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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektronisch
kommutierten Motors und eine für
das Verfahren geeignete Motorsteuerung nach dem Oberbegriff der
unabhängigen
Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Elektronisch
kommutierte (EC) Motoren, die auch als bürstenlose Gleichstrommotoren
bezeichnet werden, weisen gegenüber
mechanisch kommutierten Motoren wichtige Vorteile auf, wie z. B.
einen höheren Wirkungsgrad,
eine lange Lebensdauer, einen breiten möglichen Drehzahlbereich und
eine einfache elektronische Steuerbarkeit der Drehzahl. Ein wichtiger
Anwendungsbereich von EC-Motoren sind Ventilatoren, die oft rund
um die Uhr in Betrieb sind. Hier ist es besonders günstig, dass
die EC-Motoren mit Ausnahme der Lager keine mechanischen Verschleißteile enthalten.
Bedingt durch die für
viele Anwendungen typischen hohen Betriesstunden ist ein hoher Wirkungsgrad
sowohl ökonomisch
als auch ökologisch
sehr wichtig. Bei Ventilatoren spielt aber auch die Geräuschentwicklung
eine immer größere Rolle.
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Es
gibt viele bekannte Lösungsansätze, um
die Motoreigenschaften zu verbessern. Sowohl der Wirkungsgrad als
auch das Geräuschverhalten
können
durch unterschiedliche Maßnahmen
beeinflusst werden. Einige dieser Möglichkeiten, z. B. die Anwendung
hochwertiger Magnetmaterialien, erhöhen allerdings die Herstellkosten
nicht unwesentlich. Ein anderes Problem ist, dass sich die beiden
Kriterien – Wirkungsgrad
und Geräuschverhalten – oft gegensätzlich auswirken:
Lösungen,
die den Wirkungsgrad erhöhen,
wirken ungünstig auf
das Geräuschverhalten
und umgekehrt.
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Die
Eigenschaften eines elektronisch kommutierten Motors können auch
durch die Art der Ansteuerung wesentlich beeinflusst werden. Die
Entwicklung der Mikroelektronik (Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren,
ASICs, FPGAs, usw.) ermöglichen
eine immer kostengünstigere
Realisierung solcher Lösungen.
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Es
gibt mehrere Ansätze,
wie das Verhalten eines Motors durch die Gestaltung der elektronischen Steuerung
verbessert werden kann. Dabei kann durch das gewählte Kommutierungsverfahren
die Spannungsform, also die Modulationstechnik, oder durch eine
Stromregelung die Stromform optimiert werden. Allerdings wirken
sich Änderungen
der Spannungs- oder Stromform unterschiedlich auf den Wirkungsgrad,
also auf den Energieverbrauch, und auf das Geräusch des Motors aus.
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Die
gattungsgemäße
DE 43 10 260 C1 beschreibt
ein Verfahren zur Reduktion des Motorgeräusches, bei dem zwischen zwei
Steuerungsarten drehzahlabhängig
umgeschaltet wird. Bei kleineren Drehzahlen werden die Leistungstransistoren
im linearen Betrieb gesteuert (elektronische Vorwiderstandssteuerung),
womit die für
die Blockkommutierung typische starke Stromerhöhung und damit eine erhöhte Geräuschentwicklung vermieden
werden können.
Nachteil der linearen Ansteuerung ist die hohe Verlustleistung in
der Leistungselektronik. Deshalb wird ab einer gewissen Drehzahl
auf die übliche
Blockkommutierung umgeschaltet.
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Beim
Verfahren gemäß der
DE 197 57 894 A1 wird
ebenso zwischen mindestens zwei Steuerverfahren drehzahlabhängig umgeschaltet.
Bei niedrigeren Drehzahlen werden die Leistungstransistoren pulsweitenmoduliert
(PWM). Bei höheren
Drehzahlen wird statt dessen eine reine Blockkommutierung realisiert.
Hier wird die Motorspannung durch die Verschiebung des Einschaltzeitpunkts
der Leistungstransistoren gesteuert. Dadurch entfällt die
hochfrequente Modulation der Leistungselektronik, womit die Schaltverluste
in den Leistungshalbleitern reduziert werden können.
