen bereits im Stillstand.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird Schritt c) mittels einer Netzwerktransformation in Form einer Dreieck-Stern-Transformation durchgeführt. Dies ermöglicht eine einfache und effiziente Ermittlung der rotorlageabhängigen Strangimpedanz und damit von Rotorlageinformationen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt die Erregung mittels Spannungsimpulsen. Damit kann auf besonders einfache und effiziente Weise eine Erregung des jeweiligen Wicklungsstrangs bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird Schritt b) durchgeführt, in dem wechselweise alle unterschiedlichen Kombinationen von zwei Wicklungssträngen der zumindest zwei Wicklungsstränge in den jeweils zwei Stromrichtungen mit Strom beaufschlagt werden. Damit lassen sich auf besonders einfache Weise durch eine Wicklungskombination aus zwei Wicklungssträngen Schaltzustände bereitstellen, die auf effiziente Weise letztlich eine Ermittlung von Rotorlageinformationen ermöglichen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird Schritt b) durchgeführt, in denen das System mit einer Stromrichtung und mit mehreren Stromrichtungen beaufschlagt wird. Mit anderen Worten werden alle möglichen Schaltzustände des Systems mit zumindest zwei Wicklungssträngen zur Ermittlung der unverketteten Strangadmittanzen genutzt, was die Genauigkeit hinsichtlich der Rotorlageinformationen weiter verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die ermittelten Rotorlageinformationen auf Plausibilität überprüft. Dies steigert die Genauigkeit der ermittelten Rotorlageinformationen. Eine Plausibilitätsprüfung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Summen der in einem Durchlauf gemessenen Ströme und die Summen aller in dem Durchlauf gemessenen Stromanstiegen jeweils den Wert „0“ ergeben müssen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird zum Ermitteln von Rotorlageinformationen die Anfangsrotorlage berücksichtigt. Anhand der Anfangsrotorlage lassen sich Fehler zur Rotorlageerfassung minimieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden die Schritte a)-d) beim Start der Drehfeldmaschine durchgeführt, insbesondere mit einem langsam startenden Drehfeld oder über ein Forced-Position-Verfahren. Bei dem Forced-Position-Verfahren wird in Abhängigkeit der Rotoranfangslage ein Stator-Magnetfeld derart erzeugt, dass es mit dem Magnetfeld des Rotors ausgerichtet ist (Strom in die Richtung der d-Achse des noch stehenden Rotors). Bei einem nunmehr langsam anlaufenden Drehfeld, mit einem für die Anwendung ausreichenden Drehmoment, wird eine „Mitnahme“ des Rotors bewirkt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden anhand der ermittelten Strangadmittanzen Änderungen der Strangadmittanzen und/oder eine mittlere Strangadmittanz ausgewertet. Damit lassen sich beispielsweise Luftspaltvarianzen durch statische oder dynamische Exzentrizitäten oder dergleichen bestimmen, was die Genauigkeit verbessert.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der dazugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Dabei zeigen in schematischer Form

1 diskrete Stromrichtungen eines dreisträngigen Wicklungsystems;
2 eine Dreieck-Stern Wandlung zur Ermittlung von Admittanzen;
3 einen schematischen Ablauf zur Extraktion von rotorlageabhängigen Strangimpedanzen;
4 einen Admittanzverlauf nach Auswertung geradzahliger Raumzeigerbilder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Darstellung eines Raumzeigers für ein dreisträngiges Wicklungssystem bei Strombeaufschlagung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine Darstellung eines Raumzeigers für ein dreisträngiges Wicklungssystem bei Strombeaufschlagung in gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 einen Admittanzverlauf gemäß nach Auswertung geradzahliger Raumzeigerbilder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt diskrete Stromrichtungen eines dreisträngigen Wicklungsystems, 2 eine Dreieck-Stern Wandlung zur Ermittlung von Admittanzen und 3 einen schematischen Ablauf zur Extraktion von rotorlageabhängigen Strangimpedanzen.
