DE102007040217A1

DE102007040217A1 - Sensorloser Betrieb einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine

Info

Publication number: DE102007040217A1
Application number: DE200710040217
Authority: DE
Inventors: Sven Meerkamp; Nour-Eddine Balboul
Original assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Current assignee: Saurer Spinning Solutions GmbH and Co KG
Priority date: 2007-08-25
Filing date: 2007-08-25
Publication date: 2009-02-26
Also published as: CN101373946A; BRPI0803888A2; TR200806309A2; CN101373946B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen elektrischen Antrieb mit einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine (11), einem Wechselrichter (12) und einem Steuergerät (16) zum sensorlosen Betrieb der Maschine (11), bei der die Nulldurchgänge der durch das Rotordrehfeld in der jeweils nicht bestromten Phase induzierten Spannung bestimmt werden, wobei die auftretenden Nulldurchgänge erfasst werden, der Zeitpunkt des nächsten Nulldurchgangs der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung vorausberechnet wird und ein Zeitintervall (Δt) nach dem vorausberechneten Zeitpunkt zumindest der letzte erfasste Nulldurchgang bewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sensorlosen Betrieb einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine, bei der die Nulldurchgänge der durch das Rotordrehfeld in der jeweils nicht bestromten Phase induzierten Spannung bestimmt werden, und einen elektrischen Antrieb mit einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine, einem Wechselrichter und einem Steuergerät, das zum sensorlosen Betrieb der Maschine ausgebildet ist und das die Nulldurchgänge der durch das Rotordrehfeld in der jeweils nicht bestromten Phase induzierten Spannung bestimmt.
Elektronisch kommutierte Gleichstrommaschinen ersetzen zunehmend die klassische Gleichstrommaschine mit mechanischem Kommutator und finden Anwendung als Antriebe im Automobilbereich, in Haushaltsgeräten und Industrieanwendungen. Die elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine ist vom Aufbau eine permanent erregte Synchronmaschine, die in Verbindung mit einem durch einen Controller oder einen Prozessor gesteuerten Wechselrichter die Eigenschaften einer Gleichstrommaschine erlangt. Dabei werden die Phasen mit blockförmigen Strömen gespeist. In einer Phase eines dreiphasigen Motors fließt über einen elektrischen Winkel von 120° ein konstanter Strom, dann ist die Phase für 60° elektrisch stromlos und es folgt ein konstanter Strom über 120° mit umgekehrtem Vorzeichen und wieder eine 60° Stromlücke. Die drei Phasen sind um 120° elektrisch phasenversetzt. Auf diese Weise entsteht ein drehendes magnetisches Feld. Um das Drehfeld von Stator und Rotor in einer optimalen Lage zueinander zu halten, ist die Kenntnis der Rotorposition erforderlich. Aus der Rotorposition werden dann die Kommutierungszeitpunkte bestimmt.
Zur Bestimmung der Rotorposition können Sensoren, zum Beispiel Hallsensoren, verwendet werden. Es ist aber auch möglich, die elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine sensorlos zu betreiben. In diesem Fall wird die Lage des Rotors indirekt aus den elektrischen Größen der Maschine bestimmt. Wie oben erwähnt, gibt es in jeder Phase Stromlücken. Aber auch in der Stromlücke wird durch das Rotordrehfeld eine Spannung in die Statorphase induziert. Die induzierte Spannung kann für die Bestimmung der Rotorlage beziehungsweise zur Bestimmung des nächsten Kommutierungszeitpunktes herangezogen werden. Zur Auswertung der induzierten Spannung werden ihre Nulldurchgänge bestimmt. Das Problem dabei ist, dass durch Entmagnetisierungsvorgänge und durch Störungen, die zum Beispiel durch statische Entladungen hervorgerufen werden, Nulldurchgänge entstehen, die keine relevanten Nulldurchgänge der induzierten Spannung sind, weil sie nicht durch das Rotordrehfeld in der Statorwicklung induziert werden und damit auch nicht zur Rotorpositionsbestimmung herangezogen werden dürfen. Jeder erfasste Nulldurchgang muss also bewertet werden, um festzustellen, ob es sich um einen für die Rotorpositionsbestimmung relevanten Nulldurchgang der vom Rotordrehfeld in der Statorwicklung induzierten Spannung handelt oder um eine Störung. Die Bewertung der Nulldurchgänge benötigt Prozessorzeit. Es besteht nun die Möglichkeit, die Prozessorleistung so zu dimensionieren, dass alle Nulldurchgänge ausgewertet werden können. Die Prozessorleistung ist jedoch mit entsprechenden Kosten verbunden. Es ist also wünschenswert die Anzahl der zu bewertenden Nulldurchgänge zu reduzieren.
