DE102010029315A1 - Method for electronic commutation in direct current electromotor in vehicle, involves changing pulse width modulation of current supply when zero crossover of mutual induction voltage is overlapped by positive or negative current values - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektronischen Kommutierung in Gleichstrom-Elektromotoren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a method for electronic commutation in DC electric motors according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
Bei elektronisch kommutierten Gleichstrom-Elektromotoren wird das für die Drehbewegung erforderliche magnetische Drehfeld von einer geeigneten Elektronik gesteuert. Die exakten Zeitpunkte der Kommutierung sind von der Rotorposition des Motors abhängig, die entweder mit Sensoren erfasst oder durch Messung der Gegeninduktionsspannung (Back-EMF) der jeweils nicht bestromten Phase bestimmt wird. Die sensorlose Kommutierungserkennung kann durch Verwendung von Komparatoren zur Detektierung der Nulldurchgänge der induzierten Spannung und Auswertung der Komparatorsignale durchgeführt werden. Bekannt ist es auch, die induzierte Spannung direkt zu messen und die Messwerte mit einer Schwelle um den Nulldurchgang zu vergleichen.In electronically commutated DC electric motors required for the rotary magnetic field of rotation is controlled by a suitable electronics. The exact times of the commutation are dependent on the rotor position of the motor, which is either detected by sensors or determined by measuring the mutual induction voltage (back-EMF) of each non-energized phase. Sensorless commutation detection can be performed by using comparators to detect the zero crossings of the induced voltage and evaluate the comparator signals. It is also known to measure the induced voltage directly and to compare the measured values with a threshold around the zero crossing.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen ein Verfahren zur elektronischen Kommutierung in Gleichstrom-Elektromotoren zu verbessern. Es soll insbesondere die sensorlose Kommutierungserkennung unabhängig vom realen Nulldurchgang der induzierten Spannung sein. Gemäß eines weiteren Aspektes soll die Bestromungspause zwischen den periodisch aufeinander folgenden, positiven oder negativen Stromwerten der Bestromung minimiert werden.The invention has for its object to improve with simple measures a method for electronic commutation in DC electric motors. In particular, the sensorless commutation recognition should be independent of the real zero crossing of the induced voltage. According to a further aspect, the energization pause between the periodically successive, positive or negative current values of the energization is to be minimized.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.This object is achieved with the features of
Bei dem verbesserten Verfahren zur elektronischen Kommutierung werden die Gleichstrom-Elektromotoren durch Pulsweitenmodulation (PWM) der Bestromung gesteuert, welche periodisch mit positiven und negativen Stromwerten und zwischenliegenden Bestromungspausen erfolgt. Die induzierte Spannung (Gegeninduktionsspannung bzw. Back-EMF) wird PWM-synchron gemessen. Der Nulldurchgang der Gegeninduktionsspannung wird über den Schnittpunkt einer Einhüllenden, welche an die Gegeninduktionsspannung gelegt wird, mit der Nulllinie bestimmt. Je nach Position des Nulldurchgangs der Gegeninduktionsspannung wird die Pulsweitenmodulation der Bestromung verändert, und zwar in den Fällen, in denen der Nulldurchgang entweder von den positiven oder von den negativen Stromwerten der Bestromung überdeckt wird.In the improved method of electronic commutation, the DC electric motors are controlled by pulse width modulation (PWM) of the energization, which is done periodically with positive and negative current values and intermediate energization pauses. The induced voltage (mutual induction voltage or back-EMF) is measured PWM synchronously. The zero crossing of the mutual induction voltage is determined via the intersection of an envelope, which is applied to the mutual induction voltage, with the zero line. Depending on the position of the zero crossing of the mutual induction voltage, the pulse width modulation of the current supply is changed, namely in cases where the zero crossing is covered by either the positive or the negative current values of the current supply.
In diesem Zusammenhang bedeutet Nulldurchgang nicht notwendigerweise ein Nullpotenzial, sondern schließt auch den Durchgang der induktiven Spannung durch Mittelpotenziale ein, beispielsweise im Fall von drei Strangspannungen in Form eines Sterns das jeweilige Mittelpotenzial des Sternpunktes, welches üblicherweise der halben Versorgungsspannung entspricht.In this context, zero crossing does not necessarily mean a zero potential, but also includes the passage of the inductive voltage through center potentials, for example, in the case of three phase voltages in the form of a star, the respective mean potential of the neutral point, which usually corresponds to half the supply voltage.
