WO2023143754A1 - Method for determining an advance control angle of a synchronous motor, and synchronous motor - Google Patents

Method for determining an advance control angle of a synchronous motor, and synchronous motor Download PDF

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WO2023143754A1
WO2023143754A1 PCT/EP2022/066204 EP2022066204W WO2023143754A1 WO 2023143754 A1 WO2023143754 A1 WO 2023143754A1 EP 2022066204 W EP2022066204 W EP 2022066204W WO 2023143754 A1 WO2023143754 A1 WO 2023143754A1
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synchronous motor
angle
control
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Toni Henke
Jan Schönherr
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Pierburg Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a pilot control 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 pre-control angle also known as the pre-commutation angle
  • the pre-control angle indicates the angle between an electromotive force (EMF) induced in the winding system of the motor stator by the rotating permanent-magnetic motor rotor, which is also known as the pole wheel, also known as the pole wheel voltage, and a winding current impressed in the winding system .
  • EMF electromotive force
  • Particularly efficient operation of the synchronous motor can be achieved by controlling the winding system with a defined pilot control angle, which is typically between 0° and 45°.
  • a (rotatory) rotor position from which an (electrical) angle of the EMF can be directly derived, is detected via at least one rotor position sensor, typically designed as a magnetic field sensor.
  • the rotor position sensors have to be mounted relatively precisely and are relatively expensive, resulting in relatively high production costs for the synchronous motor. against this background, the task arises of making a relatively inexpensive synchronous motor possible.
  • This object is achieved by a method for determining a pilot control angle of a synchronous motor, having the features of claim 1, and by a synchronous motor having the features of claim 5.
  • 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 control 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 control 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 and one winding current profile of the winding system ie the voltage profile and the current profile on at least one winding of the winding system, are recorded.
  • a temporal A sequence of winding voltage values and winding current values is 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 EMF continues to be induced in the winding system by the alternating rotor magnetic field generated by the rotating permanent-magnetic motor rotor.
  • 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. Furthermore, a winding current fundamental oscillation is determined by evaluating a section of the winding current profile recorded before the activation was suspended.
  • the EMF fundamental oscillation and the winding current 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.
  • Method for determining the fundamental or a corresponding fundamental space vector based on a recorded voltage curve or Current curves are well known in the prior art and are therefore not explained in more detail here.
  • the pilot control angle is determined based on the phase angle of the EMF fundamental oscillation and the phase angle of the winding current 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 precontrol angle for the operating point set before the control was suspended can be determined as a good approximation from the difference between the phase angle of the EMF fundamental oscillation and the phase angle of the Winding current fundamental can be determined.
  • the method according to the invention enables the pilot control angle to be determined without a rotor position sensor being required for this purpose, and thus enables a relatively inexpensive synchronous motor to be implemented.
  • the EMF fundamental oscillation and the winding current fundamental oscillation are preferably determined in each case by means of a Fourier analysis of the corresponding section of the winding voltage curve or the winding current curve. What is known as a discrete Fourier transformation (DFT) or what is known as a fast Fourier transformation (fast Fourier transform, FFT) is particularly preferably carried out here.
  • DFT discrete Fourier transformation
  • FFT fast Fourier transform
  • a basic oscillation can be determined from a recorded signal profile in a simple and efficient manner by means of the Fourier analysis. The Fourier analysis therefore enables the EMF fundamental oscillation and the winding current fundamental oscillation to be determined with a relatively simple and therefore relatively inexpensive computing unit.
  • the winding system of a synchronous motor includes a plurality of separate windings, which may have slightly different electrical and electromagnetic properties due to manufacturing tolerances and/or slightly different material properties.
  • a winding-specific winding voltage curve is recorded
  • a winding-specific winding current curve is recorded
  • a winding-specific EMF fundamental oscillation is determined by evaluating the corresponding section of the recorded winding-specific winding voltage curve
  • a winding-specific winding current fundamental oscillation is determined by evaluating the corresponding section of the recorded winding-specific winding current curve determined
  • a winding-specific pilot angle based on a phase angle of the winding-specific EMF fundamental and a phase angle of the winding-specific winding current fundamental.
  • control of the winding system is preferably suspended for a maximum of two periods of a control signal.
  • 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 pilot control angle and to control the winding system based on the determined pilot control angle.
  • the motor electronics have, in particular, means for detecting the winding voltage and the winding current and for storing and evaluating the winding voltage profile and the winding current profile.
  • the motor electronics typically include a microcontroller for evaluating the winding voltage profile and the winding current profile.
  • the motor electronics of the synchronous motor according to the invention are thus set up to determine the pilot control angle by executing the method according to the invention—as described above—without a rotor position sensor having to be present for this purpose, so that the synchronous motor according to the invention can be manufactured relatively inexpensively.
  • the motor electronics are preferably set up to execute the method according to the invention described above in order to determine a winding-specific pre-control angle for each winding of the winding system, and also set up to control the winding system based on the determined winding-specific pre-control angles in such a controlled manner that all windings have the same winding-specific pre-control angle.
  • the motor electronics are therefore set up, by means of a correspondingly designed controller, to regulate the control voltage provided to the individual windings by means of the semiconductor switches of the power electronics individually, i.e. winding-specifically, based on the corresponding determined winding-specific pilot control angle, in such a way that all windings have the same winding-specific Have pilot angle.
  • the specific winding-specific Pre-control angles are each matched to a defined target pre-control angle and the control voltage provided to the corresponding winding is set based on a deviation of the respective specific winding-specific pre-control angle from the target pre-control angle. This enables particularly efficient operation of the synchronous motor.
  • the motor electronics are preferably set up to control the winding system in a controlled manner in such a way that the winding-specific winding current fundamentals of all windings have the same amplitude .
