DE102004019003A1

DE102004019003A1 - Überlastschutz von bürstenlosen Motoren

Info

Publication number: DE102004019003A1
Application number: DE200410019003
Authority: DE
Inventors: Andràs Lelkes; Michael Bufe
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2005-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Überlastschutz für bürstenlose Motoren und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors zur Realisierung eines solchen Überlastschutzes. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Drehzahl des Motors durch einen Drehzahlregler direkt oder indirekt geregelt wird, wobei der Drehzahlregler überwacht wird und ermittelt wird, ob der Motor trotz der Regelung länger als eine vorgegebene Zeitdauer eine vorgegebene Soll-Drehzahl nicht erreicht. Trifft diese Bedingung zu, so wird die Gefahr einer Überlastung des Motors erkannt und es werden Maßnahmen für einen Überlastschutz ergriffen. Andererseits können für eine Überwachung des Motors das Ausgangssignal eines die Drehzahl des Motors direkt oder indirekt regelnden Drehzahlreglers ausgewertet werden und Maßnahmen für einen Überlastschutz des Motors dann eingeleitet werden, wenn das Ausgangssignal des Drehzahlreglers länger als eine vorgegebene Zeitdauer einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Überlastschutz für bürstenlose Motoren, und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors mit Realisierung eines solchen Überlastschutzes.
Stand der Technik
Einfache bürstenlose Gleichstrommotoren werden oft zum Beispiel bei Ventilatoren verwendet. Die Kommutierung erfolgt hier elektronisch. Der Zeitpunkt der Kommutierung wird meistens über einen oder mehrere Hall-Sensoren erfasst, es ist aber auch eine sensorlose Lageerfassung möglich. Für die Überwachung des Motors in Bezug auf Überlastung sind weitere Sensoren notwendig. So kann man zum Beispiel den Motorstrom, die Versorgungsspannung und/oder die Wicklungstemperatur messen. Bei kleinen, preisgünstigen Motoren wird jedoch auf solche zusätzliche Sensoren für den Überlastschutz verzichtet. Damit reduziert man einerseits die Bauteilkosten, andererseits kann man dadurch die Leiterplatte für die Elektronik kleiner bauen und diese so im Motor einfacher integrieren. Wenn trotz eingeschalteter Kommutierungselektronik keine Kommutierung stattfindet, erkennt die Kommutierungselektronik, dass der Rotor blockiert ist. In diesem Fall schaltet die Elektronik den Motor nach einer gewissen Zeit ab. Dreht sich jedoch der Motor aufgrund einer Überlastung sehr langsam, wird dies von der Elektronik nicht erkannt und der Motor beziehungsweise die Wicklungsisolation und/oder die Leistungselektronik können durch Überhitzung beschädigt werden, da kein Überlastschutz vorhanden ist.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, bei einfachen Motoren, insbesondere bei bürstenlosen Lüftermotoren, die über keine aufwändige Sensorik verfügen, einen Überlastschutz ohne Zusatzkosten zu realisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 oder Anspruch 6 angegebene Verfahren gelöst. Eine erfindungsgemäße Motorsteuerung ist im Anspruch 13 offenbart.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehzahl des Motors durch einen Drehzahlregler direkt oder indirekt geregelt wird, wobei der Drehzahlregler überwacht wird und ermittelt wird, ob der Motor trotz der Regelung länger als eine vorgegebene Zeitdauer eine vorgegebene Soll-Drehzahl nicht erreicht. Trifft diese Bedingung zu, so wird die Gefahr einer Überlastung des Motors erkannt und es werden Maßnahmen für einen Überlastschutz ergriffen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird für eine Überwachung des Motors das Ausgangssignal eines die Drehzahl des Motors direkt oder indirekt regelnden Drehzahlreglers ausgewertet, und es werden Maßnahmen für einen Überlastschutz des Motors dann eingeleitet, wenn das Ausgangssignal des Drehzahlreglers länger als eine vorgegebene Zeitdauer einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass für die Überwachung des Motors hinsichtlich einer möglichen Überlastung mindestens ein drehzahlabhängiges Eingangssignal eines Drehzahlreglers ausgewertet wird, und Maßnahmen für einen Überlastschutz des Motors dann eingeleitet werden, wenn die Differenz zwischen einem vorgegebenen Sollwert des Eingangssignals und dem tatsächlichen Istwert des Eingangssignals länger als eine vorgegebene Zeitdauer größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.