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Schließlich beschreibt
US 5 457 374 A ein
Verfahren für
die Steuerung eines bürstenlosen
Motors, bei dem drehzahlabhängig
zwischen zwei Steuerarten umgeschaltet wird. Bei niedrigeren Drehzahlen
wird eine Blockkommutierung mit Stromregelung verwendet. Bei höheren Drehzahlen
wird ein quadratisches Spannungssystem auf den Motor geschaltet,
wobei alle Transistoren ständig
getaktet werden, ähnlich
wie bei einem Frequenzumrichter oder bei einem bürstenlosen AC Motor. Mit dieser
Steuerart können
die Amplitude der Motorspannung und damit auch die maximale Drehzahl
erhöht
werden.
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Die
oben genannten Veröffentlichungen
beschreiben Methoden, bei denen die Art der Ansteuerung der Leistungsschalter
zur Bestromung der Motorwicklungen drehzahlabhängig umgeschaltet wird.
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JP 02 285 995 A offenbart
eine Motorsteuerung zur Ansteuerung eines Elektromotors, in der
drei Arten von Wellenformen der Motorspannung gespeichert sind.
Zur Vermeidung eines „Schlags” wird bei
niederen Drehzahlen des Motors eine sinusförmige Wellenform zur Ansteuerung
des Motors verwendet, bei mittleren Drehzahlen eine trapezförmige Wellenform
und bei hohen Drehzahlen eine rechteckförmige Wellenform.
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US 2002/0140391 A1 offenbart
ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors, bei dem der Motor im
normalen Betrieb durch eine rechteckförmige Spannung angesteuert
wird, wodurch dessen Leistungsaufnahme optimiert wird, und für eine Betriebsart
mit geringer Geräuschentwicklung
eine trapezförmige
Spannung zur Ansteuerung des Motors verwendet wird.
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EP 1 087 517 A1 offenbart
eine Motorsteuerung für
einen Elektromotor, bei der unerwünschte akustische Frequenzen,
die beim Betrieb des Motors auftreten, durch eine Anpassung der
Amplitude des Motorstroms kompensiert werden. Hierfür wird ein
Versatz der elektromagnetischen Kraft in Abhängigkeit der Rotorposition
gemessen, und dem Motorstrom ein entsprechender Korrekturwert überlagert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ansteuerung
eines elektronisch kommutierten Motors und eine entsprechende Motorsteuerung
derart zu verbessern, dass einerseits der Wirkungsgrad des Motors
und andererseits auch dessen Geräuschverhalten
unter Last optimiert wird.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine
Motorsteuerung nach den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird der
Motorstrom adaptiv, in Abhängigkeit
eines Betriebsparameters des Motors umgeschaltet, das heißt der zeitliche
Verlauf in Form der Hüllkurve
des Motorstroms wird in Abhängigkeit
des Betriebsparameters geändert,
derart, dass bei einem Wert des Betriebsparameters unterhalb eines
festgesetzten Schwellwerts ein Motorstrom für eine minimale Geräuschentwicklung
und bei einem Wert des Betriebsparameters oberhalb des festgesetzten
Schwellwerts ein Motorstrom für
einen maximalen Wirkungsgrad des Motors verwendet wird.
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Erfindungsgemäß kann der
Motorstrom auch indirekt durch Verändern des zeitlichen Verlaufs
der Motorspannung beeinflusst werden.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren wird die an sich bekannte Erkenntnis
benutzt, dass sowohl das Geräuschverhalten
als auch die Energieaufnahme eines Motors mehr oder weniger stark
von verschiedenen Betriebsparametern, insbesondere Drehzahl, Drehmoment,
Motorstrom, Motorspannung, Leistung, Motortemperatur und Lastfaktor
abhängig
sind. Dabei muss beachtet werden, dass die Betriebsparameter selbst
voneinander abhängig
sein können.
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Insbesondere
die Drehzahl hat starken Einfluss auf das Geräuschverhalten eines Motors.