  • the motor electronics are set up to regulate the control voltage provided to the individual windings individually, i.e. winding-specifically, by means of a correspondingly designed control system such that the winding-specific winding current fundamentals of all windings have the same amplitude.
  • the amplitudes of the determined winding-specific winding current fundamentals are each compared with a defined target winding current amplitude and the control voltage provided to the corresponding winding is adjusted based on a deviation of the amplitude of the respective determined winding-specific winding current fundamentals from the target winding current amplitude.
  • 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 curve and an exemplary winding current curve of a winding system of the synchronous motor from FIG. 1 Winding voltage curve and an exemplary winding current curve of a winding system of the synchronous motor from FIG.
  • Figure 3 shows a space vector representation of the EMF fundamental and the winding current fundamental from Figure 2.
  • 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, a detection unit 26, a data memory 28, an evaluation unit 30, and a control unit 32.
  • 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 control parameters from the data memory 28 and the To control windings 18 based on the control parameters 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 pilot control angle W 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 applied to the respective contact element 20 and a winding current impressed in the respective contact element 20 and to record a winding-specific winding voltage profile Uw and a winding-specific winding current profile Iw, i.e. a time sequence of the recorded values of the winding voltage and of the Store winding current in the data memory 28.
  • the evaluation unit 30 is set up to read out and evaluate the winding-specific winding voltage curves Uw and the winding-specific winding current curves Iw 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 EMKO with a phase angle cpemkO and an amplitude AemkO for each winding 18 by means of 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 of a section Al of the corresponding winding-specific winding current curve Iw recorded before the actuation was suspended to determine winding-specific winding current fundamental 10 with a phase angle cpiO and an amplitude AiO.
  • the evaluation unit 30 is also set up to determine a winding-specific precontrol angle W for each winding 18 based on the phase angle cpemk0 of the winding-specific EMF fundamental oscillation EMKO and the phase angle cpi0 of the winding-specific winding current fundamental oscillation 10 .
  • the evaluation unit 30 is also set up to store the phase angle cpemkO and amplitude AemkO of the winding-specific EMF fundamental oscillations EMKO, the phase angle cpiO and amplitude AiO of the winding-specific winding current fundamental oscillations 10, and the winding-specific precontrol angle W in the data memory 28.
  • the control unit 32 is set up to read the amplitudes AiO of the winding-specific winding current fundamental oscillations 10, the winding-specific precontrol angle W and a setpoint precontrol angle and a setpoint winding current amplitude from the data memory 28.
  • the control unit 32 is also set up, by adjusting the amplitudes AiO of the winding-specific winding current fundamental oscillations 10 with the setpoint winding current amplitude and by adjusting the winding-specific precontrol angle W with the setpoint precontrol angle, to determine rule-based winding-specific control parameters and to store them in the data memory 28.
  • control parameters are specifically determined in such a way that when the control parameters are used to control the windings 18 by the control unit 24 after a transient phase, the amplitudes AiO of all fundamental winding current oscillations 10 essentially correspond to the setpoint winding current amplitude and all winding-specific ones Pilot angle W essentially correspond to the target pilot angle.
  • FIG. 2 shows an exemplary winding voltage profile Uw recorded by the recording unit 26 and an exemplary winding current profile Iw recorded by the recording unit 26 . 2 also shows the corresponding EMF fundamental oscillation EMKO determined by evaluation unit 30 and the corresponding winding current fundamental oscillation 10 determined by 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 exposure is approximately 1.75 period lengths of the winding current fundamental oscillation 10, the period lengths of the winding current fundamental oscillation 10 corresponding to the period length of a control signal.
  • the activation of the winding system 14 is therefore interrupted for less than two period lengths of the activation signal.
  • Section A1 of winding current profile Iw recorded before time toff, ie during activation, is evaluated by evaluation unit 30 using Fourier analysis in order to determine corresponding winding current fundamental 10 .
  • 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 EMKO.
  • the phase shift between the specific EMF fundamental EMKO and the specific winding current fundamental 10, which is shown in FIG EMF fundamental oscillation EMKO and the winding current fundamental oscillation IO defines the corresponding pre-control angle W.
  • Fig. 3 shows a so-called space vector representation of the EMF fundamental EMKO and the winding current fundamental IO from
  • the pre-control angle W can be read directly from the difference between the phase angle cpemkO of the EMF fundamental oscillation EMKO and the phase angle cpiO of the winding current fundamental oscillation IO.

Landscapes

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

Abstract

The invention relates to a method for determining an advance control angle (W) of a synchronous motor (10), comprising the following method steps: actuating a winding system (14) of the synchronous motor (10) to set a defined operating point of the synchronous motor (10), recording a winding voltage profile (Uw) of the winding system (14), recording a winding current profile (Iw) of the winding system (14), pausing the actuation of the winding system (14), determining an electromotive force fundamental frequency (EMK0) by evaluating a portion (A2) of the winding voltage profile (Uw) recorded following the pausing of the actuation, determining a winding current fundamental frequency (I0) by evaluating a portion (A1) of the winding current profile (Iw) recorded prior to the pausing of the actuation, and determining the advance control angle (W) on the basis of a phase angle (φemk0) of the electromotive force fundamental frequency (EMK0) and a phase angle (φi0) of the winding current fundamental frequency (I0). The invention further relates to a synchronous motor (10) comprising a motor electronics unit (22) which is designed to carry out the method according to the invention in order to determine an advance control angle (W), and to actuate the winding system on the basis of the determined advance control angle (W).

Description

B E S C H R E I B U N G DESCRIPTION
Verfahren zur Bestimmung eines Vorsteuerwinkels eines Synchronmotors und Synchronmotor Method for determining a pre-control angle of a synchronous motor and synchronous motor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Vorsteuerwinkels 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. The present invention relates to a method for determining a pilot control 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.
