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Kerntechnologie

Die Kerntechnologie

Im Folgenden skizzieren wir für Sie kurz die wichtigsten Grundlagen, auf denen unsere Technologie beruht. Für Experten stellen wir weiter unten noch mehr Details zur Verfügung.

Um Drehstrommaschinen mit heutigen Standardverfahren dynamisch und effizient anzusteuern, ist ein Drehgeber zur Messung des Rotorwinkels notwendig. Die Abschaffung dieses Lagegebers hätte Vorteile für fast jede Anwendung, wie zum Beispiel Kostenreduktion, Platzeinsparung, Senkung der Ausfallwahrscheinlichkeit oder Steigerung der Robustheit. Besonders in kostensensitiven und sicherheitskritischen Anwendungen sowie unter rauen Umgebungsbedingungen ist es ratsam, die teure und anfällige mechanische Sensorik zu vermeiden.

Probleme geberloser Verfahren​

Bekannte Verfahren geberloser Regelung führen jedoch wegen ihres technologischen Anspruchs zu hohen Entwicklungskosten und -risiken und weisen Nachteile gegenüber der geberbehafteten Regelung auf. Beispiele hierfür sind die erforderliche Dynamikreduktion, Geräuschentwicklung bei Stillstand, Parameterabhängigkeit, Probleme im Übergang zwischen niedriger und hoher Drehzahl und mangelnde Eignung für Motoren mit Zahnspulwicklung.

Abhängig vom Anwendungsfall werden einzelne der genannten Punkte üblicherweise zu Ausschlusskriterien für den Einsatz in der Industrie. Daher sind Injektionsverfahren am Markt heute bis auf wenige Ausnahmen nicht vertreten und der Einsatz von Drehgebern ist für den unteren Drehzahlbereich meist unumgänglich.

Ziel: Effizienz und Performance auch ohne Geber

Uns ist es nun mit Hilfe des Pulsinjektionsverfahrens gelungen, die bekannten Probleme geberloser Regelung zu überwinden. Durch mehr als 20 Personenjahre Forschung und Entwicklung zur geberlosen Regelung besitzt KOSTAL Drives Technology vielschichtiges Know-How im Bereich der Antriebsregelung. Unsere Technologie ermöglicht es daher heute, Anwendungen mit erhöhtem Anspruch an Effizienz und Performance auch ohne Geber zu realisieren, und dadurch die Systemkosten und Ausfallwahrscheinlichkeit zu senken.

Erfahren Sie mehr über Unsere Technologie

Nach Einschätzung unserer Ingenieure ist einer der wichtigsten Ursachen – wenn nicht sogar die wichtigste Ursache– dafür, dass viele mögliche Ganzdrehzahl-Anwendungen noch nicht längst geberlos umgesetzt sind, die Tatsache, dass die Verfahren technologisch komplex sind. Viele Personenjahre Entwicklung sind notwendig, um den akademischen Stand der Technik zu studieren, die einzelnen Teilverfahren zu implementieren und zu vergleichen und eine sinnvolle Kombination mit guten Eigenschaften in Serie zu bringen. Und auch nach der Implementation muss der Antriebshersteller aus Wartungs- und Supportgründen dauerhaft das geberlose Know-How vorhalten. Diese „Investition“ (Entwicklungskosten und Risiko) lohnt sich daher nur bei entsprechend großen Stückzahlen und schließt eine Vielzahl kleiner und mittelständischer Unternehmen von der geberlosen Regelung aus. Das ebenfalls komplexe Know-How zur Herstellung von Lagegebern hingegen ist ohnehin „outgesourced“ und Geber damit allen zugänglich. Nach über 20 Personenjahren F&E auf dem Gebiet der geberlosen Regelung verfügt KOSTAL Drives Technology über eine umfassende Kenntnis der internationalen Literatur und hat darüber hinaus wesentliche Fortschritte zu verzeichnen, die einen Großteil der Probleme der Literatur lösen (siehe folgende Abschnitte). Demnach war die Herausforderung und zentrale Entwicklungsaufgabe für KOSTAL Drives Technology, dieses hochkomplexe Verfahrenspaket so zu standardisieren und äußerlich zu vereinfachen, dass es für jede beliebige Synchronmaschine und durch jeden Software-Ingenieur ohne geberlose Erfahrung anwendbar wird. Insbesondere wurden dabei die vielen Tuningparameter der geberlosen Regelung logisch vereinigt und äußerlich abgeschafft. Das Ergebnis ist die geberlos-Programmbibliothek „dynAIMx®“ mit klaren Schnittstellen und eindeutiger Parametrierung anhand von Maschinendaten. DynAIMx® macht geberlose Regelung mit bestmöglicher Performance auch für mittelständische Antriebshersteller zugänglich.

