DE102022206532A1

DE102022206532A1 - Betreiben eines Haushaltsgeräts mit einem BLDC-Antriebsmotor

Info

Publication number: DE102022206532A1
Application number: DE102022206532.8A
Authority: DE
Inventors: Roman Mayer; Markus Hoser; Johannes Schuster
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2022-06-28
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2024002992A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (S0-S6) zum Betreiben eines Haushaltsgeräts (1), bei dem zum Hochfahren eines BLDC-Antriebsmotors (5) des Haushaltsgeräts (1) eine Ist-Drehzahl (ω) eines Rotors (7) des BLDC-Antriebsmotors (5) aus seinem Ruhezustand mittels eines deterministischen Soll-Stellmoments (Mref,det) geregelt erhöht wird und dabei ein Ist-Winkel (θ) und die Ist-Drehzahl (ω) des Rotors (7) mittels Hochfrequenzinjektion bestimmt werden, falls die Ist-Drehzahl (ω) eine erste Umschaltdrehzahl erreicht oder überschreitet, die Ist-Drehzahl (ω) auf eine Soll-Drehzahl (ωref) geregelt wird und falls die Ist-Drehzahl (ω) eine zweite Umschaltdrehzahl erreicht oder überschreitet, der Ist-Winkel (θ) und die Ist-Drehzahl (ω) aus einem EMK-Signal bestimmt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Haushaltsgerät (1) mit einem BLDC-Antriebsmotor (5), wobei das Haushaltsgerät (1) zur Durchführung des Verfahrens (S0-S6) eingerichtet ist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf ein Hochfahren eines BLDC-Antriebsmotors, der einen Hubkolbenverdichter eines Kältekreislaufs eines Haushalts-Kältegeräts, insbesondere eines Kühlschranks, antreibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts, bei dem zum Hochfahren eines BLDC-Antriebsmotors des Haushaltsgeräts eine Ist-Drehzahl eines Rotors des BLDC-Antriebsmotors aus seinem Ruhezustand erhöht wird und dabei ein Ist-Winkel und die Ist-Drehzahl mittels Hochfrequenzinjektion bestimmt werden. Die Erfindung betrifft auch ein Haushaltsgerät mit einem BLDC-Antriebsmotor, wobei das Haushaltsgerät zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar auf ein Hochfahren eines BLDC-Antriebsmotors, der einen Hubkolbenverdichter eines Kältekreislaufs eines Haushalts-Kältegeräts, insbesondere eines Kühlschranks, antreibt.
DE 10 2020 203 488 A1 offenbart ein Haushaltsgerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgerätes. Das Haushaltsgerät umfasst eine Komponente und einen geregelten elektrischen Antrieb, der einen permanenterregten Drehstromsynchronmotor, ein insbesondere als Umrichter ausgebildetes Stellglied zum Ansteuern des Drehstromsynchronmotors und eine feldorientierte Regelung zum Ansteuern des Stellglieds aufweist. Der Drehstromsynchronmotor umfasst einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor und ist Teil der Komponente oder ist vorgesehen ist, diese Komponente anzutreiben, aufweisend folgende Verfahrensschritte: während einer Betriebsphase des elektrischen Antriebs, drehzahlgeregeltes Betreiben des geregelten elektrischen Antriebs mittels der feldorientierte Regelung und in Abhängigkeit einer mittels der Längs- und Querströme und eines mathematischen Modells des Drehstromsynchronmotors ermittelten Winkelposition des Rotors relativ zum Stator, und während einer der Betriebsphase nachfolgenden Bremsphase des elektrischen Antriebs, - Verringern der Drehzahl des Drehstromsynchronmotors durch drehzahlgeregeltes Betreiben des geregelten elektrischen Antriebs mittels der feldorientierten Regelung und in Abhängigkeit einer mittels der Längs- und Querströme und eines mathematischen Modells des Drehstromsynchronmotors ermittelten Winkelposition des Rotors relativ zum Stator, bis die Drehzahl eine vorbestimmte Grenzdrehzahl erreicht, - Überlagern einer von dem Stellglied erzeugten und zum Betreiben des Drehstromsynchronmotors vorgesehenen Versorgungsspannung mit einer hochfrequenten Spannung, wodurch Strangströme und die Längs- und Querströme des Drehstromsynchronmotors entsprechende hochfrequente Stromanteile aufweisen, - Ermitteln hochfrequente Stromanteile der Längs- und Querströme, - Ermitteln der Winkelposition des Rotors relativ zum Stator in Abhängigkeit der hochfrequenten Stromanteile der Längs- und Querströme, und - weiteres Verringern der Drehzahl des Drehstromsynchronmotors durch drehzahlgeregeltes Betreiben des geregelten elektrischen Antriebs mittels der feldorientierten Regelung und in Abhängigkeit der mittels der hochfrequenten Stromanteile der Längs- und Querströme ermittelten Winkelposition des Rotors relativ zum Stator.
