WO2018141784A1 - Method for operating an electric machine - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for operating an electrical machine as well as a computing unit and a computer program for its implementation.
- Electric machines with permanently or externally excited rotor and one or more windings for the stator in particular synchronous machines, e.g. So-called brushless DC motors (BLDC, brushless DC) can be controlled, for example, via a microcontroller, with stator currents generally being set by means of a pulse-controlled inverter.
- the rotor position whose knowledge of the control, in particular also for commutation, of the electrical machine is generally required, can be determined, for example, via the zero crossings of a so-called pole wheel voltage. Since, for example, in a block commutation, only two winding phases are energized outside the actual commutation process, the pole wheel voltage can be detected in a respective currentless winding strand.
- An inventive method is used to operate an electric machine with permanent and / or foreign-excited rotor and a plurality of winding strands for a stator, in particular a synchronous machine. It may in particular be a three-phase electric machine, but more phases (or winding phases), for example, five or seven, are conceivable.
- the electric machine is operated in block commutation, in each of which one of the winding strands energized for a block length and after commutation another of the winding strands is energized.
- the block length is then adjusted taking into account a duration of the commutation between the winding phases at a current operating point. Particularly preferably, this adjustment can also be made continuously.
- Durations can be understood here to mean periods of time as well as angle durations or angular differences, which can be converted into one another taking account of a rotational speed or angular velocity of the electrical machine.
- a duration of such a commutation would mean that duration until the current in the winding strand from which it is switched off decays is.
- a time or angle at which the current has subsided Only when this current has subsided, then, for example, an induction voltage can be detected or determined, for example, to determine a position of the rotor.
- a duration between two energizations of the winding strands would allow a constant gap length with a short duration of the commutation a larger gap, in which the induction voltage can be detected or determined, as necessary.
- a longer block length leads to a lower current in the winding strands and thus to a more efficient operation of the electrical machine.
- the adaptation of the block length taking into account a duration of the commutation thus allows a more efficient operation than when using a constant block length.
- the block length is adapted in such a way that a duration between two energizations of a winding strand complements the duration of the commutation by a fixed value or a value dependent on the duration of the commutation.
- the duration between two energisations can thus be made as small as possible in order to detect or determine, for example, the induction voltage just just reliably.
- the duration of the commutation is determined on the basis of zero crossings of the voltage which occur due to the commutation. This is a particularly simple and accurate way to determine the current duration of the commutation.
- the duration of the commutation is determined on the basis of a current in the phase windings at the current operating point and taking into account an inductance of the phase windings.
- the block length is adjusted between a minimum value and a maximum value.
- the minimum value may be 120 ° and / or the maximum value 180 °. This represents the widest possible bandwidth for the block length, in which still reliable detection of the induction voltage is possible.
- a position of the rotor relative to the stator is also determined.
- the position of the rotor relative to the stator can be determined based on zero crossings of the voltage which occur due to the rotation of the rotor. In this way, very easily, for example, with a stored reference position, the position of the rotor can be determined. This allows a targeted commutation in the control of the electrical machine. Thus, for example, every 30 ° after a zero crossing, a switching operation in the course of commutation be made when, for example, a three-phase electric machine is used.
- An arithmetic unit according to the invention e.g. a control device of a motor vehicle is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.
- Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as e.g. Hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
- Figure 1 shows schematically and simplified an electrical machine, in which a method according to the invention can be carried out.
- FIG. 2 shows an idealized energization of the winding strands of such an electric machine.
- FIG. 3 shows an idealized course of a winding phase voltage during the operation of such an electrical machine.
- FIG. 4 shows different block lengths when using a method according to the invention in a preferred embodiment.
- FIG. 1 schematically and simplified shows an electrical machine 100 in which a method according to the invention can be carried out.
- the electric machine 100 in the present case is a brushless DC motor.
- the electric machine 100 has a stator 1 10, which in turn has three winding strands 1 1 1, 1 12, 1 13, for example. Furthermore, the electric machine 100 has a rotor 120 which, for example, has a permanent magnet. For each of the winding phases, which have an inductance, an unspecified resistance is plotted. Furthermore, by way of example, a winding phase voltage U mo t and a winding phase current l mot . located. Furthermore, a circuit arrangement 180 is shown, to which the three winding strands 1 1 1, 1 12, 1 13 are connected.
