DE102010010646A1

DE102010010646A1 - Motorsteuerung

Info

Publication number: DE102010010646A1
Application number: DE201010010646
Authority: DE
Inventors: Jérome Pierre
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung und ein Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen, bürstenlosen Elektromotors. Jeder anzusteuernden Motorphase ist erfindungsgemäß eine Schalteinrichtung (3) und eine Messeinrichtung (4) zugeordnet. Die Messeinrichtung (4) ist dabei so ausgebildet, dass sie die Gegeninduktionsspannung und den Motorstrom in einer eingeschalteten Motorphase, wobei die Messung nicht gleichzeitig, sondern in Abhängigkeit der Schaltstellung der Schalteinrichtungen (3) erfolgt. Die Messeinrichtung (4) weist dazu einen Messverstärker (9) auf, der parallel zum zweiten Schaltelement (5) der Schalteinrichtung (3) geschaltet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltung und ein Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen, bürstenlosen Elektromotors.
Um einen mehrphasigen bürstenlosen Motor anzusteuern, muss die Betriebs-Gleichspannung für jede Motorphase in eine geeignete Wechselspannung gewandelt werden. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Vollbrückenschaltung. Jeder Motorphase ist dabei eine Schalteinrichtung mit zwei Schaltern zugeordnet. Die einzelnen Motorphasen werden beispielsweise mit einer Rechteck-Wechselspannung betrieben. Die Drehzahl des Motors lässt sich dabei durch eine Pulsbreitenmodulation der Wechselspannung steuern. Die einzelnen Motorphasen werden der Reihe nach angesteuert, so dass im Stator ein umlaufendes Wechselfeld entsteht, das den Rotor in Drehung versetzt. Jedes Schaltintervall ist in zwei Schaltphasen unterteilt, die nacheinander folgen. In der Ansteuerphase wird die jeweilige Motorphase mit der Betriebsspannung verbunden und in der Freilaufphase wieder getrennt. Der Stromkreis wird dabei jeweils über eine zweite Motorphase geschlossen. Die dritte Motorphase bleibt ausgeschaltet, das heißt beide Schalter sind geöffnet.
Die Schaltinformation für die Schalteinrichtungen, wann eine Motorphase ein- oder ausgeschaltet wird, wird zumeist aus Sensoren gewonnen, die die Rotorlage des Motors angeben. Dieses Verfahren ist weit verbreitet, setzt jedoch entsprechende Sensoren am Motor voraus. Zudem muss die Position der Sensoren am Rotor aufwändig exakt ausgerichtet werden, damit die Lageinformation korrekt ist.
Es gibt jedoch Anwendungen, bei denen die Verwendung von Sensoren nicht möglich oder zu teuer ist. Es ist daher im Stand der Technik auch bekannt, den bürstenlosen Motor ohne Sensoren anzusteuern. Die Schaltinformation wird dabei aus der sogenannten Gegeninduktionsspannung (Gegen-EMK, auch Back-EMF) gewonnen. Die Gegeninduktionsspannung wird im Motor durch die Drehung des Rotors induziert und wirkt der Betriebsspannung entgegen. Praktischerweise wird die Gegeninduktionsspannung an der ausgeschalteten Motorphase gemessen. Aus der zeitlichen Auswertung der Gegeninduktionsspannung, insbesondere deren Nulldurchgang, kann eine Lageinformation für den Rotor gewonnen werden, die eine exakte Schaltung der einzelnen Motorphasen erlaubt.
Ein weiterer Vorteil gegenüber einer Sensorssteuerung besteht darin, dass die Gegeninduktionsspannung gegenüber den Schaltzeitpunkten phasenverschoben ist und dadurch eine Vor- oder Nachkommutierung problemlos möglich ist.
Um die Schalteinheiten, meist leistungselektronische Bauteile, und die Wicklungen der Motorphasen vor Überlastung zu schützen, ist zudem ein aufwändiger Überlastschutz notwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Schaltung und ein Verfahren der vorgenannten Art zu schaffen, das einfacher und kostengünstiger ausführbar ist und einen einfachen Überlastschutz aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektronische Schaltung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder anzusteuernden Motorphase eine Messeinrichtung zugeordnet ist und, dass die Messeinrichtung zum Messen der Gegeninduktionsspannung und des Motorstromes ausgebildet ist. Die Messung der Gegeninduktionsspannung liefert die Lageinformation des Rotors, wobei aus dem Nulldurchgang die Schaltinformation für die Schalteinrichtungen ableiten lassen.
