Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Lagewinkels eines Rotors einer elektrischen Synchronmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Lagewinkels eines Rotors einer elektrischen Synchronmaschine, insbesondere einer permanenterregten Synchronmaschine, bevorzugt eines als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildeten Motors eines Fahrzeugs. Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug (Hybridfahrzeug) oder um ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug (Elektrofahrzeug) handeln.

Stand der Technik

Eine Synchronmaschine ist eine Drehstrommaschine, in der der Rotor, welcher auch Läufer genannt wird, synchron mit dem Drehfeld des Stators, welcher auch Ständer genannt wird, läuft. Das Drehfeld des Stators wird durch Erzeugen von elektrischen Strömen und Spannungen in sich periodisch verändernden elektrischen Winkeln erzeugt und gedreht. In Synchronmaschinen wird das umlaufende Statormagnetfeld durch eine Vielzahl von zueinander versetzten Statorwicklungen erzeugt, wobei der Rotor eine fest eingeprägte

Magnetisierungsrichtung aufweist. Synchronmotoren werden häufig als

Antriebsmaschinen verwendet, zum Beispiel als Antriebe für Fahrzeuge, Schiffe und Züge.

Um bei der elektrischen Synchronmaschine ein gerichtetes Drehmoment erzeugen zu können, muss die Lage des Rotors relativ zum Stator, d. h. der sogenannte Lagewinkel des Rotors oder Rotorlagewinkel, genau bekannt sein. Hierbei ist nicht die äußerlich erkennbare mechanische Lage des Rotors zu dem Stator entscheidend, sondern die elektromagnetisch wirksame Lage, welche aufgrund der jeweils vorliegenden Polpaarzahl sowie durch Bauteiltoleranzen in dem Rotor und dem Stator von der mechanischen Lage abweicht. Genauer gesagt ist der elektrische Winkel zwischen dem Rotormagnetfeld zu dem Statormagnetfeld entscheidend. Im Folgenden sind mit allen Winkelangaben ausschließlich elektrische Winkel gemeint.

In der DE 10 2008 042 360 AI ist die Bestimmung eines Rotorwinkels einer Synchronmaschine im Stillstand beschrieben, wobei Spannungspulse mit verschiedenen elektrischen Winkeln an die Synchronmaschine angelegt werden

Bei dem Bestimmen des Rotorlagewinkels kann es zu einer 180°- Doppeldeutigkeit kommen. Darunter ist zu verstehen, dass der Rotorlagewinkel zunächst nur bis auf 180° genau bestimmt werden kann, d. h. es kann beispielsweise nicht zwischen einem Rotorlagewinkel mit 7° und einem Rotor Lagewinkel mit 187° unterschieden werden.

In den wissenschaftlichen Veröffentlichungen

- M. Schroedl, "Sensorless control of AC machines at low speed and standstill based on the "IN FORM" method", Industry Applications Conference, 1996, 31st IAS Annual Meeting, Conference Record of the 1996 IEEE, 1996, pp. 270-277 vol.l.

und

- J. Holtz, "Initial Rotor Polarity Detection and Sensorless Control of PM

Synchronous Machines", Industry Applications Conference, 2006, 41st IAS Annual Meeting, Conference Record of the 2006 I EEE, 2006, 4, 2040-2047, sind Verfahren beschrieben, welche unter Verwendung von Sättigungspulsen eine etwaige 180°-Doppeldeutigkeit auflösen können.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des

Patentanspruchs 11. Demgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen des Lagewinkels eines Rotors einer elektrischen Synchronmaschine bereitgestellt, mit den Schritten: Erzeugen von elektrischen Spannungspulsen mit, oder an, vorbestimmten elektrischen Winkeln in einem auf einen Stator der elektrischen Synchronmaschine bezogenen statorfesten Koordinatensystem bei stehendem Rotor der

Synchronmaschine; Messen eines jeweiligen, auf die erzeugten elektrischen Spannungspulse zurückgehenden elektrischen Stromwerts; Speichern eines Stromsignalverlaufs der gemessenen Stromwerte; Erzeugen eines

mittelwertfreien Stromsignalverlaufs durch Verschieben des gespeicherten Stromsignalverlaufs und/oder der gemessenen Stromwerte; Berechnen einer Integralfunktion des mittelwertfreien Stromsignalverlaufs; und Bestimmen des Lagewinkels des Rotors basierend auf der berechneten Integralfunktion des mittelwertfreien Stromsignalverlaufs.

Insbesondere ist die Bedeutung des Begriffs„basierend" im Rahmen der

Erfindung entsprechend dem Begriff„in Abhängigkeit von" auszulegen.

Insbesondere ist die Bedeutung des Begriffs„auf etwas zurückgehen" im

Rahmen der Erfindung entsprechend dem Begriff„aus etwas resultierend" auszulegen.

