DE102019215853A1 - Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotors (4), wobei wenigstens zwei Phasenspannungen (UU, UV, UW) und wenigstens zwei Phasenströme (IU, IV, IW) des Elektromotors (4) bestimmt werden, wobei aus den Phasenspannungen (UU, UV, UW) ein Spannungsvektor (Uab, Udq) und/oder aus den Phasenströmen (IU, IV, IW) ein Stromvektor (Iab, Idq) ermittelt wird, wobei ein Positionsersatzsignal (PES) als Maß für eine Rotorposition (θ) anhand eines Winkels (α) des Stromvektors (Iab, Idq) und/oder des Spannungsvektors (Uab, Udq) bestimmt wird, wobei eine Rotationsgröße (θ, ω) anhand des Positionsersatzsignals (PES) berechnet wird, und wobei der Elektromotor (4) anhand der Rotationsgröße (θ, ω) gesteuert und/oder geregelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotors. Die Erfindung betrifft weiterhin einen elektrischen Antrieb, insbesondere für ein Verstellelement (Verstellsystem) eines Kraftfahrzeugs, mit einem nach dem Verfahren betriebenen Elektromotor.
• Elektromotorisch an- oder betriebene Verstellsysteme als Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Fensterheber, Sitzverstellungen, Tür- und Schiebedachantriebe oder Kühlerlüfterantriebe sowie Pumpen und Innenraumgebläse weisen typischerweise einen elektrischen Antrieb mit einem gesteuerten Elektromotor auf. Für solche elektromotorische Antriebe werden zunehmend häufig sogenannte bürstenlose Elektromotoren (bürstenloser Gleichstrommotor, BLDC-Motor) eingesetzt, bei denen die verschleißanfälligen Bürstenelemente eines starren (mechanischen) Kommutators durch eine elektronische Kommutierung des Motorstroms ersetzt sind.
• Elektromotorische Antriebe für Kraftfahrzeuge werden in der Regel von einer (Hochvolt-)Batterie als fahrzeuginternem Energiespeicher gespeist, aus welchem der Elektromotor mit elektrischer Energie in Form eines Gleichstroms (Gleichspannung) versorgt wird. Zur Wandlung des Gleichstroms in den Motorstrom ist geeigneterweise ein Stromrichter (Wechselrichter, Inverter) zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor verschaltet. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, welche über einen elektrischen Zwischenkreis mit der Gleichstrom oder Gleichspannung des Energiespeichers versorgt wird. Der Motorstrom wird durch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung oder Regelung von Halbleiterschaltern der Brückenschaltung als ein mehrphasiger Ausgangsstrom erzeugt. Durch die Pulse der PWM-Signale werden die Halbleiterschalter getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet.
• Die Brückenschaltung speist im Betrieb in die Statorspulen des Elektromotors den elektrischen Motorstrom (Drehstrom) ein, welcher in der Folge ein bezüglich des Stators rotierendes magnetisches Drehfeld erzeugt. Der Rotor des Elektromotors weist hierbei geeigneterweise eine Anzahl von Permanentmagneten auf, wobei durch die Wechselwirkung der Permanentmagnete mit dem Drehfeld ein resultierendes Drehmoment erzeugt wird, welches den Rotor in Rotation versetzt.
• Die Phasen des von der Brückenschaltung erzeugten Drehstroms und des zugehörigen Drehfeldes werden als (Motor-)Phasen bezeichnet. Im übertragenen Sinne werden hierunter auch die jeweils einer solchen Phase zugeordneten Statorspulen (Phasenwicklung) mit den zugehörigen Verbindungsleitungen (Phasenende) verstanden. Die Phasen sind hierbei beispielsweise in einem Sternpunkt einer Sternschaltung miteinander verschaltet.
• Für einen effizienten Betrieb ist es notwendig, dass die Phasen zum richtigen Zeitpunkt mit Strom versorgt werden. Hierzu ist eine genaue Bestimmung der relativen Position von Rotor und Stator für eine Motorsteuerung/-regelung notwendig.
• Hierbei ist beispielsweise eine beobachterbasierte Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors denkbar. Bei einem solchen Oberserververfahren läuft, basierend auf den Systemgleichungen des Elektromotors oder Antriebs, ein sogenannter Beobachter mit. Aus einem Vergleich der erwarteten Motorzustände aus dem Observer mit den gemessenen Werten kann der tatsächliche Zustand und damit eine Rotationsgröße, also die Rotorposition und/oder die Drehzahl, ermittelt werden.
• Die Rotorposition für die Positionsbestimmung wird beispielsweise mittels zusätzlicher Drehsensoren, wie zum Beispiel einem Hallsensor, ermittelt. Derartige Drehsensoren oder Geber sind jedoch kostenintensiv, weshalb eine Positionsbestimmung bevorzugterweise sensorlos erfolgen sollte.
• Die sensorlose Positionsbestimmung beruht beispielsweise auf der Erfassung von induzierten Strom- und/oder Spannungssignalen aufgrund der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK, back-EMF), welche die rotierenden Permanentmagnete in den Phasenwicklungen induziert. Die induzierten Gegen-EMK-Signale sind proportional zu der Rotordrehzahl, wodurch nachteiligerweise bei niedrigen Drehzahlen oder beim Stillstand des Elektromotors nur wenige oder keine Informationen zur Positionsbestimmung für die Motorsteuerung bereitstehen. Insbesondere wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei niedrigen Drehzahlen reduziert. Eine derartige Einschränkung besteht auch für flussbasierte sensorlose Messverfahren. Dadurch ist in der Regel eine Positionsbestimmung oder Positionserkennung unterhalb einer Schwelldrehzahl nicht möglich, wodurch ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Elektromotors, insbesondere während eines Anfahrens aus dem Stillstand oder während eines Betriebs mit niedriger Drehzahl, nachteilig erschwert ist.
