DE10314696A1

DE10314696A1 - Einrichtung und Verfahren zur Rotorlageerkennung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE10314696A1
Application number: DE2003114696
Authority: DE
Inventors: Joerg Aschoff; Klaus Maldener; Thomas Lott; Dieter Roedder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21
Also published as: FR2853161A1; ITMI20040521A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Rotorlageerkennung einer elektrischen Maschine, der eine elektronische Kommutiervorrichtung zugeordnet ist, mit einer Rotorlageerkennungseinrichtung für die Beaufschlagung mindestens einer Wicklung der Maschine mit der Rotorlageerkennung dienenden Messimpulse. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass neben der erwähnten, ersten Rotorlageerkennungseinrichtung eine weitere, zweite Rotorlageerkennungseinrichtung mit mindestens einem Lageerkennungssensor (24, 26, 28) vorhanden ist, und dass eine mögliche Abweichung zwischen den Messwerten der ersten und der zweiten Rotorlageerkennungseinrichtung bestimmende, in bestimmten Betriebszuständen der elektrischen Maschine (10) die Kommutierung beeinflussende Auswertungseinrichtung vorgesehen ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zur Rotorlageerkennung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Rotorlageerkennung einer elektrischen Maschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren zur Rotorlageerkennung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Zur Ansteuerung von elektrisch kommutierten Gleichstrommotoren sind im Wesentlichen zwei verschiedene Möglichkeiten bekannt. Die Motoren können entweder sensorlos angesteuert werden oder über eine zusätzliche Sensorik verfügen, die jeweils eine Rotorlageerkennung ermöglicht. Eine sensorgestützte Rotorlageerkennung mit Magnetgebern und Hall-Sensoren ist bspw. aus der DE 39 32 762 A1 oder aus der DE 44 10 005 A1 bekannt. Bei einer solchen Ansteuerung durch eine Sensorik kann es durch Montage- und/oder Herstellertoleranzen Einzelteile zu Versatz- bzw. Winkelfehlern kommen. Diese Fehler können die Leistung des Motors beeinträchtigen und können bei größeren Abweichungen bis zum Ausfall des Antriebs führen. Diese Fehler können sowohl im Neuzustand als auch bei länger dauerndem Betrieb des Motors durch nachträgliches Verstellen der Sensorpositionen auftreten.

Es sind weiterhin sensorlose Ansteuerungen elektrisch kommutierter Gleichstrommotoren bekannt, bei denen durch in den jeweiligen Phasen angeordnete Induktivitäten Wechselspannungen in der Motorwicklung induziert werden und dadurch eine Positionserfassung ermöglicht wird. Eine solche Einrichtung zur Positionserfassung sensorloser Motoren ist bspw. aus der DE 100 36 413 A1 und aus der DE 100 64 486 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren ist bereits im Stillstand die Rotorlage über Prüfimpulse erkennbar, so dass der Motor sofort mit der richtigen Drehrichtung anlaufen kann. Allerdings kann der Prüfimpuls hörbare Geräusche verursachen. Bei einer sensorlosen Ansteuerung ergibt sich weiterhin der mögliche Nachteil, dass das Anlaufverhalten des Motors durch die Detektion der Rotorlage mittels Testimpulsen und deren Auswertung insgesamt relativ langsam ist. Dies kann insbesondere bei Stellantrieben störend sein.

