WO2011026988A2 - Vorrichtung und verfahren zur rotorpositionsermittlung bei geringer drehzahl oder bei stillstand - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur rotorpositionsermittlung bei geringer drehzahl oder bei stillstand Download PDF

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    • H02P2203/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the means for detecting the position of the rotor
    • H02P2203/11—Determination or estimation of the rotor position or other motor parameters based on the analysis of high-frequency signals

Definitions

  • the present invention relates to a circuit and a method for determining the rotor position at low speed or at rotor standstill.
  • the speed or position of the motor rotor can be determined indirectly by measuring only electrical quantities (e.g., phase voltage and / or phase current).
  • electrical quantities e.g., phase voltage and / or phase current.
  • the position of the rotor can be determined by electromotive force (EMF) or by position-dependent inductance (also referred to as anisotropy or magnetic flexibility).
  • EMF electromotive force
  • position-dependent inductance also referred to as anisotropy or magnetic flexibility
  • the rotor is referred to as a rotor, regardless of whether a rotational or translational movement is performed.
  • a rotational or translational movement In a translation
  • the determined position angles are converted into correspondingly traveled distances.
  • WO2004019269A2 a rotor position detection is described, which is operated with pulse width modulation.
  • a pulse pause a high-frequency (HF) signal is fed into the electric motor. From the received return signal, the rotor position is estimated.
  • the disadvantage here is that the RF response signal is modulated onto the normal pulses. This requires a corresponding filtering of the pulses, which results in an inaccuracy.
  • US696746B1 a method has been described that represents an improved method for RF signal injection.
  • Object of the present invention is to eliminate the disadvantages of the prior art by means of an arrangement and a method for evaluating the signals obtained.
  • the filter consists of at least one capacitor. In a combination of this capacitor and a coil, the filter comprises an LC element. In a combination of the aforementioned capacitor and a resistor, the filter comprises an RC element. The filter is switched to high pass.
  • the Clarke transformation is used to determine the rotor position.
  • the voltages to the stator coils are transformed into two non-zero components (w "and wp) and a zero component (u 0 ): where u v , u v and u w denote the voltages of the stator coils U, V and
  • a high frequency (RF) voltage signal is impressed into the zero component.
  • the filter at the star point causes the passage of the RF signal and blocks the other frequency components of the zero component.
  • the RF signal There are several ways to impress the RF signal.
  • the first possibility is via a signal generator which is connected directly or via a transformer to the filter at the neutral point.
  • the frequency range is from 1 to 100 kHz.
  • the second option is to use pulse width modulation (PWM) for motors with inverters (inverters).
  • the filter at the neutral point is connected to the inverter.
  • the PWM-controlled inverter generates a zero component with a frequency equal to the switching frequency of the inverter. It is also possible to use harmonics of the switching frequency or a low-frequency HF signal fed into the PWM.
  • Magnetic features are present in most engines, albeit to a lesser extent. Due to the magnetic properties, the HF voltage signal, a current component in the non-zero component (i a and i ß ) impressed, from which the rotor position can be determined.
  • ⁇ ⁇ , i v and i w are the currents of the stator coils U, V and W.
  • the measured current must first be filtered in order to eliminate other frequency components which do not correspond to the frequency of the RF signal.
  • k c is a constant that depends on the motor, and ⁇ is the rotor position.
  • the constant k c is up to four times higher than in conventional methods where the RF voltage signal is impressed into the non-zero component.
  • the filtered current signals i a and i ⁇ are demodulated.
  • the demodulation is carried out by multiplying the current signals by the signal sin (cö c and is filtered by means of the following low-pass filter.)
  • the rotor position is determined as the rotor angle by calculating arctan2 of the two demodulated signals and then dividing by 2:
  • the rotor position can be determined from the two demodulated signals via a phase locked loop (PLL).
  • PLL phase locked loop
  • the current is sampled synchronously with the pulse width modulation.
  • the times at which the current is sampled are 90 degrees offset from the zero crossing of the zero component. So that the position can be determined according to the invention, the current values should be sampled immediately before the zero crossing of the zero component. This is possible by shifting the sampling time or by modifying the space vector pulse width modulation.
  • i dif k la k ⁇ la (fc-1)
  • i ' ⁇ dif k Z ' ⁇ fc - Z ' ⁇ (fc-1) where ke is the sample number.
