WO2023143714A1 - Verfahren zur bestimmung eines lastwinkels eines synchronmotors und synchronmotor - Google Patents

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WO2023143714A1
WO2023143714A1 PCT/EP2022/051803 EP2022051803W WO2023143714A1 WO 2023143714 A1 WO2023143714 A1 WO 2023143714A1 EP 2022051803 W EP2022051803 W EP 2022051803W WO 2023143714 A1 WO2023143714 A1 WO 2023143714A1
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synchronous motor
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specific
voltage
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PCT/EP2022/051803
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Jan Schönherr
Toni Henke
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Pierburg Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a load angle of a synchronous motor, in particular an electronically commutated synchronous motor.
  • the present invention also relates to a synchronous motor comprising: a permanent-magnetic motor rotor, an electromagnetic motor stator with a winding system with at least one winding, and motor electronics that are set up to control the winding system for driving the motor rotor.
  • the load angle also known as pole wheel angle
  • the load angle also known as pole wheel angle
  • a synchronous motor specifies the angle at which a rotor magnetic field of the permanent magnet motor rotor, which is also known as pole wheel, lags behind a rotating magnetic field generated by the electromagnetic motor stator. Knowing the load angle is crucial to enable reliable and efficient operation of the synchronous motor.
  • a generic synchronous motor and a method for determining a load angle of the synchronous motor are known from US 2021/0336573 A1.
  • a winding system of the synchronous motor is driven to drive the motor rotor, a drive voltage and an alternating rotor magnetic field generated by the rotating motor rotor are detected, and the load angle is determined based on a phase angle of the drive voltage and a phase angle of the rotor magnetic field.
  • the synchronous motor inevitably needs a magnetic field sensor have, resulting in relatively high manufacturing costs for the synchronous motor are caused.
  • This object is achieved by a method for determining a load angle of a synchronous motor, having the features of claim 1, and by a synchronous motor having the features of claim 7.
  • a winding system of the synchronous motor is controlled in such a way that a defined operating point of the synchronous motor, ie a defined speed of a permanent magnet motor rotor of the synchronous motor, is set.
  • the winding system is typically controlled by means of special power electronics, which include a number of semiconductor switches, via which individual windings of the winding system can be selectively connected to a supply voltage.
  • an effective supply voltage provided to the respective windings is varied by means of so-called pulse width modulation (PWM), with the semiconductor switches assigned to the respective winding being switched on and off alternately at a relatively high frequency and the effective supply voltage being varied via a ratio between the on-time and off-time during a defined period Period can be set.
  • PWM pulse width modulation
  • At least one winding voltage profile of the winding system ie the voltage profile on at least one winding of the winding system, is recorded.
  • this is a time sequence of Winding voltage values are recorded and stored in a corresponding data memory.
  • the activation of the winding system is suspended at a defined point in time and the motor rotor of the synchronous motor is therefore no longer actively driven.
  • all semiconductor switches of the power electronics are typically switched to high impedance in order to electrically isolate the winding system from the supply voltage. Due to the mass inertia, however, the motor rotor continues to rotate after the activation is suspended, so that the so-called electromotive force (EMF) continues to be induced in the winding system by the alternating rotor magnetic field generated by the rotating permanent magnet motor rotor.
  • EMF electromotive force
  • an EMF fundamental oscillation is determined by evaluating a section of the winding voltage curve recorded after the control was suspended, ie by evaluating a section of the winding voltage curve in which the winding voltage is essentially equal to the EMF.
  • a drive voltage fundamental is determined by evaluating a section of the winding voltage profile recorded before the drive was suspended, ie by evaluating a section of the winding voltage profile in which a drive voltage is applied to the winding system.
  • the EMF fundamental oscillation and the control voltage fundamental oscillation can each be defined either via an amplitude, a frequency and a phase angle or via a complex fundamental oscillation space vector with a magnitude and a phase angle.
  • Procedure for determining the fundamental or a corresponding fundamental wave space vector based on a recorded voltage profile are well known in the prior art and are therefore not explained in more detail here.
  • the load angle is determined based on the phase angle of the EMF fundamental oscillation and the phase angle of the control voltage fundamental oscillation. Since the speed of the motor rotor shortly after the control is suspended corresponds approximately to the speed of the motor rotor during the control, the difference between the phase angle of the EMF fundamental oscillation and the phase angle of the control voltage fundamental oscillation can be used to obtain a good approximation of the load angle for the load before the suspension of the Driving set operating point are determined.
  • the method according to the invention enables the load angle to be determined without a magnetic field sensor being required for this purpose, and thus enables the realization of a relatively inexpensive synchronous motor.
  • the method according to the invention also enables a simple and inexpensive characterization of a synchronous motor in the laboratory.
  • load angle maps for a map-controlled synchronous motor can be determined in a simple manner using the method according to the invention.