Das Erzeugen der Spannungspulse mit den vorbestimmten elektrischen Winkeln umfasst ein Erzeugen von Spannungspulsen und ein Anlegen der erzeugten Spannungspulse derart an Statorwicklungen des Stators der elektrischen

Synchronmaschine, dass das Statormagnetfeld darauf basierend mit einer Winkelrichtung in Richtung des vorbestimmten elektrischen Winkels erzeugt wird.

Unter dem für einen vorbestimmten elektrischen Winkel gemessenen Stromwert ist derjenige Stromwert zu verstehen, der auf den mit diesem vorbestimmten elektrischen Winkel erzeugten Spannungspuls zurückgeht.

Unter dem mittelwertfreien Stromsignalverlauf ist ein Stromsignalverlauf zu verstehen, welcher einen Mittelwert von Null aufweist.

Um eine genaue Ermittlung des Lagewinkels des Rotors zu ermöglichen, werden die elektrischen Spannungspulse vorzugsweise derart erzeugt, dass der Rotor durch die elektrischen Spannungspulse nicht in Rotation gerät, d. h., sich nicht dreht. Die dementsprechend begrenzte mögliche Höhe der Spannungspulse verschlechtert gewöhnlicherweise ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis, was durch die vorliegend beschriebenen Verfahrensschritte jedoch zumindest kompensiert wird.

Bevorzugt ist zu jedem vorbestimmten Winkel auch ein jeweiliger um 180° erhöhter elektrischer Winkel vorbestimmt (also beispielsweise zu einem elektrischen Winkel von 7° auch ein elektrischer Winkel von 187°). In diesem Fall erfolgt das Speichern des Stromsignalverlaufs der Stromwerte besonders bevorzugt in Abhängigkeit (d.h. z.B. als Funktion) lediglich von Winkeln in einer Hälfte von 360°, wobei der Wert zu jedem vorbestimmten elektrischen Winkel in der einen Hälfte von 360° sowohl aus mindestens einem für diesen

vorbestimmten elektrischen Winkel gemessenen Stromwert als auch aus mindestens einem für den um 180° verschobenen vorbestimmten elektrischen Winkel gemessenen Stromwert ermittelt wird. Mit anderen Worten können die gemessenen Stromwerte für elektrische Winkel in der anderen Hälfte von 360°, elektrischen Winkeln in der einen Hälfte von 360° zugewiesen, oder, anders ausgedrückt, zugewiesen werden, wobei für das Speichern des

Stromsignalverlaufs unberücksichtigt bleiben kann, ob ein bestimmter gemessener Stromwert ursprünglich aus der einen, oder aus der anderen Hälfte von 360° stammte.

Die eine Hälfte von Winkeln von 360° kann beispielsweise zwischen 0° und <180° liegen, sodass sich die andere Hälfte von 360° von 180° bis <360° erstreckt. Somit kann jeder der gemessenen elektrischen Stromwerte für beispielsweise den vorbestimmten elektrischen Winkel von 183° (in der anderen Hälfte) dem elektrischen Winkel von 3° in der einen Hälfte zugewiesen werden, sodass der Stromsignalverlauf für den elektrischen Winkel von 3° entsprechend mit einem Wert basierend sowohl auf dem oder den für 3°, als auch basierend auf dem oder den für 183° gemessenen Stromwert bzw. Stromwerten erzeugt oder gespeichert wird.

Die Bedeutung des Begriffs„basierend" ist im Rahmen der Erfindung

entsprechend dem Begriff„in Abhängigkeit von" auszulegen. Je nachdem, ob pro elektrischem Winkel ein einziger elektrische Spannungspuls erzeugt und ein entsprechender elektrischer Stromwert gemessen wird, oder ob mehrere elektrischen Spannungspulse erzeugt und/oder mehrere elektrischen Stromwerte gemessen werden, basiert jeder Wert des gespeicherten

Stromsignalverlaufs somit vorteilhaft pro vorbestimmtem Winkel in der einen Hälfte von 360° auf zwei oder mehr Werten, wobei der Wert für jeden

vorbestimmten Winkel insbesondere durch Mitteln oder Summieren aller diesem vorbestimmten Winkel zugewiesenen gemessenen Stromwerte erzeugt werden kann, d.h. z.B. für 3° durch Mitteln oder Summieren über alle bei 3° und bei 183° gemessenen Stromwerte.

Der Stromsignalverlauf kann insbesondere in Abhängigkeit von lediglich den vorbestimmten elektrischen Winkeln gespeichert werden, z.B. nur elektrischen Winkeln in Abständen von 3° (z.B. 0°, 3°, 6, ...). Der Stromsignalverlauf kann also als eine Funktion mit einer diskreten Definitionsmenge ausgebildet sein. Alternativ kann der Stromsignalverlauf auch mit Werten für zwischen den vorbestimmten elektrischen Winkeln liegende elektrische Winkel erzeugt oder gespeichert werden, welche durch eine Interpolation erzeugt werden können.

