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DE102019215854A1 - Method for operating a brushless and sensorless multiphase electric motor - Google Patents

Method for operating a brushless and sensorless multiphase electric motor Download PDF

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DE102019215854A1
DE102019215854A1 DE102019215854.4A DE102019215854A DE102019215854A1 DE 102019215854 A1 DE102019215854 A1 DE 102019215854A1 DE 102019215854 A DE102019215854 A DE 102019215854A DE 102019215854 A1 DE102019215854 A1 DE 102019215854A1
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DE
Germany
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electric motor
speed
motor
rotor
minimum speed
Prior art date
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Pending
Application number
DE102019215854.4A
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German (de)
Inventor
Johannes Schwarzkopf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Original Assignee
Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
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Publication date
Application filed by Brose Fahrzeugteile SE and Co KG filed Critical Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotors (4), wobei von einem Positionsbeobachter (64) ein Positionssignal (P) als Maß für eine Rotorposition anhand mindestens einer Motorgröße (IU, IV, IW, UU, UV, UW, 40) des Elektromotors (4) bestimmt wird, wobei von einer Signalaufbereitung (66) eine Rotationsgröße (θ, ω) anhand des Positionssignals (P) berechnet wird, wobei das Positionssignal (P) und/oder die Rotationsgröße (θ, ω) mit einer hinterlegten Minimalsteigung (v) als Maß für eine Mindestgeschwindigkeit (ω) erzeugt wird, und wobei der Elektromotor (4) anhand der Rotationsgröße (θ, ω) gesteuert und/oder geregelt wird.The invention relates to a method for operating a brushless and sensorless multiphase electric motor (4), a position signal (P) from a position observer (64) as a measure for a rotor position based on at least one motor variable (IU, IV, IW, UU, UV, UW , 40) of the electric motor (4) is determined, with a signal processor (66) calculating a rotation variable (θ, ω) on the basis of the position signal (P), the position signal (P) and / or the rotation variable (θ, ω) is generated with a stored minimum gradient (v) as a measure for a minimum speed (ω), and the electric motor (4) is controlled and / or regulated on the basis of the rotation variable (θ, ω).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotors. Die Erfindung betrifft weiterhin einen elektrischen Antrieb, insbesondere für ein Verstellelement (Verstellsystem) eines Kraftfahrzeugs, mit einem nach dem Verfahren betriebenen Elektromotor.The invention relates to a method for operating a brushless and sensorless multiphase electric motor. The invention further relates to an electric drive, in particular for an adjusting element (adjusting system) of a motor vehicle, with an electric motor operated according to the method.

Elektromotorisch an- oder betriebene Verstellsysteme als Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Fensterheber, Sitzverstellungen, Tür- und Schiebedachantriebe oder Kühlerlüfterantriebe sowie Pumpen und Innenraumgebläse weisen typischerweise einen elektrischen Antrieb mit einem gesteuerten Elektromotor auf. Für solche elektromotorische Antriebe werden zunehmend häufig sogenannte bürstenlose Elektromotoren (bürstenloser Gleichstrommotor, BLDC-Motor) eingesetzt, bei denen die verschleißanfälligen Bürstenelemente eines starren (mechanischen) Kommutators durch eine elektronische Kommutierung des Motorstroms ersetzt sind.Adjustment systems driven or operated by electric motors as motor vehicle components, such as window lifters, seat adjustments, door and sunroof drives or radiator fan drives as well as pumps and interior fans typically have an electric drive with a controlled electric motor. For such electromotive drives, so-called brushless electric motors (brushless direct current motor, BLDC motor) are increasingly used, in which the wear-prone brush elements of a rigid (mechanical) commutator are replaced by electronic commutation of the motor current.

Elektromotorische Antriebe für Kraftfahrzeuge werden in der Regel von einer (Hochvolt-)Batterie als fahrzeuginternem Energiespeicher gespeist, aus welchem der Elektromotor mit elektrischer Energie in Form eines Gleichstroms (Gleichspannung) versorgt wird. Zur Wandlung des Gleichstroms in den Motorstrom ist geeigneterweise ein Stromrichter (Wechselrichter, Inverter) zwischen dem Energiespeicher und dem Elektromotor verschaltet. Der Stromrichter weist eine Brückenschaltung auf, welche über einen elektrischen Zwischenkreis mit der Gleichstrom oder Gleichspannung des Energiespeichers versorgt wird. Der Motorstrom wird durch eine pulsweitenmodulierte (PWM) Ansteuerung oder Regelung von Halbleiterschaltern der Brückenschaltung als ein mehrphasiger Ausgangsstrom erzeugt. Durch die Pulse der PWM-Signale werden die Halbleiterschalter getaktet zwischen einem leitenden und einem sperrenden Zustand umgeschaltet.Electric motor drives for motor vehicles are usually fed by a (high-voltage) battery as the vehicle-internal energy storage device, from which the electric motor is supplied with electrical energy in the form of a direct current (direct voltage). To convert the direct current into the motor current, a power converter (inverter, inverter) is suitably connected between the energy store and the electric motor. The converter has a bridge circuit which is supplied with the direct current or direct voltage of the energy store via an electrical intermediate circuit. The motor current is generated as a multi-phase output current by pulse-width modulated (PWM) control or regulation of semiconductor switches in the bridge circuit. The semiconductor switches are switched between a conductive and a blocking state in a clocked manner using the pulses of the PWM signals.

Die Brückenschaltung speist im Betrieb in die Statorspulen des Elektromotors den elektrischen Motorstrom (Drehstrom) ein, welcher in der Folge ein bezüglich des Stators rotierendes magnetisches Drehfeld erzeugt. Der Rotor des Elektromotors weist hierbei geeigneterweise eine Anzahl von Permanentmagneten auf, wobei durch die Wechselwirkung der Permanentmagnete mit dem Drehfeld ein resultierendes Drehmoment erzeugt wird, welches den Rotor in Rotation versetzt.During operation, the bridge circuit feeds the electric motor current (three-phase current) into the stator coils of the electric motor, which then generates a rotating magnetic field that rotates with respect to the stator. The rotor of the electric motor here suitably has a number of permanent magnets, the interaction of the permanent magnets with the rotating field generating a resulting torque which sets the rotor in rotation.

Die Phasen des von der Brückenschaltung erzeugten Drehstroms und des zugehörigen Drehfeldes werden als (Motor-)Phasen bezeichnet. Im übertragenen Sinne werden hierunter auch die jeweils einer solchen Phase zugeordneten Statorspulen (Phasenwicklung) mit den zugehörigen Verbindungsleitungen (Phasenende) verstanden. Die Phasen sind hierbei beispielsweise in einem Sternpunkt einer Sternschaltung miteinander verschaltet.The phases of the three-phase current generated by the bridge circuit and the associated rotating field are referred to as (motor) phases. In a figurative sense, this also includes the stator coils (phase winding) assigned to such a phase with the associated connecting lines (phase end). The phases are connected to one another in a star point of a star connection, for example.

Für einen effizienten Betrieb ist es notwendig, dass die Phasen zum richtigen Zeitpunkt mit Strom versorgt werden. Hierzu ist eine genaue Bestimmung der relativen Position von Rotor und Stator für eine Motorsteuerung/-regelung notwendig.For efficient operation it is necessary that the phases are supplied with power at the right time. To do this, it is necessary to precisely determine the relative position of rotor and stator for motor control / regulation.

Hierbei ist beispielsweise eine beobachterbasierte Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors denkbar. Bei einem solchen Beobachter- oder Oberserververfahren läuft, basierend auf den Systemgleichungen des Elektromotors oder Antriebs, ein sogenannter Zustands- oder Positionsbeobachter mit. Aus einem Vergleich der erwarteten Motorzustände aus dem Beobachter mit den gemessenen Werten kann der tatsächliche Zustand und damit eine Rotationsgröße, also die Rotorposition und/oder die Drehzahl, ermittelt werden.Here, for example, an observer-based control and / or regulation of the electric motor is conceivable. In such an observer or upper server method, a so-called state or position observer also runs based on the system equations of the electric motor or drive. From a comparison of the expected motor states from the observer with the measured values, the actual state and thus a rotation variable, that is to say the rotor position and / or the speed, can be determined.

Unter einem Beobachter (Observer) ist hier und im Folgenden insbesondere ein System zu verstehen, welches aus bekannten Eingangsgrößen (z. B. Stellgrößen oder messbaren Störgrößen) und Ausgangsgrößen (Messgrößen) des beobachteten Elektromotors nicht messbare Größen (Zustände), wie insbesondere die Rotorposition, rekonstruiert. Zu diesem Zwecke bildet der Beobachter den beobachteten Elektromotor beispielsweise als Modell nach und führt mit einem Regler die messbaren, und deshalb mit dem Elektromotor vergleichbaren, Zustandsgrößen nach.An observer is to be understood here and in the following in particular as a system which, from known input variables (e.g. manipulated variables or measurable disturbance variables) and output variables (measured variables) of the observed electric motor, does not measure measurable variables (states), such as the rotor position in particular , reconstructed. For this purpose, the observer simulates the observed electric motor, for example as a model, and uses a controller to track the measurable state variables, which are therefore comparable to the electric motor.

Die Rotorposition für die Positionsbestimmung wird beispielsweise mittels zusätzlicher Drehsensoren, wie zum Beispiel einem Hallsensor, ermittelt. Derartige Drehsensoren oder Geber sind jedoch kostenintensiv, weshalb eine Positionsbestimmung bevorzugterweise sensorlos erfolgen sollte.The rotor position for determining the position is determined, for example, by means of additional rotation sensors, such as a Hall sensor. Rotation sensors or encoders of this type are, however, expensive, which is why a position determination should preferably be carried out without a sensor.

Die sensorlose Positionsbestimmung beruht beispielsweise auf der Erfassung von induzierten Strom- und/oder Spannungssignalen aufgrund der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK, back-EMF), welche die rotierenden Permanentmagnete in den Phasenwicklungen induziert. Die induzierten Gegen-EMK-Signale sind proportional zu der Rotordrehzahl, wodurch nachteiligerweise bei niedrigen Drehzahlen oder beim Stillstand des Elektromotors nur wenige oder keine Informationen zur Positionsbestimmung für die Motorsteuerung bereitstehen. Insbesondere wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei niedrigen Drehzahlen reduziert. Eine derartige Einschränkung besteht auch für flussbasierte sensorlose Messverfahren. Dadurch ist in der Regel eine Positionsbestimmung oder Positionserkennung unterhalb einer Schwelldrehzahl nicht möglich, wodurch ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Elektromotors, insbesondere während eines Anfahrens aus dem Stillstand oder während eines Betriebs mit niedriger Drehzahl, nachteilig erschwert ist.The sensorless position determination is based, for example, on the detection of induced current and / or voltage signals due to the back electromotive force (back EMF, back EMF) which the rotating permanent magnets induce in the phase windings. The induced back EMF signals are proportional to the rotor speed, which disadvantageously means that at low speeds or when the electric motor is at a standstill, only little or no information is available for determining the position for the motor controller. In particular, the signal-to-noise ratio is reduced at low speeds. Such a restriction also applies to flow-based sensorless measurement methods. As a result, a position determination or position recognition below a threshold speed is usually not possible, which means a safe and reliable operation of the electric motor, in particular when starting from standstill or during operation at low speed, is disadvantageously made more difficult.