  • the demodulated signals / t and k are then filtered with a low-pass filter, in which, for example, the instantaneous value and the value of the previous sampling period are averaged:
  • i ' av k ⁇ 2 (quarrel k + £ adem (fc-1))
  • Z ' ßav fc ⁇ (i ' ßdem / fc + Zßdem (fc-1))
  • T s is the sampling period
  • the rotor position is called rotor angle by the calculation of arctan2 of the signals iaav k and , and subsequent division by 2.
  • the rotor position can be determined from the two signals via a phase-locked loop (PLL).
  • PLL phase-locked loop
  • the RF signal is fed continuously or the PWM outputs a signal to generate or initiate the RF signal. Accordingly, the sampling of the current values, in which a signal is output by the PWM, detects the current component or the current component is constantly detected.
  • Another alternative is to generate the RF signal by the PWM by sending the PWM pulse for zero crossing as an RF signal with a frequency in the range of 1 kHz to 100 kHz, preferably 75 kHz.
  • the current component is determined. This makes it possible to send an RF signal at each zero crossing of a phase and to determine the current share after the filter.
  • the determination of the current component comprises the determination of a signal which is proportional to the current component.
  • the evaluation is carried out by determining the derivative of the signal.
  • Another alternative is to send at least parts of the PWM pulse outside the zero crossing as an RF signal. This means that no waiting is necessary until the next or the next zero crossing of a phase. This makes it possible in a time-shifted sequence each to send an RF signal and to determine the current share after the filter.
  • the RF signal is fed in addition to the PWM pulse, e.g. at the zero crossing or in the pauses between two PWM pulses.
  • the rotor position is calculated by means of trigonometric functions from the determined current component or current component signal.
  • the rotor position can be determined by current signal evaluation by means of phase-locked loop (PLL).
  • PLL phase-locked loop
  • a filter is connected to the neutral point of the stator coils.
  • the filter comprises a capacitor, LC element or RC element.
  • the filter is connected to a voltage source.
  • the voltage source comprises a signal generator, an inverter, an inverter or the PWM signal generation.
  • At least two stator coils are each equipped with a current connected measuring device.
  • the current measuring device comprises a transformer, one or more coils with or without ferrite core, individual wire windings with or without ferrite core, conductor tracks with ferrite core on a double-sided or single-sided circuit board.
  • the dimensions of the rotor are not limited. Preference is given to using rotors with a diameter of 3 mm to 5 m, particularly preferably 1 cm to 30 cm.
  • the number of poles is also not limited. Preference is given to using motors having a number of poles of 3 to 100, more preferably 7 to 50.
  • the RF signal is fed in addition to the PWM pulse. In this case, an RF voltage signal is fed into the neutral point of the stator windings during a PWM pulse. The RF signal passes through the stator coils.
  • the RF signal that has passed through the stator coils causes a non-zero component in the three-phase system (alpha-beta or d-q component). From this non-zero component, a current share signal is generated.
  • the current share signal comprises the current component, a different proportion of the current component or the derivative of the current component.
  • the rotor position is calculated by means of trigonometric functions from the determined current component or current component signal.
  • FIG. 1 shows a block diagram which is used for a rotor position determination in which the RF signal is impressed by means of a signal generator.
  • the motor 101 is supplied by any motor supply 100 (eg the grid or an inverter).
  • the filter 102 Via the filter 102, the star point of the motor is closed with a signal generator 103, which impresses an RF signal in zero component.
  • the signal generator 103 is related to the ground of the motor supply.
  • the resulting current is detected by a current transformer 104 which simultaneously converts the Clarke transform (see FIG. 2) so as to extract the non-zero component.
  • the sampler and AD converter 106 synchronized with the signal generator are used to demodulate and digitize the signals. Further signal processing is digital (eg via a microcontroller or FPGA).
  • the signal 107 filtered via a low-pass filter is used to calculate the rotor angle ⁇ 109 over arctan 108.
  • a current transformer arrangement 104 is shown, which implements the Clarke transformation.
  • Fig. 3 shows the invention when the RF signal is impressed by means of a signal generator used in a rotor position control drive system.
  • An RF voltage signal 301 is fed to an amplifier 302.
  • the RF signal passes through the capacitor (LC element) 304 and propagates in the stator coils.
  • the current components per stator coil are read out 306, filtered 307 and the rotor position is determined as an angle 309.