  • the method according to the invention can also be used, for example, to characterize synchronous motor prototypes in a relatively simple and cost-effective manner, as a result of which a reduction in the development costs for a synchronous motor can be achieved.
  • the EMF fundamental oscillation and the control voltage fundamental oscillation are preferably determined in each case by means of a Fourier analysis of the corresponding section of the winding voltage curve.
  • DFT discrete Fourier transformation
  • FFT fast Fourier transform
  • the winding system of a synchronous motor includes a plurality of separate windings, which may have slightly different electromagnetic properties due to manufacturing tolerances and/or slightly different material properties.
  • Winding of the winding system respectively: a winding-specific winding voltage curve recorded, a winding-specific EMF fundamental and a winding-specific drive voltage fundamental determined by evaluating the corresponding sections of the recorded winding-specific winding voltage curve, and a winding-specific load angle based on a phase angle of the winding-specific EMF fundamental and a phase angle of the winding-specific Control voltage fundamental determined.
  • a total load angle is preferably determined based on the winding-specific load angles.
  • the total load angle can easily be determined as the mean or median of all winding-specific load angles. The determination of the total load angle enables a relatively exact and at the same time relatively simple control of the synchronous motor.
  • control of the winding system is preferably suspended for a maximum of two periods of a control signal, in order to avoid significant braking of the motor rotor during the suspension and thus a "rough" running of the synchronous motor.
  • the method steps described above can each be carried out for at least one other operating point of the synchronous motor in order to determine at least one other load angle.
  • the method steps described are each carried out for a large number of operating points and thus a large number of load angles specific to the operating point are determined.
  • a relatively extensive load angle map can be determined in a relatively simple manner.
  • the synchronous motor according to the invention comprises a permanent-magnetic motor rotor, an electromagnetic motor stator with a winding system with at least one winding, and motor electronics that are set up to control the winding system for driving the motor rotor.
  • the motor electronics are also set up to carry out the method according to the invention described above in order to determine a load angle and to control the winding system based on the load angle determined.
  • the engine electronics have, in particular, means for detecting the winding voltage and for storing and evaluating the winding voltage profile.
  • the motor electronics typically include a microcontroller for evaluating the winding voltage profile.
  • the motor electronics of the synchronous motor according to the invention are set up to determine the load angle by executing the method according to the invention - as described above - without a magnetic field sensor having to be present for this purpose, so that the synchronous motor according to the invention can be manufactured relatively inexpensively.
  • Figure 1 is a schematic representation of a synchronous motor according to the invention
  • FIG. 2 shows an example recorded during the execution of a method according to the invention
  • Winding voltage profile of a winding system of the synchronous motor from FIG. 1 Winding voltage profile of a winding system of the synchronous motor from FIG. 1
  • FIG. 3 shows a space vector representation of the fundamental electromotive force oscillation and the drive voltage fundamental oscillation from FIG. 2, and
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an arrangement for characterizing a synchronous motor by means of a method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a synchronous motor 10 comprising an electromagnetic motor stator 12 with a winding system 14 and a permanent-magnetic motor rotor 16.
  • the winding system 14 comprises three windings 18, with one winding end of each winding 18 being electrically contactable via a contact element 20 and that other end of the winding is electrically connected to a so-called star point.
  • Synchronous motor 10 includes motor electronics 22 with a control unit 24, with a detection unit 26, with a data memory 28, and with an evaluation unit 30.
  • the control unit 24 is electrically connected to the contact elements 20 of the three windings 18 .
  • the control unit 24 is set up to read a load angle parameter and other control parameters from the data memory 28 and to control the windings 18 based on the load angle parameter and the other control parameters in order to drive the motor rotor 16 at a defined speed.
  • the control unit 24 is set up to interrupt the control of the windings 18 at predefined points in time, ie to temporarily suspend it, in order to enable a current load angle LW to be determined by the evaluation unit 30 .
  • the detection unit 26 is electrically connected to the three contact elements 20 .
  • the detection unit 26 is set up to detect a winding voltage present at the respective contact element 20 and to record a winding-specific winding voltage curve Uw, ie to store a time sequence of the detected values of the winding voltage in the data memory 28 .
  • the evaluation unit 30 is set up to read out and evaluate the winding-specific winding voltage curves Uw from the data memory 28 at predefined points in time after the activation of the windings 18 has been suspended.
  • the evaluation unit 30 is set up to determine a winding-specific EMF fundamental oscillation Uemk for each winding 18 by means of a Fourier analysis of a section A2 of the corresponding winding-specific winding voltage profile Uw recorded after the activation was suspended, and for each winding 18 by means of a Fourier analysis to determine a to determine a winding-specific drive voltage fundamental Ua by exposing the recorded section Al of the corresponding winding-specific winding voltage curve Uw to the activation.
  • the evaluation unit 30 is set up to determine a winding-specific load angle LW for each winding 18 based on a phase angle cpemk of the winding-specific EMF fundamental oscillation Uemk and a phase angle cpa of the winding-specific control voltage fundamental oscillation Ua.
