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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines sensorlosen Elektromotors mit mehreren Phasen und einem Rotor mit mehreren Polen. Ferner betrifft die Erfindung eine Motoransteuerungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei dem die Bestromung einer Phase mit der Versorgungsspannung durch eine Steuereinheit geregelt wird.
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Ein herkömmlicher Elektromotor der eingangs genannten Art ist in 1 (Stand der Technik) dargestellt und besteht aus einem drehfest gelagerten Stator 2, der im dargestellten Fall drei um jeweils 120° zueinander versetzt angeordnete Phasen A, B, C besitzt, die durch eine bestimmte Bestromung ein entsprechendes Magnetfeld generieren. Innerhalb des ringförmigen Stators 2 ist ein Rotor 3 angeordnet, der mehrere magnetische Pole S1,2 und N1,2 besitzt. Durch eine Rotation des Rotors 3 und eine Änderung des magnetischen Flusses innerhalb der Spulen 4, 4‘; 5, 5‘; 6, 6‘ der einzelnen Phasen A, B, C wird in jeder der Phasen A, B, C ein Strom induziert. Der Spannungsverlauf ist dabei in jeder Phase A, B, C sinusförmig, wobei die einzelnen Phasen A, B, C um 120° zueinander verschoben sind. Umgekehrt ist es durch eine geeignete Bestromung der Phasen A, B, C möglich, den Rotor 3 in eine Drehbewegung zu versetzen und die Rotation mit einer gewünschten Frequenz aufrecht zu erhalten.
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Zur Steuerung der Versorgungsspannung der Phasen sind nach dem Stand der Technik die sogenannte Blockkommutierung und die feldorientierte Steuerung bekannt. Wie beispielsweise in
DE 10 2007 040 217 A1 beschrieben wird, werden bei der Blockkommutierung die Phasen mit blockförmigen Strömen gespeist. In einer Phase eines dreiphasigen Motors fließt über einen elektrischen Winkel von 120° ein konstanter Strom, dann ist die Phase für 60° elektrisch stromlos und es folgt ein konstanter Strom über 120° mit umgekehrtem Vorzeichen und wieder eine 60°-Stromlücke. Die drei Phasen sind um 120° elektrisch phasenversetzt. Auf diese Weise entsteht ein drehendes magnetisches Feld. Um das Drehfeld von Stator und Rotor in einer optimalen Lage zueinander zu halten, ist die Kenntnis der Rotorposition erforderlich. Aus der Rotorposition werden dann die Kommutierungszeitpunkte bestimmt.
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Zur Bestimmung der Rotorposition können Sensoren, bspw. Hallsensoren, verwendet werden. Es ist aber auch möglich, elektrisch kommutierte Gleichstrommaschinen sensorlos zu betreiben. In diesem Fall wird die Lage des Rotors indirekt aus der elektrischen Größe der Maschine bestimmt. Wie bereits erläutert wurde, treten in jeder Phase Stromlücken auf, in der durch das Rotordrehfeld eine Spannung in die Statorphase induziert wird. Die induzierte Spannung kann für die Bestimmung der Rotorlage bzw. zur Bestimmung des nächsten Kommutierungszeitpunktes herangezogen werden, wozu insbesondere die Nulldurchgänge bestimmt werden.
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Das permanente Umschalten einer Phase vom bestromten zum unbestromten Zustand ist mit erheblichen Nachteilen verbunden. Insbesondere sind eine starke Geräuschbelästigung und auch ein nicht nur bereichsweise sinusförmiger Spannungsverlauf innerhalb der Phasen zu nennen, was mit Leistungsverlusten und einem verbesserungsfähigen Wirkungsgrad verbunden ist.
