DE102007050663A1 - Arrest rotor position detection method - Google Patents
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Abstract
Stillstandsrotorpositionserkennungsverfahren in einer Ansteuerschaltung eines bürstenlosen Dreiphasenelektromotors mit drei Motoranschlüssen (TA, TB, TC) mit den Schritten: - Beaufschlagen von zwei der drei Motoranschlüsse mit einer Messsequenz, bei der motoranschlusswechselseitig nacheinander an jedem Motoranschluss und mit unterschiedlichem Vorzeichen Gleichspannungen an zwei der Motoranschlüsse angelegt werden, wobei die Gleichspannung in einem begrenzten Zeitraum im Wesentlichen gleich bleibt, - Messen der induzierten Spannung am jeweils dritten unbestromten Motoranschluss innerhalb des Zeitraums und ein oder mehrere Male während einer Messsequenz, - Bewerten der während der Messsequenz gemessenen Spannungen, insbesondere deren Vorzeichen, hinsichtlich der Rotorposition. Beschrieben ist außerdem eine Motoransteuerschaltung zur Durchführung des obigen Verfahrens und deren Verwendung.Standstill rotor position detection method in a drive circuit of a three-motor brushless three-motor electric motor (TA, TB, TC) comprising the steps of: - Applying two of the three motor terminals with a measurement sequence in which DC voltages are applied to two of the motor terminals sequentially at each motor terminal and with different signs wherein the DC voltage remains substantially constant over a limited period of time, - measuring the induced voltage at the third non-energized motor terminal within the time period and one or more times during a measuring sequence, - evaluating the voltages measured during the measuring sequence, in particular their signs, with respect to rotor position. Also described is a motor drive circuit for carrying out the above method and the use thereof.
Description
Die Erfindung betrifft ein Stillstandsrotorpositionserkennungsverfahren in einer Ansteuerschaltung eines bürstenlosen Dreiphasenelektromotors gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.The The invention relates to a stall rotor position detection method in a driving circuit of a three-phase brushless electric motor according to the preamble of claim 1.
Aus
der
Zur Erkennung der Kommutierungszeitpunkte während des Motorlaufs ist es ebenfalls bereits bekannt, bei einem Dreiphasenmotor, wenn während der Ansteuerung des Motors durch einen Frequenzumrichter zwei Motoranschlüsse (und dadurch zwei Motowicklungen) bestromt werden, den dritten Motoranschluss zur Bestimmung der Gegen-EMK (EMK: induzierte elektromagnetische Kraft) heranzuziehen.to Recognition of commutation times during engine run it is also already known in a three-phase motor when during the control of the motor by a frequency converter two motor connections (and thus two motor windings) be energized, the third motor connection for determining the back EMF (EMF: induced electromagnetic force).
Das
Datenblatt
Es hat sich gezeigt, dass das oben beschriebene bekannte Verfahren die folgenden Nachteile zeigt:
- a) Der Stromanstieg während eines Messpulses ist abhängig von der aktuellen Versorgungsspannung. Daher haben Versorgungsspannungsschwankungen einen direkten Einfluß auf das Messergebnis.
- b) Für die Kommutierungserkennung muss der durch die Messpulse hervorgerufene ansteigende Strom einen bestimmten Min destwert überschreiten. Ist der Strom jedoch zu hoch, können unter bestimmten Bedingungen starke Motorvibrationen auftreten.
- c) Der Analog-Digitalteil der für die Strommessung erforderlichen Elektronik ist aufwändig. Der Abtastzeitpunkt muss mit der Einschaltdauer bzw. dem Einschaltzeitpunkt synchronisiert werden.
- a) The current increase during a measuring pulse depends on the current supply voltage. Therefore supply voltage fluctuations have a direct influence on the measurement result.
- b) For commutation detection, the rising current caused by the measuring pulses must exceed a certain minimum value. However, if the current is too high, strong engine vibrations may occur under certain conditions.