Der Vorsteuerwinkel, auch Vorkommutierungswinkel genannt, gibt den Winkel zwischen einer von dem rotierenden permanentmagnetischen Motorrotor, welcher auch als Polrad bezeichnet wird, in dem Wicklungssystem des Motorstators induzierten elektromotorischen Kraft (EMK), auch als Polradspannung bezeichnet, und einem in das Wicklungssystem eingeprägten Wicklungsstrom an. Durch Ansteuern des Wicklungssystems mit einem definierten Vorsteuerwinkel, welcher typischerweise zwischen 0° und 45° liegt, kann ein besonders effizienter Betrieb des Synchronmotors erzielt werden. Typischerweise wird hierbei eine (rotatorische) Rotorlage, aus welcher ein (elektrischer) Winkel der EMK unmittelbar ableitbar ist, über mindestens einen typischerweise als Magnetfeldsensor ausgebildeten Rotorlagesensor erfasst. Die Rotorlagesensoren müssen jedoch relativ exakt montiert werden und sind relativ kostspielig, wodurch relativ hohe Herstellungskosten für den Synchronmotor verursacht werden. Es stellt sich vor diesem Hintergrund die Aufgabe, einen relativ kostengünstigen Synchronmotor zu ermöglichen. The pre-control angle, also known as the pre-commutation angle, indicates the angle between an electromotive force (EMF) induced in the winding system of the motor stator by the rotating permanent-magnetic motor rotor, which is also known as the pole wheel, also known as the pole wheel voltage, and a winding current impressed in the winding system . Particularly efficient operation of the synchronous motor can be achieved by controlling the winding system with a defined pilot control angle, which is typically between 0° and 45°. Typically, a (rotatory) rotor position, from which an (electrical) angle of the EMF can be directly derived, is detected via at least one rotor position sensor, typically designed as a magnetic field sensor. However, the rotor position sensors have to be mounted relatively precisely and are relatively expensive, resulting in relatively high production costs for the synchronous motor. Against this background, the task arises of making a relatively inexpensive synchronous motor possible.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Vorsteuerwinkels eines Synchronmotors, mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen Synchronmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. This object is achieved by a method for determining a pilot control angle of a synchronous motor, having the features of claim 1, and by a synchronous motor having the features of claim 5.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung eines Vorsteuerwinkels 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 Ansteuerspannung 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 Ansteuerspannung über ein Verhältnis zwischen Einschaltdauer und Ausschaltdauer während einer definierten Periodendauer eingestellt werden kann. In the method according to the invention for determining a precontrol angle of a synchronous motor, 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. Typically, an effective control 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 control voltage being varied via a ratio between the on-time and off-time during a defined period Period can be set.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Wicklungsspannungsverlauf und ein Wicklungsstromverlauf des Wicklungssystems, also der Spannungsverlauf und der Stromverlauf an mindestens einer Wicklung des Wicklungssystems, aufgezeichnet. Typischerweise wird hierbei mittels entsprechender Sensorik eine zeitliche Abfolge von Wicklungsspannungswerten und Wicklungsstromwerten erfasst und in einem entsprechenden Datenspeicher abgespeichert. In the method according to the invention, at least one winding voltage profile and one winding current profile of the winding system, ie the voltage profile and the current profile on at least one winding of the winding system, are recorded. Typically, a temporal A sequence of winding voltage values and winding current values is recorded and stored in a corresponding data memory.
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 EMK induziert wird. In the method according to the invention, 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. For this purpose, 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 EMF continues to be induced in the winding system by the alternating rotor magnetic field generated by the rotating permanent-magnetic motor rotor.
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 Wicklungsstromverlaufs eine Wicklungsstrom-Grundschwingung bestimmt. In the method according to the invention, 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. Furthermore, a winding current fundamental oscillation is determined by evaluating a section of the winding current profile recorded before the activation was suspended.
Die EMK-Grundschwingung und die Wicklungsstrom-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 beziehungsweise Stromverlauf sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert. The EMF fundamental oscillation and the winding current 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. Method for determining the fundamental or a corresponding fundamental space vector based on a recorded voltage curve or Current curves are well known in the prior art and are therefore not explained in more detail here.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird basierend auf dem Phasenwinkel der EMK-Grundschwingung und dem Phasenwinkel der Wicklungsstrom-Grundschwingung der Vorsteuerwinkel bestimmt. Da die Drehzahl des Motorrotors kurz nach dem Aussetzen des Ansteuerns näherungsweise der Drehzahl des Motorrotors während des Ansteuerns entspricht, kann der Vorsteuerwinkel für den vor dem Aussetzen des Ansteuerns eingestellten Arbeitspunkt in guter Näherung aus der Differenz zwischen dem Phasenwinkel der EMK-Grundschwingung und dem Phasenwinkel der Wicklungsstrom-Grundschwingung bestimmt werden. In the method according to the invention, the pilot control angle is determined based on the phase angle of the EMF fundamental oscillation and the phase angle of the winding current 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 precontrol angle for the operating point set before the control was suspended can be determined as a good approximation from the difference between the phase angle of the EMF fundamental oscillation and the phase angle of the Winding current fundamental can be determined.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bestimmung des Vorsteuerwinkels, ohne dass hierfür ein Rotorlagesensor erforderlich ist, und ermöglicht somit die Realisierung eines relativ kostengünstigen Synchronmotors. The method according to the invention enables the pilot control angle to be determined without a rotor position sensor being required for this purpose, and thus enables a relatively inexpensive synchronous motor to be implemented.
