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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Motors, dem eine Steuereinrichtung mit integrierter Regeleinrichtung zugeordnet ist, die mit einer Leistungselektronik versehen ist, durch welche mittels eines Regelalgorithmus eine Pulsweitenmodulation zur Regelung der Drehzahl des bürstenlosen Motors erzeugt wird, wobei die Pulsweitenmodulations-Frequenz zeitabhängig verändert wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen bürstenlosen Motor.
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Bürstenlose Motoren, insbesondere auch mehrphasige bürstenlose Motoren, sind bekannt und weisen den Vorteil auf, keinen mechanischen Kommutator mehr zu benötigen, womit durch Wegfall der Bürsten die Anzahl von Verschleißteilen verringert wird. Die Verteilung des Stroms auf einzelne Motorphasen kann hierbei etwa von mit Leistungselementen versehenen Brückenschaltungen übernommen werden. Die Steuerung der Drehzahl des betreffenden Motors wird durch eine die Kommutierung überlagernde Pulsweitenmodulationsfrequenz realisiert. Die Ansteuerung findet dabei häufig mittels einer pulsweitenmoduliert betriebenen Leistungselektronik statt, um an den zu dieser gehörenden Leistungsschaltern durch andauernden Wechsel zwischen sperrendem und durchgeschaltetem Betrieb im Arbeitspunkt möglichst wenig Energieverluste zu erzeugen, also durch den Schaltbetrieb verlustarm zu arbeiten.
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Beim Einsatz von Pulsweitenmodulations-Verfahren (PWM) kann es jedoch durch die Bildung von Oberschwingungen als Vielfachen der Modulationsfrequenz durchaus zu unerwünschten Effekten kommen, da diese an andere Verbraucher, bspw. ein gemeinsames Bordnetz, ankoppeln und diese stören können, oder aber auch zu unerwünschter Geräuschentwicklung führen können.
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Die
DE 19 651 281 C2 stellt sich die Aufgabe, die Geräuschentwicklung einer Maschine zu minimieren. Hierfür wird ein Drehstrom in einen Gleichstrom umgeformt und in einem Wechselrichter ein Drehstrom mit variabler Frequenz und Amplitude erzeugt, mit welchem ein Drehstrom-Asynchronmotor gespeist wird. Dazu wird wiederum ein Sinusverlauf der Spannung nachgebildet. Dies wird durch Modulation der Transistoren des Wechselrichters erreicht, wobei ein dreiphasiges Drehfeld erzeugt wird. Durch die Veränderung der Frequenz der Pulsweitenmodulation soll die Geräuschentwicklung minimiert werden.
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Die
DE 10 2009 049 055 A1 wiederum hat als Aufgabe, die Geräuschentwicklung eines Fahrzeugantriebs zu minimieren. Hierzu wird aus einer Gleichspannung eine Spannung mit Sinusverlauf erzeugt. Dies wird durch Modulation der Transistoren des Wechselrichters erreicht, wobei ein dreiphasiges Drehfeld erzeugt wird. Durch die Veränderung der Frequenz der Pulsweitenmodulation soll die Geräuschentwicklung minimiert werden.
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Neben der Geräuschentwicklung führt die Pulsweitenmodulation auch zu Problemen mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Diese Effekte machen gegebenenfalls etwa zusätzliche Filterungsmaßnahmen zur Entstörung des jeweiligen Netzes notwendig. Eine ebenfalls zur Entstörung anwendbare Schirmung ist teilweise wegen beengter Platzverhältnisse nicht realisierbar.
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Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zum Betrieb von bürstenlosen Motoren zur Verfügung zu stellen, bei welchem mit möglichst geringem Aufwand hinsichtlich Schirmung und/oder Filterung ein störungsarmer, also elektromagnetisch verträglicher Betrieb des Motors erreicht werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, bei dem zyklisch die Pulsweitenmodulations-Frequenz stufenweise zwischen je einer, um eine oberhalb des akustisch wahrnehmbaren Spektrums befindliche Mittenfrequenz symmetrisch angeordneten, unteren und oberen Grenzfrequenz variiert wird, wobei der Abstand der unteren bzw. oberen Frequenz von der Mittenfrequenz im einstelligen Prozent-Bereich und der Änderungsbetrag der Modulationsfrequenz im Promille-Bereich der Mittenfrequenz gewählt werden. In vorteilhafter Weise wird also die Modulationsfrequenz des PWM-Verfahrens um eine Mittenfrequenz variiert, um welche symmetrisch eine obere Grenzfrequenz und eine untere Grenzfrequenz angeordnet sind. Hierbei ist die untere Grenzfrequenz bereits außerhalb des hörbaren Spektrums vorgesehen, so dass akustische Störeinflüsse von vorne herein vermieden werden können. Überdies sind zur Vermeidung von Schaltverlusten die Abstände der oberen und unteren Grenzfrequenz, in welchen die Modulationsfrequenz geändert wird, in einem engen Bereich um die Mittenfrequenz gewählt, in welchem jedoch trotzdem der gewünschte Effekt einer Verteilung der Energie auf ein breiteres Frequenzspektrum realisiert ist und derart die Werte einzelner Ausschläge, also der Störungen, namhaft reduziert werden.
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Schalt- und steuertechnisch von Vorteil ist hierbei eine Variante des Verfahrens, bei welcher die Pulsweitenmodulations-Frequenz synchron zur Motorkommutierung des Motors geändert wird, so dass die Frequenzänderung immer auf den Beginn einer neuen Periode der dann geänderten Frequenz fällt. Die Modulationsfrequenz kann aber auch asynchron zur Kommutierung geändert werden.
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Eine andere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin bestehen, dass eine Anzahl von der Leistungselektronik zugeordneten Leistungsstellern mit im wesentlichen konstantem Tastverhältnis betrieben werden, so dass der Motor dauerhaft mit im wesentlichen der gleichen abgegebenen Leistung betrieben wird, was zu einem konstanten Drehmoment und daher zu einer konstanten Drehzahl des Motors führt.
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Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kompensiert vorteilhafterweise eine durch die Änderung der Mittenfrequenz verursachte Änderung des Tastverhältnisses während der Pulsweitenmodulationsperioden mit gleicher Mittenfrequenz durch Nachregelung des Stroms. Die Änderung der PWM-Frequenz in engen stufenartigen Schritten verursacht eine geringfügige Änderung des Tastverhältnisses, welche eine geringfügige Drehzahländerung mit sich bringt. Bereits nach wenigen Pulsweitenmodulationsperioden wird diese Änderung durch Nachregelung des Stroms kompensiert und so die Drehzahl im Wesentlichen konstant gehalten.
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Bei besonders bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem dessen Vorteile klar zu Tage treten, wird die Pulsweitenmodulation bei einer Mittenfrequenz in der Größenordnung von 20 kHz betrieben, insbesondere beträgt hierbei die Mittenfrequenz 20 kHz. Weiter kann die Differenz der Abstände von oberer und unterer Frequenz zwischen 2,5 und 7,5 Prozent betragen, insbesondere beträgt sie in etwa 5 Prozent des Betrags der Mittenfrequenz. Schließlich beträgt der Änderungsbetrag der Modulationsfrequenz hierbei zwischen 2,5 und 7,5 Promille der Mittenfrequenz, insbesondere 5 Promille der Mittenfrequenz.
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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch einen bürstenlosen Motor, dem eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, mittels derer eine Leistungselektronik über eine durch einen Regelalgorithmus erzeugte, zeitabhängig veränderbare Pulsweitenmodulation die Drehzahl des Motors regelt. Dieser Motor ist derart vorgesehen, dass er mit einer zyklisch zwischen je einer um eine Mittenfrequenz symmetrisch angeordneten unteren und oberen Frequenz variierenden Pulsweitenmodulations-Frequenz betreibbar ist. Dabei befindet sich die untere Grenzfrequenz oberhalb des akustisch wahrnehmbaren Spektrums. Der Abstand der unteren bzw. oberen Frequenz von der Mittenfrequenz ist im einstelligen Prozent-Bereich und der Änderungsbetrag der Modulationsfrequenz im Promille-Bereich der Mittenfrequenz wählbar, wodurch die elektromagnetische Verträglichkeit des Motors verbessert wird, da die Energie von Störungen mit einfachen Mitteln auf ein breiteres Frequenzspektrum verteilt wird.
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Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung des Motors ist diesem mindestens ein Messelement zugeordnet, welches ein Stromsignal an die Steuereinrichtung zurückgibt, so dass der Motorstrom geregelt werden kann. Das Messelement kann insbesondere als Strommesswiderstand ausgebildet sein. Ein weiteres Messelement kann beispielsweise direkt die Drehzahl des Motors ermitteln und weitergeben, so dass auch dessen Geschwindigkeit als einstellbare Drehzahl regelbar ist.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist der Motor, damit seine Last umgesteuert werden kann, er also sowohl rechts- wie links herum laufen kann, über eine Schaltbrücke an die Steuereinrichtung mit deren zugeordneter Leistungselektronik gekoppelt. Diese Schaltbrücke kann bevorzugt als B6-Brücke ausgebildet sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Motors kann die Steuereinrichtung einen Mikrocontroller aufweisen, der zur Erzeugung eines PWM-Signals mit wenigstens einer Zähler/Vergleicher-Schaltung verbunden oder mit einem PWM-Modul versehen ist. Der Mikrocontroller ist hierdurch in der Lage, den Motor mit der pulsweitenmodulierten Frequenz anzusteuern.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in teilweise schematisierter Darstellung die
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1 eine schematisierte Ansicht der Schaltungsanordnung mit Motor, Mikrocontroller und Leistungselektronik;
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2 eine Darstellung der Änderung der Pulsweitenmodulationsfrequenz über die Zeit mit Detailausschnitt, der den stufenweisen Anstieg der Frequenz zeigt;
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3 eine Darstellung der Änderung der Pulsweiten-Modulations-Frequenz von Pulsweitenmodulationsperioden pro Frequenzschritt;
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4 eine Darstellung einer elektromagnetischen Störung bei Ansteuerung mit fester und variabler PWM-Frequenz.
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5 eine Darstellung einer B6-Brückenschaltung.
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6 eine idealisierte Darstellung der Schaltfolge einer B6-Brückenschaltung mit einer beispielhaften Aufteilung in 6 Schritten.
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In der 1 ist ein Blockschaltbild mit einem Motor 1 mit dessen Steuereinrichtung 2 zu erkennen. Die Steuereinrichtung 2 umfasst hierbei unter anderem einen Mikrocontroller 3 und eine Leistungselektronik 4, welche im Wesentlichen mit einem nicht näher dargestellten Brückenschaltkreis mit ebenfalls nicht detailliert gezeigten Leistungsstellern für die sogenannte High Side und die Low Side bezüglich der durch den Motor gebildeten Last versehen ist. Die Ansteuerung des Motors 1 über die beiden Leistungssteller ist symbolisch durch die zweifache Verbindung zwischen Mikrokontroller 3 und Leistungselektronik 4, sowie deren wiederum zweifache Anbindung an den Motor 1 angedeutet. Über den mit einem nicht weiter dargestellten Pulsweitenmodulations-Modul versehenen Mikrocontroller 3 der Steuereinrichtung 2 wird ein Regelalgorithmus erzeugt, mittels dessen die Leistungselektronik 4 durch eine zeitabhängig veränderbare Pulsweitenmodulation die Drehzahl des Motors 1 regelt. Der Motor 1 ist dabei mit einer zyklisch zwischen je einer um eine oberhalb des akustisch wahrnehmbaren Spektrums befindliche Mittenfrequenz fM symmetrisch angeordneten unteren Frequenz fU und einer oberen Frequenz fO variierenden Pulsweitenmodulations-Frequenz f betreibbar. Der Abstand der unteren bzw. oberen Frequenz von der Mittenfrequenz fM ist im einstelligen Prozent-Bereich und der Änderungsbetrag der Modulationsfrequenz f im Promille-Bereich der Mittenfrequenz fM wählbar. Durch die Variation der Pulsweitenmodulations-Frequenz f wird die Energie auf ein breiteres Frequenzspektrum verteilt, wodurch die Ausschläge möglicher Störungen reduziert werden können, was die elektromagnetische Verträglichkeit der betreffenden Antriebe verbessert. Während der Variation der PWM-Frequenz f wird das Tastverhältnis von ein- und ausgeschalteten Leistungsstellern bevorzugt konstant gehalten, wodurch das Drehmoment des Motors 1 im Wesentlichen konstant bleibt. Dem Mikrokontroller 3 wird zur Erzeugung der notwendigen Steuerbefehle bei der Regelung des Antriebs das Drehzahlsignal 5 vom Motor 1 zurückgekoppelt. An den Mikrokontroller 3 wird über den Anschluss 6 außerdem die an einem ohmschen Widerstand 7 als Strommesselement gemessene Stromstärke Im zur Regelung des Motors 1 zurückgekoppelt.
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Die 2 zeigt eine Auftragung der Änderung des Verlaufs der Kurve 8 der PWM-Frequenz f über die Zeit t als Abszisse der Auftragung, wobei man erkennt, dass die Frequenz f zyklisch zwischen einer unteren Frequenz fU von 19 kHz und einer oberen Frequenz fO von 21 kHz, also symmetrisch um die Mittenfrequenz fM von 20 kHz variiert wird. Anhand des hervorgehobenen Details der Kurve 8 erkennt man weiter, dass die Variation derart erfolgt, dass nach einer Frequenzänderung die Modulationsfrequenz für eine bestimmte Zeit, und damit natürlich für eine gewisse Anzahl von Pulsweitenmodulationsperioden, bei dem betreffenden Wert von f verharrt, um anschließend weiter erhöht bzw. erniedrigt zu werden. Die untere Frequenz fU und die obere Frequenz fO bilden dabei die Umkehrpunkte der Kurve, an welchen also deren Ableitung das Vorzeichen wechselt.
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Schalt- und steuertechnisch von Vorteil ist hierbei eine Variante des Verfahrens, bei welcher die Pulsweitenmodulations-Frequenz synchron zur Motorkommutierung des Motors geändert wird, so dass die Frequenzänderung immer auf den Beginn einer neuen Periode der dann geänderten Frequenz fällt. Die Modulationsfrequenz kann aber auch asynchron zur Kommutierung geändert werden.
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Als Effekt der in der 2 gezeigten Frequenzvariation ergibt sich die in der 4 zu erkennende energetische Verteilung auf eine Mehrzahl von Frequenzen, also ein deutlich breiteres Spektrum, wodurch keine derart starken Ausschläge einer Störung wie bei einer festen PWM-Frequenz festzustellen sind. Im Einzelnen zeigt die 4 als punktierte Kurve 9 den Verlauf des Einflusses eines PWM-Signals bei fester PWM-Frequenz von 20 kHz mit seinen harmonischen Oberschwingungen in willkürlichen energetischen Einheiten an der Ordinate. Die durchgezogene Kurve 10 stellt demgegenüber den Einfluss des Signals bei um die Mittenfrequenz von 20 kHz um +/– 1 kHz variierter Pulsweitenmodulations-Frequenz dar. Deutlich ist zu erkennen, dass sich der energetische Eintrag in das Gesamtsystem auf ein breiteres Frequenzspektrum erstreckt und hierbei die Höhe der Ausschläge in ihrem Maximum um mehr als die Hälfte gegenüber der Kurve 9 bei fester PWM-Frequenz reduziert ist.
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In der 3 erkennt man schließlich zunächst aus dem über die Zeit aufgetragenen Rechtecksignal 11 ein beispielhaftes, bei der Ansteuerung des Motors 1 einstellbares, Tastverhältnisses τ/T von 0,5. Dies bedeutet, dass der Motor 1 über die Leistungssteller der Leistungselektronik 4 in der 1 genau die Hälfte einer Periode T1 von 50 μs (entsprechend der Pulsweitenmodulations-Frequenz von 20 kHz) mit der anliegenden Eingangsspannung angesteuert wird, und zwar für die Anzahl von 10 Pulsweitenmodulationsperioden der Länge T1. Anschließend wird die Pulsweitenmodulations-Frequenz minimal um 100 Hz auf 20,1 kHz geändert, so dass sich die Periode T2 gegenüber T1 um 0,25 μs auf 49,75 μs verkürzt. Anfangs, also für einige wenige Pulsweitenmodulationsperioden, ist hierbei der Wert von T noch unverändert, so dass sich bei kürzerem T2 eine minimal höhere Spannung am Motor 1 ergibt, die wiederum zu einer leicht erhöhten Drehzahl führt.
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Aufgrund der in der 1 dargestellten Messung von Im sowie der Drehzahl selbst gelingt es jedoch der Regelung durch den Mikrocontroller 3 innerhalb weniger Pulsweitenmodulationsperioden, das Tastverhältnis so auszugleichen, dass eine im wesentlichen konstante Drehzahl bei dem Motor 1 erreicht wird. Dabei muss die Abtastfrequenz der Regelung durch den Mikrocontroller 3 ein Vielfaches höher liegen als die Frequenz der Änderung der Pulsweitenmodulationsperioden.
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Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf einen Betriebszustand des Motors, in dem sich der Motor in Drehbewegung befindet. 5 zeigt dabei einen Ausschnitt aus der Leistungselektronik 4. Dabei werden exemplarisch die 6 Steuerelemente Q11, Q12, Q21, Q22, Q31, Q32 gezeigt.
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6 zeigt eine idealisierte Darstellung der Schaltfolge für die Phasen U, V, W einer B6-Brückenschaltung mit einer beispielhaften Aufteilung in 6 Schritten. Dies entspricht dem Stand der Technik und wird als Blockkommutierung bezeichnet. Dabei wird der Strom durch eine B6-Brücke so gesteuert, dass aus 3 Phasen immer nur 2 Phasen gleichzeitig bestromt sind und eine Phase nicht bestromt ist. Die Bestromung der Phasen erfolgt in Abhängigkeit von der Rotorposition. Dabei werden die Phasen derart bestromt, dass der Motor in eine Umdrehungsrichtung fortbewegt wird. Für eine Bewegung um 360 elektrische Grad sind 6 Umschaltvorgänge erforderlich. Die sich dadurch in den Phasen ergebenden Ströme werden damit in 6 Schritten jeweils blockweise ein- und ausgeschaltet. Die einzelnen Phasen sind jeweils für zwei aufeinanderfolgende Schritte eingeschaltet und für einen darauffolgenden Schritt ausgeschaltet. Der Versatz zwischen den 3 Phasen beträgt 120 elektrische Grad.
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In 5 ist ein Stromfluss I eingezeichnet. Dieser Stromfluss entspricht dem Schritt 4 in 6. In dem Ablauf der Steuerung des Motors kann es auch Zeiträume geben, in denen der Motor nicht weiterlaufen soll. Dies entspricht dann der Drehzahl 0 oder dem Stillstand des Motors. Um eine aktive Halteposition des Motors zu erreichen, bei der ein Haltemoment gegen ein eventuell von außen zugeführtes Drehmoment erzeugt wird, wird die Bestromung vorzugsweise so weitergeführt, wie sie im letzten Schritt erfolgte.
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Im Beispiel wird die Bestromung gemäß Schritt 4 für einen längeren Zeitraum durchgeführt. Auch in dieser Halteposition wird die Frequenz der Pulsweitenmodulation wie oben beschrieben verändert. Dadurch werden ebenfalls im Stillstand des Motors EMV-Störungen am Entstehen gehindert. Eine Synchronisation der Veränderung der PWM-Frequenz zur Motorkommutierung ist hierbei nicht mehr möglich, da der Motor nicht mehr kommutiert wird.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Motors 1 sowie einen solchen Motor 1, dem eine Steuereinrichtung 2 zugeordnet ist, die mit einer Leistungselektronik 4 versehen ist, durch welche mittels eines Regelalgorithmus eine Pulsweitenmodulation zur Regelung der Drehzahl des bürstenlosen Motors 1 erzeugt wird, wobei die Pulsweitenmodulations-Frequenz zeitabhängig verändert wird. Um einen bürstenlosen Motor 1 und ein Verfahren zu seinem Betrieb zur Verfügung zu haben, bei welchem mit möglichst geringem Aufwand hinsichtlich Schirmung und/oder Filterung ein störungsarmer, also elektromagnetisch verträglicher Betrieb des Motors 1 erreicht werden kann, wird zyklisch die Pulsweitenmodulations-Frequenz stufenweise zwischen je einer um eine oberhalb des akustisch wahrnehmbaren Spektrums befindliche Mittenfrequenz fM symmetrisch angeordneten unteren und oberen Grenzfrequenz fU bzw. fO variiert, wobei der Abstand der unteren bzw. oberen Frequenz fU bzw. fO von der Mittenfrequenz fM im einstelligen Prozent-Bereich und der Änderungsbetrag der Modulationsfrequenz f im Promille-Bereich der Mittenfrequenz fM gewählt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motor
- 2
- Steuereinrichtung
- 3
- Mikrocontroller
- 4
- Leistungselektronik
- 5
- Drehzahlsignal
- 6
- Anschluss
- 7
- Widerstand
- 8
- Kurve
- 9
- Kurve
- 10
- Kurve
- 11
- Rechtecksignal
- Im
- Stromstärke
- I
- Strom
- fM
- Mittenfrequenz
- fU
- untere Frequenz
- fO
- obere Frequenz
- t
- Zeit
- Q11, Q12, Q21, Q22, Q31, Q32
- Schaltelement
- U, V, W
- Phase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19651281 C2 [0004]
- DE 102009049055 A1 [0005]
