Ein derartiges Verfahren sowie die entsprechende Schaltungsanordnung sind z. B. aus der europäischen Patentschrift EP-B-0 539 401 bekannt. Als nachteilig wird jedoch die Tatsache empfunden, daß das vorbekannte Verfahren für stillstehende Synchronmaschinen sehr aufwendig und ungenau arbeitet.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung,. ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur geberlosen Erfassung der Rotorlage einer permanent erregten Synchronmaschine durch Auswertung auschließlich elektrischer Größen vorzuschlagen, die insbesondere bei stillstehenden oder festgebremsten Maschinen verwendbar sind.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß der Betragsverlauf aus jeweils zwei aufeinander folgenden Messungen bei nahezu entgegengesetzter Magnetisierung gebildet wird, so daß durch Überlagerung von eingeprägtem Statorfluss und permanent erregtem Rotorfluss sättigungsbedingt ein Betragsverlauf des differentiellen Stromraumzeigers mit zwei unterschiedlich hohen Maxima entsteht, aus dem der gesuchte elektrische Rotorlagewinkel direkt und auf 360° eindeutig abgeleitet wird.

Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß ein sternförmiges, durch den Nullpunkt verlaufendes Statorflussmuster eingeprägt wird, das im zeitlichen Mittel nahezu kein Moment in der Synchronmaschine erzeugt. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß an die Synchronmaschine gekoppelte Vorrichtungen, beispielsweise eine durch die Synchronmaschine betätigbare elektromechanische Fahrzeugbremse, nicht belastet wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Mittelwerte der Betragsverläufe des differenziellen Stromraumzeigers gebildet, wobei in den einzelnen Messungen das Statorflussmuster links und rechts drehend durchlaufen wird. Dadurch wird erreicht, daß durch ungenaues oder überlappendes Schalten im Umrichter, sowie die Tiefpasswirkung der Synchronmaschine verursachte Verschiebungen des Betragsverlaufs ausgeglichen werden.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, daß bestimmte Frequenzanteile im Leistungsdichtespektrum reduziert werden. Auch wenn die Massenträgheit des Rotors ein Rütteln der Synchronmaschine während der Bestromung vermeidet-der zeitliche Mittelwert des Drehmoments ist Null-so sorgt die Magnetostriktion im Statorblech dennoch für ein hörbares Geräusch. Wieviel davon extern wahrzunehmen ist, hängt wesentlich von den Resonanzfrequenzen des Gehäuses ab. Durch geschickte Bestromung der Synchronmaschine mit einem frequenzoptimierten Flussmuster kann jedoch vermieden werden, die Resonanzfrequenzen anzuregen.

Eine andere sinnvolle Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Rotorlage durch Kreuzkorrelation des gemessenen Betragsverlaufs mit einem tabelarisch abgelegten Betragsverlauf bestimmt wird. Wird nur das Maximum im Betragsverlauf zur Auswertung herangezogen, so ist dies ungenau, da nur ein Messwert von vielen verwendet wird. Die Störung nur eines Messwertes könnte das Ergebnis unbrauchbar machen. Die Korrelation mit einem vorgegebenen Verlauf verarbeitet dagegen alle Messwerte und erreicht auf diese Weise eine viel bessere Genauigkeit und Störfestigkeit. Der gesuchte Drehwinkel entspricht dabei dem Index des Maximalwertes in der Kreuzkorrelierten.

Eine besonders einfache Auswertung wird nach einem anderen Erfindungsmerkmal dadurch erreicht, daß die Rotorlage durch Nullstellen und Extremwerte des gemessenen Betragsverlaufs bestimmt wird.

Eine genaue Auswertung durch rechnerische Transformation von mindestens zwei abgetasteten Phasenströmen in Betragsverlauf und Phasenverlauf wird bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß der Betragsverlauf durch inverse Clarcke-und Park- Transformation (ICPT) aus den Phasenströmen berechnet wird.

Diese Maßnahme ist insbesondere für Messunsicherheiten kleiner 60° el. Rotorlagewinkel in Verbindung mit einer dreiphasigen Synchronmaschine sinnvoll.