Vorzugsweise werden die EMK-Grundschwingung und die Wicklungsstrom- Grundschwingung jeweils mittels einer Fourier-Analyse des entsprechenden Abschnitts des Wicklungsspannungsverlaufs beziehungsweise des Wicklungsstromverlaufs 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 Wicklungsstrom-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 elektrische sowie elektromagnetische Eigenschaften aufweisen können. Vorteilhafterweise werden daher für jede Wicklung des Wicklungssystems jeweils: ein wicklungsspezifischer Wicklungsspannungsverlauf aufgezeichnet, ein wicklungsspezifischer Wicklungsstromverlauf aufgezeichnet, eine wicklungsspezifische EMK-Grundschwingung durch Auswerten des entsprechenden Abschnitts des aufgezeichneten wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverlaufs bestimmt, eine wicklungsspezifische Wicklungsstrom-Grundschwingung durch Auswerten des entsprechenden Abschnitts des aufgezeichneten wicklungsspezifischen Wicklungsstromverlaufs bestimmt, und ein wicklungsspezifischer Vorsteuerwinkel basierend auf einem Phasenwinkel der wicklungsspezifischen EMK-Grundschwingung und einem Phasenwinkel der wicklungsspezifischen Wicklungsstrom-Grundschwingung bestimmt. Dies ermöglicht eine besonders exakte Regelung und somit einen besonders effizienten Betrieb des Synchronmotors. The EMF fundamental oscillation and the winding current fundamental oscillation are preferably determined in each case by means of a Fourier analysis of the corresponding section of the winding voltage curve or the winding current curve. What is known as a discrete Fourier transformation (DFT) or what is known as a fast Fourier transformation (fast Fourier transform, FFT) is particularly preferably carried out here. A basic oscillation can be determined from a recorded signal profile in a simple and efficient manner by means of the Fourier analysis. The Fourier analysis therefore enables the EMF fundamental oscillation and the winding current fundamental oscillation to be determined with a relatively simple and therefore relatively inexpensive computing unit. Typically, the winding system of a synchronous motor includes a plurality of separate windings, which may have slightly different electrical and electromagnetic properties due to manufacturing tolerances and/or slightly different material properties. Advantageously, therefore, for each winding of the winding system: a winding-specific winding voltage curve is recorded, a winding-specific winding current curve is recorded, a winding-specific EMF fundamental oscillation is determined by evaluating the corresponding section of the recorded winding-specific winding voltage curve, a winding-specific winding current fundamental oscillation is determined by evaluating the corresponding section of the recorded winding-specific winding current curve determined, and a winding-specific pilot angle based on a phase angle of the winding-specific EMF fundamental and a phase angle of the winding-specific winding current fundamental. This enables a particularly precise regulation and thus a particularly efficient operation of the synchronous motor.
Um ein signifikantes Abbremsen des Motorrotors während des Aussetzens und somit einen „unrunden" Lauf des Synchronmotors zu vermeiden, wird das Ansteuern des Wicklungssystems vorzugsweise maximal für die Dauer von zwei Perioden eines Ansteuersignals ausgesetzt. In order to avoid a significant braking of the motor rotor during the pause and thus a "rough" running of the synchronous motor, the control of the winding system is preferably suspended for a maximum of two periods of a control signal.
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 Vorsteuerwinkel zu bestimmen, und das Wicklungssystem basierend auf dem bestimmten Vorsteuerwinkel anzusteuern. Hierzu weist die Motorelektronik insbesondere Mittel zur Erfassung der Wicklungsspannung und des Wicklungsstroms sowie zum Speichern und Auswerten des Wicklungsspannungsverlaufs und des Wicklungsstromverlaufs auf. Typischerweise umfasst die Motorelektronik zum Auswerten des Wicklungsspannungsverlaufs und des Wicklungsstromverlaufs einen Mikrocontroller. 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. In the case of the synchronous motor according to the invention, the motor electronics are also set up to carry out the method according to the invention described above in order to determine a pilot control angle and to control the winding system based on the determined pilot control angle. For this purpose, the motor electronics have, in particular, means for detecting the winding voltage and the winding current and for storing and evaluating the winding voltage profile and the winding current profile. The motor electronics typically include a microcontroller for evaluating the winding voltage profile and the winding current profile.
Die Motorelektronik des erfindungsgemäßen Synchronmotors ist also eingerichtet, durch Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens - wie oben beschrieben - den Vorsteuerwinkel zu bestimmen, ohne dass hierfür ein Rotorlagesensor vorhanden sein muss, sodass der erfindungsgemäße Synchronmotor relativ kostengünstig hergestellt werden kann. The motor electronics of the synchronous motor according to the invention are thus set up to determine the pilot control angle by executing the method according to the invention—as described above—without a rotor position sensor having to be present for this purpose, so that the synchronous motor according to the invention can be manufactured relatively inexpensively.
