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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen mit permanent- oder fremderregtem Rotor und einer oder mehreren Wicklungen für den Stator, insbesondere Synchronmaschinen, z.B. sog. bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC; englisch: brushless DC), können beispielsweise über einen Mikrocontroller angesteuert werden, wobei in der Regel Statorströme mittels eines Pulswechselrichters eingestellt werden. Die Rotorposition, deren Kenntnis zur Ansteuerung, insbesondere auch zur Kommutierung, der elektrischen Maschine in der Regel erforderlich ist, kann dabei beispielsweise über die Nulldurchgänge einer sog. Polradspannung ermittelt werden. Da beispielsweise bei einer Blockkommutierung außerhalb des eigentlichen Kommutierungsvorgangs immer nur zwei Wicklungsstränge bestromt werden, kann in einem jeweils stromlosen Wicklungsstrang die Polradspannung erfasst werden.
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Für einen optimalen Betrieb der elektrischen Maschine ist dabei in der Regel erforderlich, dass sich ein minimal möglicher Strom in der elektrischen Maschine einstellt. Hierzu sollten die innere Spannung der elektrischen Maschine und der zugehörige Motorgrundwellenstrom in Phase liegen. Hierzu ist in der Regel aufgrund der Induktivität der elektrischen Maschine eine zeitlich vorversetzte Ansteuerung der Wicklungsstränge nötig. Diese Korrektur, welche das nacheilende Verhalten des Motorgrundwellenstroms kompensiert, wird durch den sog. Vorkommutierungswinkel beschrieben.
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Aus der
EP 1 734 648 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Kommutieren eines bürstenlosen und sensorlosen Gleichstrommotors bekannt, bei dem die Ansteuerung der Wicklungsstränge asynchron erfolgt.
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Aus der
DE 10 2012 006 492 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Ermitteln einer Rotorposition bei einer elektrischen Maschine basierend auf einer Kommutierungsdauer bzw. einer Entmagnetisierungsdauer bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit permanent- und/oder fremderregtem Rotor und mehreren Wicklungssträngen für einen Stator, insbesondere eine Synchronmaschine. Es kann sich insbesondere um eine dreiphasige elektrische Maschine handeln, jedoch sind auch mehr Phasen (bzw. Wicklungsstränge), beispielsweise fünf oder sieben, denkbar.
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Es wird dabei anhand einer Spannung, die über einem Wicklungsstrang abfällt, eine erste Dauer zwischen einem Ende einer Kommutierung zwischen den Wicklungssträngen und einem nachfolgenden Nulldurchgang der Spannung ermittelt. Unter einer Kommutierung ist hierbei ein Wechsel der Stromflüsse durch die Wicklungsstränge der elektrischen Maschine zu verstehen (Stromwendung). Als Dauern können hier sowohl Zeitdauern als auch Winkeldauern bzw. Winkeldifferenzen verstanden werden, welcher unter Berücksichtigung einer Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine ineinander umrechenbar sind. Unter einer Dauer einer solchen Kommutierung wäre dabei diejenige Dauer zu verstehen, bis der Strom in dem Wicklungsstrang, von dem weggeschaltet wird, abgeklungen ist. Damit kann als Ende der Kommutierung ein Zeitpunkt oder ein Winkel angesehen werden, zu dem der Strom abgeklungen ist. Dieses Ende der Kommutierung kann dabei insbesondere auch anhand eines (ersten) Nulldurchgangs der Spannung, welcher aufgrund der Kommutierung auftritt, ermittelt werden. Erst wenn dieser Strom abgeklungen ist, kann dann beispielsweise eine Induktionsspannung erfasst bzw. ermittelt werden, beispielsweise zur Ermittlung einer Position des Rotors. Mit anderen Worten kann die erste Dauer also vorzugsweise als Dauer zwischen zwei Nulldurchgängen der Spannung ermittelt werden.
