DE10012084A1

DE10012084A1 - Operating electronically commutated DC motor e.g for centrifugal pump in heating or cooling system, by varying frequency of pulse-width modulated signal based on temperature

Info

Publication number: DE10012084A1
Application number: DE10012084A
Authority: DE
Inventors: Waldemar Stephan
Original assignee: Wilo GmbH
Current assignee: Wilo SE
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2001-09-20

Abstract

Power circuitry generates pulse-width modulated signals, with the frequency of a pulse supplied to a stator winding also being variable. A temperature is measured at the motor and/or at a power component. The frequency of the width-modulated pulse is set based on the measured temperature. At normal operating temperatures, a sinusoidal current is generated in the winding by modulation of the pulse width at a fixed frequency.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen kommutierten Gleichstrommotors insbesondere zum Antrieb einer Kreiselpumpe, der zur Erzeugung pulsweitenmodulierter (PWM) Signale eine Leistungselektronik aufweist, mit der neben der Weite auch die Frequenz der einer Statorwicklung zugeführten Pulse veränderbar ist.The present invention relates to a method of operation of an electronic commutated direct current motor in particular for driving a centrifugal pump, which for Generation of pulse width modulated (PWM) signals Power electronics, with the addition to the width also the frequency of the pulses supplied to a stator winding is changeable.

Derartige sogenannte bürstenlosen ("brushless") Gleichstrom ("DC")-Motoren gewinnen parallel mit der Entwicklung billiger und zuverlässiger Leistungshalbleiterelemente an Bedeutung. Bei diesen Motoren erfolgt die Kommutierung der Spannung nicht wie bislang durch Bürstenkontakte sondern über das gezielte Schalten von Leistungshalbleitern. Solche brushless DC-Motoren werden neben vielen anderen Einsatzgebieten in letzter Zeit auch zum Antrieb von Kreiselpumpen verwendet.Such a so-called brushless direct current ("DC") - Motors win cheaper in parallel with the development and reliable power semiconductor elements in importance. With these motors, the voltage is commutated not as previously through brush contacts, but via that targeted switching of power semiconductors. Such brushless DC motors are used in many other areas recently also used to drive centrifugal pumps.

Problematisch bei den bekannten Motoren ist, daß durch die zahlreichen Schaltvorgänge zwischen den PWM-Pulsen große Leistungsverluste verursacht werden. Diese Schaltverluste entstehen durch das langsame Abklingen des Stromes in den Leitungen und vorallem in den Wicklungen. Dabei wird die Zahl der Schaltvorgänge um so größer, je besser die Motorspannung an eine Wechselspannung mit weichen Übergängen, z. B. eine Sinusspannung, angepaßt wird. Eine solche Sinusspannung ist zu bevorzugen, da mit dem harmonischen Spannungsverlauf die Motorgeräusche reduziert werden. Allerdings führen die dabei entstehenden Schaltverluste zu einer starken Erwärmung des Motors oder der Schaltelektronik, so daß diese Komponenten Schaden nehmen können, wobei ein Totalausfall nicht ausgeschlossen ist. Die Ansteuerung des Motors über eine sogenannte Blockansteuerung, bei der verhältnismäßig wenige Schaltvorgänge stattfinden, hat den Nachteil einer starken Geräuscherzeugung.The problem with the known motors is that numerous switching operations between the PWM pulses large Performance losses are caused. These switching losses arise from the slow decay of the current in the Lines and especially in the windings. The number the greater the voltage, the better the motor voltage to an AC voltage with smooth transitions, e.g. Legs Sinusoidal voltage, is adjusted. Such is a sine voltage to be preferred because with the harmonic voltage curve the Engine noise can be reduced. However, they lead resulting switching losses to a strong heating of the Motors or the switching electronics, so that these components Can take damage, but not a total failure is excluded. The control of the motor via a so-called block control, in which relatively few Switching operations take place has the disadvantage of a strong one Noise generation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb von elektronischen kommutierten Gleichstrommotoren, insbesondere zum Antrieb von Kreiselpumpen zu schaffen, das es auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht, unter Optimierung der Laufruhe die Schaltverluste zu minimieren und damit eine hohe Betriebssicherheit des Motors zu gewährleisten.The object of the present invention is to provide a method for Operation of electronic commutated direct current motors, especially to drive centrifugal pumps to create the it allows in a simple and inexpensive way Optimizing the smoothness to minimize the switching losses and thus high operational reliability of the engine guarantee.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved with a method according to claim 1 solved.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, daß die Temperatur der empfindlichen Bauteile überwacht wird und insbesondere beim Anstieg der Temperatur eine Betriebsart mit geringerer Pulsfrequenz gewählt wird, die wegen der entsprechend geringeren Schaltverluste weniger die Bauteile belastende Abwärme erzeugt. Dabei wird eine vorübergehend stärkere Geräuscherzeugung hingenommen. Bei einem Sinken der Temperatur wird dann wieder auf die komfortablere leisere Betriebsart umgeschaltet. Das Verfahren wird so durchgeführt, daß am Motor und/oder am Leistungsteil eine Temperatur, insbesondere vermittels eines dort angebrachten Sensors, gemessen wird und daß die Frequenz der in ihrer Weite modulierbaren Pulse in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur vorgegeben wird. Die Verarbeitung der vom Sensor kommenden Temperatursignale übernimmt der für die Modulation der Pulsweite eingesetzte Mikroprozessor.The basic idea of the invention is that the Temperature of the sensitive components is monitored and an operating mode especially when the temperature rises lower pulse frequency is chosen because of the correspondingly lower switching losses, fewer components creates polluting waste heat. Doing so will be temporary Accepted stronger noise generation. If the Temperature will then return to the more comfortable quieter Operating mode switched. The procedure is carried out that a temperature on the motor and / or on the power unit, in particular by means of a sensor attached there, is measured and that the frequency in its breadth modulatable pulses depending on the measured Temperature is specified. Processing of the sensor coming temperature signals take over for the modulation the pulse width used microprocessor.

