DE4437793C2

DE4437793C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Elektromotors

Info

Publication number: DE4437793C2
Application number: DE4437793A
Authority: DE
Inventors: Riccardo Monleone
Original assignee: Agie Charmilles SA
Current assignee: Agie Charmilles SA
Priority date: 1994-10-21
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2014-10-22
Also published as: JPH08214600A; US5874821A; EP0708521A1; CN1127954A; DE4437793A1; CN1063886C; JP3174258B2; DE59504058D1; KR960016105A; EP0708521B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Elektromotors, gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 15.

Im nachfolgenden soll unter den Begriffen "Rotor" und "Sta tor" nur die funktionsmäßige Bezeichnung der Grundelemente eines Elektromotors gemeint sein, welche sich entweder relativ zu einem äußeren Koordinatensystem in der Lage verändern (drehen oder verschieben) - der Rotor - oder bezüglich des äußeren Koordinatensystems fixiert sind - der Stator.

Gerade beim Starten des Elektromotors ist es wünschenswert, die genaue Winkelposition bzw. Lage des Rotors rela tiv zum jeweils dazugehörigen Stator zu kennen, um ein geeignetes Drehmoment auf den Rotor erzeugen zu können. Bei bekannten Verfahren oder Vorrichtungen erhält man diese Information über eine absolute Positionsmessung. Dabei ist ein Absolutmeßsystem zum Beispiel auf einer Welle des Ro tors, auf welcher der Rotor sitzt, angebracht. Das Absolut meßsystem gibt zu jedem Zeitpunkt die genaue Winkellage des Rotors zum Stator an.

Als Absolutmeßsysteme werden vielfach sogenannte Resolver oder Hall-Sensoren eingesetzt. Die Resolver sind z. B. In duktionsmesser oder drehbare Transformatoren. Beim Hall- Sensor handelt es sich in der Regel um drei um die Achs welle in 120°-Schritten versetzt angebrachte Sensoren.

Solche Absolutmeßsysteme sind dabei so am Elektromotor angebracht, daß sie in allen Betriebszuständen - selbst bei ausgeschalteter Elektromotorsteuerung - ständig die absolu te Phasenlage des Rotors zum Stator angeben können. Für ihre Ansteuerung und Realisierung sind allerdings aufwendi ge und damit kostenintensive elektronische Schaltungen not wendig.

Insbesondere bei Synchronmotoren mit Bürsten bzw. Bürsten klemmen ist ein Steuerungsverfahren bekannt, bei dem die Lage aus der Phasenlage der induzierten Sinusspannung an den Motorklemmen bestimmt wird. Dieses Verfahren hat aber zum Nachteil, daß es nur während der Drehung des Rotors - also im Betrieb des Elektromotors - funktioniert.

Häufig dürfen sich Elektromotoren aber - z. B. beim Ein schalten der Energieversorgung - nicht oder nur sehr wenig bewegen. Zum Beispiel ist es bei Vorrichtungen zur elek troerosiven Bearbeitung von Werkstücken, bei denen Elek tromotoren die Bewegung des Bearbeitungstisches und/oder der Elektrodenführung(en) steuern, besonders wichtig, mit dem Einschalten des Elektromotors einerseits die genaue Lage des Rotors zum Stator zu kennen und andererseits unkontrollierte Drehungen des Rotors während dieser Ein schaltphase möglichst zu vermeiden. Diese Anforderungen werden vor allem dann verständlich, wenn man bedenkt, mit welch hoher Präzision bei derartigen Vorrichtungen gearbei tet wird. Steuern die Elektromotoren zum Beispiel die Füh rungsköpfe für die Elektroden bzw. den Schneidedraht, so können bereits ungewollte Bewegungen im Bereich von Mikro metern die Qualität der Werkstücksbearbeitung beträchtlich negativ beeinflussen. Unkontrollierte Bewegungen des Elek tromotors können sogar bis hin zur Beschädigung der mechani schen Einheit (Führungskopf) oder der zu bearbeitenden Werkstücke führen.

Die dem Gattungsbegriff belegende US 5 343 127 zeigt eine Steuerung für einen bürstenlosen Elektromotor zur Bestimmung der absoluten Lage des Rotors relativ zum Stator. Hierzu wird der Motor elektrisch angeregt, damit er eine kleine Bewegung ausführt. Anschließend wird mittels dreier Spannungssensoren die durch die Rotordrehung in den Statorwicklungen zurückinduzierte Spannung gemessen. Dabei wird allerdings lediglich das Vorzeichen der zurückinduzierten Spannungen verfolgt und aus einem Vorzeichenwechsel, den sogenannten Nulldurchgängen der induzierten Spannung, eine Information über die Lage des Rotors bezüglich des Stators abgeleitet. Es werden also jeweils die Vorzeichen der zurückindu zierten Spannungen in den drei Statorwicklungen vor und nach dem ersten Nulldurchgang einer der zurückin duzierten Spannungen gemessen. Die Nulldurchgänge sind dabei als feste Referenzpunkte anzusehen und entsprechen eindeutig definierten absoluten Lagen vom Rotor zum Stator. Tritt innerhalb einer bestimmten vorgegebenen Zeitdauer kein Vorzeichenwechsel auf, so wird der Elektromotor wiederholt für eine bestimmte Zeit dauer über eine andere Phasenwicklung angeregt und es wird erneut ein Vorzeichenwechsel der zurückinduzierten Spannungen abgewartet.

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren und eine Vor richtung zur Steuerung von Elektromotoren, insbesondere bürstenlosen Elektromotoren, zu schaffen, welche die Lagenbestimmung vereinfachen.

Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 15. Im nachfol genden soll die Größe der anzuregenden Bewegungen so klein ausgewählt werden, daß die obengenannten Probleme - zu große ungewollte Bewegungen des Rotors in der Startphase - nicht auftreten. Bevorzugt kann die Größe der anzuregenden Bewegungen aber auch ohne Rücksicht auf eventuelle uner wünschte Rotorbewegungen ausgewählt werden.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein bereits vorhandenes Meßsystem zum Messen von Lagenänderungen des Rotors relativ zum Stator verwendet und damit der ge samte Aufbau wesentlich vereinfacht und aufgrund der Ver ringerung der Anzahl an Bauteilen kostengünstiger gestaltet werden kann. Dieses Meßsystem findet man bevorzugt in bür stenlosen Elektromotoren, wo es der Steuerung bzw. Kontrol le dient.

Bürstenlose Elektromotoren setzt man seit längerem ver stärkt ein, da sie sich durch ihre Kompaktheit, Zuverläs sigkeit, ihren einfachen Aufbau und ihre exzellenten dyna mischen Eigenschaften auszeichnen.

Man unterscheidet im wesentlichen zwischen zwei verschiede nen Arten von bürstenlosen Elektromotoren, je nach Wellen form des Erregerstroms bzw. der induzierten Spannung. Der Erregerstrom kann z. B. einen trapez- oder einen sinusför migen Verlauf haben.

Bürstenlose Elektromotoren, die mit einem trapezförmigen Erregerstrom angeregt werden, sind hinsichtlich ihres elek tronischen Schaltungsaufbaus kostengünstiger als bürstenlo se Elektromotoren, die mit einem sinusförmigen Erregerstrom angeregt werden, da die elektrische 360°-Periode grob genä hert in sechs Abschnitte - sechs Sextanten - aufgeteilt werden kann. Innerhalb jedes Sextanten wird die Spannung bzw. der Strom nur zwischen zwei der drei Anschlußpunkte eingespeist und gesteuert. Innerhalb eines Sextanten ent spricht der bürstenlose Elektromotor mit beaufschlagtem trapezförmigen Erregerstrom im Prinzip einem normalen Gleichstrommotor, da der beaufschlagte Stromverlauf in diesem Bereich im wesentlichen konstant ist.

Beim bürstenlosen Elektromotor, der mit einem sinusförmigen Erregerstrom angeregt wird, sind im Falle eines beauf schlagten Drehstroms immer alle drei Phasen aktiv, so daß dieser bürstenlose Elektromotor im Prinzip einem (Syn chron)-Wechselstrommotor mit Permanentmagnet-Rotor ent spricht.