DE 10 2020 203 489 A1 offenbart ein Haushaltsgerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgerätes. Das Haushaltsgerät umfasst eine Komponente und einen geregelten elektrischen Antrieb, der einen permanenterregten Drehstromsynchronmotor, ein insbesondere als Umrichter ausgebildetes Stellglied zum Ansteuern des Drehstromsynchronmotors und eine feldorientierte Regelung zum Ansteuern des Stellglieds aufweist. Der Drehstromsynchronmotor umfasst einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor und ist Teil der Komponente oder ist vorgesehen ist, diese Komponente anzutreiben, aufweisend folgende Verfahrensschritte: während einer Anlaufphase des elektrischen Antriebs, - Überlagern einer von dem Stellglied erzeugten und zum Betreiben des Drehstromsynchronmotors vorgesehenen Versorgungsspannung mit einer hochfrequenten Spannung, wodurch Strangströme des Drehstromsynchronmotors entsprechende hochfrequente Stromanteile aufweisen, - Ermitteln von dem Drehstromsynchronmotor zugeordnete Längs- und Querströme aus den Strangströmen, die der hochfrequenten Spannung entsprechende hochfrequente Stromanteile aufweisen, - Ermitteln der Winkelposition des Rotors relativ zum Stator in Abhängigkeit der hochfrequenten Stromanteile der Längs- und Querströme, und - Erhöhen der Drehzahl des Drehstromsynchronmotors durch drehzahlgeregeltes Betreiben des geregelten elektrischen Antriebs mittels der feldorientierten Regelung und in Abhängigkeit der mittels der hochfrequenten Stromanteile der Längs- und Querströme ermittelten Winkelposition des Rotors relativ zum Stator bis der Drehstromsynchronmotor eine vorgegebene Grenzdrehzahl erreicht, und während einer der Anlaufphase anschließenden Betriebsphase, drehzahlgeregeltes Betreiben des geregelten elektrischen Antriebs mittels der feldorientierte Regelung und in Abhängigkeit einer mittels der Längs- und Querströme und eines mathematischen Modells des Drehstromsynchronmotors ermittelten Winkelposition des Rotors relativ zum Stator.
Beispielsweise aus der DE 10 2016 210 443 A1 oder der DE 10 2017 213 069 A1 ist es bekannt, der Versorgungsspannung eines Drehstromsynchronmotors eine hochfrequente Spannung zu überlagern, welche einen entsprechenden, überlagerten hochfrequenten Anteil der Strangströme des Drehstrommotors bewirkt, um die Winkelposition des Rotors relativ zum Stator des Drehstrommotors zu bestimmen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Möglichkeit bereitzustellen, ein Hoch- bzw. Abfahren eines BLDC-Antriebsmotors eines Hubkolbenverdichters eines Haushaltsgeräts schonender für mechanische Komponenten des Haushaltsgeräts und leiser durchzuführen, insbesondere ein klopfendes Störgeräusch (sog. „Knocking Noise“) zu verringern.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Haushaltsgeräts, speziell zum Hochfahren eines BLDC-Antriebsmotors des Haushaltsgeräts, bei dem

- eine Ist-Drehzahl, ω, eines Rotors des BLDC-Antriebsmotors aus seinem Ruhezustand mittels eines deterministischen Soll-Stellmoments geregelt erhöht wird und dabei ein Ist-(Positions-)Winkel, θ, und die Ist-Drehzahl ω des Rotors mittels Hochfrequenzinjektion, HFI, bestimmt werden,
- falls die Ist-Drehzahl w eine vorgegebene erste Umschaltdrehzahl erreicht oder überschreitet, die Ist-Drehzahl w auf eine Soll-Drehzahl ω_ref geregelt wird und
- falls die Ist-Drehzahl w eine vorgegebene zweite Umschaltdrehzahl erreicht oder überschreitet, der Ist-Winkel θ und die Ist-Drehzahl ω mittels EMK bestimmt werden.

Dieses Verfahren ergibt den Vorteil, dass aufgrund der genauen Kenntnis des Positionswinkels bzw. der Winkelposition bei Verwendung der HFI-Methode auch bei geringer Ist-Drehzahl ω eine effektive Ausnützung des Stellmoments möglich ist, weil das Drehmoment so sicher gestellt werden kann. Dadurch kann das Hochfahren des BLDC-Antriebsmotors schonender für die mechanische Komponenten des Haushaltsgeräts durchgeführt werden kann. Auch wird so eine Wahrscheinlichkeit für ein Auftreten von Störgeräuschen (Knocking Noise) gering gehalten. Dabei wird ausgenutzt, dass die HFI-Methode den Ist-Winkel θ und die Ist-Drehzahl w bereits ab Drehzahl w null ausreichend genau bestimmen kann.
Dass bei höheren Ist-Drehzahlen von der HFI-Methode auf die EMK-Methode umgeschaltet wird, ergibt den Vorteil, dass bei höheren Ist-Drehzahlen auftretende Nachteile der Bestimmung des Ist-Winkels und der Ist-Drehzahl mittels Hochfrequenzinjektion vermieden werden. So kann es bei höheren Ist-Drehzahlen beispielsweise vorkommen, dass eine Rechenleistung nicht ausreicht, den Ist-Winkel und die Ist-Drehzahl zeitnah zu berechnen.