• Zum Erreichen und/oder Überschreiten der Schwelldrehzahl ist es beispielsweise möglich, den Antrieb beziehungsweise den Rotor ohne Kenntnisse der genauen Rotorposition auszurichten und anschließend in einem Schrittbetrieb mittels einer Beschleunigungsrampe zu beschleunigen. Zum Ausrichten wird in der Regel ein Spannungsvektor eingesetzt, welcher den Rotor in eine vorgegebene Lage (Startposition) rotiert. Hierzu wird beispielsweise eine Phase mit einem Bezugspotential, wie beispielsweise einem Ground, verbunden, und die übrigen Phasen werden mit einem pulsweitenmodulierten Regelsignal versorgt. Das dadurch erzeugte Magnetfeld richtet in der Folge den Rotor aus, sodass der Rotor in eine definierte Startposition überführt wird.
• Nachteiligerweise benötigt dieses Verfahren vergleichsweise hohe Motor- oder Phasenströme. Des Weiteren wird der Elektromotor beziehungsweise der Rotor vergleichsweise langsam beschleunigt, so dass eine lange Start- oder Anlaufzeit gegeben ist. Weiterhin besteht das Risiko von Oszillationen und dem Verlust des synchronen Feldes. Durch die Oszillationen und hohen Motorströme verschlechtert sich nachteiligerweise auch die Akustik eines solchen betriebenen Antriebs.
• Eine weitere Möglichkeit zur Positionserkennung ist die Auswertung von anisotropen Eigenschaften des Antriebs, wie beispielsweise einer rotorpositionsabhängigen Induktivität der Phasenwicklungen. Vorteilhafterweise funktioniert dieses Verfahren zur Positionserkennung auch bei niedrigen Drehzahlen und bei einem Stillstand des Rotors. Nachteiligerweise ist das Verfahren jedoch lediglich in Antrieben einsetzbar, welche entsprechende Eigenschaften, wie beispielsweise eine ausreichend hohe Abhängigkeit der Induktivität von der Rotorposition, aufweisen. Weiterhin wird eine vergleichsweise leistungsstarke Messwerterfassung benötigt. Des Weiteren werden die akustischen Eigenschaften des Elektromotors während des Betriebs negativ beeinflusst, wodurch eine erhöhte Geräuschbelastung erzeugt wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotors anzugeben. Insbesondere soll das Verfahren einen effektiven und zuverlässigen Betrieb des Elektromotors auch bei niedrigen Drehzahlen oder aus dem Stillstand heraus ermöglichen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Antrieb mit einem derartig betriebenen Elektromotor anzugeben.
• Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Antriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Antrieb übertragbar und umgekehrt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Elektromotors geeignet und eingerichtet. Der Elektromotor ist hierbei insbesondere eine Synchronmaschine, vorzugsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor, eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Verstellmotor.
• Verfahrensgemäß werden wenigstens zwei Phasenspannungen und wenigstens zwei Phasenströme des Elektromotors bestimmt.
• Aus den Phasenspannungen wird ein (Phasen-)Spannungsvektor und/oder aus den Phasenströmen ein (Phasen-)Stromvektor ermittelt. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
• Unter einem Spannungsvektor beziehungsweise einem Stromvektor ist hierbei ein jeweiliger Raumzeiger, also eine Darstellung von physikalischen Größen eines Drei- oder Mehrphasensystems, wie dem insbesondere dreiphasigen Elektromotor, also ein (Raum-)Zeiger oder Vektor in einem Koordinatensystem einer komplexen Ebene, zu verstehen. Die komplexe Ebene ist hierbei im Wesentlichen effektiv in einer Querschnittsebene des Elektromotors angeordnet.
• Anhand eines (Phasen-)Winkels des Stromvektors und/oder des Spannungsvektors wird anschließend ein Positionsersatzsignal als Maß für eine Rotorposition bestimmt. Anhand des Positionsersatzsignals wird eine Rotationsgröße des Elektromotors, beispielsweise eine (gefilterte) Rotorposition und/oder Drehzahl beziehungsweise Geschwindigkeit, berechnet. Der Elektromotor wird anschließend anhand der berechneten Rotationsgröße gesteuert und/oder geregelt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren realisiert.
• Die Regelung und/oder Steuerung erfolgt somit in Abhängigkeit des Positionsersatzsignals beziehungsweise des Winkels. Mit anderen Worten ist das Positionsersatzsignal beziehungsweise der Winkel im Wesentlichen der effektive Fehler (Fehlersignal) oder die effektive Regelabweichung für den Betrieb des Elektromotors.
• Die für die Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors benötigte Rotationsgröße wird aus einer aus dem Spannungs- und/oder Stromvektor abgeleiteten Winkelgröße beziehungsweise aus dem Positionsersatzsignal berechnet. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Rotationsgröße des Elektromotors somit nicht anhand von induzierten Strom- und/oder Spannungssignalen beziehungsweise der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK, back-EMF) bestimmt, wodurch das Verfahren auch bei niedrigen Motordrehzahlen oder bei einem Anfahren aus dem Stillstand geeignet ist. Dadurch wird die benötigte Drehzahl reduziert, ab welcher ein Regelungsverfahren für den Betrieb des Elektromotors angewendet werden kann. Insbesondere ist somit auf einfache Art und Weise eine Regelung und/oder Steuerung bei geringen Drehzahlen ermöglicht, ohne dass der Elektromotor hierfür besondere Motoreigenschaften, wie beispielsweise eine ausreichend hohe Abhängigkeit der Induktivität von der Rotorposition, aufweisen muss.
• Verfahrensgemäß wird somit nicht die genaue oder exakte Position des Elektromotors ermittelt. Anstelle eines klassischen Positionssignals eines Gebers oder Positionssensors wird ein Positionsersatzsignal zur Steuerung und/oder Regelung verwendet. Dieses Signal wird beispielsweise durch einen Beobachter (Observer) aufbereitet, zum Beispiel gefiltert, und die Rotationsgröße wird berechnet oder geschätzt. Mit anderen Worten dient das Positionsersatzsignal als Eingang für den Beobachter, welcher das Positionsersatzsignal filtert und die Rotorposition und/oder die Drehzahl beziehungsweise die Geschwindigkeit ermittelt.
