DE102015224560A1 - Verfahren zur sensorlosen Kommutierung eines BLDC-Motors - Google Patents

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren zur sensorlosen Kommutierung eines BLDC-Motors, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: – Schritt S1: Abtasten der Spannung (Uphase) einer stromlosen Phase in vorbestimmten Zeitintervallen (T), – Schritt S2: bei Erkennen eines Nulldurchgangs zwischen zwei Abtastpunkten (T1, T2) Bestimmen der Spannung (Uv/2) des Nulldurchgangs und der zugehörigen Drehzahl basierend auf der Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten (T1, T2), sowie Übergabe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs an einen Kommutierungstimer (K), – Schritt 3: Berechnen basierend auf der bestimmten Drehzahl die Zeit bis zu einer vorgegebenen Gradzahl an Motorumdrehung und Übergabe dieser Zeit an den Kommutierungstimer (K), – Schritt 4: Wenn die übergebene Zeit am Kommutierungstimer (K) abgelaufen ist, Einleiten der Kommutierung und Zurücksetzen des Kommutierungstimers (K).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur sensorlosen Kommutierung eines BLDC-Motors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC = Brushless DC Motor) werden in der elektrischen Antriebstechnik immer häufiger verwendet. Diese Motoren sind prinzipiell aus einem mit Permanentmagneten bestückten Rotor, einem feststehenden, die Spulen aufnehmenden Stator und einem Verbindungsteil für Rotor und Stator aufgebaut. Bei BLDC-Motoren erfolgt die Kommutierung des Motorstroms anstelle über einen mechanischen Kommutator über einen elektronischen Kommutator. Der elektronische Kommutator kann als Regler bezeichnet werden, da aufgrund der Möglichkeit, die Kommutierung von der Position und Drehzahl des Rotors sowie dem Drehmoment abhängig zu machen, die Frequenz und meist auch die Amplitude des Systems in Abhängigkeit von der Position und Drehzahl des Rotors verändert, also geregelt, werden kann. Durch die Verwendung von elektronischen Kommutatoren werden für Verschleiß anfällige Bürsten nicht mehr gebraucht und es wird die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht. Durch den Wegfall der Bürsten kann auch eine kleinere Bauform des Motors realisiert werden.
  • Um einen effizienten und flüssigen Betrieb des Motors zu gewährleisten müssen die Phasen des Motors vom Regler genau zum richtigen Zeitpunkt mit Energie versorgt werden, was eine Notwendigkeit der Bestimmung der Position der Rotoren erforderlich macht. Hierfür können unterschiedliche Methoden angewendet werden, wobei die am häufigsten verwendeten Methoden die sensorgesteuerte und die sensorlose Kommutierung ist. Bei der sensorgesteuerten Kommutierung werden Hall-Sensoren zur Positionsbestimmung verwendet. Bei der sensorlosen Regelung bzw. Kommutierung wird die Rotorposition über die in den Spulen des Stators ausgelöste Gegenspannung, welche auch als Gegen-EMK, Back-EMF oder rückwirkenden EMK bezeichnet wird, erfasst und von einer elektronischen Steuerschaltung ausgewertet. Diese Gegen-EMK widersetzt sich der natürlichen Bewegung des Motors, da aufgrund des Generatorprinzips in den Motorspulen auch bei Motorbetrieb eine wie die Betriebsspannung gepolte und damit dem Rotorstrom entgegenwirkende Spannung induziert wird, wenn Magnetfeldlinien die Motorspulen schneiden. Bei BLDC-Motoren ist die Gegen-EMK in der Regel trapezförmig.
  • Ein Nachteil der sensorgesteuerten Kommutierung besteht darin, dass durch die zusätzlich benötigten Sensoren die Kosten und Komplexität des Gesamtsystems erhöht wird. Dies wird durch eine sensorlose Regelung überwunden.
