DE102005016077A1

DE102005016077A1 - Modulationsverfahren für Brückenschaltungen, insbesondere zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE102005016077A1
Application number: DE102005016077A
Authority: DE
Inventors: András LELKES
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-19
Also published as: US20060226798A1; US7397215B2

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur Modulation der Versorgungsspannung einer durch eine Brückenschaltung gespeisten elektrischen Last, insbesondere eines Elektromotors, wobei die Last in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollwertes für den aufzunehmenden Strom oder die aufzunehmende Leistung mittels Leistungsschaltern auf eine Zwischenkreisspannung geschaltet wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird ein Modulationsverfahren vorgeschlagen, bei dem anstelle des Wicklungsstromes (oder der Wicklungsströme bei mehrsträngigen Motoren) der Zwischenkreisstrom oder die Aufnahmeleistung des Motors als Istwert für die Regelung verwendet wird. Es werden die Einschaltzeitpunkte zur Modulation der Motorspannung mit einer festen Frequenz von einer Steuerung, beispielsweise einem Mikrocontroller oder einem Timer, vorgegeben. Die Ausschaltzeitpunkte werden so bestimmt, dass der Durchschnittswert des Zwischenkreisstromes einem vorgegebenen Sollwert entspricht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Modulationsverfahren für Brückenschaltungen, insbesondere zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren, auch bürstenlosen Gleichstrommotoren, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beschreibung des Standes der Technik
In bekannter Weise werden zur Ansteuerung von (bürstenlosen) Gleichstrommotoren oftmals PI Stromreglungen in Kombination mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) oder Zwei-Stufen-Stromreglungen, sogenannte „bang-bang controller" verwendet. Bei diesen Verfahren müssen jedoch die Ströme in den Motorwicklungen gemessen werden, was kostspielig ist. Ferner sind PI Regler sehr empfindlich auf Änderungen der Eingangsparameter, was zu einer Vergrößerung der Regelzeit oder Schwingungsneigung führen kann. Ferner sind Änderungen der Modulationsfrequenz bei den Zwei-Stufen-Stromreglern problematisch.
Für die Drehzahlsteuerung von bürstenlosen Motoren aber auch von Kommutatormotoren, die von einer Brückenschaltung, vgl. 1, gespeist werden, wird die Wicklungsspannung U_W durch Modulation beeinflusst. Wie es in 1 dargestellt ist, wird beispielsweise bei einem einsträngigen Gleichstrommotor 1 die einzige Statorwicklung durch einen Umrichter 2 mit mehreren Leistungsschaltern T1–T4, meistens MOSFET-Leistungstransistoren, denen entsprechende Freilaufdioden parallel geschaltet sind, mit abwechselnder Polarität auf die Zwischenkreisspannung U_DC geschaltet, so dass für die Wicklungsspannung U_W abwechselnd gilt U_W = +U_DC bzw U_W = –U_DC. Dabei leiten immer zwei Leistungsschalter gleichzeitig, zum Beispiel T1 und T4, während die anderen beiden Leistungsschalter T2 und T3 sperren. Bei der nächsten Kommutierung werden dann T1 und T4 abgeschaltet und T2 und T3 eingeschaltet.
Es sind verschiedene Modulationsverfahren für die Steuerspannung der Leistungsschalter bekannt:
Pulsweitenmodulation (PWM) ohne Stromregelung (2a):
Die Steuerspannung der Leistungsschalter wird von einem Pulsweitenmodulator 3 mit einer bestimmten Frequenz getaktet, wobei das Verhältnis von Ein- und Ausschaltzeit der Spannung vorgegeben wird. Mit dieser PWM-Spannung werden die Leistungsschalter im Umrichter 2 und dadurch der Motor 1 angesteuert. Um die Elektronik und den Motor zu schützen, muss der Motorstrom überwacht werden. Bei einem Überlastungsfall wird der Motor abgeschaltet. Das schützt zwar den Motor, kann sich aber für die Anwendung negativ auswirken.
Pulsweitenmodulation mit P1-Stromregelung (2b):
Falls eine Stromregelung benötigt wird, gibt ein Stromregler 4, meistens ein PI- oder PID-Regler, einen Spannungssollwert aus, der dem Pulsweitenmodulator 3 zugeführt wird. Nachteile dieser Methode sind eine begrenzte Dynamik, die Notwendigkeit einer Erfassung des Wicklungsstroms und die Notwendigkeit einer Parametrisierung des Reglers. Bei falsch eingestellten Parametern (P/I/D) ist der Regler zu langsam, oder er schwingt. Durch die Begrenzung der Spannung (maximal 100%) kann es zu dem so genannten Wind-up-Effekt kommen, der zusätzlich die Dynamik verschlechtern kann.
Zweipunktstromregelung (2c)
Ein Zweipunktregler 5 moduliert direkt die Leistungsschalter des Umrichters 2 und es ist kein zusätzlicher Modulator notwendig. Vorteil dieser Methode ist die sehr gute Dynamik. Außerdem gibt es keine einzustellenden Parameter, welche die Dynamik negativ beeinflussen könnten. Der einzige Parameter ist die Hysterese des Reglers, welche die Taktfrequenz beeinflusst. Nachteile der Methode sind die Notwendigkeit der Erfassung des Wicklungsstroms und die Abhängigkeit der Taktfrequenz vom Arbeitspunkt. Besonders wegen der nicht konstanten Taktfrequenz, die sowohl die thermische Dimensionierung des Leistungskreises als auch das EMV-Design erschwert, wird dieser Regler immer seltener benutzt.
Weitere Möglichkeiten sind:
Zustandsregler
Mit einem Zustandsregler kann eine bessere Dynamik erreicht werden. Die Realisierung ist jedoch komplexer als bei den beiden oben genannten Methoden. Der Reger besitzt eine große Zahl von Parametern, die keine physikalische Bedeutung aufweisen und deren Einstellung auch für Experten sehr aufwändig ist.
Fuzzy-Regler
Die Optimierung und besonders die Verifizierung solcher nicht-linearen Fuzzy-Regler ist sehr aufwändig.