  • FIG. 4 is a block diagram used for rotor position determination in which the RF signal is impressed over the PWM controlled inverters. With a pulse width modulation of 400 generated for the motor 402, which are supplied via an inverter 401 to the motor 402.
  • the neutral point of the motor is closed with the intermediate circuit of the inverter (main inverter, inverter) 401. In this way, the zero component generated by the PWM acts on the motor coils.
  • the resulting current is detected via a current transformer 404.
  • the analog current signal is converted to digital 405.
  • the sampled current signal is transformed by phase quantities in a space vector (Clarke transform) 406, thus extracting the non-zero component.
  • the current current values are subtracted 407 from the previous sampled current values to eliminate lower frequency components.
  • Demodulation is done by changing sign 408 every other sample period 408.
  • the average of the signal over a sample period 409 is used to calculate the rotor angle ⁇ 411 over arctan 410.
  • Fig. 5 the circuit is shown by the filter connected to the neutral point of the motor and the intermediate circuit of the inverter.
  • the inverter acts as a voltage source and feeds an RF signal into the filter. This RF signal passes through the neutral point and the stator coils. After the stator coils, a signal is detected, which represents the current component.
  • Figure 6 shows the invention when the RF signal is impressed across the PWM controlled inverter used in a rotor position control drive system.
  • the control signals are a modified space vector pulse width modulation.
  • the corresponding control signals of the inverter are shown.
  • the generated zero component which is used for RF signal generation, is shown.
  • the sampling times (701, 702 and 703) are immediately before the zero crossings of the RF signal.
  • FIG. 8 shows the demodulated and filtered current signals i aa v and i ⁇ av as a function of the position.
  • FIG. 1 block diagram for rotor position detection
  • FIG. 3 block diagram for rotor position detection
  • FIG. 4 block diagram for rotor position detection
  • FIG. 6 block diagram for rotor position detection

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung und einen Verfahren zur Ermittlung der Rotorposition bei langsam drehenden Rotoren oder im Stillstand. Es wird hierbei ein HF-Signal im Sternpunkt eingespeist (Nullkomponente) und über die Verteilung des HF-Signals in den Spulen (Nicht-Nullkomponente) die Rotorlage ermittelt.

Description

Patentanmeldung
TITEL
Vorrichtung und Verfahren zur Rotorpositionsermittlung bei geringer Drehzahl oder bei Stillstand
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung und einen Verfahren zur Ermittlung der Rotorposition bei geringer Drehzahl oder bei Rotorstillstand. [Beschreibung und Einleitung des allgemeinen Gebietes der Erfindung]
Bei Elektromotoren versucht man zunehmend auf einen Sensor zur Drehzahloder Lageermittlung zu verzichten. Das hat die Vorteile, dass weniger Teile verbaut werden müssen und der Elektromotor damit weniger störanfällig ist.
Die Drehzahl oder Lage des Motorläufers kann indirekt über die Messung nur elektrischer Größen (z.B. Phasenspannung und/oder Phasenstrom) ermittelt werden. Bei Synchronmotoren kann die Lage des Läufers über die Elektromotorische Kraft (EMK) oder über lageabhängige Induktivität (auch als Anisotropie oder magnetische Schenkligkeit bezeichnet) ermittelt werden.
[Stand der Technik]
Im folgenden wird der Läufer als Rotor bezeichnet, unabhängig davon ob eine Rotations- oder Translationsbewegung durchgeführt wird. Bei einer Translationsbe- wegung z.B. in Linearmotoren werden die ermittelten Positionswinkel in entsprechend zurückgelegte Strecken umgerechnet.
Es sind bereits Verfahren zur Erkennung der Rotorposition bekannt.
In der WO2004019269A2 ist eine Rotorpositionserkennung beschrieben, die mit Pulsbreitenmodulation betrieben wird. In einer Pulspause wird ein hochfrequentes (HF) Signal in den Elektromotor eingespeist. Aus dem empfangenen Rücksignal wird die Rotorposition abgeschätzt. Nachteilig hierbei ist, dass das HF-Antwort- Signal auf die normalen Pulse aufmoduliert ist. Damit muss eine entsprechende Filterung der Pulse durchgeführt werden, woraus eine Ungenauigkeit resultiert. In der US696746B1 ist ein Verfahren beschrieben worden, das ein verbessertes Verfahren zur HF-Signal-Einspeisung darstellt.
