EP3935730A1 - Verfahren zum schwingungs- und geräuschreduzierten betreiben einer elektro- motorischen vorrichtung und elektromotorische vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum schwingungs- und geräuschreduzierten betreiben einer elektro- motorischen vorrichtung und elektromotorische vorrichtung

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Publication number
EP3935730A1
EP3935730A1 EP20716160.5A EP20716160A EP3935730A1 EP 3935730 A1 EP3935730 A1 EP 3935730A1 EP 20716160 A EP20716160 A EP 20716160A EP 3935730 A1 EP3935730 A1 EP 3935730A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
torque
target
current
rotor angle
electric motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20716160.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sandro Purfürst
Robert Reichert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nidec Drivexpert GmbH
Original Assignee
Nidec Drivexpert GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nidec Drivexpert GmbH filed Critical Nidec Drivexpert GmbH
Publication of EP3935730A1 publication Critical patent/EP3935730A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/08—Reluctance motors
    • H02P25/098—Arrangements for reducing torque ripple
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47J—KITCHEN EQUIPMENT; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; APPARATUS FOR MAKING BEVERAGES
    • A47J43/00—Implements for preparing or holding food, not provided for in other groups of this subclass
    • A47J43/04—Machines for domestic use not covered elsewhere, e.g. for grinding, mixing, stirring, kneading, emulsifying, whipping or beating foodstuffs, e.g. power-driven
    • A47J43/07—Parts or details, e.g. mixing tools, whipping tools
    • A47J43/08—Driving mechanisms
    • A47J43/085—Driving mechanisms for machines with tools driven from the lower side
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60J—WINDOWS, WINDSCREENS, NON-FIXED ROOFS, DOORS, OR SIMILAR DEVICES FOR VEHICLES; REMOVABLE EXTERNAL PROTECTIVE COVERINGS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES
    • B60J7/00—Non-fixed roofs; Roofs with movable panels, e.g. rotary sunroofs
    • B60J7/02—Non-fixed roofs; Roofs with movable panels, e.g. rotary sunroofs of sliding type, e.g. comprising guide shoes
    • B60J7/04—Non-fixed roofs; Roofs with movable panels, e.g. rotary sunroofs of sliding type, e.g. comprising guide shoes with rigid plate-like element or elements, e.g. open roofs with harmonica-type folding rigid panels
    • B60J7/057—Driving or actuating arrangements e.g. manually operated levers or knobs
    • B60J7/0573—Driving or actuating arrangements e.g. manually operated levers or knobs power driven arrangements, e.g. electrical
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Definitions

  • the invention relates to a method for vibration and noise-reduced operation of an electromotive device and a vibration and noise-reduced electromotive device, in particular a vibration and noise-reduced electrical household appliance and a vibration and noise-reduced sliding or lifting roof of an automobile.
  • Electromotive devices such as electrical household appliances and electrical sliding or lifting roofs for automobiles are known as such from the prior art.
  • the object of the invention is to show a method for operating an electromotive device, which can be used with little effort at different Chen variants of electromotive devices is applicable and effectively reduces the noise level. Furthermore, it is the object of the invention to provide an electromotive device, in particular an electric household appliance and an electric vehicle roof, which are designed to operate with reduced vibration and noise.
  • the method for operating an electromotive device with reduced vibration and noise is carried out by means of an electromotive device with the features described below.
  • the electromotive device for carrying out the method has an electric motor arrangement, a base body and a driven working group.
  • the electric motor of the electric motor arrangement is arranged in a defined position in relation to the base body.
  • the base body is designed, for example, as a housing or frame and defines the positional relationship between the electric motor and the driven working group.
  • the driven working group picks up the rotational movement provided by the electric motor and executes the target movement, it being possible for conversion to take place using a gear unit.
  • the driven working group can have a cutting or chopping unit, for example.
  • the driven working group has, in particular, a transmission and a mechanism for changing the position of the movable roof section.
  • the electric motor arrangement has the electric motor, a control and evaluation unit, a data memory, a current regulator, a rotor angle sensor and a torque evaluator.
  • the data memory, the current regulator, the rotor angle sensor and the torque evaluator are each data-connected to the control and evaluation unit.
  • the control and evaluation unit is designed to receive data from the rotor angle sensor and torque evaluator and to process them. Furthermore, the control and evaluation unit is designed to control the current regulator and to read data from the data memory and also to write it into the data memory.
  • the control and evaluation unit is preferably an electronic circuit such as a computer or a controller.
  • the data memory, the torque evaluator and the current regulator can form an integrated structural unit together with the control and evaluation unit.
  • the electric motor has a stator, a rotor and motor coils.
  • the rotor is preferably located inside a rotationally symmetrical stator and is rotatably mounted about an axis of rotation.
  • the stator or the rotor or both components have soft magnetic material in a tooth structure. These are also referred to below as stator teeth and rotor teeth.
  • the rotor teeth are also sometimes referred to below as rotor arms.
  • the motor coils are arranged on the stator, preferably symmetrically about the axis of rotation of the rotor on the stator teeth.
  • the electric motor has commutation by means of an electronic circuit and, moreover, can be designed in different ways, for example as a brushless direct current motor. It is preferably a switched reluctance motor.
  • a reluctance motor is designed in such a way that a magnetic flux is generated through the rotor when an electric current is applied to the motor coils.
  • the reluctance force aligns the rotor teeth with the stator teeth in such a way that the magnetic resistance is reduced. Due to the geometric arrangement of the rotor teeth and Stator teeth relative to one another thus cause the rotor to rotate.
  • the switched reluctance motor is also referred to in the following in a partially abbreviated manner simply as a reluctance motor or motor.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that the rotor teeth and the stator teeth deform as a result of the force acting on them, in the case of a reluctance motor, the reluctance force, in particular transversely to their longitudinal axes.
  • This deformation leads to vibrations of the rotor teeth and the stator teeth as well as partly also other mechanically connected components of the reluctance motor or a driven working group, which are perceived as noise in the range of the audible frequency.
  • the method shows a solution according to which the force on the rotor teeth and stator teeth is controlled in such a way that their vibration is reduced.
  • the torque is kept constant in all angular positions of the rotor. This means that essentially constant forces act transversely to their longitudinal axes on the rotor teeth and stator teeth.
  • the method provides a solution which is not tied to a specific geometry or other structural design of the rotor teeth and stator teeth.
  • the method includes the following method steps: a) Definition of a value table in the data memory which contains several table points, the table points being formed as value tuples.
  • the value tuples each contain a value pair consisting of a target torque and a rotor angle as well as an assigned target current.
  • Execution of a partial cycle b) 1 specification of a target torque b) 2 detection of a first actual rotor angle by means of the rotor angle sensor
  • Reading out the target current by means of the control and evaluation unit, which is assigned to the first pair of values, the target torque and the first actual rotor angle.
  • the two closest table points to the specified target torque and the closest two table points to the actual rotor angle are determined and the distance between the real values of the target torque and the first actual rotor angle from the table points is calculated.
  • the target current is determined by bilinear interpolation from the respective target currents of the four table points.
  • Setpoint currents for the respective motor coil to be acted upon are assigned to a rotor angle (Gist) and the setpoint torque.
  • a table point forms a tuple of values which has the rotor angle (Gist), the target torque (Msoii) and at least one target current, or preferably two target currents, specifically one target current for two adjacent motor coils (h,).
  • Table 1 shows a table of values for an electric motor with two coils. In the case of an electric motor with more coils, the value tuples contain additional target current values for each additional coil.
  • This table of values is stored in the data memory.
  • the control and evaluation unit is designed to access the data memory and the value table. b) Carrying out a partial cycle b) 1 specification of a target torque
  • the specification of a target torque is determined by the load that is to be applied by the motor to provide the movement of the driven work group.
  • the target torque is specified by the control and evaluation unit when the electric motor is started.