Alternativ zu den oben beschriebenen Werten versteht es sich, dass die eine Hälfte der Winkel von 360° sich auch zwischen zum Beispiel 15° und <195° und die andere Hälfte sich von 195° bis <15° erstrecken kann, d. h., dass die 360° an einer beliebigen Stelle in 2 gleich große Hälften eingeteilt werden können, wobei der Stromsignalverlauf als Definitionsbereich nur eine der beiden Hälften von

360° aufweist.

Alternativ kann der Stromsignalverlauf auch basierend auf den gemessenen Stromwerten für alle vorbestimmten elektrischen Winkel gespeichert werden, d.h. es braucht kein Zuweisen von elektrischen Winkeln in einer Hälfte zu

elektrischen Winkeln in der anderen Hälfte stattzufinden. Die vorbestimmten elektrischen Winkel können gleichverteilt über 360° angeordnet sein.

Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Bestimmen des Lagewinkels eines Rotors einer elektrischen Synchronmaschine bereitgestellt, umfassend: eine Spannungserzeugungseinrichtung, welche zum Erzeugen von elektrischen Spannungspulsen mit, oder an, vorbestimmten elektrischen Winkeln in einem auf einen Stator der elektrischen Synchronmaschine bezogenen, statorfesten Koordinatensystem bei stehendem Rotor der Synchronmaschine eingerichtet ist; eine Messeinrichtung, welche zum Messen eines jeweiligen, auf die durch die Spannungserzeugungseinrichtung erzeugten elektrischen Spannungspulse zurückgehenden elektrischen Stromwerts eingerichtet ist; und einer Recheneinrichtung, welche dazu eingerichtet ist:

- einen Stromsignalverlauf der gemessenen Stromwerte zu speichern;

- einen mittelwertfreien Stromsignalverlauf zu erzeugen, indem der

Stromsignalverlauf und/oder die gemessenen Stromwerte verschoben werden;

- eine Integralfunktion des mittelwertfreien Stromsignalverlaufs zu berechnen; und

- den Lagewinkel des Rotors basierend auf der berechneten Integralfunktion zu bestimmen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die

Spannungserzeugungseinrichtung derart eingerichtet, dass zu jedem

vorbestimmten Winkel auch ein jeweiliger, um 180° erhöhter elektrischer Winkel vorbestimmt ist. In dieser Ausführungsform kann die Recheneinrichtung dazu eingerichtet sein, den Stromsignalverlauf der Stromwerte in Abhängigkeit (d.h. z.B. als eine Funktion) lediglich von Winkeln in einer Hälfte von 360° zu speichern, wobei der Wert des Stromsignalverlaufs zu jedem vorbestimmten elektrischen Winkel in der einen Hälfte von 360° sowohl aus mindestens einem für diesen vorbestimmten elektrischen Winkel gemessenen Stromwert als auch aus mindestens einem für den um 180° verschobenen vorbestimmten

elektrischen Winkel gemessenen Stromwert ermittelt wird.

Vorteile der Erfindung

Das hierin beschriebene Verfahren, sowie die hierin beschriebene Vorrichtung, ermöglichen es, auch bei größeren stochastischen Messfehlern bei dem Messen der elektrischen Stromwerte den Lagewinkel des Rotors einer elektrischen Synchronmaschine, bevorzugt einer permanenterregten Synchronmaschine, besonders genau zu bestimmen. Da die Spannungserzeugungseinrichtung, die Messeinrichtung und eine Art von Recheneinrichtung üblicherweise ohnehin zum Betreiben der Synchronmaschine benötigt werden, kommt die hierin

beschriebene Vorrichtung mit besonders wenig, oder gar keinen, zusätzlichen Elementen aus. Die Vorrichtung kann insbesondere in eine Synchronmaschine integriert sein.

Insbesondere durch das Verwenden einer Integralfunktion führen Messfehler im Gegensatz zu Verfahren, welche auf Ableitungsfunktionen basieren, zu deutlich geringeren Fehlern im ermittelten Rotorlagewinkel.

Die Erfindung basiert auf der Erfassung der Induktivität in verschiedenen elektrischen Winkelrichtungen, die nicht nur durch die Ausrichtung einer

Statorwicklung vorgegeben sind, sondern durch gezieltes Abfragen der

Induktivität in einer beliebigen Winkelposition, wobei durch geeignete

Kombination mindestens zweier Statorwicklungen eine beliebige Winkelposition abgefragt werden kann. Mit anderen Worten können durch gezieltes Anlegen von Spannungen an zwei oder mehr Statorwicklungen die Spannungspulse mit den vorbestimmten elektrischen Winkeln erzeugt werden. Prinzipiell wird ein äußeres Magnetfeld (durch den Stator, basierend auf den erzeugten Spannungspulsen) mit einer bestimmten Winkelrichtung (d.h. mit einem vorbestimmten elektrischen Winkel) angelegt, und der daraus resultierende (dazu verzögerte) Strom wird erfasst, der sich gemäß: u(t) = L-(di/dt) verhält. Die effektive magnetische Permeabilität des Rotors in Abhängigkeit von dem Winkel ergibt sich durch das Material des Rotors, insbesondere durch Kombination verschiedener Materialien verschiedener magnetischer Permeabilität und insbesondere die Ausformung des Rotors, die nicht rotationssymmetrisch ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Fig. en.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Bestimmen des

