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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Steuern eines elektronisch
kommutierten Elektromotors. Die Steuervorrichtung weist einen Steuereingang
für ein eine Rotorposition eines Rotors des Elektromotors
repräsentierenden Rotorpositionssignal und einen Steuerausgang
zum Verbinden mit wenigstens einer Erregerspule des Elektromotors
auf. Die Steuervorrichtung weist eine eingangsseitig mit dem Steuereingang
verbundene Rotorsignalerfassungsvorrichtung auf, wobei die Rotorsignalerfassungsvorrichtung
ausgebildet ist, das Rotorpositionssignal zu erfassen und ein digitales
Ausgangssignal zu erzeugen, welches das Rotorpositionssignal repräsentiert.
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Die
Steuervorrichtung weist eine mit der Rotorsignalerfassungsvorrichtung
verbundene Rotorpositionsermittlungseinheit auf, welche ausgebildet
ist, aus dem digitalen Ausgangssignal eine Rotorposition zu ermitteln
und ein Steuersignal zu erzeugen, welches wenigstens eine anzusteuernde
Erregerspule des Elektromotors repräsentiert. Die Steuervorrichtung
weist auch eine mit der Rotorpositionsermittlungseinheit verbundene
Signalverarbeitungseinheit und eine eingangsseitig mit der Signalverarbeitungseinheit
verbundene Leistungsendstufe auf. Die Leistungsendstufe ist ausgangsseitig
mit dem Steuerausgang verbunden. Die Signalverarbeitungseinheit
ist ausgebildet, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen
Ansteuersignal die Leistungsendstufe anzusteuern und so einen Laststrom
zu erzeugen, mit dem der Rotor in eine Drehbewegung versetzt werden
kann und insbesondere mittels der Leistungsendstufe den Laststrom über
den Steuerausgang auszugeben.
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Aus
der
DE 10 2007
036 692 A1 ist ein Lüfter bekannt, bei dem ein
Rotor mittels eines Magnetfeldes berührungslos gelagert
ist. Der Lüfter weist einen elektronisch kommutierten Elektromotor
auf, bei dem mittels des Wirbelstroms Sensors eine axiale Stellung
des Rotors in Umlaufrichtung erfasst wird. Der Wirbelstromsensor
weist einen Schwingkreis auf und liefert als Ausgangswert eine Spannung,
welche zur Auswertung und Weiterverarbeitung einem Gleichrichter,
weiter einem Verstärker und einem Analog-Digital-Wandler
zugeführt wird. Der Lüfter weist auch eine digitale
Signalverarbeitungseinheit auf, welche in Abhängigkeit
von einem digitalen Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers mittels Pulsweitenmodulation
wenigstens eine Erregerspule eines Stators des Elektromotors ansteuern
kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
der Erfindungsgemäßen Steuervorrichtung mit den
Merkmalen der Steuervorrichtung der eingangsgenannten Art weist
die Rotorsignalerfassungsvorrichtung einen Analog-Digital-Wandler
und einen eingangsseitig mit dem Analog-Digital-Wandler verbundenen
Verstärker auf, wobei der Verstärker eingangsseitig
mit dem Steuereingang verbunden ist. Der Verstärker weist
eine einstellbare Verstärkung auf und weist dazu einen
Eingang zum Empfangen eines Stellsignals auf und ist ausgebildet,
die Verstärkung in Abhängigkeit von dem Stellsignal
zu ändern. Die Steuervorrichtung, insbesondere die Rotorpositionsermittlungseinheit
ist ausgebildet, das Stellsignal derart zu erzeugen, dass eine maximale
Amplitude eines Ausgangssignals des Verstärkers eine maximal
wandelbare Amplitude des Analog-Digital-Wandlers nicht übersteigt
und der Analog-Digital-Wandler so nicht übersteuert werden
kann. Dadurch wird vorteilhaft ein Dynamikbereich des Analog-Digital-Wandlers
nicht überschritten. Vorteilhaft werden dadurch Signalanteile
nicht abgeschnitten so dass kein unerwünschtes Klirren
erzeugt wird. Weiter vorteilhaft wird so auch ein unverzerrtes Ausgangssignal erzeugt,
insoweit mit einem verzerrten Ausgangssignal eine gewünschte
Ansteuerung der Erregerspule nicht mehr korrekt bewirkt werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung
ausgebildet, den Laststrom als gepulsten, insbesondere pulsweitenmodulierten
Laststrom zu erzeugen. Dadurch kann vorteilhaft eine digitale Steuereinheit
zum Einsatz kom men, die Steuereinheit kann dazu beispielsweise einen
Analog-Digital-Wandler, bevorzugt einen Delta-Sigma-Wandler aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verstärker
einen Dynamikkompressor auf, welcher ausgebildet ist, einen Dynamikumfang
eines Ausgangssignals im Vergleich zu einem Dynamikumfang eines
Eingangssignals zu reduzieren. Ein Dynamikumfang ist der Unterschied
zwischen einer kleinsten Signalamplitude und einer größten
Signalamplitude eines zeitabhängigen Signals. Der Dynamikkompressor
ist beispielsweise ausgebildet, die Dynamik logarithmisch zu komprimieren,
so dass beispielsweise Signalanteile mit einer großen Signalamplitude des
Eingangssignals stärker komprimiert werden, als Signalanteile
mit einer im Vergleich zu der großen Signalamplitude kleineren
Signalamplitude des Eingangssignals.