Weiterhin bietet der Strom-Messwert eine einfache Möglichkeit zur Lasterkennung des Motors. Ein Elektromotor nimmt immer soviel Strom auf, wie für die gewünschte Bewegung notwendig ist. Wird der Motor mechanisch blockiert oder stark belastet, steigt die Stromaufnahme stark, theoretisch unendlich, an. Bei einer fehlenden Strombegrenzung können dadurch die Schalteinrichtungen und/oder die Phasenwicklungen des Motors überlastet und zerstört werden. Durch die Messung und Auswertung des Stromes, steht dem erfindungsgemäßen Verfahren eine einfache Möglichkeit zur Strom-, Last- und/oder Leistungsbegrenzung zur Verfügung. Wobei die Begrenzung in der Steuerung durch einfache Programmierung realisierbar ist und zusätzlich durch Parameter änderbar ist.
Der Vorteil der Erfindung ist dabei, dass für die Messung der Gegeninduktionsspannung und des Stromes nur eine Messeinrichtung pro Motorphase notwendig ist, die beide Messungen vornehmen kann. Die Messeinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass keine Umschaltung zwischen den verschiedenen Messungen notwendig ist.
Die Art der Messung ist vom Schaltzustand der Schalteinrichtung abhängig, wobei die Interpretation, ob der gemessene Wert die Gegeninduktionsspannung oder der Strom ist, in einer Steuereinheit erfolgt. Dadurch ist klar, dass eine Messeinrichtung entweder eine Spannungs- oder Strommessung vornehmen kann, aber nicht beides gleichzeitig.
Vorzugsweise ist die Messeinrichtung parallel zu einem der Schaltelemente angeordnet. Insbesondere weist die Messeinrichtung einen Messverstärker auf, der parallel zum zweiten Schaltelement geschaltet ist, wobei der nichtinvertierende Eingang des Messverstärkers zusätzlich mit einer Referenzspannung verbunden ist und der invertierende Eingang zusätzlich mit einer Spannungsbegrenzung ausgestattet ist.
Die Referenzspannungsquelle hebt das Potential am Messverstärker allgemein an und erlaubt eine Nulldurchgangserkennung der Gegeninduktionsspannung. Die Spannungsbegrenzung verhindert eine Beschädigung des Messverstärkers, wenn die volle Motor-Betriebsspannung am nichtinvertierenden Eingang anliegt.
Die Spannungsbegrenzung wird nur während der Ansteuerphase der Motorphase benötigt und weist deshalb vorzugsweise einen Schalter auf, der in Abhängigkeit vom zweiten Schaltelement der Schalteinrichtung angesteuert wird.
Die Erfindung beschreibt ebenfalls ein Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen, bürstenlosen Elektromotors, wobei jeder anzusteuernden Motorphase eine Schalteinrichtung zugeordnet ist, durch die die Motorphase in aufeinanderfolgenden Schaltintervallen ein- und ausgeschaltet wird und jedes Einschalt-Intervall in eine Ansteuer- und eine Freilaufphase unterteilt ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder anzusteuernden Motorphase eine Messeinrichtung zugeordnet ist, dass in einer eingeschalteten Motorphase durch die zugeordnete Messeinrichtung der Motorstrom gemessen wird und während der Freilauf-Phase der eingeschalteten Motorphase in einer ausgeschalteten Motorphase durch die zugeordnete Messeinrichtung die Gegeninduktionsspannung gemessen wird.
Zum Schutz der Messeinrichtung vor hohen Eingangsspannungen, weist sie vorzugsweise eine schaltbare Spannungsbegrenzung auf, die in Abhängigkeit der Schalteinrichtung eingeschaltet wird.
Das Verfahren kann beispielsweise für drei Motorphasen ausgelegt sein, wobei in jedem Schaltintervall zwei Motorphasen geschaltet und eine Motorphase ausgeschaltet ist und in der zweiten geschalteten Motorphase zusätzlich durch die zugeordnete Messeinrichtung der negative Motorstrom gemessen wird.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen Ausschnitt eines Schaltplans einer erfindungsgemäße Schaltung für drei Motorphasen mit jeweils einer Schalteinrichtung und einer Messeinrichtung und
2 einen Schaltplan der Schalteinrichtungen mit angeschlossenen Motorphasen.
Die 1 zeigt einen Schaltplan einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung zur Ansteuerung einer Motorphase eines mehrphasigen, bürstenlosen Elektromotors (nicht gezeigt). Für jede Motorphase des mehrphasigen Elektromotors wird eine solche Schaltung benötigt. Die Schaltung 1 weist eine Schalteinrichtung 3 und eine Messeinrichtung 4 auf.
