WO2009047217A2

WO2009047217A2 - Verfahren und vorrichtung zur eindeutigen bestimmung der rotorposition einer elektrischen maschine

Info

Publication number: WO2009047217A2
Application number: PCT/EP2008/063282
Authority: WO
Inventors: Rainer Nase
Original assignee: Nase Industrie-Elektronik
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2008-10-03
Publication date: 2009-04-16
Also published as: EP2198512A2; WO2009047217A3; US20110050209A1; CN102132485A

Abstract

Das Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (32) mit drei Phasen (A, B, C) und je einem einer der Phasen (A, B, C) zugeordneten Anschluss ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Rotorposition (f) einschliesslich Rotorpolarität im Stillstand für mindestens zwei der Phasen die folgenden Schritte ausgeführt werden: a) Anlegen einer gepulsten Spannung (Up) zwischen denjenigen zwei Anschlüssen, die den anderen zwei Phasen zugeordnet sind; b) Messen der dadurch an dem der Phase zugeordneten Anschluss induzierten Spannung; c) Analyse des zeitlichen Verlaufs der genannten induzierten Spannung; und dass der folgende Schritt ausgeführt wird: d) Bestimmung der Rotorpolarität auf Basis der genannten Analysen. Vorteilhaft wird in Schritt c) ein Mass für die Abweichung des zeitlichen Verlaufs der induzierten Spannung gegenüber dem zeitlichen Verlauf der gepulsten Spannung (Up) bestimmt. Die Erfindung erlaubt es, auf rasche, genaue und kosten- und platzsparende Weise eine eindeutige Bestimmung der Rotorposition (f) einer elektrischen Maschine (32) vorzunehmen.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR EINDEUTIGEN BESTIMMUNG DER ROTORPOSITION EINER ELEKTRISCHEN MASCHINE

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik, genauer auf elektrische Maschinen, also Elektromotoren und Generatoren. Sie bezieht sich auf Vorrichtungen und ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Bei kontrolliert kommutierten elektrischen Maschinen besteht das Problem, dass diese sich im allgemeinen zunächst in einer unbekannten Anfangsposition (Winkelposition des Rotors) befinden. Für ein optimales Anfahren der elektrischen Maschine wäre eine exakte Kenntnis der Anfangsposition wünschenswert. Mittels entsprechender Lagesensoren kann dieses Problem gelöst _ p _

werden, was aber aufwendig und kostspielig ist. Ein sensorloses Betreiben, zumindest in dem Sinne, dass keine Elemente benötigt werden, die nicht ohnehin zum normalen Betreiben der elektrischen Maschine notwendig sind, ist darum wünschenswert.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, in Unkennntnis der Anfansposition während einer Ausrichtphase und einer anschliessenden blinden Kommutierung die elektrische Maschine solange suboptimal zu betreiben, bis sie solche Drehzahlen erreicht hat, die eine Positionsbestimmung in einfacher Weise ermöglichen.

Auch das Anwenden grosser Spannungen, um den Rotor forciert in eine definierte Anfangsposition zu bringen, wurde vorgeschlagen. Aus DE 10 2006 043 683 Al ist ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors während seiner Hochlaufphase bekannt, bei dem Stromimpulse gemessen und bewertet werden.

Aus DE 10 2006 046 673 Al ist eine Vorrichtung zur Gewinnung von Informationen über den Betriebszustand elektrischer Maschinen bekannt. Dabei wird ein Potential am Sternpunkt bestimmt. Weiter wird eine Induktivitätsänderung von Polwicklungsphasensträngen infolge Stromfluss durch die Phasenstränge ausgenutzt.

Darstellung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine eindeutige Bestimmung der Rotorposition einer elektrischen Maschine ermöglichen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dies auf einfache Weise zu realisieren.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dies unter Ausnutzung von ohnehin für den Betrieb der elektrischen Maschine vorhandenen Elementen zu tun.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine innerhalb kurzer Zeit durchführbare eindeutige Bestimmung der Rotorposition einer elektrischen Maschine zu ermöglichen.

Mindestens eine dieser Aufgaben lösen Vorrichtungen und Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche .

Das Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit drei Phasen und je einem einer der Phasen zugeordneten Anschluss ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Rotorposition einschliesslich Rotorpolarität im

Stillstand für mindestens zwei der Phasen die folgenden Schritte ausgeführt werden: a) Anlegen einer gepulsten Spannung zwischen denjenigen zwei Anschlüssen, die den anderen zwei Phasen zugeordnet sind; b) Messen der dadurch an dem der Phase zugeordneten Anschluss induzierten Spannung; c) Analyse des zeitlichen Verlaufs der genannten induzierten Spannung; und dass der folgende Schritt ausgeführt wird: d) Bestimmung der Rotorpolarität auf Basis der genannten Analysen.

Es hat sich gezeigt, dass es möglich ist, mittels der genannten Analyse die im Stand der Technik bestehende Zweideutigkeit bei der Rotorpositionsbestimmung zu überwinden und eine eindeutige Rotorpositionsbestimmung zu ermöglichen. Dies, ohne Ausübung nennenswerter Kräfte auf die elektrische Maschine.

Unter „elektrische Maschine" verstehen wir elektrische Maschinen im Sinne der Elektrotechnik, also elektromechanische Wandler (Elektromotoren) und mechanisch- elektrische Wandler (Generatoren) .

Eine elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor auf, die relativ zueinander rotierbar sind. Der Stator erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld ohne dass er sich dafür bewegen müsste und weist dafür Spulen auf, die die Phasen verkörpern. Der Rotor erzeugt ein Magnetfeld, dessen Ausrichtung starr an seine mechanische/physische Ausrichtung gekoppelt ist.