• Das Verfahren wird insbesondere bei niedrigen Motordrehzahlen, also solchen Motordrehzahlen, bei welchen keine ausreichende Gegen-EMK zur Verfügung steht, ausgeführt. Das Verfahren wird beispielsweise beendet, wenn eine vorgegebene Zeitdauer verstrichen ist, oder wenn eine hinterlegte Schwelldrehzahl überschritten wird. Die Schwelldrehzahl ist hierbei beispielsweise derart gewählt ist, dass bei Motordrehzahlen größer der Schwelldrehzahl ausreichend Gegen-EMK-Signale für ein herkömmliches sensorloses Steuer- und/oder Regelverfahren erzeugt werden.
• Im Gegensatz zu einer „blinden“ Drehfeldvorgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein höheres Anlaufmoment des Elektromotors, und somit eine kürzere Anlaufzeit, realisiert. Des Weiteren werden somit der Wirkungsgrad und die Akustik des Elektromotors verbessert. Dadurch wird die Robustheit des Elektromotors bei niedrigen Drehzahlen wesentlich verbessert.
• Im Gegensatz zu klassischen oder konventionellen sensorlosen Positionserkennungen benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzlichen Testpulse, wodurch einerseits keine dadurch bedingten akustischen Beeinträchtigungen auftreten, und andererseits eine besonders einfache Integration gewährleistet ist. Im Vergleich zu klassischen sensorlosen Verfahren ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders robust gegenüber Messrauschen und Toleranzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin besonders einfach zu implementieren und zu parametrisieren, so dass eine besonders geringe Rechenlast gewährleistet ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Anwendungen geeignet, bei welchem die Induktivitäten positionsunabhängig sind. Dies bedeutet, dass beispielsweise in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem die Induktivitäten gleich sind (Ld = Lq), in diesem Falle liegt keine magnetische Unsymmetrie des Elektro- oder Synchronmotors vor und es wird kein Reluktanzbeitrag zum Drehmoment erzeugt. Dies bedeutet, dass beispielsweise herkömmliche Verfahren wie ein INFORM-Verfahren (indirekte Flussermittlung durch Online Reaktanz-Messung) nicht anwendbar sind. Im Gegensatz hierzu ist das erfindungsgemäße Verfahren sowohl für positionsabhängige (Ld ≠ Lq) als auch für positionsunabhängige (Ld = Lq) Induktivitäten einsetzbar.
• Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt keine initiale Positionserkennung. Vorzugsweise synchronisiert die Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors selbstständig auf.
• Ohne gezielte Initialisierung haben das Positionsersatzsignal und der Rotor im Wesentlichen zufällige Positionen zueinander. Dies kann jedoch dazu führen, dass der Rotor beim Start oder Anlaufen kurzzeitig in die Gegenrichtung beschleunigt wird. Dies ist für viele Anwendungen unkritisch und zulässig. Zur Vermeidung dieses gegensinnigen Anlaufens sowie zur allgemeinen Verbesserung des Anlaufverhaltens kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch mit einem initialen Positions- oder Positionserkennungsverfahren kombiniert werden. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit einer erfassten Rotorposition initialisiert wird.
• Bei einem Anfahrvorgang aus dem Stillstand ist der zunächst unbekannte (initiale) Anfangswert beispielsweise mit Hilfe von Positionserkennungsmethoden wie etwa einem INFORM-Verfahren zumindest näherungsweise bestimmbar.
• Die Erfindung geht von der Idee aus, den Einfluss eines Stromrauschens bei der Positionserkennung vollständig zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Im Falle einer klassischen EMK-Erkennung ist der Wert der Induktivität gleich Null gesetzt, so dass im statischen Zustand der Strom- und der Spannungsvektor übereinander liegen. Dadurch ist zudem ein einfacher und geeigneter Übergang zu einer klassischen Positionserkennung realisierbar. Mit anderen Worten ist es beispielsweise möglich, einen Fehler in der Induktivität (L = 0) gezielt in Kauf zu nehmen, um somit Fehler aufgrund von Messfehlern oder Messungenauigkeiten zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung wird der Winkel für die Bestimmung des Positionsersatzsignals anhand einer Differenzbildung zwischen den Winkeln des Stromvektors und des Spannungsvektors bestimmt. Mit anderen Worten wird das Positionsersatzsignal anhand der relativen Phasenlage der Strom- und Spannungsvektoren zueinander bestimmt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Positionsersatzsignal realisiert.
• Eilt der Phasenspannungsvektor dem Stromvektor voraus, so weist der Winkel beziehungsweise das Positionsersatzsignal beispielsweise einen niedrigen Wert auf. Im Zuge der Steuerung und/oder Regelung wird der Elektromotor anschließend insbesondere beschleunigt. Entsprechend wird, wenn der Stromvektor dem Spannungsvektor vorrauseilt, ein vergleichsweise großer Differenzwinkel beziehungsweise ein hoher Wert des Positionsersatzsignals erzeugt, so dass der Elektromotor in der Folge beispielsweise verlangsamt wird.
• In einer denkbaren Ausgestaltung wird bei der Bestimmung des Winkels ein zusätzlicher Phasenwinkel berücksichtigt. Dadurch wird die Realisierung des Verfahrens vereinfacht und/oder ein systematischer Fehler verringert.
• Dies ist beispielsweise bei einer Stromregelung entlang einer q-Richtung der Positionsschätzung vorteilhaft, da die Positionsrichtung und der Stromvektor somit ein Offset von 90° aufweisen. Dadurch kann die Bestimmung des Winkels beziehungsweise des Positionsersatzsignals dahingehend vereinfacht werden, dass die Differenz des (Phasen-)Winkels des Spannungsvektors und des Offsets verwendet werden. Dadurch ist es nicht notwendig, zusätzlich den Winkel des Stromvektors zu bestimmen.
• In einer weiteren Ausgestaltungsform weisen die Positionsrichtung und der Phasenspannungsvektor im eingeregelten Zustand des Elektromotors ein Offset von 90° auf, so dass der Offset entsprechend berücksichtigt werden kann.