Das og. Meßsystem im Elektromotor, oder speziell im bür stenlosen Elektromotor, erfaßt im wesentlichen nur eine Winkeländerung (bzw. einen Längenzuwachs bei Linearmoto ren). Die gemessenen Werte für die Winkel- bzw. Längenände rungen werden an eine an den Elektromotor angeschlossene Steuereinrichtung weitergeleitet. Mit diesen Werten leitet die Steuereinrichtung Reaktionen des Elektromotors auf eine zuvor von der Steuereinrichtung beaufschlagte Spannung bzw. einen Strom ab. Die Steuerung berücksichtigt diese Reaktion bei der Wahl des nächsten Spannungs- bzw. Stromimpulses (oder -vektors) und verhindert damit ein unkontrolliertes Ausbrechen oder einen sogenannten Schlupf der Rotorbewegung während der Betriebsphase.

Erfindungsgemäß wird nun dieses zuvor erwähnte Meßsystem zusätzlich zur Lagebestimmung ausgenutzt, z. B. nach Einschalten der Ener gieversorgung.

Bekannte Resolver, die zur Lagenbestimmung häufig in bürstenlosen Elektromotoren mit beaufschlagtem sinusförmigen Erregerstromverlauf eingesetzt werden, können diese Funktionen - die Ableitung einer Lagenänderung aus Absolutmeßwerten - prinzipiell zwar ebenso übernehmen, sind aber gegenüber og. Meßeinrichtungen stark benachtei ligt, welche vom Meßprinzip her ausschließlich eine Lagenänderung erfassen. Die Auflösung og. Resolver ist nämlich häufig nur auf einige Winkelminuten beschränkt. Ferner ist die elektronische Weiterverarbeitung des Resol versignals mit einem extrem teueren elektronischen Aufwand verbunden und liefert in der Regel nur einen schlechten Si gnal-zu-Rauschabstand und damit einhergehend eine schlechte abgeleitete Geschwindigkeitsinformation bei niederen Ge schwindigkeiten des Rotors. Daher eignen sich Resolver in der Regel nicht für die vorzunehmenden Geschwindigkeits messungen des Rotors in einem Elektromotor.

Im nachfolgenden wird in der Beschreibung nur noch auf erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele mit einem bürstenlo sen Elektromotor eingegangen statt allgemein auf Elektromo toren. Dies ist aber nicht einschränkend zu verstehen, sondern dient nur einer einheitlichen Terminologie.

In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Elektromotor von einer Positions- und Geschwindigkeits regelung angeregt (Anspruch 2). In der entsprechenden Vor richtung umfaßt die Erregereinrichtung eine Positions- und Geschwindigkeitsregelung (Anspruch 17). Damit ist die er findungsgemäße Vorrichtung zur Lagenbestim mung der bekannten Positions- und Geschwindigkeitsregelung übergeordnet und greift somit auf diesselbe Erregereinrich tung zurück. Schaltungstechnisch wird damit der zur Imple mentierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufzubringende Aufwand deutlich verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren läuft also prinzipiell parallel zu der bereits bestehenden Positions- und Geschwindigkeitsregelungsvorrichtung des bürstenlosen Elektromotors.

Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Elektromotor mit einem sinusförmigen oder trapezförmigen Stromverlauf angeregt (Anspruch 3). Der erfindungsgemäße Elektromotor kann dabei bevorzugt ein bürstenloser Elektromotor, in welchem das Rotormagnetfeld durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, oder ein Synchron-Wechselstrommotor sein, in welchem das Rotormagnetfeld durch einen Elektromagneten erzeugt wird. Im Falle der sinusförmigen Erregung ist es wichtig, die genaue Position des Rotors gegenüber dem Stator zu kennen, da das gewünschte Drehmoment auf den Rotor in die gewünsch te Richtung nur dann erzeugt werden kann, wenn sich der Phasenwinkel des beaufschlagten Stromes in einer bestimmten Beziehung zu der Phasenlage des Magnetfeldes des Rotors befindet, zum Beispiel 90° voraus. Dieses Problem tritt zwar auch im Falle einer trapezförmigen Erregung auf, al lerdings ist es hier ausreichend zu wissen, in welchem der sechs Sextanten sich der Rotor befindet. Für bürstenlose Elektromotoren mit beaufschlagtem trapezförmigen Erreger stromverlauf ist daher bereits ein sehr grobes Lagen bestimmungsverfahren ausreichend, um bereits eine vollstän dige Kontrolle über den Elektromotor zu erhalten.

Im nachfolgenden wird hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung (bzw. dem Verfahren) zur Bestimmung der Lage bevorzugt nur noch auf Ausführungsbeispiele, die einen bürstenlosen Elektromotor mit einem beaufschlag ten sinusförmigen Erregerstromverlauf aufweisen, näher eingegangen. Diese Ausführungsbeispiele enthalten nämlich die anderen Ausführungsbeispiele, die einen bürstenlosen Elektromotor mit beaufschlagtem trapezförmigen Erreger stromverlauf aufweisen, bereits als vereinfachte Ausfüh rungsformen mit.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Phasenlagenänderung mit Hilfe eines inkrementalen, opti schen Meßsystems gemessen (Anspruch 4 und 16). Optische Meßsysteme zeichnen sich meist durch ein besonders hohes Auflösungsvermögen aus. Weist das optische Meßsystem z. B. einen Laser auf, so ist eine Auflösung von 100 000 Winkel stellungen innerhalb einer vollständigen Rotorumdrehung möglich.

In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform erfolgt die Lagenbestimmung nach einem groben und einem feinen Bestimmungsverfahren, wobei beim groben Verfahren der Rotor in einem vorgegebenen La genbereich gehalten wird, insbesondere auf einem bestimmten Lagenwert (ggf. auch dann, wenn der Elektromotor mit einer statischen Last, z. B. auf die z-Achse, belastet wird) und beim feinen Verfahren die genaue absolute Lage bestimmt wird (Anspruch 5). Der Vorteil der Aufspaltung des Lagen-Bestimmungsverfahrens in zwei separate Bestim mungsverfahren besteht darin, aus einer anfänglichen inkre mentalen Lageninformation des Meßsystems schnell eine akzeptable Näherung der Rotorposition während der Start phase des Bestimmungsverfahrens zu gewinnen und dabei Ro torbewegungen möglichst zu vermeiden und anschließend die Näherung der Rotorposition beliebig zu verfeinern. Das grobe Verfahren liefert hierbei bevorzugt die Näherung der Lage während der Startphase, die bereits ausreicht, den bürstenlosen Elektromotor in die gewünschte Richtung zu bewegen bzw. zu steuern. Es stellt bevorzugt zusätzliche Sicherheitsmechanismen bereit, die den bürsten losen Elektromotor stabil gegen den Einfluß dynamischer Eigenschaften der Motorlasten hält. Das gesamte La genbestimmungsverfahren funktioniert also ebensogut für Anwendungen mit einer statischen Last auf den bürstenlosen Elektromotor, wenn dieser z. B. zum Bewegen vertikaler Ach sen einer Werkzeugmaschine eingesetzt wird, ebenso wie für Anwendungen ohne diese Lasten. Die von dem groben Bestim mungsverfahren gefundene Lage ist in der Regel mit einem Fehler kleiner oder gleich 90° behaftet. Daraus resultiert auch in ungünstigen Fällen eine schlechte Drehmomentreserve, d. h., die dynamischen Eigenschaften des Elektromotors sind nur unzureichend. Zur Beseitigung dieser Mängel dient das feine Bestimmungsverfahren. Dieses verbes sert wiederholt in nachfolgenden Iterationsschritten den Näherungswert für die Lage. Dieses feine Bestimmungsverfahren allein reicht jedoch nicht aus, den bürstenlosen Elektromotor unter Kontrolle zu halten. Dies gilt besonders für die ersten Iterationsschritte, bei denen die Lage noch nicht zufriedenstellend ge wählt bzw. ermittelt ist. Bevorzugt arbeiten diese beiden Bestimmungsverfahren parallel zu der bekannten Elektromo torsteuerung.

Bevorzugt wird die Lage beim feinen Bestim mungsverfahren über ein binäres Suchverfahren bestimmt (Anspruch 6). Mit diesem Suchverfahren werden ausgehend von einem Näherungswert eines zu beaufschlagenden Phasenwinkels alle nachfolgenden Werte der zukünftig zu beaufschlagenden Phasenwinkel dadurch ermittelt, daß der nachfolgende Wert bezüglich des bisherigen Wertes immer halbiert wird. An schließend wird dann jeweils die Lagenänderung gemes sen und der gemessene Wert der Bestimmung der Lage zugrundegelegt. Dieses binäre Suchverfahren be stimmt besonders effektiv und schnell die Lage.