Die genannten Anschlüsse sind Anschlüsse der Spulen des Stators. Es ist eine sternförmige oder auch eine dreieckförmige Verschaltung der Spulen möglich. Es ist aus der Lehre bekannt, dass die Topologie der sternförmigen Verschaltung durch Transformation der sie beschreibenden mathematischen Gleichungen in die Topologie der dreieckförmige Verschaltung überführt werden kann. Jedem der drei Anschlüsse kann, unabhängig von der Verschaltung, eine Phase bzw. die entsprechende Spule zugeordnet werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass - sternförmige Verschaltung vorausgesetzt - keine Messungen am Sternpunkt notwendig sind, um die eindeutige Rotorpositionsbestimmung zu ermöglichen; ebensowenig ist ein Anlegen eines Potentials am Sternpunkt dafür notwendig. Dadurch ist das Verfahren wenig aufwendig. Mit Stillstand ist ein Stillstand von Rotor gegenüber

Stator gemeint, der zumindest in praktischer Hinsicht als Stillstand angesehen werden kann.

In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine kontrolliert kommutierte Maschine, auch als gesteuert kommutierte Maschine bekannt.

In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine block-kommutierte elektrische Maschine.

In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine sinus-kommutierte elektrische Maschine. Dabei kann die Sinus-Kommutierung durch Pulsweitenmodulation (PWM) oder auf andere Weise erzeugt sein.

In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine Synchronmaschine .

In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine permanenterregte Maschine.

In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine dynamisch erregte Maschine. In einer Ausführungsform wird in Schritt c) ein Mass für die Abweichung des zeitlichen Verlaufs der induzierten Spannung gegenüber dem zeitlichen Verlauf der gepulsten Spannung bestimmt, insbesondere ein Mass für die Abweichung der Steigungen von induzierter Spannung gegenüber gepulster Spannung.

In einer Ausführungsform ist das genannte Mass eine zu der Abweichung proportionale Grosse.

In einer Ausführungsform wird das Mass unter Durchführung mindestens einer Mittelung bestimmt.

In einer Ausführungsform wird das Mass unter Durchführung mindestens einer Näherung bestimmt.

In einer Ausführungsform wird das Mass punktuell bestimmt.

In einer Ausführungsform ist das Mass ein Mass für den Quotienten aus induzierter Spannung und gepulster Spannung.

In einer Ausführungsform weist die gepulste Spannung mindestens einen Abschnitt im wesentlichen konstanter Spannung auf, und in Schritt c) wird ein Mass für die Steigung der induzierten Spannung während des mindestens einen Abschnitts im wesentlichen konstanter Spannung bestimmt .

In einer Ausführungsform verschwindet das Spannungs-Zeit- Integral der gepulsten Spannung im wesentlichen.

In einer Ausführungsform erfährt die gepulste Spannung mindestens einmal eine Polaritätsänderung (Spannungsvorzeichenumkehr) . In einer Ausführungsform ist die gepulste Spannung periodisch, und das Spannungs-Zeit-Integral ist über jede Periode im wesentlichen null.

Dadurch ist es möglich, die aufgrund der angelegten gepulsten Spannung fliessenden Ströme klein zu halten.

In einer Ausführungsform ist die gepulste Spannung ein Rechteck- oder ein Pulsweitenmodulations-Signal .

Derartige gepulste Spannungen sind einfach zu erzeugen, insbesondere oft mit ohnehin zum Betrieb der elektrischen Maschine vorhandenen Mitteln.

In einer Ausführungsform ist die gepulste Spannung ein symmetrisches Rechteck (Pulsweitenverhältnis 50%/50%) .

In einer Ausführungsform beginnt das Rechteck- oder Pulsweitenmodulations-Signal mit einem ersten Zustand während eines ersten Zeitabschnittes, worauf ein zweiter, von dem ersten Zustand verschiedener Zustand während eines zweiten Zeitabschnittes folgt, wobei das Zeitintegral über die gepulste Spannung über den ersten und den zweiten Zeitabschnitt im wesentlichen genau entgegengesetzt gleich gross ist wie das Zeitintegral über die gepulste Spannung über den ersten Zeitabschnitt. Somit hat das Zeitintegral über die gepulste Spannung über den zweiten Zeitabschnitt im wesentlichen den negativen doppelten Wert des Zeitintegrales über die gepulste Spannung über den ersten Zeitabschnitt.

Die zwei Zustände eines Rechteck- oder

Pulsweitenmodulations-Signals werden auch als Puls und Pause bezeichnet, sind also durch maximale Spannung bzw. minimale Spannung gekennzeichnet. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zuständen ändert sich die Spannung; typischerweise ändert sie insbesondere das Vorzeichen.

In einer Ausführungsform verschwindet das Spannungs-Zeit- Integral über die Gesamtdauer der gepulsten Spannung.

Dadurch ist es möglich, zu erreichen, dass das Zeitintegral des aufgrund der gepulsten Spannung fliessenden Stromes im wesentlichen null ist.

In einer Ausführungsform endet die gepulste Spannung mit einem dritten Zustand während eines dritten

Zeitabschnittes, wobei das Zeitintegral über die gepulste Spannung über den dritten Zeitabschnitt im wesentlichen genau gleich gross oder im wesentlichen genau entgegengesetzt gleich gross ist wie das Zeitintegral über die gepulste Spannung über den ersten Zeitabschnitt.

