WO2011026681A2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer rotorlage einer synchronmaschine - Google Patents

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    • G01D5/2013—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the self-induction of one or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core
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    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • H02P25/03—Synchronous motors with brushless excitation

Definitions

  • the invention relates to synchronous machines, in particular permanent magnet synchronous machines, with a rotor generating a permanent magnetic flux.
  • the invention further relates to the field of sensorless rotor position determination for synchronous machines.
  • phase voltage or the phase current is applied as a constant voltage or constant current as long as the rotor is within a certain range of the rotor position, in particular for a rotor within an angular position range of an electrical rotor position.
  • the rotor position is determined by an elaborate sensor system.
  • Hall sensors or GMR sensors GMR: Giant Magnetic Resistance
  • GMR Giant Magnetic Resistance
  • Such additionally arranged in the synchronous machine sensors are in usually prone to failure and represent an additional expense in the production of synchronous machines.
  • sensorless process for mood of the rotor position.
  • an evaluation of the current profile is usually carried out by the synchronous machine. This is usually inaccurate because the current profile in the synchronous machine is usually superimposed by interference signals. This is especially the case when operating at low speeds and during a start under load.
  • sensorless methods for determining the rotor position are generally of limited use.
  • the stator position of the synchronous machine by measuring the inductance of the stator coil.
  • the inductance of the stator coil varies depending on the rotor position due to the saturation caused in the stator coils by the rotor magnets.
  • the dependence of the inductance of the stator coil is a consequence of the superposition of the caused by the permanent magnet magnetic field and caused by the measuring pulse magnetic field, which can add or cancel depending on the rotor position. With an additive superimposition of the magnetic fields, the stator coil saturates and its inductance decreases as a result.
  • This inductance is measured by a measuring pulse on the stator coil, which is preferably applied when the relevant stator coil is in the de-energized state, on the one hand influences the measuring pulse on the Momen ten Struktur and on the other hand, repercussions on the measurement of the current
  • the accuracy of the measurement of the rotor-dependent inductance requires that the stator coil is de-energized, otherwise due to superposition of the magnetic field generated by the drive current through the stator coil due to the effect of the magnetic saturation results in a false measurement of the inductance. As a result, the rotor position is not exactly determinable.
  • a method for determining a rotor position of a two-phase synchronous machine with two strings, in particular for electronic commutation of the synchronous machine comprises the following steps:
  • One idea of the method described above is to provide for a two-phase synchronous machine with a, in particular by 90 °, mutually offset control with successive control windows time windows in which a strand, ie a phase arrangement of one or more coils that together are interconnected and assigned to a phase, no control variable, ie no voltage and no current is applied.
  • This is achieved by carrying out a drive with a drive variable not equal to 0 in a range of the rotor position of less than 180 ° within the drive time window.
  • a voltage of 0V or this is not energized.
  • This measuring time window is then suitable for a rotor position by applying a measuring pulse during the measuring time window, without the disadvantages described above occurring in the two-phase synchronous machine. Furthermore, the determined strand inductance of the corresponding strand can be assigned an electrical rotor position.
  • measuring pulses can be regularly applied to the corresponding string, wherein an electrical commutation of the control in the form of a change in the control variable is performed on the corresponding strand when the determined strand inductance of one of the strands exceeds or falls below a threshold.
  • the measuring pulse can be applied as a measured variable of positive or negative polarity to one of the strings during a defined measuring pulse time window.
  • the rotor position-dependent phase inductance may be determined by measuring an indication of an edge steepness of an edge of a resulting magnitude caused by the application of the measurement pulse, in particular by a given strand inductance function.
  • the indication of the steepness of the slope can be carried out by two threshold comparisons of the quantity resulting from the application of the measurement pulse with predetermined threshold values, and the time duration from reaching a first of the threshold values to reaching a second of the threshold values being provided as an indication of the slew rate , Furthermore, during the measurement time window, a second of the strings may enter
  • a control unit for operating a two-phase synchronous machine with two strings and for determining a rotor position of the synchronous machine, in particular for electronic commutation of the synchronous machine, is provided.
  • the control unit is designed
  • an engine system in another aspect, includes:
  • a bipolar drive circuit for providing a bipolar drive quantity for each of the strings of the synchronous machine
  • a computer program product having a program code which, when executed on a data processing apparatus, performs the above method.
  • FIG. 1 shows a cross section of a two-phase synchronous machine
  • FIG. 2 shows a driver circuit which is designed as a double-stranded H
  • FIG. 3 shows an example diagram for the courses of the measured inductances as a function of the polarity of the applied measuring pulse and of the string over the rotor position;
  • Figure 4 is a schematic representation of the driving method with a 135 ° reduced electrical block length according to an embodiment
  • Figure 5 is a schematic representation of the voltage and current waveforms at a 90 ° reduced electrical block length according to another embodiment.
  • the synchronous motor 1 shows a cross section through an electrical machine in the form of a synchronous motor 1 is shown schematically.
  • the synchronous motor 1 has a stator arrangement 2 with eight stator teeth 3.
  • the stator assembly 2 is arranged annularly and concentrically about a rotation axis of a rotor 4.
  • the stator assembly 2 has in the interior a likewise concentric around the axis of rotation recess.
  • the rotor has six rotor poles 5, which are formed by means of permanent magnets 6.
  • the rotor 4 is arranged rotatably about the rotation axis in the recess of the stator assembly 2, so that the rotor poles 5 at a rotation of the rotor 4 at inner ends of the stator teeth 3 pass.
  • the rotor 4 can advantageously be constructed with three ferromagnetic magnet shells each magnetized in two poles or with a ring of plastic-bonded NdFeB.
  • Stator coils 7 are arranged in the form of a follower pole arrangement on the stator teeth 3, ie only every second stator tooth 3 is provided with a stator coil 7 and has a widened tooth head 8 as an inner end compared to unwound stator coils 3.
  • the tooth head 8 serves on the one hand for holding the stator coil 7 on the respective stator tooth 3 and on the other hand for widening the region of the magnetic flux generated by the stator coil 7 and directed onto the rotor 4.
  • the structure of a synchronous machine shown in Fig. 1 is only an example, and it is also possible to use synchronous machines deviating therefrom in a two-phase bipolar configuration.
  • stator teeth 3 and the choice of a follower tooth arrangement formed by the stator coils 7, each associated with a phase strands are magnetically decoupled because they magnetize with respect to an electrical rotor position perpendicular to each other and are also separated by auxiliary teeth from each other, the magnetic Make a conclusion.
  • the invention is applicable to all two-phase synchronous motors in which the stator coils 7 are as magnetic as possible decoupled.
  • FIG. 2 shows a driver circuit 10 for the drive circuit of the two-phase bipolar synchronous motor 1.
  • the driver circuit 10 has two bipolar H-bridge circuits.
