WO2017032787A1 - Verfahren zum ermitteln eines vorkommutierungswinkels einer elektrischen maschine - Google Patents

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WO2017032787A1
WO2017032787A1 PCT/EP2016/069958 EP2016069958W WO2017032787A1 WO 2017032787 A1 WO2017032787 A1 WO 2017032787A1 EP 2016069958 W EP2016069958 W EP 2016069958W WO 2017032787 A1 WO2017032787 A1 WO 2017032787A1
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commutation
voltage
determined
electrical machine
duration
Prior art date
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PCT/EP2016/069958
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Christoph VAN BOOVEN
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/15—Controlling commutation time

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a pre-commutation angle of an electric machine during motor operation, and to a computer unit and a computer program for carrying it out.
  • Electric machines with permanently or externally excited rotor and one or more windings for the stator can be controlled via a microcontroller, usually stator currents are adjusted by means of a pulse inverter.
  • stator currents are adjusted by means of a pulse inverter.
  • the rotor position, which is generally required for driving, in particular also the commutation, of the electrical machine can be determined, for example, via the zero crossings of a so-called pole-wheel voltage.
  • a method according to the invention is used to determine a pre-commutation angle during motor operation of an electric machine with a permanently and / or externally excited rotor and a plurality of windings for a stator, in particular a synchronous machine. It may in particular be a three-phase electric machine, but also several phases (or windings), for example. Five or seven, are conceivable. It is determined based on a voltage which drops across at least one of the windings, a duration of a commutation for the operation of the electrical machine.
  • a commutation here is a change in the control of the windings of the electric machine to understand and its duration that duration until the current in the one winding, is switched away from the decayed. Taking into account the duration of the commutation, the pre-commutation angle is then determined.
  • a pre-commutation angle which as a rule depends on the current operating point of the electrical machine, can, for example, be determined by measuring the relevant electrical machine for many relevant operating points and then, for example, deposited in a look-up table, but this is very complicated . It has now been recognized that a very good value for the pre-commutation angle can also be determined from the duration of the commutation during operation of the electrical machine. This is possible because the duration of the communica- depends on the inductance of the windings, which inductance is also relevant to the Vorkommut réelleswinkel. In particular, a required pre-commutation angle at the current operating point can be determined in this way. A large number of pre-commutation angles to be determined and stored for different operating points is no longer necessary.
  • the duration of the commutation is preferably determined on the basis of zero crossings of the voltage which occur due to commutation between the windings during operation of the electrical machine.
  • the voltage is usually sinusoidal or trapezoidal in its basic form and thus has zero crossings. These zero crossings, as well as the voltage curve itself, generated by the rotational movement of the rotor and the resulting induced in the windings induction voltage. Furthermore, this voltage curve is superimposed by ohmic and inductive voltage drops across the winding itself as well as the voltage changes due to the
  • the pre-commutation angle is chosen as an angle between 25% and 75%, in particular between 40% and 60%, of the duration of the commutation. Particular preference is given to half the duration of the commutation. It has been recognized that when these values are used, in particular for half the duration, the pole wheel voltage and the motor fundamental current are in phase as precisely as possible. This can be determined, for example, by means of suitable measurement or simulation values. For a detailed explanation, reference is made to the description of the figures at this point. This leads to it The lowest possible current in the electrical machine at the respective operating point and thus to a particularly effective operation.
  • the pre-commutation angle is determined continuously or at predeterminable time intervals during operation of the electrical machine. In this way, it can be achieved that the optimal pre-commutation angle at the current operating point is determined and can be adjusted. It can also be provided that, for example, a new determination of the pre-commutation angle is made only when the operating point is changed.
  • a position of the rotor relative to the stator is furthermore determined on the basis of the voltage.
  • the position of the rotor relative to the stator can be determined based on zero crossings of the voltage which occurs due to the rotation of the rotor.
  • Way can be very simple, eg. With a stored reference position, the position of the rotor can be determined. This allows a targeted commutation in the control of the electrical machine. Thus, for example, every 30 ° after a zero crossing a switching operation in the course of the commutation can be made, for example, when a three-phase electric machine is used.
  • a speed of the electric machine is further determined based on the voltage.
  • the speed is determined based on a time interval of zero crossings of the voltage, which occur due to the rotation of the rotor. This allows a very simple
  • the speed can also be used for the determination of the time switching points in the course of commutation, since the circuits must be made in relation to an angular difference between the rotor and stator.