  • the rotor angle sensor measures the mechanical angular position of the rotor. In this way it is known how the rotor teeth and the stator teeth are positioned with respect to one another. The rotor angle sensor thus simultaneously determines the position of the rotor within an engine state. b) 3 Reading out the target current by means of the control and evaluation unit
  • the control and evaluation unit reads the target currents for the nearest rotor angles and the target torque from the value table of the data memory.
  • the values of the four surrounding table points read out are offset against the real values and the distance between the real values of the target torque and the first actual rotor angle and the table points is determined.
  • An example of four points determined is highlighted in the table of values by a frame.
  • the target currents are calculated from the respective target currents of the four table points using bilinear interpolation. b) 4 Setting the target currents using the current regulator
  • the current controller sets the calculated target currents for the respective motor coils.
  • This can be any type of current regulator known from the prior art that has sufficiently fast switching times. It is preferably a digital current regulator.
  • b) 5 Applying current to the motor coils
  • the current controller directs the nominal current to the corresponding motor coil, which generates a magnetic flux and, as a result, a force on the rotor.
  • the torque evaluator determines the actual torque.
  • the actual torque is preferably determined from the available parameters such as the actual currents and the rotor angle.
  • b) 7 Determination of a torque deviation using the control and evaluation unit The control and evaluation unit determines a torque deviation by comparing the target torque with the actual torque.
  • b) 8 calculation of a corrected setpoint current by means of the control and evaluation unit on the basis of the torque deviation
  • a detected torque deviation shows that the level of the setpoint current was not completely suitable for setting the specified setpoint torque.
  • the amount of the detected torque deviation results in a statement as to the extent to which a changed setpoint current would likely lead to the actual torque corresponding to the setpoint torque.
  • the calculation is made for all four table points last used.
  • the calculation is based on the interpolation distance used (h, I) and the torque deviation (Msoii-Mist).
  • a learning constant (Ki_ern) is also included in the calculation.
  • the control and evaluation unit writes the determined values for the corrected setpoint currents in the value tuples of the four table points. c) Repeated execution of the partial cycle until a motor angle which corresponds to a complete motor state is reached
  • the motor state is the operating phase of the motor from one commutation to the next commutation.
  • the rotor runs through all angular positions starting from the angular position of one commutation to the next Commutation.
  • the angular position at the end of a motor state is the same as the angular position at the beginning of the next motor state.
  • the partial cycle is repeated until the rotor of the electric motor has reached a rotation angle which corresponds to a congruent position to the rotation angle at the beginning of the next motor state. Depending on the number of arms of the rotor, it always reaches a congruent position for such a motor state after an angle that corresponds to 360 ° divided by the number of motor states. A rotationally symmetrical design of the rotor is assumed.
  • An overall cycle thus denotes the totality of all partial cycles that are carried out from the beginning of an engine state to the end of an engine state.
  • a first motor state is completed after the rotor has rotated through 60 °.
  • Six motor states and thus six total cycles are run through for a complete rotor rotation by 360 °. This is repeated over and over to bring about a permanent rotation of the rotor.
  • the method according to the invention has the following particular advantages.
  • the process is iteratively self-learning. With each cycle of a partial cycle, the table points are optimized in relation to the value of the target current. As the process continues, all table points are recorded by the optimization. As a result of the repeated execution, the setpoint current continues to approach the optimal value, so that the torque deviation is asymptotically adjusted to zero.
  • the method can be used with different engines without adaptation or with only little adaptation effort. It is only necessary to initially fill the table of values with roughly determined values that only have to enable the motor to run. By using the method, an optimization of the values of the target current in adaptation to the respective motor is achieved automatically with each run of the partial cycles and the overall cycle.
  • the method provides automatic compensation for any manufacturing tolerances.
  • the method provides an automatic adaptation to changes that may not occur gradually until the motor is in operation, such as imbalances or out-of-round running due to bearing wear.
  • the process ensures that the target currents of the respective Depending on the physical condition of the engine, in particular the state of wear
  • the method according to the invention is of particular advantage when the electromotive device is an electrical kitchen appliance, such as a mixer or a multifunctional device with a shredder, or an electrical sliding or lifting roof of an automobile.
  • the electromotive device is in particular proximity to the human ear, so that noise reduction is particularly important.
  • the table of values is designed for a complete revolution of the rotor.
  • table points are reversibly assigned to each physical positional relationship of a rotor tooth to a stator tooth. In this way, even the finest manufacturing differences in the individual rotor or stator teeth, imbalances or signs of wear on the rotor can be compensated for by the process. As a result, the smoothness of the electric motor can be increased and guaranteed even after long running times.
  • the electromotive device has an electric motor arrangement, a base body and a driven working group.
  • the electric motor arrangement is designed to carry out the following: a) Storage of a table of values in the data memory, which table contains several table points, the table points being formed as value tuples.
  • the value tuples each contain a value pair consisting of a target torque and a rotor angle as well as an assigned target current.
  • Execution of a partial cycle b) 1 Specification of a target torque b) 2 Detection of a first actual rotor angle by means of the rotor angle sensor b) 3 Reading of the target current by means of the control and evaluation unit, the first value pair the target torque and is assigned to the first actual rotor angle.
  • the two closest table points to the specified target torque and the closest two table points to the actual rotor angle are determined and the distance between the real values of the target torque and the first actual rotor angle from the table points is calculated.
  • the target current is determined by bilinear interpolation from the respective target currents of the four table points.
  • the data memory is designed to store a value table with table items.
  • the table points are formed by value tuples, each value tuple having a value pair consisting of a target torque and a rotor angle as well as an assigned target current.
  • the rotor angle sensor is designed to detect an actual rotor angle and to transmit it to the control and evaluation unit and to the torque evaluator.
  • the control and evaluation unit is designed to read from the data memory from the table of values stored there a setpoint current that is assigned to the pair of values from the setpoint torque and the first actual rotor angle.
  • the control and evaluation unit is used to determine the closest table points, to calculate the distance between the real values of the target torque and the first actual rotor angle from the table points and to calculate the target current by means of bilinear interpolation from the respective target Flow of the four table points formed.
  • the current regulator is designed to set a target current, which is specified by the control and evaluation unit, for application to the motor coils.
  • the torque evaluator is designed to determine an actual torque and to transmit the determined actual torque to the control and evaluation unit.
  • the control and evaluation unit is also designed to determine a torque deviation by comparing the actual torque obtained by the torque evaluator with the target torque, to calculate a corrected target current based on the torque deviation and to calculate this for the four last used table points depending on the interpolation distance in the data memory in the table of values.
  • the electromotive device according to the invention has the following advantages in particular.
  • a particularly smooth running and noise reduction are achieved with little technical equipment.
  • the demands on the manufacturing accuracy of the physical motor components as well as the driven working group can be reduced, since the device provides an automatic compensation for any manufacturing tolerances.
  • the device according to the invention also provides automatic adaptation to changes that gradually arise in the course of operation of the device, such as imbalances or irregular running due to bearing wear, by adapting the target currents to the respective physical condition of the motor, in particular the state of wear.
  • the service life of the electromotive device can be increased without additional manufacturing effort, since the driven working group is only exposed to low vibrations and thus low dynamic loads.
  • the electromotive device is designed as a household appliance operated by an electric motor.
  • Household appliances in this sense are in particular, but not limited to, mixers, blenders, stirrers, coffee grinders, multifunctional devices with food-shredding devices and vacuum cleaners.
  • the electromotive device is designed as a household appliance operated by an electric motor, wherein the powered workgroup has a food grinder.
  • a chopping mechanism such as a mixer or hand blender or a multifunctional device or a grinder.
  • a particular advantage is that in addition to the aspect of manual operation of such devices and the associated spatial proximity to an operator, a particularly effective noise reduction is possible with the electric motors of these devices that usually run very quickly.
  • the electromotive design is designed as an electric vehicle roof.
  • An electric vehicle roof is understood to be an electric motor-operated sliding roof, lifting roof or sliding and lifting roof.
