DE102005002327A1

DE102005002327A1 - Elektronisch kommutierter Elektromotor und Verfahren zur Steuerung eines solchen

Info

Publication number: DE102005002327A1
Application number: DE200510002327
Authority: DE
Inventors: Konstantin Dornhof
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2005-08-11
Also published as: EP1711996A1; WO2005076455A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor (10) mit mindestens einem Statorwicklungsstrang (12, 14) und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Motors. Um Leistungsverluste zu reduzieren, werden ein Elektromotor (10) und ein Steuerverfahren vorgeschlagen, wobei die Dauer (T-t) der Impulspausen der Steuersignale zur Bestromung des mindestens einen Statorwicklungsstrangs (12, 14) im Wesentlichen konstant ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Elektromotor und ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Motors.
Es ist bekannt, elektronisch kommutierte Elektromotoren unter Verwendung des sogenannten PWM-Verfahrens (Pulsweitenmodulation oder Impulsweitenmodulation) anzusteuern. Die kommutierungsabhängigen Stromimpulse werden dabei dem Motor mit einer konstanten Taktfrequenz zugeführt (Periodendauer T=konstant). Die Impulsdauer t der Stromimpulse ist variabel.
Die an der Endstufe des Motortreibers auftretenden Verluste setzen sich im Wesentlichen zusammen aus Verlusten beim Ein- und Ausschalten der Leistungstransistoren (Schaltverlusten) und Verlusten am inneren Widerstand R_DS der Leistungstransistoren im leitenden Zustand (Leitverlusten).
Eine Veränderung des Motorstromes wird durch Veränderung des Tastverhältnisses t/T erreicht. Bei PWM-Verfahren bleibt die Periodendauer T konstant. Dies gilt gleichermaßen für die Größe der Schaltverluste. Die Leitverluste hängen hingegen von der Impulsdauer t ab und steigen proportional zur Motorleistung an.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verlustleistung eines elektronisch kommutierten Elektromotors zu verringern. Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.

Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, den Wert T-t, also die Dauer der Impulspausen, dauerhaft oder zumindest über einen wesentlichen Arbeitsbereich konstant zu halten. Eine Veränderung des Motorstromes wird erfindungsgemäß durch Anpassung von Periodendauer T bzw. Impulsdauer t bei konstanter Größe T-t erreicht. Mit anderen Worten sind, im Gegensatz zu herkömmlichen PWM-Verfahren, sowohl Periodendauer T als auch Impulsdauer t variabel einstellbar.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Höhe der Schaltverluste von der Motorleistung abhängig. Das Verfahren ist bei vergleichsweise hohen Motorleistungen besonders effizient einsetzbar, da aufgrund der verlängerten Periodendauer T und der damit verbundenen Verringerung der Taktfrequenz 1/T des Schaltsignals die Schaltverluste mit ansteigenden Motorleistungen proportional abnehmen. Die gleichzeitig ansteigenden Leitverluste am inneren Widerstand der Leistungstransistoren werden teilweise ausgeglichen.