Der grundsätzliche Verlauf der induzierten Spannung des Motors ist bekannt, er ändert sich insbesondere zumindest näherungsweise geradlinig, so dass auch die Einhüllende an die Gegeninduktionsspannung zumindest näherungsweise eine Gerade ist. Aus dem grundsätzlich bekannten Verlauf der Induktionsspannung kann daher auf den Nulldurchgang geschlossen werden, auch wenn dieser von den positiven oder negativen Stromwerten der Bestromung überdeckt wird und somit nicht direkt messbar ist. Aus der PWM-synchron gemessenen Gegeninduktionsspannung können die Parameter der Einhüllenden bestimmt werden, aus der durch Extrapolation der Nulldurchgang festgestellt werden kann. Die Einhüllende ist bevorzugt eine Gerade, wobei grundsätzlich auch nicht-lineare Funktionen in Betracht kommen.The fundamental course of the induced voltage of the motor is known, it changes in particular at least approximately rectilinearly, so that the envelope to the mutual induction voltage is at least approximately a straight line. From the principle known course of the induction voltage can therefore be concluded that the zero crossing, even if it is covered by the positive or negative current values of the current supply and thus is not directly measurable. From the PWM synchronously measured mutual induction voltage, the parameters of the envelope can be determined from which the zero crossing can be determined by extrapolation. The envelope is preferably a straight line, with non-linear functions also being considered in principle.
Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass ein genaues Ausmessen des Nulldurchgangs der induzierten Spannung nicht zwingend erforderlich ist. Es genügt, lediglich in einem kleinen Teilbereich den Verlauf der induzierten Spannung zu messen, insbesondere über einen Teilbereich in der Bestromungslücke, und daraus über die Extrapolation der Einhüllenden den Nulldurchgang zu bestimmen. Auf diese Weise kann die Bestromungslücke, die prinzipiell zur Erkennung des Nulldurchgangs nötig ist, wesentlich verkürzt werden, was positive Auswirkungen auf Geräusch und Leistungen hat.This procedure has the advantage that a precise measurement of the zero crossing of the induced voltage is not absolutely necessary. It suffices to measure the course of the induced voltage only in a small subarea, in particular over a subarea in the energization gap, and to determine therefrom the zero crossing via the extrapolation of the envelope. In this way, the Bestromungslücke, which is necessary in principle to detect the zero crossing, can be significantly shortened, which has positive effects on noise and performance.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das Verfahren im Vergleich zu Ausführungen aus dem Stand der Technik wesentlich robuster ist, da ein Ausbleiben einer Kommutierungsflanke nicht automatisch zum Verlust der Kommutierung selbst führt.A further advantage is that the method is much more robust compared to prior art designs, since a failure of a commutation edge does not automatically result in the loss of commutation itself.
Der Nulldurchgang wird im Falle einer Ausführung der Einhüllenden als Gerade zweckmäßigerweise aus dem Gradienten der Gerade bestimmt. Aus dem Nulldurchgang bzw. dem Gradienten kann darüber hinaus die Motordrehzahl und der Rotorwinkel bestimmt werden. The zero crossing is suitably determined from the gradient of the straight line in the case of an embodiment of the envelope as a straight line. In addition, the engine speed and the rotor angle can be determined from the zero crossing or the gradient.
Wird festgestellt, dass der Nulldurchgang von der vorhergehenden Bestromung verdeckt wird, so erfolgt die Bestromung verglichen mit der Motordrehzahl zu langsam. Um die Bestromung, die als Pulsweitenmodulation vorgegeben wird, zu beschleunigen, werden die Inkremente der Pulsweitenmodulation angepasst, um die Bestromung wieder an die Motordrehzahl anzugleichen. Im Fall, dass der Nulldurchgang der induzierten Spannung durch die nachfolgende Bestromung verdeckt wird, erfolgt die Bestromung zu schnell. Auch in diesem Fall wird die Bestromung durch Anpassung der Inkremente an die Motordrehzahl wieder angeglichen.If it is determined that the zero crossing is obscured by the previous energization, the current flow is too slow compared to the engine speed. In order to accelerate the current supply, which is specified as pulse width modulation, the increments of the pulse width modulation are adjusted in order to adapt the current flow to the engine speed again. In the event that the zero crossing of the induced voltage is obscured by the subsequent energization, the energization is too fast. Also in this case, the current is adjusted by adjusting the increments to the engine speed again.