In der DE10393429 ist eine Verfahren beschrieben worden, bei dem durch Ein- speisung eines HF-Signals die Rotorposition abgeschätzt wird.
In mehreren Schriften werden die resultierenden Ströme bzw. die Gegen- elektromotorische Kraft gemessen z.B. US2002043953A1 , US200900398410A1 , EP500295B1 .
Die bisherigen Verfahren weisen einige Nachteile auf. Verfahren, die auf der Ermittlung der Gegen-elektromotorischen Kraft basieren, verlieren ihre Genauigkeit bei niedriger Drehzahl, und sind nicht fähig die Lage des Rotors im Stillstand zu ermitteln. Methoden die auf lageabhängiger Induktivität basieren, ermöglichen die Lageermittlung auch im Stillstand, benötigen aber eine erhebliche Schenkligkeit. In den bisherigen Verfahren, die auf lageabhängiger Induktivität basieren, wird ein Strom- oder Spannungssignal als Nicht-Nullkomponente (aß oder dq Komponenten) eingeprägt, das heißt, der Sternpunkt ist isoliert. Da das Signal als Nicht- Nullkomponente eingeprägt wird, reduziert sich der nutzbare Spannungsbereich die zur Steuerung des Motors verbleibt. Diese Verfahren verfügen über eine niedrige Sensitivität bezüglich der Schenkligkeit, eine träge Dynamik und das eingeprägte Signal zur Rotorpositionsermittlung verursacht eine Wechselwirkung mit dem Stromregelkreis.
[Aufgabe]
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Nachteile des Standes der Technik mittels einer Anordnung und eines Verfahrens zur Auswertung der erhaltenen Signale zu beseitigen.
[Lösung der Aufgabe]
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung in einem Elektromotor, bei dem der Sternpunkt der Statorspulen mit einem Filter verbunden ist.
Der Filter besteht zumindest aus einem Kondensator. In einer Kombination aus diesem Kondensator und einer Spule umfasst der Filter ein LC-Glied. In einer Kombination aus vorgenanntem Kondensator und einem Widerstand umfasst der Filter ein RC-Glied. Der Filter ist als Hochpass geschaltet.
Zur Ermittlung der Rotorposition wird die Clarke-Transformation angewendet. Da- bei werden die Spannungen an die Statorspulen in zwei Nicht-Nullkomponenten ( w« und wp ) und eine Nullkomponente ( u0 ) transformiert :
Figure imgf000005_0001
dabei bezeichnen uv , uv und uw die Spannungen der Statorspulen U , V und
W .
Es wird ein hochfrequentes (HF)-Spannungssignal in die Nullkomponente eingeprägt. Der Filter am Sternpunkt bewirkt die Durchleitung des HF-Signals und sperrt die anderen Frequenzanteile der Nullkomponente.
Es bestehen mehrere Möglichkeiten zur Einprägung des HF-Signals. Die erste Möglichkeit, ist über einen Signalgenerator der direkt oder über einen Transformator an den Filter am Sternpunkt angeschlossen ist. Der Frequenzbereich reicht von 1 bis 100 kHz. Die zweite Möglichkeit besteht in der Verwendung der Pulswei- tenmodulation (PWM) bei Motoren mit Wechselrichter (Inverter). Der Filter am Sternpunkt wird mit dem Wechselrichter verbunden. Damit kann die Nullkomponente des Wechselrichters auf die Motorspulen wirken. Der PWM-gesteuerte Wechselrichter erzeugt eine Nullkomponente mit einer Frequenz gleich zur Schaltfrequenz des Wechselrichters. Es sind auch Oberschwingungen der Schaltfre- quenz oder ein in die PWM eingespeistes HF-Signal mit niedriger Frequenz verwendbar.
In beide Möglichkeiten kann eine höhere Frequenz eingeprägt werden als in herkömmlichen Verfahren. Das wiederum ermöglicht eine schnellere Dynamik in der Positionsermittlung.
In den meisten Motoren sind magnetische Schenkligkeiten vorhanden, auch wenn nur in geringer Ausmaße. Aufgrund der magnetische Schenkligkeiten, wird dem HF-Spannungssignal ein Stromanteil in der Nicht-Nullkomponente ( ia und iß ) eingeprägt, aus denen die Rotorposition ermittelt werden kann.