  • Each of the H-bridge circuits comprises two series circuits of power semiconductor switches 1 1.
  • Each of the series circuits has a first power semiconductor switch 1 1, which is connected to a first terminal with a high supply potential V H and with a second terminal to an output node K. Furthermore, each of the
  • Series circuits comprise a second power semiconductor switch 12, which is connected with a first terminal to the output node K and to a second terminal with a low supply potential V L. Between the high supply potential V H and the low supply potential V L , the supply voltage U Ve is on.
  • a string comprises one or more stator coils 7 which are connected in a suitable manner for the common energization, i. serial, parallel or a combination of serial and parallel interconnection.
  • the strands A and B can be controlled independently, so that they can be energized both individually and simultaneously in any polarity.
  • the individual power semiconductor switches 11 are controlled by a control unit 15. ert, so that, depending on the selected switching states of the individual power semiconductor switch 1 1 of the H-bridge circuit, a positive supply voltage, the negative supply voltage or 0V is applied.
  • a pulse width modulation method can depend on a duty cycle, an effective voltage as a control variable to the respective
  • Strand A, B are applied, which lies between the positive supply voltage Uvers and the negative supply voltage -U Ve rs.
  • the pulse width modulation method provides for a periodic activation in which the positive supply voltage (or the negative supply voltage) is output during a first time window and, as a voltage 0V, during a second time window via the output nodes K of one of the H-bridge circuits.
  • the first time window and the second time window define a constant drive period, the duty cycle corresponding to the ratio of the time duration of the first time window to the duration of the drive period.
  • the rotor position is detected by a permanent, regular or at predetermined times measuring the characteristic strand inductances, which change depending on the rotor position. That By assigning a measured phase inductance, the electrical rotor position can be determined by recalculation, readout of a map or the like.
  • the characteristic strand inductances are determined by superimposing measuring pulses having a predefined time length (measuring pulse time window) on the driving phase voltages and measuring edge steepnesses as indications of rise times and fall times of a resulting electrical variable.
  • An indication of the rise time of the resulting electrical quantity can be measured, for example, by subjecting the edge of the resulting electrical quantity caused by the measurement pulse to threshold comparisons. For example, as an indication of the rise time the Duration of exceeding a first to exceeding a second threshold are measured. Alternatively, a fall time of an edge may also be measured as the time duration of falling below a first threshold to below a second threshold value. From the information on the rise times or the fall times can be determined by a suitable predetermined strand inductance function, for example in the form of a map, an indication of a strand inductance.
  • Rotor position results from the mechanical rotor position multiplied by the number of rotor poles. It can be seen the course of the inductance of a stator coil 7 or one of the phases associated arrangement of a plurality of stator coils depending on the electrical rotor position.
  • the four illustrated curves of the inductance data here a measured normalized to the real inductance
  • Inductance correspond respectively to inductance curves at a pulse of positive voltage on the strand A (K1), a pulse of positive voltage on the strand B (K2), a pulse of negative voltage on the strand A (K3) and a pulse of negative voltage on the strand B. (K4). It can be seen that the measured inductance reaches a minimum of approximately 0.5 of the real (unsaturated) inductance for a specific electrical rotor position. This rotor position corresponds to a rotor position in which the magnetic flux in the respective stator coil 7 reaches a saturation, whereby the inductance of the relevant stator coil or the relevant strand depends.
  • the impressing of a current pulse for determining the rotor position can lead to a disturbance of the torque generation, if the current pulse occurs simultaneously with a current supply of the stator coil for generating a torque.
  • torque ripple may increase in this case.
  • the measurement of the inductance can be impaired by the energization of the stator coil 7 in particular in a change in the current flow during the measurement.
  • FIG. 4 shows a diagram for illustrating the profiles of the phase currents and the phase voltages as well as the resulting torque.
  • the diagram shows an example of an energization, in which the phase current is shown with a block length of 135 ° electrical rotor position. That is, during a period of time in which the rotor moves over an electrical rotor position of 180 °, a voltage is applied only during a time window in which the rotor moves in a range of 135 °. In other words, no current is applied to the stator coil during a rotation of the rotor over a rotation angle range of 45 ° electrical rotor position.
  • the loss of torque resulting from the reduction in the time length of the current block is compensated for by placing within the current block in the region of the rotor position of 180 °, e.g. in the time center of the current block, the voltage, i. the current amplitude is increased.
  • the increase is designed to compensate for the loss of torque due to the non-energization in the range of 45 ° electrical rotor position.
  • the voltage pulses are adapted to the sinusoidal current profile. As a result, a low torque ripple can be achieved and simultaneously energization gaps can be created in which test pulses for rotor position determination can be discontinued without influencing the activation of the synchronous motor 1.
  • the corresponding strand is not energized and instead increased during a time window in the middle of the Bestromungsblocks the current, so that more torque is formed there.
  • the measuring impulse for rotor position determination is not or only insignificantly affected by the current in the other strand.
  • the rotor position can even be resolved into more than four, for example eight, areas. For determining four ranges of electric rotor position, it is sufficient to determine whether an inductance measured with a certain measurement pulse on a particular string is smaller than a limit value to be determined. For determining more than four, in particular eight ranges of electric rotor position, it must be determined. whether at least two inductance indications measured with one respective measuring pulse on one or more specific strings and with the same or different polarities are each smaller than one or more limit values to be defined. Thus, intermediate positions can be detected to resolve the rotor position finer. This makes it possible to achieve the activation shown in FIG. 4 with a block length of 135 °, since the commutation times at which the different current or voltage levels to be applied to the strings are switched by the inductance measurement can be.
  • the inductance curve for different test pulses is shown.
  • the electrical commutation i. the driving with corresponding phase currents in predetermined time windows can be determined by threshold value comparisons of the measured normalized inductances.
  • a phase current of 0 V is applied to the strand A as a modulation until the inductance determined with the aid of a first of the measuring pulses of positive polarity (curve K1) exceeds a threshold value S.
  • the threshold value S is exceeded by the inductance detected by the first measuring pulse at an electrical rotor position of 22.5 °. If this is detected, a current with a first positive current value is applied, i.
  • the inductance is measured by means of a second measuring pulse having a negative polarity.
  • the threshold value S is undershot by the inductance measured using the second measuring pulse (curve K2), the phase current of the strand A is again set to 0 A.
  • the phase current of the strand A is set to a second negative current value when the inductance (curve K2) measured by the second measuring pulse exceeds the threshold value S. If the inductance (curve K1) measured by the first measuring pulse falls below the threshold value S, then the phase current is set to 0A. That is, as long as either the inductance measured by the first measuring pulse or the second measuring pulse falls below the threshold value, a phase current of 0 A is applied.
