DE102007031548A1 - Electric motor commutator and method for driving an electric motor commutator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung ist gerichtet auf einen Elektromotor-Kommutator (12) mit einer Schaltbrücke (20) mit einem Highside-Halbleiter (T<SUB>1</SUB>) und einem Lowside-Halbleiter (T<SUB>4</SUB>). Der Kommutator (12) weist ferner einen Pulsweiten-Modulator (26) zur Ansteuerung der Schaltbrücke (20) auf. Der Pulsweiten-Modulator (26) ist an beide Halbleiter (T<SUB>1</SUB>, T<SUB>4</SUB>) angeschlossen. Der Pulsweiten-Modulator wird alternierend an die beiden Halbleiter (T<SUB>1</SUB>, T<SUB>4</SUB>) durchgeschaltet. Hierdurch wird eine gleichmäßige Erwärmung aller Schalt-Halbleiter (T<SUB>1</SUB>, T<SUB>4</SUB>) der Schaltbrücke (20) realisiert, so dass die Verlustleistung und die Temperaturbelastung der Schalt-Halbleiter gleich ist.The invention is directed to an electric motor commutator (12) having a switching bridge (20) with a high-side semiconductor (T <SUB> 1 </ SUB>) and a low-side semiconductor (T <SUB> 4 </ SUB>). , The commutator (12) also has a pulse width modulator (26) for controlling the switching bridge (20). The pulse width modulator (26) is connected to both semiconductors (T <SUB> 1 </ SUB>, T <SUB> 4 </ SUB>). The pulse width modulator is alternately switched through to the two semiconductors (T <SUB> 1 </ SUB>, T <SUB> 4 </ SUB>). As a result, a uniform heating of all switching semiconductors (T <SUB> 1 </ SUB>, T <SUB> 4 </ SUB>) of the switching bridge (20) is realized, so that the power loss and the temperature load of the switching semiconductor is the same ,
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Elektromotor-Kommutator und ein Verfahren zum Ansteuern eines derartigen Kommutators.The The invention relates to an electronic electric motor commutator and a method for driving such a commutator.
Ein elektronischer Kommutator dient der Steuerung bzw. Regelung der Drehzahl und des Drehmomennts eines bürstenlosen Elektromotors. Jeder Elektromotor weist mindesteins eine Stator- und/oder Rotorspule auf, die durch den Kommutator bestromt wird. Hierzu weist der Kommutator eine Schaltbrücke mit einem sogenannten Lowside-Halbleiter und einem Highside-Halbleiter auf. Die Schaltbrücke wird durch einen Pulsweiten-Modulator angesteuert. Der Pulsweiten-Modulator generiert ein pulsweiten-moduliertes periodisches Signal, mit dem eine der beiden Schalt-Halbleiter der Schaltbrücke angesteuert wird. Die Modulationsfrequenz ist so hoch, dass aufgrund der elektrischen Zeitkonstante des Motors und der gespeicherten Energie in den Stranginduktivitäten der von dem Pulsweiten-Modulator periodisch in die Motorspulen eingeleitete Strom zu einem mittleren Strom in der betreffenden Motorspule geglättet wird. Durch Variation des Tastverhältnisses kann auf diese Weise eine beliebige Spannung zwischen Null Volt und der Versorgungsspannung eingestellt werden.One electronic commutator serves the control of the Speed and torque of a brushless electric motor. Everyone Electric motor has at least one stator and / or rotor coil on, which is energized by the commutator. For this purpose, the commutator a jumper with a so-called low-side semiconductor and a high-side semiconductor on. The switching bridge is controlled by a pulse width modulator. The pulse width modulator generates a pulse width modulated periodic signal, with which a the two switching semiconductors of the switching bridge is driven. The modulation frequency is so high that due to the electrical time constant of the motor and the stored energy in the strand inductances of the Periodically introduced from the pulse width modulator in the motor coils Current is smoothed to a mean current in the respective motor coil. By varying the duty cycle In this way, any voltage between zero volts can be used and the supply voltage can be adjusted.