In einer bevorzugten Ausführungsform laufen zu Beginn der Lagenbestimmung beide Verfahren so lange, bis der Rotor einen vorgegebenen Lagenbereich einnimmt, ins besondere einen Lagenwert, und sodann werden beim groben Verfahren nur noch Motorausbrüche überwacht (An spruch 7). Beim groben Bestimmungsverfahren wird also ein konstanter Offsetwert bestimmt, welcher, zu der inkrementa len Rotorpositionsinformation addiert, einen bestimmten Winkel liefert. Mit dieser Information wird sodann ein auf die drei Phasen verteilter Strom erzeugt, mit dem der bürstenlose Elektromotor ein geeignetes Drehmoment entwickeln kann. Sobald eine geeignete Näherung für den Offsetwert gefunden ist, wird diese vom groben Verfahren so lange konstant gehalten, bis auch das feine Bestimmungsver fahren zum Abschluß gekommen ist. Anschließend wird der Offset-Wert mit dem vom feinen Bestimmungsverfahren gefun denen Wert korrigiert. Während der gesamten Ablaufzeit des feinen Verfahrens überwacht das grobe Verfahren nur even tuell auftretende, unerwünschte Motorbewegungen bzw. Aus brüche und schaltet sich nur dann ein, wenn diese Ausbrüche einen bestimmten vorgegebenen Wert überschreiten bzw. aus einem vorgegebenen Bereich herauslaufen.

Somit laufen beide Bestimmungsverfahren zu Beginn der Lagenbestimmung gleichzeitig - sozusagen parallel. So bald der bürstenlose Elektromotor unter Kontrolle ist, stellt das grobe Bestimmungsverfahren seine Hauptfunktion ein und überwacht nur noch eventuell auftretende Motoraus brüche. Ab diesem Zeitpunkt arbeitet also in erster Linie nur noch das feine Bestimmungsverfahren, bis auch dieses abgeschlossen hat. Mit all diesen Maßnahmen erhält man ein besonders effektives, schnelles und sicheres Verfahren zur Bestimmung der Lage.

Bevorzugt wird beim groben Verfahren der Betrag der zu anzuregenden Bewegung des Rotors in Abhängigkeit der gemes senen Ausbruchgeschwindigkeit oder -beschleunigung des Rotors im Elektromotor gewählt (Anspruch 8). Wird beim Überwachen der Motorausbrüche vom groben Verfahren festge stellt, daß der Rotor eine unerwünschte Bewegung ausführt, so korrigiert er die derzeit gefundene Lage um einen Betrag, der bevorzugt proportional zu der Ausbruchgeschwin digkeit des Rotors ist, d. h. der Geschwindigkeit, mit wel cher der Rotor sich unerwünschterweise aus einem vorgegebe nen Lagenbereich hinausbewegt. Bevorzugt kann das grobe Verfahren die derzeit gefundene Lage auch um einen Wert korrigieren, der proportional zur Beschleunigung des Rotors ist oder gleich einer Konstanten, deren Vorzei chen von der Ausbruchgeschwindigkeit abhängt. Besonders bevorzugt ist auch jegliche Kombination der drei verschie denen genannten Korrekturarten einsetzbar.

Sobald der Rotor sich wieder innerhalb eines bestimmten Lagenbereichs um seine Startposition herum befindet oder einen vorgegebenen Lagenwert eingenommen hat, hält das grobe Bestimmungsverfahren den letztgefundenen Näherungswert der Lage konstant und schaltet wieder auf ein passives Überwachen zurück. Damit hat das grobe Bestimmungsverfahren seine Hauptfunktion erfüllt und übt von nun an wieder die Überwachungsfunktion aus, bis der bürstenlose Elektromotor erneut ausbricht. Ist dies erneut der Fall, so sucht das grobe Bestimmungsverfahren eine noch bessere Näherung für die Lage, wobei es wiederum den bisherigen Wert der Lage um einen Wert z. B. bevorzugt proportional zur Ausbruchgeschwindigkeit korrigiert. Mit dieser Maßnahme ist ein besonders stabiles Sicherheitssystem gegeben, welches den bürstenlosen Elek tromotor in "Störfällen" schnell und sicher unter Kontrolle bringt. Somit ist der bürstenlose Elektromotor sowohl gegen äußere Einflüsse als auch gegen intern bei der Lagen bestimmung auftretende Probleme geschützt. Ändert sich z. B. während der Zeit, da das Bestimmungsverfahren läuft, die äußere Last auf den bürstenlosen Elektromotor, so schaltet sich automatisch das grobe Bestimmungsverfahren ein und versucht, der äußeren Last entgegenzuwirken.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird während des feinen Verfahrens der Elektromotor ständig mit einem Strom von der Positions- und Geschwindigkeitsregelung ver sorgt (Anspruch 9). Nach jedem Durchlauf des feinen Bestim mungsverfahrens wird die Positions- und Geschwindigkeits regelung so lange aktiviert, bis der bürstenlose Elektro motor stabil zurück in seine Anfangsposition gelangt ist.

Bevorzugt wird beim feinen Verfahren wiederholt: zunächst ein Stromvektor ausgewählt und zu einem von der Positions- und Geschwindigkeitsregelung vorgegebenen Stromvektor ad diert, der Elektromotor mit dem resultierenden Stromvektor beaufschlagt, sodann die dadurch verursachte Lagen änderung des Rotors gemessen und diese Änderung der Auswahl eines weiteren Stromvektors sowie der Bestimmung der Lage zugrundegelegt (Anspruch 10). Besonders bevorzugt wird die Amplitude des Stromvektors als die maxi mal zulässige Amplitude einer Treiberschaltung der Posi tions- und Geschwindigkeitsregelung ausgewählt (Anspruch 11). Der bürstenlose Elektromotor kann während des Ablaufes des Lagenbestimmungsverfahrens somit vorteilhaft auch großen Lasten standhalten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird für einen Elektromotor, bei dem Rotordrehungen während des Bestimmungsverfahrens erlaubt sind, nur das feine Bestim mungsverfahren angewendet (Anspruch 12). Dieser Spezialfall kann auch dann auftreten, wenn keine statische Last an dem bürstenlosen Elektromotor hängt, z. B. für horizontal zu bewegende Achsen. Ist es also von der Konstruktion bzw. den Anforderungen an die Genauigkeit vertretbar, den bürstenlo sen Elektromotor während des Bestimmungsverfahrens gering fügig zu bewegen, so reicht es aus, das gesamte Bestim mungsverfahren auf ein Aufrufen des feinen Bestimmungsver fahrens zu reduzieren, allerdings unter der Voraussetzung, daß nach jedem Durchlauf des feinen Verfahrens eine Pause eingefügt wird, so daß der Rotor genügend Zeit hat, voll ständig zur Ruhe zu kommen. Bevorzugt wird der Rotor dabei nicht in seine anfängliche Lage zurückgesteuert, sondern die momentane Lage des Rotors relativ zum Stator als neuer Startwert für die Bestimmung der La ge ausgewählt (Anspruch 13).

Bevorzugt werden verfahrensinterne bzw. vorrichtungsinterne Parameter mittels eines Fuzzy-Reglers optimiert (Anspruch 14 und 20). Damit können Parameter, die dem Bestimmungsver fahren zugrundegelegt werden und z. B. die Konvergenzge schwindigkeit des Verfahrens oder die Stabilität gegen äußere Einflüsse festlegen, sozusagen intern - von dem Ver fahren selbst - optimiert werden. Damit ergibt sich ein äu ßerst flexibles und anpassungsfähiges System. Wird ein bürstenloser Elektromotor mit der og. erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet, so kann dieser bürstenlose Elek tromotor anschließend für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden, wobei er sich in den ersten Probeläufen selbstständig an seine neue Umwelt anpassen und nach den Probeläufen im weiteren Betriebsverlauf Schwankungen durch äußere Einflüsse flexibel berücksichtigen und kompensieren kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Positions- und/oder Geschwindigkeitsregelung eine bipolare Treiberschaltung (Anspruch 18). Weiterhin sind die Aus werteeinrichtung und/oder die Erregereinrichtung bevorzugt in einen programmierbaren Programmbaustein implementiert (Anspruch 19). Damit läßt sich mit besonders geringem Auf wand die gesamte erfindungsgemäße Vorrichtung in einer kleinen kompakten Schaltung unterbringen.