Die Applikationshinweise der Firma STMicroelectronics "AN INTRODUCTION TO SENSORLESS BRUSHLESS DC MOTOR DRIVE APPLICATIIONS WITH ST72141", veröffentlicht im Internet unter der Adresse "http://www.st.com/stonline/products/literature/an/7209.pdf" zeigen dazu eine Möglichkeit. Hier wird nach einer Kommutierung zuerst der Nulldurchgang zum Ende der Entmagnetisierung erfasst und dann der Nulldurchgang der induzierten Spannung. Vor jedem Erfassungsprozess ist dabei zur Entlastung des Prozessors eine Totzeit von 20 Mikrosekunden eingefügt. Das heißt, während eines Schrittes werden für insgesamt 40 Mikrosekunden keine Nulldurchgänge erfasst.
Diese Vorgehensweise ist bei Drehzahlen von deutlich mehr als 100.000 Umdrehungen pro Minute, wie Sie bei Rotorantrieben von Offenend-Spinnmaschinen auftreten, gänzlich ungeeignet. Im Extremfall liegen die Nulldurchgänge der induzierten Spannung innerhalb der Totzeit.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bestimmung der Nulldurchgänge der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung, insbesondere bei hohen Drehzahlen, zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruches 1 sowie des Vorrichtungsanspruches 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe werden die auftretenden Nulldurchgänge erfasst, der Zeitpunkt des nächsten Nulldurchgangs der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung vorausberechnet und ein Zeitintervall nach dem vorausberechneten Zeitpunkt zumindest der letzte erfasste Nulldurchgang bewertet.
Durch die Vorausberechnung des Bewertungszeitpunktes ist die Bewertung des zuletzt erfassten Nulldurchganges bereits ausreichend. Zur Verbesserung des Verfahrens können jedoch mehrere unmittelbar vor dem Bewertungszeitpunkt erfasste Nulldurchgänge ausgewertet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird das Betrachtungsfenster, in dem die Nulldurchgänge ausgewertet werden, automatisch an die Drehzahl der Maschine angepasst. Bei großen Drehzahlen, das heißt bei kleinen Schrittzeiten, wird so erreicht, dass nur eine begrenzte Zahl von Nulldurchgängen ausgewertet wird und trotzdem nicht die Gefahr besteht, dass der relevante Nulldurchgang der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung innerhalb einer Totzeit liegt. Bei kleinen Drehzahlen und damit größeren Schrittzeiten verschiebt sich das Betrachtungsfenster mit dem vorausberechnetem Bewertungszeitpunkt, dadurch kann die Zahl der auszuwertenden Nulldurchgänge gegenüber dem Stand der Technik ebenfalls reduziert werden.
Der Bewertungszeitpunkt liegt dabei ein Zeitintervall nach dem vorausberechneten Zeitpunkt des nächsten Nulldurchgangs der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung, um sicherzustellen, dass der tatsächliche Nulldurchgang, der auch nach dem vorausberechneten liegen kann, sicher erfasst wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Bewertung eines erfassten Nulldurchganges eine Schrittzeit aus der Zeitdifferenz zwischen dem erfassten Nulldurchgang und dem zuletzt bestimmten Nulldurchgang der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung berechnet. Dann kann zur Bewertung die aus einem erfassten Nulldurchgang berechnete Schrittzeit mit einer minimalen Schrittzeit verglichen werden. Es ist dabei natürlich gleichwertig, den Zeitpunkt des erfassten Nulldurchganges mit einer Untergrenze der Zeit zu vergleichen. Dabei liegt dann die Untergrenze gerade die minimale Schrittzeit nach dem letzen Zeitpunkt des Nulldurchganges der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung. Die erste Variante hat lediglich den Vorteil, dass keine absolute Zeitmessung erforderlich ist und das Verfahren mit einfachen Timern umgesetzt werden kann.