Die Schalteinrichtung 3 hat ein erstes 5' und ein dazu in Reihe geschaltetes zweites Schaltelement 5. Die Schalter 5, 5' sind im Beispiel als Feldeffekttransistoren (FET) ausgeführt. Es können jedoch auch andere Schaltelemente verwendet werden, beispielsweise IGBT. Das erste Schaltelement 5' ist im Beispiel ein Anreicherungstyp p-Kanal FET (enhancement), dessen Gate G durch einen Treiberbaustein 6 angesteuert wird. Das zweite Schaltelement 5 ist ein n-Kanal Anreicherungstyp FET (enhancement), dessen Gate G durch einen invertierenden Treiberbaustein 7 angesteuert wird. Die Treiberbausteine 6, 7 werden durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) angesteuert. Drain- D und Bulk-Anschluss B des ersten FET 5' sind mit der Betriebsspannung VCC verbunden. Der Source-Anschluss S des ersten FET 5' ist mit dem Drain-Anschluss D des zweiten FET 5 verbunden und Bulk- B und Source-Anschluss S des zweiten FET 5 sind mit Masse verbunden. Der Anschluss 8 für eine Motorphase ist zwischen den beiden Schaltelementen 5 und 5' angeordnet.
Die Messeinrichtung 4 weist einen Messverstärker 9 in Form eines Operationsverstärkers auf, dessen invertierender Eingang 10 mit dem Drain-Anschluss D und dessen nicht-invertierender Eingang 11 mit dem Source-Anschluss S des zweiten FET 5 jeweils über einen Widerstand 12 verbunden sind. Der nicht-invertierende 11 Eingang des Messverstärkers 9 ist weiterhin mit einer Referenzspannungsquelle VREF über einen Widerstand 12 verbunden.
Der invertierende Eingang 10 weist einen Widerstand 12 zur Rückkopplung zum Ausgang 13 des Messverstärkers 9 und eine Spannungsbegrenzung 14 auf.
Die Spannungsbegrenzung 14 besteht aus einem Bipolartransistor 15, der als Schalter angesteuert ist. Die Basis des Transistors 15 ist über einen Widerstand mit dem Steuereingang des invertierenden Treiberbausteins 7 des zweiten Schaltelements 5 verbunden. Der Emitter des npn-Transistors 15 ist mit Masse verbunden und der Kollektor ist über einen Widerstand 16 mit dem invertierenden Eingang 10 des Messverstärkers 9 verbunden. Der Widerstand 16 des Spannungsbegrenzers 14 ist um einen Faktor der Größenordnung 10 kleiner als der Widerstand 12 zwischen dem invertierenden Eingang 10 und dem zweiten Schaltelement 5. Die Spannungsbegrenzung 14 soll verhindern, dass die Motorbetriebsspannung VCC den Messverstärker 9 beschädigt. Ist das erste Schaltelement 5' eingeschaltet und das zweite Schaltelement 5 ausgeschaltet, liegt nahezu die volle Motor-Betriebsspannung VCC am invertierenden Eingang 10 an; über den Widerstand 16 wird ein Spannungsteiler gebaut, weswegen die Spannung nicht gleich VCC sein kann. Da die Spannung 12 V oder höher sein kann, würde dadurch der Messverstärker 9 zerstört. Deshalb wird, wenn das zweite Schaltelement 5 ausgeschaltet ist, der Transistor 15 der Spannungsbegrenzung 14 eingeschaltet. Dadurch wird der kleinere Widerstand 16 in Reihe zum Vorwiderstand 12 geschaltet, weshalb an ihm der Großteil der Betriebsspannung abfällt. In diesem Schaltzustand liefert der Messverstärker 9 keine auswertbare Information.
In 2 ist beispielhaft eine Schaltung 17 zum Ansteuern eines dreiphasigen Motors gezeigt. Die Schaltung 17 weist demnach drei der in 1 gezeigten Ansteuerschaltungen 1 auf. Zur Vereinfachung sind in 2 jedoch nur die Schalteinrichtungen 3 mit den Schaltelementen T1–T6 gezeigt. Der Motor ist durch drei Wicklungen der Motorphasen U, V, W angedeutet. Jeweils ein Ende der Wicklungen ist mit einer Schalteinrichtung 3 verbunden. Die freien Enden der Wicklungen sind in dieser Ausführung in einem Sternpunkt 17 zusammen geschaltet; allerdings wäre auch eine Dreiecksschaltung denkbar.
Bei dreiphasigen Motoren gibt es drei Einschaltintervalle, in denen jeweils zwei Motorphasen geschaltet und eine Motorphase ausgeschaltet ist. In der ausgeschalteten Motorphase sind immer beide Schaltelemente geöffnet.
Die Einschaltintervalle der einzelnen Motorphasen sind jeweils wiederum in eine Ansteuer und eine Freilaufphase unterteilt. Während der Ansteuerphase ist die aktuell geschaltete Motorphase, beispielsweise Phase U, mit der Betriebsspannung VCC verbunden, wobei der Stromkreislauf durch die zweite geschaltete Motorphase V geschlossen wird. Das heißt T1 und T4 sind geschlossen und T2 und T3 sind offen. Die Schaltelemente T3 und T6 der Phase W sind während des gesamten Schaltintervalls geöffnet.
Danach folgt die Freilaufphase, in der T1 geöffnet und T2 geschlossen wird, so dass der Stromkreis über T4 und die Phase V geschlossen bleibt, aber keine Verbindung zur Betriebsspannung VCC mehr besteht.

