DE102022116127A1

DE102022116127A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels in einer Auslaufphase, Motorsystem und Haushaltsgerät

Info

Publication number: DE102022116127A1
Application number: DE102022116127.7A
Authority: DE
Inventors: Eugen Balzer
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels ϕ in einer Auslaufphase eines Synchronmotors (1), der von einem Umrichter (9) angesteuert wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, die von dem Umrichter (9) ausgeführt werden: Aufnehmen von Messwerten des Motorstroms des Synchronmotors (1); Transformieren der Messwerte des Motorstroms in ein statorfestes orthogonales α-β-Koordinatensystem und ein rotorfestes orthogonales d-q-Koordinatensystem durch die Regelvorrichtung, wobei das rotorfeste d-q-Koordinatensystem in Bezug zum statorfesten α-β-Koordinatensystem um den Rotorwinkel ϕ gedreht ist. Ab einem Zeitpunkt t0werden die folgenden Schritte ausgeführt: Deaktivieren des überlagerten Regelkreises zur Regelung der Motordrehzahl; Setzen der Sollwerte für den Motorstrom im unterlagerten Regelkreis im rotorfesten d-q-Koordinatensystem für alle Koordinaten auf den Wert 0 und Ermitteln des Rotorwinkels ϕ auf Basis der Sollwerte der Motorspannungen im statorfesten α-β-Koordinatensystem, die durch den unterlagerten Regelkreis ausgegeben werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Motorsystem mit einem Synchronmotor (1) und einem Umrichter (9), ein Haushaltsgerät mit einem Motorsystem und die Verwendung des im erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Rotorwinkels ϕ beim Ansteuern des Synchronmotors (1) des Motorsystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels in einer Auslaufphase eines Synchronmotors, ein Motorsystem, ein Haushaltsgerät mit dem Motorsystem und eine Verwendung des bestimmten Rotorwinkels in einer Anfahrphase des Synchronmotors. Der Gegenstand der Erfindung ist in den beigefügten Patentansprüchen definiert.
Synchronmotoren finden in vielen Haushaltsgeräten Verwendung. Typische Haushaltsgeräte, in denen Synchronmotoren eingesetzt werden, sind Waschmaschinen, Trockner oder Waschtrockner für den privaten oder gewerblichen Gebrauch.
Ein Synchronmotor, der auch Synchronmaschine genannt wird, umfasst typischerweise einen Stator und einen im Stator drehbar gelagerten Rotor. In typischen Ausführungen umfasst der Stator Statorwicklungen, die oft dreisträngig ausgeführt sind. Es gibt jedoch auch Ausführungen mit n Strängen. Die Stränge werden auch Wicklungsstränge oder Motorphasen genannt. Der Rotor umfasst üblicherweise Permanentmagnete als magnetfelderzeugende Elemente. Es sind aber auch umgekehrte Aufbauten bekannt, in denen der Stator Permanentmagnete aufweist und der Rotor Wicklungsstränge aufweist. In dem Fall, dass der Stator Statorwicklungen und der Rotor Permanentmagnete umfasst, wird der Synchronmotor als BLPM (Brushless Permanent Magnet) oder als PMSM (Permanent Magnet Synchron Motor) bezeichnet.
Synchronmotoren werden typischerweise mittels eines Umrichters angesteuert. Ein Umrichter zur Ansteuerung eines Synchronmotors weist typischerweise einen Gleichrichter, einen Wechselrichter und eine Regelvorrichtung auf. Der Gleichrichter richtet die Phasen der Netzspannung gleich und stellt eine Gleichspannung und einen Massepol bereit. Der Wechselrichter erzeugt aus der Gleichspannung des Gleichrichters eine Wechselspannung. Der Wechselrichter wird in Abhängigkeit von einem Signal der Regelvorrichtung angesteuert. Mit der Spannung des Wechselrichters wird dann der Synchronmotor betrieben. Der Umrichter umfasst typischerweise die gleiche Anzahl von Strängen wie der Synchronmotor.
Um einen Synchronmotor mit einem Umrichter ansteuern zu können, ist die Winkelinformation über den Rotor relativ zum Stator, der sogenannte Rotorwinkel ϕ, erforderlich. Der Rotorwinkel ϕ ist dabei eine wichtige Eingangsgröße, welche von der Regelvorrichtung des Umrichters benötigt wird. Die Kenntnis des Rotorwinkels ϕ ist insbesondere beim sogenannten Anfahren, d.h. beim Hochfahren der Motordrehzahl des Synchronmotors aus einem Stillstandszustand in einen stationären Betriebszustand, besonders wichtig. Zur Ermittlung des Rotorwinkels kann beispielsweise ein Rotorlagegeber eingesetzt werden. Bei Haushaltsgeräten wird oft jedoch aus Kostengründen auf einen Rotorlagegeber verzichtet.
Um dennoch das Anlaufen eines Synchronmotors zu ermöglichen, sind im Stand der Technik unterschiedliche Verfahren zur Regelung eines Synchronmotors ohne Rotorlagegeber bekannt. Die bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass in dem Fall, dass der Motor ausgeschaltet wird und austrudelt, dem Frequenzumrichter keine Winkelinformation mehr für den Wiederanlauf des Synchronmotors vorliegen.
Um dieses Problem zu beseitigen, kann die Phasenspannung gemessen werden, um die vom Rotor in die Statorwicklungen induzierte Spannung messen zu können. Aus der induzierten Spannung kann dann auf die Rotorposition geschlossen werden und beim Wiederanlauf verwendet werden. Dadurch können unerwünschte Vibrationen oder Schwingungen des Synchronmotors während der Anlaufphase des Synchronmotors aus dem Stillstand vermieden werden.