Die Vorteile der Erfindung liegen auf der Hand. So ist es mit dem Verfahren möglich, die Verlustleistung im Hinblick auf die Empfindlichkeit einzelner Bauteile zu beeinflussen. Der Motor paßt sich dabei bezüglich der Temperatur selbständig an die Gegebenheiten an. Mit diesem besonders einfach und kostengünstig zu realisierenden Verfahren läßt sich die Zuverlässigkeit des Motors drastisch erhöhen. Zudem zeichnet sich das Verfahren durch eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb aus. Es läßt sich mit den ohnehin in der Regelelektronik des Motors vorhandenen Komponenten bewerkstelligen und trägt somit zu einer Kostenreduzierung bei der Herstellung des Motors bei. Ein besonderer Vorteil ist, daß es sich flexibel bei vielen verschiedenen Motortypen einsetzen läßt.The advantages of the invention are obvious. So it is with possible with regard to the power loss process to influence the sensitivity of individual components. The The motor adjusts itself independently with regard to the temperature the circumstances. With this particularly simple and The process can be implemented cost-effectively Engine reliability drastically increased. Also draws the process is characterized by high reliability in operation out. It can be used with the control electronics anyway Engine manage existing components and carries thus to a cost reduction in the manufacture of the Motors at. A particular advantage is that it is flexible can be used with many different engine types.

Besonders vorteilhaft lassen sich Kreiselpumpen, deren Elektromotor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert wird, im Kühlsystem von Kraftfahrzeugen einsetzen. Gerade in diesem Einsatzgebiet spielen die möglichen Laufgeräusche eine untergeordnete Rolle, während die Wärmebelastung für die Bauteile mitunter besonders hoch sein kann. Zudem ist hier die Zuverlässigkeit der Pumpe von hervorragender Bedeutung, da ihr Ausfall zur Zerstörung des Kraftfahrzeugmotor und zu einer erheblichen Gefährdung der Fahrzeuginsassen führen kann. Centrifugal pumps, their Electric motor controlled with the inventive method will be used in the cooling system of motor vehicles. Currently at The possible running noises play into this area of application subordinate role, while the heat load for the Components can sometimes be particularly high. In addition, here is the reliability of the pump is of paramount importance, since their failure to destroy the motor vehicle engine and too lead to a considerable danger to the vehicle occupants can.

