DE102012210532A1

DE102012210532A1 - Verfahren zur Ansteuerung (Kontrolle) eines BLDC Motor

Info

Publication number: DE102012210532A1
Application number: DE102012210532A
Authority: DE
Inventors: Volker STEIGERWALD; Mirko KRESS; Rudolf Polzer
Original assignee: Magna Electronics Europe GmbH and Co OHG
Current assignee: Magna Electronics Europe GmbH and Co OHG
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-07-25
Also published as: WO2013110501A3; WO2013110501A2; US20150028781A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines BLDC Motors zur Reduktion der Stromwelligkeit in einem Zwischenkreiskondensator vorgeschlagen wobei Mittel zur Kontrolle von pulsweitenmodulierten Signalen (PWM_U, PWM_V, PWM_W) für jede Motorphase (U, V, W) vorhanden sind, die in einem ersten Schritt Motorphasenströme (I_u, I_v, I_w) zweier benachbarten Phasen auf Polarität prüft, sollte der Wert beider Phasen über null liegen, dann wird mindestens ein pulsweitenmodulierten Signals (PWM_U, PWM_V, PWM_W) im Zeitschlitz T verschoben.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ansteuerung (Kontrolle) in einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
Stand der Technik
Üblicherweise ist bei BLDC-Motoren der Rotor mit einem Permanentmagneten realisiert, der feststehende Stator umfasst die Spulen, die von einer elektronischen Schaltung zeitlich versetzt angesteuert werden um ein Drehfeld entstehen zu lassen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht. Bei kleineren BLDC-Motoren mit geringen Ansprüchen wie Lüftern sind Dreiphasensysteme wegen des einfachen Aufbaus üblich. Um winkelabhängige Drehmomentschwankungen zu minimieren, werden höhere Polpaarzahlen eingesetzt, wobei neben dem in der Energietechnik üblichen Dreiphasensystem auch höhere Phasenanzahlen zur Anwendung kommen. Durch eine hohe Polzahl werden die Laufeigenschaften verbessert, so dass das Drehfeld auch durch Ansteuerung mit einer rechteckförmigen Wechselspannung gebildet werden kann.
Bei BLDC-Motoren besteht die Möglichkeit, die elektronische Kommutierung von der Rotorposition, der Rotordrehzahl und dem Drehmoment abhängig zu machen. Dies stellt eine Form der direkten Rückkopplung dar, womit die Frequenz und die Amplitude in Abhängigkeit der Position und Drehzahl des Rotors verändert werden. Die elektronische Kommutierung wird damit zu einem Regler und die Art der Erzeugung des Drehfeldes bestimmt damit wesentlich die Charakteristik des BLDC-Motors.
Zum Erfassen der Rotorposition und Drehzahl bestehen verschiedene Möglichkeiten: die Sensorgesteuerte Kommutierung und die sensorlose Kommuntierung. Kommutieren beschreibt den Vorgang, bei dem der Stromfluss von einem Zweig in den nächsten übergeht. Im Falle eines 3 poligen BLDC Motors wird das Stromsignal um 60 elektrische Grad weiter geschaltet.
In diesem Fall der sensorgesteuerten Kommutierung befinden sich Sensoren wie beispielsweise Hall- oder optische Sensoren zur Erfassung der Rotorposition im Bereich des Stators. Entsprechend dieser Stellungsinformation werden über geeignete Leistungstreiber von der Steuerelektronik die Wicklungen angesteuert, die im Rotor ein Drehmoment erzeugen. Der Vorteil ist, dass die sensorgesteuerte Kommutierung auch bei sehr geringen Drehzahlen bzw. im Stand funktioniert. Gewöhnlich werden bei dieser Kommutierung bei drei oder mehr Phasen nicht alle Phasen zugleich bestromt, sondern zumindest eine Phase ist zu jedem Zeitpunkt stromlos.
Bei der sensorlosen Kommutierung erfolgt die Erfassung der Rotorposition über die in den Spulen des Stators ausgelöste Gegenspannung, welche von der elektronischen Steuerschaltung ausgewertet wird.