Vorteile der Erfindung

Eine Einrichtung zur Rotorlageerkennung einer elektrischen Maschine, der eine elektronische Kommutiervorrichtung zugeordnet ist und die eine Rotorlageerkennungseinrichtung für die Beaufschlagung mindestens einer Wicklung der Maschine mit der Rotorlageerkennung dienenden Messimpulsen umfasst, sieht erfindungsgemäß vor, dass neben der erwähnten ersten Rotorlageerkennungseinrichtung eine weitere, zweite Rotorlageerkennungseinrichtung mit mindestens einem Lageerkennungssensor vorhanden ist, und dass eine mögliche Abweichung zwischen den Messwerten zwischen der ersten und der zweiten Rotorlageerkennungseinrichtung bestimmende, in bestimmten Betriebszuständen der elektrischen Maschine die Kommutierung beeinflussende Auswerteinrichtung vorgesehen ist. Durch eine solche erfindungsgemäße Kombination einer sensorlosen Ansteuerung mit einer Zusatzsensorik kann ein schneller Hochlauf der elektrischen Maschine unter Last ohne Nachteile beim Wirkungsgrad des Antriebs erreicht werden. Gleichzeitig ergeben sich geringere Toleranzanforderungen an die Sensorik. Da durch die Kombination die Möglichkeit besteht, mittels der Zusatzsensorik eventuelle Fehler durch die sensorlose Ansteuerung zu erfassen und zu korrigieren, kann damit der Wirkungsgrad der Maschine verbessert werden. Solche Fehler können bspw. als Toleranzen bei der Montage oder als Herstelltoleranzen der Einzelteile auftreten.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Rotorlageerkennung ist, dass die erste und die zweite Rotorlageerkennungseinrichtung jeweils unabhängig voneinander arbeiten können und dass die beaufschlagte Wicklung der elektrischen Maschine eine vorhandene Wicklung ist, die normalerweise der Drehmomenterzeugung dient.

Die elektrische Maschine kann insbesondere ein Gleichstrommotor sein, der als Stellmotor arbeitet.

Ein solcher Stellmotor kann bspw. in vielfältiger Weise im Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Durch das verbesserte und beschleunigte Anlaufverhalten ergeben sich gegenüber der sensorlosen Ansteuerung präzisere Steuerungs- und Stellbewegungen des Motors. Es können schnellere Stellbewegungen ermöglicht werden. Auch sind zeitkritische Steuerungen in vorteilhafter Weise realisierbar.

Der Lageerkennungssensor kann insbesondere ein Hall-Sensor oder ein magnetischer Widerstandssensor sein. Beide Sensoren liefern sehr exakte Messwerte und lassen sich kostengünstig herstellen. Zudem sind derartige Hall-Sensoren und magnetische Widerstandssensoren jeweils sehr kompakt ausführbar, wodurch sich eine leichte Integration innerhalb eines vorhandenen Einbauraums der elektrischen Maschine ergibt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht eine den Betrieb der elektrischen Maschine kontrollierende, die Kommutierung beeinflussende Steuer- und/oder Regelungselektronik vor. Weiterhin kann ein die Abweichung oder mehrere betriebszustandsabhängige Abweichungen speichernder, elektronischer Datenspeicher vorgesehen sein. Dieser Datenspeicher kann die darin abgelegten Kennwerte insbesondere in Form einer Matrix, einer Kennlinie und/oder eines Kennlinienfelds speichern. Hierdurch ist eine präzise Ansteuerung ermöglicht, die sich auf den jeweils gewünschten Einsatzzweck der elektrischen Maschine abstimmen und je nach Bedarf ggf. umprogrammieren lässt.

Die Steuer- bzw. Regelungselektronik sowie der elektronische Datenspeicher sind zudem dafür geeignet, die Abweichungen aufgrund von Toleranzen bei der Montage oder der Herstelltoleranzen als permanenten Offset in der Ansteuerelektronik abzulegen. Die Abfrage für die Korrekturerfassung kann in einem beliebigen Zeitfenster nach dem Motoranlauf erfolgen. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer redundanten Ansteuerung des elektronisch kommutierten Antriebs. Sollte ein Ansteuersystem ausfallen, kann das andere System einen Notlauf hinsichtlich der Kommutierung gewährleisten.

Ein weitere Vorteil durch die Nutzung der Zusatzelektronik in Kombination mit der sensorlosen Ansteuerung liegt im verbesserten Anlaufverhalten des Motors. Durch die Kommutierung über die Zusatzsensorik kann eine zusätzliche Abfrage, wie sie für die sensorlose Ansteuerung benötigt wird, entfallen. Der Motor läuft somit schneller hoch als bei reiner sensorloser Ansteuerung.