In einer Ausführungsform folgen auf den zweiten Zustand noch N weitere Zustände (N ≥ 1), jeweils mit im wesentlichen entgegengesetzt gleich grossem Spannungs-Zeit- Integral wie der jeweils vorhergehende Zustand über den jweiligen Zeitabschnitt.

In einer Ausführungsform wird die gepulste Spannung symmetrisch zwischen den zwei Anschlüssen angelegt, und die gepulste Spannung ist ein Rechteck- oder

Pulsweitenmodulations-Signal, das mit einem ersten Zustand von einer ersten Zeitdauer beginnt, worauf ein zweiter, von dem ersten Zustand verschiedener Zustand von einer zweiten Zeitdauer folgt, wobei die zweite Zeitdauer doppelt so lang ist wie die erste Zeitdauer. Durch die längere Zeitdauer können genauere, weniger durch Rauschen verfälschte Messwerte für die induzierte Spannung gewonnen werden. Weiter ist es möglich, einen Wert (bspw. einen Mittelwert) aus der ersten Hälfte der zweiten Zeitdauer mit einem entsprechenden Wert aus der zweiten Hälfte der zweiten Zeitdauer zu vergleichen.

In einer Ausführungsform mit der genannten symmetrischen Beschaltung der Anschlüsse endet das Pulsweitenmodulations- Signal mit einem Zustand von der ersten Zeitdauer, welcher auf einen von diesem Zustand verschiedenen Zustand von einer zweiten Zeitdauer folgt, wobei die zweite Zeitdauer doppelt so lang ist wie die erste Zeitdauer.

Der Endzustand ist der erste Zustand, oder der Endzustand ist der zweite Zustand (und der Zustand davor entsprechend der andere) . In einer Ausführungsform wird zum Bestimmen der

Rotorposition einschliesslich der Rotorpolarität im Stillstand für die mindestens zwei Phasen der folgenden Schritt ausgeführt: e) Bestimmung einer Spannungsdifferenz aus der genannten induzierten Spannung; und der folgende Schritt wird ausgeführt:

f) Bestimmung der Rotorposition (φ) auf Basis der genannten Spannungsdifferenzen.

Es wird darauf hingewiesen, dass ohne Durchführung des Schrittes d) die Rotorposition nicht eindeutig (sondern zweideutig) bestimmt wäre.

Es wird darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen möglichen Ausbildungen der gepulsten Spannung auch verwendet werden können, ohne dass die Rotorpolarität bestimmt wird, also bspw. für eine nicht-eindeutige (zweideutige) Bestimmung der Rotorposition durch die genannten Spannungsdifferenzen. Ein entsprechendes Verfahren zum Bestimmen der Rotorposition im Stillstand einer elektrischen Maschine mit drei Phasen (A, B, C) und je einem einer der Phasen (A, B, C) zugeordneten Anschluss ist durch das Durchführen der Schritte a) , b) und e) für mindestens zwei der Phasen sowie durch das Durchführen des Schrittes f) gekennzeichnet, wobei die gepulste Spannung eine der oben beschriebenen ist. Dadurch kann das Zeitintegral des aufgrund der gepulsten Spannung fliessenden Stroms verschwindend klein gehalten werden.

In einer Ausführungsform beinhaltet Schritt f) einen Vergleich mit vorgegebenen Werten für die Spannungsdifferenzen.

In einer Ausführungsform beinhaltet Schritt d) einen Vergleich mit vorgegebenen Werten.

In einer Ausführungsform sind solche vorgegebenen Werte aus einem Modell gewonnen.

In einer Ausführungsform sind solche vorgegebenen Werte aus vorgängig durchgeführten Messungen gewonnen.

In einer Ausführungsform werden die Schritte für alle drei Phasen durchgeführt. Dies erhöht die Genauigkeit und erlaubt aus Redundanzgründen eine Überprüfung, die zu genaueren und sichereren Ergebnissen führt.

Die Vorrichtung zum Bestimmen einer Rotorposition einschliesslich Rotorpolarität im Stillstand einer elektrischen Maschine mit drei Phasen und je einem einer der Phasen zugeordneten Anschluss weist auf:

— eine Spannungsquelle zum Erzeugen einer gepulsten Spannung;

— eine Spannungsmessvorrichtung zum Messen elektrischer Spannungen;

— eine Beschaltungsanordnung zum Beschälten der drei Anschlüsse wahlweise mit der Spannungsquelle oder mit der Spannungsmessvorrichtung; Dabei ist die Vorrichtung derart ausgelegt, dass mindestens zwei verschiedene Paare der Anschlüsse nacheinander mit der gepulsten Spannung beaufschlagbar sind und mittels der Spannungsmessvorrichtung eine dadurch an dem jeweils dritten Anschluss auftretende induzierte Spannung messbar ist. Weiter weist die Vorrichtung auf:

— eine Analyseeinheit zur Analyse des zeitlichen Verlaufs der mittels der Spannungsmessvorrichtung gemessenen induzierten Spannungen; und

— eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Rotorpolarität auf Basis von mindestens zwei der genannten Analysen.

Die Spannungsquelle ist als eine Energiequelle zu verstehen, die eine elektrische Spannung liefern kann.

In einer Ausführungsform ist die Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle, also eine Energiequelle, die eine im wesentlichen konstante elektrische Spannung liefern kann, z.B. eine Batterie. In einer Ausführungsform ist die Spannungsquelle diejenige Spannungsquelle, die auch zum normalen Betreiben der elektrischen Maschine vorgesehen ist. Dadurch kann die Vorrichtung besonders klein sein und kann besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.

