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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kommutierung
von einem mehrphasigen Gleichstrommotor mit Polzahl ≥ 2 und mit mehrsträngigem,
insbesondere mit dreisträngigem Wicklungssystem,
umfassend einen Rotor und einen Stator, sowie umfassend eine, zwischen
Rotor und Stator wirksame, Rückführeinheit
enthaltend ein Gebersystem zur Erfassung und/oder zur Ermittlung
von wenigstens einer absoluten Rotordrehinformation, wobei das Gebersystem
insbesondere als Resolver mit zwei harmonischen Ausgangssignalen
analoger Art ausgeführt
ist, und wobei die Ausgangssignale insbesondere sinus- und cosinusförmige Spannungen
emittieren, wobei die Ausgangssignale in einem Signalprozessor analog
oder digital bearbeitet werden, und mit einem nachgeschalteten elektronischen Regler
mit wenigstens einem Wechselrichter, enthaltend eine Leistungsstufe
mit wenigstens einem Halbleiterbauelement, insbesondere in Form
von einem Feldeffekttransistor (FET), der zur Kommutierung des Gleichstrommotors
in Abhängigkeit
von den verarbeiteten Rotordrehinformationen herangezogen wird.
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Zur
Gewinnung von Rotordrehinformationen bei Gleichstrommotoren werden üblicherweise
Polradgeber mit drei Hallsensoren eingesetzt, welche einem Polrad
zugeordnet sind, das fest am Rotor angeordnet ist. Die Hallsensoren
tasten Spuren von dem Polrad ab, und geben jeweils Rotordrehinformationen
an den Regler mit Wechselrichter (Stromrichter) ab. In dem Regler
wird – in
Abhängigkeit
von den eingehenden Rotordrehinformationen – die vektorielle Größe der Ausgangsspannung
in den einzelnen Strängen
von dem Gleichstrommotor vorgewählt. Folglich
gibt der Regler unter Rückkopplung
des tatsächlichen
Motordrehverhaltens stets sowohl Betrag, Vorzeichen, als auch Phasenlage
(Winkel) für
die Versorgung der einzelnen Wicklungsstränge ab. Dabei können die
Bauteile im Regler als Halbleiterventile angesehen werden, welche
in dem dreisträngigen Wicklungssystem
zur Ausbildung von einem Drehfeld stets die Bestromung von zwei
Strängen
zulassen, während
ein Strang stromlos (gesperrt) ist.
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Der
derart betriebene Gleichstrommotor kann beispielsweise für eine elektrisch
angetriebene Servolenkhilfe, für
eine Überlagerungslenkung,
zur Parameterlenkung oder für
weitere Antriebsfunktionen in einem Kraftfahrzeug genutzt werden.
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Ein
wesentliches Kriterium für
massenhafte Automobilanwendungen ist jedoch die Effizienz und Kostenattraktivität von dem
gewählten
Design. Denn nur die kostengünstige
Lösung
kann bei gleicher Funktionalität
im Markt bestehen. Den geschilderten Rückführeinheiten unter Verwendung
von drei Hall-Sensoren haftet diesbezüglich ein wesentlicher Kostennachteil
an. Zwar gibt es für
bestimmte Anwendungsfälle
prinzipiell Antriebssysteme bei denen ohne direkten Abgriff einer
Rotordrehinformation eine Abschätzung
vom Rotordrehverhalten vorgenommen wird. Mit anderen Worten wird
auf Sensorik gänzlich verzichtet.
Derartige Antriebssysteme erfordern für deren zuverlässige Funktion
jedoch streng definierte, stabile, Randbedingungen. Sie sind generell
nicht für Verwendungen
geeignet, bei denen ein Anlauf unter hoher Last gefordert ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein kostengünstiges
Verfahren und eine kostengünstige
Vorrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Gleichstrommotors
mit mehrsträngigem
Wicklungssystem vorzuschlagen, wobei eine besonders kostengünstige Rückführeinheit
für die
Gewinnung von Rotordrehinformationen gefordert ist, deren Informationen
für eine
besonders flexible Nutzung einem nachgeschalteten Stromrichter zugeführt werden
können.