  • the evaluation unit 30 is set up to determine a total load angle by forming the mean value of all winding-specific load angles LW and to write a load angle parameter corresponding to the total load angle into the data memory 28 .
  • 2 shows an exemplary winding voltage curve Uw recorded by the detection unit 26, as well as the corresponding EMF fundamental oscillation Uemk determined by the evaluation unit 30 and the corresponding control voltage fundamental oscillation Ua determined by the evaluation unit 30.
  • the activation of the winding system 14 by the activation unit 24 was suspended between a time toff and a time tein.
  • the duration of the suspension is approximately 1.75 period lengths of the drive voltage fundamental oscillation Ua, the period lengths of the drive voltage fundamental oscillation Ua corresponding to the period length of a drive signal.
  • the activation of the winding system 14 is therefore interrupted for less than two period lengths of the activation signal.
  • the section A1 of the winding voltage curve Uw recorded before the time toff, ie during the actuation, is evaluated by the evaluation unit 30 by means of Fourier analysis in order to determine the corresponding actuation voltage fundamental oscillation Ua.
  • the section A2 of the winding voltage profile Uw recorded between the time toff and the time tein, ie during the suspension of activation, is evaluated by the evaluation unit 30 using Fourier analysis in order to determine the corresponding EMF fundamental oscillation Uemk.
  • Control voltage fundamental oscillation Ua is shown, defines the corresponding load angle LW.
  • Fig. 3 shows a so-called space vector representation of the emf fundamental Uemk and the
  • the load angle LW can be read directly from the difference between the phase angle cpemk of the EMF fundamental Uemk and the phase angle cpa of the drive voltage fundamental Ua.
  • FIG. 4 shows an arrangement 100 for characterizing a synchronous motor 110.
  • the synchronous motor 110 corresponds in its basic structure to the synchronous motor 10 from FIG. 1, but does not include any motor electronics.
  • arrangement 100 includes a characterization device 102 with a control unit 124, with a detection unit 126, with a data memory 128, and with an evaluation unit 130.
  • control unit 124 is connected to contact elements 20 of three windings 18 of synchronous motor 110 and is set up to control winding system 14 of synchronous motor 110 in order to set predetermined operating points.
  • the detection unit 126 is electrically connected to the three contact elements 20 of the synchronous motor 110 and set up to record the winding-specific winding voltage curve Uw for each winding 18 of the synchronous motor 110 .
  • Evaluation unit 130 is set up to specify an operating point for control unit 124 and to provide control unit 124 with a signal for controlling winding system 14 .
  • the evaluation unit 130 is also set up to provide the control unit 124 with a signal to suspend the control at a defined point in time.
  • Evaluation unit 130 is set up to evaluate the winding-specific winding voltage curves Uw at predefined points in time after the control of windings 18 has been suspended, in order—similar to how evaluation unit 30 from FIG. 1 works—to determine the winding-specific load angle LW and the corresponding total load angle for the currently set operating point determine. Evaluation unit 130 is also set up to enter at least the total load angle determined as a load angle parameter for the current operating point in a load angle characteristic map stored in data memory 128 .
  • Evaluation unit 130 is set up—as described above—to determine the winding-specific load angles LW and the corresponding total load angle for a large number of predetermined additional operating points and to enter them as load angle parameters for the respective operating point in the load angle characteristics map stored in data memory 128.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Lastwinkels (LW) eines Synchronmotors (10;110), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: Ansteuern eines Wicklungssystems (14) des Synchronmotors (10;110) zum Einstellen eines definierten Arbeitspunkts des Synchronmotors (10;110), Aufzeichnen eines Wicklungsspannungsverlaufs (Uw) des Wicklungssystems (14), Aussetzen des Ansteuerns des Wicklungssystems (14), Bestimmen einer Elektromotorische-Kraft-Grundschwingung (Uemk) durch Auswerten eines nach dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts (A2) des Wicklungsspannungsverlaufs (Uw), Bestimmen einer Ansteuerspannungs-Grundschwingung (Ua) durch Auswerten eines vor dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts (A1) des Wicklungsspannungsverlaufs (Uw), und Bestimmen des Lastwinkels (LW) basierend auf einem Phasenwinkel (φemk) der Elektromotorische-Kraft-Grundschwingung (Uemk) und einem Phasenwinkel (φa) der Ansteuerspannungs-Grundschwingung (Ua). Die Erfindung betrifft ferner einen Synchronmotor (10) mit einer Motorelektronik (22), die eingerichtet ist: das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, um einen Lastwinkel (LW) zu bestimmen, und das Wicklungssystem basierend auf dem bestimmten Lastwinkel (LW) anzusteuern.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren zur Bestimmung eines Lastwinkels eines Synchronmotors und Synchronmotor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Lastwinkels eines Synchronmotors, insbesondere eines elektronisch kommutierten Synchronmotors. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Synchronmotor umfassend: einen permanentmagnetischen Motorrotor, einen elektromagnetischen Motorstator mit einem Wicklungssystem mit mindestens einer Wicklung, und eine Motorelektronik, die eingerichtet ist, das Wicklungssystem zum Antreiben des Motorrotors anzusteuern.