• In einer bevorzugten Ausbildung wird der Elektromotor derart gesteuert und/oder geregelt, dass der Winkel minimiert wird. Insbesondere wird hierbei die relative Phasenlage zwischen dem Stromvektor und dem Phasenvektor minimiert. Hierbei wird beispielsweise der Spannungsabfall an Induktivitäten und/oder Widerständen ganz oder teilweise berücksichtigt. Bevorzugterweise wird der Winkel beziehungsweise die relative Phasenlage auf null geregelt. Mit anderen Worten wird der Elektromotor derart gesteuert und/oder geregelt, dass der Phasenstrom und die Phasenspannung möglichst die gleiche Phasenlage aufweisen. Dadurch wird der Einfluss von Messfehlern und Toleranzen reduziert, so dass ein besonders zuverlässiger und betriebssicherer Betrieb des Elektromotors gewährleistet ist.
• In einer denkbaren Ausführung werden zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors insbesondere die Phasenspannungen anhand der Rotationsgröße gesteuert und/oder geregelt. Mit anderen Worten erfolgt ein phasenspannungsgeregelter/-gesteuerter Betrieb des Elektromotors. Dadurch ist ein zweckmäßiger und aufwandsreduzierter Betrieb des Elektromotors ermöglicht.
• In einer möglichen Weiterbildung wird die Rotationsgröße anhand einer hinterlegten Mindestgeschwindigkeit (Minimalgeschwindigkeit) berechnet und begrenzt. Unter einer Mindestgeschwindigkeit ist hierbei eine Mindestdrehzahl oder Mindestrotation des Rotors, beispielsweise 10 Umdrehungen pro Minute (Rounds per minute, RPM), zu verstehen.
• Diese Zusatzfunktionalität ist beispielsweise in dem Beobachter integriert. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Geschwindigkeit des Beobachters für die Berechnung der Rotationsgröße auf die Mindestgeschwindigkeit begrenzt wird. Dadurch steigt die berechnete Rotationsgröße mit einem Mindestgradienten an, selbst wenn die Werte am Eingang des Beobachters konstant bleiben. Mit anderen Worten steigt die Rotationsgröße auch bei einem konstanten Positionsersatzsignal an.
• Unter der Mindestgeschwindigkeit ist insbesondere ein gewisser Geschwindigkeits- oder Drehzahlbereich des Rotors zu verstehen. Die obere Grenze der Mindestgeschwindigkeit wird hierbei derart gewählt, dass ein stillstehender Rotor mitgenommen wird, also dass ein Durchrutschen (Schlupf) des Rotors vermieden wird. Die untere Grenze für die Mindestgeschwindigkeit ist hierbei eine Drehzahl, bei welcher ein ausreichender EMK-Effekt bewirkt wird. Ist die Rotorgeschwindigkeit unterhalb der unteren Grenze, so bewirkt die Mindestgeschwindigkeit bei der Berechnung der Rotationsgröße in der Folge eine Beschleunigung des Elektromotors beziehungsweise Rotors, um die Gegen-EMK zu erhöhen. Des Weiteren wird somit sichergestellt, dass der Elektromotor nicht in die falsche Richtung (Gegenrichtung) startet oder anläuft.
• Bei geeigneter Wahl der Start- und Mindestgeschwindigkeit wird sichergestellt, dass das Verfahren selbstständig aufsynchronisiert, und somit eine initiale Positionserkennung im Wesentlichen nicht notwendig ist. Dies ermöglicht einen zuverlässigen und betriebssicheren Start des Elektromotors.
• Vorzugsweise wird die Mindestgeschwindigkeit in Abhängigkeit eines Betriebspunkts oder einer Betriebssituation des Elektromotors angepasst oder variiert. In einer geeigneten Ausgestaltung wird der Wert der Mindestgeschwindigkeit hierbei insbesondere temperaturabhängig angepasst. Mit anderen Worten wird der Wert der Mindestgeschwindigkeit vorzugsweise in Abhängigkeit der Betriebstemperatur variiert. Dadurch ist ein besonders flexibles Verfahren realisiert, welches sich an die jeweilige Betriebssituation beziehungsweise Betriebstemperatur des Elektromotors anpasst.
• Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise denkbar, dass die Mindestgeschwindigkeit während einer Zeitdauer, zum Beispiel während des Startvorgangs, variiert oder verändert wird. So ist es beispielsweise vorteilhaft, die Mindestgeschwindigkeit klein oder gleich Null zu wählen, um den Rotor mit dem erzeugten Drehfeld besser einzufangen, und den Wert anschließend zu steigern, um eine ausreichende Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Rotors zu bewirken.
• Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Winkel zur Bestimmung des Positionsersatzsignals in Abhängigkeit einer Betriebssituation oder eines Betriebspunkts des Elektromotors verstärkt wird. Die Pol- oder Nullstellen des Regelkreises beim Betrieb des Elektromotors sind von der Betriebssituation abhängig. Dadurch wird die Regelabweichung, also das Positionsersatzsignal beziehungsweise der Winkel, nahe der Pol- oder Nullstellen gezielt beeinflusst, so dass stets eine zuverlässige Steuerung und/oder Regelung des Betriebs ermöglicht ist. Beispielsweise wird der Winkel hierbei durch den Betrag einer Ansteuerspannung oder der Drehzahl geteilt.
• In einer möglichen Ausführung wird zur Ermittlung des Spannungsvektors und/- oder des Stromvektors eine Clark-Transformation, also eine ab- beziehungsweise αβ-Transformation, der Phasenspannungen beziehungsweise Phasenströme ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Strom- und Spannungsvektoren in einem statorfesten Koordinatensystem erzeugt werden. Dadurch wird die Genauigkeit des Positionsersatzsignals verbessert, und somit ein besonders effektive Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors, insbesondere bei einem Anfahren aus dem Stillstand, ermöglicht.
• In einer alternativen Ausführungsform werden die Spannungs- und/oder Stromvektoren mittels einer Park-Transformation, also einer dq-Transformation, bestimmt. Dies bedeutet, dass die Strom- und Spannungsvektoren in einem rotorfesten, also rotierenden, Koordinatensystem erzeugt werden.