Das Haushaltsgerät kann ein Kältegerät wie z.B. ein Kühlschrank, ein Gefriergerät oder eine Kombination davon sein. Das Haushaltsgerät kann ein Wäschebehandlungsgerät wie z.B. eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner oder eine Kombination daraus (Waschtrockner) sein. Das Haushaltsgerät kann aber z.B. auch ein Geschirrspüler sein.
Unter einem „BLDC-Antriebsmotors“ wird insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor verstanden, der zum Antrieb einer weiteren Komponente des Haushaltsgeräts vorgesehen, d.h., angeordnet und eingerichtet, ist. Insbesondere kann ein Rotor des BLDC-Antriebsmotors als Antriebswelle dienen.
Das Hochfahren kann auch als Anfahren oder Starten bezeichnet werden. Es ist eine Ausgestaltung, dass im Ruhezustand des BLDC-Antriebsmotors dessen Ist-Drehzahl w null ist, also der BLDC-Antriebsmotor aus dem Stand hochgefahren wird.
Das „deterministische“ Soll-Stellmoment ist insbesondere ein Soll-Stellmoment, das nicht durch eine Regelung erzeugt wird, sondern aus Messdaten oder gespeicherten Daten berechnet wird und/oder aus einem Datenspeicher ausgelesen wird, z.B. mittels mindestens einer Kennlinie oder mittels Tabellenwerten. Das deterministische Soll-Stellmoment kann parametrisiert sein, d.h., dass es abhängig von mindestens einem Parameter ausgegeben wird.
Dass die Ist-Drehzahl mittels des deterministischen Soll-Stellmoments geregelt erhöht wird, umfasst insbesondere, dass das deterministische Soll-Stellmoment als Eingangsgröße oder Vorgabe einer Regelung bereitgestellt wird. Dies kann insbesondere eine Drehmomentregelung sein.
Bei der Hochfrequenzinjektion wird einer Versorgungsspannung des BLDC-Antriebsmotors eine hochfrequente Spannung überlagert, welche einen entsprechenden, überlagerten hochfrequenten Anteil der Strang- oder Motorströme des BLDC-Antriebsmotors bewirkt, um den Ist-Winkel des Rotors relativ zum Stator des BLDC-Antriebsmotors zu bestimmen. Der Ist-Winkel kann auch als Ist-Positionswinkel oder Ist-Winkelposition bezeichnet werden. Aus dem Ist-Winkel kann die Ist-Drehzahl des Rotors bestimmt werden.
Dass die Ist-Drehzahl auf eine Soll-Drehzahl geregelt wird, umfasst insbesondere, dass ein Soll-Stellmoment als Stellgröße eines Drehzahlreglers ausgegeben wird. Mit Erreichen eines ersten Drehzahlschwellwerts (der ersten „Umschaltdrehzahl“) wird also von der Regelung mittels des deterministischen Soll-Stellmoments auf eine Regelung umgeschaltet, bei der das Soll-Stellmoment mittels eines Drehzahlreglers erzeugt wird.
Dass, dann, falls die Ist-Drehzahl eine vorgegebene zweite Umschaltdrehzahl erreicht oder überschreitet, der Ist-Winkel und die Ist-Drehzahl mittels EMK bestimmt werden, umfasst insbesondere, dass mit Erreichen eines zweiten Drehzahlschwellwerts (der zweiten „Umschaltdrehzahl“) von einer Bestimmung des Ist-Winkels und der Ist-Drehzahl mittels Hochfrequenzinjektion bzw. eines Hochfrequenzinjektions-Verfahrens auf eine Bestimmung des Ist-Winkels und der Ist-Drehzahl mittels EMK („Elektromotorische Kraft“) bzw. eines EMK-Verfahrens umgeschaltet wird. EMK kann auch als BEMF („Back Electromotive Force“) bezeichnet werden.
Die HFI-Methode und/oder die („Elektromotorische Kraft“)-Methode können in einer Weiterbildung in entsprechenden Beobachtern implementiert sein. Die Beobachter können z.B. als Luenberger-, Kalman-, usw. Beobachter ausgebildet sein oder Luenberger-, Kalman-, usw. Beobachter aufweisen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die zweite Umschaltdrehzahl größer als die erste Umschaltdrehzahl ist, so dass dann zeitlich zuerst auf die Drehzahlregelung umgeschaltet wird und dann auf die Bestimmung des Ist-Winkels und der Ist-Drehzahl mittels EMK umgeschaltet wird. Jedoch ist das Verfahren nicht darauf beschränkt, sondern die zweite Umschaltdrehzahl kann auch kleiner als die erste Umschaltdrehzahl sein. Auch ist es eine Weiterbildung, dass die erste Umschaltdrehzahl der zweiten Umschaltdrehzahl entspricht.