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Die
Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen vom Patentanspruch
1 gelöst.
Neben weiteren Merkmalen ist vorgesehen, dass die Rückführeinheit
mit dem Gebersystem ein gesondertes Steuergerät zur Be- und/oder Verarbeitung
der mehreren analogen Ausgangssignale aufweist, dass das Steuergerät direkt
mit dem Gebersystem verbunden ist, und dass auf der Grundlage der
wenigstens zwei prinzipiell analogen Ausgangssignale des Gebersystems
eine absolute Rotordrehinformation gewonnen sowie dem elektronischen
Regler übermittelt
wird. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie weitere Einzelheiten
gehen aus Unteransprüchen
zusammen mit der Beschreibung und der Zeichnung hervor. In der Zeichnung
zeigt:
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1 schematisch
ein System umfassend einen Gleichstrommotor, eine Rückführeinheit
mit drei Hallsensoren sowie einem Regler, und
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2 schematisch
ein System umfassend einen Gleichstrommotor, eine Rückführeinheit
enthaltend einen Resolver der zwei harmonische Ausgangssignale emittiert,
und mit einem Regler zur Weiterverarbeitung dieser Ausgangssignale.
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Auch
wenn das System nachstehend im Wesentlichen mit Blick auf dessen
Motorfunktion beschrieben wird, eignet sich dieses System prinzipiell für andere
Quadranten wie insbesondere für
einen reversierten Betrieb, wobei kinematische Energie in elektrische
Energie gewandelt wird (Brems- bzw. Generatorfunktion). Die beiden
Betriebsmodi können wechselweise
von ein- und derselben Vorrichtung ausgeübt werden.
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Ein
System 1 zur Regelung von einem mehrphasigen, bürstenlosen
Gleichstrommotor 2 umfasst einen Rotor und einen Stator.
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Zumeist
verfügt
der Rotor über
Erregermagnete, wobei es sich prinzipiell um eine permanentmagnetische
oder elektromagnetische Erregung handeln kann. Der Einfachheit halber
werden meist Permanentmagnete ausgewählt. Die Erregung verfügt über eine
Polzahl ≥ 2.
Statorseitig ist ein mehrsträngiges,
insbesondere ein dreisträngiges,
Wicklungssystem vorgesehen, wobei dessen Stränge u, v, w, wie dargestellt,
bevorzugt in Sternschaltung mit einem Sternpunkt S fest verschaltet
sind. Prinzipiell ist es auch möglich,
die Stränge
u, v, w in Dreieckverschaltung vorzusehen, wobei in weiterhin vorteilhafter
Ausgestaltung nicht völlig
ausgeschlossen ist, dass ergänzend
eine Schaltvorrichtung zur wechselweisen Umschaltung der Stränge u, v,
w zwischen Stern- oder
Dreieckschaltung vorgesehen ist, um beispielsweise das Anlaufverhalten
des Elektromotors 2 zu beeinflussen. Es versteht sich,
dass der Rotor eine Rotorwelle R umfasst, welche in Relation zu dem
Stator drehbar gelagert ist. Zu diesem Zweck dienen Lagerungsmittel
zwischen Rotorwelle R und Stator.