Zum Erreichen und/oder Überschreiten der Schwelldrehzahl ist es beispielsweise möglich, den Antrieb beziehungsweise den Rotor ohne Kenntnisse der genauen Rotorposition auszurichten und anschließend durch eine Steuerung mittels einer Beschleunigungsrampe regelfrei zu beschleunigen. Zum Ausrichten wird in der Regel ein Spannungsvektor eingesetzt, welcher den Rotor in eine vorgegebene Lage (Startposition) rotiert. Hierzu wird beispielsweise eine Phase mit einem Bezugspotential, wie beispielsweise einem Ground, verbunden, und die übrigen Phasen werden mit einem pulsweitenmodulierten Regelsignal versorgt. Das dadurch erzeugte Magnetfeld richtet in der Folge den Rotor aus, sodass der Rotor in eine definierte Startposition überführt wird.To reach and / or exceed the threshold speed, it is possible, for example, to align the drive or the rotor without knowledge of the exact rotor position and then to accelerate it without regulation by means of a controller using an acceleration ramp. As a rule, a voltage vector is used for alignment, which rotates the rotor into a specified position (starting position). For this purpose, for example, one phase is connected to a reference potential, such as a ground, and the other phases are supplied with a pulse-width-modulated control signal. The magnetic field generated thereby aligns the rotor so that the rotor is transferred to a defined starting position.

Nach dem Ausrichten wird der Elektromotor mittels einer Open-Loop-Steuerung, also quasi blind, hochgefahren oder beschleunigt. Hierzu wird der Elektromotor beziehungsweise dessen Rotor beispielsweise mittels einer Rampe schrittweise bis zu einer Mindestdrehzahl beschleunigt, ab welcher eine sensorlose Positionserkennung möglich ist. Beispielsweise wird der Elektromotor nach der initialen Positionsausrichtung mit einem Motorstrom mit konstanter Amplitude versorgt, dessen Frequenz schrittweise oder sukzessive erhöht wird.After the alignment, the electric motor is run up or accelerated by means of an open-loop control, i.e. virtually blind. For this purpose, the electric motor or its rotor is accelerated step by step, for example by means of a ramp, up to a minimum speed from which a sensorless position detection is possible. For example, after the initial position alignment, the electric motor is supplied with a motor current with a constant amplitude, the frequency of which is increased step by step or successively.

Nachteiligerweise benötigt dieses Verfahren vergleichsweise hohe Motor- oder Phasenströme. Des Weiteren muss der der Elektromotor beziehungsweise der Rotor zunächst ausgerichtet werden, und wird anschließend vergleichsweise langsam beschleunigt, so dass eine besonders lange Start- oder Anlaufzeit gegeben ist. Weiterhin besteht das Risiko von Oszillationen und dem Verlust des synchronen Feldes. Durch die Oszillationen und hohen Motorströme verschlechtert sich nachteiligerweise auch die Akustik eines solchen betriebenen Antriebs.Disadvantageously, this method requires comparatively high motor or phase currents. Furthermore, the electric motor or the rotor must first be aligned and is then accelerated comparatively slowly, so that there is a particularly long start or run-up time. There is also the risk of oscillations and the loss of the synchronous field. The oscillations and high motor currents disadvantageously also worsen the acoustics of such an operated drive.

Eine weitere Möglichkeit zur Positionserkennung ist die Auswertung von anisotropen Eigenschaften des Antriebs, wie beispielsweise einer rotorpositionsabhängigen Induktivität der Phasenwicklungen. Vorteilhafterweise funktioniert dieses Verfahren zur Positionserkennung auch bei niedrigen Drehzahlen und bei einem Stillstand des Rotors. Nachteiligerweise ist das Verfahren jedoch lediglich in Antrieben einsetzbar, welche entsprechende Eigenschaften, wie beispielsweise eine ausreichend hohe Abhängigkeit der Induktivität von der Rotorposition, aufweisen. Weiterhin wird eine vergleichsweise leistungsstarke Messwerterfassung benötigt. Des Weiteren werden die akustischen Eigenschaften des Elektromotors während des Betriebs negativ beeinflusst, wodurch eine erhöhte Geräuschbelastung erzeugt wird.Another possibility for position detection is the evaluation of anisotropic properties of the drive, such as, for example, an inductance of the phase windings that is dependent on the rotor position. This method for position detection also works advantageously at low speeds and when the rotor is at a standstill. Disadvantageously, however, the method can only be used in drives which have corresponding properties, such as, for example, a sufficiently high dependence of the inductance on the rotor position. Furthermore, a comparatively powerful measurement value acquisition is required. Furthermore, the acoustic properties of the electric motor are adversely affected during operation, as a result of which an increased noise level is generated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotors anzugeben. Insbesondere soll das Verfahren einen effektiven und zuverlässigen Betrieb des Elektromotors auch bei niedrigen Drehzahlen oder aus dem Stillstand heraus ermöglichen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Antrieb mit einem derartig betriebenen Elektromotor anzugeben.The invention is based on the object of specifying a particularly suitable method for operating a brushless and sensorless multiphase electric motor. In particular, the method should enable effective and reliable operation of the electric motor even at low speeds or from a standstill. The invention is also based on the object of specifying an electric drive with an electric motor operated in this way.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Antriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Antrieb übertragbar und umgekehrt.With regard to the method, the object is achieved according to the invention with the features of claim 1 and with regard to the drive with the features of claim 10. Advantageous refinements and developments are the subject of the subclaims. The advantages and refinements cited with regard to the method can also be applied to the drive and vice versa.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Betrieb eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Elektromotors geeignet und eingerichtet. Der Elektromotor ist hierbei insbesondere eine Synchronmaschine, vorzugsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor, eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Verstellmotor.The method according to the invention is suitable and set up for operating a brushless and sensorless multiphase, in particular three-phase, electric motor. The electric motor is in particular a synchronous machine, preferably a brushless direct current motor, of a motor vehicle, for example an adjusting motor.

Erfindungsgemäß wird ein Positionssignal als Maß für eine Rotorposition von einem Positionsbeobachter bestimmt. Hierzu wird dem Positionsbeobachter mindestens eine Motorgröße des Elektromotors zugeführt, anhand welcher das Positionssignal bestimmt wird.According to the invention, a position signal is determined as a measure for a rotor position by a position observer. For this purpose, at least one motor variable of the electric motor is fed to the position observer, on the basis of which the position signal is determined.

Das Positionssignal wird anschließend einer Signalaufbereitung zugeführt, welche anhand des Positionssignals eine Rotationsgröße berechnet.The position signal is then fed to a signal processor, which calculates a rotation variable based on the position signal.

Erfindungsgemäß werden das Positionssignal und/oder die Rotationsgröße mit einer hinterlegten minimalen Steigung (Minimalsteigung) als Maß für eine Mindestgeschwindigkeit erzeugt. Dies bedeutet, dass die zeitliche Änderung des Positionssignals und/oder der Rotationsgröße anhand der minimalen Steigung bestimmt und/oder berechnet wird. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.According to the invention, the position signal and / or the rotation variable are generated with a stored minimum gradient (minimum gradient) as a measure of a minimum speed. This means that the change in the position signal and / or the rotation variable over time is determined and / or calculated on the basis of the minimum gradient. The conjunction “and / or” is to be understood here and below in such a way that the features linked by means of this conjunction can be designed both together and as alternatives to one another.

Der Elektromotor wird anhand der Rotationsgröße gesteuert und/oder geregelt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors realisiert.The electric motor is controlled and / or regulated on the basis of the rotation variable. This is a implemented a particularly suitable method for operating an electric motor.

Verfahrensgemäß wird somit nicht die genaue oder exakte Position des Elektromotors ermittelt. Anstelle eines klassischen Positionssignals eines Gebers oder Positionssensors erfolgt die Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors wird anhand des Positionssignals des Positionsbeobachters. Dieses Signal wird beispielsweise durch einen Geschwindigkeitsbeobachter als Signalaufbereitung aufbereitet, zum Beispiel gefiltert, und die Rotationsgröße wird berechnet oder geschätzt. Mit anderen Worten dient das Positionssignal als Eingang für die Signalaufbereitung, welche das Positionsersatzsignal filtert und die Rotorposition und/oder die Drehzahl beziehungsweise die Geschwindigkeit für die Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors ermittelt.According to the method, the exact or exact position of the electric motor is therefore not determined. Instead of a classic position signal from an encoder or position sensor, the electric motor is controlled and / or regulated on the basis of the position signal from the position observer. This signal is processed, for example filtered, by a speed observer as signal processing, and the rotation variable is calculated or estimated. In other words, the position signal serves as an input for the signal processing, which filters the position substitute signal and determines the rotor position and / or the rotational speed or the speed for the control and / or regulation of the electric motor.

Mittels des durch den Positionsbeobachter und die Signalaufbereitung gebildeten Positionserkennungssystems wird ein Regel- oder Steuersignal mit einer minimalen Steigung oder Minimalsteigung als Rotationsgröße erzeugt, anhand welcher ein Drehfeld mit einer entsprechenden Geschwindigkeit erzeugt wird. Mit anderen Worten wird der Elektromotor mit einer minimalen Drehzahl betrieben. Dadurch ist das Verfahren auch bei niedrigen Motordrehzahlen oder bei einem Anfahren aus dem Stillstand geeignet. Insbesondere wird die benötigte Drehzahl reduziert, ab welcher ein Regelungsverfahren für den Betrieb des Elektromotors angewendet werden kann. Des Weiteren ist somit auf einfache Art und Weise eine Regelung und/oder Steuerung bei geringen Drehzahlen ermöglicht, ohne dass der Elektromotor hierfür besondere Motoreigenschaften, wie beispielsweise eine ausreichend hohe Abhängigkeit der Induktivität von der Rotorposition, aufweisen muss.By means of the position detection system formed by the position observer and the signal processing, a regulating or control signal with a minimum slope or minimum slope is generated as a rotation variable, on the basis of which a rotating field is generated with a corresponding speed. In other words, the electric motor is operated at a minimum speed. This makes the method suitable even at low engine speeds or when starting from a standstill. In particular, the required speed from which a control method can be used for the operation of the electric motor is reduced. Furthermore, regulation and / or control at low speeds is thus made possible in a simple manner, without the electric motor having to have special motor properties for this, such as, for example, a sufficiently high dependence of the inductance on the rotor position.

Unter einer „minimalen Steigung“ oder Minimalsteigung ist hierbei eine Zustandsänderung des Positionssignals und/oder der Rotationsgröße zu verstehen, mittels welcher die Minimalgeschwindigkeit durch die Steuerung und/oder Regelung realisiert wird. Mit anderen Worten ist die Minimalsteigung vorzugsweise die kleinst mögliche Zustandsänderung, welche für eine Realisierung oder Umsetzung eines gewünschten Drehfelds bzw. der Minimalgeschwindigkeit benötigt wird.A “minimum gradient” or minimum gradient is to be understood here as a change in the state of the position signal and / or the rotation variable, by means of which the minimum speed is implemented by the control and / or regulation. In other words, the minimum slope is preferably the smallest possible change in state that is required for realizing or converting a desired rotating field or the minimum speed.