- the circuit arrangement has six switches, for example semiconductor switches such as transistors (eg MOSFETs, IGBTs), by means of which the three winding strands can be alternately connected to positive and negative voltage or ground, for example, and one of which is denoted by reference numeral 181 is.
- semiconductor switches such as transistors (eg MOSFETs, IGBTs)
- FIG. 2 shows an idealized energization of the winding phases of an electrical machine, as shown in FIG.
- a current I is plotted over an angle ⁇ of the rotor with respect to the stator for each of the three winding strands.
- the currents in the three winding phases are here designated by lu, lv and l w for the three winding phases in the sense of phases.
- the energization ie a block length ⁇ , in each case lasts 120 ° and begins in each case 30 ° after a zero crossing of the respective phase voltage.
- block commutation This is a conventional energization ("block commutation"), which can take place by suitable actuation of the switches, as shown in FIG. It is assumed that the three winding phases or phases are arranged symmetrically distributed on the stator.
- FIG. 3 is a diagram of a profile of a winding phase voltage during operation of an electrical machine, as shown in FIG. For this purpose, a voltage U is plotted against the angle ⁇ .
- the winding phase voltage U mo t is composed here of the Polradschreib U'mot, the ohmic and inductive voltage drop across the winding strand and a superimposed voltage due to the commutation of the other phases.
- a commutation (including both a beginning and an end of the current supply) takes place, as can also be seen from FIG.
- a sign V of the winding phase voltage U mo t is plotted against the angle ⁇ . Based on the sign V, the zero crossings of the winding phase voltage U mo t can be determined. In the present case occur at the angles ⁇ - ⁇ , ⁇ 2 , ⁇ 3 and ⁇ 4 zero crossings.
- the zero crossings ⁇ and ⁇ 4 result from the course of the Polradbeginning U'mot and thus from the rotation of the rotor. From this, the position of the rotor relative to the stator can be determined.
- the duration of the commutation that is determined in the Frame of the present invention is also referred to as a third duration and can be used for example as Vor Kunststoffwert.
- FIG. 4 shows various block lengths when using a method according to the invention in a preferred embodiment.
- a current I is plotted over an angle ⁇ of the rotor with respect to the stator for one of the three winding strands (similar to FIG. 2).
- L between two energizations of the winding strand is, however, significantly greater than the duration ⁇ of the commutation.
- the block length can therefore be adjusted taking into account the duration ⁇ of the commutation.
- the block length is extended to
- ⁇ ' 150 °. This leads accordingly to a reduction in the duration between two energizations of the winding strand to L '.
- the duration corresponding to this fixed value W is sufficient in this case to detect or determine, for example, the induction voltage.
- the adaptation of the block length can be carried out in particular (quasi) continuously, i. an increase of only a few degrees can also be made, so that only small changes in the operating point can be reacted. Furthermore, the adjustment from one to another
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Abstract
Description
Beschreibung description
Titel title
Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine Method for operating an electrical machine
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung. The present invention relates to a method for operating an electrical machine as well as a computing unit and a computer program for its implementation.
Stand der Technik State of the art
Elektrische Maschinen mit permanent- oder fremderregtem Rotor und einer oder mehreren Wicklungen für den Stator, insbesondere Synchronmaschinen, z.B. sog. bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC; englisch: brushless DC), können beispielsweise über einen Mikrocontroller angesteuert werden, wobei in der Regel Statorströme mittels eines Pulswechselrichters eingestellt werden. Die Rotorposition, deren Kenntnis zur Ansteuerung, insbesondere auch zur Kommutierung, der elektrischen Maschine in der Regel erforderlich ist, kann dabei beispielsweise über die Nulldurchgänge einer sog. Polradspannung ermittelt werden. Da beispielsweise bei einer Blockkommutierung außerhalb des eigentlichen Kommutierungsvorgangs immer nur zwei Wicklungsstränge bestromt werden, kann in einem jeweils stromlosen Wicklungsstrang die Polradspannung erfasst werden. Electric machines with permanently or externally excited rotor and one or more windings for the stator, in particular synchronous machines, e.g. So-called brushless DC motors (BLDC, brushless DC) can be controlled, for example, via a microcontroller, with stator currents generally being set by means of a pulse-controlled inverter. The rotor position, whose knowledge of the control, in particular also for commutation, of the electrical machine is generally required, can be determined, for example, via the zero crossings of a so-called pole wheel voltage. Since, for example, in a block commutation, only two winding phases are energized outside the actual commutation process, the pole wheel voltage can be detected in a respective currentless winding strand.