  • the elevation of the phase current in the direction of positive currents or in the direction of negative currents in the middle of the respective current block takes place as long as a measured with a third measuring pulse on the second strand B with positive polarity inductance (curve K3) or with a fourth measuring pulse on the second strand B with negative polarity measured inductance (curve K4) below the threshold value S.
  • FIG. 5 shows a further example with an energization of the strands with a block length of a range of 90 ° electrical rotor position.
  • Strand B is energized between 0 ° and 45 ° and between 315 ° and 360 ° with a current block of positive polarity and between 135 ° and 225 ° with a current block negative polarity. In the remaining areas of the electrical rotor position no voltage or no current is applied to the strands A, B.
  • the other areas of electrical rotor position of the strands, in which no energization of the respective strand takes place, are thus suitable for applying a measuring pulse for determining the rotor position in the respective strand.
  • a measuring pulse for determining the rotor position in the respective strand.
  • the times for measuring pulses in which the torque-forming current is exposed can be significantly reduced compared to the known methods, since the torque-forming method provides time windows in which one or the other branch is not energized, wherein in the time windows, in which no energization is performed, measurements are carried out to the rotor position.
  • the advantage of the method described above is that it can also be used when the synchronous machine is at a standstill. Due to the magnetic decoupling of the strands A and B, the inductance influence is isolated without measuring the influences of the other strands and the measuring impulses can be applied simultaneously, whereby the time required to apply the measuring impulses can be reduced. For this purpose, the test pulses can be introduced into the power supply gaps, in which no torque is generated anyway.
  • the relative difference of the inductances is small. Even with a triangular circuit, one strand with saturation in the stator tooth and two strands without saturation in the stator tooth would always be measured together. The effect to be evaluated is only sufficiently large for reliable detection if the additional inductance as a function of the rotor position is added by the reluctance difference between the follower pole and the magnetic pole.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Läuferlage einer zweiphasigen Synchronmaschine (1) mit zwei Strängen (A, B), insbesondere zur elektronischen Kommutierung der Synchronmaschine (1), mit folgenden Schritten: - Ansteuern jedes der Stränge wechselweise in einem ersten Ansteuer-Zeitfenster mit einer Ansteuergröße positiver Polarität und in einem zweiten Ansteuer-Zeitfenster mit einer Ansteuergröße negativer Polarität, wobei sich das erste und das zweite Ansteuer-Zeitfenster wechselweise aneinander anschließen; - Anlegen einer Ansteuergröße von 0 während eines Mess-Zeitfensters, das innerhalb mindestens eines der Ansteuer-Zeitfenster eines Strangs (A, B) vorgesehen wird; - Anlegen eines Messimpulses an den entsprechenden Strang (A, B) innerhalb des Mess-Zeitfensters, um eine läuferlageabhängige Stranginduktivität des entsprechenden Strangs (A, B) als Angabe zu der Läuferlage zu ermitteln.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Rotorlage einer Synchronmaschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Synchronmaschinen, insbesondere permanentmagneterregte Synchronmaschinen, mit einem einen permanenten magnetischen Fluss erzeugenden Läufer. Die Erfindung betrifft weiterhin das Gebiet der sensorlosen Läuferlagebestimmung für Synchronmaschinen.
Stand der Technik
Zur elektronischen Kommutierung von mehrphasigen Synchronmaschinen ist es notwendig, die Läuferlage des Läufers (Rotor) der Synchronmaschine zu kennen, um eine geeignete von der Läuferlage abhängige Phasenspannung an den jeweiligen Strang der Synchronmaschine anzulegen. Üblicherweise wird die Phasenspannung bzw. der Phasenstrom als konstante Spannung bzw. konstanter Strom angelegt, solange sich der Läufer innerhalb eines bestimmten Bereichs der Läuferlage, insbesondere bei einem Rotor innerhalb eines Winkellagebereichs einer elektrischen Rotorlage, befindet.
Häufig wird bei bürstenlosen Gleichstrommotoren bzw. permanentmagneterregten Synchronmaschinen die Läuferlage mit einer aufwändigen Sensorik bestimmt. Dazu werden häufig Hall-Sensoren oder GMR-Sensoren (GMR: Giant Magnetic Resistance) verwendet, die nahe einem Läufer der Synchronmaschine angeordnet sind und ein elektrisches Signal als Maß für die Rotorlage bereitstellen. Solche zusätzlich in der Synchronmaschine angeordnete Sensoren sind in der Regel störanfällig und stellen einen zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung von Synchronmaschinen dar.
Es wird daher zunehmend dazu übergegangen, sensorlose Verfahren zur Be- Stimmung der Läuferlage zu verwenden. Bei sensorlosen Verfahren wird üblicherweise eine Auswertung des Stromverlaufs durch die Synchronmaschine durchgeführt. Dies ist in der Regel ungenau, da der Stromverlauf in der Synchronmaschine in der Regel von Störsignalen überlagert ist. Dies ist vor allem beim Betrieb bei kleinen Drehzahlen und bei einem Anlauf unter Last der Fall. Daher sind sensorlose Verfahren zur Bestimmung der Läuferlage in der Regel nur beschränkt anwendbar.
Weiterhin ist es möglich, die Läuferlage der Synchronmaschine durch Messung der Induktivität der Statorspule zu bestimmen. Die Induktivität der Statorspule va- riiert abhängig von der Läuferlage aufgrund der durch die Läufermagneten hervorgerufenen Sättigung in den Statorspulen. Die Abhängigkeit der Induktivität der Statorspule ist eine Folge der durch die Überlagerung des von den Permanentmagneten hervorgerufenen Magnetfelds und des durch den Messimpuls hervorgerufenen Magnetfelds, die sich je nach Läuferlage addieren oder auslöschen können. Bei einer additiven Überlagerung der Magnetfelder gelangt die Statorspule in die Sättigung und deren Induktivität nimmt dadurch ab. Diese Induktivität wird durch einen Messimpuls an der Statorspule gemessen, der vorzugsweise dann angelegt wird, wenn sich die betreffende Statorspule im unbestrom- ten Zustand befindet, um einerseits Einflüsse des Messimpulses auf die Momen- tenbildung und andererseits Rückwirkungen auf die Messung der momentanen
Induktivität zu vermeiden.