Als Soll-Stellmoment kann ein Wert verwendet werden, welcher der physikalischen Bedeutung eines Drehmoments entspricht. Alternativ kann als Soll-Stellmoment mindestens ein Wert verwendet werden, welcher die physikalische Bedeutung eines Drehmoments in Bezug auf den Motor analog abbildet, z.B. Sollströme im d/q-System. Folglich können beispielhaft als deterministisches Soll-Stellmoment ein Drehmoment-Wert oder, äquivalent dazu, die Sollströme im d/q-System ausgegeben werden.
Es ist eine Ausgestaltung, dass mittels einer Vektorregelung aus einem Soll-Stellmoment und dem Ist-Winkel Ansteuersignale für eine Bestromung von Spulen des BLDC-Antriebsmotors erzeugt werden, wobei

- dann, wenn die Ist-Drehzahl die erste Umschaltdrehzahl noch nicht erreicht oder überschritten hat, das der Vektorregelung zugeführte Soll-Stellmoment das deterministische Soll-Stellmoment ist und
- dann, wenn die Ist-Drehzahl w die erste Umschaltdrehzahl erreicht oder überschreitet, das der Vektorregelung zugeführte Soll-Stellmoment eine Stellgröße einer Drehzahlregelung ist, deren Führungsgröße der Soll-Drehzahl entspricht und deren Rückführungsgröße der Ist-Drehzahl entspricht.

Die Vektorregelung (engl. „Field-Oriented Control“, FOC) kann eine Raumzeigermodulation (engl. „Space Vector PWM“, SVPWM) umfassen. Die Vektorregelung nutzt als Sollgrößen insbesondere Sollströme im d/q-System, speziell einen Soll-I_d-Strom und einen Soll-I_q-Strom. Diese Sollströme im d/q-System lassen sich aus dem Soll-Stellmoment berechnen und können dem Soll-Stellmoment mit hoher Genauigkeit entsprechen. Die Sollströme im d/q-System können also als Repräsentanten des Soll-Stellmoment im d/q-System angesehen werden. Es ist eine Weiterbildung, dass die Vektorregelung gemessene oder intern berechnete Größen als Messgrößen für Beobachter ausgibt, z.B. gemessene Motorströme und/oder Spannungen und/oder Ströme in einem rotorbezogenen α/β-System.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das deterministische Soll-Stellmoment mittels eines Signalgebers erzeugt wird. Der Signalgeber erzeugt ein dem deterministischen Soll-Stellmoment entsprechendes Ausgangssignal auf Grundlage eingegebener, z.B. formelmäßig berechneter oder aus einem Datenspeicher abgerufener Werte. Der Signalgeber ist insbesondere keine Regelung und kann deshalb auch als „regelungsfreier“ Signalgeber bezeichnet werden.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das deterministische Soll-Stellmoment ein konstantes Soll-Stellmoment ist. Dies ist vorteilhafterweise besonders einfach umsetzbar.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das deterministische Soll-Stellmoment ein zeitlicher Verlauf des Soll-Stellmoments ist bzw. mehr als zwei zeitlich aufeinanderfolgende, unterschiedliche Werte aufweist. Dadurch lässt sich der Vorteil erreichen, dass das Hochfahren besonders sanft durchgeführt werden kann.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das deterministische Soll-Stellmoment abhängig von mindestens einem in einem durch den BLDC-Antriebsmotor angetriebenen Hubkolbenverdichter des Haushaltsgeräts vorliegenden Druck oder einer daraus abgeleiteten Größe, z.B. einem Druckverhältnis, ist. So lässt sich vorteilhafterweise das Soll-Stellmoment gezielt an den Druck bzw. die Drücke in dem Hubkolbenverdichter und damit an die zu erwartenden Lastdrücke anpassen. Dies wiederum ermöglicht einen besonders sanften Hochlauf. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens bei Verwendung mit einem Hubkolbenverdichter besteht darin, dass beim Anlauf unter Vorgabe des deterministischen Soll-Stellmoments ein „Klebenbleiben“ bei der ersten Kompression vermieden wird, und zwar auch bei hohen Lastverhältnissen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass der Vektorregelungslogik eine MTPA („Maximum Torque per Ampere“)-Logik vorgeschaltet ist, welche das Soll-Stellmoment in einen Soll-I_d-Strom und in einen Soll-I_q-Strom umrechnet und als Eingangsgrößen z.B. an die Vektorregelungslogik übergeben kann. Dies ist vorteilhaft, um den BLDC-Motor ausgehend von dem Soll-Stellmoment besonders effektiv zu betreiben. Zum gleichen Zweck ist es eine Weiterbildung, dass in die MTPA-Logik eine Feldschwächungs-Logik integriert.