Für einen optimalen Betrieb der elektrischen Maschine ist dabei in der Regel erforderlich, dass sich ein minimal möglicher Strom in der elektrischen Maschine einstellt. Hierzu sollten die innere Spannung der elektrischen Maschine und der zugehörige Motorgrundwellenstrom in Phase liegen. Hierzu ist in der Regel aufgrund der Induktivität der elektrischen Maschine eine zeitlich vorversetzte Ansteuerung der Wicklungsstränge nötig. Diese Korrektur, welche das nacheilende Verhalten des Motorgrundwellenstroms kompensiert, wird durch den sog. Vorkommutierungswinkel beschrieben. For optimal operation of the electrical machine is usually required that sets a minimum possible current in the electric machine. For this, the internal voltage of the electrical machine and the associated motor fundamental current should be in phase. For this purpose, a time-advanced control of the winding strands is usually necessary due to the inductance of the electric machine. This correction, which is the lagging Behavior of the motor fundamental wave current compensated, is described by the so-called pre-commutation angle.
Aus der EP 1 734 648 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Kommutieren eines bürstenlosen und sensorlosen Gleichstrommotors bekannt, bei dem die An- steuerung der Wicklungsstränge asynchron erfolgt. From EP 1 734 648 A1, for example, a method for commutating a brushless and sensorless direct current motor is known, in which the control of the winding phases takes place asynchronously.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. According to the invention, a method for operating an electrical machine as well as a computing unit and a computer program for carrying it out with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betrieb einer elektrischen Maschine mit permanent- und/oder fremderregtem Rotor und mehreren Wicklungssträngen für einen Stator, insbesondere eine Synchronmaschine. Es kann sich insbesondere um eine dreiphasige elektrische Maschine handeln, jedoch sind auch mehr Phasen (bzw. Wicklungsstränge), beispielsweise, fünf oder sieben, denkbar. An inventive method is used to operate an electric machine with permanent and / or foreign-excited rotor and a plurality of winding strands for a stator, in particular a synchronous machine. It may in particular be a three-phase electric machine, but more phases (or winding phases), for example, five or seven, are conceivable.
Dabei wird die elektrische Maschine in Blockkommutierung betrieben, bei der jeweils einer der Wicklungsstränge für eine Blocklänge bestromt und nach einer Kommutierung ein anderer der Wicklungsstränge bestromt wird. Die Blocklänge wird dann unter Berücksichtigung einer Dauer der Kommutierung zwischen den Wicklungssträngen bei einem aktuellen Arbeitspunkt angepasst. Besonders bevorzugt kann diese Anpassung auch stufenlos erfolgen. Unter einer Kommutierung ist hierbei ein Wechsel der Stromflüsse durch die Wicklungsstränge der elektrischen Maschine zu verstehen (Stromwendung). Als Dauern können hier sowohl Zeitdauern als auch Winkeldauern bzw. Winkeldifferenzen verstanden werden, welcher unter Berücksichtigung einer Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit der elektrischen Maschine ineinander umrechenbar sind. Unter einer Dauer einer solchen Kommutierung wäre dabei diejenige Dauer zu verstehen, bis der Strom in dem Wicklungsstrang, von dem weggeschaltet wird, abgeklungen ist. Damit kann als Ende der Kommutierung ein Zeitpunkt oder ein Winkel angesehen werden, zu dem der Strom abgeklungen ist. Erst wenn dieser Strom abgeklungen ist, kann dann beispielsweise eine Induktionsspannung erfasst bzw. ermittelt werden, beispielsweise zur Ermittlung einer Position des Rotors. In this case, the electric machine is operated in block commutation, in each of which one of the winding strands energized for a block length and after commutation another of the winding strands is energized. The block length is then adjusted taking into account a duration of the commutation between the winding phases at a current operating point. Particularly preferably, this adjustment can also be made continuously. Under a commutation here is a change in the current flows through the winding strands of the electric machine to understand (current application). Durations can be understood here to mean periods of time as well as angle durations or angular differences, which can be converted into one another taking account of a rotational speed or angular velocity of the electrical machine. A duration of such a commutation would mean that duration until the current in the winding strand from which it is switched off decays is. Thus can be regarded as the end of the commutation, a time or angle at which the current has subsided. Only when this current has subsided, then, for example, an induction voltage can be detected or determined, for example, to determine a position of the rotor.