Unter einem Positionsbeobachter ist hier und im Folgenden insbesondere ein Beobachter oder Zustandsbeobachter des Elektromotors zu verstehen, welcher anhand der mindestens einen Motorgröße ein Schätzsignal oder einen Erwartungswert für die jeweils aktuelle Rotorposition eines Rotors des Elektromotors bestimmt.A position observer is to be understood here and below in particular as an observer or status observer of the electric motor who uses the at least one motor variable to determine an estimated signal or an expected value for the current rotor position of a rotor of the electric motor.

Unter einer Motorgröße ist hier und im Folgenden insbesondere eine (Betriebs-)Zustandsgröße des Elektromotors zu verstehen. Die mindestens eine Motorgröße ist beispielsweise eine Messgröße, insbesondere ein Motorstrom oder eine Motorspannung, beispielsweise ein Phasenstrom oder eine Phasenspannung, oder eine (Motor-)Temperatur. Zusätzlich oder alternativ wird beispielsweise ein Motorwiderstand, eine Motorinduktivität, oder ein Tastverhältnis einer PWM-Motorspannung als Motorgröße dem Positionsbeobachter zugeführt.Here and in the following, a motor variable is to be understood in particular as an (operating) state variable of the electric motor. The at least one motor variable is, for example, a measured variable, in particular a motor current or a motor voltage, for example a phase current or a phase voltage, or a (motor) temperature. Additionally or alternatively, for example, a motor resistance, a motor inductance, or a pulse duty factor of a PWM motor voltage is fed to the position observer as a motor variable.

Anhand der mindestens einen Motorgröße bestimmt der Positionsbeobachter das Positionssignal als Rohposition des Elektromotors beziehungsweise Rotors. Das Positionssignal wird anschließend an die Signalaufbereitung versendet. Die Signalaufbereitung ist hierbei beispielsweise als ein Geschwindigkeitsbeobachter, also als ein Beobachter für die Motorgeschwindigkeit oder Motordrehzahl, ausgeführt. Die Signalaufbereitung beziehungsweise der Geschwindigkeitsbeobachter ist beispielsweise als ein Regelsystem ausgebildet.Using the at least one motor variable, the position observer determines the position signal as the raw position of the electric motor or rotor. The position signal is then sent to the signal conditioning. The signal processing is carried out here, for example, as a speed observer, that is to say as an observer for the engine speed or engine speed. The signal processing or the speed observer is designed, for example, as a control system.

Anhand des Positionssignals wird die Rotationsgröße als (gefilterte) Rotorposition und/oder als Geschwindigkeitsinformation berechnet. Drehzahl beziehungsweise Geschwindigkeit, berechnet. Die Rotationsgröße wird anschließend einem Regler, beispielsweise einem feldorientierten Regler, beispielsweise einem Stromregler, zugeführt, welcher ein Drehfeld erzeugt und somit die Bewegung des Elektromotors beziehungsweise Rotors steuert und/oder regelt.Using the position signal, the amount of rotation is calculated as a (filtered) rotor position and / or as speed information. RPM or speed, calculated. The rotation variable is then fed to a controller, for example a field-oriented controller, for example a current controller, which generates a rotating field and thus controls and / or regulates the movement of the electric motor or rotor.

Durch die minimale Steigung des Positionssignals und/oder Rotationssignals wird der Elektromotor mit der Minimal- oder Mindestgeschwindigkeit betrieben. Die Bewegung des Rotors wiederum erzeugt eine induzierte Spannung als Gegen-EMK, welche als Motorgröße für eine sensorlose Positionserkennung genutzt werden kann.Due to the minimal slope of the position signal and / or rotation signal, the electric motor is operated at the minimum or minimum speed. The movement of the rotor in turn generates an induced voltage as a back EMF, which can be used as a motor variable for sensorless position detection.

Im Gegensatz zu einer „blinden“ Drehfeldvorgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine kürzere Anlaufzeit des Elektromotors realisiert. Insbesondere entfällt verfahrensgemäß ein vorheriges Ausrichten des Elektromotors oder Rotors, der Elektromotor beziehungsweise Rotor wird direkt mit der Minimalgeschwindigkeit betrieben. In der Folge ist ein schnellerer Wechsel in einen geregelten Betriebsmodus ermöglicht. Des Weiteren werden somit der Wirkungsgrad und die Akustik des Elektromotors verbessert. Dadurch wird die Robustheit des Elektromotors bei niedrigen Drehzahlen wesentlich verbessert.In contrast to a “blind” rotating field specification, the method according to the invention realizes a shorter start-up time for the electric motor. In particular, according to the method, prior alignment of the electric motor or rotor is dispensed with; the electric motor or rotor is operated directly at the minimum speed. As a result, a faster change to a regulated operating mode is made possible. Furthermore, the efficiency and the acoustics of the electric motor are improved. This significantly improves the robustness of the electric motor at low speeds.

In einer möglichen Ausführungsform ist es beispielsweise denkbar, dass der Positionsbeobachter aus Messgrößen (z. B. aus Phasenspannung, Phasenstrom, Temperatur) und anderen Größen (z. B. Motorwiderstand, Motorinduktivität, Tastverhältnis der PWM-Spannung) als Motorgrößen das Positionssignal als Rohposition bestimmt. Während einer Synchronisierung des Elektromotors oder bei niedrigen (Motor-)Drehzahlen beziehungsweise (Motor-)Geschwindigkeiten kann es vorteilhaft sein, von dieser Berechnung abzuweichen. Beispielsweise wird ein Spannungsabfall über eine (Motor-)Induktivität mit Hilfe einer Ableitung des Motorstroms als Motorgröße verwendet. Zur Verbesserung der Signalqualität des Positionssignals ist es hierbei beispielsweise möglich, dass der Rechenwert der Induktivität reduziert oder auf null gesetzt wird.In one possible embodiment, it is conceivable, for example, that the position observer from measured variables (e.g. from phase voltage, Phase current, temperature) and other variables (e.g. motor resistance, motor inductance, pulse duty factor of the PWM voltage) as motor variables, the position signal is determined as the raw position. During synchronization of the electric motor or at low (motor) speeds or (motor) speeds, it can be advantageous to deviate from this calculation. For example, a voltage drop across a (motor) inductance with the help of a derivative of the motor current is used as a motor variable. In order to improve the signal quality of the position signal, it is possible here, for example, for the calculated value of the inductance to be reduced or set to zero.

Im Gegensatz zu klassischen oder konventionellen sensorlosen Positionserkennungen benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzlichen Testpulse, wodurch einerseits keine dadurch bedingten akustischen Beeinträchtigungen auftreten, und andererseits eine besonders einfache Integration gewährleistet ist. Im Vergleich zu klassischen sensorlosen Verfahren ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders robust gegenüber Messrauschen und Toleranzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin besonders einfach zu implementieren und zu parametrisieren, so dass eine besonders geringe Rechenlast gewährleistet ist.In contrast to classic or conventional sensorless position detection, the method according to the invention does not require any additional test pulses, which on the one hand does not result in any acoustic impairments and on the other hand ensures particularly simple integration. In comparison to classic sensorless methods, the method according to the invention is particularly robust with regard to measurement noise and tolerances. The method according to the invention is also particularly easy to implement and parameterize, so that a particularly low computing load is guaranteed.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Anwendungen geeignet, bei welchem die Induktivitäten im Koordinatensystem gleich sind. Dies bedeutet, dass beispielsweise in einem rotorfesten d/q-Koordinatensystem die Induktivitäten gleich sind (Ld = Lq), in diesem Falle liegt keine magnetische Unsymmetrie des Elektro- oder Synchronmotors vor und es wird kein Reluktanzbeitrag zum Drehmoment erzeugt. Dies bedeutet, dass die Induktivität positionsunabhängig ist, so dass beispielsweise herkömmliche Verfahren wie ein INFORM-Verfahren (indirekte Flussermittlung durch Online Reaktanz-Messung) nicht anwendbar sind. Im Gegensatz hierzu ist das erfindungsgemäße Verfahren sowohl für positionsabhängige (Ld ≠ Lq) als auch für positionsunabhängige (Ld = Lq) Induktivitäten einsetzbar.The method according to the invention is particularly suitable for applications in which the inductances in the coordinate system are the same. This means that, for example, in a d / q coordinate system fixed to the rotor, the inductances are the same (Ld = Lq), in this case there is no magnetic asymmetry of the electric or synchronous motor and no reluctance contribution to the torque is generated. This means that the inductance is position-independent, so that, for example, conventional methods such as an INFORM method (indirect flow determination through online reactance measurement) cannot be used. In contrast to this, the method according to the invention can be used both for position-dependent (Ld ≠ Lq) and for position-independent (Ld = Lq) inductances.

Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt keine initiale Positionserkennung. Vorzugsweise synchronisiert die Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors selbstständig auf.The method according to the invention does not require any initial position detection. The control and / or regulation of the electric motor preferably synchronizes automatically.

Ohne gezielte Initialisierung haben das Positionssignal und der Rotor im Wesentlichen zufällige Positionen zueinander. Dies kann jedoch dazu führen, dass der Rotor beim Start oder Anlaufen kurzzeitig in die Gegenrichtung beschleunigt wird. Dies ist für viele Anwendungen unkritisch und zulässig. Zur Vermeidung dieses gegensinnigen Anlaufens sowie zur allgemeinen Verbesserung des Anlaufverhaltens kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch mit einem initialen Positions- oder Positionserkennungsverfahren kombiniert werden. Dies bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit einer erfassten Rotorposition initialisiert wird.Without specific initialization, the position signal and the rotor have essentially random positions with respect to one another. However, this can lead to the rotor being briefly accelerated in the opposite direction when it starts or starts up. This is uncritical and permissible for many applications. In order to avoid this start-up in the opposite direction and to generally improve the start-up behavior, the method according to the invention can, however, also be combined with an initial position or position detection method. This means that the method according to the invention is initialized with a detected rotor position.

Bei einem Anfahrvorgang aus dem Stillstand ist der zunächst unbekannte (initiale) Anfangswert beispielsweise mit Hilfe von Positionserkennungsmethoden wie etwa einem INFORM-Verfahren zumindest näherungsweise bestimmbar. Dadurch wird die Synchronisation des Elektromotors bei niedrigen Drehzahlen vereinfacht.When starting from a standstill, the initially unknown (initial) initial value can be determined at least approximately with the aid of position detection methods such as an INFORM method. This simplifies the synchronization of the electric motor at low speeds.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Elektromotor bei einer Anfahrt aus einem Stillstand, also insbesondere zu einem Verfahrensbeginn, mit der Mindestgeschwindigkeit angetrieben. In einer geeigneten Ausbildung wird der Elektromotor hierbei insbesondere auf die Mindestgeschwindigkeit begrenzt. Dies bedeutet, dass der Elektromotor anhand der Rotationsgröße derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass die minimale Steigung nicht unterschritten wird.In a preferred development, the electric motor is driven at the minimum speed when starting from a standstill, that is to say in particular at the start of the process. In a suitable embodiment, the electric motor is limited in particular to the minimum speed. This means that the electric motor is controlled and / or regulated on the basis of the rotation variable in such a way that the gradient does not fall below the minimum.

