STROTHMANN, Rolf, D-66123 Saarbrücken (Deutschland)

„Vorrichtung zur Ermittlung der Rotordrehposition einer elektrischen Maschine" Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Position des Rotors einer elektrischen Maschine in Bezug auf den Stator, wobei die Maschine mehrere Phasenstränge umfasst, die jeweils wenigstens eine Polwicklung mit einem magnetisierbaren Kern aufweisen, mit Einrichtungen zur Erfassung von Messsignalen, die durch die momentanen, von der Drehposition des Magnetfeldes des Rotors beeinflussten Magnetisierungsgraden der Polwicklungskerne geprägt sind.

Eine solche Vorrichtung geht aus der DE 10 2006 046 637 AI hervor. Das Magnetfeld des Rotors der elektrischen Maschine magnetisiert die Kerne der Polwicklungen abhängig von der Drehposition des Rotors in unterschiedlichem Maße, woraus unterschiedliche, von der Drehposition abhängige Magnetisierungsgrade und damit unterschiedliche Induktivitäten der Phasenstränge resultieren. Über je eine halbe magnetische Periode bestehen eindeutige Zusammenhänge zwischen den Induktivitäten und der Rotordrehposition. Durch Bestimmung für die Induktivitäten repräsentativer Signale lässt sich die Drehposition des Rotors ermitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die eine Bestimmung der Drehposition des Rotors mit erhöhter Genauigkeit zulässt. Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Einrichtungen ferner zur Erfassung der Ströme in den Phasensträngen und zur Bestimmung der Drehposition des Rotors aus den er- fassten Messsignalen unter Berücksichtigung eines Beitrags der Phasenstrang- ströme zu den Magnetisierungsgraden der Polwicklungskerne vorgesehen sind.

Erfindungsgemäß berücksichtigt die vorliegende Erfindung den Einfluss der je- weiligen Phasenstrangströme auf die Magnetisierungsgrade der Polwicklungskerne, so dass auch dann, wenn neben dem Magnetfeld des Rotors für die Magnetisierungen der Kerne auch das durch die Phasenstrangströme erzeugte Magnetfeld eine wesentliche Rolle spielt, eine präzise Drehlagebestimmung erfolgen kann.

Vorzugsweise werden für die momentanen Induktivitäten der Phasenstränge repräsentative Messsignale ermittelt.

Zwischen den ermittelten Messsignalen und dem Vektor des die elektrische

Maschine durchsetzenden Gesamtmagnetflusses besteht über eine halbe magnetische Periode eine eindeutiger, vorbestimmbarer Zusammenhang, so dass aus den Messsignalen ein Rückschluss auf den Magnetflussvektor erfolgen kann. Die erfindungsgemäße Strommessung erlaubt eine Bestimmung des durch die Phasenstrangströme erzeugten Anteils am Gesamtfluss. Die vektorielle Differenz aus dem Gesamtfluss und dem durch die Phasenstrangströme erzeugten Anteil ergibt den Magnetflussvektor des Rotors. Bei bekanntem Magnetflussvektor des Rotors ist auch die Drehposition des Rotors bekannt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner eine Ein- richtung zur Bestromung der Phasenstränge zusätzlich zu der das Drehmoment erzeugenden Betriebsbestromung unter Hervorhebung der Signale durch An- hebung des Magnetisierungsgrades der Kerne vorgesehen. Vorteilhaft berücksichtigt die Erfindung nicht nur den Einfluss der Bestromung auf die Messsignale sondern erhöht durch gezielte zusätzliche Bestromung weiter die Genauigkeit der Positionsbestimmung. Der Strom erhöht die Magnetisierungsgrade der Polwicklungskerne, was zu größeren Messsignalen führt, die sich gegenüber Störsignalen deutlicher hervorheben.