Der Wert der Impulspause T-t wird vorzugsweise derart eingestellt, dass eine geräuscharme Arbeitsweise gewährleistet ist. Dies ist insbesondere bei Periodendauern T ≤ 50 μs der Fall. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die konstante Dauer der Impulspause T-t je nach Anwendungsfall variabel eingestellt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, bei vergleichsweise niedrigen Motorleistungen ein herkömmliches PWM-Verfahren (T=konstant) einzusetzen und nach Erreichen definierter Grenzparameter bei höheren Motorleistungen das erfindungsgemäße Verfahren (T-t=konstant) einzusetzen. Damit kann die Summe aller über den gesamten Arbeitsbereich auftretenden Verluste minimiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei sehr hohen Leistungen am Rande des Arbeitsbereiches, also nahe 100% der Maximalleistung, die Dauer der Impulspause „weich" auf Null reduziert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die maximale Leistung des Motors zur Verfügung steht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei sehr niedrigen Leistungen, also in einem Niederleistungsbereich von 0 bis 5% der Maximalleistung, die Impulsdauer t konstant gehalten. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass auch solche niedrigen Leistungen einfach geregelt werden können.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
1 ein stark vereinfachtes Schaltbild eines elektronisch kommutierten Elektromotors,
2 ein Impulsdiagramm nach dem PWM-Verfahren (Stand der Technik),
3 ein Impulsdiagramm nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, und
4 einen Vergleich der Verlustleistungen bei einem PWM-Verfahren (Kurve A) und dem erfindungsgemäßen Verfahren (Kurve B).
1 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines zweisträngigen Elektromotors, wie er mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor 10 weist zwei Statorwicklungsstränge 12, 14 und einen (nur symbolisch dargestellten) permanentmagnetischen Rotor 16 auf, in dessen Nähe ein Hallgenerator 18 angeordnet ist. Der Strang 12 liegt in Serie mit einem ersten Leistungstransistor (MOSFET) 20 und der Strang 14 liegt in Serie mit einem zweiten Leistungstransistor (MOSFET) 22. Die Source-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 20, 22 bzw. die Emitter bei bipolaren Transistoren sind über einen gemeinsamen Source- bzw. Emitterwiderstand 24 mit einer Minusleitung 26 verbunden. Die Stränge 12, 14 sind mit einer Plusleitung 28 verbunden. Plusleitung 28 und Minusleitung 26 sind im Betrieb mit einem Netzgerät (nicht dargestellt) oder einer Batterie verbunden. Die Stränge 12, 14 sind gewöhnlich über das Eisen des Statorblechpaketes transformatorisch miteinander gekoppelt.
Das Ausgangssignal des Hallgenerators 18 wird den beiden Eingängen IN1 und IN2 eines Mikrocontrollers (μC) 30 zugeführt. Der μC 30 ist mit seinem Anschluss VCC an die Plusleitung 28 und mit seinem Anschluss GND an die Minusleitung 26 angeschlossen. Der μC 30 erzeugt Signale OUT1 und OUT2 zur Steuerung der Leistungstransistoren 20, 22 und bewirkt gleichzeitig eine Blockiersicherung des Motors. Das Signal OUT1 wird über einen Widerstand 32 dem Gate des Transistors 20 zugeführt. In gleicher Weise wird das Signal OUT2 über einen Widerstand 34 dem Gate des Transistors 22 zugeführt. Das Gate des ersten Transistors 20 ist über einen Widerstand 36 mit der Minusleitung 26 verbunden. In gleicher Weise ist das Gate des zweiten Transistors 22 über einen Widerstand 38 mit der Minusleitung 26 verbunden.
Bei den Signalen OUT1 und OUT2 handelt es sich um Steuersignale entsprechend einem erfindungsgemäßen Steuerverfahren. Die Leistungstransistoren 20, 22 werden demnach mit einer im Wesentlichen konstanten Impulspause T-t angesteuert. Die Ansteuersignale U_G zur Ansteuerung der Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 20, 22 sowie die daraus resultierende Drainspannung U_D am Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors 20 sind schematisch dargestellt.
Zur Steuerung des Elektromotors 10 wird vorzugsweise ein Drehzahlregler (im μC 30) verwendet, mit dessen Hilfe die Impulsdauer t der Steuerimpulse als relevante Stellgröße beeinflusst wird. Anstelle eines Drehzahlreglers kann selbstverständlich auch ein Drehmomentregler verwendet werden. Die Steuersignale werden mittels in dem μC 30 ablaufenden Programm- oder Steuerroutinen erzeugt. Das erfindungsgemäße Steuerverfahren ist auf einen herkömmlichen Elektromotor ohne größere Modifikationen anwendbar. Lediglich eine entsprechende Änderung in der Konfiguration bzw. der Programmierung des μC 30 ist erforderlich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann man den μC 30 derart ausbilden, dass er in Abhängigkeit von einem vorbestimmten oder während des Betriebes des Motors dynamisch bestimmten Grenzwert zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und einem PWM-Verfahren oder einem anderen Steuerverfahren wechselt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann man den μC 30 derart ausbilden, dass den Leistungstransistoren 20, 22 bei sehr geringen Leistungen, insbesondere in einem Bereich von 0 bis 5% der Maximalleistung, Steuersignale OUT1 und OUT2 mit konstanter Impulsdauer t zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann man den μC 30 derart ausbilden, dass die Steuersignale OUT1 und OUT2 im Bereich der Maximalleistung von 100% überhaupt keine Impulspausen T-t aufweisen, was man auch als Blocksteuerung bezeichnet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Elektromotor 10 die folgenden bevorzugten Kennwerte auf:
Als besonders vorteilhaft haben sich bei einem Gleichstrommotor mit einer Maximalleistung von 10-50W Impulspausen T-t von 10 μs erwiesen.
Nachfolgend werden die Endstufenverluste für eine zweisträngige Leistungsendstufe dargestellt, wobei davon ausgegangen wird, dass das Impulspausenverhältnis 1:1 beträgt. Aufgrund der engen transformatorischen Kopplung der beiden Spulen wird keine Energie an die Last abgegeben.
ES gilt: PVerlust = PLeitverlust + PSchaitverlust
Die Verluste für ein ein herkömmliches PWM-Verfahren errechnen sich wie folgt: PLeitverlust = I2·RDS·tPWM/TPWM = I2·RDS·0.5·(PLeistung + PLeistung max)/PLeistung max PSchaltverlust ≈ (I/2)2·U·tPWM/TPWM
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren errechnen sich die Verluste hingegen wie folgt: PLeitverlust = I2·RDS·t/T = I2·RDS·0.5·(PLeistung + PLeistung max)/PLeistung max PSchaltverlust ≈ (I/2)2·U·t/(2·(T-t)·PLeistung max/(PLeistung max – PLeistung))
Eine Besonderheit der Schaltung aus 1 besteht darin, dass durch die transformatorische Kopplung der Statorwicklungsstränge erst bei einem Pulspausenverhältnis t zu T-t von 50 % zu 50 % ein effektives Drehmoment in dem Elektromotor 10 auftritt und dieser eine Leistung erzeugt. Bei einem Pulspausenverhältnis von 50 % zu 50 % erzeugt der Elektromotor 10 somit die Leistung P = 0, bei einem Pulspausenverhältnis von t > T/2 zu T-t erzeugt der Elektromotor 10 eine Leistung P > 0, und bei einem Pulspausenverhältnis von 100 zu 0 % erzeugt der Elektromotor 10 seine Maximalleistung P = P_max. Diese Art der Schaltung ist vorteilhaft, da sie nur geringe Geräusche erzeugt.
Die Schaltung aus 1 ist modifizierbar, indem eine Rückkopplungsdiode eingefügt wird, oder indem sie als eine Vollbrückenschaltung ausgebildet wird. In diesen Fällen erzeugt der Motor bereits bei einem Pulspausenverhältnis t > 0 % zu T-t eine Leistung P > 0.
In 2 ist die Spannungskennlinie einer Motoransteuerung abgebildet, bei der die Spannung U_D am Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors 20 bzw. 22 als Funktion der Zeit t aufgetragen ist, und die mit dem aus dem Stand der Technik bekannten PWM-Verfahren betrieben wird. Die Kennlinie ist durch eine konstante Periodendauer T_PWM gekennzeichnet. Die Dauer t_PWM der Impulse 40, 42, 44 und damit auch die Dauer T_PWM–t_PWM der Impulspause 46, 48, 50 variiert je nach gewünschter Motorleistung. Die Höhe der Schaltverluste ist dabei konstant, da in jeder Periode genau zwei Schaltvorgänge stattfinden. Die Höhe der am inneren Widerstand R_DS des Leistungstransistors 20, 22 auftretenden Leitverluste ist von der Impulsdauer t_PWM abhängig, während der der Leistungstransistor 20, 22 den Strom leitet.
3 zeigt eine Spannungskennlinie, bei der die Spannung U_D (vgl. 1) am Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors 20 bzw. 22 als Funktion der Zeit t aufgetragen ist, für eine Motoransteuerung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Während die Periodendauer T und die Dauer t der Impulse 52, 54, 56 variabel sind, wird die Dauer T-t der Impulspause 58, 60, 62 konstant gehalten. Die Höhe der Schaltverluste ist nicht mehr konstant, sondern von der Motorleistung abhängig. Dabei sind die Schaltverluste bei hohen Motorleistungen besonders gering.
Einen Vergleich der Verlustleistungen bei einem PWM-Verfahren und dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt 4 am Beispiel eines 50W-Elektromotors. Bei der Anwendung eines bekannten PWM-Verfahrens steigen die Verluste mit zunehmender Motorleistung an (Kurve A). Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Verlustkurve einen Maximalwert, der bereits bei vergleichsweise geringer Motorleistung (hier 10W) erreicht wird. Mit zunehmender Motorleistung nehmen dann die Gesamtverluste stetig ab (Kurve B).
Es wird deutlich, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die mit zunehmender Motorleistung ansteigenden Leitverluste am inneren Widerstand der Leistungstransistoren durch die deutliche Abnahme der Schaltverluste überkompensiert werden. Im vorliegenden Beispiel sind die Gesamtverluste bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ab einer Leistung von etwa 30W geringer als bei einem herkömmlichen PWM-Verfahren.
Besonders vorteilhaft ist es daher, das erfindungsgemäße Verfahren mit dem bekannten PWM-Verfahren zu kombinieren. Dabei können die Gesamtverluste minimiert werden. Im vorliegenden Beispiel kann z. B. eine Ansteuerung des Elektromotors mit Hilfe des PWM-Verfahrens bis zu einer Leistung von 30W vorgesehen werden. Bei höheren Motorleistungen findet dann das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung. Versuche haben gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren besonders effizient in einem Leistungsbereich oberhalb von 50% der Maximalleistung eingesetzt werden kann. Ganz besonders effizient ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Leistungsbereich oberhalb von 60% der Maximalleistung des Elektromotors.

