DE102021200137A1 - Method of operating a sensorless propulsion system - Google Patents
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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:
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1 ein sensorloses Antriebssystem; und -
2 ein Verfahren zum Betreiben des sensorlosen Antriebssystems.
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1 a sensorless propulsion system; and -
2 a method of operating the sensorless propulsion system.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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EP2023479A1 (en) | 2007-08-06 | 2009-02-11 | Baumüller Nürnberg Gmbh | System for seamless velocity and/or location determination including standstill for a permanent magnet rotor of an electric machine |
DE102019208497A1 (en) | 2019-06-12 | 2020-12-17 | Robert Bosch Gmbh | Method for determining a rotor position of an electrical, rotating machine and an electrical, rotating machine for carrying out such a method |
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2021
- 2021-01-11 DE DE102021200137.8A patent/DE102021200137A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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