Die Bestromungseinrichtung zur zusätzlichen Bestromung ist vorzugsweise zur Ver- änderung eines zum Vektoranteil des Rotors am Magnetfluss parallelen Vektoranteils des durch die Phasenstrangströme erzeugten Magnetflusses vorgesehen. Vorteilhaft ergibt sich hieraus keinerlei Änderung des Motordrehmoments. Die zusätzliche Bestromung führt allein zu einer Hervorhebung der Messsignale. Vorzugsweise sind die Phasenstränge wenigstens teilweise im Stern verschaltet und die Einrichtungen zur Erfassung der Messsignale sind zur Auswertung des Potentials am Sternpunkt vorgesehen. Vorzugsweise sind die Einrichtungen zur Erfassung der Messsignale zum Abgreifen von Potentialänderungen, insbesondere am Sternpunkt, vorgesehen, die durch an die Phasenstränge angelegte Spannungsimpulse erzeugt werden.

Vorzugsweise erfassen die Signalerfassungseinrichtungen Messsignale, die mit auf- einanderfolgend an die Phasenstränge angelegten Spannungsimpulsen verbunden sind, wobei die Impulse um ein kurzes Zeitintervall At zeitversetzt sind, in welchem sich die Position des Rotors praktisch nicht verändert.

Als Messimpulse können auch Impulse verwendet werden, welche der Bestromung der elektrischen Maschine nach dem Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM-Ver- fahren) dienen, wobei die Gleichspannung einer Batterie impulsweise zyklisch an die elektrische Maschine angelegt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der bei- liegenden, sich auf eines dieser Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit einer

Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der elektrischen Maschine von

Hg. 1 ,

Fig. 3 eine das Anlegen von Messimpulsen an die elektrische Maschine von

Fig. 1 und 2 erläuternde Darstellung,

Fig. 4 eine das Abgreifen von Signalen am Sternpunkt der elektrischen

Maschine von Fig. 1 und 2 erläuternde Darstellung, und

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung einer zusätzlichen, Messsignale hervorhebenden Bestromung der elektrischen Maschine von Fig. 1 und 2.

Eine in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte elektrische Maschine weist drei im Stern verschaltete Phasenstränge 1 ,2,3 mit je einer Polwicklung 4 an einem Stator 9 auf. Die elektrische Maschine umfasst einen Außenrotor 5 mit Permanentmagneten 6,7, die einen Nord- und einen Südpol bilden. Achsen 8 der Polwicklungen 4 stehen zueinander im Winkel von 1 20 °. Die Polwicklungen sind jeweils durch einen Eisenkern 1 0 ausgefüllt.

Abweichend von dem gezeigten Ausführungsbeispiel könnte die elektrische Maschine vielpolig ausgebildet sein und mehr als eine Polwicklung pro Phasenstrang sowie anstelle einer einzigen magnetischen Periode mehrere magnetische Perioden mit je einem Nord- und Südpol aufweisen. Auch die Anzahl der Phasenstränge könnte größer oder kleiner als drei sein. Anstelle der gezeigten Ver- schaltung der Phasenstränge 1 ,2,3 im Stern wäre auch eine Verschaltung im Dreieck möglich.

Der Bestromung der elektrischen Maschine dient eine Leistungsschalteinrichtung 1 1 , welche die Gleichspannung UB einer Batterie 1 2 impulsweise entsprechend dem Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM-Verfahren) an die Phasenstränge 1 ,2,3 anlegt. Die Leistungsschalteinrichtung 1 1 steht in Verbindung mit einer Steuerschaltung 1 3, die u.a. die Bestromung der elektrischen Maschine durch die

Leistungsschalteinrichtung 1 1 steuert.

Eine Signalerfassungseinrichtung 1 4 ist mit dem Sternpunkt 1 6 sowie der Steuer- Schaltung 1 3 verbunden. Über ebenfalls mit der Steuerschaltung verbundene Strommesseinrichtungen 1 7, 1 8, 1 9 lassen sich Ströme h,l2,l3 in den Phasensträngen 1 ,2,3 ermitteln.