Über Kommutierungszyklen hinweg und vernachlässigt man die durch den Pulssteller verursachten Oberschwingungen, erkennt man, dass die Phasenströme näherungsweise einen block- oder trapezförmigen Verlauf aufweisen. Man spricht deshalb beim Betrieb von bürstenlosen Gleichstrommotoren an einem Pulssteller auch von "Blockkommutierung".
Die "Weiterschaltung" der Stromblöcke durch den Pulssteller entspricht der mechanischen Kommutierung bei Bürstenmotoren. Die von Pulsstellern bereitgestellte Ausgangsspannung besteht aus einer Folge von (positiven und negativen) Spannungsimpulsen. Wird der Pulssteller mit einer hohen Pulsfrequenz betrieben, machen sich diese jedoch nur geringfügig in den Phasenströmen der angeschlossenen Motoren und im abgegebenen Drehmoment bemerkbar. Mit hochfrequent arbeitenden Pulsstellern sind deshalb Forderungen nach einer geringen Welligkeit im Drehmoment sehr gut erfüllbar.
Bei einer Blockkommutierung werden immer genau 2 von 3 Motorphasen bestromt. Man kann ohne weiteres eine Blockkommutierung mit einer Bestromung von gleichzeitig drei Phasen durchführen. Die dritte Wicklung ist unbenutzt und wird von einigen Frequenzumrichtern zur Vermessung der Gegen-EMK benutzt. Damit können permanenterregte Maschinen vom Frequenzumrichter ohne den sonst erforderlichen Lagegeber (optimal) kommutiert werden. Aufgrund der permanent konstanten magnetischen Durchflutung ergeben sich gegenüber einer Sinuskommutierung kaum Nachteile in der Welligkeit des Drehmoments oder des Wirkungsgrads. In Analogie zu einem Schrittmotor spricht man in dieser Betriebsart auch von einem 6-Schritt-Betrieb.
Zum Betrieb von Synchronmaschinen ist eine Sinuskommutierung durch den Frequenzumrichter üblich (Sinusumrichter; die Pulsweiten werden sinusförmig moduliert). Die Erzeugung der Schaltsignale erfolgt in der Regel durch Mikrocontroller, welche speziell für Motoranwendungen in Ausführungen mit 6 PWM-Ausgängen kommerziell erhältlich sind. Es sind keine 6 PWM Ausgänge notwendig, um Sinusförmig zu kommutieren
Ein solcher BLDC Motor ist aus der Veröffentlichung „PMW Switching Strategy for Torque Ripple Minimization", W. Salah et al., Journal of Electrical Engineering, Vol 62, No. 3, 2011 Seiten 141–146 bekannt. Eine Schemadarstellung eines solchen Motors zeigt deren 2, die als Stand der Technik in 1 dieser Anmeldung zitiert wird.
Die dort verwendeten pulsweitenmodulierten Signale (pulse width modulation PWM) werden so gestaltet, dass die Pulshöhe während der Pulszeit verändert wird, um in der Übergangsphase der Kommutierung Überhöhungsspitzen im Strom, die zu verhindern sind, zu reduzieren. Beeinflusst werden dabei die Stromspitzen in der Zuleitung nicht im Zwischenkreis des Motors.
Über die Anpassung der Pulsform selbst sind noch weitere Verfahren zur Unterdrückung der Stromwelligkeit bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu überwinden.
Insbesondere ist es Aufgabe die Stromwelligkeit im Zwischenkreis des Motors zu reduzieren und dadurch die Belastung der Bauteile zu minimieren. Durch die erfindungsgemäße Lösung werden Bauteile der Ansteuerung im Zwischenkreis der Netzversorgung entlastet und der Einbau kleinerer Kondensatoren möglich. Dadurch kann Bauraum optimiert und die Komponente kleiner ausgestaltet werden. Wählt man die Dimensionierung des Bauteils gleich, erreicht man mit der erfindungsgemäßen Lösung eine Verlängerung der Lebensdauer der Komponente.