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch die Notwendigkeit zusätzlicher technischer Messeinrichtungen, um die induzierten Spannungen zu messen. Dadurch steigt sowohl die technische Komplexität des Umrichters bzw. des Haushaltsgeräts als auch die Fehleranfälligkeit bzw. die Ausfallwahrscheinlichkeit der Geräte und letztlich ihre Herstellungskosten aufgrund zusätzlicher Bauteile, zusätzlich benötigtem Bauraum und dem zusätzlichen Bestückungsaufwand von Leiterkarten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Erkennung des Rotorwinkels ohne zusätzliche Messeinrichtungen oder Messungen, um so die Nachteile im Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erkennung des Rotorwinkels ohne eine Messung der Phasenspannung.
Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren, das in Anspruch 11 beschriebene Motorsystem, das in Anspruch 12 beschriebene Haushaltsgerät sowie die in Anspruch 14 beschriebene Verwendung beschrieben. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels Φ in einer Auslaufphase eines Synchronmotors gemäß Anspruch 1 gelöst. In dem erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels Φ in einer Auslaufphase eines Synchronmotors, der von einem Umrichter angesteuert wird, umfasst der Synchronmotor einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor in dem Stator drehbar gelagert ist, wobei wenigstens der Stator oder der Rotor wenigstens zwei separate Wicklungsstränge umfasst und der jeweils andere Rotor oder Stator wenigstens ein magnetfelderzeugendes Element aufweist, wobei der Umrichter einen Gleichrichter, einen Wechselrichter und eine Regelvorrichtung umfasst, wobei die Regelvorrichtung den Wechselrichter ansteuert, wobei die Regelvorrichtung eine Kaskadenregelung mit wenigstens einem überlagerten Regelkreis zur Regelung einer Motordrehzahl des Synchronmotors und wenigstens einem unterlagerten Regelkreis zur Regelung eines Motorstroms des Synchronmotors aufweist, wobei der unterlagerte Regelkreis eingerichtet ist, Sollwerte für Motorspannungen auszugeben, wobei die folgenden Schritte durch den Umrichter ausgeführt werden:

• Aufnehmen von Messwerten des Motorstroms des Synchronmotors,
• Transformieren der Messwerte des Motorstroms in ein statorfestes orthogonales α-β-Koordinatensystem und ein rotorfestes orthogonales d-q-Koordinatensystem durch die Regelvorrichtung, wobei das rotorfeste d-q-Koordinatensystem in Bezug zum statorfesten α-β-Koordinatensystem um den Rotorwinkel ϕ gedreht ist,
• wobei ab einem Zeitpunkt t₀ die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- ◯ Deaktivieren des überlagerten Regelkreises zur Regelung der Motordrehzahl,
- ◯ Setzen der Sollwerte für den Motorstrom im unterlagerten Regelkreis im rotorfesten d-q-Koordinatensystem für alle Koordinaten auf den Wert 0,
- ◯ Ermitteln des Rotorwinkels ϕ auf Basis der Sollwerte der Motorspannungen im statorfesten α-β-Koordinatensystem, die durch den unterlagerten Regelkreis ausgegeben werden.

Im Sinne der Erfindung korrespondiert der Rotorwinkel ϕ zusätzlich zum Drehwinkel des rotorfesten d-q-Koordinatensystems in Bezug zum statorfesten α-β-Koordinatensystem mit dem Drehwinkel des Rotors relativ zum Stator.
Eine Auslaufphase im Sinne der Erfindung beschreibt einen Betriebszustand des Synchronmotors, in dem der Synchronmotor nicht mehr mit einer Spannung versorgt wird und somit kein Drehmoment mehr liefert. In diesem Betriebszustand läuft der Synchronmotor lediglich aus. Dieses Auslaufen wird auch Austrudeln genannt.
Im Sinne der Erfindung werden die wenigstens zwei separaten Wicklungssträngen durch zwei Phasen der Netzspannung unmittelbar oder mittelbar über einen Umrichter mit Spannung versorgt. Wicklungsstränge von Motoren, insbesondere Synchronmotoren, sind dabei im Stand der Technik allgemein bekannt. Bevorzugt weist der Stator zwei oder mehr Wicklungsstränge auf.
Ein magnetfelderzeugendes Element ist beispielsweise ein oder mehrere Permanentmagnete.
Eine in dem Umrichter umfasste Regelvorrichtung kann im Sinne der Erfindung ein Mikroprozessor, Mikrocomputer oder Mikrocontroller sein, der über die notwendigen Ein- und Ausgänge verfügt und eingerichtet ist, die entsprechenden überlagerten und unterlagerten Regelkreise teilweise oder ganz umzusetzen und die Regelungen auszuführen. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise computerimplementiert sein und von der Regelvorrichtung ausgeführt werden.
Eine Kaskadenregelung im Sinne der Erfindung ist eine Verkettung bzw. Hintereinanderschaltung mehrerer Regler, wodurch die zugehörigen Regelkreise ineinander geschachtelt sind. Die Ausgangsgröße eines Reglers, des sogenannten Führungsreglers, dient dabei als Führungsgröße für einen anderen, des sogenannten Folgereglers. Die Gesamtregelstrecke wird dadurch in kleinere Teilstrecken untergliedert. Gegenüber einem direkt wirkenden Regler erhöht sich dadurch die Regeldynamik. Der zum Führungsregler zugehörige Regelkreis bildet einen äußeren Regelkreis, der im Rahmen dieser Erfindung auch überlagerter Regelkreis genannt wird. Der zum Folgeregler zugehörige Regelkreis bildet einen inneren Regelkreis, der im Rahmen dieser Erfindung auch unterlagerter Regelkreis genannt wird. Im Sinne der Erfindung hat der überlagerte Regelkreis die Aufgabe der Regelung der Motordrehzahl des Synchronmotors, der unterlagerte Regelkreis die Aufgabe der Regelung des Motorstroms des Synchronmotors.