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Um
in den Strängen
u, v, w des Stators ein Drehfeld zu erzeugen, welches infolge wechselnder Feldwirkung
eine Drehmitnahme von dem Rotor mit den Permanentmagneten ermöglicht,
wird der Gleichstrommotor 2 elektronisch kommutiert, indem ein
elektronischer Regler 3 die Versorgung in den Strängen u,
v, w wechselweise schaltet und umschaltet. Diese Schalt- und Umschaltvorgänge beruhen – wie nachstehend
noch im Einzelnen erläutert
wird – auf
einer Verarbeitung der Daten von einem Gebersystem 4, welches
Informationen über
die aktuelle Rotordrehung zur Rückführung (im
Sinne einer Rückführeinheit)
in den Regelprozess bereitstellt. Der Regler 3 wählt und
emittiert in Abhängigkeit
von den eingehenden Rotordrehinformationen die vektorielle Größe der Ausgangsspannung
in den einzelnen Strängen
u, v, w von dem Gleichstrommotor 2. Folglich gibt der Regler 3 sowohl
Betrag, Vorzeichen, als auch Phasenlage (Winkel) für die Versorgung
der einzelnen Stränge
u, v, w ab. Bei dreisträngigem Wicklungssystem
werden beispielsweise stets zwei Stränge bestromt, während ein
Strang stromlos ist. Dies wird bewirkt, indem ein Zweig des Schaltungssystems
gewissermaßen
durch ein Halbleiterventil gesperrt wird.
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Der
elektronische Regler 3 umfasst im Einzelnen eine Wechselrichterbrücke 5,
mit Halbleiterbauelementen, insbesondere in Form von Feldeffekttransistoren
(FET) oder Thyristoren, die in einer Brückenschaltung arrangiert sind,
und in der 1 stark vereinfacht als gemeinsamer
Schalter (Schließer) symbolisch
dargestellt sind.
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Die
Wechselrichterbrücke 5 ist
das Leistungsbauteil für
die bürstenlose
Kommutierung des Gleichstrommotors 2, welches in Abhängigkeit
von den verarbeiteten Rotordrehinformationen wirksam ist. Die Wechselrichterbrücke 5 kann
es bei entsprechender Bestückung
insbesondere ermöglichen,
den Gleichstrommotor 2 in einem sogenannten 4-Quadrantenbetrieb
sowohl zum Antrieben (Motorbetrieb) als auch zum Bremsen (Generatorbetrieb)
von irgendwelchen mechanischen Systemen vorzusehen.
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Um
generell das Drehverhalten, aber auch Regelabweichungen im Drehverhalten,
des Rotors vom Gleichstrommotor 2 zu erfassen, und um diese Informationen
dem nachgeschalteten Regler 3 zur Verfügung zu stellen, ist das Gebersystem 4 vorgesehen.
Es dient zur direkten Erfassung der Rotordrehinformationen. Das
Gebersystem 4 ist gemäß 1 als
Polradgeber mit drei statorseitigen Hallsensoren 6a, 6b, 6c und
mit einem rotorwellenfesten Polrad 7 ausgebildet, welches
mehrere codierte Spuren aufweist, die den einzelnen Hallsensoren 6a, 6b, 6c zugeordnet
sind.
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Die
Hallsensoren 6a, 6b, 6c tasten die zugeordneten
Spuren von dem Polrad ab, und geben die jeweiligen Informationen
H1, H2, H3 an den Regler 3 ab. Der elektronische Regler 3 für den Gleichstrommotor 2 umfasst
seinerseits eine eingansseitige Ansteuerelektronik (Vorstufe, low
side) 8, die eine darauf folgende Endstufe 9 (high
side) speist, sowie den sich daran anschließenden Stromrichter 5.
Bei dem gegebenen Aufbau ermittelt die im Regler 3 angeordnete
Ansteuerelektronik 8 direkt aus den Informationen H1, H2,
H3 von den Hallsensoren 6a, 6b, 6c ein Muster
zur Versorgung der Stränge
für den
Gleichstrommotor 2. Die Endstufe 9 (Hochstromseite)
verstärkt
die Ausgänge
von der Ansteuerelektronik 8 und führt diese der Brückenschaltung
des Wechselrichters zu, die wiederum gewissermaßen zur Ventilierung der Stränge u, v,
w des Gleichstrommotors wirksam ist.