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Weiterhin wird ein Vorkommutierungswinkel für den Betrieb der elektrischen Maschine unter Berücksichtigung der ersten Dauer angepasst. Ein Vorkommutierungswinkel, welcher in der Regel vom aktuellen Arbeitspunkt und damit auch dem Strom der elektrischen Maschine abhängig ist, kann zwar beispielsweise durch Vermessung der betreffenden elektrischen Maschine für viele relevante Arbeitspunkte ermittelt und dann in einer Look-Up-Tabelle hinterlegt werden, jedoch ist dies sehr aufwändig.
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Es wurde nun erkannt, dass sich aus der Dauer zwischen dem Ende einer Kommutierung und einem nachfolgenden Nulldurchgang der Spannung eine Anpassung des Vorkommutierungswinkels durchführen lässt. Initial kann dabei beispielsweise ein bestimmter Wert für den Vorkommutierungswinkel vorgegeben werden. Eine neue Kommutierung erfolgt in der Regel einen bestimmten Winkelwert nach einem Nulldurchgang der Spannung, reduziert um den Vorkommutierungswinkel. Im Falle einer dreiphasigen elektrischen Maschine mit einer Blocklänge von 120° beträgt dieser bestimmte Winkelwert beispielsweise 30°. Aufgrund der für einen bestimmten Arbeitspunkt zumindest nahezu konstanten Dauer der Kommutierung und der fest gewählten Blocklänge ergibt sich daher eine Abhängigkeit des Vorkommutierungswinkels von der erwähnten ersten Dauer zwischen dem Ende einer Kommutierung und dem nachfolgenden Nulldurchgang der Spannung. Auf diese Weise kann also eine sehr genaue Anpassung des Vorkommutierungswinkels erfolgen. Insbesondere kann eine solche Anpassung wiederholt vorgenommen werden, insbesondere bei Änderungen des Arbeitspunktes. Eine Vielzahl zu ermittelnder und zu hinterlegender Vorkommutierungswinkel für verschiedene Arbeitspunkte ist nicht mehr nötig.
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Vorzugsweise wird der Vorkommutierungswinkel weiterhin unter Berücksichtigung einer zweiten Dauer zwischen dem dem Ende der Kommutierung nachfolgenden Nulldurchgang der Spannung und einem Beginn einer nachfolgenden Kommutierung angepasst. Wenn beim Betrieb der elektrischen Maschine der Motorgrundwellenstrom und die Polradspannung in Phase sind, ergibt sich für die erste und die zweite Dauer der gleiche Wert. Insofern kann unter Berücksichtigung beider Dauern der Vorkommutierungswinkel möglichst genau so angepasst werden. Besonders vorteilhaft ist dies im Rahmen einer Regelung. Dabei kann die Regelung zur Minimierung einer Differenz der ersten Dauer und der zweiten Dauer dienen. Eine Differenz von Null würde dabei bedeuten, dass der Motorgrundwellenstrom und die Polradspannung in Phase sind.
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Vorteilhafterweise kann im Rahmen der Regelung ein Vorsteuerwert für den Vorkommutierungswinkel verwendet werden. Dieser Vorsteuerwert kann dabei beispielsweise anhand einer Tabelle oder dergleichen, insbesondere für einen bestimmten Arbeitspunkt vorgegeben werden. Denkbar ist dabei auch, dass dieser Wert zu Null vorgegeben wird. Besonders zweckmäßig ist jedoch, wenn der Vorsteuerwert unter Berücksichtigung einer dritten Dauer ermittelt wird, die einer Dauer der Kommutierung entspricht. Diese dritte Dauer kann dabei anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Kommutierung auftreten, ermittelt werden.
