DE10132837A1

DE10132837A1 - Motor mit elektronischer Kommutierung

Info

Publication number: DE10132837A1
Application number: DE10132837A
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Laurent
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Johnson Controls Automotive Electronics SAS
Priority date: 2000-07-17
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2002-01-31
Also published as: JP2002112569A; US20020008489A1; JP5129908B2; FR2811824B1; ITMI20011470A1; US6580235B2; FR2811824A1; ITMI20011470A0

Abstract

Motor mit elektronischer Kommutierung und einer Statorrotorgruppe (10, 12), die mit dreiphasigen Antriebswicklungen (12) versehen ist, und weiterhin mit einer Reihe von Unterbrechern (20, 22) zum Versorgen der Wicklungen sowie Steuereinrichtungen (26, 28, 32), die die Geschwindigkeit des Motors auf eine Sollgeschwindigkeit (V¶c¶) regeln können, welche Steuereinrichtungen (26, 28, 32) Einrichtungen (18, 26, 28) zum Überwachen der Relativgeschwindigkeit des Stators (12) und des Rotors (10) sowie Steuereinrichtungen für die Öffnungen und Schließungen jedes Unterbrechers (20, 22) nach Maßgabe einer Abfolge einschließen, die wiederholt wird und die so gewählt ist, daß die Antriebswicklungen in Abhängigkeit von Signalen (V¶c¶, V¶m¶) versorgt werden, die von den Einrichtungen (18, 26, 28) zum Überwachen der Geschwindigkeit kommen, welche Abfolge eine Folge von Öffnungs- und Schließimpulsen mit einem zyklischen Impulspauseverhältnis einschließt, das von der Überwachung der Geschwindigkeit abhängt. Die Steuereinrichtungen sind so ausgebildet, daß sie in Abhängigkeit von den Signalen, die von den Einrichtungen (18, 26, 28) zum Überwachen kommen, zwei Steuerarten der Unterbrecher (20, 22) einrichten, wobei die Steuerabfolge der Unterbrecher nach der zweiten Art Schließungen der Unterbrecher, die die Schließungen der Unterbrecher des vorhergehenden Betriebes in der ersten Art sowie eine Schließung oder eine Folge von Schließimpulsen in Phasenvoreilung einschließen, die direkt von ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Motor mit elektronischer Kommutierung, der auch als bürstenloser Motor bezeichnet wird und für Anwendungsformen bestimmt ist, die sowohl eine hohe Leistungsfähigkeit als auch geringe Kosten fordern. Ein derartiger Motor wird insbesondere aber nicht ausschließlich auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge dazu benutzt, die Versor gungspumpen von Servomotoren oder Stellgliedern mit einem stark variablen Durchsatz an hydraulischem Fluid unter Druck anzutreiben.

In Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung ist ein Beispiel eines Motors mit elektronischer Kommutierung dargestellt, der in herkömmlicher Weise aufgebaut ist. Wie es in Fig. 1 dargestellt ist umfaßt dieser Motor einen Rotor 10 mit Per manentmagneten und einen Stator, der drei Wicklungen 12 und Positionssensoren 18 trägt. Ein Steuermodul mit drei Zweigen bildet Unterbrecherbrücken, die es erlauben, die Wicklungen 12 von einer Gleichstromquelle 16 aus zu versorgen. Jeder Zweig umfaßt zwei in Reihe geschaltete Unterbrecher 20 und 22, wobei die verschiedenen Zweige zwischen der Stromquelle 16 und Masse angeordnet sind. Jeder Unterbrecher ist seiner seits parallel zu einer Freilaufdiode 24 geschaltet.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung umfaßt weiterhin ein Subtrahierglied 26, das an einem Eingang ein numerisches Signal V_C, das den Sollwert der Geschwindigkeit angibt, und am anderen Eingang ein numerisches Signal V_m empfängt, das die Geschwindigkeit des Rotors 10 wiedergibt. Dieses Signal V_m wird über einen Rechner 28 gebildet, der die Ausgangssignale der Positionssensoren 18 empfängt.