Es ist eine Ausgestaltung, dass mittels des BLDC-Antriebsmotors ein Hubkolbenverdichter angetrieben wird bzw. antreibbar ist. Das Verfahren ist dafür besonders Vorteil anwendbar, weil in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit, dass beim Hochfahren Komponenten des Haushaltsgeräts mechanisch beansprucht werden und sich Störgeräusche ergeben, besonders hoch ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Hubkolbenverdichter eine Komponente eines Kältekreislaufs ist. Es ist dann eine Ausgestaltung, dass das Haushaltsgerät ein Kältegerät ist, z.B. ein Kühlschrank, ein Gefriergerät oder eine Kombination davon.
Es ist eine Weiterbildung, dass der Hubkolbenverdichter eine Komponente einer Wärmepumpe ist. Insbesondere in diesem Fall kann das Haushaltsgerät z.B. ein Wäschebehandlungsgerät wie eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner oder eine Kombination daraus (Waschtrockner) sein. Das Haushaltsgerät kann aber auch ein Geschirrspüler sein.
Es ist eine Weiterbildung, dass mittels des BLDC-Antriebsmotors eine Wäschetrommel eines Wäschebehandlungsgerät angetrieben wird bzw. antreibbar ist.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Haushaltsgerät mit einem BLDC-Antriebsmotor, wobei das Haushaltsgerät zur Durchführung des Verfahrens wie oben beschrieben eingerichtet ist. Das Haushaltsgerät kann analog zu dem Verfahren ausgebildet werden, und umgekehrt, und weist die gleichen Vorteile auf.
So kann das Haushaltsgerät beispielsweise ein Kältegerät sein, bei dem mittels des BLDC-Antriebsmotors ein Verdichter, insbesondere Hubkolbenverdichter, eines Kältekreislaufs antreibbar ist.
Es ist eine Weiterbildung, dass der BLDC-Antriebsmotor mittels einer Umrichterschaltung ansteuerbar ist und die Umrichterschaltung zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.

1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Haushaltsgeräts in Form eines Kühlschranks;
2 zeigt einen möglichen Funktionsaufbau einer Motorsteuerung zum Antrieb eines Antriebsmotors des Haushaltsgeräts aus 1;
3 zeigt detaillierter einen möglichen Funktionsaufbau einer Vektorsteuerung der Motorsteuerung aus 2;
4 zeigt einen möglichen Ablauf eines Verfahrens zum Anfahren des Antriebsmotors.

1 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Skizze eines Haushaltsgeräts in Form eines Kühlschranks 1. Der Kühlschrank 1 weist einen Kühlraum 2 auf, dessen frontseitige Beschickungsöffnung mittels einer Tür 3 verschließbar ist. Der Kühlschrank 1 wird mittels einer Steuereinrichtung 4 gesteuert. Die Steuereinrichtung 4 kann in einer Weiterbildung einen BLDC-Antriebsmotor 5 eines Verdichters oder Kompressors 6 eines Kältekreislaufs ansteuern. Der Verdichter 6 ist hier als ein Hubkolbenverdichter ausgebildet. Der BLDC-Antriebsmotor 5 weist einen als Antriebswelle dienenden Rotor 7 und ist mittels einer Motorsteuerung 8 ansteuerbar, welche Ansteuersignale für eine Bestromung von Spulen des BLDC-Antriebsmotors 5 erzeugt. Die Motorsteuerung 8 kann eine Komponente des BLDC-Antriebsmotors 5 sein, z.B. in eine Umrichterschaltung 9 des BLDC-Antriebsmotors 5 hardwaremäßig und/oder softwaremäßig integriert sein, insbesondere in einem Controller 10 der Umrichterschaltung 9, siehe 2. Alternativ kann die Umrichterschaltung 9 oder die die gesamte Motorsteuerung 8 auch in der Steuereinrichtung 4 des Kühlschranks 1 integriert sein.
2 zeigt einen möglichen Funktionsaufbau der Motorsteuerung 8 anhand verschiedener Funktionsblöcke.
Einer der Funktionsblöcke ist eine Drehzahlregelung 11, die anhand einer Soll-Drehzahl ω_ref und einer Ist-Drehzahl ω des Rotors 7 als Stellgröße ein Soll-Stellmoment M_ref,stell berechnet.
Ein weiterer der Funktionsblöcke ist ein Signalgeber 12, der - unabhängig von der Ist-Drehzahl ω - ein deterministisches Soll-Stellmoment M_ref,det ausgibt. Dieses deterministische Soll-Stellmoment M_ref,det kann konstant sein oder kann ein zeitlicher Verlauf sein. Insbesondere kann das deterministische Soll-Stellmoment M_ref,det parametrisiert sein.
Eine MTPA-Logik 13, die auch eine Feldschwächungs- bzw. „Field-Weakening“-Logik umfassen kann, berechnet auf Grundlage eines eingegebenen Soll-Stellmoments M_ref ein äquivalentes Paar aus Soll-I_d-Strom I_d,ref und Soll-I_q-Strom I_q,ref im d/q-System und übergibt diese Werte an eine Vektorregelung 14. Das in die MTPA-Logik 13 eingegebene Soll-Stellmoment M_ref ist, wie durch das Schaltersymbol schematisch angedeutet, wahlweise entweder das von der Drehzahlregelung 11 ausgegebene Soll-Stellmoment M_ref,stell oder das von dem Signalgeber 12 ausgegebene deterministische Soll-Stellmoment M_ref,det.
