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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines mehrphasigen
bürstenlosen
Elektromotors, wobei die den Phasen zugeordneten Motorphasenströme durch
getaktete Variationen des jeweils anliegenden elektrischen Potenzials
erzeugt werden. Die Erfindung betrifft weiter eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens zur Regelung.
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Bürstenlose
Elektromotoren werden durch wechselweises Beschalten ihrer Wicklungen
oder Spulen derart angesteuert, dass sich ein rotierendes magnetisches
Feld ergibt, welches ein mechanisches Drehmoment zwischen dem Stator
und dem Rotor des Elektromotors hervorruft. Zur Erzeugung des rotierenden
magnetischen Feldes enthält
ein derartiger Elektromotor mindestens zwei, häufig drei Spulen, die zueinander
um einen Winkel versetzt bezüglich
der Rotorachse angeordnet sind. Häufig sind die Spulen und damit
das rotierende magnetische Feld dem Stator des Elektromotos zugeordnet,
während
der Rotor einen Permanentmagneten umfasst.
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Die
den Wicklungen oder Spulen des Elektromotors zugeordneten Ströme werden
insbesondere als Motorphasenströme
bezeichnet. Durch die Motorphasenströme werden in den Wicklungen
die Phasen des rotierenden magnetischen Feldes erzeugt, die sich
zu dem Gesamtfeld addieren. Sind die Wicklungen des Elektromotors
sternförmig
geschaltet, so entsprechen die in den Zuleitungen gemessenen Ströme den Motorphasenströmen.
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Zur
Ansteuerung von bürstenlosen
Elektromotoren werden Umrichter verwendet, die intelligent zwischen
den Potenzialen eines Gleichspannungskreises schalten, wodurch die
gewünschten
Motorphasenströme
erzeugt werden. Dabei ist jeder Zuleitung einer Wicklung des Elektromotors
ein Paar von Schaltern oder Transistoren zugeordnet, die ein Umschalten
zwischen den beiden Potenzialen des Gleichspannungskreises erlauben.
Auf diese Weise werden die den Phasen zu geordneten Motorphasenströme durch
getaktete Variation des jeweils anliegenden elektrischen Potenzials
erzeugt.
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Bürstenlose
Elektromotoren sind weit verbreitet. Sie werden ebenso als Antrieb
eines Festplattenlaufwerks wie als Fahrzeugantrieb eingesetzt. Weiter
finden bürstenlose
Elektromotoren Verwendung bei Haushaltsgeräten, wie Kühlschränken und Waschmaschinen. Sie
sind auch eingesetzt in Lüftern,
Kompressoren oder Pumpen.
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Zur
Regelung eines bürstenlosen
Elektromotors ist es günstig,
die Motorphasenströme
zu kennen. Überschreitet
beispielsweise ein Motorphasenstrom einen vorgegebenen Sollwert,
so kann dies zur Überhitzung
des Elektromotors und damit zu einer unnötigen Energieaufnahme bis hin
zu einer Zerstörung
der zugeordneten Elektronik führen.
Weiter ist die Kenntnis der Motorphasenströme wichtig, um das Drehmoment
des Elektromotors einstellen zu können. Zudem kann es ohne Überwachung
der Motorphasenströme
in einem bürstenlosen
Elektromotor zu einer Oszillation der Motorphasenströme kommen.
Durch Schwebung können
hierbei wiederum für die
Energieaufnahme oder die Elektronik nachteilige Spitzenwerte eines
Motorphasenstroms entstehen.
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Werden
die Motorphasenströme
in den jeweiligen Zuleitungen gemessen, so sind nachteiligerweise
entsprechend viele Stromsensoren und damit eine entsprechend aufwändige Auswerteelektronik erforderlich.
Da sich die Motorphasenströme
beispielsweise bei einer sternförmigen
Beschaltung des Elektromotors gemäß der Kirchhoff'schen Knotenregel
addieren, kann die Zahl der notwendigen Stromsensoren auch reduziert
werden und ein nicht direkt gemessener Motorphasenstrom aus den
gemessenen Motorphasenströmen
abgeleitet werden. Diese Ableitung des oder der nicht gemessenen
Motorphasenströme
erfordert jedoch nachteiligerweise wiederum entsprechenden Aufwand
und verteuert die Auswerteelektronik.