In einer Ausführungsform ist die Analyseeinheit zur Bestimmung eines Masses für die Abweichung des zeitlichen Verlaufs der induzierten Spannung gegenüber dem zeitlichen Verlauf der gepulsten Spannung vorgesehen. In einer Ausführungsform ist die Analyseeinheit auch für die Bestimmung einer Spannungsdifferenz aus der genannten induzierten Spannung vorgesehen, und die Auswerteeinheit ist auch zur Bestimmung der Rotorposition auf Basis der genannten Spannungsdifferenzen vorgesehen. Wie auch die anderen der zuvor oder später beschriebenen funktionalen Komponenten können auch die Analyseeinheit und/oder die Auswerteeinheit in separate, miteinander wirkverbundene Einheiten aufgeteilt sein oder ganz oder teilweise zu einer Einheit zusammengefasst sein. In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Speichereinheit auf, und zwar zur Speicherung von Vergleichswerten für die genannten Spannungsdifferenzen und/oder Vergleichswerten für Analyseergebnisse der genannten zeitlichen Verläufe der genannten induzierten Spannungen.

Die Erfindung umfasst weiter Vorrichtungen mit Merkmalen, die den Merkmalen von beschriebenen Verfahren entsprechen und umgekehrt. Die Anordnung gemäss der Erfindung beinhaltet eine elektrische Maschine mit drei Phasen und je einem einer der Phasen zugeordneten Anschluss, und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung gemäss der Erfindung aufweist.

Es wird darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Ausführungsvarianten jeweils mit einer oder mehreren der anderen beschriebenen Ausführungsvarianten kombiniert werden können. Weitere Ausführungsformen und Vorteile gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und den Figuren hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Anordnung;

Fig. 2 eine Skizze zur Erläuterung einer permanenterregten Synchronmaschine;

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild für die Beschaltung für ein Phasenpaar; Fig. 4 ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer gepulsten Spannung; Fig. 5 ein Spannungs-Zeit-Diagramm von durch die gepulste Spannung aus Fig. 4 induzierten Spannungen;

Fig. 6 ein Strom-Zeit-Diagramm der aufgrund der gepulsten Spannung aus Fig. 4 fliessenden Ströme;

Fig. 7 ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer gepulsten Spannung und das entsprechende Strom-Zeit- Diagramm;

Fig. 8 ein Spannungs-Zeit-Diagramm der durch die gepulste Spannung aus Fig. 7 induzierten

Spannung;

Fig. 9 ein Spannungs-Zeit-Diagramm der durch die gepulste Spannung aus Fig. 7 induzierten Spannung; Fig. 10 ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer asymmetrisch angelegten gepulsten Spannung;

Fig. 11 ein Strom-Zeit-Diagramm des aufgrund der gepulsten Spannung aus Fig. 10 fliessenden Stroms; Fig. 12 ein Diagramm von Kurvenverläufen in Abhängigkeit der Rotorposition.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung. Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes schematisiertes

Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Anordnung 40. Diese umfasst eine elektrische Maschine 32, beispielsweise eine bürstenlose Gleichstrommaschine (BLDC) sowie eine Vorrichtung 44 gemäss der Erfindung. Die elektrische Maschine 32 ist dreiphasig mit Phasen A, B, C, die jeweils durch eine Spule verkörpert werden. Der Rotor der Maschine 32 ist in Fig. 1 durch einen Pfeil mit Nord- und Südpol (N; S) versinnbildlicht und hat eine durch den Winkel φ gegebene Ausrichtung, die auch als Rotorposition bezeichnet wird. Der Winkel φ kann Werte von 0° bis 360° annehmen. Mit bekannten Methoden ist φ nicht eindeutig, sondern nur zweideutig bestimmbar, das heisst, die Rotorpolarität, die eine eindeutige Zuordnung von Nord- uns Südpol ermöglicht, ist unbekannt. Mittels der dargestellten Vorrichtung und des im weiteren beschriebenen Verfahrens ist die Rotorpolarität bestimmbar.

Die Vorrichtung 44 beinhaltet eine Spannungsquelle 30, beispielsweise eine Gleichspannungsquelle wie eine Batterie, eine Beschaltungsanordnung 31, eine Spannungsmessvorrichtung 33, beispielsweise ein Voltmeter, eine Analyseeinheit 34, eine Auswerteeinheit 35 sowie eine Speichereinheit 17. Mittels der Vorrichtung 44 kann nicht nur die Rotorposition φ im Stillstand bestimmt werden, sondern auch die Maschine 32 hochgefahren und im normalen Betriebsmodus betrieben werden, also die Kommutierung gesteuert werden. Die Funktionsweise der Vorrichtung 44 und der Anordnung 40 wird im weiteren klar werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Skizze zur Erläuterung einer permanenterregten Synchronmaschine. Die drei Phasen bzw. ihre Spulen sind mit A, B, C gekennzeichnet. Jede Phase hat je zwei Ein-/Ausgänge 2 (bei Phase A angezeigt) . In der in Fig. 2 dargestellten sternförmigen Verschaltung der Phasen ist jeweils ein Ein-/Ausgang 2 jeder Phase in einem Sternpunkt 3 zusammengeführt, und die übrigen drei Anschlüsse sind nach aussen geführt und können zur Kommutierung mit Spannungen beaufschlagt werden. Wenn in einer Maschine gemäss Fig. 2 zwischen den als schwarzen Kreisen dargestellten Punkten eine Spannung angelegt wird (im folgenden als U_AB bezeichnet) , so fliesst der angezeigte Strom I_AB. In Fig. 2 sind die Permanentmagnete der dargestellten Synchronmaschine nicht dargestellt.