Die Ansteuerung des Motors erfolgt vorteilhafterweise derart, daß eine Temperatur gemessen wird und im Falle einer normalen Betriebstemperatur in den Wicklungen ein nahezu sinusförmiger Stromverlauf durch Modulation der Pulsweite bei fester Frequenz erzeugt wird. Dieser Betriebsmodus erzeugt die geringsten Laufgeräusche und bietet damit dem Nutzer den größt möglichen Komfort. Sollte die Temperatur beispielsweise wegen der steigenden Belastung des Motors oder wegen eines Problems bei der Kühlung steigen, so wird erfindungsgemäß die Frequenz der Pulse reduziert. Die idealerweise sinusförmige Spannung wird nunmehr durch weniger aber dennoch in ihrer Weite modulierte Pulse angenähert, so daß der harmonische Verlauf lediglich grob angenähert wird. Wegen der abrupten Sprünge im Spannungsverlauf nimmt die Geräuschentwicklung zu.The motor is advantageously controlled in such a way that a temperature is measured and in the case of a normal one Operating temperature in the windings is almost sinusoidal Current curve by modulating the pulse width at a fixed Frequency is generated. This operating mode generates the lowest running noise and thus offers the user the greatest possible comfort. For example, should the temperature because of the increasing load on the engine or because of a Problems with cooling increase, so according to the invention Frequency of the pulses reduced. The ideally sinusoidal Now there is less but less tension in it Wide modulated pulses approximated so that the harmonic Course is roughly approximated. Because of the abrupt The development of noise increases during voltage jumps.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Steuerung eine Maximaltemperatur vorgegeben. Diese Maximaltemperatur liegt etwas unterhalb der höchst möglichen Belastung für die Bauteile. Sie wird bestimmt durch die Empfindlichkeit der Isolation der Wicklungen oder der elektronischen Komponenten. Liegt die maximale Belastung bei etwa 140°C so wird die Maximaltemperatur auf etwa 120° festgelegt. Bei Erreichen der Maximaltemperatur wird der Motor dann in der Betriebsart angesteuert, durch die die geringsten Schaltverluste erzeugt werden. Diese Betriebsart ist eine Blockansteuerung, bei der von den Leistungshalbleitern lediglich einzelne Treiberpulse auf die Wicklungen geschaltet werden, wobei ein Treiberpuls für die Dauer einer Halbwelle Strom in einer Wicklung generiert. Im einfachsten Falle wird zur Generation der Treiberpulse lediglich die Eingangsspannung für kurze Zeiten durchgeschaltet. Diese Betriebsart erzeugt wegen des Minimums an Schaltvorgängen die geringsten Schaltverluste. Allerdings werden durch die starken Beschleunigungen des Rotors starke Laufgeräusche erzeugt. Der Motor fängt mit der Frequenz der Signale an zu brummen. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Spannung der Treiberpulse verändert werden, so daß verschiedene Leistungsstufen einstellbar sind. Mit dieser Möglichkeit kann die Erzeugung der Abwärme weiter reduziert werden.In an advantageous embodiment, the controller a maximum temperature is specified. This maximum temperature is slightly below the highest possible burden for the Components. It is determined by the sensitivity of the Isolation of the windings or the electronic components. If the maximum load is around 140 ° C, the Maximum temperature set at about 120 °. Upon reaching the The maximum temperature is then in the operating mode controlled by which the lowest switching losses are generated become. This operating mode is a block control in which only single driver pulses of the power semiconductors are switched to the windings, with a driver pulse for the duration of a half-wave of current in a winding generated. In the simplest case, the generation of Driver pulses only the input voltage for short times switched through. This mode of operation creates because of the minimum the lowest switching losses on switching operations. Indeed become strong due to the strong accelerations of the rotor Running noise generated. The motor starts at the frequency of the Signals to hum. In an advantageous embodiment the voltage of the driver pulses can be changed so that different power levels can be set. With this Possibility can further reduce the generation of waste heat become.

Vorteilhafter Weise setzt die Ansteuerung des Motors mit den Treiberpulsen nach einem Überschreiten der Maximaltemperatur bis zur Abkühlung auf oder unter die Maximaltemperatur aus. Dabei wird der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen erhöht und somit die Frequenz stark reduziert. Der Motor schaltet jedoch nicht vollständig ab, wie es bislang bei den bekannten Temperaturüberwachungen geschah. Statt dessen wird der Motor in einen temperaturkontrollierten Schrittbetrieb überführt, bei dem eine Vollkreisdrehung des Rotors von einer Abfolge unterscheidbarer Einzelschritte gebildet wird. Ein derartiger Schritt wird durch einen Treiberpuls generiert und zeichnet sich im Extremfall dadurch aus, daß der Rotor vom Stillstand beschleunigt und vor dem nächsten durch einen Treiberpuls generierten Schritt vollständig abgebremst wird. Zwischen den Schritten wird die Temperatur gemessen. Der nächste Einzelschritt wird somit erst nach Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur zugelassen.Advantageously, the control of the motor with the Driver pulses after the maximum temperature has been exceeded until cooling to or below the maximum temperature. The time interval between the pulses is increased and thus greatly reduced the frequency. The engine switches but not completely, as has been the case with the known Temperature monitoring happened. Instead, the engine transferred to a temperature-controlled step operation, where a full circle rotation of the rotor from a sequence distinguishable individual steps is formed. Such one Step is generated and drawn by a driver pulse in extreme cases, that the rotor from standstill accelerated and before the next by a driver pulse generated step is completely slowed down. Between The temperature is measured in steps. The next A single step is therefore only after falling below one specified temperature.

Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erklärt.A special embodiment of the invention The method is described in more detail below with reference to the drawings explained.