Generell wird durch die Steuereinheit des Motors die Drehzahl oder eine der Drehzahl des Motors entsprechende Größe gemessen. Dann wird eine Differenz zwischen der gemessenen Drehzahl oder einem die Drehzahl bestimmenden Motorparameter, zum Beispiel der am Motor anliegenden Versorgungsspannung, und einem vorgegebenen Soll-Wert gebildet. Es wird bestimmt, ob diese Differenz für eine vorgegebene Zeitdauer größer (z.B. im Falle der Versorgungsspannung) bzw. kleiner (z.B. im Falle der Drehzahl) war als ein vorgegebener Referenzwert. War dies der Fall, wird eine Gefahr einer Überlastung des Motors erkannt und es werden Maßnahmen für einen Überlastschutz getroffen.

Erfindungsgemäß kann das Signal eines oder mehrerer Hall-Sensoren, oder im Falle eines sensorlosen Motors ein oder mehrere Kommutierungssignale, nicht nur zur Steuerung der Kommutierung sondern auch zur Drehzahlregelung benutzt werden. Daher wird die Drehzahl oder eine der Drehzahl entsprechende Größe des Motors überwacht. Zum Beispiel wird die Zeit zwischen zwei Hall-Wechseln, also die Zeit zwischen zwei Pegelwechseln des Hall-Signals, gemessen und ausgewertet. Ist die tatsächliche Drehzahl des Motors kleiner als ein vorgegebener Sollwert, erhöht die Motorsteuerung die wirksame Wicklungsspannung, um dadurch eine Drehzahlerhöhung zu erreichen. Die Spannung wird üblicherweise über Pulsweitenmodulation (PWM) beeinflusst. Die maximale Spannung ergibt sich bei maximalem PWM-Verhältnis (100% PWM). Manche Steuerungen begrenzen das PWM-Verhältnis jedoch schon bei geringfügig kleineren Werten (z.B. bei 98%). Kann der Motor die gewünschte Drehzahl nicht erreichen, z.B. aufgrund einer Überlast, arbeitet die Steuerung dauerhaft an der oberen PWM-Grenze und realisiert somit die maximal mögliche Wicklungsspannung. Falls festgestellt wird, dass die Regelung dauerhaft im Grenzbereich arbeitet, indem z.B. das PWM-Verhältnis dauerhaft über einem Grenzwert liegt oder die Differenz zwischen dem Istwert und einem Sollwert dauerhaft einen zu großen Wert aufweist, erkennt die Motorsteuerung den Zustand „Überbelastung", hervorgerufen durch zu hohes Lastmoment oder durch zu niedrige Versorgungsspannung, und schützt den Motor gegen diesen Fehler, indem der Motor entweder abgeschaltet oder die Drehzahl reduziert wird. Letzteres kann zum Beispiel durch die Begrenzung des PWM-Verhältnisses auf einen kleineren Wert oder durch die Reduzierung des Drehzahlsollwertes erfolgen.

Eine Motorsteuerung nach der Erftindung umfasst in einer bevorzugten Ausgestaltung einen die Drehzahl des Motors direkt oder indirekt regelnden Drehzahlregler, Mittel zur Überwachung des Drehzahlreglers, wobei bestimmt wird, ob die Regelung länger als eine vorgegebene Zeitdauer eine vorgegebene Soll-Drehzahl nicht erreicht, und Mittel, die in diesem Fall die Gefahr einer Überlastung des Motors erkennen und Maßnahmen für einen Überlastschutz ergreifen.

