DE102006026560A1

DE102006026560A1 - Start-up procedure for a sensorless and brushless DC motor

Info

Publication number: DE102006026560A1
Application number: DE102006026560A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hadamik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-07
Also published as: WO2007141084A1; DE102006026560B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Anlaufverfahren für einen sensor- und bürstenlosen, mehrphasig betriebenen Gleichstrommotor, bei dem der Gleichstrommotor in einem offenen Betriebsmodus ohne Kenntnis der Position des Rotors auf eine Umschaltdrehzahl beschleunigt wird und nach Erreichen der Umschaltdrehzahl in einem geschlossenen Betriebsmodus, basierend auf der Kenntnis der Position des Rotors, betrieben wird. Zur Vermeidung von Stromspitzen beim Umschalten vom offenen in den geschlossenen Betriebsmodus wird nach Erreichen der Umschaltdrehzahl die Drehzahl des Gleichstrommotors konstant gehalten und gleichzeitig der Strom im Stator reduziert, bis die in einer nichtbestromten Phase induzierte Spannung eine endliche Steigung ungleich Null aufweist und während der endlichen Steigung ein Nulldurchgang detektiert wird.The invention relates to a start-up method for a sensor and brushless, multi-phase DC motor, in which the DC motor is accelerated in an open mode without knowing the position of the rotor to a switching speed and after reaching the switching speed in a closed mode, based on the knowledge of Position of the rotor, is operated. To avoid current spikes when switching from open to closed operating mode, after reaching the switching speed, the speed of the DC motor is kept constant and at the same time the current in the stator is reduced until the voltage induced in a non-energized phase has a finite non-zero slope and during the finite slope a zero crossing is detected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Anlaufverfahren für einen sensor- und bürstenlosen, mehrphasig betriebenen Gleichstrommotor, bei dem der Gleichstrommotor in einem offenen Betriebsmodus ohne Kenntnis der Position des Rotors auf eine Umschaltdrehzahl beschleunigt wird und nach Erreichen der Umschaltdrehzahl in einem geschlossenen Betriebsmodus basierend auf der Kenntnis der Position des Rotors betrieben wird.The The invention relates to a start-up method for a sensorless and brushless, multiphase DC motor, in which the DC motor in an open mode without knowing the position of the rotor is accelerated to a switching speed and after reaching the Switching speed based in a closed operating mode operated on the knowledge of the position of the rotor.

Aus der US 4,743,815 ist ein Steuersystem für einen mehrphasigen, bürstenlosen, permanentmagneterregten Motor bekannt. Bei derartigen Motoren wird ein den Rotor antreibendes Statordrehfeld generiert, indem in die Phasen des Stators blockförmige Gleichströme wechselnden Vorzeichens, unterbrochen von stromlosen Zuständen, eingeprägt werden. Der Zeitpunkt des Wechsels der Stromrichtung, auch Kommutierung genannt, muss dabei mit der aktuellen Position des Rotors abgestimmt werden, um stets ein die Bewegung aufrechterhaltendes Drehmoment zu erzeugen. In der US 4,743,815 wird die Position des Rotors in Relation zum Stator periodisch ermittelt, indem der Zeitpunkt der Vorzeichenumkehr und damit der Nulldurchgang der in der unbestromten Phase induzierten Spannung bestimmt wird. Anhand dieser Positionsinformation ermittelt dann ein Mikroprozessor den optimalen Zeitpunkt der nächsten Kommutierung. Diese Betriebsart wird auch als geschlossene Steuerung bezeichnet. Da jedoch bei niedrigen Drehzahlen die Höhe der induzierten Spannung nicht ausreicht, um deren Nulldurchgang sicher zu erkennen, wird der Motor während des Startvorgangs in einer so genannten offenen Steuerung, bei der die Kommutierung ohne Kenntnis der Rotorposition erfolgt, bis zu einer Umschaltdrehzahl beschleunigt und erst anschließend im geschlossenen Steuer-Modus betrieben.From the US 4,743,815 For example, a control system for a multi-phase, brushless, permanent-magnet-excited motor is known. In such motors, a stator rotating field driving the rotor is generated by injecting into the phases of the stator block-shaped direct currents of alternating sign, interrupted by currentless states. The time of change of the current direction, also called commutation, must be tuned with the current position of the rotor in order to always produce a movement maintaining torque. In the US 4,743,815 the position of the rotor in relation to the stator is determined periodically by determining the time of the sign reversal and thus the zero crossing of the voltage induced in the de-energized phase. Based on this position information then determines a microprocessor, the optimal time of the next commutation. This mode is also referred to as closed control. However, since at low speeds, the magnitude of the induced voltage is insufficient to reliably detect their zero crossing, the motor is accelerated to a switching speed during startup in a so-called open-loop control where commutation occurs without knowledge of the rotor position then operated in closed control mode.

Während des Umschaltens vom offenen in den geschlossenen Betriebsmodus kann es jedoch passieren, dass der Rotor dem nunmehr zu etwas anderen Zeitpunkten kommutierten Drehfeld nicht mehr folgen kann und er droht, außer Tritt zu fallen. Dieser Vorgang wird von hohen Stromimpulsen begleitet. Bei niederohmigen Motoren, wie sie beispielsweise bei Kühlmittelpumpen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, fallen diese Stromimpulse oder Stromspitzen besonders hoch aus, was zur Zerstörung der Ansteuerelektronik des Motors führen kann. Die Anwendung eines sensor- und bürstenlosen Gleichstrommotors im Kraftfahrzeug bringt noch das zusätzliche Problem der wechselnden Umgebungsbedingungen mit sich, was zu erheblichen Lastschwankungen führen kann, Kommen zu den Lastschwankungen noch die durch den Wechsel vom offenen in den geschlossenen Betriebsmodus bewirkten Veränderungen im Kommutierungszeitpunkt hinzu, so wird ein Außer-Tritt-Fallen noch stärker wahrscheinlich.During the Switching from open to closed operating mode can However, it happens that the rotor now something else Times commuted rotating field can not follow and he threatens, except Occurs to fall. This process is accompanied by high current pulses. For low-impedance motors, as for example with coolant pumps used in motor vehicles, these current pulses fall or current peaks particularly high, resulting in the destruction of the Control electronics of the engine lead can. The application of a sensor and brushless DC motor in the motor vehicle brings the additional problem of changing Environmental conditions with it, resulting in significant load fluctuations to lead can, coming to the load fluctuations still those by the change from open to closed mode of operation At commutation, an out-of-tread fall becomes even more likely.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Anlaufverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches mit hoher Sicherheit zum Erreichen des geschlossenen Betriebsmodus führt und bei welchem das Auftreten von Stromspitzen während des Umschaltens vom offenen in den geschlossenen Betrieb vermieden werden kann.task The present invention is therefore a start-up method of specify the type mentioned above, which with high certainty to achieve the closed operating mode leads and in which the occurrence from current spikes during Switching from open to closed operation avoided can be.