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Hierbei kann zugrunde gelegt werden, dass sich aus der Dauer der Kommutierung beim Betrieb der elektrischen Maschine ein möglicher Wert für den Vorkommutierungswinkel ermitteln lässt, der sich dann als Vorsteuerwert verwenden lässt. Dies ist möglich, da die Dauer der Kommutierung von der Induktivität der Wicklungsstränge abhängt, welche Induktivität ebenfalls für den Vorkommutierungswinkel relevant ist. Eventuell auftretende Offsetfehler beispielsweise bei bestimmten Mindestdrehzahlen können dann durch die erwähnte Anpassung bzw. Regelung ausgeglichen werden.
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Es ist von Vorteil, wenn weiterhin anhand der Spannung eine Position des Rotors in Bezug zu dem Stator ermittelt wird. Zweckmäßigerweise kann dabei die Position des Rotors in Bezug zu dem Stator anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Rotation des Rotors auftreten, ermittelt werden. Auf diese Weise kann sehr einfach, beispielsweise mit einer hinterlegten Bezugsposition, die Position des Rotors ermittelt werden. Dies ermöglicht eine gezielte Kommutierung bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine. So kann beispielsweise alle 30° nach einem Nulldurchgang ein Schaltvorgang im Zuge der Kommutierung vorgenommen werden, wenn beispielsweise eine dreiphasige elektrische Maschine verwendet wird.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch und vereinfacht eine elektrische Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann.
- 2 zeigt eine idealisierte Bestromung der Wicklungsstränge einer solchen elektrischen Maschine.
- 3 zeigt einen idealisierten Verlauf einer Wicklungsstrangsspannung beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.
- 4 zeigt einen idealisierten Verlauf eines Wicklungsstrangsstroms und einer Wicklungsstrangsspannung beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.
- 5 zeigt einen weiteren idealisierten Verlauf eines Wicklungsstrangsstroms und einer Wicklungsstrangsspannung beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine.
- 6 zeigt einen realen Verlauf eines Wicklungsstrangsstroms und einer Wicklungsstrangsspannung beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine mit Verwendung eines Vorkommutierungswinkels, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt wurde.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist schematisch und vereinfacht eine elektrische Maschine 100 gezeigt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Bei der elektrischen Maschine 100 handelt es sich vorliegend um einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
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Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 110 auf, welcher beispielhaft wiederum drei Wicklungsstränge 111, 112, 113 aufweist. Weiterhin weist die elektrische Maschine 100 einen Rotor 120 auf, welcher beispielsweise einen Permanentmagneten aufweist. Zu jedem der Wicklungsstränge, welche eine Induktivität aufweisen, ist ein nicht näher bezeichneter ohmscher Widerstand eingezeichnet. Weiterhin sind beispielhaft eine Wicklungsstrangsspannung Umot sowie ein Wicklungsstrangsstrom Imot. eingezeichnet.
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Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung 180 gezeigt, an die die drei Wicklungsstränge 111, 112, 113 angeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung weist sechs Schalter, beispielsweise Halbleiterschalter wie Transistoren (z.B. MOS-FETs, IGBTs), auf, mittels welcher die drei Wicklungsstränge beispielsweise abwechselnd mit positiver und negativer Spannung oder Masse verbunden werden können und von welchen beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 181 bezeichnet ist.
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Weiterhin ist eine Zwischenkreisspannung UZK gezeigt, welche an der Schaltungsanordnung anliegt. Weiterhin ist jedem der Schalter eine parallel geschaltete Diode zugeordnet, von welchen beispielhaft eine mit dem Bezugszeichen 182 bezeichnet ist. Dies symbolisiert beispielsweise eine intrinsische Body-Diode oder eine separate Diode für eine Rückwärtsleitfähigkeit (z.B. bei IGBTs).
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Die Schaltungsanordnung 180 und insbesondere die Schalter können hierzu beispielsweise mittels der Recheneinheit 190 angesteuert werden. Die Funktionsweise einer solchen elektrischen Maschine ist im Übrigen an sich bekannt und soll daher hier nicht weiter erläutert werden.