Vorzugsweise ist die Motorelektronik eingerichtet, das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, um für jede Wicklung des Wicklungssystems einen wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel zu bestimmen, und ferner eingerichtet, das Wicklungssystem basierend auf den bestimmten wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkeln derart geregelt anzusteuern, dass alle Wicklungen den gleichen wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel aufweisen. Die Motorelektronik ist also eingerichtet, mittels einer entsprechend ausgebildeten Regelung, die mittels der Halbleiterschalter der Leistungselektronik an die einzelnen Wicklungen jeweils bereitgestellte Ansteuerspannung individuell, also wicklungsspezifisch, basierend auf dem entsprechenden bestimmten wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel zu regeln, und zwar derart, dass alle Wicklungen den gleichen wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel aufweisen. Typischerweise werden die bestimmten wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel hierbei jeweils mit einem definierten Soll-Vorsteuerwinkel abgeglichen und die an die entsprechende Wicklung bereitgestellte Ansteuerspannung basierend auf einer Abweichung des jeweiligen bestimmten wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkels von dem Soll- Vorsteuerwinkel eingestellt. Dies ermöglicht einen besonders effizienten Betrieb des Synchronmotors. The motor electronics are preferably set up to execute the method according to the invention described above in order to determine a winding-specific pre-control angle for each winding of the winding system, and also set up to control the winding system based on the determined winding-specific pre-control angles in such a controlled manner that all windings have the same winding-specific pre-control angle. The motor electronics are therefore set up, by means of a correspondingly designed controller, to regulate the control voltage provided to the individual windings by means of the semiconductor switches of the power electronics individually, i.e. winding-specifically, based on the corresponding determined winding-specific pilot control angle, in such a way that all windings have the same winding-specific Have pilot angle. Typically, the specific winding-specific Pre-control angles are each matched to a defined target pre-control angle and the control voltage provided to the corresponding winding is set based on a deviation of the respective specific winding-specific pre-control angle from the target pre-control angle. This enables particularly efficient operation of the synchronous motor.
Da die einzelnen Wicklungen des Wicklungssystems auf Grund von Fertigungstoleranzen, leicht unterschiedlichen Materialeigenschaften und/oder struktureller Unterschiede häufig geringfügig verschiedene elektrische Eigenschaften aufweisen, ist die Motorelektronik vorzugsweise eingerichtet, das Wicklungssystem derart geregelt anzusteuern, dass die wicklungsspezifischen Wicklungsstrom-Grundschwingungen aller Wicklungen die gleiche Amplitude aufweisen. Die Motorelektronik ist also eingerichtet, mittels einer entsprechend ausgebildeten Regelung, die an die einzelnen Wicklungen jeweils bereitgestellte Ansteuerspannung individuell, also wicklungsspezifisch, derart zu regeln, dass die wicklungsspezifischen Wicklungsstrom-Grundschwingungen aller Wicklungen die gleiche Amplitude aufweisen. Typischerweise werden die Amplituden der bestimmten wicklungsspezifischen Wicklungsstrom- Grundschwingungen hierbei jeweils mit einer definierten Soll- Wicklungsstromamplitude abgeglichen und die an die entsprechende Wicklung bereitgestellte Ansteuerspannung basierend auf einer Abweichung der Amplitude der jeweiligen bestimmten wicklungsspezifischen Wicklungsstrom-Grundschwingungen von der Soll- Wicklungsstromamplitude eingestellt. Dies ermöglicht einen besonders gleichförmigen Lauf des Motorrotors und somit einen besonders geräuscharmen Betrieb des Synchronmotors. Since the individual windings of the winding system often have slightly different electrical properties due to manufacturing tolerances, slightly different material properties and/or structural differences, the motor electronics are preferably set up to control the winding system in a controlled manner in such a way that the winding-specific winding current fundamentals of all windings have the same amplitude . The motor electronics are set up to regulate the control voltage provided to the individual windings individually, i.e. winding-specifically, by means of a correspondingly designed control system such that the winding-specific winding current fundamentals of all windings have the same amplitude. Typically, the amplitudes of the determined winding-specific winding current fundamentals are each compared with a defined target winding current amplitude and the control voltage provided to the corresponding winding is adjusted based on a deviation of the amplitude of the respective determined winding-specific winding current fundamentals from the target winding current amplitude. This enables a particularly smooth running of the motor rotor and thus a particularly low-noise operation of the synchronous motor.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Synchronmotors, An exemplary embodiment of the present invention is described below with reference to the accompanying figures. This shows: Figure 1 is a schematic representation of a synchronous motor according to the invention,
Figur 2 einen beispielhaften während der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeichnetenFIG. 2 shows an example recorded during the execution of a method according to the invention
Wicklungsspannungsverlauf und einen beispielhaften während der Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufgezeichneten Wicklungsstromverlauf eines Wicklungssystems des Synchronmotors aus Figur 1, sowie eine aus dem Wicklungsspannungsverlauf bestimmte EMK- Grundschwingung und eine aus dem Wicklungsstromverlauf bestimmte Wicklungsstrom-Grundschwingung, und Winding voltage curve and an exemplary winding current curve of a winding system of the synchronous motor from FIG
Figur 3 eine Raumzeigerdarstellung der EMK-Grundschwingung und der Wicklungsstrom-Grundschwingung aus Figur 2. Figure 3 shows a space vector representation of the EMF fundamental and the winding current fundamental from Figure 2.
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. 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. In the present exemplary embodiment, 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.
Der Synchronmotor 10 umfasst eine Motorelektronik 22 mit: einer Ansteuereinheit 24, einer Erfassungseinheit 26, einem Datenspeicher 28, einer Auswerteeinheit 30, und einer Regeleinheit 32. Synchronous motor 10 includes motor electronics 22 with: a control unit 24, a detection unit 26, a data memory 28, an evaluation unit 30, and a control unit 32.
Die Ansteuereinheit 24 ist elektrisch mit den Kontaktelementen 20 der drei Wicklungen 18 verbunden. Die Ansteuereinheit 24 ist eingerichtet Ansteuerparameter aus dem Datenspeicher 28 auszulesen und die Wicklungen 18 basierend auf den Ansteuerparametern 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 Vorsteuerwinkels W durch die Auswerteeinheit 30 zu ermöglichen. 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 control parameters from the data memory 28 and the To control windings 18 based on the control parameters 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 pilot control angle W to be determined by the evaluation unit 30 .