Im Sinne der Erfindung haben gemessene Werte oder Sollwerte eines Motorstroms in der Regel abhängig vom Koordinatensystem zwei oder drei Komponenten. Im Koordinatensystem der Werte der drei jeweils um 120° verschobenen Phasen der Netzspannung kann ein gemessener Wert oder ein Sollwert des Motorstroms entsprecht als dreikomponentiger Vektor dargestellt werden. In einem zweikomponentigen Koordinatensystem kann der gemessene Wert bzw. der Sollwert des Motorstroms entsprechend als zweikomponentiger Vektor dargestellt werden. Gleiches gilt im Sinne der Erfindung analog für einen gemessenen Wert oder einen Sollwert einer Motorspannung des Synchronmotors. Die gemessenen Werte und Sollwerte des Motorstroms und/oder der Motorspannung können insbesondere in Abhängigkeit von der Zeit variabel sein.
Im Sinne der Erfindung umfasst das Transformieren der Messwerte und/oder Sollwerte des Motorstroms (und analog dazu gemessene Werte oder Sollwerte der Motorspannung des Synchronmotors) eine Clarke-Transformation der vorgenannten Werte von dem Koordinatensystem der Netzspannung mit drei Basisvektoren (d.h. um je 120° zueinander in der Ebene gedrehte Vektoren) in ein Koordinatensystem mit zwei orthogonalen Basisvektoren α und β im α-β-Koordinatensystem. Dieses Koordinatensystem ist statorfest. Der Clarke-Transformation kann oder wird eine weitere Transformation, eine sogenannte Park- oder auch d/q-Transformation, angeschlossen. Bei der Park-Transformation wird das α-β-Koordinatensystem in das d-q-Koordinatensystem mit den orthogonalen Basisvektoren d und q durch Drehung um den Rotorwinkel ϕ überführt. Das d-q-Koordinatensystem ist rotorfest. Sowohl die Clarke- als auch die Park-Transformation sind im Stand der Technik bekannt und werden typischerweise im Rahmen der Vektorregelung von Synchronmotoren zur Reduzierung der Komplexität und Vereinfachung der Regelung eingesetzt.
Mit Hilfe der vorgenannten Transformationen ist aus dem von dem unterlagerten Regelkreis ausgegebenen Sollwert der Motorspannung der Rotorwinkel ϕ bestimmbar:

Im Koordinatensystem der Netzspannung mit je drei um 120° zueinander gedrehten Basisvektoren umfasst der Sollwert(-vektor) der Motorspannung die Werte u₁, u₂, u₃.

Durch Anwendung einer Clarke-Transformation ergeben sich für den Sollwert(-vektor) der Motorspannung im α-β-Koordinatensystem die Werte u_α und u_β: $\begin{array}{l} u_{α} = 2 / 3 \cdot [u_{1} \cdot cos (0) + u_{2} \cdot cos (2 π / 3) + u_{3} \cdot cos (4 π / 3)] \\ = 2 / 3 \cdot [u_{1} - 1 / 2 \cdot u_{2} - 1 / 2 \cdot u_{3}] \end{array}$
$\begin{array}{l} u_{β} = 2 / 3 \cdot [u_{1} \cdot sin (0) + u_{2} \cdot sin (2 π / 3) + u_{3} \cdot cos (4 π / 3)] \\ = 2 / 3 \cdot \sqrt 3 / 2 \cdot (u_{2} - u_{3}) \\ = 1 / \sqrt 3 \cdot (u_{2} - u_{3}) . \end{array}$
Eine Drehung des α-β-Koordinatensystems um den Rotorwinkel ϕ ergibt die Komponenten u_d und u_q des Sollwert(-vektors) der Motorspannung im d-q-Koordinatensystem: $u_{d} = cos (ϕ) \cdot u_{α} + sin (ϕ) \cdot u_{β}$
$u_{q} = - sin (ϕ) \cdot u_{α} + cos (ϕ) \cdot u_{β}$
In dem Fall, dass der Synchronmotor unbestromt ist, ergibt sich für u_d: $u_{d} = 0.$
Unter Ausnutzung des Satzes des Pythagoras kann folgender Zusammenhang genutzt werden: $u_{q} = \sqrt (u_{α}^{2} + u_{β}^{2}) .$
Damit ergibt sich für den Rotorwinkel ϕ: $ϕ = arctan (u_{β} {/u}_{α}) .$
Dies bedeutet, dass der Rotorwinkel ϕ zwischen dem Stator und dem Rotor des Synchronmotors aus den Clarke-transformierten Sollwerten der Motorspannung, welche durch den unterlagerten Regelkreis zur Regelung des Motorstroms ausgegeben werden, bestimmbar ist.