• Der erfindungsgemäße elektrische Antrieb ist beispielsweise als ein Verstellantrieb eines Kraftfahrzeugs ausgeführt. Hierzu weist der Antrieb einen bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotor und eine Vektoreinrichtung zur Ermittlung des Spannungsvektors und/oder des Stromvektors sowie einen Controller zur Bestimmung des Positionsersatzsignals auf. Der Antrieb weist weiterhin einen Beobachter zur sensorlosen Bestimmung der Rotationsgröße anhand des Positionsersatzsignals sowie einen Stromregler zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors, insbesondere mittels Pulsweiten- oder Raumzeigermodulation, auf.
• Der Antrieb, beziehungsweise die Vektoreinrichtung und der Controller sowie der Beobachter und die Stromregelung, sind hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet und eingerichtet. Die Vektoreinrichtung ist somit konkret dazu eingerichtet, anhand der bestimmten, beispielsweise gemessenen oder berechneten, Phasenspannungen und/oder Phasenströme entsprechende Raumzeiger, also Spannungs- und/oder Stromvektoren, zu berechnen. Die berechneten Spannungs- und/oder Stromvektoren werden dem Controller zugeführt, welcher anhand eines Winkels der Spannungs- und/oder Stromvektoren das Positionsersatzsignal bestimmt.
• Das Positionsersatzsignal wird dem Beobachter zugeführt, welcher das Positionssignal beispielsweise filtert - und ähnlich zu einem Gegen-EMK-Signal auswertet - und somit die Rotationsgröße, also die Rotorposition und/oder die (Rotor-)Drehzahl, berechnet oder schätzt. Diese berechnete oder geschätzte Rotationsgröße wird als Stellgröße dem Stromregler zugeführt.
• In bevorzugter Ausgestaltung sind die Vektoreinrichtung und/oder der Controller und/oder der Beobachter und/oder der Stromregler zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, beziehungsweise der jeweiligen Verfahrensschritte, in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren beziehungsweise die Verfahrensschritte - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Benutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird.
• Die Vektoreinrichtung und/oder der Controller und/oder der Beobachter und/oder der Stromregler können im Rahmen der Erfindung alternativ auch jeweils durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, zum Beispiel einen ASIC (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis) oder einen FPGA (field programmable gate array), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
• Der Antrieb beziehungsweise der mit dem Verfahren betriebene Elektromotor weist somit ein verbessertes Verhalten hinsichtlich eines Anlaufens oder Startens aus einem Stillstand sowie hinsichtlich eines dauerhaften beziehungsweise kontinuierlichen Betriebs mit niedrigen Drehzahlen auf.
• In einer denkbaren Ausführungsform ist der Elektromotor insbesondere an eine Brückenschaltung eines Stromrichters angeschlossen, welche eine Gleichspannung eines Zwischenkreises in eine Wechselspannung zum Antrieb oder Betrieb des Elektromotors wandelt. Der Antrieb weist somit einen Gleichspannungseingang oder Gleichspannungsanschluss auf. Die Brückenschaltung ist beispielsweise signaltechnisch von dem Stromregler gesteuert und/oder geregelt.
• In Abhängigkeit von den Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung fließt ein Phasenstrom über einen Shunt. Der Spannungsabfall über den Shunt wird beispielsweise verstärkt und ausgewertet. Mit Messungen und dem Kenntnisstand der Schaltzustände der Leistungshalbleiterschalter werden die Phasenströme rekonstruiert. Alternativ ist es beispielsweise ebenso denkbar, dass die Phasenströme direkt oder unmittelbar gemessen werden. Zusammen mit den gemessenen und/oder berechneten Phasenspannungen stehen der Vektoreinrichtung somit die Phasenspannungen und Phasenströme zur Ermittlung des Spannungsvektors und/oder des Stromvektors zur Verfügung.
• In einer denkbaren Ausführungsform sind die Vektoreinrichtung und der Controller beispielsweise als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt.
• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:
• 1 einen elektrischen (elektromotorischen) Antrieb mit einer Stromquelle und mit einem Elektromotor sowie mit einem dazwischen verschalteten Stromrichter,
• 2 einen phasenspannungsgeregelten Antrieb,
• 3 drei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors in Sternschaltung,
• 4 ein Brückenmodul einer Brückenschaltung des Stromrichters zur Ansteuerung einer Phasenwicklung des Elektromotors,
• 5 ein Ersatzschaltbild der Stromquelle,
• 6 einen Controller und einen Beobachter des Antriebs in einer ersten Ausführungsform,
• 7 den Controller und den Beobachter in einer zweiten Ausführungsform, und
• 8 bis 10 den Controller in unterschiedlichen Ausführungsformen.
• Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Die 1 zeigt einen elektrischen bzw. elektromotorischen Antrieb 2 für ein Verstellsystem eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Fensterheber oder eine Sitzverstellung. Der Antrieb 2 umfasst einen bürstenlosen und sensorlosen dreiphasigen Elektromotor 4, welcher mittels eines Stromrichters 6 an eine Stromquelle (Spannungsversorgung) 8 angeschlossen ist. Die Stromquelle 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen Energiespeicher 10, beispielsweise in Form einer (Kraftfahrzeug-)Batterie, sowie einen damit verbundenen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 12, welcher sich zumindest teilweise in den Stromrichter 6 erstreckt.
• Der Zwischenkreis 12 ist im Wesentlichen durch eine Hinleitung 12a und eine Rückleitung 12b gebildet, mittels welchen der Stromrichter 6 an den Energiespeicher 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 12a und 12b sind zumindest teilweise in den Stromrichter 6 geführt, in welchen zwischen diesen ein Zwischenkreiskondensator 14 sowie eine Brückenschaltung 16 verschaltet sind.
• Im Betrieb des Antriebs 2 wird ein der Brückenschaltung 16 zugeführter Eingangsstrom IE in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) IU, IV, IW für die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 4 gewandelt. Die nachfolgend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme IU, IV, IW werden an die entsprechenden Motorphasen beziehungsweise Phasen(-wicklungen) U, V, W ( 3) eines nicht näher dargestellten Stators geführt.