Die Figur zeigt drei unterschiedliche Arten der Ansteuerung. Es ist jeweils der zeitliche Verlauf t der an eine Wicklung zu legenden Spannung U gezeigt. In der Darstellung a) wird die klassische Pulsweitenmodulation gezeigt, bei der durch in ihrer Weite 1 veränderte Pulse 2 durch Mittelung der Spannung die Halbwelle 3 einer Sinusspannung erzeugen. Nach der Umkehrung des Vorzeichens der Spannung U wird ebenfalls durch Variation der Pulsweite die entsprechend negative Halbwelle der Sinusspannung erzeugt. In diesem Beispiel wird eine Halbwelle (symbolisch) durch fünf unterschiedlich lange Pulse 2 angenähert. Diese Betriebsart a) erzeugt die geringsten Laufgeräusche geht jedoch mit der höchsten Abwärme einher. Sie wird bei normaler Betriebstemperatur des Motors und der Elektronik eingesetzt.The figure shows three different types of control. The time course t of the voltage U to be applied to a winding is shown in each case. The representation a) shows the classic pulse width modulation, in which pulses 2, which have a width 1 , generate the half-wave 3 of a sine voltage by averaging the voltage. After reversing the sign of the voltage U, the corresponding negative half-wave of the sine voltage is also generated by varying the pulse width. In this example, a half-wave (symbolically) is approximated by five differently long pulses 2 . This operating mode a) generates the lowest running noise but is associated with the highest waste heat. It is used at the normal operating temperature of the engine and electronics.

Nachdem durch Messung festgestellt wurde, daß die Temperatur steigt, wird die Betriebsart auf eine Ansteuerung nach b) gewechselt. Dabei wird die Frequenz der Pulse 2 reduziert. In diesem Beispiel wird die an die Wicklungen zu legende Spannung 4 nur noch durch drei Pulse 2 variierender Länge generiert. Deutlich zu erkennen ist, daß der Spannungsverlauf wesentlich "eckiger" ist und damit entsprechend stärkere Laufgeräusche erzeugt.After it has been determined by measurement that the temperature is rising, the operating mode is switched to a control according to b). The frequency of the pulses 2 is reduced. In this example, the voltage 4 to be applied to the windings is only generated by three pulses 2 of varying length. It can be clearly seen that the voltage curve is much more "angular" and thus generates correspondingly stronger running noises.

Steigt die gemessene Temperatur gegen die Maximaltemperatur, so wird auf die Betriebsart mit einzelnen Treiberpulsen 5 umgestellt (Blocksansteuerung). Innerhalb eines Phasenwinkels von 180° - einer Halbwelle - wird von der Elektronik ein Puls 5 an eine Wicklung gelegt. Dabei sind die Treiberpulse 5 im Vergleich zu den Pulsen 2 vergleichsweise lang und nehmen etwa einen Phasenwinkel von 70° ein. Die Treiberpulse 5 sind in ihrer Spannung Höhe U variierbar. Bei einem kontrollierten Schrittbetrieb wird im Intervall 6 zwischen den Pulsen 5 die Temperatur gemessen und über die Generation des nächsten Pulses 5' entschieden.If the measured temperature rises against the maximum temperature, the operating mode with individual driver pulses 5 is switched over (block control). Within a phase angle of 180 ° - a half wave - the electronics apply a pulse 5 to a winding. The driver pulses 5 are comparatively long in comparison to the pulses 2 and take about a phase angle of 70 °. The driver pulses 5 can be varied in their voltage level U. In a controlled step operation, the temperature is measured in the interval 6 between the pulses 5 and a decision is made about the generation of the next pulse 5 '.

Claims

1. A method for operating an electronic commutated DC motor with power electronics that generates pulse-width modulated (PWM) signals, wherein in addition to the width, the frequency of the pulses supplied to a stator winding can be changed, characterized in that a temperature is measured on the motor and / or on the power unit and that the frequency of the pulses that can be modulated in width is specified as a function of the measured temperature.

2. The method according to claim 1, characterized in that at normal Operating temperature by modulating the pulse width fixed frequency an almost sinusoidal current curve is generated in the windings.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that with increasing Temperature the frequency of the pulses is reduced.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a Maximum temperature is specified.

5. The method according to claim 4, characterized in that when the Maximum temperature of the motor in a block control is operated with individual driver pulses, a Driver pulse for the duration of a half-wave current in a winding generated.

6. The method according to claim 5, characterized in that after a If the maximum temperature is exceeded, the control suspends until after cooling Maximum temperature is reached or fallen below.

7. The method according to claim 5 or 6, characterized by a controlled Step operation, in which a full circle rotation of the rotor from a sequence of distinguishable individual steps is formed, the rotor being driven by a driver pulse is accelerated and before the next driver pulse is braked.

8. The method according to claim 7, characterized in that in one temperature controlled step operation before each Single step the temperature is measured.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that with the engine a centrifugal pump of a heating or cooling system is operated.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measured Temperature assigned to one of the switching electronics Microprocessor is fed to the frequency of the Signals regulates.