Werden nun erfindungsgemäß ab dem Zeitpunkt t₀ alle Sollwerte für den Motorstrom im unterlagerten Regelkreis im rotorfesten d-q-Koordinatensystem für alle Koordinaten auf den Wert 0 gesetzt, generiert die unterlagerte Regelung die Ausgangsspannungen derart, dass die Regelung die vom Rotor in die Statorwicklungen induzierten Spannungen nachbildet. Der Zeitpunkt t₀ ist bevorzugt ein Zeitpunkt, zu dem der Synchronmotor unbestromt ist und bei dem durch den Synchronmotor kein Drehmoment erzeugt wird. Beispielsweise mit Hilfe der Gleichung F7 ist dann der Rotorwinkel ϕ berechenbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass zur Bestimmung des Rotorwinkels ϕ auf die Messung der Phasenspannung verzichtet werden kann. Dadurch sind keine für die Phasenspannungsmessung notwendigen Messeinrichtungen notwendig, wodurch der Aufbau des Umrichters bzw. der Haushaltsmaschine deutlich vereinfacht werden kann. Zusätzlich sinken die Kosten und die Fehleranfälligkeit und Ausfallwahrscheinlichkeit des Umrichters bzw. des Haushaltsgeräts sinkt. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren leicht implementierbar, da hierzu lediglich eine Anpassung der Regelvorrichtung notwendig ist. Beispielsweise kann eine solche Anpassung durch ein Software-Update umgesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird nach dem Schritt des Ermittelns des Rotorwinkels ϕ folgender weiterer Schritt ausgeführt: Speichern des Rotorwinkels ϕ ab einem Zeitpunkt t_grenz.
Der Zeitpunkt t_grenz beschreibt dabei einen Zeitpunkt, der so früh gewählt ist, dass der Rotorwinkel noch mit einer ausreichenden Genauigkeit bestimmbar ist. Der Zeitpunkt t_grenz ist gleichzeitig so spät gewählt, dass der entstehende Rotorwinkelfehler des Rotorwinkels ϕ minimiert ist.
Das Speichern des Rotorwinkels kann beispielsweise eine Datenablage in einem Datenspeicher in der Regelvorrichtung sein. Beispielsweise kann der Datenspeicher ein RAM-, ROM-, oder EPROM- -Speicher sein, welcher ein Teil des Mikrocontrollers oder Mikroprozessors oder ein davon separater Teil in der Regelvorrichtung ist.
Je kleiner die Motordrehzahl beim Austrudeln wird, desto kleiner werden die vom Rotor in die Statorwicklungen induzierten Spannungen. Die Bestimmung des Rotorwinkels ϕ gemäß beispielsweise Gleichung F7 wird somit unmöglich, da beiden Größen u_α und u_β gegen null konvergieren. Ein Speichern der Rotorwinkels hat somit den Vorteil, dass ein mit ausreichender Genauigkeit bestimmter Rotorwinkel für den Wiederanlauf des Synchronmotors genutzt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung entspricht der Zeitpunkt t₀ den Beginn des Austrudelns des Synchronmotors.Hierbei wird kein Drehmoment erzeugt.
Dieser Zeitpunkt ist dem Frequenzumrichter bekannt.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist der frühestmögliche Zeitpunkt t_grenz der Zeitpunkt, bei dem die Spannung der q-Achse im d-q-Koordinatensystem einen maximalen Wert von 10 V unterschreitet.
Der Zeitpunkt t_grenz ist so früh zu wählen, dass er eine Bestimmung des Rotorwinkels ϕ mit ausreichender Genauigkeit erlaubt.
Bevorzugt ist der frühestmögliche Zeitpunkt t_grenz der Zeitpunkt, bei dem die Spannung auf der q-Achse einen maximalen Wert von bevorzugt 8 V, weiter bevorzugt 5 V unterschreitet. Diese Werte erlauben überraschenderweise eine ausreichende Genauigkeit bei der Bestimmung des Rotorwinkels ϕ.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erfolgt die Bestimmung des Rotorwinkels ϕ über die Formel ϕ = arctan(u_β/uα), wobei u_β dem Sollwert der Motorspannung auf der β-Achse im α-β-Koordinatensystem und u_α dem Sollwert der Motorspannung auf der der α-Achse im α-β-Koordinatensystem entspricht.
Diese Art der Bestimmung des Rotorwinkels ϕ ist besonders einfach umzusetzen und kann einfach in die Regelvorrichtung implementiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden zusätzlich oder alternativ ab dem Zeitpunkt t_grenz die folgenden Schritte ausgeführt werden:

• Deaktivieren des unterlagerten Regelkreises zur Regelung des Motorstroms,
• Kurzschließen keiner, einer, zweier oder aller Wicklungsstränge des Synchronmotors.

Im Sinne der Erfindung bedeutet ein Kurzschließen keiner, einer, zweier oder aller Wicklungsstränge, die auch Motorphasen genannt werden können, des Synchronmotors ein Verbinden keiner, einer, zweier oder aller Motorphasen mit einem Massepol, beispielsweise des Wechselrichters des Umrichters.
Bevorzugt weist der Wechselrichter pro Motorphase je einen High-Side-Transistor und einen Low-Side-Transistor auf. Der High-Side-Transistor ist mit der vom Gleichrichter bereitgestellten Gleichspannung verbunden. Der Low-Side-Transistor kann direkt oder zusätzlich in Reihe über einen Shunt-Widerstand mit dem Massepol verbunden sein. Die Motorphase wird zwischen dem High-Side-Transistor und dem Low-Side-Transistor abgegriffen.
Ein Kurzschließen einer Motorphase kann beispielsweise durch Einschalten des entsprechenden Low-Side-Transistors im Wechselrichter erfolgen. Ein Kurzschließen zweier oder aller Motorphasen kann beispielsweise durch Einschalten der entsprechenden Low-Side-Transistoren im Wechselrichter erfolgen. Dadurch wird eine Verbindung zwischen der Motorphase und dem Massepol hergestellt. Ein Kurzschließen keiner Motorphase kann beispielsweise durch das Ausschalten aller Low-Side-Transistoren erfolgen.