  • Fig. 1 Electric motor device as a household appliance in a schematic
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electromotive device which, in the exemplary embodiment, is designed as a household appliance driven by an electromotive. In the exemplary embodiment, it is a multifunctional device which is provided with replaceable driven work groups.
  • FIG. 1 shows the base body II on which the electric motor arrangement I and the driven working group III are arranged.
  • the driven working group III has a transmission shaft which carries a food comminution unit 10.
  • the food comminution unit 10 in the exemplary embodiment is a rotating cutting knife.
  • Figure 2 shows a schematic structure of the electric motor arrangement.
  • the electric motor arrangement has a control and evaluation unit 2, a data memory 3, a current regulator 4, a rotor angle sensor 5, a torque evaluator 6 and an electric motor 1.
  • the current regulator 4, the rotor angle sensor 5 and the torque evaluator 6 are each connected to the electric motor 1 and the control and evaluation unit 2.
  • the data memory 3 with the table of values is integrated into the control and evaluation unit 2.
  • the electric motor 1 has a stator 7, a rotor 8 and several motor coils 9.
  • the current regulator regulates the nominal currents for the motor coils to the values transmitted by the control and evaluation unit.
  • the rotor angle sensor 5 determines the position of the rotor 8 and transmits this to the control and evaluation unit 2 and to the torque evaluator 6.
  • the torque evaluator 6 determines from the parameters applied to the electric motor 1, in the exemplary embodiment in particular from the actual current, based on a specific rotor angle the actual torque and transmits the This is also sent to the control and evaluation unit 2. From this, the control and evaluation unit 2 calculates a torque deviation and, on this basis, optimized target current values and enters these in the value table of the data memory 3 in place of the previous target current values.
  • FIG. 3 shows a scheme of the method for the noise-reduced operation of an electromotive device.
  • the scheme shows a summary of all method steps from a) to d), with method step b) being shown with all sub-steps.
  • the partial cycle (process step b)) is repeated until the end of the first motor state is reached and after the first motor state has been reached, it is repeated until the end of the next motor state (process step c)). This is an overall cycle.
  • the table of values is constantly updated in method step b) 9.
  • FIG. 4 shows a compilation of graphics for the torque behavior of the electric motor, in the present exemplary embodiment a reluctance motor, when the method is used.
  • the switched reluctance motor still shows high torque peaks, also known as torque ripples, which are caused by a non-optimal superimposition of the partial torques, especially during the transition from one motor state to the next (bottom left).
  • the torque peaks are significantly reduced (bottom right) and the partial torques are more advantageously superimposed.
  • the torque peaks are responsible for the oscillation of the rotor teeth and stator teeth and thus for a loud running noise of the reluctance motor.
  • the reduction of the torque peaks also reduces the engine noise.
  • FIG. 5 shows the interpolation of the values in the coordinate system a) and the calculation of the corrections for the setpoint currents in table b).
  • the value interpolation according to method step b) 3 is shown graphically in coordinate system a).
  • the control and evaluation unit receives the target torque and the rotor angle sensor supplies the actual rotor angle ( ⁇ ist).
  • the control and evaluation unit determines the four closest table points (P11, P12, P21, P22) and interpolates a target current (oii) using bilinear interpolation.
  • the value for a nominal current (Uoii) obtained in this way by interpolation is set in process steps b) 4 and b) 5 by the current regulator and passed to the motor coils.
  • process step b) 6 the actual torque (Mist) present is evaluated by means of the torque evaluator and in process step b) 7 by the control and evaluation unit with the target torque (Msoii) to a torque deviation (Msoii-Mist) offset.
  • FIG. 5 shows the calculation formulas for the correction values (according to method step b) 8) with the torque deviation based on the interpolation distances used (h, I), a learning constant (Ki_em) and the torque deviation (Msoii-Mist).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine schwingungs- und geräuschreduzierte elektromotorische Vorrichtung, insbesondere ein elektrisches Haushaltsgerät und ein elektrisches Schiebedach. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum schwingungs- und geräuschreduzierten Betreiben einer elektromotorischen Vorrichtung, wobei die elektromotorische Vorrichtung eine Elektromotoranordnung (I), einen Grundkörper (II) und eine angetriebene Arbeitsgruppe (III) aufweist, wobei die Elektromotoranordnung (I), einen Elektromotor (1), eine Steuerungs- und Auswertungseinheit (2), einen Daten- speicher (3), einen Stromregler (4), einen Rotorwinkelsensor (5) und einen Drehmomentevaluator (6) aufweist und wobei der Elektromotor einen Stator (7), einen Rotor (8) und Motorspulen (9) aufweist. Gemäß dem Verfahren werden die Motor- spulen (9) rotorwinkelabhängig mit einem in einer Wertetabelle in dem Datenspeicher (3) hinterlegten Soll-Strom beaufschlagt. Die sich bei diesem Soll-Strom ergebende Drehmomentabweichung von Soll-Drehmoment und Ist-Drehmoment wird bestimmt und mittels Interpolation ein optimierter neuer Soll-Stromwert errechnet und in die Wertetabelle eingeschrieben.

Description

Verfahren zum schwingungs- und geräuschreduzierten Betreiben einer elektromotorischen Vorrichtung und elektromotorische Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schwingungs- und geräuschreduzierten Betreiben einer elektromotorischen Vorrichtung und eine schwingungs- und geräuschreduzierte elektromotorische Vorrichtung, insbesondere ein schwingungs- und geräuschreduziertes elektrisches Haushaltsgerät und ein schwingungs- und geräuschreduziertes Schiebe- oder Hubdach eines Automobils.
Aus dem Stand der Technik sind elektromotorische Vorrichtungen wie elektrische Haushaltsgeräte sowie elektrische Schiebe- oder Hubdächer für Automobile als solche bekannt.
Da diese elektromotorischen Vorrichtungen in unmittelbarer Nähe des Bedieners, insbesondere in unmittelbarer Kopf- und Ohrnähe betrieben werden, sind Geräuschentwicklungen elektrischer Haushaltsgeräte sowie elektrischer Schiebe- oder Hubdächern besonders nachteilig. Nach dem Stand der Technik ist es daher bekannt, die Geräuschentwicklung dadurch zu reduzieren, dass die Elektromotoren mit schallabsorbierenden Materialen eingekapselt werden. Hierbei ist es nachteilig, dass zum einen die Wärme des Elektromotors schwerer ableitbar ist und dass zum anderen trotz einer Einkapselung Schwingungen auf angetriebene Arbeitsgruppen oder einen Grundkörper übertragen werden, die von dort als Geräusch emittiert werden können. Ferner sind Steuerungsverfahren bekannt, welche den Phasenstrom modulieren, um eine Laufgeräuschverringerung zu erreichen. Nachteilig ist hierbei, dass entweder eine aufwändige Anpassung an den jeweiligen Motor erfolgen muss, dass eine Anpassung an wechselnde Belastungen der Elektromotoren nur bedingt möglich ist oder die Laufgeräuschverringerung nicht optimiert ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren für das Betreiben einer elektromotorischen Vorrichtung aufzuzeigen, welches mit geringem Aufwand bei unterschiedli- chen Varianten von elektromotorischen Vorrichtungen anwendbar ist und den Geräuschpegel wirksam verringert. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, eine elektromotorische Vorrichtung, insbesondere ein elektrisches Haushaltsgerät und ein elektrisches Fahrzeugdach aufzuzeigen, welche ausgebildet sind, einen schwin- gungs- und geräuschreduzierten Betrieb auszuführen.
Die Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. In Bezug auf die Vorrichtung wird die Aufgabe durch die im Patentanspruch 3 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Das Verfahren zum schwingungs- und geräuschreduzierten Betreiben einer elektromotorischen Vorrichtung wird mittels einer elektromotorischen Vorrichtung mit den nachfolgend beschriebenen Merkmalen durchgeführt.
Die elektromotorische Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens weist eine Elektromotoranordnung, einen Grundkörper und eine angetriebene Arbeitsgruppe auf.
