DE10005419A1

DE10005419A1 - Elektronisch kommutierter Elektromotor

Info

Publication number: DE10005419A1
Application number: DE2000105419
Authority: DE
Inventors: Thomas Weigold; Johannes Pfetzer; Guenther Riehl; Matthias Schmitz; Gerta Rocklage; Torsten Heidrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2001-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor, dessen Motorwicklungen über Treiberstufen und Leistungsschalter in Abhängigkeit von Steuersignalen einer Kommutierungssteuerung und eines vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwerts und dem Istwert des Wicklungsstromes nacheinander bestrombar sind. Mit dem Einsatz eines einzigen Stromsensors und einem besonders ausgebildeten Komparator für den Vergleich von Soll- und Istwert des Motorstromes kann die Regelung des Elektromotors mit reduziertem Steuerungsaufwand erreicht werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor, dessen Motorwicklungen über Treiberstufen und Leistungsschalter in Abhängigkeit von Steuersignalen einer Kommutierungssteuerung und eines vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwert und dem Istwert des Wicklungsstromes nacheinander be strombar sind.

Ein derartiger, regelbarer Elektromotor ist in dem Buch von Hendershot und Miller: "Design of Brushless Permanent-Magnet Motors", Verlag: Magna Physics, Seiten 2 bis 42, beschrieben. Dabei ist für jede Phase des Elektromotors ein Stromsensor vorgesehen, der sowohl von dem Erregerstrom als auch dem Frei laufstrom durchflossen wird. Daher wird in jeder Kommutierungsphase der Gesamtstrom der Phase erfasst, was sich in einem periodischen Wechsel von Strommaximum und Stromminimum auswirkt. Diese beiden Stromwerte können ausgewertet und der Kommutierungssteuerung zugeleitet werden, um den Aus schaltzeitpunkt der anstehenden Bestromung und den Einschaltzeitpunkt für die folgende Bestromungsphase festzulegen. Dafür ist aber ein entsprechender Aufwand an Stromsensor und Auswerteelektronik pro Motorwicklung des Elek tromotors erforderlich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem elektronisch kommutierten Elektromotor der eingangs erwähnten Art die Erfassung der Bestromung und die Ableitung der Ausschalt- und Einschaltzeitpunkte für die Bestromungsphasen der Kommutie rungssteuerung mit weniger Steuerungsaufwand zu erreichen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass jeder Phase eine Halb-Brückenschaltung aus einem Highside-Leistungsschalter mit parallel ge schalteter Freilaufdiode und ein Lowside-Leistungsschalter zugeordnet ist, die in Reihe an der Versorgungsspannung angeschaltet sind, wobei die Phasen an Mit telpunkte der Halb-Brückenschaltungen angeschaltet sind, dass alle Lowside- Leistungsschalter über einen einzigen Stromsensor an das zugeordnete Bezugs potential der Versorgungsspannung angeschaltet sind, und dass beim Erreichen eines dem Sollwert entsprechenden Istwertes am Stromsensor ein Komparator der Kommutierungssteuerung ein Ausschaltesignal für die anstehende Bestro mung und nach einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitdauer ein Einschalt signal für die folgende Bestromung übermittelt.

Bei dieser Auslegung ist unabhängig von der Anzahl der Motorwicklungen nur ein einziger Stromsensor mit Auswerteelektronik erforderlich, um in jeder Bestromungsphase den Strom der Phase zu erfassen. Für die Regelung reicht aus, das Erreichen eines dem Sollwert entsprechenden Istwertes zu überwa chen, um die anstehende Bestromungsphase zu beenden. Da die Stromerfassung kein Kriterium für die Einschaltung der folgenden Bestromungsphase liefert, wird eine Zeitdauer vorgegeben, die mit der Ausschaltung der anstehenden Bestro mung beginnt und nach Ablauf die Kommutierungssteuerung veranlasst, mit der folgenden Bestromungsphase zu beginnen. Dabei ist die Kommutierungsfolge mit der Ansteuerung der Motorwicklungen, die an die Motorart und Schaltungsart angepasst ist, unverändert. Der dem Sollwert entsprechende Istwert wird in einer Bestromungsphase dabei mehrfach erfasst, wenn zudem vorgesehen ist, dass während der Bestromungsphase ein Leistungsschalter im Bestromungskreis mit einer Taktfrequenz getaktet wird, die wesentlich höher ist als die Kommu tierungsfrequenz der Kommutierungssteuerung.