Bei Kommutatoren nach dem Stand der Technik wird entweder der Lowside-Halbleiter oder der Highside-Halbleiter der Schaltbrücke durch den Pulsweiten- Modulator angesteuert, wobei der komplementäre Schalt-Halbleiter während der gesamten Modulationsphase geschlossen, also durchleitend ist. Über den dauerhaft geschlossenen komplementären Schalt-Halbleiter bildet sich in den Bestromungspausen zwischen zwei Pulsen des pulsweiten-modulierten Signals ein Freilauf. Unabhängig davon, ob es sich bei der Schaltbrücke um eine Halbbrücke oder um eine Vollbrücke handelt, und unabhängig davon, ob die Schaltbrücke ein, zwei, drei oder mehr Motorspulen treibt, werden der jeweilige Lowside- und Highside-Halbleiter verschieden stark belastet. Nur bei einem Pulsweiten-Verhältnis von 100%, d. h. bei einem Verhältnis der Pulslänge zur Taktlänge von 1,0, liegt die elektrische und die thermische Belastung des Lowside- und des Highside-Halbleiters auf einem gleichen Niveau von ungefähr 50% der gesamten Verlustleistung.at Prior art commutators either the lowside semiconductor or the Highside semiconductor of the switching bridge through the pulse width modulator controlled, wherein the complementary switching semiconductor during the entire modulation phase closed, that is passing. On the permanently closed complementary switching semiconductor forms in the energizing pauses between two pulses of the pulse-width-modulated Signals a freewheel. Independently of whether the jumper is a half bridge or around a full bridge acts, and independently of it, whether the jumper drives one, two, three or more motor coils, the respective lowside and highside semiconductors with different loads. Only one Pulse-width ratio from 100%, d. H. at a ratio the pulse length to the beat length of 1.0, the electrical and thermal load of the Lowside and highside semiconductor at the same level of about 50% of the total power loss.
Insbesondere bei hochdynamischen Elektromotoren bzw. Anwendungen, die für Kurzzeitbetrieb ausgelegt sind, kommt es beispielsweise während des Starts zu deutlich unsymmetrischen Belastungen der beiden zueinander komplementären Halbleiter. Sowohl der Lowside-Halbleiter als auch der Highside-Halbleiter sind in der Praxis aus Symmetriegründen identisch und daher alle auf 100% der gesamten auftretenden Leistung bzw. Verlustleistung ausgelegt.Especially For highly dynamic electric motors or applications designed for short-term operation are, for example, during the Starts to clearly unbalanced loads of the two to each other complementary Semiconductor. Both the low-side semiconductor and the high-side semiconductor are identical in practice for reasons of symmetry and therefore all to 100% of the total occurring power or power loss designed.
Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, ein Elektromotor-Kommutator bzw. ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotor-Kommutators zu schaffen, bei dem die Leistungs-Halbleiter der Schaltbrücke symmetrisch belastet werden.task the invention is opposite an electric motor commutator or a method for driving a Electric motor commutator to create, where the power semiconductors the switching bridge be loaded symmetrically.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 9.These The object is achieved with the Features of claim 1 or 9.
Gemäß dem Vorrichtungsanspruch 1 ist der Pulsweiten-Modulator sowohl an den Lowside-Halbleiter als auch an den Highside-Halbleiter angeschlossen. Es ist ein Betriebsart-Umschalter vorgesehen, der den Pulsweiten-Modulator alternierend an den Highside- bzw. den Lowside-Halbleiter durchschaltet.According to the device claim 1 is the pulse width modulator to both the low side semiconductor as well as connected to the highside semiconductor. It is a mode switcher provided that the pulse width modulator alternately at the highside or turns on the lowside semiconductor.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 9 wird beim Betrieb des Kommutators zum Betrieb des Elektromotors alternierend und unterhalb der Modulationsfrequenz fM zwischen einer Highside- und einer Lowside-Betriebsart umgeschaltet, in der das Pulsweiten-Modulator-Signal alternierend auf den Highside- und den Lowside-Schalt-Halbleiter geschaltet wird, wobei der jeweils komplementäre Halbleiter jeweils durchgeschaltet, also geschlossen wird.According to the inventive method according to the independent claim 9 is switched during operation of the commutator for operating the electric motor alternately and below the modulation frequency f M between a high-side and a low-side mode in which the pulse width modulator signal alternately on the highside and the lowside switching semiconductor is switched, wherein the respective complementary semiconductor in each case through-connected, that is closed.