Hierbei ist der Elektromotor der Elektromotoranordnung in einer definierten Lage beziehung zum dem Grundkörper angeordnet. Der Grundkörper ist beispielsweise als Gehäuse oder Gestell ausgebildet und legt die Lagebeziehung von Elektromotor und angetriebener Arbeitsgruppe fest. Die angetriebene Arbeitsgruppe nimmt die von dem Elektromotor bereitgestellte Rotationsbewegung auf und führt die Zielbewegung aus, wobei optional eine Umformung durch ein Getriebe erfolgen kann. Im Fall eines elektrischen Küchengerätes kann die angetriebene Arbeitsgruppe beispielsweise ein Schneid- oder Häckselwerk aufweisen. Im Fall eines elektrischen Schiebe- oder Hubdachs eines Fahrzeugs weist die angetriebene Arbeitsgruppe insbesondere ein Getriebe sowie eine Mechanik zur Positionsveränderung des beweglichen Dachabschnitts auf. Die Elektromotoranordnung weist erfindungsgemäß den Elektromotor, eine Steue- rungs- und Auswertungseinheit, einen Datenspeicher, einen Stromregler, einen Rotorwinkelsensor und einen Drehmomentevaluator auf.
Der Datenspeicher, der Stromregler, der Rotorwinkelsensor und der Drehmomentevaluator sind jeweils mit der Steuerungs- und Auswertungseinheit datenverbunden.
Die Steuerungs- und Auswertungseinheit ist ausgebildet, Daten vom Rotorwinkel sensor und Drehmomentevaluator zu empfangen sowie diese zu verarbeiten. Weiterhin ist die Steuerungs- und Auswertungseinheit ausgebildet, den Stromregler zu steuern und Daten vom Datenspeicher zu lesen und auch in den Datenspeicher zu schreiben. Bei der Steuerungs- und Auswertungseinheit handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Schaltung wie einen Rechner oder einen Controller. Insbesondere der Datenspeicher, der Drehmomentevaluator und der Stromregler können zusammen mit der Steuerungs- und Auswertungseinheit eine integrierte Baueinheit bilden.
Der Elektromotor weist erfindungsgemäß einen Stator, einen Rotor und Motorspulen auf. Der Rotor befindet sich vorzugsweise im Inneren eines rotationssymmetrischen Stators und ist um eine Rotationsachse drehbar gelagert. Der Stator oder der Rotor oder beide Bauteile weisen weichmagnetisches Material in einer Zahnstruktur auf. Diese werden nachfolgend auch als Statorzähne und Rotorzähne bezeichnet. Die Rotorzähne werden nachfolgend teilweise auch als Rotorarme bezeichnet. Die Motorspulen sind am Stator vorzugsweise symmetrisch um die Rotationsachse des Rotors an den Statorzähnen angeordnet.
Der Elektromotor weist eine Kommutierung mittels einer elektronischen Schaltung auf und kann im Übrigen in unterschiedlicher weise ausgebildet sein, beispielsweise als bürstenloser Gleichstrommotor. Vorzugsweise handelt es sich um einen geschalteten Reluktanzmotor. Ein solcher Reluktanzmotor ist so ausgebildet, dass durch das Beaufschlagen der Motorspulen mit einem elektrischen Strom ein magnetischer Fluss durch den Rotor erzeugt wird. Durch die Reluktanzkraft werden die Rotorzähne zu den Statorzähnen so ausgerichtet, dass der magnetische Widerstand reduziert wird. Durch die geometrische Anordnung der Rotorzähne und Statorzähne zueinander wird somit eine Rotation des Rotors hervorgerufen. Durch das Zuschalten und Abschalten der Motorspulen an unterschiedlichen Statorzähnen wird immer wieder erneut ein solcher magnetischer Fluss erzeugt, der den Rotor veranlasst, sich zur Minimierung des magnetischen Widerstands auszurichten. Der geschaltete Reluktanzmotor wird nachfolgend auch teilweise verkürzt lediglich als Reluktanzmotor oder Motor bezeichnet.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich die Rotorzähne und die Statorzähne infolge der auf sie wirkenden Kraft, im Falle eines Reluktanzmotors der Reluktanzkraft, insbesondere quer zu deren Längsachsen verformen. Diese Verformung führt zu Schwingungen der Rotorzähne und der Statorzähne sowie teilweise auch weiterer mechanisch verbundener Bauteile des Reluktanzmotors oder einer angetriebenen Arbeitsgruppe, welche im Bereich der hörbaren Frequenz als Geräusch wahrgenommen werden. Zur Reduzierung der Schwingung und damit zur Geräuschreduzierung zeigt das Verfahren eine Lösung auf, nach der die Kraft auf die Rotorzähne und Statorzähne so gesteuert wird, dass deren Schwingung reduziert wird. Hierzu wird das Drehmoment möglichst in allen Winkelstellungen des Rotors konstant gehalten. Damit wirken auch auf die Rotor zähne und Statorzähne im Wesentlichen konstante Kräfte quer zu deren Längsach sen. Das Verfahren stellt dabei eine Lösung bereit, welche nicht an eine bestimmte Geometrie und sonstige bauliche Ausbildung der Rotorzähne und Statorzähne ge bunden ist.
Das Verfahren beinhaltet erfindungsgemäß dabei folgende Verfahrensschritte: a) Definition einer Wertetabelle in dem Datenspeicher, welche mehrere Tabel lenpunkte enthält, wobei die Tabellenpunkte als Wertetupel gebildet werden. Die Wertetupel beinhalten jeweils ein Wertepaar aus einem Soll-Drehmoment und einem Rotorwinkel sowie einem zugeordneten Soll-Strom. b) Durchführung eines Teilzyklus b)1 Vorgabe eines Soll-Drehmoments b)2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors
Auslesen des Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit, der dem ersten Wertepaar dem Soll-Drehmoment und dem ersten Ist- Rotorwinkel zugeordnet ist. Dabei werden die nächstliegenden zwei Tabellenpunkte zu dem vorgegebenen Soll-Drehmoment und die nächstliegenden zwei Tabellenpunkte zu dem Ist-Rotorwinkel ermittelt und die Entfernung der realen Werte des Soll-Drehmoments und des ersten Ist-Rotorwinkels von den Tabellenpunkten berechnet. Der Soll-Strom wird durch bilineare Interpolation aus den jeweiligen Soll-Strömen der vier Tabellenpunkte ermittelt. b)4 Einstellen des Soll Stroms durch den Stromregler b)5 Strombeaufschlagung der Motorspulen b)6 Evaluation des Ist-Drehmoments mittel des Drehmomentevaluators b)7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments und des Ist- Drehmoments b)8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit auf der Grundlage der Drehmomentabweichung. Die Be rechnung erfolgt für alle vier zuletzt verwendeten Tabellenpunkte in Abhängigkeit des verwendeten Interpolationsabstands. b)9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms. c) Wiederholte Durchführung des Teilzyklus bis zum Erreichen eines Rotorwinkels, der einem vollständigen Motorstate entspricht, und somit Ausbildung eines Gesamtzyklus. d) Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus
Das Verfahren wird nachfolgend anhand der Verfahrensschritte im Detail beschrie ben: a) Definition einer Wertetabelle
Ein Beispiel für eine entsprechende Wertetabelle ist in Tabelle 1 dargestellt.
Einem Rotorwinkel (Gist) und dem Soll-Drehmoment sind jeweils Soll-Ströme für die jeweilige zu beaufschlagende Motorspule zugeordnet. Ein Tabellenpunkt bildet ein Wertetupel aus, welches den Rotorwinkel (Gist), das Soll-Drehmoment (Msoii) und mindestens einen Soll-Strom, oder vorzugsweise zwei Soll-Ströme, konkret je einen Sollstrom für zwei benachbarte Motorspulen (h, ), aufweist.