Im Fall einer, zweier oder aller kurzgeschlossener Motorphasen ist eine Drehbewegung von außen nur mit sehr hohem Drehmoment möglich. Der Rotor ist so lange in dem Rotorwinkel ϕ relativ zum Stator arretiert, bis ein Wiederanlauf erfolgt. Wird von außen der Rotor mit hohem Drehmoment weitergedreht, führt dies zu einem Motorstromfluss, der an den entsprechenden Shunt-Widerständen messbar ist. Dieser Stromfluss kann verwendet werden, um den Rotorwinkel erneut zu berechnen.
Somit ist mit einfachen Mitteln eine Drehung des Rotors des Synchronmotors zuverlässig detektierbar und die Neuberechnung des Rotorwinkels sichergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ab dem Zeitpunkt t₀ erneut ausgeführt, wenn ein Grenzwert für den gemessenen Motorstrom überschritten wird.
Der Grenzwert für den Motorstrom kann beispielsweise 3 %, bevorzugt 2 %, weiter bevorzugt 1 % des unbelasteten Motorstroms im Dauerbetrieb sein. Alternativ kann der Grenzwert für den Motorstrom der entsprechende Motorstrom sein, der dem Motorstrom zum Zeitpunkt t_grenz gemäß den oben beschriebenen Definitionen entspricht.
Bei Überschreiten des Grenzwerts des Motorstroms kann beispielsweise der zuvor deaktivierte unterlagerte Regelkreis reaktiviert werden und entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren der Rotorwinkel ermittelt werden.
Auch in diesem Fall ist mit einfachen Mitteln eine Drehung des Rotors des Synchronmotors zuverlässig detektierbar und die Neuberechnung des Rotorwinkels sichergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird das Verfahren mit einem Verfahren, in welchem durch Messung einer Phasenspannung des Synchronmotors ein zweiter Wert für einen Rotorwinkel ϕ bestimmt wird, kombiniert.
Bevorzugt erfolgt eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Messung der Phasenspannung einer Phase. Überschreitet der Messwert der Phasenspannung aufgrund einer Drehung des Rotors eine definierte Schwelle, kann die Regelvorrichtung erneut aktiviert und der Rotorwinkel ϕ wie zuvor beschrieben bestimmt werden. Alternativ kann auch analog eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Messung der Phasenspannung zweier Phasen erfolgen.
Dies hat den Vorteil, dass die bei einer Drehung des Synchronmotors aus dem Stillstand, z.B. händisch durch einen Nutzer, der geänderte Rotorwinkel erkannt und bestimmt werden kann. Dadurch kann wiederum ein Wiederanlaufen des Synchronmotors vereinfacht bzw. verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden die vom Umrichter ausgegebenen Sollwerte der Motorspannungen kompensiert.
Eine Kompensation der vom Umrichter ausgegebenen Sollwerte der Motorspannungen beschreibt im Sinne der Erfindung ein Ausgleich von Spannungsfehlern, welche beispielsweise aufgrund eingesetzter Bauteile im Umrichter entstehen. Beispiele für im Umrichter eingesetzte Bauteile, die Spannungsfehler verursachen, können Dioden oder Transistoren sein.
Bei kleinen Motordrehzahlen wirken sich die Spannungsfehler aufgrund der im Umrichter eingesetzten Bauteile stärker aus als bei hohen Motordrehzahlen. Bevorzugt erfolgt eine Bestimmung des Rotorwinkels ϕ bei geringen Drehzahlen, besonders bevorzugt nahe dem vollständigen Stillstand des Rotors im Stator des Synchronmotors. Eine Kompensation der Spannungsfehler erhöht somit die Genauigkeit der Bestimmung des Rotorwinkels ϕ. Beispielsweise kann eine Kompensation der Spannungsfehler über die Regelvorrichtung, beispielsweise mit Hilfe der auf in der Regelvorrichtung ausgeführten Software, erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erfolgt das Kompensieren wenigstens eines Sollwerts der Motorspannungen über das Aufschalten einer inversen Fehlerspannung.
Ein Aufschalten einer inversen Fehlerspannung kann beispielsweise über im Stand der Technik bekannte Techniken erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass so effizient Fehlspannungen kompensiert werden und somit die Genauigkeit des bestimmten Rotorwinkels ϕ verbessert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Motorsystem gemäß Anspruch 11 gelöst. Das erfindungsgemäße Motorsystem umfasst einen Synchronmotor und einen Umrichter, wobei der Synchronmotor von dem Umrichter angesteuert wird, wobei der Synchronmotor einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor in dem Stator drehbar gelagert ist, wobei wenigstens der Stator oder der Rotor wenigstens zwei separate Wicklungsstränge umfasst und der jeweils andere Rotor oder Stator wenigstens ein magnetfelderzeugendes Element aufweist, wobei der Umrichter einen Gleichrichter, einen Wechselrichter und eine Regelvorrichtung umfasst, wobei die Regelvorrichtung den Wechselrichter ansteuert, wobei die Regelvorrichtung eine Kaskadenregelung mit wenigstens einem überlagerten Regelkreis zur Regelung einer Motordrehzahl des Synchronmotors und wenigstens einem unterlagerten Regelkreis zur Regelung eines Motorstroms des Synchronmotors aufweist, wobei der unterlagerte Regelkreis eingerichtet ist, Sollwerte für Motorspannungen auszugeben, wobei der Umrichter ausgestaltet und eingerichtet ist, dass Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
Die im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung gemachten Erläuterungen finden auch mit Blick auf den zweiten Aspekt der Erfindung Anwendung, weswegen hier auf eine erneute Wiedergabe verzichtet und auf die vorgenannten Abschnitte verwiesen wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Haushaltsgerät gemäß Anspruch 12 gelöst. Das erfindungsgemäße Haushaltsgerät umfasst ein Motorsystem gemäß Anspruch 11.