Im Detail sind in 1 insgesamt zwölf Schaltzustände Nr. 1-12 gezeigt, wobei die ungeradzahligen Schaltzustände Nr. 1, 3, 5, 7, 9, 11 mit einem Summenstrom beaufschlagt werden, der lediglich eine Komponente aufweist, wohingegen die geradzahligen Schaltzustände Nr. 2, 4, 6, 8, 10 und 12 einen Summenstrom aufweisen, der zwei Komponenten aufweist.
2 zeigt in schematischer Form eine Netzwerktransformation in Form einer Dreieck-Stern-Umwandlung. Hierbei erfolgt die Netzwerkumwandlung anhand folgender Transformationsgesetze: ${\bar{Z}}_{10} = \frac{{\bar{Z}}_{12} \cdot {\bar{Z}}_{13}}{{\bar{Z}}_{123}}$
${\bar{Z}}_{20} = \frac{{\bar{Z}}_{12} \cdot {\bar{Z}}_{23}}{{\bar{Z}}_{123}}$
${\bar{Z}}_{30} = \frac{{\bar{Z}}_{23} \cdot {\bar{Z}}_{13}}{{\bar{Z}}_{123}}$
und dem Umlaufwiderstand: ${\bar{Z}}_{123} = {\bar{Z}}_{12} + {\bar{Z}}_{23} + {\bar{Z}}_{13} .$
Diese Art der Netzwerkwandlung eignet sich vorzugsweise für die in 1 aufgeführten ungeradzahligen Netzwerkschaltungen Nr. 1, 3, 5, 7, 9 und 11, kann aber alternativ oder zusätzlich gleichermaßen für die geradzahligen Schaltzustände Nr. 2, 4, 6, 8, 10 und 12 angewendet werden.
Vorzugsweise wird die Rotorlage in einem ersten Schritt über die ungeradzahligen Schaltzustände Nr. 1, 3, 5, 7, 9 und 11 gemäß 3 ermittelt:

Die Messgrößen Z_uv, Z_vw, Z_uw (3) können unter Äquivalenzbetrachtungen der Netzwerktransformationen gemäß 2 als Dreieckselemente in die zugehörige Sternimpedanz Z_u, Z_v, Z_w umgewandelt werden.

Dieser Schritt ist vorzugsweise zur Ermittlung der d- bzw. q-Achse des Rotors anwendbar. Die Flussrichtung zur Unterscheidung der Nord-Süd-Richtung der Rotormagnete erfordert anschließend durch Testvektoren, welche vorzugsweise in die nicht momentbildende d-Achse eingespeist werden. Als Testvektoren können beispielsweise Rechteckspannungen verwendet werden, die zunächst in positive, danach in negative d-Richtung eingespeist werden.
In einem weiteren Schritt können die geradzahligen Schaltzustände Nr. 2, 4, 6, 8, 10, 12 ausgewertet werden. Der eingespeiste Summenstrom teilt sich dabei in zwei Komponenten auf, die vergleichbar mit dem ersten Schritt mit den ungeradzahligen Schaltzuständen Nr. 1, 3, 5, 7, 9, 11 einer Netzwerktransformation, der Dreieck-Stern-Wandlung gemäß den 2 und 3, unterzogen werden können. Durch Auswertung der gezeigten Schaltzustände gemäß 1 können zwölf räumliche magnetische Flussvektoren bestimmt werden, deren Admittanzwerte je nach Rotorlage unterschiedliche Ausprägungen aufweisen. Ein erwarteter Admittanzverlauf durch Auswertung der geradzahligen Schaltzustände Nr. 2, 4, 6, 8, 10, 12 ist beispielsweise in 4 gezeigt. Weicht der reale Admittanzverlauf, wie beispielsweise in 7 angegeben, vom erwarteten Admittanzverlauf gemäß 4 ab, können anhand der entsprechenden Differenzen Luftspaltvarianzen und Exzentritäten erkannt werden.