Die Tabelle 1 zeigt eine Wertetabelle für einen Elektromotor mit zwei Spulen. Bei einem Elektromotor mit mehr Spulen enthalten die Wertetupel zusätzliche Soll- Stromwerte für jede weitere Spule.
Tabelle 1 Beispiel für Wertetabelle
Diese Wertetabelle wird im Datenspeicher gespeichert. Die Steuerungs- und Auswertungseinheit ist ausgebildet, auf den Datenspeicher und die Wertetabelle zuzu- greifen. b) Durchführen eines Teilzyklus b)1 Vorgabe eines Soll-Drehmomentes
Die Vorgabe eines Soll-Drehmoments wird bestimmt durch die Last, die von dem Motor zur Bereitstellung der Bewegung der angetriebenen Arbeitsgruppe aufgebracht werden soll. Die Vorgabe des Soll-Drehmoments erfolgt von der Steuerungs und Auswertungseinheit beim Startvorgang des Elektromotors. b)2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors
Der Rotorwinkelsensor misst die mechanische Winkelposition des Rotors. Auf diese Weise ist bekannt, wie die Rotorzähne und die Statorzähne zueinander positioniert sind. Der Rotorwinkelsensor bestimmt damit zugleich die Stellung des Rotors in nerhalb eines Motorstates. b)3 Auslesen des Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit
Die Steuerungs- und Auswertungseinheit liest die Soll-Ströme zu den nächstliegen- den Rotorwinkeln und dem Soll-Drehmoment aus der Wertetabelle des Datenspeichers aus. Die Werte der ausgelesenen vier umliegenden Tabellenpunkte werden mit den realen Werten verrechnet und die Entfernung der realen Werte des Soll- Drehmoments und des ersten Ist-Rotorwinkels zu den Tabellenpunkten bestimmt. Ein Beispiel für vier ermittelte Punkte ist in der Wertetabelle durch einen Rahmen hervorgehoben.
Durch eine bilineare Interpolation werden die Soll-Ströme aus den jeweiligen Soll- Strömen der vier Tabellenpunkte berechnet. b)4 Einstellen der Soll-Ströme durch den Stromregler
Der Stromregler stellt die berechneten Soll-Ströme für die jeweiligen Motorspulen ein. Es kann sich hierbei um jegliche aus dem Stand der Technik bekannte Art von Stromreglern handeln, welche ausreichend schnelle Schaltzeiten aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich um einen digitalen Stromregler. b)5 Strombeaufschlagung der Motorspulen
Der Stromregler leitet den Soll-Strom an die entsprechende Motorspule, wodurch ein magnetischer Fluss und in der Folge eine Kraft auf den Rotor erzeugt wird. b)6 Evaluation des Ist-Drehmoments mittels des Drehmomentevaluators
Der Drehmomentevaluator bestimmt das Ist-Drehmoment. Vorzugsweise wird das Ist-Drehmoment aus den verfügbaren Kenngrößen wie den Ist-Strömen und dem Rotorwinkel ermittelt. b)7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit Die Steuerungs- und Auswertungseinheit bestimmt eine Drehmomentabweichung durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments mit dem Ist-Drehmoment. b)8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs-und Aus wertungseinheit auf Grundlage der Drehmomentabweichung
Aus einer festgestellten Drehmomentabweichung ergibt sich, dass die Höhe des Soll-Stroms nicht vollständig geeignet war, das vorgegebene Soll-Drehmoment einzustellen. Zugleich ergibt sich aus der Höhe der festgestellten Drehmomentabwei chung eine Aussage, in welchem Maß ein geänderter Soll-Strom voraussichtlich dazu führen würde, dass das Ist-Drehmoment dem Soll-Drehmoment entspricht.
Erfindungsgemäß erfolgt die Berechnung für alle vier zuletzt verwendeten Tabel lenpunkte. Die Berechnung erfolgt in Abhängigkeit des verwendeten Interpolationsabstands (h, I) und der Drehmomentabweichung (Msoii-Mist). Ferner wird in die Berechnung eine Lernkonstante (Ki_ern) einbezogen. b)9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms
Die Steuerungs- und Auswertungseinheit schreibt die ermittelten Werte für die korrigierten Soll-Ströme in die Wertetupel der vier Tabellenpunkte. c) Wiederholte Durchführung des Teilzyklus bis zum Erreichen eines Motorwinkels, der einem vollständigen Motorstate entspricht
Als Motorstate wird die Betriebsphase des Motors von einer Kommutierung bis zur nächsten Kommutierung bezeichnet. Der Rotor durchläuft hierbei alle Winkelstel lungen beginnend von der Winkelstellung der einen Kommutierung bis zur nächsten Kommutierung. Die Winkelstellung am Ende eines Motorstates ist gleich der Winkelstellung zum Beginn des nächsten Motorstates.
Der Teilzyklus wird solange wiederholt, bis der Rotor des Elektromotors einen Rotationswinkel erreicht hat, welcher einer kongruenten Lage zu dem Rotationswinkel am Beginn eines nächsten Motorstates entspricht. Je nach Anzahl der Arme des Rotors erreicht dieser eine kongruente Lage für einen solchen Motorstate immer nach einem Winkel, der 360° dividiert durch die Anzahl der Motorstates entspricht. Dabei wird von einer rotationssymmetrischen Ausbildung des Rotors ausgegangen.
Bei einem dreiarmigen Rotor tritt eine Beendigung eines Motorstates alle 120° ein. Damit ist ein Gesamtzyklus erreicht. Ein Gesamtzyklus bezeichnet also die Gesamtheit aller Teilzyklen, die vom Beginn eines Motorstates bis zum Abschluss eines Motorstates durchgeführt werden.
Der Teilzyklus wird nach dem Erreichen des ersten Motorstates auch für den nächsten Motorstate durchgeführt und wiederholt, bis erneut ein Gesamtzyklus erreicht wird. d) Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus
Das Verfahren wird für alle folgenden Gesamtzyklen wiederholt.
Für eine vollständige Rotation des Rotors um 360° werden bei einem dreiarmigen Rotor drei Motorstates und damit drei Gesamtzyklen durchgeführt. Für jeden Motorstate wird jeweils immer wieder ein Teilzyklus durchgeführt, bis wieder ein Ge samtzyklus erreicht wird.
In dem Beispiel nach der Tabelle 1 wird ein erster Motorstate nach einer Rotation des Rotors um 60° abgeschlossen. Für eine vollständige Rotordrehung um 360° werden sechs Motorstates und somit sechs Gesamtzyklen durchlaufen. Dies wird für die Herbeiführung einer dauerhaften Rotation des Rotors fortlaufend wiederholt.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere folgende besonderen Vorteile auf.
Das Verfahren ist iterativ selbstlernend. Mit jedem Durchlauf eines Teilzyklus wer den die Tabellenpunkte bezogen auf den Wert des Soll-Stroms optimiert. Mit fortgesetzter Durchführung des Verfahrens werden alle Tabellenpunkte von der Optimierung erfasst. Durch die wiederholte Durchführung nähert sich der Soll-Strom immer weiter dem optimalen Wert an, so dass sich die Drehmomentabweichung asymptotisch gegen Null einstellt.
Bedingt durch die sich immer verbessernde Einstellung des Drehmoments wird als Vorteil eine besonders hohe Laufruhe und Geräuschreduzierung erreicht.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das Verfahren ohne Anpassung oder mit lediglich geringem Anpassungsaufwand bei unterschiedlichen Motoren anwendbar ist. Es ist lediglich erforderlich, die Wertetabelle zunächst mit grob ermittelten Werten zu besetzen, die lediglich eine Lauffähigkeit des Motors ermöglichen müssen. Durch die Anwendung des Verfahrens wird mit jedem Durchlauf der Teilzyklen und des Gesamtzyklus selbsttätig eine Optimierung der Werte des Soll-Stroms in Anpassung an den jeweiligen Motor erreicht.
