DE102021200137A1

DE102021200137A1 - Method of operating a sensorless propulsion system

Info

Publication number: DE102021200137A1
Application number: DE102021200137.8A
Authority: DE
Inventors: Cyrille Wiederkehr; Joerg Baur; Marco Roetzer; Jürgen Gerhart; Sebastian Ackermann; Timo Kuehn; Thomas Schneider; Tobias Wuerth; Paulin Mata A Ibeng
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2022-07-14

Abstract

Ein Verfahren (20) zum Betreiben eines sensorlosen Antriebssystems (1) umfasst die folgenden Verfahrensschritte (21, 22). Es wird eine Position eines Rotors (2) des Antriebssystems (1) ermittelt. Auf Basis der ermittelten Position des Rotors (2) wird eine Drehzahl des Rotors (2) geregelt. Die Verfahrensschritte (21, 22) werden unterhalb einer Mindestdrehzahl des Rotors (2) durchgeführt. Die Mindestdrehzahl entspricht zehn Prozent einer Nenndrehzahl des Rotors (2).A method (20) for operating a sensorless drive system (1) comprises the following method steps (21, 22). A position of a rotor (2) of the drive system (1) is determined. A rotational speed of the rotor (2) is regulated on the basis of the determined position of the rotor (2). The method steps (21, 22) are carried out below a minimum speed of the rotor (2). The minimum speed corresponds to ten percent of the rated speed of the rotor (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines sensorlosen Antriebssystems.The present invention relates to a method for operating a sensorless drive system.

Aus dem Stand der Technik sind Kältemittelverdichter bekannt, die auch als Klimakompressoren bezeichnet werden (kurz Verdichter oder Kompressor). Ein Kompressor ist eine Kältemaschine und ist für eine Verdichtung eines Kältemittels in einem Kreislauf einer Klimaanlage, beispielsweise einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet.Refrigerant compressors are known from the prior art, which are also referred to as air conditioning compressors (compressors or compressors for short). A compressor is a refrigerating machine and is designed for compressing a refrigerant in a circuit of an air conditioning system, for example an air conditioning system of a motor vehicle.

Kompressoren können beispielsweise mittels Synchronmaschinen (Permanentmagnet-Synchronmotoren, PSM) betrieben werden. Eine Synchronmaschine weist einen magnetisierten Rotor auf, der im Betrieb mit einem magnetischen Drehfeld von Wicklungsstränge eines Stators synchron rotiert.Compressors can, for example, be operated using synchronous machines (permanent magnet synchronous motors, PSM). A synchronous machine has a magnetized rotor which, during operation, rotates synchronously with a rotating magnetic field of phase windings of a stator.

Zum Ansteuern einer Synchronmaschine kann beispielsweise ein Wechselrichter verwendet werden. Dabei können Phasenspannungen mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt werden. Aus dem Stand der Technik sind auch Verfahren zum Bestimmen einer Rotorposition einer Synchronmaschine bekannt. Ein solches Verfahren kann z.B. erforderlich sein, um im Rahmen der PWM korrekte Kommutierungssignale erzeugen zu können. Eine Kenntnis der Rotorposition kann erforderlich sein, wenn die Steuerung zumindest teilweise auf einem Koordinatensystem beruht, welches synchron mit dem Rotor rotiert. Bei dem Koordinatensystem wird zwischen einer in Richtung eines Rotorflusses zeigenden d-Richtung und einer drehmomentbildenden q-Richtung unterschieden.For example, an inverter can be used to control a synchronous machine. Phase voltages can be generated using pulse width modulation (PWM). Methods for determining a rotor position of a synchronous machine are also known from the prior art. Such a procedure may be necessary, for example, to be able to generate correct commutation signals within the scope of PWM. Knowledge of the rotor position may be required if the control relies, at least in part, on a coordinate system that rotates synchronously with the rotor. In the coordinate system, a distinction is made between a d-direction pointing in the direction of a rotor flux and a torque-forming q-direction.

Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren bekannt, mit denen die Position des Rotors einer Synchronmaschine bestimmt werden kann, um die elektrische Kommutierung des Motors auch ohne Positionsinformation von einem Positionssensor zu ermöglichen. Viele dieser Verfahren beruhen auf aufwendigen Messungen bzw. Schätzungen und Auswertungen einer elektromotorischen Gegenkraft (BEMF, back electromotive force, elektromotorische Kraft EMK). Eine Drehzahlregelung kann in dem Fall auf einer Positions- und/oder Drehzahl-Schätzung mittels eines BEMF-Verfahrens beruhen. Ein Positionssensor, beispielsweise ein Hall-Sensor, ist dadurch nicht erforderlich. Vorteilhafterweise kann dadurch Platz eingespart werden.Numerous methods are known in the prior art, with which the position of the rotor of a synchronous machine can be determined in order to enable electrical commutation of the motor even without position information from a position sensor. Many of these methods are based on complex measurements or estimates and evaluations of an electromotive counterforce (BEMF, back electromotive force, electromotive force EMK). In this case, speed control can be based on a position and/or speed estimation using a BEMF method. A position sensor, for example a Hall sensor, is therefore not required. Advantageously, space can be saved as a result.

Eine gezielte Drehzahlregelung ist im Stand der Technik erst ab einer Mindestdrehzahl möglich, d.h. kleinere Drehzahlen als die Mindestdrehzahl können nicht eingestellt werden, da die BEMF proportional zur Drehzahl des Rotors ist, sodass sie unter Berücksichtigung eines Signal-Rausch-Verhältnisses erst ab einer gewissen Mindestdrehzahl mit ausreichender Qualität geschätzt werden kann. Unterhalb dieser Mindestdrehzahl überwiegen die Rauschanteile, wodurch eine Messung bzw. Schätzung zu ungenau ist. Problematisch bei Verfahren, im Rahmend derer die BEMF gemessen wird, ist, dass die Messung insbesondere beim Starten der Synchronmaschine aufgrund von sehr kleinen rückinduzierten Spannungen versagt.Targeted speed control is only possible in the prior art from a minimum speed, i.e. speeds lower than the minimum speed cannot be set, since the BEMF is proportional to the speed of the rotor, so that it is only possible from a certain minimum speed, taking into account a signal-to-noise ratio can be estimated with sufficient quality. Below this minimum speed, the noise components predominate, which means that a measurement or estimate is too imprecise. The problem with methods in which the BEMF is measured is that the measurement fails, particularly when the synchronous machine is started, due to very small back-induced voltages.