Die Einzelbestromungen der Bestromungsphase sind abhängig von dem vorgege benen Sollwert, so dass die Regelbedingungen erfüllt sind. Die Ein- und Ausschaltsignale, die der Kommutierungssteuerung zugeführt werden, bestim men dann den Schalttakt für den in der Bestromungsphase zu taktenden Leis tungsschalter in der Kommutierungsfolge.

Die Steuerung wird besonders einfach, wenn vorgesehen ist, dass die Zeitdauer konstant gewählt ist. Dazu genügt ein einfaches Zeitglied. Die vorgegebene oder vorgebbare Zeitdauer bietet zudem weitere Variationsmöglichkeiten im Betrieb des Elektromotors, wenn dies in Abhängigkeit vom vorgegebenen Sollwert und/ oder in Abhängigkeit von erfassten Betriebsgrößen des Elektromotors verän derbar ist.

Ist vorgesehen, dass der Elektromotor als dreiphasiger Elektromotor mit in Sternschaltung angeordneten Motorwicklungen ausgebildet ist und dass jede Motorwicklung an dem Mittelpunkt einer Halb-Brückenschaltung aus Highside- und Lowside-Leistungsschalter angeschaltet ist, oder dass er als dreiphasiger Elektromotor mit in Dreieckschaltung angeordneten Motorwicklungen ausgebil det ist und dass jede Motorwicklung an zwei verschiedenen Mittelpunkten von Halb-Brückenschaltungen aus Highside- und Lowside-Leistungsschalter ange schaltet ist, dann ist die Erfindung in einfacher Weise auf diese gängigen Motorarten anwendbar.

Die Erfindung ist selbstverständlich auch auf einen Elektromotor mit einer Phase anwendbar, der abwechselnd in unterschiedlicher Stromrichtung bestrombar ist. Dann ist lediglich vorzusehen, dass er als einphasiger Elektromotor ausgebildet ist, dessen Motorwicklung an den beiden Mittelpunkten einer Voll-Brücken schaltung von Leistungsschaltern angeschaltet ist.

In jedem Fall ist jedoch unverändert vorzusehen, dass die Kommutierungs steuerung die Reihenfolge der Bestromung und die Richtung der Bestromung der Motorwicklungen festlegt, sowie die Auswahl der Motorwicklungen in den Be stromungsphasen trifft.

Die Erfindung wird anhand von als schematische Schaltbilder dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer Steuerung mit Regelung für einen dreiphasigen Elektromotor,

Fig. 2 einen dreiphasigen Elektromotor mit Sternschaltung der Motor wicklungen,

Fig. 3 einen dreiphasigen Elektromotor mit Dreieckschaltung der Mo torwicklungen,

Fig. 4a den Stromfluss bei einem Elektromotor nach Fig. 2 bei einer Bestromungsphase mit angesteuerten Leistungsschaltern S1 und S6,

Fig. 4b den Stromfluss bei einem Elektromotor nach Fig. 2 in einer Bestromungsphase nach Fig. 4a, jedoch nicht angesteuertem (getaktetem) Leistungsschalter S6 (Freilauf),

Fig. 5 das Stromdiagramm für den Schaltzustand nach Fig. 4a,

Fig. 6 das Stromdiagramm für den Schaltzustand nach Fig. 4b und der vorgegebenen Zeitdauer zur Einschaltung der folgenden Bestro mungsphase,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel für einen Komparator, der in Abhängigkeit von Soll- und Istwert des Motorstromes die Aus- und Einschalt signale für die Kommutierungssteuerung liefert und

Fig. 8 die Ansteuerung eines Einphasenmotors.