Dadurch wird in Phase C eine Spannung Ui (im folgenden U₀) induziert. Bei geeigneter Wahl der angelegten Spannung U_AB und entsprechender Auswertung kann aus Ui Information über die Rotorposition einschliesslich Rotorpolarität gewonnen werden. Dazu müssen aber zumindest zwei verschiedene Paare von Phasen nacheinander entsprechend beschaltet werden und an dem jeweils verbleibenden (freien) dritten Anschluss die induzierte Spannung Ui gemessen und ausgewertet werden. Im Falle von dynamisch erregten Maschinen ist beim Durchführen der Messungen im allgemeinen eine Spannung anzulegen, um ein definiertes Magnetfeld zu erzeugen, wohingegen anderenfalls keine definierte Rotorposition existiert.

Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild für die Beschaltung für ein Phasenpaar, nämlich A, B. In Fig. 3 ist die Spannungsquelle 30 symmetrisch verschaltet.

Die Beschaltungsanordnung 31 dient dazu, nacheinander die jeweils notwendigen Verbindungen zwischen den Phasen A, B, C bzw. deren Anschlüssen einerseits und der Spannungsquelle 30 und der Spannungsmessvorrichtung 33 andererseits zu erstellen.

Fig. 4 zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer gepulsten Spannung Up. Im ersten Zyklus ist Up an die Phasen A und B angelegt und somit als U_AB bezeichnet, im zweiten Zyklus ist Up an die Phasen B und C angelegt und somit als U_Bc bezeichnet, und im dritten Zyklus ist Up an die Phasen C und A angelegt und somit als U_CA bezeichnet. Die dargestellte Spannung Up ist ein Rechteck-Signal; wie üblich bei Rechteck- und Pulsweitenmodulations- (PWM) Signalen ist der Zeitabschnitt maximaler Spannung als

„Puls" bezeichnet, und der Zeitabschnitt minimaler Spannung (null oder, wie in Fig. 4, negativ) als „Pause" bezeichnet. Ein Zyklus besteht aus einem Puls und einer darauffolgenden Pause . Fig. 5 zeigt schematisiert ein Spannungs-Zeit-Diagramm von durch die gepulste Spannung Up aus Fig. 4 induzierten Spannungen Ui; die induzierten Spannungen sind mittels Spannungsmessvorrichtung 33 am jeweils freien Anschluss gemessen und entsprechend als U_c, U_A, U_B bezeichnet. Jeweils beim Umpolen (Wechsel zwischen Puls und Pause) entstehen Spannungsschwankungen, die in Fig. 5 auch versinnbildlicht sind.

Aus einer Bestimmung der Spannungsdifferenzen ΔU_A,ΔU_B,ΔU_C lässt sich die Rotorposition φ bis auf die Rotorpolarität bestimmen, zum Beispiel durch Vergleich mit Daten, wie sie in Fig. 12 dargestellt sind.

In Fig. 12 sind beispielhafte leicht schematisierte Kurvenverläufe für die Spannungsdifferenzen ΔU_A,ΔÜ_B,ΔUc in Abhängigkeit der Rotorposition φ dargestellt. Wie man sieht, wiederholen sich die Kurven für ΔU_A, ΔU_B und ΔU_C nach 180°, so dass die Rotorpolarität unbekannt bleibt. Die in Fig. 12 dargestellten Kurven können durch entsprechende Messungen an der elektrischen Maschine gewonnen werden oder auch durch Modellierungen. Weiter ist aus Fig. 12 ersichtlich, dass für die Bestimmung der Rotorposition φ bis auf die Rotorpolarität eigentlich zwei der drei Spannungsdifferenzen genügen. Das Messen aller drei führt aber zu genaueren und sichereren Ergebnissen (Redundanz) ; die Summe über alle drei Spannungsdifferenzen ΔU_Ä,ΔU_B,ΔUc ist null.

Fig. β zeigt ein schematisiertes Strom-Zeit-Diagramm der aufgrund der gepulsten Spannung aus Fig. 4 fliessenden Ströme I_AB^I_BC/I_CA- Nach jedem Zyklus ist der Strom wieder null. Aber das Zeitintegral über den Strom nimmt mit der Zeit zu. Somit gibt es einen nicht-verschwindenden mittleren Strom, der zu einer gerichteten Kraftwirkung führt, was vorteilhaft vermieden würde. Fig. 7 zeigt ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer gepulsten Spannung U_AB, die an den Anschlüssen der Phasen A und B anliegt, sowie das entsprechende Strom-Zeit-Diagramm für I_AB- AUS Syinmetriegründen verhält es sich bei anderer Beschaltung der Phasen völlig ananlog. Durch Wahl dieser speziellen Kurvenform, bei der nach jedem Zyklus die Polarität umgekehrt wird, kann das Strom-Zeit-Integral klein gehalten werden, wobei es sogar periodisch nach zwei Zyklen verschwindet (siehe die mit offenem Pfeil gekennzeichneten Zeitpunkte) . Als „Zyklus" wird hier der aus Fig. 4 bekannte Zyklus beibehalten. An den mit offenem Pfeil gekennzeichneten Zeitpunkten ist es besonders vorteilhaft, die gepulste Spannung Up enden zu lassen; selbstverständlich kann das Signal auch verlängert werden, vorteilhaft um ein Vielfaches von zwei Zyklen.