Gemäß den unabhängigen Patentansprüchen ist also vorgesehen, regelmäßig und unterhalb der Modulationsfrequenz fM zwischen der Highside- und der Lowside-Betriebsart hin- und herzuschalten. Hierdurch wird die Verlustleistung auch bei einem Modulationsverhältnis von weniger als 100% annähernd gleich auf den Lowside- und den Highside-Halbleiter verteilt. Die Umschaltfrequenz fHL, mit der der Betriebsart-Umschalter zwischen der Lowside- und der Highside-Betriebsart hin- und herschaltet, ist in Abhängigkeit von der thermischen Trägheit der beiden betroffenen Halbleiter zu wählen. Die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL muss so hoch sein, dass bei Pulsweiten zwischen 0% und 100% eine unsymmetrische Erwärmung einer der beiden miteinander korrespondierenden Schalt-Halbleiter gegenüber dem anderen korrespondierenden Schalt-Halbleiter ausgeschlossen ist. Hierdurch wird die in den beiden korrespondierenden Halbleitern auftretende Verlustleistung so symmetriert und schnell verteilt, dass eine symmetrische und weitgehend gleichförmige peakfreie Erwärmung aller Halbleiter sichergestellt ist. Betriebsart-Umschaltung kann bei verschiedenen Schaltbrücken-Topologien eingesetzt werden, also bei 1H-, 3H-, M6-, B6-, etc. -Topologien.According to the independent patent claims, it is therefore provided to switch back and forth between the highside mode and the low side mode of operation regularly and below the modulation frequency f M. As a result, the power dissipation is distributed almost equally to the low-side and high-side semiconductors even with a modulation ratio of less than 100%. The switching frequency f HL , with which the operating mode changeover switch switches between the low-side and the high-side operating mode, is to be selected as a function of the thermal inertia of the two semiconductors concerned. The operating mode switching frequency f HL must be so high that, with pulse widths between 0% and 100%, asymmetrical heating of one of the two mutually corresponding switching semiconductors with respect to the other corresponding switching semiconductor is excluded. As a result, the power loss occurring in the two corresponding semiconductors is so balanced and distributed quickly that a symmetrical and largely uniform peak-free heating of all semiconductors is ensured. Mode switching can be used with various switching bridge topologies, ie 1H, 3H, M6, B6, etc. topologies.
Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass die Maximaltemperatur der Schaltbrücken-Halbleiter um 15–20 K und mehr reduziert werden kann. Die betreffenden Halbleiter können daher entsprechend kleiner dimensioniert sein, wodurch sich wiederum Kostenvorteile ergeben. Gegebenenfalls sind an wärmeabführende Mittel geringere Anforderungen zu stellen. Ferner steigen durch die vermeidbaren Temperaturpeaks auch die Sicherheit gegenüber Zerstörung und die Zuverlässigkeit.Experiments have shown that the maximum temperature of the switching bridge semiconductors can be reduced by 15-20 K and more. The respective semiconductors can therefore be correspondingly smaller be dimensioned, which in turn results in cost advantages. If necessary, lower demands are placed on heat-dissipating agents. Furthermore, the avoidable temperature peaks also increase safety against destruction and reliability.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL unterhalb Modulationsfrequenz fM des Pulsweiten-Modulators. Besonders bevorzugt liegt die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL mindestens 60% unterhalb der Modulationsfrequenz fM. Die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL ist jedoch stets so hoch zu wählen, dass eine nennenswerte Erhöhung der Temperatur des einen Halbleiters gegenüber der des anderen korrespondierenden Halbleiters über die Dauer einer Betriebsart bis zum Umschalten praktisch ausgeschlossen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL unter 5 kHz.According to a preferred embodiment, the operating mode switching frequency f HL is below the modulation frequency f M of the pulse width modulator. Particularly preferably, the operating mode switching frequency f HL is at least 60% below the modulation frequency f M. However, the mode switching frequency f HL is always to be selected so high that a significant increase in the temperature of the one semiconductor over that of the other corresponding semiconductor over the duration of an operating mode is virtually eliminated until switching. According to a preferred embodiment, the operating mode switching frequency f HL is less than 5 kHz.