Die Vektorregelung 14 berechnet aus dem Soll-I_d-Strom I_d,ref, dem Soll-I_q-Strom I_q,ref sowie aus einem Ist-Winkel θ des Rotors 7 die Ansteuersignale für die Bestromung der Spulen des BLDC-Antriebsmotors 5.
Die Motorsteuerung 8 umfasst ferner einen Beobachter 15, z.B. einen Luenberger-Beobachter, welcher von der Vektorregelung 14 Eingangs- bzw. Messgrößen B erhält und aus diesen den Ist-Winkel θ und die Ist-Drehzahl w des Rotors 7 berechnet bzw. abschätzt. Der Ist-Winkel θ wird an die Vektorregelung 14 übergeben, die Ist-Drehzahl w an die Drehzahlregelung 11.
Der Beobachter 15 umfasst hier einen HFI (Hochfrequenzinjektions)-Beobachter 16, der aus Messgrößen B in Form von Motorströmen, die einen durch Hochfrequenzinjektion erzeugten hochfrequenten Anteil aufweisen, den Ist-Winkel θ und die Ist-Drehzahl w bestimmt, insbesondere abschätzt. Der Beobachter 15 umfasst ferner einen EMK-Beobachter 17, der aus Messgrößen B in Form von transformierten gemessenen Motorströmen sowie in der Vektorregelung 14 berechneten Motorspannungen durch EMK den Ist-Winkel θ und die Ist-Drehzahl w bestimmt, insbesondere abschätzt.
3 zeigt eine mögliche detailliertere Ausgestaltung der Vektorsteuerung 14 und der Beobachter 16 und 17.
Zunächst wird eine Differenz aus dem von der MTPA-Logik 13 zugeführten Soll-I_d-Strom I_d,ref und einem Ist-I_d-Strom I_d gebildet, als auch analog eine Differenz von Soll-I_q-Strom I_q,ref und Ist-I_q-Strom I_q. Die Differenzen werden jeweiligen Reglern 19, z.B. PI-Reglern, zugeführt. Die Regler 19 können auch als Stromregelung bezeichnet werden. Die Regler 19 geben eine Spannung V_d bzw. V_q aus, die an eine inverse Park-Transformation 20 übergeben werden.
Die inverse Park-Transformation 20 berechnet aus den Spannungen V_d und V_q sowie dem Ist-Winkel θ Spannungen V_α und V_β im α/β-System und übergibt sie an eine Raumzeigermodulation 21 (engl. „Space Vector PWM“, SVPWM). Die Raumzeigermodulation 21 erzeugt Ansteuersignale GS, z.B. Gate-Signale für Transistoren, für einen Vierquadrantensteller 22, der nicht mehr Teil der Vektorsteuerung 14 zu sein braucht. Der Vierquadrantensteller 22 bestromt den BLDC- Antriebsmotor 5 entsprechend den Ansteuersignalen GS.
Ferner umfasst die Vektorsteuerung 14 eine Clarke-Transformation 23, welche die gemessenen Motorströme I_a, I_b, I_c in Ströme I_α, I_β im α/β-System umrechnet, die wiederum mittels einer Park-Transformation 24 unter Kenntnis des Ist-Winkels θ in den Ist-I_d-Strom I_d und den Ist-I_q-Strom I_q umgerechnet werden. Die Blöcke 23 und 24 können gemeinsam auch als Clarke-Park-Transformation bezeichnet werden. Der Ist-I_d-Strom I_d und der Ist-I_q-Strom I_q werden zur Differenzbildung mit dem Soll-I_d-Strom I_d,ref bzw. dem Soll-I_q-Strom I_q,ref rückgeführt.
Der HFI-Beobachter 16 erhält von der Vektorregelung 14 als Messgrößen B die die noch hochfrequenzbeaufschlagten Motorströme I_a, I_b, I_c und schätzt daraus den Ist-Winkel θ und die Ist-Drehzahl w des Rotors 7 ab. Der HFI-Beobachter 16 kann in einer Weiterbildung einen Luenberger-, Kalman-, usw. Beobachter umfassen.
Der EMK-Beobachter 17 erhält von der Vektorregelung 14 als Messgrößen B die Ströme I_α, I_β im α/β-System sowie die Spannungen V_α, V_β im α/β-System schätzt daraus den Ist-Winkel θ und die Ist-Drehzahl w des Rotors 7 ab. Der EMK-Beobachter 17 kann in einer Weiterbildung als Luenberger-, Kalman-, usw. Beobachter ausgebildet sein.
4 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel, wie die Motorsteuerung 8 ein Hoch- bzw. Anfahren des BLDC-Antriebsmotors 5 durchführen kann:

Es sei angenommen, dass sich der BLDC-Antriebsmotor 5 in einem Schritt S0 in seinem Ruhezustand befindet, bei dem seine Ist-Drehzahl w null ist, z.B. weil er nicht bestromt wird.

