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Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Der Einsatzbereich der Erfindung sind drehzahlrichtungsfeste elektromotorische Antriebe wie beispielsweise Pumpenantriebe, Aktorikantriebe oder Traktionselektromotoren für Hybrid- oder vollelektrische Antriebe in Fahrzeugen
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Beim drehrichtungssensorlosen Betrieb eines Elektromotors wird auf den Rotorlagesensor, mit dem gewöhnlich der aktuelle Winkel des Rotors bestimmt wird verzichtet. Man nutzt Stromsensorsignale und gemessene oder geschätzte Phasenspannungen, um über ein Modell auf die Rotorlage und die Geschwindigkeit des Motors zu schließen.
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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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Ausgehend von einem stehenden Rotor muss durch eine Initialisierungsroutine die Rotorlage bestimmt werden. Mit den Injektionsverfahren kann der Motor im unteren Drehzahlbereich betrieben werden, bis dann z.B. eine Umschaltung in einen modellbasierten sensorlosen Algorithmus stattfindet.
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Die initiale Rotorlage kann durch Vorgabe einer Wechselspannungsanregung, einer hochfrequenten Schwingung in d- und q-Spannung, für eine bestimmte Anzahl von Punkten auf einer Spannungskreisbahn ermittelt werden, indem die anregende Spannungsamplitude in eine resultierende Stromamplitude mündet. Durch die d- q- Koordinaten muss bei einer kreisförmigen Anregung in der Spannung, im Strom eine Ellipse in der d-q-Ebene entstehen. Die Hauptachse der Ellipse entspricht dabei der d- Richtung. Diese Richtung der Hauptachse beschreibt damit den initialen Wert der Rotorlage.
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In der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2022 110 304.8 wird vorgeschlagen die längere Hautachse der Ellipse, die der d-Achse entspricht, durch einen iterativen Regleransatz zu finden. Durch Aufprägen des Injektionssignals in der Spannung kann ein Strom gemessen werden. Dieser wird dabei aber nicht in die gedachte d-Richtung transformiert, sondern in die gedachte d-minus-45°-Richtung und gedachte d-plus-45°-Richtung (vgl.
1, oben, „Signal Stand der Technik“). Dadurch können deutlich größere Amplituden im Strom erreicht werden im Vergleich zu einer Auswertung der Ströme in d- und q-Richtung, dort verschwindet der Strom in q-Richtung bei Finden der realen d-Achse. Die Erkennung wird so robuster gegenüber Störungen und speziell in dynamischen Situationen. Mit einer Bandpassfilterung wird anschließend die Amplitude des Injektionssignals bestimmt und die beiden Werte für plus/minus-45° miteinander verglichen. Der angenommene Winkel wird dann so korrigiert, dass die beiden Amplituden in die Richtung +45° und -45° gleich lang werden (vgl.
1, oben, „Signal Stand der Technik“). Die Korrektur wird im Vorzeichen so gewählt, dass dabei die längere Halbachse gefunden wird, also die d-Achse. Wird das Vorzeichen bei der Korrektur umgedreht, so findet der Algorithmus die kürzere Halbachse, also die q-Achse. Mit diesem Ansatz kann nicht nur der initiale Winkel gefunden werden, sondern es kann und wird der Elektromotor damit betrieben.
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Bei aufgeklebten Magneten sind im Gegensatz zu vergrabenen Magneten die Induktivitäten Ld und Lq ähnlicher zueinander. Die Ellipse ist dann nicht so stark ausgeprägt und ähnelt eher einem Kreis.
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Nach einer Sondersituation, wie z.B. das Anfordern offener Klemmen oder des aktiven Kurzschlusses, muss der Aktor neu initialisiert werden, da in dieser Zeit kein Injektionssignal gestellt werden kann. Durch die Situation kann ein möglicher sog. 180°-Fehler, der bei der erstmaligen Initialisierung aufgelöst wurde, wieder auftreten. Es ist auch nicht ausschließbar, dass der 180°-Fehler durch äußere Störungen entstehen kann. Bei Auftreten des 180°-Fehlers würde der Motor in die falsche Drehrichtung losdrehen. Weitere Erläuterungen zum 180°-Fehler finden sich beispielsweise auch in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2022 103 221.3 .
