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Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei permanenterregten Synchronmotoren kommt es sehr darauf an, wie die vom Magnetfeld durchströmten Teile zueinander positioniert sind. Dies betrifft auch die genaue Kenntnis über die Winkellage der sich drehenden Teile, denn die sich beim drehenden Motor ständig ändernde Lage der in dem drehenden Rotor integrierten Magnete (Winkelstellung) muss relativ zu dem in den Stator integrierten Wicklungen immer exakt bekannt sein, um den Elektromotor richtig ansteuern zu können. Die sich ändernde Winkelposition des Rotors muss zu jedem Zeitpunkt genau bekannt sein, um die Ausrichtung der Rotorkomponenten (z. B. der Rotormagnete, die meist als Permanentmagnete ausgeführt werden) relativ zu den Statorkomponenten (z. B. der Statormagnete, die meist als Elektromagnete/ Statorwicklungen ausgeführt werden) zu ermitteln und die Ansteuerung des Motors darauf abstimmen zu können.
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Die Ansteuerung eines derartigen Elektromotors wird also durch die Aufprägung eines Drehfeldes in den Wicklungen des Motors erreicht. Abhängig vom Rotorlagewinkel muss hierbei das Drehfeld über eine Regelung nachgeführt werden. In der Regel wird die Lage des Rotors mittels eines Rotorlagesensors gemessen und der ermittelte Rotorlagewinkel an die Ansteuerung des Elektromotors übergeben.
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Um Kosten und Bauraum zu sparen, sind jedoch auch bereits geberlosen Regelungen bekannt geworden, welche auf einen physischen Rotorlagesensor verzichten. Es wird hierbei lediglich auf die für die feldorientierte Regelung ohnehin unverzichtbaren Stromsensoren zurückgegriffen. Dieses insbesondere bei 3-phasigen permanenterregten Synchronmaschinen weit verbreitete Regelungskonzept beruht auf einer Transformation der 3- phasigen Wechselgrößen in ein zweiachsiges Koordinatensystem, welches synchron mit dem Rotorfluss der Maschine rotiert. In einem derartigen Koordinatensystem, üblicherweise als d/q-Koordinatensystem bezeichnet, werden beispielsweise die drei Phasenströme der Ständerwicklung i_u, i_v, i_w durch einen 2-dimensionalen Stromvektor mit den Komponenten i_q und i_d dargestellt. Bei einem ideal sinusförmigen Rotorfluss und ideal sinusförmigen Phasenströmen werden die ursprünglichen Wechselgrößen i_u, i_v, i_w als Folge des rotorflusssynchron rotierenden Koordinatensystems auf Gleichgroßen i_q, i_d abgebildet.
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Bei der feldorientierten Stromregelung werden die Spannungswerte bzw. Stromwerte der Phasen des Stators der Synchronmaschine also in bekannter Weise auf ein zweidimensionales Koordinatensystem, dessen zueinander senkrechte Achsen üblicherweise mit d („direct“) und q („quadrature“) bezeichnet werden, transformiert. Dieses Koordinatensystem rotiert relativ zum Stator der Synchronmaschine und ruht relativ zum Rotor der Synchronmaschine. Die Transformation selbst heißt Park- Transformation, das zweidimensionale Koordinatensystem, auf das transformiert wird, heißt Park-Koordinatensystem. Die Park-Transformation kann über den Zwischenschritt einer, ebenfalls bekannten, Clarke-Transformation erfolgen, welche die Spannungswerte bzw. Stromwerte der Phasen des Stators der Synchronmaschine auf ein zweidimensionales, orthogonales, relativ zum Stator ruhendes Koordinatensystem transformiert.
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Beim sensorlosen Betrieb eines Elektromotors wird - wie oben bereits erwähnt - auf den Rotorlagesensor, mit dem gewöhnlich der aktuelle Winkel des Rotors bestimmt wird, verzichtet. Man nutzt beispielsweise Stromsensorsignale und gemessene bez. geschätzte Phasenspannungen, um über ein Modell auf die Rotorlage und die Geschwindigkeit des Motors zu schließen. Unter einer Drehzahlschwelle der absoluten Drehzahl ist es notwendig sogenannte Injektionssignale einzuspeisen, welche die Identifikation der Rotorlage und der Geschwindigkeit in diesem Drehzahlbereich unterstützen.
