Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Winkellage des Rotors eines von einem Wechselrichter gespeisten Synchronmotors und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Es ist allgemein bekannt, dass ein Elektromotor von einem Wechselrichter speisbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der

Winkellage bei einem Synchronmotor auszubilden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zur Bestimmung der Winkellage des Rotors eines von einem Wechselrichter gespeisten Synchronmotors nach den in Anspruch 1 und bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass es zur Bestimmung der Winkellage des Rotors eines von einem Wechselrichter gespeisten Synchronmotors vorgesehen ist, wobei der Wechselrichter von einer Signalelektronik mit Reglereinheit, insbesondere aufweisend Rechnereinheit und Speicher, angesteuert wird, wobei der Statorstrom insbesondere mittels zumindest eines Stromerfassungsmittels erfasst wird, wobei der Synchronmotor eine Statorwicklung aufweist, welche von einer vom Wechselrichter derart gestellten Drehspannung, also Statorspannung, gespeist wird, dass der erfasste Statorstrom auf einen vorgegebenen Soll-Statorstrom von der Reglereinheit hingeregelt wird, wobei ein Soll-Statorstrom mit einem ersten auf die Statorwicklung bezogenen Stellwinkel vorgegeben wird, insbesondere in d-Richtung, wobei aus dem zeitlichen Verlauf der Statorspannung und der erfassten Werte des

Statorstroms der Statorfluss bestimmt wird, wobei aus dem bestimmten Statorfluss und einer vom Statorstrom-abhängigen

Flusswerteabhängigkeit ein Winkelwert, insbesondere die Winkellage, bestimmt wird.

Von Vorteil ist dabei, dass die Signalelektronik derartige Ansteuersignale für den

Wechselrichter liefert, dass dieser dem Motor, also der Statorwicklung des Motors, eine derartige Drehspannung bereit stellt, dass der erfasste Motorstrom auf einen jeweils vorgegebenen Soll-Statorstrom hin geregelt wird. Dabei wird aus dem erfassten

Statorstromverlauf und Motorspannungsverlauf ein Statorfluss bestimmt, der dann mit der Flusswerteabhängigkeit verglichen wird. Dadurch ist die Winkellage bestimmbar, wobei zur eindeutigen Bestimmung ein weiterer, vorzugsweise senkrecht zum erstgenannten Statorstrom ausgerichteter, Soll-Statorstrom vorgegeben wird und wiederum der Statorfluss bestimmt wird, der dann mit der Flusswerteabhängigkeit verglichen wird. Durch die Auswertung der beiden bestimmten Winkellagen ist eine eindeutige Bestimmung der Winkellage ausführbar.

Somit ist in einfacher Weise die Winkellage ohne weitere Sensoren bestimmbar. Das

Stromerfassungsmittel ist zum geregelten Betrieb des Synchronmotors verwendbar. Die Flusswerteabhängigkeit ist entweder bei Herstellung oder Inbetriebnahme zu jedem

Statorstrom durch Messung erfassbar oder sie wird aus Stützpunkten bestimmt, welche sich jeweils als jeweiliger Wert einer Flusskomponente gemäß einer Kennlinie in Abhängigkeit vom Statorstrom ergeben.

Die Flusswerteabhängigkeit stellt den Statorfluss in Abhängigkeit vom Winkel a des Rotors dar, wobei ein Soll-Statorstrom in Richtung eines Stellwinkels, beispielsweise in d-Richtung, vorgegeben ist, auf den der Statorstrom hin geregelt wird. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Soll-Statorstrom mit einem weiteren auf die Statorwicklung bezogenen Stellwinkel vorgegeben, insbesondere in q-Richtung, wobei aus dem zeitlichen Verlauf der Statorspannung und der erfassten Werte des

Statorstroms der Statorfluss bestimmt wird, wobei aus dem bestimmten Statorfluss und einer vom Statorstrom-abhängigen

Flusswerteabhängigkeit ein weiterer Winkelwert, insbesondere eine weitere Winkellage, bestimmt wird, insbesondere zur eindeutigen Bestimmung des weiteren Winkelwertes. Von Vorteil ist dabei, dass der Soll-Statorstrom zuerst in einer ersten Richtung und dann in einer anderen Richtung vorgegeben wird. Auf diese Weise ist die Winkelbestimmung zweimal ausführbar und daher eine eindeutige Bestimmung ermöglicht. Denn die

Flusswerteabhängigkeit weist Symmetrien auf und der Winkel ist daher bei einer einzigen Bestimmung dieser Art nicht eindeutig bestimmbar.