Auch das bei einer sensorlosen Ansteuerung möglicherweise auftretende und ggf. störende Geräusch aufgrund der Lageerkennung des Motors beim Anlauf kann durch die Kommutierung über die Zusatzsensorik weitgehend unterdrückt bzw. verhindert werden.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Rotorlageerkennung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 8, bei der neben der erwähnten ersten Rotorlageerkennung eine zweite Rotorlageerkennung mittels eines Lageerkennungssensors durchgeführt wird. Die Messwerte der ersten und der zweiten Rotorlageer kennung für die Ermittlung mindestens einer möglichen Abweichung werden ausgewertet. In bestimmten Betriebszuständen der elektrischen Maschine wird die Kommutierung auf Basis der Abweichung beeinflusst. Die Abweichungen können gespeichert und bei einem der Betriebsführung dienenden, die Kommutierung beeinflussenden Steuer- und/oder Regelungsvorgang der elektrischen Maschine verwendet werden. Beim Anfahren der elektrischen Maschine kann die Rotorlage mittels der zweiten Rotorlageerkennung gemessen werden. Dieser Messwert kann zur Beeinflussung der Kommutierung mittels der Abweichung korrigiert werden. Bei einem solchen Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ergeben sich die gleichen Vorteile wie zuvor anhand der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Rotorlageerkennung beschrieben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine Prinzipdarstellung einer elektrisch kommutierten Gleichstrommaschine, die eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Rotorlageerkennung aufweist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figur verdeutlicht den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen, elektronisch kommutierten elektrischen Maschine 10. Die elektrische Maschine 10 kann insbesondere ein Synchronmotor sein. Ein Rotor 12 weist einen Magnetgeber 13 auf, der zur Drehwinkellageerkennung genutzt wird. Ein Stator 14 der elektrischen Maschine 10 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Ständer 16 auf, die jeweils um 120° phasenversetzt sind. Auf jedem der Ständer 16 ist eine Wicklung 18, 20, 22 aufgebracht. Die drei Wicklungen 18, 20, 22 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel sternförmig zusammengeschaltet. Dies ist jedoch keine Bedingung für die Funktion der erfindungsgemäßen Rotorlageerkennung. Die Wicklungsanordnung entspricht im Übrigen der eines Drehstrommotors. Der Stator 14 mit den drei Wicklungen 18, 20, 22 kann zur Umwandlung und Übertragung von Winkelinformationen verwendet werden. Dabei ist sein dreiphasiger Aufbau für Kommutierungssteuerungen bei ebenfalls dreiphasigen Maschinen zu einer direkten Zuordnung der Ausgangsspannungen zu den Maschinenphasen nutzbar.
Bei einer sensorlosen Drehwinkelerfassung wird die Quellenspannung der elektrischen Maschine 10, also die durch das drehende Magnetfeld in den Wicklungen 18, 20, 22 induzierte Spannung zur Läufer- bzw. Rotorlagebestimmung genutzt. Eine gewisse Drehzahl der elektrischen Maschine 10 ist hierbei notwendig, um diese Signale auswerten zu können, da die Quellenspannung im Stillstand den Wert Null hat. Während einer kurzen Startphase, in der die Motorwicklungen willkürlich ohne Läuferlagerückkopplung bestromt werden, kann die Maschine unter Umständen einige Grad in eine falsche Richtung laufen, bevor ein definierter Steuerbetrieb möglich ist. Das kann bspw. bei Werkzeugmaschinen zu erheblichen Beeinträchtigungen führen. Zudem ergibt sich ein relativ langsamer Anlauf aus dieser sensorlosen Drehwinkelerfassung.
Um dies Nachteile auszugleichen, ist bei der elektrischen Maschine 10 gemäß vorliegender Erfindung vorgesehen, dass eine zusätzliche Rotorlageerkennungseinrichtung in Form von Lageerkennungssensoren 24, 26, 28 und einer nachgeschalteten Auswerteschaltung (nicht dargestellt) vorgesehen ist. Diese drei Sensoren können bspw. als Hall-Sensoren oder als magnetische Widerstandssensoren ausgeführt sein und ermöglichen sowohl einen schnellen Anlauf der elektrischen Maschine 10 als auch einen Ausgleich von Herstell- oder Montagetoleranzen, der jeweils anderen Sensorik.
Die drei, jeweils zwischen den Wicklungen 18, 20, 22 angeordneten Sensoren 24, 26, 28 sind ebenfalls jeweils in einem 120° Winkel zueinander versetzt. Die Hall-Sensoren sind nur in der Figur zwischen den Spulen angeordnet, weil sich dies zeichnerisch besser darstellen lässt. Grundsätzlich ist die Position der Hall-Sensoren nur abhängig von der Anordnung des Magnetgebers 13. Die Sensoren müssen auch je nach Motorauslegung nicht in einem 120°-Winkel zueinander stehen. Die Kombination der beiden Lageerkennungseinrichtungen ermöglicht jederzeit eine präzise Ansteuerung der elektrischen Maschine, sowohl beim Start als auch während ihres Betriebs.
Die Wirkungsweise und Anordnung der jeweiligen Auswerteschaltungen sind hinsichtlich der sensorlosen Rotorlageerkennung in der DE 100 36 413 A1 und in der DE 100 64 486 A1 und hinsichtlich der sensorgestützten Rotorlageerkennung in der DE 44 10 005 A1 und in der DE 39 32 762 A1 offenbart. Auf den Offenbarungsgehalt dieser Patentdokumente wird im vorliegenden Zusammenhang ausdrücklich Bezug genommen.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erfassten Toleranzen und Lageabweichungen oder andere, betriebszustandsabhängige Abweichungen in elektronischen Datenspeichern abgelegt sind. Ggf. können die bei der Montage der Maschine ermittelten Abweichungen unmittelbar in einen Speicher geschrieben werden. In einem solchen Datenspeicher können die relevanten Steuer- bzw. Regelparameter für die elektrische Maschine in Form einer Zuordnungsvorschrift bzw. Matrix, in Form von Kennlinien und/oder von Kennlinienfeldern abgelegt sein.