  • Bei der sensorlosen Kommutierung muss ebenfalls zur Bestimmung des nächsten Kommutierungszeitpunktes die Lage der Rotoren bekannt sein. Dies kann über drei Varianten erfolgen. Beispielsweise kann ein Vergleich mit einer Sternpunktspannung erfolgen, die EMK direkt gemessen werden oder ein Vergleich mit der halben Versorgungsspannung erfolgen. Vergleichsmessungen werden z.B. bei drei vorhandenen Phasen durchgeführt, indem zwei Phasen bestromt sind, eine positiv und eine negativ, und die dritte Phase stromlos ist. Die Gegen-EMK in der stromlosen Phase wird beim Kreuzen des Mittels der positiven und negativen Versorgungsspannung einen Nulldurchgang haben. Der Nulldurchgang liegt in der Mitte zweier Kommutationen. Somit kann der Nulldurchgang und damit der Zeitpunkt, an dem kommutiert werden soll, bestimmt werden. Dies ist der Fall, wenn die stromlose Phase die halbe Nullspannung kreuzt. Gleichzeitig kann auch die Drehzahl bestimmt werden, da diese von der Spannung abhängt. Beispielsweise ist für einen gegebenen Motor mit festem magnetischen Fluss und fester Anzahl von Wicklungen die Größe der EMK proportional zur Winkelgeschwindigkeit des Rotors.
  • Praktisch wird bei bekannten BLDC-Ansteuerungen auf Basis der Erkennung des Nulldurchgangs der induzierten Spannung in einer nicht angesteuerten Phase mit der Granularität der PWM (PWM=Pulsweitenmodulation) bzw. der doppelten PWM Frequenz die induzierte Spannung gemessen und mit der halben Versorgungsspannung bzw. der Nullspannung verglichen. Wird dieses Ereignis erkannt, wird der nächste Kommutierungszeitpunkt mit Hilfe der ebenfalls erfassten aktuellen Drehzahl ermittelt. Hierzu wird in jeder PWM-Periode einmal bzw. zweimal geprüft bzw. abgetastet, ob der nächste Kommutierungszustand einzustellen ist. Die aktuelle Drehzahl wird mit der Granularität der PWM bzw. doppelten PWM-Frequenz ermittelt. Hierzu wird die Anzahl der PWM-Perioden zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten herangezogen. Die PWM kann als symmetrisch oder asymmetrisch, also center- oder edgealinged, konfiguriert werden.
  • Die Bestimmung des Nulldurchgangs erfolgt z.B. mittels eines oder mehrerer Komparatoren und einem Timer. Somit kann die Zeit bestimmt werden, die seit Anfang eines Zustands bis zum Kreuzen der beiden Spannungen, also dem Nulldurchgang, vergangen ist. Dieselbe Zeit muss bis zum nächsten Kommutieren gewartet werden. Wenn eine der beiden Versorgungsspannungen für die Phasen gleich Null ist bzw. auf Masse liegt, dann liegt die Nulldurchgangsspannung bei der halben Motorversorgungsspannung. Der Timer wird nach jeder Kommutierung zurückgesetzt und der nächste Kommutierungszeitpunkt wird beim nächsten erkannten Nulldurchgang neu berechnet.
  • Zur Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes kann bei bekannten Verfahren nur ein Vielfaches der PWM-Periode verwendet werden. Das heißt, dass es durch die Bestimmung des Kommutierungszeitpunkts mit der Granularität der PWM bzw. doppelten PWM-Frequenz dazu kommen kann, dass bezogen auf die induzierte Spannung bzw. den Fluss der Maschine nicht zum richtigen Zeitpunkt kommutiert wird. Durch diese Fehlkommutierung kann es zu Geräuschentwicklungen und ungewollten Stromformen im AC/DC-Strom kommen. Ferner ist die Erfassung der aktuellen Drehzahl, bedingt durch die beschriebene Granularität der Erfassung, fehlerbehaftet. Des Weiteren ergeben sich Einschränkungen bei der maximalen Drehzahl im Grunddrehzahlbereich und eine Einschränkung bei der Möglichkeit der Feldschwächung bei der Vorkommutierung.