  • An arithmetic unit according to the invention for example a control unit, in particular an engine control unit, is, in particular programmatically, adapted to carry out a method according to the invention.
  • the implementation of the method in the form of a computer program is advantageous because this causes very low costs, especially if an executive controller is still used for other tasks and therefore already exists.
  • Suitable data carriers for the provision of the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical memories, such as hard disks, flash memories, EEPROMs, DVDs and the like. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
  • Figure 1 shows schematically and simplified an electrical machine, in which a method according to the invention can be carried out.
  • FIG. 2 shows an idealized energization of the windings of such an electric machine.
  • FIG. 3 shows a profile of a motor phase voltage during the operation of such an electrical machine.
  • FIG. 4 shows a profile of a motor phase current during the operation of such an electrical machine.
  • FIG. 5 shows a profile of a motor phase current during the operation of such an electric machine with the use of a pre-commutation angle, which was determined by means of a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIG. 1 schematically and simplified shows an electrical machine 100 in which a method according to the invention can be carried out.
  • the electric machine 100 in the present case is a brushless one
  • the electric machine 100 has a stator 110, which in turn has three windings 11 1, 12, 13, for example. Furthermore, the electric machine 100 has a rotor 120 which, for example, has a permanent magnet. For each of the windings, which have an inductance, an unspecified resistance is shown. Furthermore, by way of example, a motor phase voltage U mo t and a motor phase current l mot . located.
  • a circuit arrangement 180 is shown, to which the three windings 1 1 1, 1 12, 1 13 are connected.
  • the circuit arrangement has six switches, for example semiconductor switches such as transistors (eg MOSFET, IGBT), by means of which the three windings can, for example, be alternately connected to positive and negative voltage or ground and one of which is designated by the reference numeral 180 by way of example.
  • an intermediate circuit voltage U Z K is shown, which is applied to the circuit arrangement.
  • each of the switches is associated with a diode connected in parallel, one of which is denoted by the reference numeral 182 by way of example. This symbolizes, for example, an intrinsic body diode or a separate diode for one
  • Reverse conductivity e.g with IGBTs.
  • the circuit arrangement 180 and in particular the switches can be controlled for this purpose, for example, by means of the arithmetic unit 190.
  • the mode of operation of such an electrical machine is known per se and will therefore not be explained further here.
  • FIG. 2 shows an idealized energization of the windings of an electrical machine, as shown in FIG.
  • a current I is over one Angle ⁇ of the rotor relative to the stator is plotted for each of the three windings.
  • the currents in the three windings are here denoted by lu, lv and l w for the three windings in the sense of phases.
  • the energization lasts in each case 120 ° and begins in each case 30 ° after a zero crossing of the respective phase voltage.
  • This is a conventional energization ("block commutation"), which can be done by suitable control of the switches, as shown in Figure 1. It is assumed that the three windings or phases are arranged symmetrically distributed on the stator.
  • FIG. 3 shows in a diagram a profile of a motor phase voltage during the operation of an electrical machine, as shown in FIG.
  • a voltage U is plotted against the angle ⁇ .
  • U ' mo t in this case a Polradschreib is drawn, as it is caused by a rotation of the rotor and due to induction in the windings.
  • U mo t is drawn, which corresponds to the actual voltage present.
  • the motor phase voltage U mo t corresponds to the Polradschreib U ' m ot, the ohmic and inductive voltage drop across the winding and a superimposed voltage due to the commutation of the other phases.
  • commutation takes place (both a start and an end of the current flow), as can also be seen in FIG.
  • a sign V of the motor phase voltage U mo t is above the angle ⁇ . carried.
  • the zero crossings of the motor phase voltage U m ot be determined. In the present case occur at the angles ⁇ - ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ 3 and ⁇ 4 zero crossings.
  • the zero crossings ⁇ and ⁇ 4 result from the course of the Polradschreib U'mot- From this it is possible to determine the position of the rotor with respect to the stator.
  • the zero crossings ⁇ 2 and ⁇ 3 result from the commutation process. It can be seen that the distance between the two zero crossings ⁇ 2 and ⁇ 3 corresponds exactly to the duration ⁇ of the commutation. By determining the zero crossings of the motor phase voltage, the duration of the commutation can thus be determined.