Lagewinkels des Rotors die Schritte: Bestimmen eines Mittelwerts der berechneten Integralfunktion; und Bestimmen eines ersten Winkelwerts, an welchem die berechnete Integralfunktion den bestimmten Mittelwert der berechneten Integralfunktion schneidet; wobei das Bestimmen des Lagewinkels des Rotors basierend auf dem bestimmten ersten Winkelwert erfolgt. Somit kann ein Extremwert des gespeicherten Stromsignalverlaufs einfach und präzise bestimmt werden und zum Bestimmen des Rotorlagewinkels dienen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird derjenige Winkelwert als der erste Winkelwert bestimmt, an welchem die berechnete Integralfunktion den bestimmten Mittelwert der berechneten Integralfunktion während eines Anstiegs der berechneten Integralfunktion von niedrigen Werten hin zu höheren Werten schneidet. Auf diese Weise kann ein Maximum des gespeicherten sowie des mittelwertfreien Stromsignalverlaufs einfach und präzise bestimmt werden, wobei dieses Maximum die D-Achse oder die D'-Achse des Rotors in einem rotorfesten Koordinatensystem indiziert. Sowohl die D-Achse als auch die D'- Achse sind rotorfest; die D-Achse zeigt in Richtung des Lagewinkels des Rotors, die D'-Achse ist um 180° Grad gedreht zu der D-Achse angeordnet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zusätzlich ein zweiter Winkelwert bestimmt, an welchem die berechnete Integralfunktion den bestimmten Mittelwert der berechneten Integralfunktion während eines Abfalls der berechneten Integralfunktion von höheren Werten hin zu niedrigeren Werten schneidet, wobei das Bestimmen des Lagewinkels des Rotors zusätzlich basierend auf dem bestimmten zweiten Winkelwert erfolgt. Auf diese Weise kann ein Minimum des mittelwertfreien Stromsignalverlaufs einfach und präzise bestimmt werden und zum Bestimmen des Rotorlagewinkels dienen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden eine Summe und/oder ein Durchschnitt der gemessenen Stromwerte für den ersten Winkelwert mit einer Summe und/oder einem Durchschnitt der gemessenen Stromwerte für einen dritten Winkelwert, welcher gleich dem bestimmten ersten Winkelwert plus 180° ist, verglichen. Von dem ersten Winkelwert und dem zweiten Winkelwert wird derjenige Winkelwert als Lagewinkel des Rotors bestimmt, für den die Summe und/oder der Durchschnitt der gemessenen Stromwerte größer ist. Somit kann eine 180°-Doppeldeutigkeit auf besonders einfache Weise aufgelöst werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das Bestimmen des Lagewinkels des Rotors weiterhin die Schritte: Erzeugen eines ersten

elektrischen Sättigungspulses elektrisch mit dem bestimmten ersten Winkelwert; Messen eines ersten elektrischen Stromwerts, welcher auf den ersten elektrischen Sättigungspuls zurückgeht; Erzeugen eines zweiten elektrischen

Sättigungspulses elektrisch mit einem dritten Winkelwert, welcher gleich dem bestimmten ersten Winkelwert plus 180° ist; Messen eines zweiten elektrischen Stromwerts, welcher auf den zweiten elektrischen Sättigungspuls zurückgeht; Bestimmen des ersten Winkelwerts als Lagewinkel des Rotors, falls der erste elektrische Stromwert größer als der zweite elektrische Stromwert ist, und des dritten Winkelwerts als Lagewinkel des Rotors, falls der zweite elektrische Stromwert größer als der erste elektrische Stromwert ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird mit jedem der

vorbestimmten elektrischen Winkel eine Mehrzahl von Spannungspulsen erzeugt und die jeweils darauf zurückgehenden elektrischen Stromwerte gemessen; und der Stromsignalverlauf wird basierend auf allen gemessenen Stromwerten erstellt. Hierdurch kann sich eine Genauigkeit des Bestimmens des Lagewinkels des Rotors verbessern.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Werte des

gespeicherten Stromsignalverlaufs jeweils durch den Mittelwert oder die Summe aller einem jeweiligen vorbestimmten elektrischen Winkel (z.B. in der einen Hälfte von 360°) zugewiesenen elektrischen Stromwerte gegeben.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Spannungspulse eine Pulshöhe von zwischen 1 Volt und 10 Volt auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Spannungspulse eine Pulsdauer von zwischen 1 Mikrosekunde und 1000 Mikrosekunden auf. In jedem Fall werden die Spannungspulse derart erzeugt, dass der stehende Rotor durch die