Die erfindungsgemäße Messeinrichtung misst während des Einschaltintervalls, im Beispiel in der Motorphase V, den Motorstrom. Optional kann in der Freilaufphase in der Motorphase U ein negativer Stromwert gemessen werden. In den darauffolgenden Schaltintervallen sind jeweils andere Motorphasen und Schaltelemente aktiviert. Die Abfolge der einzelnen Schaltintervalle und die Schaltzustände der einzelnen Schaltelemente können der Tabelle entnommen werden.

	Phase U			Phase V			Phase W
Schaltintervall	T1	T2	Ausg U	T3	T4	Ausg V	T5	T6	Ausg W
U-V anst	An	Aus		Aus	An	Strom	Aus	Aus
U-V frei	Aus	An	-Strom	Aus	An	Strom	Aus	Aus	BEMF
V-W anst	Aus	Aus		An	Aus		Aus	An	Strom
V-W frei	Aus	Aus	BEMF	Aus	An	-Strom	Aus	An	Strom
W-U anst	Aus	An	Strom	Aus	Aus		An	Aus
W-U frei	Aus	An	Strom	Aus	Aus	BEMF	Aus	An	-Strom

Durch die Drehung des Rotors wird in den Wicklungen der Motorphasen U, V, W eine Spannung induziert, die der Motorspannung VCC entgegengerichtet ist, die sogenannte Gegeninduktionsspannung (BEMF). In der ausgeschalteten Motorphase liegt keine Motorspannung an. Deshalb kann in einer Freilaufphase der beiden anderen Motorphasen in der ausgeschalteten Motorphase die Gegeninduktionsspannung gemessen werden. Diese wird durch die beschriebene Messeinrichtung gemessen. Aus dem Nulldurchgang der Gegeninduktionsspannung kann eine Information zur Kommutierung der einzelnen Motorphasen gewonnen werden. Dazu kann die Gegeninduktionsspannung beispielsweise in der Steuereinheit der Schalteinrichtungen ausgewertet werden.
Der Vorteil der Erfindung liegt nun darin, dass mit einer einzigen, einfachen Messeinrichtung 4 Strom und Gegeninduktionsspannung einer Motorphase gemessen werden kann, wobei die Art des Messwerts von den Schaltstellungen der Schalteinrichtungen 3 abhängt.
Der negative Stromwert in der Freilaufphase kann optional als zusätzliche Information ausgewertet werden, beispielsweise als Kontrolle für den Stromwert, da beide den gleichen Betrag haben sollten.
Der Stromwert spiegelt direkt die Belastung des Motors wieder, so dass daraus ein einfacher Überlastschutz realisierbar ist. Dieser lässt sich in der Steuereinheit als einfacher Schwellwert programmtechnisch realisieren. Darüber hinaus kann aus dem Betrag des Stromes die Drehzahl abgeleitet werden.
Die obenstehende Tabelle gibt ebenfalls einen Überblick über die Information, die der Messeinrichtung in den einzelnen Schaltintervallen entnommen werden kann. Die Abkürzung „anst” steht dabei für die Ansteuerphase, „frei” für die Freilaufphase und „Ausg” für den Ausgang 13 des Messverstärkers 9.
Bezugszeichenliste