Es sind Verfahren bekannt, bei denen die Wicklungsstränge in einer Anlaufphase solange im Synchronbetrieb entlang einer Spannungs-Frequenz-Kennlinie „blind“ angesteuert werden, bis die BEMF messbar wird. Ab der Mindestdrehzahl wird auf eine Regelung der Drehzahl auf Basis der mittels der BEMF ermittelten Position des Rotors umgeschaltet. Die Synchronmaschine wird in dem Fall also mit einen sogenannten „blinden Start“ betrieben, um den Rotor vom Stillstand auf beispielsweise die Mindestdrehzahl zu beschleunigen. Gerade bei Dauerläufern ist diese Vorgehensweise üblich. Allerdings müssen zum „blinden Starten“ gewisse Randbedingungen hinsichtlich des Lastmoments eingehalten werden, damit die Mindestdrehzahl erreicht werden kann. Beispielsweise kann es sein das das Lastmoment zum Zeitpunkt des Startens der Synchronmaschine kleiner sein soll als ein halbes Nennmoment. Gerade bei Klimakompressoren können Situationen eintreten, die diesen das „blinde Starten“ deutlich erschweren, beispielsweise dann, wenn das Lastmoment variiert oder sich im Bereich des Nennmoments befindet.Methods are known in which the phase windings are driven “blindly” in synchronous operation along a voltage-frequency characteristic curve in a start-up phase until the BEMF becomes measurable. From the minimum speed, the speed is controlled based on the position of the rotor determined by the BEMF. In this case, the synchronous machine is operated with a so-called "blind start" in order to accelerate the rotor from standstill to, for example, the minimum speed. This procedure is particularly common for long-distance runners. However, certain boundary conditions regarding the load torque must be met for "blind starting" so that the minimum speed can be achieved. For example, it may be that the load torque at the time the synchronous machine is started should be less than half the nominal torque. Especially with air conditioning compressors, situations can arise that make “blind starting” significantly more difficult, for example when the load torque varies or is in the range of the nominal torque.

Bei gängigen anisotropiebasierten Verfahren zum Ermitteln der Rotorposition wird durch gezielte Veränderung der vorgegebenen Spannungen eine lageabhängige Stromänderung produziert, indem zusätzlich zu den von der Regelung vorgegebenen Spannungen hochfrequente Spannungen angelegt werden. Die sich dadurch ergebende Änderung der Phasenströme kann daraufhin gemessen werden. In Abhängigkeit von den Phasenströmen und den eingespeisten hochfrequenten Spannungen kann anschließend die Rotorposition bestimmt werden.In common anisotropy-based methods for determining the rotor position, a position-dependent change in current is produced through a targeted change in the specified voltages, in that high-frequency voltages are applied in addition to the voltages specified by the control system. The resulting change in the phase currents can then be measured. Depending on the phase currents and the high-frequency voltages fed in, the rotor position can then be determined.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems anzugeben und ein verbessertes Antriebssystem bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems und ein Antriebssystem mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafter Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.An object of the present invention is to specify an improved method for operating a drive system and to provide an improved drive system. This object is achieved by a method for operating a drive system and a drive system having the features of the respective independent claims. Advantageous developments are specified in the dependent claims.

Ein Verfahren zum Betreiben eines sensorlosen Antriebssystems umfasst die folgenden Verfahrensschritte. Es wird eine Position eines Rotors des Antriebssystems ermittelt. Auf Basis der ermittelten Position des Rotors wird eine Drehzahl des Rotors geregelt. Die Verfahrensschritte werden unterhalb einer Mindestdrehzahl des Rotors durchgeführt. Die Mindestdrehzahl entspricht zehn Prozent einer Nenndrehzahl des Rotors.A method for operating a sensorless drive system includes the following method steps. A position of a rotor of the drive system is determined. Based on the determined Position of the rotor, a speed of the rotor is regulated. The method steps are carried out below a minimum speed of the rotor. The minimum speed corresponds to ten percent of a nominal speed of the rotor.

Das Verfahren beruht also auf der Idee, dass ein für kleine Drehzahlen unterhalb der Mindestdrehzahl konzipiertes Positionsschätzungsverfahren zum Ermitteln der Position des Rotors verwendet wird, um ein Drehmoment und die Drehzahl des Rotors auf Basis der ermittelten Position zu regeln. Dies ermöglicht es vorteilhafterwiese Drehzahlen auch unterhalb der Mindestdrehzahl, unterhalb derer zur Positionsermittlung keine BEMF-Verfahren verwendet werden können, zu regeln. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Verfahren es ermöglicht, das Antriebssystem geregelt zu betreiben, anstatt sie beispielsweise blind zu starten. Außerdem bestehen keine Limitierungen hinsichtlich eines Erreichens eines Nennmoments und eines Betriebs beim Nennmoment des Antriebssystems.The method is therefore based on the idea that a position estimation method designed for low speeds below the minimum speed is used to determine the position of the rotor in order to regulate a torque and the speed of the rotor on the basis of the determined position. Advantageously, this also makes it possible to regulate speeds below the minimum speed, below which no BEMF methods can be used to determine the position. Another advantage is that the method makes it possible to operate the drive system in a controlled manner instead of starting it blindly, for example. In addition, there are no limitations with regard to reaching a nominal torque and operation at the nominal torque of the drive system.

In einer Ausführungsform wird das Regeln der Drehzahl auf Basis der ermitteln Position des Rotors zum Starten des Antriebssystems verwendet. In einer Ausführungsform wird die Drehzahl des Rotors im Betrieb des Antriebssystems bis zu einer Verwendung eines maximalen Drehmoments des Antriebssystems auf Basis der ermitteln Position des Rotors geregelt.In one embodiment, controlling the speed based on the determined position of the rotor is used to start the drive system. In one embodiment, the rotational speed of the rotor is regulated during operation of the drive system until a maximum torque of the drive system is used on the basis of the determined position of the rotor.