  • Deshalb ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur sensorlosen BLDC-Kommutierung sowie einen entsprechenden Controller bereitzustellen, durch welche die oben genannten Probleme überwunden werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur sensorlosen BLDC-Kommutierung, umfassend nachfolgende Schritte. In Schritt S1 wird die Spannung einer stromlosen Phase in vorbestimmten Zeitintervallen abgetastet. In Schritt S2 wird bei Erkennen eines Nulldurchgangs zwischen zwei Abtastpunkten die Spannung des Nulldurchgangs und der zugehörigen Drehzahl basierend auf der Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten bestimmt, sowie der Zeitpunkt des Nulldurchgangs an einen Kommutierungstimer K übergeben. In Schritt 3 wird basierend auf der bestimmten Drehzahl die Zeit bis zu einer vorgegebenen Gradzahl an Motorumdrehung berechnet und diese Zeit an den Kommutierungstimer übergeben. In Schritt 4 wird, wenn die übergebene Zeit am Kommutierungstimer abgelaufen ist, die Kommutierung eingeleitet und der Kommutierungstimer zurückgesetzt.
  • Durch dieses Verfahren wird eine um sehr vieles genauere Bestimmung des Zeitpunkts für die nächste Kommutierung erzielt, da nicht mehr nur Vielfache der PWM-Periode gezählt werden müssen, sondern eine exakte Zeit eines Nulldurchgangs bestimmt werden kann. Basierend darauf kann dann aufgrund der an diesem Zeitpunkt bestimmten Drehzahl der genaue Zeitpunkt berechnet werden, wann die nächste Kommutierung stattfinden muss.
  • In einer Ausgestaltung wird in Schritt 2 die Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten bestimmt, indem eine Gerade durch die zwei Abtastpunkte angelegt wird.
  • Durch Anlegen einer Gerade kann auf einfacher Weise der Nulldurchgang basierend auf der vergangenen Zeit zwischen den beiden Abtastpunkten bestimmt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird in Schritt 2 die Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten durch lineares oder exponentielles Interpolieren bestimmt. In einer weiteren Ausgestaltung wird in Schritt 2 die Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten bestimmt, indem zusätzliche Abtastpunkte vor und nach dem ersten und zweiten Abtastpunkt, zur Bestimmung herangezogen werden und mittels komplexer Interpolationsverfahren ausgewertet.
  • Durch Interpolation können noch genauere Werte für den Nulldurchgang und damit den Kommutierungszeitpunkt bestimmt werden. Die Wahl der Methode hängt dabei davon ab, wieviel Rechenleistung und welche Hardware zur Verfügung steht und welche Genauigkeit die entsprechende Anwendung verlangt.
  • In einer weiteren Ausgestaltung wird in Schritt 4 zusätzlich, wenn die übergebene Zeit am Kommutierungstimer abgelaufen ist, ein Interrupt am Zeitpunkt der Kommutierung gesetzt. Ein Interrupt dient dazu, ein automatisiertes Durchführen der Kommutierung zu gewährleisten. Der Interrupt zeigt an, dass die Zeit bis zur nächsten Kommutierung abgelaufen ist und der Kommutierungstimer nach bzw. bei erfolgter Kommutierung wieder zurückgesetzt werden kann.
  • Ferner wird ein Controller bereitgestellt, der dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ereignisdiagramms zur Bestimmung des Nulldurchgangs gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt eines Ereignisdiagramms zur Bestimmung des Nulldurchgangs gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
  • Die grundsätzliche Bestimmung der Positionsinformation eines Rotors kann durch die Auswertung der Umkehr der Richtung der induzierten Spannung in der jeweils stromlosen bzw. nicht bestromten Motorspule gewonnen werden. Aus diesem Grund wird die induzierte Spannung als Nullspannung bezeichnet. Als Kommutierung wird das Umschalten der Spannung an eine andere Motorphase bezeichnet.
  • Das benötigte Stator-Drehfeld kann dem Motor z.B. durch Rechtecksignale an zwei von drei Motorphasen aufgeprägt werden. Die Signale können pulsweitenmodulierte Signale (PWM-Signale) sein, um die Schaltflanken zu optimieren. Die Anzahl der Magnetpole des Rotors ist nicht relevant, da sich mehrpolige Systeme grundsätzlich auf zweipolige Systeme abbilden lassen.