Erfindungsgemäß erfolgt also bei einem Stillstand des Elektromotors oder bei niedrigen Motordrehzahlen insbesondere ein Anfahren oder Beschleunigen mit einer Mindestgeschwindigkeit also mit einer Mindestdrehzahl. Mit anderen Worten erfolgt im Gegensatz zum Stand der Technik kein vorgeschaltetes oder initiales Ausrichten des Rotors. Des Weiteren wird durch die Steuerung und/oder Regelung anhand der Steigung oder Mindestgeschwindigkeit im Gegensatz zum Stand der Technik eine Closed-Loop-Regelung bei der Anfahrt realisiert. Insbesondere wird durch die Begrenzung auf die minimale Steigung beziehungsweise auf die Mindestgeschwindigkeit oder Mindestdrehzahl eine Begrenzung „nach Unten“ realisiert, wodurch ein besonders schnelles Beschleunigen oder Anfahren des Elektromotors ermöglicht ist. Dadurch wird die Anlaufzeit des Elektromotors reduziert, und in der Folge die Akustik des Elektromotors verbessert sowie dessen Energieverbrauch bei einer Anfahrt vorteilhaft reduziert.According to the invention, when the electric motor is at a standstill or at low engine speeds, in particular starting or acceleration takes place at a minimum speed, that is to say at a minimum speed. In other words, in contrast to the prior art, there is no upstream or initial alignment of the rotor. Furthermore, in contrast to the prior art, the control and / or regulation based on the gradient or minimum speed realizes a closed-loop regulation when starting up. In particular, by limiting to the minimum gradient or to the minimum speed or minimum rotational speed, a “downward” limitation is implemented, which enables the electric motor to accelerate or start up particularly quickly. As a result, the start-up time of the electric motor is reduced and, as a result, the acoustics of the electric motor are improved and its energy consumption is advantageously reduced during a start-up.

In einer denkbaren Weiterbildungsform wird die Rotationsgröße anhand des Positionssignals und der hinterlegten Steigung oder Mindestgeschwindigkeit (Minimalgeschwindigkeit) berechnet und begrenzt. Unter einer Mindestgeschwindigkeit ist hierbei eine Mindestdrehzahl oder Mindestrotation des Rotors, beispielsweise 10 Umdrehungen pro Minute (Rounds per minute, RPM), zu verstehen.In a conceivable further development, the rotation variable is calculated and limited on the basis of the position signal and the stored gradient or minimum speed (minimum speed). A minimum speed is to be understood here as a minimum speed or minimum rotation of the rotor, for example 10 revolutions per minute (rounds per minute, RPM).

Diese Zusatzfunktionalität ist beispielsweise in der Signalaufbereitung integriert. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Geschwindigkeit der Signalaufbereitung für die Berechnung der Rotationsgröße auf die Mindestgeschwindigkeit begrenzt wird. Dadurch steigt die berechnete Rotationsgröße mit einem Mindestgradienten an, selbst wenn das Positionssignal am Eingang der Signalaufbereitung konstant bleibt. Mit anderen Worten steigt die Rotationsgröße auch bei einem konstanten Positionssignal an.This additional functionality is integrated in the signal processing, for example. This essentially means that the speed of the signal processing for the calculation of the rotation size is limited to the minimum speed. As a result, the calculated rotation size increases with a minimum gradient, even if that Position signal at the input of the signal conditioning remains constant. In other words, the amount of rotation increases even with a constant position signal.

Bei einer zu niedrigen Mindestgeschwindigkeit, beispielsweise bei einer Umdrehung pro Minute (1 RPM, rounds per minute) wird bei den meisten Applikationen der Rotor folgen, aber die Positionserkennung beziehungsweise der Positionsbeobachter nicht ausreichend gute Signale erhalten. Entsprechend würde bei einer zu hohen Mindestgeschwindigkeit, beispielsweise bei 1000 Umdrehungen pro Minute (1000 RPM), zwar die Signalgüte ausreichen, aber der Antrieb beziehungsweise der Elektromotor würde nicht synchronisieren und daher stehen bleiben.If the minimum speed is too low, for example at one revolution per minute (1 RPM, rounds per minute), the rotor will follow in most applications, but the position detection or the position observer will not receive sufficiently good signals. Correspondingly, if the minimum speed is too high, for example at 1000 revolutions per minute (1000 RPM), the signal quality would be sufficient, but the drive or the electric motor would not synchronize and would therefore stop.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die minimale Steigung und/oder die Mindestgeschwindigkeit vorzugsweise so ausgelegt, dass einerseits ein stillstehender Rotor des Elektromotors mitgenommen wird, und dass andererseits durch die Bewegung des Rotors eine Motorgröße zur Positionserkennung erzeugt wird. Unter der Mindestgeschwindigkeit ist insbesondere ein gewisser Geschwindigkeits- oder Drehzahlbereich des Rotors zu verstehen.In a particularly preferred embodiment, the minimum gradient and / or the minimum speed are preferably designed so that on the one hand a stationary rotor of the electric motor is carried along and on the other hand, a motor variable for position detection is generated by the movement of the rotor. The minimum speed is to be understood in particular as a certain speed or rotational speed range of the rotor.

Die obere Grenze der Mindestgeschwindigkeit wird hierbei derart gewählt, dass ein stillstehender Rotor mitgenommen wird, also dass ein Durchrutschen (Schlupf) des Rotors vermieden wird.The upper limit of the minimum speed is selected in such a way that a stationary rotor is carried along, that is to say that the rotor does not slip.

Die untere Grenze für die Mindestgeschwindigkeit ist hierbei eine Drehzahl, bei welcher ein ausreichender Effekt für eine Gegen-EMK oder eine Flussermittlung zur Bestimmung einer entsprechenden Motorgröße bewirkt wird. Ist die Rotorgeschwindigkeit unterhalb der unteren Grenze, so bewirkt die Mindestgeschwindigkeit bei der Berechnung der Rotationsgröße in der Folge eine Beschleunigung des Elektromotors beziehungsweise Rotors, um die Gegen-EMK beziehungsweise Flussermittlung zu erhöhen. Des Weiteren wird somit sichergestellt, dass der Elektromotor nicht in die falsche Richtung (Gegenrichtung) startet oder anläuft.The lower limit for the minimum speed is a speed at which a sufficient effect for a back EMF or a flux determination for determining a corresponding motor variable is brought about. If the rotor speed is below the lower limit, then the minimum speed in the calculation of the rotation variable results in an acceleration of the electric motor or rotor in order to increase the back EMF or flux determination. This also ensures that the electric motor does not start or run in the wrong direction (opposite direction).

Bei geeigneter Wahl der Start- und Mindestgeschwindigkeit wird somit sichergestellt, dass das Verfahren selbstständig aufsynchronisiert, und somit eine initiale Positionserkennung im Wesentlichen nicht notwendig ist. Dies ermöglicht einen zuverlässigen und betriebssicheren Start des Elektromotors.With a suitable choice of the start and minimum speed, it is thus ensured that the method is automatically synchronized and thus an initial position detection is essentially not necessary. This enables a reliable and safe start of the electric motor.

Der zulässige Bereich der Mindestgeschwindigkeit ist anwendungs- oder applikationsabhängig, und kann beispielsweise auch durch Reglereinstellungen beeinflusst werden.The permissible range of the minimum speed depends on the application or application and can also be influenced, for example, by controller settings.

Der Elektromotor wird während des Verfahrens beispielsweise mit einer konstanten Mindestgeschwindigkeit betrieben. Vorzugsweise wird die Mindestgeschwindigkeit jedoch zumindest in Abhängigkeit eines Betriebspunkts oder einer Betriebssituation des Elektromotors angepasst oder variiert. In einer geeigneten Ausgestaltung wird der Wert der Mindestgeschwindigkeit hierbei insbesondere temperaturabhängig angepasst. Mit anderen Worten wird der Wert der Mindestgeschwindigkeit vorzugsweise in Abhängigkeit der Betriebstemperatur variiert. Dadurch ist ein besonders flexibles Verfahren realisiert, welches sich an die jeweilige Betriebssituation beziehungsweise Betriebstemperatur des Elektromotors anpasst.The electric motor is operated, for example, at a constant minimum speed during the process. However, the minimum speed is preferably adapted or varied at least as a function of an operating point or an operating situation of the electric motor. In a suitable embodiment, the value of the minimum speed is adapted in particular as a function of temperature. In other words, the value of the minimum speed is preferably varied as a function of the operating temperature. As a result, a particularly flexible method is implemented which adapts to the respective operating situation or operating temperature of the electric motor.

In einer zweckmäßigen Dimensionierung wird als Mindestgeschwindigkeit eine Drehzahl kleiner oder gleich 300 Umdrehungen pro Minute (300 RPM), insbesondere kleiner oder gleich 20 Umdrehungen pro Minute (20 RPM), verwendet. In einer bevorzugten Dimensionierung wird insbesondere eine Mindestgeschwindigkeit im Bereich zwischen 5 RPM bis 20 RPM verwendet. Dadurch ist einerseits eine zuverlässige Mitnahme oder Synchronisierung des Rotors sowie andererseits eine hinreichend hohe Signalqualität der Gegen-EMK oder Flussermittlung ermöglicht, so dass ein besonders betriebssicherer Anlauf des Elektromotors gewährleistet ist.In an expedient dimensioning, a rotational speed of less than or equal to 300 revolutions per minute (300 RPM), in particular less than or equal to 20 revolutions per minute (20 RPM), is used as the minimum speed. In a preferred dimensioning, in particular a minimum speed in the range between 5 RPM and 20 RPM is used. This enables, on the one hand, a reliable entrainment or synchronization of the rotor and, on the other hand, a sufficiently high signal quality of the back EMF or flux determination, so that a particularly reliable start-up of the electric motor is ensured.

Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise denkbar, dass die Mindestgeschwindigkeit während einer Zeitdauer, zum Beispiel während des Startvorgangs, variiert oder verändert wird. So ist es beispielsweise vorteilhaft, die Mindestgeschwindigkeit klein oder gleich Null zu wählen, um den Rotor mit dem erzeugten Drehfeld besser einzufangen, und den Wert anschließend zu steigern, um eine ausreichende Geschwindigkeit oder Beschleunigung des Rotors zu bewirken.Additionally or alternatively, it is conceivable, for example, that the minimum speed is varied or changed during a period of time, for example during the starting process. For example, it is advantageous to select the minimum speed to be small or equal to zero in order to better capture the rotor with the generated rotating field, and then to increase the value in order to bring about a sufficient speed or acceleration of the rotor.

In einer zweckmäßigen Ausführung wird die Mindestgeschwindigkeit nach einer vorgegebenen Zeitdauer kontinuierlich erhöht. Insbesondere wird die Mindestgeschwindigkeit in einer geeigneten Weiterbildung von einem ersten Geschwindigkeitswert auf einen zweiten Geschwindigkeitswert erhöht, welcher etwa 25 % bis 100 % größer dimensioniert ist, als der erste Geschwindigkeitswert. Mit anderen Worten wird die Mindestgeschwindigkeit von einem niedrigen (ersten) Geschwindigkeitswert, beispielsweise 5 RPM bis 20 RPM, auf einen demgegenüber erhöhten (zweiten) Geschwindigkeitswert, beispielsweise 10 RPM bis 40 RPM erhöht.In an expedient embodiment, the minimum speed is increased continuously after a predetermined period of time. In particular, in a suitable development, the minimum speed is increased from a first speed value to a second speed value which is approximately 25% to 100% larger than the first speed value. In other words, the minimum speed is increased from a low (first) speed value, for example 5 RPM to 20 RPM, to a (second) speed value that is increased in comparison, for example 10 RPM to 40 RPM.