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Das
System ermöglicht
prinzipiell folgende Arbeitsweise für die Erarbeitung der Rotorlageinformationen.
Eine sogenannte Grobinterpolation wird von einer sogenannten Feininterpolation
unterschieden. Die Grobinterpolation beruht auf einer einfachen Betrachtung
der Gebersignale und führt
zu der Information, ob sich der Rotor überhaupt dreht, und weiterhin
zu einer Information über
die (Rotor-)Bewegungsrichtung. Die Feininterpolation dient dagegen zu
einer präziseren
Informationsgewinnung, indem beispielsweise die konkrete aktuelle
Rotorposition eruiert wird. Dieser Prozess erfolgt über die
folgende trigonometrische Beziehung: Drehwinkel α = arctan(Signal
X/Signal Y)
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Ausgehend
von einem konventionellen Systemaufbau gemäß 1 sind übereinstimmende Merkmale
in 2 mit übereinstimmenden
Bezugsziffern versehen. Unterschiedliche Merkmale sind dagegen mit
neuen oder unterschiedlichen Bezugzeichen gekennzeichnet.
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Im
Prinzip beruht die Erfindung auf einer anderen Signalbe- und Verarbeitung,
um eine elektronische Justierung oder Einstellung von einem Gebersystem 4 zu
ermöglichen.
Im Unterschied zu einer bisher vollständig im Regler 3 durchgeführten Be- und
Verarbeitung erfolgt eine Auslagerung dergestalt, dass die Signalbehandlung
und teilweise die Signalverarbeitung in eine gesonderte, externe
Steuereinheit 11 ausgelagert ist, welche nicht Bestandteil von
dem elektronischen Regler 3 ist. Um aus den Drehinformationen
von einem Sinus-Cosinus-Encoder möglichst kostengünstig ein Bestromungsmuster für die Blockkommutierung
eines bürstenlosen Gleichstrommotors 2 zu
gewinnen, wird vorliegend vorgeschlagen, sinus- und cosinusförmige Ausgangssignale
des Gebersystems 4 nach folgender Signalbehandlung dem
Regler 3 zuzuführen: sin(φ +- δ) = sin(φ) cos(δ) +- cos(φ) sin(δ) cos(φ +- δ) = cos(φ) cos(δ) -+ sin(φ) sin(δ)
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Im
Einzelnen ist bei dem System nach 2 an Stelle
von einem Polradgeber mit drei Hallsensoren 6a, 6b, 6c ein
Resolver 10 mit zwei Ausgangssignalen von harmonischem
Verlauf sin(φ)
und cos(φ), sowie
analoger Art, vorgesehen. Selbstverständlich ist prinzipiell auch
eine digitale Verarbeitung unter Verwendung von A/D oder D/A-Umsetzern
möglich. Die
beiden Ausgangssignale sin(φ)
und cos(φ)
gehen meist auf zumindest zwei, in vorgegebenem Abstand und Orientierung
rechtwinklig zueinander, fest am Stator angeordnete Messwicklungen
zurück,
die beide einem magnetischen Feld ausgesetzt sind, das einer Erregerwicklung
oder einem Permanentmagneten entspringt, welcher rotorfest montiert
ist. Durch die Rotation dieses Erregerfeldes wird in den Messwicklungen
jeweils eine Spannung induziert. Frequenz, Phasenlage und Phasenverschiebung
der beiden Spannungen korreliert mit dem Drehverhalten von dem Rotor.
Somit wird eine direkte Erfassung des Rotordrehverhaltens ermöglicht.