Fig. 8 zeigt schematisiert ein Spannungs-Zeit-Diagramm der durch die gepulste Spannung aus Fig. 7 induzierten Spannung U_c sowie nochmals das in Fig. 7 dargestellt Strom-Zeit- Diagramm. Fig. 8 zeigt in stark übertriebener Weise eine sehr wichtige Eigenschaft der induzierten Spannung U_c, die in Fig. 5 nicht zu erkennen ist: Während der Zeitdauern konstanter Spannung von U_AB verändert sich U₀. Und zwar hat es eine andere Steigung als die gepulste Spannung U_ÄB- Fig. 9 zeigt in gleicher Weise wie Fig. 8 ein Spannungs- Zeit-Diagramm der durch die gepulste Spannung aus Fig. 7 induzierten Spannung, jedoch im Falle einer anderen Rotorposition φb ≠ φa. Es gilt im dargestellten Fall etwa φa = φb + 180°. In dem in Fig. 9 dargestellten Fall ist die Steigung der induzierten Spannung U_c nocheinmal anders als bei Fig. 8.

Dieser Effekt, also dass die Steigung im Spannungs-Zeit- Diagrairan der induzierten Spannung Ui eine gegenüber der Steigung im Spannungs-Zeit-Diagramm der gepulsten Spannung Up geänderte Steigung ist, und dass diese Änderung von der Rotorposition φ abhängt, kann ausgenutzt werden, um die Rotorposition φ in eindeutiger Weise, also einschliesslich der Rotorpolarität, zu bestimmen. Im Falle von Rechteck- oder PWM-Signalen ist die

Steigungsveränderung relativ einfach zu bestimmen, da dann die Steigung der gepulsten Spannung Up null ist (ausser beim Übergang zwischen Puls und Pause) , so dass also nur die Steigung der induzierten Spannung Ui bestimmt zu werden braucht. Natürlich muss auch nicht wirklich die Steigung bestimmt werden, sondern es reicht, ein Mass für die Steigung zu bestimmen.

In Figs. 8 und 9 ist die Steigung durch die gepunktet dargestellten (Steigungs-) Dreiecke symbolisiert. Aufgrund der in Figs. 8 und 9 nicht dargestellten, aber in der Praxis beim Umpolen auftauchenden Störsignale (vgl. Fig. 5) , empfiehlt es sich, keine Messdaten für die Bestimmung der Steigung zu verwenden, die nahe den Umpolzeitpunkten aufgenommen werden. Hier wird auch ein weiterer Vorteil der in Fig. 7 dargestellten Kurvenform für die gepulste Spannung Ui klar: der Zeitraum, während der die Steigung beobachtbar ist, ist deutlich grösser als zum Beispiel bei einem 50/50-Puls wie er z.B. in Fig.4 dargestellt ist. Ein Mass für die Steigung lässt sich beispielsweise auf einfache Art als die differentielle Grösse δU_c (allgemeiner: δüi) gewinnen, wie es in Fig. 8 skizziert ist. Es wird jeweils ein Mittelwert in den durch die horizontalen Pfeile gekennzeichneten Zeiträumen ermittelt, beispielsweise durch Integration, und dann wird die Differenz der so ermittelten gemittelten Spannungen als δU_c bestimmt. Dies kann selbstverständlich mehrfach geschehen, um genauere Werte zu ermitteln, beispielsweise an all den in Fig. 9 durch kleine Kreise gekennzeichneten Stellen.

Selbstverständlich können auch irgendwelche anderen gepulsten Spannungen verwendet werden; diese erfordern im allgemeinen aber eine komplexere Auswertung als Rechteckoder PWM-Signale. Fig. 10 zeigt schematisiert ein Beispiel für ein nichtsymmetrisch angelegtes PWM-Signal U_AB-

Fig. 11 zeigt das zugehörige Strom-Zeit-Diagramm für I_AB.

Vorteilhaft endet die gepulste Spannung U_AB (Up) an einer der mit offenem Pfeil gekennzeichneten Stellen (oder einer späteren äquivalenten Stelle, falls das Signal noch länger andauert) , da dort einerseits der Strom null ist und zusätzlich noch das Strom-Zeit-Integral verschwindet. Bei Beendigung des Signals an einer der mit "*" gekennzeichneten Stellen ist zumindest der fliessende Strom null. Im Prinzip könnte die gepulste Spannung zu jedem Zeitpunkt beendet werden, was im allgemeinen aber mit Messungenauigkeiten einhergeht oder zu längeren Messzeiten führt. Zur Veranschaulichung der Zeit-Integrale von U_ÄB bzw. I_ÄB sind in den Figs . 10 und 11 die entsprechenden Flächen je nach Vorzeichen verschieden schraffiert.

Die Steigungs-Änderungs-Analyse erfolgt - unter Verweis auf Fig. 1 - mittels Analyseeinheit 34, das heisst, dort werden bspw. die δUi bestimmt. Die weitere Auswertung, die von δüi zur Rotorpolarität führt, erfolgt in Auswerteeinheit 35.

Fig. 12 zeigt Kurvenverläufe von δUi, also von δU_A, δU_B, δü_c, in Abhängigkeit von der Rotorposition φ. Die Kurven müssen in der Praxis nicht so sinusartig ausgebildet sein, wie dies in Fig. 12 der Fall ist, aber klar ist, dass sie eine gegenüber ΔU_A,ΔU_B,ΔU_C verdoppelte Periode haben. Darum kann durch Bestimmung von zwei oder (aus Messgenauigkeitsund Redundanzgründen besser) drei δUi-Werten die Rotorpolarität bestimmt werden.