In einer Ausführungsform wird die Drehzahl nach dem Erreichen der Mindestdrehzahl in einem zusätzlichen Verfahrensschritt auf Basis einer auf einer elektromotorischen Gegenkraft ermittelten Position des Rotors geregelt. In einer Ausführungsform wird die Drehzahl des Rotors nach dem Unterschreiten der Mindestdrehzahl in einem weiteren zusätzlichen Verfahrensschritt auf Basis der unterhalb der Mindestdrehzahl ermittelten Position des Rotors geregelt. Vorteilhafterweise kann die Drehzahl des Rotors dadurch im gesamten Drehzahlbereich von null Umdrehungen bis zu einer maximalen Drehzahl zuverlässig geregelt werden.In one embodiment, after the minimum speed has been reached, the speed is regulated in an additional method step on the basis of a position of the rotor determined on the basis of an electromotive counterforce. In one embodiment, after the speed has fallen below the minimum speed, the speed of the rotor is regulated in a further additional method step on the basis of the position of the rotor determined below the minimum speed. Advantageously, the speed of the rotor can thereby be reliably controlled in the entire speed range from zero revolutions up to a maximum speed.

In einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der Position des Rotors dadurch, dass positionsabhängige Änderungen von Phasenströmen in den Wicklungssträngen des Antriebssystems erzeugt, gemessen und ausgewertet werden.In one embodiment, the position of the rotor is determined by generating, measuring and evaluating position-dependent changes in phase currents in the phase windings of the drive system.

In einer Ausführungsform umfasst das Ermitteln der Position des Rotors folgende Schritte. Es werden Injektionsspannungen während einer Reglerabtastperiode bestimmt, wobei sich die Injektionsspannungen aus von einem Regler zur Ansteuerung des Antriebssystems vorgegebenen Spannungen und zusätzlichen von einer Hochfrequenz-Anregungseinheit bereitgestellten hochfrequenten Spannungen zusammensetzen. Es werden PWM-Tastverhältnissen in Abhängigkeit von den bestimmten Injektionsspannungen bestimmt. Die PWM-Tastverhältnisse werden derart bestimmt, dass jeweils ein passiver Schaltzustand in einer PWM-Perioden-Mitte und/oder an einem PWM-Perioden-Ende endet. Als passiver Schaltzustand soll ein Zustand bezeichnet werden, bei dem alle Phasen des Antriebssystems auf dem gleichen Potential liegen und kurzgeschlossen sind. Ein Wechselrichter wird auf Basis der bestimmten Pulsweitenmodulations-Tastverhältnisse mittels einer PWM-Einheit in wenigstens einer PWM-Periode nach der Reglerabtastperiode angesteuert. Zumindest ein erster Phasenstrom und ein zweiter Phasenstrom werden gemessen. Alle Phasenströme des Antriebssystems werden bestimmt. Das Messen erfolgt innerhalb der wenigstens einen PWM-Periode jeweils im zeitlich letzten Drittel des passiven Schaltzustands. Die Position des Rotors wird in Abhängigkeit von den Phasenströmen und den zusätzlichen hochfrequenten Spannungen bestimmt. Vorteilhafterweise ist dieses sogenannte Injektionsverfahren insbesondere dazu konzipiert, die Position des Rotors unterhalb der Mindestdrehzahl zu ermitteln, da das Messen im zeitlich letzten Drittel des passiven Schaltzustands erfolgt. Dadurch wird der Einfluss von Wirbelströmen auf die gemessenen Phasenströme reduziert, da die Wirbelströme zuvor abklingen können. Durch das Messen im letzten zeitlichen Drittel werden also Auswirkungen von Wirbelstromeffekten auf die von den hochfrequenten Spannungen abhängigen Phasenströme reduziert.In one embodiment, determining the position of the rotor includes the following steps. Injection voltages are determined during a controller sampling period, the injection voltages being composed of voltages specified by a controller for controlling the drive system and additional high-frequency voltages provided by a high-frequency excitation unit. PWM duty cycles are determined depending on the determined injection voltages. The PWM duty cycles are determined in such a way that a passive switching state ends in a PWM period middle and/or at a PWM period end. A passive switching state is a state in which all phases of the drive system are at the same potential and are short-circuited. An inverter is controlled on the basis of the determined pulse width modulation duty cycle by means of a PWM unit in at least one PWM period after the controller sampling period. At least a first phase current and a second phase current are measured. All phase currents of the drive system are determined. The measurement takes place within the at least one PWM period in the last third of the passive switching state. The position of the rotor is determined depending on the phase currents and the additional high-frequency voltages. Advantageously, this so-called injection method is designed in particular to determine the position of the rotor below the minimum speed, since the measurement takes place in the last third of the passive switching state. This reduces the influence of eddy currents on the measured phase currents, since the eddy currents can decay beforehand. By measuring in the last third of the time, the effects of eddy current effects on the phase currents that are dependent on the high-frequency voltages are reduced.

Ein Antriebssystem weist einen Rotor einen Stator, einen Wechselrichter, eine PWM-Einheit, einen Regler, eine Hochfrequenz-Anregungseinheit, einen Stromsensor, eine Rotorlageeinheit und einen Drehzahlregler auf. Das Antriebssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, nach dem Verfahren gemäß einer der Ausführungsformen betrieben zu werden. Im Betrieb des Antriebssystems nach dem Verfahren weisen die hochfrequenten Spannungen zumindest in einem eingegrenzten Betriebsbereich eine Abhängigkeit von der Position des Rotors auf.A drive system has a rotor, a stator, an inverter, a PWM unit, a controller, a high-frequency excitation unit, a current sensor, a rotor position unit and a speed controller. The drive system is characterized in that it is designed to be operated according to the method according to one of the embodiments. During operation of the drive system according to the method, the high-frequency voltages are dependent on the position of the rotor, at least in a limited operating range.

In einer Ausführungsform ist das Antriebssystem als Antrieb für einen Kältemittelverdichter ausgebildet.In one embodiment, the drive system is designed as a drive for a refrigerant compressor.