Die Erfassungseinheit 26 ist elektrisch mit den drei Kontaktelementen 20 verbunden. Die Erfassungseinheit 26 ist eingerichtet, eine an dem jeweiligen Kontaktelement 20 anliegende Wicklungsspannung sowie einen in das jeweilige Kontaktelement 20 eingeprägten Wicklungsstrom zu erfassen und jeweils einen wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverlauf Uw sowie einen wicklungsspezifischen Wicklungsstromverlauf Iw aufzuzeichnen, also jeweils eine zeitliche Abfolge der erfassten Werte der Wicklungsspannung und des Wicklungsstroms in dem Datenspeicher 28 zu speichern. 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 applied to the respective contact element 20 and a winding current impressed in the respective contact element 20 and to record a winding-specific winding voltage profile Uw and a winding-specific winding current profile Iw, i.e. a time sequence of the recorded values of the winding voltage and of the Store winding current in the data memory 28.
Die Auswerteeinheit 30 ist eingerichtet, zu vordefinierten Zeitpunkten nach dem Aussetzen des Ansteuerns der Wicklungen 18 die wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverläufe Uw sowie die wicklungsspezifischen Wicklungsstromverläufe Iw 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 EMKO mit einem Phasenwinkel cpemkO und einer Amplitude AemkO zu bestimmen, und für jede Wicklung 18 mittels Fourier-Analyse eines vor dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts Al des entsprechenden wicklungsspezifischen Wicklungsstromverlaufs Iw eine wicklungsspezifische Wicklungsstrom-Grundschwingung 10 mit einem Phasenwinkel cpiO und einer Amplitude AiO zu bestimmen. The evaluation unit 30 is set up to read out and evaluate the winding-specific winding voltage curves Uw and the winding-specific winding current curves Iw from the data memory 28 at predefined points in time after the activation of the windings 18 has been suspended. In particular, the evaluation unit 30 is set up to determine a winding-specific EMF fundamental oscillation EMKO with a phase angle cpemkO and an amplitude AemkO for each winding 18 by means of 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 of a section Al of the corresponding winding-specific winding current curve Iw recorded before the actuation was suspended to determine winding-specific winding current fundamental 10 with a phase angle cpiO and an amplitude AiO.
Die Auswerteeinheit 30 ist ferner eingerichtet, für jede Wicklung 18 basierend auf dem Phasenwinkel cpemkO der wicklungsspezifischen EMK- Grundschwingung EMKO und dem Phasenwinkel cpiO der wicklungsspezifischen Wicklungsstrom-Grundschwingung 10 einen wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel W zu bestimmen. The evaluation unit 30 is also set up to determine a winding-specific precontrol angle W for each winding 18 based on the phase angle cpemk0 of the winding-specific EMF fundamental oscillation EMKO and the phase angle cpi0 of the winding-specific winding current fundamental oscillation 10 .
Die Auswerteeinheit 30 ist ferner eingerichtet, die Phasenwinkel cpemkO und Amplituden AemkO der wicklungsspezifischen EMK- Grundschwingungen EMKO, die Phasenwinkel cpiO und Amplituden AiO der wicklungsspezifischen Wicklungsstrom-Grundschwingungen 10, sowie die wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel W in dem Datenspeicher 28 zu speichern. The evaluation unit 30 is also set up to store the phase angle cpemkO and amplitude AemkO of the winding-specific EMF fundamental oscillations EMKO, the phase angle cpiO and amplitude AiO of the winding-specific winding current fundamental oscillations 10, and the winding-specific precontrol angle W in the data memory 28.
Die Regeleinheit 32 ist eingerichtet, die Amplituden AiO der wicklungsspezifischen Wicklungsstrom-Grundschwingungen 10, die wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel W sowie einen Soll-Vorsteuerwinkel und eine Soll-Wicklungsstromamplitude aus dem Datenspeicher 28 auszulesen. Die Regeleinheit 32 ist ferner eingerichtet, durch Abgleichen der Amplituden AiO der wicklungsspezifischen Wicklungsstrom- Grundschwingungen 10 mit der Soll-Wicklungsstromamplitude und durch Abgleichen der wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel W mit dem Soll- Vorsteuerwinkel regelbasiert wicklungsspezifische Ansteuerparameter zu bestimmen und in dem Datenspeicher 28 zu speichern. Die Ansteuerparameter werden im Speziellen derart bestimmt, dass bei Verwendung der Ansteuerparameter zum Ansteuern der Wicklungen 18 durch die Ansteuereinheit 24 nach einer Einschwingphase die Amplituden AiO aller Wicklungsstrom-Grundschwingungen 10 im Wesentlichen der Soll- Wicklungsstromamplitude entsprechen und alle wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel W im Wesentlichen dem Soll-Vorsteuerwinkel entsprechen. The control unit 32 is set up to read the amplitudes AiO of the winding-specific winding current fundamental oscillations 10, the winding-specific precontrol angle W and a setpoint precontrol angle and a setpoint winding current amplitude from the data memory 28. The control unit 32 is also set up, by adjusting the amplitudes AiO of the winding-specific winding current fundamental oscillations 10 with the setpoint winding current amplitude and by adjusting the winding-specific precontrol angle W with the setpoint precontrol angle, to determine rule-based winding-specific control parameters and to store them in the data memory 28. The control parameters are specifically determined in such a way that when the control parameters are used to control the windings 18 by the control unit 24 after a transient phase, the amplitudes AiO of all fundamental winding current oscillations 10 essentially correspond to the setpoint winding current amplitude and all winding-specific ones Pilot angle W essentially correspond to the target pilot angle.
