-
Stand der Technik
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben des Gleichstrommotors
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.
-
Ein
solcher sogenannter bürstenloser
sensorloser Gleichstrommotor umfasst einen Rotor, der mindestens
einen Permanentmagneten aufweist, und einem Stator, der mindestens
drei Statorspulen aufweist, wobei eine Steuerungseinrichtung vorgesehen
ist, die eingerichtet ist, eine Drehposition des Rotors zu bestimmen
und eine Bestromung der Statorspulen abhängig von der Drehposition des
Rotors zu veranlassen, und wobei die Steuerungseinrichtung eingerichtet
ist, die Drehposition in einem hohen Drehzahlbereich anhand einer
Spannung zu bestimmen, die in einer der Statorspulen induziert wird.
-
Ein
Nachteil liegt jedoch darin, dass bei niedrigen Drehzahlen keine
ausreichenden Spannungen in den Statorspulen induziert werden. Die
Drehposition des Rotors kann daher nicht bestimmt werden. Die Statorspulen
werden daher beim Hochfahren des Motors im niedrigen Drehzahlbereich
blind geschaltet. Dies kann dazuführen, dass die Bestromung der Statorspulen
nicht zu einer Beschleunigung des Motors, sondern zu einer Abbremsung
des Rotors führt. Der
Rotor erreicht dann den hohen Drehzahlbereich erst nach einer langen
Zeit oder überhaupt
nicht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrommotor
der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben des Gleichstrommotors
zu schaffen, wobei der Gleichstrommotor durch das Verfahren in einem
niedrigen Drehzahlbereich abhängig
von einer Drehposition des Rotors steuerbar ist.
-
Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Gleichstrommotor
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs
1 und ein Verfahren zum Betreiben des Gleichstrommotors mit den
Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 2 gelöst.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor, wobei die
Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, die Drehposition in einem
niedrigen Drehzahlbereich anhand eines Stroms beim Anlegen einer
Spannung an einer der Statorspulen zu bestimmen. Ein niedriger Drehzahlbereich
ist allgemein ein Drehzahlbereich, der unter einem hohen Drehzahlbereich
liegt, in dem keine ausreichenden Spannungen in den Statorspulen
induziert werden, um die Drehposition zu bestimmen, und in dem die
Rotordrehzahl typischerweise weniger als 500 U/min beträgt, während in
dem hohen Drehzahlbereich die Rotordrehzahl typischerweise mehr
als 500 U/min beträgt.
Vorteilhafterweise ist kein weiterer Sensor erforderlich, um die
Drehzahl in dem niedrigen Drehzahlbereich zu bestimmen. Bei dem
Gleichstrommotor handelt es sich im Idealfall um einen Folgepolmotor
(engl. consequent pole motor).
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben
des Gleichstrommotors mit den folgenden Schritten in einem niedrigen
Drehzahlbereich: Anlegen einer Spannung an eine der Statorspulen;
Ermitteln eines Stroms an der einen der Statorspulen; Bestimmen
der Rotorposition anhand des Verlaufs des Stroms; und Bestromen
der Statorspulen in Abhängigkeit
von der erfassten Drehposition. Das Ermitteln des Stroms bedeutet
im Zusammenhang mit der Erfindung nicht, dass der Strom numerisch
exakt bestimmt wird. Es kann auch lediglich eine Größe bestimmt
werden, die zu dem Strom proportional ist.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird an die mindestens eine weitere Statorspule eine Spannung angelegt,
wird ein weiterer Strom an der mindestens einen weiteren Statorspule
ermittelt, und wird die Drehposition anhand des Verlaufs des weiteren
Stroms bestimmt. Dadurch ist es möglich, zu bestimmen, ob sich
der Rotor bei einer von mehreren unterschiedlichen Drehpositionen
befindet.
-
In
einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform sind die angelegten
Spannungen Spannungspulse. Diese Spannungspulse haben typischerweise
eine Dauer von mehreren 100 μs.
