DE102007049788A1

DE102007049788A1 - Verfahren und Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors

Info

Publication number: DE102007049788A1
Application number: DE102007049788A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr. Grimm
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-10-17
Filing date: 2007-10-17
Publication date: 2009-04-23
Also published as: EP2203972A2; WO2009050214A2; WO2009050214A3

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors 2, der einen Stator mit Phasenwicklungen 6 und einen Rotor mit zwei oder mehr Permanentmagneten aufweist, dessen Drehwinkellage und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor 1 erfasst und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit 3 zugeleitet wird. Dabei werden entsprechend dem erfassten Drehwinkelsignal von der Signalverarbeitungseinheit 3 ein Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen 6 beaufschlagenden Phasenströme des Stators erzeugt. Weiterhin werden eine oder mehrere Zustandsgrößen des Gleichstrommotors 2 erfasst und entsprechende Zustandssignale einer Kommutierungsgenerierungseinheit 9 zugeleitet und von der Kommutierungsgenerierungseinheit 9 entsprechend der Zustandssignale ein zweites Kommutierungszeitpunktsignal erzeugt. Dabei wird unterhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das erste Kommutierungszeitpunktsignal und oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das zweite Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen 6 beuafschlagenden Phasenströme weitergeleitet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors, der einen Stator mit Phasenwicklungen und einen Rotor mit zwei oder mehreren Permanentmagneten aufweist, dessen Drehwinkellage und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor erfasst und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit zugeleitet wird, wobei entsprechend dem erfassten Drehwinkelsignal von der Signalverarbeitungseinheit ein Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme des Stators erzeugt wird.
Derartige bekannte Verfahren sind für hohe Drehzahlen des Rotors aufgrund der konstant bleibenden Totzeit der Auswertung und bei steigender Drehzahl mit geringer werdenden Kommutierungsschaltpausen nicht zuverlässig funktionsfähig. Die verzögerte Winkelerfassung hat zur Folge, dass der optimale Kommutierungszeitpunkt verpasst wird oder sogar Kommutierungswechsel nicht durchgeführt werden.
Damit treten an der Abgangswelle des Rotors signifikante Drehmomenteinbrüche auf oder es kommt zu Fehlkommutierungen.
Dies ist bei einer Verwendung des Motors als Stellantrieb von besonderem Nachteil, da die anzufahrende Position temporär mit hoher Momentenwelligkeit nur verzögert erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors zu schaffen, durch das bzw. durch die unter Vermeidung dieser Nachteile ein dynamischer, insbesondere hochdynamischer Be trieb des Motors mit sowohl niedriger als auch hoher Drehzahl sowie mit wechselnder Drehrichtung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren dadurch gelöst, dass eine oder mehrere Motorzustandsgrößen des Gleichstrommotors erfasst und entsprechende Zustandssignale einer Kommutierungsgenerierungseinheit zugeleitet werden und von der Kommutierungsgenerierungseinheit entsprechend der Zustandssignale ein zweites Kommutierungszeitpunktsignal erzeugt wird, wobei unterhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das erste Kommutierungszeitpunktsignal und oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das zweite Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet wird.
Bei niedriger Rotordrehzahl wird die aktuelle Rotorposition von dem Drehwinkelsensor erfasst und aus der Winkellage die Schaltmuster für die Ansteuerung der Phasenwicklungen generiert.
Bei hoher Drehzahl wird die Drehwinkelerfassung mittels Drehwinkelsensor durch eine sensorlose Kommutierungszeitpunkterkennung basierend auf den identifizierten Motorzustandsgrößen abgelöst. Bei dieser direkten Kommutierung wird auf eine aufwendige Signalerfassung und Signalverarbeitung verzichtet und systembedingte Kommutierungsverzögerungen vermieden.
Durch die gegenseitige Ablösung der beiden Kommutierungsverfahren in Abhängigkeit von der Drehzahl wird ein hochdynamischer, robuster Antrieb mit verminderten Stellzeiten realisiert.