Der Rechner 28 ist so ausgebildet, daß er an seinem Ausgang 30 ein numerisches Signal liefert, das das zyklische Impulspausenverhältnis oder Öffnungsverhältnis der periodi schen Spannungsimpulse wiedergibt, die den Wicklungen 12 während der aufeinanderfolgenden Aktivierungszeitintervalle geliefert werden. Dieses Signal wird aus einem Fehlersignal εv gebildet, das vom Subtrahierglied 26 kommt. Eine Steuer schaltung 32 für die Leistungsunterbrecher 20 und 22 bildet die Schließsignale für die Unterbrecher aus dem Wert des zylklischen Impulspauseverhältnisses, den Signalen, die von den Sensoren 18 kommen und die Position des Rotors wiederge ben, und aus einem Synchron- und Frequenzsteuersignal 34.

Es sind bereits verschiedene Arten des Betriebs einer derartigen Schaltungsanordnung, insbesondere die 120° und die 180° genannten Betriebsarten bekannt.

Bei der 120° genannten Betriebsart versorgt der Modul nacheinander jede Phase des Motors mit periodischen Span nungsimpulsen, die ein zyklisches Impulspausenverhältnis haben, das variabel ist, um für eine Regelung der Geschwin digkeit ohne zeitliche Überlappung der Versorgungsperioden der verschiedenen Phasen zu sorgen, wobei zwei Perioden, während denen dieselbe Phase in der einen und dann in der anderen Richtung versorgt wird, durch eine Periode getrennt sind, während der die besagte Phase nicht versorgt wird.

Diese Art der Versorgung hat den Vorteil einer höheren Leistungsfähigkeit. Ein hohes Moment kann jedoch nur für eine niedrige Geschwindigkeit erhalten werden. Die 120°-Steuerung liefert in der Tat eher eine Moment/Geschwindig keits-Charakteristik mit konstantem Moment, während es wün schenswert wäre, eine Charakteristik zu erzielen, die einer Arbeit mit konstanter Leistung ähnelt.

Wenn einmal ein zyklisches Verhältnis von 100% er zielt ist, kann eine Erhöhung des Moments nur durch eine Erhöhung der Stromstärke erzielt werden, was seinerseits auf einen Wert begrenzt ist, der mit den Laufeigenschaften des Motors kompatibel ist.

Bei Anwendungsformen, die einen höheren Wert des Mo mentes bei großen Drehgeschwindigkeiten benötigen, wird die unter der Bezeichnung 180° bekannte Art der Steuerung ver wandt. Bei dieser Art der Steuerung sind die Aktivierungspe rioden jedes Unterbrechers derart gewählt, daß die drei Pha sen gleichzeitig versorgt werden, wobei jede Phase immer in der einen oder in der anderen Richtung versorgt wird. Dazu wird bei der 180°-Steuerung die Periode der Nichtversorgung aufgefüllt, die bei den Versorgungen nach der 120°-Steuerart vorhanden ist.

Die 180°-Steuerung zeigt jedoch eine geringere Lei stungsfähigkeit bei niedriger Last des Motors, insbesondere aufgrund des Vorliegens einer starken reaktiven Komponente, die die Joule'schen Verluste erhöht.

Durch die Erfindung soll ein elektrischer Synchronmo tor geschaffen werden, der so gesteuert wird, daß er ein hohes Moment bei hoher Drehgeschwindigkeit und niedrige Ver luste bei niedriger Geschwindigkeit zeigt.

Durch die Erfindung soll insbesondere ein Motor ge schaffen werden, dessen Steuereinrichtungen keinen Ruck im Moment oder in der Geschwindigkeit beim Übergang zwischen den beiden Betriebsarten erzeugen und zwar ohne daß kompli zierte elektronische Steuereinrichtungen benötigt werden.