Im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung wird daher insbesondere
die Drehzahl als Betriebsparameter betrachtet. In äquivalenter
Weise sind andere Betriebsparameter, wie Drehmoment, Motorstrom,
Motorspannung, Leistung, Motortemperatur und Lastfaktor, anwendbar.
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Wird
der Motor zum Antrieb von Lüftern
und Pumpen verwendet, wächst
der Drehmomentbedarf etwa mit der zweiten Potenz der Drehzahl. Der
mechanische Leistungsbedarf wächst
sogar mit der dritten Potenz der Drehzahl. Das bedeutet, dass ein
Motor bei halber nominaler Drehzahl nur 12,5% der nominalen mechanischen
Leistung abgeben muss. Bei 21,5% der nominalen Drehzahl sinkt der
Leistungsbedarf sogar auf unter 1%. Dadurch spielt der Wirkungsgrad
des Motors im unteren bis mittleren Drehzahlbereich nur eine untergeordnete
Rolle, sowohl was den elektrischen Energiebedarf als auch was die
Eigenerwärmung
des Motors betrifft.
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Andererseits
ist das Strömungsgeräusch eines
Lüfters
auch stark drehzahlabhängig.
Eine wesentliche Geräuschreduzierung
erreicht man daher mit drehzahlgesteuerten Lüftern, mit denen die Drehzahl
und damit die Luftleistung bedarfsgerecht reduziert werden kann.
Neben dem Geräuschpegel
kann so auch der Energiebedarf deutlich gesenkt werden. Die EC-Motoren
bieten sich für
diese Anwendungen an, da sie eine einfache, elektronische Drehzahlstellung
ermöglichen.
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Das
Strömungsgeräusch eines
Lüfters
wächst
so stark mit der Drehzahl, dass bei höheren Drehzahlen das Motorgeräusch selber
meistens nicht mehr wahrnehmbar ist. Im unteren bis mittleren Drehzahlbereich kann
das Motorgeräusch
aber das akustische Verhalten des Lüfters wesentlich beeinflussen.
Dabei spielt nicht nur das vom Motor direkt ausgestrahlte Geräusch eine
Rolle, sondern oft viel stärker
die Körpergeräusche, die vom
Lüfterrad
oder vom Gehäuse
ausgestrahlt werden oder die Drehmomentschwankungen, die in Abhängigkeit
des mechanischen Resonanzverhaltens des Lüfters störende akustische Effekte hervorrufen
können.
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Da
bei hohen Drehzahlen das Strömungsgeräusch die
vom Motor hervorgerufenen Geräusche übertönt, wird
die elektronische Steuerung des Motors in diesem Drehzahlbereich
erfindungsgemäß auf maximalen Wirkungsgrad
optimiert. Dadurch wird das akustische Gesamtverhalten der Anwendung
(hier: Lüfter)
nicht bemerkbar beeinflusst. Bei kleineren Drehzahlen aber wird
die Steuerung umgeschaltet, damit das Geräuschverhalten optimiert werden
kann. Dabei muss sowohl darauf geachtet werden, dass der Motorstrom
möglichst
keine sprunghaften Änderungen
aufweist, was besonders bei Außenläufermotoren
sehr wichtig ist. Ferner müssen
auch die mechanischen Schwingungen minimiert werden. Bei einigen
Anwendungen spielen dabei nur die tangentialen Schwingungen, die
durch Drehmomentschwankungen verursacht werden, eine Rolle. Bei
anderen Anwendungen sind aber auch die axialen und radialen Bewegungen
zu beachten.
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Bei
geringen Drehzahlen, also für
Drehzahlen n unterhalb eines Schwellwertes, z. B. einer Drehzahl nx, wird ein geräuschoptimierter Betrieb angestrebt
und eine Stromform verwendet, bei der das Motordrehmoment möglichst
geringe Schwankungen aufweist. Vorzugsweise wird der Verlauf des
Motorstroms derart gewählt,
dass er keine sprunghaften Änderungen
aufweist, so dass sich in Folge auch keine sprunghaften Drehzahländerungen
ergeben, welche unerwünschte
Geräusche
verursachen.