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Dem gegenüber treten bei der feldorientierten Steuerung keine vergleichbaren Stromlücken auf, da jede Phase mit einer Versorgungsspannung in Form eines PWM-Signals (Puls-Width-Modulation) gespeist wird, so dass sich aufgrund der Trägheit der Spulen ein im Wesentlichen sinusförmiger Spannungsverlauf innerhalb der Phasen ergibt. Die Rotorposition bzw. die Nulldurchgänge und mithin der Zeitpunkt des nächsten PWM-Signals werden in diesem Fall anhand des Stromverbrauchs bestimmt. Hierzu ist die exakte Kenntnis diverser Parameter des Motors erforderlich, wie beispielsweise die Induktivitäten der Spulen und die Koerzitivfeldstärke der Magnete innerhalb des Rotors. Nachteiligerweise wird die Berechnung der Rotorposition mit dieser Methode bei auftretenden Lastwechseln und Änderungen der äußeren Einflüsse, wie beispielsweise der Temperatur, die die induzierte Spannung und den Stromverbrauch beeinflusst, zunehmend ungenau, was einer exakten Motorsteuerung entgegen wirkt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum sensorlosen Betrieb eines Elektromotors und eine Motoransteuerung zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen, bei denen die genannten Nachteile behoben werden. Insbesondere soll eine geräuscharme und exakte Motorsteuerung geschaffen werden, die auch bei Änderungen der äußeren Bedingungen eine exakte Steuerung des Motors ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, wonach erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass zur Erkennung der Rotorposition, insbesondere zur Erkennung eines Nulldurchgangs, die Spannungsdifferenz zwischen der Phasenspannung einer bestromten Phase und der Versorgungsspannung bestimmt wird, wobei dann ein Nulldurchgang stattgefunden hat, wenn die Spannungsdifferenz verschwindet oder die Spannungsdifferenz die Polarität geändert hat.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe durch die Motoransteuerungsvorrichtung nach Anspruch 2 gelöst, wonach die Steuereinheit erfindungsgemäß mit einer Referenzeinheit verbunden ist, mit der die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung und der Phasenspannung bestimmbar ist, die sich aus der Summe der Versorgungsspannung und der durch den Rotor in die Phase induzierte Spannung ergibt. Der Kernpunkt der vorliegenden Erfindung ist mithin der Vorschlag, die Bestromung der Phasen zur Bestimmung eines Nulldurchgangs nicht zu unterbrechen, so dass in jede Phase ein komplettes PWM-Signal eingespeist werden kann, womit sich innerhalb der Phasen ein weitestgehend sinusförmiger Spannungsverlauf ergibt. Hierzu besitzt die Motoransteuerungsvorrichtung neben der an sich bekannten Steuereinheit eine baugleiche Referenzeinheit, die mit dem identischen Strom in Form des PWM-Signals gespeist wird, die allerdings nicht mit einer der Phase des Elektromotors verbunden ist, so dass sich aus der Differenz der Versorgungsspannung (Referenzspannung) und der Phasenspannung die Spannung ableiten lässt, die durch Induktion von dem sich drehenden Rotor in die Phasen induziert wird, woraus sich unmittelbar die Nulldurchgänge ergeben, sofern die Spannungsdifferenz verschwindet oder die Polarität gewechselt hat.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend und in den Unteransprüchen angegeben.
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Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit zur Regelung der Versorgungsspannung einer Phase aus einem Treiber, insbesondere einem Gate Driver oder einer dedizierten Schaltung, und einer Halbbrücke besteht, die einerseits mit dem Minuspol und andererseits mit dem Pluspol einer Spannungsquelle sowie der Phase verbunden ist, so dass die Phase mit der Versorgungsspannung in Form eines PWM-Signals bestrombar ist. Insbesondere eine Ausführungsform mit einem Gate Driver hat sich in der Praxis als bevorzugt herausgestellt, sowie die Spannungsversorgung in Form eines PWM-Signals durchzuführen, wonach sich ein sinusförmiger Spannungsverlauf in jeder der Phasen ergibt, was zu einem sehr effektiven und geräuscharmen Antrieb führt.
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Analog zu der Steuereinheit weist auch die Referenzeinheit eine (baugleiche) Halbbrücke auf, die einerseits mit dem Minuspol und andererseits mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden ist. Die Halbbrücken – sowohl innerhalb der Steuereinheit als auch der Referenzeinheit – bestehen vorzugsweise aus zwei variablen Widerständen, insbesondere aus zwei MOSFETs, die sich in der Praxis zur Durchführung des Verfahrens besonders bewährt haben.
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Die Spannungsdifferenz zwischen der in der Referenzeinheit abgreifbaren Versorgungsspannung und der in der Steuereinheit abgreifbaren Phasenspannung wird vorzugsweise mittels eines Komparators bestimmt, mit dem sowohl die Steuereinheit als auch die Referenzeinheit verbunden ist. Das Ausgangssignal des Komparators wird einem Mikrokontroller zugeführt, der nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sowohl mit dem Komparator als auch mit dem Treiber verbunden ist und der den Treiber in Abhängigkeit der Eingangssignale des Komparators steuert. Insbesondere wird hierin die Form und die Startzeit des nächsten PWM-Signals festgelegt.
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Eine konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert, die folgendes in schematischer Darstellung zeigen:
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1: einen Elektromotor mit drei Phasen,
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2a, b: Schaltungsanordnungen einer Motorsteuerung und
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3: die Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Wie eingangs bereits ausgeführt wurde, zeigt 1 einen Elektromotor 1, der beispielsweise mittels einer Blockkommutierung gesteuert wird. Der Motor 1 besitzt hierzu einen Stator 2 mit drei Phasen A, B, C, die mit jeweils zwei Spulen 4, 4‘; 5, 5‘; 6, 6‘ verbunden sind. Im Zentrum der Phasen A, B, C ist ein Rotor 3 angeordnet, der in Pfeilrichtung 8 drehbar ist und der die magnetischen Pole S1,2 und N1,2 aufweist. Bei der gezeigten Anordnung wird bei einer Rotation des Rotors 3 innerhalb jeder Phase A, B, C eine sinusförmige Spannung induziert, wobei die Phasen A, B, C um jeweils 120° versetzt zueinander verlaufen (Drehstrom). Umgekehrt lässt sich der Motor 1 durch eine entsprechende Bestromung der Phasen A, B, C in eine Rotation versetzen, wozu die Phasen A, B, C in einem gewissen Rhythmus und mit der richtigen Polarität bestromt werden müssen. Der richtige Zeitpunkt zum Umschalten (Kommutierungszeitpunkt) ergibt sich aus einem Nulldurchgang, bei dem die induzierte Spannung verschwindet oder die Polarität wechselt. Zur Feststellung dieses Zeitpunkts wird bei der sensorlosen Motorsteuerung die induzierte Spannung gemessen, die jeweils an der stromlosen Phase anliegt (Stand der Technik).
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich ein Nulldurchgang auch in einer bestromten Phase messen. Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise einer konkreten Ausgestaltung einer solcher Motoransteuerung ist in 2a eine Schaltung 21 von nur einer Phase A des Motors 1 dargestellt. Die Schaltung 21 besitzt eine Stromquelle mit einem Pluspol 22 und einem Minuspol 23. Die elektrischen Pole 22, 23 sind über eine erste Steuereinheit 24 elektrisch miteinander verbunden, wobei die Steuereinheit 24 einen Treiber 25 und eine Brückenschaltung 26 (Halbbrücke) umfasst. Die Brückenschaltung 26 wird durch zwei MOSFETs 27, 27‘ gebildet und ist mit der Phase A des Elektromotors 1 verbunden.
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Durch eine von dem Treiber 25 gesteuerte Umschaltung der MOSFETs 27, 27' wird die Phase A mit einer Versorgungsspannung in Form eines PWM-Signals gespeist, so dass sich innerhalb der Phase A ein sinusförmiger Spannungsverlauf ergibt, der den in 2a nicht gezeigten Rotor in eine Rotation versetzt. Die Rotation des Rotors bewirkt wiederum eine induzierte Spannung innerhalb der Phase A, die sich mit der Versorgungsspannung (PWM-Signal) zu der Phasenspannung aufaddiert.
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Neben der Steuereinheit 24 ist die Spannungsquelle über eine im Wesentlichen baugleiche Referenzeinheit 29 verbunden, die ebenfalls zwei MOSFETs 28, 28‘ aufweist, deren Umschalten von dem Treiber 25 gesteuert wird. Das Ausgangssignal der Referenzschaltung ist mithin identisch zu der Versorgungsspannung der Phase A.
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Die Ausgänge der Brückenschaltungen innerhalb der Steuer- und Referenzeinheit sind über die elektrischen Leitungen 30, 30‘ mit einem Komparator 31 verbunden, in dem die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung und der Phasenspannung festgestellt wird. Die gemessenen Daten werden an einen Mikrokontroller 32 weitergeleitet, der die Daten auswertet und den Treiber 25 zur Regelung des nächsten PWM-Signals anweist, wenn sich die Polarität der Spannungsdifferenz, die in dem Komparator 31 gemessen wird, geändert hat.
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2b zeigt die Schaltungsanordnung 21' für alle drei Phasen A, B, C. Für jede Phase ist eine Steuereinheit 24, 24‘, 24‘‘ und eine Referenzeinheit 29, 29‘, 29‘‘ vorgesehen, so dass alle Phasen A, B, C in entsprechender Weise bestromt werden können.
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In vereinfachter Darstellung zeigt 3 nochmals das erfindungsgemäße Prinzip. Die Versorgungsspannung einer Phase A, B, C liegt in Form eines PWM-Signals 41 vor und bewirkt die Rotation des Rotors (in 3 nicht dargestellt). Die durch die Rotation des Rotors in die Phase induzierte und sinusförmige Spannung 42 (back EMF) überlagert sich mit der Versorgungsspannung zur Phasenspannung 43. Innerhalb des Komparators 31 wird die Differenzspannung zwischen der Referenzspannung 44, also der Versorgungsspannung 41 in Form des PWM-Signals und der Phasenspannung 43 bestimmt. Das Ergebnis ist die induzierte Spannung 42, die Aufschluss über die Rotorposition, insbesondere über einen etwaigen Nulldurchgang, liefert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040217 A1 [0003]