Die Mittel zur Überwachung des Drehzahlreglers können sowohl softwaremäßig in einem programmierbaren Mikrocontroller realisiert sein als auch hardwaremäßig in einem integrierten Schaltkreis, der vorzugsweise ein anwendungsspezifischer Schaltkreis oder ein programmierbarer logischer Baustein ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Ablaufdiagramm der Verfahrenschritte bei einer ersten Realisierungsvariante der Erfindung;
2 zeigt ein Ablaufdiagramm der Verfahrenschritte bei einer zweiten Realisierungsvariante der Ertindung;
3 zeigt ein Prinzipschaltbild einer dritten, im Wesentlichen hardwarebasierten Realisierungsvariante der Ertindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung
1 zeigt eine softwarebasierte Realisierung des Überlastschutzes eines elektronisch kommutierten Motors. Das Verfahren wird in der Steuereinheit des Motors, zum Beispiel einem Mikrocontroller, ausgeführt. In einem ersten Schritt 10 misst die Steuereinheit die Zeit T_HH zwischen zwei Kommutierungsvorgängen und erhält so eine Information über die aktuelle Drehzahl. Bei Motoren, die mit Hall-Sensoren ausgerüstet sind, kann dies durch eine Messung der Zeit zwischen zwei Hall-Wechseln, also zwischen zwei Flanken im Hall-Signal, erfolgen, wobei sowohl analoge Hall-Sensoren als auch digitale Hall-ICs verwendet werden können. Es ist ein Sollwert T_{HH soll} vorgegeben, der einer Soll-Drehzahl entspricht. In einem zweiten Schritt 11 wird die Differenz ΔT zwischen dem gemessenen Wert T_HH und dem Sollwert T_{HH soll} gebildet. Ist die Differenz ΔT zwischen der gemessenen Zeit T_HH und der vorgegebenen Soll-Zeit T_{HH soll} positiv, dann läuft der Motor langsamer als gewünscht. Um die Soll-Drehzahl zu erreichen, muss die Drehzahl also erhöht werden. Dazu erhöht die Steuereinheit mittels eines Reglers, zum Beispiel eines PI-Reglers, die Versorgungsspannung U_soll des Motors (Schritt 12). Bei einer Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) kann dies vorzugsweise durch eine Erhöhung des PWM-Verhältnisses des die Endstufe steuernden PWM-Modulators verwirklicht werden. Bevor der neue Spannungssollwert bzw. PWM-Verhältnis ausgegeben wird, wird in Schritt 14 dieser Wert U_soll mit einem maximal zulässigen Wert U_Max (Referenzwert) verglichen. Ist U_soll > U_Max das heißt, wenn das erlaubte Maximum überschritten ist, wird die Spannung auf U_Max begrenzt (Schritt 15) und gleichzeitig ein Zähler CNT um einen Zählerschritt erhöht (Schritt 16). Der selbe Zähler CNT wird auf Null zurückgesetzt, falls U_soll <= U_Max ist, also keine Begrenzung notwendig ist (Schritt 17). Gemäß Schritt 18 wird nach einer erforderlichen Erhöhung des Zählers CNT dessen Wert mit einem Grenzwert CNT_Max verglichen.
Ist CNT <= CNT_Max, dann wird das Verfahren ab Schritt 10 fortgesetzt.
Bei Überschreiten dieses Grenzwertes, also wenn CNT > CNT_Max ist, arbeitet der Motor bereits über eine längere Zeitdauer mit zu geringer Drehzahl, obwohl die Steuereinheit bereits Maßnahmen zur Drehzahlerhöhung vorgenommen hatte. Es wird erfindungsgemäß ein Fehlerfall erkannt (Schritt 19) und erforderliche Maßnahmen für einen Überlastschutz getroffen. In diesem Fall begrenzt die Steuerung zum Beispiel die Motorspannung direkt oder über die Erhöhung des T_{HH soll} -Wertes, was der Reduzierung des Drehzahlsollwertes entspricht, oder sie schaltet den Motor ab. Bei letzterem bleibt der Motor entweder stromlos solange bis der Motor von der Versorgungsspannung getrennt und wieder angeschlossen wird, oder die Steuerung schaltet ihn nach einer gewissen Zeit wieder ein. In diesem Fall muss diese Zeit so ausgewählt werden, dass kein Überlastungsfall den Motor thermisch beschädigen kann.
Die Überwachung kann in ähnlicher Weise auch für sensorlose Motoren verwendet werden, oder für Motoren mit anderen Lagesensoren als Hall-Sensoren. In diesen Fällen muss statt der Zeit zwischen zwei Hall-Wechseln einfach die Zeit zwischen zwei (oder mehreren) Kommutierungsvorgängen geregelt werden. Bei sensorlosen Motoren wird der Kommutierungszeitpunkt beispielsweise dadurch ermittelt, dass der Nulldurchgang der induzierten Spannung der momentan nicht bestromten Phase gemessen wird.