Diese Aufgabe wird mit einem Anlaufverfahren nach Anspruch 1 gelöst.These The object is achieved by a start-up method according to claim 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim offenen Betriebsmodus des bekannten Verfahrens der Nulldurchgang der Phasenspannungen deutlich später erfolgt als beim geschlossenen Betrieb. Dies kommt daher, da beim offenen Betrieb der Statorstrom erhöht wird, um ein Beschleunigen des Rotors auch bei Lastschwankungen und nichtoptimaler Kommutierung sicher zu gewährleisten. Der spätere Nulldurchgang der Phasenspannungen liegt nun darin begründet, dass die in der jeweils stromlosen Phase induzierte Spannung nicht mehr ausreicht, um die vorhandene Energie des erhöhten Statorstroms abzubauen, d.h. die Phasenspannung steigt und fällt in den stromlosen Phasen nicht mehr – wie beim geschlossenen Betrieb – rampenförmig an oder ab, sondern sie nähert sich einer Blockform an.Of the The invention is based on the finding that in the open operating mode of the known method, the zero crossing of the phase voltages much later takes place as in closed operation. This is because of the open operation, the stator current is increased to accelerate the Rotor also with load fluctuations and non-optimal commutation to ensure safe. The later Zero crossing of the phase voltages is now due to the fact that the voltage induced in each currentless phase voltage no longer sufficient to dissipate the existing energy of the increased stator current, i.e. the phase voltage rises and falls in the de-energized phases no more - like in closed operation - ramped to or but she approaches to a block shape.

Der spätere Nulldurchgang der Spannung in der stromlosen Statorphase beeinflusst wiederum das Ergebnis des Verfahrens zur Bestimmung des nächsten Kommutierungszeitpunktes aus der Rotorposition, welches erstmalig beim Umschalten in den geschlossenen Betrieb durchgeführt wird, da dieses Verfahren den Kommutierungszeitpunkt ausgehend vom zuletzt gemessenen Nulldurchgang berechnet. Der erste berechnete Kommutierungszeitpunkt nach dem Umschalten liegt also weit von einem Optimum entfernt und birgt die Gefahr des Außer-Tritt-Fallens des Rotors.Of the latter Zero crossing of the voltage in the currentless stator phase influenced again the result of the method for determining the next commutation time from the rotor position, which for the first time when switching to the closed Operation performed Since this method is the commutation starting from the last measured zero crossing calculated. The first calculated Commutation time after switching is thus far from one Optimum removes and carries the risk of falling out of the rotor.

Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, nach Erreichen der Umschaltdrehzahl die Drehzahl des Gleichstrommotors konstant zu halten und gleichzeitig den Strom im Stator zu reduzieren, bis die in einer nichtbestromten Phase induzierte Spannung eine endliche Steigung ungleich Null aufweist und während der endlichen Steigung ein Nulldurchgang detektiert wird.Therefore, according to the invention proposed, after reaching the switching speed, the speed to keep the DC motor constant while keeping the current reduce in the stator until in a non-energized phase induced voltage has a finite non-zero slope and while the finite slope a zero crossing is detected.

Die Erfindung und weitere Unterausführungen werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigenThe Invention and further sub-embodiments will be described below with reference to an embodiment and the drawing explained in more detail. It demonstrate

1a–c der Ablauf der Kommutierung an einem Schnittbild eines Motors im offenen Betriebsmodus; 1a -C the sequence of commutation on a sectional view of an engine in open operation mode;

2a–c der Ablauf der Kommutierung an einem Schnittbild eines Motors im geschlossenen Betriebsmodus; 2a -C the sequence of commutation on a sectional view of an engine in the closed operating mode;

3 eine Schaltkreis zum Betrieb des Kühlmittelpumpenmotors aus den 1 und 2; 3 a circuit for operating the coolant pump motor from the 1 and 2 ;

4 der Verlauf der induzierten Spannung zweier Statorphasen im offenen und geschlossenen Betriebsmodus; 4 the course of the induced voltage of two stator phases in the open and closed operating modes;

5 das Verhalten der induzierten Spannung einer Statorphase während des Umschaltens. 5 the behavior of the induced voltage of a stator during the switching.

In den 1a bis 1c und 2a bis 2c ist ein permanenterregter, dreiphasig betriebener Gleichstrommotor mit einer Polpaarzahl von n=2 geschnitten und schematisch dargestellt. Ein solcher Gleichstrommotor wird beispielsweise als Kühlmittelpumpenmotor im Bereich der Brennkraftmaschinenkühlung eines Kraftfahrzeuges verwendet. Der Rotor 1 des Pumpenmotors bewegt sich im Rechtslauf in Drehrichtung 8. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, werden stets zwei Phasen des Stators 2 eines solchen Gleichstrommotors bestromt, wobei die Bestromung mit entgegengesetztem Vorzeichen erfolgt, so dass sich zu den bestromten Phasen ein Magnetfeld entgegengesetzter Polarität herausbildet. Dementsprechend entstehen an der Phase 3 ein Nordpol N und an der Phase 4 ein Südpol S. Eine dritte Phase 5 wird nicht bestromt.In the 1a to 1c and 2a to 2c is a permanent magnet, three-phase DC motor with a number of pole pairs of n = 2 cut and shown schematically. Such a DC motor is used for example as a coolant pump motor in the field of engine cooling of a motor vehicle. The rotor 1 The pump motor moves in the right direction in the direction of rotation 8th , As is known in the art, there are always two phases of the stator 2 energized such a DC motor, wherein the current is applied with opposite signs, so that a magnetic field of opposite polarity is formed to the energized phases. Accordingly arise at the phase 3 a north pole N and at the stage 4 a South Pole S. A third phase 5 is not energized.