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Bei
vernachlässigbarem
Reluktanzdrehmoment des Motors wird in diesem Fall vorteilhaft eine
Stromform verwendet, bei der das Produkt aus Motorstrom und innerer
Motorspannung konstant bleibt.
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Kann
das Reluktanzdrehmoment des Motors nicht vernachlässigt werden,
kann dieses ausgemessen und durch die Motorsteuerung mit dem aktiven
Drehmoment kompensiert werden.
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Für Drehzahlen
n oberhalb des Schwellwertes, z. B. der Drehzahl nx,
wird der Motorstrom erfindungsgemäß derart beeinflusst, dass
er sich proportional zu der aktuellen inneren Motorspannung verhält, so dass ein
optimaler Wirkungsgrad erreicht wird.
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Die
Motorsteuerung ist derart ausgebildet, dass eine drehzahlabhängige Änderung
der Form, das heißt
der Hüllkurve,
des Motorsstroms/der Motorspannung erreicht werden kann. Die Steuerwerte
für die Stromverläufe bei
verschiedenen Drehzahlbereichen können entweder in einer Speichereinrichtung
der Motorsteuerung abgespeichert sein, oder für den gewünschten Stromverlauf bei der
aktuellen Drehzahl in Echtzeit berechnet werden.
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Natürlich muss
die Motorsteuerung Mittel zum Erfassen und/oder Auswerten der Motordrehzahl
und der aktuellen Lage des Rotors aufweisen, um den Motorstrom entsprechend
steuern zu können.
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Die
erfindungsgemäße Lösung kann
unabhängig
von Strangzahl, Polpaarzahl, Magnetmaterial, Magnetisierungsform
usw. angewendet werden. Sie ist sowohl für Innenläufer- als auch für Außenläufermotoren anwendbar.
Sie kann für
alle motorangetriebenen Anwendungen verwendet werden, bei denen
sowohl der Leistungsbedarf als auch das Geräuschverhalten drehzahlabhängig sind,
wie zum Beispiel bei axialen oder radialen Lüftern, Gebläsen oder Pumpen. Weiterhin
kann sie sowohl für
Blockkommutierung, bei der nicht alle Motorleitungen gleichzeitig
bestromt werden, als auch bei modifizierter Sinuskommutierung, bei
der alle Motorleitungen ständig
bestromt werden, angewendet werden. Sie kann aber auch bei Lösungen mit
sich abwechselnden Kommutierungsschritten angewendet werden, bei
denen entweder nur bestimmte oder alle Motorstränge bestromt sind, z. B. bei
der sogenannten 12-Schritt-Kommutierung eines dreisträngigen EC-Motors.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Zeichnungen erläutert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines dreisträngigen bürstenlosen Gleichstrommotors
mit zugehörender
Motorsteuerung;
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2 zeigt
die erfindungemäß optimierten
Stromformen für
maximalen Wirkungsgrad bzw. minimale Drehmomentschwankungen (minimales
Geräusch)
und die zugehörigen
inneren Spannungen an den drei Motorwicklungen;
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3 zeigt
ein vereinfachtes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 zeigt
ein Diagramm der Motorbetriebsarten in Abhängigkeit von der Drehzahl n.
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Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung
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Es
wird ein dreisträngiger
EC-Motor 1 gemäß 1 betrachtet,
der ein Lüfterrad
(nicht dargestellt) antreibt. Der Motor umfasst eine Motorsteuerung
mit einer Leistungselektronik 2 und einer Steuerelektronik 3.
Die Leistungselektronik 2 umfasst entsprechende Leistungsschalter
T1, T2, T3, T4 und T5, T6, welche die Wicklungen a, b, c jedes der
drei Stränge
mit Strom versorgen. Die Leistungsschalter T1–T6 werden von der Steuerelektronik 3,
hier zum Beispiel ein Mikroprozessor, angesteuert. Es wird zum Beispiel
eine 6-Schritt-Blockkommutierung
verwendet, deren Arbeitsweise einem Fachmann vertraut ist und daher
nicht näher
beschrieben wird. Damit eine ordnungsgemäße Kommutierung erfolgen kann,
werden von der Steuerelektronik entsprechende Motorparameter, wie
zum Beispiel die Lage des Rotors oder die Drehzahl n, erfasst und
verarbeitet.
