DE102020117796A1 - Method and device for adjusting a holding current of an electrical machine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (2) mit einer Statorwicklung (3) mit mehreren Phasensträngen (4) und einem Läufer (5), wobei die elektrische Maschine (2) mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen (V1, V2) an Phasenanschlüsse (7) zum Bestromen von Phasensträngen (4) betrieben wird, mit folgenden Schritten:- Erfassen (S5) mindestens eines Messpotenzials (M1, M2), das sich nach Anlegen eines Messimpulses an einen der Phasenanschlüsse (7) einstellt;- bei einem Stillstand der elektrischen Maschine (2), Halten (S6) des Läufers (5) gegen ein Lastmoment mithilfe einer Haltepositionsregelung, deren Regelgröße von dem mindestens einen Messpotenzial (M1, M2) abhängt oder diesem entspricht und die als Stellgröße die Ansteuerpotenziale (V1, V2) der Blockkommutierung vorgibt.The invention relates to a method for operating an at least three-phase electronically commutated electrical machine (2) with a stator winding (3) with a plurality of phase strands (4) and a rotor (5), the electrical machine (2) being pulse-width modulated with block commutation by applying generated control potentials (V1, V2) at phase connections (7) for energizing phase strands (4), with the following steps: - detecting (S5) at least one measurement potential (M1, M2) that changes after a measurement pulse is applied to one of the phase connections (7) sets;- when the electrical machine (2) is at a standstill, holding (S6) the rotor (5) against a load torque using a holding position control, the control variable of which depends on the at least one measurement potential (M1, M2) or corresponds to it and which specifies the control potentials (V1, V2) of the block commutation as the manipulated variable.

Description

Technischer HintergrundTechnical background

Die Erfindung betrifft bürstenlose elektrische Maschinen, insbesondere Verfahren zum Betreiben von elektrischen Maschinen. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur Reduzierung eines Haltestroms für elektronisch kommutierte elektrische Maschinen beim Halten gegen ein Lastmoment.The invention relates to brushless electrical machines, in particular methods for operating electrical machines. The invention also relates to measures for reducing a holding current for electronically commutated electrical machines when holding against a load moment.

Technischer HintergrundTechnical background

Bürstenlose elektrische Maschinen weisen Statorspulen auf, um ein Erregermagnetfeld zu erzeugen. Das Erregermagnetfeld wird abhängig von der Läuferlage so eingestellt, um ein Moment auf den Läufer auszuüben und dadurch eine Läuferbewegung zu bewirken.Brushless electric machines have stator coils to generate an excitation magnetic field. Depending on the position of the rotor, the excitation magnetic field is set in such a way that a moment is exerted on the rotor and the rotor moves as a result.

Derartige elektrische Maschinen können Statoranordnungen in Stern- oder Polygonverschaltung aufweisen. Je nach Einsatzgebiet und Betriebsanforderung werden die elektrischen Maschinen mit einer Kommutierungsart betrieben, durch die ein Statormagnetfeld generiert wird. Eine einfache Kommutierungsart stellt dabei die Blockkommutierung dar, um die Phasenstränge der Statorwicklung einer solchen elektrischen Maschine zu bestromen. Bei der Blockkommutierung werden die Statorspulen der Statoranordnung mit einem Kommutierungsmuster angesteuert, wobei jeweils einer der Phasenanschlüsse mit einem hohen Versorgungspotenzial und ein weiterer der Phasenanschlüsse mit einem niedrigen Versorgungspotenzial verbunden wird, während der eine oder die mehreren übrigen Phasenanschlüsse unbestromt bleiben.Electrical machines of this type can have star-connected or polygon-connected stator arrangements. Depending on the area of application and the operating requirements, the electrical machines are operated with a type of commutation that generates a stator magnetic field. Block commutation represents a simple type of commutation in order to energize the phase strands of the stator winding of such an electrical machine. With block commutation, the stator coils of the stator arrangement are driven with a commutation pattern, with one of the phase connections being connected to a high supply potential and another of the phase connections being connected to a low supply potential, while the one or more other phase connections remain without current.

Für den Betrieb einer bürstenlosen elektrischen Maschine ist eine Kenntnis über die Läuferlage notwendig, um eine Umschaltung des an den Phasenanschlüssen anliegenden Kommutierungsmusters so vorzunehmen, dass die elektrische Maschine betrieben werden kann und ein gleichgerichtetes Moment erzeugt wird.Knowledge of the rotor position is necessary for the operation of a brushless electrical machine in order to switch over the commutation pattern present at the phase connections in such a way that the electrical machine can be operated and a rectified torque is generated.

Das Betreiben einer elektrischen Maschine mittels Blockkommutierung bietet sich dann an, wenn die Läuferlage sensorlos erfasst wird. Dabei kann eine Information über die Läuferlage durch Vermessen eines Potenzials an einem unbestromten Phasenanschluss bestimmt werden, wobei das gemessene Potenzial u.a. durch eine läuferlageabhängige Induktivität der bestromten Statorwicklungen bestimmt ist. Somit kann dem gemessenen Potenzial eine Angabe über die Läuferlage zugeordnet werden.The operation of an electrical machine using block commutation makes sense when the rotor position is detected without sensors. Information about the rotor position can be determined by measuring a potential at a non-energized phase connection, the measured potential being determined, among other things, by an inductance of the energized stator windings that is dependent on the rotor position. In this way, information about the rotor position can be assigned to the measured potential.

Derartige elektrische Maschinen können in Anwendungen verwendet werden, bei denen nach einem Anhalten der elektrischen Maschine ein Haltemoment gegen ein wirkendes Lastmoment aufgebracht werden muss. Insbesondere bei Verwendung einer Blockkommutierung können für das Festhalten des Läufers an einer Halteposition je nach Läuferlage hohe Phasenströme notwendig sein, um den Läufer gegen ein Lastmoment zu halten, insbesondere bei Läuferlagen, in denen ein Läuferpol direkt zu einem Statorzahn ausgerichtet ist.Electrical machines of this type can be used in applications in which, after the electrical machine has stopped, a holding torque must be applied against an acting load torque. In particular when using block commutation, depending on the rotor position, high phase currents may be required to hold the rotor in a holding position in order to hold the rotor against a load torque, particularly in rotor positions in which a rotor pole is directly aligned with a stator tooth.

Weiterhin kann aufgrund der in der Regel an der Antriebswelle gekoppelten Untersetzungsgetriebe für die Halteposition ein größerer Toleranzbereich zulässig sein.Furthermore, due to the reduction gear, which is generally coupled to the drive shaft, a larger tolerance range can be permissible for the holding position.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Einstellen eines Haltestroms zum Halten einer elektrischen Maschine in einem Haltezustand zur Verfügung zu stellen, wobei insbesondere der Haltestrom minimiert ist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Halten des Läufers der elektrischen Maschine eine Bewegung des Läufers bei sich änderndem Lastmoment im Wesentlichen zu vermeiden.It is the object of the present invention to provide an improved method for setting a holding current for holding an electrical machine in a holding state, with the holding current in particular being minimized. Furthermore, it is an object of the present invention, when holding the rotor of the electrical machine, to essentially avoid movement of the rotor when the load torque changes.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Einstellen eines Haltestroms zum Halten eines Läufers an der elektrischen Maschine an einer Halteposition gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.This object is achieved by the method for setting a holding current for holding a rotor on the electrical machine in a holding position according to claim 1 and a corresponding device and a motor system according to the independent claims.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further developments are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine mit einer Statorwicklung mit mehreren Phasensträngen und einem Läufer, wobei die elektrische Maschine mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen an Phasenanschlüsse zum Bestromen von Phasensträngen betrieben wird, mit folgenden Schritten:

  • - Erfassen mindestens eines Messpotenzials, das sich nach Anlegen eines Messimpulses an einen der Phasenanschlüsse einstellt;
  • - bei einem Stillstand der elektrischen Maschine, Halten des Läufers gegen ein Lastmoment mithilfe einer Haltestromregelung, deren Regelgröße von dem mindestens einen Messpotenzial abhängt oder diesem entspricht und die als Stellgröße die Ansteuerpotenziale der Blockkommutierung vorgibt.
According to a first aspect, a method for operating an at least three-phase electronically commutated electrical machine with a stator winding having a plurality of phase strands and a rotor, the electrical machine being operated with block commutation by applying pulse-width-modulated control potentials to phase connections for energizing phase strands, with the following steps:
  • - Detecting at least one measurement potential that occurs after applying a measurement pulse to one of the phase connections;
  • - When the electrical machine is at a standstill, the rotor is held against a load torque using a holding current control, the control variable of which depends on the at least one measurement potential or corresponds to it and which specifies the control potentials of the block commutation as the manipulated variable.