Unabhängig von der Drehzahl kann über die Rotorwelle kontinuierlich ein maximales Drehmoment mit geringer Welligkeit zur Abgangswelle übertragen werden.
Als Motorzustandsgrößen können die Klemmenspannungen oder die induzierten Spannungen der Phasenwicklungen oder der Phasenströme der Phasenwicklungen erfasst werden.
Bevorzugt weist der Motor drei Phasenwicklungen auf.
Um im Bereich der bestimmten Drehzahl ein mehrfaches Umschalten von einem auf das andere Kommutierungsverfahren zu vermeiden, kann die Umschaltung von der Weiterleitung des ersten Kommutierungszeitpunktsignals auf das zweite Kommutierungszeitpunktsignal und umgekehrt durch einen Hystereseschalter erfolgen.
Zur Synchronisation des Betriebes beim Umschalten von dem einen zum anderen Kommutierungsverfahren ist es möglich, dass die bestimmte Drehzahl durch einen Drehzahlbereich gebildet ist, innerhalb dessen sowohl das erste als auch das zweite Kommutierungszeitpunktsignal einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt werden, durch die aus dem ersten und dem zweiten Kommutierungszeitpunktsignal ein Gesamtkommutierungszeitpunktsignal erzeugt und zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet wird.
Dabei wird vorzugsweise das Gesamtkommutierungszeitpunktsignal nach Erreichen einer Synchronität des ersten und des zweiten Kommutierungszeitpunktsignals erzeugt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die bestimmte Drehzahl durch einen Drehzahlbereich gebildet ist, innerhalb dessen das erste Kommutierungszeitpunktsignal und das zweite Kommutierungszeitpunktsignal redundant zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet werden.
Eine Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors nach dem 0. g. Verfahren weist vorzugsweise einen Stator des Motors mit Phasenwicklungen und einen Rotor mit zwei oder mehreren Permanentmagneten auf, dessen Drehwinkellage und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor erfassbar und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit zuleitbar ist, durch die entsprechend dem Drehwinkelsignal ein erstes Kommutierungszeitpunktsignal erzeugbar ist, mit einer oder mehreren Erfassungseinheiten zur Erfassung einer oder mehrerer Motorzustandsgrößen des Motors und Erzeugung entsprechender Zustandssignale, mit einer Kommutierungsgenerierungseinheit zur Erzeugung eines den Zustandssignalen entsprechenden zweiten Kommutierungszeitpunktsignals, mit Leitungsverbindungen, durch die die Signalverarbeitungseinheit und die Kommutierungsgenerierungseinheit mit einer Steuereinheit zur Erzeugung der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme verbunden sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors.
An einem Drehwinkelsensor 1, der z. B. ein Hallsensor sein kann, wird die Drehwinkellage und die Drehrichtung eines Rotors eines Motors 2, insbesondere eines Gleichstrommotors erfasst und ein entsprechendes Drehwinkelsignal über eine erste Leitung 7 einer Signalverarbeitungseinheit 3 zugeleitet.
Die Signalverarbeitungseinheit 3 erzeugt entsprechend dem Drehwinkelsignal ein erstes Kommutierungszeitpunktsignal, das an einen ersten Eingang 4 eines Schalters 5 angelegt wird.
Weiterhin werden Motorzustandsgrößen wie z. B. die Klemmenspannungen oder die induzierten Spannungen der drei Phasenwicklungen 6 des Gleichstrommotors 2 oder Phasenströme der drei Phasenwicklungen 6 des Gleichstrommotors 2 erfasst und entsprechende Zustandssignale über eine zweiten Leitung 8 einer Kommutierungsgenerierungseinheit 9 zugeleitet, von der entsprechend der Zustandssignale ein zweites Kommutierungszeitpunktsignal erzeugt wird, das an einen zweiten Eingang 10 des Schalters 5 angelegt wird.
Der Schalter 5 schaltet abhängig von der Drehzahl des Motors 5 um, wobei unterhalb einer bestimmten Drehzahl der erste Eingang 4 und oberhalb der bestimmten Drehzahl der zweite Eingang 10 mit dem Ausgang 11 des Schalters 5 verbunden ist.
Dadurch wird drehzahlabhängig entweder das erste Kommutierungszeitpunktsignal oder das zweite Kommutierungszeitpunktsignal über den Ausgang 11 und eine Kommutierungssignalleitung 12 einem Umrichter 13 zugeführt, der entsprechend die drei Phasenwicklungen 6 des Gleichstrommotors 2 mit Phasenströmen beaufschlagt.
Der Motor besteht aus den nicht dargestellten Bauteilen einer Welle und einer Rotorbaugruppe mit zwei oder mehreren Permanentmagneten und einer Statorbaugruppe, die einen Stator mit den Phasenwicklungen 6 umfasst.

