Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Rotorposition eines EC-Motors, sowie insbesondere ein Verfahren zur geräuschreduzierten Ermittlung der Rotorposition eines EC-Motors bei oder nahe dem Stillstand des Rotors.

Aus dem Stand der Technik sind bereits diverse Verfahren bekannt, um die Lage einer Rotorwelle sensorlos zu erfassen. Aus der Druckschrift EP 1 005 716 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei der die Drehlageabhängigkeiten von

Polwicklungsinduktivitäten am Sternpunkt als Messpunkt abgegriffen werden, wobei angegeben ist, dass die Potentialschwankungen messtechnisch zur Ermittlung der Rotordrehlage anhand vorgespeicherter Zuordnungsrelationen zwischen Potential und Drehlage ausgewertet werden. Hierbei beruht die Drehlageabhängigkeit der Polwicklungsinduktivitäten auf Änderungen der Magnetisierung von Polwicklungskernen durch das Erregerfeld. Je nach relativer Anordnung von Polwicklungskernen und Erregerfeld können sich aufgrund der Abhängigkeit des für die Induktivität maßgebenden Induktionsflusses von der magnetischen Feldstärke des Erregerfeldes unterschiedlicheMagnetisierungen der Polwicklungskerne ergeben, die sich auf die Induktivität der Polwicklungen auswirken. Diese Methode verwendet sozusagen magnetische "Marker", die ein auswertbares Muster im Verlauf über eine mechanische Umdrehung erzeugen, woraus man die mechanische Position der Rotorwelle ermitteln kann.

Nachteilig sind dabei, der höhere Fertigungsaufwand und die damit verbundenen höheren Fertigungskosten. Ferner werden störende Oberwellen im Luftspalt erzeugt, die dem Optimierungsgrundsatz für Ventilatorenantriebe widerspricht, da hierdurch unerwünschte Geräusche durch ungleichmäßige Luftspaltinduktion entstehen.

Aus der DE 10 2006 046 637 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Zustandsinformation der Ausrichtung eines ausgewählten Phasenstrangs zum Nord- oder Südpol bzw., bei vielpoligen Maschinen, den Nordpolen oder Südpolen des Magnetfeldes erhalten werden. Je nach Stellung des Rotors führen Bestromungen entweder zu einer Erhöhung oder Verringerung der Induktivität des betreffenden Phasenstrangs, so dass durch die Auswertung eines von der geänderten Induktivität abhängigen Signals auf die Drehlage vor einem Nord- oder Südpol geschlossen werden kann. Eine solche Beeinflussung liegt insbesondere dann vor, wenn das Messsignal das Potential am Sternpunkt im Stern verschalteter Phasenstränge der elektrischen Maschine ist. Ferner wird eine Einrichtung vorgeschlagen, welche Spannungsimpulse an wenigstens einen der Polwicklungsphasenstränge anlegt und zur Ermittlung der Drehlage des Rotors innerhalb einer halben magnetischen Periode durch die Spannungsimpulse das am Sternpunkt der im Stern verschalteten Phasenstränge erzeugte Potential auswertet. Die vorgeschlagene Lösung der impulsförmigen Anregung innerhalb eines PWM-Taktes ist für Ventilatoranwendungen nicht geeignet, wenn aufgrund parasitärer kapazitiver Kopplungen das Messsignal fehleranfällig ist.

In der Druckschrift US 2014 0 077 738 A ist eine Lösung mit einem geringfügig erweiterten Anwendungsbereich vorgeschlagen, die aber für Motoren deren Wiek- lungseigenfrequenz nicht hoch genug ist, um ein vollständiges Einschwingen des Messsignals in der zur Verfügung stehenden Zeit zu gewährleisten, nicht geeignet ist. Das genannte Problem bleibt ferner vorhanden, wenn z. B. zur Reduzierung der Geräusche die PWM-Frequenz angehoben wird und sich somit die Messdauer entsprechend reduziert.