Elektronisch kommutierte elektrische Maschinen können mit einer Kommutierung betrieben werden, wobei abhängig von einer Läuferlage Statorspulen einer Statorwicklung wechselweise bestromt werden. Die einfachste Kommutierungsart stellt die sogenannte Blockkommutierung dar, bei der ein Statormagnetfeld eingestellt wird, dessen Ausrichtung sich an den Positionen der bestromten Statorspulen orientiert. Abhängig von einer Läuferlage werden die Statorspulen so bestromt, dass die Ausrichtung des Statormagnetfelds dem Läufermagnetfeld in Bewegungsrichtung des Läufers voreilt.Electronically commutated electrical machines can be operated with commutation, with stator coils of a stator winding being energized alternately depending on a rotor position. The simplest type of commutation is the so-called block commutation, in which a stator magnetic field is set, the orientation of which is based on the positions of the energized stator coils. Depending on a rotor position, the stator coils are energized in such a way that the alignment of the stator magnetic field leads the rotor magnetic field in the direction of movement of the rotor.

Bei der Blockkommutierung wird ungeachtet, ob die bürstenlose elektrische Maschine in einer Sternverschaltung oder Polygonverschaltung ausgebildet ist, läuferlageabhängig eine Versorgungsspannung zwischen zwei der Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine angelegt. Die gewählten Phasenanschlüsse hängen dabei von der momentanen Läuferlage ab. Die Stärke des Statormagnetfelds und damit das auf den Läufer wirkende Motormoment kann dabei durch Vorgabe der an die Phasenanschlüsse angelegten Phasenspannungen eingestellt werden. Die Phasenspannungen können dabei durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren eingestellt werden. Aus Kostengründen kann eine elektrische Maschine sensorlos ausgebildet sein. Im sensorlosen Betrieb wird durch Messen einer elektrischen Größe eine läuferlageabhängige Induktivität der Statorwicklung ermittelt und diese einer Läuferlage zugeordnet.With block commutation, a supply voltage is applied between two of the phase terminals of the electrical machine, depending on the rotor position, regardless of whether the brushless electrical machine is configured in a star connection or a polygon connection. The selected phase connections depend on the current rotor position. The strength of the stator magnetic field and thus the motor torque acting on the rotor can be set by specifying the phase voltages applied to the phase connections. The phase voltages can be set using a pulse width modulation method. For reasons of cost, an electrical machine can be designed without sensors. In sensorless operation, a rotor position-dependent inductance of the stator winding is determined by measuring an electrical variable and assigned to a rotor position.

Eine typische Induktivitätsmessung erfolgt bei der Blockkommutierung durch Messen und Auswerten eines Messpotenzials an einem unbestromten Phasenanschluss der elektrischen Maschine, deren Potenzial im Wesentlichen abhängig von der Induktivität der Statorwicklung ist. Um eine Angabe zu der von der Läuferlage abhängigen Induktivität der Statorwicklung zu ermitteln, wird an die bestromten Phasenanschlüsse ein Messimpuls angelegt und ein resultierendes Messpotenzial an einem unbestromten Phasenanschluss gemessen. Es kann vorgesehen sein, dass der Messimpuls als Teil einer pulsweitenmodulierten Generierung des Ansteuerpotenzials gebildet wird, oder der pulsweitenmodulierten Generierung des Ansteuerpotenzials überlagert wird. Alternativ kann die Kommutierung der elektrischen Maschine kurzzeitig unterbrochen werden, um den Messimpuls anzulegen und die Messung vorzunehmen.A typical inductance measurement is performed with block commutation by measuring and evaluating a measurement potential at a phase connection of the electrical machine with no current, whose potential is essentially dependent on the inductance of the stator winding. In order to determine an indication of the inductance of the stator winding, which depends on the rotor position, a measurement pulse is applied to the energized phase connections and a resulting measurement potential is measured at a non-energized phase connection. Provision can be made for the measurement pulse to be formed as part of a pulse-width-modulated generation of the control potential, or to be superimposed on the pulse-width-modulated generation of the control potential. Alternatively, the commutation of the electrical machine can be briefly interrupted in order to apply the measuring pulse and carry out the measurement.

Weiterhin können zwei Messpotenziale, insbesondere zeitlich innerhalb eines Pulsweitenmodulationszyklusses des Pulsweitenmodulationsverfahrens, abhängig von dem Anlegen von zwei gegenläufigen Messimpulsen erfasst werden, wobei eine Messpotenzialdifferenz (R) aus den beiden Messpotenzialen bestimmt wird, wobei die Haltestromregelung als Regelgröße die Messpotenzialdifferenz (R) erhält.Furthermore, two measurement potentials can be detected, in particular temporally within a pulse width modulation cycle of the pulse width modulation method, depending on the application of two opposing measurement pulses, with a measurement potential difference (R) being determined from the two measurement potentials, with the holding current control receiving the measurement potential difference (R) as a control variable.

Somit kann, um zu vermeiden, dass bei einer Bewegung des Läufers das Messpotenzial durch eine Induktionsspannung aufgrund des Wirkens einer gegenelektromotorischen Kraft (Back-EMF) verfälscht wird, bei gleichem Kommutierungsmuster in dichter Folge ein positiver Messimpuls und ein negativer Messimpuls auf den Strompfad durch die Statorwicklung eingeprägt und die entsprechenden Messpotenziale an dem betreffenden unbestromten Phasenanschluss gemessen werden. Durch die Differenzbildung zwischen den so erhaltenen Messpotenzialen kann man eine Angabe zu einer Induktivität der Statorwicklung erhalten, wobei der Einfluss der Back-EMF bei einer Läuferbewegung eliminiert ist.Thus, in order to avoid the measuring potential being falsified by an induction voltage due to the action of a counter-electromotive force (back-EMF) when the rotor moves, a positive measuring pulse and a negative measuring pulse can be applied in close succession to the current path through the Stamped stator winding and the corresponding measurement potentials are measured at the relevant non-energized phase connection. By forming the difference between the measurement potentials obtained in this way, information on the inductance of the stator winding can be obtained, with the influence of the back EMF being eliminated when the rotor moves.

Dadurch kann mithilfe der Ermittlung der Messpotenzialdifferenz eine Angabe zur Läuferlage bezüglich eines elektrischen Läuferlagewinkels (Polradwinkel) ermittelt werden. Die elektrische Läuferlage entspricht der mechanischen Läuferlage multipliziert mit einer Polpaarzahl der Läuferpole.As a result, information on the rotor position with regard to an electrical rotor position angle (rotor angle) can be determined using the determination of the measurement potential difference. The electrical rotor position corresponds to the mechanical rotor position multiplied by a pole pair number of the rotor poles.

Im Wesentlichen entspricht eine Messpotenzialdifferenz von 0 Volt einer Ausrichtung eines der Läuferpole in Richtung einer bestromten Statorspule, was einem elektrischen Lagewinkel von 0° entspricht. Bei einem Versatz zwischen Läuferpol und Statorzahn ändert sich die Messpotenzialdifferenz entsprechend, da sich die Induktivität der Statorwicklung ändert. Bei einer Drehung des Läufers verläuft die Messpotenzialdifferenz im Wesentlichen sinusförmig mit Bezug zur elektrischen Läuferlage.Essentially, a measurement potential difference of 0 volts corresponds to an alignment of one of the rotor poles in the direction of an energized stator coil, which corresponds to an electrical position angle of 0°. If there is an offset between the rotor pole and the stator tooth, the measurement potential difference changes accordingly, since the inductance of the stator winding changes. When the rotor rotates, the measurement potential difference is essentially sinusoidal in relation to the electrical rotor position.