Der Rotor 1 hat sich in 1 soweit bewegt, dass der Vektor 6 seines magnetischen Feldes gleichgerichtet ist zum Vektor 7 des magnetischen Statorfeldes, wobei die Vorzeichen unterschiedlich sind. In den 1a bis 2c ist dabei zur Vereinfachung der Darstellung die Pfeilrichtung des Statorfeldes um 180° gedreht. Aufgrund der Gleichrichtung von Rotor- und Statorfeld wirkt kein Drehmoment mehr auf den Rotor 1. Dies ist der Zeitpunkt, zu dem im offenen Betriebsmodus ein Umschalten der Stromrichtungen in den Statorphasen, als eine Kommutierung, vorgenommen wird. Die neue Bestromung der Statorphasen ist in 1b dargestellt. Die ursprünglich nicht bestromte Phase 5 wird nun zum Nordpol N und die ursprünglich als Nordpol bestromte Phase 3 bleibt jetzt stromlos. Das Statorfeld 7 wird dadurch um 60 Grad elektrisch weitergedreht, was einem mechanischen Winkel 11 von 30 Grad entspricht. Der Nordpol 9 des Rotors 1 wird nun vom Nordpol der bestromten Phase 5 des Stators 2 in Richtung 8 abgestoßen, d.h. die Drehbewegung wird weiter unterstützt. Ebenso wirkt die Anziehung zwischen der Phase 5 des Stators 2 und dem Südpol 10 des Rotors 1 antreibend. Die daraus folgende Weiterbewegung des Rotors 1 und des Rotorfeldes 6 in Drehrichtung 8 ist in 1c verdeutlicht. Das Rotorfeld 6 eilt also dem Statorfeld 7 jeweils nach. Sobald das Rotorfeld 6 das Statorfeld 7 wieder eingeholt hat und das Drehmoment somit wieder zu Null geworden ist, wird eine erneute Kommutierung des Statorfeldes 7 vorgenommen.The rotor 1 has become in 1 so far moved that the vector 6 Its magnetic field is rectified to the vector 7 of the magnetic stator field, the signs being different. In the 1a to 2c is here to simplify the presentation, the arrow direction of the stator field rotated by 180 °. Due to the rectification of rotor and stator field no torque acts on the rotor 1 , This is the point in time when, in the open operating mode, the current directions in the stator phases are switched over as a commutation. The new energization of the stator phases is in 1b shown. The originally not energized phase 5 now becomes the north pole N and the phase originally energized as the north pole 3 remains de-energized now. The stator field 7 is further rotated by 60 degrees electrically, which is a mechanical angle 11 of 30 degrees. The North Pole 9 of the rotor 1 will now be from the north pole of the energized phase 5 of the stator 2 in the direction 8th repelled, ie the rotation is further supported. Likewise, the attraction between the phase works 5 of the stator 2 and the South Pole 10 of the rotor 1 driving. The consequent further movement of the rotor 1 and the rotor field 6 in the direction of rotation 8th is in 1c clarified. The rotor field 6 So hurry to the stator field 7 each after. Once the rotor field 6 the stator field 7 has caught up again and thus the torque has become zero again, a renewed commutation of the stator field 7 performed.

In den 2a bis 2c sind die Stellungen von Rotorfeld 6 und Statorfeld 7 im geschlossenen Betriebsmodus dargestellt. In 2a ist wieder der Zeitpunkt direkt vor der Kommutierung abgebildet. Das Rotorfeld 6 weist dabei jedoch zum Statorfeld 7 noch einen Phasenwinkel 12 von 60 Grad elektrisch auf. Bei einer Weiterdrehung des Rotors 1 würde das Drehmoment weiter abnehmen, bis es wie in 1a ganz Null werden würde. Um dies zu vermeiden, wird bereits zum Zeitpunkt in 2a kommutiert, d.h. das Statorfeld wird um weitere 60 Grad elektrisch weitergedreht. Daraus resultiert ein Phasenwinkel 13 von 120 Grad elektrisch zwischen Statorfeld 7 und Rotorfeld 6, entsprechend der Darstellung in 2b. Das Drehmoment wird dadurch gegenüber der Stellung in 2a vergrößert, was beispielsweise daran zu erkennen ist, dass zu der Anziehung zwischen dem Südpol der Phase 4 des Stators 2 und dem Nordpol 9 des Rotors 1 (siehe 2a) noch die Wirkung der Abstoßung zwischen dem Nordpol der Phase 5 des Stators 2 und dem Nordpol 9 des Rotors 1 verstärkend hinzukommt. Der Rotor 1 folgt also dem Statorfeld 7 weiter in Drehrichtung 8. In dem Zustand nach 2c hat der Rotor 1 die Hälfte von 60 Grad elektrisch zurückgelegt. Dementsprechend befinden sich die Südpole 10 des Rotors 1 direkt gegenüber der unbestromten Phase 3, d.h. der in der unbestromten Phase 3 auftretende magnetische Fluss nimmt seinen maximalen negativen Wert an. Entsprechend wird in der unbestromten Phase 3 eine Spannung induziert, welche dem magnetischen Fluss um 90 Grad elektrisch nacheilt sowie ein zum magnetischen Fluss entgegengesetztes Vorzeichen aufweist. Zu dem in 2c dargestellten Zeitpunkt findet gerade der Vorzeichenwechsel der induzierten Spannung statt, d.h. es ist ein Nulldurchgang an der stromlosen Phase 3 detektierbar. Anhand des detektierten Nulldurchgangs wird der nächste Kommutierungszeitpunkt ermittelt, welcher optimal nach einer weiteren Drehung des Rotors 1 um die Hälfte von 60 Grad elektrisch, also 30 Grad elektrisch, erfolgen sollte. Im geschlossenen Betriebsmodus nach den 2a bis 2c wird durch die Wahl des Kommutierungszeitpunktes auf eine Phasendifferenz von 60 Grad elektrisch zwischen Statorfeld 7 und Rotorfeld 6 dafür gesorgt, dass das Drehmoment niemals zu Null wird. Dementsprechend ist für die Aufrechterhaltung einer Drehbewegung des Rotors 1 im Mittel ein geringeres Drehmoment und dementsprechend ein geringerer Strom erforderlich, d.h. im geschlossenen Betriebsmodus wird ein deutlich besseres Wirkungsgrad erzielt als im offenen Modus.In the 2a to 2c are the positions of rotor field 6 and stator field 7 shown in closed mode. In 2a again the time is shown directly before the commutation. The rotor field 6 but points to the stator field 7 another phase angle 12 of 60 degrees electrically. Upon further rotation of the rotor 1 the torque would continue to decrease until it like in 1a would be completely zero. To avoid this, is already at the time in 2a commutated, ie the stator field is further electrically rotated by another 60 degrees. This results in a phase angle 13 of 120 degrees electrical between stator field 7 and rotor field 6 , as shown in 2 B , The torque is thereby compared to the position in 2a This can be seen, for example, from the attraction between the South Pole of the phase 4 of the stator 2 and the North Pole 9 of the rotor 1 (please refer 2a ) nor the effect of repulsion between the north pole of the phase 5 of the stator 2 and the North Pole 9 of the rotor 1 reinforcing added. The rotor 1 follows the stator field 7 further in the direction of rotation 8th , In the state after 2c has the rotor 1 half of 60 degrees electrically covered. Accordingly, the south poles are located 10 of the rotor 1 directly opposite the de-energized phase 3 ie in the de-energized phase 3 occurring magnetic flux assumes its maximum negative value. Accordingly, in the de-energized phase 3 induces a voltage which lags the magnetic flux by 90 degrees electrically and has a sign opposite to the magnetic flux. To the in 2c shown time takes place just the sign change of the induced voltage, ie it is a zero crossing of the currentless phase 3 detectable. On the basis of the detected zero crossing the next commutation time is determined, which optimally after a further rotation of the rotor 1 should be done by half of 60 degrees electrical, ie 30 degrees electrical. In closed mode after the 2a to 2c becomes electrically between stator field by the choice of commutation time to a phase difference of 60 degrees 7 and rotor field 6 ensuring that the torque never goes to zero. Accordingly, for maintaining a rotary motion of the rotor 1 On average, a lower torque and therefore a lower current required, ie in the closed mode, a much better efficiency is achieved than in the open mode.