Derartige Haushaltsgeräte haben dieselben Vorteile wie das erfindungsgemäße Motorsystem, d.h. es kann bei der Bestimmung des Rotorwinkels ϕ auf die Messung der Phasenspannung verzichtet werden. Dadurch sind keine für die Phasenspannungsmessung notwendigen Messeinrichtungen notwendig, wodurch der Aufbau des Umrichters bzw. der Haushaltsmaschine deutlich vereinfacht werden kann. Zusätzlich sinken die Kosten und die Fehleranfälligkeit und Ausfallwahrscheinlichkeit des Motorsystems bzw. des Haushaltsgeräts sinkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist das Haushaltsgerät eine Waschmaschine, ein Trockner oder ein Waschtrockner. Insbesondere können die vorgenannten Haushaltsgeräte für den Privat- oder den Gewerbegebrauch geeignet sein und entsprechend ausgestaltet sein. Die vorgenannte Liste der Haushaltsgeräte ist jedoch nicht abschließend, sondern nur beispielhaft. Beispielsweise kann jedes Haushaltsgerät, welches einen Synchronmotor umfasst, im Rahmen dieser Erfindung umfasst sein.
Insbesondere Waschmaschinen, Trockner oder Waschtrockner sind häufig im Dauereinsatz, so dass hier ein zuverlässiger Betrieb und eine geringe Fehleranfälligkeit wünschenswert ist. Dies wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Motorsystems und damit implizit der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch die Verwendung des im erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 bestimmten Rotorwinkels gemäß Anspruch 14 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung wird der im Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 bestimmte Rotorwinkel ϕ beim Ansteuern des Synchronmotors des Motorsystems nach Anspruch 11 durch den Umrichter des Motorsystems während einer Anfahrphase des Synchronmotors verwendet.
Die erfindungsgemäße Verwendung hat den Vorteil, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit für das Anlaufen eines Synchronmotor bereitzustellen.
Es sei hiermit klargestellt, dass eine oder mehrere der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen, soweit widerspruchsfrei, miteinander kombinierbar sind und ebenfalls bevorzugte Ausführungsformen darstellen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Synchronmotors,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Motorsystems,
3 ein Beispiel für eine Regelegung eines Synchronmotors, und
4 ein Kurvenverlauf beim Rotorauslauf eines Synchronmotors.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Synchronmotors 1 mit einem Stator 3 und einem Rotor 5. Der Stator 3 weist Motorwicklungen 7 auf. Der Rotor 5 ist in 1 mit einem Permanentmagneten als magnetfelderzeugendes Element mit einem Nordpol N und einem Südpol S dargestellt. Der Rotor 5 ist in dem Stator 3 drehbar gelagert. Der in 1 gezeigte Synchronmotor ist dreisträngig ausgeführt und kann beispielsweise durch einen Umrichter 9, wie er in 2 gezeigt ist, angetrieben werden.
Der Umrichter 9 in 2 umfasst einen Gleichrichter 11, einen Wechselrichter 13 und eine Regelvorrichtung 15.
Der Gleichrichter 11 richtet die Phasen der Netzspannung L₁, L₂, L₃ gleich und bietet eine Gleichspannung und einen Massepol. Der Wechselrichter 13 erzeugt aus der Gleichspannung eine Wechselspannung. Der Wechselrichter 13 wird in Abhängigkeit von einem Signal der Regelvorrichtung 15 angesteuert. Mit der Spannung des Wechselrichters 13 wird dann der Synchronmotor 1 betrieben. Der Umrichter 9 umfasst typischerweise die gleiche Anzahl von Strängen wie der Synchronmotor 1.
Die Regelvorrichtung 15 kann beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers, Mikroprozessors oder eines Mikrocomputers ausgeführt sein. Die Regelvorrichtung 15 kann beispielsweise eine Regeleinheit 17 sowie einen Modulator 19 aufweisen. Die Regeleinheit 17 kann beispielsweise der Prozessorkern des Mikrocontrollers, Mikroprozessors oder Mikrocomputers sein. Der Modulator 19 stellt in Abhängigkeit von der Regeleinheit 17 ein Signal bereits, wodurch der Wechselrichter 13 die gewünschte Wechselspannung erzeugt. Der Modulator 19 kann beispielsweise ein vom Prozessorkern entsprechend angesteuerter analoger oder digitaler Ausgang des Mikrocontrollers, Mikroprozessors oder eines Mikrocomputers sein.