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Der geberlose Betrieb einer permanentmagneterregten Synchronmaschine muss bei kleinen absoluten Drehzahlen mit einem Injektionssignal durchgeführt werden. Das Injektionssignal kann jedoch auch im gesamten Arbeitsbereich genutzt werden, wie beispielsweise in der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2022 118 125.1 dargestellt ist. Dabei wird die Anisotropie des Motors ausgewertet, da die Induktivitäten in q- und d-Richtung unterschiedlich sind (L_q ungleich L_d). Vor allem bei Kleinmotoren sind die Magnete sehr oft aufgeklebt, sodass die Unterschiede in den Induktivitäten klein sind.
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Sind die Induktivitäten ggf. in einem Arbeitspunkt zu ähnlich oder kommt es zu einer Sondersituation, in der z.B. die Endstufen kurzfristig abgeschaltet (aktiver Kurzschluss oder offene Klemmen) werden, so kann es zu einem sehr selten vorkommenden und daher eher spontanen Wechsel der Orientierung im System kommen, da der Elektromotor ungewollt tatsächlich oder aber nur vermeintlich, also nicht tatsächlich in der Realität, aufgrund eines sich aus der Sondersituation ergebenden Drehrichtungsermittlungsfehlers in die falsche Richtung dreht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dass der ungewollte, unwahrscheinliche aber mögliche Wechsel der Orientierung im System, nämlich eine tatsächliche oder nur vermeintliche Drehrichtungsumkehr eines an sich drehrichtungsfesten Systems, aufgrund eines ungewollt tatsächlich oder nur vermeintlich in die falsche Richtung drehenden Elektromotors durch ein Verfahren im Sinne einer Diagnose schnellstmöglich erkannt werden soll, sodass vorgegebene, geeignete Maßnahmen eingeleitet werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines drehrichtungssensorlosen Elektromotors mit einem Stator und einem Rotor wobei Injektionssignale zur Ermittlung von Drehzahlen des Elektromotors eingesetzt werden, sieht also vor, dass eine Ermittlung der Drehrichtung des Elektromotors ausgeführt wird und bei Ermittlung einer tatsächlich vorliegenden ungewünschten Drehrichtung oder bei Ermittlung einer fehlerhaft ermittelten ungewünschten Drehrichtung vorgegebene Maßnahmen eingeleitet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei Vorliegen ermittelter positiver Drehzahlwerte auf die gewünschte Drehrichtung erkannt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei Vorliegen negativer Drehzahlwerte während einer Erkennungsphase von vorgegebener Dauer und Unterschreitung eines vorgegebenen negativen Drehzahlschwellenwerts durch die Drehzahlwerte während der Erkennungsphase auf eine ungewünschte Drehrichtung erkannt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass unmittelbar nach Auftreten einer Sondersituation die Ermittlung der Drehrichtung des Elektromotors ausgeführt wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Sondersituation vorliegt, wenn eine Endstufe des Elektromotors abgeschaltet wird oder bei Auftreten eines Anisotropieproblems.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei Auftreten eines Kurzschlusses oder bei Auftreten eines aktiven Kurzschlusses oder bei Auftreten offener Klemmen eine Sondersituation vorliegt.
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Nach einer Sondersituation, wie z.B. dem Anfordern offener Klemmen oder des aktiven Kurzschlusses, muss der Elektromotor neu initialisiert werden, da in dieser Zeit kein Injektionssignal zur Verfügung gestellt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine vorgegebene Maßnahme ein aktiver Kurzschluss ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine vorgegebene Maßnahme das vorgegebene Schließen von Ventilen in einem Hydrauliksystem ist.
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Auf diese Weise kann vorteilhafterweise eine Drehung in die falsche Richtung eines Elektromotors sehr schnell erkannt werden und unmittelbar, vorgegebene geeignete Maßnahmen eingeleitet werden noch bevor durch übergeordnete Softwarestrategien Maßnahmen eingeleitet werden, die unerwünschte oder gar gefährliche Folgen hätten oder haben könnten.
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Weiter Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibung.
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Es zeigen im Einzelnen:
- 1 oben: Stand der Technik: Durch Aufprägen des Injektionssignals in der Spannung kann ein Strom gemessen werden. Dieser wird dabei aber nicht in die gedachte d-Richtung transformiert, sondern in die gedachte d-minus-45°-Richtung (Linie mit Punkten) und die gedachte d-plus-45°-Richtung (Linie ohne Punkte)
- Mitte: erfindungsgemäßes Verfahren zur Erkennung eines Drehrichtungsfehlers eines elektrisch betriebenen Pumpenmotors in einem Hydrauliksystem.
- unten: Rotorwinkel eines drehrichtungssensorlosen Elektromotors mit einem Stator und einem Rotor wobei Injektionssignale zur Ermittlung des Rotorwinkels genutzt werden.