• In 3 ist eine Sternschaltung 18 der drei Phasenwicklungen U, V, W dargestellt. Die Phasenwicklungen U, V und W sind mit jeweils einem (Phasen-)Ende 20, 22, 24 an ein jeweiliges Brückenmodul 26 (3) der Brückenschaltung 16 geführt, und mit dem jeweils gegenüberliegenden Ende in einem Sternpunkt 28 als gemeinsamen Verbindungsanschluss miteinander verschaltet.
• In der Darstellung der 3 sind die Phasenwicklungen U, V und W jeweils mittels eines Ersatzschaltbildes in Form einer Induktivität 30 und eines ohmschen Widerstandes 32 sowie einem jeweiligen Spannungsabfall 34, 36, 38 gezeigt. Die jeweils über die Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung 34, 36, 38 ist schematisch durch Pfeile repräsentiert und ergibt sich aus der Summe der Spannungsabfälle über der Induktivität 30 und dem ohmschen Widerstand 32 sowie der induzierten Spannung beziehungsweise des induzierten Phasenstroms 40. Der durch eine Bewegung eines Rotors des Elektromotors 4 induzierte Phasenstrom 40 (Gegen-EMK, back-EMF) ist in der 3 anhand eines Kreises schematisch dargestellt.
• Die Ansteuerung der Sternschaltung 18 erfolgt mittels der Brückenschaltung 16. Die Brückenschaltung 16 ist mit den Brückenmodulen 26 insbesondere als eine B6-Schaltung ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen U, V, W in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen einem hohen (Gleich-)Spannungsniveau der Hinleitung 12a und einem niedrigen Spannungsniveau der Rückleitung 12b umgeschaltet. Das hohe Spannungsniveau ist hierbei insbesondere eine Zwischenkreisspannung UZK des Zwischenkreises 12, wobei das niedrige Spannungsniveau vorzugsweise ein Erdpotential UG ist. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine - in 1 mittels Pfeilen dargestellte - PWM-Ansteuerung durch eine Vorrichtung 42 als Regler ausgeführt, mit welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl, der Leistung sowie der Drehrichtung des Elektromotors 4 möglich ist.
• Die Brückenmodule 20 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 44 und 46, welche in 3 lediglich schematisch und beispielhaft für die Phase W dargestellt sind. Das Brückenmodul 26 ist einerseits mit einem Potentialanschluss 48 an die Zuleitung 12a und somit an die Zwischenkreisspannung UZK angeschlossen. Andererseits ist das Brückenmodul 26 mit einem zweiten Potentialanschluss 50 an die Rückleitung 12b und somit an das Erdpotential UG kontaktiert. Über die Halbleiterschalter 44, 46 ist das jeweilige Phasenende 20, 22, 24 der Phase U, V, W entweder mit der Zwischenkreisspannung UZK oder mit dem Erdpotential UG verbindbar. Wird der Halbleiterschalter 44 geschlossen (leitend) und der Halbleiterschalter 46 geöffnet (nicht leitend), so ist das Phasenende 20, 22, 24 mit dem Potential der Zwischenkreisspannung UZK verbunden. Entsprechend ist bei einem Öffnen des Halbleiterschalters 44 und einem Schließen des Halbleiterschalters 46 die Phase U, V, W mit dem Erdpotential UG kontaktiert. Dadurch ist es mittels der PWM-Ansteuerung der Vorrichtung 42 möglich, jede Phasenwicklung U, V, W mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus zu beaufschlagen.
• In 4 ist ein einzelnes Brückenmodul 26 vereinfacht dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalter 44 und 46 als MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) realisiert, die jeweils mittels der PWM-Ansteuerung zwischen einem durchgeschalteten Zustand und einem sperrenden Zustand getaktet umschalten. Hierzu sind die jeweiligen Gateanschlüsse an entsprechende Steuerspannungseingänge 52, 54 geführt, mittels welcher die Signale der Ansteuerung 42 übertragen werden.
• Die 5 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle 8. Im Betrieb erzeugt der Energiespeicher 10 eine Batteriespannung UBat sowie einen entsprechenden Batteriestrom IBat zum Betrieb des Stromrichters 6. In 5 ist der Innenwiderstand des Energiespeichers 10 als ein ohmscher Widerstand 56 und eine Eigeninduktivität des Energiespeichers 10 als eine Induktivität 58 dargestellt. In der Rückleitung 12b ist ein Shuntwiderstand 60 geschaltet, an welchem die Zwischenkreisspannung UZK abfällt.
• In dem Ausführungsbeispiel der 1 werden die Phasenströme IU, IV, IW mittels eines Strommessers 62 erfasst und zur Vorrichtung 42 geführt. Eine Vektoreinrichtung 64 bestimmt aus den erfassten Phasenströmen IU, IV, IW und berechneten Phasenspannungen UU, UV, UW einen Stromvektor und einen Spannungsvektor in einem Koordinatensystem. Das Koordinatensystem kann ein statorfestes ab-System oder ein rotorfestes dq-System sein, so dass im Nachfolgenden die entsprechenden Stromvektoren als lab beziehungsweise Idq und die Spannungsvektoren als Uab beziehungsweise Udq bezeichnet sind. Komponenten der Strom- oder Spannungsvektoren entlang einer Koordinatenachse a, b, d, q sind entsprechend als Ia, Ib, Id, Iq beziehungsweise Ua, Ub, Ud, Uq bezeichnet.
• Der Stromvektor Iab, Idq und der Spannungsvektor Uab, Udq werden an einen Controller 66 übermittelt, welcher anhand eines Winkels α der Spannungs- und/oder Stromvektoren Iab, Idq, Uab, Udq ein Positionsersatzsignal PES bestimmt.
• Der Winkel α wird beispielsweise durch Differenzbildung der Phasenwinkel des Stromvektors lab, Idq und des Spannungsvektors Uab, Udq, also als eine relative Phasenlage bestimmt. Hierzu werden beispielsweise die Phasenwinkel αU und αI des Spannungsvektors Uab, Udq und des Stromvektors lab, Idq mittels einer erweiterten Arkustangensfunktion, der sogenannten Arctan2-Funktion (atan2), bestimmt und anschließend die Differenz gebildet. Somit ergibt sich beispielsweise im ab-System: $$\mathrm{\alpha }=\text{atan2}\left(\text{Ua}\text{,Ub}\right)-\text{atan2}\left(\text{Ia}\text{,Ib}\right).$$