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Für die Geräuschentwicklung
bei kleinen und mittleren Drehzahlen ist in vielen Fällen die
durch die Blockkommutierung bedingte Drehmomentschwankung ausschlaggebend.
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In
dem vereinfachten, aber für
viele Anwendungen anwendbaren Beispiel gemäß 2 soll sich
der Motorstrom abhängig
von aktuellen Optimierungskriterien verhalten.
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Beispiel
für eine
Bestimmung der Motorstromsollwerte für ein konstantes Drehmoment
(niedriges Geräusch)
bei 6-Schritt-Blockkommutierung.
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Für kleinere
und mittlere Drehzahlen wird von der Motorsteuerung 2, 3 deshalb
eine Stromform 4 erzeugt und den Motorwicklungen a, b,
c zugeführt,
bei der das Motordrehmoment nur minimale Schwankungen aufweist.
Wenn das Reluktanzdrehmoment des Motors vernachlässigbar ist, muss die Multiplikation
des Motorstromes und der inneren Motorspannung (auch als Polradspannung
oder back e. m. f bezeichnet) konstant bleiben. So ist nämlich die
mechanische Leistung (=Motorstrom x innere Spannung) konstant. Diese
Leistung ist gleich Drehmoment mal Drehzahl; deshalb bleibt bei
konstanter Drehzahl auch das Drehmoment konstant.
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Kann
das Reluktanzmoment nicht vernachlässigt werden, kann es bei dem
unbestromten Motor ausgemessen werden. Das Reluktanzmoment kann
dann durch die Motorsteuerung 2, 3 mit dem aktiven
Drehmoment kompensiert werden.
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Die
innere Spannung des Motors (auch als Polradspannung u
p benannt)
kann für
eine bestimmte Drehzahl experimentell einfach bestimmt werden. Für andere
Drehzahlen gilt:
wobei u
pa die
Polradspannung in der Phase „a” ist, ω ist die
aktuelle mechanische Kreisfrequenz, ω
0 ist
die Kreisfrequenz bei der Messung und α ist die Rotorlage.
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Für ω (mechanische
Kreisfrequenz oder Winkelgeschwindigkeit) gilt:
wenn n [min
–1]
die Drehzahl ist.
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Aus
der Polradspannung und aus den Motorströmen kann das Drehmoment berechnet
werden. Für die
aktuelle mechanische Abgabeleistung P2[W]
des Motors gilt, wenn Reibung und Reluktanzmoment vernachlässigt werden: P2 = upa·ia + upb·ib + upc·ic
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Eine
Erfassung der aktuellen Rotorlage ist nicht nur für die Feststellung
der Kommutierungszeitpunkte notwendig, sondern ermöglicht auch
die Drehzahlerfassung. Ist die Drehzahl bzw. die Winkelgeschwindigkeit ω bekannt,
kann auch das Drehmoment m berechnet werden: m
= P2/ω
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Möchte man
auch das lageabhängige
Reluktanzmoment mR(α) in Betracht ziehen: m = P2/ω + mR(α)
= (upa·ia + upb·ib + upc·ic)/ω +
mR(α)
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Das
Reluktanzmoment mR(α) kann entweder aus dem magnetischen
Kreis z. B. durch Finite-Elemente-Verfahren berechnet oder durch
Messungen experimentell bestimmt werden.
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Die
aktuelle Rotorlage α muss
die Motorsteuerung auch bei der traditionellen Blockkommutierung
kennen, um die Kommutierungszeitpunkte bestimmen zu können. Dazu
werden oft Hall-Sensoren verwendet, die das magnetische Feld des
permanenterregten Rotors erfassen. Eine andere Methode wertet die
Spannung in der gerade nicht bestromten Motorleitung aus. Hier werden
die Nullübergänge erfasst.