Je nach der Drehposition des gemäß Pfeil 1 5 um den Stator 9 drehbaren Außen- rotors 5 durchsetzt das Magnetfeld des Außenrotors 5 die mit Eisen gefüllten Polwicklungen 4 des Stators 9 in unterschiedlichem Maße. Entsprechend unterschiedlich sind die in den mit Eisen gefüllten Polwicklungen 4 erzeugten Flussdichten BMI ,BM2 und BM3. Insbesondere unterscheiden sich aufgrund des nicht linearen funktionalen Zusammenhangs zwischen der Flussdichte BM mit Eisen und der Flussdichte B ohne Eisen die Magnetisierungsgrade dBM/dB der drei Eisenkerne 1 0. Die durch das Magnetfeld des Außenrotors 5 bewirkten Magnetisierungsgrade hängen über jeweils eine halbe magnetische Periode, also einen Drehwinkelbereich von 1 80 °, eindeutig von der Drehposition des Außenrotors 5 ab. Im Rahmen der Bestromung der elektrischen Maschine nach dem PWM-Verfahren werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 und 4 vor jedem PWM-Zyklus um ein Intervall At zeitversetzt Messimpulse 20,21 ,23 von der Höhe der Gleichspannung UB der Batterie 1 2 aufeinanderfolgend an die Phasenstränge 1 ,2,3 angelegt. Die Impulsdauer und das Zeitintervall At sind so klein, dass sich die Drehposition des Außenrotors 5 währenddessen praktisch nicht ändert. Ebenfalls unverändert bleiben während dieser kurzen Zeiträume in den Phasensträngen 1 ,2,3 fließende Ströme h ,l2,l3 und infolge Drehung des Außenrotors 5 in den Phasen- strängen induzierte Spannungen.

Für den Abfall der Impulsspannung UB über den Phasensträngen 1 ,2,3 sind allein die momentanen Induktivitäten Li ,L2,L3 der Phasenstränge 1 ,2,3 maßgebend, in die als Faktor die Magnetisierungsgrade dBmi /dB, dE /dB und dBm3/dB der betreffenden Eisenkerne 1 0 der Polwicklungen 4 eingehen.

Die Spannung UB des zum Zeitpunkt ti angelegten Impulses 20 fällt gemäß Fig. 4a über dem Phasenstrang 1 und einer sich daran in Reihe anschließenden Paralell- schaltung aus den Phasensträngen 2 und 3 ab. Für das Spannungsteilerverhältnis gilt

Usi / UB = L.2 x L ₃ / (L, x L ₃ + L, x L ₂ + L ₂ x b) ( 1 ) , wobei Usi das Potential am Sternpunkt 1 6 bezeichnet.

Der zum Zeitpunkt ti an dem Phasenstrang 1 angelegte Spannungsimpuls löst am Sternpunkt 1 6 also einen Impuls der Höhe Usi aus, der einem sich vergleichsweise langsam ändernden, durch Induktion erzeugten Spannungswert überlagert sein kann.

Sofern für die momentanen Induktivitäten Li ,L2,L3 durch die Phasenstränge 1 ,2,3 fließende Betriebsströme h ,l2,l3 unmaßgeblich sind, ist die Impulshöhe Usi über je eine hal be magnetische Periode eine eindeutige Funktion des Drehwinkels a des Außenrotors 5, wobei die funktionale Änderung des Signals Usi mit dem Winkel a etwa einer Sinusfunktion entspricht.

Für Signale Us2 und Us3, die durch die zu den Zeitpunkten h und†3 an die Phasenstränge 2 und 3 angelegte Spannungsimpulse erzeugt werden, gilt gleiches. Die Signale Usi , Us2 und Us3 Sind zueinander um einen Phasenwinkel von 1 20 ° ver- schoben. Anhand der Signale lässt sich die jeweilige Drehposition des Rotors bestimmen, wie dies in der hier einbezogenen DE 1 0 2006 046 637 AI beschrieben ist. Zur Erzeugung der Signale könnten anstelle gesonderter Spannungsimpulse die im Rahmen der Bestromung nach dem PWM-Verfahren verwendeten Be- stromungsimpulse genutzt werden.