  • FIG. 4 shows a motor phase current during operation of an electrical machine, as shown in FIG.
  • a current I is plotted against the angle ⁇ .
  • l mot is the course of the real motor phase current.
  • I'mot the so-called.
  • Motor ground wave current and the Polradschreib U ' mo t ie an idealized motor phase voltage plotted.
  • a change occurs at angles of 30 °, 90 °, 150 ° and 210 ° and in each case by a duration ⁇ occurs in the course of the current.
  • the underlying motor fundamental current l'mot however, lags the pole wheel voltage U ' mo t by half the duration ⁇ of the commutation.
  • the pre-commutation angle is selected exactly to ⁇ / 2, whereby the fundamental wave current is shifted centrally into the blanking interval and thus the pole wheel voltage and the fundamental wave current are in phase.
  • the minimum motor current for a given operating point results.
  • the pre-commutation angle should possibly be chosen to be slightly larger as ⁇ / 2 in order to bring the flywheel voltage and the motor fundamental wave current into phase, because the motor fundamental wave current is not quite centered on the real motor current signal due to unequal rise and fall times.
  • FIG. 5 shows a motor phase current during operation of an electrical machine, as shown in FIG. 1, using a pre-commutation angle, which was determined by means of a method according to the invention in a preferred embodiment.
  • a current I is plotted against the angle ⁇ .
  • l mot is the course of the real motor phase current.
  • I'mot an idealized motor phase current I'mot, the so-called.
  • the motor phase current I mot is offset forward by a pre-commutation angle a which corresponds to half the duration ⁇ of the commutation. This can be achieved by a correspondingly earlier actuation of the respective switches (see FIG.
  • the underlying engine fundamental wave current l 'mot now lies with the rotor voltage U'mot in phase, resulting in minimal power loss of the inverter and the electric machine for a given operating point.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Vorkommutierungswinkels beim motorischen Betrieb einer elektrischen Maschine (100) mit permanent erregtem Rotor (120) und mehreren Wicklungen (111, 112, 113) für einen Stator (110) oder umgekehrt, wobei anhand einer Spannung, die über wenigstens eine der Wicklungen (111, 112, 113) abfällt, eine Dauer einer Kommutierung für den Betrieb der elektrischen Maschine (100) ermittelt wird, und wobei unter Berücksichtigung der Dauer der Kommutierung der Vorkommutierungswinkel ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Ermitteln eines Vorkommutierungswinkels einer elektrischen Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Vorkommutierungswinkels einer elektrischen Maschine beim motorischen Betrieb sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen mit permanent- oder fremderregtem Rotor und einer oder mehreren Wicklungen für den Stator, insbesondere Synchronmaschinen, z.B. sog. bürstenlose Gleichstrommotoren, können bspw. über einen Mikrocontroller angesteuert werden, wobei in der Regel Statorströme mittels eines Pulswechselrichters eingestellt werden. Die Rotorposition, welche zur Ansteuerung, insbesondere auch der Kommutierung, der elektrischen Maschine in der Regel erforderlich ist, kann dabei bspw. über die Nulldurchgänge einer sog. Polradpannung ermittelt werden.
Für einen optimalen Betrieb der elektrischen Maschine ist dabei in der Regel erforderlich, dass sich ein minimal möglicher Strom in der elektrischen Maschine einstellt. Hierzu sollten die innere Spannung der elektrischen Maschine und der zugehörige Motorgrundwellenstrom in Phase liegen. Hierzu ist in der Regel aufgrund der Induktivität der elektrischen Maschine eine zeitlich vorversetzte Ansteuerung der Phasen nötig. Diese Korrektur, welche das nacheilende Verhalten des Motorgrundwellenstroms kompensiert, wird durch den sog. Vorkommutierungswinkel beschrieben. Aus der EP 1 734 648 A1 ist bspw. ein Verfahren zum Kommutieren der Motorphasen eines bürstenlosen und sensorlosen Gleichstrommotors bekannt, bei dem die Ansteuerung der Motorphasen asynchron erfolgt. Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ermitteln eines Vorkommutierungswinkels einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhän- gigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln eines Vorkommutierungswinkels beim motorischen Betrieb einer elektrischen Maschine mit permanent- und/oder fremderregtem Rotor und mehreren Wicklungen für einen Stator, insbesondere eine Synchronmaschine. Es kann sich insbesondere um eine dreiphasige elektrische Maschine handeln, jedoch sind auch mehrere Phasen (bzw. Wicklungen), bspw. fünf oder sieben, denkbar. Es wird anhand einer Spannung, die über wenigstens eine der Wicklungen abfällt, eine Dauer einer Kommutierung für den Betrieb der elektrischen Maschine ermittelt. Unter einer Kommutierung ist hierbei ein Wechsel der Ansteuerung der Wicklungen der elektrischen Maschine zu verstehen und unter ihrer Dauer diejenige Dauer, bis der Strom in der einen Wicklung, von der weggeschaltet wird, abgeklungen ist. Unter Berücksichtigung der Dauer der Kommutierung wird dann der Vorkommutierungswinkel ermittelt.