In einem Schritt S1 werden HFI-Signale den Motorströmen Motorströme I_a, I_b, I_c aufgeprägt und die Motorströme I_a, I_b, I_c auf den BLDC-Antriebsmotor 5 aufgegeben. Mittels des HFI-Beobachters 16 so der Ist-Winkel θ und die Ist-Drehzahl w des Rotors 7 bestimmt, werden insbesondere zyklisch, z.B. mit einer Periodendauer T_A von ca. 250 µs. Dabei ist vorteilhaft, dass mittels der Methode der Hochfrequenzinjektion auch ω = 0 erkennbar ist.
In Schritt S2 wird mittels des Signalgebers 12 das deterministische Soll-Stellmoment M_ref,det erzeugt, d.h., dass M_ref = M_ref,det gilt, und an die MTPA-Logik 13 ausgegeben. Damit werden der Soll-I_d-Strom I_d,ref und der Soll-I_q-Strom I_q,ref berechnet und an die Vektorregelung 14 übergeben. Die Vektorregelung 14 erzeugt daraus sowie aus dem durch den HFI-Beobachter 16 abgeschätzten Ist-Winkel θ wie bereits oben beschrieben die Ansteuersignale GS und gibt auch die Messgrößen B für den HFI-Beobachter 16 aus.
In Schritt S3 wird überprüft, ob die mittels des HFI-Beobachters 16 bestimmte Ist-Drehzahl ω einen ersten Schwellwert, nämlich die erste Umschaltdrehzahl, erreicht oder überschritten hat. Falls nicht („N“) wird zu Schritt S1 zurückgekehrt.
In den Schritten S1 bis S3 wird die Drehzahlregelung 11 nicht verwendet.
Falls ja („J“), wird zu Schritt S4 übergegangen, bei dem nun nicht mehr das mittels des Signalgebers 14 erzeugte deterministische Soll-Stellmoment M_ref,det an die MTPA-Logik 15 ausgegeben wird, sondern das durch die Drehzahlregelung 11 berechnete Soll-Stellmoment M_ref,stell, d.h., dass M_ref = M_ref,stell gilt.
Analog zu Schritt S2 berechnet die MTPA-Logik 13 aus M_ref = M_ref,stell den Soll-I_d-Strom I_d,ref und den Soll-I_q-Strom I_q,ref übergibt sie an die Vektorregelung 14, welche daraus sowie aus dem durch den HFI-Beobachter 16 abgeschätzten Ist-Winkel θ die Ansteuersignale GS erzeugt und die Messgrößen B für den HFI-Beobachter 16 ausgibt.
In Schritt S5 wird überprüft, ob die mittels des HFI-Beobachters 16 bestimmte Ist-Drehzahl ω einen zweiten Schwellwert, nämlich die zweite Umschaltdrehzahl, erreicht oder überschritten hat. Falls nicht („N“) wird zu Schritt S4 zurückgekehrt. Ist dies jedoch der Fall („J“), wird zu Schritt S6 übergegangen.
In Schritt S7 werden der Ist-Winkel θ und die Ist-Drehzahl w nun mittels des EMK-Beobachters 17 bestimmt, aber es wird ansonsten analog zu Schritt S4 vorgegangen.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
So wird in dem in 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel angenommen, dass die zweite Umschaltdrehzahl größer ist als die erste Umschaltdrehzahl. Jedoch kann alternativ die erste Umschaltdrehzahl größer als die zweite Umschaltdrehzahl sein, oder die beiden Umschaltdrehzahlen sind gleich.
Außerdem kann auf die MTPA-Logik 13 auch verzichtet werden. In diesem Fall können entweder der Soll-I_d-Strom I_d,ref und der Soll-I_q-Strom I_q,ref mittels anderer Berechnungsvorschriften aus dem Soll-Stellmoment M_ref berechnet werden oder in der Vektorregelung 14 umgerechnet werden oder direkt von dem Drehzahlregler 11 und dem Signalgeber 12 ausgegeben werden.
Darüber können der Ist-Winkel θ und/oder die Ist-Drehzahl w anstelle eines Beobachters 15 mittels eines Sensors bestimmt werden, z.B. mittels mindestens eines in dem BLDC-Antriebsmotor 5 verbauten Hall-Sensors.
Allgemein kann unter „ein“, „eine“ usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck „genau ein“ usw.
Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1: Kühlschrank
2: Kühlraum
3: Tür
4: Steuereinrichtung
5: BLDC-Antriebsmotor
6: Verdichter
7: Rotor
8: Motorsteuerung
9: Umrichterschaltung
10: Controller
11: Drehzahlregelung
12: Signalgeber
13: MTPA-Logik
14: Vektorregelung
15: Beobachter
16: Hochfrequenzinjektions-Beobachter
17: EMK-Beobachter
19: PI-Regler
20: Inverse Park-Transformation
21: Raumzeigermodulation
22: Vierquadrantensteller
23: Clarke-Transformation
24: Park-Transformation
B: Messgröße
GS: Ansteuersignale
Ia, Ib, Ic: Motorströme
Id: Ist-I_d-Strom
Iq: Ist-I_q-Strom
Id,ref: Soll-I_d-Strom
Iq,ref: Soll-I_q-Strom
Mref: Soll-Stellmoment
Mref,det: Deterministisches Soll-Stellmoment
Mref,stell: Soll-Stellmoment
S0-S6: Verfahrensschritte
Vα: Spannung im α/β-System
Vβ: Spannung im α/β-System
Vd: Spannung im d/q-System
Vq: Spannung im d/q-System
ω: Ist-Drehzahl
ωref: Soll-Drehzahl
θ: Ist-Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020203488 A1 [0002]
DE 102020203489 A1 [0003]
DE 102016210443 A1 [0004]
DE 102017213069 A1 [0004]

Claims

Verfahren (S0-S6) zum Betreiben eines Haushaltsgeräts (1), bei dem zum Hochfahren eines BLDC-Antriebsmotors (5) des Haushaltsgeräts (1) - eine Ist-Drehzahl (w) eines Rotors (7) des BLDC-Antriebsmotors (5) aus seinem Ruhezustand mittels eines deterministischen Soll-Stellmoments (M_ref,det) geregelt erhöht wird und dabei ein Ist-Winkel (θ) und die Ist-Drehzahl (w) des Rotors (7) mittels Hochfrequenzinjektion bestimmt werden, - falls die Ist-Drehzahl (w) eine erste Umschaltdrehzahl erreicht oder überschreitet, die Ist-Drehzahl (w) auf eine Soll-Drehzahl (ω_ref) geregelt wird und - falls die Ist-Drehzahl (w) eine zweite Umschaltdrehzahl erreicht oder überschreitet, der Ist-Winkel (θ) und die Ist-Drehzahl (w) aus einem EMK-Signal bestimmt werden.
Verfahren (S0-S6) nach Anspruch 1, bei dem die zweite Umschaltdrehzahl größer als die erste Umschaltdrehzahl ist.
Verfahren (S0-S6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mittels einer Vektorregelung (12) aus einem Soll-Stellmoment (M_ref) und dem Ist-Winkel (θ) Ansteuersignale für eine Bestromung von Spulen des BLDC-Antriebsmotors (5) erzeugt werden, wobei - dann, wenn die Ist-Drehzahl (w) die erste Umschaltdrehzahl noch nicht erreicht oder überschritten hat, das der Vektorregelung (12) zugeführte Soll-Stellmoment (M_ref) das deterministische Soll-Stellmoment (M_ref,det) ist und - dann, wenn die Ist-Drehzahl (w) die erste Umschaltdrehzahl erreicht oder überschreitet, das der Vektorregelung (12) zugeführte Soll-Stellmoment (M_ref) eine Stellgröße (M_ref,stell) einer Drehzahlregelung (11) ist, deren Führungsgröße der Soll-Drehzahl (ω_ref) entspricht und deren Rückführungsgröße der Ist-Drehzahl (w) entspricht.
Verfahren (S0-S6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das deterministische Soll-Stellmoment (M_ref,det) mittels eines Signalgebers (14) erzeugt wird.
Verfahren (S0-S6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das deterministische Soll-Stellmoment (M_ref,det) ein konstantes Soll-Stellmoment ist.
Verfahren (S0-S6) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das deterministische Soll-Stellmoment (M_ref,det) ein zeitlicher Verlauf des Soll-Stellmoments ist.
Verfahren (S0-S6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das deterministische Soll-Stellmoment (M_ref,det) abhängig von mindestens einem in einem durch den BLDC-Antriebsmotor (5) angetriebenen Hubkolbenverdichter des Haushaltsgeräts (1) vorliegenden Druck oder einer daraus abgeleiteten Größe ist.
Verfahren (S0-S6) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem der Vektorregelungslogik (12) eine MTPA-Logik (15) vorgeschaltet ist, welche das Soll-Stellmoment (M_ref) in einen Soll-I_d-Strom (I_d,ref) und in einen Soll-I_q-Strom (I_q,ref) umrechnet und als Eingangsgrößen an die Vektorregelungslogik (16) übergibt.
Verfahren (S0-S6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Ruhezustand des BLDC-Antriebsmotors (5) dessen Ist-Drehzahl (w) null ist.
Haushaltsgerät (1) mit einem BLDC-Antriebsmotor (5), wobei das Haushaltsgerät (1) zur Durchführung des Verfahrens (S0-S6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
Haushaltsgerät (1) nach Anspruch 10, wobei mittels des BLDC-Antriebsmotors (5) ein Hubkolbenverdichter (6) antreibbar ist.
Haushaltsgerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei das Haushaltsgerät (1) ein Kältegerät, insbesondere Kühlschrank, ist.