Figure imgf000007_0001
wobei ίυ , iv und iw die Ströme der Statorspulen U , V und W sind.
Es gibt mehrere Varianten zur Anwendung dieser Rotorpositionsermittlung.
Wenn das HF-Signal mittels Signalgenerator eingeprägt wird, ist der gemessene Strom erst zu filtern, um andere Frequenzkomponenten, die nicht der Frequenz des HF-Signals entsprechen, zu beseitigen.
Für eine eingeprägte Spannung:
Figure imgf000007_0002
wobei a der Betrag und co die Kreisfrequenz des HF-Signals sind, ergibt sich annähernd:
Figure imgf000007_0003
jß = _^ckc_ sin(29) sin(ff)ci) j
03c
wobei kc eine Konstante ist, der vom Motor abhängt, und Θ die Rotorposition ist. Die Konstante kc ist bis zu vier mal höher als in herkömmliche Verfahren, wo das HF-Spannungssignal in die Nicht-Nullkomponente eingeprägt wird.
Die gefilterten Stromsignale ia und iß werden demoduliert. Die Demodulation erfolgt durch Multiplikation der Stromsignale mit dem Signal sin(cöc und wird mittels nachfolgendem Tiefpass gefiltert. Eine andere Möglichkeit der Demodulation besteht bei der synchronen Abtastung der Stromsignale in den Zeitpunkten, in denen o)c t = π/2+ 2πΚ , mit k e die Abtastzahl ist. Nach dieser Demodulation ergibt sich:
Figure imgf000008_0001
Die Rotorposition wird als Rotorwinkel durch die Berechnung von arctan2 der zwei demodulierten Signale und anschließender Division durch 2 ermittelt:
20 = atan 2(-i'ß(fc , iak )
Alternativ kann die Rotorposition aus der zwei demodulierten Signale über einen Phasenregelkreis (PLL) ermittelt werden.
Wenn das HF-Signal mittels Pulsweitenmodulation (PWM) eingeprägt wird, gibt es auch andere Möglichkeiten zur Rotorpositionsermittlung.
Bei der üblichen Raumzeiger-Pulsweitenmodulation, ergibt sich eine Nullkomponente die annährend rechteckig ist, und dessen Frequenz gleich zur Schaltfrequenz des Wechselrichters ist.
In der Regel, in über einen Wechselrichter gespeisten Motoren, wird der Strom synchron zur Pulsweitenmodulation abgetastet. Die Zeitpunkte, in dem der Strom abgetastet wird, liegen 90 Grad versetzt vom Nulldurchgang der Nullkomponente. Damit erfindungsgemäß die Position ermittelt werden kann, sollen die Stromwerte unmittelbar vor dem Nulldurchgang der Nullkomponente abgetastet werden. Das ist möglich durch Verschiebung des Abtastzeitpunkts oder durch Modifikation der Raumzeiger-Pulsweitenmodulation.
Niedrigere Frequenzkomponenten werden beseitigt, indem der momentane Stromwert vom vorher abgetasteten Stromwert abgezogen wird:
i dif k = la k ~ la (fc-1) i'ßdif k = Z'ß fc - Z'ß (fc-l) wobei k e die Abtastzahl ist.
Anschließend werden die resultierenden Stromsignale i«dif k und ipdif k demoduliert, indem der Vorzeichen jeder zweite Abtastperiode geändert wird:
i'adem fc = «adif k (-l)(fc+1)
ißdem /fc = ißdif k (-l)(fc+1)
Die demodulierten Signale /«dem t und
Figure imgf000009_0001
k , werden dann mit einem Tiefpass gefiltert, in dem z.B. der momentane Wert und der Wert der vorherigen Abtastperiode gemittelt werden:
i' av k = ~2 (hadern k + £adem (fc-1) ) Z'ßav fc = ^ (i'ßdem /fc + Zßdem (fc-1) )
Beim vorliegen einer magnetischen Schenkligkeiten im Motor, ergibt sich:
laav k = acTskc cos(20)
i'ßavfc = -acTskc sin(20)
wobei Ts die Abtastperiode ist.
Die Rotorposition wird als Rotorwinkel durch die Berechnung von arctan2 der Signale iaav k und
Figure imgf000009_0002
, und anschließender Division durch 2 ermittelt. Alternativ kann die Rotorposition aus den zwei Signalen über einen Phasenregelkreis (Phase- Locked-Loop (PLL)) ermittelt werden.