Geberlose Verfahren der Literatur basieren meist auf Filter- oder Beobachterstrukturen, die einem allgemeinen Zielkonflikt unterliegen: je sauberer und ruhiger das Schätzsignal sein soll, desto träger wird es. Laufruhe wird also mit Dynamikreduktion erkauft. Die Ausprägung dieses Konflikts hängt maßgeblich vom Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) des Quellsignals ab, was bei der geberlosen Regelung insbesondere im unteren Drehzahlbereich kritisch ist. Da hier einerseits die EMK schwach (bis nicht vorhanden) ist und andererseits die Induktivitäten generell nur mit geringem Signalanteil (Saliency Ratio häufig <10%) zu ermitteln sind, liegt im unteren Drehzahlbereich allgemein ein schlechtes SRV vor. In geräuschempfindlichen Anwendungen, wo möglichst schwach injiziert werden muss, wird dieser Zusammenhang noch ungünstiger. Zudem erlaubt der stabilitätskritische Umschaltvorgang vom Nieder- zum Hochdrehzahlverfahren in der Literatur häufig nur ein langsames Durchlaufen des Umschaltbereichs. Aus all diesen Gründen sind geberlose Verfahren für den gesamten Drehzahlbereich aus der Literatur dafür bekannt, sich nur für Anwendungen mit geringen Dynamik-Anforderung zu eignen. Wir konnten eine Methode erarbeiten, die EMK- und Induktivitätsinformation zusammenzuführt, ohne auf Beobachter- oder Filterstrukturen zurückzugreifen. Dabei greift unsere Methode prinzipiell immer auf beide Informationsquellen zurück und schaltet nicht von einem zum anderen Verfahren um. Dadurch erreichen wir im gesamten Drehzahlbereich eine für geberlose Verfahren ungewöhnlich hohe Dynamik (vergleichbar mit Resolver) und unterliegen nicht mehr dem sonst üblichen Umschaltproblem oder dem Zielkonflikt zwischen Dynamik und Injektionsgeräusch. Wenn im oberen Drehzahlbereich die EMK-Information stark genug ist, kann die Injektion dennoch ohne Einbußen abgeschaltet werden, um geräuschlos zu werden und den vollen Aussteuerbereich nutzen zu können.

Gute, nichtlineare Grundwellenverfahren können im hohen Drehzahlbereich theoretisch mit beliebig hohen Drehmomenten arbeiten – Niederdrehzahlverfahren dagegen nicht. Niederdrehzahlverfahren werten die magnetische Anisotropie (Richtungsabhängigkeit der Induktivitäten) aus, die vom Drehmoment-bildenden Strom beeinflusst wird. Mit zunehmendem Strom unterscheidet sich die Ausrichtung der Anisotorpie immer stärker vom Rotorwinkel. In der geberlos-Literatur findet sich daher ab 2005 der Rat, diese maschinenspezifische Verschiebung softwareseitig (mittels Tabelle) zu kompensieren. Jedoch funktioniert diese Kompensation ebenfalls nur bis zu einer anderen, erweiterten Drehmomentgrenze, wonach die Niederdrehzahlverfahren erneut instabil werden. Die genaue Höhe dieser Drehmoment- bzw. Lastgrenze hängt vom Maschinentyp, also vom Design ab und liegt im Mittel bei ca. zweifachem Nennmoment. In guten Fällen ist sogar ein 4-faches, in schlechten jedoch nur halbes Nennmoment oder weniger möglich. Es finden sich deshalb in der Literatur heute einige Veröffentlichungen zu Design-Richtlinien für geberlose Regelung, die zusätzlich den Kompromiss zwischen Kosten, Leistung und Effzienz etc. eingehen und dadurch auch nur beschränkten Erfolg versprechen. Unser zuvor beschriebener Ansatz zur Regelung aller (auch schwieriger) Maschinentypen unterliegt der Lastproblematik nicht. Mit ihm sind deshalb zum Einen die geberlosen Eigenschaften im Maschinendesign vernachlässigbar, und es kann rein nach Performance und Kosten entschieden werden. Andererseits sind bislang völlig aussichtlose Anwendungen, wie die wassergekühlten Antriebsmaschinen der Elektromobilität, nun prinzipiell geberlos betreibbar.