Gegenstand der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Modulationsverfahren, insbesondere für Elektromotoren, zu realisieren, welches die Nachteile der bekannten Modulationsverfahren vermeidet, also beispielsweise die Notwendigkeit der Messung des Wicklungsstromes, die schlechte Dynamik, oder die Berücksichtigung einer Vielzahl von Parametern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zusätzliche Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Lösung wird der Strom im Zwischenkreis geregelt. Wird bei einem bürstenlosen Motor einer der aktiven Leistungsschalter aufgrund der Modulation abgeschaltet, fließt der Wicklungsstrom über den aktiv gebliebenen Leistungsschalter und über eine parallel zum abgeschalteten Leistungsschalter geschaltete Freilaufdiode. Dieser Strom fließt somit nicht über den Sensor zur Messung des Zwischenkreisstromes. Erfindungsgemäß werden die Einschaltzeitpunkte zur Modulation der Motorspannung mit einer festen Frequenz von einer Steuerung, beispielsweise einem Mikrocontroller oder einem Timer, vorgegeben. Die Ausschaltzeitpunkte werden so bestimmt, dass der Durchschnittswert des Zwischenkreisstromes einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Da der Zwischenkreisstrom nach dem Abschalten des zu taktenden Leistungsschalters Null ist, gilt:

Deshalb ist die Einschaltdauer (Impulsdauer ton) einfach zu bestimmen:

mit i_DC = Zwischenkreisstrom, ton = (Impulsdauer) Einschaltzeit, I_soll = Sollstrom.

In dem Fall, dass

ist, wird eine maximale PWM eingestellt, die entweder 100 % beträgt oder alternativ auf eine maximale obere Begrenzung von beispielsweise 98 % eingestellt wird.