Der Lastwinkel, auch Polradwinkel genannt, eines Synchronmotors gibt den Winkel an, unter dem ein Rotormagnetfeld des permanentmagnetischen Motorrotors, welcher auch als Polrad bezeichnet wird, einem von dem elektromagnetischen Motorstator erzeugten magnetischen Drehfeld nacheilt. Die Kenntnis des Lastwinkels ist entscheidend, um einen zuverlässigen und effizienten Betrieb des Synchronmotors zu ermöglichen.
Aus der US 2021/0336573 Al ist ein gattungsgemäßer Synchronmotor sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines Lastwinkels des Synchronmotors bekannt. Hierbei wird ein Wicklungssystem des Synchronmotors angesteuert, um den Motorrotor anzutreiben, werden eine Ansteuerspannung und ein von dem rotierenden Motorrotor erzeugtes alternierendes Rotormagnetfeld erfasst, und wird der Lastwinkel basierend auf einem Phasenwinkel der Ansteuerspannung und einem Phasenwinkel des Rotormagnetfelds bestimmt. Für die Erfassung des Rotormagnetfelds muss der Synchronmotor jedoch zwangsläufig einen Magnetfeldsensor aufweisen, wodurch relativ hohe Herstellungskosten für den Synchronmotor verursacht werden.
Es stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, einen relativ kostengünstigen Synchronmotor zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Lastwinkels eines Synchronmotors, mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen Synchronmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Lastwinkels eines Synchronmotors wird ein Wicklungssystem des Synchronmotors derart angesteuert, dass ein definierter Arbeitspunkt des Synchronmotors, also eine definierte Drehzahl eines permanentmagnetischen Motorrotors des Synchronmotors, eingestellt ist. Typischerweise wird das Wicklungssystem mittels einer speziellen Leistungselektronik angesteuert, die mehrere Halbleiterschalter umfasst, über die einzelne Wicklungen des Wicklungssystems selektiv mit einer Versorgungsspannung verbunden werden können. Typischerweise wird eine an die jeweiligen Wicklungen bereitgestellte effektive Versorgungsspannung mittels sogenannter Pulsweitenmodulation (PWM) variiert, wobei die der jeweiligen Wicklung zugeordneten Halbleiterschalter mit einer relativ hohen Frequenz abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden und die effektive Versorgungsspannung über ein Verhältnis zwischen Einschaltdauer und Ausschaltdauer während einer definierten Periodendauer eingestellt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Wicklungsspannungsverlauf des Wicklungssystems, also der Spannungsverlauf an mindestens einer Wicklung des Wicklungssystems, aufgezeichnet. Typischerweise wird hierbei eine zeitliche Abfolge von Wicklungsspannungswerten erfasst und in einem entsprechenden Datenspeicher abgespeichert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zu einem definierten Zeitpunkt das Ansteuern des Wicklungssystems ausgesetzt und somit der Motorrotor des Synchronmotors nicht mehr aktiv angetrieben. Typischerweise werden hierzu alle Halbleiterschalter der Leistungselektronik hochohmig geschaltet, um das Wicklungssystem elektrisch von der Versorgungsspannung zu trennen. Auf Grund der Massenträgheit dreht sich der Motorrotor nach dem Aussetzen des Ansteuerns jedoch weiter, sodass durch das von dem sich drehenden permanentmagnetischen Motorrotor erzeugte alternierende Rotormagnetfeld in das Wicklungssystem weiterhin die sogenannte elektromotorische Kraft (EMK) induziert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch Auswerten eines nach dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts des Wicklungsspannungsverlaufs, also durch Auswerten eines Abschnitts des Wicklungsspannungsverlaufs, in dem die Wicklungsspannung im Wesentlichen gleich der EMK ist, eine EMK-Grundschwingung bestimmt. Ferner wird durch Auswerten eines vor dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts des Wicklungsspannungsverlaufs, also durch Auswerten eines Abschnitts des Wicklungsspannungsverlaufs, in dem an das Wicklungssystem eine Ansteuerspannung angelegt ist, eine Ansteuerspannungs-Grundschwingung bestimmt.