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In 2 ist eine idealisierte Bestromung der Wicklungsstränge einer elektrischen Maschine, wie sie in 1 dargestellt ist, gezeigt. Hierzu ist ein Strom I über einem Winkel φ des Rotors in Bezug zum Stator für jeden der drei Wicklungsstränge aufgetragen. Der Winkel φ kann dabei auch als Produkt der Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors mit der Zeit t, d.h. φ = ωt, gesehen werden.
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Die Ströme in den drei Wicklungssträngen sind hier mit IU, IV und IW für die drei Wicklungsstränge im Sinne von Phasen bezeichnet. Die Bestromung, d.h. eine Blocklänge, dauert dabei jeweils 120° an und beginnt jeweils 30° nach einem Nulldurchgang der jeweiligen Wicklungsstrangsspannung. Hierbei handelt es sich um eine übliche Bestromung („Blockkommutierung“), welche durch geeignete Ansteuerung der Schalter, wie sie in 1 gezeigt sind, erfolgen kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass die drei Wicklungsstränge bzw. Phasen symmetrisch verteilt auf dem Stator angeordnet sind.
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In 3 ist in einem Diagramm ein Verlauf einer Wicklungsstrangsspannung beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in 1 dargestellt ist, gezeigt. Hierzu ist eine Spannung U über dem Winkel φ aufgetragen. Mit U‘mot ist dabei eine Polradspannung eingezeichnet, wie sie durch eine Drehung des Rotors und aufgrund von Induktion in den Wicklungssträngen hervorgerufen wird. Zusätzlich ist eine idealisierte Wicklungsstrangsspannung Umot eingezeichnet, die der tatsächlich vorliegenden Spannung entspricht.
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Die Wicklungsstrangsspannung Umot setzt sich dabei zusammen aus der Polradspannung U‘mot, dem ohmschen und induktiven Spannungsabfall über dem Wicklungsstrang sowie einer überlagerten Spannung aufgrund der Kommutierung der anderen Phasen. So findet bspw. bei den Winkeln φ von 30°, 90°, 150° und 210° eine Kommutierung (hierunter fallen sowohl ein Beginn als auch ein Ende der Bestromung) statt, wie auch der 2 zu entnehmen ist.
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Während der Dauer µ der Kommutierung, d.h. bis der Strom in dem einen Wicklungsstrang, von dem weggeschaltet wird, abgeklungen ist, liegen, je nach Wicklungssträngen, die betrachtet und geschaltet werden, betragsmäßig ein Drittel oder zwei Drittel der Zwischenkreisspannung UZK an, wie dem Verlauf Umot zu entnehmen ist.
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In einem weiteren Diagramm unterhalb des Diagramms mit dem Spannungsverlauf ist ein Vorzeichen V der Wicklungsstrangsspannung Umot über dem Winkel φ aufgetragen. Anhand des Vorzeichens V sind die Nulldurchgänge der Wicklungsstrangsspannung Umot ermittelbar. Vorliegend treten bei den Winkeln φ1, φ2, φ3 und φ4 Nulldurchgänge auf.
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Die Nulldurchgänge φ1 und φ4 resultieren dabei aus dem Verlauf der Polradspannung U‘mot und damit aus der Rotation des Rotors. Daraus lässt sich die Position des Rotors in Bezug zum Stator ermitteln. Die Nulldurchgänge φ2 und φ3 hingegen resultieren aus dem Kommutierungsvorgang. Dabei ist erkennbar, dass der Abstand der beiden Nulldurchgänge φ2 und φ3 genau der Dauer µ der Kommutierung entspricht. Durch Ermittlung der Nulldurchgänge der Wicklungsstrangsspannung lässt sich somit die Dauer der Kommutierung ermitteln, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als dritte Dauer bezeichnet wird und beispielsweise als Vorsteuerwert verwendet werden kann.