  

  Der Winkel α wird beispielsweise mit einem Verstärkungs-, Vorzeichen- oder Skalierungsfaktor k1 multipliziert werden.
• Das Positionsersatzsignal PES wird einem Beobachter 68 zugeführt, welcher das Positionsersatzsignal PES beispielsweise filtert und eine Rotationsgröße θ, ω, also die Rotorposition θ und/oder die (Rotor-)Drehzahl ω, berechnet oder schätzt. Diese berechnete oder geschätzte Rotationsgröße θ, ω wird als Stellgröße einem Stromregler 70 zugeführt, welcher die PWM-Ansteuersignale erzeugt. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass als Stellgröße anstelle der Rotationsgröße θ das Positionsersatzsignal PES verwendet wird.
• Bei der Berechnung der Rotationsgrößen θ, ω wird vorzugsweise die Differenz zwischen dem Erwartungswert θ, ω und dem Positionsersatzsignal PES gebildet. Dieser „Fehler“ dient als Regelabweichung zur Korrektur der Erwartungswerte θ, ω. Alternativ hierzu kann auch der Winkel α als Eingangsgröße verwendet werden, und als „Fehler“ oder „Fehlersignal“ (Errorsignal) interpretiert werden. Dadurch wird die benötigte Rechenlast reduziert.
• Der Stromregler 70 steuert und/oder regelt den Betrieb des Elektromotors 4 insbesondere dahingehend, dass der Winkel α minimiert, vorzugsweise auf null, geregelt wird.
• In 2 ist in vergleichsweise einfacher Darstellung eine Ausführung des Antriebs 2 gezeigt, bei welcher ein phasenspannungsgeregelter Betrieb des Elektromotors 4 ermöglicht ist. In dieser Ausführungsform ist die Vektoreinrichtung 64 beziehungsweise deren Funktionalität in den Controller 66 integriert. In dieser Ausführung werden die Phasenstörme IU, IV, IW und die Phasenspannungen UU, UV, UW direkt gemessen oder erfasst und dem Controller 66 zugeführt.
• Nachfolgend ist anhand der 6 bis 10 die Funktion des Controllers 66 und diejenige des Beobachters 68 anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 wird die vom Beobachter 68 bestimmte Rotorlage θ an den Controller 66 zurückgeführt und zur Erzeugung des Positionsersatzsignals PES auf den Winkel α addiert. Im Beobachter 68 wird die Rotorlage θ wieder abgezogen, und anhand des Winkels α wird die Rotationsgrößen θ, ω bestimmt. Typische Verfahren - wie beispielsweise Inkrementalsensoren - ermitteln eine Position, welche anschließend im Beobachter aufbereitet wird. Durch die Addition und Subtraktion wird diese klassische Struktur nachgebildet, so dass eine einfache Implementierung des Verfahrens in bestehende Systeme ermöglicht ist.
• Zur Bestimmung der Drehzahl oder Geschwindigkeit ω wird der Winkel α mit einem Faktor kw multipliziert. Anschließend wird über eine zeitliche Integration 72 die Drehzahl ω berechnet. Zur Bestimmung der Rotorlage oder Rotorposition θ wird der Winkel α mit einem Faktor kt multipliziert, und anschließend wird die Geschwindigkeit ω oder die Änderung der Rotorlage addiert. Danach wird durch eine Division 74 der verstrichenen Zeitdauer die neue Rotorlage θ berechnet.
• In dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 wird der Winkel α direkt als Positionsersatzsignal PES an den Beobachter 68 gesendet. Der Controller 66 erzeugt somit den Winkel α als Fehlersignal oder Regelabweichung für den Beobachter 68.
• In 8 ist ein Ausführungsbeispiel des Controllers 66 gezeigt, welcher insbesondere für den in 2 dargestellten Antrieb 2 geeignet und eingerichtet ist. In diesem Ausführungsbeispiel regelt der Stromregler 70 den Strom in q-Richtung der Positionsschätzung aus. Dies bedeutet, dass die Stromkomponente Id gleich Null ist (Id = 0). Dadurch stimmen die Positionsrichtung und der Stromvektor lab mit einem Offset oder Phasenwinkel P von 90° oder π/2 überein. Dadurch ist eine vereinfachte Ausgestaltung des Controllers 66 möglich.
• In dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 wird der Strom durch den Stromregler 70 in q-Richtung der Positionsschätzung geregelt (Id = 0). Daher ist es ausreichend, lediglich die Spannungskomponente Ud zu betrachten, um zu erkennen, ob die Phasenspannung dem Phasenstrom voreilend oder nacheilend ist. Bei einer Ausführung ohne Rückführung der Rotorlage θ wird die Spannungskomponente Ud beziehungsweise der entsprechende Winkel α mit einem Faktor k1 gleich minus 1 (k1 = -1) multipliziert und als Positionsersatzsignal PES versendet.
• Das Ausführungsbeispiel der 10 zeigt eine Ausführung des Contollers 66 in einem eingeregelten Zustand des Elektromotors 4. Ist der Elektromotor 4 eingeregelt, so stimmen die Positionsrichtung und der Spannungsvektor Uab, Udq mit einem Offset oder Phasenwinkel P von 90° oder π/2 überein. In dieser Ausführung wird der Spannungswinkel αU mit einem Faktor k1 = 2 multipliziert. Mit anderen Worten erfolgt eine Regelung hinsichtlich dem Quadrat der Phasenspannung. Anschließend werden davon der Phasenwinkel P abgezogen und die Differenz zu dem Stromwinkel αI gebildet, um den Winkel α beziehungsweise das Positionsersatzsignal PES zu erzeugen.
• Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
• Das Steuer- und/oder Regelverfahren beziehungsweise die Vorrichtung 42 kann mit einem initialen Positions- oder Positionserkennungsverfahren kombiniert werden.
• Des Weiteren ist es beispielsweise denkbar, dass die Geschwindigkeit des Beobachters 68 für die Berechnung der Rotationsgröße θ, ω auf eine Mindestgeschwindigkeit begrenzt wird. Dadurch steigt die berechnete Rotationsgröße θ, ω mit einem Mindestgradienten an, selbst wenn die Werte am Eingang des Beobachters 68 konstant bleiben.
• Beispielsweise ist es möglich, dass der Winkel α zur Bestimmung des Positionsersatzsignals PES in Abhängigkeit einer Betriebssituation oder eines Betriebspunkts des Elektromotors 4 mittels des Faktors k1 verstärkt wird. Vorzugsweise wird hierbei auch die Mindestgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Betriebspunkts oder einer Betriebssituation des Elektromotors 4 angepasst oder variiert. Vorzugsweise wird der Wert der Mindestgeschwindigkeit hierbei insbesondere temperaturabhängig angepasst.
• Bezugszeichenliste