- c) The analog-digital part of the electronics required for the current measurement is complex. The sampling time must be synchronized with the switch-on time or the switch-on time.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein gegenüber dem bekannten "Smart Start (TM)"-Verfahren verbessertes Verfahren anzugeben, das die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht aufweist.The Object of the present invention is now a, opposite the known "Smart Start (TM)" - improved method to specify that does not have the disadvantages described above.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.These The object is achieved by the method according to claim 1.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung der Rotorposition im Stillstand und ist geeignet, die Rotorposition oder den Kommutierungszeitpunkt während des Motorlaufs zu ermitteln. Hiezu werden jeweils zwei der drei Motoranschlüsse mit einer Spannung beaufschlagt. Am jeweils Dritten unbestromten Anschluss wird das Messsignal abgenommen. Dabei sind drei Anschluss/Mess-Kombinationen möglich, welche bei dem Verfahren bevorzugt alle vorkommen (Sequenzen A bis C). Bei einer Messsequenz (zum Beispiel erste Kombination A) werden Gleichspannungen mit unterschiedlichem Vorzeichen an zwei der drei Motoranschlüsse angelegt. Die Gleichspannung bleibt in einem begrenzten Zeitraum im wesentlichen gleich. Die Zeiträume dieser elektrischen Testimpulse sind bevorzugt so kurz und/oder so schwach, dass sie den Rotor, sofern dieser stillsteht, im wesentlichen nicht anlaufen lassen. Nach jeder Gleichspannungsphase wird die induzierten Spannung am jeweils Dritten unbestromten Motoranschluss gemessen. Durch das Umpolen der Gleichspannung kann der Messschritt auch mehrere Male während einer Messsequenz durchgeführt werden (dabei bleiben die während einer Sequenz ausgewählten Motoranschlüsse gleich belegt). Im Anschluss an die Messsequenz werden die Spannungen hinsichtlich der Rotorposition ausgewertet. Hierzu werden bevorzugt drei Messsequenzen benötigt, bei denen alle Motoranschlusskombinationen vorkommen.The invention relates to a method for detecting the rotor position at a standstill and is suitable for determining the rotor position or the commutation time during engine running. For this purpose, in each case two of the three motor terminals are subjected to a voltage. At the third non-energized connection, the measurement signal is removed. In this case, three connection / measurement combinations are possible, which preferably all occur in the method (sequences A to C). In a measurement sequence (for example, first combination A), DC voltages of different signs are applied to two of the three motor terminals. The DC voltage remains essentially the same for a limited period of time. The periods of these electrical test pulses are preferably so short and / or so weak that they can not start the rotor, if this is stationary. After each DC voltage phase, the induced voltage is measured at the third non-energized motor connection. By reversing the polarity of the DC voltage, the measuring step can also be performed several times during a measuring sequence (the motor connections selected during a sequence remain the same). Following the measuring sequence, the voltages are evaluated with regard to the rotor position. For this purpose, preferably three Measuring sequences are required in which all motor connection combinations occur.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, bei dem eine Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes während des Motorlaufs durchgeführt wird mit den Schritten:
- – Beaufschlagen der drei Phasen einer Motorwicklung eines bürstenlosen Motors mit einer PWM-Ansteuerung und elektronischer Kommutierung,
- – Messen der induzierten Spannung am jeweils Dritten unbestromten Motoranschluss durch Vergleich der Spannung mit einem Referenzpotential, wobei der Vergleich durch einen oder mehrere Komparatoren durchgeführt wird, die zumindest ein Komparatorergebnis liefern und
- – Nutzung des oder der Komparatorergebnisse, insbesondere dessen/deren zeitlicher Verlauf, zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes.
- - Applying the three phases of a motor winding of a brushless motor with a PWM control and electronic commutation,
- - Measuring the induced voltage at the respective third powerless motor terminal by comparing the voltage with a reference potential, wherein the comparison is performed by one or more comparators that provide at least one comparator result and
- - Use of the comparator or the results, in particular whose / their time course, for determining the commutation time.
Das Komparatorergebnis ist eine zeitliche Folge der abwechselnden binären logischen Zuständen Null und Eins. Bevorzugt wird das Tastverhältnis dieses Signals oder der Duty-Cycle ausgewertet zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes ausgewertet.The Comparator result is a temporal sequence of alternating binary logical states zero and one. The duty cycle is preferred this signal or the duty cycle evaluated to determine the Commutation time evaluated.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des obigen Verfahrens wird das zum Vergleich herangezogene Referenzpotential auf den virtuellen Sternpunkt der Schaltung gelegt. Besonders bevorzugt wird dieses Potential gegenüber dem Sternpunktpotential (zum Beispiel die Hälfte der Versorgungsspannung VCC) um einen Spannungsoffset leicht verschoben, insbesondere liegt dieser Offset innerhalb eines Bereichs von +–40 Prozent bezüglich des Absolutwerts des Sternpunktpotentials. Ganz besonders bevorzugt liegt die Verschiebung innerhalb eines Bereichs von +–10 Prozent bezüglich des Absolutwerts des Sternpunktpotentials. Wird nun der Kommutierungszeitpunkt auf ein bestimmtes Tastverhältnis von z. B. 0,5 festgelegt, kann mit dem obigen Verfahren auf einfache Weise eine einfache Trimmung des Kommutierungszeitpunktes durchgeführt werden.To a preferred embodiment of the above method is used for comparison reference potential on the virtual Star point of the circuit laid. This potential is particularly preferred opposite to the neutral point potential (for example, half the supply voltage VCC) slightly shifted by a voltage offset, In particular, this offset is within a range of + -40 percent with respect to the absolute value of the neutral point potential. All most preferably, the shift is within a range of + -10 percent with respect to the absolute value of the Star point potential. Will now the commutation time on certain duty cycle of z. B. 0.5, can easily trims with the above method the Kommutierungszeitpunkt be performed.