Wie oben bereits erwähnt, wird die Bewertung der Nulldurchgänge ein bestimmtes Zeitintervall nach dem vorausberechneten Zeitpunkt des Nulldurchgangs der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung durchgeführt. Vorteilhafterweise werden das Zeitintervall, nach dem die Bewertung durchgeführt wird und die minimale Schrittzeit beziehungsweise die oben beschriebene zeitliche Untergrenze in Abhängigkeit von der Drehzahl beziehungsweise auch der Drehzahländerung bestimmt. Dadurch ist eine optimale Anpassung an die jeweiligen Betriebszustände der elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung mit dem Zeitpunkt des zuletzt erfassten Nulldurchganges gleichgesetzt, wenn die aus dem zuletzt erfassten Nulldurchgang ermittelte Schrittzeit größer ist als die minimale Schrittzeit. Wenn die Bedingung erfüllt ist, liegt der erfasste Nulldurchgang zwischen einer zeitlichen Untergrenze und einer zeitlichen Obergrenze, die durch den Bewertungszeitpunkt bestimmt ist. Damit ist eine ausreichende Plausibilität gegeben, dass der zuletzt erfasste Nulldurchgang auch der tatsächliche Nulldurchgang der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung können auch zwei oder mehrere erfasste Nulldurchgänge bewertet werden, wobei dann der Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung aus dem Mittelwert der Schrittzeiten der bewerteten Nulldurchgänge bestimmt wird, deren Schrittzeiten größer sind als die minimale Schrittzeit.
Erfindungsgemäß werden die Nulldurchgänge erst erfasst und nach dem vorausberechneten Zeitpunkt gesammelt ausgewertet. Das bewirkt zusätzlich einen Zeitvorteil im Vergleich zu der direkten Bewertung der erfassten Nulldurchgänge.
Der Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung wird mit dem vorausberechneten Zeitpunkt gleichgesetzt, wenn die Schrittzeiten der bewerteten Nulldurchgänge kleiner als die minimale Schrittzeit sind.
Vorteilhafterweise wird eine aktuelle Schrittzeit aus den beiden zuletzt bestimmten Nulldurchgängen der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung berechnet. Dazu müssen die beiden Zeitpunkte einfach voneinander subtrahiert werden. Wenn der Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung durch Gleichsetzung mit dem vorausberechneten Nulldurchgang bestimmt wurde, kann auch einfach die aktuelle Schrittzeit aus dem letzten Schritt übernommen werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine aktuelle Schrittzeit durch Mittelwertbildung aus mehreren zuletzt bestimmten Nulldurchgängen der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung berechnet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Abtastfrequenz der induzierten Spannung in Abhängigkeit von der aktuellen Schrittzeit angepasst. Auf diese Weise kann die Abtastfrequenz an eine sich ändernde Drehzahl angepasst werden. Bei großen Schrittzeiten kann die Abtastfrequenz entsprechend verkleinert werden, wodurch Prozessorleistung eingespart werden kann. Bei großen Drehzahlen, also bei kleinen Schrittzeiten, muss die Abtastfrequenz entsprechend erhöht werden, um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten.
Vorteilhafterweise wird aus der aktuellen Schrittzeit der nächste Kommutierungszeitpunkt berechnet. Ferner kann aus der aktuellen Schrittzeit die Ist-Drehzahl der Maschine, zum Beispiel für einen übergeordneten Drehzahlregelkreis berechnet werden. Die aktuelle Schrittzeit kann dann auch im nächsten Schritt für die Vorausberechnung des Nulldurchgangs der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung verwendet werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein elektrischer Antrieb mit einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine, einem Wechselrichter und einem Steuergerät vorgeschlagen, wobei das Steuergerät die auftretenden Nulldurchgänge erfasst, den Zeitpunkt des nächsten Nulldurchgangs der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung vorausberechnet und ein Zeitintervall nach dem vorausberechneten Zeitpunkt zumindest den letzten erfassten Nulldurchgang bewertet.