Bevorzugt wird eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20 zum kontrollierten Starten eines Elektromotors ver wendet (Anspruch 21). Gerade beim Starten liegt keine In formation über die Lage vor. Sie kann zwar beim Ausschalten in einem festen Speicher abgespeichert werden, jedoch können äußere Einflüsse die Rotorposition so verändern, daß der Bezug vollständig verlorengeht. Somit muß die Elektronik beim Einschalten die genaue Lage erneut bestimmen. Ebenso kann es während der Betriebsphase des bürstenlosen Elektromotors durch äußere Einflüsse o. ä. dazu führen, daß die Information über die Rotorposition verlorengeht. Auch in diesem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt zum Einsatz kommen.

Weitere Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus führungsbeispiele. In dieser Beschreibung wird auf die beigefügte schematische Zeichnung Bezug genommen.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Schaltkreis mit einer Positions- und Geschwindigkeitsregelung für einen bürstenlosen Motor und einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Lage;

Fig. 2 ein Flußdiagramm mit einem schematischen Ablauf eines dem groben und dem feinen Bestimmungsver fahren übergeordneten erfindungsgemäßen Steue rungsverfahren;

Fig. 3 ein Flußdiagramm mit einem schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen groben Bestimmungsverfah rens; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm mit einem schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen feinen Bestimmungsverfah rens.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schaltungs aufbau 2, der einen bürstenlosen Motor 4, einen inkrementa len Enkoder 6 als Meßsystem, eine Positions- und Geschwin digkeitsregelung 8, einen Dreiphasen-Sinusgenerator 10, ei ne erfindungsgemäße Vorrichtung 12 zum Bestimmen der Lage eines Rotors zu einem Stator im bürsten losen Motor 4 und eine Stromsteuerung 14 umfaßt.

Der Dreiphasen-Sinusgenerator 10 ist über seine drei Aus gänge entlang dreier getrennter Verbindungen mit dem Ein gang je eines Multiplizierers 16, 18 und 20, und diese wie derum jeweils über ihren einen Ausgang entlang dreier Ver bindungen mit den drei Eingängen der Stromsteuerung 14 elektrisch verbunden. Ebenso ist die Positions- und Ge schwindigkeitsregelung 8 über ihren einen Ausgang mit dem Eingang jedes der drei Multiplizierer 16, 18 und 20 und die Stromsteuerung 14 über ihre drei Ausgänge entlang dreier getrennter Verbindungen mit den drei Polpaaren des bürsten losen Elektromotors 4 elektrisch verbunden.

Der Dreiphasen-Sinusgenerator 10 liefert drei um je 120° phasenversetzte Sinuszüge U, V, W an die jeweiligen drei Multiplizierer 16, 18 und 20. Beispielsweise werden die drei jeweiligen Sinuszüge U, V, W wie folgt bestimmt:

U(t) = cos (ϕ(t) + ϕ_I) (1)

V(t) = cos (ϕ(t) + ϕ_I + 2π/3) (2)

W(t) = cos (ϕ(t) + ϕ_I + 4π/4) (3)

In den Formeln (1), (2) und (3) bezeichnet ϕ(t) die zeitli che Lagenänderung des Rotors, die auch folgendermaßen ausgedrückt werden kann:

ϕ(t) = α(t).2p, (4)

wobei der Winkel α(t) die zeitliche mechanische La genänderung und die Zahl p die Anzahl der Polpaare des bürstenlosen Elektromotors 4 angeben. In den Formeln (1), (2) und (3) ist ϕ_I der zu bestimmende Phasenwinkel, der zusammen mit der zeitlichen Lagenänderung ϕ(t) die momentan zum Zeitpunkt t vorliegende Lage angibt. Die Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 lie fert einen Strom i bestimmter Amplitude und Phasenlage an alle drei Multiplizierer 16, 18 und 20. Der Strom i wird im jeweiligen Multiplizierer entsprechend der Phasenlage U, V, W des Dreiphasen-Sinusgenerators 10 phasenversetzt, womit sich folgende drei Stromphasen i_U, i_V und i_W ergeben:

i_U(t) = i cos (ϕ(t) + ϕ_I) (5)

i_V(t) = i cos (ϕ(t) + ϕ_I + 2π/3) (6)

i_W(t) = i cos (ϕ(t) + ϕ_I + 4π/3) (7)

Betrachtet man nun einen vereinfachten bürstenlosen Elek tromotor, der genau drei Polpaare aufweist, welche jeweils mit den Stromphasen i_U, i_V und i_W versorgt werden, so ergibt sich unter der Annahme, daß die magnetische Induktion B in dem Luftspalt sinusförmig verteilt ist, die Magnetfeldstär ke an jeder der drei einer Phase zugeordneten Windungen zu:

B_U(ϕ) = B cos (ϕ(t) + ϕ_I) (8)

B_V(ϕ) = B cos (ϕ(t) + ϕ_I + 2π/3) (9)

B_W(ϕ) = B cos (ϕ(t) + ϕ_I + 4π/3) (10).

Das Gesamtdrehmoment M auf den Rotor ist die Summe der von jeder Phase in der entsprechenden Windung erzeugten Drehmo mente auf den Rotor:

M = M_U + M_V + M_W = k(B_Ui_U + B_Vi_V + B_Wi_W) (11).

Zur Vereinfachung sind die Windungszahlen, die Geometrie faktoren, die Anzahl der Polpaare in der Konstanten k zu sammengefaßt. Mit Einsetzen der Gleichungen (5)-(7) und (8)-(10) in (11) erhält man das Gesamtdrehmoment:

M = 3/2 k B i cos (ϕ(t) + ϕ_I) (12).

Aus der Formel (12) ist ersichtlich, daß das Gesamtdrehmo ment M - z. B. beim Einschalten (ϕ(t) = 0) - nur bei einer bestimmten Lage ϕ_I einen günstigen Wert annimmt. Im ungünstigsten Fall kann das Gesamtdrehmoment M sogar Null werden. Somit wird verständlich, warum eine genaue Informa tion über die absolute Lage des Rotors relativ zum Stator erforderlich ist, um den bürstenlosen Elektromotor 4 genau steuern zu können.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform beeinflußt die Stromsteuerung 14 die an den bürstenlosen Elektromotor 4 gelieferten Stromphasen i_U, i_V und i_W. Die innere Schleife 30 ist eine Stromsteuerungsschleife, die gewöhnlich in der Hardware implementiert ist. Sie steuert in diesem Fall die Stromphase i_W. Die äußere Schleife 32 ist eine Positions- und Geschwindigkeitsregelungsschleife, die gewöhnlich in einer Software inplementiert ist. Sie steuert in diesem Fall die Stromphase i_U.

Der imkrementale Encoder 6 verfolgt die Drehung des Rotors und damit einhergehend die Lagenänderung des Rotors zum Stator im bürstenlosen Elektromotor 4. Die so erhaltene Information leitet er entweder direkt oder verschlüsselt - d. h. codiert - an die Vorrichtung 12 zur Bestimmung der Lage, die Positions- und Geschwindigkeits regelung 8 und den Dreiphasen-Sinusgenerator 10 weiter. Hierzu ist der inkrementale Encoder 6 mit der Vorrichtung 12 zur Bestimmung der Lage, der Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 und über einen Summierer 28 mit dem Dreiphasen-Sinusgenerator 10 verbunden. Der Summie rer 28 addiert im wesentlichen die vom inkrementalen Enko der 6 und der Vorrichtung 12 zur Bestimmung der Lage gelieferten Informationen und leitet sie an den Dreiphasen-Sinusgenerator 10 weiter.