Ein Vorkommutierungswinkel, welcher in der Regel vom aktuellen Arbeitspunkt der elektrischen Maschine abhängig ist, kann zwar bspw. durch Vermessung der betreffenden elektrischen Maschine für viele relevante Arbeitspunkte ermittelt und dann bspw. in einer Look-Up-Tabelle hinterlegt werden, jedoch ist dies sehr aufwändig. Es wurde nun erkannt, dass sich auch aus der Dauer der Kommutierung beim Betrieb der elektrischen Maschine ein sehr guter Wert für den Vorkommutierungswinkel ermitteln lässt. Dies ist möglich, da die Dauer der Kommu- tierung von der Induktivität der Wicklungen abhängt, welche Induktivität ebenfalls für den Vorkommutierungswinkel relevant ist. Insbesondere kann auf diese Weise ein benötigter Vorkommutierungswinkel bei dem aktuellen Arbeitspunkt ermittelt werden. Eine Vielzahl zu ermittelnder und zu hinterlegender Vorkommutie- rungswinkel für verschiedene Arbeitspunkte ist nicht mehr nötig.
Vorzugsweise wird die Dauer der Kommutierung anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund einer Kommutierung zwischen den Wicklungen beim Betrieb der elektrischen Maschine auftreten, ermittelt. Die Spannung ist da- bei in der Regel in der Grundform sinus- oder trapezförmig und weist somit Nulldurchgänge auf. Diese Nulldurchgänge werden, wie auch der Spannungsverlauf selbst, durch die Drehbewegung des Rotors und die dadurch in den Wicklungen hervorgerufene Induktionsspannung erzeugt. Weiterhin wird dieser Spannungsverlauf jedoch überlagert von ohmschen und induktiven Spannungsabfällen über der Wicklung selbst sowie den Spannungsänderungen, welche aufgrund der
Kommutierung in den anderen Wicklungen entstehen. Während der Kommutierung fließt Strom in mehreren Wicklungen. Bei diesen Kommutierungen treten dabei in der Regel auch Spannungswerte auf, die in der Überlagerung mit dem zugrundeliegenden sinus- bzw. trapezförmigen Verlauf zu wenigstens zwei Null- durchgängen bei einer mechanischen Umdrehung führen, welche sich in aller
Regel von den vorher erwähnten Nulldurchgängen aufgrund der Drehbewegung unterscheiden. Solche Nulldurchgänge lassen sich einfach ermitteln und aus deren zeitlichem Abstand kann somit die Dauer der Kommutierung ermittelt werden. Aus der zeitlichen Dauer kann über die Drehzahl der elektrischen Maschine dann auch sehr einfach der zugehörige Winkel ermittelt werden.
Vorteilhafterweise wird der Vorkommutierungswinkel als ein zwischen 25% und 75%, insbesondere zwischen 40% und 60%, der Dauer der Kommutierung entsprechender Winkel gewählt. Besonders bevorzugt ist dabei die Hälfte der Dauer der Kommutierung. Es wurde erkannt, dass bei Verwendung dieser Werte, insbesondere bei der Hälfte der Dauer, die Polradspannung und der Motorgrundwel- lenstrom möglichst genau in Phase liegen. Dies lässt sich bspw. anhand geeigneter Mess- oder Simulationswerten ermitteln. Für eine detaillierte Erläuterung sei an dieser Stelle auf die Figurenbeschreibung verwiesen. Dies führt somit zu einem möglichst geringen Strom in der elektrischen Maschine beim jeweiligen Arbeitspunkt und somit zu einem besonders effektiven Betrieb.