In 3 ist der Schaltkreis zum Betrieb des Kühlmittelpumpenmotors 14 aus den 1a bis 2c zu sehen. Der Motor 14 wird in Sternschaltung betrieben. Die drei Statorphasen 3, 4, und 5 werden über eine Leistungsendstufe 15 mit Spannung versorgt. In einer Überwachungsschaltung 16 wird die vom Bordnetz des Kraftfahrzeuges zur Verfügung gestellte Betriebsspannung V_bat überwacht und der aktuelle Wert der Betriebsspannung V_bat wird an eine Recheneinheit 17 geliefert. Die Recheneinheit 17 erhält des weiteren Informationen 18 von einer Komparatorschaltung 19, welche die Spannungen U₃, U₄ und U₅ in den Phasen 3, 4 und 5 auf einen Nulldurchgang überwacht. Aus der Zeitdifferenz zwischen zwei unmittelbar aufeinander fol genden Nulldurchgängen zweier Motorphasen ermittelt die Recheneinheit 17 den zeitlich nächstfolgenden, optimalen Kommutierungszeitpunkt und steuert entsprechend die Leistundsendstufe 15 an. Bei der Berechnung des Kommutierungszeitpunktes kommt das Verfahren entsprechend der DE 103 08 859 zur Anwendung, wie es in 4 anhand der gestrichelten Spannungsverläufe der Phasen 4 und 5 veranschaulicht wird.In 3 is the circuit for operating the Coolant pump motor 14 from the 1a to 2c to see. The motor 14 is operated in star connection. The three stator phases 3 . 4 , and 5 are about a power amplifier 15 energized. In a monitoring circuit 16 the operating voltage V _bat provided by the electrical system of the motor vehicle is monitored and the current value of the operating voltage V _bat is sent to a computing unit 17 delivered. The arithmetic unit 17 receives further information 18 from a comparator circuit 19 which the voltages U ₃ , U ₄ and U ₅ in the phases 3 . 4 and 5 monitored for a zero crossing. The arithmetic unit determines from the time difference between two directly successive zero crossings of two motor phases 17 the temporally next, optimal Kommutierungszeitpunkt and controls accordingly the Leistundsendstufe 15 at. When calculating the commutation time, the method comes according to the DE 103 08 859 to use, as it is in 4 based on the dashed voltage curves of the phases 4 and 5 is illustrated.

Die in 4 durchgezogen dargestellten Spannungsverläufe zeigen die Spannung in den Statorphasen 3 und 4 während des offenen Betriebsmodus. Die gestrichelten Verläufe stellen die jeweilige Phasenspannung im geschlossenen Betriebsmodus dar.In the 4 shown voltage curves show the voltage in the stator phases 3 and 4 during the open operating mode. The dashed curves represent the respective phase voltage in the closed operating mode.