Die Genauigkeit der Messung der läuferlageabhängigen Induktivität erfordert, dass die Statorspule unbestromt ist, da sich ansonsten durch Überlagerung des durch den Antriebsstrom durch die Statorspule erzeugten Magnetfelds aufgrund des Effekts der magnetischen Sättigung eine Fehlmessung der Induktivität ergibt. Dadurch ist die Läuferlage nicht exakt bestimmbar.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen die Läuferlage einer elektrischen Maschine möglichst genau bestimmbar ist. Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Bestimmen der Rotorlage einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch das Steuergerät und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Läuferlage einer zweiphasigen Synchronmaschine mit zwei Strängen, insbesondere zur elektronischen Kommutierung der Synchronmaschine, vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- Ansteuern jedes der Stränge wechselweise in einem ersten Ansteuer- Zeitfenster mit einer Ansteuergröße positiver Polarität und in einem zweiten Ans- teuer-Zeitfenster mit einer Ansteuergröße negativer Polarität, wobei sich das erste und das zweite Ansteuer-Zeitfenster wechselweise aneinander anschließen;
- Anlegen einer Ansteuergröße von 0 an einen ersten der Stränge während eines Mess-Zeitfensters, das innerhalb mindestens eines der Ansteuer-Zeitfenster eines Strangs vorgesehen wird;
- Anlegen eines Messimpulses an den entsprechenden Strang innerhalb des Mess-Zeitfensters, um eine läuferlageabhängige Stranginduktivität des entsprechenden Strangs als Angabe zu der Läuferlage zu ermitteln.
Eine Idee des oben beschriebenen Verfahrens besteht darin, bei einer zweiphasigen Synchronmaschine mit einer, insbesondere um 90°, zueinander versetzten Ansteuerung mit aufeinander folgenden Ansteuer-Zeitfenstern Zeitfenster vorzusehen, in denen an einen Strang, d.i. eine Phasenanordnung aus einer oder mehrerer Spulen, die gemeinsam verschaltet sind und die einer Phase zugeordnet sind, keine Ansteuergröße, d.h. keine Spannung und kein Strom angelegt wird. Dies wird erreicht, indem innerhalb der Ansteuer-Zeitfenster eine Ansteuerung mit einer Ansteuergröße ungleich 0 in einem Bereich der elektrischen Läuferlage von weniger als 180° durchgeführt wird. Dadurch entstehen innerhalb der Ansteuer-Zeitfenster Mess-Zeitfenster, während der der entsprechende Strang nicht angesteuert wird, d.h. es wird eine Spannung von 0V angelegt oder dieser wird nicht bestromt. Dieses Mess-Zeitfenster ist dann geeignet, eine Läuferlage- messung vorzunehmen, indem ein Messimpuls während des Mess-Zeitfensters angelegt wird, ohne dass es bei der zweiphasigen Synchronmaschine zu den oben beschriebenen Nachteilen kommt. Weiterhin kann der ermittelten Stranginduktivität des entsprechenden Strangs eine elektrische Läuferlage zugeordnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform können regelmäßig Messimpulse an den entsprechenden Strang angelegt werden, wobei eine elektrische Kommutierung der Ansteuerung in Form einer Änderung der Ansteuergröße an dem entsprechenden Strang durchgeführt wird, wenn die ermittelte Stranginduktivität einer der Stränge einen Schwellenwert über- oder unterschreitet.
Insbesondere kann der Messimpuls als eine Messgröße positiver oder negativer Polarität an einen der Stränge während eines definierten Messimpuls- Zeitfensters angelegt werden.
Die läuferlageabhängige Stranginduktivität kann durch Messen einer Angabe zu einer Flankensteilheit einer Flanke einer resultierenden Größe, die durch das Anlegen des Messimpulses bewirkt wird, insbesondere durch eine vorgegebene Stranginduktivitätsfunktion, ermittelt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Angabe zu der Flankensteilheit durch zwei Schwellwertvergleiche der auf das Anlegen des Messimpulses resultierenden Größe mit vorgegebenen Schwellenwerten durchgeführt werden, und die Zeitdauer von dem Erreichen eines ersten der Schwellenwerte zu dem Erreichen eines zweiten der Schwellenwerte als Angabe zu der Flankensteilheit bereitgestellt werden. Weiterhin kann während des Mess-Zeitfensters an einen zweiten der Stränge ein
Ansteuerstrom angelegt werden, der so gewählt wird, dass ein während des Mess-Zeitfensters erzeugtes Drehmoment der Synchronmaschine einem Drehmoment entspricht, das durch Anlegen von Ansteuergrößen ungleich 0 an beide Stränge erzeugt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Steuergerät zum Betreiben einer zweipha- sigen Synchronmaschine mit zwei Strängen und zum Ermitteln einer Läuferlage der Synchronmaschine, insbesondere zur elektronischen Kommutierung der Synchronmaschine, vorgesehen. Das Steuergerät ist ausgebildet,
- um jeden der Stränge wechselweise in einem ersten Ansteuer-Zeitfenster mit einer Ansteuergröße positiver Polarität und in einem zweiten Ansteuer- Zeitfenster mit einer Ansteuergröße negativer Polarität anzusteuern, wobei sich das erste und das zweite Ansteuer-Zeitfenster wechselweise aneinander anschließen;
- um eine Ansteuergröße von 0 an einen ersten der Stränge während eines Mess-Zeitfensters anzulegen, das innerhalb mindestens eines der Ansteuer- Zeitfenster eines der Stränge vorgesehen wird,
- um innerhalb des Mess-Zeitfensters einen Messimpuls an den entsprechenden Strang anzulegen, um eine Angabe zu läuferlageabhängigen Stranginduktivität des entsprechenden Strangs als Angabe zu der Läuferlage zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen. Das Motorsystem umfasst:
- eine zweiphasige Synchronmaschine mit zwei Strängen;
- eine bipolare Treiberschaltung zum Bereitstellen einer bipolaren Ansteuergröße für jeden der Stränge der Synchronmaschine;
- das obige Steuergerät.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode aufweist, der, wenn er auf einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt einer zweiphasigen Synchronmaschine;
Figur 2 eine Treiberschaltung die als zweisträngige H-
Brückenschaltung ausgebildet ist; Figur 3 ein Beispieldiagramm für die Verläufe der gemessenen Induktivitäten abhängig von der Polarität des angelegten Messimpulses und des Strangs über der Läuferlage;
Figur 4 eine schematische Darstellung des Ansteuerverfahrens bei einer auf 135° reduzierten elektrischen Blocklänge gemäß einer Ausführungsform;
Figur 5 eine schematische Darstellung der Spannungs- und Stromverläufe bei einer auf 90° reduzierten elektrischen Blocklänge gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Beschreibung von Ausführungsformen
In Figur 1 ist ein Querschnitt durch eine elektrische Maschine in Form eines Synchronmotors 1 schematisch dargestellt. Der Synchronmotor 1 weist eine Statoranordnung 2 mit acht Statorzähnen 3 auf. Die Statoranordnung 2 ist ringförmig und konzentrisch um eine Drehachse eines Rotors 4 angeordnet. Die Statoranordnung 2 weist im Inneren eine ebenfalls um die Drehachse konzentrische Ausnehmung auf.
Der Rotor weist sechs Rotorpole 5 auf, die mit Hilfe von Permanentmagneten 6 ausgebildet sind. Der Rotor 4 ist um die Drehachse drehbeweglich in der Ausnehmung der Statoranordnung 2 angeordnet, so dass die Rotorpole 5 bei einer Drehung des Rotors 4 an inneren Enden der Statorzähne 3 vorbeilaufen. Der Rotor 4 kann vorteilhafterweise mit drei jeweils zweipolig magnetisierten Ferrit- Magnetschalen aufgebaut werden oder mit einem Ring aus kunststoffgebundenem NdFeB.
Statorspulen 7 sind in Form einer Folgepolanordnung an den Statorzähnen 3 angeordnet, d.h. nur jeder zweite Statorzahn 3 ist mit einer Statorspule 7 versehen und weist eine im Vergleich zu unbewickelten Statorspulen 3 als inneres Ende einen verbreiterten Zahnkopf 8 auf. Der Zahnkopf 8 dient einerseits zum Halten der Statorspule 7 auf dem jeweiligen Statorzahn 3 und andererseits zum Verbreitern des Bereichs des von der Statorspule 7 erzeugten und auf den Rotor 4 gerichteten magnetischen Flusses. Der in Figur 1 gezeigte Aufbau einer Synchronmaschine ist jedoch nur ein Beispiel und es können auch Synchronmaschinen mit davon abweichendem Aufbau in zweiphasig-bipolarer Ausführung verwendet werden. Insbesondere können Synchronmotoren in Topologien mit 8n (n = 1 , 2, 3, ... , n) und 6n Rotorpolen vorgesehen sein. Diese Topologien haben den Vorteil, dass durch die Wahl der
Anzahl der Statorzähne 3 und durch die Wahl einer Folgezahnanordnung die von den Statorspulen 7 gebildeten, jeweils einer Phase zugeordneten Stränge magnetisch entkoppelt sind, da sie in bezüglich einer elektrischen Rotorlage senkrecht zueinander stehenden Achsen magnetisieren und zusätzlich noch durch Hilfszähne voneinander getrennt sind, die einen magnetischen Rückschluss bilden. Im Prinzip ist die Erfindung anwendbar auf alle zweiphasigen Synchronmotoren, bei denen die Statorspulen 7 möglichst magnetisch entkoppelt sind.
In Figur 2 ist eine Treiberschaltung 10 zur Ansteuerschaltung des zweiphasigen bipolaren Synchronmotors 1 dargestellt. Die Treiberschaltung 10 weist zwei bipolare H-Brückenschaltungen auf. Jede der H-Brückenschaltungen umfasst zwei Serienschaltungen aus Leistungshalbleiterschaltern 1 1. Jede der Serienschaltungen weist einen ersten Leistungshalbleiterschalter 1 1 auf, der mit einem ersten Anschluss mit einem hohen Versorgungspotential VH und mit einem zweiten Anschluss mit einem Ausgangsknoten K verbunden ist. Weiterhin weist jede der
Serienschaltungen einen zweiten Leistungshalbleiterschalter 12 auf, der mit einem ersten Anschluss mit dem Ausgangsknoten K und mit einem zweiten Anschluss mit einem niedrigen Versorgungspotential VL verbunden ist. Zwischen dem hohen Versorgungspotential VH und dem niedrigen Versorgungspotential VL liegt die Versorgungsspannung UVers an.
Jeweils die beiden Ausgangsknoten K der Serienschaltungen einer der H- Brückenschaltungen sind mit einem Strang der Statoranordnung 2 des Synchronmotors 1 verbunden. Ein Strang umfasst eine oder mehrere Statorspulen 7 die in geeigneter Weise zur gemeinsamen Bestromung verschaltet sind, d.h. seriell, parallel oder eine Kombination aus serieller und paralleler Verschaltung.
Mit Hilfe der in Figur 2 gezeigten Treiberschaltung 10 können die Stränge A und B unabhängig voneinander angesteuert werden, so dass diese sowohl einzeln als auch gleichzeitig in beliebiger Polarität bestromt werden können. Die einzelnen Leistungshalbleiterschalter 1 1 werden von einer Steuereinheit 15 angesteu- ert, so dass nach je nach ausgewählten Schaltzuständen der einzelne Leistungshalbleiterschalter 1 1 der H-Brückenschaltung eine positive Versorgungsspannung, die negative Versorgungsspannung oder 0V angelegt wird. Durch Anwenden eines Pulsweitenmodulationsverfahrens kann abhängig von einem Tastverhältnis eine effektive Spannung als Ansteuergröße an den jeweiligen
Strang A, B angelegt werden, die zwischen der positiven Versorgungsspannung Uvers und der negativen Versorgungsspannung -UVers liegt. Das Pulsweitenmodu- lationsverfahren sieht eine periodische Ansteuerung vor, bei der während eines ersten Zeitfensters die positive Versorgungsspannung (bzw. die negative Versor- gungsspannung) und während eines zweiten Zeitfensters als Spannung 0V über die Ausgangsknoten K einer der H-Brückenschaltungen ausgegeben wird. Das erste Zeitfenster und das zweite Zeitfenster definieren eine konstante Ansteuerperiode, wobei das Tastverhältnis dem Verhältnis der Zeitdauer des ersten Zeitfensters zur Zeitdauer der Ansteuerperiode entspricht.
Zur Durchführung der Ansteuerung (elektrische Kommutierung) werden abhängig von der elektrischen Rotorlage bestimmte Spannungen an die Stränge der Synchronmaschine 1 angelegt. Die Phasenspannungen zur Ansteuerung werden abhängig von der Rotorlage bestimmt. Aus diesem Grund ist es notwendig, per- manent die Rotorlage zu ermitteln, um die geeigneten Phasenspannungen anlegen zu können.
Die Erfassung der Rotorlage erfolgt durch eine permanente, regelmäßige oder zu vorgegebenen Zeitpunkten erfolgende Messung der charakteristischen Strangin- duktivitäten, die sich abhängig von der Rotorlage verändern. D.h. durch Zuordnung einer gemessenen Stranginduktivität kann die elektrische Rotorlage durch Rückrechnen, ein Auslesen eines Kennfelds oder dergleichen ermittelt werden.
Die charakteristischen Stranginduktivitäten werden ermittelt, indem Messimpulse mit einer vordefinierten zeitlichen Länge (Messimpuls-Zeitfenster) den ansteuernden Phasenspannungen überlagert werden und Flankensteilheiten als Angaben zu Anstiegszeiten bzw. Abfallzeiten einer resultierenden elektrischen Größe gemessen werden. Eine Angabe über die Anstiegszeit der resultierenden elektrischen Größe kann beispielsweise gemessen werden, indem die durch den Messimpuls bewirkte Flanke der resultierenden elektrischen Größe Schwellwertvergleichen unterzogen wird. Z.B. kann als Angabe über die Anstiegszeit die Zeitdauer des Überschreitens eines ersten bis zu einem Überschreiten eines zweiten Schwellwerts gemessen werden. Alternativ kann auch eine Abfallzeit einer Flanke als die Zeitdauer des Unterschreitens eines ersten bis zu einem Unterschreiten eines zweiten Schwellwerts gemessen werden. Aus den Angaben zu den Anstiegszeiten bzw. den Abfallzeiten kann durch eine geeignete vorgegebene Stranginduktivitätsfunktion, z.B. in Form eines Kennfelds eine Angabe einer Stranginduktivität ermittelt werden.
Es ergibt sich ein Verlauf der gemessenen Induktivitätsangaben über der elektri- sehen Rotorlage, wie er beispielsweise in Figur 3 dargestellt ist. Die elektrische
Rotorlage ergibt sich aus der mechanischen Rotorlage multipliziert mit der Anzahl der Rotorpole. Man erkennt den Verlauf der Induktivität einer Statorspule 7 bzw. einer einer der Phasen zugeordneten Anordnung aus mehreren Statorspulen abhängig von der elektrischen Rotorlage. Die vier dargestellten Verläufe der Induktivitätsangaben (hier eine auf die reale Induktivität normierte gemessene
Induktivität) entsprechen jeweils Induktivitätsverläufen bei einem Puls positiver Spannung auf dem Strang A (K1 ), einem Puls positiver Spannung auf dem Strang B (K2), einem Puls negativer Spannung auf dem Strang A (K3) und einem Puls negativer Spannung auf dem Strang B (K4). Man erkennt, dass die gemes- sene Induktivität bei einer bestimmten elektrischen Rotorlage ein Minimum von ca. 0,5 der realen (ungesättigten) Induktivität erreicht. Diese Rotorlage entspricht einer Rotorlage, bei der der magnetische Fluss in der jeweiligen Statorspule 7 eine Sättigung erreicht, wodurch die Induktivität der betreffenden Statorspule bzw. des betreffenden Strangs abhängt.
Befindet sich bei der Induktivitätsmessung ein Permanentmagnet 6 des Rotors 4 unmittelbar unter (d.h. in radialer Richtung auf einer Linie) der betrachteten Statorspule 7, so ergibt sich bei Verstärkung des Permanentmagnetfelds durch das Spulenfeld ein deutliches Absinken der Stranginduktivität durch eine verstärkte Sättigung des Magnetkreises im Bereich des Statorzahns 3. Bei entgegengesetzter Bestromung ergibt sich ein leichtes Ansteigen der Induktivität. Bei Magneten mit entgegengesetzter Polarität ergeben sich die Verhältnisse umgekehrt, d.h. ein negativer Strom führt zu höherer Sättigung, kleineren Induktivitäten und schnellerem Stromanstieg. Durch die Kombination von positiven und negativen Stromimpulsen in den Strängen A und B lassen sich so vier Bereiche der elektrischen Rotorlage identifizieren, die sich - je nach Art und Rotorlage des angeleg- ten Messimpulses - durch eine messbar kleinere Induktivität auszeichnen. Aus den Stromanstiegszeiten lassen sich so stets die zugehörigen Bereiche der Rotorlage ableiten.
Das Einprägen eines Stromimpulses zur Bestimmung der Rotorlage kann zu einer Störung der Drehmomenterzeugung führen, wenn der Stromimpuls gleichzeitig mit einer Bestromung der Statorspule zum Generieren eines Drehmoments erfolgt. Zudem kann in diesem Fall die Drehmomentwelligkeit zunehmen. Weiterhin kann auch die Messung der Induktivitätsangabe durch die Bestromung der Statorspule 7 insbesondere bei einer Änderung des Stromflusses während der Messung beeinträchtig werden.
Bei zweiphasigen Synchronmotoren ist es bislang üblich, die Bestromung einer Phase in einem Winkelbereich einer elektrischen Rotorlage von 180° mit einer Ansteuergröße (Spannung, Strom) positiver Polarität und für einen Bereich von 180° der elektrischen Rotorlage mit einer Ansteuergröße (Spannung, Strom) negativer Polarität durchzuführen. Die Größe der angelegten Spannung und/oder Stroms kann durch eine Pulsweitenmodulationsansteuerung der Freischaltung variiert werden. Da die Ansteuergröße normalerweise während des gesamten Zeitfensters anliegt, ist es nicht möglich, eine Messung der Induktivität ohne die oben genannten Nachteile durchzuführen.
Es wird dazu nun vorgeschlagen, die Bestromung einer Phase auf einen Lagebereich von weniger als 180° zu begrenzen. Dadurch entstehen Zeitfenster, während denen eine Phase nicht bestromt wird, d.h. eine Spannung von 0V angelegt wird.
In Figur 4 ist ein Diagramm zur Darstellung der Verläufe der Phasenströme und der Phasenspannungen sowie des resultierenden Drehmoments dargestellt. Das Diagramm stellt ein Beispiel einer Bestromung dar, bei der der Phasenstrom mit einer Blocklänge von 135° elektrischer Rotorlage dargestellt ist. D.h. während einer Zeitdauer, innerhalb derer sich der Rotor über eine elektrische Rotorlage von 180° bewegt, wird eine Spannung nur während eines Zeitfensters angelegt, in dem der Rotor sich in einem Bereich von 135° bewegt. Mit anderen Worten liegt während einer Drehung des Rotors über einen Drehwinkelbereich von 45° elektrischer Rotorlage kein Strom an der Statorspule an. Für das gezeigte Beispiel heißt dies, dass im Winkelbereich von 0° bis 22,5° elektrischer Rotorlage und im Winkelbereich von 157,5° bis 180° elektrischer Rotorlage keine Spannung an die Statorspule 7 der entsprechenden Phase angelegt wird. D.h. die Stromblöcke für jede Phase, die während dem Bewegen des Rotors über eine elektrische Rotorlage von 180° angelegt wird, werden auf einen geringeren Winkelbereich begrenzt, so dass Zeitfenster entstehen, in denen keine Spannung zur Erzeugung eines Drehmoments angelegt wird.
Der Verlust des Drehmoments, der sich aus der Verkleinerung der zeitlichen Länge des Stromblocks ergibt, wird dadurch ausgeglichen, dass innerhalb des Stromblocks in dem Bereich der Rotorlage von 180°, z.B. in der zeitlichen Mitte des Stromblocks, die Spannung, d.h. die Stromamplitude, erhöht wird. Die Erhöhung ist so bemessen, dass sie den Verlust des Drehmoments durch die Nicht- Bestromung in dem Bereich von 45° elektrischer Rotorlage auszugleichen. Vorzugsweise werden die Spannungsimpulse dem sinusförmigen Stromverlauf an- gepasst. Dadurch kann eine geringe Drehmomentwelligkeit erreicht werden und es können gleichzeitig Bestromungslücken geschaffen werden, in denen Testimpulse zur Rotorlagebestimmung abgesetzt werden können, ohne die Ansteue- rung des Synchronmotors 1 zu beeinflussen. Mit anderen Worten wird in den elektrischen Rotorlagen, in denen nur sehr wenig Drehmoment durch ein Strang erzeugt wird, wird der entsprechende Strang nicht bestromt und dafür während eines Zeitfensters in der Mitte des Bestromungsblocks der Strom erhöht, so dass dort mehr Drehmoment gebildet wird.
Durch die magnetische Entkopplung der Stränge wird der Messimpuls zur Rotorlagebestimmung nicht oder nur unwesentlich vom Strom im anderen Strang beeinträchtigt.
Wenn die Bereiche elektrischer Rotorlage mit geringen gemessenen Induktivitäten, die sich aus der Induktivitätsmessung mit Messimpulsen ergeben, hinreichend breit und stark ausgeprägt sind, kann die Rotorlage sogar in mehr als vier, beispielsweise in acht, Bereiche aufgelöst werden. Zum Bestimmen von vier Bereichen elektrischer Rotorlage ist es ausreichend, festzustellen, ob eine mit einem bestimmten Messimpuls an einem bestimmten Strang gemessene Induktivität kleiner ist als ein festzulegender Grenzwert. Zum Bestimmen von mehr als vier, insbesondere acht Bereichen elektrischer Rotorlage, muss festgestellt wer- den, ob mindestens zwei mit einem jeweiligen Messimpuls an einem oder mehreren bestimmten Strängen und mit gleichen oder verschiedenen Polaritäten gemessene Induktivitätsangabe jeweils kleiner sind als ein oder mehrere festzulegende Grenzwerte. So können auch Zwischenpositionen erkannt werden, um die Rotorlage feiner aufzulösen. Dies ermöglicht es, die zur Realisierung der in Figur 4 gezeigten Ansteuerung mit einer Blocklänge von 135° zu erreichen, da die Kommutierungszeitpunkte, an denen zwischen den unterschiedlichen an die Stränge anzulegenden Strom- bzw. Spannungsniveaus (Aussteuergröße) geschaltet wird, durch die Induktivitätsmessung diskriminiert werden können.
In dem Diagramm der Figur 3 ist der Induktivitätsverlauf für verschiedene Testimpulse dargestellt. Bei Betrachtung des Strangs A und dessen Ansteuerung mit einer Blocklänge von 135° kann die elektrische Kommutierung, d.h. das Ansteuern mit entsprechenden Phasenströmen in vorgegebenen Zeitfenstern durch Schwellwertvergleiche der gemessenen normierten Induktivitäten bestimmt werden. Beispielsweise wird als Aussteuerung ein Phasenstrom von 0V an den Strang A angelegt, bis die mit Hilfe eines ersten der Messimpulse positiver Polarität (Kurve K1 ) an dem Strang A ermittelte Induktivität einen Schwellenwert S übersteigt. Der Schwellenwert S wird durch die durch den ersten Messimpuls de- tektierte Induktivität bei einer elektrischen Rotorlage von 22,5 ° überschritten. Wird dies festgestellt, wird ein Strom mit einem ersten positiven Stromwert angelegt, d.h. ab einer elektrischen Rotorlage von 22,5°. Weiterhin wird die Induktivität mit Hilfe eines zweiten Messimpulses gemessen, der eine negative Polarität aufweist. Bei Unterschreiten des Schwellenwerts S durch die mit dem zweiten Messimpuls gemessene Induktivität (Kurve K2) wird der Phasenstrom des Strangs A wieder auf 0 A gesetzt.
Weiterhin wird der Phasenstrom des Strangs A auf einen zweiten negativen Stromwert gesetzt, wenn die durch den zweiten Messimpuls gemessene Induktivität (Kurve K2) den Schwellenwert S übersteigt. Unterschreitet die durch den ersten Messimpuls gemessene Induktivität (Kurve K1 ) den Schwellenwert S wieder, so wird der Phasenstrom auf 0A gesetzt. D.h. Solange entweder die durch den ersten Messimpuls oder den zweiten Messimpuls gemessene Induktivität den Schwellenwert unterschreitet, wird ein Phasenstrom von 0 A angelegt. Die Überhöhung des Phasenstroms in Richtung positiver Ströme oder in Richtung negativer Ströme in der Mitte des jeweiligen Stromblocks erfolgt, solange ein mit einem dritten Messimpuls auf dem zweiten Strang B mit positiver Polarität gemessene Induktivität (Kurve K3) bzw. ein mit einem vierten Messimpuls auf dem zweiten Strang B mit negativer Polarität gemessene Induktivität (Kurve K4) den Schwellenwert S unterschreitet.
Das Verfahren wird für den zweiten Strang B wird analog, d.h. auf gleiche Weise mit vertauschten Strängen A, B durchgeführt.
In Figur 5 ist ein weiteres Beispiel mit einer Bestromung der Stränge mit einer Blocklänge eines Bereichs von 90° elektrischer Rotorlage dargestellt. Dabei erfolgt eine Bestromung eines ersten Strangs A bei einer elektrischen Rotorlage zwischen 45° und 135° gemäß einem Stromblock positiver Polarität und zwi- sehen 225° und 315° mit einem Stromblock negativer Polarität. Für einen zweiten
Strang B erfolgt eine Bestromung zwischen 0° und 45° sowie zwischen 315° und 360° mit einem Stromblock positiver Polarität und zwischen 135° und 225° mit einem Stromblock negativer Polarität. In den übrigen Bereichen der elektrischen Rotorlage ist keine Spannung bzw. kein Strom an die Stränge A, B angelegt.
Die übrigen Bereiche elektrischer Rotorlage der Stränge, in denen keine Bestromung des jeweiligen Stranges erfolgt, eignen sich somit, um in dem jeweiligen Strang einen Messimpuls zur Ermittlung der Rotorlage anzulegen. Zur Sicherstellung, dass bei der Ermittlung der Rotorlage die einzelnen Bereiche der elektri- sehen Rotorlage hinreichend genau ermittelt werden, um die Blocklänge zur Bestromung zu definieren, werden entweder mehrere Strommessungen mit mehreren Testimpulsen vorgenommen oder es wird zwischen den einzelnen Messungen während der Zeitfenster, in denen der jeweilige Strang nicht bestromt ist, entsprechende Induktivitätsmessungen vorgenommen und die Zwischenlagen für die so ermittelten elektrischen Rotorlagen durch Extrapolation bestimmt.