Die zu einem Statorstrom zugehörige Flusswerteabhängigkeit ist als Ellipse darstellbar, so dass also der Fluss in d-Richtung kleiner ist als in q-Richtung. In einer Zwischenrichtung, also in einer Richtung mit Winkel a, welcher zwischen der d-Richtung und der q-Richtung liegt, nimmt der Fluss entsprechend des Verlaufs der Ellipse einen zwischen dem in q-Richtung und dem in d-Richtung liegenden Wert an.

Die Ellipse ist hier eine geeignete Interpolationsfunktion, welche zur näherungsweise erfolgenden Bestimmung der Zwischenwerte des Flusses geeignet ist. Die Hauptachse ist durch die Summe der Beträge des Wertes des Flusses in d-Richtung und entgegengesetzt zur d-Richtung bestimmt, die Nebenachse der Ellipse ist durch das Doppelte des Wertes des Flusses in q-Richtung bestimmt.

Zur Berücksichtigung höherer Ordnungen, insbesondere also zur Berücksichtigung eines genaueren Verlaufs der Induktivität, muss eine Funktion höherer Ordnungen verwendet werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus dem zeitlichen Verlauf der Statorspannung und der erfassten Werte des Statorstroms der Statorfluss bestimmt gemäß Y_a = J (U_S - R_S ^* l_S) dt , wobei R_S der Statorwiderstand ist. Von Vorteil ist dabei, dass aus den erfassten elektrischen Größen, wie Statorstrom und Statorspannung der Statorfluss bestimmbar ist, welcher zur jeweiligen aktuellen Winkelstellung gehört. Somit ist der Fluss als Modellgröße bestimmbar, auch wenn die Winkellage, also die auf den Stator bezogene Winkelstellung des Rotors, unbekannt ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Flusswerteabhängigkeit in einem Speicher der Signalelektronik abgespeichert oder Kennlinien in einem Speicher der Signalelektronik abgespeichert werden, aus weichen die Flusswerteabhängigkeit mittels jeweiliger

insbesondere Statorstrom-abhängiger Interpolationsfunktionen ermittelt wird. Von Vorteil ist dabei, dass nur wenige Daten abzuspeichern sind, insbesondere genügt das Abspeichern von Kennlinien, so dass die zum jeweiligen Statorstrom gehörende Flusswerteabhängigkeit durch Interpolieren darstellbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Flusswerteabhängigkeit einen Flusswert als Funktion des Rotorwinkels und des Statorstroms auf. Von Vorteil ist dabei, dass somit ein Vergleich des mittels Integration bestimmten Wertes des Statorflusses mit der