Das vorstehend genannte Verfahren bietet den Vorteil, dass der Kommutierungszeitpunkt ohne einen A/D-Wandler bestimmt werden kann.The The above method offers the advantage that the commutation time can be determined without an A / D converter.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further preferred embodiments will be apparent from the dependent claims.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Dabei ergeben sich weitere bevorzugte Ausführungsformen aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.following the invention with reference to embodiments with With reference to the figures explained in more detail. In doing so result further preferred embodiments of the following Figures.
Es zeigenIt demonstrate
Die
Schaltung in
Zur
Bestimmung der Rotorpostion wird im Stillstand des Motors oder bei
einer Motordrehzahl unterhalb eines geeigneten Schwellenwertes eine
Messsequenz durchgeführt, bei der Testpulse nach einem
vorgegebenen Schema erzeugt werden. Die dargestellte Tabelle zeigt
eine Sequenz für eine von drei möglichen Sequenzen
(Sequenz A, B und C). Bei der dargestellen ersten Möglichkeit
A ist Motoranschluss TC der Motoranschluss, an dem der Komparator
angeschlossen ist. Sequenz A
Es ist alternativ möglich, lediglich die Schritte S1 bis S6 durchzuführen, denn die Schritte S7 bis S12 dienen lediglich der Überprüfung des Ergebnisses bei umgekehrter Stromrichtung. Die obige Sequenz wird entsprechend für die verbleibenden zwei zum Messen vorgesehenen Motoranschlusse TA und TB wiederholt. Das heißt, der Komparator ist bei Sequenz B mit Motoranschluss TA verbunden und bei Sequenz C mit Motoranschluss TB. Auf diese Weise erfolgt für jede der drei Motoranschlüsse eine Messsequenz analog obiger Tabelle.It is alternatively possible, only the steps S1 to S6 to perform, because the steps S7 to S12 are only checking the result in reverse Current direction. The above sequence will be corresponding to the remaining two motor terminals TA to be measured and TB repeated. That is, the comparator is at sequence B connected to motor connection TA and at sequence C with motor connection TB. This is done for each of the three motor connections a measuring sequence analogous to the above table.
Das
Schaltungsbeispiel in
Die
Zeitintervalle der einzelnen Schritte S1 bis S8 in
In
Schritt S1 wird der Ausgang von Komparator
Während Schritt S3 klingt der Wicklungsstrom wieder ab. Bevor der Strom nicht einen bestimmten Schwellenwert wieder unterschritten hat, kann Schritt S4 nicht durchgeführt werden. Die Länge von Schritt S3 hängt daher ebenfalls von den Motordaten (z. B. Induktivität) ab.While Step S3, the winding current stops again. Before the electricity has not fallen below a certain threshold again, Step S4 can not be performed. The length from step S3 therefore also depends on the motor data (eg inductance).
Die eigentliche Bestimmung der Rotorlage ergibt sich im einfachsten Fall durch dreimaligen Vergleich der Komparatorergebnisse in den drei Schritten S2 der Sequenzen A bis C. Anstelle der Ergebnisse von S2 können alternativ auch die Ergebnisse der Schritte S5, S8 oder S11 bewertet werden. Bevorzugt werden die Ergebnisse von mindestens zwei der Schritte, insbesondere alle Ergebnisse der Schritte S2, S5, S8 und S11 gemeinsam bewertet.The actual determination of the rotor position results in the simplest Case by comparing the comparator results three times in the three steps S2 of sequences A to C. Instead of the results S2 can alternatively also show the results of the steps S5, S8 or S11. The results are preferred of at least two of the steps, in particular all the results of Steps S2, S5, S8 and S11 evaluated together.