Spannungspulse nicht in Rotation versetzt wird, d.h. stehen bleibt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird nach einem Abklingen eines jeden erzeugten Spannungspulses und/oder nach dem Messen des jeweiligen elektrischen Stromwerts eine vorbestimmte Zeitspanne abgewartet, bevor ein nächster Spannungspuls erzeugt wird. Die vorbestimmte Zeitspanne kann beispielsweise zwischen 1 Mikrosekunde und 500 Mikrosekunden betragen, insbesondere 100 Mikrosekunden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Fig. en der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Bestimmen des Lagewinkels eines Rotors einer elektrischen Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 bis Fig. 4

schematische Darstellungen zum Erläutern der Funktionsweise der Vorrichtung aus Fig. 1; und

Fig. 5 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Bestimmen des Lagewinkels eines Rotors einer elektrischen

Synchronmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere

Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung 10 zum

Bestimmen des Lagewinkels eines Rotors 2 einer elektrischen

permanenterregten Synchronmaschine 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10 kann in die permanenterregte Synchronmaschine 1 integriert sein oder die permanenterregte

Synchronmaschine 1 kann ein Teil der Vorrichtung 10 sein. Statt einer permanenterregten Synchronmaschine 1 kann die Vorrichtung 10 auch zur Anwendung auf eine beliebige Synchronmaschine 1 eingerichtet sein.

Die Vorrichtung 10 umfasst eine Spannungserzeugungseinrichtung 12, welche zum Erzeugen von jeweils mindestens einem elektrischen Spannungspuls mit, oder an, vorbestimmten elektrischen Winkeln in einem auf einen Stator 3 der elektrischen Synchronmaschine 1 bezogenen, statorfesten Koordinatensystem bei stehendem Rotor 2 der Synchronmaschine 1 ausgelegt oder eingerichtet ist, d.h. im Stillstand der Synchronmaschine 1. Bevorzugt ist die

Spannungserzeugungseinrichtung 12 so ausgelegt oder eingerichtet, dass für jeden elektrischen Winkel zwischen 0° und, inklusive, 359°, oder jedenfalls kleiner als 360°, jeweils mindestens ein elektrischer Spannungspuls erzeugt wird.

Die Spannungserzeugungseinrichtung 12 ist weiterhin derart ausgelegt, dass alle elektrischen Winkel größer oder gleich 360° (φ > 360°) mit einem

entsprechenden, um ein ganzzahliges Vielfaches n von 360° verringerten elektrischen Winkel (φ - n*360°) zwischen 0° und <360° identifiziert werden. Mit anderen Worten wird hierin kein Unterschied gemacht zwischen dem

elektrischen Winkel 15° und dem elektrischen Winkel 375° (=15°+360°).

Die Vorrichtung 10 umfasst außerdem eine Messeinrichtung 14, welche zum Messen je mindestens eines jeweiligen, auf die durch die

Spannungserzeugungseinrichtung 12 erzeugten elektrischen Spannungspulse zurückgehenden, elektrischen Stromwerts eingerichtet ist. Während der

Spannungspulse steigt nämlich der elektrische Strom in Abhängigkeit des Lagewinkels des Rotors 2 bzw. des von dem Rotor 2 der permanenterregten Synchronmaschine 1 permanent erzeugten Magnetfelds an. Die

Spannungserzeugungseinrichtung 12 ist bevorzugt derart ausgebildet, dass der jeweilige elektrische Stromwert stets am Ende des durch die

Spannungserzeugungseinrichtung 12 erzeugten elektrischen Spannungspulses gemessen wird. Wird eine besonders schnell arbeitende Vorrichtung 10 benötigt, kann

vorgesehen sein, dass nur an vorbestimmten elektrischen Winkeln mit größeren Winkelabständen als 1° Spannungspulse erzeugt und darauf zurückgehende Stromwerte gemessen werden. Beispielsweise können an insgesamt neunzig vorbestimmten elektrischen Winkeln in gleichen Abständen zwischen 0° und 360° (d.h. bei 0°, bei 4°, bei 8° usw.) Spannungspulse erzeugt und Stromwerte gemessen werden. Wird eine besonders genaue Vorrichtung 10 benötigt, kann vorgesehen sein, dass die Spannungserzeugungseinrichtung 12 in

Winkelabständen von 1° jeweils mehrere (z.B. zwei, drei oder noch mehr) Spannungspulse erzeugt und dementsprechend jeweils mehrere Stromwerte für diesen vorbestimmten elektrischen Winkel durch die Messeinrichtung 14 gemessen werden. Vorteilhaft wird jedoch für jeden der vorbestimmten Winkel dieselbe Anzahl von Spannungspulsen erzeugt und dieselbe Anzahl von

Stromwerten gemessen.