Auf dieselbe Weise kann gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung anstelle des Zwischenkreisstromes die Aufnahmeleistung des Motors geregelt werden, da der Motor nach dem Abschalten der gepulsten Leistungsschalter keine Leistung aufnimmt, wobei gilt:

Also:

Erfindungsgemäß wird also ein Modulationsverfahren vorgeschlagen, bei dem anstelle des Wicklungsstromes (oder der Wicklungsströme bei mehrsträngigen Motoren) der Zwischenkreisstrom oder die Aufnahmeleistung des Motors als Istwert für die Regelung verwendet wird. Der Zwischenkreisstrom bzw. die Aufnahmeleistung ist einfacher zu messen, da das elektrische Potential der Zwischenkreisschiene unverändert bleibt, während das Potential der von einer Brückenschaltung gespeisten Motorwicklung schnellen und ständigen Änderungen unterworfen ist. Der Regler benötigt keine Einstellung von Parametern, so dass die Dimensionierung und die Inbetriebnahme wesentlich vereinfacht werden. Er weist eine hohe Dynamik auf und kann sowohl mit analoger als auch mit digitaler Technik einfach realisiert werden. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass die Modulationsfrequenz konstant gehalten werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines einsträngigen, bürstenlosen Gleichstrommotors mit Leistungselektronik in Brückenschaltung;
2 zeigt verschiedene schaltungstechnische Realisierungen von Steuerungssystemen nach dem Stand der Technik;
3 zeigt schematisch eine Steuerschaltung zur Modulation der Leistungsschalter gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
4 zeigt schematisch eine Steuerschaltung zur Modulation der Leistungsschalter gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
5 zeigt schematisch eine Steuerschaltung zur Modulation der Leistungsschalter gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung;
6 zeigt schematisch eine Steuerschaltung zur Modulation der Leistungsschalter gemäß vierten Ausgestaltung der Erfindung;
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
Im Ausführungsbeispiel nach 3 wird der Strom im Zwischenkreis geregelt, das heißt der Messwert des Zwischenkreisstroms i_DC wird mittels eines Integrierers 6 aufintegriert und das Integral mittels eines Komparators 7 mit dem Wert T·I_soll, d.h. Sollwert des Motorstromes I_soll multipliziert mit der Periodendauer T, verglichen. Erreicht das Integral diesen Wert T·I_soll, wird der gepulste Leistungsschalter abgeschaltet. Wird der Schalter periodisch eingeschaltet und gleichzeitig der Integrierer gestartet, arbeitet der Stromregler mit einer konstanter Frequenz f = 1/T.
Auf dieselbe Weise kann gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung anstelle des Zwischenkreisstromes die Aufnahmeleistung des Motors geregelt werden, da der Motor nach dem Abschalten der gepulsten Leistungsschalter keine Leistung aufnimmt. Die entsprechende Realisierung eines solchen leistungsbezogenen Reglers ist in 4 zu sehen. Die Messwerte des Zwischenkreisstroms i_DC und der Zwischenkreisspannung U_DC werden multipliziert und mittels eines Integrierers 6 aufintegriert. Das Integral wird mittels eines Komparators 7 mit dem Wert T·P1_soll, d.h. Sollwert der aufgenommenen Motorleistung P_1soll multipliziert mit der Periodendauer T, verglichen. Erreicht das Integral diesen Wert T·P_1soll, wird der gepulste Leistungsschalter abgeschaltet. Wird der Schalter periodisch eingeschaltet und gleichzeitig der Integrierer gestartet, arbeitet der Regler mit einer konstanten Frequenz.
Die Regelung kann aus diskreten Bausteinen aufgebaut werden, oder in einen Mixed-Signal ASIC integriert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung programmierbarer digitaler und/oder analoger Bausteine.