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Im
Falle einer Erzeugung des Stellsignals durch die Rotorpositionsermittlungseinheit
ist eine rekursiv geregelte Rückkopplungsschleife gebildet,
da die Rotorpositionsermittlungseinheit im Signalpfad dem Verstärker
nachgeschaltet ist. Im Vergleich dazu kann in einer anderen Ausführungsform
eine Regelung der Verstärkung derart gebildet sein, dass
eine Verstärkung des Verstärkers in Abhängigkeit
von dem Eingangssignal des Verstärkers, insbesondere einer
Eingangssignalamplitude des Eingangssignals ermittelt wird und das
Stellsignal in Abhängigkeit der ermittelten Eingangssignalamplitude
erzeugt wird. Die Regelung der Verstärkung ist beispielsweise
eine Proportional-Integral-Regelung.
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Dem
Verstärker mit einstellbarer Verstärkung sowie
dem Dynamikkompressor liegt der Erfindungsgedanke zugrunde, zum
Erzeugen eines gepulsten oder pulsweitenmodulierten Signals aus
einem induktiv erzeugten Rotorpositionssignal eine in dem Rotorpositionssignal
enthalte Phaseninformation und kleine Signalamplitudenänderungen
zu erfassen und auszuwerten, um so mittels der Phaseninformationen und
Signalamplitudenänderungen ein Stellsignal und mittels
des Stellsignals ein unverzerrtes, gepulstes Leistungssignal zum
Ansteuern der Erregerspulen und weiter zum Erzeugen einer Drehbewegung
des Rotors zu erzeugen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform der Steuervorrichtung
weist der Analog-Digital-Wandler – unabhängig
oder zusätzlich zu der Ausführungsform mit einem Verstärker
mit einstellbarer Verstärkung – einen stellbaren
Dynamikumfang auf und weist dazu einen Eingang für das
Stellsignal auf. Der Analog-Digital-Wandler ist ausgebildet, in
Abhängigkeit von dem Stellsignal eine Anzahl der Quantifizierungsstufen
bei einem Analog-Digitalwandeln zu ändern. Dadurch kann
vorteilhaft eine Dynamikanpassung durch eine Quantisierung erreicht
werden. Weiter bevorzugt kann bei kleinen Eingangssignalamplituden
eine größere Quantisierung gestellt werden, so
dass ein Rauschabstand bei kleinen Eingangssignalamplituden größer
ist als bei großen Eingangssignalamplituden. Bei großen
Eingangssignalamplituden kann eine Quantisierung kleiner gewählt
sein, insoweit ein dadurch verkleinerter Rauschabstand bei großen Eingangssignalamplituden
weniger Störungen verursacht als bei kleinen Signalamplituden.
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Die
Steuervorrichtung ist bevorzugt ausgebildet, im Falle eines in Richtung
der maximal wandelbaren Amplitude des Analog-Digital-Wandlers sich ändernden
Signalverlaufes das Stellsignal derart zu erzeugen, dass eine Quantisierung
des Analog-Digital-Wandelns vergrößert wird.