Bei einer Ausrichtung des Läuferpols zum Statorzahn (0° elektrischer Lagewinkel bzw. Polradwinkel) der bestromten Statorspule kann im Wesentlichen kein nennenswertes Motormoment erzielt werden, da keine tangentiale Kraft bzw. Querkraft auf den Läufer wirken kann. Dagegen steigt das Motormoment bei gleichbleibender Ansteuerung bis zu einem Versatzwinkel von 90° elektrischem Läuferlagewinkel zwischen Läuferpol und bestromten Statorzahn an. Bei einem Versatzwinkel von größer als 90° nimmt das erreichbare Motormoment wieder ab.If the rotor pole is aligned with the stator tooth (0° electrical position angle or pole wheel angle) of the energized stator coil, essentially no significant motor torque can be achieved since no tangential force or transverse force can act on the rotor. On the other hand, the motor torque increases with constant control up to an offset angle of 90° electrical rotor position angle between the rotor pole and the energized stator tooth. If the offset angle is greater than 90°, the motor torque that can be achieved decreases again.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Läufer der elektrischen Maschine auf eine Halteposition zu regeln, die einem Versatzwinkel entspricht, der an 90° angenähert ist. Dort ist die Umsetzung zwischen dem aufgewendeten Haltestrom zu dem erreichbaren Motormoment besonders hoch. Idealerweise kann der Regelpunkt mit einem regelungstechnisch günstigen Sicherheitsabstand vor einen Versatzwinkel von 90° festgelegt werden. Insbesondere kann der Versatz zwischen 60" und 85°, vorzugsweise zwischen 70" und 80°, betragen. Grundsätzlich sind auch Versatzwinkel von über 90° möglich, die jedoch durch eine Regelung nur aufwändig gehalten werden können.According to the invention, it is now provided to control the rotor of the electrical machine to a holding position that corresponds to an offset angle that is approximately 90°. There, the conversion between the holding current used and the motor torque that can be achieved is particularly high. Ideally, the control point can be set before an offset angle of 90° with a safety distance that is favorable in terms of control technology. In particular, the offset can be between 60" and 85°, preferably between 70" and 80°. In principle, offset angles of more than 90° are also possible Lich, which, however, can only be maintained with a lot of effort.

Beim Halten des Läufers an einer Halteposition kann das bestehende Kommutierungsmuster beibehalten werden. Für die Haltepositionsregelung der elektrischen Maschine kann aufgrund der Läuferlageabhängigkeit die Messpotenzialdifferenz direkt als Regelgröße verwendet werden. Die Lageregelung kann mithilfe eines PI-, PD- oder PID-Reglers implementiert sein.When holding the rotor at a holding position, the existing commutation pattern can be maintained. Due to the rotor position dependency, the measurement potential difference can be used directly as a controlled variable for the stopping position control of the electrical machine. The position control can be implemented using a PI, PD or PID controller.

Weiterhin kann zum Anhalten der elektrischen Maschine die Statorwicklung, insbesondere in einem ungeregelten oder gesteuerten Betrieb, so bestromt werden, dass der Läufer in einem Stoppbereich, insbesondere gegen ein Wirken eines Lastmoments angehalten wird, wobei der Stoppbereich in einem Bereich elektrischer Lagewinkel liegt, in dem der Lagewinkel einen vorgegebenen Sicherheitsabstand zum Maximum der Messpotenzialdifferenz aufweist, insbesondere in einem Bereich von Lagewinkeln zwischen 0° und +/-40°, insbesondere zwischen 0° und +/-20°, wobei 0° elektrischer Lagewinkel einer Ausrichtung eines Läuferpols zu einem bestromten Statorzahn entspricht.Furthermore, in order to stop the electrical machine, the stator winding can be energized, in particular in unregulated or controlled operation, in such a way that the rotor is stopped in a stopping range, in particular against the action of a load torque, with the stopping range being in a range of electrical position angles in which the position angle has a predetermined safety distance from the maximum of the measurement potential difference, in particular in a range of position angles between 0° and +/-40°, in particular between 0° and +/-20°, with 0° electrical position angle of an alignment of a rotor pole to an energized one corresponds to the stator tooth.

Gemäß einer Ausführungsform kann somit die Regelung vorsehen, dass beim Anhalten des Läufers zunächst sichergestellt wird, dass der Läufer sich in einem Winkelbereich eines Versatzwinkels zu einem entsprechenden Statormagnetfeld befindet, der sicher zwischen 0 und -45° oder 0 und +45° liegt. Dies kann durch Einprägen einer hohen Ansteuerspannung zwischen den zwei zu bestromenden Phasenanschlüssen erfolgen, das im Wesentlichen unabhängig von der aktuellen Läuferlage vorgenommen wird.According to one embodiment, the regulation can provide that when the rotor is stopped, it is first ensured that the rotor is in an angular range of an offset angle to a corresponding stator magnetic field, which is definitely between 0 and -45° or 0 and +45°. This can be done by impressing a high drive voltage between the two phase connections to be energized, which is done essentially independently of the current rotor position.

Insbesondere kann nach dem Anhalten in dem Stoppbereich eine Ansteuerspannung als Differenz zwischen den anliegenden Ansteuerpotenzialen betragsmäßig kontinuierlich oder schrittweise reduziert werden, so dass der Läufer sich in Richtung eines wirkenden Lastmoments bewegt, wobei abhängig von einem Verlauf des mindestens einen Messpotenzials bezüglich des elektrischen Lagewinkels im Laufe der Läuferbewegung ein Überschreiten eines Maximums oder Minimums des Messpotenzials festgestellt wird, wobei nach Feststellen des Überschreitens des Maximums oder Minimums des Messpotenzials die Haltepositionsregelung gestartet wird.In particular, after stopping in the stop area, a control voltage as the difference between the applied control potentials can be reduced in absolute value continuously or step by step, so that the rotor moves in the direction of an acting load torque, depending on a course of the at least one measurement potential with regard to the electrical position angle in the course of the rotor movement, exceeding a maximum or minimum of the measurement potential is determined, after determining that the maximum or minimum of the measurement potential is exceeded, the holding position control is started.

Infolge kann durch die oben beschriebenen Messungen der Messpotenziale mithilfe des Anlegens der Messimpulse kontinuierlich eine Messpotenzialdifferenz erfasst und beobachtet werden. Nun wird die Ansteuerspannung, insbesondere durch Reduzieren des Tastverhältnisses für das Erzeugen der Ansteuerpotenziale, schrittweise reduziert. Durch die Beobachtung der Messpotenzialdifferenz wird erkannt, dass aufgrund des wirkenden Lastmoments die Läuferlage sich von der elektrischen Läuferlage von 0° wegbewegt. Insbesondere kann festgestellt werden, wenn die Messpotenzialdifferenz ein Maximum oder Minimum überschreitet. Nach Überschreiten des betreffenden Maximums/Minimums kann die Haltepositionsregelung aktiviert werden. Die Messpotenzialdifferenz dient dabei als Regelgröße, die auf einen Wert geregelt wird, der etwa einen elektrischen Versatzwinkel zwischen Statormagnetfeld und Läufermagnetfeld von zwischen 60° bis 85°, insbesondere zwischen 70° und 80°, entspricht. Auf diese Weise wird ein möglichst effizientes Halten des Läufers an einer Halteposition gewährleistet, wobei ein Überschreiten einer elektrischen Läuferlage von +/- 90° durch den dadurch gewährleisteten Sicherheitsbereich vermieden werden soll. Eine Haltepositionsregelung ist zwar auch bei Versatzwinkeln von über 90° möglich, diese ist jedoch aufgrund des dann mit Zunahme des Versatzwinkels abnehmenden Haltemoments in der Regel aufwändig zu realisieren. Überschreitet der Lageversatz den Versatzwinkel von 90°, müsste zumindest kurzzeitig ein erhöhter Haltestrom angelegt werden.As a result, a measurement potential difference can be continuously recorded and observed through the measurements of the measurement potentials described above by applying the measurement pulses. The control voltage is now gradually reduced, in particular by reducing the pulse duty factor for generating the control potentials. By observing the measurement potential difference, it is recognized that the rotor position is moving away from the electrical rotor position of 0° due to the load torque acting. In particular, it can be determined when the measurement potential difference exceeds a maximum or minimum. After the relevant maximum/minimum has been exceeded, the stopping position control can be activated. The measurement potential difference is used as a controlled variable, which is regulated to a value that roughly corresponds to an electrical offset angle between the stator magnetic field and the rotor magnetic field of between 60° and 85°, in particular between 70° and 80°. In this way, the most efficient possible holding of the runner at a holding position is ensured, with an electrical runner position of +/−90° being exceeded by the safety area thereby ensured, which is intended to be avoided. Holding position control is also possible with offset angles of more than 90°, but this is usually expensive to implement because the holding torque then decreases as the offset angle increases. If the positional misalignment exceeds the misalignment angle of 90°, an increased holding current would have to be applied, at least for a short time.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Haltepositionsregelung beendet werden, wenn abhängig von dem Messpotenzial festgestellt wird, dass der elektrische Lagewinkel betragsmäßig einen vorgegebenen Grenzwinkel überschreitet oder das zuvor überschrittene Maximum/Minimum des Messpotenzials bei sich betragsmäßig verringerndem elektrischen Lagewinkel erneut überschritten wird.According to one embodiment, the stopping position control can be ended when it is determined, depending on the measurement potential, that the electrical position angle exceeds a predetermined limit angle in terms of amount or the previously exceeded maximum/minimum of the measured potential is exceeded again with the electrical position angle decreasing in terms of amount.