Fig. 2 zeigt einen beispielhaften von der Erfassungseinheit 26 aufgezeichneten Wicklungsspannungsverlauf Uw und einen beispielhaften von der Erfassungseinheit 26 aufgezeichneten Wicklungsstromverlauf Iw. Fig. 2 zeigt ferner die entsprechende von der Auswerteeinheit 30 bestimmte EMK-Grundschwingung EMKO und die entsprechende von der Auswerteeinheit 30 bestimmte Wicklungsstrom-Grundschwingung 10. FIG. 2 shows an exemplary winding voltage profile Uw recorded by the recording unit 26 and an exemplary winding current profile Iw recorded by the recording unit 26 . 2 also shows the corresponding EMF fundamental oscillation EMKO determined by evaluation unit 30 and the corresponding winding current fundamental oscillation 10 determined by evaluation unit 30.
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 Wicklungsstrom-Grundschwingung 10, wobei die Periodenlängen der Wicklungsstrom-Grundschwingung 10 der Periodenlänge eines Ansteuersignals entspricht. Das Ansteuern des Wicklungssystems 14 wird also für weniger als zwei Periodenlängen des Ansteuersignals unterbrochen. 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 exposure is approximately 1.75 period lengths of the winding current fundamental oscillation 10, the period lengths of the winding current fundamental oscillation 10 corresponding to the period length of a control signal. The activation of the winding system 14 is therefore interrupted for less than two period lengths of the activation signal.
Der vor dem Zeitpunkt taus, also während des Ansteuerns, aufgezeichnete Abschnitt Al des Wicklungsstromverlaufs Iw wird von der Auswerteeinheit 30 mittels Fourier-Analyse ausgewertet, um die entsprechende Wicklungsstrom-Grundschwingung 10 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 EMKO zu bestimmen. Section A1 of winding current profile Iw recorded before time toff, ie during activation, is evaluated by evaluation unit 30 using Fourier analysis in order to determine corresponding winding current fundamental 10 . 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 EMKO.
Die Phasenverschiebung zwischen der bestimmten EMK-Grundschwingung EMKO und der bestimmten Wicklungsstrom-Grundschwingung 10, welche in Fig. 2 beispielhaft anhand der Verschiebung der Nulldurchgänge der EMK-Grundschwingung EMKO und der Wicklungsstrom-Grundschwingung IO dargestellt ist, definiert den entsprechenden Vorsteuerwinkel W. The phase shift between the specific EMF fundamental EMKO and the specific winding current fundamental 10, which is shown in FIG EMF fundamental oscillation EMKO and the winding current fundamental oscillation IO defines the corresponding pre-control angle W.
Fig. 3 zeigt eine sogenannte Raumzeigerdarstellung der EMK- Grundschwingung EMKO und der Wicklungsstrom-Grundschwingung IO ausFig. 3 shows a so-called space vector representation of the EMF fundamental EMKO and the winding current fundamental IO from
Fig. 2. Hier kann der Vorsteuerwinkel W direkt aus der Differenz des Phasenwinkels cpemkO der EMK-Grundschwingung EMKO und dem Phasenwinkel cpiO der Wicklungsstrom-Grundschwingung IO abgelesen werden. Fig. 2. Here the pre-control angle W can be read directly from the difference between the phase angle cpemkO of the EMF fundamental oscillation EMKO and the phase angle cpiO of the winding current fundamental oscillation IO.
Bezugszeichenliste Reference List
10 Synchronmotor 10 synchronous motor
12 Motorstator 12 motor stator
14 Wicklungssystem 14 winding system
16 Motorrotor 16 motor rotor
18 Wicklung 18 winding
20 Kontaktelement 20 contact element
22 Motorelektronik 22 engine electronics
24 Ansteuereinheit 24 control unit
26 Erfassungseinheit 26 registration unit
28 Datenspeicher 28 data storage
30 Auswerteeinheit 30 evaluation unit
32 Regeleinheit 32 control unit
A1,A2 Abschnitte A1,A2 sections
AemkO Amplitude der EMK-Grundschwingung AemkO Amplitude of the EMF fundamental
AiO Amplitude der Wicklungsstrom-GrundschwingungAiO amplitude of the winding current fundamental
EMKO EMK-Grundschwingung EMKO EMF fundamental oscillation
10 Wicklungsstrom-Grundschwingung 10 winding current fundamental
Iw Wicklungsstromverlauf taus,tein Zeitpunkte Iw winding current curve toff,tein points in time
Uw Wicklungsspannungsverlauf Uw winding voltage curve
W Vorsteuerwinkel cpemkO Phasenwinkel der EMK-Grundschwingung cpiO Phasenwinkel der Wicklungsstrom-Grundschwingung W pre-control angle cpemkO phase angle of the EMF fundamental oscillation cpiO phase angle of the winding current fundamental oscillation

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E Verfahren zur Bestimmung eines Vorsteuerwinkels (W) eines Synchronmotors (10), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: P A T E N T L A N G A C H E Method for determining a pre-control angle (W) of a synchronous motor (10), comprising the following method steps:
- Ansteuern eines Wicklungssystems (14) des Synchronmotors (10) zum Einstellen eines definierten Arbeitspunkts des Synchronmotors (10), - Controlling a winding system (14) of the synchronous motor (10) to set a defined operating point of the synchronous motor (10),
- Aufzeichnen eines Wicklungsspannungsverlaufs (Uw) des Wicklungssystems (14), - Recording a winding voltage curve (Uw) of the winding system (14),
- Aufzeichnen eines Wicklungsstromverlaufs (Iw) des Wicklungssystems (14), - Recording a winding current curve (Iw) of the winding system (14),
- Aussetzen des Ansteuerns des Wicklungssystems (14), - suspending the activation of the winding system (14),
- Bestimmen einer Elektromotorische-Kraft-Grundschwingung (EMKO) durch Auswerten eines nach dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts (A2) des Wicklungsspannungsverlaufs (Uw), - Determination of an electromotive force fundamental oscillation (EMKO) by evaluating a section (A2) of the winding voltage profile (Uw) recorded after the activation was suspended,