Der vorgenannte Ablauf zur Ermittlung der Rotorlage liefert eine Liste der extrahierten Stangadmittanzen. Diese werden erfindungsgemäß einem Plausibilisierungstest unterzogen, um je nach Ruhelage des Rotors und oder system- bzw. umgebungstemperaturabhängigen Fehleinflüssen eine Rotorlage zu prognostizieren. Unabhängig davon, dass unterschiedliche Auswerteverfahren eine mehr oder weniger fehlerbehaftete Rotorlage ermitteln, können Fallunterscheidungen erfolgen, die sich unter anderem aus der Anfangsbedingung des stehenden Rotors ergeben. So kann sich die Rotor-Ruhelage mit einer elektrischen Winkelauflösung in Richtung eines der drei Wicklungsstränge u, v, w oder in der Zwischenstellung zwischen zwei Strängen befinden (wie in 5 und 6 gezeigt wird). Insbesondere durch Berücksichtigung der am besten ausgeprägten Anfangsbedingung kann der Fehler zur Rotorlageerfassung minimiert werden. Unterschiedliche Auswerteverfahren können hierbei beispielsweise durch eine unterschiedliche Reihenfolge der Durchführung der Schaltzustände gemäß 1 bereitgestellt werden. Eine geeignete, ausgeprägte Anfangsbedingung kann beispielsweise dadurch bereitgestellt werden, dass die größte Differenz der ermittelten, verketteten Admittanzen ermittelt wird.
Diese beispielhaften Darstellungen der ersten beiden von 12 möglichen Raumzeigern eines dreisträngigen Wicklungssystems gemäß der 5 und 6 lassen sich in 30° Schritten fortsetzen und beschreiben den Zusammenhang zwischen den Stromrichtungen in den Wicklungssträngen und den daraus resultierenden magnetischen Flussvektoren einer zweipoligen Drehfeldmaschine. In diesem Fall sind elektrischer und mechanischer Winkel des Raumzeigers identisch. Bei einer 10-polige Drehmaschine wird der elektrische Winkel durch die Polpaarzahl 5 dividiert und man erhält somit einen mechanischen Winkelschritt von: 30°/5 => 6° mechanisch.
Der magnetische Flusszeiger φPM weist in die d-Achse des rotierenden d-q Koordinatensystems und bewirkt auch im stromlosen Zustand des Stators eine Vormagnetisierung der Flusswege des zugehörigen magnetischen Kreises. Bei der Rotorlage gemäß 5 weisen die Statorstränge U und V und gemäß 6 der Strang U und abhängig von deren Beträgen mehr oder weniger ausgeprägte Sättigungseffekte in den zugehörigen magnetischen Kreisen auf. Dies wiederum bewirkt beispielsweise gemäß dem Sättigungsverhalten von Eisen unterschiedliche Flussbeträge und somit unterschiedliche Induktivitätswerte zwischen den Spulen der einzelnen Wicklungsstränge. Je höher die magnetische Durchflutung, desto geringer die Induktivität beziehungsweise desto höher die Admittanz als Kehrwert der Induktivität. Die einzelnen Wicklungsstränge weisen dabei in Abhängigkeit der Rotor- bzw. des permanenten Magnetflusses unterschiedliche Admittanzen auf. Die lageabhängigen Admittanzwerte schwanken dabei um einen mittleren Wert.