Es kann vorgesehen sein, dass bei aktiver Haltepositionsregelung das bestehende Kommutierungsmuster beibehalten wird. In einer alternativen Ausführungsform kann das Kommutierungsmuster für die aktive Haltestromregelung auch von der Kommutierungsart des Normalbetriebs der elektrischen Maschine verschieden sein.Provision can be made for the existing commutation pattern to be retained when the holding position control is active. In an alternative embodiment, the commutation pattern for the active holding current control can also be different from the commutation type of normal operation of the electrical machine.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine mit einer Statorwicklung mit mehreren Phasensträngen und einem Läufer vorgesehen, wobei die elektrische Maschine mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen an Phasenanschlüsse zum Bestromen von Phasensträngen betrieben wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:

  • - Erfassen mindestens eines Messpotenzials, das sich nach Anlegen eines Messimpulses an einen der Phasenanschlüsse einstellt;
  • - bei einem Stillstand der elektrischen Maschine, Halten des Läufers gegen ein Lastmoment mithilfe einer Haltepositionsregelung, deren Regelgröße von dem mindestens einen Messpotenzial abhängt oder diesem entspricht und die als Stellgröße die Ansteuerpotenziale der Blockkommutierung vorgibt.
According to a further aspect, a device is provided for operating an at least three-phase electronically commutated electrical machine with a stator winding having a plurality of phase strands and a rotor, the electrical machine being operated with block commutation by applying pulse-width-modulated drive potentials to phase terminals for energizing phase strands, wherein the device is designed for:
  • - Detecting at least one measurement potential that occurs after applying a measurement pulse to one of the phase connections;
  • - When the electrical machine is at a standstill, the rotor is held against a load torque using a holding position control, the control variable of which depends on the at least one measurement potential or corresponds to it and which specifies the control potentials of the block commutation as the manipulated variable.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System mit einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine und der obigen Vorrichtung vorgesehen.According to a further aspect, a system with an at least three-phase electronically commutated electrical machine and the above device is provided.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer dreiphasig elektronisch kommutierten elektrischen Maschine mit Sternverschaltung der Statorwicklung;
  • 2 ein Signal-Zeit-Diagramm der Ansteuerpotenziale bei einem gewählten Tastverhältnis und die daraus resultierenden Messpotenziale.
  • 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verlaufs der Messpotenzialdifferenz als Regelgröße einer Haltepositionsregelung abhängig von der elektrischen Läuferlage; und
  • 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Betriebsverfahrens für die elektrische Maschine beim Anhalten des Läufers und beim Halten des Läufers gegen ein wirkendes Lastmoment.
Embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a motor system with a three-phase electronically commutated electrical machine with a star connection of the stator winding;
  • 2 a signal-time diagram of the control potentials with a selected duty cycle and the resulting measurement potentials.
  • 3 a diagram to illustrate a course of the measurement potential difference as a control variable of a holding position control depending on the electrical rotor position; and
  • 4 a flowchart to illustrate an operating method for the electric machine when stopping the rotor and when holding the rotor against an acting load torque.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einer elektrischen Maschine 2, die als bürstenlose elektrische Maschine ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 2 kann als Synchron- oder Asynchronmotor vorgesehen sein. Die elektrische Maschine ist im gezeigten Ausführungsbeispiel dreiphasig ausgestaltet und weist eine Statorwicklung 3 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Sternschaltung aus Phasensträngen 4 aus jeweils einer oder mehrerer Statorspulen verschaltet ist. Das nachfolgend beschriebene Verfahren lässt sich jedoch in gleicher Weise für elektrische Maschinen mit mehr als drei Phasensträngen und mit in Dreiecks-/Polygonschaltung verschalteten Phasensträngen 4 betreiben. 1 shows a schematic representation of a motor system 1 with an electric machine 2, which is designed as a brushless electric machine. The electrical machine 2 can be provided as a synchronous or asynchronous motor. In the exemplary embodiment shown, the electrical machine has a three-phase design and has a stator winding 3 which, in the exemplary embodiment shown, is connected up as a star connection from phase strands 4 each consisting of one or more stator coils. However, the method described below can be operated in the same way for electrical machines with more than three phase strands and with phase strands 4 connected in a delta/polygon circuit.

Die elektrische Maschine 2 weist neben den Statorspulen der Statorwicklung 3 einen beweglich gelagerten Läufer 5 auf, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Läuferpole 6 aufweist. Das nachfolgende Verfahren lässt sich auch auf elektrische Maschinen 2 mit mehr als zwei Läuferpolen anwenden.In addition to the stator coils of the stator winding 3, the electrical machine 2 has a movably mounted rotor 5, which has two rotor poles 6 in the present exemplary embodiment. The following method can also be applied to electrical machines 2 with more than two rotor poles.

Die Statorwicklung 3 kann über Phasenanschlüsse 7 angesteuert werden. Die Phasenanschlüsse sind dazu mit einer Leistungseinheit 8 verbunden, die wahlweise ein Ansteuerpotenzial an Phasenanschlüsse 7 anlegen kann oder einen Phasenanschluss stromlos schalten kann. Die Leistungseinheit 8 kann in an sich bekannter Weise als B6-Schaltung oder H-Brückenschaltung ausgebildet sein.The stator winding 3 can be controlled via phase connections 7 . For this purpose, the phase connections are connected to a power unit 8, which can optionally apply a control potential to phase connections 7 or can switch a phase connection to zero current. The power unit 8 can be designed in a manner known per se as a B6 circuit or H-bridge circuit.

Die Leistungseinheit 8 wird über eine Steuereinheit 9 angesteuert. Dazu generiert die Steuereinheit 9 entsprechend einem Kommutierungsmuster Ansteuersignale für Transistoren der Leistungseinheit 8. Die Ansteuersignale geben an, dass die Transistoren der Leistungseinheit 8 leitend oder nichtleitend geschaltet werden, um ein entsprechendes Ansteuerpotenzial an einen entsprechenden Phasenanschluss 7 anzulegen.The power unit 8 is controlled via a control unit 9 . For this purpose, the control unit 9 generates control signals for transistors of the power unit 8 according to a commutation pattern.