1: Drehwinkelsensor
2: Motor
3: Signalverarbeitungseinheit
4: erster Eingang
5: Schalter
6: Phasenwicklungen
7: erste Leitung
8: zweite Leitung
9: Kommutierungsgenerierungseinheit
10: zweiter Eingang
11: Ausgang
12: Kommutierungssignalleitung
13: Umrichter

Claims

Verfahren zur elektronischen Kommutierung eines Motors, der einen Stator mit Phasenwicklungen und einen Rotor mit zwei oder mehreren Permanentmagneten aufweist, dessen Drehwinkellage und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor erfasst und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit zugeleitet wird, wobei entsprechend dem erfassten Drehwinkelsignal von der Signalverarbeitungseinheit ein Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme des Stators erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Motorzustandsgrößen des Motors (2) erfasst und entsprechende Zustandssignale einer Kommutierungsgenerierungseinheit (9) zugeleitet werden und von der Kommutierungsgenerierungseinheit (9) entsprechend der Zustandssignale ein zweites Kommutierungszeitpunktsignal erzeugt wird, wobei unterhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das erste Kommmutierungszeitpunktsignal und oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das zweite Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen (6) beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Motorzustandsgrößen die Klemmenspannungen oder die induzierten Spannungen der Phasenwicklungen (6) oder die Phasenströme der Phasenwicklungen (6) erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung von der Weiterleitung des ersten Kommutierungszeitpunktsignals auf das zweite Kommutierungszeitpunktsignal und umgekehrt durch einen Hystereseschalter erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gkennzeichnet, dass die bestimmte Drehzahl durch einen Drehzahlbereich gebildet ist, innerhalb dessen sowohl das erste als auch das zweite Kommutierungszeitpunktsignal einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt werden, durch die aus dem ersten und dem zweiten Kommutierungszeitpunktsignal ein Gesamtkommutierungszeitpunktsignal erzeugt und zum Steuern der die Phasenwicklungen (6) beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtkommutierungszeitpunktsignal nach Erreichen einer Synchronität des ersten und des zweiten Kommutierungszeitpunktsignals erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Drehzahl durch einen Drehzahlbereich gebildet ist, innerhalb dessen das erste Kommutierungszeitpunktsignal und das zweite Kommutierungszeitpunktsignal redundant zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet werden.
Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Gleichstrommotors nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (2) einen Stator mit Phasenwicklungen (6) und einen Rotor mit zwei oder mehreren Permanentmagneten aufweist, dessen Drehwinkellage und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor (1) erfassbar und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit (3) zuleitbar ist, durch die entsprechend dem Drehwinkelsignal ein erstes Kommutierungszeitpunktsignal erzeugbar ist, mit einer oder mehreren Erfassungseinheiten zur Erfassung einer oder mehrerer Motorzustandsgrößen des Motors (2) und Erzeugung entsprechender Zustandssignale, mit einer Kommutierungsgenerierungseinheit (9) zur Erzeugung eines den Zustandssignalen entsprechenden zweiten Kommutierungszeitpunktsignals, mit Leitungsverbindungen, durch die die Signalverarbeitungseinheit und die Kommutierungsgenerierungseinheit mit einer Steuereinheit zur Erzeugung der die Phasenwicklungen (6) beaufschlagenden Phasenströme verbunden sind.