Vorteilhaft wird nach dem Erzeugen eines jeden Spannungspulses ein Puls in der Gegenrichtung erzeugt, damit der Strom möglichst schnell abklingt. Alternativ oder zusätzlich wird nach einem Abklingen eines jeden erzeugten

Spannungspulses und/oder nach dem Messen des jeweiligen elektrischen Stromwerts eine vorbestimmte Zeitspanne abgewartet, bevor ein nächster Spannungspuls durch die Spannungserzeugungseinrichtung 12 erzeugt wird, wobei der nächste Spannungspuls zum, oder an dem, selben vorbestimmten elektrischen Winkel erzeugt werden kann oder an einem weiteren, zum Beispiel um 1° erhöhten, elektrischen Winkel. Die vorbestimmte Zeitspanne beträgt z.B. zwischen 1 Mikrosekunde und 500 Mikrosekunden.

Die Spannungspulse können eine Pulshöhe von zwischen einem 1 und 10 Volt aufweisen. Die Spannungserzeugungseinrichtung 12 kann derart eingerichtet sein, dass die Spannungspulse mit einer Pulsdauer von zwischen 1

Mikrosekunde und 1000 Mikrosekunden erzeugt werden. Dabei werden die Spannungspulse durch die Spannungserzeugungseinrichtung 12 vorteilhaft stets so erzeugt, dass der Rotor 2 durch die Spannungspulse nicht in Rotation, d. h. Drehung versetzt wird. Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Recheneinrichtung 16, welche beispielsweise als ein Mikrocontroller, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein FPGA oder einen Prozessor und einen Speicher eines Computers ausgebildet sein kann. Die Recheneinrichtung 16 ist dazu

eingerichtet, einen Stromsignalverlauf in Abhängigkeit von Winkeln in einer Hälfte von 360° zu erzeugen und/oder zu speichern, beispielsweise in einer sich von 0° bis <180° erstreckenden Hälfte.

Ein beispielhafter Stromsignalverlauf aller gemessenen Stromwerte ist in Fig. 2 schematisch dargestellt, wobei eine horizontale Achse 81 elektrische Winkel von

0° bis 360° (= 0°) darstellt und eine vertikale Achse 82 elektrische Stromwerte darstellt.

Die Recheneinrichtung 16 ist weiterhin dazu eingerichtet, jeden an einem vorbestimmten Winkel in der anderen Hälfte von 360° (im obigen Beispiel sich von 180° bis <360° erstreckend) gemessenen elektrischen Stromwert dem jeweiligen, um 180° versetzten vorbestimmten Winkel in der einen Hälfte (von 0° bis <180°) zuzuweisen. Im obigen Beispiel werden entsprechend die für elektrisch 180° gemessenen Stromwerte dem vorbestimmten elektrischen Winkel von 0° zugewiesen, die für elektrisch 181° gemessenen Stromwerte dem vorbestimmten elektrischen Winkel von 1° zugewiesen usw.

Durch die Recheneinrichtung 16 wird nun zum Speichern des

Stromsignalverlaufs basierend auf allen vorbestimmten elektrischen Winkeln in der einen Hälfte (von 0° bis <180°) zugewiesenen Stromwerten ein jeweiliger

Wert des Stromsignalverlaufs für diesen vorbestimmten elektrischen Winkel berechnet, z.B. durch Addition aller zugewiesenen Stromwerte oder durch Mittelwertbildung. Das Ergebnis dieses Schritts ist in Fig. 3 schematisch dargestellt.

Der Stromsignalverlauf von 0° bis <360° über die gemessenen Stromwerte hinweg kann bei einer realen elektrischen Maschine beispielsweise durch eine Reihe

a + b*cos(cp) + c*cos(2 φ) + d*cos(3 φ) + e*cos(4 φ) + ... dargestellt werden, wobei φ den elektrischen Winkel bezeichnet und a, b, c, d, und e Koeffizienten sind und wobei a und c üblicherweise deutlich größer sind als alle anderen Koeffizienten.

Durch das Addieren der Stromwerte von jeweils den um 180° getrennten Winkeln (welches auch bei der Mittelwertbildung durchgeführt wird) fallen„ungeradzahlige Anteile" wie cos(cp), cos(3 φ) und so weiter weg, da cos(n*( φ +180°)) = - cos (n* φ) beträgt und so weiter für alle ungeradzahligen n. Nach diesem Schritt gibt es in der einen Hälfte der Winkel von 360° (beispielsweise von 0° bis <180°) ein in Fig. 3 deutlich erkennbares Maximum, welches der D-Achse oder der D'-Achse in einem statorbezogenen Koordinatensystem entspricht.

Weiterhin wird durch die Recheneinrichtung 16 ein mittelwertfreier

Stromsignalverlauf erzeugt, welcher einen Mittelwert von Null aufweist. Dazu kann der Mittelwert des gespeicherten Stromsignalverlaufs ermittelt werden und der gespeicherte Stromsignalverlauf kann durch Subtrahieren des berechneten Mittelwerts von allen Werten des gespeicherten Stromsignalverlaufs verschoben werden, um den mittelwertfreien Stromsignalverlauf zu erhalten. Die

Recheneinrichtung 16 ist außerdem dazu eingerichtet, eine Integralfunktion des mittelwertfreien Stromsignalverlaufs zu berechnen. In Fig. 4 ist beispielhaft eine die Integralfunktion repräsentierende Kurve 83 eingezeichnet.