Das Steuergerät kann einen Mikrocontroller oder eine vergleichbare Art von Prozessor aufweisen, in dem die Auswerteroutinen sowie die Steuer- und Regelalgorithmen als Software implementiert werden.
Bestandteil des Mikrocontrollers ist ein Timer, der die Bewertung zumindest des zuletzt erfassten Nulldurchgangs durch einen Interrupt auslöst. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird damit nur ein Interrupt pro Schrittintervall ausgelöst. Das ergibt einen Zeitvorteil und damit eine geringere Auslastung des Mikrocontrollers im Vergleich zur Auslösung eines Interrupts bei jedem erfassten Nulldurchgang, um diesen direkt zu bewerten.
Zur Erfassung der Nulldurchgänge kann das Steuergerät einen Komparator aufweisen. Der Komparator ist außerdem in der Lage, zu erkennen, ob die Spannung von einem negativen zu einem positiven Wert wechselt oder umgekehrt. Dementsprechend zeigt das Komparatorsignal eine positive oder negative Flanke.
Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung berechnet der Mikrocontroller zur Bewertung eines erfassten Nulldurchganges eine Schrittzeit aus der Zeitdifferenz zwischen dem erfassten Nulldurchgang und dem zuletzt bestimmten Nulldurchgang der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung. Dabei kann der Mikrocontroller zur Bewertung die aus einem erfassten Nulldurchgang berechnete Schrittzeit mit einer minimalen Schrittzeit vergleichen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bestimmt der Mikrocontroller das Zeitintervall, nach dem die Bewertung durchgeführt wird, und die minimale Schrittzeit in Abhängigkeit von der Drehzahl oder der Drehzahländerung oder in Abhängigkeit von beiden Größen.
Gemäß einer Ausführungsform setzt der Mikrocontroller den Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung mit dem Zeitpunkt des zuletzt erfassten Nulldurchganges gleich, wenn die aus dem zuletzt erfassten Nulldurchgang ermittelte Schrittzeit größer ist als die minimale Schrittzeit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bestimmt der Mikrocontroller den Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung aus dem Mittelwert der Schrittzeiten von mindestens zwei bewerteten Nulldurchgängen, deren Schrittzeiten größer sind als die minimale Schrittzeit.
Der Mikrocontroller kann vorteilhafterweise den Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung mit dem vorausberechneten Zeitpunkt gleichsetzen, wenn die Schrittzeiten der bewerteten Nulldurchgänge kleiner als die minimale Schrittzeit sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung berechnet der Mikrocontroller eine aktuelle Schrittzeit aus den beiden zuletzt bestimmten Nulldurchgängen der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung.
Gemäß einer Weiterbildung berechnet der Mikrocontroller eine aktuelle Schrittzeit durch Mittelwertbildung aus mehreren zuletzt bestimmten Nulldurchgängen der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung.
In vorteilhafter Weise kann der Mikrocontroller die Abtastfrequenz der induzierten Spannung in Abhängigkeit von der aktuellen Schrittzeit anpassen.
Der Mikrocontroller kann aus der aktuellen Schrittzeit den nächsten Kommutierungszeitpunkt und die Drehzahl der Maschine berechnen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs;
2 die schematische Darstellung eines verwendeten Wechselrichters;
3 den zeitlichen Verlauf der Phasenspannungen, der Komparatorensignale und der Schaltzustände des Wechselrichters;
4 einen vergrößerten Ausschnitt des Komparatorsignals aus 3;
5 eine vereinfachte Darstellung des Komparatorsignals mit den Nulldurchgängen der induzierten Spannung und dem Zeitpunkt des Interrupts;
6 ein Flussdiagramm mit dem Ablauf der Kommutierung.