In der Steuereinheit 9 kann ein Blockkommutierungsverfahren ausgeführt werden, das abhängig von der Läuferlage einen Strom zwischen zwei der Phasenanschlüsse einprägt. Der Strom wird durch Vorgabe einer Ansteuerspannung eingestellt, die sich zwischen den Ansteuerpotenzialen an mindestens zwei der Phasenanschlüsse 7 einstellt und die durch Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannung Vvers erzeugt werden kann. Die Pulsweitenmodulation erfolgt durch zyklisches Ein- und Ausschalten von Transistoren der Leistungseinheit abhängig von einem Tastverhältnis für jeden der Phasenanschlüsse. Das Tastverhältnis bestimmt das effektiv an die Phasenanschlüsse angelegte Ansteuerpotenzial.A block commutation method can be executed in the control unit 9, which impresses a current between two of the phase connections depending on the rotor position. The current is set by specifying a drive voltage that is set between the drive potentials at at least two of the phase connections 7 and that can be generated by pulse width modulation of the supply voltage V vers . The pulse width modulation is done by cyclically switching on and off transistors of the power unit depending on a duty cycle for each of the phase connections. The duty cycle determines the drive potential effectively applied to the phase terminals.

Die Ansteuersignale können basierend auf einer Blockkommutierung generiert werden, wobei einer der Phasenanschlüsse mit einem hohen (pulsweitenmodulierten) Versorgungspotenzial Vvers und ein weiterer der Phasenanschlüsse mit einem niedrigen (pulsweitenmodulierten) Versorgungspotenzial Vvers verbunden werden und die übrigen Phasenanschlüsse potenzialfrei geschaltet sind (durch Öffnen der mit diesen verbundenen Transistoren). Die bestromten Phasenanschlüsse werden entsprechend der Läuferlage ausgewählt, so dass ein in Richtung des zu bewirkenden Motormoments voreilende Ausrichtung des Statormagnetfelds erreicht wird.The control signals can be generated based on block commutation, with one of the phase connections being connected to a high (pulse-width modulated) supply potential V vers and another of the phase connections being connected to a low (pulse-width modulated) supply potential V vers , and the other phase connections being isolated from potential (by opening the with these connected transistors). The energized phase connections are selected according to the rotor position, so that the stator magnetic field is aligned in a leading direction in the direction of the motor torque to be generated.

Das Motorsystem 1 kann sensorlos ausgebildet sein, wobei eine Läuferlage in an sich bekannter Weise aus einer Vermessung eines Messpotenzials an dem nicht bestromten Phasenanschluss ermittelt werden kann. Alternativ kann ein Lagesensor für die Läuferlage vorgesehen sein, die eine Signalisierung ermöglicht, die für eine Kommutierung der Ansteuerung der Statorwicklung über die Leistungseinheit verwendet wird.The motor system 1 can be designed without sensors, in which case a rotor position can be determined in a manner known per se from a measurement of a measurement potential at the phase connection that is not energized. Alternatively, a position sensor for the rotor position can be provided, which has a signaling allows, which is used for a commutation of the control of the stator winding via the power unit.

Vorzugsweise werden für eine Bestromung der Statorwicklung Ansteuerpotenziale zwischen einem hohem (Vvers) und einem niedrigem Versorgungspotenzial (0V) generiert. Bei einem Anlegen einer Ansteuerspannung von 0 Volt an die zu bestromenden Statorspulen werden beide Ansteuerspannungen mit einem Tastverhältnis von 50% generiert. Soll eine Spannung größer 0 V angelegt werden, wird das Tastverhältnis für einen ersten der Phasenanschlüsse ausgehend von 50% erhöht und für einen zweiten der Phasenanschlüsse ausgehend von 50% erniedrigt. Beispielsweise können so Kombinationen von Tastverhältnissen von 60% zur Generierung der ersten Ansteuerspannung und 40% zur Generierung der zweiten Ansteuerspannung verwendet werden.Drive potentials between a high (V vers ) and a low supply potential (0V) are preferably generated for energizing the stator winding. When a drive voltage of 0 volts is applied to the stator coils to be energized, both drive voltages are generated with a duty cycle of 50%. If a voltage greater than 0 V is to be applied, the pulse duty factor is increased from 50% for a first of the phase connections and decreased from 50% for a second of the phase connections. For example, combinations of duty cycles of 60% can be used to generate the first drive voltage and 40% to generate the second drive voltage.

Die so erzeugten Spannungsimpulse an den Phasenanschlüssen führen bei dem jeweils unbestromten Phasenanschluss zu einem Messpotenzial, das von der Induktivität der Statorwicklung bzw. von einem Induktivitätsverhältnis der beiden bestromten Phasenstränge 4 abhängt. Da die Induktivität läuferlagenabhängig ist, kann das sich an dem unbestromten Phasenanschluss einstellende Messpotenzial einer Angabe für die Läuferlage entsprechen. Die Phasenanschlüsse sind dazu mit einer Messeinrichtung 10 verbunden, die ein Messpotenzial an dem jeweils unbestromten Phasenanschluss misst und dieses an die Steuereinheit 9 übermittelt.The voltage pulses generated in this way at the phase connections lead to a measurement potential for the respectively unenergized phase connection, which depends on the inductance of the stator winding or on an inductance ratio of the two phase strands 4 which are energized. Since the inductance depends on the position of the rotor, the measuring potential that occurs at the de-energized phase connection can correspond to an indication of the rotor position. For this purpose, the phase connections are connected to a measuring device 10 , which measures a measurement potential at the respectively unenergized phase connection and transmits this to the control unit 9 .

Da das Messpotenzial an dem unbestromten Phasenanschluss 7 weiterhin auch von einer Induktionsspannung abhängen kann, die sich bei einer Bewegung des Läufers 5 ergibt, ist vorgesehen, für jede Messung jeweils zwei Messpotenziale M1, M2 nacheinander zu messen. In 2 ist ein Signal-Zeit-Diagramm dargestellt, das die Verläufe der Messpotenziale M1, M2 über der Zeit bei vorgegeben Ansteuerpotenzialen V1, V2 darstellt.Since the measurement potential at the de-energized phase connection 7 can also depend on an induction voltage that results when the rotor 5 moves, two measurement potentials M1, M2 are measured in succession for each measurement. In 2 a signal-time diagram is shown, which shows the curves of the measurement potentials M1, M2 over time with predetermined control potentials V1, V2.

Das erste Messpotenzial M1 wird bestimmt, nachdem an den ersten der Phasenanschlüsse ein erstes Ansteuerpotential V1 mit einer steigenden Flanke von dem niedrigen zu dem hohen Versorgungspotenzial Vvers bei niedrigem Versorgungspotenzial an dem zweiten der Phasenanschlüsse anlegt wurde. Das zweite Messpotenzial M2 wird bestimmt, nachdem an den zweiten der Phasenanschlüsse ein zweites Ansteuerpotenzial V2 mit einer steigenden Flanke von dem niedrigen zu dem hohen Versorgungspotenzial Vvers bei niedrigem Versorgungspotenzial 0 an dem ersten der Phasenanschlüsse anlegt wurde. Die Messpotenziale M1, M2 werden jeweils nach einem Einschwingzeitraum nach dem Flankenanstieg bzw. -abfall ermittelt, d. h. nach einem Zeitraum, nach dem ein Überschwingen/Unterschwingen aufgrund der Flankenansteuerung durch die Messimpulse abgeklungen ist. Die so erfassten Messpotenziale M1, M2, die aus den gegenläufigen Messimpulsen resultieren, sind durch die aktuelle Läuferlage bestimmt. Durch Differenzbildung der Messpotenziale M1, M2, die vorzugsweise bei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden Ansteuerpotenzialflanken ermittelt werden, erhält man eine Messpotenzialdifferenz R, die als Regelgröße für eine nachgelagerte Haltepositionsregelung verwendet werden kann.The first measurement potential M1 is determined after a first control potential V1 with a rising edge from the low to the high supply potential V vers has been applied to the first of the phase connections with a low supply potential at the second of the phase connections. The second measurement potential M2 is determined after a second control potential V2 with a rising edge from the low to the high supply potential V vers has been applied to the second of the phase connections with a low supply potential 0 at the first of the phase connections. The measurement potentials M1, M2 are each determined after a transient period after the edge rise or fall, ie after a period after which an overshoot/undershoot due to the edge activation by the measurement pulses has subsided. The measurement potentials M1, M2 recorded in this way, which result from the opposing measurement pulses, are determined by the current rotor position. By forming the difference between the measurement potentials M1, M2, which are preferably determined in the case of control potential edges that follow one another in immediate succession, a measurement potential difference R is obtained, which can be used as a control variable for a downstream holding position control.