Die Recheneinrichtung 16 ist weiterhin dazu eingerichtet, den Lagewinkel des Rotors 2 basierend auf der berechneten Integralfunktion 83 zu bestimmen.

Bevorzugt erfolgt dies, indem ein Mittelwert (gerade Linie 84 in Fig. 4) der berechneten Integralfunktion 83 bestimmt wird.

Weiterhin wird nach dieser bevorzugten Variante durch die Recheneinrichtung 16 ein erster Winkelwert 85 bestimmt, an welchem die berechnete Integralfunktion 83 den bestimmten Mittelwert 84 der berechneten Integralfunktion 83 von unten nach oben schneidet. Das Bestimmen des Lagewinkels des Rotors 2 durch die Recheneinrichtung 16 erfolgt vorteilhaft basierend auf dem bestimmten ersten Winkelwert 85. Mit anderen Worten wird derjenige Winkelwert als der erste Winkelwert 85 bestimmt, an welchem die berechnete Integralfunktion 83 den bestimmten Mittelwert 84 der berechneten Integralfunktion 83 während eines Anstiegs der berechneten Integralfunktion 83 von niedrigen Werten hin zu höheren Werten schneidet. Mit anderen Worten ist derjenige Winkelwert der erste Winkelwert 85, an welchem in der in Fig. 4 gezeigten grafischen Darstellung die Integralfunktion 83 den Mittelwert 84 von unten schneidet.

Üblicherweise werden Maxima einer Funktion durch eine mathematische Ableitung und das Bestimmen der Nullstellen der Ableitung ermittelt. Dieses

Vorgehen kann den Nachteil haben, dass bei den in der Praxis häufig vorliegenden verrauschten Messwerten für die elektrischen Ströme eine diskrete Ableitung keine klare Nullstelle liefern würde. Ein großer Vorteil der hierin beschriebenen Vorrichtung 10 besteht darin, dass dieses Maximum, welches der D-oder der D'-Achse entspricht, nicht durch eine Ableitung, sondern mittels der Integralfunktion bestimmt wird. Dies ist deswegen möglich, weil der gespeicherte Stromsignalverlauf periodisch ist und weil die Schnittpunkte der Integralfunktion mit dem Mittelwert der Integralfunktion bei den gleichen Winkeln liegen wie die Nullstellen der Ableitung des

Stromsignalverlaufs. Die Ableitung einer Kosinusfunktion ist eine Sinusfunktion, das Integral einer Kosinusfunktion ist ebenfalls eine Sinusfunktion. Die

Recheneinrichtung 16 der Vorrichtung 10 nutzt diese Eigenschaft aus. Das Integrieren der erfassten Stromwerte ist besonders vorteilhaft, da Messfehler nach dem Integrieren deutlich geringer sind oder sogar verschwinden, während

Messfehler durch eine diskrete Ableitung deutlich verstärkt würden.

Nach dem Bestimmen des ersten Winkelwerts 85 verbleibt die im

Voranstehenden bereits erläuterte Doppeldeutigkeit, da der tatsächliche

Lagewinkel des Rotors 2 nun entweder dem elektrischen ersten Winkelwert 85

(φ) oder dem um 180° erhöhten ersten Winkelwert 85 (d.h. φ+180°) entsprechen kann.

Um diese Doppeldeutigkeit aufzulösen, wird bevorzugt vorgegangen wie folgt: Sowohl mit dem (oder für den) bestimmten elektrischen ersten Winkelwert 85 (φ) als auch bei dem (oder für den) um 180° erhöhten ersten Winkelwert 85 (d.h. φ+180°) wird jeweils ein elektrischer Sättigungspuls erzeugt, welcher

beispielsweise 50 Volt oder mehr betragen kann, und zwar jeweils durch die Spannungserzeugungseinrichtung 12. Wie im Voranstehenden auf die anderen Spannungspulse beschrieben, kann jeweils am Ende des Sättigungspulses durch die Messeinrichtung 14 ein Stromwert gemessen werden. Die Recheneinrichtung 16 kann dazu eingerichtet sein, die beiden auf die Sättigungspulse

zurückgehenden gemessenen elektrischen Stromwerte zu vergleichen und denjenigen Winkelwert als den Lagewinkel des Rotors 2 zu bestimmen, an welchem der auf den Sättigungspuls zurückgehende elektrische Stromwert höher ist.

Die Recheneinrichtung 16 kann weiterhin dazu eingerichtet sein, neben dem Maximum des Stromsignalverlaufs, d. h., neben dem ersten Winkelwert 85, auch einen zweiten Winkelwert 86 zu bestimmen, welcher einem Minimum des Stromsignalverlaufs entspricht. Die Recheneinrichtung 16 kann dazu eingerichtet sein, denjenigen Winkelwert als den zweiten Winkelwert 86 bestimmen, an welchem die berechnete Integralfunktion 83 den bestimmten Mittelwert 84 der berechneten Integralfunktion 83 während eines Abfalls der berechneten

Integralfunktion 83 von höheren Werten hin zu niedrigeren Werten schneidet, d. h., an welchem die berechnete Integralfunktion 83 den bestimmten Mittelwert 84 in Fig. 4 von oben schneidet.