Die erfindungsgemäße Lösung schlägt ein Steuerungsverfahren für den Wandler vor, das die ansteuernden Signale so optimiert, dass die PWM-Steuerpulse sich nicht (phasengleich) überlagern, sondern gegenphasig, also voneinander subtrahiert überlagert werden, falls eine konvetionelle Ansteuerung zu einem Stromfluß in zwei Phasen mit gleichem Vorzeichen zur Folge hätte
Vorteilhafterweise ist das Verfahren unabhängig von der Wahl der Kommuntierung und dem Typ des bürstenlosen Motors.
Die Kommutierung verläuft unabhängig vom vorgeschlagenen Verfahren.
Vorteilhafter Weise ist das Verfahren auf sensorgesteuerte sowie auf sensorlose Motoren anwendbar.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Umrichters
2 zeigt ein Ersatzschaltbild und zeitliche Verläufe
3 zeigt eine schematische Motorbeschaltung
4 zeigt die Reduktion des Zwischenkreiskondensatorstroms
5 zeigt ein Ablaufdiagramm
6 zeigt eine Phasenverschiebung von Pulsen
1 zeigt dabei eine Netzmodul 1 das mit einem Wandler 2 verbunden ist. Der Wandler ist mit einem Motor 3 und einem Controller 5 verbunden. Der elektrische Motor 3 weist in diesem Beispiel eine Verbindung zu einem Sensor 4 auf, der wiederum mit dem Controller 5 verbunden ist.
Das Netzmodul 1 dient zur Leistungsversorgung der angeschlossenen Baugruppen über einen Zwischenkreis und zur Spannungsversorgung der Steuerelektronik im Controller 5. Der Wandler enthält beispielsweise einen Servoumrichter basierend auf einem Spannung-Zwischenkreisumrichter. Das bedeutete, dass im Zwischenkreis die Kondensatoren die Spannung stabil halten. Die am Motor erzeugten Stromspitzen durch die Welligkeit des Signals schlagen auf die Kondensatoren zurück, so dass deren Auslegung durch das Maß der Welligkeit mitbestimmt ist.
Die Ansteuerung des Motors 3 erfolgt beispielsweise mit pulsweitenmodulierten PWM Signalen in jeder Phase des Motors.
2 zeigt einen idealen Zustand mit einem Ersatzschaltbild auf der linken Seite und den zeitlichen, idealen Verläufen der Motorphasenströme I_U, I _V und I _W sowie der Motorphasenspannungen für eine Ausführungsform mit Blockkommutierung. Der zeitliche Verlauf der Motorphasenströme ist dabei idealisiert dargestellt. Analog erfolgt eine Ansteuerung des Motors bei Sinuskommutierung. bei der die Ansteuerung zu einer reduzierten Stromwelligkeit in der Zuleitung aber nicht im Zwischenkreis führt. Wenn in der Zuleitung reduziert wird, ist automatisch auch der Zwischenkreis betroffen. In Abhängigkeit der unterschidelichen Speicherimpedanzen (Zuleitung, Zwischenkreis) verteilt sich die anfallende Stromwelligkeit über Frequenz auf diese zwei Puffer.
3 zeigt einen bürstenlosen Motor, an dem eine Batteriespannung U_Batt anliegt. Über einen Spule L1 und einen Kondensator C1 ist ein Zwischenkreis definiert. Parallel zum Zwischenkreis liegen die Motorphasen mit U, V und W gekennzeichnet. Sie werden durch Leistungsbauteile T1 bis T6 angesteuert. Die Leistungsbauteile T1 bis T6 sind dabei indirekt über einen Treiberbaustein mit einem Controller 5 verbunden. Unabhängig von der Methode der Kommutierung sowie unabhängig von einem Sensor oder von einem sensorlosen Betrieb werden die Motorphasen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert.
Über einen Rückkanal erhält der Controller 5 die Information über die Motorphasenströme I_u, Iv und I_w. In einer normierten Skala bewegen sich diese Ströme zwischen den Werten –1 und 1.
Der Gesamtstrom I_bat liegt zwischen 0 und 1, der Strom im Zwischenkreiskondensator wird als I_c bezeichnet.
Die Ansteuerung erfolgt über PWM-Pulse, die auf einer normierten Skala zwischen 1 und 0 liegen, Dieses PMW-Pulse sind dabei mit der jeweiligen Motorphase U, V, W korreliert.