Die dargestellte Rotorlageerfassung erfolgt zunächst bei stehendem Rotor. Dies gilt auch für die weiter unten beschriebenen Fehlererfassungen. Zum Motorstart kann im unteren Drehzahlbereich eine Fortsetzung des beschriebenen Erfassungsverfahrens bei einem langsam startenden Drehfeld oder ein Start über das sogenannte Forced-Position-Verfahren erfolgen. Als unterer Drehzahlbereich ist insbesondere der Bereich mit weniger als 5% der Nenndrehzahl des Motors zu verstehen. Bei letzterem wird in Abhängigkeit der Rotoranfangslage ein Stator-Magnetfeld derart erzeugt, dass es mit dem Magnetfeld des Rotors ausgerichtet ist (Strom in die d-Achse des noch stehenden Rotors). Mit steigender Drehzahl steigt auch der Momentbedarf des Rotors und es entsteht ein zunehmender Schleppwinkel. Das Drehmoment auf den Rotor steigt dabei ebenfalls, bis bei einem Schleppwinkel von 90° elektrisch (Strom nur noch in der q-Achse) ein Drehmomentmaximum entsteht. Bei Erreichen einer genügend hohen Drehzahl und der damit entstehenden Induktionsspannung durch die Rotormagnete in den Statorwicklungen und der damit entstehenden Induktionsspannung durch die Rotormagnete in den Statorwicklungen und der damit entstehenden Induktionsspannungen durch die Rotormagnete in den Statorwicklungen (EMK), kann beispielsweise auf sogenannte modellbasierte Grundwellenverfahren umgeschaltet werden, beispielsweise auf beobachterbasierte Rotorlageerkennungen wie z.B. Luenberger-Beobachter, Kalman-Filter, oder Modell Reference Adaptive System (MRAS), umgeschaltet werden.
Das beschriebene Startverfahren kann auch ohne vorherige Rotorlageerfassung durch Admittanzauswertungen durchgeführt werden, wenn beispielsweise Störeinflüsse wie veränderte Motorparameter, Luftspaltvarianzen oder Entmagnetisierungseffekte eine hinreichend genaue Rotorlageermittlung verhindern.
Ebenso kann die Admittanzauswertung der Wicklungsstränge über die beschriebene Rotorlageermittlung ebenso zur Erfassung von Abweichungen und Varianzen der Motorparameter genutzt werden. Somit lassen sich wertvolle Informationen über die Betriebssicherheit und das Alterungsverhalten, sowie über aktuelle Betriebszustände des Motors gewinnen.
Insoweit ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung folgende Vorteile oder stellen folgende Merkmale bereit:

• Eine Extraktion der Strangadmittanzen über eine äquivalente Netzwerktransformation, insbesondere eine Dreieck-Stern-Wandlung zur Erhöhung des durch die Messung der verketteten Stranggrößen entstehenden Signal-Rauschverhältnisses,
• Einen Plausibilisierungstest mit unterschiedlichen Testimpulsen, um je nach Ruhelage des Rotors und oder System beziehungsweise Umgebungstemperatur abhängigen Fehleinflüssen zu minimieren,
• Eine Durchführung von Fallunterscheidungen bei der Rotorruhelage zur Verbesserung des Startverhaltens mit einer Anfangserregung durch einen Stromvektor in der Rotor d-Achse.
• Eine Erfassung und Auswertung der mittleren Strangadmittanzen zur Bestimmung von Luftspaltvarianzen durch statische Exzentrizitäten,
• Eine Erfassung und Auswertung von Admittanzänderungen zur Bestimmung von Luftspaltvarianzen durch dynamische Exzentrizitäten,
• Eine Erfassung und Auswertung von Admittanzwerten in Verbindung mit Messgrößen wie Motorströmen, -spannungen, Drehzahlwerten und Temperaturen zur Bestimmung von Temperaturabhängigkeiten und Chargenstreuungen von Permanentmagneten,
• Eine Erfassung und Auswertung von Admittanzwerten in Verbindung mit Messgrößen wie Motorströmen, -spannungen, Drehzahlwerten und Temperaturen zur Bestimmung von Betriebsstörungen und Motorstörungen.