Je nach Zustand des Komparatorausgangs nach Schritt S2 wird das Ergebnis mit "0" oder "1" bewertet. Aus dieser Information lässt sich auf die Feldrichtung in den bestrommten Motorwicklungen WA und WB schließen. Danach wird Schritt S2 für die anderen beiden Motoranschlusskombinationen mit den Sequenzen B und C wiederholt. Man erhält drei Ergebnisse, mit jeweils "0" oder "1". Über eine Zuordnungstabelle kann dann das Motorsegment in Bereichen eines Teilwinkels von 60° festgelegt werden. Es ergeben sich folgende Positionscodes: 001, 010, 100, 101, 110, 011. Die Ergebnisse "111" und "000" sind keine zulässigen Werte und ein Indiz für ein uneindeutiges Messergebnis.Depending on the state of the comparator output after step S2, the result is rated "0" or "1". From this information, it is possible to deduce the direction of the field in the motor windings W A and W B driven by the motor. Thereafter, step S2 is repeated for the other two motor terminal combinations having sequences B and C. You get three results, each with "0" or "1". By means of an allocation table, the motor segment can then be defined in ranges of a partial angle of 60 °. The result is the following position codes: 001, 010, 100, 101, 110, 011. The results "111" and "000" are not permissible values and an indication of an ambiguous measurement result.
Gemäß einer bereits kurz erwähnten bevorzugten Ausführungsform wird nicht nur das erste Ergebnis in Schritt S2 bewer tet sondern es werden weitere Messschritte zur Validierung des Ergebnisses durchgeführt. Hierbei wird im einfachsten Fall der Validierung eine zusätzliche Messung mit umgekehrter Stromrichtung (führt zu einem negierten Ergebnis am Komparatorausgang, siehe Schritt S5) durchgeführt.According to one already briefly mentioned preferred embodiment not only the first result in step S2 is evaluated but further measurement steps are carried out to validate the result. in this connection In the simplest case of validation will be an additional Measurement with reverse current direction (leads to a negated Result at the comparator output, see step S5).
Die vorstehend beschriebene Messung kann also mit zwei verschiedenen Stromrichtungen insbesonders zur nochmaligen Validierung ein weiteres Mal durchgeführt werden, wobei die erste Messung mit entgegengesetzer Stromrichtung begonnen wird (Schritte S7 bis S12).The The above-described measurement can thus with two different Current directions especially for re-validation another Times, with the first measurement being opposite Current direction is started (steps S7 to S12).
Besonders bevorzugt werden die obigen Einzelergebnisse bewertet und ein Endergebnis bestimmt. Dies kann im einfachsten Fall durch eine Majoritätsentscheidung erfolgen. Ergibt sich bei dieser Bewertung ein uneinheitliches Bild der Ergebnisse, kann dies insbesondere als "kein Ergebnis" bewertet werden.Especially Preferably, the above individual results are evaluated and a final result certainly. This can be done in the simplest case by a majority vote respectively. If this evaluation results in a mixed picture of the results, this can be rated in particular as "no result" become.
Auf
diese Weise ist es möglich, Messfehler, die zum Beispiel
auf Grund einer vorhandenen geringfügigen Hysterese des
Komparators
Falls während einer bestimmten Sequenz A, B oder C das Ergebnis "kein Ergebnis" vorliegt, bedeutet dies, dass die dem Mess-Motoranschluss dieser Sequenz zugeordnete Motorwicklung ziemlich genau in einem neutralen Winkelbereich steht. In diesem Fall fällt das Ergebnis bei den anderen Testsequenzen dann um so deutlicher aus.If during a particular sequence A, B or C the result "No result", this means that the measuring motor connection This sequence associated motor winding pretty much in one neutral angle range stands. In that case it falls Result in the other test sequences then clearer.
Das
Verfahren nach der Erfindung ist bevorzugt auch für den
PWM-Ansteuermodus des Motors einsetzbar. Hierzu wird lediglich ein
einfacher Algorithmus im Mikrocontroller, welcher den Komparator
An
Hand von
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, die Pulse am Komparatorausgang früher oder später in eine Kommutierung umzusetzen, um so eine Anpassung des Timings herbeizuführen. Das heißt, bei hohen Drehzahlen werden schon die ersten Pulse zum Schalten in die nächste Phase dienen, bei niedriger Drehzahl erst die späteren. Dadurch wird ein Timing von über 30° ermöglicht.A there is another preferred embodiment of the method in it, the pulses at the comparator output sooner or later to implement in a commutation, so as to adapt the timing bring about. That is, at high speeds already serve the first pulses for switching to the next phase, at low speed until later. This will allows a timing of over 30 °.