Dies ermöglicht
es, die Drehposition des Rotors genau zu bestimmen. Außerdem ist
zur Bestimmung der Drehposition nur ein kurzes Zeitintervall erforderlich,
in dem der normale Betrieb des Gleichstrommotors unterbrochen werden
muss.
-
In
noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform werden die Spannungspulse
wiederholt angelegt, und nimmt der zeitliche Abstand zwischen dem
wiederholten Anlegen der Spannungspulse ab. Somit ist der zeitliche
Abstand zwischen dem wiederholten Anlegen der Spannungspulse an
die zunehmende Drehzahl des Rotors angepasst.
-
In
noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform werden die angelegten
Spannungen umgepolt, werden Ströme
an den Statorspulen für
die umgepolten Spannungen ermittelt, und wird die Drehposition anhand
des Verlaufs der Ströme
für die
umgepolten Spannungen bestimmt. Die umgepolten Spannungen sind bevorzugt
ebenfalls Spannungspulse und haben die gleiche Zeitdauer wie die vorher
genannten Spannungspulse. Durch jeweils zwei entgegen gesetzte Spannungspulse
wird die Drehzahl des Rotors kaum beeinflusst.
-
In
noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform werden die Beträge der Stromanstiege
an einer jeden Statorspule für
die Spannung und für
die umgepolte Spannung jeweils zu einem summierten Stromanstieg
addiert, wird der maximale summierte Stromanstieg mit den anderen Stromanstiegen
verglichen, um die Drehposition zu bestimmen. Versatzfehler der
Ströme
können
somit extrahiert werden. Durch eine geeignete Toleranz bei der Festlegung
des Vergleichskriteriums kann ein Winkelbereich festgelegt werden,
in dem die Drehposition des Rotors ist.
-
In
noch einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform werden in dem hohen
Drehzahlbereich zum Bestimmen der Drehzahl identische Spannungswerte
der Spannung, die in der einen der Statorspulen induziert wird,
für ein
Vielfaches (mindestens Zweifaches) des elektrischen Winkels von
360° ermittelt.
Dabei handelt es sich um Spannungswerte für die gleiche Rotorposition.
Dadurch wird sichergestellt, dass Abweichungen zwischen den Polen
des Rotors die Bestimmung der Drehposition nicht beeinflussen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Im
Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Ansicht eines Gleichstrommotors mit einer zugehörigen Bestromungseinrichtung;
-
2 eine
Detailansicht des Gleichstrommotors und der zugehörigen Schalteinrichtung
aus 1;
-
3 eine
Ansicht der Spannungskomparatorschaltung aus 1;
-
4 eine
Ansicht des Spannungsverstärkers
aus 1;
-
5A eine
Ansicht des Motors für
den elektrischen Winkel αel
= 0°;
-
5B eine
Ansicht des Motors für
den elektrischen Winkel αel
= 120°;
-
5C eine
Ansicht des Motors für
den elektrischen Winkel αel
= 240°;
und
-
6 die
Amplitude der induzierten Spannung abhängig von dem elektrischen Winkel.
-
1 zeigt
eine schematische Ansicht eines Gleichstrommotors 1 mit
einer zugehörigen
Bestromungseinrichtung 2. Ein solcher Gleichstrommotor wird
beispielsweise für
eine Kühlmittelpumpe
eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.
-
Die
Bestromungseinrichtung 2 sorgt für eine Bestromung des Gleichstrommotors 1 über die Stromleitungen 3, 4 und 5.
Die Bestromungseinrichtung 2 umfasst eine Steuerungsschaltung 6,
eine Treiberschaltung 7 mit einer Ladungspumpe, eine Schalteinrichtung 8 mit
mehreren Schaltransistoren, eine Spannungskomparatorschaltung 9 und
eine Spannungsverstärkerschaltung 10.
Zusätzlich sind eine
Spannungsreglungsschaltung 11, eine Verpolschutzschaltung 12,
eine Überspannungsschutzschaltung 13,
ein Kondensator 14 und ein Widerstand 15 vorgesehen.
Der Kondensator 14 puffert die rückgespeiste Energie aufgrund
der induktiven Last der Statorspulen (siehe 2). Der
Widerstand 15 hat einen geringen Wert und stellt sicher,
dass der Strom, der durch den Widerstand 15 zu dem Massenanschluss
fließt,
durch die Spannungsverstärkerschaltung 10 verstärkt werden
kann. Die Verpolschutzschaltung 12 sorgt dafür, dass
eine falsch gepolte Versorgungsspannung Vref die Bestromungseinrichtung 2 nicht
beschädigt.
Die Spannungsregelungsschaltung 11 regelt die Spannung,
die an Steuerungsschaltung 6 angelegt wird, auf einen bestimmten
Wert. Die Überspannungsschutzschaltung 13 sorgt
dafür,
dass die Treiberschaltung 7 durch Überspannungen nicht beschädigt wird.
Die Steuerungsschaltung 6 steuert die Treiberschaltung 7 abhängig von
den Signalen von der Spannungskomparatorschaltung 9 oder
der Spannungsverstärkerschaltung 10.
Die Treiberschaltung 7 legt an die Schalttransistoren der
Schalteinrichtung 9 geeignete Spannungen an, um die Schalttransistoren
zu öffnen
oder zu schließen.
-
2 zeigt
eine Detailansicht des Gleichstrommotors 1 und der zugehörigen Schalteinrichtung 8 aus 1.
Der Gleichstrommotor umfasst einen Eisenkern 16 mit sechs
Kernvorsprüngen 17,
die jeweils um 60° versetzt
sind und um die jeweils eine der Statorspulen u, v, w, u', v' oder w' gewickelt ist. Die
Statorspulen u und u',
v und v', w und
w' bilden jeweils
Statorspulenpaare uu',
vv' und ww' aus zwei Statorspulen,
die in Reihe geschaltet sind. Die beiden Statorspulen eines Statorspulenpaars
uu', vv' und ww' liegen sich jeweils
um 180° versetzt
gegenüber. Das
eine Ende eines jeden Statorspulenpaars uu', vv' und
ww' ist mit zwei
Schalttransistoren T1 und T2, T3 und T4 bzw. T5 und T6 verbunden,
die jeweils durch die Treiberschaltung 7 geschlossen oder
geöffnet werden.
Die Schalttransistoren T1, T3 und T5 verbinden die Statorspulenpaare
uu', vv' und ww' jeweils mit einem
hohen Spannungspotential Vref oder trennen sie von diesem. Die Schalttransistoren
T2, T4 und T6 verbinden die Statorspulenpaare uu', vv' und
ww' jeweils mit
einem niedrigen Spannungspotential an einem Knotenpunkt 25 oder
trennen sie von diesem. Die anderen Enden eines jeden Statorspulenpaars uu', vv' und ww' sind miteinander
verbunden. Ein Rotor 26 mit zwei Permanentmagneten 27 befindet
sich in der Drehposition αel
= 0°. Bei
dieser Anordnung entspricht ein elektrischer Winkel αel = 360° einem mechanischen Winkel αmec = 180°, das heißt, jede der
Statorspulen u, u',
v, v', w und w' liegt bei einer vollen
Umdrehung des Rotors 26 Magnetpolen mit einer bestimmten
Polarität
genau zweimal gegenüber. Während die
Magnetpole mit der einen Polarität
S außen
bei den Permanentmagneten 27 ausgebildet sind, sind die
Magnetpole mit der entgegen gesetzten Polarität N zwischen den Permanentmagneten 27 ausgebildet.
Ein derartiger Gleichstrommotor ist unter der Bezeichnung ”Folgepolmotor” (engl.
consequent pole motor) bekannt. Der Schalttransistor T1 soll für einen
elektrischen Winkel von αel
= 30° bis 150° angeschaltet
sein. Der Schalttransistor T2 soll für einen elektrischen Winkel
von αel
= 210° bis
330° angeschaltet
sein. Der Schalttransistor T3 soll für einen elektrischen Winkel
von αel
= 150° bis
270° angeschaltet
sein. Der Schalttransistor T4 soll für einen elektrischen Winkel
von αel
= 330° bis
90° angeschaltet
sein. Der Schalttransistor T5 soll für einen elektrischen Winkel
von αel
= 270° bis
30° angeschaltet
sein. Der Schalttransistor T6 soll für einen elektrischen Winkel
von αel
= 90° bis
210° angeschaltet
sein. Es sollen also immer genau zwei Transistoren angeschaltet
sein, so dass der Strom jeweils durch zwei Statorspulenpaare fließt.
-
3 zeigt
eine Ansicht der Spannungskomparatorschaltung 9 aus 1.
Die Spannungskomparatorschaltung 9 umfasst drei identisch
ausgebildete Komparatorschaltungen 18, 19 und 20,
wobei jede der Komparatorschaltungen 18, 19 und 20 die Spannung,
die an der Stromleitung 3, 4 bzw. 5 eines der
Statorspulenpaare uu',
vv' und ww' anliegt, mit einer
Spannung vergleicht, die an einem Sternpunkt 21 anliegt
und von allen Spannungen abhängt,
die an den Stromleitungen 3, 4 bzw. 5 anliegen.
Jede der Komparatorschaltungen umfasst mehrere Widerstände R1,
R2, R3, R4 und R5, mehrere Kondensatoren C1, C2 und C3 und einen
Operationsverstärkter OP1.
Wie bereits angemerkt, werden im normalen Betrieb nur immer zwei
Statorspulenpaare abwechselnd bestromt. Die Spannung an den beiden
bestromten Statorspulen sind entgegen gesetzt und vom Betrag her
gleich groß,
wenn die induzierte Spannung an der dritten nicht bestromten Statorspule
ihren Nulldurchgang hat. Daher liegt bei einem Knotenpunkt 21 beim
Nulldurchgang eine interne Spannung von 0 V an (die interne Spannung
von 0 V ist hier als Vref/2 definiert). Bei ihrem Nulldurchgang wechselt
die Spannung außerdem
das Vorzeichen. Dementsprechend wechselt auch das Vorzeichen der
Spannung am Ausgang 22, 23, bzw. 24 des
jeweiligen Operationsverstärkers
OP1, der zu der dritten nicht bestromten Spule gehört. Die Spannungen an
den Knotenpunkten 22, 23 und 24 werden
zu der Steuerungsschaltung 6 zugeführt.
-
4 zeigt
eine Ansicht der Spannungsverstärkerschaltung 10 aus 1.
Die Spannungsverstärkerschaltung 10 umfasst
mehrere Widerstände R6,
R7, R8, R9, R10 und R11, einen Kondensator C4 und zwei Operationsverstärker OP2
und OP3. Die Widerstände
R8 und R11 bzw. R10 und R9 sind jeweils gleich groß. Knotenpunkte 25, 28 und 29 sind ebenfalls
in 1 eingezeichnet. Die Widerstände R6 und R7 sind ebenfalls
gleich groß,
so dass am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2
und am Ausgang des Operationsverstärkers OP2 die Spannung Vref/2
(interne Spannung von 0 V) anliegt. Wenn am Knotenpunkt 25 und
am Knotenpunkt eine identische Spannung anliegt, fließt kein
Strom durch den Widerstand 15 (siehe 1), und
es liegt am Knotenpunkt 28 ebenfalls eine interne Spannung
von 0 V an. Der Operationsverstärker OP3
ist als invertierender Verstärker
beschaltet, so dass am Ausgang des Operationsverstärkers OP3 (Knotenpunkt 28)
eine proportionale Spannung entsprechend der Stromrichtung über R15
anliegt, wie es für
die Betriebsweise des Steuerungsschaltung 6 erforderlich
ist.