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In
WO 2020 001 681 A1 ist ein Elektromotor mit einem Stator und einem diesem gegenüber verdrehbaren Rotor und ein Steuerungssystem beschrieben, das einen Stromimpuls an den Elektromotor ausgeben kann, wobei der Stromimpuls eine Drehbewegung des Rotors in eine erste Drehrichtung und um einen ersten Drehwinkel und dadurch eine induzierte Spannung bewirkt, die durch das Steuerungssystem empfangen wird und durch welche das Steuerungssystem die Drehrichtung und/oder die Drehlage des Rotors in Bezug auf den Stator ermittelt.
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In
DE 10 2018 120 421 A1 ist ein Verfahren zur geberlosen Regelung permanentmagneterregter, synchroner Elektromotoren offenbart, bei dem eine Beschreibung eines Systems in einem ruhenden αβ-Koordinatensystem eines Elektromotors durchgeführt wird. Das System umfasst ein elektromagnetisches Modell und ein mechanisches Modell eines Elektromotors mit Antriebstrang. Für das Model werden differentielle Induktivitäten, die jeweils von den Strömen des Elektromotors abhängig sind, in Form von Look-Up-Tabellen hinterlegt. Die Look-Up-Tabellen können für die Berechnung abgerufen werden. Auf Basis des elektromagnetischen und mechanischen Modells werden die Drehzahl und der Winkel des Elektromotors durch einen Kalman-Filter geschätzt, wobei dies hauptsächlich über das mechanische Modell geschieht. Über das elektrische Modell kann ein inneres Drehmoment für die Drehmomentgleichung geliefert werden, um daraus eine Drehzahländerung oder Winkeländerung zu bestimmen.
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In Elektrofahrzeugen hat sich der geberlose Betrieb von elektrischen Maschinen noch nicht durchgesetzt. Ursache hierfür ist, dass der geberlose Betrieb nachweislich gut bei höheren Drehzahlen stabil funktioniert. Für Drehzahlen nahe Null Umdrehungen ist der Betrieb nur unter Hinzunahme von Injektionssignalen möglich. Die Wahl geeigneter Injektionssingale stellt aber eine sehr große Herausforderung dar, da die Auswirkungen von Injektionssingale nicht immer positiv auf das System sind. Zum einen kann es wegen den Injektionssignalen zu störenden Geräuschentwicklungen kommen, zum anderen ist es bei der Wahl der Injektionssignale in Frequenz und Amplitude schwer eine stabile und robuste Kombination zu finden.
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Die Verwendung eines sicherheitszertifizieren Drehwinkelsensors für die Drehwinkelposition des Rotors hilft jedoch grundsätzlich auch bei der Diskussion sicherheitskritischen Szenarien in der funktionalen Sicherheit. Beispielsweise für Pumpenantriebe, Kompressoren oder Ventilatoren gehört der geberlose Betrieb entsprechender elektrischer Maschinen bereits zum Stand der Technik. Eine beliebte Vorgehensweise für den Start des Motors ist hierbei der Wechsel von einem rein gesteuerten Hochlauf des Elektromotors durch Vorgabe eines Drehfeldes hin zu einem sensorlos geregelten Elektromotor. Durch diesen Ansatz lässt sich der Einsatz von Injektionssignalen für Drehzahlen nahe Null vermeiden.
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In der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2022 102 634.5 wird eine Hochlaufreihenfolge des Elektromotors in einem P1-Hybrid vorgestellt, beginnend mit einem gesteuerten Hochlauf bei noch keinen Drehzahlen und anschließendem Umschalten zu einem geberlos hochlauf-geregelten Betrieb, wobei zusätzlich das Drehzahlsignal des Verbrennungsmotors genutzt wird, um das Erreichen der gewünschten Drehzahl zu überprüfen.
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Durch das Umschalten vom gesteuerten Betrieb in den geberlos geregelten Betrieb kommt es zwangsläufig zu starken Impulsen in den Strom bzw. Spannungssignalen, da das für die Regelung des Elektromotors benötigte Winkelsignal in der Regel zwischen dem gesteuerten Betrieb und dem geregelten Betrieb eine Unstetigkeit aufweist. Das aktuelle Winkelsignal ist während des Hochlaufs so z.B. einer bestimmten Winkellage im rotorfesten Koordinatensystem zugeordnet, z.B. d-Richtung. Abweichend davon ist die Winkellage, die sich im geberlos geregelten Betrieb einstellt, da dann zu d-Richtungskomponenten auch q-Richtungskomponenten hinzukommen.