Eine Dauer zwischen zwei Bestromungen der Wicklungsstränge (welche jeweils eine Blocklänge lang dauert) ließe bei konstanter Blocklänge bei geringer Dauer der Kommutierung eine größere Lücke, in welcher die Induktionsspannung erfasst bzw. ermittelt werden kann, als nötig. Eine längere Blocklänge führt jedoch zu einem geringeren Strom in den Wicklungssträngen und damit zu einem effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine. Die Anpassung der Blocklänge unter Berücksichtigung einer Dauer der Kommutierung ermöglicht also einen effizienteren Betrieb als bei Verwendung konstanter Blocklänge. A duration between two energizations of the winding strands (which lasts one block length in each case) would allow a constant gap length with a short duration of the commutation a larger gap, in which the induction voltage can be detected or determined, as necessary. However, a longer block length leads to a lower current in the winding strands and thus to a more efficient operation of the electrical machine. The adaptation of the block length taking into account a duration of the commutation thus allows a more efficient operation than when using a constant block length.
Insofern ist es auch besonders zweckmäßig, wenn die Blocklänge derart ange- passt wird, dass eine Dauer zwischen zwei Bestromungen eines Wicklungsstrangs die Dauer der Kommutierung ergänzt um einen festen oder einen von der Dauer der Kommutierung abhängigen Wert beträgt. Mit anderen Worten kann die Dauer zwischen zwei Bestromungen also so gering wie möglich ausgebildet werden, um gerade noch zuverlässig beispielsweise die Induktionsspannung zu erfassen bzw. zu ermitteln. In this respect, it is also particularly expedient if the block length is adapted in such a way that a duration between two energizations of a winding strand complements the duration of the commutation by a fixed value or a value dependent on the duration of the commutation. In other words, the duration between two energisations can thus be made as small as possible in order to detect or determine, for example, the induction voltage just just reliably.
Vorteilhafterweise wird die Dauer der Kommutierung anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Kommutierung auftreten, ermittelt. Dies stellt eine besonders einfache und genaue Möglichkeit dar, die aktuelle Dauer der Kommutierung zu ermitteln. Advantageously, the duration of the commutation is determined on the basis of zero crossings of the voltage which occur due to the commutation. This is a particularly simple and accurate way to determine the current duration of the commutation.
Alternativ ist es bevorzugt, wenn die Dauer der Kommutierung anhand eines Stroms in den Wicklungssträngen bei dem aktuellen Arbeitspunkt und unter Be- rücksichtigung einer Induktivität der Wicklungsstränge ermittelt wird. Auf dieseAlternatively, it is preferred if the duration of the commutation is determined on the basis of a current in the phase windings at the current operating point and taking into account an inductance of the phase windings. To this
Weise ist nur eine Ermittlung des Stroms nötig, sodass - bei bekannter Induktivität - sehr einfach die Dauer der Kommutierung ermittelt und damit die Blocklänge angepasst werden kann. Vorzugsweise wird die Blocklänge zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert angepasst. insbesondere können der Minimalwert 120° und/oder der Maximalwert 180° betragen. Dies stellt eine möglichst große Bandbreite für die Blocklänge dar, bei der immer noch zuverlässig eine Erkennung der Induktionsspannung möglich ist. In this way, only a determination of the current is necessary, so that - with known inductance - determines the duration of the commutation very simple and thus the block length can be adjusted. Preferably, the block length is adjusted between a minimum value and a maximum value. In particular, the minimum value may be 120 ° and / or the maximum value 180 °. This represents the widest possible bandwidth for the block length, in which still reliable detection of the induction voltage is possible.