In einer bevorzugten Ausbildung des Verfahrens wird ein Flussbeobachter als Positionsbeobachter verwendet. Dies bedeutet, dass die Motorgröße zur Bestimmung des Positionssignals insbesondere anhand einer Flussermittlung erfasst wird. Dadurch ist eine besonders zweckmäßige Beobachtung hinsichtlich der Rotorposition realisiert.In a preferred embodiment of the method, a flow observer is used as the position observer. This means that the motor variable for determining the position signal is recorded in particular on the basis of a flux determination. Thereby a particularly useful observation with regard to the rotor position is implemented.

Der erfindungsgemäße elektrische Antrieb ist beispielsweise als ein Verstellantrieb eines Kraftfahrzeugs ausgeführt. Hierzu weist der Antrieb einen bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotor und eine Sensoreinheit z zur Erfassung der mindestens einen Motorgröße sowie einen Positionsbeobachter zur sensorlosen Bestimmung des Positionssignals auf. Der Antrieb weist weiterhin eine Signalaufbereitung zur sensorlosen Bestimmung der Rotationsgröße anhand des Positionssignals sowie einen Stromregler zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors, insbesondere mittels Pulsweiten- oder Raumzeigermodulation, auf.The electric drive according to the invention is designed, for example, as an adjusting drive of a motor vehicle. For this purpose, the drive has a brushless and sensorless multiphase electric motor and a sensor unit z for detecting the at least one motor variable as well as a position observer for sensorless determination of the position signal. The drive also has signal processing for the sensorless determination of the rotation variable based on the position signal and a current regulator for controlling and / or regulating the electric motor, in particular by means of pulse width or space vector modulation.

Der Positionsbeobachter und die Signalaufbereitung sind hierbei beispielsweise als Controller, also als Steuergeräte, ausgeführt, und sind hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet und eingerichtet. Der Positionsbeobachter ist somit konkret dazu eingerichtet, anhand der Motorgröße, beispielsweise anhand von gemessenen oder berechneten, Phasenspannungen und/oder Phasenströme, das Positionssignal zu bestimmen. Das Positionssignal wird der Signalaufbereitung zugeführt, welche beispielsweise anhand einer Geschwindigkeitsbeobachtung und der hinterlegten minimalen Steigung die Rotationsgröße bestimmt.The position observer and the signal processing are in this case designed, for example, as controllers, that is to say as control devices, and are generally suitable and set up here - in terms of programs and / or circuitry - for carrying out the method described above. The position observer is thus specifically set up to determine the position signal on the basis of the motor variable, for example on the basis of measured or calculated phase voltages and / or phase currents. The position signal is fed to the signal processing unit, which determines the amount of rotation, for example on the basis of a speed observation and the stored minimum gradient.

Das Positionssignal wird der Signalaufbereitung zugeführt, welche das Positionssignal beispielsweise filtert und auswertet, und somit die Rotationsgröße, also die Rotorposition und/oder die (Rotor-)Drehzahl, berechnet oder schätzt. Diese berechnete oder geschätzte Rotationsgröße wird als Stellgröße dem Stromregler zugeführt.The position signal is fed to the signal processing unit, which filters and evaluates the position signal, for example, and thus calculates or estimates the rotation variable, that is to say the rotor position and / or the (rotor) speed. This calculated or estimated rotation variable is fed to the current controller as a manipulated variable.

In bevorzugter Ausgestaltung sind der Positionsbeobachter und/oder die Signalaufbereitung und/oder der Stromregler zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, beziehungsweise der jeweiligen Verfahrensschritte, in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren beziehungsweise die Verfahrensschritte - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Benutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird.In a preferred embodiment, the position observer and / or the signal processing and / or the current regulator are at least essentially formed by a microcontroller with a processor and a data memory, in which the functionality for carrying out the method according to the invention, or the respective method steps, is in the form of operating software ( Firmware) is implemented in a program, so that the method or the method steps - possibly in interaction with a user - is carried out automatically when the operating software is executed in the microcontroller.

Der Positionsbeobachter und/oder die Signalaufbereitung und/oder der Stromregler können im Rahmen der Erfindung alternativ auch jeweils durch ein nichtprogrammierbares elektronisches Bauteil, zum Beispiel einen ASIC (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis) oder einen FPGA (field programmable gate array), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.The position observer and / or the signal conditioning and / or the current regulator can alternatively also be formed in the context of the invention by a non-programmable electronic component, for example an ASIC (application-specific integrated circuit) or an FPGA (field programmable gate array), in which the functionality for performing the method is implemented with circuitry.

Der Antrieb beziehungsweise der mit dem Verfahren betriebene Elektromotor weist somit ein verbessertes Verhalten hinsichtlich eines Anlaufens oder Startens aus einem Stillstand sowie hinsichtlich eines dauerhaften beziehungsweise kontinuierlichen Betriebs mit niedrigen Drehzahlen auf.The drive or the electric motor operated with the method thus has an improved behavior with regard to starting or starting from a standstill and with regard to permanent or continuous operation at low speeds.

In einer denkbaren Ausführungsform ist der Elektromotor insbesondere an eine Brückenschaltung eines Stromrichters angeschlossen, welche eine Gleichspannung eines Zwischenkreises in eine Wechselspannung zum Antrieb oder Betrieb des Elektromotors wandelt. Der Antrieb weist somit einen Gleichspannungseingang oder Gleichspannungsanschluss auf. Die Brückenschaltung ist beispielsweise signaltechnisch von dem Stromregler gesteuert und/oder geregelt.In a conceivable embodiment, the electric motor is connected in particular to a bridge circuit of a converter, which converts a direct voltage from an intermediate circuit into an alternating voltage for driving or operating the electric motor. The drive thus has a DC voltage input or DC voltage connection. The bridge circuit is controlled and / or regulated by the current regulator, for example, in terms of signaling.

In Abhängigkeit von den Schaltzuständen der Leistungshalbleiterschalter der Brückenschaltung fließt ein Phasenstrom über einen Shunt. Der Spannungsabfall über den Shunt wird beispielsweise verstärkt und ausgewertet. Mit Messungen und dem Kenntnisstand der Schaltzustände der Leistungshalbleiterschalter werden die Phasenströme rekonstruiert. Alternativ ist es beispielsweise ebenso denkbar, dass die Phasenströme direkt oder unmittelbar gemessen werden. Zusammen mit den gemessenen und/oder berechneten Phasenspannungen stehen der Positionsbeobachter somit die Phasenspannungen und Phasenströme als Motorgrößen zur Ermittlung des Positionssignals zur Verfügung.Depending on the switching states of the power semiconductor switches in the bridge circuit, a phase current flows through a shunt. The voltage drop across the shunt is, for example, amplified and evaluated. The phase currents are reconstructed using measurements and knowledge of the switching states of the power semiconductor switches. Alternatively, it is also conceivable, for example, for the phase currents to be measured directly or immediately. Together with the measured and / or calculated phase voltages, the position observer thus has the phase voltages and phase currents available as motor variables for determining the position signal.

In einer denkbaren Ausführungsform sind der Positionsbeobachter und die Signalaufbereitung beispielsweise als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt.In a conceivable embodiment, the position observer and the signal processing are designed, for example, as a common component.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischen und vereinfachten Darstellungen:

  • 1 einen elektrischen (elektromotorischen) Antrieb mit einer Stromquelle und mit einem Elektromotor sowie mit einem dazwischen verschalteten Stromrichter,
  • 2 einen phasenspannungsgeregelten Antrieb,
  • 3 drei Phasenwicklungen eines dreiphasigen Elektromotors in Sternschaltung,
  • 4 ein Brückenmodul einer Brückenschaltung des Stromrichters zur Ansteuerung einer Phasenwicklung des Elektromotors,
  • 5 ein Ersatzschaltbild der Stromquelle,
  • 6 einen Positionsbeobachter und eine Signalaufbereitung des Antriebs,
  • 7 ein Zeit-Winkel-Diagramm bei einem Startvorgang aus dem Stillstand gemäß dem Stand der Technik, und
  • 8, 9 ein Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm bei einem Startvorgang aus dem Stillstand gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. It shows in schematic and simplified representations:
  • 1 an electric (electromotive) drive with a power source and with an electric motor as well as with a converter connected in between,
  • 2 a phase voltage controlled drive,
  • 3 three phase windings of a three-phase electric motor in star connection,
  • 4th a bridge module of a bridge circuit of the converter for controlling a phase winding of the electric motor,
  • 5 an equivalent circuit diagram of the power source,
  • 6th a position observer and a signal processing of the drive,
  • 7th a time-angle diagram for a starting process from standstill according to the prior art, and
  • 8th , 9 a time-speed diagram for a starting process from standstill according to the method according to the invention.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.

Die 1 zeigt einen elektrischen bzw. elektromotorischen Antrieb 2 für ein Verstellsystem eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs, beispielsweise ein Fensterheber oder eine Sitzverstellung. Der Antrieb 2 umfasst einen bürstenlosen und sensorlosen dreiphasigen Elektromotor 4, welcher mittels eines Stromrichters 6 an eine Stromquelle (Spannungsversorgung) 8 angeschlossen ist. Die Stromquelle 8 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen fahrzeuginternen Energiespeicher 10, beispielsweise in Form einer (Kraftfahrzeug-)Batterie, sowie einen damit verbundenen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 12, welcher sich zumindest teilweise in den Stromrichter 6 erstreckt.The 1 shows an electric or electromotive drive 2 for an adjustment system of a motor vehicle, not shown in detail, for example a window regulator or a seat adjustment. The drive 2 includes a brushless and sensorless three-phase electric motor 4th , which by means of a converter 6th to a power source (power supply) 8th connected. The power source 8th In this exemplary embodiment, it comprises an energy store inside the vehicle 10 , for example in the form of a (motor vehicle) battery, and an associated (DC) intermediate circuit 12, which is at least partially in the converter 6th extends.

Der Zwischenkreis 12 ist im Wesentlichen durch eine Hinleitung 12a und eine Rückleitung 12b gebildet, mittels welchen der Stromrichter 6 an den Energiespeicher 10 angeschlossen ist. Die Leitungen 12a und 12b sind zumindest teilweise in den Stromrichter 6 geführt, in welchen zwischen diesen ein Zwischenkreiskondensator 14 sowie eine Brückenschaltung 16 verschaltet sind.The intermediate circuit 12th is essentially through an outgoing line 12a and a return line 12b formed, by means of which the converter 6th to the energy storage 10 connected. The lines 12a and 12b are at least partially in the converter 6th out, in which between these an intermediate circuit capacitor 14th as well as a bridge circuit 16 are interconnected.

Im Betrieb des Antriebs 2 wird ein der Brückenschaltung 16 zugeführter Eingangsstrom IE (5) in einen dreiphasigen Ausgangsstrom (Motorstrom, Drehstrom) IU, IV, IW für die drei Phasen U, V, W des Elektromotors 4 gewandelt. Die nachfolgend auch als Phasenströme bezeichneten Ausgangsströme IU, IV, IW werden an die entsprechenden Motorphasen beziehungsweise Phasen(-wicklungen) U, V, W (3) eines nicht näher dargestellten Stators geführt.During operation of the drive 2 becomes one of the bridge circuit 16 supplied input current IE ( 5 ) into a three-phase output current (motor current, three-phase current) IU , IV , IW for the three phases U , V , W. of the electric motor 4th changed. The output currents also referred to below as phase currents IU , IV , IW are connected to the corresponding motor phases or phases (windings) U , V , W. ( 3 ) out of a stator not shown in detail.