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Beim geberlosen Betrieb eines Elektromotors wird auf den Rotorlagesensor, mit dem gewöhnlich der aktuelle Winkel des Rotors bestimmt wird, verzichtet. Man nutzt Stromsensorsignale und gemessene bzw. geschätzte Phasenspannungen, um über ein Modell und/oder durch Ausnutzung der Anisotropie auf die Rotorlage und die Geschwindigkeit des Motors zu schließen. Die Verwendung der geschätzten Drehzahl und Rotorlage in der Regelung des Elektromotors hat zur Folge, dass die geschätzten Größen in allen möglichen Betriebspunkten des Elektromotors stabil und robust bestimmbar sein müssen.
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Unterhalb einer vorgegebenen Drehzahlschwelle der absoluten Drehzahl (vgl. 1, „Stand der Technik“) ist es zur Schätzung der Rotorposition und der Drehzahl notwendig, sogenannte Injektionssignale einzuspeisen, welche die Identifikation der Rotorlage und der Geschwindigkeit in diesem Drehzahlbereich erst ermöglichen, da die alleinige Auswertung induzierter Spannungen am Motor in diesem Bereich wegen des kleiner werdenden Signal-zu-Rausch-Verhältnisses nicht zuverlässig funktioniert. Konkret bedeutet das: Wird die Drehzahl kleiner und tendiert zu Null, dann werden die für die Auswertung genutzten Terme im Vergleich zu den anderen Termen der Gleichung weniger dominant, letztendlich verschwinden sie.
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Injektionssignale haben für die Akustik des Systems oft negative Auswirkungen und sind gegebenenfalls zum Beispiel im Innenraum eines Fahrzeugs als ein störendes Geräusch hörbar.
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In
EP 2 144 362 B1 wird ein Injektionsverfahren vorgestellt, das für kleine, absolute Drehzahlen vorgesehen ist.
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In der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2022 110 304.8 ist ein Verfahren gezeigt, das zur Initialisierung des Rotorlagewinkels auch bei kleinen, absoluten Drehzahlen angewendet werden kann.
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In der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2022 112 712.5 werden die Möglichkeiten von Umschaltungen zwischen unterschiedlichen Verfahren beleuchtet.
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In der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2022 103 221.3 wird beschreiben, dass in der Hochlaufphase der Elektromotor bei kleinen, absoluten Drehzahlen gesteuert betrieben wird. Aus dem gesteuerten Betrieb ergibt sich ein Sollwinkel. Ein weiterer Sollwinkel wird während dieses Hochlaufs auch schon aus dem geberlosen Regelungs-Algorithmus berechnet, aber diese Information wird noch nicht für den Betrieb verwendet. Aus dem Vergleich beider Sollwinkel lässt sich ermitteln, ob eine Winkelkorrektur notwendig ist oder nicht. Der geberlose Regelungs-Algorithmus findet während des Hochlaufs zuverlässig den Winkel und die Drehzahl, welche dem realen System entsprechen, um dann bei Aktivierung der geberlosen Regelung diese Informationen nutzen zu können.
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Die sensorlose Regelung bei Verwendung eines Motormodells und damit Ausnutzung der induzierten Spannungen (injektionsbasiertes Verfahren) stellt ein aufwändiges Software-Produkt dar. Dieser erhöhte Ressourcenbedarf schlägt sich negativ im Speicherbedarf und in der benötigten Rechenzeit nieder und kann die zur Verfügung stehende Hardware überfordern.
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Eine Kombination mehrerer Verfahren mit Steuerung der transienten Übergänge zwischen den Verfahren belastet die Ressourcen noch weiter. Zudem werden für übliche modellbasierte Verfahren genau Modellparameter des Elektromotors über alle relevanten Temperaturen benötigt. Um diese Parameter zu bestimmen ist auch ein hoher Aufwand nötig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Ressourcenbedarf zu verringern.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors mit einem Stator und einem Rotor sieht vor, dass Injektionssignale im gesamten Drehzahlbereich in dem der Elektromotor betrieben werden kann, zur Schätzung der Rotorposition und/oder der Drehzahl des Elektromotors eingesetzt werden.