Zusammenfassend beruhen Ausführungsformen der Erfindung auf einer Messung der Stromanstiegsgeschwindigkeiten der verketteten Statorwicklungen und einer Rotorlageermittlung, deren Eckwerte durch Netzwerktransformationen wie der Dreieck-Stern-Umwandlung, einer einfachen Differenzbildung der raumzeigerorientierten Messwerte und/oder von Matrizenrechnungen oder durch Lösen von linearen Gleichungssystemen durch Verfahren, wie z.B. dem Least Square Verfahren, deren Lösungen in Form von einfachen Rechenoperationen vorliegen, ermittelt werden.
Mit anderen Worten wird die rotorlageabhängige magnetische Anisotropie durch die Netzwerktransformationen zur Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses verstärkt und anschließend durch eine zur Vektorreglung ohnehin vorhandene Koordinatentransformation von den drei Stranggrößen in das kartesische Alpha/Beta-Koordinatensystem gewandelt und somit die räumliche Lage der magnetischen Anisotropie gewonnen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2026461 A2 [0009]

Claims

Verfahren zur sensorlosen Ermittlung einer Lage eines Rotors einer Drehfeldmaschine, insbesondere eines EC-Motors, mit einem System mit zumindest zwei Wicklungssträngen, umfassend die Schritte a) Messen einer Stromantwort, insbesondere der Stromanstiegsgeschwindigkeit, für jeden Wicklungsstrang für zumindest zwei unterschiedliche Raumzeigerstellungen einer elektrischen Größe anhand einer Erregung des jeweiligen Wicklungsstrangs, b) Ermitteln der rotorlageabhängigen verketteten Admittanzen für jeden Wicklungsstrang, c) Ermitteln der unverketteten Strangadmittanzen anhand der verketteten Admittanzen basierend auf einer Netzwerktransformation, und d) Ermitteln von Rotorlageinformationen anhand der ermittelten unverketteten Admittanzen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Schritte a)-d) zunächst bei stehendem Rotor durchgeführt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei Schritt c) mittels einer Netzwerktransformation in Form einer Dreieck-Stern-Transformation durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die Erregung mittels Spannungsimpulsen erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei Schritt b) durchgeführt wird, in dem wechselweise alle unterschiedlichen Kombinationen von zwei Wicklungssträngen der zumindest zwei Wicklungsstränge in den jeweils zwei Stromrichtungen mit Strom beaufschlagt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei Schritt b) durchgeführt wird, indem das System mit einer Stromrichtung und mit mehreren Stromrichtungen beaufschlagt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei die ermittelten Rotorlageinformationen auf Plausibilität überprüft werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei zum Ermitteln von Rotorlageinformationen die Anfangsrotorlage berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei die Schritte a)-d) beim Start der Drehfeldmaschine durchgeführt werden, insbesondere mit einem langsam startenden Drehfeld oder über ein Forced-Position-Verfahren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei anhand der ermittelten Strangadmittanzen Änderungen der Strangadmittanzen und/oder eine mittlere Strangadmittanz ausgewertet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei die Schritte a)-d) nur bis zu einer vorgegebenen Drehzahl der Drehfeldmaschine durchgeführt werden.
Vorrichtung zur sensorlosen Ermittlung einer Lage eines Rotors einer Drehfeldmaschine, insbesondere eines EC-Motors, mit einem System mit zumindest zwei Wicklungssträngen, umfassend eine Messeinrichtung zum Messen einer Stromantwort, insbesondere der Stromanstiegsgeschwindigkeit, für jeden Wicklungsstrang für zumindest zwei unterschiedliche Raumzeigerstellungen einer elektrischen Größe anhand einer Erregung des jeweiligen Wicklungsstrangs, eine Admittanzermittlungseinrichtung zum Ermitteln der rotorlageabhängigen verketteten Admittanzen für jeden Wicklungsstrang, eine Recheneinrichtung zum Ermitteln der unverketteten Strangadmittanzen anhand der verketteten Admittanzen basierend auf einer Netzwerktransformation, und eine Rotorlageeinrichtung zum Ermitteln von Rotorlageinformationen anhand der ermittelten unverketteten Admittanzen.