1 zeigt die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebs mit einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine 11. Die Maschine 11 besteht aus einer Drehstromwicklung im Stator und einem permanent erregten Rotor. Die Anschlüsse der drei Phasen A, B und C sind mit einen Wechselrichter 12 verbunden. Der Wechselrichter ist an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen. Die Gleichspannungsquelle ist in 1 durch den Kondensator 15 symbolisiert und mit den Klemmen 13 und 14 des Wechselrichters verbunden. Der Wechselrichter wird von einer Steuereinheit 16 angesteuert, wobei der Wechselrichter und die Steuereinheit über eine Steuerleitung 17 miteinander verbunden sind. Die Messleitungen 18 verbinden das Steuergerät 16 mit den drei Phasen A, B und C zur Messung der induzierten Spannung.
2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Wechselrichters 12 mit den Gleichspannungsanschlüssen 13 und 14 und den Phasenanschlüssen A, B und C. Bei dem Wechselrichter handelt es sich um eine dreiphasige Brückenschaltung mit den Schaltern T0 bis T5. Die Schalter sind als Halbleiterschalter, zum Beispiel als Transistoren, mit antiparallelen Dioden ausgebildet.
In 3 zeigen die Kurven 21, 22 und 23 den prinzipiellen Verlauf der Phasenspannung A, B und C. Die Kurven 31, 32 und 33 zeigen jeweils den Ausgang eines Komparators, der die Nulldurchgänge der Phasenspannungen A, B beziehungsweise C detektiert. Außerdem sind die Schaltzustände der Schalter T0 bis T5 dargestellt. Auf der Abszisse sind die Schritte aufgetragen, wobei ein Schritt einem elektrischen Winkel von 60° entspricht. Bei der elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine sind immer zwei Phasen bestromt und eine dritte ist unbestromt. Nach jedem Schritt kommutiert der Strom von einer bestromten auf eine unbestromte Phase. Im ersten Schritt sind die Phasen A und B bestromt und die in der Phase C induzierte Spannung wird zur Bestimmung der Rotorposition ausgewertet. Wie in Kurve 33 zu sehen ist, detektiert der Komparator mit der negativen Flanke den Nulldurchgang der induzierten Spannung. Wie man dem Diagramm entnehmen kann, sind die Schalter T0 und T3 während des ersten Schrittes eingeschaltet. Die anderen Schalter sind ausgeschaltet. Bei der Betrachtung der Schaltzustände in 3 ist zu beachten, dass die Signale für die Schalter T0, T2 und T4 auf der einen Seite und T1, T3 und T5 auf der anderen Seite in einer inversen Logik dargestellt sind. Ein Low-Pegel für die oberen Schalter der Halbbrücke (T0, T2, T4) bedeutet, dass der Schalter eingeschaltet ist, und ein High-Pegel bedeutet, dass der Schalter ausgeschaltet ist. Für die unteren Schalter der Halbbrücke (T1, T3, T5) ist es umgekehrt.
Vom ersten zum zweiten Schritt wechselt der Strom von der Phase B auf die Phase C. Dazu wird der Schalter T3 ausgeschaltet und T5 eingeschaltet. Dabei wird die Phase C auf das Potential des Anschlusspunktes 14 gelegt. Der Strom durch die Phase B kann mit dem Öffnen des Schalters T3 nicht abrupt unterbrochen werden und fließt über die antiparallele Diode des Schalters T2 weiter, so dass bis zum Abklingen des Stromes die Phase B kurzzeitig das Potential des Anschlusspunktes 13 annimmt. Dabei wird die in der Phasenwicklung gespeicherte Magnetisierungsenergie abgebaut. Deshalb spricht man hier auch von der Entmagnetisierung. Die weiteren Schaltzustände und Spannungsverläufe sind der Zeichnung zu entnehmen.