Die Umschaltung zum EMK-Modus kann insbesonders dann erfolgen, sobald an der offenen Phase ein Komparatorwechsel eindeutig erkannt wurde und umgekehrt, wenn ein Timeout auftritt, weil der Komparatorwechsel nicht erkannt wurde.The Switching to the EMF mode can be done especially as soon as at the open phase a comparator change was clearly recognized and vice versa, when a timeout occurs because of the comparator change was not recognized.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, für den EMK-Beobachter einen eigenen Sternpunkt mit Multiplexer und Komparator vorzusehen, um eine verbesserte virtuelle Sternpunktnachbildung mit drei an TA, TB, TC angeklemmten Widerständen zu erhalten. Der virtuelle Sternpunkt gibt dann auch in den Ausschaltphasen der PWM noch ein brauchbares Signal.A there is another preferred embodiment of the method therein, for the EMK observer its own star point with multiplexer and comparator to provide an enhanced virtual Star point simulation with three resistors connected to TA, TB, TC to obtain. The virtual star point is then in the off phases the PWM still a useful signal.
Das zuvor beschriebene Verfahren mit verbesserter Sternpunktnachbildung durch die ebenfalls weiter oben beschriebene Verstimmung mittels Widerstand und Kleinsignaltransistoren an Masse und VCC lässt sich bevorzugt im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzen, um den Umschaltpunkt am Komparator zu beeinflussen.The previously described method with improved star point replica by the detuning also described above means Resistor and small signal transistors to ground and VCC leaves is preferred in the process according to the invention use to influence the switching point on the comparator.
Es ist weiterhin nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, die Nachbildungs des Sternpunkts während der Messung gezielt künstlich zu verrauschen. Hierdurch lässt sich die Komparatorhysterese gezielt kompensieren, wodurch mehrere Abtastzeitpunkte (Komparatorwechsel) erhalten werden können. Aus den mehrfach erhaltenen Abtastzeitpunkten lässt sich dann ein Analogwert zu berechnen. Eine bevorzugte Schaltung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht in ei ner Erweiterung mit einem Generator zum Erzeugen einer Sinus-, Dreieck- oder Rechteckspannung (weiter oben als "Verrauschung" bezeichnet). Je höher die Frequenz und Amplitude, also die Signalenergie, desto mehr Abtastzeitpunkte (Komparatorwechsel) können erfasst werden. Aus dem Tastverhältnis kann auf den Analogwert geschlossen und eine frühzeitige Kommutierung (Feldschwächung) eingeleitet werden.It is still according to a preferred embodiment of the Procedure provided, the replica of the star point during The measurement targeted artificially to noise. hereby can the comparator hysteresis be specifically compensated, whereby several sampling times (comparator change) are obtained can. From the multiple times obtained sampling leaves then calculate an analog value. A preferred circuit There is an extension of this procedure with a generator for generating a sine, triangle or square voltage (referred to above as "noise"). The higher the Frequency and amplitude, ie the signal energy, the more sampling times (Comparator change) can be detected. From the duty cycle can be closed to the analog value and an early Commutation (field weakening) are initiated.
Es ist also bevorzugt möglich, durch gezieltes Dithern Mehrfachkomparatorwechsel zu erzeugen, die eine Plausibilisierung zulassen. Die Dithterfrequenz wird insbesondere an die Interruptsperrzeiten des Systems angepaßt. Sie kann alternativ auch auf die PWM-Frequenz abgestimmt werden, durch Phasenlage und ganzzahligem Teiler oder Vielfachen der PWM-Frequenz. Damit sind besonders genaue Zeitmessungen möglich.It is therefore preferably possible by targeted dithering Mehrfachkomparatorwechsel to generate a plausibility check. The dither frequency is especially adapted to the inter-lock times of the system. Alternatively, it can be tuned to the PWM frequency, by phase position and integer divisor or multiples of the PWM frequency. This makes particularly accurate time measurements possible.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - WO 02/052714 [0002] WO 02/052714 [0002]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - "The Smart Start(TM) Technique for BLDC Motors", Application Brief 42020, Fairchild Semiconductors (TM), Rev. 1.0 10/15/2000, September 1996 [0004] - "The Smart Start (TM) Technique for BLDC Motors", Application Letter 42020, Fairchild Semiconductors (TM), Rev. 1.0 10/15/2000, September 1996 [0004]
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