Es ist von Vorteil, wenn der Vorkommutierungswinkel während des Betriebs der elektrischen Maschine kontinuierlich oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen ermittelt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der im aktuellen Arbeitspunkt optimale Vorkommutierungswinkel ermittelt wird und eingestellt werden kann. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass bspw. nur bei einer Änderung des Arbeitspunktes eine neue Ermittlung des Vorkommutierungswinkels vorge- nommen wird.
Vorzugsweise wird weiterhin anhand der Spannung eine Position des Rotors in Bezug zu dem Stator ermittelt. Zweckmäßigerweise kann dabei die Position des Rotors in Bezug zu dem Stator anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Rotation des Rotors auftritt, ermittelt werden. Auf diese
Weise kann sehr einfach, bspw. mit einer hinterlegten Bezugsposition, die Position des Rotors ermittelt werden. Dies ermöglicht eine gezielte Kommutierung bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine. So kann bspw. alle 30° nach einem Nulldurchgang ein Schaltvorgang im Zuge der Kommutierung vorgenommen werden, wenn bspw. eine dreiphasige elektrische Maschine verwendet wird.
Vorzugsweise wird weiterhin anhand der Spannung eine Drehzahl der elektrischen Maschine ermittelt. Zweckmäßigerweise wird die Drehzahl dabei anhand eines zeitlichen Abstands von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Rotation des Rotors auftreten, ermittelt. Dies ermöglicht eine sehr einfache
Ermittlung der Drehzahl. Die Drehzahl kann dabei auch für die Ermittlung der zeitlichen Schaltpunkte im Zuge der Kommutierung herangezogen werden, da die Schaltungen in Bezug auf eine Winkeldifferenz zwischen Rotor und Stator vorgenommen werden müssen.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt schematisch und vereinfacht eine elektrische Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann.
Figur 2 zeigt eine idealisierte Bestromung der Wicklungen einer solchen elektrischen Maschine.
Figur 3 zeigt einen Verlauf einer Motorphasenspannung beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.
Figur 4 zeigt einen Verlauf eines Motorphasenstroms beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.
Figur 5 zeigt einen Verlauf eines Motorphasenstroms beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine mit Verwendung eines Vorkommutierungswinkels, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt wurde. Ausführungsform(en) der Erfindung
In Figur 1 ist schematisch und vereinfacht eine elektrische Maschine 100 gezeigt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Bei der elektrischen Maschine 100 handelt es sich vorliegend um einen bürstenlosen
Gleichstrommotor.
Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 1 10 auf, welcher beispielhaft wiederum drei Wicklungen 1 1 1 , 1 12, 1 13 aufweist. Weiterhin weist die elektri- sehe Maschine 100 einen Rotor 120 auf, welcher bspw. einen Permanentmagneten aufweist. Zu jeder der Wicklungen, welche eine Induktivität aufweisen, ist ein nicht näher bezeichneter ohmscher Widerstand eingezeichnet. Weiterhin sind beispielhaft eine Motorphasenspannung Umot sowie ein Motorphasenstrom lmot. eingezeichnet.
Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung 180 gezeigt, an die die drei Wicklungen 1 1 1 , 1 12, 1 13 angeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung weist sechs Schalter, bspw. Halbleiterschalter wie Transistoren (z.B. MOSFET, IGBT), auf, mittels welcher die drei Wicklungen bspw. abwechselnd mit positiver und negativer Spannung oder Masse verbunden werden können und von welchen beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 180 bezeichnet ist. Weiterhin ist eine Zwischen- kreisspannung UZK gezeigt, welche an der Schaltungsanordnung anliegt. Weiterhin ist jedem der Schalter eine parallel geschaltete Diode zugeordnet, von welchen beispielhaft eine mit dem Bezugszeichen 182 bezeichnet ist. Dies symboli- siert bspw. eine intrinsische Body-Diode oder eine separate Diode für eine
Rückwärtsleitfähigkeit (bspw. bei IGBTs).
Die Schaltungsanordnung 180 und insbesondere die Schalter können hierzu bspw. mittels der Recheneinheit 190 angesteuert werden. Die Funktionsweise einer solchen elektrischen Maschine ist im Übrigen an sich bekannt und soll daher hier nicht weiter erläutert werden.