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Die
beiden Ausgangssignale sin(φ)
und cos(φ)
werden verzweigt und einerseits ohne weiteres direkt dem elektronischen
Regler 3 zugeführt,
um als Argument in verschiedenen Verarbeitungsroutinen P1–P4, wie
nachstehend noch erläutert
wird, weiterverarbeitet zu werden. Andererseits werden die beiden
Ausgangssignale sin(φ)
und cos(φ)
der gesonderten, ausgelagerten Steuereinheit 11 zugeführt, in
der auf Grundlage der gegebenen Daten vom Gebersystem 4 wie
auch auf Grundlage einer Rückführung vom
Regler 3 jeweils ein Offsetwert sin(δ) und cos(δ) für die Punkte P1 bis P4 aus
einer, in einem Speicher hinterlegten, Tabelle entnommen wird. Diese
Offsetwerte sind beispielsweise für eine Timing-Verschiebung bei
hohen Rotordrehzahlen verantwortlich. Mit anderen Worten wird es
einfach ermöglicht,
eine drehzahlabhängige
Winkelverschiebung in der Kommutierung zu realisieren, was zu höheren erreichbaren
Drehmomenten bei hoher Drehzahl führt. Die 2 erläutert das
Gebersystem 4 vergleichsweise schematisch und insbesondere
unter Vernachlässigung
einer etwaigen Erregerstromversorgung, sowie unter Vernachlässigung
einer A/D oder D/A-Abtastung (Wandlung).
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Die
Verarbeitungsroutinen P1 bis P4 sind bevorzugt als analoge Multiplikationsstellen
ausgelegt, in denen den Signalen sin(φ) oder cos(φ) jeweils wechselweise der
extern gebildete Offsetwert sin(δ) oder
cos(δ) zugeführt wird,
um schrittweise die folgende Gleichung aufzulösen: sin(φ +- δ) = sin(φ) cos(δ) +- cos(φ) sin(δ) cos(φ +- δ) = cos(φ) cos(δ) -+ sin(φ) sin(δ)
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Dementsprechend
wird in den einzelnen Multiplikatorstellen jeweils folgendes Produkt
gebildet: P1 = sin(φ) cos(δ) P2
= cos(φ)
sin(δ) P3 = cos(φ)
cos(δ) P4 = sin(φ)
sin(δ)
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Die
in den Punkten P1 und P2 sowie P3 und P4 gebildeten Produkte werden
in den Summationspunkten Σ1
und Σ2 miteinander
summiert oder voneinander subtrahiert, und sodann der Ansteuerelektronik 8 (Vorstufe)
zugeführt.
Der weitere Signalfluss erfolgt im Prinzip wie bereits betreffend 1 erläutert.
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Die
Steuereinheit 11 zur Bereitstellung der Offsetwerte, wie
auch die sonstige Signalbehandlung ist ersichtlich außerhalb
vom Regler 3 platziert. Dazu dient ein Signalprozessor,
der lokal bevorzugt als ASIC in der Rückführeinheit selbst oder in einer
gesonderten Baueinheit vorgesehen ist. Unter dem Begriff Signalbehandlung
wird – entsprechend
dem fachmännischen
Verständnis – auch eine
analog-digitale oder umgekehrte Signalumsetzung anhand von A/D oder
D/A Umsetzern unter Ausnutzung einer bestimmten Abtastfrequenz verstanden.
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Das
vorgeschlagene System eignet sich prinzipiell für alle Anwendungen, bei denen
elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz kommen.
In der Fahrzeugtechnik eignet sich das System bevorzugt für sicherheitsrelevante
Anwendungen, die eine lange und wartungsfreie Lebensdauer erfordern,
wie insbesondere elektromechanische Bremsaktuatorik (EMB), oder
elektromechanische Servolenksysteme (EPS, EPAS).
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- 1
- System
- 2
- Gleichstrommotor
- 3
- Regler
- 4
- Gebersystem
- 5
- Wechselrichter
- 6a,
b, c
- Hallsensor
- 7
- Polrad
- 8
- Auswerteelektronik
- 9
- Endstufe
- 10
- Resolver
- 11
- Steuereinheit
- u,
v, w
- Strang
- S
- Sternpunkt
- R
- Rotorwelle
- H1,
2, 3
- Information