DE102008011164A1

DE102008011164A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Kompensation der Nullpunktabweichung bei der Wicklungsstromerfassung für Steuerungen bürstenloser Motoren

Info

Publication number: DE102008011164A1
Application number: DE102008011164A
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Zeiske
Original assignee: Panasonic Electronic Devices Europe GmbH
Current assignee: Panasonic Industrial Devices Europe GmbH
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: DE102008011164B4

Abstract

Zur dynamischen Kompensation der Nullpunktabweichung bei der Wicklungsstromerfassung für Steuerungen bürstenloser Motoren wird für eine der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl unterschiedlicher Strompfade der Freilaufstrom durch mehrere Phasen gleichzeitig erfasst. Die gemessenen Stromwerte jeder Phase werden für die verschiedenen Strompfade miteinander in Relation gesetzt, so dass sich eine der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl von gekoppelten Gleichungen ergibt, anhand derer die Nullpunktabweichung jeder Phase ermittelt und dynamisch kompensiert wird. Der Motorcontroller verfügt dazu in jedem Brückenarm der Motoransteuerung über eine Wicklungsstrommessvorrichtung, an die jeweils ein Abtasthalteglied derart angeschlossen ist, dass alle Abtasthalteglieder synchron geschaltet werden können. Die abgetasteten Signale werden mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert und entsprechend des oben beschriebenen Verfahrens ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dynamischen Kompensation der Nullpunktabweichung bei der Wicklungsstromerfassung für Steuerungen bürstenloser Motoren.
In Antriebssystemen werden weit verbreitet mehrphasige, bürstenlose Motoren eingesetzt. Zur Steuerung dieser Motoren wird üblicherweise der Strom durch die Motorwicklungen erfasst und ausgewertet. Eine einfache Methode zur Stromerfassung ist die Messung des Spannungsabfalls an einem in Reihe zur Motorwicklung geschalteten Widerstand. Bei netzunabhängigen Geräten, wie z. B. handgeführten Werkzeugmaschinen, motorisierten Gartengeräten oder Motorfahrzeugen, ist aufgrund der kleineren Batteriespannung der Strom deutlich höher als bei Antrieben, die aus dem Netz versorgt werden. Damit die quadratisch mit dem Strom ansteigende Verlustleistung an diesen Messwiderständen nicht zu einer thermischen Überlastung der Widerstände führt, muss der Widerstandswert bei diesen Applikationen sehr klein gewählt werden. Der entsprechend kleine Spannungsabfall über den Widerständen wird zur Auswertung verstärkt. In Folge von Unzulänglichkeiten der Verstärker ergibt sich eine unter anderem temperaturabhängige Nullpunktabweichung, die zur korrekten Auswertung der Signale kompensiert werden muss.
Eine bekannte Technik zur Kompensation der Nullpunktabweichung bei der Wicklungsstromerfassung ist die Aufnahme der Stromwerte im stromlosen Fall vor dem Betrieb des Motors, die dann von den aktuellen Stromwerten während des Betriebs abgezogen werden. Diese Kompensationstechnik versagt aber bei Nullpunktabweichungen infolge von Temperaturänderungen während des Betriebs.