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In
der WO 03/105329 A1 wird zur Ansteuerung und zur Regelung eines
bürstenlosen
Elektromotors vorgeschlagen, die Motorphasenströme durch einen einzigen in
einer gemeinsamen Rückleitung
der Motorphasenströme
angeordneten Stromsensor zu messen. Damit mittels des einzigen Stromsensors
jedoch die Motorphasenströme
gemessen werden können,
ist nachteiligerweise eine kom plizierte Synchronisation der Taktung
des den Wicklungen jeweils anliegenden elektrischen Potenzials notwendig.
Weiter wird zur Messung der Motorphasenströme eine schnelle Sample-Einrichtung
erforderlich. Die Synchronisation des Stromsensors mit den Schaltzuständen ist
aufwändig
und erfordert zudem teuere Regelungseinheiten.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Regelung eines mehrphasigen
bürstenlosen Elektromotors
der eingangs genannten Art anzugeben, wobei in einfacher Art und
Weise und kostengünstig
die Motorphasenströme
berücksichtigt
werden.
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Diese
Aufgabe wird für
ein Verfahren zur Regelung eines mehrpasigen bürstenlosen Elektromotors, wobei
die den Phasen zugeordneten Motorphasenströme durch getaktete Variation
des jeweils anliegenden elektrischen Potenzials erzeugt werden und
die Motorphasenströme
dem Elektromotor über eine
gemeinsame Rückleitung
abfließen,
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass in der Rückleitung
der Stromspitzenwert erfasst wird und Eingang in eine Regelgröße findet.
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Die
Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung
aus, dass die Erfassung der momentanen Motorphasenströme zur Regelung des
Elektromotors unnötig
viele Informationen beinhaltet. So ist beispielsweise der zeitliche
Verlauf jedes Motorphasenstroms für die Regelung nicht unbedingt
erforderlich. Vielmehr ist es hinsichtlich einer Wirkungsgradoptimierung
ausreichend, Kenntnis über
den in einer Periode auftretenden Maximalwert eines Motorphasenstroms
zu haben. Es genügt
also, für
jeden Takt der Variation des jeweils anliegenden elektrischen Potenzials
Kenntnis über
die Größe des momentan
größten Motorphasenstroms
zu haben.
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Weiter
geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass bei der üblichen
Beschaltung eines bürstenlosen
Elektromotors das die Taktung der Variation des Potenzials erzeugende
Umschaltemittel von einem Gleichspannungskreis gespeist wird. Bei
einer derartigen Beschaltung fließen die Motorphasenströme im Elektromotor über eine
gemeinsame Rückleitung
ab. Insofern beinhaltet der in der gemeinsamen Rückleitung gemessene Strom ein
Abbild der einzelnen Motorphasenströme.
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Schließlich erkennt
die Erfindung in einem dritten Schritt, dass sich dann, wenn die
Motorphasenströme
durch getaktete Variation des jeweils anliegenden elektrischen Potenzials
erzeugt werden, sich auch innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer, die
durch den Takt bestimmt ist, sich auch derjenige Potenzialbeschaltungszustand
einstellt, der den jeweiligen Maximalwert aller Motorphasenströme in die Rückleitung
einleitet. Dies liegt darin begründet,
dass sich der eher träge
Motorphasenstrom jeweils aus den einzelnen getakteten Potenzialvariationen
ergibt.
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In
Erkenntnis dieser Gegebenheit genügt es demnach, in der gemeinsamen
Rückleitung
einen Stromspitzenwert zu erfassen. Der innerhalb eines Zeitraumes
erfasste Stromspitzenwert entspricht dann dem innerhalb dieses Zeitraumes
vorliegenden Spitzenwert aller Motorphasenströme. Da die Motorphasenströme phasenverschoben
sind, wird auf diese Art und Weise abwechselnd für jeden Motorphasenstrom auch
sein zugehöriger
Spitzenwert erfasst. Es braucht lediglich innerhalb des vorgegebenen Zeitraumes
von den getaktet abgebildeten Strömen in der gemeinsamn Rückleitung
der höchste
Wert festgehalten zu werden.