Die Markierung 34 kennzeichnet einen Bereich der Kurve 33, die das der Phase C zugeordnete Komparatorsignal darstellt. Der Bereich in der Markierung 34 ist in 4 vergrößert dargestellt. Wie man sieht, detektiert der Komparator mit der Kommutierung K einen Nulldurchgang der Spannung. Ein weiterer Nulldurchgang wird zum Ende der Entmagnetisierung E detektiert. In der Zeichnung folgt dann der für die Rotorpositionsbestimmung relevante Nulldurchgang der von Rotordrehfeld induzierten Spannung Z. Die Ereignisse wiederholen sich entsprechend. In der Praxis detektiert der Komparator noch weitere hier nicht dargestellte störungsbedingte Nulldurchgänge.
In 5 ist das Komparatorsignal nur mit den relevanten Nulldurchgängen der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung Z dargestellt und zwar unabhängig davon, in welcher Phase der Nulldurchgang auftritt. Die Nulldurchgänge treten zu den Zeitpunkten t₁, t₂ und t₃ auf. Die Differenz zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₁ ist gerade die Schrittzeit T. Der nächste zu erwartende Nulldurchgang kann damit aus der Addition der Schrittzeit T und der Zeit t₂ vorausberechnet werden. Damit erhält man einen geschätzten Wert für den Zeitpunkt t₃. Durch Addition des drehzahlabhängigen Zeitintervalls Δt erhält man den Zeitpunkt t₄, der kurz nach den Zeitpunkt t₃ liegt. Zum Zeitpunkt t₄ wird dann mittels eines Timers ein Interrupt ausgelöst und der zuletzt vom Komparator erfasste Nulldurchgang oder mehrere unmittelbar vor dem Interrupt erfasste Nulldurchgänge werden bewertet. Daraus kann dann der tatsächliche Zeitpunkt t₃ festgelegt werden, zu dem die durch das Rotordrehfeld induzierte Spannung einen Nulldurchgang hat. Dabei wird für die erfassten und zu bewertenden Nulldurchgänge eine Schrittzeit durch Subtraktion des Zeitpunktes des Nulldurchganges und des letzten bestimmten Nulldurchganges der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung berechnet. Dabei ist in dem Ausführungsbeispiel der Zeitpunkt t₂ der Zeitpunkt des letzten bestimmten Nulldurchganges der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung. Die erfassten und zu bewertenden Nulldurchgänge sind aus Übersichtsgründen nicht dargestellt. Die so ermittelten Schrittzeiten werden dann mit einer minimalen Schrittzeit T_min verglichen.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines möglichen Kommutierungsvorganges. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zum Bewertungszeitpunkt beziehungsweise mit dem Interrupt nur der letzte erfasste Nulldurchgang bewertet. Mit dem Auslösen des Interrupts springt das in dem Steuergerät implementierte Programm in den Terminator 41. Im Anweisungsblock 42 wird der zuletzt erfasste Nulldurchgang vom Speicher geholt. Im Anweisungsblock 43 wird dann die aktuelle Schrittzeit aus dem zuletzt erfassten Nulldurchgang und dem zuletzt bestimmten Nulldurchgang der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung berechnet. In der Verzweigung 44 wird die aktuelle Schrittzeit mit der minimalen Schrittzeit T_min verglichen. Wenn die aktuelle Schrittzeit kleiner oder gleich der minimalen Schrittzeit ist, wird im Anweisungsblock 45 die aktuelle Schrittzeit durch eine früher bestimmte Schrittzeit ersetzt oder aus früher bestimmten Nulldurchgängen erneut berechnet. Dann wird der Ablauf im Anweisungsblock 46 fortgesetzt. Ist die aktuelle Schrittzeit größer als die minimale Schrittzeit, wird die Operation 46, die den nächsten Kommutierungszeitpunkt berechnet, direkt ausgelöst. In der Verzweigung 47 wird abgefragt, ob die Taktfrequenz des Timers, mit der das Komparatorsignal abgetastet wird, an eine höhere Drehzahl angepasst werden muss. Die Anpassung wird im Bedarfsfall im Operationsblock 48 vorgenommen. Im Anweisungsblock 49 wird der Interrupt-Zeitpunkt für die nächste Kommutierung beziehungsweise zur Detektion des nächsten Nulldurchganges der induzierten Spannung ermittelt. Im nächsten Schritt 50 wird die minimale Schrittzeit T_min und das Zeitintervall Δt für die nächste Kommutierung neu berechnet, um eine Anpassung an die Drehzahlverhältnisse vorzunehmen. Im Block 51 wird dann noch die Drehzahl aus den letzten Schrittzeiten berechnet. Mit dem Terminator 52 wird die Interruptroutine beendet und das übergeordnete Programm wird fortgesetzt.