Die Vorrichtung zur Bestimmung der Lage 12 beinhaltet im wesentlichen zwei Einrichtungen, die zum Ablauf folgender zwei Verfahren ausgelegt sind: eines fei nen Bestimmungsverfahrens 22 und eines groben Bestimmungs verfahrens 24. Beide Verfahren werden mit der Information des inkrementalen Encoders 6 versorgt. Abhängig von be stimmten Bedingungen, die unten näher erläutert werden, laufen diese beiden Verfahren 22 und 24 je nach der sozusa gen als Hilfskonstruktion eingezeichneten Schalterstellung 26. Anfänglich - während der Startphase - laufen beide Verfahren 22 und 24 bei der Bestimmung der Lage sozusagen parallel zueinander bzw. abhängig vonein ander, während nach der Startphase nur noch das feine Be stimmungsverfahren 22 die Lage bestimmt, und das grobe Bestimmungsverfahren 24 nur noch unerwünschte Ausbrüche des bürstenlosen Elektromotors 4 überwacht und ggf. kompensiert.

Mit dem Einschalten der Energieversorgung für die gesamte Schaltung 2 und damit auch für den bürstenlosen Elektromo tor 4 befindet sich der Rotor in einer willkürlichen Lage zum Stator. Wie in Formel (12) gezeigt, kann der Elektromotor 4 gewöhnlich nicht allein von der klassischen Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 unter Kontrolle gehalten werden, da der Wert ϕ_I zum Zeitpunkt des Einschal tens unbekannt ist. Wird eine zufällige Wahl für den Wert von ϕ_I getroffen, so kann es vorkommen, daß der Elektromotor 4 nur ein kleines oder überhaupt kein Drehmoment erzeugen kann oder im schlimmsten Fall in die entgegengesetzte statt die gewünschte Richtung entweicht. Alleinige Anwendung der bekannten Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 liefert also nur einen relativen Wert ϕ(t), der keinen Bezug zum tatsächlich auftretenden Startwert ϕ_I hat, und der vom in krementalen Encoder 6 mit dem Einschalten beim Wert Null beginnend zeitlich weiterverfolgt wird.

Erfindungsgemäß bestimmt also die Vorrichtung für das grobe Bestimmungsverfahren 24 eine Näherung für den konstanten Lagenwert ϕ_I, welcher, mit Hilfe des Summierers 28 zu der zeitlichen Lagenänderung ϕ(t) des inkrementalen Encoders 6 addiert, als Ergebnis eine genäherte absolute Lage des Rotors zum Stator liefert. Diese Information wird an den Dreiphasen-Sinusgenerator 10 weitergeleitet, der daraus die drei Phasenzüge U, V, W erzeugt. Mit diesen Phasenzügen werden wiederum die Stromphasen i_U, i_V und i_W erzeugt, mit welchen der bürstenlose Motor 4 ein geeignetes Drehmoment liefern kann. Sobald also eine geeignete Nähe rung für ϕ_I abgeschätzt worden ist, wird diese solange kon stant gehalten, bis auch die Vorrichtung für das feine Bestimmungsverfahren 22 abgeschlossen hat und den La genwert ϕ_I liefert, welcher, zur zeitlichen Lagenände rung ϕ(t) addiert, die momentane Lage des Rotors zum Stator angibt. Damit hat die Vorrichtung zur Bestimmung der Lage 12 ihre Aufgabe er füllt, und alle weiteren Steuerungen werden - wie gehabt - von der Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 übernom men.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Flußdiagramm für das dem feinen 22 und dem groben 24 Bestimmungsverfah ren übergeordnete Steuerungsverfahren 12, das in der Vor richtung zur Bestimmung der Lage 12 imple mentiert ist. Dieses übergeordnete Verfahren 12 wird zum Beispiel nach Einschalten der Energieversorgung für den gesamten Schaltungsaufbau 2 gestartet.

Das Steuerungsverfahrens 12 setzt im ersten Verfahrens schritt P1 die Werte des zu bestimmenden Lagenwertes ϕund der maximal aufgetretenen Lagenänderung Δϕmax zu Null. Außerdem setzt es einen Entscheidungsparameter, der angibt, ob das grobe Bestimmungsverfahren 24 abge schlossen hat oder nicht, auf "nicht fertig". Schließlich setzt es noch zwei Werte L, R auf bestimmte Werte, welche einer zusätzlich zu beaufschlagenden Lage entsprechen - in die jeweilige Drehrichtung des Rotors relativ zum Stator in oder gegen den Uhrzeigersinn. In diesem Ausfüh rungsbeispiel setzt es L zu Null und R auf den Wert 511. Anschließend läuft das Steuerungsverfahren 12 weiter zum Verfahrensschritt P2.

Im Verfahrensschritt P2 liest es den vom inkrementalen Encoder 6 gelieferten Wert Δϕ ein. Dieser gibt die zeitli che Lagenänderung des Rotors bezüglich des Startwer tes an - also bezüglich des Positionwertes des Rotors z. B. unmittelbar nach dem Einschalten der Energieversorgung für den Schaltungsaufbau 2. Sodann läuft das Steuerungsverfah ren 12 weiter zum Verfahrensschritt P3.

Im Verfahrensschritt P3 ruft es das feine Bestimmungsver fahren 22 einen Durchlauf lang auf. Dieses feine Verfahren 22 bewirkt, daß der bürstenlose Elektromotor 4 mit einem bestimmten Strom solange beaufschlagt wird, bis eine (mini male, von der Auflösung des inkrementalen Meßsystems be stimmte) Lagenänderung stattgefunden hat. Die gemes sene Lagenänderung wird in einer nachfolgenden Be rechnung berücksichtigt. Sollte das feine Bestimmungsver fahren 22 abgeschlossen haben, d. h. die Lage gefunden haben, so verzweigt das Steuerungsverfahren 12 zum Programmschritt P4 und beendet dort seinen Ablauf. Ist das feine Bestimmungsverfahren 22 noch nicht abgeschlossen, so läuft das Steuerungsverfahren 12 weiter zum Verfahrens schritt P5.

Im Verfahrensschritt P5 wartet das Steuerungsverfahren 12 die nächste Abtastzeit T_N ab, die z. B. von einem internen Zeitgeber der Schaltung 2 geliefert wird. Sodann läuft das Steuerungsverfahren 12 weiter zum Programmschritt P6, bei dem es überprüft, ob die Stellung des Rotors relativ zum Stator wieder auf dem Wert ist, auf welchem er z. B. unmit telbar nach dem Einschalten der Energieversorgung war - prinzipiell also bei einem Wert für die zeitliche Lagenänderung ϕ(t) von Null. Da das Steuerungsverfahren 12 aber nicht kontinuierlich mißt, sondern nur diskrete Werte für ϕ(t) ermitteln kann - jeweils zu den entsprechenden Abtastzeiten T_N - wird hierzu also der Wert der diskreten zeitlichen Lagenänderung Δϕ_N mit dem Startwert Δϕ₀ verglichen. Befindet sich der Motor wieder in seiner Aus gangsposition entsprechend Δϕ₀, so verzweigt das Steuerungs verfahren 12 zurück zum Verfahrensschritt P3. Andernfalls läuft es weiter zum Verfahrensschritt P6, bei dem es die Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 einen Durchlauf lang aufruft.

Im Verfahrensschritt P6 stellt das Steuerungsverfahren 12 zusätzlich sicher, daß der momentan von der Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 beaufschlagte Motorstrom i bis zur nächsten Wiederholung dieses Verfahrensschrittes P7 aufrechterhalten bleibt. Weiterhin bringt es die diskrete zeitliche Lagenänderung Δϕ_N auf den neuesten Stand.

Sodann läuft das Steuerungsverfahren 12 weiter zum Verfah rensschritt P8, bei dem es das grobe Bestimmungsverfahren 24 einen Durchlauf lang aufruft. Anschließend läuft es zu rück zum Verfahrensschritt P4.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung ein Flußdiagramm für das feine Bestimmungsverfahren 22. Während des Ablaufs des feinen Bestimmungsverfahrens 22 wird der interne Zeit geber des Schaltungsaufbaus 2, der die Abtastzeiten T_N liefert, abgeschaltet. Ebenso wird während des Ablaufs des feinen Verfahrens 22 der bürstenlose Elektromotor 4 bis zum nächsten Aufruf mit dem von der Positions- und Geschwindig keitsregelung 8 berechneten Strom i beaufschlagt, um si cherzustellen, daß der Elektromotor 4 eventuelle statische Lasten (Z-Achse) halten kann. Das feine Bestimmungsverfah ren 22 addiert nun wiederholt Stromvektoren mit verschiede nen Phasen und maximal möglichen Amplituden - d. h. daß die Vektorsumme des Stromes i aus der Positions- und Geschwin digkeitsregelung 8 und des Stromes aus dem feinen Bestim mungsverfahren 22 die maximal zulässige obere Stromgrenze der Treiberschaltung für den bürstenlosen Motor 4 nicht überschreitet - zu dem von der Positions- und Geschwindig keitsregelung 8 gelieferten Strom i. Dies alles geschieht innerhalb kurzer Zeitperioden, die so bemessen sind, daß sich der Rotor etwas bewegen kann. Anschließend verfolgt das feine Bestimmungsverfahren 22, wie weit und in welche Richtung sich der Rotor gedreht hat. Nach jeder Iteration N wird die Information über die Drehrichtung berücksichtigt und das darauffolgende Suchintervall halbiert. Damit erhält es nach einem Maximum von N Iterationen den bis zur ge wünschten Genauigkeit zu bestimmenden Wert für ϕ_I, wobei sich N aus dem Startwert für L bzw. R nach folgender Formel ergibt:

N = log₂R (13).

Das feine Bestimmungsverfahren 22 startet mit dem Verfah rensschritt P1, bei welchem es der Variablen J einen ganz zahligen aus den beiden Werten L und R gemittelten Wert zu weist.

Das feine Verfahren 22 läuft weiter zum Verfahrensschritt P2, bei welchem es über den Dreiphasen-Sinusgenerator 10 in Verbindung mit den drei Multiplizierern 16, 18 und 20 einen Stromvektor mit der Phase 2 πJ/512 und einer maximal zuläs sigen Amplitude zum Strom i, der von der Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 gehalten wird, addiert.

Das feine Verfahren 22 läuft weiter zum Verfahrensschritt P3, bei welchem es eine Variable "Zeit" zu Null setzt. Diese Variable ist ein Maß für die Zeit, wie lange der Elektromotor 4 mit dem resultierenden Stromvektor (i_U, i_V, i_W) aus Schritt P2 beaufschlagt wird.

Das feine Verfahren 22 läuft weiter zum Verfahrensschritt P4, bei welchem es die momentane zeitlichen Lagenände rung Δϕ einliest. Da der Zeitgeber ausgeschaltet ist, liest es nicht die diskreten zeitlichen Lagenänderungen ΔϕN ein, die ja genau einer bestimmten Zeit des internen Zeit gebers entsprechen, sondern nur die momentanen zeitlichen Lagenänderungen Δϕ, die den im zeitlichen Verfahrens ablauf zwischen den Verfahrensschritten P4 bis P7 "künst lich" erzeugten Zeitpunkten entsprechen.

Das feine Verfahren 22 läuft weiter zum Verfahrensschritt P5, bei dem es die Differenz des aktuell ermittelten Wertes Δϕmit dem zuvor im Verfahrensschritt P4 ermittelten Wert der momentanen zeitlichen Lagenänderung Δϕ* bildet und mit einem "Schwellwert" vergleicht. Dieser "Schwell wert" kann zum Beispiel einigen Meßmarken - also einer bestimmten Anzahl an kleinsten Auflösungsschritten - des inkrementalen Encoders 6 entsprechen. Mit dieser Abfrage überprüft das feine Verfahren 22, ob die Rotordrehung nicht so schnell bzw. nicht so stark ist, daß sie einen be stimmten Wert - den "Schwellwert" - überschreitet.

Ist die Rotordrehung noch innerhalb des vorgegebenen Berei ches, so verzweigt das feine Verfahren 22 zum Verfahrens schritt P6, bei dem es die Zeitvariable um genau einen Wert erhöht.

Von dort läuft das feine Verfahren 22 weiter zum Verfah rensschritt P7, bei welchem es die Zeitvariable mit einem vorgegebenen "ZEIT-AUS"-Wert vergleicht. Dieser "ZEIT-AUS"- Wert stellt die Zeit dar, innerhalb derer das feine Ver fahren 22 eine Reaktion des Rotors auf den beaufschlagten Strom abwartet. Ist die Zeit somit noch nicht abgelaufen, so läuft das feine Verfahren 22 zurück zum Verfahrens schritt P4. Ist der vorgegebene Zeitbereich allerdings überschritten, so verzweigt das feine Verfahren 22 zum Ver fahrensschritt P8.

Zum Verfahrensschritt P8 läuft das feine Verfahren 22 auch dann, wenn es im Verfahrensschritt P5 feststellt, daß die Differenz der momentanen Δϕ zur bisherigen zeitlichen Lagenänderung Δϕ* größer als der vorgegebene "Schwell wert" ist.

Im Verfahrensschritt P8 überprüft das feine Verfahren 22, ob die Differenz der momentanen Δϕ zur bisherigen zeitli chen Lagenänderung Δϕ* gleich Null und falls nicht, ob sie negativ oder positiv ist. Damit prüft es also, ob eine relative zeitliche Lagenänderung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten stattgefunden hat und wenn ja, in welche Richtung.

Ist die Differenz der momentanen Δϕ zur bisherigen zeitli chen Lagenänderung Δϕ* positiv, so verzweigt das feine Verfahren 22 weiter zum Verfahrensschritt P9, bei welchem es der Variablen R den Wert der Variablen J zu weist, da sich der Rotor in Uhrzeigersinn gedreht hat.

Ist die Differenz gleich Null, so verzweigt das feine Ver fahren 22 zum Verfahrensschritt P10, bei welchem es sowohl der Variablen L als auch der Variablen R den Wert J zu weist, da sich der Rotor nicht mehr gedreht hat und somit der Lagenwert ϕ_I gefunden ist.

Ist die Differenz negativ, so verzweigt das feine Verfahren 22 zum Verfahrensschritt P11, bei welchem es der Variablen L den Wert J zuweist, da sich der Rotor gegen den Uhrzei gersinn gedreht hat.

Von den Verfahrensschritten P9-P11 läuft das feine Ver fahren 22 weiter zum Verfahrensschritt P12, bei welchem es überprüft, ob der Wert der Variablen L mit dem Wert der Variablen R übereinstimmt. Ist dies der Fall, so hat es somit den exakten Lagenwert ϕ_I gefunden (siehe P10). In diesem Fall verzweigt das feine Verfahren 22 zum Verfah rensschritt P13, bei welchem es die Lage ϕ_I nach folgender Formel bestimmt:

ϕ_I = J/512 × 1/k - Δϕ* (14).

K ist hierbei der Geometriefaktor aus Gleichung (11). Falls die Werte R und L nicht übereinstimmen, hat sich der Rotor noch gedreht. Damit ist aber der aktuelle Durchlauf des feinen Bestimmungsverfahrens 22 ersteinmal abgeschlossen und das feine Verfahren 22 springt zurück in das überge ordnete Steuerungsverfahren 12.

In speziellen Situationen, bei denen keine statische Last am Elektromotor 4 hängt - wenn zum Beispiel nur horizontale Achsen bewegt werden müssen, und etwas größere Motorbewe gungen während des Verfahrens 12 zur Bestimmung der Lage vertretbar sind, ist es grundsätzlich mög lich, das gesamte Bestimmungsverfahren 12 nur auf einen Aufruf des feinen Bestimmungsverfahrens 22 zu beschränken. In diesem Fall wird nach jeder erregten Bewegung des Elek tromotors 4 so lange eine Pause gemacht, bis der Elektromo tor 4 vollständig zum Stillstand kommt. Anschließend wird die gemessene, momentane zeitliche Lagenänderung Δϕ der Bestimmung der (aktuellen) Lage im nächsten Durch lauf zugrundegelegt.

All die in den einzelnen Verfahrensschritten ausgeführten Zuweisungen oder Abfragen beziehen sich auf einen inkremen talen Encoder 6, der derart verdrahtet ist, daß er den bürstenlosen Elektromotor 4 mit einem Strom gemäß der Glei chungen (5)-(7) speist, wobei ϕ(t) monoton steigt, wenn die gemessene Bewegung bzw. Drehung positiv ist bzw. im Uhrzeigersinn verläuft. Im entgegengesetzten Fall müssen die mit einem * in den Flußdiagrammmen gekennzeichneten Größen in ihrem Vorzeichen geändert werden. Außerdem ändert sich in diesem Fall der Ausdruck (14) für ϕ_I zu:

ϕ_I = -J/512 × 1/k - Δϕ* (14a).

Zusätzlich muß die Information ϕ aus dem in Fig. 1 gezeig ten Schaltungsaufbau 2 im Vorzeichen geändert werden, bevor sie an den Dreiphasen-Sinusgenerator 10 weitergeleitet wird.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung ein Flußdiagramm für das grobe Bestimmungsverfahren 24. Das grobe Bestim mungsverfahren 24 überwacht u. a. den bürstenlosen Elektro motor 4, damit dieser keine unkontrollierten Bewegungen ausführt. Wenn dies der Fall ist, verändert es ϕ_I um einen bestimmten Wert, welcher entsprechend einem Faktor k₁ pro portional zur Entweichgeschwindigkeit des Rotors ist. Die Entweichgeschwindigkeit ist hierbei ein Maß für die Winkel geschwindigkeit der Rotordrehung. Sobald der bürstenlose Elektromotor 4 innerhalb eines bestimmten Bereiches um seine Anfangsposition ist, wobei dieser bestimmte Bereich durch einen Faktor k₂ abgegrenzt wird, hält das grobe Ver fahren 24 den aktuell gefundenen Wert von ϕ_I, und schaltet einen Entscheidungsparameter "grobes Bestimmungsverfahren" auf "fertig". Dies bedeutet, daß das grobe Bestimmungsver fahren 24 abgeschlossen hat und von nun an nur noch eine Sicherheits-Überwachungsfunktion übernimmt. Es wird nur dann erneut für eine genauere Abschätzung des Winkels ϕ_I aufgerufen, falls der bürstenlose Elektromotor 4 wieder entweichen sollte.

Der "Schwellwert", ab welchem der Rotor erneut ausgebrochen ist, wird durch einen Faktor k₃ festgelegt. Es muß hierbei bemerkt werden, daß das grobe Bestimmungsverfahren 24 nur zu einer Lösung konvergieren kann, wenn der Elektromotor 4 - etwa durch eine "Störung" - bewegt wird. Diese "Störung" wird vorallem durch das feine Bestimmungsverfahren 22 ver ursacht.

Das grobe Bestimmungsverfahren 24 startet mit dem Verfah rensschritt P1, bei welchem es den Entscheidungsparameter "grobes Verfahren" abfragt. Findet es diesen Entscheidungs parameter im Zustand "fertig", so verzweigt das grobe Ver fahren 24 zum Verfahrensschritt P9. Im anderen Falle läuft es weiter zum Verfahrensschritt P2.

Im Verfahrensschritt P2 vergleicht es die momentane dis krete zeitliche Lagenänderung Δϕ_N mit der im vorher gehenden Durchlauf ermittelten diskreten zeitlichen Lagenänderung Δϕ_N-1. Falls der momentane Wert größer als der bisherige Wert ist, verzweigt das grobe Verfahren 24 zum Verfahrensschritt P4. Im anderen Fall läuft es weiter zum Verfahrensschritt P3, bei dem es dieselbe Abfrage wie im Verfahrensschritt P2 vornimmt.

Stellt es im Verfahrensschritt P3 fest, daß der momentane Wert kleiner als der bisherige Wert ist, so verzweigt das grobe Verfahren 24 zum Verfahrensschritt P4, andernfalls - d. h. im Falle, daß der momentane Wert gleich dem bisherigen Wert ist, wird das grobe Bestimmungsverfahren 24 beendet.

Im Verfahrensschritt P4 multipliziert es den maximal aufge tretenen Wert Δϕ_max der diskreten zeitlichen Lagen änderung mit dem Vorzeichen der aktuellen (relativen) Änderung und vergleicht das Ergebnis mit dem Betrag der momentanen diskreten zeitlichen Lagenänderung Δϕ_N. Ist der erste Wert kleiner als der zweite, so verzweigt das grobe Verfahren 24 zum Verfahrensschritt P5, bei welchem es den Wert Δϕ_max gleich dem Wert der momentanen diskreten zeilichen Lagenänderung Δϕ_N setzt. Somit bringt es den Wert der maximal aufgetretenen, diskreten zeitlichen Lagenänderung Δϕ_max immer auf den neuesten Stand. An dernfalls läuft das grobe Verfahren 24 weiter zum Verfah rensschritt P6.

Im Verfahrensschritt P6 ändert das grobe Verfahren 24 den Wert für die Lage ϕ_I nach folgender Formel:

ϕ_I = ϕ_I + k₁ (Δϕ_N - Δϕ_N-1) (15).

Anschließend läuft das grobe Verfahren 24 weiter zum Ver fahrensschritt P7, bei welchem es den Betrag der momentanen diskreten zeitlichen Lagenänderung Δϕ_N mit dem Pro dukt aus dem Faktor k₂ und dem Betrag des maximal aufgetre tenen Wertes Δϕ_max der diskreten zeitlichen Lagenände rung vergleicht. Ist der erste Wert kleiner als der zweite, so läuft das grobe Verfahren 24 weiter zum Verfahrens schritt P8. Andernfalls wird das grobe Bestimmungsverfahren 24 beendet.

Im Verfahrensschritt P8 setzt es den Entscheidungsparameter "grobes Verfahren" auf "fertig".

Von dort läuft das grobe Verfahren 24 weiter zum Verfah rensschritt P9, bei dem es erneut eine Abfrage durchführt. Es bildet dort das Produkt aus der momentanen diskreten zeitlichen Lagenänderung Δϕ_N und dem Vorzeichen des maximal aufgetretenen Wertes Δϕ_max der diskreten zeitlichen Lagenänderung und vergleicht das Produkt mit dem Betrag von Δϕ_max plus einer Konstanten k₃. Ist das Produkt größer als die Summe, so läuft das grobe Verfahren 24 wei ter zum Verfahrensschritt P10. Andernfalls wird das grobe Bestimmungsverfahren 24 beendet.

Im Verfahrensschritt P10 setzt es den Entscheidungsparame ter "grobes Verfahren" auf "nicht fertig". Anschließend wird das grobe Bestimmungsverfahren 24 beendet.

Die Reaktionsfähigkeit der Positions- und Geschwindigkeits regelung auf Lagenänderungen während der Bestimmung 12 der Lage muß bezüglich der Reaktions fähigkeit der Positions- und Geschwindigkeitsregelung wäh rend eines normalen Betriebes des bürstenlosen Elektromo tors 4 - d. h. ohne daß das zusätzliche Verfahren 12 zur Bestimmung der Lage läuft - gedämpft wer den. Dafür gibt es im wesentlichen zwei Gründe:

Erstens ist das grobe Bestimmungsverfahren 24 auf plötzli che oder heftige Bewegungen und Übersteuerungen des bür stenlosen Elektromotors 4 leicht anfällig, was möglicher weise zu einer schlechten Näherung für den Lagenwert führen kann.

Zweitens ist während der ersten Durchläufe des groben Be stimmungsverfahrens 24 die Näherung für ϕ_I noch nicht sehr genau. Da die Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 aber diesen Wert für ϕ_I benutzt, kann sich der bürstenlose Elektromotor 4 in die andere als die gewünschte Richtung bewegen und somit außer Kontrolle geraten. Das grobe Be stimmungsverfahren 24 braucht also einige Zeit bis es eine vernünftige Näherung für ϕ_I findet und den bürstenlosen Elektromotor 4 unter Kontrolle bekommt. Um ungewünschte Motorbewegungen während dieser Zeit zu minimieren, darf die Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 nicht zu heftig reagieren.

Während des normalen Betriebes und auch während des Ablaufs des Bestimmungsverfahrens 12 wird die Positions- und Ge schwindigkeitsregelung 8 auf dieselbe Art eingesetzt, wie während der normalen Motorbetriebsweise. Der von der Posi tions- und Geschwindigkeitsregelung 8 gelieferte Strom i wird bevorzugt nach Art eines klassischen digitalen PID- Typs bestimmt. Der Strom i_N in der N-ten Iteration wird nach folgender Differentialgleichung berechnet:

i_N = c₁(c₀(X_N(ref) - X_N(mot)) + V_N(ref) - V_N(mot)) + c₂/c₁c₀(i_N-1) - c₂/c₀(V_N-1(ref) - V_N-1(mot)) (16),

wobei:
V_N0: = X_N0 - X_N-10,
X_N(ref), V_N(ref): = Referenzposition, -geschwindigkeit,
X_N(mot), V_N(mot): = Motorposition, Geschwindigkeitsrückkopplung.
c₁, c₂, c₃: = Koeffizienten

Dieses zusätzliche Korrekturverfahren wird zu dem Zweck eingesetzt, eventuelles "Rutschen" der Rotorposition zu er fassen und im voraus zu korrigieren. Dies ist vorallem für synchronisierte Mehrachsenbewegungen wichtig. Obwohl die Formel (16) es nicht unmittelbar angibt, wird der Integral anteil nur vom Positionsfehler getragen.

Um also die oben angesprochenen Dämpfungseigenschaften der Positions- und Geschwindigkeitsregelung 8 während der An laufphase des groben Bestimmungsverfahrens 24 zu erhöhen, muß die Gewichtung des Positionsfehlerverstärkers in Rela tion zu der Gewichtung des Geschwindigkeitsfehlerverstär kers (entspricht dem Faktor c₀) stark reduziert werden (z. B. um einen Faktor 50 verglichen mit dem Wert bei normalen Be trieb), während die Faktoren c₁ und c₂ nahezu unverändert bleiben. Die resultierende Reaktion pro Meßschritt wird damit langsamer. Außerdem werden Positionsfehler weitestge hend vom Integrator c₂ korrigiert und hängen folglich von der intrinsischen Zeitkonstante ab.

Ebenso muß der Satz Koeffizienten k₁, k₂, k₃ im groben Be stimmungsverfahren 24 sorgfältig ausgewählt werden.

Der Koeffizient k₁ setzt das "Ziel" des groben Verfahrens 24 fest, d. h. ab wann die Näherung für ϕ_I, genügend genau be stimmt sein soll. Damit konvergiert das grobe Verfahren 24 schneller und kommt somit schneller zum Abschluß, wenn der Wert für k₁ erhöht wird. Eine Erhöhung führt aber gleich zeitig auch zu Instabilitäten während des Ablaufes des gesamten Bestimmungsverfahrens 12.

Der Koeffizient k₂ gibt dem groben Verfahren 24 an, wann es die Suche nach einer noch besseren Näherung für ϕ_I abbrechen soll. Mit einem Wert für k₂ nahe bei 1 schließt das grobe Verfahren 24 zu schnell mit einem zu ungenauen Wert für ϕ_I ab. Auf der anderen Seite können für einen Wert von k₂ zu nahe bei Null Instabilitäten auftreten.

Schließlich wird über den Wert für k₃ der Schwellwert ge setzt, ab welchem das grobe Verfahren 24 erneut aufgerufen werden soll, um eine noch bessere Näherung für ϕ_I zu finden, nachdem es einmal abgeschlossen hat. Der Schwellwert sollte nicht zu eng gewählt werden, um dem gesamten elektromecha nischen System einen gewissen Spielraum zu lassen.

Es ist einleuchtend, daß die Koeffizienten nicht unabhängig voneinander sind, sodaß eine optimale Abstimmung in mehre ren Versuchen oder Schritten erfolgen sollte. Allerdings ist die Wahl der Koeffizienten auch nicht so kritisch, wie sie erscheinen mag. So kann z. B. eine bestimmte Wahl für k₁, k₂ und k₃ ebensogut für die verschiedensten Anwendungen (verschiedene Lasten, Reibungen etc.) zufriedenstellend arbeiten.

Für die Wahl der Koeffizienten c₁, c₂ und c₃ ist es von Vorteil, diese zuerst für einen bürstenlosen Elektromotor 4 mit bekannter Rotorposition oder für einen bürstenlosen Elektromotor 4, der in eine bekannte absolute Rotorposition bringbar ist, zu treffen.

Die Wahl der einzelnen Koeffizienten kann auch mit Hilfe eines Fuzzy-Reglers erfolgen.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Elektromotors (4), bei dem die Lage (ϕ_I) eines Rotors relativ zu einem Stator des Elektromotors (4) bestimmt wird, in dem:

a) eine Bewegung des Rotors durch Anlegen eines Signals bekannter Größe (J) an den Elektromotor (4) angeregt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß:
b) die als Reaktion des Elektromotors (4) auf das Signa lanlegen durchgeführte Lageänderung (Δϕ_N) des Rotors relativ zum Stator gemessen wird;
c) die Lage (ϕ_I) aus der gemessenen Lageänderung (Δϕ_N) und dem Wert (J) der an den Elektromotor (4) angelegten Signalgröße abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (4) von einer Positions- und Ge schwindigkeitsregelung (8) angeregt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (4) mit einem sinusförmigen oder tra pezförmigen Stromverlauf (i) angeregt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagenänderung (Δϕ_N) mit Hilfe eines inkrementalen, optischen Meßsy stems (6) gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Lage (12) nach einem feinen (22) und einem gruben Bestimmungsverfahren (24) erfolgt, wobei beim groben Verfahren (24) der Rotor in einem vorgegebenen Lagenbereich gehalten wird, insbesondere auf einem bestimmten Wert, und beim feinen Verfahren (22) die genaue Lage (ϕ_I) bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim feinen Bestimmungsverfahren (22) die Lage (ϕ_I) über ein binäres Suchverfahren be stimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Lagebestimm mung beide Verfahren (22, 24) solange laufen, bis der Rotor einen vorgegebenen Lagenbereich einnimmt, insbesondere einen Lagenwert, und sodann beim groben Verfahren (24) nur noch Motorausbrüche über wacht werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim groben Verfahren (24) der Betrag der anzuregenden Bewegung des Rotors in Abhän gigkeit der gemessenen Ausbruchgeschwindigkeit oder Ausbruchbeschleunigung des Rotors gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß während des feinen Verfahrens (22) der Elektromotor (4) von der Positions- und Geschwin digkeitsregelung (8) ständig mit einem Strom (i) ver sorgt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß beim feinen Verfahren (22) wie derholt:

a) zunächst ein Stromvektor ausgewählt und zu einem von der Positions- und Geschwindigkeitsregelung (8) vorgegebenen Stromvektor (i) addiert wird,
b) der Elektromotor (4) mit dem resultierenden Stromvektor ((i_U, i_V, i_W)) beaufschlagt wird,
c) sodann die dadurch verursachte Lagenände rung (Δϕ_N) des Rotors gemessen wird, und
d) diese Änderung der Auswahl eines weiteren Strom vektors sowie der Bestimmung der Lage (ϕ_I) zugrundelegt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Stromvektors ((i_U, i_V, i_W)) als die maximal zulässige Amplitude einer Treiberschaltung der Positions- und Geschwindigkeitsregelung (8) ausge wählt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Elektromotor (4), bei dem Rotordrehungen während des Bestimmungsverfahrens (12) erlaubt sind, nur das feine Bestimmungsverfahren (22) angewendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor nicht in seine anfängliche Lage (Δϕ₀) zurückgesteuert wird, sondern die momentane Lage (Δϕ_N) als neuer Startwert für die Bestimmung der absoluten Phasenlage (ϕ_I) ausgewählt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß verfahrensinterne Parameter mittels eines Fuzzy-Regler optimiert werden.

15. Vorrichtung zur Steuerung eines Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Elektromotors (4), mit:

a) einer Erregereinrichtung (8, 10, 14) zum Anregen einer Bewegung eines Rotors relativ zu einem Stator durch Anlegen eines Signals vorgegebener Größe (J) an den Elektromotor (4),
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner auf weist:
b) eine Meßeinrichtung (6) zum Messen der Lageänderung (Δϕ_N) zwischen dem Rotor und dem Stator als Reaktion des Signalanlegens an den Elektromotor (4);
c) eine Auswerteeinrichtung (12) zum Ableiten der Lage (ϕ_I) des Rotors relativ zum Stator aus dem Wert der Lageänderung (Δϕ_N) und dem Wert (J) der an den Elektro motor (4) angelegten Signalgröße.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (6) ein inkrementales, opti sches Meßsystem ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, da durch gekennzeichnet, daß die Erregereinrichtung (8, 10, 14) eine Positions- und Geschwindigkeitsregelung umfaßt (8).

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Positions- und Geschwindigkeitsregelung (8) eine bipolare Treiberschaltung umfaßt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (12) und/oder die Erregereinrichtung (8, 10, 14) in einem programmierbaren Programmbaustein implementiert sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, ge kennzeichnet durch einen Fuzzy-Regler zum Optimieren von vorrichtungsinternen Parametern.

21. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20 zum Starten eines Elektromotors, insbesonde re eines bürstenlosen Elektromotors (4).