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Das
beschriebene Verfahren erlaubt in einfacher Art und Weise eine Regelung
eines bürstenlosen
Elektromotors, bei welchem die Motorphasenströme zur Regelung berücksichtigt
werden. Wird innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer jeweils der
in der gemeinsamen Rückleitung
gemessene höchste Wert
als Spitzenwert festgehalten, so entspricht dieser dem jeweiligen
Spitzenwert aller Motorphasenströme.
Dieser kann dann Eingang in eine Regelgröße für den Elektromotor finden.
Mit einem derartigen Verfahren lassen sich mit günstigen Mitteln zur Polarisationserkennung
mindestens eines Motorphasenstromes Antriebe mit hoher Trägheit, wie
z. B. Lüfter, Kompressoren
oder Pumpen, ohne Positions- oder Drehzahlgeber
betreiben.
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Lediglich
zum besseren Verständnis
des Stromflusses ist in dieser Anmeldung von einer Zuleitung und
einer Rückleitung
in dem Gleichspannungskreis die Rede. In dieser Sprechweise wird
der Stromspitzenwert in der gemeinsamen Rückleitung, in welche die Motorphasenströme dem Elektromotor abfließen erfasst.
Gleichwohl kann der Stromspitzenwert auch in dem als Zuleitung bezeichneten
Zweig des Gleichspannungskreises angeordnet sein. Hierzu braucht
gedanklich nur zwischen technischer und tatsächlicher Stromrichtung umgeschaltet
zu werden. Es können
demnach die Begriffe Zuleitung und Rückleitung beliebig ausgetauscht
werden.
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In
vorteilhafter Weise erfolgt die getaktete Variation des elektrischen
Potenzials mittels Pulsweitenmodulation. Bei der Pulsweitenmodulation
(abgekürzt:
PWM) wird die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei fester
Grundfrequenz variiert. Über
die Dauer der Einschaltzeit kann dabei für einen trägen Verbraucher die im Mittel
anliegende Spannung variiert werden. Ist das Recktecksignal beispielsweise
nur die Hälfte
der gesamt zur Verfügung stehenden
Zeit eingeschaltet, so sieht der Verbraucher im Mittel nur die Hälfte der
während
der Einschaltzeit anliegenden Spannung.
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Das
PWM-Verfahren wird insbesondere zur Ansteuerung von bürstenlosen
Elektromotoren verwendet. Dabei werden während eines PWM-Taktes beispielsweise
die unterschiedlichen Schaltzustände eines
Umschaltemittels zur Variation des den Motorklemmen anliegenden
Potenzials unterschiedlich lange beibehalten. Auf diese Art und
Weise können die
gewünschten
phasenversetzten Motorphasenströme
erzeugt werden. Da sich ein und derselbe Motorphasenstrom durch
verschiedene Schaltungszustände
einschließlich
ihrer jeweiligen Dauer erzeugen lässt, sind verschiedene Ansteuerungen
mit jeweiligen Vor- und Nachteilen realisierbar.
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Zur
Ansteuerung eines Elektromotors kann beispielsweise auf PWM-Umrichter
zurückgegriffen werden,
die mit einem PWM-Takt von etwa 50–200 Mikrosekunden ansteuerbar
sind. Innerhalb eines solchen PWM-Taktes kann der Umrichter alle
ihm möglichen
Schaltzustände
einnehmen. Im Falle der Ansteuerung eines üblichen dreiphasigen Elektromotors
weist der benötigte
Umrichter für
jede der drei Zuleitungen jeweils zwei Schalter oder Transistoren auf,
die die Zuleitung abwechselnd zwischen zwei Potenzialen hin- und
herschalten. Bezüglich
der einzunehmenden Potenzialzustände
der drei Zuleitungen können
mittels der insgesamt sechs Schalter eines derartigen Umrichters
acht verschiedene Beschaltungszustände eingenommen werden. Zur
Ansteuerung werden üblicherweise
während
eines PWM-Taktes von den möglichen
acht Schaltzuständen
nur drei oder vier Schaltzustände
eingenommen. Dabei ist für übliche Motoren
wie Per manentmagnet-Synchronmotoren oder Induktionsmotoren innerhalb
eines PWM-Taktes
auch stets derjenige Schaltzustand für kurze Zeit gewählt, welcher
den aktuell höchsten
Motorphasenstrom in der Rückleitung
abbildet.