Die erfindungsgemäße Lösung kann dabei sowohl bei einsträngigen als auch bei mehrsträngigen bürstenlosen Motoren verwendet werden. Bei anderen Motortypen ist die Lösung auch verwendbar, vorausgesetzt, eine Drehzahlregelung ist realisierbar.
2 zeigt eine gegenüber 1 abgewandelte Realisierungsvariante des Verfahrens. In einem ersten Schritt 20 misst die Steuereinheit die Zeit T_HH zwischen zwei Kommutierungsvorgängen und erhält so eine Information über die aktuelle Drehzahl. In einem zweiten Schritt 21 wird die Differenz ΔT zwischen dem gemessenen Wert T_HH und einem Sollwert T_{HH soll} gebildet. In Schritt 22 wird nun geprüft, ob die Differenz ΔT größer ist als ein maximal vorgegebener Wert ΔT_Max (Referenzwert). Ist ΔT > ΔT_max, dann ist die Drehzahl des Motors so gering, dass es auf einen Fehlerfall hindeutet. In diesem Fall wird ein Zähler CNT um einen Zählerschritt erhöht (Schritt 23). Der selbe Zähler CNT wird auf Null zurückgesetzt, falls ΔT <= ΔT_max ist, also der Referenzwert nicht überschritten wird (Schritt 26), wobei dann mit Schritt 27 fortgefahren wird. Wurde Schritt 23 durchlaufen und der Zähler CNT inkrementiert, wird gemäß Schritt 24 dessen Wert mit einem Grenzwert CNT_Max verglichen. Bei Überschreiten dieses Grenzwertes, also wenn CNT > CNT_Max ist, wird erfindungsgemäß ein Fehlerfall erkannt (Schritt 25) und erforderliche Maßnahmen für einen Überlastschutz getroffen.
Ist CNT < CNT_Max, dann arbeitet der Motor im zulässigen Bereich und es wird mit Schritt 27 fortgefahren. Da aber ΔT > ΔT_max war, läuft der Motor langsamer als gewünscht. Um die Soll-Drehzahl zu erreichen, muss die Drehzahl also erhöht werden. Dazu erhöht die Steuereinheit die Versorgungsspannung U_soll des Motors (Schritt 27). Ab hier wird das Verfahren mit Schritt 20 fortgesetzt.
Eine weitere Realisierungsmöglichkeit zeigt 3. Hier wird ein zu den Verfahren gemäß 1 und 2 ähnliches Konzept hardwaremäßig durch die Steuereinheit des Motors realisiert.
Ein Drehzahlregler 30 wird mittels eines Drehzahl-Differenzsignals Δn = n_ist – n_soll angesteuert. Es handelt sich zum Beispiel um einen analogen oder digitalen Drehzahlregler mit PI-Charakteristik. Als Ausgangssignal liefert der Drehzahlregler 30 eine Soll-Steuerspannung U_soll für die Ansteuerung des Motors. Es ist ein Begrenzer 31 vorgesehen, der, falls erforderlich, die Steuerspannung U_soll auf einen Maximalwert U_Max begrenzt. Die (begrenzte) Steuerspannung U_soll wird einem Modulator 32 zugeführt, der zum Beispiel eine Pulsweitenmodulation (PWM) vornimmt und eine Leistungselektronik 33 ansteuert, die mit den Wicklungen des Motors (nicht dargestellt) verbunden ist.
Falls die Steuerspannung U_soll <= U_max ist, ist keine Begrenzung von U_soll notwendig. In diesem Fall setzt der Begrenzer 31 den Wert eines binären Zählers 34 über einen Reset-Eingang 35 auf Null zurück. Der Zähler 34 zählt die Impulse eines am Zählereingang 36 anliegenden Taktsignals CLK. Solange wie U_soll > U_max ist, ist der Begrenzer 31 aktiv, und der Zähler 34 zählt die Taktsignale CLK. Die mehreren Ausgänge 37 des Zählers 34 sind mit jeweils einem Eingang einer Nicht-UND-Schaltung 38 verbunden. Der Ausgang der Nicht-UND-Schaltung 38 ist mit einem Freigabe-Eingang 39 (Enable) der Leistungselektronik 33 verbunden. Der Zähler wird hier verwendet, um die Zeitdauer der Spannungsbegrenzung zu messen. Muss die Spannung U_soll über eine längere Zeitdauer begrenzt werden, dann liegt ein Fehlerfall mit Gefahr einer Überlastung des Motors vor. Solange mindestens ein Ausgang des Zählers Null ist, gibt die Nicht-UND-Schaltung ein Freigabe-Signal aus und die Leistungselektronik kann arbeiten. Falls alle Ausgangssignale des Zählers auf 1 gesetzt worden sind, also die vorgegebene Zeit abgelaufen ist, wird das Freigabe-Signal auf Null gesetzt und die Leistungselektronik gesperrt. Der aktuelle Zählerstand wird über einen Set-Eingang 40 des Zählers eingefroren. Diese Lösung kann bevorzugt bei der Realisierung mit einem anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) verwendet werden.