Die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden in der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in jeweils schematischer Darstellung:

1 ein sensorloses Antriebssystem; und
2 ein Verfahren zum Betreiben des sensorlosen Antriebssystems.

The features and advantages described above and the manner in which they are achieved are explained in more detail in the following description of the exemplary embodiments in connection with drawings. They show in a schematic representation:

1 a sensorless propulsion system; and
2 a method of operating the sensorless propulsion system.

1 zeigt schematisch ein Antriebssystem 1. Das Antriebssystem 1 kann beispielsweise als Antrieb für einen Kältemittelverdichter verwendet werden, beispielsweise als Antrieb für einen Kältemittelverdichter einer Klimaanalage, die etwa Bestandteil eines Kraftfahrzeugs sein kann. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. 1 shows a drive system 1 schematically. The drive system 1 can be used, for example, as a drive for a refrigerant compressor, for example as a drive for a refrigerant compressor of an air conditioning system, which can be part of a motor vehicle, for example. However, this is not mandatory.

Das Antriebssystem 1 weist einen Rotor 2 und einen Stator 3 auf. Der Rotor 2 ist permanentmagnetisiert ausgebildet und rotierbar gelagert. Der Stator 3 weist Wicklungsstränge auf, die in 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Der Stator 3 kann beispielsweise drei Wicklungsstränge aufweisen. In diesem Fall ist das Antriebssystem 1 dreiphasig ausgebildet. Das Antriebssystem 1 kann auch beispielsweise vierpolig ausgebildet sein. Das Antriebssystem 1 der 1 ist lediglich beispielhaft als Innenläufer ausgebildet, es kann auch als Außenläufer ausgebildet sein. Das Antriebssystem 1 ist sensorlos ausgeführt, d.h. das Antriebssystem 1 weist keinen Positionssensor zum Messen einer Position des Rotors 2 bzw. eines Rotorwinkels auf. Das Antriebssystem 1 kann beispielsweise als Synchronmaschinenantrieb ausgebildet sein. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.The drive system 1 has a rotor 2 and a stator 3 . The rotor 2 is permanently magnetized and mounted so that it can rotate. The stator 3 has phase windings that 1 are not shown for the sake of simplicity. The stator 3 can have three phase windings, for example. In this case, the drive system 1 has a three-phase design. The drive system 1 can also be designed with four poles, for example. The drive system 1 of 1 is designed as an internal rotor only by way of example, it can also be designed as an external rotor. The drive system 1 is sensorless, ie the drive system 1 has no position sensor for measuring a position of the rotor 2 or a rotor angle. The drive system 1 can be designed as a synchronous machine drive, for example. However, this is not mandatory.

Die Wicklungsstränge des Stators 3 sind mit einem Wechselrichter 4 verbunden. Der Wechselrichter 4 ist dazu ausgebildet, die Wicklungsstränge des Stators 3 zu bestromen. Der Wechselrichter 4 kann beispielsweise als eine B6-Brücke ausgebildet sein, die drei Halbbrücken umfasst. Jede der Halbbrücken weist einen Mittelabgriff für die entsprechende Phase des Antriebssystems 1 auf und ist jeweils von dem Mittelabgriff aus über je einen Halbleiterschalter mit einem positiven und einem negativen Potential verbunden. Der Wechselrichter 4 ist mit einer Pulsweitenmodulationseinheit (PWM)-Einheit 5 verbunden, die dazu ausgebildet ist, den Wechselrichter 4 anzusteuern. Die PWM-Einheit 5 kann von einem Regler 6 vorgegebene Spannungen 7 zum Ansteuern des Wechselrichter 4 oder zusätzlich hochfrequente Spannungen 9 von einer Hochfrequenz-Anregungseinheit 8 erhalten, wobei die hochfrequenten Spannungen 9 zu den vorgegebenen Spannungen 7 addiert werden und als Injektionsspannungen 10 von der PWM-Einheit 5 in entsprechende PWM-Tastverhältnisse umgerechnet werden, erhalten. Ein PWM-Tastverhältnis ist definiert als ein Verhältnis aus einer Spannungsimpulsdauer und einer PWM-Periodendauer.The phase windings of the stator 3 are connected to an inverter 4 . The inverter 4 is designed to energize the phase windings of the stator 3 . The inverter 4 can be designed, for example, as a B6 bridge that includes three half-bridges. Each of the half-bridges has a center tap for the corresponding phase of the drive system 1 and is connected to a positive and a negative potential from the center tap via a respective semiconductor switch. The inverter 4 is connected to a pulse width modulation unit (PWM) unit 5 which is designed to drive the inverter 4 . The PWM unit 5 can receive predetermined voltages 7 from a controller 6 for driving the inverter 4 or additional high-frequency voltages 9 from a high-frequency excitation unit 8, the high-frequency voltages 9 being added to the predetermined voltages 7 and as injection voltages 10 from the PWM -Unit 5 are converted into corresponding PWM duty cycles are obtained. A PWM duty cycle is defined as a ratio of a voltage pulse duration and a PWM period duration.

Das Antriebssystem 1 weist für wenigstens eine erste Phase und eine zweite Phase je einen Stromsensor 11 auf, wobei lediglich ein Stromsensor 11 exemplarisch in 1 dargestellt ist. Mittels der Stromsensoren 11 kann jeweils ein entsprechender Phasenstrom 12 gemessen werden. Die Stromsensoren 11 können beispielsweise als Messwiderstände oder als Hallsensoren ausgestaltet sein. Werte der gemessenen Phasenströme 12 können sowohl dem Regler 6 als auch einer Rotorlageeinheit 13 bereitgestellt werden. Die Rotorlageeinheit 13 ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von den Phasenströme 12 und den hochfrequenten Spannungen 9 eine Position des Rotors 2 zu bestimmen und die Position des Rotors 2 dem Regler 6 bereitzustellen. Der Regler 6 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von den Phasenströmen 12 und von der Position des Rotors 2 die vorgegebenen Spannungen 7 zu bestimmen. Die vorgegebenen Spannungen 7 werden mit den hochfrequenten Spannungen 9 addiert und eine Summe als Injektionsspannungen 10 an die PWM-Einheit 5 übermittelt.The drive system 1 has a current sensor 11 for at least a first phase and a second phase, with only one current sensor 11 being shown as an example in 1 is shown. A corresponding phase current 12 can be measured in each case by means of the current sensors 11 . The current sensors 11 can be designed, for example, as measuring resistors or as Hall sensors. Values of the measured phase currents 12 can be made available both to the controller 6 and to a rotor position unit 13 . The rotor position unit 13 is designed to determine a position of the rotor 2 as a function of the phase currents 12 and the high-frequency voltages 9 and to make the position of the rotor 2 available to the controller 6 . The controller 6 is set up to determine the specified voltages 7 as a function of the phase currents 12 and the position of the rotor 2 . The specified voltages 7 are added to the high-frequency voltages 9 and a sum is transmitted to the PWM unit 5 as injection voltages 10 .