Eine vereinfachte Auswertung, bei der die Betragsverläufe sogar völlig ohne Einsatz von Prozessoren bestimmt werden können, kann dadurch erreicht werden, daß ein Schätzwert des Betragsverlaufs mit Hilfe eines geeigneten Flussmusters aus dem Gesamtstrom des Umrichters ermittelt wird. Der Umrichter transformiert dabei durch Anlegen von speziellen Basisvektoren in den Abtastzeitpunkten seinen Speisestrom in den Schätzwert der Betragskomponente. Die Auflösung bleibt auf 60° el. Rotorlagewinkel bei Einsatz eines dreiphasigen Motors beschränkt.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß an Stelle der zeitlichen Änderung des Stromraumzeigers Differenzen von Stromraumzeigern zu verschiedenen Zeitpunkten des Flussmusters oder Differenzen von Stromzeitflächen für die Ermittlung des Betragsverlaufs verwendet werden. Differenzen von Stromraumzeigern und Differenzen von Stromzeitflächen ermöglichen eine höhere Auflösung des gesuchten elektrischen Rotorlagewinkels als die Auswertung der zeitlichen Änderung des Stromraumzeigers.

Um einen Statorfluss mit hoher Auflösung und Dynamik einprägen zu können sieht eine andere Weiterbildung der Erfindung vor, daß ein Muster des Statorspannungsraumzeigers durch Vektormodulation und Pulsweitenmodulation (Vektor-PWM) aus mehreren Basisvektoren zusammengesetzt wird. Die Vektormodulation setzt die Statorflussrichtung aus den vom Umrichter darstellbaren Basisvektoren zusammen, wobei die Pulsweitenmodulation die Dauer festlegt, für die diese Basisvektoren anliegen müssen.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur sensorlosen, elektrischen Rotorlagemessung einer permanent erregten Synchronmaschine, mit einer Steuersignalerzeugungs- einrichtung, einem Umrichter zum Speisen der Synchronmaschine sowie einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten der von der Strommeßeinrichtung erzeugten Meßsignale, zeichnet sich dadurch aus, daß die Steuersignalerzeugungseinrichtung einen Mustergenerator zur Erzeugung eines Flussmusters sowie einen Abtastsignalgenerator enthält, der Steuersignale für die Auswerteeinrichtung bereitstellt, daß der Umrichter ein Flussmodell der Synchronmaschine sowie eine Strommeßeinrichtung enthält, wobei das Flussmodell aus dem Flussmuster ein Spannungsmuster erzeugt, welches in die Synchronmaschine eingeprägt wird und wobei die Strommeßeinrichtung das dabei auftretende Bestromungsmuster ermittelt und die Auswerteeinrichtung aus dem Bestromungsmuster den Betragsverlauf des differenziellen Stromraumzeigers berechnet und daraus den gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel auf 360° eindeutig ableitet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sieht vor, daß die Steuersignalerzeugungseinrichtung einen Taktgenerator enthält, dessen Taktsignal einem Zähler zugeführt wird, dessen Zählerstand sowohl dem Mustergenerator als auch dem Abtastsignalgenerator zur Verfügung gestellt wird, wobei der Mustergenerator ein Statorflussmuster vorgibt und der Abtastsignalgenerator Zeitpunkte zum Abtasten von Stromverläufen vorgibt, aus denen der gesuchte elektrische Rotorlagewinkel abgeleitet wird. Ein konstanter Zeittakt ermöglicht eine Vereinfachung des bekannten, vorhin erwähnten Verfahrens, nach dem die rotorlageabhängige Induktivität ermittelt werden muß. Dabei verhält sich der Kehrwert der Induktivität proportional zur Stromänderung pro Zeiteinheit. Wird mit konstanten Zeiteinheiten gearbeitet, so vereinfacht sich das Verfahren auf eine Auswertung der Stromänderung. Dabei kann das Statorflussmuster im Gegensatz zum vorhin erwähnten Verfahren offline berechnet werden und ohne Änderung aus einem Speicher wiedergegeben werden. Voraussetzungen hierfür sind der konstante Zeittakt und die stillstehende Synchronmaschine.