Alternativ können die aus den erfassten Nulldurchgängen bestimmten Schrittzeiten, die größer als die minimale Schrittzeit sind, zur Bestimmung beziehungsweise Festlegung des Zeitpunktes t₃, zu dem die durch das Rotordrehfeld induzierte Spannung einen Nulldurchgang hat, gemittelt werden. Weiterhin können die Schrittzeiten über mehrere Schritte gemittelt werden, um Unsymmetrien auszugleichen. Dabei wird vorzugsweise über sechs Schritte pro Polteilung gemittelt, was einer Umdrehung des Rotors entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- http://www.st.com/stonline/products/literature/an/7209.pdf [0004]

Claims

Verfahren zum sensorlosen Betrieb einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine (11), bei der die Nulldurchgänge der durch das Rotordrehfeld in der jeweils nicht bestromten Phase induzierten Spannung bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die auftretenden Nulldurchgänge erfasst werden, dass der Zeitpunkt des nächsten Nulldurchgangs der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung vorausberechnet wird und dass ein Zeitintervall (Δt) nach dem vorausberechneten Zeitpunkt zumindest der letzte erfasste Nulldurchgang bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung eines erfassten Nulldurchganges eine Schrittzeit aus der Zeitdifferenz zwischen dem erfassten Nulldurchgang und dem zuletzt bestimmten Nulldurchgang der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung die aus einem erfassten Nulldurchgang berechnete Schrittzeit mit einer minimalen Schrittzeit (T_min) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall (Δt), nach dem die Bewertung durchgeführt wird, und die minimale Schrittzeit (T_min) in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder der Drehzahländerung bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung mit dem Zeitpunkt des zuletzt erfassten Nulldurchgang gleichsetzt wird, wenn die aus dem zuletzt erfassten Nulldurchgang ermittelte Schrittzeit größer ist als die minimale Schrittzeit.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung aus dem Mittelwert der Schrittzeiten von mindestens zwei bewerteten Nulldurchgängen bestimmt wird, deren Schrittzeiten größer sind als die minimale Schrittzeit.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Nulldurchganges der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung mit dem vorausberechneten Zeitpunkt gleichgesetzt wird, wenn die Schrittzeiten der bewerteten Nulldurchgänge kleiner als die minimale Schrittzeit sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Schrittzeit aus den beiden zuletzt bestimmten Nulldurchgängen der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktuelle Schrittzeit durch Mittelwertbildung aus mehreren zuletzt bestimmten Nulldurchgängen der vom Rotordrehfeld induzierten Spannung berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastfrequenz der induzierten Spannung in Abhängigkeit von der aktuellen Schrittzeit angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der aktuellen Schrittzeit der nächste Kommutierungszeitpunkt berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der aktuellen Schrittzeit die Drehzahl der Maschine berechnet wird.
Elektrischer Antrieb mit einer elektronisch kommutierten Gleichstrommaschine (11), einem Wechselrichter (12) und einem Steuergerät (16), das dazu ausgebildet ist, das Verfahren zum sensorlosen Betrieb der Maschine (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen und das die Nulldurchgänge der durch das Rotordrehfeld in der jeweils nicht bestromten Phase induzierten Spannung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) dazu ausgebildet ist, die auftretenden Nulldurchgänge zu erfassen, den Zeitpunkt des nächsten Nulldurchgangs der durch das Rotordrehfeld induzierten Spannung vorauszuberechnen und ein Zeitintervall (Δt) nach dem vorausberechneten Zeitpunkt zumindest den letzten erfassten Nulldurchgang zu bewerten.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) einen Mikrocontroller aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocontroller einen Timer aufweist, der die Bewertung zumindest des zuletzt erfassten Nulldurchgangs durch einen Interrupt auslöst.