Durch die Ermittlung des Winkels ist es möglich die Geschwindigkeit des Rotors zu erfassen.
Das HF-Signal wird ständig eingespeist oder die PWM gibt ein Signal zur Generierung oder Einleitung des HF-Signals aus. Entsprechend erfolgt die Abtastung der Stromwerte, in dem von der PWM ein Signal ausgegeben wird den Stromanteil zu erfassen oder es wird ständig der Stromanteil erfasst. Eine andere Alternative ist die Generierung des HF-Signals durch die PWM indem der PWM-Puls für den Nulldurchgang als ein HF-Signal mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz bevorzugt 75 kHz gesendet wird. Nach der Durchleitung des HF-Signals durch den Sternpunkt und den am Sternpunkt angeschlos- senen Filter wird der Stromanteil ermittelt. Dadurch ist es möglich bei jedem Nulldurchgang einer Phase ein HF-Signal zu senden und den Stromanteil nach dem Filter zu ermitteln. Die Ermittlung des Stromanteils umfasst die Ermittlung eines Signals, das im Verhältnis zum Stromanteil steht. Die Auswertung erfolgt durch die Ermittlung der Ableitung des Signals.
Eine weitere Alternative ist es zumindest Teile des PWM-Pulses außerhalb des Nulldurchgangs als HF-Signal zu senden. Damit ist keine Abwartung bis zum nächsten oder übernächsten Nulldurchgang einer Phase notwendig. Damit ist es möglich in einer zeitversetzten Abfolge jeweils ein HF-Signal zu senden und den Stromanteil nach dem Filter zu ermitteln.
Alternativ wird das HF-Signal zusätzlich zum PWM-Puls eingespeist z.B. beim Nulldurchgang oder in den Pausen zwischen zwei PWM-Pulsen.
Die Rotorposition wird mittels trigonometrischer Funktionen aus dem ermittelten Stromanteil oder Stromanteilssignal berechnet. Alternativ kann die Rotorposition durch Stromsignalauswertung mittels Phasenregelkreis (PLL) ermittelt werden.
In einer weiteren Ausführung wird an den Sternpunkt der Statorspulen ein Filter angeschlossen. Der Filter umfasst dabei einen Kondensator, LC-Glied oder RC- Glied. Der Filter mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Spannungsquelle umfasst dabei einen Signalgenerator, einen Wechselrichter, einen Inverter oder die PWM-Signalerzeugung. Mindestens zwei Statorspulen sind mit je einer Strom- messeinrichtung verbunden. Die Strommesseinrichtung umfasst dabei einen Transformator, eine oder mehrere Spulen mit oder ohne Ferritkern, einzelne Draht-Wicklungen mit oder ohne Ferritkern, Leiterbahnen mit Ferritkern auf einer doppelseitigen oder einseitigen Leiterplatte.
Die Abmessungen des Rotors sind nicht begrenzt. Bevorzugt werden Rotoren mit einen Durchmesser von 3 mm bis 5 m, besonders bevorzugt 1 cm bis 30 cm eingesetzt. Die Anzahl der Pole ist ebenfalls nicht begrenzt. Bevorzugt werden Motoren mit einer Polzahl von 3 bis 100, besonders bevorzugt 7 bis 50 eingesetzt. Das HF-Signal wird zusätzlich zum PWM-Puls eingespeist. Dabei wird ein HF- Spannungssignal in den Sternpunkt der Statorwicklungen während eines PWM- Pulses eingespeist. Das HF-Signal durchläuft die Statorspulen.
Das HF-Signal, das die Statorspulen durchlaufen hat, bewirkt eine Nicht- Nullkomponente in dem Dreiphasensystem (Alpha - Beta oder d - q - Komponente). Von dieser Nicht-Nullkomponente wird ein Stromanteilssignal erzeugt. Das Stromanteilssignal umfasst den Stromanteil, ein zum Stromanteil im Verhältnis stehendes anderes Signal oder die Ableitung des Stromanteils.
Die Rotorposition wird mittels trigonometrischer Funktionen aus dem ermittelten Stromanteil oder Stromanteilssignal berechnet.
Durch Verwendung einer Wertetabelle, durch Glättungsfunktionen oder durch sta- tistische Funktionen ist eine genauere Bestimmung der Rotorposition möglich.