Das Flussmodell erzeugt dabei vorzugsweise durch einen Motorflussbeobachter oder eine Flussmeßeinrichtung aus dem Flussmuster ein Spannungsmuster, welches einem Vektorpulsweitenmodulator zugeführt wird. Die Synchronmaschine stellt im Modell eine Induktivität dar und baut daher ihr Flussmuster bei angelegtem Spannungsmuster nur verzögert auf. Die Verzögerungszeit hängt auf Grund der variablen Induktivität selbst vom Rotorlagewinkel ab. Dies wird durch eine echte Flussmessung über das auftretende Bestromungsmuster berücksichtigt oder durch einen Tiefpaß mit konstanter Verzögerung vereinfacht modelliert.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Vektorpulsweitenmodulator Steuersignale für eine Mehrphasenbrücke erzeugt, die das Bestromungsmuster in die Synchronmaschine einprägt, wobei die Phasenströme der Mehrphasenbrücke oder ein Versorgungsstrom der Mehrphasenbrücke oder die high"-oder"low"-seitig in der Mehrphasenbrücke auftretenden Brückenströme gemessen werden. Die zu messenden Stromverläufe werden dabei mittels eines Umschalters ausgewählt. Während die Phasenströme jederzeit ausgewertet werden können, liefert die high"- oder"low"-seitige Strommessung in der Mehrphasenbrücke nur bei Bestromung des betreffenden. Brückenzweiges einen sinnvollen Meßwert. Die versorgungsseitige Strommesseinrichtung kommt dagegen mit einer einzelnen Strommessung aus, liefert jedoch nur dann einen verwendbaren Schätzwert, wenn ein spezieller Steuersignalvektor mit der richtigen Projektionsrichtung angelegt wird.

Entsprechend einer anderen Weiterbildung weist die Auswerteeinrichtung einen Umformer auf, der den vom Umschalter ausgewählten Stromverlauf sowie das vorgegebene Statorflussmuster in einen Betragsverlauf des Stromraumzeigers transformiert. Durch diese Maßnahme wird eine auf 360° eindeutige Erfassung des elektrischen Rotorlagewinkels ermöglicht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält die Auswerteeinrichtung einen Abtaster mit Differenzbildung, dem der Betragsverlauf der Stromkomponente sowie die vom Abtastsignalgenerator gelieferten Zeitpunkte zugeführt werden und in dem der Betragsverlauf des differentiellen Stromraumzeigers gebildet wird. Durch die Differenzmessung wird die von der Rotorlage abhängige Asymmetrie der Sättigung extrahiert.

Eine Reduzierung der zur Verfügung stehenden Meßdaten wird bei einer weiteren Ausgestaltung dadurch erreicht, daß die Auswerteeinrichtung eine Stromverlaufsauswerteeinheit enthält, die aus dem Betragsverlauf des differentiellen Stromraumzeigers den gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel ermittelt.

Eine Fehlersicherung des durchgeführten Verfahrens wird schließlich bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dadurch gewährleistet, daß die Stromverlaufsauswerteeinheit ein Plausibilitätssignal ausgibt, das feststellt, ob die Qualität des Betragsverlaufs des differentiellen Stromraumzeigers für die Berechnung des elektrischen Rotorlagewinkels ausreicht.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt : Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltungsanordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann ; Fig. 2 den Aufbau der in Fig. 1 schematisch dargestellten Steuersignalerzeugungseinrichtung ; Fig. 3 den Aufbau des in Fig. 1 schematisch dargestellten Umrichters mit einer Strommeßeinrichtung ; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dreiphasigen Synchronmaschine ; und Fig. 5 den Aufbau der in Fig. 1 schematisch dargestellten Auswerteeinrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus einer Steuersignalerzeugungseinrichtung 101 zum Erzeugen von Eingangs-bzw. Steuersignalen, sowie einem Umrichter 102, der Phasenströme für eine permanenterregte Synchronmaschine 103 sowie Meßsignale für eine nachgeschaltete Auswerteeinrichtung 104 bereitstellt, deren Ausgangssignale den gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel der Synchronmaschine 103 repräsentieren.

Die von der Steuersignalerzeugungseinrichtung 101 generierten Steuersignale werden sowohl dem Umrichter 102 als auch der Auswerteeinrichtung 104 zur Verfügung gestellt.

Wie insbesondere Fig. 2 zu entnehmen ist, weist die Steuersignalerzeugungseinrichtung 101 einen Taktgenerator 1, einen Zähler 2, einen Mustergenerator 3 sowie einen Abtastsignalgenerator 4 auf. Die vom Taktgenerator 1 generierten Taktsignale a werden dem Zähler 2 zugeführt, dessen Ausgangssignale b sowohl an den Mustergenerator 3 als auch an den Abtastsignalgenerator 4 weitergereicht werden. Während das Ausgangssignal c des Mustergenerators 3 ein Statorflussmuster für die Synchronmaschine 103 vorgibt, das aus aneinander gereihten differentiellen Statorfluss- raumzeigern besteht, erzeugt der Abtastsignalgenerator 4 Signale, die positive und negative Abtastzeitpunkte tp, tn für die nachgeschaltete Auswerteeinrichtung 104 kennzeichnen, der in Fig. 5 ausführlicher dargestellt ist.

Das von dem Mustergenerator 3 vorgegebene Statorflussmuster c ist von sternförmiger Struktur und gibt für Flussauf-und -abbau den gleichen Weg vor, wobei wiederholt der Nullpunkt durchlaufen wird, so daß die von dem Muster eingeschlossene Fläche bzw. das in die Synchronmaschine 103 eingeprägte Moment minimal ist. Das Statorflussmuster kann rechts-und linksdrehend durchlaufen werden, wobei durch Mittelwertbildung in der nachfolgenden Auswerteeinrichtung 104 auftretende Laufzeitverzögerungen ausgeglichen werden.

Das Statorflussmuster hat ebenfalls einen bedeutenden Einfluß auf die Geräuschbildung durch Magnetostriktion in der Synchronmaschine und kann vorteilhafterweise so ausgelegt werden, daß Resonanzstellen der Synchronmaschine und verbundener Gehäuseteile nicht angeregt werden. Zu diesem Zweck muss das Leistungsdichtespektrum des Statorflussmusters in der Nähe der Resonanzfrequenzen minimiert werden.

Der in Fig. 3 gezeigte Umrichter 102 enthält ein Flussmodell 17, das aus einem Motorflußbeobachter (Tiefpaßfilter) 5, einem Umschalter 7, einem Subtrahierer 6 sowie einer Flussmeßeinrichtung 8 besteht. Weiterhin weist der Umrichter 102 einen Vektorpulsweitenmodulator 9, eine Mehrphasenbrücke 11, eine der Mehrphasenbrücke 11 zugeordnete Stromversorgung 10, Strommeßeinrichtungen 12, 13,14 und einen Umschalter 15 auf. Der Motorflussbeobachter 5 empfängt das vorgegebene Statorflussmuster c des Mustergenerators 3 und erzeugt daraus ein geschätztes Statorflussmuster d. Die Flussmeßeinrichtung 8 leitet dagegen das gemessene Statorflussmuster f aus den gemessenen Phasenströmen k der Strommeßeinrichtung 13 ab. Das gemessene Statorflussmuster f wird zusammen mit dem geschätzten Statorflussmuster d dem Umschalter 7 zugeführt, der eines der beiden Signale d, f an den Subtrahierer 6 weiterleitet und damit zwischen Beobachten und Messen des Statorflussmusters auswählt. Das Ergebnis der Subtraktion, das dem vorgegebenen Statorspannungsmuster entspricht, wird an den Vektorpulsweitenmodulator 9 angelegt, in dem die für die Mehrphasenbrücke 11 benötigten Steuersignale h erzeugt werden. Die Vektormodulation übernimmt dabei die Aufgabe, die Richtung des momentanen Statorspannungsraumzeigers im Statorspannungsmuster durch von der Mehrphasenbrücke 11 darstellbare Basisvektoren zu ersetzen ; die Pulsweitenmodulation legt dabei fest, wie lange diese Basisvektoren angelegt werden müssen, um das vorgegebene Statorspannungsmuster näherungsweise nachzubilden. Der Umschalter 15 wählt je nach Verfahren ein gemessenes Bestromungsmuster e der verschiedenen Stromme#einrichtungen 12 bis 14. aus.

Die in Fig. 4 gezeigte Synchronmaschine 103 wird mit den Phasenströmen m der Mehrphasenbrücke 11 gespeist und entwickelt dabei in Abhängigkeit von der mechanischen Rotorlage thm, der Statorzahnzahl n und der Polpaarzahl p ein Gesamtflussmuster aus der vektoriellen Überlagerung von Statorflussmuster und lageabhängigem Rotorfluss. Dieses Gesamtflussmuster treibt die Synchronmaschine wechselseitig in magnetische Sättigung, wobei der Strombedarf in Sättigung größer ist als ohne Sättigung. Weil das Auftreten der Sättigung vom elektrischen Rotorlagewinkel abhängig ist, kann aus dem Strombedarf bei bekanntem Statorflussmuster der elektrische Rotorlagewinkel eindeutig bestimmt werden.

Die in Fig. 5 dargestellte Auswerteeinrichtung 104 besteht aus einem Umformer 18, einem Abtaster-mit Differenzbildung 19 und einer Stromverlaufsauswerteeinheit 20. Der Umformer 18 generiert aus dem gemessenen Bestromungsmuster e und dem vorgegebenen Statorflussmuster c durch Transformation den Betragsverlauf q des Stromraumzeigers. Der Umformer 18 berechnet den Betragsverlauf q des Stromraumzeigers aus dem gemessenen Bestromungsmuster e entweder durch inverse Clarcke-und Park-Transformation (ICPT) oder näherungsweise mit Hilfe der Mehrphasenbrücke 11 durch Projektion des Gesamtstroms in Richtung der eingeprägten Statorflusskomponente. Der Betragsverlauf q wird vom Abtaster 19 zu den Zeitpunkten tp und tn differenziert, wodurch der differentielle Betragsverlauf r des Stromraumzeigers entsteht. An Stelle des diferentiellen Betragsveslaufs r kann auch die Differenz von Stromzeitflächen treten. Hierbei müssen zunächst bestimmte Zeitintegrale im Zeitraum tp bis tn und tn bis tp+1 über den Betragsverlauf des Stromraumzeigers gebildet werden.

Bei einer stillstehenden Synchronmaschine wird hierbei keine Gegen-EMK aufintegriert, da dieser Anteil definitionsgemäß Null ist. Die Stromverlaufsauswerteeinheit 20 findet im näherungsweise sinusförmig schwankenden differentiellen Betragsverlauf r, der zwei Maxima unterschiedlicher Höhe aufweist,. die Lage des größeren Maximums, die dem gesuchten elektrischen Rotorlagewinkel thel direkt proportional ist. Außerdem gibt sie ein Plausibilitätssignal pl aus, das die Qualität des berechneten elektrischen Rotorlagewinkels thel beurteilt.

Die Lage des Maximums kann zum einen durch bloße Berücksichtigung der Nullstellen und Extremwerte gefunden werden, oder durch Einbeziehen sämtlicher Stützstellen durch Kreuzkorrelation mit einem tabelarisch abgelegten Modellbetragsverlauf gewonnen werden. Nullstellen-und Extremwerte folgen in einer ungestörten Messung in periodischen Abständen. Dies macht sich die Plausibilitätsrechnung zu Nutzen : Sie generiert bei starken Unregelmäßigkeiten in der Abfolge einen Fehler im Plausibilitätssignal pl, woraufhin die Messung wiederholt wird. Eine mögliche Ursache für Abweichungen in den periodischen Abständen ist eine ungewollte, von aussen eingeprägte Rotordrehung während der Messung.