In dem Prinzipschaltbild nach Fig. 1 sind die Leistungsschalter S1 bis S6 als mechanische Schalter dargestellt, obwohl sie in der Praxis auch als Halbleiter- Leistungsschalter ausgebildet sein können und durch N-Kanal-MOS-FET's reali siert sein können und denen jeweils eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist.

Zur Steuerung der Leistungsschalter S1 bis S6 in einer Kommutierungsreihen folge ist eine Kommutierungssteuerung 7 verwendet, die über Treiberstufen 9 mit Steuersignalen 8 die Leistungsschalter S1 bis S6 in den leitenden Zustand steuert. Dabei werden in der Kommutierungssteuerung 7 in Bestromungsphasen = Kommutierungsphasen die anzusteuernden Leistungsschalter und die Strom richtung in den an die Phasenausgänge P1, P2 und P3 angeschalteten Motor wicklungen des Elektromotors ausgewählt und festgelegt. Jeder Phase P1 bis P3 ist eine Halb-Brückenschaltung aus einem Highside-Leistungsschalter S1, S3 bzw. S5 und einem in Reihe geschalteten Lowside-Leistungsschalter S4, S6 bzw. S2 zugeordnet, die an die Versorgungsspannung V+, V- angeschaltet sind, wobei in der Zuleitung zum Bezugspotential V- ein einziger Stromsensor 1 einbezogen ist, dem über den Eingang 10 in der Bestromungsphase der fließende Motorstrom im zugeführt wird. Der Stromsensor 1 liefert ein Ausgangssignal 2 entsprechender Größe an einen Komparator 3, der dieses mit einem vorgegebe nen Sollwert Vsoll vergleicht. Der Sollwert Vsoll wird über ein Filter 5 als Signal 4 dem Komparator 3 zugeführt, dessen Ausgangssignale 6 die Kommutierungs steuerung 7 davon in Kenntnis setzen, ob der Istwert = Signal 2 dem vorge gebenen Sollwert = Signal 4 entspricht.

Die für drei Phasen P1, P2 und P3 ausgelegte Steuerung nach Fig. 1 kann einen Elektromotor mit drei Motorwicklungen L1, L2 und L3 in Sternschaltung nach Fig. 2 oder in Dreieckschaltung nach Fig. 3 steuern.

Der Steuerungsablauf in einer Bestromungsphase wird anhand der Fig. 4a und 4b näher erläutert, wobei bei angesteuerten Leistungsschaltern S1 und S6 die Motorwicklungen L1 und L2 bestromt werden. Dabei ist die Stromrichtung in der Motorwicklung L2 entgegengesetzt zur Stromrichtung in der Motorwicklung L1, wie der in Fig. 4a eingezeichneten Ströme iL1 und iL2 erkennen lassen. Wie am Leistungsschalter S4 der Fig. 4a und den Leistungsschaltern S4 und S6 der Fig. 4b angedeutet ist, sind allen Leistungsschaltern S1 bis S6 Freilaufdioden parallel geschaltet. Der Strom im fließt auch über den Widerstand R zum Bezugspotential V- der Versorgungsspannung.

Während der anstehenden Bestromungsphase wird der Leistungsschalter S6 ge taktet, wobei die Taktfrequenz wesentlich höher ist als die Kommutierungs frequenz, d. h. der Leistungsschalter S6 wird solange der Leistungsschalter S1 geschlossen ist, periodisch geöffnet und wieder geschlossen, wobei die Kommutierungssteuerung 7 das dem Leistungsschalter S6 zugeordnete Steuersignal 8 die entsprechende Ansteuerung übernimmt.

Ist der Leistungsschalter S6 offen, dann fließt entsprechend der Fig. 4b ein Freilaufstrom if durch die beiden, den Leistungsschaltern S4 und S6 zugeord neten Freilaufdioden und den Motorwicklungen L1 und L2 jeweils in umgekehrter Stromrichtung, jedoch nicht über den Stromsensor, der einen Messwiderstand R umfasst.