Der Umrichter 9 und der Synchronmotor 1 bilden zusammen das erfindungsgemäße Motorsystem. Anders ausgedrückt umfasst damit das erfindungsgemäße Motorsystem den Synchronmotor 1 und den Umrichter 9, wobei der Synchronmotor 1 von dem Umrichter 9 angesteuert wird, wobei der Synchronmotor 1 den Stator 3 und den Rotor 5 umfasst, wobei der Rotor 5 in dem Stator 3 drehbar gelagert ist, wobei wenigstens der Stator 3 oder der Rotor 5 wenigstens zwei separate Wicklungsstränge 7 umfasst, wobei der Umrichter 9 einen Gleichrichter 11, einen Wechselrichter 13 und eine Regelvorrichtung, die auch Regelvorrichtung 15 genannt werden kann, umfasst, wobei die Regelvorrichtung 15 den Wechselrichter 13 ansteuert, wobei die Regelvorrichtung 15 eine Kaskadenregelung mit wenigstens einem überlagerten Regelkreis zur Regelung einer Motordrehzahl des Synchronmotors 1 und wenigstens einem unterlagerten Regelkreis zur Regelung eines Motorstroms des Synchronmotors 1 aufweist, wobei der unterlagerte Regelkreis eingerichtet ist, Sollwerte für Motorspannungen auszugeben, wobei der Umrichter 9 ausgestaltet und eingerichtet ist, dass erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Die Regelvorrichtung 15 und/oder der Umrichter 9 ist ausgestaltet und eingerichtet, dass erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 auszuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei ein Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels ϕ in einer Auslaufphase des Synchronmotors 1, der von dem Umrichter 9 angesteuert wird, wobei der Synchronmotor 1 einen Stator 3 und einen Rotor 5 umfasst, wobei der Rotor 5 in dem Stator 3 drehbar gelagert ist, wobei wenigstens der Stator 3 oder der Rotor 5 wenigstens zwei separate Wicklungsstränge, auch Motorwicklungen 7 genannt, umfasst und der jeweils andere Rotor 5 oder Stator 3 wenigstens ein magnetfelderzeugendes Element aufweist, wobei der Umrichter 9 einen Gleichrichter 11, einen Wechselrichter 13 und eine Regelvorrichtung 15 umfasst, wobei die Regelvorrichtung 15 den Wechselrichter 13 ansteuert, wobei die Regelvorrichtung 15 eine Kaskadenregelung mit wenigstens einem überlagerten Regelkreis zur Regelung einer Motordrehzahl des Synchronmotors 1 und wenigstens einem unterlagerten Regelkreis zur Regelung eines Motorstroms des Synchronmotors 1 aufweist, wobei der unterlagerte Regelkreis eingerichtet ist, Sollwerte für Motorspannungen auszugeben, wobei die folgenden Schritte durch den Umrichter 9 ausgeführt werden:

• Aufnehmen von Messwerten des Motorstroms des Synchronmotors 1,
• Transformieren der Messwerte des Motorstroms in ein statorfestes orthogonales α-β-Koordinatensystem und ein rotorfestes orthogonales d-q-Koordinatensystem durch die Regelvorrichtung, wobei das rotorfeste d-q-Koordinatensystem in Bezug zum statorfesten α-β-Koordinatensystem um den Rotorwinkel ϕ gedreht ist,
• wobei ab einem Zeitpunkt t₀ die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- ◯ Deaktivieren des überlagerten Regelkreises zur Regelung der Motordrehzahl,
- ◯ Setzen der Sollwerte für den Motorstrom im unterlagerten Regelkreis im rotorfesten d-q-Koordinatensystem für alle Koordinaten auf den Wert 0,
- ◯ Ermitteln des Rotorwinkels ϕ auf Basis der Sollwerte der Motorspannungen im statorfesten α-β-Koordinatensystem, die durch den unterlagerten Regelkreis ausgegeben werden.

3 zeigt ein Beispiel einer Kaskadenregelung 21 eines Synchronmotors 3. Die Kaskadenregelung 21 umfasst einen überlagerten Regelkreis 23 zur Regelung der Motordrehzahl ω_RS und einen unterlagerten Regelkreis 25 zur Regelung des Motorstroms i₁, i₂, i₃. Die Kaskadenregelung 21 umfasst den Schritt einer Park-Transformation 27 bzw. einer inversen Park-Transformation 29 sowie den Schritt einer Clarke-Transformation 31 bzw. einer inversen Clarke-Transformation 33. Mit Hilfe der in 3 beispielhaften gezeigten Darstellung kann das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
4a zeigt die Motordrehzahl des Synchronmotors 1 beim Auslaufen oder Austrudeln. Die Motordrehzahl ist dabei die Drehzahl, mit der sich der Rotor 5 im Stator 3 des Synchronmotors 1 dreht. Zu Beginn ist die Motordrehzahl maximal und nach einem Ausschalten des Synchronmotors 1 nimmt sie kontinuierlich so lange ab, bis die Motordrehzahl null ist und der Synchronmotor 1 stillsteht.
4b zeigt die drei Phasenspannungen u₁ 35, u₂ 37 und u₃ 39 im Auslauf des Synchronmotors 1. Auf eine Darstellung möglicher Phasenspannungsverläufe beim drehenden Synchronmotor 1 wurde hier verzichtet, da hier nur der Auslauf im Fokus steht. Die drei Phasenspannungen sind 120° zueinander versetzt und klingen drehzahlproportional ab.