Das Antriebssystem 1 weist ferner einen Drehzahlregler 14 auf. Der Drehzahlregler 14 kann beispielsweise als PI- oder PID-Regler ausgebildet sein. Der Drehzahlregler 14 ist dazu ausgebildet, auf Basis einer Position des Rotors 2 eine Drehzahl des Rotors 2 zu regeln, indem der Drehzahlregler 14 dem Regler 6 Informationen darüber bereitstellt, wie Solldrehmomente, Sollphasenströme bzw. die vorgegebenen Spannungen 7 zu modifizieren sind, um eine gewünschte Drehzahl zu erreichen. Der Drehzahlregler 14 kann dabei die Position des Rotors 2 von der Rotorlageeinheit 13 oder von einer BEMF-Einrichtung 15 zu erhalten. Die BEMF-Einrichtung 15 ist dazu ausgebildet, die Position des Rotors 2 auf Grundlage von in den Wicklungssträngen des Stators 3 induzierten Spannungen bzw. BEMF-Spannungen zu ermitteln. Die BEMF-Einrichtung 15 kann auch entfallen.The drive system 1 also has a speed controller 14 . The speed controller 14 can be designed, for example, as a PI or PID controller. The speed controller 14 is designed to control a speed of the rotor 2 on the basis of a position of the rotor 2 by the speed controller 14 providing the controller 6 with information about how setpoint torques, setpoint phase currents or the specified voltages 7 are to be modified in order to achieve a desired to reach speed. The speed controller 14 can obtain the position of the rotor 2 from the rotor position unit 13 or from a BEMF device 15 . The BEMF device 15 is designed to determine the position of the rotor 2 on the basis of voltages or BEMF voltages induced in the phase windings of the stator 3 . The BEMF device 15 can also be omitted.

2 zeigt schematisch Verfahrensschritte 21, 22 eines Verfahrens 20 zum Betreiben des sensorlosen Antriebssystems 1 der 1. 2 shows schematically method steps 21, 22 of a method 20 for operating the sensorless drive system 1 of FIG 1 .

In einem ersten Verfahrensschritt 21 wird eine Position des Rotors 2 ermittelt, d.h. einen Winkelposition in Bezug auf den Stator 3. In einem zweiten Verfahrensschritt 22 wird die Drehzahl des Rotors 2 auf Basis der ermittelten Position des Rotors 2 geregelt. Die Verfahrensschritte 21, 22 werden unterhalb einer Mindestdrehzahl durchgeführt. Die Mindestdrehzahl beträgt 10% einer Nenndrehzahl des Rotors 2 des Antriebssystems 1.In a first method step 21, a position of the rotor 2 is determined, i.e. an angular position in relation to the stator 3. In a second method step 22, the speed of the rotor 2 is controlled on the basis of the determined position of the rotor 2. Method steps 21, 22 are carried out below a minimum speed. The minimum speed is 10% of a nominal speed of the rotor 2 of the drive system 1.

Beim Verfahren 20 wird also ein Positionsschätzverfahren angewandt, das insbesondere für einen niedrigen Drehzahlbereich vorgesehen ist. Der niedrige Drehzahlbereich umfasst Drehzahlen von null Umdrehungen bis zur Mindestdrehzahl. In diesem Drehzahlbereich können keine BEMF-Verfahren verwendet werden, um die Position des Rotors 2 zu bestimmen. Da die BEMF-Spannung proportional zur Drehzahl ist, können sie lediglich für Drehzahlen ab der Mindestdrehzahl. Unterhalb der Mindestdrehzahl überwiegen Rausanteile im Spanungssignal. Problematisch bei Verfahren, die die BEMF verwenden ist insbesondere, dass die Messung beim Starten des Antriebssystems 1 aufgrund von sehr kleinen rückinduzierten Spannungen versagt.In the case of the method 20, a position estimation method is therefore used which is provided in particular for a low speed range. The low speed range includes speeds from zero revs to minimum revs. In this speed range, no BEMF methods can be used to determine the position of the rotor 2. Because the BEMF voltage is proportional to the speed, they can only be used for speeds above the minimum speed. Below the minimum speed, noise components in the voltage signal predominate. A particular problem with methods that use the BEMF is that the measurement fails when the drive system 1 is started due to very small back-induced voltages.