Beide Methoden liefern je 60° elektrische
Umdrehung ein Signal. Da viele typische Anwendungen von EC-Motoren,
besonders von Außenläufermotoren,
ein verhältnismäßig großes Trägheitsmoment
aufweisen, kann sich die Drehzahl nur relativ langsam ändern. Deshalb
kann davon ausgegangen werden, dass sich die Rotorlage α zwischen
zwei Impulsen mit Interpolation genau genug bestimmen lässt. Ist
das nicht der Fall, muss die Steuerelektronik die Rotorlage mit
genaueren Sensoren (z. B. mit optischem Encoder oder mit Resolver)
oder mit genaueren sensorlosen Lageerfassungsmethoden bestimmen.
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Werden
in der Steuerung die von der Rotorlage abhängigen Werte der Polradspannung
upa(α),
upb(α) und
upc(α)
gespeichert und die Motorströme
ia(t), ib(t) und
ic(t) gemessen, kann die Steuerung in jedem
Zeitpunkt das aktuelle Drehmoment berechnen. Die gleiche Berechnungen
können
aber auch nicht in Echtzeit durchgeführt werden.
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Erfindungsgemäß werden
die Motorströme
bei kleineren und mittleren Drehzahlen so vorgegeben, dass das berechnete
Drehmoment konstant bleibt. Bei einer 6-Schritt-Blockkommutierung führen – bis auf
die Kommutierungsphasen – immer
nur zwei Leitungen (z. B. a und b) Strom, deshalb gelten die folgenden
Gleichungen: ia(t) +
ib(t) = 0 (upa(α)·ia(t) + upb(α)·ib(t))/ω +
mR(α)
= msoll = const.
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Aus
diesen Gleichungen sind die gewünschten
Motorströme
(nicht in Echtzeit oder durch die Motorsteuerung in Echtzeit) zu
berechnen:
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Letztendlich
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In
dieser Gleichung ist bei geräuschoptimiertem
Betrieb das Drehmoment msoll konstant, die
lageabhängigen
Größen mR, upa(α, ω0) bzw., upb(α, ω0) sind bekannt und können zum Beispiel in der Steuerung
tabellarisch gespeichert werden. In einigen Fällen kann das Reluktanzmoment
mR vernachlässigt werden, dadurch lässt sich
die Berechnung vereinfachen.
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Für die Stromregelung
können
die Phasenströme
gemessen werden. Da gleichzeitig jedoch immer nur zwei Motorleitungen
bestromt sind, ist die Amplitude der Phasenströme gleich der Amplitude des
Stromes in dem Zwischenkreis iDC. In vielen
Fällen
ist es günstiger,
anstelle der Phasenströme
nur den Zwischenkreisstrom zu messen. Durch Verwendung dieser Messwerte
kann die Motorsteuerung die Ströme
regeln und so die Leistungstransistoren modulieren. In einigen Fällen kann
jedoch auf eine Stromregelung gänzlich
verzichtet werden. In diesem Fall werden die notwendigen Statorspannungen,
die die gewünschten
Motorströme
erzeugen, berechnet oder experimentell bestimmt und in der Steuerung
als Funktion der Drehzahl und der Rotorlage (z. B. tabellarisch)
gespeichert.
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Für den oben
angegebenen Fall sind die inneren Spannungen 6, 7 und 8 an
den drei Motorwicklungen a, b, c im unteren Teil von 2 dargestellt.
Man erkennt den gleichmäßigen Spannungsverlauf
ohne abrupte Spannungsänderungen.
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Es
folgt ein Beispiel für
eine Bestimmung der Motorstromsollwerte für einen optimalen Wirkungsgrad bei
6-Schritt-Blockkommutierung.
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Zur
Optimierung des Wirkungsgrades des Motors bei höheren Drehzahlen, soll sich
der Motorstrom 5 etwa proportional zu der aktuellen inneren
Motorspannung verhalten. In diesem Fall erreicht der Wirkungsgrad nachweislich
sein Optimum, vorausgesetzt, dass alle nichtlinearen und andere
Effekte, z. B. erhöhter
Wicklungswiderstand durch Stromverdrängung, Wirbelstromverluste,
Magnetisierungsverluste, vernachlässigt werden können. Ist
dies nicht der Fall, müssen
diese Effekte auch in Betracht bezogen werden, wofür in der
Fachliteratur zahlreiche Lösungsvorschläge zu finden
sind.
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Es
ist bekannt, dass man bei einer Wechselstromlast den optimalen Wirkungsgrad
dann erreicht, wenn die Stromform der inneren Spannung entspricht.
Da bei einem elektronisch kommutierten Motor mit 6-Schritt-Betrieb
gleichzeitig immer nur zwei Leitungen bestromt werden, kann diese
Erkenntnis direkt verwendet werden. Der Strom ist dann: i = ia(t) = –ib(t)und die entsprechende Spannung: u = upa(t) – upb(t)
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Dementsprechend iasoll(α) = –ibsoll(α)
= iopt(α)
= ku(α)
= k(upa(α) – upb(α))
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Bei
dieser Betriebsart ist also die Stromform unabhängig vom Drehmoment vorgegeben,
die Drehzahlsteuerung oder -regelung kann das Drehmoment über den
Faktor k beeinflussen.
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Wie
sich aus dem Ablaufdiagramm 3 ergibt,
wird die Steuerung/Regelung erfindungsgemäß drehzahlabhängig umgeschaltet.
Wird der Verlauf der Motorspannung oder des Motorstroms tabellarisch
drehzahlabhängig
in der Motorsteuerung gespeichert, bedeutet die Umschaltung, dass
die Tabelle ab einer bestimmten Drehzahl nicht mehr die Steuerwerte
der Motorspannung bzw. des Motorstroms enthält, die für ein minimales Geräusch sorgen,
sondern die Steuerwerte für
einen maximalen Wirkungsgrad.
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Die
Lösung,
bei der die Stromwerte lageabhängig
vorgegeben werden, ist genauer, braucht aber eine eventuell kostenträchtige Stromregelung.
Werden nur die Spannungswerte vorgegeben, kann auf eine Stromregelung
verzichtet werden. Die tabellarisch, als Gleichungen oder anderweitig
gespeicherten Werte steuern direkt den hardware- oder softwaremäßig realisierten
PWM-Modulator. Eine Möglichkeit
für die
Erfassung der Spannungswerte besteht darin, dass man eine Versuchselektronik
mit Stromregelung aufbaut, und die Spannungswerte (PWM-Werte) bei der optimalen
Stromform aufgenommen werden. Diese Spannungswerte können dann
im Seriengerät
ohne Stromregelung gespeichert werden.
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4 zeigt
ein Zustandsdiagramm der beiden Motorbetriebsarten in Abhängigkeit
von der Drehzahl n. Um im Bereich der Drehzahl nx ein
unnötiges
Umschalten der Bentriebsarten zu vermeiden, wird in einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung eine Hysterese-Umschaltung verwendet.
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Die
Umschalt-Drehzahl nx des Motors muss dabei
nicht konstant sein, sondern sie kann abhängig sein etwa von der Umgebungs-Temperatur
oder der Wicklungs-Temperatur.
So kann zum Beispiel die Umschalt-Drehzahl nx reduziert
werden, wenn der Motor warm ist, d. h. bei einer höheren Temperatur
wird der Betriebszustand des Motors ab einer geringeren Drehzahl
nx auf einen optimalen Wirkungsgrad umgeschaltet.
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Andere
Umschalt-Optionen sind nicht abhängig
von der Drehzahl nx des Motors, sondern
etwa von dem Motorstrom Ix oder von der
Aufnahmeleistung P1x oder von der Wicklungstemperatur ϑwx.
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Die
erfindungsgemäße Lösung garantiert
einen leisen Betrieb des Motors bei kleinen Drehzahlen und gleichzeitig
eine wesentliche Energieersparnis durch die Wirkungsgradverbesserung
im oberen Drehzahlbereich.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
(z. B. dreisträngige
Motoren) beschränkt,
sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden
Ausführungen.
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- 1
- EC-Motor
- 2
- Leistungselektronik
- 3
- Steuerelektronik
- T1–T6
- Leistungsschalter
- a,
b, c
- Motorwicklungen
- n
- Drehzahl
- 4,
5
- Motorstrom
- 6,
7, 8
- innere
Spannung
- nx
- Drehzahl-Schwellwert