Es ist von Vorteil, wenn weiterhin anhand der Spannung eine Position des Rotors in Bezug zu dem Stator ermittelt wird. Zweckmäßigerweise kann dabei die Position des Rotors in Bezug zu dem Stator anhand von Nulldurchgängen der Spannung, welche aufgrund der Rotation des Rotors auftreten, ermittelt werden. Auf diese Weise kann sehr einfach, beispielsweise mit einer hinterlegten Bezugsposition, die Position des Rotors ermittelt werden. Dies ermöglicht eine gezielte Kommutierung bei der Ansteuerung der elektrischen Maschine. So kann beispielsweise alle 30° nach einem Nulldurchgang ein Schaltvorgang im Zuge der Kommutierung vorgenommen werden, wenn beispielsweise eine dreiphasige elektrische Maschine verwendet wird. It is advantageous if, based on the voltage, a position of the rotor relative to the stator is also determined. Conveniently, the position of the rotor relative to the stator can be determined based on zero crossings of the voltage which occur due to the rotation of the rotor. In this way, very easily, for example, with a stored reference position, the position of the rotor can be determined. This allows a targeted commutation in the control of the electrical machine. Thus, for example, every 30 ° after a zero crossing, a switching operation in the course of commutation be made when, for example, a three-phase electric machine is used.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. An arithmetic unit according to the invention, e.g. a control device of a motor vehicle is, in particular programmatically, configured to perform a method according to the invention.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Also, the implementation of the method in the form of a computer program is advantageous because this causes very low costs, especially if an executive controller is still used for other tasks and therefore already exists. Suitable data carriers for providing the computer program are in particular magnetic, optical and electrical memories, such as e.g. Hard drives, flash memory, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings. The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described below with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Figur 1 zeigt schematisch und vereinfacht eine elektrische Maschine, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Figure 1 shows schematically and simplified an electrical machine, in which a method according to the invention can be carried out.
Figur 2 zeigt eine idealisierte Bestromung der Wicklungsstränge einer solchen elektrischen Maschine. FIG. 2 shows an idealized energization of the winding strands of such an electric machine.
Figur 3 zeigt einen idealisierten Verlauf einer Wicklungsstrangsspannung beim Betrieb einer solchen elektrischen Maschine. FIG. 3 shows an idealized course of a winding phase voltage during the operation of such an electrical machine.
Figur 4 zeigt verschiedene Blocklängen bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform. FIG. 4 shows different block lengths when using a method according to the invention in a preferred embodiment.
Ausführungsform(en) der Erfindung Embodiment (s) of the invention
In Figur 1 ist schematisch und vereinfacht eine elektrische Maschine 100 gezeigt, bei der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Bei der elektrischen Maschine 100 handelt es sich vorliegend um einen bürstenlosen Gleichstrommotor. FIG. 1 schematically and simplified shows an electrical machine 100 in which a method according to the invention can be carried out. The electric machine 100 in the present case is a brushless DC motor.
Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 1 10 auf, welcher beispielhaft wiederum drei Wicklungsstränge 1 1 1 , 1 12, 1 13 aufweist. Weiterhin weist die elektrische Maschine 100 einen Rotor 120 auf, welcher beispielsweise einen Permanentmagneten aufweist. Zu jedem der Wicklungsstränge, welche eine Induktivität aufweisen, ist ein nicht näher bezeichneter ohmscher Widerstand eingezeichnet. Weiterhin sind beispielhaft eine Wicklungsstrangsspannung Umot sowie ein Wicklungsstrangsstrom lmot. eingezeichnet. Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung 180 gezeigt, an die die drei Wicklungsstränge 1 1 1 , 1 12, 1 13 angeschlossen sind. Die Schaltungsanordnung weist sechs Schalter, beispielsweise Halbleiterschalter wie Transistoren (z.B. MOS- FETs, IGBTs), auf, mittels welcher die drei Wicklungsstränge beispielsweise ab- wechselnd mit positiver und negativer Spannung oder Masse verbunden werden können und von welchen beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 181 bezeichnet ist. The electric machine 100 has a stator 1 10, which in turn has three winding strands 1 1 1, 1 12, 1 13, for example. Furthermore, the electric machine 100 has a rotor 120 which, for example, has a permanent magnet. For each of the winding phases, which have an inductance, an unspecified resistance is plotted. Furthermore, by way of example, a winding phase voltage U mo t and a winding phase current l mot . located. Furthermore, a circuit arrangement 180 is shown, to which the three winding strands 1 1 1, 1 12, 1 13 are connected. The circuit arrangement has six switches, for example semiconductor switches such as transistors (eg MOSFETs, IGBTs), by means of which the three winding strands can be alternately connected to positive and negative voltage or ground, for example, and one of which is denoted by reference numeral 181 is.
Weiterhin ist eine Zwischenkreisspannung UZK gezeigt, welche an der Schal- tungsanordnung anliegt. Weiterhin ist jedem der Schalter eine parallel geschaltete Diode zugeordnet, von welchen beispielhaft eine mit dem Bezugszeichen 182 bezeichnet ist. Dies symbolisiert beispielsweise eine intrinsische Body-Diode o- der eine separate Diode für eine Rückwärtsleitfähigkeit (z.B. bei IGBTs). Die Schaltungsanordnung 180 und insbesondere die Schalter können hierzu beispielsweise mittels der Recheneinheit 190 angesteuert werden. Die Funktionsweise einer solchen elektrischen Maschine ist im Übrigen an sich bekannt und soll daher hier nicht weiter erläutert werden. In Figur 2 ist eine idealisierte Bestromung der Wicklungsstränge einer elektrischen Maschine, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, gezeigt. Hierzu ist ein Strom I über einem Winkel φ des Rotors in Bezug zum Stator für jeden der drei Wicklungsstränge aufgetragen. Der Winkel φ kann dabei auch als Produkt der Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors mit der Zeit t, d.h. φ = ωί, gesehen werden. Furthermore, an intermediate circuit voltage U Z K is shown, which rests on the circuit arrangement. Furthermore, each of the switches is associated with a diode connected in parallel, one of which is denoted by the reference numeral 182 by way of example. This symbolizes, for example, an intrinsic body diode or a separate diode for a reverse conductivity (eg in the case of IGBTs). The circuit arrangement 180 and in particular the switches can be controlled for this purpose, for example by means of the arithmetic unit 190. Incidentally, the mode of operation of such an electrical machine is known per se and will therefore not be explained further here. FIG. 2 shows an idealized energization of the winding phases of an electrical machine, as shown in FIG. For this purpose, a current I is plotted over an angle φ of the rotor with respect to the stator for each of the three winding strands. The angle φ can also be seen as the product of the angular velocity ω of the rotor with the time t, ie φ = ωί.
Die Ströme in den drei Wicklungssträngen sind hier mit lu, lv und lw für die drei Wicklungsstränge im Sinne von Phasen bezeichnet. Die Bestromung, d.h. eine Blocklänge Δφ, dauert dabei jeweils 120° an und beginnt jeweils 30° nach einem Nulldurchgang der jeweiligen Phasenspannung. Hierbei handelt es sich um eine übliche Bestromung ("Blockkommutierung"), welche durch geeignete Ansteue- rung der Schalter, wie sie in Figur 1 gezeigt sind, erfolgen kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass die drei Wicklungsstränge bzw. Phasen symmetrisch verteilt auf dem Stator angeordnet sind. ln Figur 3 ist in einem Diagramm ein Verlauf einer Wicklungsstrangsspannung beim Betrieb einer elektrischen Maschine, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, gezeigt. Hierzu ist eine Spannung U über dem Winkel φ aufgetragen. Mit U'mot ist dabei eine Polradspannung eingezeichnet, wie sie durch eine Drehung des Rotors und aufgrund von Induktion in den Wicklungssträngen hervorgerufen wird. Zusätzlich ist eine idealisierte Wicklungsstrangsspannung Umot eingezeichnet, die der tatsächlich vorliegenden Spannung entspricht. The currents in the three winding phases are here designated by lu, lv and l w for the three winding phases in the sense of phases. The energization, ie a block length Δφ, in each case lasts 120 ° and begins in each case 30 ° after a zero crossing of the respective phase voltage. This is a conventional energization ("block commutation"), which can take place by suitable actuation of the switches, as shown in FIG. It is assumed that the three winding phases or phases are arranged symmetrically distributed on the stator. FIG. 3 is a diagram of a profile of a winding phase voltage during operation of an electrical machine, as shown in FIG. For this purpose, a voltage U is plotted against the angle φ. With U ' mo t while a Polradspannung is drawn, as it is caused by a rotation of the rotor and due to induction in the winding strands. In addition, an idealized winding phase voltage U mo t is shown, which corresponds to the actual voltage present.