Die EMK-Grundschwingung und die Ansteuerspannungs-Grundschwingung können hierbei jeweils entweder über eine Amplitude, eine Frequenz und einen Phasenwinkel oder über einen komplexen Grundschwingungsraumzeiger mit einem Betrag und einem Phasenwinkel definiert sein. Verfahren zur Bestimmung der Grundschwingung beziehungsweise eines entsprechenden Grundschwingungsraumzeigers basierend auf einem aufgezeichneten Spannungsverlauf sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird basierend auf dem Phasenwinkel der EMK-Grundschwingung und dem Phasenwinkel der Ansteuerspannungs-Grundschwingung der Lastwinkel bestimmt. Da die Drehzahl des Motorrotors kurz nach dem Aussetzen des Ansteuerns näherungsweise der Drehzahl des Motorrotors während des Ansteuerns entspricht, kann aus der Differenz zwischen dem Phasenwinkel der EMK-Grundschwingung und dem Phasenwinkel der Ansteuerspannungs-Grundschwingung in guter Näherung der Lastwinkel für den vor dem Aussetzen des Ansteuerns eingestellten Arbeitspunkt bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung des Lastwinkels, ohne dass hierfür ein Magnetfeldsensor erforderlich ist, und ermöglicht somit die Realisierung eines relativ kostengünstigen Synchronmotors.
Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch eine einfache und kostengünstige Charakterisierung eines Synchronmotors im Labor. Beispielsweise können durch das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise Lastwinkelkennfelder für einen kennfeldgesteuerten Synchronmotor bestimmt werden. Ferner können durch das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise auch relativ einfach und kostengünstig Synchronmotorprototypen charakterisiert werden, wodurch eine Reduktion der Entwicklungskosten für einen Synchronmotor erzielt werden kann. Vorzugsweise werden die EMK-Grundschwingung und die Ansteuerspannungs-Grundschwingung jeweils mittels einer Fourier-Analyse des entsprechenden Abschnitts des Wicklungsspannungsverlaufs bestimmt. Besonders bevorzugt wird hierbei eine sogenannte diskrete Fourier-Transformation (DFT) beziehungsweise eine sogenannte schnelle Fourier-Transformation (engl. : fast Fourier transform, FFT) durchgeführt. Mittels der Fourier-Analyse kann auf einfache Weise und effizient eine Grundschwingung aus einem aufgezeichneten Signalverlauf bestimmt werden. Die Fourier-Analyse ermöglicht daher die Bestimmung der EMK-Grundschwingung und der Ansteuerspannungs-Grundschwingung mit einer relativ simplen und daher relativ kostengünstigen Recheneinheit.
Typischerweise umfasst das Wicklungssystem eines Synchronmotors eine Mehrzahl von separaten Wicklungen, die auf Grund von Fertigungstoleranzen und/oder leicht unterschiedlichen Materialeigenschaften geringfügig verschiedene elektromagnetische Eigenschaften aufweisen können. Vorteilhafterweise werden daher für jede
Wicklung des Wicklungssystems jeweils: ein wicklungsspezifischer Wicklungsspannungsverlauf aufgezeichnet, eine wicklungsspezifische EMK-Grundschwingung und eine wicklungsspezifische Ansteuerspannungs-Grundschwingung durch Auswerten der entsprechenden Abschnitte des aufgezeichneten wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverlaufs bestimmt, und ein wicklungsspezifischer Lastwinkel basierend auf einem Phasenwinkel der wicklungsspezifischen EMK-Grundschwingung und einem Phasenwinkel der wicklungsspezifischen Ansteuerspannungs-Grundschwingung bestimmt. Dies ermöglicht einerseits eine besonders genaue Charakterisierung des Synchronmotors im Labor und anderseits eine besonders exakte Regelung des Synchronmotors im Betrieb. Vorzugsweise wird basierend auf den wicklungsspezifischen Lastwinkeln ein Gesamtlastwinkel bestimmt. Beispielsweise kann der Gesamtlastwinkel auf einfache Weise als der Mittelwert oder der Median aller wicklungsspezifischer Lastwinkel bestimmt werden. Die Bestimmung des Gesamtlastwinkels ermöglicht eine relativ exakte und gleichzeitig relativ einfache Regelung des Synchronmotors.
Insbesondere bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens im regulären Betrieb des Synchronmotors wird das Ansteuern des Wicklungssystems vorzugsweise maximal für die Dauer von zwei Perioden eines Ansteuersignals ausgesetzt, um ein signifikantes Abbremsen des Motorrotors während des Aussetzens und somit einen „unrunden" Lauf des Synchronmotors zu vermeiden.
Insbesondere zur Bestimmung eines Lastwinkelkennfelds, beispielsweise für einen kennfeldgesteuerten Synchronmotor, können die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte jeweils für mindestens einen weiteren Arbeitspunkt des Synchronmotors durchgeführt werden, um mindestens einen weiteren Lastwinkel zu bestimmen. Typischerweise werden die beschriebenen Verfahrensschritte jeweils für eine Vielzahl von Arbeitspunkten ausgeführt und somit eine Vielzahl von arbeitspunktspezifischen Lastwinkeln bestimmt. Hierdurch kann auf relativ einfache Weise ein relativ umfangreiches Lastwinkelkennfeld bestimmt werden.