Ist infolge größerer Betriebsströme h ,l2,l3, schwächerer Magnete des Außenrotors 5 oder/und eines großen Luftspalts für die momentanen Induktivitäten Li ,L2,L3 nicht nur das Magnetfeld des Außenrotors 5 sondern auch das durch die Betriebsströme h ,l2,l3 erzeugte Magnetfeld des Stators 9 maßgebend, so lässt sich aus den

Signalen Usi , Us2 u nd Us3 die Drehposition des Außenrotors 5 nicht unmittelbar bestimmen. In letzterem Fall, in dem in die am Sternpunkt 1 6 ermittelten Signale Usi , Us2 und Us3 auch die Betriebsströme eingehen, stehen diese Signale innerhalb einer hal ben magnetischen Periode aber dennoch in einem eindeutigen Zusammenhang zu dem Vektor des Magnetflusses φ, der die elektrische Maschine durchsetzt und der sich aus der Vektorsumme der Magnetflüsse der drei zueinander im Winkel von 1 20 ° stehenden Polwicklungen 4 zusammensetzt. Betrachtet man die Signale Usi , Us2,Us3 derart, als bildeten sie zueinander im Winkel von 1 20 ° stehende Vektoren, so entspricht einem bestimmten Vektor des Magnetflusses φ innerhal b der halben magnetischen Periode ein bestimmter Gesamtvektor der Signale Usi , Us2,Us3, die zueinander im Winkel von 1 20 ° stehende Vektorkom ponenten bilden. Aus einem ermittelten Gesamtvektor der Signale Usi , Us2,Us3 lässt sich also umgekehrt auf den Vektor des Magnetflusses φ schließen.

Ferner kann der vektorielle Anteil des Magnetflusses φ _δ des Stators 9 am gesamten Magnetfluss φ anhand der Ströme h ,l2,l3 bestimmt werden, die sich mit Hilfe der Strommesseinrichtungen 1 7 bis 1 9 ermittel n lassen. Der Vektoranteil des Magnet- flusses φ _κ des Rotors 5 am gesamten Magnetfluss φ ergibt sich dann aus der vekto- riellen Differenz des Magnetflusses φ und des Statoranteils φ ₈ : Mit der Bestimmung des Vektoranteils §R ist auch die Drehposition des Außenrotors 5 bekannt.

Die sich am Sternpunkt 1 6 ergebenden Signale Usi - UB/3 sind gering, wenn sich die Induktivitäten L von Phasenstrang zu Phasenstrang nur wenig unterscheiden, was bei schwachen Magneten des Außenrotors 5, geringen, durch die Phasenstränge fließenden Betriebsströmen I i ,l2, oder/und großem Luftspalt der Fall sein kann. Durch zusätzliche Bestromung der elektrischen Maschine lassen sich die Signale jedoch vergrößern, indem die Magnetisierungsgrade dBM/dB erhöht werden. Die am Sternpunkt ermittelten Signale sind dann gegenüber Störeinflüssen weniger empfindlich.

Die zusätzliche Bestromung erfolgt zweckmäßig derart, dass sich das Motordrehmoment infolge dieser Bestromung nicht ändert. Dies kann erreicht werden, indem durch die Bestromung nur ein zum Rotorfluss §R paralleler Anteil §s _P des Statorflusses (|)s verändert wird, wie dies Fig. 5 erläutert.

Für die Größe des Motordrehmoments ist das Kreuzprodukt §s x §R maßgebend. Führt die zusätzliche Bestromung der elektrischen Maschine zu einem Statorfluss §s2, der sich nur als Summe aus dem ursprünglichen Statorfluss φβι und dem zum Rotorfluss parallelen Anteil §s _P ergibt, so ändert sich das Drehmoment nicht. Der zusätzliche, zum Rotorfluss §R parallele Statorfluss §s _P trägt aber vorteilhaft zur Hervorhebung der Messsignale bei.