Die Wicklungsstrangsspannung Umot setzt sich dabei zusammen aus der Polradspannung U'mot, dem ohmschen und induktiven Spannungsabfall über dem Wicklungsstrang sowie einer überlagerten Spannung aufgrund der Kommutierung der anderen Phasen. So findet bspw. bei den Winkeln φ von 30°, 90°, 150° und 210° eine Kommutierung (hierunter fallen sowohl ein Beginn als auch ein Ende der Bestromung) statt, wie auch der Figur 2 zu entnehmen ist. The winding phase voltage U mo t is composed here of the Polradspannung U'mot, the ohmic and inductive voltage drop across the winding strand and a superimposed voltage due to the commutation of the other phases. Thus, for example, at the angles φ of 30 °, 90 °, 150 ° and 210 °, a commutation (including both a beginning and an end of the current supply) takes place, as can also be seen from FIG.
Während der Dauer μ der Kommutierung, d.h. bis der Strom in dem einen Wicklungsstrang, von dem weggeschaltet wird, abgeklungen ist, liegen, je nach Wicklungssträngen, die betrachtet und geschaltet werden, betragsmäßig ein Drittel oder zwei Drittel der Zwischenkreisspannung UZK an, wie dem Verlauf Umot zu entnehmen ist. During the duration μ of the commutation, ie until the current in the one winding strand from which is switched off, has decayed, depending on the winding strands, which are considered and switched, amount to one third or two thirds of the intermediate circuit voltage U Z K, such as can be seen from the course U mo t.
In einem weiteren Diagramm unterhalb des Diagramms mit dem Spannungsverlauf ist ein Vorzeichen V der Wicklungsstrangsspannung Umot über dem Winkel φ aufgetragen. Anhand des Vorzeichens V sind die Nulldurchgänge der Wicklungs- Strangsspannung Umot ermittelbar. Vorliegend treten bei den Winkeln φ-ι, φ2, ψ3 und φ4 Nulldurchgänge auf. In a further diagram below the diagram with the voltage curve, a sign V of the winding phase voltage U mo t is plotted against the angle φ. Based on the sign V, the zero crossings of the winding phase voltage U mo t can be determined. In the present case occur at the angles φ-ι, φ 2 , ψ3 and φ 4 zero crossings.
Die Nulldurchgänge φι und φ4 resultieren dabei aus dem Verlauf der Polradspannung U'mot und damit aus der Rotation des Rotors. Daraus lässt sich die Po- sition des Rotors in Bezug zum Stator ermitteln. Die Nulldurchgänge φ2 und φ3 hingegen resultieren aus dem Kommutierungsvorgang. Dabei ist erkennbar, dass der Abstand der beiden Nulldurchgänge φ2 und φ3 genau der Dauer μ der Kommutierung entspricht. Durch Ermittlung der Nulldurchgänge der Wicklungsstrangsspannung lässt sich somit die Dauer der Kommutierung ermitteln, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als dritte Dauer bezeichnet wird und beispielsweise als Vorsteuerwert verwendet werden kann. The zero crossings φι and φ 4 result from the course of the Polradspannung U'mot and thus from the rotation of the rotor. From this, the position of the rotor relative to the stator can be determined. The zero crossings φ 2 and φ 3, on the other hand, result from the commutation process. It can be seen that the distance between the two zero crossings φ 2 and φ 3 corresponds exactly to the duration μ of the commutation. By determining the zero crossings of the winding phase voltage, the duration of the commutation that is determined in the Frame of the present invention is also referred to as a third duration and can be used for example as Vorsteuerwert.