Der erfindungsgemäße Synchronmotor umfasst einen permanentmagnetischen Motorrotor, einen elektromagnetischen Motorstator mit einem Wicklungssystem mit mindestens einer Wicklung, und eine Motorelektronik, die eingerichtet ist, das Wicklungssystem zum Antreiben des Motorrotors anzusteuern. Bei dem erfindungsgemäßen Synchronmotor ist die Motorelektronik ferner eingerichtet das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, um einen Lastwinkel zu bestimmen, und das Wicklungssystem basierend auf dem bestimmten Lastwinkel anzusteuern. Hierzu weist die Motorelektronik insbesondere Mittel zur Erfassung der Wicklungsspannung sowie zum Speichern und Auswerten des Wicklungsspannungsverlaufs auf. Typischerweise umfasst die Motorelektronik zum Auswerten des Wicklungsspannungsverlaufs einen Mikrocontroller.
Die Motorelektronik des erfindungsgemäßen Synchronmotors ist also eingerichtet, durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens - wie oben beschrieben - den Lastwinkel zu bestimmen, ohne dass hierfür ein Magnetfeldsensor vorhanden sein muss, sodass der erfindungsgemäße Synchronmotor relativ kostengünstig hergestellt werden kann.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Synchronmotors,
Figur 2 einen beispielhaften während der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeichneten
Wicklungsspannungsverlauf eines Wicklungssystems des Synchronmotors aus Figur 1 (oben), sowie eine aus dem Wicklungsspannungsverlauf bestimmte Elektromotorische-Kraft-Grundschwingung (Mitte) und eine aus dem Wicklungsspannungsverlauf bestimmte
Ansteuerspannungs-Grundschwingung (unten), Figur 3 eine Raumzeigerdarstellung der Elektromotorische-Kraft- Grundschwingung und der Ansteuerspannungs-Grundschwingung aus Figur 2, und
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Charakterisierung eines Synchronmotors mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt einen Synchronmotor 10 umfassend einen elektromagnetischen Motorstator 12 mit einem Wicklungssystem 14 und einen permanentmagnetischen Motorrotor 16. Das Wicklungssystem 14 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Wicklungen 18, wobei von jeder Wicklung 18 jeweils ein Wicklungsende über ein Kontaktelement 20 elektrisch kontaktierbar ist und das andere Wicklungsende elektrisch mit einem sogenannten Sternpunkt verbunden ist.
Der Synchronmotor 10 umfasst eine Motorelektronik 22 mit einer Ansteuereinheit 24, mit einer Erfassungseinheit 26, mit einem Datenspeicher 28, und mit einer Auswerteeinheit 30.
Die Ansteuereinheit 24 ist elektrisch mit den Kontaktelementen 20 der drei Wicklungen 18 verbunden. Die Ansteuereinheit 24 ist eingerichtet einen Lastwinkelparameter sowie weitere Steuerparameter aus dem Datenspeicher 28 auszulesen und die Wicklungen 18 basierend auf dem Lastwinkelparameter sowie den weiteren Steuerparametern anzusteuern, um den Motorrotor 16 mit einer definierten Drehzahl anzutreiben. Die Ansteuereinheit 24 ist eingerichtet, das Ansteuern der Wicklungen 18 zu vordefinierten Zeitpunkten zu unterbrechen, also temporär auszusetzen, um eine Bestimmung eines aktuellen Lastwinkels LW durch die Auswerteeinheit 30 zu ermöglichen. Die Erfassungseinheit 26 ist elektrisch mit den drei Kontaktelementen 20 verbunden. Die Erfassungseinheit 26 ist eingerichtet, eine an dem jeweiligen Kontaktelement 20 anliegende Wicklungsspannung zu erfassen und jeweils einen wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverlauf Uw aufzuzeichnen, also jeweils eine zeitliche Abfolge der erfassten Werte der Wicklungsspannung in dem Datenspeicher 28 zu speichern.
Die Auswerteeinheit 30 ist eingerichtet, zu vordefinierten Zeitpunkten nach dem Aussetzen des Ansteuerns der Wicklungen 18 die wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverläufe Uw aus dem Datenspeicher 28 auszulesen und auszuwerten. Im Speziellen ist die Auswerteeinheit 30 eingerichtet, für jede Wicklung 18 mittels Fourier-Analyse eines nach dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts A2 des entsprechenden wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverlaufs Uw eine wicklungsspezifische EMK-Grundschwingung Uemk zu bestimmen, und für jede Wicklung 18 mittels Fourier-Analyse eines vor dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts Al des entsprechenden wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverlaufs Uw eine wicklungsspezifische Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua zu bestimmen.