Die Spannungsimpulse 20, 21, 22 und 23 verdeutlichen die Kommutierungszeitpunkte im geschlossenen Betrieb. Im Folgenden wird die Beziehung zwischen den 2a bis 2c und 4 hergestellt. Zum Zeitpunkt der Kommutierung 20 ist Phase 3 entsprechend der 2a als Nordpol bestromt, was einer positiven Betriebsspannung U₀ entspricht. An Phase 4 ist das Vorzeichen entgegengesetzt. Nach der Kommutierung 20 wird in der stromlosen Phase 3 eine Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen induziert, infolge des Vorbeiwanderns des Südpols 10. Die Spannung U₃ fällt dabei ausgehend von +U₀ auf den negativen Wert –U₀ ab, wobei der negative Wert bei einem optimalen Verfahren gerade zu dem Zeitpunkt erreicht wird, zu dem die nächste Kommutierung 21 stattfindet und die Phase 3 als Südpol bestromt werden wird. Die zeitliche Differenz ΔT zwischen der Kommutierung 20 und der Kommutierung 21 entspricht bei dem optimalen Verfahren einem elektrischen Winkel von 60 Grad und einem mechanischen Drehwinkel des Rotors von 30 Grad. Wie bereits beim Übergang von 2b zu 2c erläutert, tritt nach der Hälfte von T der Nulldurchgang 25 der in der stromlosen Phase 3 induzierten Spannung auf.The voltage pulses 20 . 21 . 22 and 23 clarify the commutation times in closed operation. The following is the relationship between the 2a to 2c and 4 produced. At the time of commutation 20 is phase 3 according to the 2a energized as a north pole, which corresponds to a positive operating voltage U ₀ . At phase 4 the sign is opposite. After the commutation 20 will be in the de-energized phase 3 induced a voltage of opposite sign due to the passing of the South Pole 10 , Starting from + U ₀ , the voltage U ₃ drops to the negative value -U ₀ , whereby the negative value is reached in an optimal method just at the time at which the next commutation 21 takes place and the phase 3 will be energized as a South Pole. The time difference ΔT between the commutation 20 and the commutation 21 In the optimal method, this corresponds to an electrical angle of 60 degrees and a mechanical angle of rotation of the rotor of 30 degrees. As already at the transition from 2 B to 2c explained, occurs at half of T, the zero crossing 25 in the de-energized phase 3 induced voltage.

Ein Verfahren zur Bestimmung des nächsten Kommutierungszeitpunktes wird in der DE 103 08 859 A1 beschrieben. In Anwendung dieses Verfahrens bestimmt die Recheneinheit 17 aus 3 die Zeitdifferenz ΔT zwischen zwei unmittelbar aufeinander folgenden Nulldurchgängen 25 und 26 der Phasen 4 und 3 und errechnet den nächsten Kommutierungszeitpunkt ausgehend vom zeitlich als zweiten gemessenen Nulldurchgang 26 durch Addition der halben Zeitdifferenz ΔT/2. Demnach muss die nächste Kommutierung zum Zeitpunkt 24 erfolgen. Diese würde sich in dem Verlauf der nicht dargestellten Spannung U₅ der Phase 5 als Impuls abzeichnen.A method for determining the next commutation time is described in US Pat DE 103 08 859 A1 described. In application of this method, the arithmetic unit determines 17 out 3 the time difference ΔT between two consecutive zero crossings 25 and 26 the phases 4 and 3 and calculates the next commutation time starting from the time measured as the second zero crossing 26 by adding half the time difference ΔT / 2. Accordingly, the next commutation must be at the time 24 respectively. This would be in the course of the voltage U _{5 of} the phase, not shown 5 sign off as an impulse.

Während des Anlaufens, d.h. während des Beschleunigens des Motors 14 aus dem Stillstand, tritt jedoch das Problem auf, dass der Betrag U₀ der an den Phasen anliegenden Spannungen U₃, U₄ und U₅ zu gering ist, um einen Nulldurchgang sicher erkennen zu können. Aus diesem Grund wird, entsprechend dem Stand der Technik nach der US 4,743,815 , der Motor 14 bis zu einer Umschaltdrehzahl im offenen Betriebsmodus nach den 1a bis 1c beschleunigt, wobei die Kommutierung im offenen Betriebsmodus zu einem späteren Zeitpunkt erfolgt als im geschlossenen Betriebsmodus. Wie an 1b zu erkennen ist, befindet sich nach der Kommutierung 20 die Mitte des Südpols 10 des Rotors 1 bereits jenseits der stromlosen Phase 3, d.h. der Nulldurchgang der induzierten Spannung ist bereits erfolgt und es wird sofort eine idealisiert als Rechteck dargestellte, maximale negative Spannung –U₀ induziert. Zum Zeitpunkt der Kommutierung 20 springt also die Spannung U₃ vom positiven Maximalwert +U₀ direkt auf den entgegengesetzten Wert –U₀. Wie bereits im Zusammenhang mit den 1a bis 1c erläutert, schwankt das entstehende Drehmoment zwischen einem Maximalwert und Null.During startup, ie during acceleration of the engine 14 from standstill, however, the problem arises that the amount U _{0 of} the voltages applied to the phases U ₃ , U ₄ and U _{5 is} too low to be able to reliably detect a zero crossing. For this reason, according to the prior art according to the US 4,743,815 , the motor 14 up to a switching speed in the open operating mode after the 1a to 1c accelerated, wherein the commutation in the open mode of operation takes place at a later time than in the closed mode. How to 1b can be seen, is located after the commutation 20 the middle of the South Pole 10 of the rotor 1 already beyond the de-energized phase 3 , ie, the zero crossing of the induced voltage has already taken place and it is immediately induced an idealized as a rectangle, maximum negative voltage -U ₀ . At the time of commutation 20 Thus, the voltage U ₃ jumps from the positive maximum value + U ₀ directly to the opposite value -U ₀ . As already related to the 1a to 1c explained, the resulting torque varies between a maximum value and zero.

Um trotzdem ein sicheres Hochlaufen des Motors 14 im offenen Betriebsmodus zu gewährleisten, wird der in die Phasen 3, 4 und 5 eingespeiste Strom gegenüber dem geschlossenen Betriebsmodus erhöht, so dass im Mittel ein ausreichend großes antreibendes Drehmoment zur Verfügung steht. Dementsprechend ist der absolute Wert der an den Phasen 3 bis 5 anliegenden Spannung U₀ im offenen Modus deutlich größer als im geschlos senen Modus. In 4 sind die Spannungen in den verschiedenen Modi jedoch aus Gründen der vereinfachten Darstellung gleich groß gezeichnet. Aufgrund der erhöhten Betriebsspannung U₀ im offenen Modus nähert sich der Verlauf der induzierten Spannung der dargestellten Rechteckform.Nevertheless, a safe run-up of the engine 14 in the open mode of operation, it is in the phases 3 . 4 and 5 fed current compared to the closed mode of operation increases, so that on average a sufficiently large driving torque is available. Accordingly, the absolute value of the phases 3 to 5 Voltage U ₀ in open mode is significantly greater than in closed mode. In 4 However, the voltages in the different modes are drawn the same size for the sake of simplicity. Due to the increased operating voltage U ₀ in the open mode, the course of the induced voltage approaches the illustrated rectangular shape.