  • Zur Bestimmung der nächsten Kommutierung wird im Stand der Technik der Nulldurchgang durch Abtasten erkannt, und z.B. 30 Grad Motorumdrehung danach muss kommutiert werden. Für den nächsten Kommutierungszeitpunkt wird die Anzahl der PWM-Zyklen bis zum nächsten Nulldurchgang daraus bestimmt, und bei Erreichen des nächsten Nulldurchgangs plus 30 Grad Motorumdrehung wieder kommutiert. Dieses Verfahren zählt PWM-Zyklen und kann folglich nur in Vielfachen von PWM-Zyklen kommutieren.
  • Diese Grundsätze sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht genauer erläutert.
  • In der erfindungsgemäßen Lösung wird, wie im Stand der Technik, die Spannung der nicht bestromten Phase Uphase mindestens zweimal pro Kommutierungs-Periode abgetastet. Dies ist durch die gestrichelten senkrechten Linien T in 1 gezeigt. Wird bei einem Abtastvorgang erkannt, dass ein Nulldurchgang UV/2 erfolgt ist, d.h. das Vorzeichen des ersten Abtastpunkts T1 unterscheidet sich vom Vorzeichen des zweiten Abtastpunkts T2, wird dieser Nulldurchgang UV/2 aus der Differenz des Werts des zweiten Abtastpunkts T2 zum Wert des ersten Abtastpunkts T1 bzw. den jeweils daraus ermittelten zugehörigen Zeitwerten ermittelt. Dabei wird z.B. eine Gerade zwischen dem ersten Abtastwert T1 und dem zweiten Abtastwert T2 angenommen. Der Zeitpunkt des Nulldurchgangs UV/2 wird an einen Kommutierungstimer K übermittelt. Die nächste Kommutierung erfolgt nach weiteren 30 Grad Motorumdrehung. Diese Zeit vom Nulldurchgang bis zu 30° Motorumdrehung danach wird basierend auf der aktuellen spannungsabhängigen Drehzahl mit bekannten Methoden ermittelt und an den Kommutierungstimer K übermittelt, so dass dieser bei Erreichen der übermittelten Zeit die Kommutierung anstoßen kann. Hierfür wird bevorzugt ein sogenannter Interrupt I gesetzt, durch den der Kommutierungszeitpunkt angezeigt wird und entsprechend angestoßen werden kann. Nach der Kommutierung wird der Kommutierungstimer wieder zurückgesetzt und der nächste Nulldurchgang und Kommutierungszeitpunkt werden mit demselben Verfahren bestimmt.
  • Das verwendete Verfahren zur Bestimmung des Nulldurchgangs ist für die meisten Anwendungen ausreichend, da hier eine sehr genaue Aussage über den Zeitpunkt des Nulldurchgangs getroffen werden kann. Sollte allerdings bei Anwendungen ein genauerer Zeitpunkt des Nulldurchgangs benötigt werden, können zur Verbesserung des Erkennens des exakten Werts des Nulldurchgangs die Abtastpunkte nach Erkennen eines Nulldurchgangs linear oder exponentiell interpoliert werden. Um dieses Erkennen noch genauer zu machen können weitere Abtastpunkte vor und nach dem erkannten Nulldurchgang herangezogen werden und mittels komplexer Interpolationsverfahren ausgewertet werden. Welches Verfahren zur Berechnung des Nulldurchgangs verwendet wird, hängt dabei von der jeweiligen Anwendung, der benötigten Genauigkeit, den verfügbaren Rechenressourcen und der verfügbaren Hardware ab und kann vom Fachmann entsprechend gewählt werden.
  • Der erfindungsgemäß verwendete Kommutierungstimer kann ebenfalls zur Bestimmung der Drehzahl verwendet werden, es wird kein weiterer Timer dafür benötigt. Für die Bestimmung der Drehzahl werden die Zeitwerte von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten herangezogen. Durch die Bestimmung der Drehzahl kann dann umgekehrt wieder die Zeit vom Nulldurchgang bis 30 Grad Motorumdrehung danach bestimmt werden.
  • Durch die exakte Bestimmung des Kommutierungszeitpunkts unabhängig vom Vielfachen der PWM-Periode kann der Zeitpunkt zur Kommutierung genau bestimmt werden und somit das akustische Verhalten sowie die Stromwelligkeit verbessert werden.