Durch das vorliegende Verfahren lassen sich die Zeiten für Messimpulse, in denen die drehmomentbildende Bestromung ausgesetzt wird, gegenüber den bekannten Verfahren deutlich reduzieren, da das drehmomentbildende Verfahren Zeitfenster vorsieht, in denen einer oder der andere Strang nicht bestromt wird, wobei in den Zeitfenstern, in denen keine Bestromung durchgeführt wird, Messungen zur Rotorlage durchgeführt werden.
Der Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass es auch im Stillstand der Synchronmaschine anwendbar ist. Durch die magnetische Entkopplung der Stränge A und B ist der Induktivitätseinfluss isoliert ohne die Einflüsse der anderen Stränge zu messen und es lassen sich die Messimpulse gleichzeitig aufbringen, wodurch die benötigte Zeit zum Anlegen der Messimpulse reduziert werden kann. Dazu können die Testimpulse in den Bestromungslü- cken eingebracht werden, in denen ohnehin kein Drehmoment erzeugt wird.
Die Kombination von einer bipolaren zweiphasigen Treiberschaltung mit einer Topologie eines Synchronmotors mit 8 Statorzähnen und 6 Rotorpolen mit Folgezahnanordnung ergibt sich gegenüber einer dreiphasigen Synchronmaschine ein Vorteil durch einen höheren Wicklungsfaktor. Bei einer dreiphasigen Ansteue- rung werden ebenfalls von Strom und Rotorlage abhängige Induktivitäten zur Rotorlageerkennung genutzt. Dort besteht jedoch das Problem, dass die Rotorlage nicht unter allen Umständen eindeutig bestimmt werden kann. Die Schwierigkeit besteht darin, dass durch die dreiphasige Ansteuerung einer z.B. sternverschal- teten Synchronmaschine immer ein Strang gemessen wird, in dem der auszuwertende Effekt der von Strom und Lage abhängiger Induktivität auftritt, und gleichzeitig zwei Stränge, bei denen er nicht auftritt. Somit ist der relative Unterschied der Induktivitäten gering. Auch bei einer Dreiecksschaltung würden immer ein Strang mit Sättigung im Statorzahn und zwei Stränge ohne Sättigung im Statorzahn gemeinsam gemessen. Der auszuwertende Effekt ist nur dann hinreichend groß für eine sichere Erkennung, wenn die zusätzliche Induktivität in Abhängigkeit über der Rotorlage durch den Reluktanzunterschied zwischen Folgepol und Magnetpol hinzukommt.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Ermitteln einer Läuferlage einer zweiphasigen Synchronmaschine (1 ) mit zwei Strängen (A, B), insbesondere zur elektronischen Kommutierung der Synchronmaschine, mit folgenden Schritten:
- Ansteuern jedes der Stränge (A, B) wechselweise in einem ersten Ansteu- er-Zeitfenster mit einer Ansteuergröße positiver Polarität und in einem zweiten Ansteuer-Zeitfenster mit einer Ansteuergröße negativer Polarität, wobei sich das erste und das zweite Ansteuer-Zeitfenster wechselweise unmittelbar aneinander anschließen;
- Anlegen einer Ansteuergröße von 0 an einen ersten der Stränge (A, B) während eines Mess-Zeitfensters, das innerhalb mindestens eines der Ansteuer-Zeitfenster eines Strangs vorgesehen wird;
- Anlegen eines Messimpulses an den einen Strang (A, B) innerhalb des Mess-Zeitfensters, um eine läuferlageabhängige Stranginduktivität des entsprechenden Strangs (A, B) als Angabe zu der Läuferlage zu ermitteln.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der ermittelten Stranginduktivität des ersten Strangs (A, B) eine elektrische Läuferlage zugeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei regelmäßig Messimpulse an den ersten Strang angelegt werden, wobei eine elektrische Kommutierung der Ansteuerung in Form einer Änderung der Ansteuergröße an dem ersten Strang (A, B) durchgeführt wird, wenn die ermittelte Stranginduktivität einer der Stränge (A, B) einen Schwellenwert über- oder unterschreitet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Messimpuls als eine Messgröße positiver oder negativer Polarität an einen der Stränge (A, B) während eines definierten Messimpuls-Zeitfensters angelegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die läuferlageabhängige Stranginduktivität durch Messen einer Angabe zu einer Flankensteilheit einer Flanke einer resultierenden Größe, die durch das Anlegen des Messimpul- ses bewirkt wird, insbesondere durch eine vorgegebene Stranginduktivitätsfunktion, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Angabe zu der Flankensteilheit durch zwei Schwellwertvergleiche der auf das Anlegen des Messimpulses resultierenden Größe mit vorgegebenen Schwellenwerten durchgeführt wird, und die Zeitdauer von dem Erreichen eines ersten der Schwellenwerte zu dem Erreichen eines zweiten der Schwellenwerte als Angabe zu der Flankensteilheit bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei während des Mess- Zeitfensters an einen zweiten der Stränge ein Ansteuerstrom angelegt wird, der so gewählt wird, dass ein während des Mess-Zeitfensters erzeugtes Drehmoment der Synchronmaschine (1 ) einem Drehmoment entspricht, das durch Anlegen von Ansteuergrößen ungleich 0 an beide Stränge (A, B) erzeugt wird.
Steuergerät (15) zum Betreiben einer zweiphasige Synchronmaschine (1 ) mit zwei Strängen und zum Ermitteln einer Läuferlage der Synchronmaschine (1 ), insbesondere zur elektronischen Kommutierung der Synchronmaschine (1 ),
wobei das Steuergerät (15) ausgebildet ist,
- um jeden der Stränge wechselweise in einem ersten Ansteuer-Zeitfenster mit einer Ansteuergröße positiver Polarität und in einem zweiten Ansteuer- Zeitfenster mit einer Ansteuergröße negativer Polarität anzusteuern, wobei sich das erste und das zweite Ansteuer-Zeitfenster wechselweise aneinander anschließen;
- um eine Ansteuergröße von 0 an einen ersten der Stränge (A, B) während eines Mess-Zeitfensters anzulegen, das innerhalb mindestens eines der Ansteuer-Zeitfenster eines der Stränge (A, B) vorgesehen wird,
- um innerhalb des Mess-Zeitfensters einen Messimpuls an den entsprechenden Strang anzulegen, um eine Angabe zu läuferlageabhängigen Stranginduktivität des entsprechenden Strangs (A, B) als Angabe zu der Läuferlage zu ermitteln.
Motorsystem umfassend:
- eine zweiphasige Synchronmaschine (1 ) mit zwei Strängen (A, B); - eine bipolare Treiberschaltung (10) zum Bereitstellen einer bipolaren An- steuergröße für jeden der Stränge (A, B) der Synchronmaschine (1 );
- ein Steuergerät (15) nach Anspruch 8. 10. Computerprogrammprodukt, das einen Programmcode aufweist, der, wenn er auf einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt wird, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführt.
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