Vorteilhaft ist zudem, dass das Verfahren eine selbsttätige Kompensierung etwaiger Fertigungstoleranzen bereitstellt.
Weiterhin besteht der Vorteil, dass das Verfahren eine selbsttätige Anpassung an sich möglicherweise erst im Laufe eines Betriebs des Motors sukzessiv ergebende Veränderungen, wie beispielsweise Unwuchten oder ein unrunder Lauf durch La gerverschleiß, bereitstellt. Das Verfahren bewirkt, dass die Soll-Ströme der jeweili- gen physischen Beschaffenheit des Motors, insbesondere dem Verschleißzustand angepasst werden.
Ferner besteht der Vorteil, dass die angetriebene Arbeitsgruppe nur geringen Schwingungen und somit geringeren dynamischen Belastungen ausgesetzt ist. Dadurch kann zusätzlich deren Lebensdauer erhöht werden.
Von besonderem Vorteil ist das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn es sich bei der elektromotorischen Vorrichtung um ein elektrisches Küchengerät, wie bei spielsweise einen Mixer oder ein Multifunktionsgerät mit einem Zerkleinerungswerk, oder um ein elektrisches Schiebe- oder Hubdach eines Automobils handelt. In diesen Fällen befindet sich die elektromotorische Vorrichtung in besonderer Nähe zum menschlichen Ohr, so dass eine Geräuschreduzierung besonders wichtig ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Wertetabelle für einen vollständigen Rotorumlauf ausgebildet.
Wird die Wertetabelle für einen vollen Rotorumlauf, also für eine Rotation um 360° ausgelegt, sind jeder physischen Lagebeziehung eines Rotorzahns zu einem Statorzahn Tabellenpunkte umkehrbar eindeutig zugeordnet. So können auch feinste Fertigungsunterschiede bei den einzelnen Rotor- oder Statorzähnen, Unwuchten oder Verschleißerscheinungen am Rotor durch das Verfahren ausgeglichen werden. Dadurch kann die Laufruhe des Elektromotors zusätzlich erhöht werden und selbst nach langen Laufzeiten gewährleistet werden.
Die elektromotorische Vorrichtung weist eine Elektromotoranordnung, einen Grundkörper und eine angetriebene Arbeitsgruppe auf.
Die Beschreibungsinhalte der vorstehenden Abschnitte, die sich auf die Elektromotoranordnung, den Grundkörper und die angetriebene Arbeitsgruppe im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehen, gelten in gleicher weise auch für die Elektromotoranordnung, den Grundkörper und die angetriebene Arbeitsgruppe als Bestandteile der erfindungsgemäßen elektromotorischen Vorrich tung. Auf diese Beschreibungsinhalte wird hiermit Bezug genommen.
Gemäß der erfindungsgemäßen elektromotorischen Vorrichtung ist die Elektromotoranordnung ausgebildet, Folgendes auszuführen: a) Speicherung einer Wertetabelle in dem Datenspeicher, welche mehrere Ta bellenpunkte enthält, wobei die Tabellenpunkte als Wertetupel gebildet werden. Die Wertetupel beinhalten jeweils ein Wertepaar aus einem Soll-Drehmoment und einem Rotorwinkel sowie einem zugeordneten Soll-Strom. b) Durchführung eines Teilzyklus b)1 Vorgabe eines Soll-Drehmoments b)2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors b)3 Auslesen des Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit, der dem ersten Wertepaar dem Soll-Drehmoment und dem ersten Ist-Rotorwinkel zugeordnet ist. Dabei werden die nächstliegenden zwei Tabellenpunkte zu dem vorgegebenen Soll-Drehmoment und die nächstliegenden zwei Tabellenpunkte zu dem Ist-Rotorwinkel ermittelt und die Entfernung der rea len Werte des Soll-Drehmoments und des ersten Ist-Rotorwinkels von den Tabellenpunkten berechnet. Der Soll-Strom wird durch bilineare Interpolation aus den jeweiligen Soll-Strömen der vier Tabellenpunkte ermittelt. b)4 Einstellen des Soll Stroms durch den Stromregler b)5 Strombeaufschlagung der Motorspulen b)6 Evaluation des Ist-Drehmoments mittel des Drehmomentevaluators b)7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments und des Ist- Drehmoments b)8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit auf der Grundlage der Drehmomentabweichung. Die Be rechnung erfolgt für alle vier zuletzt verwendeten Tabellenpunkte in Abhän gigkeit des verwendeten Interpolationsabstands. b)9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms. c) Wiederholte Durchführung des Teilzyklus bis zum Erreichen eines Rotorwinkels, der einem vollständigen Motorstate entspricht, und somit Ausbildung eines Gesamtzyklus. d) Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus
Die Beschreibungen zu den Verfahrensschritten bei dem Beschreibungsabschnitt zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gelten für die Ausbildung der Elektromotor anordnung zur Bereitstellung der vorstehenden Schritte in gleicher Weise.
Konkret ist der Datenspeicher ausgebildet, eine Wertetabelle mit Tabellenpunkten zu speichern. Hierbei sind die Tabellenpunkte durch Wertetupel gebildet, wobei jeder Wertetupel ein Wertepaar aus einem Soll-Drehmoment und einem Rotorwinkel sowie einen zugeordneten Soll-Strom aufweist.
Der Rotorwinkelsensor ist ausgebildet, einen Ist-Rotorwinkel zu erfassen und an die Steuerungs- und Auswertungseinheit sowie an den Drehmomentevaluator zu übertragen. Die Steuerungs- und Auswertungseinheit ist ausgebildet, aus dem Datenspeicher aus der dort gespeicherten Wertetabelle einen Soll-Strom auszulesen, der dem Wertepaar aus dem Soll-Drehmoment und dem ersten Ist-Rotorwinkel zugeordnet ist. Hierbei ist die Steuerungs- und Auswertungseinheit zur Ermittlung der nächst- liegenden Tabellenpunkte, zur Berechnung der Entfernung der realen Werte des Soll-Drehmoments und des ersten Ist-Rotorwinkels von den Tabellenpunkten und zur Berechnung des Soll-Stroms durch bilineare Interpolation aus den jeweiligen Soll-Strömen der vier Tabellenpunkte ausgebildet.
Der Stromregler ist ausgebildet, einen Soll-Strom, der von der Steuerungs- und Auswertungseinheit vorgegeben wird, für eine Beaufschlagung der Motorspulen einzustellen.
Der Drehmomentevaluator ist ausgebildet, einen Ist-Drehmoment zu ermitteln und den ermittelten Ist-Drehmoment an die Steuerungs- und Auswertungseinheit zu übertragen.
Die Steuerungs- und Auswertungseinheit ist ferner ausgebildet, durch einen Ver gleich des von dem Drehmomentevaluator erhaltenden Ist-Drehmoments mit dem Soll-Drehmoment eine Drehmomentabweichung zu bestimmen, auf der Grundlage der Drehmomentabweichung einen korrigierten Soll-Strom zu berechnen und die sen für die vier zuletzt verwendeten Tabellenpunkte in Abhängigkeit des Interpolationsabstands in dem Datenspeicher in die Wertetabelle einzuschreiben.
Die erfindungsgemäße elektromotorische Vorrichtung weist insbesondere nachfolgende Vorteile auf.
Es wird mit geringem gerätetechnischen Aufwand eine besonders hohe Laufruhe und Geräuschreduzierung erreicht. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass sich die Laufruhe und die Geräuschreduzierung mit fortgesetztem Betrieb immer weiter verbessert, da sich der Soll-Strom immer weiter dem optimalen Wert annähert und sich die Drehmomentabweichung asymptotisch gegen Null einstellt. Die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der physischen Motorkomponenten wie auch der angetriebenen Arbeitsgruppe können reduziert werden, da die Vorrichtung eine selbsttätige Kompensierung etwaiger Fertigungstoleranzen bereitstellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt zudem eine selbsttätige Anpassung an sich im Laufe eines Betriebs der Vorrichtung allmählich ergebende Veränderungen, wie beispielsweise Unwuchten oder ein unrunder Lauf durch Lagerverschleiß, bereit, indem die Soll-Ströme der jeweiligen physischen Beschaffenheit des Motors, insbesondere dem Verschleißzustand angepasst werden.