In Figur 2 ist eine idealisierte Bestromung der Wicklungen einer elektrischen Maschine, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, gezeigt. Hierzu ist ein Strom I über einem Winkel φ des Rotors in Bezug zum Stator für jede der drei Wicklungen aufgetragen. Der Winkel φ kann dabei auch als Produkt der Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors mit der Zeit t, d.h. φ = ωί, gesehen werden. Die Ströme in den drei Wicklungen sind hier mit lu, lv und lw für die drei Wicklungen im Sinne von Phasen bezeichnet. Die Bestromung dauert dabei jeweils 120° an und beginnt jeweils 30° nach einem Nulldurchgang der jeweiligen Phasenspannung. Hierbei handelt es sich um eine übliche Bestromung ("Blockkommutierung"), welche durch geeignete Ansteuerung der Schalter, wie sie in Figur 1 gezeigt sind, erfolgen kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass die drei Wicklungen bzw. Phasen symmetrisch verteilt auf dem Stator angeordnet sind.
In Figur 3 ist in einem Diagramm ein Verlauf einer Motorphasenspannung beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, gezeigt. Hierzu ist eine Spannung U über dem Winkel φ aufgetragen. Mit U'mot ist dabei eine Polradspannung eingezeichnet, wie sie durch eine Drehung des Rotors und aufgrund von Induktion in den Wicklungen hervorgerufen wird. Zusätzlich ist eine reale Motorphasenspannung Umot eingezeichnet, die der tatsächlich vorliegenden Spannung entspricht.
Die Motorphasenspannung Umot entspricht dabei der Polradspannung U'mot, dem ohmschen und induktiven Spannungsabfall über der Wicklung sowie einer überlagerten Spannung aufgrund der Kommutierung der anderen Phasen. So findet bspw. bei den Winkeln φ von 30°, 90°, 150° und 210° eine Kommutierung (hie- runter fallen sowohl ein Beginn als auch ein Ende der Bestromung) statt, wie auch der Figur 2 zu entnehmen ist.
Während der Dauer μ der Kommutierung, d.h. bis der Strom in der einen Wicklung, von der weggeschaltet wird, abgeklungen ist, liegende nach Wicklungen, die betrachtet und geschaltet werden, betragsmäßig ein Drittel oder zwei Drittel der Zwischenkreisspannung UZK an, wie dem Verlauf Umot zu entnehmen ist.
In einem weiteren Diagramm unterhalb des Diagramms mit dem Spannungsverlauf ist ein Vorzeichen V der Motorphasenspannung Umot über dem Winkel φ auf- getragen. Anhand des Vorzeichens V sind die Nulldurchgänge der Motorphasenspannung Umot ermittelbar. Vorliegend treten bei den Winkeln φ-ι, φ2, ψ3 und φ4 Nulldurchgänge auf. Die Nulldurchgänge φι und φ4 resultieren dabei aus dem Verlauf der Polradspannung U'mot- Daraus lässt sich die Position des Rotors in Bezug zum Stator ermitteln. Die Nulldurchgänge φ2 und φ3 hingegen resultieren aus dem Kommutierungsvorgang. Dabei ist erkennbar, dass der Abstand der beiden Nulldurchgänge φ2 und φ3 genau der Dauer μ der Kommutierung entspricht. Durch Ermitt- lung der Nulldurchgänge der Motorphasenspannung lässt sich somit die Dauer der Kommutierung ermitteln.
In Figur 4 ist ein Motorphasenstrom beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, gezeigt. Dazu ist ein Strom I über dem Winkel φ aufgetragen. Mit lmot ist hierbei der Verlauf des realen Motorphasenstroms bezeichnet. Zusätzlich sind ein idealisierter Motorphasenstrom l'mot, der sog. Motorgrundwellenstrom und die Polradspannung U'mot, d.h. eine idealisierte Motorphasenspannung, aufgetragen. Beim realen Motorphasenstrom lmot ist zu sehen, dass, entsprechend den Kommutierungsvorgängen, wie sie auch aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich sind, bei Winkeln von 30°, 90°, 150° und 210° und jeweils um eine Dauer μ später eine Änderung im Stromverlauf auftritt. Der zugrundeliegende Motorgrundwellenstrom l'mot jedoch eilt der Polradspannung U'mot nach und zwar um die Hälfte der Dauer μ der Kommutierung.