Claims

Einrichtung zur Rotorlageerkennung einer elektrischen Maschine, der eine elektronische Kommmutiervorrichtung zugeordnet ist, mit einer Rotorlageerkennungseinrichtung für die Beaufschlagung mindestens einer Wicklung der Maschine mit der Rotorlageerkennung dienenden Messimpulse, dadurch ge kennzeichnet, dass neben der erwähnten, ersten Rotorlageerkennungseinrichtung eine weitere, zweite Rotorlageerkennungseinrichtung mit mindesten einem Lageerkennungssensor (24, 26, 28) vorhanden ist, und dass eine mögliche Abweichung zwischen den Messwerten der ersten und der zweiten Rotorlageerkennungseinrichtung bestimmende, in bestimmten Betriebszuständen der elektrischen Maschine (10) die Kommutierung beeinflussende Auswertungseinrichtung vorgesehenen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) ein Gleichstrommotor ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) ein Stellmotor ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageerkennungssensor (24, 26, 28) als Hall-Sensor ausgeführt ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageerkennungssensor (24, 26, 28)) als magnetischer Widerstandssensor ausgeführt ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, den Betrieb der elektrischen Maschine (10) kontrollierende, die Kommutierung beeinflussende Steuererungs- und/oder Regelungselektronik.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen, die Abweichung oder mehrere betriebszustandsabhängige Abweichungen speichernden, elektronischen Datenspeicher.
Verfahren zur Rotorlageerkennung für eine elektrische Maschine, insbesondere unter Verwendung einer Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Maschine eine elektronische Kommutiervorrichtung zugeordnet ist, und wobei eine Rotorlageerkennung mittels der Beaufschlagung mindestens einer Wicklung der Maschine mit Messimpulsen durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass neben der erwähnten, ersten Rotorlageerkennung eine weitere, zweite Rotorlageerkennung mittels eines Lageerkennungssensors (24, 26, 28) durchgeführt wird, dass die Messwerte der ersten und der zweiten Rotorlageerkennung für die Ermittlung mindestens einer möglichen Abweichung ausgewertet werden und dass in bestimmten Betriebszuständen der elektrischen Maschine (10) auf Basis der Abweichung die Kommutierung beeinflusst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung gespeichert und bei einem der Betriebsführung dienenden, die Kommutierung beeinflussenden Steuer- und/oder Regelungsvorgang der elektrischen Maschine (10) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anfahren der elektrischen Maschine (10) die Rotorlage mittels der zweiten Rotorlageerkennung gemessen wird, und dieser Messwert zur Beeinflussung der Kommutierung mittels der Abweichung korrigiert wird.