In 3 ist ein Diagramm gezeigt, das den Verlauf der Messpotenzialdifferenz ΔV beispielhaft abhängig von der elektrischen Läuferlage θ angibt. Die elektrische Läuferlage θ ergibt sich aus einem Versatzwinkel zwischen den Richtungen des Statormagnetfelds und des Läufermagnetfelds, und sie beträgt insbesondere dann 0°, wenn ein Läuferpol exakt zu einem bestromten Statorzahn ausgerichtet ist. Man erkennt weiterhin, dass der Verlauf der Messpotenzialdifferenz hin zu Versatzwinkeln der Läuferlage von -90° und +90° einem etwa halbsinusförmigen Verlauf entspricht. Der Verlauf der Messpotenzialdifferenz ermöglicht es nun, diese als Regelgröße für eine Haltepositionsregelung des Läufers 5 an einer Halteposition zu nutzen, bei der der Haltestrom effektiv minimiert werden kann. Diese ist beispielhaft mit CP angegeben.In 3 a diagram is shown that shows the course of the measurement potential difference ΔV as an example as a function of the electrical rotor position θ. The electric rotor position θ results from an offset angle between the directions of the stator magnetic field and the rotor magnetic field, and it is 0° in particular when a rotor pole is exactly aligned with an energized stator tooth. It can also be seen that the progression of the measurement potential difference towards offset angles of the rotor position of -90° and +90° corresponds to an approximately half-sinusoidal progression. The course of the measurement potential difference now makes it possible to use this as a controlled variable for a stopping position control of the rotor 5 at a stopping position at which the holding current can be effectively minimized. This is given as an example with CP.

Nachfolgend wird anhand des Flussdiagramms der 4 ein Verfahren beschrieben, mit dem ein Läufer der elektrischen Maschine mit einem minimierten Haltestrom an einer Halteposition gegen das Wirken eines Lastmoments gehalten werden kann.The following is based on the flow chart of 4 a method is described with which a rotor of the electrical machine can be held in a holding position against the action of a load torque with a minimized holding current.

Das Verfahren kann in der Steuereinheit 9 als Software oder Hardware implementiert sein.The method can be implemented in the control unit 9 as software or hardware.

In Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob die elektrische Maschine 2 angehalten werden soll. Ist dies der Fall, so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.In step S1 it is first checked whether the electrical machine 2 should be stopped. If this is the case, the method continues with step S2, otherwise (alternative: no) the process jumps back to step S1.

In Schritt S2 wird durch gesteuertes Anlegen eines Kommutierungsmusters eine Anhalteposition bei einem Lagewinkel in einem Stoppbereich S um eine Nullposition (elektrischer Lagewinkel=0°) angefahren. Dies kann beispielsweise durch Bereitstellen von hohen Motorströmen bei gleichbleibendem Kommutierungsmuster (konstanter Raumzeiger) erfolgen, so dass ein Läuferlagewinkel in einem Bereich um 0° - 40° elektrischer Läuferlage zwischen Statormagnetfeld und Läufermagnetfeld bei Wirken eines positiven Lastmoments auf den Läufer 5 der elektrischen Maschine 2 eingenommen wird, oder so dass ein Läuferlagewinkel in einem Bereich um 0° - -40° elektrischer Läuferlage zwischen Statormagnetfeld und Läufermagnetfeld bei Wirken eines negativen Lastmoments auf den Läufer der elektrischen Maschine 2 eingenommen wird. Nachfolgend wird das Verfahren unter Bezugnahme auf lediglich ein positives Lastmoment beschrieben, wobei das Verfahren analog auch für ein negatives Lastmoment ausgeführt werden kann. Insbesondere sollte der Motorstrom so gewählt sein, dass der Läufer 5 bei einem Läuferlagewinkel in einem Stoppbereich S, d.h. einem Lagewinkelbereich von 0 -20° sicher zu einem Stillstand gelangt (bei einer Läuferbewegung unter einem vorgegebenen Drehzahlwert).In step S2, a stopping position at a position angle in a stopping range S around a zero position (electrical position angle=0°) is approached by controlled application of a commutation pattern. This can be done, for example, by providing high motor currents with a constant commutation pattern (constant space vector), so that a rotor position angle in a range of 0° - 40° electrical rotor position between the stator magnetic field and rotor magnetic field is assumed when a positive load torque acts on the rotor 5 of the electrical machine 2 is, or so that a rotor position angle in a range around 0° - -40° electrical rotor position between the stator magnetic field and the rotor magnetic field is assumed when a negative load torque acts on the rotor of the electrical machine 2. The method is described below with reference to only a positive load torque, it also being possible to carry out the method analogously for a negative load torque. In particular, the motor current should be selected so that the rotor 5 reliably comes to a standstill with a rotor position angle in a stopping range S, ie a position angle range of 0-20° (with a rotor movement below a predetermined speed value).

In Schritt S3 wird überprüft, ob der Läufer 5 im Wesentlichen ohne nennenswerte Bewegung in einem Bereich von 0° Läuferlagewinkel angehalten hat. Wird dies festgestellt (Alternative: Ja) wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S2 zurückgesprungen.In step S3 it is checked whether the rotor 5 has stopped in a range of 0° rotor position angle essentially without any significant movement. If this is determined (alternative: yes), the method continues with step S4. Otherwise (alternative: no), the process jumps back to step S2.

In Schritt S4 wird nun gesteuert durch die Steuereinheit 9 der Motorstrom reduziert. Dies erfolgt durch schrittweises Verringern der Ansteuerspannung (Potenzialdifferenz zwischen den Ansteuerpotenzialen) an den zwei gewählten Phasenanschlüssen 7. In der Regel wird sich der Läufer 5 entsprechend von dem Stoppbereich S fortbewegen, wenn ein externes Lastmoment auf den Läufer 5 wirkt. Dadurch ändert sich die Läuferlage. Wirkt kein Lastmoment auf den Läufer 5, so verbleibt dieser an der zuletzt angefahrenen Position und das Ansteuerpotenziale werden bis auf 0 Volt reduziert.In step S4, the motor current is now reduced under the control of the control unit 9. This is done by gradually reducing the drive voltage (potential difference between the drive potentials) at the two selected phase connections 7. As a rule, the rotor 5 will move away from the stop area S accordingly when an external load torque acts on the rotor 5. This changes the rotor position. If no load moment acts on the rotor 5, it remains in the last position it moved to and the control potentials are reduced to 0 volts.

Zum Anlegen der Ansteuerspannung werden die Ansteuerpotenziale V1, V2 als effektive Potenziale insbesondere pulsweitenmoduliert aus der Versorgungsspannung abhängig von einem vorgegebenen Tastverhältnis erzeugt. Die an den Phasenanschlüssen 7 durch die Leistungseinheit 8 angelegten Spannungen weisen Rechteck-Verläufe auf, die als Messimpulse verwendet werden können. Die jeweils nach einer Einschwingzeit abgreifbaren Messpotenziale M1, M2 werden zur Ermittlung der Messpotenzialdifferenz R genutzt.To apply the control voltage, the control potentials V1, V2 are generated as effective potentials, in particular pulse-width modulated, from the supply voltage as a function of a predetermined duty cycle. The voltages applied to the phase terminals 7 by the power unit 8 have square waveforms that can be used as measurement pulses. The measurement potentials M1, M2, which can be tapped after a settling time, are used to determine the measurement potential difference R.

In Schritt S5 wird während des schrittweisen Verringerns der Ansteuerspannung V1, V2 die Messpotenziale M1, M2 der Messimpulse gemessen und überprüft, ob die Messpotenzialdifferenz R ein Maximum oder ein Minimum Rmin überschritten hat. Das Überschreiten des Maximums kann durch Aufzeichnen von mehreren aufeinanderfolgenden Messpotenzialdifferenzen R ermittelt werden. Um den Einfluss von Störsignalen zu vermindern, kann der Verlauf der Messpotenzialdifferenzen R mithilfe eines geeigneten Filters geglättet werden. Das Maximum Rmax bzw. das Minimum Rmin der Messpotenzialdifferenz R wird zwischengespeichert.In step S5, the measuring potentials M1, M2 of the measuring pulses are measured while the drive voltage V1, V2 is gradually being reduced, and a check is made as to whether the measuring potential difference R has exceeded a maximum or a minimum Rmin. Exceeding the maximum can be determined by recording several consecutive measurement potential differences R. In order to reduce the influence of interference signals, the course of the measurement potential differences R can be smoothed using a suitable filter. The maximum Rmax or the minimum Rmin of the measurement potential difference R is buffered.

Wird festgestellt, dass aufgrund der Bewegung des Läufers 5 aufgrund des Reduzierens der Ansteuerspannung die Messpotenzialdifferenz R nach dem Überschreiten des Maximums wieder abnimmt (Alternative: Ja), so kann in Schritt S6 die Haltepositionsregelung gestartet bzw. fortgesetzt werden. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S4 zurückgesprungen und die Ansteuerspannung weiterhin schrittweise reduziert.If it is determined that the measured potential difference R decreases again after the maximum has been exceeded (alternative: yes) due to the movement of the rotor 5 due to the reduction in the control voltage, then the holding position control can be started or continued in step S6. Otherwise (alternative: no), a jump is made back to step S4 and the control voltage continues to be reduced step by step.

Die Haltepositionsregelung wird mit der Messpotenzialdifferenz R als Regelgröße durchgeführt und basiert auf einem Sollwert für die Messpotenzialdifferenz R, die einer Läuferlage entspricht, die durch einen Läuferlagewinkel mit einem regelungstechnisch günstigen Sicherheitsabstand vor einem Versatzwinkel von 90° bestimmt ist. Insbesondere kann die Haltepositionsregelung mit der Messpotenzialdifferenz R als Regelgröße durchgeführt werden, die einer Läuferlage zwischen 60 und 85° bzw. -60 und -85°, vorzugsweise zwischen 70° und 80° bzw. -70° und -80° entspricht. Alternativ kann der Sollwert der Messpotenzialdifferenz R abhängig von einer maximalen bzw. minimalen Messpotenzialdifferenz Rmax, Rmin, wie z. B. zwischen 5 und 35% der maximalen bzw. minimalen Messpotenzialdifferenz Rmax, Rmin, insbesondere zwischen 10 und 25% der maximalen bzw. minimalen Messpotenzialdifferenz Rmax, Rmin , angegeben werden. Die maximale bzw. minimale Messpotenzialdifferenz Rmax, Rmin kann beispielsweise durch kontinuierliches Erfassen der Messpotenzialdifferenzen bei der Bewegung des Läufers 5 von der Anhalteposition zu der Läuferlage, an der der Läufer 5 gehalten werden soll, ermittelt werden.The holding position control is carried out with the measured potential difference R as the controlled variable and is based on a setpoint for the measured potential difference R, which corresponds to a rotor position that is determined by a rotor position angle with a control-technically favorable safety margin in front of an offset angle of 90°. In particular, the holding position control can be carried out with the measured potential difference R as the controlled variable, which corresponds to a rotor position between 60 and 85° or -60 and -85°, preferably between 70° and 80° or -70° and -80°. Alternatively, the target value of the measurement potential difference R can be dependent on a maximum or minimum measurement potential difference Rmax, Rmin, such as e.g. B. between 5 and 35% of the maximum or minimum measurement potential difference Rmax, Rmin, in particular between 10 and 25% of the maximum or minimum measurement potential difference Rmax, Rmin. The maximum or minimum measured potential difference Rmax, Rmin can be determined, for example, by continuously detecting the measured potential differences as the runner 5 moves from the stopping position to the runner position at which the runner 5 is to be held.

Die Haltepositionsregelung kann einer PD-, PI- oder PID-Regelung entsprechen und stellt als Stellgröße eine Ansteuerspannung bereit, die zur Vorgabe von entsprechenden Tastverhältnissen für die Ansteuerpotenziale führt. Insbesondere kann die Haltepositionsregelung unmittelbar das Tastverhältnis zur Generierung der Ansteuerspannungen V1, V2 als Stellgröße bereitstellen.The holding position control can correspond to a PD, PI or PID control and provides a control voltage as a manipulated variable, which leads to the specification of corresponding pulse duty factors for the control potentials. In particular, the holding position control can directly provide the pulse duty factor for generating the control voltages V1, V2 as a manipulated variable.

In Schritt S7 wird überprüft, ob der Läuferlagewinkel betragsmäßig einen vorgegebenen Grenzwinkel überschritten hat. Wird während der Regelung festgestellt, dass der Grenzwinkel überschritten ist (Alternative: Ja), so wird die Haltepositionsregelung in Schritt S10 abgebrochen und das Halten des Läufers 5 an der Halteposition aufgegeben. Anderenfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S8 fortgesetzt und die Haltepositionsregelung weiter betrieben.In step S7, it is checked whether the absolute value of the rotor position angle has exceeded a predetermined limit angle. If it is determined during the control that the limit angle has been exceeded (alternative: yes), the control of the holding position is terminated in step S10 and the holding of the rotor 5 at the holding position is abandoned. Otherwise (alternative: no), the method is continued with step S8 and the stopping position control is continued.

In Schritt S8 wird weiterhin überprüft, ob aufgrund einer Änderung des wirkenden Lastmoments, insbesondere einer Richtungsumkehr des Lastmoments, der Läufer 5 sich in Richtung des Stoppbereichs bewegt Dies kann festgestellt werden, indem die Messpotenzialdifferenz R zunächst bis zum Maximum Rmax ansteigt bzw. zum Minimum Rmin abfällt, dieses überschreitet und dann wieder in Richtung von Lagewinkeln im Stoppbereich S abfällt.In step S8, it is also checked whether due to a change in the acting load torque, in particular a reversal of direction of the load torque, the rotor 5 moves in the direction of the stop Reich moving This can be determined by measuring the potential difference R initially to the maximum Rmax rises or falls to the minimum Rmin, this exceeds and then drops again in the direction of attitude angles in the stopping area S.

Wird eine Richtungsumkehr festgestellt (Alternative: Ja), so wird in Schritt S9 die Haltepositionsregelung nach Überschreiten des Maximums bzw. des Minimums der Messpotenzialdifferenz Rmax, Rmin wieder deaktiviert und der Läufer 5 befindet sich wieder in einem Läuferlagenwinkelbereich von -45° bis +45°. Danach wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S6 zurückgesprungen und die Haltepositionsregelung fortgesetzt.If a direction reversal is determined (alternative: yes), then in step S9 the holding position control is deactivated again after the maximum or minimum of the measurement potential difference Rmax, Rmin has been exceeded and the rotor 5 is again in a rotor position angle range of -45° to +45° . The method then continues with step S4. Otherwise (alternative: no), the system jumps back to step S6 and the stopping position control is continued.