Aus den Offenbarungen DE 10 2006 046 638 A1 , DE 10 2013 109 379 A1 und der EP 1 856 792 B1 sind weitere Verfahren zur Bestimmung der Rotorposition bekannt, bei der aber unerwünschte Nachteile, wie z. B. zusätzliche Messeinrichtungen, vorhanden sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Lösung vorzuschlagen, die mit geringem Bauteilaufwand realisierbar ist und mit der eine zuverlässige und verbesserte Bestimmung der Rotorlage eines Permanentmagnet-Synchronmotors möglich ist, insbesondere wenn der Rotor steht oder sich nur langsam dreht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß den Patentansprüchen 1 und 3 gelöst.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Information aus dem Messsignal, aus der Differenzspannung zwischen dem Sternpunkt einer Sternpunktschaltung und einem definierten Referenzpunkt als spezifische Antwortfunktion auf ein spezifisches Anregungssignal mit (maximal) einer niederfrequenten und wenigstens einer hochfrequenten Komponenten zu erhalten und dieses auszuwerten. Insbesondere kann erfindungsgemäß aus der rotorpositionsabhängigen Phasenverschiebung dieses Messsignals, der rotorpositionsabhängigen Phasenverschiebung der Einhüllenden und dem rotorpositionsabhängigen Amplitudenunterschied des erhaltenen Messsignals die Rotorlage bestimmt werden.

Erfindungsgemäß wird daher ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit einem Rotor und einem Stator mit drei Wicklungsträngen vorgesehen, die in einem Sternpunkt in Sternschaltung verbunden sind und wobei drei Wicklungsanschlüsse zum Verbinden mit einem Pulswechselrichter vorgesehen sind, sowie eine Einrichtung zur Bestim- mung der Sternpunktdifferenzspannung zwischen dem Sternpunkt und einem Referenzpunkt und einer Lageermittlungseinrichtung zur Ermittlung der relativen Drehlage des Rotors aus dem aus der Sternpunktdifferenzspannung erhaltenen Messsignal als Antwort auf das Anlegen eines Anregungssignals, wobei eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Anregungssignal vorgesehen ist, das durch eine niederfrequente Komponente und wenigstens eine hochfrequente Komponente charakterisiert ist, wobei die Lageermittlungseinrichtung die Drehlage des Rotors zumindest teilweise aus der hochfrequenten Komponente und der Einhüllenden des Messsignals ermittelt.

Das Anregungssignal stellt bevorzugt eine Anregungsspannung dar. Dabei handelt es sich um ein zur Betriebsfrequenz zusätzliches Wechselsignal (bevorzugt demnach eine Wechselspannung) dessen Frequenz oberhalb der Betriebsfequenz des Motors liegt. Besonders vorteilhaft ist ein schmalbandiges Spektrum. Dadurch kann die Anregungsfrequenz in einem für den Antrieb vorteilhaften Frequenzbereich gewählt werden, was auch in Bezug auf das Geräuschverhalten Vorteile bringt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ferner eine Vorrichtung zur Messsignalaufbereitung, insbesondere zur Filterung des erhaltenen Messsignals vorgesehen ist.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Rotorposition eines Permanentmagnet-Synchronmotor, wobei an dessen Motorklemmen das besagte Anregungssignals, aufweisend eine niederfrequente Komponente und wenigstens eine hochfrequente Komponente, angelegt wird und die Drehlage des Rotors aus dem Anteil der hochfrequenten Komponente und der Einhüllenden der als Messsignal erhaltenen Antwortfunktion ermittelt wird.

In vorteilhafter Weise ist das Verfahren so ausgestaltet, dass die Frequenz der hochfrequente Komponente des Anregungssignals deutlich größer ist, d.h. näher spezifiziert wenigstens um ein Vielfaches größer ist als die Betriebsfrequenz des Permanentmagnet-Synchronmotors.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Frequenz der niederfrequenten Komponente des Anregungssignals größer ist als die Betriebsfrequenz des Permanentmagnet- Synchronmotors, jedoch deutlich geringer, d. h. näher spezifiziert um ein Vielfaches geringer als die Frequenz der hochfrequente Komponente des Anregungssignals ist.

In einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das Anregungssignal als Summensignal, somit als Signal mit überlagerten Signalanteilen aus wenigstens der niederfrequenten Komponente und der hochfrequente Komponente auszubilden.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Anregung des Systems in vorzugsweise zwei aufeinanderfolgenden Anregungsphasen (Betriebsphasen) erfolgt, bei der in der ersten Anregungsphase das Anregungssignal wenigstens als Überlagerung aus der niederfrequenten Komponente und der hochfrequenten Komponente besteht, während in der zweiten Anregungsphase das Anregungssignal ohne die niederfrequente Komponente ausgebildet wird und daher nur noch von der hochfrequenten Komponente geprägt wird. Die hochfrequente Komponente kann unabhängig von der PWM- Frequenz so gewählt sein, dass der Abstand zur ersten Eigenfrequenz des Systems ausreichend groß ist, damit mittels, wie einer zuvor genannten Signalaufbereitung die Auswertung des Messsignals eindeutig wird.

Die Auswertung erfolgt für die hochfrequente Komponente durch Ermittlung der Phase zwischen dem hochfrequenten Anregungssignal und der Systemantwort. Unter Systemantwort ist ausschließlich die am Sternpunkt des Motors messbare Spannung zu verstehen. Als Ausgangsgröße für die Auswertung zur Rotorposition wird demzufolge die Sternpunktdifferenzspannung (in der Beschreibung der Erfindung auch als Messsignal bezeichnet) herangezogen. Sie ist die Systemantwort auf die angelegte Klemmenspannung, die das Anregungssignal darstellt.

Für das aus dem niederfrequenten und dem hochfrequent Anteil überlagerte Signal erfolgt die Auswertung durch die Ermittlung der maximalen Amplitude der Einhüllenden der Systemantwort. Die Auswertung der Rotorposition erfolgt demnach wenigstens durch den Schritt, dass zur Ermittlung der Rotorposition aus dem Messsignal die Erfassung der rotorpositionsabhängigen Phasenverschiebung Φ(γ) zwischen dem Anregungssignal und dem Messsignal erfolgt.

Die Auswertung der Rotorposition erfolgt ferner wenigstens durch den Teilschritt, dass zur Ermittlung der Rotorposition aus dem Messsignal die Erfassung der rotor- positionsabhängigen Phasenverschiebung ψ(γ) zwischen dem Anregungssignal und der Einhüllenden des Messsignals erfolgt. Die Phasenverschiebung über der aktuellen Rotorposition kann demnach als

Phasenverschiebung zwischen der niederfrequenten Anregung und der Einhüllenden der Systemantwort ermittelt wird, da innerhalb einer elektrischen Umdrehung (Rotorposition) des Motors dieser Zusammenhang eine eindeutige Zuordnung zur Rotorposition erlaubt.

Ein weiterer Aspekt und Schritt betrifft die Auswertung des rotorpositionsabhängigen Amplitudenunterschieds Δ des Messsignals. Bei der Ermittlung der Rotorposition aus dem Messsignal kann daher ferner die Erfassung des rotorpositionsabhängigen Amplitudenunterschieds Δ durch Vergleich des Amplitudenmaximums (δ+) und Amplitudenminimums (δ-) zwischen dem Anregungssignal und dem Messsignals erfolgen, indem zunächst der Wert der Phasenverschiebung Φ(γ) zwischen dem Anregungssignal und dem Messsignal halbiert wird und ein Korrekturwert

0 V Δ > 0

Ikorr =

180 V Δ < 0 zum Ergebnis aus der ermittelten Phase addiert wird und zwar abhängig vom Vorzeichen des Amplitudenunterschieds gebildet aus der Summe von Amplitudenmaximum (δ+) und Amplitudenminimum (δ-).

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, zwischen der ersten und zweiten Anregungsphase (Betriebsphase) eine Übergangsphase vorgesehen ist, in der die Amplitude der niederfrequenten Komponente nicht sprunghaft, sondern allmählich, vorzugsweise kontinuierlich bis auf den Wert Null reduziert wird.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Dauer der ersten Anregungsphase auf diejenige Zeitspanne begrenzt wird, die zum Zählen der Anzahl der Durchgänge der Rotorposition bei dem 0° oder 180° Phasenwinkel erforderlich ist, um die 180° Positionsunge- nauigkeit der Rotorposition zu beseitigen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass das Einprägen eines Summensignals nur solange notwendig ist, bis die 180° Unsicherheit aufgelöst ist. Danach genügt für die Positionsermittlung das Einprägen mittels des hochfrequenten Anregungssignals. Nach dem Abschalten der niederfrequenten Komponente kann durch Erfassen der Winkelentwicklung oder durch das Zählen der vom Rotor durchlaufenen 180°-Bereiche, die Kenntnis über die eindeutige Auflösung der 180°-Positionsungenauigkeit, aufrecht erhalten werden.

Eine weitere Kurvenverlaufsform kann dabei auch schon auf die ansteigende Form der niederfrequenten Amplitude angewandt werden. Diese steigt dann langsam an, wird gehalten bis die 180° Unsicherheit aufgelöst ist und wird dann allmählich, vorzugsweise kontinuierlich wieder abgesenkt. Diese Maßnahme kann auch in sich wiederholenden Intervallen erfolgen, um die richtige Kommutierung eines Antriebs zu überwachen.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 beispielhafter Verlauf eines niederfrequenten und hochfrequenten Anregungssignals;

Fig. 2 beispielhafte Verläufe eines niederfrequenten und hochfrequenten Anregungssignals als überlagertes Anregungssignal,

Fig. 3 eine Ansicht einer Anregungssignals zusammen mit einem Messsignal und deren Phasenverschiebung;

Fig. 4 Ansicht, die den Zusammenhang von Rotorposition zur Phasenverschiebung aus dem HF-Anteil darstellt;

Fig. 5 eine Ansicht mit einem Anregungssignal und einem Auswertungssignal und deren Einhüllenden; die Darstellung der rotorpositionsabhängigen Phasenverschiebung der Einhüllenden;

Fig. 7a, b Ansichten die den Zusammenhang zwischen Rotorposition auf das

Messsignal bei dem Phasenwinkel von 0° und 180° zeigen;

Fig. 8 schematische Darstellungen zur Korrekturwertermittlung;

Fig. 9 Ansicht einer zweistufige Anregung;

Fig. 10 Ansicht einer alternativen Ausgestaltung einer zweistufigen Anregung und

Figur 11 ein erfindungsgemäßer Permanentmagnet-Synchronmotor in schemati- scher Darstellung.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren 1 bis 11 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Bezug auf die Figuren 1 bis 10 erläutert, das bei einem Permanentmagnet-Synchronmotor 1 gemäß der schematischen Ansicht der Figur 11 angewendet werden kann.

Der Permanentmagnet-Synchronmotor 1 ist mit einem Rotor 2 und einem Stator 3 mit drei Wicklungsträngen U, V, W ausgebildet, die in einem Sternpunkt 4 in Sternschaltung verbunden sind. Ferner sind drei Wicklungsanschlüsse U1 , V1 , W1 zum Verbinden mit einem Pulswechselrichter 5 vorgesehen.

Darüber hinaus ist eine Einrichtung 6 zur Bestimmung der Sternpunktdifferenzspannung zwischen dem Sternpunkt 4 und einem Referenzpunkt vorgesehen sowie eine Lageermittlungseinrichtung 8 zur Ermittlung der relativen Drehlage des Rotors 2 aus dem, aus der Sternpunktdifferenzspannung erhaltenen Messsignal USN als Antwort auf das Anlegen eines Anregungssignals UA-

Zum Erzeugen des Anregungssignal UA ist eine Vorrichtung 9 vorgesehen, die ein Signal UA erzeugen kann, das durch eine niederfrequente Komponente NF und eine hochfrequente Komponente HF charakterisiert ist. Die Figur 1 zeigt dabei jeweils den beispielhaften Verlauf eines niederfrequenten Anregungssignals UNF (durchgezogene Kurve) und eines hochfrequenten Anregungssignals UHF (gestrichelte Kurve).

In der Figur 2 ist der Verlauf eines Anregungssignals UA als Summensignal UNF + UHF, somit ein daraus überlagertes Signal mit einer niederfrequenten Komponente NF und hochfrequenten Komponente HF gezeigt.

Die Lageermittlungseinrichtung 8 ist ausgebildet die Drehlage des Rotors 2 aus dem Anteil der hochfrequenten Komponente HF und der Einhüllenden UE des Messsignals USN zu ermitteln.

Ferner ist eine Vorrichtung 7 zur Messsignalaufbereitung, insbesondere zur Filterung des Messsignals U _S N vorgesehen ist.

Die Fig. 3 zeigte eine Ansicht eines Anregungssignals U _A zusammen mit einem Messsignal USN und der Phasenverschiebung Φ(γ) zwischen dem Anregungssignal U _A und dem Messsignal USN. Die Phasenverschiebung Φ(γ) kann beispielsweise durch Vergleich des Zeitverhältnisses der Nulldurchgänge oder Extremwerte zur Periodendauer, Phasenregler oder durch Fourier-Analyse bestimmt werden. Es wiederholt sich der Verlauf von Φ(γ) innerhalb einer elektrischen Rotordrehung zwei Mal wodurch die Ermittlung der Rotorposition zunächst noch nicht eindeutig ist, wie sich dies aus der Ansicht der Figur 4 ergibt. Diese zeigt den Zusammenhang von Rotorposition zur Phasenverschiebung Φ(γ) aus der hochfrequenten Komponente HF.

Die rotorpositionsabhängige Phasenverschiebung ψ(γ) zwischen dem Anregungssignal U _A und der Einhüllenden UE des Messsignals ist in der Fig. 5 dargestellt und zwar als Phasenverschiebung ψ(γ) zwischen der niederfrequenten Anregung und der Einhüllenden der Systemantwort.

Innerhalb einer elektrischen Umdrehung (Rotorposition) des Motors besteht der Zusammenhang wie beispielhaft in Fig. 6 dargestellt, der dann eine eindeutige Zuordnung zur Rotorposition erlaubt. Mit Bezug auf die Figuren 7a, 7b und 8 wird die Auswertung des rotorpositionsab- hängigen Amplitudenunterschieds Δ des Messsignals USN erläutert. In den Figuren 7a und 7b sind hierzu Ansichten gezeigt, die den Zusammenhang zwischen Rotorposition auf das Messsignal bei dem Phasenwinkel von 0° (Fig. 7a) und 180° (Fig. 7b) zeigen. Die Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung zur Korrekturwertermittlung. Bei der Ermittlung der Rotorposition aus dem Messsignal wird hier die Erfassung des rotorpositionsabhängigen Amplitudenunterschieds Δ durch Vergleich des Amplitudenmaximums (δ+) und Amplitudenminimums (δ-) zwischen dem Anregungssignal UA und dem Messsignal USN vorgenommen, indem zunächst der Wert der Phasenverschiebung Φ(γ) zwischen dem Anregungssignal UA und dem Messsignal US halbiert wird und ein Korrekturwert zum Ergebnis aus der ermittelten Phase addiert wird und zwar abhängig vom Vorzeichen des Amplitudenunterschieds Δ gebildet aus der Summe von Amplitudenmaximum δ+ und Amplitudenminimum δ-.

Die Figuren 9 und 10 zeigen alternative Ausführungen einer beispielhaften zweistufigen Anregung mit einer ersten und zweiten Betriebsphase, wobei in der Figur 9 das Anregungssignal U _A als Summensignal aus dem niederfrequenten und hochfrequenten Anregungssignal für zwei Perioden gewählt ist.

In der Figur 10 steigt der Anteil der niederfrequenten Komponente NF im Anregungssignal UA zunächst an, um dann allmählich wieder abzuklingen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird lediglich eine Differenzspannungsmessung benötigt, die keine Strommessung erfordert und somit mit einen geringeren Aufwand die Rotorlage erfasst werden kann. Es wird ebenfalls keine magnetische Anisotropie des Rotors benötigt und das Verfahren ist geeignet für die Verwendung von Motoren, die eine Wicklungseigenfrequenz ausbilden, die nicht wesentlich von der PWM- Frequenz des Pulswechselrichters verschieden ist an dem der Motor betrieben wird.