In 3 ist eine Sternschaltung 18 der drei Phasenwicklungen U, V, W dargestellt. Die Phasenwicklungen U, V und W sind mit jeweils einem (Phasen-)Ende 20, 22, 24 an ein jeweiliges Brückenmodul 26 (3) der Brückenschaltung 16 geführt, und mit dem jeweils gegenüberliegenden Ende in einem Sternpunkt 28 als gemeinsamen Verbindungsanschluss miteinander verschaltet.In 3 is a star connection 18th of the three phase windings U , V , W. shown. The phase windings U , V and W. are each with a (phase) end 20th , 22nd , 24 to a respective bridge module 26th ( 3 ) the bridge circuit 16 out, and with the opposite end in a star point 28 interconnected as a common connection terminal.

In der Darstellung der 3 sind die Phasenwicklungen U, V und W jeweils mittels eines Ersatzschaltbildes in Form einer Induktivität 30 und eines ohmschen Widerstandes 32 sowie einem jeweiligen Spannungsabfall 34, 36, 38 gezeigt. Die jeweils über die Phasenwicklung U, V, W abfallende Spannung 34, 36, 38 ist schematisch durch Pfeile repräsentiert und ergibt sich aus der Summe der Spannungsabfälle über der Induktivität 30 und dem ohmschen Widerstand 32 sowie der induzierten Spannung beziehungsweise des induzierten Phasenstroms 40. Der durch eine Bewegung eines Rotors des Elektromotors 4 induzierte Phasenstrom 40 (Gegen-EMK, back-EMF) ist in der 3 anhand eines Kreises schematisch dargestellt.In the representation of the 3 are the phase windings U , V and W. each by means of an equivalent circuit diagram in the form of an inductance 30th and an ohmic resistor 32 as well as a respective voltage drop 34 , 36 , 38 shown. Each via the phase winding U , V , W. falling voltage 34 , 36 , 38 is represented schematically by arrows and results from the sum of the voltage drops across the inductance 30th and the ohmic resistance 32 as well as the induced voltage or the induced phase current 40 . That by a movement of a rotor of the electric motor 4th induced phase current 40 (Back-EMF, back-EMF) is in the 3 shown schematically on the basis of a circle.

Die Ansteuerung der Sternschaltung 18 erfolgt mittels der Brückenschaltung 16. Die Brückenschaltung 16 ist mit den Brückenmodulen 26 insbesondere als eine B6-Schaltung ausgeführt. In dieser Ausgestaltungsform wird im Betrieb an jede der Phasenwicklungen U, V, W in hoher Schaltfrequenz getaktet zwischen einem hohen (Gleich-)Spannungsniveau der Hinleitung 12a und einem niedrigen Spannungsniveau der Rückleitung 12b umgeschaltet. Das hohe Spannungsniveau ist hierbei insbesondere eine Zwischenkreisspannung UZK des Zwischenkreises 12, wobei das niedrige Spannungsniveau vorzugsweise ein Erdpotential UG ist. Diese getaktete Ansteuerung ist als eine - in 1 mittels Pfeilen dargestellte - PWM-Ansteuerung durch eine Vorrichtung 42 als Regler ausgeführt, mit welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl, der Leistung sowie der Drehrichtung des Elektromotors 4 möglich ist.The control of the star connection 18th takes place by means of the bridge circuit 16 . The bridge circuit 16 is with the bridge modules 26th in particular designed as a B6 circuit. In this embodiment, each of the phase windings is in operation U , V , W. clocked at a high switching frequency between a high (direct) voltage level of the outgoing line 12a and a low return line voltage level 12b switched. The high voltage level is in particular an intermediate circuit voltage UCC of the intermediate circuit 12th , the low voltage level preferably being a ground potential Basement is. This clocked control is available as an - in 1 represented by arrows - PWM control by a device 42 designed as a controller with which a control and / or regulation of the speed, the power and the direction of rotation of the electric motor 4th is possible.

Die Brückenmodule 20 umfassen jeweils zwei Halbleiterschalter 44 und 46, welche in 3 lediglich schematisch und beispielhaft für die Phase W dargestellt sind. Das Brückenmodul 26 ist einerseits mit einem Potentialanschluss 48 an die Zuleitung 12a und somit an die Zwischenkreisspannung UZK angeschlossen. Andererseits ist das Brückenmodul 26 mit einem zweiten Potentialanschluss 50 an die Rückleitung 12b und somit an das Erdpotential UG kontaktiert. Über die Halbleiterschalter 44, 46 ist das jeweilige Phasenende 20, 22, 24 der Phase U, V, W entweder mit der Zwischenkreisspannung UZK oder mit dem Erdpotential UG verbindbar. Wird der Halbleiterschalter 44 geschlossen (leitend) und der Halbleiterschalter 46 geöffnet (nicht leitend), so ist das Phasenende 20, 22, 24 mit dem Potential der Zwischenkreisspannung UZK verbunden. Entsprechend ist bei einem Öffnen des Halbleiterschalters 44 und einem Schließen des Halbleiterschalters 46 die Phase U, V, W mit dem Erdpotential UG kontaktiert. Dadurch ist es mittels der PWM-Ansteuerung der Vorrichtung 42 möglich, jede Phasenwicklung U, V, W mit zwei unterschiedlichen Spannungsniveaus zu beaufschlagen.The bridge modules 20th each include two semiconductor switches 44 and 46 , what a 3 only schematic and exemplary for the phase W. are shown. The bridge module 26th is on the one hand with a potential connection 48 to the supply line 12a and thus to the intermediate circuit voltage UCC connected. On the other hand is the bridge module 26th with a second potential connection 50 to the return line 12b and thus to the earth potential Basement contacted. About the semiconductor switch 44 , 46 is the respective end of the phase 20th , 22nd , 24 the phase U , V , W. either with the intermediate circuit voltage UCC or with the earth potential Basement connectable. Will the semiconductor switch 44 closed (conductive) and the semiconductor switch 46 open (not conductive), then the end of the phase 20th , 22nd , 24 with the potential of the intermediate circuit voltage UCC connected. The same applies when the semiconductor switch is opened 44 and closing the semiconductor switch 46 the phase U , V , W. with the earth potential Basement contacted. Thereby it is by means of the PWM control of the device 42 possible any phase winding U , V , W. to apply two different voltage levels.

In 4 ist ein einzelnes Brückenmodul 26 vereinfacht dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Halbleiterschalter 44 und 46 als MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) realisiert, die jeweils mittels der PWM-Ansteuerung zwischen einem durchgeschalteten Zustand und einem sperrenden Zustand getaktet umschalten. Hierzu sind die jeweiligen Gateanschlüsse an entsprechende Steuerspannungseingänge 52, 54 geführt, mittels welcher die Signale der Ansteuerung 42 übertragen werden.In 4th is a single bridge module 26th shown in simplified form. In this embodiment, the semiconductor switches 44 and 46 realized as MOSFETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistor), which switch between a switched-through state and a blocking state by means of the PWM control. For this purpose, the respective gate connections are connected to the corresponding control voltage inputs 52 , 54 out, by means of which the signals of the control 42 be transmitted.

Die 5 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Stromquelle 8. Im Betrieb erzeugt der Energiespeicher 10 eine Batteriespannung UBat sowie einen entsprechenden Batteriestrom IBat zum Betrieb des Stromrichters 6. In 5 ist der Innenwiderstand des Energiespeichers 10 als ein ohmscher Widerstand 56 und eine Eigeninduktivität des Energiespeichers 10 als eine Induktivität 58 dargestellt. In der Rückleitung 12b ist ein Shuntwiderstand 60 geschaltet, an welchem die Zwischenkreisspannung UZK abfällt.The 5 shows an equivalent circuit diagram for the current source 8th . The energy store generates during operation 10 a battery voltage UBat as well as a corresponding battery current IBat to operate the converter 6th . In 5 is the internal resistance of the energy store 10 as an ohmic resistor 56 and a self-inductance of the energy store 10 as an inductor 58 shown. In the return line 12b is a shunt resistor 60 switched to which the intermediate circuit voltage UCC falls off.

In dem Ausführungsbeispiel der 1 werden die Phasenströme IU, IV, IW mittels eines Strommessers 62 erfasst und zur Vorrichtung 42 geführt. Ein Positionsbeobachter 64 bestimmt anhand von Motorgrößen, insbesondere anhand der erfassten Phasenströmen IU, IV, IW und berechneten Phasenspannungen UU, UV, UW, sowie anhand anderer Größen (z. B. Motorwiderstand, Motorinduktivität, Tastverhältnis der PWM-Spannung) ein Positionssignal P als eine Rohposition als Maß für die Rotorposition des Elektromotors 4.In the embodiment of 1 are the phase currents IU , IV , IW by means of an ammeter 62 detected and to the device 42 guided. A position observer 64 determined on the basis of motor variables, in particular on the basis of the recorded phase currents IU , IV , IW and calculated phase voltages UU , UV , UW , as well as a position signal based on other variables (e.g. motor resistance, motor inductance, pulse duty factor of the PWM voltage) P. as a raw position as a measure of the rotor position of the electric motor 4th .

Das Positionssignal oder die Rohposition P wird an eine Signalaufbereitung 66 übermittelt. Zusätzlich zum Positionssignal P wird beispielsweise eine minimale Steigung oder Minimalsteigung v als Maß für eine Mindestgeschwindigkeit beziehungsweise als eine Rohgeschwindigkeit an die Signalaufbereitung 66 versendet. Die Signalaufbereitung 66 ist vorzugsweise als ein Geschwindigkeitsbeobachter ausgebildet, wobei das Positionssignal P und/oder die Steigung v gefiltert, und eine Rotationsgröße 0, ω, also die Rotorposition 0 und/oder die (Rotor-)Drehzahl ω, berechnet oder schätzt. Diese berechnete oder geschätzte Rotationsgröße θ, ω wird als Stellgröße einem Stromregler 68 zugeführt, welcher die PWM-Ansteuersignale erzeugt.The position signal or the raw position P. is sent to signal processing 66 transmitted. In addition to the position signal P. becomes, for example, a minimum slope or minimum slope v as a measure of a minimum speed or as a raw speed for signal processing 66 sent. The signal processing 66 is preferably designed as a speed observer, with the position signal P. and / or the slope v filtered, and a rotation size 0 , ω , i.e. the rotor position 0 and / or the (rotor) speed ω , calculates or estimates. This calculated or estimated amount of rotation θ , ω is used as a manipulated variable for a current controller 68 supplied, which generates the PWM control signals.

Der insbesondere als Flussbeobachter ausgebildete Positionsbeobachter 64 und die insbesondere als Geschwindigkeitsbeobachter ausgebildete Signalaufbereitung 66 bilden hierbei ein Positionserkennungssystem 70 der Vorrichtung 42. Das Positionserkennungssystem 70 gibt die Rotationsgröße θ als Positionsstellsignal an den Stromregler 68 mit einer minimalen Steigung in Form der Rotationsgröße ω als Geschwindigkeits- oder Drehzahlstellsignal.The position observer trained in particular as a river observer 64 and the signal processing especially designed as a speed observer 66 form a position detection system 70 the device 42 . The position detection system 70 gives the rotation size θ as a position control signal to the current controller 68 with a minimal slope in the form of the rotation size ω as speed or speed control signal.

In 2 ist in vergleichsweise einfacher Darstellung eine Ausführung des Antriebs 2 gezeigt, bei welcher ein phasenspannungsgeregelter Betrieb des Elektromotors 4 ermöglicht ist. In dieser Ausführungsform werden die Phasenstörme IU, IV, IW und die Phasenspannungen UU, UV, UW direkt gemessen oder erfasst und als Motorgrößen dem in der 6 einzeln dargestellten Positionserkennungssystem 70 zugeführt.In 2 is a version of the drive in a comparatively simple representation 2 shown in which a phase-voltage-controlled operation of the electric motor 4th is made possible. In this embodiment, the phase disturbances IU , IV , IW and the phase voltages UU , UV , UW directly measured or recorded and used as motor variables in the 6th individually represented position detection system 70 fed.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand der 7 und 8 näher erläutert.The method according to the invention is described below with reference to FIG 7th and 8th explained in more detail.

Die 7 zeigt ein schematisches Zeit-Winkel-Diagramm, wobei horizontal, also entlang der jeweiligen Abszissenachse (X-Achse), die Zeit t, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ein Winkel oder eine Position W aufgetragen ist. In dem Diagramm sind zwei Kurvenverläufe 72 und 74 dargestellt. Der Kurvenverlauf 72 zeigt hierbei den zeitlichen Verlauf des Winkels eines vom Stromregler 70 erzeugten Spannungsvektors, wobei der Kurvenverlauf 74 die Rotorposition oder die Winkellage des Rotors darstellt. Die 7 zeigt hierbei einen Startvorgang des Elektromotors 4, also ein Anfahren aus einem Stillstand.The 7th shows a schematic time-angle diagram, the time being horizontal, that is to say along the respective abscissa axis (X-axis) t , and an angle or position along the vertical ordinate axis (Y-axis) W. is applied. There are two curves in the diagram 72 and 74 shown. The course of the curve 72 shows the time course of the angle of a current regulator 70 generated voltage vector, the curve progression 74 represents the rotor position or the angular position of the rotor. The 7th shows a starting process of the electric motor 4th , i.e. starting from a standstill.

In der 7 ist ein Startvorgang gemäß des Stands der Technik gezeigt. Da im Stillstand oder bei niedrigen Drehzahlen gewöhnlicherweise keine Signale oder Motorgrößen für eine sensorlose Positionsbestimmung vorliegen, wird der Rotor während einer ersten Zeitdauer t1 ausgerichtet und anschließend während einer Zeitdauer t2 beispielsweise mit einer festen Beschleunigungsrampe beschleunigt. Zum Ausrichten wird in der Regel ein konstanter Spannungsvektor eingesetzt, welcher den Rotor in eine vorgegebene Lage (Startposition) rotiert. Hierzu wird beispielsweise eine Phase U, V, W mit einem Bezugspotential UG verbunden, und die übrigen Phasen werden mit einem pulsweitenmodulierten Regelsignal versorgt. Das dadurch erzeugte Magnetfeld richtet in der Folge den Rotor aus, sodass der Rotor am Ende der Zeitdauer t1 in eine definierte Startposition überführt wird.In the 7th a starting process according to the prior art is shown. Since there are usually no signals or motor variables for a sensorless position determination at standstill or at low speeds, the rotor is switched off for a first period of time t1 aligned and then for a period of time t2 for example accelerated with a fixed acceleration ramp. As a rule, a constant voltage vector is used for alignment, which rotates the rotor into a specified position (starting position). For example, a phase U , V , W. with a reference potential Basement connected, and the remaining phases are supplied with a pulse-width modulated control signal. The magnetic field generated thereby aligns the rotor so that the rotor at the end of the period t1 is transferred to a defined starting position.

Nach dem Ausrichten wird der Elektromotor 4 mittels einer Open-Loop-Steuerung, also quasi blind, hochgefahren oder beschleunigt. Hierzu wird der Elektromotor 4 beziehungsweise dessen Rotor beispielsweise mittels einer festen Beschleunigungsrampe bis zu einer Mindestdrehzahl beschleunigt, ab welcher eine sensorlose Positionserkennung möglich ist.After aligning the electric motor 4th by means of an open-loop control, i.e. virtually blind, started up or accelerated. This is done by the electric motor 4th or its rotor is accelerated, for example, by means of a fixed acceleration ramp up to a minimum speed from which a sensorless position detection is possible.

Nachteiligerweise benötigt dieses Verfahren vergleichsweise hohe Motor- oder Phasenströme IU, IV, IW. Des Weiteren wird der Elektromotor 4 beziehungsweise der Rotor vergleichsweise langsam beschleunigt, so dass eine lange Start- oder Anlaufzeit gegeben ist. Weiterhin besteht das Risiko von Oszillationen und dem Verlust des synchronen Feldes. Durch die Oszillationen und hohen Motorströme verschlechtert sich nachteiligerweise auch die Akustik eines solchen betriebenen Antriebs.Disadvantageously, this method requires comparatively high motor or phase currents IU , IV , IW . Furthermore, the electric motor 4th or the rotor accelerates comparatively slowly, so that a long start or run-up time given is. There is also the risk of oscillations and the loss of the synchronous field. The oscillations and high motor currents disadvantageously also worsen the acoustics of such an operated drive.

In den 8 und 9 ist jeweils ein Startvorgang gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Die 8 und die 9 zeigen jeweils ein schematisches Zeit-Geschwindigkeits-Diagramm beziehungsweise Zeit-Drehzahl-Diagramm, wobei horizontal, also entlang der jeweiligen Abszissenachse (X-Achse), die Zeit t, und entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) eine Winkelgeschwindigkeit beziehungsweise eine Drehzahl D aufgetragen ist. In dem Diagramm sind jeweils zwei Kurvenverläufe 76, 76' und 78, 78' dargestellt. Der Kurvenverlauf 76, 76' zeigt hierbei den zeitlichen Verlauf des Winkels einer Istgeschwindigkeit, wobei der Kurvenverlauf 78,78' die Systemgeschwindigkeit darstellt. Unter einer Istgeschwindigkeit ist hierbei insbesondere die tatsächliche Winkelgeschwindigkeit oder Rotationsgeschwindigkeit des Rotors zu verstehen, wobei die Systemgeschwindigkeit die berechnete oder bestimmte Rotationsgröße ω ist.In the 8th and 9 a starting process according to the method according to the invention is shown in each case. The 8th and the 9 each show a schematic time-speed diagram or time-speed diagram, the time being horizontal, that is to say along the respective abscissa axis (X-axis) t , and along the vertical ordinate axis (Y-axis) an angular velocity or a rotational speed D. is applied. There are two curves in each case in the diagram 76 , 76 ' and 78 , 78 ' shown. The course of the curve 76 , 76 ' shows the time course of the angle of an actual speed, the course of the curve 78 , 78 ' represents the system speed. In this context, an actual speed is to be understood in particular as the actual angular speed or rotation speed of the rotor, the system speed being the calculated or determined rotation variable ω is.

Erfindungsgemäß wird der Elektromotor 4 bei einer Anfahrt aus einem Stillstand, also insbesondere zu einem Verfahrensbeginn, mit einer durch die minimale Steigung v charakterisierten Rotations- oder Stellgröße ω mit einer Mindestgeschwindigkeit beziehungsweise Mindestdrehzahl angetrieben. Insbesondere wird der Betrieb des Elektromotors 4 hierbei auf die Mindestgeschwindigkeit ω begrenzt. Dies bedeutet, dass der Elektromotor 4 anhand der Rotationsgröße ω derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass die minimale Steigung v nicht unterschritten wird.According to the invention, the electric motor 4th when starting from a standstill, in particular at the start of the process, with a gradient due to the minimal incline v characterized rotation or manipulated variable ω driven at a minimum speed or minimum speed. In particular, the operation of the electric motor 4th here to the minimum speed ω limited. This means the electric motor 4th based on the rotation size ω is controlled and / or regulated in such a way that the minimum slope v is not fallen below.

Erfindungsgemäß erfolgt also bei einem Stillstand des Elektromotors 4 oder bei niedrigen Motordrehzahlen insbesondere ein Anfahren mit der Mindestgeschwindigkeit also mit der Mindestdrehzahl ω. Mit anderen Worten erfolgt im Gegensatz zum Stand der Technik kein vorgeschaltetes oder initiales Ausrichten des Rotors. Des Weiteren wird durch die Steuerung und/oder Regelung anhand der Steigung v oder Mindestgeschwindigkeit ω im Gegensatz zum Stand der Technik eine Closed-Loop-Regelung bei der Anfahrt realisiert.According to the invention, it takes place when the electric motor is at a standstill 4th or at low engine speeds, in particular, starting at the minimum speed, that is to say at the minimum speed ω . In other words, in contrast to the prior art, there is no upstream or initial alignment of the rotor. Furthermore, the control and / or regulation based on the slope v or minimum speed ω In contrast to the state of the art, a closed-loop control is implemented when starting up.

Durch die minimale Steigung v des Positionssignals P und/oder der Rotationsgröße 0, ω wird der Elektromotor mit der Minimal- oder Mindestgeschwindigkeit betrieben. Die dadurch bewirkte Bewegung des Rotors wiederum erzeugt eine induzierte Spannung als Gegen-EMK beziehungsweise einen (magnetischen) Fluss, welcher als Motorgröße für eine sensorlose Positionserkennung genutzt werden kann.Because of the minimal incline v of the position signal P. and / or the rotation size 0 , ω the electric motor is operated at the minimum or minimum speed. The resulting movement of the rotor in turn generates an induced voltage as a back EMF or a (magnetic) flux, which can be used as a motor variable for sensorless position detection.

Die minimale Steigung v und/oder die Mindestgeschwindigkeit ω sind so ausgelegt, dass einerseits ein stillstehender Rotor des Elektromotors mitgenommen wird, und dass andererseits durch die Bewegung des Rotors eine Motorgröße zur Positionserkennung erzeugt wird. Unter der Mindestgeschwindigkeit ist insbesondere ein gewisser Geschwindigkeits- oder Drehzahlbereich des Rotors zu verstehen. Dadurch weisen die Kurvenverläufe 78, 78 im Wesentlichen einen linearen Verlauf mit einem konstanten Wert auf.The minimum slope v and / or the minimum speed ω are designed in such a way that, on the one hand, a stationary rotor of the electric motor is taken along and, on the other hand, a motor variable for position detection is generated by the movement of the rotor. The minimum speed is to be understood in particular as a certain speed or rotational speed range of the rotor. As a result, the curves show 78 , 78 essentially has a linear curve with a constant value.

Die obere Grenze der Mindestgeschwindigkeit wird hierbei derart gewählt, dass ein stillstehender Rotor mitgenommen wird, also dass ein Durchrutschen (Schlupf) des Rotors vermieden wird.The upper limit of the minimum speed is selected in such a way that a stationary rotor is carried along, that is to say that the rotor does not slip.