Eine der ursprünglichen Einschränkungen der geberlosen Regelung jedoch besteht auch in der Technologie von KOSTAL Drives Technology weiter, und lässt sich nach Einschätzung der Gründer auch in absehbarer Zeit nicht überwinden: die Genauigkeit. Vergleicht man die geberlos berechnete Position mit dem Signal eines hochgenauen Gebers, so ergeben sich an ungünstigen Stellen einige elektrische Grad Abweichung (bei guter Parametrierung 3-5°), sogenannte Schätzfehler. Bei drei Polpaaren entspräche dies 1-2 mechanischen Grad Genauigkeit, bei höheren Polpaarzahlen entsprechend weniger. Die Ursachen hierfür sind vielschichtig. Vereinfachungen in der Modellierung (z.B. Schalttotzeit), Messfehler (z.B. Stromrauschen und -offset), Material- (z.B. Permanentmagnete und Blech) und Fertigungstoleranzen (z.B. Luftspalt) und Temperaturabhängigkeiten (z.B. Widerstand und Charakteristik der Transistoren) sind einige Beispiele. Vereinfacht gesagt, nutzt die geberlose Regelung ein im Detail hochkomplexes System, das zur Energiewandlung entworfen und optimiert wurde, zeitgleich als Messvorrichtung. Es ist möglich, die geberlosen Eigenschaften im Design zu berücksichtigen und damit Verbesserungen zu erzielen, aber man wird insbesondere hinsichtlich Genauigkeit niemals die Eigenschaften eines Lagegebers erreichen, ohne dass die Energiewandlungseigenschaften verloren gehen. Es ist deshalb wichtig zu wissen, dass Anwendungen mit höheren Anforderungen an Genauigkeit als oben beschrieben, nicht ohne Lagegeber auskommen werden.

Bei kleinen Drehzahlen und Stillstand, wenn das EMK-Signal sehr schwach ist, wird zusätzlich die Lageabhängigkeit der Induktivitäten ausgewertet. Dabei prägt man ein Zusatzsignal mit hoher Frequenz ein und zieht die resultierende Stromantwort zur Berechnung der Induktivitäten heran. Dieses für jedes Niederdrehzahlverfahren erforderliche Zusatzsignal erzeugt ein hochfrequentes Geräusch – in der Regel ein Fiepen der Maschine im unteren Drehzahlbereich – was in bestimmten, Geräusch-sensitiven Anwendungen störend sein kann. KOSTAL Drives Technology hat sich jahrelang mit dieser Thematik auseinandergesetzt und mehrere Möglichkeiten erarbeitet, dieses Geräusch zu reduzieren. So besteht nun einerseits Know-How für eine Beratung während der Hardware- und frühen Software-Entwicklungsphasen, um Strommessung und AD-Wandlung (abhängig vom Leistungsbereich und Preissegment) und, falls möglich, auch Leistungselektronik und Motordesign positiv zu beeinflussen. Hierdurch ist es möglich, das Geräusch vielfach abzusenken oder sogar komplett aufzuheben. Andererseits haben wir eine algorithmisch optimale Art der Auswertung der Induktivitäten erarbeitet und in dynAIMx® integriert, die es uns erlaubt, die Injektion und folglich das Geräusch ohne Kompromisse hinsichtlich Dynamik (wie bei anderen Verfahren üblich) nochmals vielfach abzusenken. So genügen dynAIMx® bei guter Hardwareauslegung mit beispielsweise +-25A Strommessbereich lediglich 30mA HF-Strom, um im unteren Drehzahlbereich die Lage zu berechnen und ein Schätzsignal mit Resolver-ähnlicher Dynamik bereitzustellen.