Dazu umfaßt der erfindungsgemäße Motor mit elektroni scher Kommutierung eine Statorrotorgruppe, die mit dreipha sigen Antriebswicklungen versehen ist, sowie weiterhin eine Reihe von Unterbrechern zur Versorgung der Wicklungen und Steuereinrichtungen, die die Geschwindigkeit des Motors auf eine Sollgeschwindigkeit regeln können, wobei die Steuerein richtungen Einrichtungen zum Überwachen der relativen Ge schwindigkeit des Stators und des Rotors und Einrichtungen zum Steuern der Öffnungen und der Schließungen jedes Unter brechers in einer Abfolge einschließen, die wiederholt wird, und die für die Versorgung der Antriebswicklungen in Abhän gigkeit von Signalen gewählt wird, die von den Einrichtungen zum Überwachen der Geschwindigkeit kommen, welche Abfolge eine Reihe von Öffnungs- und Schließimpulsen in Abhängigkeit von der Überwachung der Geschwindigkeit einschließt, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Steuereinrichtungen in Abhängigkeit von den von den Überwachungseinrichtungen kom menden Signalen zwei Arten der Steuerung der Unterbrecher bewirken können, wobei die Steuerabfolge der Unterbrecher bei der zweiten Art für Schließungen der Unterbrecher sorgt, die die Schließungen der Unterbrecher der vorhergehenden Arbeitsweise in der ersten Steuerart sowie ein Schließen oder eine Folge von Schließimpulsen in Phasenvoreilung ein schließen, das bzw. die direkt durch eine der Schließungen verlängert ist.

Ein derartiger Motor hat insbesondere Vorteile auf grund der Tatsache, daß er keine aufwendigen Rechenvorgänge zur Anpassung an den Übergang zwischen den beiden Steuerar ten benötigt.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnungen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung nä her beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das schematische Schaltbild eines Motors mit Steuereinrichtungen für die Kommutierung, deren Aufbau be kannt ist,

Fig. 2 in einem Zeitdiagramm eine Reihe von Versor gungsperioden der verschiedenen Phasen eines Motors gemäß der Erfindung in der Steuerart 120°,

Fig. 3a bis 3d in zeitlicher Entsprechung die je weiligen Entwicklungen der Phasenspannungen in den Motorpha sen, der in den Motorphasen zusammengesetzten Spannungen, der Signale der Erfassung der Position des Rotors, die von Hallsensoren kommen, und der Steuerspannungen für sechs Un terbrecher des Motors gemäß der Erfindung bei der 120°-Steuerung,

Fig. 4 in einem Zeitdiagramm eine Reihe von Versor gungsperioden für die verschiedenen Phasen eines Motors ge mäß der Erfindung bei der 180°-Steuerung,

Fig. 5 ein schematisches Funktionsdiagramm einer Steu erschaltung für den Motor gemäß der Erfindung,

Fig. 6 die Entwicklung eines Phasenstroms bei der 120°-Steuerung,

Fig. 7 die Entwicklung eines Phasenstroms bei der 180°-Steuerung und

Fig. 8 die Entwicklung eines Phasenstroms bei der 180°-Steuerung und 100%.

Die im folgenden beschriebene Vorrichtung hat einen Aufbau, der im wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Auf bau ähnlich ist.

Die Steuereinrichtungen dieser Vorrichtung sind dar über hinaus so ausgebildet, daß sie je nach Bedarf beide Kommutierungsarten der Unterbrecher, nämlich 120° und 180° vorsehen können.

Die 120°-Steuerung, die dabei eingesetzt wird, ist in den Fig. 2 und 3a bis 3d dargestellt.

Drei Hallsonden 18 liefern jeweils ein rechtwinkliges Signal, das während eines halben Umlaufs (180°) einen hohen Pegel und für den Rest des Umlaufs einen niedrigen Pegel hat.

Wie es in den Fig. 3c und 3d dargestellt ist, wird ein oberer Unterbrecher (Unterbrecher 20a, 20b, 20c) einer gege benen Phase während der vorhergehenden oder letzten 120° des positiven Impulses des Erfassungssignals aktiviert, das zu dieser Phase gehört, und wird ein unterer Unterbrecher (Un terbrecher 22a, 22b, 22c) dieser gegebenen Phase über die vorhergehenden oder letzten 120° des Pausenteils des Erfas sungssignals aktiviert.