-
Beim
Hochfahren wird der normale Betrieb des Gleichstrommotors 1 bei
einer niedrigen Drehzahl durch Testpausen unterbrochen. In den Testpausen
werden an jedes der Statorspulenpaare uu', vv' und
ww' kurz hintereinander
zwei entgegen gesetzte Spannungspulse angelegt. Die Spannungspulse
sind alle gleich lang und haben die gleiche Amplitude. Durch das
Anlegen von zwei entgegen gesetzten Spannungspulsen werden mögliche Versatzfehler ausgeglichen.
Außerdem
wird die Bewegung des Rotors 26 kaum beeinflusst. Für das Statorspulenpaar uu' werden während des
ersten Spannungspulses die Transistoren T1, T4 und T6 eingeschaltet
und während
des zweiten Spannungspulses die Transistoren T2, T3 und T5 angeschaltet.
Jeder der Spannungspulse hat eine Dauer von einigen 100 μs. Der Rotor 26 befindet
sich während
der gesamten Testpause daher nahezu in derselben Drehposition. Für das Statorspulenpaar
vv' werden während des
ersten Spannungspulses die Transistoren T3, T2 und T6 eingeschaltet
und während
des zweiten Spannungspulses die Transistoren T4, T1 und T5 angeschaltet. Für das Statorspulenpaar
ww' werden während des ersten
Spannungspulses die Transistoren T5, T2 und T4 eingeschaltet und
während
des zweiten Span nungspulses die Transistoren T6, T1 und T3 angeschaltet.
Es fließt
daher durch ein Statorspulenpaar jeweils der gesamte Strom, der
sich dann auf die zwei anderen Statorspulenpaare aufteilt. 5A, 5B und 5C zeigen
Ansichten des Gleichstrommotors 1 für den elektrischen Winkel αel = 0°, für den elektrischen
Winkel αel
= 120° bzw.
für den elektrischen
Winkel αel
= 240°,
wobei die magnetische Feldlinienverlauf des Magnetfelds eingezeichnet
ist, das von dem bestromten Statorspulenpaar uu' erzeugt wird. Abhängig von der Drehposition des
Rotors 26 durchdringen die magnetischen Feldlinien die Permanentmagnete 27 mehr
oder weniger. Dadurch ändert
sich die Induktivität
des Statorspulenpaars uu'.
Für die
Drehposition αel
= 0° steigt
der Strom in dem Statorspulenpaar uu' für
die Spannungspuls schnell an, während
der Strom für
die Drehpositionen αel
= 120° und αel = 240° weniger
schnell ansteigt. Ein Spannungswert, der proportional zu dem Stromwert
ist, wird zu der Steuerungsschaltung 6 zugeführt. Die
Steuerungsschaltung 6 bestimmt, ob sich der Rotor 26 bei
der Drehposition αel
= 0° befindet oder
nicht. Analog kann die Steuerungsschaltung 6 auch bestimmen,
ob sich der Rotor 26 bei der Drehposition αel = 120° oder αel = 240° befindet
oder nicht. Zum Bestimmen der Drehposition ermittelt die Steuerungsschaltung 6 zunächst die
Beträge
der Stromanstiege für
den ersten Spannungspuls und den zweiten Spannungspuls eines jeden
Statorspulenpaars uu',
vv' und ww'. Die Steuerungsschaltung 6 summiert
dann die beiden Beträge
für jedes
Statorspulenpaar zu einem summieren Stromanstieg. Die Steuerungsschaltung 6 ermittelt
dann den maximalen summierten Stromanstieg der drei summieren Stromanstiege
und den Mittelwert der beiden anderen summierten Stromanstiege.