Das Bestimmen des Lagewinkels des Rotors 2 erfolgt vorteilhaft zusätzlich basierend auf dem bestimmten zweiten Winkelwert 86 (φ2). Das Minimum des gespeicherten Stromsignalverlaufs in Fig. 3 ist nämlich gegenüber dem

Maximum um 90° verschoben. Somit kann ein dritter Winkelwert φ3 bestimmt werden, welcher dem um 90° erhöhten zweiten Winkelwert 86 (d.h. φ3 = φ2+90°) gleich ist, und der Lagewinkel des Rotors 2 kann als Mittelwert des ersten Winkelwerts 85 und des dritten Winkelwerts bestimmt werden. Alternativ kann auf das Ermitteln des zweiten Winkelwerts 86 verzichtet werden und es kann durch die Recheneinrichtung 16 einfach der erste Winkelwert 85 als der

Lagewinkel des Rotors 2 bestimmt werden. Zum Auflösen der Doppeldeutigkeit kann die Vorrichtung 10 alternativ auch derart ausgebildet sein, dass die Recheneinrichtung 16 die Höhe des Mittelwerts, oder der Summe, der an dem ersten Winkelwert 85 ursprünglich gemessenen Stromwerte vergleicht mit der Höhe des Mittelwerts, oder der Summe, der an dem um 180° erhöhten ersten Winkelwert 85 gemessenen Stromwerte, und daraufhin den Winkel, welcher in dem Vergleich den höheren Mittelwert, oder die höhere Summe von Stromwerten, aufweist, als den Lagewinkel des Rotors 2 bestimmt.

Fig. 5 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Bestimmen des Lagewinkels eines Rotors 2 einer elektrischen

Synchronmaschine 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren gemäß Fig. 5 ist insbesondere mit der im

Voranstehenden beschriebenen Vorrichtung 10 durchführbar und ist gemäß allen in Bezug auf die Vorrichtung 10 beschriebenen Modifikationen, Varianten und Weiterbildungen anpassbar und umgekehrt.

In einem Schritt S10 wird je mindestens ein elektrischer Spannungspuls mit, oder an, vorbestimmten elektrischen Winkeln in einem auf einen Stator 3 der elektrischen Synchronmaschine 1 bezogenen statorfesten Koordinatensystem bei stehendem Rotor 2 der Synchronmaschine 1, d.h. im Stillstand der

Synchronmaschine 1, erzeugt. Dabei ist bevorzugt zu jedem vorbestimmten Winkel auch ein jeweiliger, um 180° erhöhter elektrischer Winkel vorbestimmt. Der Schritt S10 kann insbesondere durch die Spannungserzeugungseinrichtung 12 der Vorrichtung 10 durchgeführt werden, wie im Voranstehenden

beschrieben.

In einem Schritt S20 wird je mindestens ein jeweiliger, auf die erzeugten elektrischen Spannungspulse zurückgehende elektrischer Stromwert gemessen. Der Schritt S20 kann insbesondere durch die Messeinrichtung 14 der Vorrichtung 10 durchgeführt werden, wie im Voranstehenden beschrieben.

In einem Schritt S30 wird ein Stromsignalverlauf der gemessenen Stromwerte gespeichert, beispielsweise wie im Voranstehenden in Bezug auf die

Recheneinrichtung 16 beschrieben. Bevorzugt wird der Stromsignalverlauf lediglich in Abhängigkeit von Winkeln in einer Hälfte von 360° erstellt. Dabei wird der Wert zu jedem vorbestimmten Winkel in der einen Hälfte von 360° sowohl aus mindestens einem für diesen vorbestimmten Winkel gemessenen Stromwert als auch aus mindestens einem, an einem um 180° erhöhten vorbestimmten Winkel gemessenen Stromwert ermittelt.

In einem Schritt S40 wird ein mittelwertfreier Stromsignalverlauf erzeugt, welcher einen Mittelwert von Null aufweist, beispielsweise indem der gespeicherte Stromsignalverlauf entsprechend nach oben oder unten verschoben wird.

Alternativ dazu können auch vor dem Speichern des Stromsignalverlaufs die Stromwerte, auf denen der Stromsignalverlauf basiert, entsprechend verschoben, d.h. um deren Mittelwert verringert, werden.

In einem Schritt S50 wird eine Integralfunktion 83 des mittelwertfreien

Stromsignalverlaufs berechnet. In einem Schritt S60 wird der Lagewinkel des Rotors 2 basierend auf der berechneten Integralfunktion 83 bestimmt. Die Schritte S30, S40, S50 und S60 können insbesondere durch die

Recheneinrichtung 16 der Vorrichtung 10 durchgeführt werden, wie im

Voranstehenden beschrieben.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.