Das Verfahren 20 ermöglicht es, dass Drehzahlen auch im Bereich unterhalb der Mindestdrehzahl gezielt eingeregelt bzw. eingestellt werden können. Außerdem bietet das Verfahren 20 den Vorteil, dass das Antriebssystem 1 derart gestartet werden kann, dass die Drehzahl des Rotors 2 auf Basis der ermittelten Position des Rotors 2 vom Stillstand des Rotors 2 an geregelt und einer zunächst zunehmenden Last entsprechend eingestellt werden kann. Dies liegt daran, dass bereits im Stillstand des Rotors 2 Informationen über die Position des Rotors 2 vorliegen, auf deren Basis die Drehzahl geregelt werden kann. Dadurch ist kein sogenanntes blindes Starten des Antriebssystems 1 erforderlich. Die Drehzahl des Rotors 2 kann im Betrieb des Antriebssystems 1 beispielsweise bis zu einer Verwendung eines maximalen Drehmoments des Antriebssystems 1 auf Basis der ermitteln Position des Rotors 2 geregelt werden. Dadurch kann beispielsweise eine maximale Beschleunigung des Rotors 2 bewirkt oder eine gewisse Last überwunden werden. Im Gegensatz dazu steht beim blinden Starten des Antriebssystems 1 lediglich ein Teilmoment des maximalen Drehmoments zur Verfügung.The method 20 makes it possible for speeds to also be controlled or adjusted in a targeted manner in the range below the minimum speed. The method 20 also offers the advantage that the drive system 1 can be started in such a way that the speed of the rotor 2 can be controlled based on the determined position of the rotor 2 from the standstill of the rotor 2 and can be adjusted accordingly to an initially increasing load. This is due to the fact that information about the position of the rotor 2 is already available when the rotor 2 is at a standstill, on the basis of which the speed can be controlled. As a result, no so-called blind starting of the drive system 1 is required. The rotational speed of the rotor 2 can be regulated during operation of the drive system 1, for example up to a maximum torque of the drive system 1 based on the determined position of the rotor 2. As a result, for example, a maximum acceleration of the rotor 2 can be brought about or a certain load can be overcome. In contrast to this, only a partial torque of the maximum torque is available when the drive system 1 is started blindly.

Nach dem Erreichen der Mindestdrehzahl kann die Drehzahl des Rotors 2 in einem optionalen dritten Verfahrensschritt 23 auf Basis einer auf einer elektromotorischen Gegenkraft ermittelten Position des Rotors 2 geregelt werden. Hierzu kann die BEMF-Einrichtung 15 des Antriebssystems 1 verwendet werden. Mittels der BEMF-Einrichtung 15 wird die Position des Rotors 2 ermittelt und dem Drehzahlregler 14 und dem Regler 6 bereitgestellt, um die Drehzahl auf Basis der mittels der BEMF-Einrichtung 15 ermittelten Position des Rotors 2 zu regeln. Unterschreitet die Drehzahl des Rotors 2 die Mindestdrehzahl, kann die Drehzahl in einem weiteren optionalen Verfahrensschritt 24 erneut auf Basis der im Rahmen des ersten Verfahrensschritts 21 ermittelten Position des Rotors 2 geregelt werden, also nicht mittels der BEMF-Einrichtung 15, sondern auf Basis der unterhalb der Mindestdrehzahl ermitteln Position des Rotors 2. Das Verfahren 20 bietet also den Vorteil, dass je nach Drehzahlbereich unterschiedliche Positionsschätzungsverfahren zum Ermitteln der Position des Rotors 2 verwendet werden können, die jeweils für den betreffenden Drehzahlbereich konzipiert sind und diesen abdecken. Durch den drehzahlgeregelten Ansatz über den kompletten DrehzahlBereich, also auch bei kleinen Drehzahlen bis zum Stillstand, kann das Antriebssystem 1 trotz Lastmomenten-Variationen und hohen Lastmomenten bis hin zum Nennmoment effizient gestartet werden.After the minimum speed has been reached, the speed of the rotor 2 can be regulated in an optional third method step 23 on the basis of a position of the rotor 2 determined on the basis of an electromotive counterforce. The BEMF device 15 of the drive system 1 can be used for this. The position of the rotor 2 is determined by means of the BEMF device 15 and made available to the speed controller 14 and the controller 6 in order to regulate the speed on the basis of the position of the rotor 2 determined by means of the BEMF device 15 . If the speed of the rotor 2 falls below the minimum speed, the speed can be controlled again in a further optional method step 24 based on the position of the rotor 2 determined as part of the first method step 21, i.e. not by means of the BEMF device 15, but on the basis of the below the minimum speed determine the position of the rotor 2. The method 20 thus offers the advantage that, depending on the speed range, different position estimation methods can be used to determine the position of the rotor 2, which are each designed for the relevant speed range and cover it. Due to the speed-controlled approach over the entire speed range, ie even at low speeds up to a standstill, the drive system 1 can be started efficiently up to the nominal torque despite load torque variations and high load torques.

Für den unteren Drehzahlbereich bis zur Mindestdrehzahl kann im Rahmen des ersten Verfahrensschritts 21 ein beliebiges geeignetes Positionsschätzverfahren verwendet werden. Beispielsweise kann ein sogenanntes anisotropiebasiertes Injektionsverfahren zum Ermitteln der Position des Rotors 2 unterhalb der Mindestdrehzahl verwendet werden. Hierbei erfolgt das Ermitteln der Position des Rotors 2 dadurch, dass positionsabhängige Änderungen von Phasenströmen in den Wicklungsstränge des Antriebssystems 1 erzeugt, gemessen und ausgewertet werden.Any suitable position estimation method can be used for the lower speed range up to the minimum speed within the framework of the first method step 21 . For example, a so-called anisotropy-based injection method can be used to determine the position of the rotor 2 below the minimum speed. Here, the position of the rotor 2 is determined by generating, measuring and evaluating position-dependent changes in phase currents in the phase windings of the drive system 1 .

2 zeigt schematisch Schritte 31, 32, 33, 34, 35 eines beispielhaften Injektionsverfahrens 30, das im Rahmen des ersten Verfahrensschritts 21 des Verfahrens 20 durchgeführt werden kann. 2 12 schematically shows steps 31, 32, 33, 34, 35 of an exemplary injection method 30, which can be carried out as part of the first method step 21 of the method 20.