10–27: Verfahrensschritt
30: Drehzahlregler
31: Begrenzer
32: Modulator
33: Leistungselektronik
34: Zähler
35: Reset-Eingang
36: Zählereingang
37: Zählerausgänge
38: Nicht-UND-Schaltung
39: Enable-Eingang
40: Set-Eingang
T_HH: Zeitdauer
T_{HH soll}: Sollwert
ΔT: Zeitdifferenz
ΔT_Max: Referenzwert
CNT: Zähler
CNT_Max: Grenzwert
Δn: Drehzahl-Differenz
n_ist: Ist-Drehzahl
n_soll: Soll-Drehzahl
u_soll: Steuerspannung
U_Max: Spannungs-Maximalwert (Referenzwert)
CLK: Taktsignal

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Lüftermotors, zur Realisierung eines Überlastschutzes, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Motors durch einen Drehzahlregler direkt oder indirekt geregelt wird, dass der Drehzahlregler überwacht wird und ermittelt wird, ob der Motor trotz der Regelung länger als eine vorgegebene Zeitdauer eine vorgegebene Soll-Drehzahl nicht erreicht, und dass in diesem Fall die Gefahr einer Überlastung des Motors erkannt wird und Maßnahmen für einen Überlastschutz ergriffen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlregler die Drehzahl direkt regelt, wobei er die tatsächliche Ist-Drehzahl mit der vorgegebenen Soll-Drehzahl vergleicht und die Wicklungsspannung des Motors so regelt, dass die Abweichung möglichst Null wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlregler die Drehzahl indirekt regelt, wobei er die Zeitdauer zwischen zwei Kommutierungssignalen mit einer vorgegebenen Zeitdauer vergleicht und die Wicklungsspannung des Motors so regelt, dass diese Abweichung zwischen den verglichenen Zeitdauern möglichst Null wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der Kommutierung des Motors durch mindestens einen Lagesensor, insbesondere durch einen Hall-Sensor, erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt der Kommutierung des Motors durch ein sensorloses Verfahren erfasst wird.
Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Lüftermotors, zur Realisierung eines Überlastschutzes, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Überwachung des Motors das Ausgangssignal eines die Drehzahl des Motors direkt oder indirekt regelnden Drehzahlreglers ausgewertet wird, und Maßnahmen für einen Überlastschutz des Motors dann eingeleitet werden, wenn das Ausgangssignal des Drehzahlreglers länger als eine vorgegebene Zeitdauer einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Drehzahlreglers die Wicklungsspannung des Motors beeinflusst.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Drehzahlreglers die Wicklungsspannung des Motors über eine Pulsweitenmodulation beeinflusst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Überwachung des Motors hinsichtlich einer möglichen Überlastung mindestens ein drehzahlabhängiges Eingangssignal eines Drehzahlreglers ausgewertet wird, und Maßnahmen für einen Überlastschutz des Motors dann eingeleitet werden, wenn die Differenz zwischen einem vorgegebenen Sollwert des Eingangssignals und dem tatsächlichen Istwert des Eingangssignals länger als eine vorgegebene Zeitdauer größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme für einen Überlastschutz des Motors eine Begrenzung der Wicklungsspannung auf einen maximalen Wert durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme für einen Überlastschutz des Motors die Soll- Drehzahl reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Maßnahme für einen Überlastschutz des Motors der Motor abgeschaltet wird.
Motorsteuerung mit Überlastschutz zum Betrieb eines Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Lüftermotors, gekennzeichnet durch: einen die Drehzahl des Motors direkt oder indirekt regelnden Drehzahlregler, Mittel zur Überwachung des Drehzahlreglers, wobei bestimmt wird, ob die Regelung länger als eine vorgegebene Zeitdauer eine vorgegebene Soll-Drehzahl nicht erreicht, und Mittel, die in diesem Fall die Gefahr einer Überlastung des Motors erkennen und Maßnahmen für einen Überlastschutz ergreifen.
Motorsteuerung nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Überwachung des Drehzahlreglers softwaremäßig in einem programmierbaren Mikrocontroller realisiert sind.
Motorsteuerung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Überwachung des Drehzahlreglers hardwaremäßig in einem integrierten Schaltkreis realisiert sind.
Motorsteuerung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis ein anwendungsspezifischer Schaltkreis oder ein programmierbarer logischer Baustein ist.