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Insofern
ist es vorteilhaft, wenn im Falle einer Pulsweitenmodulation der
Stromspitzenwert in der gemeinsamen Rückleitung jeweils innerhalb
eines Taktes der Pulsweitenmodulation erfasst wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Stromspitzenwert
selbst quantitativ erfasst. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen,
dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes, wie beispielsweise
einem PWM-Takt, der darin gemessene höchste Stromwert gespeichert
und ausgegeben wird. Für
jeden Takt ist damit der jeweils höchste Wert aller Motorphasenströme erfasst.
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In
einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung wird der Stromspitzenwert dadurch erfasst, dass der
im Rücklauf
gemessene Strom mit einem vorgegebenen Referenzwert verglichen wird.
Dies kann in einfacher Art und Weise dadurch realisiert werden,
dass mittels eines elektronischen Vergleichsbauteils der innerhalb
einer vorgegebenen Zeitdauer gemessene Strom mit dem vorgegebenen
Referenzwert verglichen wird. Überschreitet
der im Rücklauf
gemessene Strom den vorgegebenen Referenzwert, wird ein entsprechendes Signal
für die
Regelung ausgegeben. Alternativ kann auch die Differenz zwischen
den im Rücklauf
gemessenen Strom und dem vorgegebenen Referenzwert für die Regelung
verwendet werden.
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Für eine einfache
und kostengünstige
Regelung ist es vorteilhaft, wenn die Regelung erst bei Überschreiten
des Referenzwerts durch den gemessenen Strom einsetzt. In diesem
Fall wird davon ausgegangen, dass dann, wenn der innerhalb der vorgegebenen
Zeitdauer erfasste Maximalwert des Stromes unterhalb des vorgegebenen
Referenzwerts liegt, nicht in die Regelung des Elektromotors eingegriffen
werden braucht. Erst bei Überschreiten
des Referenzwerts findet eine entsprechende Regelung des Elektromotors
statt. Mit einer derartigen mit einfachen Mitteln zu realisierenden
Regelung können
in einfacher Art und Weise Oszillationen der Motorphasenströme verhindert
und damit ein ruhiger Motorlauf sichergestellt oder Schäden an der
Elektronik vermieden werden.
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Auch
bei einer derartigen einfachen, eher qualitativen Erfassung des
Stromspitzenwerts mittels eines Vergleiches mit einem vorgegebenen
Referenzwert ist in vorteilhafter Weise eine quantitative Erfassung
des Stromspitzenwerts möglich,
wenn der Referenzwert adaptiert wird.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur Regelung
eines mehrphasigen bürstenlosen
Elektromotors, die einen Gleichspannungskreis und eine in den Gleichspannungskreis
zwischen einer Zuleitung und einer Rückleitung geschaltete, jeweils
an die Motorklemmen der Wicklungen des Elektromotors anschließbare, Umschaltemittel
enthaltende Speiseschaltung aufweist, wobei die Umschaltemittel
zur getakteten Variation des den Motorklemmen jeweils anzulegenden
Potenzials vorgesehen sind, und wobei ein in die Rückleitung
geschalteter Stromsensor vorgesehen ist, erfindungsgemäß durch
eine an den Stromsensor angeschlossene Auswerteschaltung zur Erfassung
eines Stromspitzenwertes und eine mit der Auswerteschaltung verbundene
Regeleinheit gelöst,
auf die ein Ausgangswert der Auswerteschaltung als Eingangsgröße aufgeschaltet
ist.
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Mit
einer derartigen Schaltungsanordnung lässt sich das beschriebene Verfahren
zur Regelung eines bürstenlosen
Elektromotors mit den genannten Vorteilen durchführen.