In einem ersten Schritt 31 werden Injektionsspannungen 10 während einer Reglerabtastperiode bestimmt. Die Injektionsspannungen 10 setzen sich aus den von dem Regler 6 vorgegebenen Spannungen 7 und den von der Hochfrequenz-Anregungseinheit 8 bereitgestellten zusätzlichen hochfrequenten Spannungen 9 zusammen. Die vorgegebenen Spannungen 7 sorgen hierbei für den gewünschten Betrieb des Antriebssystems 1. Durch die hochfrequenten Spannungen kann des Weiteren eine lageabhängige Stromänderung erzielt werden, wobei aus dieser Stromänderung Rückschlüsse auf die Position des Rotors 2 der getroffen werden können. Unter Reglerabtastperiode ist hierbei die Zeitdauer zwischen zwei Reglerabtastschritten zu verstehen, welche dazu dienen, die an das Antriebssystem 1 anzulegenden Injektionsspannungen zu bestimmen. Eine Reglerabtastperiode kann hierbei größer gewählt werden als eine PWM-Periodendauer, wodurch mehrere PWM-Perioden in eine Reglerabtastperiode Fallen können. Die Dauer der Reglerabtastperiode kann beispielsweise derart gewählt werden, dass die Reglerabtastperiode um ein Vielfaches größer ist als die PWM-Periodendauer.In a first step 31, injection voltages 10 are determined during a controller sampling period. The injection voltages 10 are composed of the voltages 7 specified by the controller 6 and the additional high-frequency voltages 9 provided by the high-frequency excitation unit 8 . The specified voltages 7 ensure the desired operation of the drive system 1. Furthermore, a position-dependent current change can be achieved by the high-frequency voltages, and conclusions can be drawn about the position of the rotor 2 from this current change. The term controller sampling period is to be understood here as the length of time between two controller sampling steps, which are used to determine the injection voltages to be applied to the drive system 1 . In this case, a controller sampling period can be selected to be longer than a PWM period duration, as a result of which a number of PWM periods can fall within one controller sampling period. The duration of the controller sampling period can be selected, for example, in such a way that the controller sampling period is many times greater than the PWM period duration.

In einem zweiten Schritt 32 werden PWM-Tastverhältnisse in Abhängigkeit von den bestimmen Injektionsspannungen 10 derartig bestimmt, dass jeweils ein passiver Schaltzustand in einer PWM-Perioden-Mitte und/oder an einem PWM-Perioden-Ende endet. Hierfür rechnet die PWM-Einheit 5 die bestimmten Injektionsspannungen 10 in PWM-Tastverhältnisse um. Unter passivem Schaltzustand ist zu verstehen, dass alle Phasen des Antriebssystems 1 auf dem gleichen Potential liegen und folglich kurzgeschlossen sind. Das Gegenteil hiervon ist entsprechend ein aktiver Schaltzustand. Ein passiver Schaltzustand endet, sobald die Spannung wenigstens einer der auf gleichem Potential befindlichen Phasen umgeschaltet wird.In a second step 32, PWM duty cycles are determined as a function of the determined injection voltages 10 in such a way that a passive switching state ends in a PWM period middle and/or at a PWM period end. For this purpose, the PWM unit 5 converts the determined injection voltages 10 into PWM duty cycles. A passive switching state means that all phases of the drive system 1 are at the same potential and are consequently short-circuited. The opposite of this is correspondingly an active switching state. A passive switch state ends as soon as the voltage of at least one of the phases at the same potential is switched.

In einem dritten Schritt 33 wird der Wechselrichter 4 mit den im zweiten Schritt 32 bestimmten PWM-Tastverhältnissen in wenigstens einer PWM-Periode nach der Reglerabtastperiode angesteuert, um das Antriebssystem 1 entsprechend anzusteuern.In a third step 33, the inverter 4 is controlled with the PWM pulse duty factors determined in the second step 32 in at least one PWM period after the controller sampling period in order to correspondingly control the drive system 1.

In einem vierten Schritt 34 wird wenigstens ein erster Phasenstrom 12 und ein zweiter Phasenstrom 12 PWM-synchron jeweils zeitgleich gemessen, um je einen Stromverlauf aller Phasenströme 12 zu erhalten, wobei das Messen innerhalb der wenigstens einen PWM-Periode jeweils im zeitlich letzten Drittel eines passiven Schaltzustands erfolgt. Insbesondere erfolgt das Messen der Phasenströme 12 hierbei am Ende des jeweiligen passiven Schaltzustands. Das Messen der Phasenströme 12 erfolgt während einer Reglerabtastperiode. Werden bei einem dreiphasig ausgestalteten Antriebssystem 1 beispielsweise lediglich der erste Phasenstrom 12 und der zweite Phasenstrom 12 gemessen, so kann ein dritter Phasenstrom 12 mittels des ersten Kirchhoffschen Gesetzes bestimmt werden. Alternativ kann der dritte Phasenstrom 12 ebenfalls gemessen werden.In a fourth step 34, at least a first phase current 12 and a second phase current 12 are PWM-synchronously measured in each case at the same time in order to obtain a current profile for all phase currents 12, with the measurement within the at least one PWM period in the last third of a passive Switching state takes place. In particular, the phase currents 12 are measured at the end of the respective passive switching state. The phase currents 12 are measured during a controller sampling period. If, for example, only the first phase current 12 and the second phase current 12 are measured in a three-phase drive system 1, a third phase current 12 can be determined using Kirchhoff's first law. Alternatively, the third phase current 12 can also be measured.

In einem fünften Schritt 35 wird die Position des Rotors 2 in Abhängigkeit von den gemessenen Phasenströmen 12 und den eingespeisten hochfrequenten Spannungen 9 bestimmt.In a fifth step 35, the position of the rotor 2 is determined as a function of the measured phase currents 12 and the high-frequency voltages 9 that are fed in.

Die Position des Rotors 2 kann hierbei insbesondere bestimmt werden, indem die Stromänderung bestimmt wird, welche durch das Verändern der vorgegebenen Spannung 7 im ersten Schritt 31 entsteht. Dabei erfolgt die Bestimmung der Stromänderung in Abhängigkeit von den im vierten Schritt 34 erhalten Stromverläufen der Phasenströme 12 und der eingespeisten hochfrequenten Spannungen 9. Hierfür werden die erhaltenen Stromverläufe in einen ersten Strom, welcher ohne Veränderung der vorgegebenen Spannungen 7 fließen würde, und einen zweiten Strom, welcher durch das Verändern der vorgegebenen Spannungen 7 erzeugt wird, unterteilt. Der zweite Strom kann beispielsweise bestimmt werden, indem eine Differenz der erhaltenen Phasenströme 12 gebildet wird. Des Weiteren kann der erste Strom beispielsweise bestimmt werden, indem ein Mittelwert aller erhaltenen Phasenströme 12 gebildet wird.In this case, the position of the rotor 2 can be determined in particular by determining the change in current which arises as a result of the change in the predetermined voltage 7 in the first step 31 . The current change is determined as a function of the current curves of the phase currents 12 and the fed-in high-frequency voltages 9 obtained in the fourth step 34. For this purpose, the current curves obtained are divided into a first current, which would flow if the specified voltages 7 had not changed, and a second current , which is generated by changing the predetermined voltages 7, subdivided. The second current can be determined, for example, by forming a difference between the phase currents 12 obtained. Furthermore, the first current can be determined, for example, by forming an average of all phase currents 12 that are obtained.