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Die
Rotorsignalerfassungsvorrichtung, die Rotorpositionsermittlungseinheit
oder die Signalverarbeitungseinheit können jeweils einzeln
oder zusammen als DSP (DSP = Digitaler-Signal-Prozessor), als FPGA
(FPGA = Field-Programmable-Gate-Array), als Mikroprozessor insbesondere
in Verbindung mit einem auf einem Computerprogrammprodukt gespeicherten
Programm oder durch einen Microcontroller verwirklicht sein.
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Die
Erfindung betrifft auch einen elektronisch kommutierten Elektromotor
mit einem Stator und mit einem permanentmagnetisch ausgebildeten
Rotor. Der elektronisch kommutierte Elektromotor weist eine Steuervorrichtung
der vorbeschriebenen Art auf. Der Stator des Elektromotors weist
wenigstens zwei Erregerspulen auf, wobei die Erregerspulen angeordnet
und ausgebildet sind, stromdurchflossenen ein magnetisches Moment
auf den Rotor zu erzeugen. Die Erregerspule sind mit dem Steuerausgang
verbunden und die Steuervorrichtung ist ausgebildet, einen Laststrom
zu erzeugen und die Erregerspule mittels des Laststromes derart
anzusteuern, dass der Rotor in eine Drehbewegung versetzt werden
kann. Der Laststrom kann beispielsweise gepulst sein.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern eines elektronisch
kommutierten Elektromotors mit einem Stator und einem permanentmagnetisch
ausgebildeten Rotor, insbesondere des Elektromotors mit der Steuervorrichtung
der vorbeschriebenen Art. Bei dem Verfahren wird ein insbesondere durch
Induktion in einer Erregerspule des Elektromotors ein eine Rotorposition
repräsentierendes Rotorpositionssigal erzeugt, und in Abhängigkeit
von dem Rotorpositionssignal mittels Analog-Digital-Wandelns ein
digitales Ausgangssignal erzeugt. Bei dem Verfahren wird weiter
in Abhängigkeit von dem digitalen Ausgangssignal eine Rotorposition
des Rotors ermittelt und wenigstens ein Ansteuersignal erzeugt, welches
wenigstens eine anzusteuernde Erregerspule des Elektromotors repräsentiert.
Bei dem Verfahren wird weiter in Abhängigkeit des Ansteuersignals ein
insbesondere gepulster Laststrom erzeugt wobei mittels des Laststroms
der Rotor in eine Drehbewegung versetzt wird.
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Erfindungsgemäß wird
bei dem Verfahren ein Rotorpositionssignal vor dem Analog-Digital-Wandeln
verstärkt und ein Arbeitspunkt der Verstärkung
in Abhängigkeit von einem Stellsignal eingestellt, und
vor oder während der Ermittlung der Rotorposition das Stellsignal
derart erzeugt, dass eine Maximalamplitude des verstärkten
Rotorpositionssignals eine maximal wandelbare Amplitude der Analog-Digital-Wandlung
nicht übersteigt und die Analog-Digital-Wandlung so kein übersteuertes
digitales Ausgangssignal erzeugen kann.
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Die
Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren
Ausführungsbeispielen erläutert.
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1 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Steuervorrichtung
für einen elektronisch kommutierten Elektromotor, sowie
ein Verfahren zum Betreiben eines elektronischen kommutierten Motors;
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2 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Rotorsignalerfassungsvorrichtung mit
einem Analog-Digital-Wandler mit einer einstellbaren Quantisierung.
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1 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen
elektronisch kommutierten Elektromotor 1. Der elektronisch
kommutierte Elektromotor 1 weist einen Stator 3 mit
einem Rotor 5 auf. Der elektronisch kommutierter Elektromotor 1 weist
auch eine Steuervorrichtung 4 auf. Die Steuervorrichtung 4 weist
einen Steuereingang 6 für ein Rotorpositionssignal
auf. Die Steuervorrichtung 4 weist auch einen Steuerausgang 11 zum
Verbinden mit wenigstens einer Erregerspule des Elektromotors 1,
insbesondere des Stators 3 auf. Der Stator 3 weist
drei jeweils radial von dem Rotor 5 beabstandete Erregerspulen 28, 30 und 32 auf.
Die Erregerspulen sind zusammen in Sternschaltung geschaltet, wobei
ein zweiter Anschluss einer jeden Erregerspule mit einem Sternanschluss 34 verbunden
ist. Die Erregerspule in 32, 30 und 28 weisen
jeweils einen ersten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss der
Erregerspule 28 mit einem Anschluss 22 des Steuerausgangs 11,
ein erster Anschluss der Erregerspule 30 mit einem Anschluss 24 des
Steuerausgangs 11 und ein erster Anschluss der Erregerspule 32 mit
einem Anschluss 26 des Steuerausgangs 11 verbunden
ist.
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Die
Steuervorrichtung 4 weist auch eine Rotorsignalerfassungsvorrichtung 9 auf.
Die Rotorsignalerfassungsvorrichtung 9 weist einen Verstärker 16 und
einen Analog-Digital-Wandler 18 auf. Der Verstärker 16 ist
eingangsseitig über eine Verbindung, insbesondere eine
mehrkanalige Verbindung, mit dem Steuereingang 6 verbunden.
Der Verstärker 16 ist ausgangsseitig über
eine mehrkanalige Verbindung 42 mit dem Analog-Digital-Wandler 18 verbunden.
Der Analog-Digital-Wandler ist in dieser Ausführungsform
mehrkanalig ausgebildet, eine Kanalanzahl entspricht der Kanalanzahl
der Verbindung 42. Der Steuereingang 6 ist über
eine insbesondere mehrkanalige Verbindung 40 mit dem Steuerausgang 11 verbunden.
Der Verstärker 16 ist eingangsseitig über
einen Eingang 8 für einen Sternanschluss mit einem
Sternanschluss 34 des Stators 3 verbunden.
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Die
Steuervorrichtung 4 weist auch eine Rotorpositionsermittlungseinheit 10 auf.
Die Rotorpositionsermittlungseinheit 10 weist einen Anschluss 36 für
ein von dem Analog-Digital-Wandler erzeugtes digitales Rotorpositionssignal
auf. Der Analog-Digital-Wandler 18 ist dazu mittels einer
Verbindung 44 mit dem Anschluss 36 der Rotorpositionsermittlungseinheit 10 verbunden.
Die Rotorpositionsermittlungseinheit 10 ist ausgebildet,
in Abhängigkeit von dem digitalen Rotorpositionssignal
eine Rotorposition des Rotors 5 zu ermitteln, insbesondere
eine Winkelstellung des Rotors 5 in Umlaufrichtung zu ermitteln,
und einen Ansteuersignal zu erzeugen, welches wenigstens eine anzusteuernde
Erregerspule des Elektromotors 1, insbesondere des Stators 3 repräsentiert.
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Die
Steuervorrichtung 4 weist auch eine Signalverarbeitungseinheit 12 auf,
welche eingangsseitig über eine mehrkanalige Verbindung 46 mit
der Rotorpositionsermittlungseinheit 10 verbunden ist.
Die Signalverarbeitungseinheit 12 ist ausgebildet, in Abhängigkeit
von dem wenigstens einen Ansteuersignal insbesondere für
jede Erregerspule ein gepulstes Steuersignal, insbesondere ein pulsweitenmoduliertes
Steuersignal zu erzeugen und dieses ausgangsseitig auszugeben. Die
Signalverarbeitungseinheit 12 ist ausgangsseitig über
eine insbesondere mehrkanalige Verbindung 48 mit einer
Leistungsendstufe 14 verbunden.
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Die
Leistungsendstufe 14 ist ausgebildet, in Abhängigkeit
von dem über die Verbindung 48 empfangenen Steuersignal
ein Leistungssignal, insbesondere ein gepulstes Leistungssignal
für jede Erregerspule zu erzeugen. Die Leistungsendstufe 14 ist ausgangsseitig
mit dem Anschluss 22, dem Anschluss 24 und dem
Anschluss 26 des Steuerausgangs 11 und so mittelbar
mit den Erregerspulen verbunden.
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Die
Rotorpositionsermittlungseinheit 10 ist ausgangsseitig über
einen Anschluss 38 mit dem Verstärker 16 verbunden.
Die Rotorpositionsermittlungseinheit 10 ist ausgebildet,
ein Stellsignal zum Einstellen einer Verstärkung des Verstärkers 16 zu erzeugen
und dieses ausgangsseitig über den Ausgang 38 auszugeben.
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Die
Funktionsweise des Elektromotors und das Verfahren zum Betreiben
des Elektromotors werden nun im Folgenden erläutert:
Bei
einem Betrieb des Elektromotors wird eine in den Erregerspulen induzierte
Spannung erfasst. Dazu können an den Anschlüssen 22, 24 und 26 anliegende
Potentiale über die Verbindung 40 an den Steuereingang 6 und
so an die Rotorsignalerfassungseinheit 9 gesendet werden.
Die Rotorsignalerfassungseinheit 9 kann dann – insbesondere
unter Berücksichtigung eines am Eingang 8 empfangenen
Sternpotentials – ein digitales Rotorpositionssignal erzeugen,
welches eine Rotorposition, insbesondere Rotorwinkelstellung des
Rotors 5 repräsentiert und dieses über
die Verbindung 44 an den Anschluss 36 senden.
Die Rotorpositionsermittlungseinheit 10 kann das digitale
Rotorpositionssignal am Anschluss 36 empfangen und ein
Stellsignal in Abhängigkeit von einer durch das digitale
Signal repräsentierten Signalamplitude erzeugen und das
Stellsignal über den Anschluss 38 für
ein Stellsignal an die Rotorsignalerfassungsvorrichtung 9 und
dort an den Verstärker 16 senden. Die Rotorsignalerfassungsvorrichtung
kann so Bestandteil einer Regelschleife sein und das digitale Rotorpositionssignal
derart erzeugen, dass eine maximal wandelbare Signalamplitude des
Analog-Digitalwandlers 18 nicht überschritten wird.
Die Rotorpositionsermittlungseinheit kann im Folgenden ein Ansteuersignal
erzeugen, welches wenigstens eine anzusteuernde Erregerspule des Elektromotors
repräsentiert. Die Signalverarbeitungseinheit kann in Abhängigkeit
von dem wenigstens ein gepulstes Steuersignal zum Erzeugen eines Momentes
mittels der 28, 30 und 32 Erregerspulen und
dem Rotor 5 erzeugen und dieses verstärkt über die
Leistungsendstufe 14 an die Erregerspulen senden.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für eine Rotorsignalerfassungsvorrichtung 50,
welche – anders als die in 1 dargestellte
Rotorsignalerfassungsvorrichtung 9 einen einstellbaren
Analog-Digital-Wandler 52 aufweist. Der Analog-Digital-Wandler 52 ist
ausgebildet, in Abhängigkeit von einem eingangsseitig empfangenen
Stellsignal eine Quantisierung, insbesondere eine Anzahl von Quantifizierungsstufen
der Quantisierung beim Analog-Digital-Wandeln zu ändern.
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Die
Rotorsignalerfassungsvorrichtung 50 weist einen Verstärker 51 auf,
welche eingangsseitig über eine Verbindungsleitung 53 mit
dem Steuereingang 6 verbunden ist. Ausgangsseitig ist der
Verstärker 51 über eine Verbindung 49 mit
dem Analog-Digital-Wandler 52 verbunden, welcher ausgangsseitig über
eine Verbindung 55 mit dem Anschluss 36 verbunden
ist. Der Analog-Digital-Wandler 52 ist eingangsseitig über
eine Verbindungsleitung 54 mit einem Eingang 38 für
das Stellsignal verbunden.
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Die
Rotorsignalerfassungsvorrichtung 50 kann beispielsweise
anstelle der Rotorsignalerfassungsvorrichtung 9 in 1 Bestandteil
der Steuervorrichtung 4 sein. Die Rotorsignalerfassungsvorrichtung 50 ist
dann über den Ausgang 36 ausgangsseitig mit der
Rotorpositionsermittlungseinheit 10, eingangsseitig über
den Anschluss 38 mit der Rotorpositionsermittlungseinheit 10 und
eingangsseitig über den Steuereingang 6 mit dem
Steuerausgang 11 über die Verbindung 40 verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007036692
A1 [0003]