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1, Mitte, zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zur Erkennung eines Drehrichtungsfehlers beispielsweise eines 180°-Fehlers eines elektrisch betriebenen Pumpenmotors in einem Hydrauliksystem.
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Bei einem speziellen System wie z.B. bei einer hydraulischen Pumpe ist die Drehrichtung immer gleich, der Elektromotor der Pumpe ist drehzahlrichtungsfest. Durch Ventile wird dabei der entstehende Druck bestimmten Verbrauchern zielgerichtet zugeführt. Die Beobachtung der Drehrichtung kann so als Auslöser für die Erkennung eines spontanen, unwahrscheinlichen Wechsels der Orientierung des hydraulischen Pumpensystems ausgewertet werden. Die Drehrichtung wird bei der geberlosen Regelung mitbestimmt und oft im überlagerten Drehzahlregler ausgewertet.
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Ähnlich ist es auch bei einem mittels einer Welle mit einem Verbrennungsmotor drehfest verbundenen Rotor eines Hybridtraktionselektromotors beispielsweise eines P1-Hybridfahrzeugs. Würde der Traktionselektromotor beginnen den Verbrennungsmotor aus dem Stillstand in der falsche Drehrichtung zu bewegen, würde dies von einer Überwachungsroutine zum Schutz des Verbrennungsmotors erkannt und als Schutzmaßnahme zumindest der Traktionselektromotor gestoppt. Diese Überwachungsroutinen würden aber erst später ansprechen als das erfindungsgemäße Verfahren, daher wird der Elektromotor durch die Maßnahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens gestoppt
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Es können zwei Fälle auftreten:
- Beim Losdrehen des Elektromotors dreht sich der eigentlich drehzahlrichtungsfeste Elektromotor unbeabsichtigt dennoch in die falsche Richtung. Hier geht der Elektromotor in den Stillstand noch bevor die erfindungsgemäße Softwarestrategie zur Erkennung der falschen Drehrichtung eine Auswertung durchführen kann, da Überwachungsroutinen zum Schutz des an sich drehrichtungsfesten Systems dies registrieren und zumindest den Elektromotor stoppen. Wenn diese Überwachungsroutinen zu langsam sind oder ausgefallen sind, wird der Elektromotor durch die Maßnahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens gestoppt. Die Drehzahl ist somit zu diesem Zeitpunkt stets noch klein und es wird auch noch wenig Druck im System vorherrschen.
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Ein zweiter Fall wäre, dass der Elektromotor sich zu einem Zeitpunkt noch in die richtige Richtung dreht. Jedoch kann eine kurzfristige Sondersituation (aktiver Kurzschluss, offene Klemmen oder Anisotropieproblem) dazu führen, dass beim Wiedereinschalten oder spontan plötzlich eine falsche Drehrichtung erkannt wird. Der Motor selbst dreht sich aber immer noch in die ursprüngliche, richtige Richtung. In diesem Falle ist es wichtig, dass die erfindungsgemäße Erkennung so schnell abläuft, dass der überlagerte Drehzahlregler noch keine großen Regeleingriffe getätigt hat. Die falsche Drehrichtung soll erfindungsgemäß vor einem möglichen Reversieren des Motors erkannt werden und eine tragfähige Gegenmaßnahme, z.B. ein aktiver Kurzschluss soll eingeleitet worden sein. Eine andere Maßnahme wäre das schnelle Schließen von Ventilen im Verbrauchspfad, um den Druck möglichst lange noch im Hydrauliksystem zu halten.
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In 1 ist eine Situation dargestellt, wo der Elektromotor aus dem Stand geberlos geregelt oder gesteuert angedreht wird. Deutlich erkennt man, dass die Drehzahl negativ ist, obwohl diese für ein korrektes Verhalten des Elektromotors im System aber nur positiv sein darf. Nach der Erkennungsphase kann eine Gegenmaßnahme eingeleitet werden. In 1 sind Winkel des geberlosen, erfindungsgemäßen Verfahrens und eines Drehzahlrichtungssensors dargestellt. Im realen geberlosen System wäre dies nicht möglich, da weder ein Geber noch ein die Signale des Gebers aufnehmender Sensor vorhanden sind.
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Nach kürzester Zeit kann der Fehler mit Auswertung des Drehzahlsignals erkannt werden und der überlagerten Software das Fehlverhalten gemeldet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102022110304 [0007]
- DE 102022103221 [0009]
- DE 102022118125 [0010]