Den Mittelwert der beiden anderen summierten Stromanstiege zieht
die Steuerungsschaltung 6 von dem maximalen summierten
Stromanstieg ab und vergleicht das Subtraktionsergebnis mit einem
Schwellwert. Wenn das Subtraktionsergebnis größer als der Schwellwert ist, zeigt
dies, dass sich der Rotor 26 in der Drehposition befindet,
in welcher die Statorspulen angeordnet sind, durch welche die Ströme mit dem
maximalen summierten Stromanstiegen fließen. Durch eine geeignete Auswahl
des Schwellwerts kann der Winkelbereich dieser Drehposition eingeschränkt oder
vergrößert werden.
Aus der oder den erfassten Drehpositionen berechnet die Steuerschaltung 6,
wann sich der Rotor 26 bei einer Drehposition befindet,
bei welcher einer der Transistoren T1 bis T6 an- oder ausgeschaltet
werden soll. Die Steuerungsschaltung 6 veranlasst nun die
Treiberschaltung 7, die Transistoren T1 bis T6 wie gewünscht bei
bestimmten Drehpositionen an- oder auszuschalten. Die Testpausen
werden in dem niedrigen Drehzahlbereich kontinuierlich wiederholt.
Der zeitliche Abstand der Testpausen wird dabei kontinuierlich verringert,
um die Bestimmung der Drehposition an die erhöhte Drehzahl anzupassen. Nach
einer gewissen Zeit hat der Gleichstrommotor 2 eine hohe
Drehzahl (> 500 U/min.)
erreicht. Das schnell rotierende Magnetfeld des Rotors 26 kann
nun eine messbare Spannung in den Statorspulenpaare uu', vv' bzw. ww' induzieren. Die
Nulldurchgänge
dieser induzierten Spannungen erkennt die Steuerungsschaltung 6 wie
besprochen an dem Wechsel des Vorzeichens der Spannungen an den Ausgängen 22, 23,
bzw. 24. Eine Unterbrechung des normalen Betriebs des Gleichstrommotors,
um die Drehposition des Rotors zu erfassen, ist nicht weiter erforderlich.
Diese Nulldurchgänge
entsprechen jeweils einem bestimmten elektrischen Winkel αel. 6 zeigt
die Amplitude der induzierten Spannung abhängig von dem elektrischen Winkel.
Aus den kontinuierlich erfassten Nulldurchgängen berechnet die Steuerschaltung 6 die
Drehzahl und schließt
aus der Drehzahl und den bestimmten elektrischen Winkeln αel, wann
sich der Rotor 26 bei einer Drehposition befindet, bei
welcher, einer der Transistoren T1 bis T6 an- oder ausgeschaltet
werden soll. Dabei verwendet die Steuerungsschaltung 6 nur
scharf definierte Magnetpole, wie sie vor den Permanentmagneten 27 (Pole
S in 2), aber nicht zwischen den Permanentmagneten 27 ausgebildet
sind (Pole N in 2). Zur Bestimmung der Drehzahl
vergleicht die Steuerungsschaltung 6 außerdem bevorzugt Nulldurchgänge, die
jeweils einer vollständigen
Drehung des Rotors 26 um 360° entsprechen und somit zu einem
bestimmten Magnetpol gehören.
Dabei analysiert die Steuerungsschaltung die Nulldurchgänge, die
zu beiden scharf definierten Magnetpolen gehören, um aus möglichst
vielen Daten eine funktionale Abhängigkeit der Drehposition des
Rotors 26 von der Zeit zu bestimmen. Diese beiden scharf
definieren Magnetpole sind um eine Drehung des Rotors um 180° versetzt.
Die Steuerungsschaltung 6 veranlasst nun die Treiberschaltung
die Transistoren T1 bis T6 wie gewünscht bei bestimmten Drehpositionen
an- oder auszuschalten.