BezugszeichenlisteReference List

11
Motorsystemengine system
22
elektrische Maschineelectric machine
33
Statorwicklungstator winding
44
Phasenstrangphase strand
55
Läuferrunner
66
Läuferpolerotor poles
77
Phasenanschlussphase connection
88th
Leistungseinheitpower unit
99
Steuereinheitcontrol unit
1010
Messeinrichtungmeasuring device
RR
Messpotenzialdifferenzmeasurement potential difference

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (2) mit einer Statorwicklung (3) mit mehreren Phasensträngen (4) und einem Läufer (5), wobei die elektrische Maschine (2) mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen (V1, V2) an Phasenanschlüsse (7) zum Bestromen von Phasensträngen (4) betrieben wird, mit folgenden Schritten: - Erfassen (S5) mindestens eines Messpotenzials (M1, M2), das sich nach Anlegen eines Messimpulses an einen der Phasenanschlüsse (7) einstellt; - bei einem Stillstand der elektrischen Maschine (2), Halten (S6) des Läufers (5) gegen ein Lastmoment mithilfe einer Haltepositionsregelung, deren Regelgröße von dem mindestens einen Messpotenzial (M1, M2) abhängt oder diesem entspricht und die als Stellgröße die Ansteuerpotenziale (V1, V2) der Blockkommutierung vorgibt.Method for operating an at least three-phase electronically commutated electrical machine (2) with a stator winding (3) with a plurality of phase strands (4) and a rotor (5), the electrical machine (2) being equipped with block commutation by applying control potentials (V1 , V2) is operated on phase connections (7) for energizing phase strands (4), with the following steps: - Detecting (S5) at least one measurement potential (M1, M2) that occurs after applying a measurement pulse to one of the phase connections (7); - When the electrical machine (2) is at a standstill, holding (S6) the rotor (5) against a load torque using a holding position control, the controlled variable of which depends on the at least one measurement potential (M1, M2) or corresponds to it and which, as the manipulated variable, the control potentials ( V1, V2) specifies the block commutation. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Messimpuls als Teil einer pulsweitenmodulierten Generierung des Ansteuerpotenzials (V1, V2) gebildet wird, oder der pulsweitenmodulierten Generierung des Ansteuerpotenzials (V1, V2) überlagert wird.procedure after claim 1 , wherein the measurement pulse is formed as part of a pulse width modulated generation of the drive potential (V1, V2), or the pulse width modulated generation of the drive potential (V1, V2) is superimposed. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwei Messpotenziale (M1, M2), insbesondere zeitlich innerhalb eines Pulsweitenmodulationszyklusses, abhängig von dem Anlegen von zwei gegenläufigen Messimpulsen erfasst werden, wobei eine Messpotenzialdifferenz (R) aus den beiden Messpotenzialen (M1, M2) bestimmt wird, wobei die Haltepositionsregelung als Regelgröße die Messpotenzialdifferenz (R) erhält.procedure after claim 1 or 2 , where two measurement potentials (M1, M2), in particular temporally within a pulse width modulation cycle, are detected depending on the application of two opposing measurement pulses, with a measurement potential difference (R) being determined from the two measurement potentials (M1, M2), with the holding position control as the controlled variable the measurement potential difference (R) is obtained. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zum Anhalten der elektrischen Maschine (2) die Statorwicklung (3), insbesondere in einem ungeregelten oder gesteuerten Betrieb, so bestromt wird, dass der Läufer (5) in einem Stoppbereich (S), insbesondere gegen ein Wirken eines Lastmoments angehalten wird, wobei der Stoppbereich (S) in einem Bereich elektrischer Lagewinkel liegt, in dem der Lagewinkel einen vorgegebenen Sicherheitsabstand zum Maximum der Messpotenzialdifferenz (R) aufweist, und insbesondere in einem Bereich von Lagewinkeln von zwischen 0° und +/-40°, insbesondere zwischen 0° und +/-20° liegt, wobei 0° elektrischer Lagewinkel einer Ausrichtung eines Läuferpols zu einem bestromten Statorzahn entspricht.procedure after claim 3 , in order to stop the electric machine (2), the stator winding (3), in particular in an unregulated or controlled operation, is energized in such a way that the rotor (5) is stopped in a stopping range (S), in particular against the action of a load torque, wherein the stop range (S) lies in a range of electrical position angles in which the position angle has a predetermined safety margin to the maximum of the measurement potential difference (R), and in particular in a range of position angles of between 0° and +/-40°, in particular between 0 ° and +/-20°, with 0° electrical position angle corresponding to an alignment of a rotor pole to an energized stator tooth. Verfahren nach Anspruch 4, wobei nach dem Anhalten in dem Stoppbereich (S) eine Ansteuerspannung als Differenz zwischen den anliegenden Ansteuerpotenzialen (V1, V2) betragsmäßig kontinuierlich oder schrittweise reduziert wird, so dass der Läufer sich in Richtung eines wirkenden Lastmoments bewegt, wobei abhängig von einem Verlauf des mindestens einen Messpotenzials (M1, M2) bezüglich des elektrischen Lagewinkels im Laufe (5) der Läuferbewegung ein Überschreiten eines Maximums oder Minimums des Messpotenzials festgestellt wird, wobei nach Feststellen des Überschreitens des Maximums oder Minimums des Messpotenzials die Haltepositionsregelung gestartet wird.procedure after claim 4 , wherein after stopping in the stop range (S), a control voltage as the difference between the applied control potentials (V1, V2) is reduced in absolute value continuously or stepwise, so that the rotor moves in the direction of an acting load torque, whereby depending on a course of the at least a measuring potential (M1, M2) with regard to the electrical position angle in the course (5) of the rotor movement, exceeding a maximum or minimum of the measuring potential is determined, after determining that the maximum or minimum of the measuring potential is exceeded, the holding position control is started. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Haltepositionsregelung konfiguriert ist, dass der Läufer der elektrischen Maschine (2) auf eine Halteposition geregelt wird, die einem Versatzwinkel zwischen 60" und 85°, vorzugsweise zwischen 70" und 80°, entspricht.procedure after claim 5 , wherein the stop position control is configured such that the rotor of the electrical machine (2) is controlled to a stop position which corresponds to an offset angle of between 60" and 85°, preferably between 70" and 80°. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Haltepositionsregelung beendet wird, wenn abhängig von dem Messpotenzial (M1, M2) festgestellt wird, dass der elektrische Lagewinkel betragsmäßig einen Grenzwinkel überschreitet oder das zuvor überschrittene Maximum/Minimum des Messpotenzials (M1, M2) bei sich betragsmäßig verringerndem elektrischen Lagewinkel erneut überschritten wird.procedure after claim 5 or 6 , The holding position control is ended when it is determined as a function of the measurement potential (M1, M2) that the electrical position angle exceeds a limit angle in terms of amount or that before exceeded maximum/minimum of the measurement potential (M1, M2) is exceeded again when the electrical position angle decreases in terms of absolute value. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei bei aktiver Haltepositionsregelung das bestehende Kommutierungsmuster beibehalten wird.Procedure according to one of Claims 5 until 7 , whereby the existing commutation pattern is retained when the holding position control is active. Vorrichtung, insbesondere Steuereinheit (9) zum Betreiben einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (2) mit einer Statorwicklung (3) mit mehreren Phasensträngen (4) und einem Läufer (5), wobei die elektrische Maschine (2) mit einer Blockkommutierung durch Anlegen von pulsweitenmoduliert erzeugten Ansteuerpotenzialen an Phasenanschlüsse (7) zum Bestromen von Phasensträngen (4) betrieben wird, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum: - Erfassen mindestens eines Messpotenzials, das sich nach Anlegen eines Messimpulses an einen der Phasenanschlüsse (7) einstellt; - bei einem Stillstand der elektrischen Maschine (2), Halten des Läufers (5) gegen ein Lastmoment mithilfe einer Haltepositionsregelung, deren Regelgröße von dem mindestens einen Messpotenzial abhängt oder diesem entspricht und die als Stellgröße die Ansteuerpotenziale der Blockkommutierung vorgibt.Device, in particular control unit (9) for operating an at least three-phase electronically commutated electrical machine (2) with a stator winding (3) with a plurality of phase strands (4) and a rotor (5), the electrical machine (2) having block commutation by applying is operated by drive potentials generated in a pulse-width modulated manner at phase connections (7) for energizing phase strands (4), the device being designed for: - Detecting at least one measurement potential that occurs after applying a measurement pulse to one of the phase connections (7); - When the electrical machine (2) is at a standstill, the rotor (5) is held against a load torque using a holding position control, the control variable of which depends on the at least one measurement potential or corresponds to it and which specifies the control potentials of the block commutation as the manipulated variable. System mit einer mindestens dreiphasigen elektronisch kommutierten elektrischen Maschine (2) mit einer Statorwicklung (3) mit mehreren Phasensträngen (4) und einem Läufer (5) und einer Vorrichtung nach Anspruch 9.System with an at least three-phase electronically commutated electric machine (2) with a stator winding (3) with several phase strands (4) and a rotor (5) and a device claim 9 .
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