- Bestimmen einer Wicklungsstrom-Grundschwingung (10) durch Auswerten eines vor dem Aussetzen des Ansteuerns aufgezeichneten Abschnitts (Al) des Wicklungsstromverlaufs (Iw), und - Determining a winding current fundamental oscillation (10) by evaluating a section (Al) of the winding current profile (Iw) recorded before the control was suspended, and
- Bestimmen des Vorsteuerwinkels (W) basierend auf einem Phasenwinkel (cpemkO) der Elektromotorische-Kraft- Grundschwingung (EMKO) und einem Phasenwinkel (cpiO) der Wicklungsstrom-Grundschwingung (10). Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektromotorische-Kraft- Grundschwingung (EMKO) mittels einer Fourier-Analyse des entsprechenden Abschnitts (A2) des Wicklungsspannungsverlaufs (Uw) bestimmt wird und die Wicklungsstrom-Grundschwingung (10) mittels einer Fourier-Analyse des entsprechenden Abschnitts (Al) des Wicklungsstromverlaufs (Iw) bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für jede Wicklung (18) des Wicklungssystems (14) jeweils: - Determining the pilot angle (W) based on a phase angle (cpemkO) of the fundamental electromotive force (EMKO) and a phase angle (cpiO) of the winding current fundamental (10). Method according to Claim 1, in which the fundamental electromotive force oscillation (EMKO) is determined by means of a Fourier analysis of the corresponding section (A2) of the winding voltage profile (Uw) and the winding current fundamental oscillation (10) is determined by means of a Fourier analysis of the corresponding section (Al) of the winding current profile (Iw). Method according to one of the preceding claims, wherein for each winding (18) of the winding system (14) respectively:
- ein wicklungsspezifischer Wicklungsspannungsverlauf (Uw) aufgezeichnet wird, - a winding-specific winding voltage curve (Uw) is recorded,
- ein wicklungsspezifischer Wicklungsstromverlauf (Iw) aufgezeichnet wird, - a winding-specific winding current curve (Iw) is recorded,
- eine wicklungsspezifische Elektromotorische-Kraft- Grundschwingung (EMKO) durch Auswerten des entsprechenden Abschnitts (A2) des aufgezeichneten wicklungsspezifischen Wicklungsspannungsverlaufs (Uw) bestimmt wird, - a winding-specific electromotive force fundamental oscillation (EMKO) is determined by evaluating the corresponding section (A2) of the recorded winding-specific winding voltage curve (Uw),
- eine wicklungsspezifische Wicklungsstrom-Grundschwingung (10) durch Auswerten des entsprechenden Abschnitts (Al) des aufgezeichneten wicklungsspezifischen Wicklungsstromverlaufs (Iw) bestimmt wird, und - a winding-specific winding current fundamental oscillation (10) is determined by evaluating the corresponding section (Al) of the recorded winding-specific winding current profile (Iw), and
- ein wicklungsspezifischer Vorsteuerwinkel (W) basierend auf einem Phasenwinkel (cpemkO) der wicklungsspezifischen Elektromotorische-Kraft-Grundschwingung (EMKO) und einem Phasenwinkel (cpiO) der wicklungsspezifischen Wicklungsstrom- Grundschwingung (10) 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. Synchronmotor (10) umfassend: - A winding-specific pilot angle (W) based on a phase angle (cpemkO) of the winding-specific electromotive force fundamental oscillation (EMKO) and a phase angle (cpiO) of the winding-specific winding current fundamental oscillation (10) is determined. Method according to one of the preceding claims, in which the actuation of the winding system (14) is suspended for a maximum period of two period lengths of an actuation signal. Synchronous motor (10) comprising:
- einen permanentmagnetischen Motorrotor (16), - a permanent magnetic motor rotor (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: - An electromagnetic motor stator (12) with a winding system (14) with at least one winding (18), and - Motor electronics (22) which are set up to control the winding system (14) for driving the motor rotor (16), characterized in that the motor electronics (22) are also set up:
- ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen, um einen Vorsteuerwinkel (W) zu bestimmen, und - carrying out a method according to any one of claims 1 to 4 to determine a pilot angle (W), and
- das Wicklungssystem basierend auf dem bestimmten- the winding system based on the specific
Vorsteuerwinkel (W) anzusteuern. Synchronmotor (10) nach Anspruch 5, wobei die Motorelektronik (22) eingerichtet ist: Pre-control angle (W) to control. Synchronous motor (10) according to claim 5, wherein the motor electronics (22) are set up:
- das Verfahren nach Anspruch 3 auszuführen, um für jede Wicklung (18) des Wicklungssystems (14) einen wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel (W) zu bestimmen, und - carrying out the method according to claim 3, in order to determine a winding-specific pilot angle (W) for each winding (18) of the winding system (14), and
- das Wicklungssystem (14) basierend auf den bestimmten wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkeln (W) derart geregelt anzusteuern, dass alle Wicklungen (18) den gleichen wicklungsspezifischen Vorsteuerwinkel (W) aufweisen. Synchronmotor (10) nach Anspruch 6, wobei die Motorelektronik (22) eingerichtet ist das Wicklungssystem (14) derart geregelt anzusteuern, dass die wicklungsspezifischen Wicklungsstrom- Grundschwingungen (10) aller Wicklungen (18) die gleiche Amplitude (AiO) aufweisen. - The winding system (14) based on the specific winding-specific pre-control angles (W) controlled in such a way that all windings (18) have the same winding-specific pre-control angle (W). Synchronous motor (10) according to claim 6, wherein the motor electronics (22) is set up to control the winding system (14) in such a controlled manner that the winding-specific winding current fundamental oscillations (10) of all windings (18) have the same amplitude (AiO).
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