DE 102 55 369 A1 beschreibt einen Motorkontroller zur Steuerung eines bürstenlosen 3-Phasen-Motors, der durch Mittelung der gemessenen Wicklungsströme über eine komplette Drehung des Rotors die Nullpunktabweichung ermittelt und kompensiert. Dabei wird beachtet, dass Messungen verworfen werden, wenn sich das Tastverhältnis der zur Stellung des Wicklungsstroms eingesetzten Pulsweitenmodulation (PWM) innerhalb der Messperiode über eine komplette Umdrehung des Rotors ändert, um dadurch entstehende Beeinträchtigungen des Kompensationswerts zu verhindern. Stark schwankende Lastmomente, die eine stetige Variation des Wicklungsstroms zur Regulierung der Drehzahl bewirken, behindern somit die Kompensation der Nullpunktabweichung. Außerdem verfälschen Asymmetrien im Rotor-Stator-System, die sich produktionstechnisch nicht vermeiden lassen, die Kompensationswerte und somit den Nullpunkt der Strommessung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, präzise Kompensationswerte für die Nullpunktabweichung in der Wicklungsstrommessung dynamisch zu ermitteln und die erfassten Stromwerte damit zu korrigieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des 2. Patentanspruchs gelöst, indem der Freilaufstrom der Motorwicklung während der Austastung der PWM zur Ermittlung eines Kompensationswertes der Nullpunktabweichung genutzt wird, der gleichzeitig durch jeweils zwei Stromsensoren fließt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das Verfahren unabhängig von der Konstanz der PWM und Asynchronitäten im mechanischen Aufbau des Motors ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren beschrieben:
1 zeigt einen Schaltungsabschnitt des Motors 6 und der Motoransteuerung 3.
2 zeigt anhand von Pfeilen den Strompfad durch die Motorwicklung V 62 und der Motorwicklung W 63 bei aktiven Transistoren 33 und 36.
3 zeigt anhand von Pfeilen den Strompfad durch die Motorwicklung V 62 und der Motorwicklung W 63 beim Freilaufen und bipolarer Beschaltung der Transistoren 33 und 36.
4 zeigt anhand von Pfeilen den Strompfad durch die Motorwicklung V 62 und der Motorwicklung W 63 beim Freilaufen und unipolarer Beschaltung der Transistoren 33 und 36.
Der in 1 gezeigte Schaltungsabschnitt zeigt die Motoransteuerung 3 des Motors 6. Der Motor besteht aus den Wicklungen der U-Phase 61, der V-Phase 62 und der W-Phase 63. Die Motoransteuerung 3 ist eine 3-Phasen-Inverterschaltung, welche drei Brückenarme für die 3 Phasen aufweist. Ein U-Phasen-Brückenarm enthält einen oberen Leistungsschalter 31, einen unteren Leistungsschalter 32 und einen Wicklungsstrommesswiderstand 41, welche in Reihe geschaltet sind. Der Knoten zwischen den Leistungsschaltern 31 und 32 ist mit der U-Wicklung 61 verbunden. Der Knoten zwischen dem unteren Leistungsschalter 32 und dem Wicklungsstrommesswiderstand 41 ist über einen Widerstand mit dem positiven Eingang eines Verstärkers 51 verbunden. Dieser Eingang ist ebenfalls über einen Widerstand mit einer Leitung 7 verbunden, die an eine nicht dargestellte Referenzspannungsquelle angeschlossen ist. Ein V-Phasen-Brückenarm enthält einen oberen Leistungsschalter 33, einen unteren Leistungsschalter 34 und einen Wicklungsstrommesswiderstand 42, welche in Reihe geschaltet sind, und der Knoten zwischen den Leistungsschaltern 33 und 34 ist mit der V-Wicklung 62 verbunden. Der Knoten zwischen dem unteren Leistungsschalter 34 und dem Wicklungsstrommesswiderstand 42 ist über einen Widerstand mit dem positiven Eingang eines Verstärkers 52 verbunden. Dieser Eingang ist ebenfalls über einen Widerstand mit einer Leitung 7 verbunden, die an eine nicht dargestellte Referenzspannungsquelle angeschlossen ist. Ein W-Phasen-Brückenarm enthält entsprechend einen oberen Leistungsschalter 35, einen unteren Leistungsschalter 36 und einen Wicklungsstrommesswiderstand 43, welche in Reihe geschaltet sind, und der Knoten zwischen den Leistungsschaltern 35 und 36 ist mit der W-Wicklung 63 verbunden.