Mit Vorteil werden δU_A, δU_B, δU_c und ΔU_A, ΔU_B, Δü_c bestimmt (und jeweils untereinander abgeglichen) und mit vorabbestimmten Werten (aus Messungen oder Modellen) verglichen, so dass eine eindeutige Rotorpositionsbestimmung mit grosser Genauigkeit erfolgen kann. Die Vergleichswerte sind in Speichereinheit 17 gespeichert (vgl. Fig. 1) .

Bezüglich der Reihenfolge der Messungen, Analysen und Auswertungen sind viele Variationen möglich.

Zum Beispiel können zunächst δU_A, δU_B, δU_c bestimmt werden und erst dann ΔU_A, ΔU_B, ΔU_C; aber es ist auch möglich zunächst δU_A und ΔU_A, zum Beispiel aus dem identischen Up- Signal (beispielsweise aus denselben oder aufeinanderfolgenden Zyklen der pulsierenden Spannung Up) , zu bestimmen, und dann δü_B und ΔU_B und schliesslich δU_c und ΔU_C.

Nach eindeutig bestimmter Rotorposition im Stillstand kann die elektrische Maschine in optimaler Weise hochgefahren und dann normal betrieben werden. Es ist möglich, dafür dieselben Komponenten zu verwenden wie für der Bestimmung der Rotorposition.

Es ist bereits mit einfachen Mitteln möglich, eindeutige Rotorpositionsbestimmungen mit einer Genauigkeit von besser als ±5° vorzunehmen. Diese können sehr schnell erfolgen, da ohne weiteres Frequenzen der gepulsten Spannung von ≥ 20 kHz und auch ≥ 50 kHz (entsprechend Zyklendauern von ≤50 μs bzw. ≤20 μs) verwendbar sind. Selbstverständlich sind auch geringere Frequenzen verwendbar.

Es wird darauf hingewiesen, dass die vorgestellte Methode und die Vorrichtung und die Anordnung ohne spezifische Lagesensoren auskommen. Es werden Testsignale (Up) verwendet und aus der Reaktion des Systems darauf die Rotorposition bestimmt.

Die gepulste Spannung Up (U_AB, U_Bc, U_CA) als Testsignal geht Hand in Hand mit einem sich ändernden Strom (I_AB; IB_C/ I_CA) , was eine Änderung des magnetischen Flusses bewirkt. Um die Änderung des Stromes (IAB; IB_CJ I_CA) kleinzuhalten, so dass beispielsweise Überhitzung oder Beschädigung der Maschine verhindert werden können, ist die Spannung Up eben eine in der Regel durch PWM erzeugte gepulste Spannung, die ihr Vorzeichen wechselt (Umpolen) , so dass auch die magnetische Flussänderung periodisch ihre Polarität wechselt. Damit entsteht in der jeweils freien Phase in etwa ein Abbild der gepulsten Spannung Up in Form der induzierten Spannung Ui (U_a, U_B, Uc). Ui ist aber lagemoduliert, das heisst ist in Abhängigkeit von der Rotorposition φ verändert. Somit kann durch eine Demodulation dieses Signals Ui die gewünschte Rotorposition - auch im Stillstand - gewonnen werden.

Die obigen Erläuterungen zu den Figuren und Vefahrensschritten beziehen sich zwar zunächst auf einen Motor, sind aber durch Analogie-Überlegungen in einfacher Weise auf Generatoren übertragbar.

Teile der Ausführungsformen wurden durch funktionale Einheiten beschrieben. Diese können selbstverständlich durch eine beliebige Anzahl von Software- und/oder Hardware-Komponenten realisiert werden, die zur Ausübung der angegebenen Funktionen geeignet sind. Als Beispiel sei genannt, dass als Spannungsquelle eine Batterie genommen werden kann, wobei das Schalten bzw. Umpolen zur Erzeugung der gepulsten Spannung mittels Schalterelementen erfolgen kann, die als der Beschaltungsanordnung zugeordnet angesehen werden können.

Die Erfindung erlaubt es, auf rasche, genaue und kosten- und platzsparende Weise eine eindeutige Bestimmung der Rotorposition einer elektrischen Maschine vorzunehmen.

Bezugszeichenliste

2 Ein-/Ausgang 3 Sternpunkt

17 Speichereinheit, Speichereinrichtung

30 Spannungsquelle

31 Beschaltungsanordnung

32 elektrische Maschine 33 Spannungsmessvorrichtung

34 Analyseeinheit

35 Auswerteeinheit 40 Anordnung

44 Vorrichtung

A, B, C Phasen

I Strom

IAB, IBC, ICA Strom

N magnetischer Nordpol S magnetischer Südpol

U Spannung

Ui , U_A/ U_B, Uc induzierte Spannung

Up, U_{ÄB /} U_Bc_/ U_CÄ pulsierende Spannung ΔU_Ä,ΔU_B,ΔU_C Spannungsdifferenz δU_A,δU_B,δU_c Mass, differentielle Grosse φ Rotorposition, Rotorwinkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine (32) mit drei Phasen (A, B, C) und je einem einer der Phasen (A, B, C) zugeordneten Anschluss, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Rotorposition (φ) einschliesslich Rotorpolarität im Stillstand für mindestens zwei der Phasen die folgenden Schritte ausgeführt werden: a) Anlegen einer gepulsten Spannung (Up) zwischen denjenigen zwei Anschlüssen, die den anderen zwei Phasen zugeordnet sind; b) Messen der dadurch an dem der Phase zugeordneten Anschluss induzierten Spannung (Ui) ; c) Analyse des zeitlichen Verlaufs der genannten induzierten Spannung (Ui) ; und dass der folgende Schritt ausgeführt wird: d) Bestimmung der Rotorpolarität auf Basis der genannten Analysen.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) ein Mass (δU_A; δU_B; δU_c) für die Abweichung des zeitlichen Verlaufs der induzierten Spannung (Ui) gegenüber dem zeitlichen Verlauf der gepulsten Spannung (Up) bestimmt wird.