In Fig. 5 ist das Stromdiagramm wiedergegeben, das zeigt, dass der Motorstrom im mit dem Freilaufstrom if in der Bestromungsphase stetig abwechseln. Dabei ist am Stromsensor ein aus Motorstrom im und Freilaufstrom if zusammenge setzter Gesamtstrom ig mit Maximalwert imax und Minimalwert imin, wie beim Stand der Technik, nicht gegeben, sondern lediglich der Motorstrom im ableit bar. Bei der bekannten Steuerung wird der Maximalwert imax zur Beendigung der Einschaltphase des Leistungsschalters S6 und der Minimalwert imin zur Wiedereinschaltung desselben verwendet. Dabei ändern sich diese Werte selbst verständlich in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Sollwert.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerung steht über den Stromsensor am Kompara tor 3 nur der Motorstrom im zur Verfügung. Ist der dem vorgegebenen Sollwert Vsoll entsprechende Istwert im erreicht, dann kann über die Abschaltung des Signals 6 die Bestromung abgeschaltet werden. Wie Fig. 6 zeigt, setzt dann der Freilaufstrom if nach Fig. 4b ein. Nach einer von dem Komparator 3 vorgegebe nen Zeitdauer ta setzt das Signal 6 wieder ein und veranlasst über die Kommutierungssteuerung 7 die Wiedereinschaltung des Leistungsschalters S6. Der Freilaufstrom if wird abgeschaltet und der Motorstrom im setzt wieder ein. Die Gesamtzeit ta + te ist durch die Periodendauer der Taktfrequenz bestimmt. Die Dauer te der Bestromungsimpulse ändert sich in Abhängigkeit vom vorgegebe nen Sollwert Vsoll und ist um so größer, desto höher der Sollwert Vsoll ist. Dies ist dadurch bedingt, dass der dem Sollwert Vsoll entsprechende Motorstrom im mehr oder weniger schnell erreicht wird. Die Zeitdauer ta kann konstant oder variabel gewählt werden, wobei die Veränderung auch in Abhängigkeit des Soll wertes Vsoll oder von anderen, erfassten Betriebsgrößen des Elektromotors vor genommen werden kann.

In Fig. 7 ist die Erfassung des Motorstromes und der Vergleich mit dem Sollwert Vsoll an einem Ausführungsbeispiel des Komparators 3 in Einzelheiten erläutert. Der Spannungsabfall an einen Messwiderstand R stellt den erfassten Istwert des Motorstromes im dar, der vor dem Zuführen zum Komparator 3 über einen Ope rationsverstärker VR verstärkt wird und als Signal 2 einem Operationsverstärker des Komparators 3 zugeführt wird, der das Signal 2 mit dem über ein Filter 5 zugeführten Signal 4 als Sollwert Vsoll vergleicht. Übersteigt das Signal 2 den Wert des Signals 4, dann gibt der Komparator 3 das Signal 6 an die Kommutie rungssteuerung 7. Fällt nach dem Abschalten der Bestromungsphase der Motor strom im weg, dann wird der Komparator 3 das Signal 6 verzögert abschalten. Die Zeitdauer ta dieser Verzögerung wird durch ein Zeitgleid ZG mit Widerstand Ra und Kondensator Ca festgelegt, die im Komparator 3 als Rückkopplung ge schaltet sind und das Signal 6 entsprechend verzögert abschalten. Am Abschal ten des Signals 8 erkennt die Kommutierungssteuerung 7 das Ende der vorgegebenen Zeitdauer ta und veranlasst über die Ansteuerung des Leistungsschalters S6 wieder die Bestromung der Motorwicklungen L1 und L2. Dieser Vorgang wie derholt sich solange, bis die Kommutierungsphase für die Motorwicklungen L1 und L2 beendet ist. Entsprechende Schaltvorgänge laufen in allen Kommutie rungsphasen der Kommutierungssteuerung mit den zugeordneten Leistungs schaltern und Motorwicklungen ab, bis der Kommutierungszyklus durchlaufen ist und sich wiederholt.