Ist der Motor 14 mittels des offenen Betriebsmodus auf die Umschaltdrehzahl beschleunigt worden, so wird im Stand der Technik einfach auf den geschlossenen Betriebsmodus umgeschaltet, d.h. es wird direkt nach dem Umschalten die Zeitdifferenz ΔT zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen, also beispielsweise zwischen den Zeitpunkten 20 und 21 an den Phasen 3 und 4 gemessen. Als neuer Zeitpunkt für die nächste Kommutierung, bei der die Phase 5 stromlos geschaltet würde, wird der Zeitpunkt 26 ermittelt, da die halbe Zeitdifferenz ΔT/2 zum zweiten Nulldurchgang 21 hinzugerechnet wird. Dieser Kommutierungszeitpunkt liegt jedoch genau ΔT/2 vor dem eigentlich optimalen Kommutierungszeitpunkt 24. Wird zum Zeitpunkt 26 kommutiert, tritt sofort eine ruckartige Drehmomentänderung auf, die zu deutlichen Stromspitzen führen kann. Da der eingeprägte Strom im offenen Betriebsmodus bewusst hoch gewählt wurde, können die Stromspitzen unter Umständen schädigende Nebenwirkungen für die Elektronik des Motors 14 haben. Im ungünstigsten Fall, beispielsweise bei einem gleichzeitig stattfindenden Lastwechsel, kann der Motor 14 sogar außer Tritt fallen, d.h. der Rotor 1 ist dann nicht mehr in der Lage, dem Statorfeld 7 zu folgen. Solche Lastwechsel treten gerade bei Kühlmittelpumpen im Kraftfahrzeug häufig auf, da je nach aktuellem Zustand des Kühlsystems die Durchflussmenge an Kühlflüssigkeit durch die Pumpe variabel ist. Außerdem hängt die Viskosität der Kühlflüssigkeit in starkem Maße von der Umgebungstemperatur ab, die großen Schwankungen unterworfen sein kann.Is the engine 14 has been accelerated to the switching speed by means of the open mode, so in the prior art simply switched to the closed mode, ie it is directly after switching the time difference .DELTA.T between two consecutive zero crossings, so for example between the times 20 and 21 at the stages 3 and 4 measured. As new time for the next commutation, at the phase 5 de-energized, is the time 26 determined since half the time difference .DELTA.T / 2 to the second zero crossing 21 is added. However, this commutation time is exactly ΔT / 2 before the actual optimal commutation 24 , Will be at the time 26 Commutated, occurs immediately a jerky torque change, which can lead to significant current peaks. Because the impressed current in the open mode has been deliberately set high, the current spikes can potentially damage the electronics of the motor 14 to have. In the worst case, for example, during a simultaneous load change, the engine 14 even fall out of step, ie the rotor 1 is then no longer able to the stator field 7 to follow. Such load changes occur frequently, especially with coolant pumps in the motor vehicle, since, depending on the current state of the cooling system, the flow rate of cooling fluid through the pump is variable. In addition, the viscosity of the cooling liquid largely depends on the ambient temperature, which may be subject to large fluctuations.

Zur Überwindung dieser Probleme schlägt nun die vorliegende Erfindung vor, nach dem Erreichen der Umschaltdrehzahl nicht einfach von einer Betriebsart in die andere umzuschalten, sondern vor dem Umschalten den Strom im Stator 2 zu reduzieren, bis die in der jeweils nicht bestromten Statorphase induzierte Spannung wieder beginnt, eine endliche Steigung ungleich Null aufzuweisen und bis während dieser endlichen Steigung ein Nulldurchgang der induzierten Spannung messbar ist. Der Zeitraum zwischen dem Beginn des Absenkens des Statorstroms und dem ersten sicheren Erkennen eines Nulldurchgangs in der induzierten Spannung endlicher Steigung wird im Folgenden als Umschaltphase bezeichnet.To overcome these problems, the present invention proposes not to switch from one mode to the other after reaching the switching speed, but before switching the current in the stator 2 until the voltage induced in the respectively de-energized stator phase again begins to exhibit a finite non-zero slope and until, during this finite slope, a zero crossing of the induced voltage is measurable. The period between the beginning of the lowering of the stator current and the first reliable detection of a zero crossing in the induced voltage of finite slope is referred to below as switching phase.

Die Wirkungsweise einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus 5 deutlich. In den 5a bis 5g ist der resultierende Verlauf der induzierten Spannung U₄ in der nicht bestromten Phase 4 dargestellt, während der Gesamtstrom im Stator gleichmäßig reduziert wird. Zu sehen sind neben dem Spannungsverlauf U₄ jeweils die optimalen Kommutierungszeitpunkte 27 und 28 sowie je ein Zeitfenster 29, welches den Zeitraum zwischen dem optimalen Kommutierungszeitpunkt 27 bzw. 28 und dem Erreichen der maximalen induzierten Spannung +/–U₀ abdeckt, und ein Zeitfenster 30 innerhalb des Zeitfensters 29. In allen 5a bis 5g wird zum selben Zeitpunkt 30 kommutiert. Das Zeitfenster 29 zeigt den Zeitraum an, in dem die Phase 4 unbestromt ist. Innerhalb dieses Zeitfensters 29 wird also die Spannung U₄ auf einen möglichen Nulldurchgang überwacht. Das innere Zeitfenster 30 grenzt den zeitlichen Bereich ein, innerhalb dem eine Umschaltung vom offenen in den geschlossenen Betriebsmodus ruckfrei möglich ist.The mode of operation of an embodiment of the method according to the invention is made 5 clear. In the 5a to 5g is the resulting course of the induced voltage U ₄ in the non-energized phase 4 shown while the total current in the stator is uniformly reduced. In addition to the voltage curve U ₄ , the optimal commutation times can be seen in each case 27 and 28 and one time slot each 29 , which is the period between the optimal commutation time 27 respectively. 28 and reaching the maximum induced voltage +/- U ₀ , and a time window 30 within the time window 29 , In all 5a to 5g will be at the same time 30 commutated. The time window 29 indicates the period in which the phase 4 is not energized. Within this time window 29 Thus, the voltage U _{4 is} monitored for a possible zero crossing. The inner time window 30 limits the time range within which switching from the open to the closed operating mode is possible without jerking.