Der Knoten zwischen dem unteren Leistungsschalter 36 und dem Wicklungsstrommesswiderstand 43 ist über einen Widerstand mit dem positiven Eingang eines Verstärkers 53 verbunden. Dieser Eingang ist ebenfalls über einen Widerstand mit einer Leitung verbunden, die an eine nicht dargestellte Referenzspannungsquelle angeschlossen ist. Jeder der Leistungsschalter 31 bis 36 enthält einen Leistungs-MOSFET (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor) und eine Freilaufdiode, welche antiparallel mit dem Leistungs-MOSFET verbunden ist. Das obere Schalterende jedes Brückenarms ist mit einer positiven Leitung einer nicht dargestellten Batteriespannungsquelle verbunden und der Widerstand jedes Brückenarms ist mit einer negativen Leitung einer nicht dargestellten Batteriespannungsquelle verbunden, welche eine Batteriespannung durch die Leitungen zuführt.
In 2 ist anhand von Pfeilen der Strompfad durch die V-Motorwicklung 62 und der W-Motorwicklung 63 bei aktiven Transistoren 33 und 36 dargestellt. Der Strom fließt aus dem positiven Anschluss der nicht dargestellten Batteriespannungsquelle durch die Leitung 1, den Transistor 33, die V-Motorwicklung 62 und W-Motorwicklung 63, durch den Transistor 36 und den Wicklungsstrommesswiderstand 43 über die Leitung 2 in den negativen Pol der nicht dargestellten Spannungsquelle. Durch den Strom durch die Motorwicklungen baut sich ein Magnetfeld auf, in dem Energie gespeichert ist. Durch die Wechselwirkung dieses Magnetfeldes mit dem nicht dargestellten Rotor, der bei bürstenlosen Gleichstrommotoren aus Dauermagneten besteht, wird entsprechend der Lage des Rotors ein Drehmoment erzeugt. Zur Steuerung des Drehmoments führt der Motorkontroller 3 eine Regelung anhand einer Pulsweitenmodulation des Stroms auf der Grundlage der durch die Wicklungsstromwiderstände 41 bis 43 erfassten 3-Phasen-Ströme I_U, I_V und I_W, eines von einem nicht dargestellten Winkelsensor ausgegebenen Rotorpositionssignals und des von außen eingegebenen Drehmomentwerts aus.
Dabei muss die im Magnetfeld der Motorwicklungen gespeicherte Energie abgeführt werden, bevor die Motorwicklungen erneut durch einen Strom magnetisiert werden können. Für die in 2 dargestellte Bestromung der V- und W-Motorwicklung existieren 2 mögliche Stellungen der Transistoren 33 bis 36 zur Entstromung, die in den 3 und 4 dargestellt sind.
Bei bipolarer Beschaltung der Transistoren 33 und 36, wie in 3 anhand von Pfeilen für den Strompfad dargestellt, bewirkt die im Magnetfeld gespeicherte Energie beim Freilaufen einen Stromfluss durch die V-Motorwicklung 62 und die W-Motorwicklung 63, die Freilaufdiode des Transistors 35, die Zuleitung 1 zum positiven Pol der nicht dargestellten Batteriespannungsquelle, die Batteriespannungsquelle, die Zuleitung 2 zum negativen Pol der Batteriespannungsquelle, den Wicklungsstrommesswiderstand 42 und der Freilaufdiode des Transistors 34.
Bei unipolarer Beschaltung der Transistoren 33 und 36, wie in 4 anhand von Pfeilen für den Strompfad dargestellt, bewirkt die im Magnetfeld gespeicherte Energie beim Freilaufen einen Stromfluss I durch die V-Motorwicklung 62 und die W-Motorwicklung 63, den Transistor 36, die Wicklungsstrommesswiderstände 43 und 42 und den Transistor 33.