Flusswerteabhängigkeit in einfacher Weise ausführbar ist und somit die Winkellage des Rotors ermittelbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Funktion eine Interpolationsfunktion, welche zwischen Stützstellen interpoliert. Von Vorteil ist dabei, dass nur wenig Speicherplatz im Speicher belegt wird und trotzdem die Flusswerteabhängigkeit berücksichtigbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine jeweilige Stützstelle mittels einer jeweiligen Kennlinie aus dem Wert des Statorstroms ermittelt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Ermittelung der Stützstelle ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung stellt die jeweilige Kennlinie eine jeweilige Komponente des Flusses in Abhängigkeit des Statorstroms dar, so dass die jeweilige Stützstelle den Wert einer jeweiligen Komponente bei dem aktuell erfassten Statorstrom aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Ermittlung des Flusses ermöglicht ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist eine erste Kennlinie die Komponenten des Flusses in d-Richtung, also in einer ersten Richtung eines rotorbasierten Koordinatensystems, auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfach bestimmbare Kennlinie verwendet wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist eine zweite Kennlinie die Komponenten des Flusses entgegengesetzt zur d-Richtung, also entgegengesetzt zur ersten Richtung des rotorbasierten Koordinatensystems, auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfach bestimmbare Kennlinie verwendet wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist eine dritte Kennlinie die Komponenten des Flusses in q-Richtung, also in zur ersten Richtung des rotorbasierten Koordinatensystems senkrechten Richtung, auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfach bestimmbare Kennlinie verwendet wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Interpolationsfunktion jeweils eine Funktion zweiter Ordnung und/oder eine Ellipse. Von Vorteil ist dabei, dass höhere Ordnungen nicht

berücksichtigt werden müssen und trotzdem eine genügend genaue Winkellagenbestimmung ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Winkelwert a bestimmt aus

Sin ^A 2 (a) = ( Y_a ^Λ 2 - Y_d ^Λ 2 ) /( Y_q ^A 2 - Y_d ^Λ 2 ), wenn Y_d < Y_a <= Y_q,

Und aus

Sin ^A 2 (a - 90°) = ( Y_a ^Λ 2 - Y_q ^Λ 2 ) /( Y_-d ^A 2 - Y_q ^Λ 2 ), wenn Y_q < Y_a <= Y_-d.

Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Bestimmung ermöglicht ist.

Wichtige Merkmale der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind, dass ein

Stromerfassungsmittel zum Erfassen des Motorstroms mit der Signalelektronik verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen

Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der Figur 1 sind die q-Richtung und die d-Richtung des Rotors einer Synchronmaschine schematisch dargestellt, wobei der Rotor entsprechend eines Dauermagneten magnetisiert ist.

In der Figur 2 ist die Magnetisierungskennlinie schematisch dargestellt, wobei Y der magnetische Fluss und I der Statorstrom ist.

In der Figur 3 sind die Flusskennlinien in Abhängigkeit vom Statorstrom dargestellt.

In der Figur 4 ist der Verlauf des aus Messwerten bestimmten, insbesondere also Modellwerts, des Flusses dargestellt.

In der Figur 5 ist der Verlauf des Statorflussbetrags dargestellt.

Wie in Figur 2 gezeigt, entspricht der durch den Dauermagneten bewirkte Permanentfluss Y_PM einem Offset-Magnetisierungsstrom I dO in d-Richtung.

Hiervon ausgehend bewirkt ein Statorstrom eine Veränderung des Statorflusses, deren Komponente in d-Richtung mit Y_d bezeichnet wird und dessen Komponente entgegengesetzt zur d-Richtung mit Y_-d bezeichnet wird. Wegen des Offsets sind Y_d und Y_-d verschieden. Die Komponente des Statorflusses in q-Richtung wird mit Y_q bezeichnet.

Die Abhängigkeit der genannten Komponenten Y_d, Y_-d und Y_q vom Statorstrom sind in Figur 3 schematisch dargestellt, wobei jeder der Komponenten eine jeweilige Kennlinie zugeordnet ist. Diese Kennlinien werden bei Herstellung oder vor Inbetriebnahme vermessen und im Speicher der eine Rechnereinheit umfassenden Signalelektronik hinterlegt. Somit ist dann der Rechnereinheit ermöglicht, die Werte der Komponenten in Abhängigkeit eines jeweiligen Statorstromwertes zu bestimmen.