5a zeigt einen typischen Verlauf aus dem offenen Betriebsmodus, d.h. es wurde zum Zeitpunkt 31 kommutiert und die Spannung U₄ ist sprungartig auf den induzierten Wert +U₀ angestiegen. Der Rotor 1 dreht bereits mit seiner Umschaltdrehzahl. In 5b hat nun die Umschaltphase begonnen. Der Strom in den Statorphasen wird abgesenkt, was zu einem reduzierten Drehmoment führt. Als Folge davon entsteht eine leichte Phasenverschiebung zwischen Rotorfeld 6 und Stator feld 7. Der Rotor 1 folgt also dem Statorfeld 7 um einen kleinen Drehwinkel verzögert. Dementsprechend tritt nach der Kommutierung 30 nicht sofort die maximale induzierte Spannung auf. Dieser Effekt wird durch die allmähliche Reduktion des Stromes weiter verstärkt, wodurch das Rotorfeld 6 nach und nach einen immer größeren Differenzwinkel zum Statorfeld 7 aufweist, bis der nach 2a optimale Unterschied von 60 Grad elektrisch erreicht ist, was durch 5e veranschaulicht wird. Durch die Stromabsenkung wurde also die Differenzlage bzw, der Phasenwinkel zwischen Rotorfeld 6 und Statorfeld 7 von der Situation aus 1a in die Situation aus 2a überführt. 5a shows a typical course from the open mode, ie it was at the time 31 commutes and the voltage U ₄ has jumped to the induced value + U ₀ increased. The rotor 1 already turns at its switching speed. In 5b has now started the switching phase. The current in the stator phases is lowered, resulting in a reduced torque. As a result, there is a slight phase shift between the rotor field 6 and stator field 7 , The rotor 1 follows the stator field 7 delayed by a small angle of rotation. Accordingly occurs after commutation 30 not immediately the maximum induced voltage on. This effect is further enhanced by the gradual reduction of the current, which causes the rotor field 6 Gradually an ever larger differential angle to the stator field 7 until the after 2a optimal difference of 60 degrees electrical is achieved by what 5e is illustrated. By lowering the current thus became the difference position or, the phase angle between the rotor field 6 and stator field 7 from the situation 1a in the situation 2a transferred.

Der Nulldurchgang der Phasenspannung U₄ tritt bereits ab 5d im zeitlichen Rahmen des inneren Zeitfensters 30 auf, d.h. bereits nach einer Absenkung des Statorstroms bis zu dem 5d entsprechenden Wert ist eine ruckfreie Umschaltung in den geschlossenen Betriebsmodus möglich. In 5f wurde der Strom bereits soweit abgesenkt, dass der Phasenwinkel zwischen Rotorfeld 6 und Statorfeld 7 bereits größer ist als in 2a. Bei einer weiteren Absenkung des Stroms entsprechend der 5g hinkt das Rotorfeld 6 dem Statorfeld 7 bereits soweit hinterher, dass der Rotor zu kippen droht. Um einen solchen Zustand sicher auszuschließen, wird gemäß der Ausführungsform der Erfindung ein Umschalten zwischen den Betriebsmodi ausschließlich innerhalb des Zeitfensters 30 zugelassen, d.h. der Zustand aus 5f wird niemals erreicht.The zero crossing of the phase voltage U ₄ already occurs 5d within the time frame of the inner time window 30 on, ie already after a reduction of the stator current up to the 5d corresponding value, a jerk-free changeover to the closed operating mode is possible. In 5f the current has already been lowered so far that the phase angle between the rotor field 6 and stator field 7 already larger than in 2a , In a further reduction of the current according to the 5g lags the rotor field 6 the stator field 7 already so far behind, that the rotor threatens to tip over. In order to surely exclude such a state, according to the embodiment of the invention, switching between the operation modes is made exclusively within the time window 30 approved, ie the state off 5f will never be reached.

Zusammenfassend wird ein Anlaufverfahren für den Motor 14 gemäß einer insbesondere für den Kraftfahrzeugbereich vorgesehenen Ausführung der Erfindung in einzelnen Schritten kurz beschrieben:
In einem ersten Schritt wird der Rotor 1 sicher zum Stillstand in einer definierten Position gebracht. Hierzu wird der Stator mit einem definierten Konstantstrom geringer Amplitude beaufschlagt, d.h. das Statorfeld 7 wird in einer festen Po sition eingeprägt. Dadurch wird der Rotor unabhängig von seiner Ausgangsposition sicher in die Rotorposition bewegt, bei der das Drehmoment wieder zu Null wird, beispielsweise entsprechend 1a.In summary, a start-up procedure for the engine 14 according to an embodiment of the invention intended in particular for the motor vehicle sector, briefly described in individual steps:
In a first step, the rotor 1 safely brought to a standstill in a defined position. For this purpose, the stator is subjected to a defined constant current of low amplitude, ie the stator field 7 is imprinted in a fixed position. As a result, regardless of its starting position, the rotor is reliably moved into the rotor position, where the torque returns to zero, for example correspondingly 1a ,

In einem zweiten Schritt wird der Rotor 1 im offenen Betriebsmodus auf seine Umschaltdrehzahl beschleunigt. Damit die Umschaltdrehzahl auch bei Lastschwankungen und variablen Umgebungsbedingungen sicher erreicht wird, wird während der Hochlaufens der Statorstrom auf einen Wert erhöht, der auch bei schwierigsten Bedingungen ein ausreichend hohes Drehmoment gewährleistet. Im Fall einer Kühlmittelpumpe bedeuten schwierigste Bedingungen, dass sehr niedrige Umgebungstemperaturen herrschen, bei denen die Kühlflüssigkeit besonders dickflüssig ist und dass gleichzeitig eine größtmögliche Durchflussmenge angefordert wird. Die Erhöhung des Statorstrom erfolgt außerdem proportional zur zunehmenden Rotordrehzahl.In a second step, the rotor 1 in open mode to its switching speed accelerated. So that the switching speed is reliably achieved even under load fluctuations and variable environmental conditions, the stator current is increased during startup to a value which ensures a sufficiently high torque even under the most difficult conditions. In the case of a coolant pump, the most difficult conditions mean that very low ambient temperatures prevail, in which the coolant is particularly viscous and at the same time a maximum flow rate is required. The increase of the stator current is also proportional to the increasing rotor speed.