In 5 sind die Verfahrensschritte dargestellt. Die Stromrichtungen zweier aufeinanderfolgenden Motorphasen im Beispiel der Phase U und der Phase W werden auf jeweils I > 0 geprüft. Liegt einer der Ströme unter Null fließt im Zwischenkreis der Strom I_C nach Gleichung F1.
Ist die Stromrichtung innerhalb der beiden Phasen jeweils größer Null erfolgt nach Gleichung F2 überlagern sich die Pulse so, dass eine Stromspitze erzeugt werden würde. In diesem Fall werden die PWM Pakete gegenphasig gelegt um einen Stromaddition zu vermeiden.
6 zeigt die beiden Szenarien links im der Darstellung sind zwei PWM Signale dargestellt, die sich addieren würden. Durch die verschieben des Pulse PWM_U gegen den Puls PWM_W werden die Ströme nicht addiert. Diese Ansteuerung durch Pulse erfolgt während eines Teilbereiches der elektrischen Umdrehung und immer in einem definierten Zeitschlitz der Länge T.
Das vorgeschlagenen Verfahren lässt sich sowohl in der Logik eines Controllers durch geeignete Programmierung realisieren als auch in einer Schaltung. Die Umsetzung als Software erfolgt in einem geeigneten programmierbaren Controller. Es ist dabei vorgesehen, dass die für die Durchführung des Verfahrens benutzte Software in einem EPROM hinterlegt ist, oder direkt im Flash des Controllers.
Eine schaltungstechnische Umsetzung des Verfahrens ist sehr stark abhängig von der verwendeten Hardware, den Brückentreibern und dem PWM Modul des Controllers und wird hier nicht im Einzelnen erläutert. Jede einem Fachmann geläufige Schaltung zur Realisierung der oben genannten Verfahrensschritte ist dabei einsetzbar.
Das Resultat des oben beschriebenen Verfahrens ist in 4 sichtbar. Aufgetragen ist der Strom im Zwischenkreis Ic über der Motordrehzahl. Die obere gestrichelte Kurve zeigt den Stromverlauf ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die durchgezogene Kurven darunter gibt die reduzierte Stromstärke im Zwischenkreis wieder, die durch Anwendung des Verfahrens erreicht wird und beispielhaft gemessen wurde.
Die Erfindung ist beispielhaft dargestellt und kann mit jedem, einem Fachmann geläufigen Mittel realisiert und umgesetzt werden.
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 Nicht-Patentliteratur

„PMW Switching Strategy for Torque Ripple Minimization“, W. Salah et al., Journal of Electrical Engineering, Vol 62, No. 3, 2011 Seiten 141–146 [0011]

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines BLDC Motors zur Reduktion der Stromwelligkeit in einem Zwischenkreiskondensator, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Kontrolle von pulsweitenmodulierten Signalen (PWM_U, PWM_V, PWM_W) für jede Motorphase (U, V, W) vorhanden sind, die in einem ersten Schritt Motorphasenströme (I_u, I_v, I_w) zweier benachbarten Phasen addieren, sollte der Wert über null liegen die jeweiligen pulsweitenmodulierten Signale (PWM_U, PWM_V, PWM_W) addieren, und sollten das Ergebnis größer 1 sein, die Phase mindestens eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM_U, PWM_V, PWM_W) im Zeitschlitz T verschieben.
Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel in einem Controller durch Software realisiert sind.
Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel in einer diskreten oder integrierten Schaltung realisiert sind.
Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide in einem Zeitschlitz T liegende Phasen der pulsweitenmodulierten Signale (PWM_U, PWM_V, PWM_W) gegeneinander verschoben werden.
Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein der in einem Zeitschlitz T liegende pulsweitenmodulierten Signale (PWM_U, PWM_V, PWM_W) verschoben wird.
Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor blockkommutiert ist.
Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor sinuskommutiert ist.
Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor sensorlos betrieben wird.
Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor einen Sensor aufweist.
Controller zur Durchführung des Verfahrens nach den vorherigen Ansprüchen.