4c zeigt die beiden Spannungen u_α 41 und u_β 43 im α-β-Koordinatensystem. Aus diesen Spannungen u_α 41 und u_β 43 kann die in 4d gezeigte Spannung u_q im d-q-Koordinatensystem ermittelt werden. 4e zeigt schließlich den mittels Gleichung F7 ermittelten Rotorwinkel ϕ.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Rotorwinkels ϕ in einer Auslaufphase eines Synchronmotors (1), der von einem Umrichter (9) angesteuert wird, wobei der Synchronmotor (1) einen Stator (3) und einen Rotor (5) umfasst, wobei der Rotor (5) in dem Stator (3) drehbar gelagert ist, wobei wenigstens der Stator (3) oder der Rotor (5) wenigstens zwei separate Wicklungsstränge (7) umfasst und der jeweils andere Rotor (5) oder Stator (3) wenigstens ein magnetfelderzeugendes Element aufweist, wobei der Umrichter (9) einen Gleichrichter (11), einen Wechselrichter (13) und eine Regelvorrichtung (15) umfasst, wobei die Regelvorrichtung (15) den Wechselrichter (13) ansteuert, wobei die Regelvorrichtung (15) eine Kaskadenregelung (21) mit wenigstens einem überlagerten Regelkreis (23) zur Regelung einer Motordrehzahl des Synchronmotors (1) und wenigstens einem unterlagerten Regelkreis (25) zur Regelung eines Motorstroms des Synchronmotors (1) aufweist, wobei der unterlagerte Regelkreis (25) eingerichtet ist, Sollwerte für Motorspannungen auszugeben, wobei die folgenden Schritte durch den Umrichter (9) ausgeführt werden: • Aufnehmen von Messwerten des Motorstroms des Synchronmotors (1), • Transformieren der Messwerte des Motorstroms in ein statorfestes orthogonales α-β-Koordinatensystem und ein rotorfestes orthogonales d-q-Koordinatensystem durch die Regelvorrichtung, wobei das rotorfeste d-q-Koordinatensystem in Bezug zum statorfesten α-β-Koordinatensystem um den Rotorwinkel ϕ gedreht ist, • wobei ab einem Zeitpunkt t₀ die folgenden Schritte ausgeführt werden: ◯ Deaktivieren des überlagerten Regelkreises zur Regelung der Motordrehzahl, ◯ Setzen der Sollwerte für den Motorstrom im unterlagerten Regelkreis im rotorfesten d-q-Koordinatensystem für alle Koordinaten auf den Wert 0, ◯ Ermitteln des Rotorwinkels ϕ auf Basis der Sollwerte der Motorspannungen im statorfesten α-β-Koordinatensystem, die durch den unterlagerten Regelkreis ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Schritt des Ermittelns des Rotorwinkels ϕ folgender weiterer Schritt ausgeführt wird: ◯ Speichern des Rotorwinkels ϕ ab einem Zeitpunkt t_grenz.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Zeitpunkt t₀ dem Ausschalten des Synchronmotors (1) entspricht.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der frühestmögliche Zeitpunkt t_grenz der Zeitpunkt ist, bei dem die Spannung der q-Achse im d-q-Koordinatensystem einen maximalen Wert von 10 V unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bestimmung des Rotorwinkels ϕ über die Formel ϕ = arctan(u_β/u_α) erfolgt, wobei u_β dem Sollwert der Motorspannung auf der β-Achse im α-β-Koordinatensystem und u_α dem Sollwert der Motorspannung auf der der α-Achse im α-β-Koordinatensystem entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zusätzlich oder alternativ zum Schritt in Anspruch 2 ab dem Zeitpunkt t_grenz die folgenden Schritte ausgeführt werden: • Deaktivieren des unterlagerten Regelkreises (25) zur Regelung des Motorstroms, • Kurzschließen keiner, einer, zweier oder aller Wicklungsstränge (7) des Synchronmotors (1).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Schritte des Verfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche ab dem Zeitpunkt t₀ erneut ausgeführt werden, wenn ein Grenzwert für den gemessenen Motorstrom überschritten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren mit einem Verfahren, in welchem durch Messung einer Phasenspannung des Synchronmotors (1) ein zweiter Wert für einen Rotorwinkel ϕ bestimmt wird, kombiniert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die vom Umrichter (9) ausgegebenen Sollwerte der Motorspannungen kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Kompensieren wenigstens eines Sollwerts der Motorspannungen über das Aufschalten einer inversen Fehlerspannung erfolgt.
Motorsystem mit einem Synchronmotor (1) und einem Umrichter (9), wobei der Synchronmotor (1) von dem Umrichter (9) angesteuert wird, wobei der Synchronmotor (1) einen Stator (3) und einen Rotor (5) umfasst, wobei der Rotor (5) in dem Stator (3) drehbar gelagert ist, wobei wenigstens der Stator (3) oder der Rotor (5) wenigstens zwei separate Wicklungsstränge (7) umfasst und der jeweils andere Rotor (5) oder Stator (3) wenigstens ein magnetfelderzeugendes Element aufweist, wobei der Umrichter (9) einen Gleichrichter (11), einen Wechselrichter (13) und eine Regelvorrichtung (15) umfasst, wobei die Regelvorrichtung (15) den Wechselrichter (13) ansteuert, wobei die Regelvorrichtung (15) eine Kaskadenregelung (21) mit wenigstens einem überlagerten Regelkreis (23) zur Regelung einer Motordrehzahl des Synchronmotors (1) und wenigstens einem unterlagerten Regelkreis (25) zur Regelung eines Motorstroms des Synchronmotors (1) aufweist, wobei der unterlagerte Regelkreis (25) eingerichtet ist, Sollwerte für Motorspannungen auszugeben, wobei der Umrichter (9) ausgestaltet und eingerichtet ist, dass Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
Haushaltsgerät (45) mit einem Motorsystem gemäß Anspruch 11.
Haushaltsgerät (45) gemäß Anspruch 12, wobei das Haushaltsgerät (45) eine Waschmaschine, ein Trockner oder ein Waschtrockner ist.
Verwendung des im Verfahren nach Anspruch 1 bis 10 bestimmte Rotorwinkel ϕ beim Ansteuern des Synchronmotors (1) des Motorsystems nach Anspruch 11 durch den Umrichter (9) des Motorsystems während einer Anfahrphase des Synchronmotors (1).