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In
vorteilhafter Weise ist die Speiseschaltung zur Pulsweitenmodulation
des anzulegenden Potenzials ausgestaltet. Insbesondere ist dies
der Fall, wenn die Speiseschaltung als Umschaltemittel einen PWM-Umrichter
enthält.
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In
kostengünstiger
Art und Weise umfasst der Stromsensor einen ohmschen Widerstand
oder ist als ein solcher selbst ausgebildet.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auswerteschaltung der
Schaltungsanordnung als eine sogenannte Peak-Hold-Anordnung ausgebildet, die
als Ausgangswert den erfassten Stromspitzenwert ausgibt. Eine derartige
Anordnung hält
für eine vorgegebene
Zeitdauer den innerhalb dieser Zeitdauer gemessenen höchsten Stromwert
fest und gibt diesen nach Messung aus. Dies kann mit einfachen elektronischen
Bauteilen realisiert werden.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgstaltung ist die Auswerteschaltung
der Schaltungsanordnung als eine Komparator-Schaltung ausgebildet,
die den in der Rückleitung
gemessenen Strom mit einem Referenzwert vergleicht, und bei Überschreiten
des Referenzwerts als Ausgangswert ein Triggersignal ausgibt. Durch
eine derartige Schaltung können
leicht und in kostengünstiger
Weise die Motorphasenströme
auf Überschreiten
eines vorgegebenen Referenzwerts überprüft werden. Durch eine entsprechende Regelung
wird hierdurch ein Oszillieren der Motorphasenströme und eine
Schädigung
der Elektronik des Elektromotors durch zu hohe Motorphasenströme vermieden.
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Wird
Pulsweitenmodulation zur Ansteuerung des Elektromotors verwendet,
so ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteschaltung zur Erfassung
des Stromspitzenwerts jeweils innerhalb eines Takts der Pulsweitenmodulation
ausgelegt ist. Wie erwähnt, wird
bei üblicher
Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors
innerhalb eines PWM-Taktes für
kurze Zeit auch derjenige Schaltungszustand eingenommen, der dem
jeweils höchsten
Wert alller Motorphasentröme
entspricht.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 schematisch
eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors, wobei
in einer gemeinsamen Rückleitung
der Motorphasenströme
ein Stromsensor mit einer daran angeschlossenen Peak-Hold-Einrichtung
angeordnet ist,
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2 eine
Schaltungsanordnung gemäß 1,
wobei jedoch an den in der gemeinsamen Rückleitung angeordneten Stromsensor
eine Komparator-Schaltung zum Vergleich des gemessenen Stroms mit
einem Referenzwert angeordnet ist,
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3 schematisch
die Schaltungsanordnung für
eine Komparator-Schaltung,
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4 schematisch
die Schaltungsanordnung einer Peak-Hold-Einrichtung,
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5 den
zeitlichen Verlauf der Motorphasenströme einen dreiphasigen Elektromotor
und
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6 für eine PWM-Ansteuerung
eines Elektromotors den in der gemeinsamen Rückleitung gemäß Schaltungsanordnungen 1 oder 2 innerhalb eines
PWM-Taktes gemessenen Stromverlauf.
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In 1 ist
eine Schaltungsanordnung 1 zur Ansteuerung eines bürstenlosen
dreiphasigen Elektromotors 3 dargestellt. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst
hierzu einen Gleichspannungskreis 5 mit einem Kondensator 7.
Zwischen eine Zuleitung 8 und einer Rückleitung 9 ist ein
Umrichter 11 zur getakteten Variation des dem Elektromotor 3 anzulegenden elektrischen
Potenzials geschaltet.
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Der
pulsweitenmodulierte Umrichter 11 umfasst jeweils Paare
von als Transistoren ausgebildeten Schaltern 12a, 12b sowie 13a, 13b und 14a, 14b. Jeder
einzelne dieser Schalter 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b ist
mit gegen die Stromrichtung gerichteten Freilaufdioden 16 überbrückt. Zwischen
den Schalterpaaren 12a, 12b, sowie 13a, 13b und 14a, 14b sind
jeweils eine erste Zuleitung 17, eine zweite Zuleitung 18 bzw.
eine dritte Zuleitung 19 eingeschaltet. Diese Zuleitungen
sind mit den drei Motorklemmen 21 des Elektromotors 3 verbunden.