[Ausführungsbeispiele]
In der Fig. 1 ist ein Blockschaltbild dargestellt, der für eine Rotorpositionsbestimmung verwendet wird, indem das HF-Signal mittels Signalgenerator eingeprägt wird. Dabei wird der Motor 101 von einer beliebigen Motorspeisung 100 versorgt (z.B. das Netz oder ein Wechselrichter). Über den Filter 102 wird der Sternpunkt des Motors mit einem Signalgenerator 103 geschlossen, der ein HF-Signal in Nullkomponente einprägt. Der Signalgenerator 103 ist zur Masse der Motorspeisung bezogen. Der resultierende Strom wird über einen Stromwandler 104 er- fasst, der gleichzeitig die Clarke-Transformation umsetzt (siehe Fig. 2), um so die Nicht-Nullkomponente extrahieren. Die mit dem Signalgenerator synchronisierten Abtaster und AD-Wandler 106 dienen zur Demodulation und Digitalisierung der Signale. Die weitere Signalbearbeitung erfolgt digital (z.B. über einen Mikrokon- troller oder FPGA). Das über einem Tiefpassfilter gefilterte Signal 107, wird zur Berechnung des Rotorwinkels Θ 109 über arctan 108 verwendet.
In Fig. 2 wird eine Stromwandler-Anordnung 104 dargestellt, der die Clarke- Transformation umsetzt. Die Fig. 3 zeigt die Erfindung, wenn das HF-Signal mittels Signalgenerator eingeprägt wird, angewendet in einem Antriebsystem mit Rotorpositionsregelung.
Es wird ein HF-Spannungssignal 301 in einen Verstärker 302 eingespeist. Das HF-Signal passiert den Kondensator (LC-Glied) 304 und breitet sich in den Statorspulen aus. Die Stromanteile pro Statorspule werden ausgelesen 306, gefiltert 307 und die Rotorposition als Winkel ermittelt 309.
In der Fig. 4 ist ein Blockschaltbild dargestellt, der für eine Rotorpositionsbestimmung verwendet wird, indem das HF-Signal über der PWM gesteuerten Wechselrichter eingeprägt wird. Dabei wird mit einer Pulsweitenmodulation 400 Steuersig- nale für den Motor 402 generiert, die über einen Wechselrichter 401 dem Motor 402 zugeführt werden.
Über den Filter 403 wird der Sternpunkt des Motors mit dem Zwischenkreis des Wechselrichters (Hauptwechselrichter, Inverter) 401 geschlossen. In diese Weise wirkt die vom PWM erzeugten Nullkomponente auf die Motorspulen.
Der resultierende Strom wird über einen Stromwandler 404 erfasst. Nach einen mit den PWM 400 synchronisierte Abtastung 405, wird das analoge Stromsignal in ein digitales gewandelt 405. Das abgetastete Stromsignal wird von Phasengrößen in einem Raumzeiger transformiert (Clarke-Transformation) 406 und so die Nicht- Nullkomponente extrahiert. Die momentanen Stromwerte werden vom vorherigen abgetasteten Stromwerte abgezogen 407, um niedrigere Frequenzkomponenten zu beseitigen. Eine Demodulation erfolgt indem das Vorzeichen jeder zweite Abtastperiode geändert wird 408. Der Mittelwert des Signals über eine Abtastperiode 409, wird zur Berechnung des Rotorwinkels Θ 411 über arctan 410 verwendet.
In der Fig. 5 ist die Schaltung vom Filter verbunden mit dem Sternpunkt des Motors und dem Zwischenkreis des Wechselrichters dargestellt. Der Wechselrichter wirkt dabei als Spannungsquelle und speist ein HF-Signal in den Filter ein. Dieses HF-Signal durchläuft den Sternpunkt und die Statorspulen. Nach den Statorspulen wird ein Signal ermittelt, was den Stromanteil darstellt.
Die Fig. 6 zeigt die Erfindung, wenn das HF-Signal über den mittels PWM gesteuerten Wechselrichter eingeprägt wird, angewendet in einem Antriebsystem mit Rotorpositionsregelung. In der Fig. 7 (a) sind die Steuersignale eine modifizierte Raumzeiger- Pulsweitenmodulation dargestellt. In der Fig. 7 (b) sind die entsprechende Steuersignale des Wechselrichters dargestellt. In der Fig. 7 (c) ist die erzeugte Nullkomponente, die zur HF-Signal Generierung dient, dargestellt. Die Abtastzeitpunkte (701 , 702 und 703) liegen unmittelbar vor den Nulldurchgängen des HF-Signals.