Die Auswerteeinheit 30 ist eingerichtet, für jede Wicklung 18 basierend auf einem Phasenwinkel cpemk der wicklungsspezifischen EMK-Grundschwingung Uemk und einem Phasenwinkel cpa der wicklungsspezifischen Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua einen wicklungsspezifischen Lastwinkel LW zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 30 ist eingerichtet, durch Bildung des Mittelwerts aller wicklungsspezifischen Lastwinkel LW einen Gesamtlastwinkel zu bestimmen und einem dem Gesamtlastwinkel entsprechenden Lastwinkelparamater in den Datenspeicher 28 zu schreiben. Fig. 2 zeigt einen beispielhaften von der Erfassungseinheit 26 aufgezeichneten Wicklungsspannungsverlauf Uw, sowie die entsprechende von der Auswerteeinheit 30 bestimmte EMK-Grundschwingung Uemk und die entsprechende von der Auswerteeinheit 30 bestimmte Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua.
Zwischen einem Zeitpunkt taus und einem Zeitpunkt tein wurde das Ansteuern des Wicklungssystems 14 von der Ansteuereinheit 24 ausgesetzt. Die Dauer des Aussetzens beträgt in etwa 1,75 Periodenlängen der Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua, wobei die Periodenlängen der Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua der Periodenlänge eines Ansteuersignals entspricht. Das Ansteuern des Wicklungssystems 14 wird also für weniger als zwei Periodenlängen des Ansteuersignals unterbrochen.
Der vor dem Zeitpunkt taus, also während des Ansteuerns, aufgezeichnete Abschnitt Al des Wicklungsspannungsverlauf Uw wird von der Auswerteeinheit 30 mittels Fourier-Analyse ausgewertet, um die entsprechende Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua zu bestimmen. Der zwischen dem Zeitpunkt taus und dem Zeitpunkt tein, also während des Aussetzens des Ansteuerns, aufgezeichnete Abschnitt A2 des Wicklungsspannungsverlauf Uw wird von der Auswerteeinheit 30 mittels Fourier-Analyse ausgewertet, um die entsprechende EMK- Grundschwingung Uemk zu bestimmen.
Die Phasenverschiebung zwischen der bestimmten EMK-Grundschwingung Uemk und der bestimmten Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua, welche in Fig. 2 beispielhaft anhand der Verschiebung der Nulldurchgänge der EMK-Grundschwingung Uemk und der
Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua dargestellt ist, definiert den entsprechenden Lastwinkel LW. Fig. 3 zeigt eine sogenannte Raumzeigerdarstellung der EMK-Grundschwingung Uemk und der
Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua aus Fig. 2. Hier kann der Lastwinkel LW direkt aus der Differenz des Phasenwinkels cpemk der EMK-Grundschwingung Uemk und dem Phasenwinkel cpa der Ansteuerspannungs-Grundschwingung Ua abgelesen werden.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung 100 zur Charakterisierung eines Synchronmotors 110. Der Synchronmotor 110 entspricht hierbei in seinem grundlegenden Aufbau dem Synchronmotor 10 aus Fig. 1, umfasst jedoch keine Motorelektronik.
Die Anordnung 100 umfasst neben dem Synchronmotor 110 eine Charakterisierungsvorrichtung 102 mit einer Ansteuereinheit 124, mit einer Erfassungseinheit 126, mit einem Datenspeicher 128, und mit einer Auswerteeinheit 130.
Die Ansteuereinheit 124 ist analog zu der Ansteuereinheit 24 aus Fig. 1 mit den Kontaktelementen 20 der drei Wicklungen 18 des Synchronmotors 110 verbunden, und ist eingerichtet, das Wicklungssystem 14 des Synchronmotors 110 anzusteuern, um vorgegebene Arbeitspunkte einzustellen.
Die Erfassungseinheit 126 ist analog zur Erfassungseinheit 26 aus Fig. 1 elektrisch mit den drei Kontaktelementen 20 des Synchronmotors 110 verbunden, und eingerichtet, für jede Wicklung 18 des Synchronmotors 110 den wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverlauf Uw aufzuzeichnen. Die Auswerteeinheit 130 ist eingerichtet, der Ansteuereinheit 124 einen Arbeitspunkt vorzugeben und der Ansteuereinheit 124 ein Signal zum Ansteuern des Wicklungssystems 14 bereitzustellen. Die Auswerteeinheit 130 ist ferner eingerichtet, der Ansteuereinheit 124 zu einem definierten Zeitpunkt ein Signal zum Aussetzen des Ansteuerns bereitzustellen.
Die Auswerteeinheit 130 ist eingerichtet, zu vordefinierten Zeitpunkten nach dem Aussetzen des Ansteuerns der Wicklungen 18 die wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverläufe Uw auszuwerten, um - analog zur Funktionsweise der Auswerteeinheit 30 aus Fig. 1 - für den aktuell eingestellten Arbeitspunkt die wicklungsspezifischen Lastwinkel LW sowie den entsprechenden Gesamtlastwinkel zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 130 ist ferner eingerichtet zumindest den bestimmten Gesamtlastwinkel als Lastwinkelparameter für den aktuellen Arbeitspunkt in einem in dem Datenspeicher 128 hinterlegten Lastwinkelkennfeld einzutragen.
