DE102015204396A1

DE102015204396A1 - Steuerung und Verfahren zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE102015204396A1
Application number: DE102015204396.7A
Authority: DE
Inventors: Elmar Hoppach; Florian Mantel; Stefan Türk
Original assignee: Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-09-15

Abstract

Eine Steuerung (ST) für einen Wechselrichter (WR) zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BM) mittels eines Antriebsstroms (Ig) umfasst einen Pulsweitengeber (PWG) zum Erzeugen eines Pulsweitenvorgabesignals (SPW) zum Steuern des Wechselrichters (WR) und einen Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer (KZB) für ein erstes Bestimmen eines Kommutierungszeitpunkts. Der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer (KZB) ist dazu vorbereitet, den Kommutierungszeitpunkt unter Berücksichtigung eines Maßes (M1, M2) zu bestimmen, das von einer Stärke des Antriebsstroms (Ig) abhängig ist, wobei das Maß (M1, M2) während eines Anfahrens des bürstenlosen Gleichstrommotors (BM) ermittelt wird. Außerdem betrifft die Erfindung einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BM) der eine erfindungsgemäße Steuerung (ST) aufweist. Darüberhinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren (100) zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BM).

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Wechselrichter zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels eines Antriebsstroms. Die Steuerung weist einen Pulsweitengeber zum Erzeugen eines Pulsweitenvorgabesignals zum Steuern des Wechselrichters und einen Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer für ein erstes Bestimmen eines Kommutierungszeitpunkts auf. Der bürstenlose Gleichstrommotor kann eine Rotationsmaschine oder eine Linearmaschine sein. Die vorliegende Erfindung ist auch in einer Betriebsweise anwendbar, in der der bürstenlose Gleichstrommotor als bürstenloser Gleichstromgenerator betrieben wird.
Außerdem betrifft die Erfindung einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der so eine Steuerung aufweist und ein Fahrzeug, das so einen bürstenlosen Gleichstrommotor aufweist.
Darüberhinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Das Verfahren umfasst Folgendes: Erzeugen eines Pulsweitenvorgabesignals zum Steuern eines Wechselrichters des bürstenlosen Gleichstrommotors und ein erstes Bestimmen eines Kommutierungszeitpunkts.
Die DE 10 2012 102 868 A1 beschreibt ein Verfahren zum Anfahren eines mehrphasigen, winkelgeberlos kommutierten, bürstenlosen Elektromotors. In einer Anlaufphase werden Kommutierungszeitpunkte anhand von Nulldurchgängen einer BEMF-Spannung (gegen-elektromotorischen Kraft) von unbestromten Statorphasenwicklungen bestimmt. Allerdings ist die gegenelektromotorische Kraft bei niedriger Drehzahl sehr klein, sodass sie bei niedriger Drehzahl noch nicht genutzt werden kann, um eine Positionsregelgröße zu liefern, mit der der Anfahrvorgang des bürstenlosen Elektromotors regelbar ist. Deshalb sieht die DE 10 2012 102 868 A1 vor der Anlaufphase eine Startphase vor, in welcher der Motor aus dem Stillstand mit festgelegten Kommutierungszeiten betrieben wird.
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass festgelegte Kommutierungszeiten an das zu erwartende Lastmoment angepasst werden müssen, um ein verlässliches Anlaufen des bürstenlosen Gleichstrommotors sicherzustellen. In vielen Anwendungen ist das beim Anfahren aufzubringende Drehmoment von einem oder mehreren Betriebsparametern (beispielsweise Temperatur, Abnutzungsgrad) abhängig, sodass die Inbetriebnahmeverlässlichkeit des bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer festen Einstellung von Kommutierungszeiten nicht hundertprozentig sichergestellt werden kann. Solche Anwendungen können beispielsweise Lüfterantriebe, Pumpenantriebe oder Fensterheber sein. Insbesondere ist bisher kein kostengünstiges, winkelgeberloses Steuerungsverfahren bekannt, mit dem über einen großen Lastbereich ein verlässliches Anfahren des bürstenlosen Gleichstrommotors ohne eine Umparametrisierung der festgelegten Kommutierungszeiten möglich erscheint.
So ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Steuerung für einen Wechselrichter zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors bereitzustellen, die in einem großen Last- und Temperaturbereich ein Anfahren des bürstenlosen Gleichstrommotors ohne Kenntnis von Last und Temperatur ermöglicht. Außerdem soll ein Verfahren zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit diesem Vorteil bereitgestellt werden. Für viele Anwendungsbereiche ist erwünscht, dass der bürstenlose Gleichstrommotor mit hundertprozentiger Verlässlichkeit aus einem Stillstand in einen Normalbetrieb überführt werden kann, ohne dafür eine Umparametrisierung in Kauf zu nehmen. Wenn die Stromstärke, die für ein Anfahren des bürstenlosen Gleichstrommotors erforderlich ist, die Spezifikation des bürstenlosen Gleichstrommotors (beispielsweise seiner Wicklungen, seines Wechselrichters oder einer Stromquelle für den bürstenlosen Gleichstrommotor) übersteigt, soll er mit einem dauerhaft gleichbleibenden Drehmoment betrieben werden.
Darüberhinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit diesen Eigenschaften bereitzustellen.
Des Weiteren ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor bereitzustellen, der in einem großen Last- und Temperaturbereich ohne Kenntnis von Last und Temperatur anfahrbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Steuerung gelöst, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 umfasst, mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor nach Anspruch 7, einem Fahrzeug nach Anspruch 8 und einem Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Steuerung für einen Wechselrichter zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels eines Antriebsstroms weist auf: einen Pulsweitengeber zum Erzeugen eines Pulsweitenvorgabesignals zum Steuern des Wechselrichters und einen Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer für ein erstes Bestimmen eines Kommutierungszeitpunkts. Der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer ist dazu vorbereitet, den Kommutierungszeitpunkt unter Berücksichtigung eines Maßes zu bestimmen, das von einer Stärke des Antriebsstroms abhängig ist, wobei das Maß während eines Anfahrens des bürstenlosen Gleichstrommotors ermittelt wird. Das Maß kann eine digitale Größe oder eine analoge Größe (beispielsweise eine Spannung, ein Strom, eine Frequenz oder eine Pulsweite sein). Hierbei wird unterstellt, dass in der Regel ein kausaler Zusammenhang zwischen dem Antriebsstrom und dem Maß besteht, das vom Antriebsstrom abhängig ist. Durch diesen Zusammenhang sind Veränderungen, die im Antriebsstrom erkennbar sind, auch im Maß zu beobachten, das vom Antriebsstrom abhängig ist.
Ein erfindungsgemäßer bürstenloser Gleichstrommotor weist eine erfindungsgemäße Steuerung auf. Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist einen erfindungsgemäßen bürstenlosen Gleichstrommotor auf.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors umfasst: Erzeugen eines Pulsweitenvorgabesignals zum Steuern eines Wechselrichters des bürstenlosen Gleichstrommotors und erstes Bestimmen eines Kommutierungszeitpunkts unter Berücksichtigung eines Maßes, das von einer Stärke eines Antriebsstroms des bürstenlosen Gleichstrommotors abhängig ist, wobei das Maß während des Anfahrens des bürstenlosen Gleichstrommotors ermittelt wird.
Ein Konzept der Erfindung kann darin gesehen werden, dass der Kommutierungszeitpunkt während einer Anlaufphase (beispielsweise während erster Kommutierungsschritte) unter Berücksichtigung eines Maßes, das von einer Stärke des Antriebsstroms abhängig ist, bestimmt wird, die in der Anlaufphase während des Beschleunigens ermittelt wird. Durch Auswerten eines Maßes, das von einer Stärke des Antriebsstroms abhängig ist, ist eine verlässliche Positionsbestimmung möglich, die mittels eines Auswertens der Gegen-EMK (EMK = Elektromotorische Kraft) in der Anlaufphase gar nicht oder zumindest nicht so verlässlich möglich ist, da die Gegen-EMK in der Anlaufphase dafür noch zu klein ist.
In einer ersten Ausführungsform der Steuerung weist der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer einen Maßextremwert-Erkenner zum Erkennen eines Zeitpunkts auf, in dem das Maß, das von einer Stärke des Antriebsstroms abhängig ist, einen Extremwert aufweist. Durch Erkennen des Zeitpunktes, in dem das Maß, das von einer Stärke des Antriebsstroms abhängig ist, einen Extremwert aufweist, kann zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunkts ein Merkmal des zeitlichen Verlaufs des Antriebsstroms herangezogen werden, das von einer Auswerteschaltung im Stromregler besonders verlässlich erkannt werden kann. Dies ist weitgehend unabhängig von einer Amplitude des Signals, mit der die erfasste Stromstärke abgebildet wird. Eine gut realisierbare Möglichkeit, das Maximum des Maßes, das von der Stärke des Antriebsstroms abhängig ist, zu erkennen, besteht darin, laufend erfasste Maße (die von der Stärke des Antriebsstroms abhängig sind) mit einem zwischengespeicherten Maß zu vergleichen, wobei das zwischengespeicherte Maß mit dem zuletzt erfassten Maß überschrieben wird, wenn das zuletzt erfasste Maß höher ist als das zwischengespeicherte Maß, wobei ein Maximum erkannt wird, wenn das zuletzt erfasste Maß um einen vorgegebenen Absolutwert oder um einen vorgegebenen Prozentsatz kleiner ist als das zwischengespeicherte Maß. Optional und in Verbindung mit der ersten Ausführungsform kann der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer zusätzlich einen Stromstärkenvergleicher für einen Vergleich desselben oder eines weiteren Maßes (das ebenfalls von der Stärke des Antriebsstroms abhängig ist) mit einem Schwellenmaß aufweisen, wobei ein Vergleich mit einer Zielstromstärke dazu genutzt wird, das Erkennen des Zeitpunktes, in dem das Maß, das von einer Stärke des Antriebsstroms abhängig ist, einen Extremwert aufweist, zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunkts nur dann zuzulassen, wenn dasselbe beziehungsweise das weitere Maß (das ebenfalls von der Stärke des Antriebsstroms abhängig ist) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet oder unterschreitet.
Eine zweite Ausführungsform der Steuerung, die eine Alternative zu der ersten Ausführungsform darstellt, sieht vor, dass der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer einen Stromstärkenvergleicher für einen Vergleich des Maßes mit einem Schwellenmaß aufweist. Damit wird neben der Kommutierungszeitpunktbestimmung zumindest tendenziell auch eine Vermeidung von Überströmen bewirkt. Außerdem lässt sich dieses Konzept mit einer geringen Schaltungskomplexität verwirklichen.
Es hat Vorteile, wenn das Maß das Pulsweitenvorgabesignal ist oder aus dem Pulsweitenvorgabesignal abgeleitet wird, das der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer dem Pulsweitengeber als Stellsignal für eine Pulsweite bereitstellt. Hierdurch wird dem Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunkts ein Signal als Eingangssignal zugeführt, das in Form und Qualität gut aufbereitet ist, sodass es von dem Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer bei geringem Schaltungsaufwand verlässlich ausgewertet werden kann. Dies setzt allerdings voraus, dass der Stromregler nicht so verzögerungsarm arbeitet, dass er Änderungen der Stromaufnahme nicht zu verzögerungsarm ausregelt.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Steuerung dazu vorbereitet ist, den Wechselrichter mit einer Drei-Schritt-Kommutierung zu betreiben. Dies kann insbesondere in der Anlaufphase vorteilhaft sein, weil dann im Vergleich zur üblichen Sechs-Schritt-Kommutierung pro Zeiteinheit nur halb so viele Kommutierungen stattfinden und eine Auswertevorrichtung in dem Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer doppelt so viel Zeit für die Auswertung des erfassten Stromverlaufs erhält.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Steuerung eine Gegen-EMK-Bewertungsvorrichtung zum Erkennen, wenn eine gegenelektromotorische Kraft für ein zweites Bestimmen von Kommutierungszeitpunkten ausreicht, aufweist und eine Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung für das zweite Bestimmen der Kommutierungszeitpunkte unter Berücksichtigung der gegenelektromotorischen Kraft aufweist. Hierdurch kann der bürstenlose Gleichstrommotor abhängig von der Art der aktuellen Betriebsphase (d.h. Anlaufphase bzw. Normalbetrieb) immer mit einem dafür passenden winkelgeberlosen Regelungsverfahren betrieben werden. Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Anfahrstrom mittels Erhöhens der Pulsweite erhöht wird, wenn die Gegen-EMK-Bewertungsvorrichtung nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne meldet, dass die gegenelektromotorische Kraft für das zweite Bestimmen von Kommutierungszeitpunkten ausreicht.
Entsprechende Vorteile sind gegeben, wenn das Verfahren zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors auch folgenden dritten und vierten Schritt umfasst. In dem dritten Schritt wird erkannt, wenn eine gegenelektromotorische Kraft für ein zweites Bestimmen von Kommutierungszeitpunkten ausreicht. In dem vierten Schritt erfolgt, sobald die gegenelektromotorische Kraft für das zweite Bestimmen von Kommutierungszeitpunkten ausreicht, ein zweites Bestimmen der Kommutierungszeitpunkte unter Berücksichtigung der gegenelektromotorischen Kraft.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines an einer Gleichspannungsquelle angeschlossenen bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer Steuerung für den bürstenlosen Gleichstrommotor;
2 ein schematisches Ersatzschaltbild des an der Gleichspannungsquelle angeschlossenen bürstenlosen Gleichstrommotors mit mehr Einzelheiten;
3 eine schematische Übersicht von Spannungs- und Stromverläufen in Abhängigkeit von einer Winkelstellung des Läufers des bürstenlosen Gleichstrommotors im Falle einer Sechs-Schritt-Kommutierung;
4 eine schematische Übersicht von Spannungs- und Stromverläufen in Abhängigkeit von einer Winkelstellung des Läufers des bürstenlosen Gleichstrommotors im Falle einer Drei-Schritt-Kommutierung; und
5 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BM).
In den Figuren werden für entsprechende Komponenten jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet. Bezugszeichenbezogene Erläuterungen gelten daher auch figurenübergreifend, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt.
Das in 1 schematisch dargestellte Fahrzeug FZ umfasst eine Gleichspannungsquelle GQ, an der ein bürstenloser Gleichstrommotor BM angeschlossen ist. Der bürstenlose Gleichstrommotor BM weist einen Wechselrichter WR auf, der als Drehstromquelle zur Bestromung eines Stators S des bürstenlosen Gleichstrommotors BM vorbereitet ist. Ein Läufer L des bürstenlosen Gleichstrommotors BM weist mindestens einen Permanentmagneten PM auf. Der Winkel β bezeichnet eine Winkelstellung des Läufers L gegenüber dem Stator S. Das Fahrzeug FZ weist eine Steuerung ST auf, die dazu vorbereitet ist, ein Pulsweitenvorgabesignal S_PW zum Steuern des Wechselrichters WR bereitzustellen.
Die Steuerung ST umfasst einen Pulsweitengeber PWG und einen Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer KZB. Der Pulsweitengeber PWG ist dazu vorbereitet, das Pulsweitenvorgabesignal S_PW zum Steuern des Wechselrichters WR zu erzeugen. Der Pulsweitengeber PWG ist typischerweise ein Stromregler, dem als Sollgröße eine Information über eine Zielstromstärke I_Ziel des Antriebsstroms I_g zugeführt wird, die der Stromregler einregeln soll.
Der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer KZB ist dazu vorbereitet, ein Kommutierungszeitpunkt-Signal S_KZP zu erzeugen, das Kommutierungszeitpunkte festlegt. Dazu weist der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer KZB einen Maßextremwert-Erkenner MEE, einen Stromstärkenvergleicher SSV und eine Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung KEV auf. Außerdem weist die Steuerung ST eine Wahlfunktion WF zur Auswahl eines der drei Kommutierungszeitpunkt-Signale S'_KZP, S''_KZP, S'''_KZP auf, die der Maßextremwert-Erkenner MEE, der Stromstärkenvergleicher SSV und die Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung KEV erzeugen.
Zur Erzeugung eines Maßes M1 einer Stärke einer Stromaufnahme des bürstenlosen Gleichstrommotors BM ist zwischen der Gleichspannungsquelle GQ und dem Wechselrichter WR ein Stromsensor Si angeordnet. Ein Signal mit dem Maß M1 wird dem Maßextremwert-Erkenner MEE und/oder dem Stromstärkenvergleicher SSV zugeführt. Alternativ oder zusätzlich wird dem Stromstärkenvergleicher SSV das Pulsweitenvorgabesignal S_PW aus dem Pulsweitengeber PWG zugeführt.
Der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer KZB weist eine Gegen-EMK-Bewertungsvorrichtung BV zum Bewerten einer Gegen-EMK auf (Bezugszeichen G-EMK). Die Gegen-EMK wird an den Phasenleitungen PL zwischen dem Wechselrichter WR und dem Stator S des bürstenlosen Gleichstrommotors BM mittels eines oder mehrerer Spannungssensoren Su erfasst. Ein Signal mit der so erfassten Gegen-EMK wird der Gegen-EMK-Bewertungsvorrichtung BV zugeführt. Die Gegen-EMK-Bewertungsvorrichtung BV ermittelt daraus, wann die Gegen-EMK groß genug ist, um damit Kommutierungszeitpunkte zu bestimmen. Außerdem wird die Gegen-EMK als Eingangssignal für die Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung KEV bereitgestellt. Die Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung KEV ermittelt aus einem zeitlichen Verlauf der Gegen-EMK Kommutierungszeitpunkte und stellt sie der Wahlfunktion WF bereit. Wenn die Gegen-EMK groß genug ist, um damit Kommutierungszeitpunkte zu bestimmen, veranlasst die Gegen-EMK-Bewertungsvorrichtung BV ein Umschalten der Wahlfunktion WF zur Abnahme des Signals S'''_KZP am Ausgang der Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung KEV. Dem Stromstärkenvergleicher SSV wird als Vergleichswert ein vorgegebenes Schwellenmaß M_SW zugeführt.
Die 2 zeigt von dem bürstenlosen Gleichstrommotor BM, der an der Gleichspannungsquelle GQ angeschlossen ist, ein Ersatzschaltbild mit zusätzlichen Einzelheiten. Die Gleichspannungsquelle GQ umfasst eine Spannungsquelle SQ und einen Zwischenkreis R_q, C mit einer Zwischenkreiskapazität C. Der Wechselrichter WR weist eingangsseitig einen Shunt R_g zum Erfassen eines Eingangsstroms I_g (Antriebsstroms) des Wechselrichters WR auf. Aus einem Spannungsabfall an dem Shunt R_g wird ein Signal abgeleitet, dass ein Maß M1 für den Spannungsabfall an dem Shunt R_g und somit ein Maß M1 (siehe 1) für eine Stärke des Eingangsstroms I_g darstellt. Eine optionale Weiterbildung des bürstenlosen Gleichstrommotors BM sieht vor, mittels weiterer Shunts R₁, R₂ und R₃ Stärken von Strömen I₁, I₂, I₃ zu erfassen, die durch einzelne Stromventile T1, T2, T3 fließen. Eine davon unabhängige weitere optionale Weiterbildung des bürstenlosen Gleichstrommotors BM sieht vor, mittels weiterer Shunts Ra, Rb und Rc Stärken von Strömen Ia, Ib, Ic zu erfassen, die durch die einzelnen Drehstromphasen zum Stator S des bürstenlosen Gleichstrommotors BM fließen.
Die 3 zeigt Spannungs- und Stromverläufe in Abhängigkeit von der Winkelstellung β des Läufers L des bürstenlosen Gleichstrommotors BM im Falle einer Sechs-Schritt-Kommutierung. Hierbei überstreicht jeder der sechs Schritte einen Winkelstellungsbereich von 60°.
Die oberste Kurve der Figur zeigt eine Stärke des Antriebsstroms I_g aufgetragen über die Winkelstellung β des Läufers L. Der Antriebsstrom I_g stellt typischerweise eine Regelgröße dar, die von einem Stromregler (beispielsweise dem Pulsweitengeber PWG) auf eine Zielstromstärke I_Ziel als Sollgröße geregelt wird. Die Stellgröße ist dann beispielsweise die vom Pulsweitenvorgabesignal S_PW vorgegebene Pulsweite. Typischerweise wird der Läufer L beim Anlaufen des bürstenlosen Gleichstrommotors BM kontinuierlich beschleunigt. Dadurch werden während des Anlaufens des bürstenlosen Gleichstrommotors BM die Zeitspannen zwischen Anfang und Ende der Kommutierungsschritte von Kommutierungsschritt zu Kommutierungsschritt immer kürzer.
Der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer KZB kann die Winkelstellung β des Läufers L anhand von Zeitspannen erkennen, in denen ein Maß M1 für eine Stärke des Anfahrstrom I_g das Schwellenmaß M_SW überschreitet. Dieses Verfahren wird bei Verwendung des Stromstärkenvergleichers SSV angewendet.
Der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer KZB kann die Winkelstellung β des Läufers L anhand der Zeitpunkte erkennen, in denen das Pulsweitenvorgabesignal S_PW einen kommutierungsschrittbezogenen Extremwert M2_max annimmt. Dieses Verfahren wird bei Verwendung des Maßextremwert-Erkenners MEE angewendet.
Die zweitoberste Kurve der Figur zeigt eine Spannung M2 des Ausgangssignals S_PW des Pulsweitengebers PWG aufgetragen über die Winkelstellung β des Läufers L.
Die unteren drei Kurven der Figur zeigen die Phasenspannungen Ua, Ub, Uc (siehe 2) aufgetragen über die Winkelstellung β des Läufers L während des Anlaufens des bürstenlosen Gleichstrommotors BM. In den Kurven tatsächlich vorhanden (aber aufgrund der begrenzten Zeichnungsauflösung nicht dargestellt) sind die Tastlücken aufgrund der Pulsweitenmodulation. Der Pulsweitengeber PWG wird beispielsweise mit einer Taktfrequenz zwischen 5 und 50 KHz, vorzugsweise bei 20 kHz betrieben.
Während der Anstiegsflanken F_an und auch während der Abstiegsflanken F_ab unterbricht der Wechselrichter WR die Stromzufuhr der jeweiligen Phase. Die Anstiegsflanken F_an beziehungsweise Abstiegsflanken F_ab entstehen dadurch, dass die Spannungsteilerfunktion der Statorwicklungen von der aktuellen Winkelstellung β des Läufers L (d.h. von der Läuferstellung) abhängig ist. Diese Art der Kommutierung kann als trapezförmige Kommutierung bezeichnet werden. Wenn nur eine Phasenleitung betrachtet wird, wechseln sich bei der vorliegenden Sechs-Schritt-Kommutierung für diese Phasenleitung Zeiten, in denen die Phasenleitung völlig stromlos ist, mit Zeiten, in denen die Phasenleitung vollständig bestromt ist, mit Stellungswinkelschritten von 60° ab. Wenn bei dem Stator S eine Sternschaltung unterstellt wird und von der Sternschaltung nur eine Wicklung betrachtet wird, wechseln sich bei der vorliegenden Sechs-Schritt-Kommutierung für diese Wicklung Zeiten, in denen die Wicklung völlig stromlos ist, mit Zeiten, in denen die Wicklung vollständig bestromt ist, mit Stellungswinkelschritten von 60° ab.
Die 4 zeigt Spannungs- und Stromverläufe in Abhängigkeit von einer Winkelstellung β des Läufers L des bürstenlosen Gleichstrommotors BM im Falle einer Drei-Schritt-Kommutierung. Hierbei überstreicht jeder der drei Kommutierungsschritte einen Winkelstellungsbereich von 120°.
Die oberste Kurve der Figur zeigt eine Stärke des Antriebsstroms I_g aufgetragen über eine Winkelstellung β des Läufers L.
Die zweitoberste Kurve der Figur zeigt eine Spannung M2 des Ausgangssignals S_PW des Pulsweitengebers PWG aufgetragen über die Winkelstellung β des Läufers L.
Die unteren drei Kurven der Figur zeigen die Phasenspannungen Ua, Ub, Uc (siehe 2) aufgetragen über die Winkelstellung β des Läufers L während des Anlaufens des bürstenlosen Gleichstrommotors BM.
Während der Anstiegsflanken F_an unterbricht der Wechselrichter WR die Stromzufuhr der jeweiligen Phase. Die Anstiegsflanke F_an entsteht dadurch, dass die Spannungsteilerfunktion der Statorwicklungen von der aktuellen Winkelstellung β des Läufers L (d.h. von der Läuferstellung) abhängig ist. Wenn nur eine Phasenleitung betrachtet wird, wechseln sich bei der vorliegenden Drei-Schritt-Kommutierung für diese Phasenleitung Zeiten, in denen die Phasenleitung völlig stromlos ist, mit Zeiten, in denen die Phasenleitung vollständig bestromt ist, mit Stellungswinkelschritten von 120° ab. Wenn bei dem Stator S eine Sternschaltung unterstellt und von der Sternschaltung nur eine Wicklung betrachtet wird, wechseln sich bei der vorliegenden Drei-Schritt-Kommutierung für diese Wicklung Zeiten, in denen die Wicklung völlig stromlos ist, mit Zeiten, in denen die Wicklung vollständig bestromt ist, mit Stellungswinkelschritten von 120° ab. Es ist auch möglich, eine entsprechende Drei-Schritt-Kommutierung mit Abstiegsflanken statt Anstiegsflanken vorzusehen.
Insbesondere in der Anlaufphase kann die Drei-Schritt-Kommutierung gegenüber der Sechs-Schritt-Kommutierung von Vorteil sein, weil die Strom- und Spannungsänderungen mit der Drei-Schritt-Kommutierung nur halb so schnell erfolgen und somit der Maßextremwert-Erkenner MEE und/oder der Stromstärkenvergleicher SSV und/oder die Gegen-EMK-Bewertungsvorrichtung BV und/oder die Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung KEV nur halb so performant sein braucht wie für eine Ausführung der Sechs-Schritt-Kommutierung.
Für ein Ermitteln eines temperaturabhängigen Phasenwiderstands und/oder einer temperaturabhängigen Induktivität und/oder einer temperaturabhängigen Zeitkonstante des bürstenlosen Gleichstrommotors BM kann die Steuerung ST dazu vorbereitet ist, an eine Phase des bürstenlosen Gleichstrommotors BM einen Spannungspuls anzulegen und einen dadurch verursachten Verlauf eines Phasenstroms Ia, Ib, Ic (siehe 2) zu erfassen und auszuwerten.
Die 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors BM. Das Verfahren 100 umfasst Folgendes. In einem ersten Schritt 110 wird ein Pulsweitenvorgabesignal S_PW zum Steuern eines Wechselrichters WR des bürstenlosen Gleichstrommotors BM erzeugt. In einem zweiten Schritt 120 wird ein Kommutierungszeitpunkt unter Berücksichtigung eines Maßes M1, M2 bestimmt, das von einer Stärke eines Antriebsstroms I_g des bürstenlosen Gleichstrommotors BM abhängig ist. Das Maß M1, M2 wird während des Anfahrens des bürstenlosen Gleichstrommotors ermittelt.
Das beschriebene Verfahren 100 wird typischerweise unter der Voraussetzung angewendet, dass eine Läuferposition im Stillstand direkt vor Inbetriebnahme des bürstenlosen Gleichstrommotors festgelegt oder bekannt ist (beispielsweise aufgrund eines Rastmechanismusses oder eines Sensors).
Eine optionale Weiterbildung des Verfahrens 100 sieht vor, dass das Verfahren 100 auch folgende dritten und vierten Schritt umfasst. In dem dritten Schritt 130 wird erkannt, wenn eine gegenelektromotorische Kraft G-EMK für ein zweites Bestimmen 140 von Kommutierungszeitpunkten ausreicht. In dem vierten Schritt 140 erfolgt ein zweites Bestimmen der Kommutierungszeitpunkte unter Berücksichtigung der gegenelektromotorischen Kraft G-EMK, sobald die gegenelektromotorische Kraft G-EMK für das zweite Bestimmen 140 von Kommutierungszeitpunkten ausreicht. Die Kommutierungszeitpunkte können dann mittels einer Ermittlung von Nulldurchgängen oder mittels einer Integration der gegenelektromotorischen Kraft G-EMK oder mittels einer feldorientierten Regelung (Vektorregelung) ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

BM: bürstenloser Gleichstrommotor
BV: Gegen-EMK-Bewertungsvorrichtung
FZ: Fahrzeug
G-EMK: gegenelektromotorische Kraft
GQ: Gleichspannungsquelle
I_g: Eingangsstrom des Wechselrichters; Antriebsstrom
I_Ziel: Zielstromstärke des Antriebsstroms
KEV: Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung
F_an: Kommutierungsflanke (mit ansteigendem Phasenspannung)
F_ab: Kommutierungsflanke (mit sinkendem Phasenspannung)
FZ: Fahrzeug
KEV: Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung
KZB: Kommutierungszeitpunktbestimmer
L: Läufer
MEE: Maßextremwert-Erkenner
M_SW: Schwellenmaß
M1: erstes Maß, das von einer Stärke des Antriebsstroms abhängig ist
M2: zweites Maß, das von einer Stärke des Antriebsstroms abhängig ist
M2_max: Zeitpunkt, in dem zweites Maß ein Maximum aufweist
M_Ziel: Zielmaß
PL: Phasenleitungen
PM: Permanentmagnet
PWG: Pulsweitengeber
R_q: Shunt zur Spannungsquelle
R_g: Shunt zwischen Zwischenkreis und Wechselrichter
R₁: Shunt zum ersten Stromventil
R₂: Shunt zum zweiten Stromventil
R₃: Shunt zum dritten Stromventil
R_a: Shunt der ersten Phase
R_b: Shunt der zweiten Phase
R_c: Shunt der dritten Phase
S: Stator
Si: Stromsensor
S_KZP: Kommutierungszeitpunkt-Signal
SME: Strommaximumerkenner
S_PW: Pulsweitenvorgabesignal
SSV: Stromstärkenvergleicher
ST: Steuerung
Su: Spannungssensor
T1: erstes Stromventil des Wechselrichters
T2: zweites Stromventil des Wechselrichters
T3: drittes Stromventil des Wechselrichters
T4: viertes Stromventil des Wechselrichters
T5: fünftes Stromventil des Wechselrichters
T6: sechstes Stromventil des Wechselrichters
Ua: erste Phasenspannung
Ub: zweite Phasenspannung
Uc: dritte Phasenspannung
WF: Wahlfunktion
WR: Wechselrichter
β: Winkelstellung des Läufers gegenüber dem Stator
100: Verfahren zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors
110: Erzeugen eines Pulsweitenvorgabesignals
120: erstes Bestimmen eines Kommutierungszeitpunkts
130: Erkennen, wenn G-EMK für ein zweites Bestimmen von Kommutierungszeitpunkten ausreicht
140: zweites Bestimmen der Kommutierungszeitpunkte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012102868 A1 [0004, 0004]

Claims

Steuerung (ST) für einen Wechselrichter (WR) zum Antreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BM) mittels eines Antriebsstroms (I_g), wobei die Steuerung (ST) aufweist: – einen Pulsweitengeber (PWG) zum Erzeugen eines Pulsweitenvorgabesignals (S_PW) zum Steuern des Wechselrichters (WR); und – einen Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer (KZB) für ein erstes Bestimmen eines Kommutierungszeitpunkts; dadurch gekennzeichnet, dass der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer (KZB) dazu vorbereitet ist, den Kommutierungszeitpunkt unter Berücksichtigung eines Maßes (M1, M2) zu bestimmen, das von einer Stärke des Antriebsstroms (I_g) abhängig ist, wobei das Maß (M1, M2) während eines Anfahrens des bürstenlosen Gleichstrommotors (BM) ermittelt wird.
Steuerung (ST) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer (KZB) einen Maßextremwert-Erkenner (MEE) zum Erkennen eines Zeitpunkts aufweist, in dem das Maß (M2), das von einer Stärke des Antriebsstroms (I_g) abhängig ist, einen Extremwert (M2_max) aufweist.
Steuerung (ST) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer (KZB) einen Stromstärkenvergleicher (SSV) für einen Vergleich des Maßes (M1, M2) mit einem Schwellenmaß (M_SW) aufweist.
Steuerung (ST) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß (M1, M2) das Pulsweitenvorgabesignal (S_PW) ist oder aus dem Pulsweitenvorgabesignal (S_PW) abgeleitet wird, das der Kommutierungszeitpunkt-Bestimmer (KZB) dem Pulsweitengeber (PWG) als Stellsignal für eine Pulsweite bereitstellt.
Steuerung (ST) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (ST) dazu vorbereitet ist, den Wechselrichter (WR) mit einer Drei-Schritt-Kommutierung zu betreiben.
Steuerung (ST) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – eine Gegen-EMK-Bewertungsvorrichtung (BV) zum Erkennen (130), wenn eine gegenelektromotorische Kraft (G-EMK) für ein zweites Bestimmen (140) von Kommutierungszeitpunkten ausreicht; und – eine Kommutierungszeitpunkt-Ermittlungsvorrichtung (KEV) für das zweite Bestimmen (140) der Kommutierungszeitpunkte unter Berücksichtigung der gegenelektromotorischen Kraft (G-EMK).
Bürstenloser Gleichstrommotor (BM), dadurch gekennzeichnet, dass der bürstenlose Gleichstrommotor (BM) eine Steuerung (ST) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Fahrzeug (FZ), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (FZ) einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BM) nach dem vorhergehenden Anspruch aufweist.
Verfahren (100) zum Anfahren eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BM), wobei das Verfahren (100) Folgendes umfasst: – Erzeugen (110) eines Pulsweitenvorgabesignals (S_PW) zum Steuern eines Wechselrichters (WR) des bürstenlosen Gleichstrommotors (BM); und – erstes Bestimmen (120) eines Kommutierungszeitpunkts unter Berücksichtigung eines Maßes (M1, M2), das von einer Stärke eines Antriebsstroms (I_g) des bürstenlosen Gleichstrommotors (BM) abhängig ist, wobei das Maß (M1, M2) während des Anfahrens des bürstenlosen Gleichstrommotors (BM) ermittelt wird.
Verfahren (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) auch folgende Schritte umfasst: – Erkennen (130), wenn eine gegenelektromotorische Kraft (G-EMK) für ein zweites Bestimmen (140) von Kommutierungszeitpunkten ausreicht; – sobald die gegenelektromotorische Kraft (G-EMK) für das zweite Bestimmen (140) von Kommutierungszeitpunkten ausreicht: zweites Bestimmen (140) der Kommutierungszeitpunkte unter Berücksichtigung der gegenelektromotorischen Kraft (G-EMK).