In der Fig. 8 sind die demodulierten und gefilterte Stromsignale iaav und ißav als Funktion der Position dargestellt.
[Abbildungslegenden und Bezugszeichenliste]
Fig. 1 Blockschaltbild zur Rotorpositionserkennung
Fig. 2 Ermittlung des Stromanteils
Fig. 3 Blockschaltbild zur Rotorpositionserkennung
Fig. 4 Blockschaltbild zur Rotorpositionserkennung
Fig. 5 Schaltung des Wechselrichters, Motor und Sternpunkfilter
Fig. 6 Blockschaltbild zur Rotorpositionserkennung
Fig. 7 HF-Signal in Nullkomponente
Fig. 8 Demodulierten und gefilterte Stromsignale

Claims

[Ansprüche]
1 . Eine Anordnung zur Ermittlung der Rotorposition dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunkt eine Verbindung zu einem Filter mit Spannungsquelle aufweist.
2. Eine Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle einen Signalgenerator, einen Wechselrichter, einen Inverter oder die Pulsweitenmodulations-Signalerzeugung umfasst.
3. Eine Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Filter einen Kondensator, ein LC-Glied oder RC-Glied umfasst.
4. Eine Anordnung nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Sternpunkt eine Verbindung zu den Statorspulen aufweist, wobei mindestens zwei Statorspulen je eine Strommesseinrichtung aufweisen.
5. Eine Baugruppe zur Ermittlung der Rotorposition dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen an einen Sternpunkt angeschlossenen Filter mit Spannungsquelle und eine Auswerteeinheit aufweist.
6. Ein Verfahren zur Ermittlung der Rotorposition dadurch gekennzeichnet, dass ein hochfrequentes(HF)-Signal eingeprägt und durch einen am Sternpunkt angeschlossenen Filter nach Anspruch 3 durchgeleitet wird.
7. Ein Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein HF-Signal in die Nullkomponente eingeprägt wird.
8. Ein Verfahren nach Ansprüchen 6 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das HF- Signal über ein mit Pulsweitenmodulation gesteuerten Wechselrichter in die Nullkomponente eingeprägt wird.
9. Ein Verfahren nach Ansprüchen 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass mittels ein HF-Spannungssignal in der Nullkomponente ein HF-Stromsignal in der Nicht- Nullkomponente erzeugt wird.
10. Ein Verfahren nach Ansprüchen 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass in einer Auswerteeinheit der Stromanteil des HF-Spannungssignals ermittelt und mittels trigonometrischer Funktionen in einen Rotorwinkel umgerechnet wird.
1 1 . Ein Verfahren nach Ansprüchen 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass in einer Auswerteeinheit der Stromanteil des HF-Spannungssignals ermittelt und mittels Phasenregelkreis in einen Rotorwinkel umgerechnet wird.
12. Ein Verfahren nach Ansprüchen 6 bis 1 1 dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten HF-Spannungssignale eine Frequenz im Bereich 1 kHz bis 100 kHz bevorzugt 25 kHz umfassen.
13. Ein Verfahren nach Ansprüchen 6 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das HF-Spannungssignale zuerst durch den Filter und dann durch den Sternpunkt geleitet wird.
14. Ein Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die von der PWM erzeugten Pulse zumindest anteilig als HF-Spannungssignal mit einer Frequenz im Bereich 1 kHz bis 100 kHz bevorzugt 75 kHz ausgebildet sind.
15. Ein Verfahren nach Ansprüchen 6 und 14 dadurch gekennzeichnet, dass HF- Spannungssignale zuerst durch den Sternpunkt und dann durch den Filter geleitet wird.
16. Ein Verfahren nach Ansprüchen 6, 14 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass in einer Auswerteeinheit der Stromanteil des HF-Spannungssignals ermittelt und mit- tels trigonometrischer Funktionen in einen Rotorwinkel umgerechnet wird.
17. Ein Verfahren nach Ansprüchen 6, 14 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass in einer Auswerteeinheit der Stromanteil des HF-Spannungssignals ermittelt und mittels Phasenregelkreis in einen Rotorwinkel umgerechnet wird.
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