Ohne zusätzlichen Fertigungsaufwand kann die Lebensdauer der elektromotorischen Vorrichtung erhöht werden, da die angetriebene Arbeitsgruppe nur geringen Schwingungen und somit geringeren dynamischen Belastungen ausgesetzt ist.
Ferner gelten alle Vorteile, die das Verfahren betreffen, in entsprechender Weise auch für die elektromotorische Vorrichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der elektromotorischen Vorrichtung ist diese als ein elektromotorisch betriebenes Haushaltsgerät ausgebildet. Als ein Haushaltsgerät in diesem Sinne werden insbesondere, jedoch nicht einschränkend, Mixer, Pürierstäbe, Rührgeräte, Kaffeemühlen, Multifunktionsgeräte mit lebensmittelzerkleinernden Werken und Staubsauger angesehen.
Diese Haushaltsgeräte werden im Regelfall während des Betriebs handgeführt oder per Hand festgehalten, so dass sich der Bediener stets in unmittelbarer räumlicher Nähe befindet. Daher ist die Geräuschreduzierung sowie die Schwingungsreduzierung besonders vorteilhaft.
Nach einer weiterführenden vorteilhaften Weiterbildung ist die elektromotorische Vorrichtung als ein elektromotorisch betriebenes Haushaltsgerät ausgebildet, wobei die angetriebene Arbeitsgruppe ein Lebenmittelzerkleinerungswerk aufweist. Hierbei kann es sich insbesondere um ein Häckselwerk wie bei einem Mixer oder Pürierstab oder bei einem Multifunktionsgerät oder um ein Mahlwerk handeln.
Ein besonderer Vorteil besteht insofern, als neben dem Aspekt der Handführung solcher Geräte und der damit verbundenen räumlichen Nähe zu einem Bediener bei den in der Regel sehr schnell laufenden Elektromotoren dieser Geräte eine be sonders wirksame Geräuschreduzierung möglich wird.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist die elektromotorische Ausbildung als elektrisches Fahrzeugdach ausgebildet. Als elektrisches Fahrzeugdach wird ein elektromotorisch betriebenes Schiebedach, Hubdach oder Schiebe- und Hubdach verstanden.
Da derartige elektrische Fahrzeugdächer prinzipbedingt unmittelbar über dem Kopf eines Fahrzeugführers angeordnet sind, besteht ein besonders geringer Abstand zu den Ohren, so dass Betriebsgeräusche besonders intensiv wahrgenommen werden und die Konzentration des Fahrzeugführers beeinträchtigen können. Vorteilhaft ist somit die bewirkte Geräuschreduzierung besonders effektiv.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
Fig. 1 Elektromotorische Vorrichtung als Haushaltgerät in schematischer
Darstellung
Fig. 2 Elektromotoranordnung
Fig. 3 Schematischer Ablaufplan des Verfahrens
Fig. 4 Drehmomentverhalten einen Reluktanzmotors bei dem Verfahren
Fig. 5 Werte, Interpolation und Berechnung der Korrekturen näher erläutert.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektromotorische Vorrichtung, welche in dem Ausführungsbeispiel als ein elektromotorisch angetriebenes Haushaltsgerät ausgebildet ist. In dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Multifunktionsgerät, welches mit auswechselbaren angetriebenen Arbeitsgruppen versehen ist. Die Figur 1 zeigt den Grundkörper II, an dem die Elektromotoranordnung I und die angetriebene Arbeitsgruppe III angeordnet ist. Die angetriebene Arbeitsgruppe III weist eine Übertragungswelle auf, welche ein Lebensmittelzerkleinerungswerk 10 trägt. Bei dem Lebensmittelzerkleinerungswerk 10 handelt es sich in dem Ausführungsbeispiel um ein rotierendes Schneidmesser.
Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau der Elektromotoranordnung.
Die Elektromotoranordnung weist eine Steuerungs- und Auswertungseinheit 2, einen Datenspeicher 3, einen Stromregler 4, einen Rotorwinkelsensor 5, einen Drehmomentevaluator 6 und einen Elektromotor 1 auf.
Der Stromregler 4, der Rotorwinkelsensor 5 und der Drehmomentevaluator 6 sind jeweils mit dem Elektromotor 1 und der Steuerungs- und Auswertungseinheit 2 ver bunden.
In dieser Ausführung ist der Datenspeicher 3 mit der Wertetabelle in die Steue rungs- und Auswertungseinheit 2 integriert.
Der Elektromotor 1 weist einen Stator 7, einen Rotor 8 und mehrere Motorspulen 9 auf.
Der Stromregler regelt die Soll-Ströme für die Motorenspulen auf die von der Steuerungs- und Auswertungseinheit übermittelten Werte.
Der Rotorwinkelsensor 5 ermittelt die Stellung des Rotors 8 und übermittelt diese an die Steuerungs- und Auswertungseinheit 2 und an den Drehmomentevaluator 6. Der Drehmomentevaluator 6 ermittelt aus den am Elektromotor 1 anliegenden Kenngrößen, im Ausführungsbeispiel insbesondere aus dem tatsächlichen Strom, bezogen auf einen konkreten Rotorwinkel das Ist-Drehmoment und übermittelt die- ses ebenfalls an die Steuerungs- und Auswertungseinheit 2. Hieraus errechnet die Steuerungs- und Auswertungseinheit 2 eine Drehmomentabweichung sowie auf dieser Grundlage optimierte Soll-Stromwerte und trägt diese an Stelle der bisherigen Soll-Stromwerte in die Wertetabelle des Datenspeichers 3 ein.
Figur 3 stellt ein Schema des Verfahrens zum geräuschreduzierten Betreiben einer elektromotorischen Vorrichtung dar. Das Schema zeigt zusammengefasst alle Verfahrensschritte von a) bis d), wobei der Verfahrensschritt b) mit allen Teilschritten dargestellt ist. Der Teilzyklus (Verfahrensschritt b)) wird bis zum Erreichen des En des des ersten Motorstates wiederholt und nach Erreichen des ersten Motorstate erfolgt die Wiederholung bis zum Erreichen des Endes des nächsten Motorstates (Verfahrensschritt c)). Hierbei handelt es sich um einen Gesamtzyklus.
Der Gesamtzyklus wird für alle Motorstates wiederholt, bis eine volle Umdrehung des Rotors um 360° erreicht wird (Verfahrensschritt d)). Ist eine volle Rotordrehung abgeschlossen, kann der Ablauf in Gänze beliebig wiederholt werden, um eine dauerhafte Rotation zu bewirken.
Die Wertetabelle wird im Verfahrensschritt b)9 ständig aktualisiert.
Figur 4 zeigt eine Zusammenstellung von Grafiken zum Drehmomentverhalten des Elektromotors, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eines Reluktanzmotors, bei der Anwendung des Verfahrens. Am Anfang (t=0 bzw. links) zeigt der geschaltete Reluktanzmotor noch hohe Drehmomentspitzen, auch als Drehmomentrippel bezeichnet, welche durch eine nicht optimale Überlagerung der Teildrehmomente ins besondere beim Übergang von einem Motorstate zum Nächsten entstehen (unten links). Nach mehreren Gesamtzyklen sind die Drehmomentspitzen deutlich reduziert (unten rechts) und die Teildrehmomente überlagern sich vorteilhafter. Die Drehmomentspitzen sind verantwortlich für ein Schwingen der Rotorzähne und Statorzähne und damit für ein lautes Laufgeräusch des Reluktanzmotors. Die Reduzierung der Drehmomentspitzen bewirkt damit auch eine Reduzierung des Motorgeräuschs. Figur 5 zeigt die Interpolation der Werte im Koordinatensystem a) und die Berech nung der Korrekturen für die Soll-Ströme in Tabelle b).