2

Antrieb

4

Elektromotor

6

Stromrichter

8

Stromquelle

10

Energiespeicher

12

Zwischenkreis

12a

Hinleitung

12b

Rückleitung

14

Zwischenkreiskondensator

16

Brückenschaltung

18

Sternschaltung

20,22,24

Phasenende

26

Brückenmodul

28

Sternpunkt

30

Induktivität

32

Widerstand

34, 36, 38

Spannungsabfall

40

Phasenstrom

42

Vorrichtung/Regler

44, 46

Halbleiterschalter

48, 50

Potentialanschluss

52, 54

Steuerspannungseingang

56

Widerstand

58

Induktivität

60

Shuntwiderstand

62

Strommesser

64

Vektoreinrichtung

66

Controller

68

Beobachter

70

Stromregler

72

Integration

74

Division

IE

Eingangsstrom

IU, IV, IW

Phasenstrom

U, V, W

Phase

UZK

Zwischenkreisspannung

UG

Erdpotential

IBat

Batteriestrom

UBat

Batteriespannung

UU, UV, UW

Phasenspannung

lab, Idq

Stromvektor

Uab, Udq

Spannungsvektor

Ia, Ib, Id, Iq

Stromvektorkomponente

Ua, Ub, Ud, Uq

Spannungsvektorkomponente

αI

Stromwinkel/Phasenlage

αU

Spannungswinkel/Phasenlage

α

Winkel

PES

Positionsersatzsignal

k1, kw, kt

Faktor

θ

Rotationsgröße/Rotorlage

ω

Rotationsgröße/Drehzahl

P

Phasenwinkel/Offset

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotors (4), - wobei wenigstens zwei Phasenspannungen (UU, UV, UW) und wenigstens zwei Phasenströme (IU, IV, IW) des Elektromotors (4) bestimmt werden, - wobei aus den Phasenspannungen (UU, UV, UW) ein Spannungsvektor (Uab, Udq) und/oder aus den Phasenströmen (IU, IV, IW) ein Stromvektor (Iab, Idq) ermittelt wird, - wobei ein Positionsersatzsignal (PES) als Maß für eine Rotorposition (θ) anhand eines Winkels (α) des Stromvektors (Iab, Idq) und/oder des Spannungsvektors (Uab, Udq) bestimmt wird, - wobei eine Rotationsgröße (θ, ω) anhand des Positionsersatzsignals (PES) berechnet wird, und - wobei der Elektromotor (4) anhand der Rotationsgröße (θ, ω) gesteuert und/oder geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) anhand einer Differenzbildung der Winkel des Stromvektors (αI) und des Spannungsvektors (αU) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Winkels (α) ein zusätzlicher Phasenwinkel (P) berücksichtigt wird.
4. Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass der Winkel (α) minimiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenspannung (UU, UV, UW) des Elektromotors (4) anhand der Rotationsgröße (θ, ω) gesteuert und/oder geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsgröße (θ, ω) anhand einer hinterlegten Mindestgeschwindigkeit begrenzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Mindestgeschwindigkeit temperaturabhängig angepasst wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zur Bestimmung des Positionsersatzsignals (PES) in Abhängigkeit einer Betriebssituation verstärkt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Spannungsvektors (Uab) und/oder des Stromvektors (Iab) eine Clarke-Transformation der Phasenspannungen (UU, UV, UW) beziehungsweise Phasenströme (IU, IV, IW) ausgeführt wird.
10. Elektrischer Antrieb (2) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend - einen bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotor (4), - eine Vektoreinrichtung (64) zur Ermittlung des Spannungsvektors (Uab, Udq) und/oder des Stromvektors (Iab, Idq), - einen Controller (66) zur Bestimmung des Positionsersatzsignals (PES), - einen Beobachter (68) zur sensorlosen Bestimmung der Rotationsgröße (θ, ω), und - einen Stromregler (70) zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors (4).

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