5 zeigt eine beispielhafte Realisierung. Ein Impulsgeber 9 startet den Vorgang periodisch mit einer Periodendauer T. Damit bestimmt er die Schaltfrequenz der Modulation. Mit dem Startimpuls wird der Integrierer 6 zurückgesetzt und der Ausgang eines hier aus NOR-Gattern aufgebauten RS-Flip-Flops 10 auf High gesetzt. Damit wird der gepulste Leistungsschalter in der Brückenschaltung eingeschaltet. Erreicht der Integrierer 6 den voreingestellten Grenzwert T·I_soll, wird das Flip-Flop 10 durch den Komparator 7 zurückgesetzt. Damit wird der angesteuerte Leistungsschalter abgeschaltet. Statt des statischen Flip-Flops 10 können natürlich auch flankengesteuerte Flip-Flops verwendet werden.
6 zeigt eine beispielhafte Realisierung der Erfindung mit einem Mikrocontroller (μC) 11. Hier wird ein periodisches Startsignal für den Integrationsvorgang und das Einschalten des angesteuerten Leistungsschalters im Mikrocontroller 11 intern erzeugt, entweder softwaremäßig oder über einen internen Timer-/Zähler-Baustein. Der Ausgang des Komparators 7 wird in den Mikrocontroller zurückgeführt. Das Ausgangssignal des Komparators 7 kann entweder softwaremäßig vom Mikrocontroller 11 periodisch abgefragt werden („polling"), oder das Signal kann auf einen Interrupteingang des Mikrocontrollers geleitet werden. In diesem Fall erzeugt die Schaltflanke des Komparatorausgangssignals einen Interrupt. Eine entsprechende Interruptroutine schaltet dann den angesteuerten Leistungsschalter aus. Es existieren auch Mikrocontroller mit integriertem analogem Komparator. In diesem Fall kann anstelle eines externen analogen Komparators 7 der interne analoge Komparator verwendet werden.
Wird ein schneller digitaler Signalprozessor (DSP) verwendet, kann auf einen externen Integrierer 6 verzichtet werden. Hier kann der DSP den analogen Messwert i_DC mittels eines integrierten schnellen Digital-Analog-Wandlers digitalisieren und den Wert softwaremäßig, digital aufintegrieren. Nach einem Vergleich des aufintegrierten Wertes mit einem vorgegebenen Grenzwert kann der DSP direkt und ohne zusätzliche, externe Bausteine die Leistungsschalter steuern. Selbstverständlich erledigt in diesen Beispielen der Mikrocontroller bzw. der DSP nicht nur die für die Stromregelung notwendige Modulation der Leistungsschalter sondern bei bürstenlosen Motoren auch die Kommutierung nach einer bekannten Methode.
Das erfindungsgemäße Prinzip kann auch für die Steuerung von mehrsträngigen Motoren verwendet werden. Zum Beispiel bei dreisträngigen bürstenlosen Motoren werden meistens nur zwei von drei Leistungsschaltern (ein Leistungsschalter pro Strang) gleichzeitig eingeschaltet. Für die Regelung des Motors wird einer der beiden Leistungsschalter getaktet. Wird dieser Leistungsschalter abgeschaltet, fließt im Zwischenkreis kein Strom. Deshalb kann hier das gleiche erfindungsgemäße Prinzip verwendet werden.
Bei einer Lüfter- oder Pumpenanwendung steigt die Wellenleistung des Motors mit der dritten Potenz der Drehzahl. Unter der Annahme, dass der Motorwirkungsgrad ungefähr konstant bleibt, gilt das gleiche auch für die Aufnahmeleistung. Deshalb kann die Motordrehzahl über den Führungswert I₁ (Eingangsstrom) oder P₁ (elektrische Aufnahmeleistung) direkt gesteuert werden. Mit geeigneter Kompensation kann sogar die Wellenleistung also die mechanische Abgabeleistung des Motors abgebildet und dadurch direkt mit dem gleichen grundsätzlichen Verfahren geregelt werden. Bei anderen Anwendungen kann es sinnvoll sein, eine Kaskadenregelung aufzubauen. Der innere Regelkreis regelt den Eingangsstrom oder die Aufnahmeleistung der Brückenschaltung nach dem erfindungsgemäßen Prinzip. Der überlagerte Regelkreis regelt zum Beispiel die Motordrehzahl. Somit kann unter anderem ein hochdynamischer Servoantrieb realisiert werden.
Das Regelverfahren ist naturgemäß nicht auf Motoranwendungen beschränkt. Vielmehr kann es auch bei beliebiger elektrischer Last verwendet werden, die von einer Brückenschaltung oder von einer ähnlichen leistungselektronischen Schaltung gespeist wird. Die einzige Voraussetzung ist, dass die zu regelnde Messgröße nach dem Abschalten des gepulsten Leistungsschalters Null werden muss. Wenn diese Voraussetzung erfüllt wird, können die Gleichungen (1) bis (4) in dieser oder in einer modifizierten Form für die Regelung bzw. für die Modulation verwendet werden.