Bei der 120°-Steuerung wird jedes der Aktivierungszei tintervalle eines gegebenen Unterbrechers in zwei Zeitiner valle von 60°, d. h. in einer erstes Intervall, in dem ein aufgeteiltes Signal mit einem gewählten zyklischen Impuls pausenverhältnis (Signal PWM) anliegt, und ein zweites In tervall unterteilt, in dem eine konstante Schließspannung am Unterbrecher liegt.

Das erste Intervall mit gewähltem PWM dient dazu, die an der betrachteten Phase liegende Antriebsleistung einzu stellen, um ein mehr oder weniger hohes Moment zu erzielen, damit eine eventuelle Rotorverzögerung bei der Solldrehge schwindigkeit kompensiert wird.

Wenn das zyklische Impulspausenverhältnis während die ses Intervalls 100% erreicht und der Unterschied εv zwi schen der gemessenen Geschwindigkeit und der Sollgeschwin digkeit immer noch negativ ist, geht die vorliegende Vor richtung auf die 180°-Steuerung über, die im folgenden be schrieben wird.

Bei dieser zweiten Art der Steuerung wird der betrach tete Unterbrecher über eine Periode von 180° aktiviert. Die se Periode erstreckt sich in Phasenvoreilung bezüglich der oben beschriebenen Periode von 120°.

Das heißt im einzelnen, daß die Aktivierungsperiode von 180° die vorhergehende Periode von 120° überspannt und sich weiterhin über ein Intervall von 60° vor dieser Periode von 120° erstreckt.

Dieses vorhergehende Intervall von 60° ist der Sitz eines Signals PWM mit gewähltem zyklischen Impulspausenver hältnis, um die gemessene Geschwindigkeit auf die Sollge schwindigkeit einzustellen.

Der Teil dieser Periode, der der Periode von 120° bei der vorhergehenden Art der Steuerung enspricht, behält im Gegensatz dazu dieselbe Abfolge von Schließungen und Öff nungen wie direkt vor dem Übergang auf die 180°-Steuerung bei. Das erste Intervall dieser Periode von 120° ist somit ein PWM mit 100%, d. h. ein kontinuierliches Signal und das zweite Intervall dieser Periode von 120° bleibt auf seinem konstanten Potential.

Bei der 180°-Steuerung entspricht somit der Ar beitspunkt von 0% einem Steuersignal, das für den Ar beitspunkt von 100% bei der 120°-Steuerung erhalten wird. Die zweite, d. h. die 180° Betriebsweise hat den Vor teil eines höheren Momentes, das bei großer Geschwindigkeit entwickelt wird, aufgrund des Prinzips der Phasenvoreilung, da eine vorangehende Aktivierungsperiode an die Periode von 120° angefügt wird.

Indem die 180°-Betriebsweise gewählt wird, bei der die Form des Befehls beibehalten wird, die bei der anderen Be triebsweise maximal über 120° vorhanden ist, wird ein Über gang zwischen den beiden Betriebsarten erhalten, der ohne Diskontinuitäten im Moment und in der Geschwindigkeit ist, ohne daß irgendeine Berechnung der Übergangs des zkylischen Impulspausenverhältnisses notwendig wäre.

Wenn die 120°-Betriebsweise für das notwendige Moment ausreicht, d. h. wenn V_C mit einer einfachen Änderung des zyklischen Impulspausenverhältnisses bei der 120°-Betriebs weise erzielt wird, wird diese Betriebsweise beibehalten. Wenn 100% erreicht ist, wird automatisch auf die 180°-Be triebsweise übergegangen, ohne daß eine Diagnose einer der artigen Notwendigkeit erfolgen muß. Das erfolgt über eine einfache Umschaltung der Betriebsweisen, ohne daß eine An passung notwendig ist.