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Werden
die Schalter 12a, 13a und 14a geschlossen,
so werden über
die Zuleitungen 17, 18 bzw. 19 die entsprechenden
Motorklemmen 21 jeweils auf hohes Potenzial (high) gelegt.
Durch Schließen
der Schalter 12b, 13b und 14b werden
die Motorklemmen 21 jeweils auf niedriges Potenzial (low) geschaltet.
Mit den insgesamt sechs Schaltern 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b lassen
sich insgesamt acht Schaltungszustände erreichen, in denen jede
der Klemmen 21 entweder auf Potenzial „high" oder Potenzial „low" liegt. Bei sechs dieser Schaltungszustände liegt
jeweils eine der Klemmen 21 gegenüber den anderen beiden Klemmen 21 auf
anderem Potenzial. In den verbleibenden zwei Schaltungszuständen befinden
sich alle Klemmen 21 auf Potenzial „high" bzw. auf Potenzial „low".
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Durch
entsprechende Modulation der acht Schaltungszustände wird in dem bürstenlosen
Elektromotor 3 ein rotierendes magnetisches Feld aufgebaut,
durch welches der Rotor des Elektromotors 3 in mechanische
Drehbewegung versetzt wird.
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Über die
gemeinsame Rückleitung 9 fließen die
den jeweiligen Zuleitungen 17, 18 und 19 zugeordneten
Motorphasenströme
in den Elektromotor 3 ab. Mittels eines in der Rückleitung 9 angeordneten Stromsensors 25 wird
jeweils für
einen PWM-Takt der innerhalb
dieses PWM-Taktes gemessene höchste Stromwert
erfasst. Dies geschieht über
eine Peak-Hold-Schaltung 27, deren Ausgang in eine Auswerteschaltung 30 mündet. Die
Auswerteschaltung 30 ist – nicht eingezeichnet – mit einer
Regeleinheit zur Regelung bzw. Steuerung der Schaltungsanordnung 11 verbunden.
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Der
Umrichter 11 wird mit einem PWM-Takt mit einer Dauer zwischen
50–200
Mikrosekunden angesteuert. Dies entspricht einer Frequenz zwischen
5 und 20 kHz, was bei letzterem Wert außerhalb des menschlichen Hörvermögens liegt.
Innerhalb jedes Takts wird der Elektromotor 3 durch Einnahme
von vier der möglichen
acht Schaltzustände
des Umrichters 11 angesteuert. Durch dieses hochfrequente Umschalten
der einzelnen Schaltzustände
des Umrichters 11 springt der in der Rückleitung 9 mittels
des Stromsensors 25 gemessene Strom mit hoher Dynamik.
Für einen
PWM-Takt wird mittels der Peak-Hold-Einrichtung 27 der
jeweils innerhalb eines PWM-Takts gemessene höchste Stromwert festgehalten.
Dieser entspricht, da innerhalb eines PWM-Takts stets für einen
kurzen Zeitraum der Schaltungszustand eingenommen wird, der dem höchsten Stromwert
aller Motorphasenströme
entspricht, der jeweilige Stromspitzenwert aller Motorphasenströme. Über die
Auswerteschaltung 30 wird dieser Stromspitzenwert zur Regelung
der Schaltungsanordnung 1 und damit des Elektromotors 3 herangezogen.
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2 zeigt
die im Wesentlichen identische Schaltungsanordnung 11 gemäß 1.
Dabei ist jedoch an den in der Rückleitung 9 angeordneten Stromsensor 25 eine
Vergleichsschaltung 32 und ein damit verbundener Triggergenerator 33 angeschlossen.
Der Ausgang des Triggergenerators 33 ist mit der Auswerteschaltung 30 verbunden. Über eine
Signalleitungg 35 gibt die Auswerteschaltung 30 einen Referenzwert
vor.
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Innerhalb
eines PWM-Taktes werden die jeweils gemessenen Ströme mittels
der Vergleichsschaltung 32 mit dem vorgegebenen Referenzwert verglichen. Überschreitet
der gemessene Strom den Referenzwert, so gibt die Vergleichsschaltung
ein Ausgangssignal aus, auf welches der Triggergenerator 33 anspricht.