3. Verfahren gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Spannung (Up) mindestens einen Abschnitt im wesentlichen konstanter Spannung aufweist, und dass in Schritt c) ein Mass (δU_A; δU_B; δU_c) für die Steigung der induzierten Spannung (Ui) während des mindestens einen Abschnitts im wesentlichen konstanter Spannung bestimmt wird.

4. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungs-Zeit-Integral der gepulsten Spannung (Up) im wesentlichen verschwindet.

5. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Spannung (Up) ein Rechteck- oder ein Pulsweitenmodulations-Signal ist.

6. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechteck- oder Pulsweitenmodulations-Signal mit einem ersten Zustand während eines ersten Zeitabschnittes beginnt, worauf ein zweiter, von dem ersten Zustand verschiedener Zustand während eines zweiten Zeitabschnittes folgt, wobei das Zeitintegral über die gepulste Spannung (Up) über den ersten und den zweiten Zeitabschnitt im wesentlichen genau entgegengesetzt gleich gross ist wie das Zeitintegral über die gepulste Spannung (Up) über den ersten Zeitabschnitt.

1. Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Spannung (Up) mit einem dritten Zustand während eines dritten Zeitabschnittes endet, wobei das Zeitintegral über die gepulste Spannung (Up) über den dritten Zeitabschnitt im wesentlichen genau gleich gross oder im wesentlichen genau entgegengesetzt gleich gross ist wie das Zeitintegral über die gepulste Spannung (Up) über den ersten Zeitabschnitt.

8. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Rotorposition (φ) einschliesslich der Rotorpolarität im Stillstand für die mindestens zwei Phasen der folgenden Schritt ausgeführt wird: e) Bestimmung einer Spannungsdifferenz (ΔU_A;ΔU_B;ΔU_C) aus der genannten induzierten Spannung (Ui) ; und dass der folgende Schritt ausgeführt wird:

f) Bestimmung der Rotorposition (φ) auf Basis der genannten Spannungsdifferenzen (ΔU_A;ΔU_B;ΔU_C) .

9. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) einen Vergleich mit vorgegebenen Werten beinhaltet.

10. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte für alle drei Phasen (A, B, C) durchgeführt werden.

11. Vorrichtung (44) zum Bestimmen einer Rotorposition (φ) einschliesslich Rotorpolarität im Stillstand einer elektrischen Maschine (32) mit drei Phasen (A, B, C) und je einem einer der Phasen (A, B, C) zugeordneten Anschluss, wobei die Vorrichtung aufweist:

— eine Spannungsquelle (30) zum Erzeugen einer gepulsten Spannung (Up) ;

— eine Spannungsmessvorrichtung (33) zum Messen elektrischer Spannungen (U) ;

— eine Beschaltungsanordnung (31) zum Beschälten der drei Anschlüsse wahlweise mit der Spannungsquelle (30) oder mit der Spannungsmessvorrichtung (33) ; wobei die Vorrichtung (44) derart ausgelegt ist, dass mindestens zwei verschiedene Paare der Anschlüsse nacheinander mit der gepulsten Spannung (Up) beaufschlagbar sind und mittels der Spannungsmessvorrichtung (33) eine dadurch an dem jeweils dritten Anschluss auftretende induzierte Spannung (Ui) messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung aufweist:

— eine Analyseeinheit (34) zur Analyse des zeitlichen

Verlaufs der mittels der Spannungsmessvorrichtung (33) gemessenen induzierten Spannungen (Ui) ; und

— eine Auswerteeinheit (35) zur Bestimmung der Rotorpolarität auf Basis von mindestens zwei der genannten Analysen.

12. Vorrichtung (44) gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (30) diejenige Spannungsquelle (30) ist, die auch zum normalen Betreiben der elektrischen Maschine (32) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung (44) gemäss Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit (34) zur Bestimmung eines Masses (δU_A; δU_B; δU_c) für die Abweichung des zeitlichen Verlaufs der induzierten Spannung (Ui) gegenüber dem zeitlichen Verlauf der gepulsten Spannung (Up) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung (44) gemäss einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse- einheit (34) auch für die Bestimmung einer

Spannungsdifferenz (ΔU_Ä;ΔU_B;ΔUc) aus der genannten induzierten Spannung (Ui) vorgesehen ist, und dass die Auswerteeinheit (35) auch zur Bestimmung der Rotorposition (φ) auf Basis der genannten Spannungsdifferenzen (ΔU_A, ΔU_B, ΔUc) vorgesehen ist.

15. Vorrichtung (44) gemäss einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Speichereinheit (17) aufweist, zur Speicherung von Vergleichswerten für die genannten Spannungsdifferenzen (ΔU_A;ΔU_B;ΔUc) und/oder Vergleichswerten für Analyseergebnisse der genannten zeitlichen Verläufe der genannten induzierten Spannungen (Ui) .

16. Anordnung (40), aufweisend eine elektrischen Maschine (32) mit drei Phasen (A, B, C) und je einem einer der Phasen (A, B, C) zugeordneten Anschluss, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung (44) gemäss einem der Ansprüche 11 bis 15 aufweist.