-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines einen Stator und einen relativ zu diesem drehbaren Rotor aufweisenden Elektromotor sowie einen Einphasen-Elektromotor mit einer Steuerungseinrichtung, welche zur Durchführung dieses Verfahrens ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Kraftstoffpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem solche Einphasen-Elektromotor sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kraftstoffpumpe oder wenigstens einem solchen Einphasen-Elektromotor.
-
Moderne Einphasen-Elektromotoren, die auch unter der Bezeichnung ”Einphasen-Reihenschlussmotoren” bekannt sind, kommen in modernen Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Kraftstoffpumpen, zum Einsatz. Bei einem solchen Einphasen-Elektromotor handelt es sich um einen elektrischen Antrieb, welcher mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben wird. Solche Motoren weisen einen Stator mit einer Statorspule und einen relativ zu diesem drehbaren Rotor auf. Durch ein mit der Drehbewegung des Rotors synchronisiertes Umpolen der Statorspule und ein dadurch bedingtes Umpolen des von der Statorspule erzeugten Magnetfelds wird durch die Wechselwirkung des Rotor-Magnetfelds mit dem Stator-Magnetfeld ein Drehmoment erzeugt, mittels welchem der Rotor relativ zum Stator bewegt werden kann.
-
Für die Steuerung der Drehbewegung des Rotors von wesentlicher Bedeutung ist dabei das zur Drehbewegung des Rotors synchronisierte ”Kommutieren”, also das mit der Drehbewegung des Rotors synchronisierte Umpolen des von der Statorspule erzeugten magnetischen Felds. Die Umpolung des magnetischen Felds wird durch ein Kommutieren, also Ändern der Stromrichtung des elektrischen Stroms durch die Statorspule (= Statorstrom) erreicht. Für ein solches synchronisiertes Kommutieren ist eine genau Kenntnis der momentanen Drehgeschwindigkeit und der momentanen Drehposition des Rotors notwendig. In herkömmlichen Einphasen-Elektromotoren können hierfür separate Geschwindigkeits- oder/und Positionssensoren vorgesehen sein, welche eine für die korrekte Kommutierung erforderliche Positions- bzw. Drehzahlbestimmung des Rotors erlauben. Derartige Elektromotoren sind aber technisch relativ aufwändig herzustellen, da sie neben den besagten Sensoren auch eine aufwändige Steuerungselektronik zur Auswertung der von den Drehzahl- bzw. Positionssensoren gelieferten Sensordaten erfordern. Eine elegantere Möglichkeit zur Steuerung des Elektromotors, die in herkömmlichen Einphasen-Elektromotoren zum Einsatz kommt, besteht darin, die sogenannte elektromotorische Rückstellkraft (”Back Electromotive Force”, BEMF) zu bestimmen. Bei der elektromotorischen Rückstellkraft handelt es sich um keine Kraft im physikalischen Sinne, sondern um eine elektrische Spannung, welche in der Statorspule als Folge einer Änderung des die Spule umgebenden Rotor-Magnetfelds – aufgrund der Drehbewegung des Rotors relativ zum Stator – induziert wird. Im Einphasen-Elektromotor wird dieses Prinzip ausgenutzt, um durch Messung der von der Statorspule erzeugten elektrischen Induktionsspannung in einem Zustand, in welchem die Statorspule nicht von außen elektrisch bestromt wird, die momentane Position und die momentane Drehgeschwindigkeit des Rotors zu ermitteln. Hierzu wird die elektrische Bestromung der Statorspule zur Drehmomenterzeugung periodisch kurzzeitig unterbrochen und im nicht bestromten Zeitintervall die von der Statorspule erzeugte elektrische Induktionsspannung bzw. der damit einhergehende elektrische Induktionsstrom bestimmt. Durch Messung des Nulldurchgangs der Induktionsspannung bzw. des Induktionsstroms können momentane Drehposition und momentane Drehgeschwindigkeit des Rotors ermittelt werden, so dass auf diese Weise auch der optimale Zeitpunkt zur Kommutierung des elektrischen Stroms durch die Statorspule bestimmt werden kann.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für den Betrieb eines Einphasen-Elektromotors, insbesondere hinsichtlich der genauen Positionsbestimmung der Rotorposition bzw. der Rotordrehgeschwindigkeit neue Wege aufzuzeigen.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Einphasen-Elektromotor die periodische Bestimmung der elektromotorischen Rückstellkraft (BEMF) durch Messung eines Nulldurchgangs der von der Statorspule induzierten elektrischen Spannung erst nach Ablauf einer einstellbaren ersten Totzeit durchzuführen und nach einem Feststellen des Nulldurchgangs die Kommutierung der Bestromung der Statorspule nach Ablauf einer einstellbaren zweiten Totzeit vorzunehmen. Mit ”einstellbar” ist dabei gemeint, dass es sich bei der ersten und zweiten Totzeit um freie Parameter handelt, die bei iterativer Durchführung des Verfahrens im Praxisbetrieb des Elektromotors nach jeder Iteration geändert, also variiert werden können. Durch ein solches, iterativ erneutes Einstellen der beiden Totzeiten kann die Ansteuerung des Elektromotors hinsichtlich der Kommutierung des Statorstroms optimiert werden. Insbesondere kann die Einstellung der beiden Totzeiten in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern erfolgen, ist also im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der elektromotorischen Rückstellkraft (BEMF) nicht statisch festgelegt. Folglich kann die Bestimmung der BEMF an verschiedene Betriebszustände des Einphasen-Elektromotors angepasst werden. Durch ein geeignetes, variables Einstellen der ersten Totzeit, innerhalb welcher die BEMF nach Abschalten der Bestromung der Statorspule noch nicht gemessen wird, können verschiedene störende Effekte bei der Messung bzw. den Betrieb des Einphasen-Elektromotors, wie beispielsweise der sogenannte ”Flyback-Impuls” bei der Abschaltung der Bestromung des Elektromotors aus einer Bestimmung/Messung der BEMF, vermieden oder zumindest reduziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher insbesondere zur Anwendung in einer mit dem Einphasen-Elektromotor zusammenwirkenden Steuerungseinrichtung in der Art eines Mikrokontrollers, wobei durch variable Festlegung der ersten und zweiten Totzeit, beispielsweise im Rahmen eines Computerprogramms zur Ansteuerung des Elektromotors, die Kommutierung des Statorstroms und somit die Steuerung des gesamten Elektromotors optimiert werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Einphasen-Elektromotors umfasst nun einen ersten Schritt a) des Abschaltens des elektrischen Statorstroms für die Dauer einer einstellbaren ersten Totzeit. Diese Dauer der ersten Totzeit kann derart gewählt werden, dass das Auftreten eines sogenannten ”Flyback-Impulses” beim Abschalten der Bestromung der Statorspule vor Beginn der Messperiode die Messung der BEMF nicht oder nur unwesentlich stört. Nach Ablauf der ersten Totzeit und bei weiterhin abgeschalteter Bestromung der Statorspule wird in einem zweiten Schritt b) der Zeitpunkt eines Nulldurchgangs der BEMF und somit der in der Statorspule induzierten elektrischen Spannung bestimmt. Nach dem Feststellen des Nulldurchgangs der BEMF wird schließlich in einem dritten Schritt c) die Bestromung der Statorspule kommutiert, und zwar nach Ablauf einer einstellbaren zweiten Totzeit.
-
Da das erfindungsgemäße Verfahren im Praxisbetrieb üblicherweise iterativ während einer Drehbewegung des Rotors durchgeführt wird, kann durch jeweiliges variables Einstellen der Dauer der beiden Totzeiten als Teil des iterativen Verfahrens die Ansteuerung des Elektromotors optimiert werden. Beispielsweise kann in diesem Zusammenhang daran gedacht sein, die Dauer des beim Abschalten des Statorstroms in der Statorspule erzeugten Flyback-Impulses zu bestimmen und in Abhängigkeit von der Dauer des Flyback-Impulses die erste Totzeit für folgende Iterationen des Verfahrens anzupassen, also zu ändern. In Verbindung mit einem Mikrokontroller, der als Steuerungseinrichtung auf geeignete Weise mit dem Einphasen-Elektromotor zusammenwirkt, kann die Ansteuerung und somit der Betrieb des Einphasen-Elektromotors optimiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei den Vorteil auf, dass zur Bestimmung der momentanen Drehgeschwindigkeit bzw. Rotorposition mittels der elektromotorischen Rückstellkraft (BEMF) keine zusätzlichen Sensoren in der Art eines Geschwindigkeitssensor oder eines Positionssensors erforderlich sind.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren folgenden zusätzlichen Schritt d) umfassen: Bestimmen der momentanen Rotorposition mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors relativ zum Stator aus der im Schritt b) bestimmten elektromotorischen Rückstellkraft (BEMF). Die für eine optimale Bestromung der Statorspule erforderliche genaue Bestimmung der momentanen Drehposition bzw. Drehgeschwindigkeit des Rotors lässt sich dabei durch Bestimmen des Nulldurchgangs der in der Statorspule induzierten elektrischen Spannung ermitteln, beispielsweise Messung der Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen der BEMF. Zur Bestimmung des Zeitpunkts eines Nulldurchgangs der elektrischen Spannung während der Messperiode gemäß Schritt c) können bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform iterativ die folgenden Unterschritte durchgeführt werden:
- c1) Messen der an der Statorspule anliegenden elektrischen Spannung,
- c2) Feststellen, ob diese elektrische Spannung als Funktion der Zeit abnimmt, und, falls dies zutrifft,
- c3) Festlegen des Zeitpunktes des Nulldurchgangs der elektrischen Spannung als denjenigen Zeitpunkt, zu welchem die an der Statorspule gemessene elektrische Spannung einen vorbestimmten, einen Nachweis definierenden Spannungswert unterschreitet.
-
Mittels des Schritts c2) wird also festgestellt, ob die der Statorspule induzierte elektrische Spannung zeitlich abnimmt, was bedeutet, dass ein Nulldurchgang bevorsteht. Als Nulldurchgang kann in Schritt c3) entsprechend derjenige Zeitpunkt definiert werden, zu welchem der in der Statorspule induzierte und gemessene elektrische Spannung einen vorbestimmten, einen Nachweis grenzenden definierten Spannungswert unterschreitet.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Dauer der ersten und/oder zweiten Totzeit in Abhängigkeit von wenigstens einem freien Parameter festgelegt werden. Dieser freie Parameter kann vorzugsweise eine momentane Drehgeschwindigkeit und/oder eine momentane Drehposition des Rotors sein. Für den Fall, dass bei einer iterativen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens während des Betriebs des Elektromotors in vorausgehenden Iterationen die momentane Rotordrehzahl ermittelt wurde, kann die Dauer der ersten und/oder zweiten Totzeit in Abhängigkeit von der momentanen Rotordrehzahl festgelegt werden, um auf diese Weise die Kommutierung des Statorstroms zu optimieren.
-
Besonders zweckmäßig kann das Verfahren iterativ durchgeführt werden, wobei wobei die erste und/oder zweite Totzeit nach jeder Iteration, oder alternativ dazu, erst nach einer vorbestimmten Anzahl von solchen Iterationen erneut eingestellt wird. In letzterem Fall bedeutet dies, dass für eine vorbestimmte Anzahl von Iterationen eine solche Festlegung der ersten und/oder zweiten Totzeit nicht erfolgt, sondern mit bereits festgelegten Werten gearbeitet wird. So kann beispielsweise daran gedacht sein, dass das nach einem zehnmaligen Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit unveränderten Werten für die Dauer der ersten und/oder zweiten Totzeit die Werte neu eingestellt, also verändert werden.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Einphasen-Elektromotor, insbesondere für eine Kraftstoffpumpe. Der Einphasen-Elektromotor umfasst einen eine Statorspule aufweisenden Stator einen relativ zum Stator drehbaren Rotor, wobei im Rotor durch elektrisches Bestromen der Statorspule ein Drehmoment erzeugbar ist oder erzeugt wird. Der Einphasen-Elektromotor umfasst des Weiteren eine zur Ansteuerung des Rotors mit der Statorspule zusammenwirkende Steuerungseinrichtung, welche zur Durchführung des vorangehend vorgestellten Verfahrens ausgebildet ist.
-
Die Steuerungseinrichtung kann vorzugsweise vier als elektrische Schalter wirkende Leistungstransistoren umfassen. Bei diesen Transistoren kann es sich beispielsweise um FET-Transistoren oder um bipolare Transistoren handeln. Im Betrieb als Einphasen-Elektromotor sind jeweils zwei Leistungstransistoren an ein erstes Wicklungsende der Statorspule angeschlossen, und zwei weitere der vier Leistungstransistoren an ein zweites Wicklungsende der Statorspule angeschlossen. Durch ein geeignetes, mit der Drehbewegung des Rotors synchronisiertes Umschalten der vier Leistungstransistoren zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand wird die gewünschte Drehbewegung im Rotor erzeugt.
-
Zur Bestimmung der BEMF kann die Steuerungseinrichtung eine elektrische Messeinrichtung umfassen, mittels welcher die in der Statorspule induzierte elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Die Steuerungseinrichtung umfasst des Weiteren einen Mikrokontroller mit einer Steuerungseinheit und einer Speichereinheit. Die Steuerungseinheit kann in der Art eines Mikroprozessors ausgebildet sein, die Speichereinheit in der Art eines herkömmlichen beschreibbaren Speicherelements. Mittels der Steuerungseinheit kann unter Durchführung des vorangehend vorgestellten Verfahrens durch Auswertung der durch die Messeinrichtung ermittelten BEMF eine momentane Rotorposition ermittelt werden. Ebenso kann unter Durchführung des Verfahrens unter Auswertung der von der Messeinrichtung bestimmten, in der Statorspule induzierten elektrischen Spannung die Drehgeschwindigkeit des Rotors ermittelt werden. Die Verwendung einer derartigen Steuerungseinrichtung mit einem Mikrokontroller erlaubt die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms, welches in der Speichereinheit der Steuerungseinrichtung abgelegt ist und von dessen Steuerungseinheit durchgeführt wird. Dies ermöglicht eine flexible Durchführung und Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an die Betriebsbedingungen des Einphasen-Elektromotors, insbesondere hinsichtlich der Festlegung der Dauer der ersten und/oder zweiten Totzeit.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Einphasen-Elektromotor einen Betriebsmodus umfassen, in welchem die Steuerungseinrichtung unter Anwendung des vorangehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Verfahrens als Regelungseinrichtung wirkt, so dass die Drehgeschwindigkeit in dem Einphasen-Elektromotor auf ein vorgegebenen Sollwert eingestellt wird. In diesem Betriebsmodus wird die momentane Rotor-Drehgeschwindigkeit mittels Bestimmung der BEMF als Ist-Wert ermittelt, so dass die Regelungseinrichtung durch einen Vergleich von Ist- und Sollwert die Bestromung der Statorspule variieren kann, um auf diese Weise die Abhängigkeit des Sollwerts vom Istwert auf Null zu reduzieren.
-
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Kraftstoffpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Einphasen-Elektromotor mit einem oder mehrere der vorangehend erläuterten Merkmale.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kraftstoffpumpe oder mit wenigstens einem im vorgestellten Einphasen-Elektromotor mit einem oder mehreren der vorangehend erläuterten Merkmale.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
-
Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1a ein Beispiel für einen als Außenläufer realisierten erfindungsgemäßen Einphasen-Elektromotor in einer grobschematischen Darstellung,
-
1b eine schaltplanartige Darstellung des Elektromotors mit einem Mikrokontroller, welcher zur Ansteuerung des Elektromotors unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist,
-
2a–d vier verschiedene Schaltungszustände von Leistungstransistoren zur Bestromung der Statorspule des Elektromotors,
-
3 ein Statorstrom-Zeit-Diagramm mit zeitlichen Bereichen, die den in der 2 gezeigten Schaltungszuständen der Leistungstransistoren entsprechen,
-
4 ein BEMF-Zeit-Diagramm.
-
In den 1a und 1b ist ein erfindungsgemäßer Einphasen-Elektromotor, welcher im Folgenden der Einfachheit halber als ”Elektromotor” bezeichnet wird, dargestellt und jeweils mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die 1a zeigt dabei den Aufbau des Stators 2 und des Rotors 3 des Elektromotors 1 in einer grobschematischen Darstellung, die 1b schematisch den Aufbau einer Steuerungseinrichtung 18 zur Ansteuerung des Stators 2.
-
Der Elektromotor 1 kann wie in der 1a gezeigt als Außenläufer realisiert sein, d. h. der Rotor 3 ist als Außenrotor ausgebildet und um eine Rotationsachse R relativ zum Stator 2 in Drehrichtung D drehverstellbar. Der Stator 2 kann an einem Gehäuse des Elektromotors 1 befestigt sein (nicht gezeigt).
-
Der Rotor 3 kann eine ringförmige Geometrie aufweisen und vier in Drehrichtung D aneinandergrenzende Permanentmagnete 4a, 4b, 4c, 4d aufweisen, welche entlang der Drehrichtung D abwechselnd jeweils eine entgegengesetzte Polarität (Nord, Süd) aufweisen. Die beiden sich gegenüberliegenden Permanentmagnete 4a, 4c, können also magnetische Nordpole sein, und die sich gegenüberliegenden Permanentmagnete 4b, 4d entsprechend als magnetische Südpole sein.
-
Der Stator 2 umfasst eine Statorspule 5, welche vier Spulenelemente 6a, 6b, 6c, 6d aufweist, die bzgl. der Rotationsachse R an jeweils um 90° versetzt zueinander angeordneten Statorzähnen 7a, 7b, 7c, 7d befestigt sind. Die Spulenelemente 6a, 6b, 6c, 6d sind dabei derart auf die Statorzähnen 7a, 7b, 7c, 7d gewickelt, dass zwei gegenüberliegende Spulenelemente jeweils radial nach außen einen identischen magnetischen Pol erzeugen, d. h. je nach Bestromungsrichtung der Statorspule 5 einen magnetischen Nord- oder Südpol, und folglich zwei benachbarte Spulenelemente einen entgegengesetzten magnetischen Pol erzeugen. Mit anderen Worten, in Drehrichtung D wechselt die magnetische Polung in der Reihenfolge Nord, Süd, Nord, Süd ab. Durch ein Kommutieren der Stromrichtung des durch die Spulenelemente 6a bis 6d fließenden elektrischen Stroms kann das von den vier Spulenelementen 6a bis 6d erzeugte Magnetpol umgepolt werden.
-
Die Spulenelemente 6a bis 6d sind zueinander elektrisch in Reihe geschaltet, so dass die Statorspule 5 nur zwei nach außen geführte elektrische Anschlusselemente 8a, 8b aufweist. Dies wird aus der schaltplanartigen Darstellung der 1b deutlich, in welcher der Übersichtlichkeit halber nur die Statorspule 5 ohne Spulenelemente und auch ohne Stator und Rotor gezeigt ist.
-
Um nun ein auf den Rotor 3 wirkendes Drehmoment zu erzeugen, muss die Statorspule 5 des Stators 2 derart elektrisch bestromt werden, dass mittels des vom Stator 2 erzeugten Magnetfelds ein Drehmoment auf den Rotor 3 bzw. auf die Permanentmagneten 4a bis 4d des Rotors 3 ausgeübt wird. Hierzu wird das von den Spulenelementen 6a bis 6d durch Bestromen der Statorspule 5 erzeugte Magnetfeld synchron zur Drehbewegung des Rotors 3 umgepolt, also kommutiert. Für ein solches Kommutieren des elektrischen Stroms in der Statorspule 5 sind nun als Teil der Steuerungseinrichtung 18 des Elektromotors 1 vier Leistungstransistoren 9a, 9b, 9c, 9d vorgesehen. Zwei Leistungstransistoren 9a, 9d sind dabei über das erste Anschlusselemente 8a mit einem ersten Wicklungsende 10a der Statorspule 5 verbunden, und zwei weitere Leistungstransistoren 9b, 9c über das zweite Anschlusselement 8b mit einem zweiten Wicklungsende 10b der Statorspule 5 verbunden. Die Leistungstransistoren 9a bis 9d sind in der 1b schematisch vereinfacht jeweils als elektrischer Schalter dargestellt und können jeweils durch eine geeignete Diodenschutzschaltung (vgl. 1b) abgesichert sein.
-
Mittels der Leistungstransistoren 9a bis 9d, welche als elektrische Schalter wirken, kann durch ein geeignetes, mit der Drehbewegung des Rotors 3 synchronisiertes elektrischen Bestromen der Statorspule 5 und einem hierzu erforderlichen synchronisierten Kommutieren – also Ändern der Stromrichtung – des elektrischen Stroms durch die Statorspule 5 (= Statorstrom) ein auf den Rotor 3 wirkendes Drehmoment erzeugt werden. Mittels des Drehmoments kann der Rotor 3 relativ zum Stator 2 beschleunigt oder abgebremst werden; selbstverständlich kann die Synchronisation auch derart erfolgen, dass kein Drehmoment erzeugt wird, sondern die momentane Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl des Rotors 3 beibehalten wird.
-
Die Leistungstransistoren 9a bis 9d fungieren bei der Kommutierung des elektrischen Stroms durch die Statorspule 5 als elektrische/elektronische Schalter, welche zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand umschaltbar sind. In der 1b sind die vier Leistungstransistoren 9a, 9d der Steuerungseinrichtung 18 exemplarisch in einem geöffneten Zustand gezeigt. In diesem Zustand wird die Statorspule 5 folglich nicht von außen bestromt, so dass die in der Statorspule 5 induzierte elektrische Spannung aufgrund der Drehbewegung der Permanentmagnete 4a bis 4d des Rotors 3 und des damit erzeugten magnetischen Wechselfeldes an den Anschlusselementen 8a, 8b gemessen werden kann. Hierzu kann der Elektromotor 1 eine elektrische Messeinrichtung 11 umfassen, welche über jeweilige elektrische Messleitungen 12a, 12b elektrisch mit den beiden Anschlusselementen 8a, 8b verbunden sein kann.
-
Die elektrische Messeinrichtung 11 kann also durch Messung der zwischen den beiden elektrischen Messleitungen 12a, 12b auftretenden elektrischen Spannung die in der Statorspule 5 erzeugte BEMF ermitteln. Die elektrische Messeinrichtung 1 kann hierzu als einfacher Analog-Digital-Wandler 13 ausgebildet sein oder einen solchen umfassen. Die elektrische Messeinrichtung 11 ist wiederum Teil eines Mikrokontrollers 14 des Elektromotors 1. Ein solcher Mikrokontroller 14 kann eine Steuerungseinheit 15 in der Art eines Mikroprozessors und ein Speicherelement 16 in der Art eines herkömmlichen beschreibbaren Speichers aufweisen.
-
Der Mikrokontroller 14 ist nun zur der Ansteuerung der Leistungstransistoren 9a bis 9d über Steuerleitungen 17a bis 17d mit diesen verbunden, so dass er die vier Leistungstransistoren 9a bis 9d jeweils einzeln zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand umschalten kann, wobei im geöffneten Zustand ein elektrischer Stromfluss durch den jeweiligen Leistungstransistor 9a bis 9d unterbrochen wird und im geschlossenen Zustand ein elektrischer Strom fließen kann.
-
In den 2a bis 2d sind nun verschiedene Schaltungszustände der vier Leistungstransistoren 9a bis 9d gezeigt, mittels welcher in der Statorspule 5 der im Statorstrom-Zeit-(l-t-)Diagramm der 3 dargestellte und mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnete Statorstrom induziert wird. Der in der 3 mit ”A” bezeichnete Zeitraum entspricht dabei dem in der 2a gezeigten, geöffneten bzw. geschlossenen Schaltungszustand der vier Leistungstransistoren 9a bis 9d. Entsprechend ist der mit ”B” bezeichnete Zeitraum der in der 2b gezeigten Schaltstellung der Leistungstransistoren 9a bis 9d zugeordnet. Dies gilt entsprechend in analoger Weise für die zeitlichen Bereiche ”C” und ”D” des Diagramms der 3, die den in den 2c bzw. 2d gezeigten Schaltungszuständen der Leistungstransistoren 9a bis 9d zugeordnet sind.
-
In dem in der 2a gezeigten Zustand sind die beiden Transistoren 9a, 9c geschlossen und die beiden Transistoren 9b, 9d geöffnet, so dass der elektrische Spulenstrom durch die Statorspule 5 entlang des mit 21a bezeichneten Leistungspfads strömt. Zur Kommutierung des Spulenstroms und einer damit verbundenen Umkehr der Stromrichtung durch die Statorspule 5 werden nun zunächst die beiden geschlossenen Transistoren 9a, 9c wie in der 2b gezeigt in den geöffneten Zustand umgeschaltet, so dass sich folglich alle vier Transistoren 9a bis 9d im geöffneten Zustand befinden. In dem in der 2b gezeigten Zustand der Leistungstransistoren 9a bis 9d wird die Statorspule 5 also nicht von außen elektrisch bestromt, d. h. ein von einer elektrischen Stromquelle 17 bereitgestellter elektrischer Strom kann aufgrund der geöffneten Leistungstransistoren 9a bis 9d nicht in die Statorspule 5 eingebracht werden. Somit nimmt der von außen erzeugte Spulenstrom durch die Statorspule 5 in dem in der 2b gezeigten Zustand der vier Leistungstransistoren 9a, 9b, 9c, 9d einen Nullwert an (vgl. Bereich ”B” in der 3).
-
In dem in der 2c gezeigten Zustand werden die beiden Leistungstransistoren 9b, 9d geschlossen, so dass in der Folge der elektrische Spulenstrom im Vergleich zur Stromrichtung gemäß der 2a (vgl. Leitungspfad 21a) in umgekehrter Stromrichtung durch die Statorspule 5 fließen kann (vgl. Leitungspad 21c in der 2c). Zur erneuten Kommutierung des Spulenstroms werden in dem in der 2d dargestellten Zustand die Leistungstransistoren 9a bis 9d auf analoger Weise zum Schaltungszustand gemäß der 2b geöffnet und somit die Bestromung von außen unterbrochen (vgl. Bereich ”C” des elektrischen Stroms in der 3). Anschließend werden die Leistungstransistoren 9a, 9c geschlossen (vgl. 2a), und der in den 2a bis 2d gezeigte Schaltungszyklus beginnt erneut.
-
In dem in den 2b und 2d gezeigten geöffneten Zustand aller vier Leistungstransistoren 9a bis 9d (vgl. zeitliche Bereichen ”B” und ”D” des Spulenstroms in der 3) ist nun aufgrund der nicht vorhandenen äußeren elektrischen Bestromung eine Messung der elektromotorischen Rückstellkraft BEMF durch Messung der an den beiden Anschlusselementen 8a, 8b in der Statorspule 5 auftretenden Induktionsspannung UBEMF durch die elektrische Messeinrichtung 11 möglich. Der zeitliche Verlauf der Induktionsspannung UBEMF im Verlauf einer vollständigen Rotordrehung bzw. eines Schaltungszyklus der Leistungstransistoren 9a bis 9d ist in der 3 mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet. Bei den in der 3 mit ”B” und ”D” bezeichneten Bereichen handelt es sich also um Messperioden, in welchen die elektromotorische Rückstellkraft BEMF aufgrund der abgeschalteten äußeren Bestromung der Statorspule 5 bestimmt und zur weiteren Ansteuerung der Statorspule 5 durch den Mikrokontroller 14 ausgewertet werden kann.
-
Während des in den 2b und 2d gezeigten Schaltungszustands der vier Leistungstransistoren 9a bis 9d kann also vom Mikrokontroller 14 das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der BEMF durchgeführt werden. Hierzu kann im Speicherelement 16 des Mikrokontrollers 14 ein geeignetes Computerprogramm abgelegt sein, welches von der Steuerungseinheit 15 des Mikrokontrollers 14 abgearbeitet wird. Auch die aktuellen Werte für die gemäß dem Verfahren jeweils einstellbare erste und zweite Totzeit T1, T2 können im Speicherelement 16 als freie, einstellbare Parameter abgelegt sein.
-
In dem BEMF-Zeit-Diagramm der 4 ist nun der in der 3 mit ”B” gekennzeichnete zeitliche Bereich mit Zeitdauer T0, in welchem die Statorspule 5 nicht von außen bestromt wird, in einer Detailansicht gezeigt. Während der ersten Totzeit T1 wird die Induktionsspannung UBEMF in der Statorspule 5 zur Bestimmung der BEMF vom Mikrokontroller 14 nicht ausgewertet. Denn in diesem Zeitraum weist die Induktionsspannung UBEMF aufgrund des sog. ”Flyback”-Impulses einen peakartigen Spannungspuls 25 auf, der beim Umschalten aller vier Leistungstransistoren 9a bis 9d in den geöffneten Zustand erzeugt wird und mit der eigentlichen BEMF überlagert ist, so dass die BEMF nicht mehr mit der erforderlichen Genauigkeit bestimmt werden kann. In der 4 ist der Spannungspuls 25 nur exemplarisch dargestellt; er kann selbstverständlich auch einen anderen zeitlichen Verlauf aufweisen. Die Dauer der ersten Totzeit T1 kann im Mikrokontroller 14 derart eingestellt werden, dass nach ihrem Ablauf der Flyback-Impuls abgeklungen ist und die eigentliche Bestimmung der BEMF durch Messung der Induktionsspannung UBEMF durch die elektrische Messeinrichtung 11 durchgeführt werden kann. Durch Messung der Induktionsspannung UBEMF in dem auf die erste Totzeit T1 folgenden Zeitraum kann entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren der Nulldurchgang der BEMF bestimmt werden. Dieser Zeitpunkt ist in der 4 mit tN bezeichnet. Die Zeitdauer zwischen dem Ende der ersten Totzeit T1 und dem Zeitpunkt tN ist mit TM bezeichnet. Nach Ablauf einer auf den Zeitpunkt tN des Nulldurchgangs der BEMF folgenden zweiten Totzeit T2 kann zum Zeitpunkt tK die Kommutierung des elektrischen Statorstroms durch die Statorspule 5 erfolgen. Hierzu werden die beiden Leistungstransistoren 9b, 9d wie bereits im Zusammenhang mit der 2c erläutert und wie in dieser Figur gezeigt geschlossen, was zur gewünschten Bestromung der Statorspule 5 wie im zeitlichen Bereich ”C” der 3 gezeigt führt, d. h. das unbestromte Messintervall T0 ist beendet.
-
Ein weiterer, analoger Messvorgang der BEMF kann während des in der 3 mit ”D” gezeigten zeitlichen Bereichs erfolgen, da während dieses Zeitraums ebenfalls keine Bestromung der Statorspule 5 erfolgt, und zwar in analoger Weise zu den vorangehenden Erläuterungen zur 4.
-
Aus der in den zeitlichen Bereichen ”C” und/oder ”D” bestimmten BEMF kann vom Mikrokontroller 14 durch Bestimmung der Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen der BEMF die momentane Drehgeschwindigkeit ω des Rotors 3 und auch die durch den momentanen Drehwinkel φ definierte momentane Rotorposition des Rotors 3 relativ zum Stator 2 bestimmt werden. In Abhängigkeit von der momentanen Drehgeschwindigkeit ω bzw. Drehzahl des Rotors 3 lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere die zweite Totzeit T2 einstellen, die nach Bestimmung des Nulldurchgangs vergeht, bevor Bestromung der Statorspule mit kommutiertem elektrischen Strom wieder eingeschaltet wird. Somit kann vermieden werden, dass die Bestromung der Statorspule 5 hinsichtlich der Synchronisation mit der Drehbewegung des Rotors 3 zeitlich zu früh oder zu spät erfolgt, was zu einem unerwünschten Abbremsen oder Beschleunigen des Rotors 3 führen würde. Auch die erste Totzeit T1 kann zur Optimierung der Messgenauigkeit bei jedem Verfahrensdurchlauf erneut eingestellt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von der momentanen Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl, da auch der oben erläuterte ”Flyback-Effekt” von der Drehgeschwindigkeit ω des Rotors 3 abhängig. Es ist klar, dass die Einstellung der ersten und/oder zweiten Totzeit T1, T2 auch in Abhängigkeit von weiteren Parametern erfolgen kann.
-
Da das Verfahren im Praxisbetrieb des Elektromotors 1 vom Mikrokontroller 14 iterativ durchgeführt wird, ist es vorstellbar, die erneute Einstellung der ersten und/oder zweiten nicht in jedem Verfahrensdurchlauf vorzunehmen, sondern jeweils erst nach einer vorbestimmten Anzahl von solchen Iterationen erneut. Hier ergeben sich für den Fachmann zahlreiche Variationsmöglichkeiten. Für den Elektromotor 1 kann in einer Variante auch ein Betriebsmodus vorgesehen sein, in welchem der Mikrokontroller 14 unter Anwendung des vorangehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Verfahrens als Regelungseinrichtung wirkt, so dass die Drehgeschwindigkeit des Rotors 3 auf ein vorgegebenen Sollwert eingestellt wird. In diesem Betriebsmodus wird die momentane Drehgeschwindigkeit ω bzw. Drehzahl des durch Bestimmung der BEMF als Ist-Wert ermittelt, so dass die Regelungseinrichtung durch einen Vergleich von Ist- und Sollwert die Bestromung der Statorspule 5 variieren kann, bis die momentane Drehgeschwindigkeit ω bzw. Drehzahl den Sollwert angenommen hat.