Wie Fig. 8 zeigt, kann die Steuerung auch bei einem Einphasen-Elektromotor mit wechselnder Stromrichtung in der einzigen Motorwicklung L1 ausgeführt wer den. Dazu ist allerdings eine Voll-Brückenschaltung aus vier Leistungsschaltern S1 bis S4 erforderlich. Die Motorwicklung L1 ist dann an die beiden Mittelpunkte der Halb-Brückenschaltungen S1 und S4 bzw. S3 und S2 angeschaltet. Die Kommutierungssteuerung 7 steuert abwechselnd die Paare von Leistungsschal ter S1 und S2 bzw. S3 und S4, wobei in den Paaren jeweils einer S1 oder S2 bzw. S3 oder S4 mit der Taktfrequenz getaktet wird.

Claims

1. Elektronisch kommutierter Elektromotor, dessen Motorwicklungen über Treiberstufen und Leistungsschalter in Abhängigkeit von Steuersignalen einer Kommutierungssteuerung und eines vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwert und dem Istwert des Wicklungsstromes nacheinander bestrombar sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Phase (P1, P2, P3) eine Halb-Brückenschaltung aus einem Highside-Leistungsschalter (S1, S3, S5) mit parallel geschalteter Frei laufdiode und ein Lowside-Leistungsschalter (S2, S4, S6) zugeordnet ist, die in Reihe an der Versorgungsspannung angeschaltet sind, wobei die Phasen (P1, P2, P3) an Mittelpunkte der Halb-Brückenschaltungen ange schaltet sind,
dass alle Lowside-Leistungsschalter (S2, S4, S6) über einen einzigen Stromsensor (1, R) an das zugeordnete Bezugspotential (V-) der Ver sorgungsspannung (V+) angeschaltet sind, und
dass beim Erreichen eines dem Sollwert (Vsoll) entsprechenden Istwertes am Stromsensor (1, R) ein Komparator (3) der Kommutierungssteuerung (7) ein Ausschaltesignal für die anstehende Bestromung und nach einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitdauer (ta) ein Einschaltsignal für die folgende Bestromung übermittelt.

2. Elektronisch kommutierter Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (ta) konstant gewählt ist.

3. Elektronisch kommutierter Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (ta) in Abhängigkeit des Sollwertes (Vsoll) gewählt ist.

4. Elektronisch kommutierter Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (ta) in Abhängigkeit von erfassten Betriebsgrößen des Elektromotors veränderbar ist.

5. Elektronisch kommutierter Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bestromungsphase ein Leistungsschalter (z. B. S1 oder S6) im Bestromungskreis mit einer Taktfrequenz getaktet wird, die we sentlich höher ist als die Kommutierungsfrequenz der Kommutierungs steuerung (7).

6. Elektronisch kommutierter Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass er als dreiphasiger Elektromotor mit in Sternschaltung angeordneten Motorwicklungen (L1, L2, L3) ausgebildet ist und
dass jede Motorwicklung (L1, L2, L3) an dem Mittelpunkt einer Halb- Brückenschaltung aus Highside- und Lowside-Leistungsschalter (S1, S6; S3, S4; S5, S2) angeschaltet ist (Fig. 2).

7. Elektronisch kommutierter Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass er als dreiphasiger Elektromotor mit in Dreieckschaltung ange ordenten Motorwicklungen (L1, L2, L3) ausgebildet ist und
dass jede Motorwicklung (L1, L2, L3) an zwei verschiedenen Mittel punkten von Halb-Brückenschaltungen aus Highside- und Lowside-Leis tungsschalter (S1, S4 und S3, S6; S3, S6 und S5, S2; S5, S2 und S1, S4) angeschaltet ist (Fig. 3).

8. Elektronisch kommutierter Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er als einphasiger Elektromotor ausgebildet ist, dessen Motor wicklung (L1) an den beiden Mittelpunkten einer Voll-Brückenschaltung von Leistungsschaltern (S1, S2, S3, S4) angeschaltet ist (Fig. 8).

9. Elektronisch kommutierter Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungssteuerung (7) die Reihenfolge der Bestromung und die Richtung der Bestromung der Motorwicklungen (L1, L2, L3) fest legt, sowie die Auswahl der Motorwicklungen (L1, L2, L3) in den Bestro mungsphasen (= Kommutierungsphasen) trifft.