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Es ist also eine parameterunabhängige, rotorlagesensorlose Regelung des Elektromotors basierend auf einem Injektionssignal im gesamten Betriebsbereich vorgesehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren bis zu einer nutzbaren Spannungsgrenze eingesetzt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Anisotropie vorliegt, also Ld ungleich Lq gilt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die nutzbare Spannung als Differenz aus einer verfügbaren Zwischenkreisspannung und der Spannungsamplitude des überlagerten Injektionssignals ergibt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Erzielung höherer Drehzahlen über der nutzbaren Spannungsgrenze eine Kombination des Einsatzes von Injektionssignalen und einer Feldschwächung vorgesehen ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Injektionsfrequenz ein Bruchteil der maximalen Ansteuerfrequenz verwendet wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Injektionsfrequenz ein ganzzahliger Teiler der maximalen Ansteuerfrequenz verwendet wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Injektionsfrequenz maximal 16 kHz/4 verwendet wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Injektionsfrequenz minimal 1 kHz bis 4 kHz verwendet wird.
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Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibung.
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Es zeigen im Einzelnen:
- 1 Vergleich zwischen der Verwendung der bisher üblichen Verfahren (Stand der Technik) und dem erfindungsgemäßen Verfahren
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Üblicherweise wird das injektionsbasierte Verfahren nur für den Betriebsbereich verwendet, wo das Verfahren basierend auf Induktionsspannungen unzuverlässig ist (vgl. 1, „Stand der Technik“). Um Ressourcen zu sparen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen den Betriebsbereich des injektionsbasierten Verfahrens zu erweitern.
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Vorteile wie Parameterunabhängigkeit und damit Robustheit des Injektionsverfahrens und kleiner Rechenaufwand überwiegen bei akustisch gut gedämpften Systemen deutlich die Nachteile wie störende Geräusche, marginale Wirkungsgradeinbußen und Feldschwächung schon bei etwas kleineren Drehzahlen des Vergleichssystems.
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Gemäß der Erfindung soll das injektionsbasierte Verfahren bis zur nutzbaren Spannungsgrenze eingesetzt werden (vgl. 1, „neu“). Ein großer Vorteil ist die erhöhte Robustheit bezüglich Parameterunsicherheiten, da das Verfahren parameterunabhängig ist. Es muss lediglich genügend Anisotropie vorliegen, also es muss gelten Ld ungleich Lq. Die Spannungsamplitude des überlagerten Injektionssignals muss dabei vorgehalten werden. Die nutzbare Spannung lässt sich so aus der verfügbaren Zwischenkreisspannung minus der Amplitude bestimmen. Bei der Nutzung des Injektionsverfahrens muss ggf. im Vergleich zum klassischen Ansatz (Stand der Technik) früher das Feld geschwächt werden, um den Betrieb bei höheren Drehzahlen zu ermöglichen.
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In 1 sind die Nutzungsbereiche ohne Feldschwächung dargestellt. Werden höhere Drehzahlen benötigt wird das Feld geschwächt, dies ist dann im klassischen Falle eine Kombination aus Back-EMF-Verfahren (Rück-EMK) mit Feldschwächung und für den neuen Ansatz ist es eine Kombination aus Injektionsverfahren und Feldschwächung. In 1 ist dies aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Das Verfahren kann beispielsweise bei einer hydraulischen Pumpe genutzt werden, da die Pumpe im Öl liegend, eine sehr gute akustische Dämpfung hat. Akustisch störende Geräusche sind im gesamten Arbeitsbereich vernachlässigbar.
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Auch die elektromagnetische Verträglichkeit der Anordnung speziell bei der Anregungsfrequenz des Injektionssignals ist gegeben, wie auch die Funktionsfähigkeit des Elektromotors.
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Die Wahl der Injektionsfrequenz ist von entscheidender Bedeutung, zum einen ist im System eine maximale Ansteuerfrequenz (PWM-Frequenz) definiert, z.B. 16kHz, zum anderen darf die Frequenz nicht zu niedrig sein, um keine mechanischen Schwingungen anzuregen.
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Im Pumpenbeispiel können z.B. sehr gute Ergebnisse mit 1/4 der PWM-Frequenz, hier z.B. 4kHz erreicht werden. Bei 2kHz ist die Funktion noch gewährleistet, allerdings gab es eine stärkere akustische Beeinträchtigung.
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Eine messbare Beeinträchtigung der Effizienz kann bislang für die Drehzahlen größer als 10% der Nenndrehzahl nicht festgestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2020001681 A1 [0007]
- DE 102018120421 A1 [0008]
- DE 1020221026345 [0011]
- EP 2144362 B1 [0016]
- DE 1020221103048 [0017]
- DE 1020221127125 [0018]
- DE 1020221032213 [0019]