Der Synchronmotor weist einen zu einer Statorwicklung drehbar gelagerten Rotor auf. Dabei ist die Statorwicklung als dreiphasig versorgte Drehfeldwicklung ausgeführt. Somit ist der Synchronmotor als Drehstrommotor betreibbar. Versorgt wird der Motor aus einem Wechselrichter, welcher drei Halbbrücken aufweist, die aus einer unipolaren Spannung, insbesondere Gleichstrom-Zwischenkreis, versorgt sind. Jede der Halbbrücken weist eine Reihenschaltung von zwei steuerbaren Leistungshalbleiterschaltern, insbesondere IGBT oder MOSFET-Schaltern, auf. Der jeweilige Mittelabgriff der

Reihenschaltungen stellt eine der Phasenspannungen zur Versorgung der Statorwicklung dar.

Eine Signalelektronik stellt pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für die Ansteuerung der Leistungsschalter bereit. Somit ist die Statorwicklung mit Drehspannung vorgebbarer

Amplitude und Frequenz versorgbar.

Mittels eines Spannungserfassungsmittels wird die unipolare Spannung erfasst und somit ist aus dem Pulsweitenmodulationsverhältnis der Ansteuersignale der Leistungsschalter der jeweiligen Halbbrücke von der Rechnereinheit die jeweils aktuelle Phasenspannung

bestimmbar. Aus den bestimmten Phasenspannungswerten ist somit auch der

Statorspannungsraumzeiger bestimmbar, insbesondere dessen Betrag und Richtung.

Außerdem wird auch der Motorstrom bestimmt, also die in den drei Phasen fließenden Ströme. Hierzu ist ein entsprechendes, ein- oder mehrteilig aufgebautes Stromerfassungsmittel vorgesehen. Aus den jeweils aktuell erfassten Stromwerten wird der Statorstromraumzeiger bestimmt, insbesondere also dessen Betrag und Richtung.

Zu Beginn wird ein Sollstrom, also ein Soll-Statorstromraumzeiger, dem in der Rechnereinheit angeordneten Regler vorgegeben. Dieser erzeugt derartige Ansteuersignale für die

Leistungshalbleiterschalter des Wechselrichters, dass die erfasste Istgröße, also der aus den erfassten Stromwerten der Stromerfassungsmittel ermittelte Statorstromraumzeiger, auf den Sollstrom hin geregelt wird, indem die Motorspannung, also der Statorspannungsraumzeiger entsprechend gestellt wird. Die Istgröße weist eine vorgegebene Richtung auf, also einen Stellwinkel.

Während dieses Regelvorgangs, also des Hinregeins der Istgröße auf die Sollgröße, wird der sich entsprechend aufbauende Fluss bestimmt: Durch Integration der Differenz zwischen der Statorspannung U_S und dem Produkt aus dem Statorwiderstand R_S und dem Statorstrom l_S wird der Statorfluss Y_a bestimmt, also gemäß: Y_a = J (U_S - R_S ^* l_S) dt

Der Statorwiderstand R_S ist ein bei Konstruktion, Herstellung oder Inbetriebnahme bestimmter Parameter, welcher in einem Speicher der Signaleinheit hinterlegt ist. und somit der Rechnereinheit bekannt.

Der auf den Stellwinkel des Soll-Statorstromraumzeigers bezogene Drehwinkel a des Rotors der Synchronmaschine ist anfangs unbekannt. Um diesen Drehwinkel a zu bestimmen, werden zum aktuell bestimmten Statorstrom erfindungsgemäß zunächst die Werte der Komponenten Y_d, Y_-d und Y_q mittels der Kennlinien ermittelt.

Danach wird eine von den drei Werten aufgespannte Ellipse zur Interpolation verwendet. Hierzu wird aus den Komponenten Y_d und Y_-d eine Hauptachse der Länge Y_d + Y_-d gebildet und die Komponente Y_q in senkrechter Richtung hierzu aufgetragen. Danach wird derjenige Winkel a bestimmt, bei welchem der bestimmte Statorfluss Y_a die Ellipse berührt, wie in Figur 5 gezeigt ist.