In Figur 4 sind verschiedene Blocklängen bei Anwendung eines erfindungsge- mäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Hierzu ist ein Strom I über einem Winkel φ des Rotors in Bezug zum Stator für einen der drei Wicklungsstränge aufgetragen (ähnlich zu Figur 2). FIG. 4 shows various block lengths when using a method according to the invention in a preferred embodiment. For this purpose, a current I is plotted over an angle φ of the rotor with respect to the stator for one of the three winding strands (similar to FIG. 2).
Zusätzlich zu der Blocklänge Δφ = 120° ist die zugehörige Dauer μ der Kommu- tierung, wie sie in Bezug auf Figur 3 näher erläutert wurde, dargestellt. Die DauerIn addition to the block length Δφ = 120 °, the associated duration μ of the commutation, as explained in more detail with respect to FIG. 3, is shown. The duration
L zwischen zwei Bestromungen des Wicklungsstrangs ist dabei jedoch deutlich größer als die Dauer μ der Kommutierung. L between two energizations of the winding strand is, however, significantly greater than the duration μ of the commutation.
Die Blocklänge kann daher unter Berücksichtigung der Dauer μ der Kommutie- rung angepasst werden. Im vorliegenden Fall wird die Blocklänge verlängert aufThe block length can therefore be adjusted taking into account the duration μ of the commutation. In the present case, the block length is extended to
Δφ' = 150°. Dies führt entsprechend zu einer Reduzierung der Dauer zwischen zwei Bestromungen des Wicklungsstrangs auf L'. Dabei entspricht die Dauer L' nunmehr der Dauer μ der Kommutierung ergänzt um einen festen Wert W. Die Dauer, die diesem festen Wert W entspricht, ist dabei ausreichend, um bei- spielsweise die Induktionsspannung zu erfassen bzw. zu ermitteln. Δφ '= 150 °. This leads accordingly to a reduction in the duration between two energizations of the winding strand to L '. In this case, the duration L 'now corresponds to the duration μ of the commutation supplemented by a fixed value W. The duration corresponding to this fixed value W is sufficient in this case to detect or determine, for example, the induction voltage.
Hierzu sei angemerkt, dass die Anpassung der Blocklänge insbesondere (quasi-) stufenlos erfolgen kann, d.h. es kann auch eine Erhöhung um nur wenige Grad erfolgen, damit kann auch auf nur geringe Änderungen des Arbeitspunktes rea- giert werden. Weiterhin kann auch die Anpassung von einem zu einem anderenIt should be noted that the adaptation of the block length can be carried out in particular (quasi) continuously, i. an increase of only a few degrees can also be made, so that only small changes in the operating point can be reacted. Furthermore, the adjustment from one to another
Wert beispielsweise (quasi-)kontinuierlich bzw. in kleinen Schritten über mehrere Blocklängen hinweg erfolgen. Auf diese Weise können damit Drehzahlsprünge vermieden werden. Es versteht sich, dass die Dauer μ der Kommutierung nicht nur gemäß Erläuterung zu Figur 3, sondern auch - wie eingangs erwähnt - aus dem Wicklungsstrangsstrom und der Induktivität berechnet werden kann. In beiden Fällen kann jedoch eine möglichst lange Blocklänge eingestellt werden, was zu einem effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine führt. Value, for example, (quasi) continuously or in small steps over several block lengths away. In this way, speed jumps can be avoided. It is understood that the duration μ of the commutation can be calculated not only in accordance with the explanation of FIG. 3, but also, as mentioned above, from the winding phase current and the inductance. In both cases, however, the longest possible block length can be set, which leads to a more efficient operation of the electric machine.
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