Aus den idealisierten Verläufen in Figur 4 ist zu erkennen, dass der Grundwellenstrom der Polradspannung, bei einer Ansteuerung ohne Vorkommutierung, rund der halben Kommutierungsdauer nacheilt. Zur Kompensation der Phasen- Verschiebung wird der Vorkommutierungswinkel genau zu μ/2 gewählt, wodurch der Grundwellenstrom mittig in die Austastlücke verschoben wird und somit Polradspannung und Grundwellenstrom in Phase sind. Für diesen Betrieb ergibt sich der minimale Motorstrom für einen gegebenen Arbeitspunkt. In der Praxis zeigt sich, dass der Vorkommutierungswinkel ggf. leicht größer gewählt werden sollte als μ/2, um die Polradspannung und den Motorgrundwellenstrom in Phase zu bringen, da der Motorgrundwellenstrom aufgrund ungleicher An- und Abstiegszeiten nicht ganz mittig auf dem realen Motorstromsignal sitzt.
In Figur 5 ist ein Motorphasenstrom beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, mit Verwendung eines Vorkommutierungswinkels, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt wurde, gezeigt. Auch hier ist ein Strom I über dem Winkel φ aufgetragen. Mit lmot ist hierbei der Verlauf des realen Motorphasenstroms bezeichnet. Zusätzlich sind wieder ein idealisierter Motorphasenstrom l'mot, der sog. Motorgrundwellenstrom, und die Polradspannung U'mot, d.h. eine idealisierte Motorphasenspannung, aufgetragen.
Im Vergleich zu dem in Figur 4 gezeigten Verlauf ist der Motorphasenstrom lmot hier um einen Vorkommutierungswinkel a, der der Hälfte der Dauer μ der Kommutierung entspricht, nach vorne versetzt. Dies kann durch eine entsprechend frühere Ansteuerung der betreffenden Schalter (vgl. Figur 1 ) erreicht werden. Der zugrundeliegende Motorgrundwellenstrom l'mot liegt nun mit der Polradspannung U'mot in Phase, was zu minimaler Verlustleistung des Umrichters und der elektrischen Maschine für einen gegebenen Arbeitspunkt führt.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Ermitteln eines Vorkommutierungswinkels (a) beim motorischen Betrieb einer elektrischen Maschine (100) mit permanent- und/oder fremderregtem Rotor (120) und mehreren Wicklungen (1 1 1 , 1 12, 1 13) für einen Stator (1 10),
wobei anhand einer Spannung (Umot), die über wenigstens eine der Wicklungen (1 1 1 , 1 12, 1 13) abfällt, eine Dauer (μ) einer Kommutierung für den Betrieb der elektrischen Maschine (100) ermittelt wird, und
wobei unter Berücksichtigung der Dauer (μ) der Kommutierung der Vorkommutierungswinkel (a) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Dauer (μ) der Kommutierung anhand von Nulldurchgängen (φ2, ψβ) der Spannung (Umot), welche aufgrund einer Kommutierung zwischen den Wicklungen (1 1 1 , 1 12, 1 13) beim Betrieb der elektrischen Maschine (100) auftreten, ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Vorkommutierungswinkel (a) als ein zwischen 25% und 75%, insbesondere zwischen 40% und 60%, der Dauer (μ) der Kommutierung entsprechendem Winkel gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Vorkommutierungswinkel (a) während des Betriebs der elektrischen Maschine (100) kontinuierlich oder in vorgebbaren zeitlichen Abständen ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiterhin anhand der Spannung (Umot) eine Position des Rotors (120) in Bezug zu dem Stator (1 10) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Position des Rotors (120) in Bezug zu dem Stator (1 10) anhand von Nulldurchgängen (φ^ φ4) der Spannung (Umot), welche aufgrund der Rotation des Rotors (120) auftreten, ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei weiterhin anhand der Spannung (Umot) eine Drehzahl der elektrischen Maschine (n) ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Drehzahl anhand eines zeitlichen Ab- stands von Nulldurchgängen (φ-ι , φ4) der Spannung, welche aufgrund der Rotation des Rotors auftreten, ermittelt wird.
9. Recheneinheit (190), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
10. Computerprogramm, das eine Recheneinheit (190) dazu veranlasst, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit (190) ausgeführt wird.
1 1 . Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 1 1 .
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