Da im Kraftfahrzeugbereich außerdem mit Schwankungen im Bordnetz und damit in der Versorgungsspannung V_bat nach 3 gerechnet werden muss, wird zusätzlich die Spannung V_bat mittels der Recheneinheit 17 überwacht und durch entsprechende Ansteuerung der Leistungsendstufe 15 dafür gesorgt, dass der Statorstrom und damit das Drehmoment gegenüber den Schwankungen von V_bat konstant gehalten wird.As in the automotive sector also with fluctuations in the electrical system and thus in the supply voltage V _bat after 3 must be expected, in addition, the voltage V _bat by means of the arithmetic unit 17 monitored and by appropriate control of the power output stage 15 ensured that the stator current and thus the torque is kept constant with respect to the fluctuations of V _bat .

Im dritten Schritt, wenn die Umschaltdrehzahl erreicht ist, wird mit der Umschaltphase begonnen. Dabei wird die Umschaltdrehzahl konstant gehalten und gleichzeitig der Statorstrom kontinuierlich reduziert. Die Recheneinheit 17 überwacht dabei mit Hilfe der Komparatorschaltung 19 die Spannungen an den Phasen 3, 4 und 5 während des jeweiligen stromlosen Zustands, also innerhalb der jeweiligen Zeitfenster 29 auf ihre Nulldurchgänge. Sobald ein Nulldurchgang innerhalb eines der inneren Zeitfenster 30 auftritt, wird die Umschaltung in den geschlossenen Betriebsmodus vorgenommen. Alternativ kann auch eine Mindestanzahl an Nulldurchgängen innerhalb der inneren Zeitfenster 30 abgewartet werden, bevor die Umschaltung erfolgt. Wird im ungünstigsten Fall kein Nulldurchgang erkannt, obwohl die Nulldurchgänge infolge weiterer Stromabsenkung bereits durch die zugehörigen Zeitfenster 30 hindurchgewandert sind, entsprechend der 5f und 5g, so erfolgt ein Neustart, beginnend mit dem ersten Schritt. Eine Gefährdung der Elektronik kann aber auch in einem solchen Fall sicher ausgeschlossen werden.In the third step, when the switching speed is reached, the switching phase is started. The switching speed is kept constant while the stator current is reduced continuously. The arithmetic unit 17 monitors with the help of the comparator circuit 19 the voltages at the phases 3 . 4 and 5 during the respective de-energized state, ie within the respective time window 29 on their zero crossings. Once a zero crossing within one of the inner time windows 30 occurs, the switch is made in the closed operating mode. Alternatively, there may be a minimum number of zero crossings within the inner time window 30 Wait before switching takes place. If no zero crossing is detected in the worst case, although the zero crossings due to further current reduction already by the associated time window 30 have passed through, according to the 5f and 5g , it will restart, starting with the first step. A risk to the electronics can also be safely excluded in such a case.

Im vierten Schritt läuft der geschlossene Betriebsmodus nach dem Stand der Technik ab, d.h. dass zum Beispiel durch Variation der Statorspannung eine gewünschte Variation der Rotordrehzahl vorgenommen werden kann.in the fourth step the closed mode of operation of the prior art, i. that For example, by varying the stator voltage a desired variation the rotor speed can be made.

Durch das erfindungsgemäße Absenken des Statorstroms bei gleichzeitiger Überwachung der Nulldurchgänge der induzierten Spannungen wird gewährleistet, dass unabhängig vom aktuellen Lastfall ein sicheres Umschalten vom offenen in den geschlossenen Betriebsmodus stattfindet, ohne die Motorelektronik und insbesondere die Leistungsendstufe 15 zu gefährden. Der Motorzustand ist dabei immer bekannt, d.h. es kann eine lückenlose Fehlerüberwachung durchgeführt werden. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichte Vermeidung von Stromspitzen erlaubt eine Auslegung der Leistungsendstufe 15 für niedrigere Stromwerte, d.h. die Leistungsendstufe 15 kann besser an den eigentlichen Arbeitsbereich des Motors 14 angepasst werden. Vorteilhaft ist außerdem, dass für die Realisierung des Verfahrens keine zusätzlichen Hardwarekomponenten notwendig sind.The inventive lowering of the stator current while monitoring the zero crossings of the induced voltages ensures that regardless of the current load case, a safe switching takes place from open to closed operating mode, without the engine electronics and in particular the power output stage 15 to endanger. The engine condition is always known, ie it can be carried out a complete error monitoring. The avoidance of current peaks achieved by the method according to the invention allows a design of the power output stage 15 for lower current values, ie the power output stage 15 can better match the actual workspace of the engine 14 be adjusted. It is also advantageous that no additional hardware components are necessary for the realization of the method.

Claims

Start-up method for a sensor and brushless, multi-phase DC motor, in which the DC motor is accelerated in an open mode without knowing the position of the rotor to a switching speed and is operated after reaching the switching speed in a closed operating mode based on the knowledge of the position of the rotor , characterized in that after reaching the switching speed, the speed of the DC motor is kept constant and at the same time the current in the stator is reduced until the voltage induced in a non-energized phase has a finite slope other than zero and during the finite slope a zero crossing is detected.

Start-up method according to claim 1, characterized that the detection of the zero crossing only to a switching in the closed mode, when the zero crossing within a given time window.

Start-up method according to claim 2, characterized that the time window after a first predetermined time period after optimal commutation begins.

Start-up method according to one of claims 2 or 3, characterized in that the time window by a second predetermined Time span before reaching the next maximum value of the induced Tension ends.

Start-up method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that during of accelerating the DC motor, the stator current increases with increasing Speed increased becomes.

Starting method according to one of the preceding claims, characterized in that during the acceleration of the DC motor, the stator current is chosen so high that the switching speed safely even in the most difficult load case is reached.

Start-up method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that during of accelerating the DC motor, the stator current is so high chosen is that only a small to no Polradwinkel occurs (phase shift between the electric stator field and the rotor).

Start-up method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the DC motor is part of an electrical Plant of a motor vehicle and that the stator current is constant is held opposite Fluctuations in the vehicle electrical system voltage. (Battery)