Dieser wiederum sendet ein entsprechendes Ausgangssignal an die Auswerteschaltung 30,
die mit einer Regeleinheit zur Regelung bzw. Steuerung der Schaltungsanordnung 11 verbunden ist.
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Mit
der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung 11 wird
der Elektromotor 3 auf Überschreiten der
Motorphasenströme
eines vorgegebenen Referenzwerts geregelt. Hierdurch wird ein Oszillieren
der Motorphasenströme
und damit eine Gefährdung
für die
Elektronik sicher vermieden.
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3 zeigt
eine Schaltungsanordnung zur Auswertung des in der Rückleitung
gemessenen Stromes entsprechend der Schaltungsanordnung 1 in 2.
Dabei ist der in der Rückleitung 9 angeordnete
Stromsensor 25 als ohmscher Widerstand 37 ausgebildet.
Die über
dem ohmschen Widerstand 37 abfallende Spannung, die ein
Maß für den gemessenen
Strom ist, wird mittels der Vergleichsschaltung 32, mit
einem vorgegebenen Sollwert verglichen. Hierzu vergleicht ein Komparator 39 die
am ohmschen Widerstand 37 abfallende Spannung mit einer vorgegebenen
Referenzspannung 40, die einem einzustellenden Maximalspitzenstromwert
entspricht.
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Überschreitet
die an dem ohmschen Widerstand 37 abfallende Spannung den
Wert der vorgegebenen Referenzspannung 40, so geht das
Ausgangssignal 42 des Komparators 39 auf low.
Bedingt durch die hochfrequent wechselnden Schaltzustände des
Umrichters 11 können
derartige Low-Zustände von
kurzer Dauer, insbesondere eine Mikrosekunde, sein.
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4 zeigt
eine Schaltungsanordnung für eine
Peak-Hold-Einrichtung 27 gemäß der Schaltungsanordnung 1 in 1.
Wiederum ist der Stromsensor 25 dabei als ein ohmscher
Widerstand 37 ausgebildet. Die Peak-Hold-Einrichtung 27 umfasst dabei
einen Komparator 44, an den ausgangsseitig eine Diode 46 und
ein ohmscher Widerstand 47 geschaltet sind. Dabei wird über den
positiven Eingang des Komparators 44 die über den
ohmschen Widerstand 37 abfallende Spannung erfasst, während der Minuseingang
des Komparators 44 mit einem die Ausgangsspannung des Komparators 44 festhaltenden
Kondensator rückgekoppelt
ist.
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Für eine vorgegebene
Zeitdauer entspricht die in dem Kondensator 49 gespeicherte
Ladung dem während
der Zeitdauer gemessenen höchsten Stromwert.
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Entsprechend
der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 1 wertet
nach mindestens einem Zyklus der Pulsweitenmodulation die Auswerteschaltung 30 den
Ausgangswert der Peak-Hold-Einrichtung 27 aus und setzt
die Peak-Hold-Einrichtung 27 wieder zurück. Dies geschieht durch Messung
des Potenzials der Ausgangsleitung 42, welches dann zur
weiteren Verwertung digital gewandelt wird. Anschließend wird
der Kondensator 49 mit einer kurzen Klemmung auf Masse
entladen.
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5 zeigt
zum Verständnis
für einen
bürstenlosen
dreiphasigen Elektromotor den Verlauf der phasenversetzten Motorphasenströme 57, 58, 59.
In dem gezeigten Diagramm ist die Zeit T auf der Abszisse und der
Strom I auf der Ordinate aufgetragen. Man erkennt deutlich den sinusförmigen Verlauf
der drei Motorphasenströme 57, 58, 59.
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Jeder
einzelne der gezeigten Motorphasenströme 57, 58, 59 wird
abwechselnd durch PWM-Taktung des Umrichters 11 gemäß der in
den 1 oder 2 gezeigten Schaltungsanordnungen 1 erzeugt. Dabei
ist eine PWM-Periode um etwa einen Faktor 100 kürzer als eine Periode des gezeigten
Stromverlaufs.