Die Werteinterpolation gemäß dem Verfahrensschritt b)3 ist im Koordinatensystem a) grafisch dargestellt. Die Steuerungs- und Auswertungseinheit bekommt das Soll- Drehmoment vorgegeben und der Rotorwinkelsensor liefert den Ist-Rotorwinkel (©ist). Die Steuerungs- und Auswertungseinheit ermittelt die vier nächstgelegenen Tabellenpunkten (P11 , P12, P21 , P22) und interpoliert einen Soll-Strom ( oii) durch bilineare Interpolation. Der so durch Interpolation erhaltene Wert für einen Soll- Strom (Uoii) wird in Verfahrensschritt b)4 und b)5 durch den Stromregler eingestellt und an die Motorspulen geleitet.
In Verfahrensschritt b)6 wird das anliegende Ist-Dremoment (Mist) mittels des Dreh- momentevaluators evaluiert und in Verfahrensschritt b)7 durch die Steuerungs- und Auswertungseinheit mit dem Soll-Drehmoment (Msoii) zu einer Drehmomentabwei- chung (Msoii-Mist) verrechnet.
Fig. 5 zeigt in Tabelle b) die Berechnungsformeln für die Korrekturwerte (gemäß Verfahrensschritt b)8) mit der Drehmomentabweichung anhand der verwendeten Interpolationsabstände (h, I), einer Lernkonstante (Ki_em) und der Drehmomentab- weichung (Msoii-Mist).
Verwendete Bezugszeichen
I Elektromotoranordnung
II Grundkörper
III angetriebene Arbeitsgruppe
1 Elektromotor
2 Steuerungs-und Auswertungseinheit
3 Datenspeicher
4 Stromregler
5 Rotorwinkelsensor
6 Drehmomentevaluator
7 Stator
8 Rotor
9 Motorspulen
10 Lebensmittelzerkleinerungswerk

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum schwingungs- und geräuschreduzierten Betreiben einer elek tromotorischen Vorrichtung,
wobei die elektromotorische Vorrichtung eine Elektromotoranordnung (I), einen Grundkörper (II) und eine angetriebene Arbeitsgruppe (III) aufweist, wobei die Elektromotoranordnung (I),
einen Elektromotor (1), eine Steuerungs- und Auswertungseinheit (2), einen Datenspeicher (3), einen Stromregler (4), einen Rotorwinkelsensor (5) und einen Drehmomentevaluator (6) aufweist und
wobei der Elektromotor einen Stator (7), einen Rotor (8) und Motorspulen (9) aufweist, aufweisend folgende Verfahrensschritte: a) Definition einer Wertetabelle in dem Datenspeicher (3), aufweisend Tabellenpunkte, wobei diese durch Wertetupel gebildet werden,
und wobei jeder Wertetupel ein Wertepaar aus einem Soll-Drehmoment und einem Rotorwinkel sowie einen zugeordneten Soll-Strom aufweist, b) Durchführen eines Teilzyklus, dabei
b)1 Vorgabe eines Soll-Drehmoments
b)2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors b)3 mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit (2) erfolgt ein Auslesen des Soll-Stroms, der dem Wertepaar dem Soll-Drehmoment und dem ersten Ist- Rotorwinkel zugeordnet ist, dabei werden die nächstliegenden Tabellenpunkte ermittelt und die Entfernung der realen Werte des Soll-Drehmoments und des ersten Ist Rotorwinkel von den Tabellenpunkten berechnet, wobei der Soll-Strom durch bilineare Interpolation aus den jeweiligen Soll-Strömen der vier Tabellenpunkte ermittelt wird,
b)4 Einstellen des Soll-Stroms durch den Stromregler b)5 Strombeaufschlagung der Motorspulen (9)
b)6 Evaluation des Ist-Drehmoments mittels des Drehmomentevaluators (6), b)7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit (2) durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments und des Ist-Drehmoments,
b)8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit (2) auf der Grundlage der Drehmomentabweichung, wobei die Berechnung für alle vier zuletzt verwendeten Tabellenpunkte in Abhän gigkeit des verwendeten Interpolationsabstands erfolgt,
b)9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungs- und Aus wertungseinheit (2) und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms, c) wiederholte Durchführung des Teilzyklus, bis zum Erreichen eines Rotorwinkels, der einem vollständigen Motorstate entspricht, zur Ausbildung eines Gesamtzyklus, d) Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus,
2. Verfahren zum schwingungs- und geräuschreduzierten Betreiben einer elek tromotorischen Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wertetabelle für einen vollen Rotorumlauf ausgebildet ist.
3. Elektromotorische Vorrichtung,
aufweisend eine Elektromotoranordnung (I), einen Grundkörper (II) und eine angetriebene Arbeitsgruppe (III),
wobei die Elektromotoranordnung (I) einen Elektromotor (1), eine Steuerungs- und Auswertungseinheit (2), einen Datenspeicher (3), einen Stromregler (4), einen Rotorwinkelsensor (5) und einen Drehmomentevaluator (6) aufweist und wobei der Elektromotor (1) einen Stator (7), einen Rotor (8) und Motorspulen (9) aufweist, wobei der Elektromotor (1) in einer festen Lagebeziehung an dem Grundkör per (II) angeordnet ist und die angetriebene Arbeitsgruppe (III) mittels Rotati on antreibt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektromotoranordnung (I) ausgebildet ist, Folgendes auszuführen: a) Speicherung einer Wertetabelle in dem Datenspeicher (3), aufweisend Tabellenpunkte, wobei diese durch Wertetupel gebildet werden,
und wobei jeder Wertetupel ein Wertepaar aus einem Soll-Drehmoment und einem Rotorwinkel sowie einen zugeordneten Soll-Strom aufweist, b) Durchführen eines Teilzyklus, dabei
b)1 Vorgabe eines Soll-Drehmoments
b)2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors b)3 mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit (2) erfolgt ein Auslesen des Soll-Stroms, der dem Wertepaar dem Soll-Drehmoment und dem ersten Ist- Rotorwinkel zugeordnet ist, dabei werden die nächstliegenden Tabellenpunkte ermittelt und die Entfernung der realen Werte des Soll-Drehmoments und des ersten Ist Rotorwinkel von den Tabellenpunkten berechnet, wobei der Soll-Strom durch bilineare Interpolation aus den jeweiligen Soll-Strömen der vier Tabellenpunkte ermittelt wird,
b)4 Einstellen des Soll-Stroms durch den Stromregler
b)5 Strombeaufschlagung der Motorspulen (9)
b)6 Evaluation des Ist-Drehmoments mittels des Drehmomentevaluators (6), b)7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und Aus wertungseinheit (2) durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments und des Ist-Drehmoment,
b)8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit (2) auf der Grundlage der Drehmomentabweichung, wobei die Berechnung für alle vier zuletzt verwendeten Tabellenpunkte in Abhängigkeit des verwendeten Interpolationsabstands erfolgt, b)9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungs- und Aus wertungseinheit (2) und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms, c) wiederholte Durchführung des Teilzyklus, bis zum Erreichen eines Rotorwin kels, der einem vollständigen Motorstate entspricht, zur Ausbildung eines Gesamtzyklus, d) Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus
4. Elektromotorische Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektromotorische Vorrichtung als Haushaltsgerät ausgebildet ist.
5. Elektromotorische Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die angetriebene Arbeitsgruppe (III) ein Lebensmittelzerkleinerungs werk (10) aufweist.
6. Elektromotorische Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektromotorische Vorrichtung als elektrisches Fahrzeugdach ausgebildet ist.
HIERZU FÜNF SEITEN ZEICHNUNGEN
EP20716160.5A 2019-03-04 2020-02-27 Verfahren zum schwingungs- und geräuschreduzierten betreiben einer elektro- motorischen vorrichtung und elektromotorische vorrichtung Withdrawn EP3935730A1 (de)

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