Die Herleitung sämtlicher Niederdrehzahlverfahren der Literatur beruht auf der Annahme, dass die magnetische Anisotropie mit dem Rotorwinkel ausgerichtet ist und gleichmäßig mit ihm umläuft. Das heißt, bei Verdrehung des Rotorwinkels ergeben sich sinusförmige Veränderungen der Phaseninduktivitäten, der Anisotropie-Winkel muss schlimmstenfalls um seine lastabhängige Verschiebung (siehe Lastproblematik) korrigiert werden und kann dann als Rotorlage-Schätzsignal verwendet werden. Tatsächlich findet sich aber selbst in sinusförmig ausgelegten Maschinen ein leichtes harmonisches Verhalten der Anisotropie, welches mit zunehmendem Drehmoment stärker wird. Ungünstigerweise (für die geberlose Regelung) geht der Trend im modernen Maschinen-Design dahin, Maschinen mit Einzelzahlwicklung zu entwickeln, weil diese höhere Drehmoment- und Leistungsdichten erreichen und sich gleichzeitig kostengünstiger fertigen lassen. Ihr großer Nachteil (für die geberlose Regelung) ist, dass sie nicht ansatzweise sinusförmige Induktivitätsverläufe sondern so starke Harmonische aufweisen, dass die Anisotropie bei fortlaufender Rotordrehung stellenweise stagniert oder rückwärts läuft. Bei einem solchen Verhalten der Anisotropie ist es keinem bekannten Verfahren mehr möglich, im unteren Drehzahlbereich die Rotorlage zu berechnen, sodass diese modernen Maschinen allgemein als nicht geberlos regelbar gelten. Ein grundlegendes Problem der geberlosen Regelung ist also ihre mangelnde Generalität – dass sie nicht auf alle Maschinen anwendbar ist, sondern immer zuerst die konkrete Maschine auf ihre „Tauglichkeit“ zu prüfen ist.
Wir haben einen neuartigen Ansatz entwickelt, der das Generalitätproblem überwindet. Dieser Ansatz betrachtet die magnetische Anisotropie aus einer völlig anderen Perspektive, bei der sich für keine Maschine mehr die Zuordnungsproblematik (rückläufige Anisotropie) ergibt. Damit sind nun auch zuvor als nicht beobachtbar eingestufte Motoren geberlos regelbar, wodurch die bisherige Prüfung auf Tauglichkeit der Vergangenheit angehört.

In der Literatur werden geberlose Verfahren meist ohne Blick auf die einhergehende Rechenauslastung entwickelt und vorgeschlagen. Fast alle Verfahren benötigen eine Vielzahl von Filter-Operationen, Trigonometrie und Winkelberechnungen. Wenn jedoch aus Kostengründen auf einen Geber verzichtet werden soll, dann wären Zusatzkosten für einen größeren Prozessor ebenfalls abträglich. Idealerweise führen also geberlose Algorithmen nicht zu einer nennenswerten Zusatzbelastung des Controllers. Aus diesem Grund entwickelt Bitflux seine Algorithmen zu jeder Zeit mit Blick auf Rechenzyklen und Speicherbedarf, und strukturiert und optimiert die gesamte Bibliothek dynAIMx® hinsichtlich dieser Aspekte. So greift dynAIMx® beispielsweise nur in unverzichtbare Fällen auf aufwendige mathematische Operationen wie sqrt() oder atan2() zurück, die dann auch nur mit jeweils erforderlicher Genauigkeit implementiert wurden. Dadurch wird nur ein Bruchteil der Rechenzyklen der zugehörigen fast-math Funktionen benötigt. Darüber hinaus hat Bitflux das neue Injektionsverfahren „Square-Injection“ entwickelt, das auf einem quadratförmigen Injektionsmuster basiert. Die Intention hinter der Einführung dieses Muster war es, dass dadurch die sonst üblichen Transformationen und trigonometrischen Operationen entfallen und durch ein vorzeichenbehaftetes Vertauschen von Vektorkomponenten ersetzt werden – was bereits eine deutliche Vereinfachung darstellt. Doch überraschenderweise fallen schließlich alle Gleichungen in sich zusammen und die gesamte Anisotropieberechnung reduziert sich auf sechs Subtraktionen – ein Bruchteil des sonst üblichen Rechenaufwands Anisotropie-basierter Verfahren.