10: Elektromotor
12: erster Statorwicklungsstrang
14: zweiter Statorwicklungsstrang
16: Rotor
18: Hallgenerator
20: erster MOSFET
22: zweiter MOSFET
24: Source- bzw. Emitterwiderstand
26: Minusleitung
28: Plusleitung
30: Mikrocontroller
32: Widerstand
34: Widerstand
36: Widerstand
38: Widerstand
40: Impuls
42: Impuls
44: Impuls
46: Impulspause
48: Impulspause
50: Impulspause
52: Impuls
54: Impuls
56: Impuls
58: Impulspause
60: Impulspause
62: Impulspause

Claims

Elektronisch kommutierter Elektromotor (10) mit einem Rotor (16) und einem Stator mit mindestens einer Statorwicklung (12, 14), wobei der Statorwicklung (12, 14) ein elektronisches Steuerungselement (20, 22) zugeordnet ist, das durch ein Steuersignal ein- und ausschaltbar ist, welches Steuersignal zumindest in einem vorgegebenen Leistungsbereich während der Bestromung der Statorwicklung (12, 14) aufeinanderfolgende Impulse (52, 54, 56) mit einer Impulsdauer (t) sowie die Impulse (52, 54, 56) trennende Impulspausen (58, 60, 62) aufweist, wobei die Dauer (T-t) der Impulspausen (58, 60, 62) im Wesentlichen konstant ist.
Elektromotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Dauer (T-t) der Impulspausen (58, 60, 62) in einem ersten Arbeitsbereich des Elektromotors (10) im Wesentlichen konstant ist und in wenigstens einem zweiten Arbeitsbereich des Elektromotors (10) variabel ist.
Elektromotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dauer (T-t) der Impulspausen (58, 60, 62) in einem oberhalb von 50% der Maximalleistung des Elektromotors (10) gelegenen Arbeitsbereich im Wesentlichen konstant ist.
Elektromotor (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Periodendauer (T) der Impulse (52, 54, 56) in einem Arbeitsbereich unterhalb von 50% der Maximalleistung des Elektromotors (10) im Wesentlichen konstant ist.
Elektromotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dauer (T-t) der Impulspausen (58, 60, 62) in einem Arbeitsbereich oberhalb von 95% der Maximalleistung des Elektromotors (10) im Wesentlichen gleich Null ist.
Elektromotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dauer (t) der aufeinanderfolgenden Impulse (52, 54, 56) in einem Arbeitsbereich von 0 bis 5% der Maximalleistung des Elektromotors (10) im Wesentlichen konstant ist.
Elektromotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Drehzahlregler, durch den als Stellgröße die Dauer (t) der aufeinanderfolgenden Impulse (52, 54, 56) beeinflussbar ist.
Elektromotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Drehmomentregler, durch den als Stellgröße die Dauer (t) der aufeinanderfolgenden Impulse (52, 54, 56) beeinflussbar ist.
Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Elektromotors (10), welcher einen Rotor (16) und einen Stator mit mindestens einer Statorwicklung (12, 14) und ein der Statorwicklung (12, 14) zugeordnetes elektronisches Steuerungselement (20, 22) aufweist, mit folgenden Schritten: a) das Steuerungselement (20, 22) wird während der Bestromung der Statorwicklung (12, 14) durch ein Steuersignal ein- und ausgeschaltet, welches Steuersignal aufeinanderfolgende Impulse (52, 54, 56) mit einer Impulsdauer (t) sowie die Impulse (52, 54, 56) trennende Impulspausen (58, 60, 62) aufweist, b) die Impulsdauer (t) wird zur Beeinflussung des Elektromotors (10) variiert, wobei die Dauer (T-t) der Impulspausen (58, 60, 62) im Wesentlichen konstant gehalten wird.