Die Auswerteeinheit 130 ist eingerichtet - wie zuvor beschrieben - für eine Vielzahl von vorgegebenen weiteren Arbeitspunkten die wicklungsspezifischen Lastwinkel LW sowie den entsprechenden Gesamtlastwinkel zu bestimmen und als Lastwinkelparameter für den jeweiligen Arbeitspunkt in das im Datenspeicher 128 hinterlegte Lastwinkelkennfeld einzutragen.
Bezugszeichenliste
10 Synchronmotor
12 Motorstator
14 Wicklungssystem
16 Motorrotor
18 Wicklung
20 Kontaktelement
22 Motorelektronik
24 Ansteuereinheit
26 Erfassungseinheit
28 Datenspeicher
30 Auswerteeinheit
Al Abschnitt
A2 Abschnitt
LW Lastwinkel taus Zeitpunkt tein Zeitpunkt
Ua Ansteuerspannungs-Grundschwingung
Uernk Elektromotorische-Kraft-Grundschwingung
Uw Wicklungsspannungsverlauf cpa Phasenwinkel der Ansteuerspannungs-Grundschwingung cpemk Phasenwinkel der Elektromotorische-Kraft-Grundschwingung
100 Anordnung
102 Charakterisierungsvorrichtung
110 Synchronmotor
124 Ansteuereinheit
126 Erfassungseinheit 128 Datenspeicher
130 Auswerteeinheit

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Verfahren zur Bestimmung eines Lastwinkels (LW) eines Synchronmotors (10;110), umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Ansteuern eines Wicklungssystems (14) des Synchronmotors (10;110) zum Einstellen eines definierten Arbeitspunkts des Synchronmotors (10;110),
- Aufzeichnen eines Wicklungsspannungsverlaufs (Uw) des Wicklungssystems (14),
- Aussetzen des Ansteuerns des Wicklungssystems (14),
- Bestimmen einer Elektromotorische-Kraft-Grundschwingung (Uemk) durch Auswerten eines nach dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts (A2) des Wicklungsspannungsverlaufs (Uw),
- Bestimmen einer Ansteuerspannungs-Grundschwingung (Ua) durch Auswerten eines vor dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts (Al) des Wicklungsspannungsverlaufs (Uw), und
- Bestimmen des Lastwinkels (LW) basierend auf einem Phasenwinkel (cpemk) der Elektromotorische-Kraft- Grundschwingung (Uemk) und einem Phasenwinkel (cpa) der Ansteuerspannungs-Grundschwingung (Ua). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektromotorische-Kraft- Grundschwingung (Uemk) und die Ansteuerspannungs- Grundschwingung (Ua) jeweils mittels einer Fourier-Analyse des entsprechenden Abschnitts (A1,A2) des Wicklungsspannungsverlaufs (Uw) bestimmt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jede Wicklung (18) des Wicklungssystems (14) jeweils:
- ein wicklungsspezifischer Wicklungsspannungsverlauf (Uw) aufgezeichnet wird,
- eine wicklungsspezifische Elektromotorische-Kraft- Grundschwingung (Uemk) und eine wicklungsspezifische Ansteuerspannungs-Grundschwingung (Ua) durch Auswerten der entsprechenden Abschnitte (A1,A2) des aufgezeichneten wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverlaufs (Uw) bestimmt werden, und
- ein wicklungsspezifischer Lastwinkel (LW) basierend auf einem Phasenwinkel (cpemk) der wicklungsspezifischen Elektromotorische-Kraft-Grundschwingung (Uemk) und einem Phasenwinkel (cpa) der wicklungsspezifischen Ansteuerspannungs- Grundschwingung (Ua) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 3, wobei basierend auf den wicklungsspezifischen Lastwinkeln (LW) ein Gesamtlastwinkel bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ansteuern des Wicklungssystems (14) maximal für die Dauer von zwei Periodenlängen eines Ansteuersignals ausgesetzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte jeweils für mindestens einen weiteren Arbeitspunkt des Synchronmotors (110) durchgeführt werden, um mindestens einen weiteren Lastwinkel (LW) zu bestimmen. Synchronmotor (10) umfassend: - einen permanentmagnetischen Motorrotor (16),
- einen elektromagnetischen Motorstator (12) mit einem Wicklungssystem (14) mit mindestens einer Wicklung (18), und
- eine Motorelektronik (22), die eingerichtet ist, das Wicklungssystem (14) zum Antreiben des Motorrotors (16) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorelektronik (22) ferner eingerichtet ist:
- ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen, um einen Lastwinkel (LW) zu bestimmen, und
- das Wicklungssystem basierend auf dem bestimmten Lastwinkel
(LW) anzusteuern.
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