Wenn in gleicher Weise 0% bei der 180°-Betriebsweise erreicht ist, erfolgt automatisch der Übergang auf die Be triebsweise von 120°, ohne daß komplizierte diagnostische Einrichtungen benötigt werden. Die Tatsache, daß elektroni sche diagnostische Einrichtungen nicht benötigt werden, er laubt es, Nachteile der Abhängigkeit von derartigen Einrich tungen von der Batteriespannung zu vermeiden. Eine derartige Vorrichtung erlaubt es weiterhin, den negativen Effekt zu vermeiden, der auf eventuellen Fehlern bei der Berechnung der Geschwindigkeit sowie auf Unterschieden in der Verwirk lichung der Elektronik der Motoren beruht.

Darüber hinaus ist es nicht notwendig, einen eventuel len Übergang auf 120° beim Anlaufen vorzusehen (um ein maxi males Moment zu erzielen), dieser Übergang erfolgt dann au tomatisch.

Bei einer Variante kann vorgesehen sein, die Phasen voreilung dadurch zu erzielen, daß progressiv der Anfang des positiven Steuersignals vor die Periode von 120° vorgezogen wird, wenn einmal die Zone 120° ihr maximales zyklisches Impulspausenverhältnis erreicht hat.

In diesem Fall wird eine variable Phasenvoreilung er zielt, indem das zyklische Impulspausenverhältnis nach Be darf verändert wird, und zwar ausschließlich nachdem das maximale zyklische Impulspausenverhältnis im Bereich 120° erreicht ist, ohne diese 120°-Periode grob zu modifizieren.

Dadurch wird ein Regler erhalten, dessen Anschläge 0% und 200% sind, und der sich in zwei Teilen bei der PWM- Standardvariante von 0 bis 100% findet.

Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, umfaßt die Steuer anordnung, die für den vorliegenden Motor bevorzugt ist, ein Subtrahierglied 26, das ein Geschwindigkeitsunterschieds signal εv liefert, woraufhin nach einem Filtern über einen Regler 51 und einer maßstabsgerechten Formung in Abhängig keit von der Batteriespannung Ubat an einem Rechner 60 ein Steuersignal gelegt wird, das den summierten Geschwindig keitsunterschied angibt. Dieser erste Zweig vor dem Rechner 60 trägt das Bezugszeichen 100. Der Rechner 60 bestimmt das zyklische Verhältnis und die anzuwendende Art der Steuerung.

In den Fig. 6 bis 8 sind die Entwicklungen der Inten sitäten der Phasen und am Ausgang der Batterie dargestellt, die mit dieser Schaltungsanordnung erhalten werden.

Es zeigt sich, daß die Phasenströme der Batterie bei der 180°-Betriebsweise höher sind, wobei die Entwicklung nach unten stärker abgehackt ist, wenn das zyklische Ver hältnis von 100% abweicht.

Bei einer Variante kann vorgesehen sein, daß dann, wenn das PWM der Betriebsart 120° 100% erreicht, auf die Betriebsart 180°, die im vorhergehenden beschrieben wurde, mit einem ersten zyklischen Verhältnis im Bereich des PWM übergegangen wird, das über 0% liegt. Vorzugsweise liegt das zyklische Verhältnis zwischen 20° und 60°, insbesondere bei etwa 40°.

Es wird somit vorgesehen, daß ein Wert am Ausgang des Reglers, der etwas über 100% liegt, nicht ein PWM von 0% in der 180°-Betriebsweise, sondern direkt ein PWM von bei spielsweise 40° liefert.

Im Allgemeinen hat eine Änderung im zyklischen Ver hältnis bei der vorliegenden 180°-Betriebsweise zwischen 0 und 40% einen geringen Einfluß auf das Verhalten des Mo tors. In diesem Bereich ist tatsächlich die Zusatzspannung, die in Phasenvoreilung zugefügt wird, vernachlässigbar. Im Phasenstrom zeigt sich, daß der erzeugte Strom sehr niedrig (einige Ampere) und diskontinuierlich ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird darüber hinaus eine Arbeit in Bereichen mit niedrigem Moment und hoher Geschwindigkeit sowie eine gute Stabilität beim Über gang von einer Betriebsweise auf die andere, insbesondere unabhängig von der Batteriespannung und den physikalischen Parametern des Motors und der Elektronik erzielt.