Vorzugsweise ist der Betriebsart-Umschalter zeitgesteuert. Unabhängig von der Drehzahl bzw. Drehfrequenz des Elektromotors wird die Umschaltung der Betriebsart mit einer konstanten Frequenz betrieben. Hierdurch kann zuverlässig eine zu geringe Umschaltfrequenz, die zu einer unerwünschten Erwärmung einer der korrespondierenden Halbleiter führen könnte, ausgeschlossen werden.Preferably the mode switch is time-controlled. Independent of the speed or rotational frequency of the electric motor is switching operating mode with a constant frequency. hereby can be reliable too low a switching frequency, which leads to an undesirable heating of a the corresponding semiconductor could be excluded.
Alternativ ist jedoch auch eine lagegesteuerte Umschaltung der Betriebsart realisierbar. Dies stellt technisch die einfachere Lösung dar, da Rotor-Lagenformationen bei elektrisch kommutierten Elektromotoren ohnehin vorliegen. Beispielsweise kann die Betriebsart alle 15°, 30° oder 60° einer Rotor-Vollumdrehung umgeschaltet werden. Bei der lagegesteuerten Betriebsart-Umschaltung ist sicherzustellen, dass eine Mindest-Betriebsart-Umschaltfrequenz nicht unterschritten wird, um eine unerwünschte Erhitzung einer der beiden korrespondierenden Halbleiter zu vermeiden.alternative However, it is also a position-controlled changeover of the operating mode realizable. This is technically the simpler solution because rotor-layer formations exist anyway in electrically commutated electric motors. For example, can the operating mode every 15 °, 30 ° or 60 ° one Rotor full revolution be switched. In position-controlled mode switching, ensure that that a minimum mode switching frequency does not fall below becomes an undesirable one Avoid heating one of the two corresponding semiconductors.
Grundsätzlich kann die Schaltbrücke des Kommutators als Halbbrücke ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schaltbrücke jedoch als Vollbrücke ausgestaltet. Hierdurch kann die bzw. können die Motor-Spulen bzw. -Stränge in beiden Richtungen bestromt werden. Dies eröffnet u. a. die Möglichkeit den Motor in beiden Drehrichtungen zu betreiben.Basically the jumper of the commutator as half bridge be educated. According to one preferred embodiment, however, the switching bridge is designed as a full bridge. This can or can the motor coils or strands be energized in both directions. This opens u. a. the possibility to operate the motor in both directions of rotation.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kommutator derart ausgebildet, dass ein aktiver Freilauf während der Taktpause realisiert werden kann bzw. realisiert wird. Hierdurch wird die Verlustleistung insgesamt reduziert, da der Freilauf-Strom nicht mehr über eine Freilauf-Diode, sondern über einen geschlossenen Schalt-Halbleiter läuft.According to one preferred embodiment, the commutator is designed such that an active freewheel during the clock break can be realized or realized. hereby the power loss is reduced overall, since the freewheel current is not more about a freewheel diode, but over a closed switching semiconductor is running.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.in the The following will be an embodiment with reference to the drawings closer to the invention explained.
Es zeigen:It demonstrate:
In
der
In
der
Die
Schaltbrücken-Ansteuerung
Bei Kommutatoren nach dem Stand der Technik wird das von dem pulsweiten-Modulator generierte Signal entweder auf einen Highside-Halbleiter T1, T2 oder auf einen Lowside-Halbleiter T3, T4 geleitet. Der ebenfalls im Brückenzweig liegende komplementäre Schalt-Halbleiter T3, T4, bzw. T1, T2 kann zum aktivem Freilauf angesteuert werden.In commutators according to the prior art, the signal generated by the pulse width modulator is passed either to a high-side semiconductor T 1 , T 2 or to a low-side semiconductor T 3 , T 4 . The complementary switching semiconductor T 3 , T 4 , or T 1 , T 2 , which is also located in the bridge branch, can be activated for active freewheeling.