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In 4 ist ein Wicklungsstrangsstrom beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in 1 dargestellt ist, gezeigt. Dazu ist ein Strom I über dem Winkel φ aufgetragen. Mit Imot ist hierbei der Verlauf des idealisierten Wicklungsstrangsstroms bezeichnet. Zusätzlich sind ein theoretischer Wicklungsstrangsstrom l‘mot, der sog. Motorgrundwellenstrom, und die Polradspannung U‘mot aufgetragen.
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Beim Motorphasenstrom Imot ist zu sehen, dass, entsprechend den Kommutierungsvorgängen, wie sie auch aus den 2 und 3 ersichtlich sind, bei Winkeln von 30°, 90°, 150° und 210° und jeweils um eine Dauer µ später eine Änderung im Stromverlauf auftritt. Der zugrunde liegende Motorgrundwellenstrom I‘mot jedoch eilt der Polradspannung U‘mot nach.
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Aus den idealisierten Verläufen in 4 ist zu erkennen, dass der Grundwellenstrom der Polradspannung, bei einer Ansteuerung ohne Vorkommutierung, in etwa um eine halbe Kommutierungsdauer nacheilt.
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In 5 sind reale Verläufe eines Wicklungsstrangsstroms Imot und einer Wicklungsstrangsspannung Umot über der Zeit t beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in 1 dargestellt ist, gezeigt. Hierzu sei angemerkt, dass eine Umrechnung zwischen Zeit t und Winkel φ unter Berücksichtigung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors erfolgen kann.
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Die Dauer der Kommutierung, d.h. die dritte Dauer, ist hier als Δt3 dargestellt. Weiterhin sind nun eine erste Dauer Δt1 zwischen dem Ende der Kommutierung (Nulldurchgang von Umot) und dem nachfolgenden Nulldurchgang der Wicklungsstrangsspannung Umot sowie eine zweite Dauer Δt2 zwischen diesem Nulldurchgang und dem Beginn der nachfolgenden Kommutierung dargestellt.
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Zur Kompensation der Phasenverschiebung kann nun der Vorkommutierungswinkel geeignet gewählt werden, wodurch der Grundwellenstrom mittig in die Austastlücke verschoben wird und somit Polradspannung und Grundwellenstrom in Phase sind. Für diesen Betrieb ergibt sich der minimale Motorstrom für einen gegebenen Arbeitspunkt.
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In 6 ist ein idealisierter Wicklungsstrangsstrom beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in 1 dargestellt ist, mit Verwendung eines Vorkommutierungswinkels, der mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform angepasst wurde, gezeigt. Auch hier ist ein Strom I über dem Winkel φ aufgetragen. Mit Imot ist hierbei der Verlauf des Wicklungsstrangsstroms bezeichnet. Zusätzlich sind wieder der Motorgrundwellenstrom I‘mot und die Polradspannung U‘mot aufgetragen.
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Im Vergleich zu den in den 4 und 5 gezeigten Verläufen ist der Motorphasenstrom Imot hier um einen Vorkommutierungswinkel α nach vorne versetzt. Dies kann durch eine entsprechend frühere Ansteuerung der betreffenden Schalter (vgl. 1) erreicht werden. Der Motorgrundwellenstrom I‘mot liegt nun mit der Polradspannung U‘mot in Phase, was zu minimaler Verlustleistung des Umrichters und der elektrischen Maschine für einen gegebenen Arbeitspunkt führt.
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Maßgeblich für die Phasenverschiebung ist dabei das Verhältnis von erster Dauer Δt1 zu zweiter Dauer Δt2, wie sie in 5 gezeigt sind. Durch eine Regelung kann die Differenz von erster Dauer Δt1 und zweiter Dauer Δt2 reduziert werden und somit die Phasenverschiebung ausgeregelt werden. Als Vorsteuerwert kann, wie erwähnt, die (dritte) Dauer Δt3 bzw. µ verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1734648 A1 [0004]
- DE 102012006492 A1 [0005]