Die untere Grenze für die Mindestgeschwindigkeit ist hierbei eine Drehzahl, bei welcher ein ausreichender Effekt für eine Flussermittlung zur Bestimmung einer entsprechenden Motorgröße bewirkt wird. Bei geeigneter Wahl der Start- und Mindestgeschwindigkeit wird somit sichergestellt, dass das Verfahren selbstständig aufsynchronisiert, und somit eine initiale Positionserkennung im Wesentlichen nicht notwendig ist. Dies ermöglicht einen zuverlässigen und betriebssicheren Start des Elektromotors 4.The lower limit for the minimum speed is a speed at which a sufficient effect for a flux determination to determine a corresponding motor variable is brought about. With a suitable choice of the start and minimum speed, it is thus ensured that the method is automatically synchronized and thus an initial position detection is essentially not necessary. This enables a reliable and safe start of the electric motor 4th .

In den Ausführungsbeispielen der 8 und der 9 wird die Mindestgeschwindigkeit ω nach einer vorgegebenen Zeitdauer t1' kontinuierlich erhöht. Insbesondere wird die Mindestgeschwindigkeit während einer Zeitdauer t2' von einem niedrigen (ersten) Geschwindigkeitswert, beispielsweise 5 RPM bis 20 RPM, auf einen demgegenüber erhöhten (zweiten) Geschwindigkeitswert, beispielsweise 10 RPM bis 40 RPM, erhöht oder beschleunigt. Dadurch ist einerseits eine zuverlässige Mitnahme oder Synchronisierung des Rotors sowie andererseits eine hinreichend hohe Signalqualität der Gegen-EMK oder Flussermittlung ermöglicht, so dass ein besonders betriebssicherer Anlauf des Elektromotors 4 gewährleistet ist. Insbesondere erfolgt während der Zeitdauer t2' ein Übergang zu einem gewöhnlichen sensorlosen Steuer- und/oder Regelverfahren.In the embodiments of 8th and the 9 becomes the minimum speed ω after a predetermined period of time t1 ' continuously increased. In particular, the minimum speed becomes during a period of time t2 ' increased or accelerated from a low (first) speed value, for example 5 RPM to 20 RPM, to a (second) speed value increased in comparison, for example 10 RPM to 40 RPM. This enables, on the one hand, a reliable entrainment or synchronization of the rotor and, on the other hand, a sufficiently high signal quality of the back EMF or flux determination, so that a particularly reliable start-up of the electric motor 4th is guaranteed. In particular takes place during the period t2 ' a transition to an ordinary sensorless control and / or regulation method.

In dem Ausführungsbeispiel der 9 ist keine initiale Positionserkennung der Rotorposition vorgesehen, so dass der Rotor zunächst in die Gegenrichtung angetrieben und anschließend in die richtige Richtung mitgenommen wird.In the embodiment of 9 no initial position detection of the rotor position is provided, so that the rotor is first driven in the opposite direction and then taken along in the correct direction.

In einer denkbaren Ausführung wird der Elektromotor 4 während der Zeitdauern t1', t2' beispielsweise jeweils mit einer konstanten Mindestgeschwindigkeit betrieben. Vorzugsweise wird die Mindestgeschwindigkeit jedoch zumindest in Abhängigkeit eines Betriebspunkts oder einer Betriebssituation des Elektromotors 4 angepasst oder variiert. Insbesondere wird der Wert der Mindestgeschwindigkeit während der Zeitdauern t1', t2' hierbei temperaturabhängig angepasst.In one conceivable embodiment, the electric motor is 4th during the periods t1 ' , t2 ' for example each operated at a constant minimum speed. However, the minimum speed is preferably at least dependent on an operating point or an operating situation of the electric motor 4th customized or varied. In particular, the value of the minimum speed becomes during the time periods t1 ' , t2 ' adjusted depending on the temperature.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all of the individual features described in connection with the exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways without departing from the subject matter of the invention.

Das Steuer- und/oder Regelverfahren beziehungsweise die Vorrichtung 42 kann mit einem initialen Positions- oder Positionserkennungsverfahren kombiniert werden, um einen Anlauf oder eine Beschleunigung in Gegenrichtung zu vermeiden.The control and / or regulation method or the device 42 can be combined with an initial position or position detection method in order to avoid a start-up or acceleration in the opposite direction.

In den 8 und 9 erfolgt eine konstante Geschwindigkeitserhöhung oder Beschleunigung während der Zeitdauer t2'. Ebenso denkbar ist jedoch auch eine rampenförmige oder kurvenförmige Beschleunigung, also eine nicht konstante Beschleunigung.In the 8th and 9 there is a constant increase in speed or acceleration during the period t2 ' . However, a ramp-shaped or curved acceleration, that is to say a non-constant acceleration, is also conceivable.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

22
Antriebdrive
44th
ElektromotorElectric motor
66th
StromrichterPower converter
88th
StromquellePower source
1010
EnergiespeicherEnergy storage
1212th
ZwischenkreisIntermediate circuit
12a12a
HinleitungForwarding
12b12b
RückleitungReturn line
1414th
ZwischenkreiskondensatorDC link capacitor
1616
BrückenschaltungBridge circuit
1818th
SternschaltungStar connection
20,22,2420,22,24
PhasenendeEnd of phase
2626th
BrückenmodulBridge module
2828
SternpunktStar point
3030th
InduktivitätInductance
3232
Widerstandresistance
34, 36, 3834, 36, 38
SpannungsabfallVoltage drop
4040
Phasenstrom/MotorgrößePhase current / motor size
4242
Vorrichtung/ReglerDevice / regulator
44, 4644, 46
HalbleiterschalterSemiconductor switch
48, 5048, 50
PotentialanschlussPotential connection
52, 5452, 54
SteuerspannungseingangControl voltage input
5656
Widerstandresistance
5858
InduktivitätInductance
6060
ShuntwiderstandShunt resistance
6262
StrommesserAmmeter
6464
PositionsbeobachterPosition observer
6666
SignalaufbereitungSignal conditioning
6868
StromreglerCurrent regulator
7070
PositionserkennungssystemPosition detection system
72, 7472, 74
Kurvenverlauf Curve progression
76, 76', 78, 78'76, 76 ', 78, 78'
Kurvenverlauf Curve progression
IEIE
EingangsstromInput current
IU, IV, IWIU, IV, IW
Phasenstrom/MotorgrößePhase current / motor size
U, V, WAND MANY MORE
Phasephase
UZKUCC
ZwischenkreisspannungIntermediate circuit voltage
UGBasement
ErdpotentialEarth potential
IBatIBat
BatteriestromBattery power
UBatUBat
BatteriespannungBattery voltage
UU, UV, UWUU, UV, UW
Phasenspannung/MotorgrößePhase voltage / motor size
PP
Positionssignal/RohpositionPosition signal / raw position
vv
Minimalsteigung/RohgeschwindigkeitMinimum gradient / raw speed
00
Rotationsgröße/RotorlageRotation size / rotor position
ωω
Rotationsgröße/Drehzahl/MindestgeschwindigkeitRotation size / speed / minimum speed
WW.
Winkel/PositionAngle / position
tt
Zeittime
t1, t2, t1', t2't1, t2, t1 ', t2'
ZeitdauerDuration
DD.
Winkelgeschwindigkeit/DrehzahlAngular velocity / speed

Claims (10)

Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotors (4), - wobei von einem Positionsbeobachter (64) ein Positionssignal (P) als Maß für eine Rotorposition anhand mindestens einer Motorgröße (IU, IV, IW, UU, UV, UW, 40) des Elektromotors (4) bestimmt wird, - wobei von einer Signalaufbereitung (66) eine Rotationsgröße (θ, ω) anhand des Positionssignals (P) berechnet wird, - wobei das Positionssignal (P) und/oder die Rotationsgröße (θ, ω) mit einer hinterlegten Minimalsteigung (v) als Maß für eine Mindestgeschwindigkeit (ω) erzeugt wird, und - wobei der Elektromotor (4) anhand der Rotationsgröße (θ, ω) gesteuert und/oder geregelt wird.Method for operating a brushless and sensorless multiphase electric motor (4), - with a position signal (P) from a position observer (64) as a measure of a rotor position is determined based on at least one motor variable (IU, IV, IW, UU, UV, UW, 40) of the electric motor (4), - a rotation variable (θ, ω) is calculated by a signal processor (66) on the basis of the position signal (P) - where the position signal (P) and / or the rotation variable (θ, ω) is generated with a stored minimum gradient (v) as a measure for a minimum speed (ω), and - where the electric motor (4) is based on the rotation variable (θ, ω) is controlled and / or regulated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (4) bei einer Anfahrt aus einem Stillstand mit der Mindestgeschwindigkeit (ω) angetrieben wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the electric motor (4) is driven at the minimum speed (ω) when starting from a standstill. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anfahrtgeschwindigkeit des Elektromotors (4) bei einer Anfahrt aus einem Stillstand auf die Mindestgeschwindigkeit (ω) begrenzt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a starting speed of the electric motor (4) when starting from a standstill is limited to the minimum speed (ω). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung (v) und/oder die Mindestgeschwindigkeit (ω) so ausgelegt ist, dass einerseits ein stillstehender Rotor des Elektromotors (4) mitgenommen wird, und dass andererseits durch die Bewegung des Rotors eine Motorgröße (40) zur Positionserkennung erzeugt wird.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the slope (v) and / or the minimum speed (ω) is designed so that on the one hand a stationary rotor of the electric motor (4) is carried along, and on the other hand, a motor variable (40) for position detection due to the movement of the rotor is produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Mindestgeschwindigkeit (ω) temperaturabhängig angepasst wird.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the value of the minimum speed (ω) is adapted as a function of the temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Mindestgeschwindigkeit (ω) eine Drehzahl kleiner oder gleich 300 Umdrehungen pro Minute, insbesondere kleiner oder gleich 20 Umdrehungen pro Minute, verwendet wird.Method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that a speed of less than or equal to 300 revolutions per minute, in particular less than or equal to 20 revolutions per minute, is used as the minimum speed (ω). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestgeschwindigkeit (ω) nach einer vorgegebenen Zeitdauer (t1') kontinuierlich erhöht wird.Method according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the minimum speed (ω) is continuously increased after a predetermined period of time (t1 '). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestgeschwindigkeit (ω) von einem ersten Geschwindigkeitswert auf einen zweiten Geschwindigkeitswert erhöht wird, welcher 25 % bis 100 % größer dimensioniert ist, als der erste Geschwindigkeitswert.Procedure according to Claim 7 , characterized in that the minimum speed (ω) is increased from a first speed value to a second speed value which is 25% to 100% larger than the first speed value. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flussbeobachter als Positionsbeobachter (64) verwendet wird.Method according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that a river observer is used as the position observer (64). Elektrischer Antrieb (2) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend - einen bürstenlosen und sensorlosen mehrphasigen Elektromotor (4), - eine Sensoreinheit (62) zur Erfassung der mindestens einen Motorgröße (IU, IV, IW, 40), - einen Positionsbeobachter (64) zur sensorlosen Bestimmung des Positionssignals (P), - eine Signalaufbereitung (66) zur Berechnung der Rotationsgröße (θ, ω), und - einen Stromregler (68) zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors (4).Electric drive (2) for carrying out a method according to one of the Claims 1 to 9 , having - a brushless and sensorless multiphase electric motor (4), - a sensor unit (62) for detecting the at least one motor variable (IU, IV, IW, 40), - a position observer (64) for determining the position signal (P) without a sensor, - a signal processor (66) for calculating the rotation variable (θ, ω), and - a current regulator (68) for controlling and / or regulating the electric motor (4).
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