Wenn
die in der
Wird die Motorspule L in beiden Bestromungsrichtungen betrieben, was in aller Regel der Fall ist, wird der betrachtete Lowside-Halbleiter T4 auch während der aktiven Freilaufphasen beansprucht, wenn der die Bestromung der Motorspule L in Gegenrichtung modulierende Highside-Halbleiter T2 geöffnet ist.If the motor coil L is operated in both directions of energization, which is generally the case, the considered low-side semiconductor T 4 is also stressed during the active freewheeling phases when the high-side semiconductor T 2 modulating the energization of the motor coil L in the opposite direction is opened.
Da ein Pulsweiten-Verhältnis von 100% im Betrieb die Ausnahme darstellt und gegebenenfalls prinzipbedingt technisch nicht möglich ist, wird ein Teil der Brücke (Low- oder Highside Halbleiter), je nach Taktungsart, in aller Regel erheblich mehr beansprucht als die korrespondierenden Halbleiter. Dies hat zur Folge, dass sich die Verlustleistung und damit die Erwärmung unterschiedlich auf die Halbleiter verteilt.There a pulse width ratio of 100% in operation is the exception and, if necessary, in principle technical impossible is, becomes a part of the bridge (Low or highside semiconductors), depending on the Taktungsart, usually considerably more stressed than the corresponding semiconductors. This has the consequence that the power loss and thus the warming distributed differently on the semiconductors.
Bei
dem vorliegenden erfindungsgemäßen Kommutator
Der
zeitliche Verlauf der Ansteuersignale sowie der zeitliche Verlauf
der Ströme
durch die Halbleiter T1–T4 sei
anhand der
Ein
Rotorumlauf von 360° ist
in sechs Phasen A–F, von
je 60° aufgeteilt.
Die neun Zeitdiagramme der
A rotor circulation of 360 ° is divided into six phases A-F, each of 60 °. The nine time charts of the
In
der Phase A (0°–60°) ist das
pulsweiten-modulierte Signal des Pulsweiten-Modulators
In
der folgenden Phase B (60°–120°) wird von
der Highside-Betriebsart auf die Lowside-Betriebart umgeschaltet,
so dass das pulweiten-modulierte Signal des Pulsweiten-Modulators
Die folgende Phase C (120°–180°) dient ebenso wie die Phase F (300°–360°) der Umkommutierung. Während der Phasen C und F sind alle Halbleiter T1–T4 geöffnet, so dass keine Ströme durch die Halbleiter T1–T4 bzw. durch die Spule L fließen.The following phase C (120 ° -180 °) serves as the phase F (300 ° -360 °) of Umkommutierung. During phases C and F all are half conductor T 1 -T 4 open, so that no currents through the semiconductor T 1 -T 4 or through the coil L flow.
In den folgenden Phasen D und E erfolgt die Bestromung der Spule L in umgekehrter Richtung, so dass die Halbleiter T2 und T3, die miteinander korrespondierenden Halbleiter bilden. In der Phase D gilt die Lowside-Betriebsart, so dass das pulsweiten-modulierte Signal auf den ersten Lowside-Halbleiter T3 geleitet wird. Der korrespondierende zweite Highside-Halbleiter T2 ist während der Phase D demnach vollständig und unterbrechungsfrei geschlossen.In the following phases D and E, the energization of the coil L takes place in the reverse direction, so that the semiconductors T 2 and T 3 form the semiconductors corresponding to one another. In phase D, the low-side mode of operation applies, so that the pulse-width-modulated signal is conducted to the first low-side semiconductor T 3 . The corresponding second high-side semiconductor T 2 is thus completely and uninterrupted closed during phase D.
In der Phase E wird das pulsweiten-modulierte Signal auf den zweiten Highside-Halbleiter T2 geschaltet. Dementsprechend wird der korrespondierende erste Lowside-Halbleiter T3 vollständig und unterbrechungsfrei geschlossen.In phase E, the pulse-width-modulated signal is switched to the second high-side semiconductor T 2 . Accordingly, the corresponding first low-side semiconductor T 3 is closed completely and without interruption.
Wie
aus den zeitlichen Stromverläufen
der vier Halbleiter T1–T4 in
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