Eine zeitliche Änderung eines magnetischen Flusses in des Antriebssystems 1 induziert in den elektrisch leitfähigen Materialien dieses Antriebssystems 1 Wirbelströme. Bei geringen Drehzahlen ändern sich die magnetischen Flüsse vorwiegend in aktiven Schaltzuständen, in welchen unterschiedliche Phasen mit unterschiedlichen Potentialen des Wechselrichters 4 verbunden sind. Die Wirbelströme in der Antriebssystem 1 bewirken, dass jeder Phasenstrom einen Stromanteil beinhaltet, welcher nicht zu einer magnetischen Flussbildung beiträgt. Dies liegt darin begründet, dass sowohl der Phasenstrom als auch die Wirbelströme einen magnetischen Fluss erzeugen. Diese beiden Flussanteile wirken in entgegengesetzter Richtung und heben sich so teilweise auf. Sind die Wirbelströme abgeklungen, so ist der nicht-flussbildende Stromanteil vernachlässigbar klein. In Zeitabschnitten, in welchen die Phasen des Antriebssystems 1 dagegen kurzgeschlossen sind, ist die Änderung der magnetischen Flüsse sehr klein. In diesen Zeitabschnitten klingen daher die Wirbelströme ab. Aus diesem Grund erfolgt das Messen der Phasenströme 12 innerhalb der wenigstens einen PWM-Periode jeweils im zeitlich letzten Drittel eines passiven Schaltzustands. Dadurch ist das Injektionsverfahren 30 insbesondere für Drehzahlen unterhalb der Mindestdrehzahl geeignet.A change over time in a magnetic flux in the drive system 1 induces eddy currents in the electrically conductive materials of this drive system 1 . At low speeds, the magnetic fluxes change predominantly in active switching states in which different phases are connected to different potentials of the inverter 4. The eddy currents in the drive system 1 cause each phase current to contain a current component that does not contribute to magnetic flux formation. This is because both the phase current and the eddy currents generate magnetic flux. These two flow components act in opposite directions and thus partially cancel each other out. Once the eddy currents have subsided, the non-flux-forming current component is negligibly small. In contrast, in periods in which the phases of the drive system 1 are short-circuited, the change in the magnetic fluxes is very small. The eddy currents therefore subside in these periods of time. For this reason, the phase currents 12 are measured within the at least one PWM period in the last third of a passive switching state. As a result, the injection method 30 is particularly suitable for speeds below the minimum speed.

In einem alternativen, nicht bildlich dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 20 regelmäßig neu gestartet werden, um fortlaufend die Position des Rotors 2 des Antriebssystems 1 zu bestimmen.In an alternative exemplary embodiment that is not illustrated, the method 20 can be restarted regularly in order to continuously determine the position of the rotor 2 of the drive system 1 .

Claims

Method (20) for operating a sensorless drive system (1) with the following method steps (21, 22): - Determining a position of a rotor (2) of the drive system (1), - Controlling a speed of the rotor (2) based on the determined position of the rotor (2), wherein the method steps (21, 22) are carried out below a minimum speed of the rotor (2), where the minimum speed corresponds to ten percent of a nominal speed of the rotor (2).

Method (20) according to claim 1 , wherein the regulation of the speed based on the determined position of the rotor (2) for starting the drive system (1) is used.

Method (20) according to claim 1 or 2 , wherein the rotational speed of the rotor (2) during operation of the drive system (1) is regulated up to a use of a maximum torque of the drive system (1) on the basis of the determined position of the rotor (2).

Method (20) according to any one of Claims 1 and 2 with the following additional process step (23): - Controlling the speed after reaching the min minimum speed based on a position of the rotor (2) determined by an electromotive counterforce.

Method (20) according to claim 4 with the following additional method step (24), - controlling the speed of the rotor (2) after falling below the minimum speed on the basis of the position of the rotor (2) determined below the minimum speed.

Method (20) according to one of the preceding claims, in which the position of the rotor (2) is determined by generating, measuring and evaluating position-dependent changes in phase currents (12) in the phase windings of the drive system (1).

Method (20) according to claim 6 , wherein the determination of the position of the rotor (2) comprises the following steps (31, 32, 33, 34, 35): - determining injection voltages (10) during a controller sampling period, the injection voltages (10) arising from a controller (6 ) to control the drive system (1) predetermined voltages (7) and additional high-frequency voltages (9) provided by a high-frequency excitation unit (8), - determining pulse width modulation duty cycles depending on the determined injection voltages (10), wherein the pulse width modulation - duty cycles are determined in such a way that a passive switching state ends in a PWM period middle and/or at a PWM period end, - activation of an inverter (4) of the drive system (1) by means of a PWM unit (5) on the basis of the determined pulse width modulation duty cycles in at least one PWM period after the controller sampling period, - synchronous measurement of at least a first phase enstroms (12) and a second phase current (12) and determination of all phase currents (12) of the drive system (1), wherein the measurement within the at least one PWM period takes place in the temporally last third of the passive switching state, - determining the position of the rotor (2) as a function of the phase currents (12) and the additional high-frequency voltages (9).

Drive system (1) with a rotor (2), a stator (3), an inverter (4), a PWM unit (5), a controller (6), a high-frequency excitation unit (8), a current sensor (11) , A rotor position unit (13) and a speed controller (14), characterized in that the drive system (1) is designed to be operated by the method according to any one of the preceding claims.

Drive system (1) according to claim 1 , wherein the drive system (1) is designed as a drive for a refrigerant compressor.