Claims

1. Motor mit elektronischer Kommutierung und einer Statorrotorgruppe (10, 12), die mit dreiphasigen Antriebs wicklungen (12) versehen ist, sowie einer Reihe von Unter brechern (20, 22) zum Versorgen der Wicklungen und Steuer einrichtungen (26, 28, 32), die die Geschwindigkeit des Mo tors auf eine Sollgeschwindigkeit (V_C) regeln können, welche Steuereinrichtungen (26, 28, 32), Einrichtungen (18, 26, 28) zum Überwachen der Relativgeschwindigkeit des Stators (12) und des Rotors (10) und Einrichtungen zum Steuern der Öff nungen und Schließungen jedes Unterbrechers (20, 22) nach Maßgabe einer Abfolge umfaßt, die wiederholt wird und die so gewählt ist, daß die Antriebswicklungen in Abhängigkeit von Signalen (V_C, V_m) versorgt werden, die von den Einrichtungen (18, 26, 28) zum Überwachen der Geschwindigkeit kommen, wel che Abfolge eine Folge von Öffnungs- und Schließimpulsen mit einem zyklischen Impulspauseverhältnis einschließen, das von der Überwachung der Geschwindigkeit abhängt, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuereinrichtungen in Abhängigkeit von den Signalen, die von den Überwachungseinrichtungen (18, 26, 28) kommen, zwei Steuerarten für die Unterbrecher (20, 22) einrichten können, die Steuerabfolge der Unterbrecher nach der zweiten Art für Schließungen der Unterbrecher sorgt, die die Schließungen der Unterbrecher der vorhergehenden Ar beitsweise in der ersten Art sowie eine Schließung oder eine Folge von Schließimpulsen in Phasenvoreilung einschließen, die direkt durch eine der Schließungen verlängert ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von der ersten auf die zweite Art die Abfolgen der Öffnungen und Schließungen der Unterbrecher für die er ste und die zweite Art identisch sind.

3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von der ersten auf die zweite Art die Abfolge der Öffnungen und Schließungen der zweiten Art eine Vertei lung der Schließungen des vorhergehenden Betriebs in der ersten Art sowie während eines Zeitintervalls, das nicht gleich 0 ist, eine Schließung oder eine Folge von Schließim pulsen in Phasenvoreilung zeigt, die direkt durch eine der Schließungen verlängert ist.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen die Dauer der Schließung oder der Folge von Schließimpulsen in Phasenvor eilung in Abhängigkeit von den Signalen ändern können, die von den Einrichtungen zum Überwachen der Geschwindigkeit kommen.

5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die erste Art eine Betriebsart ist, bei der jeder Unterbrecher über eine Folge von Schließ impulsen während einer Aktivierungsperiode geschlossen oder angesteuert wird, die ein Drittel der Steuerabfolge der Un terbrecher einnimmt, und daß die zweite Art eine Betriebsart ist, bei der jeder Unterbrecher (20, 22) über eine Folge von Schließimpulsen geschlossen oder angesteuert wird, die über eine Aktivierungsperiode andauern, die die besagte Drittel periode sowie eine Periode einschließt, die der besagten Drittelperiode vorhergeht.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Art derart ist, daß ein erstes Drittel jeder Akti vierungsperiode für die Unterbrecher (20, 22) aus einer Rei he von Impulsen besteht und daß die folgenden Drittel dieser Periode aus einer fortlaufenden Schließung der Unterbrecher (20, 22) bestehen.

7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vorhergehende Periode ein Sechstel der Abfolge einnimmt.

8. Motor nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeich net, daß beim Übergang von der ersten auf die zweite Art die vorhergehende Periode ein Intervall mit Schließimpulsen ist, deren zyklisches Impulspauseverhältnis zwischen 20 und 60% liegt.

9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Übergang von der ersten auf die zweite Art die vorher gehende Periode ein Intervall mit Schließimpulsen ist, deren zyklisches Impulspauseverhältnis bei etwa 40% liegt.