Der entsprechende Spannungsabfall an den Wicklungsstrommesswiderständen R_V und R_W hat den gleichen Betrag, aber umgekehrte Polarität. Am Ausgang des jeweiligen Verstärkers 52 bzw. 53 ergeben sich folgende Spannungen U_V und U_W: U1V = A·(–I1·RV) + O7 + OV U1W = A·(I1·RW) + O7 + OW
Dabei ist A die Verstärkung, O₇ die Referenzspannung, die als virtueller Nullpunkt gewählt ist, und O_V bzw. O_W die jeweilige Nullpunktabweichung. Bei den folgenden Bestromungen der Phasen V und U bzw. W und U ergeben sich jeweils an den Ausgängen der Verstärker folgende Spannungen: U2V = A·(–I2·RV) + O7 + OV U2U = A·(I2·RU) + O7 + OU und U3W = A·(–I3·RW) + O7 + OW U3U = A·(I3·RU) + O7 + OU
Da der Strom I^a, a = 1, 2, 3; durch jeweils zwei Wicklungsstrommesswiderstände fließt, haben unterschiedliche Ströme bei der Bestromung der Phasen V und W, V und U bzw. W und U keinen Einfluss. Die Kompensation der Nullpunktabweichungen O_U, O_V und O_W kann unabhängig von der Steuerung des Drehmoments erfolgen. Es muss nur das aus den obigen Gleichungen folgendes Gleichungssystem gelöst werden.
Die Lösung lautet:
Eine Ausführungsform der Erfindung beinhaltet neben den bekannten Komponenten eines Motorcontrollers, wie z. B. eine Motoransteuerung entsprechend 1, drei synchronisierte Abtasthalteglieder. Der Eingang jedes Abtasthalteglieds ist an entsprechend einem Ausgang der Verstärkers 51 bis 53 angeschlossen. Die Ausgänge der Abtasthalteglieder sind über einen Multiplexer an den Eingang eines Analog-Digital-Wandlers angeschlossen, der die synchron aufgenommenen Signale der Abtasthalteglieder jeweils in digitale Signale wandelt. Diese werden dann in dem Prozessor des Motorcontrollers entsprechend des oben angegebenen Verfahrens ausgewertet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Ausgänge der Abtasthalteglieder jeweils mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers verbunden, die synchron gestartet werden können, so dass die in digitale Signale gewandelten Stromwerte parallel im Prozessor des Motorcontrollers ausgewertet werden können.
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 Patentliteratur

- DE 10255369 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur dynamischen Kompensation der Nullpunktabweichung bei der Wicklungsstromerfassung für Steuerungen bürstenloser Motoren, dadurch gekennzeichnet, dass für eine der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl unterschiedlicher Strompfade der Freilaufstrom durch mehrere Phasen gleichzeitig erfasst wird und diese Werte bei jeder Phase für die verschiedenen Strompfade miteinander in Relation gesetzt werden, so dass sich eine der Anzahl der Phasen entsprechenden Anzahl von gekoppelten Gleichungen ergibt, anhand derer die Nullpunktabweichung jeder Phase ermittelt und dynamisch kompensiert wird.
Motorcontroller, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Brückenarm der Motoransteuerung über eine Wicklungsstrommessvorrichtung verfügt, an die jeweils ein Abtasthalteglied derart angeschlossen ist, dass alle Abtasthalteglieder synchron geschaltet werden können.
Motorcontroller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der Abtasthalteglieder über einen Multiplexer mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers verbunden sind.
Motorcontroller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der Abtasthalteglieder jeweils mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers verbunden sind.
Motorcontroller nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstrommessvorrichtung aus einem Shuntwiderstand und einem Differenzverstärker besteht, derart, dass der Shuntwiderstand mit dem einen Anschluss an den negativen und mit dem anderen Anschluss an dem positiven Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen ist.
Motorcontroller nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstrommessvorrichtung ein magneto-resistiver Stromsensor ist.
Motorcontroller nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstrommessvorrichtung aus einer Spule und einem Differenzverstärker besteht, derart, dass die Spule die Strom führende Leitung umgibt und mit dem einen Anschluss an den negativen und an dem anderen Anschluss mit dem positiven Eingang des Differenzverstärkers angeschossen ist.
Motorcontroller nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsstrommessvorrichtung aus einem Eisen- oder Ferritkern, einem Hallsensor und einem Verstärker besteht, derart, dass der Eisen- oder Ferritkern die Strom führende Leitung umgibt, der Hallsensor sich in einem Luftspalt im Eisen- oder Ferritkern befindet und mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist.