DE102014100570A1 - Method for operating an electronically commutated DC motor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines sensorlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors, mit einer Anlaufphase, in der die Kommutierung nach einem vorgegebenen Kommutierungsmuster erfolgt und einer Betriebsphase, in der die Kommutierung in Abhängigkeit der gegenelektromotorischen Kraft erfolgt. Erfindungsgemäß wird zwischen der Anlaufphase und der Betriebsphase eine Kurzkommutierungsphase durchlaufen, in der die Kommutierung mit Kurzkommutierungsschritten erfolgt. In einem Kurzkommutierungsschritt erfolgt die Kommutierung vor dem optimalen Kommutierungszeitpunkt, insbesondere unmittelbar nach einem Nulldurchgang der BEMF.Method for operating a sensorless, electronically commutated direct current motor, with a start-up phase, in which the commutation takes place according to a predetermined Kommutierungsmuster and an operating phase in which the commutation takes place in dependence on the counterelectromotive force. According to the invention, a short commutation phase is run through between the starting phase and the operating phase, in which the commutation takes place with short commutation steps. In a short commutation step, the commutation takes place before the optimal commutation time, in particular immediately after a zero crossing of the BEMF.

Description

Bürstenlose, elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) sind mittlerweile weit verbreitet. Brushless, electronically commutated direct current motors (BLDC motors) are now widely used.

Ein BLDC-Motor besitzt einen Rotor mit Permanentmagneten und einen Stator mit mehreren Statorwicklungen. Je nach Anwendung des Motors können die Statorwicklungen in einer oder mehreren Phasen angeordnet sein. Insbesondere verbreitet sind dreiphasige Motoren. Die Kommutierung des Motors erfolgt dabei durch abwechselndes und aufeinanderfolgendes Ein- und Ausschalten der richtigen Motorphasen. Dies erfolgt meist über einen Wechselrichter, der im Fall eines dreiphasigen Motors aus drei Halbbrücken besteht. Zur Kommutierung eines BLDC-Motors ist es weiterhin notwendig, die Rotorlage zu kennen, damit die Wicklungen der Motorphasen zum richtigen Zeitpunkt geschaltet werden können, so dass sich ein Drehfeld ergibt und der Rotor in Drehung versetzt werden kann. A BLDC motor has a permanent magnet rotor and a stator with multiple stator windings. Depending on the application of the motor, the stator windings may be arranged in one or more phases. Particularly widespread are three-phase motors. The commutation of the motor is carried out by alternately and successively switching on and off of the correct motor phases. This is usually done via an inverter, which consists of three half-bridges in the case of a three-phase motor. To commutate a BLDC motor, it is also necessary to know the rotor position so that the windings of the motor phases can be switched at the right time, so that a rotating field results and the rotor can be rotated.

Zur Rotorlageerkennung werden in der Regel Hall-Sensoren eingesetzt, die im Magnetfeld des Rotormagneten oder eines Lagemagneten angeordnet sind. Um eine korrekte Lageinformation beispielsweise bei einem dreiphasigen Motor zu gewinnen werden drei Hall-Sensoren benötigt, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Durch das Magnetfeld entsteht in den Hall-Sensoren eine Hall-Spannung. For rotor position detection Hall sensors are usually used, which are arranged in the magnetic field of the rotor magnet or a position magnet. In order to obtain a correct position information, for example, in a three-phase motor, three Hall sensors are needed, which are arranged at an angle to each other. The magnetic field creates a Hall voltage in the Hall sensors.

Aus den Hall-Spannungen der drei Sensoren kann die Rotorlage bestimmt werden. From the Hall voltages of the three sensors, the rotor position can be determined.

Hall Sensoren sind empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen, insbesondere sind sie nicht für hohe Temperaturen geeignet. Darüber hinaus sind sie teuer und müssen nah genug am Rotormagneten angeordnet werden, wodurch sich bauliche Einschränkungen ergeben. Hall sensors are sensitive to external influences, especially they are not suitable for high temperatures. In addition, they are expensive and must be arranged close enough to the rotor magnet, resulting in structural restrictions.

Daher wird nicht nur in kostensensitiven Anwendungen gerne auf die Hall-Sensoren verzichtet. Ein BLDC-Motor kann auch sensorlos betrieben werden. Therefore, the Hall sensors are not the only ones to do without in cost-sensitive applications. A BLDC motor can also be operated without a sensor.

Durch die Drehung des Rotors im Statorfeld wird in den Statorwicklungen eine Spannung induziert, die der angelegten Phasenspannung entgegen wirkt. Diese induzierte Spannung nennt man deshalb auch gegenelektromotorische Kraft (BEMF=Back ElectroMotive Force). Am Spannungsverlauf der BEMF kann die Rotorlage abgeleitet werden. Die Kommutierungszeitpunkte werden bei sensorlosen BLDC-Motoren ausgehend von den Nulldurchgängen der BEMF an der jeweils unbestromten Motorphase bestimmt. Der optimale Kommutierungszeitpunkt liegt bei etwa 30° elektrisch nach einem Nulldurchgang der BEMF-Spannung. Der Nulldurchgang muss dabei nicht am Spannungsnullpunkt liegen, sondern kann auch auf einem endlichen Spannungsniveau liegen. The rotation of the rotor in the stator field induces a voltage in the stator windings which counteracts the applied phase voltage. Therefore, this induced voltage is also called back electromotive force (BEMF = Back ElectroMotive Force). The rotor position can be derived from the voltage curve of the BEMF. The commutation times are determined for sensorless BLDC motors starting from the zero crossings of the BEMF at the respective de-energized motor phase. The optimum commutation time is about 30 ° electrical after a zero crossing of the BEMF voltage. The zero crossing does not have to be at the voltage zero point, but can also be at a finite voltage level.

Im Stand der Technik ist der sensorlose Betrieb eines BLDC-Motors, besonders bei dreiphasigen BLDC Motoren, hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht auf weitere Einzelheiten eingegangen werden soll. In the prior art, the sensorless operation of a BLDC motor, especially in three-phase BLDC motors, well known, which is why not go into more detail here.

Ein grundsätzliches Problem bei sensorlosen Motoren besteht darin, dass die BEMF erst induziert wird, wenn sich der Motor dreht. Das heißt, dass im Stillstand des Motors keinerlei Lageinformation durch eine BEMF vorliegt, aus der eine korrekte Kommutierung abgeleitet werden kann. Eine korrekte Kommutierung und damit ein Betrieb eines sensorlosen Motors aus dem Stillstand ist daher nicht möglich. Aus diesem Grund werden sensorlose Motoren in der Regel mit einer Anlaufphase gestartet, in der der Motor beispielsweise wie ein Synchronmotor betrieben wird. Die Kommutierung erfolgt dabei anhand eines fest vorgegebenen Kommutierungsmusters. Darin sind die Kommutierungszeitpunkte jeder Motorphase festgelegt. Diese Anlaufphase umfasst in der Regel einige Kommutierungsschritte. Ziel ist es dabei den Motor möglichst schnell zu beschleunigen, so dass schnell eine BEMF vorliegt. A fundamental problem with sensorless motors is that the BEMF is not induced until the motor rotates. This means that when the motor is at a standstill there is no positional information from a BEMF from which a correct commutation can be derived. Correct commutation and thus operation of a sensorless motor from standstill is therefore not possible. For this reason, sensorless motors are usually started with a start-up phase in which the engine is operated, for example, like a synchronous motor. The commutation is carried out using a fixed commutation pattern. Therein the commutation times of each engine phase are determined. This start-up phase usually includes some commutation steps. The goal is to accelerate the engine as fast as possible so that a BEMF is quickly available.

Im Synchronbetrieb der Anlaufphase ist der Wirkungsgrad des Motors durch die Zwangskommutierung schlecht und der Lastwinkel groß. Ein Ziel ist es daher die Anlaufphase so kurz wie möglich zu halten. Aus diesem Grund wird in der Anlaufphase bereits permanent die BEMF auf gültige Nulldurchgänge überwacht. Es gibt nun unzählige Bedingungen, ab wann die Anlaufphase beendet und in die Betriebsphase gewechselt werden kann. In synchronous operation of the start-up phase, the efficiency of the motor due to the forced commutation is poor and the load angle is large. One goal is therefore to keep the start-up phase as short as possible. For this reason, the BEMF is constantly monitored for valid zero crossings during the start-up phase. There are now countless conditions from when the start-up phase can be ended and switched to the operating phase.

Beispielsweise kann eine vorgegebene Anzahl an gültigen Nulldurchgängen abgewartet werden. In der Betriebsphase liegen die Nulldurchgänge der BEMF bei jedem Kommutierungsschritt vor und so kann der Kommutierungszeitpunkt ausgehend vom Nulldurchgang bestimmt werden. For example, a predetermined number of valid zero crossings can be awaited. In the operating phase, the zero crossings of the BEMF are present at each commutation step and thus the commutation time can be determined starting from the zero crossing.

In der Anlaufphase wird der Motor in der Regel mit einem hohen Startstrom betrieben um sicher zu stellen, dass der Rotor dem beaufschlagten beschleunigenden Drehfeld auch folgt. Dieser hohe Strom würde im Normalbetrieb zu einer hohen Beschleunigung führen. Diese theoretisch mögliche Beschleunigung wird aber durch die vorgegebenen Kommutierungszeitpunkte wieder gebremst. Das bedeutet, dass der Motor durch den hohen Startstrom eigentlich schneller drehen würde als es ihm die fixen Kommutierungszeitpunkte erlauben. Das führt dazu, dass das elektrische und das magnetische Feld des Motors nicht mehr phasengleich sind, sondern einen Winkel bilden. Der Motor ist über- oder untererregt, der Rotor eilt bevorzugt dem Drehfeld voraus. Erfolgt nun der Übergang von der Anlaufphase in die Betriebsphase kann es vorkommen, dass sich der Winkel zwischen elektrischem und magnetischem Feld durch das Umschalten auf die korrekte Kommutierung zu schnell ändert. Dies führt zu einer Winkelschwingung, die unbedingt verhindert werden muss. In the start-up phase, the motor is usually operated with a high starting current to ensure that the rotor also follows the applied accelerating rotating field. This high current would lead to a high acceleration during normal operation. However, this theoretically possible acceleration is slowed down again by the given commutation times. This means that the motor would actually turn faster due to the high starting current than the fixed commutation times allow. The result is that the electric and the magnetic field of the motor are no longer in phase, but form an angle. The engine is over- or under-excited, the rotor preferably precedes the rotating field. If the transition from the start-up phase to the operating phase occurs, the angle between the electric and the magnetic field may change too quickly as a result of switching to the correct commutation. This leads to an angle oscillation, which must be prevented at all costs.

Wird der Winkel zwischen elektrischem und magnetischem Feld zu groß führt dies dazu, dass elektrisches und magnetisches Feld vollständig entkoppelt sind. Der Rotor kann dann dem Statorfeld nicht mehr folgen und bleibt stehen. Auch sind die Nulldurchgänge der BEMF bei einer zu großen Winkelschwingung des Rotors eventuell nicht mehr korrekt messbar und machen eine weitere Kommutierung damit unmöglich. If the angle between the electric and the magnetic field is too large, this will cause the electric and magnetic fields to be completely decoupled. The rotor can then no longer follow the stator field and stops. Also, the zero crossings of the BEMF may not be measured correctly at a too large angular vibration of the rotor and make a further commutation impossible.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zum Betreiben eines sensorlosen BLDC-Motors zu schaffen, bei dem ein sicherer Start des Motors jederzeit gewährleistet ist. The object of the invention is therefore to provide a method for operating a sensorless BLDC motor, in which a safe start of the engine is guaranteed at all times.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen gelöst. This object is achieved by a method with the features mentioned in the main claim.

Auch beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Motor durch eine Anlaufphase aus dem Stillstand gestartet. Die Art der Anlaufphase spielt dabei keine Rolle. Vorzugsweise erfolgt die Kommutierung in der Anlaufphase nach einem vorgegebenen Kommutierungsmuster mit festen Kommutierungszeitpunkten. Die Anlaufphase kann beispielsweise so lange dauern, bis eine vorbestimmte Anzahl an Nulldurchgängen der BEMF erfolgreich detektiert wurde, wobei eine Detektion beispielsweise dann als erfolgreich gilt, wenn die Kommutierung zu dem nach der vorgegebenen Kommutierungssequenz erwarteten Zeitpunkt erfolgt war und eindeutig erkannt wurde. Also in the method according to the invention, the engine is started by a start-up phase from standstill. The type of start-up phase does not matter. In the start-up phase, the commutation preferably takes place according to a predetermined commutation pattern with fixed commutation times. The start-up phase may, for example, take so long until a predetermined number of zero crossings of the BEMF has been successfully detected, wherein a detection is considered successful, for example, if the commutation took place at the time expected after the predetermined commutation sequence and was clearly recognized.

In der Betriebsphase erfolgt die Kommutierung anhand der Nulldurchgänge der BEMF. Die genaue Festlegung und Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte in der Anlaufphase, beziehungsweise in der Betriebsphase, spielen für die Erfindung keine Rolle, weshalb die Erfindung nicht auf eines der zahlreichen im Stand der Technik bekannten Verfahren beschränkt ist. In the operating phase, the commutation is based on the zero crossings of the BEMF. The exact definition and determination of the commutation times in the start-up phase, or in the operating phase, play no role for the invention, which is why the invention is not limited to one of the numerous methods known in the prior art.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird nun zwischen der Anlaufphase und der Betriebsphase eine zusätzliche Kurzkommutierungsphase durchlaufen. In the method according to the invention, an additional short commutation phase is now passed through between the startup phase and the operating phase.

In dieser Kurzkommutierungsphase erfolgt die Kommutierung mit Kurzkommutierungsschritten, wobei in einem Kurzkommutierungsschritt die Kommutierung vor dem theoretisch optimalen Kommutierungszeitpunkt erfolgt. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Kommutierung in einem Kurzkommutierungsschritt mindestens 10° elektrisch früher als die erste Kommutierung der Betriebsphase erfolgt. In this Kurzkommutierungsphase the commutation takes place with short commutation steps, wherein in a short commutation step, the commutation takes place before the theoretically optimal commutation. In particular, it may be advantageous if the commutation takes place in a short commutation step at least 10 ° electrical earlier than the first commutation of the operating phase.

Der optimale Kommutierungszeitpunkt ist in der Regel 30° elektrisch nach dem Nulldurchgang der BEMF. In der Kurzkommutierungsphase erfolgt nun die Kommutierung vor diesem optimalen Zeitpunkt, insbesondere zwischen dem Nulldurchgang der BEMF und dem optimalen Kommutierungszeitpunkt. The optimal commutation time is usually 30 ° electrical after the zero crossing of the BEMF. In the short commutation phase, the commutation now takes place before this optimal time, in particular between the zero crossing of the BEMF and the optimal commutation time.

Dieser zu frühe Kommutierungsschritt bewirkt, dass sich das elektrische und das magnetische Feld wieder angleichen. Im Besten Fall wird ein bestehender Winkel mit Hilfe der verkürzten Kommutierung vollständig abgebaut. This too early commutation step causes the electric and the magnetic field to equalize again. In the best case, an existing angle is completely reduced by means of the shortened commutation.

Dadurch wird beim Übergang in die Betriebsphase eine mögliche Winkelschwingung des Rotors gedämpft und/oder verhindert. Ein Stillstand wie oben beschrieben kann dadurch nicht auftreten. Durch diese einfache Maßnahme ist eine signifikante Verbesserung des Startverhaltens eines sensorlosen Motors möglich. As a result, a possible angular vibration of the rotor is damped and / or prevented during the transition to the operating phase. A standstill as described above can not occur. By this simple measure, a significant improvement of the starting behavior of a sensorless motor is possible.

Insbesondere vorteilhaft erfolgt die Kommutierung in der Kurzkommutierungsphase im Wesentlichen unmittelbar nach einem Nulldurchgang der BEMF. Die Kommutierung erfolgt daher im Wesentlichen 30° elektrisch früher als der optimale Kommutierungszeitpunkt wäre. Wenn der Winkel zwischen dem elektrischen und dem magnetischen Feld im Bereich von 30° liegt, dann kann bereits mit einem einzigen solchen Kurzkommutierungsschritt ein angleichen des elektrischen zum magnetischen Feld erfolgen. Particularly advantageously, the commutation in the short commutation phase takes place essentially immediately after a zero crossing of the BEMF. The commutation therefore takes place substantially 30 ° electrically earlier than the optimum commutation time would be. If the angle between the electric and the magnetic field in the range of 30 °, then can be done with a single such Kurzkommutierungsschritt an equalization of the electric to the magnetic field.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung enthält die Kurzkommutierungsphase daher genau einen Kurzkommutierungsschritt. In an advantageous embodiment of the invention, the short commutation phase therefore contains exactly one short commutation step.

Wenn der Winkel zwischen dem elektrischen Feld und dem magnetischen Feld allerdings zu groß ist, kann es sein, dass der sogenannte Freilaufimpuls (fly back pulse) den Nulldurchgang der BEMF überdeckt. Das bedeutet, dass kein Nulldurchgang in dieser Phase detektiert werden kann. In so einem Fall kann auch nicht unmittelbar nach dem Nulldurchgang kommutiert werden. However, if the angle between the electric field and the magnetic field is too large, it may be that the so-called fly back pulse covers the zero crossing of the BEMF. This means that no zero crossing can be detected in this phase. In such a case can not be commuted immediately after the zero crossing.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Kommutierung in der Kurzkommutierungsphase dann im Wesentlichen unmittelbar nach einem Freilaufimpuls. Appropriately, the commutation then takes place in the Kurzkommutierungsphase then substantially immediately after a freewheeling pulse.

Da dieser Kommutierungszeitpunkt später als der Nulldurchgang ist, kann es sein, dass der Winkel zwischen elektrischem Feld und magnetischem Feld nicht genug reduziert ist, um in die Betriebsphase überzugehen. Since this commutation time is later than the zero crossing, it may be that the angle between electric field and magnetic Field is not reduced enough to go into the operational phase.

In einer Weiterbildung der Erfindung enthält die Kurzkommutierungsphase daher mehr als einen Kurzkommutierungsschritt. Der Winkel zwischen elektrischem Feld und magnetischem Feld kann so mit jedem Kurzkommutierungsschritt reduziert werden, so dass ein sicherer Übergang in die Betriebsphase erfolgen kann. Insbesondere kann die Kurzkommutierungsphase zwischen einem und sechs Kurzkommutierungsschritte aufweisen, vorzugsweise zwei bis drei. In a development of the invention, the short commutation phase therefore contains more than one short commutation step. The angle between the electric field and the magnetic field can thus be reduced with each short commutation step so that a safe transition into the operating phase can take place. In particular, the short commutation phase can have between one and six short commutation steps, preferably two to three.

Dabei ist es möglich, dass der oder die ersten Kommutierungsschritte nach einem Freilaufimpuls und die darauffolgenden nach einem Nulldurchgang erfolgen. It is possible that the first or the first commutation steps after a freewheeling pulse and the subsequent done after a zero crossing.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

1 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer H-Brücke zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, 1 shows an exemplary embodiment of an H-bridge for driving a brushless DC motor,

2 zeigt ein Kommutierungsmuster nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in Form eines Schaubild der angelegten Spannung als Funktion der Zeit für das Beispiel eines dreiphasigen Gleichstrommotors. 2 shows a commutation pattern according to the inventive method in the form of a graph of the applied voltage as a function of time for the example of a three-phase DC motor.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention is explained in more detail with reference to an embodiment.

Das Beispiel ist ein Klappensteller für eine Kühleranordnung eines Automobils. In modernen Automobilen können die Öffnungen des Kühlers geschlossen werden, wenn die Kühlluft nicht benötigt wird um die Aerodynamik zu Verbessern, so dass das Auto weniger Benzin verbraucht. Der Kühler weist dazu Klappen auf, die durch einen Stellantrieb angetrieben werden. Dieser Stellantrieb weist einen elektronisch kommutierten Elektromotor auf, der über ein Getriebe mit der Stellmechanik den Kühlerklappen verbunden ist. The example is a flapper for a radiator assembly of an automobile. In modern automobiles, the radiator openings may be closed when the cooling air is not needed to improve the aerodynamics so that the car consumes less gasoline. The cooler has for this purpose flaps, which are driven by an actuator. This actuator has an electronically commutated electric motor, which is connected via a transmission with the adjusting mechanism, the radiator flaps.

Um Kosten zu sparen und wegen der höheren Temperaturen im Motorraum wird der Motor sensorlos betrieben. Wie bereits oben erwähnt, stehen daher im Stillstand keine Lageinformationen zur Verfügung, die eine Kommutierung des Motors beim Starten erlauben. Aus diesem Grund wird der Motor in einer Anlaufphase gestartet. In der Anlaufphase ist ein festes Kommutierungsmuster vorgegeben, durch das die Kommutierung zu festen Zeitpunkten erfolgt. Ziel in der Anlaufphase ist es den Motor möglichst schnell zu beschleunigen, so dass möglichst schnell die zur Kommutierung notwendige BEMF vorliegt. To save costs and because of the higher temperatures in the engine compartment, the engine is operated sensorless. As already mentioned above, therefore, no position information is available at standstill, which allow a commutation of the motor when starting. For this reason, the engine is started in a start-up phase. In the start-up phase, a fixed commutation pattern is specified, through which the commutation takes place at fixed times. The aim in the start-up phase is to accelerate the engine as fast as possible so that the BEMF necessary for commutation is available as quickly as possible.

Im Beispiel wird bereits ab dem ca. sechsten Kommutierungsschritt die Nulldurchgangsdetektion auf der jeweils unbestromten Motorphase gestartet. Sobald sechs aufeinanderfolgende, gültige Nulldurchgänge detektiert wurden, wird davon ausgegangen, dass der Motor erfolgreich gestartet ist. Ein Nulldurchgang ist gültig, wenn er auf der erwarteten Motorphase in der erwarteten Abfolge erfolgt. Das stellt sicher, dass der Motor auch in der richtigen Drehrichtung gestartet ist. In the example, the zero crossing detection is started on the respectively de-energized motor phase already from the approximately sixth commutation step. Once six consecutive valid zero crossings have been detected, it is assumed that the motor has successfully started. A zero crossing is valid if it occurs on the expected engine phase in the expected sequence. This ensures that the motor is also started in the correct direction of rotation.

Die Anlaufphase dauert in der Regel etwa 20 Kommutierungsschritte. The start-up phase usually takes about 20 commutation steps.

Zum schnellen Beschleunigen wird der Motor mit einem sehr hohen Strom betrieben. Der Motor ist in dieser Anlaufphase über- oder untererregt. Das bedeutet, er würde durch den hohen Strom schneller drehen, als die erzwungene Kommutierung erlaubt. Aus diesem Grund bilden das elektrische Feld und das magnetische Feld einen Winkel. For fast acceleration, the engine is operated with a very high current. The engine is over or under excited during this startup phase. This means it would spin faster due to the high current than forced commutation allows. For this reason, the electric field and the magnetic field form an angle.

Um diesen Winkel abzubauen wird nun erfindungsgemäß, nachdem die sechs gültigen Nulldurchgänge detektiert wurden, ein erfindungsgemäßer Kurzkommutierungsschritt eingelegt. In diesem erfolgt die nächste Kommutierung bereits unmittelbar nach dem Nulldurchgang der BEMF. Für eine normale Kommutierung wäre dieser Kommutierungszeitpunkt viel zu früh. In diesem Fall führt er aber dazu, dass sich das elektrische und das magnetische Feld annähern. In der Regel reicht ein Kurzkommutierungsschritt aus, damit der Winkel so verkleinert wird, dass er keine Rolle mehr spielt. In order to reduce this angle, according to the invention, after the six valid zero crossings have been detected, a short commutation step according to the invention is inserted. In this, the next commutation already takes place immediately after the zero crossing of the BEMF. For a normal commutation this commutation would be much too early. In this case, however, it causes the electric and the magnetic field to approach each other. As a rule, a short commutation step is sufficient to reduce the angle so that it no longer plays a role.

Nach diesem Kurzkommutierungsschritt wird in die Betriebsphase übergegangen, in der die Nulldurchgänge der BEMF zur Kommutierung zur Verfügung stehen. In der Regel erfolgt eine Kommutierung jeweils 30° elektrisch nach einem Nulldurchgang der BEMF. After this short commutation step, the operation phase is entered in which the zero crossings of the BEMF are available for commutation. As a rule, a commutation takes place in each case 30 ° electrical after a zero crossing of the BEMF.

In 1 ist beispielhaft eine Ansteuerschaltung 1 zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors gezeigt, der auch für den zuvor beschriebenen Klappensteller verwendet werden kann. Mit Hilfe von Halbleiterschaltern Q eines Wechselrichter, beispielsweise einer Brückenschaltung, können die Ströme durch die Phasenwicklungen U, V, W des Motors gesteuert werden und damit das am Motor anliegende Drehmoment sowie dessen Drehfrequenz eingestellt werden. Im Beispiel sind die Phasenwicklungen U, V, W in einer sogenannten Sternschaltung verschaltet, wobei die Phasenwicklungen (Induktivitäten) im Sternpunkt 3 verbunden sind und der jeweils untere Halbleiterschalter auf Masse GND liegt. Die Gate-Eingänge der Halbleiterschalter Q, zum Beispiel MOSFET-Schalter, sind durch die Signale BHn (mit n = 0.0, 0.1, 0.2, 1.0, 1.1, 1.2) mit der Ansteuerschaltung verbunden. In 1 is an example of a drive circuit 1 for commutating a brushless DC motor, which can also be used for the previously described flap plate. By means of semiconductor switches Q of an inverter, for example a bridge circuit, the currents through the phase windings U, V, W of the motor can be controlled and thus the voltage applied to the motor torque and its rotational frequency can be adjusted. In the example, the phase windings U, V, W are connected in a so-called star connection, wherein the phase windings (inductances) in the star point 3 are connected and the respective lower semiconductor switch is grounded GND. The gate inputs of the semiconductor switches Q, for example MOSFET switches, are connected to the drive circuit by the signals BHn (where n = 0.0, 0.1, 0.2, 1.0, 1.1, 1.2).

Ferner ist ein virtueller Sternpunkt MTC vorgesehen, der aus einem Widerstands-Netzwerk besteht, welches jeweils mit den Zuleitungen der drei Motorphasen verbunden ist. Der virtuelle Sternpunkt MTC dient als Spannungsabgriff zur Bestimmung des Nulldurchgangs der BEMF-Spannung. Furthermore, a virtual star point MTC is provided, which consists of a resistance network, which is connected to the supply lines of the three motor phases. The virtual star point MTC serves as a voltage tap for determining the zero crossing of the BEMF voltage.

Desweiteren weist der Ansteuerschaltung 1 eine Verstärkerschaltung 4 zur Messung des Motorstromes auf, die einerseits mit Messwiderständen RSHUNT und andererseits mit einem Analog-Digital-Wandler-Eingang (ADC) der Ansteuerschaltung verbunden ist. Furthermore, the drive circuit 1 an amplifier circuit 4 for measuring the motor current, which is connected on the one hand with measuring resistors R SHUNT and on the other hand with an analog-to-digital converter input (ADC) of the drive circuit.

2 zeigt die an den Phasenwicklungen U, V, W sowie die am virtuellen Sternpunkt MTC abgegriffene Spannung eines bürstenlosen Gleichstrommotors als Funktion des Phasenwinkels im Übergangsbereich der Anlaufphase zur Betriebsphase. Es wurden dabei der Einfachheit wegen die Freilaufpulse ausgeblendet und eine sinusförmige BEMF angenommen, während der Motor auf einer konstanten Drehzahl gehalten wird. 2 shows the tapped at the phase windings U, V, W and at the virtual star point MTC voltage of a brushless DC motor as a function of the phase angle in the transition region of the start-up phase to the operating phase. For the sake of simplicity, the freewheeling pulses were faded out and a sinusoidal BEMF was assumed, while the motor was kept at a constant speed.