1: Ansteuerschaltung
2: Schaltung
3: Schalteinrichtung
4: Messeinrichtung
5, 5': Schaltelemente
6: Treiberbaustein
7: invertierender Treiberbaustein
8: Anschluss für Motorphase
9: Messverstärker
10: invertierender Eingang
11: nicht-invertierender Eingang
12: Widerstand (Eingang)
13: Ausgang
14: Spannungsbegrenzung
15: Bipolartransistor-Schalter
16: Widerstand (Spannungsbegrenzung)
17: Sternpunkt
U, V, W: Motorphasen
T1–T6: Schaltelemente
VREF: Referenzspannung
VCC: Motor-Betriebsspannung
D: Drain-Anschluss
S: Source-Anschluss
B: Bulk-Anschluss
G: Gate-Anschluss

Claims

Elektronische Schaltung zum Ansteuern eines mehrphasigen, bürstenlosen Elektromotors, mit einer Schalteinrichtung (3) für jede anzusteuernde Motorphase (U, V, W), wobei die Schalteinrichtung (3) ein erstes (5') und ein zweites (5) Schaltelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder anzusteuernden Motorphase (U, V, W) eine Messeinrichtung (4) zugeordnet ist und dass die Messeinrichtung (4) zum Messen der Gegeninduktionsspannung und des Motorstromes ausgebildet ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der Messung vom Schaltzustand der Schalteinrichtung (4) abhängt.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (4) parallel zu einem der Schaltelemente (5, 5') angeordnet ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (4) einen Messverstärker (9) aufweist, der parallel zum zweiten Schaltelement (5) geschaltet ist, dass der nichtinvertierende Eingang (11) des Messverstärkers (9) zusätzlich mit einer Referenzspannung (VREF) verbunden ist und der invertierende Eingang (10) zusätzlich mit einer Spannungsbegrenzung (14) ausgestattet ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzung (14) einen Schalter (15) aufweist, der in Abhängigkeit vom zweiten Schaltelement (5) der Schalteinrichtung (4) angesteuert wird.
Verfahren zum Ansteuern eines mehrphasigen, bürstenlosen Elektromotors, wobei jeder anzusteuernden Motorphase (U, V, W) eine Schalteinrichtung (3) zugeordnet ist, durch die die Motorphasen (U, V, W) in aufeinanderfolgenden Schaltintervallen ein- und ausgeschaltet werden und jedes Einschalt-Intervall in eine Ansteuer- und eine Freilauf-Phase unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder anzusteuernden Motorphase (U, V, W) eine Messeinrichtung (4) zugeordnet ist, dass in einer eingeschalteten Motorphase durch die zugeordnete Messeinrichtung (4) der Motorstrom gemessen wird und während der Freilauf-Phase der eingeschalteten Motorphase in einer ausgeschalteten, Motorphase durch die zugeordnete Messeinrichtung (4) die Gegeninduktionsspannung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (4) eine schaltbare Spannungsbegrenzung (14) aufweist, die in Abhängigkeit der Schalteinrichtung (3) eingeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer mit der Messeinrichtung (4) verbundenen Steuereinrichtung der Nulldurchgang der Gegeninduktionsspannung bestimmt wird und daraus ein Schaltsignal für die Schalteinrichtung (3) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für drei Motorphasen (U, V, W) ausgelegt ist und in jedem Schaltintervall zwei Motorphasen geschaltet und eine Motorphase ausgeschaltet ist und in der zweiten geschalteten Motorphase zusätzlich durch die zugeordnete Messeinrichtung (4) der negative Motorstrom gemessen wird.