Die Bestimmung erfolgt gemäß Sin ^A 2 (a) = ( Y_a ^Λ 2 - Y_d ^Λ 2 ) /( Y_q ^A 2 - Y_d ^Λ 2 ), wenn Y_d < Y_a <= Y_q,

Und gemäß

Sin ^A 2 (a - 90°) = ( Y_a ^Λ 2 - Y_q ^Λ 2 ) /( Y_-d ^A 2 - Y_q ^Λ 2 ), wenn Y_q < Y_a <= Y_-d.

Da die Ellipse eine spiegelsymmetrisch zur Hauptachse ist, werden die genannten

Verfahrensschritt zu einem anderen Zeitpunkt wiederholt, vorzugsweise bei einem um im Wesentlichen 90°versetzten Stellwinkel des Statorstroms l_S. Somit sind Mehrdeutigkeiten vermeidbar.

Somit wird also durch Stellen eines Soll-Statorstromraumzeigers und Bestimmung der dadurch bewirkten Modellgröße Y_a eine Bestimmung der Richtung ermöglicht, wobei dieses Verfahren zum Ausschluss von Mehrdeutigkeiten zweifach oder mehrfach wiederholt wird mit

verschiedenen Stellwinkeln des Soll-Statorstromraumzeigers. Bei mehrfacher Ausführung wird eine Verringerung des Messfehlers erreichbar. . Der Synchronmotor sollte für die Ausführung der Erfindung als Grundwellenmotor ausgeführt sein. Bei solchen Motoren genügen nämlich zwei Induktivitätswerte, wie beispielsweise der Wert der Induktivität in q-Richtung und der Wert der Induktivität in d-Richtung, zur

vollständigen Beschreibung der Abhängigkeit der Induktivität vom Winkel des Rotors.

Abweichungen höherer Ordnung werden hier nicht berücksichtigt.

Die zu einem Statorstrom zugehörige Flusswerteabhängigkeit ist als Ellipse darstellbar, so dass also der Fluss in d-Richtung kleiner ist als in q-Richtung. In einer Zwischenrichtung, also in einer Richtung mit Winkel a, welcher zwischen der d-Richtung und der q-Richtung liegt, nimmt der Fluss entsprechend des Verlaufs der Ellipse einen zwischen dem in q-Richtung und dem in d-Richtung liegenden Wert an.

Die Ellipse ist hier eine geeignete Interpolationsfunktion, welche zur näherungsweise erfolgenden Bestimmung der Zwischenwerte des Flusses geeignet ist. Die Hauptachse ist durch die Summe der Beträge des Wertes des Flusses in d-Richtung und entgegengesetzt zur d-Richtung bestimmt, die Nebenachse der Ellipse ist durch das Doppelte des Wertes des Flusses in q-Richtung bestimmt.

Zur Berücksichtigung höherer Ordnungen, insbesondere also zur Berücksichtigung eines genaueren Verlaufs der Induktivität, muss eine Funktion höherer Ordnungen verwendet werden.

Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zur Bestimmung der Winkellage des Rotors eines Synchronmotors, wobei aus statorstromabhängigen Kennlinien von Komponenten des Statorflusses Stützstellen ermittelt werden, durch welche eine Interpolationsfunktion, vorzugsweise Ellipse, gelegt wird. Somit wird der aus erfassten Motorstrom und

Motorspannugnswerten als Modellgröße gebildete Statorfluss verglichen mit der

Interpolataionsfunktion und daraus die Winkellage ermittelt. Eine eindeutige Ermittelung der Winkellage ist durch wiederholtes Ausführen der vorgenannten Schritte erreichbar, wobei dann der Soll-Statorstrom in verschiedene Richtungen vorgegeben wird.

Bezugszeichenliste q erste Richtung

d zweite Richtung

N Nordpol

S Südpol

Y Magnetischer Fluss

Y_q Komponente des magnetischen Flussvektors in q Richtung

Y_d Komponente des magnetischen Flussvektors in d Richtung

Y_-d Komponente des magnetischen Flussvektors entgegengesetzt zur d Richtung

Y_PM Permanentfluss

Y_a Modellwert für den Flussvektor

I dO Magnetisierungsstrom

I Strom

I Soll Sollwert des Statorstroms