Das Kommutierungsmuster zeigt, wie kurz nach der letzten vorgegebenen Kommutierung SK der Synchronphase eine Kurzkommutierung KK erfolgt. Dabei wird im Beispiel bei der letzten vorgegebenen Kommutierung SK der Lowside-Schalter der Phase U geöffnet und der Lowside-Schalter der Phase W geschlossen. Bei der folgenden Kurzkommutierung KK wird der Highside-Schalter der Phase U geschlossen während für die Phase V der Highside-Schalter geöffnet wird. Der Klarheit wegen wurde der Abstand zwischen der letzten Kommutierung SK im Synchronmodus und der Kurzkommutierung KK übertrieben groß dargestellt und die Zeiten zwischen den Kommutierungen sind mit Ausnahme der Kurzkommutierung KK konstant. Die Kommutierung IK nach dem ersten Nulldurchgang BEMF0 der BEMF während der Kurzkommutierungsphase stellt im Beispiel die erste ideale und sensorlos gesteuerte Kommutierung dar, wobei der Lowside-Schalter der Phase V geschlossen und der Lowside-Schalter der Phase W geöffnet wird. Die energetisch ideale Kommutierung des sensorlosen Betriebs spiegelt sich in der 2 in dem zum Spannungswert VCC/2 symmetrischen Verhalten der am virtuellen Sternpunkt MTC anliegenden Spannung wieder. The commutation pattern shows how shortly after the last predetermined commutation SK of the synchronous phase a short commutation KK occurs. In the example, in the case of the last given commutation SK, the lowside switch of the phase U is opened and the low-side switch of the phase W is closed. In the following short commutation KK, the high-side switch of the phase U is closed while the highside switch is opened for the phase V. For clarity, the distance between the last commutation SK in synchronous mode and the short commutation KK has been exaggerated and the times between the commutations are constant except for the short commutation KK. In the example, the commutation IK after the first zero crossing BEMF0 of the BEMF during the short commutation phase represents the first ideal and sensorless controlled commutation, whereby the lowside switch of the phase V is closed and the low-side switch of the phase W is opened. The energetically ideal commutation of sensorless operation is reflected in the 2 in the symmetrical to the voltage value VCC / 2 behavior of the voltage applied to the virtual neutral point MTC voltage again.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Ansteuerschaltung  drive circuit
22
Wechselrichter  inverter
33
Sternpunkt  star point
44
Verstärkerschaltung  amplifier circuit
ADC ADC
Analog-Digital-Wandler-Eingang Analog-to-digital converter input
U, V, W AND MANY MORE
Motorphasen motor phases
QQ
Halbleiterschalter  Semiconductor switches
BHnBHN
Gate-Signale der MOSFET-Schalter  Gate signals of the MOSFET switches

Claims (6)

Verfahren zum Betreiben eines sensorlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors, mit einer Anlaufphase, in der die Kommutierung nach einem vorgegebenen Kommutierungsmuster erfolgt und einer Betriebsphase, in der die Kommutierung in Abhängigkeit der gegenelektromotorischen Kraft (BEMF) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anlaufphase und der Betriebsphase eine Kurzkommutierungsphase durchlaufen wird, in der die Kommutierung mit einem oder mehreren Kurzkommutierungsschritten erfolgt, wobei in mindestens einem Kurzkommutierungsschritt die Kommutierung um mindestens 10° elektrisch früher als die erste Kommutierung in der Betriebsphase erfolgt. Method for operating a sensorless, electronically commutated direct-current motor, with a start-up phase in which the commutation takes place according to a predetermined commutation pattern and an operating phase in which the commutation takes place as a function of the counterelectromotive force (BEMF), characterized in that between the start-up phase and the Operating phase is passed through a short commutation phase, in which the commutation is carried out with one or more Kurzkommutierungsschritten, wherein in at least one short commutation step, the commutation takes place at least 10 ° electrically earlier than the first commutation in the operating phase. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierung in der Kurzkommutierungsphase zum Zeitpunkt oder unmittelbar nach einem Nulldurchgang der BEMF erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the commutation in the Kurzkommutierungsphase takes place at the time or immediately after a zero crossing of the BEMF. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierung in der Kurzkommutierungsphase im Wesentlichen unmittelbar nach einem Freilaufimpuls erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the commutation takes place in the short commutation phase substantially immediately after a freewheeling pulse. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzkommutierungsphase mindestens einen und maximal sechs Kurzkommutierungsschritte enthält. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Kurzkommutierungsphase contains at least one and a maximum of six Kurzkommutierungsschritte. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzkommutierungsphase genau einen Kurzkommutierungsschritt enthält. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the short commutation phase contains exactly one short commutation step. Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, der gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 betrieben wird.  An electronically commutated DC motor operated in accordance with the method of any one of claims 1 to 5.
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