In beiden Fällen, also sowohl bei zu langsamer als auch bei zu schneller Bestromung, wird durch die Anpassung erreicht, dass der Nulldurchgang der induzierten Spannung in der Mitte der Bestromungspause liegt. Die Anpassung erfolgt durch Veränderung der Breite der Pulsweitenmodulation.In both cases, ie both too slow and too fast energization, is achieved by the adjustment that the zero crossing of the induced voltage is in the middle of the energization break. The adaptation takes place by changing the width of the pulse width modulation.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das Verfahren bei Mehrphasenstrom angewandt wird, wobei in diesem Fall die Messung der Gegeninduktionsspannung erst erfolgt, wenn der Strom in der betrachteten Phase einen Grenzwert unterschreitet. Hintergrund ist, dass mittels des PWM-Verlaufs der Strom in der jeweiligen Phase vorteilhafterweise nahezu abgebaut sein soll, bevor die Messung der induzierten Spannung beginnt, da andernfalls die Messung durch den noch fließenden Phasenstrom verfälscht würde.According to a further advantageous embodiment, it is provided that the method is applied to multi-phase current, in which case the measurement of the mutual induction voltage only takes place when the current in the phase under consideration falls below a limit value. The background is that by means of the PWM curve, the current in the respective phase should advantageously be almost reduced before the measurement of the induced voltage begins, since otherwise the measurement would be falsified by the still flowing phase current.
Der PWM-Verlauf der Bestromung erfolgt beispielsweise sinusförmig, wobei auch rechteckförmige oder trapezförmige oder sonstige Bestromungsformen in Betracht kommen. Die gewünschte Bestromungsform einer Phase wird beispielsweise in einer Tabelle für 180° abgelegt, wobei in jedem PWM-Zyklus mittels eines Zeigers auf die Tabelle ein Wert aus der Tabelle geholt und als Pulsweitenmodulation ausgegeben wird. Durch ein Inkrementieren des Zeigers kann auf die folgenden Tabellenwerte umgeschaltet werden, wobei die Tabelle umso schneller durchfahren wird, je größer das Zeigerinkrement ist. Auf diese Weise ist eine Anpassung an die Motordrehzahl möglich. Mit zunehmender Motorgeschwindigkeit steigt das Zeigerinkrement.The PWM curve of the energization is, for example, sinusoidal, with rectangular or trapezoidal or other forms of current being considered. The desired Bestromungsform a phase is stored, for example, in a table for 180 °, in each PWM cycle by means of a pointer to the table, a value is taken from the table and output as pulse width modulation. By incrementing the pointer, it is possible to switch to the following table values, whereby the larger the pointer increment, the faster the table is traversed. In this way, an adaptation to the engine speed is possible. As the motor speed increases, the pointer increment increases.
Beim Nulldurchgang der induzierten Spannung wird der Zeiger wieder auf den Beginn der Tabelle gesetzt, wodurch eine Synchronisation mit dem Motor erreicht wird.At the zero crossing of the induced voltage, the pointer is set back to the beginning of the table, whereby a synchronization with the motor is achieved.
Die Motorgeschwindigkeit und damit das Zeigerinkrement wird aus dem Abstand zweier Nulldurchgänge ermittelt. Die Drehzahlstellung kann durch Skalierung der Tabellenwerte bestimmt werden.The motor speed and thus the pointer increment is determined from the distance between two zero crossings. The speed setting can be determined by scaling the table values.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:Further advantages and expedient embodiments can be taken from the further claims, the description of the figures and the drawings. Show it:
Die Bestromung des Gleichstrom-Elektromotors erfolgt über Mehrphasenstrom, der insbesondere über eine Sternschaltung aufgebracht wird, wobei im Ausführungsbeispiel gemäß
Wie der vergrößerten Darstellung der Gegeninduktionsspannung
Die Einhüllende
Grundsätzlich genügt es, aus dem in
In den weiteren Darstellungen gemäß
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