1: Motor/elektrische Last
2: Umrichter (Leistungselektronik)
3: Pulsweitenmodulator
4: Stromregler
5: Zweipunktregler
6: Integrierer
7: Komparator
8: Multiplizierer
9: Impulsgeber
10: Flip-Flop (bistabile Kippschaltung)
11: Mikrocontroller

Claims

Verfahren zur Modulation der Versorgungsspannung einer durch eine Brückenschaltung gespeisten elektrischen Last, wobei die Last in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollwertes für den aufzunehmenden Strom i_soll mittels einer Leistungselektronik auf eine Zwischenkreisspannung U_DC geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsmodulation mit einer Periode T durchgeführt wird, wobei die Einschaltzeitpunkte vorgegeben werden, und die Abschaltzeitpunkte so gewählt werden, dass das Integral des Zwischenkreisstromes i_DC über die Zeitdauer T einem vorgegebenen Sollwert T I_soll entspricht.
Verfahren zur Modulation der Versorgungsspannung einer durch eine Brückenschaltung gespeisten elektrischen Last, wobei die Last in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollwertes für die aufzunehmende Leistung P_1soll mittels einer Leistungselektronik auf eine Zwischenkreisspannung U_DC geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsmodulation mit einer Periode T durchgeführt wird, wobei die Einschaltzeitpunkte vorgegeben werden, und die Abschaltzeitpunkte so gewählt werden, dass das Integral der aufgenommenen Leistung P₁ = u_DC i_DC über die Zeitdauer T einem vorgegebenen Sollwert T P_1soll entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Last ein Gleichstrommotor verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Last ein bürstenloser Gleichstrommotor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Statorwicklung des Gleichstrommotors mittels der Leistungselektronik in Abhängigkeit der Rotorlage mit abwechselnder Polarität auf die Zwischenkreisspannung U_DC geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrommotor mehrere Statorwicklungen aufweist, die mittels der Leistungselektronik in Abhängigkeit der Rotorlage einzeln oder zu mehreren auf die Zwischenkreisspannung U_DC geschaltet werden.
Steuerungseinrichtung zur Modulation der Versorgungsspannung einer durch eine Brückenschaltung gespeisten Last, wobei die Last in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollwertes für den aufzunehmenden Strom i_soll mittels einer Leistungselektronik auf eine Zwischenkreisspannung U_DC geschaltet wird, gekennzeichnet durch einen Impulsgeber (9) zur Ausgabe von Impulsen mit der Periodendauer T, einen Integrierer (6) zur Integration des Zwischenkreisstromes i_DC über die Zeitdauer T, wobei der Integrierer durch die Impulse des Impulsgebers zurückgesetzt wird, einen Komparator (7) zum Vergleichen des aufintegrierten Wertes mit einem vorgegebenen Sollwert T·I_soll, wobei der Komparator bei Überschreiten des Sollwertes ein Signal abgibt, ein bistabiles Kippglied (10), das durch die Impulse des Impulsgebers in einen ersten Zustand geschaltet wird und durch das Signal des Komparators in einen zweiten Zustand geschaltet wird.
Steuerungseinrichtung zur Modulation der Versorgungsspannung einer durch eine Brückenschaltung gespeisten Last (1), wobei die Last in Abhängigkeit eines vorgegebenen Sollwertes für die aufzunehmenden Leistung P_1soll mittels einer Leistungselektronik (2) auf eine Zwischenkreisspannung U_DC geschaltet wird, gekennzeichnet durch einen Impulsgeber (9) zur Ausgabe von Impulsen mit der Periodendauer T, einen Integrierer (6) zur Integration der aufgenommenen Leistung P₁ = u_DC i_DC über die Zeitdauer T, wobei der Integrierer durch die Impulse des Impulsgebers zurückgesetzt wird, einen Komparator (7) zum Vergleichen des aufintegrierten Wertes mit einem vorgegebenen Sollwert T·P_1soll, wobei der Komparator bei Überschreiten des Sollwertes ein Signal abgibt, ein bistabiles Kippglied (10), das durch die Impulse des Impulsgebers in einen ersten Zustand geschaltet wird und durch das Signal des Komparators in einen zweiten Zustand geschaltet wird.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie diskrete elektronische Bauelemente umfasst.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Mikrocontroller (11) oder einen digitalen Signalprozessor umfasst.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Last (1) ein Elektromotor ist.
Steuerungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Last (1) ein bürstenloser Elektromotor ist.
Steuerungseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik ein Umrichter in Brückenschaltung ist.