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Da
sich während
eines PWM-Takts stets auch derjenige Schaltungszustand für kurze
Zeit einstellt, der dem höchsten
Stromwert aller Motorphasenströme
entspricht, wird mittels des in der Rückleitung 9 angeordneten
Stromsensors 25 (siehe 1 und 2)
innerhalb eines PWM-Takts stets als Maximalwert der darin gemessenen
Ströme
der Stromspitzenwert aller Motorphasenströme gemessen. Insofern wird
bei Messung des jeweiligen maximalen Stromes während einer PWM-Takts von den
drei Motorphasenströmen 57, 58, 59 jeweils
der Stromspitzenwert ermittelt. Da der in der Rückleitung 9 fließende Strom
stets in die gleiche Richtung fließt, wird damit der betragsmäßig größte Stromspitzenwert
aller Motorphasenströme
während
eines PWM-Takts gemessen. Es ergibt sich also bei einer derartigen
Erfassung des maximalen Stromwertes während einer PWM-Takts der in 5 eingezeichnete
Verlauf für den
betragsmäßigen Stromspitzenwert 61 aller
Motorphasenströme 57, 58, 59.
Dieser Stromspitzenwert 61 findet Eingang in eine Regelgröße zur Regelung
der Steuerschaltung 1 gemäß 1 oder 2.
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6 zeigt
schließlich
für einen
PWM-Takt 65 den mittels des in der Rückleitung 9 der Schaltungsanordnungen
gemäß 1 oder 2 angeordneten
Stromsensors 25 gemessenen Stromes. Dabei ist wiederum
die Zeit T auf der Abszisse und der Strom I auf der Ordinate aufgetragen.
Der gezeigte PWM-Takt beträgt
insgesamt fünfzig
Mikrosekunden. Damit entspricht die gezeigte Einteilung jeweils fünf Mikrosekunden.
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Während der
ersten 25 Mikrosekunden wird von dem Umrichter 11 ein Schaltungszustand 67 eingenommen,
in welchem kein Strom in der Rückleitung 9 fließt. Dabei
kann es sich entweder um den Schaltungszustand handeln, in welchem
alle Schalter 12a, 13a, 14a oder alle
Schalter 12b, 13b, 14b geschlossen sind.
Während
etwa der nächsten
fünf Mikro-Sekunden
wird ein Schaltungszustand 68 eingenommen, in welchem beispielsweise
der Motorphasenstrom 58 einen negativen Wert aufweist.
Anschließend
wird für
fünf Mikrosekunden
ein Schaltzustand 70 geschaltet, in welchem beispielsweise
der Motorphasenstrom 57 einen positiven Wert aufweist, um
anschließend
wieder für
fünf Mikrosekunden
in den Schaltungszustand 68 überzugehen. Abgeschlossen wird
die PWM-Periode 65 wieder mit dem Schaltungszustand 67,
in welchem alle Klemmen 21 des Eektromotors 3 auf
demselben Potenzial liegen.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 3
- Elektromotor
- 5
- Gleichspannungskreis
- 7
- Kondensator
- 8
- Zuleitung
- 9
- Rückleitung
- 11
- Umrichter
- 12a,
13a, 14a
- Schalter
- 12b,
13b, 14b
- Schalter
- 16
- Freilaufdioden
- 17
- erste
Zuleitung
- 18
- zweite
Zuleitung
- 19
- dritte
Zuleitung
- 21
- Motorklemmen
- 25
- Strommesser
- 27
- Peak-Hold-Schaltung
- 30
- Auswerteschaltung
- 32
- Vergleichsschaltung
- 33
- Triggergenerator
- 35
- Signalleitung
- 37
- Widerstand
- 39
- Komparator
- 40
- Referenzspannung
- 42
- Ausgangsleitung
- 44
- Komparator
- 46
- Diode
- 47
- Widerstand
- 49
- Kondensator
- T
- Zeit
- I
- Motorstrom
- 57,
58, 59
- Motorphasenströme
- 61
- Stromspitzenwert
- 65
- PWM-Takt
- 67,
68, 70
- Schaltzustände