  • 2 zeigt ein auf dem in 1 beschriebenen Ereignisdiagramm basierendes Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. In Schritt S1 wird die Spannung Uphase einer stromlosen Phase eines Motors in vorbestimmten Zeitintervallen T abgetastet. In Schritt S2 wird bei Erkennen eines Nulldurchgangs zwischen zwei Abtastpunkten T1, T2 die Spannung Uv/2 des Nulldurchgangs und die zugehörige Drehzahl basierend auf der Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten T1, T2 bestimmt sowie der Zeitpunkt des Nulldurchgangs an einen Kommutierungstimer K übergeben. In Schritt 3 wird basierend auf der bestimmten Drehzahl die Zeit bis zu einer vorgegebenen Gradzahl an Motorumdrehung berechnet und diese Zeit an den Kommutierungstimer K übergeben. In Schritt 4 wird, wenn die übergebene Zeit am Kommutierungstimer K abgelaufen ist, die Kommutierung eingeleitet und der Kommutierungstimer K zurückgesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass der Nulldurchgang, also der Zeitpunkt, auf dessen Basis der Kommutierungszeitpunkt berechnet wird, nicht mehr nur in Vielfachen der PWM-Perioden bzw. Frequenzen bestimmt werden kann. Vielmehr kann aufgrund der Berechnung des Nulldurchgangs basierend auf der Zeitdifferenz zwischen zwei Abtastpunkten, innerhalb derer der Nulldurchgang erfolgt ist, und Setzen eines entsprechenden Timers, des Kommutierungstimers, der Nulldurchgang und damit der nächste Kommutierungszeitpunkt exakt berechnet werden. Die Exaktheit hängt dabei von der gewählten Berechnungsmethode ab und kann je nach Anwendung entsprechend gewählt werden.
  • In den obigen Ausführungen wird angenommen, dass eine Kommutierung nach 30 Grad weiterer Motodrehung zu erfolgen hat. Dies ist lediglich als Anschauungsbeispiel gedacht und kann für andere benötigte Gradzahlen an Motodrehung entsprechend angewendet werden, da der Kommutierungstimer zeitgesteuert ist und lediglich die benötigte Zeit bis zur Kommutierung übergeben werden muss.
  • Bezugszeichenliste
    • K
      Kommutierungstimer
      Uphase
      Spannung der nicht bestromten Phase
      UV/2
      Nulldurchgang bei halber Versorgungsspannung
      PWM
      Pulsweitenmodulierte Spannung
      T
      Abtastzeitpunkte
      T1
      Erster Abtastzeitpunkt
      T2
      Zweiter Abtastzeitpunkt
      I
      Interrupt

Claims (6)

  1. Verfahren zur sensorlosen Kommutierung eines BLDC-Motors, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: – Schritt S1: Abtasten der Spannung (Uphase) einer stromlosen Phase in vorbestimmten Zeitintervallen (T), – Schritt S2: bei Erkennen eines Nulldurchgangs zwischen zwei Abtastpunkten (T1, T2) Bestimmen der Spannung (Uv/2) des Nulldurchgangs und der zugehörigen Drehzahl basierend auf der Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten (T1, T2), sowie Übergabe des Zeitpunkts des Nulldurchgangs an einen Kommutierungstimer (K), – Schritt 3: Berechnen basierend auf der bestimmten Drehzahl die Zeit bis zu einer vorgegebenen Gradzahl an Motorumdrehung und Übergabe dieser Zeit an den Kommutierungstimer (K), – Schritt 4: Wenn die übergebene Zeit am Kommutierungstimer (K) abgelaufen ist, Einleiten der Kommutierung und Zurücksetzen des Kommutierungstimers (K).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt 2 die Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten (T1, T2) bestimmt wird, indem eine Gerade durch die zwei Abtastpunkte (T1, T2) angelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt 2 die Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten (T1, T2) durch lineares oder exponentielles Interpolieren bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt 2 die Zeitdifferenz zwischen den zwei Abtastpunkten (T1, T2) bestimmt wird, indem zusätzliche Abtastpunkte vor und nach dem ersten und zweiten Abtastpunkt (T1, T2) zur Bestimmung des Nulldurchgangs herangezogen und mittels komplexer Interpolationsverfahren ausgewertet werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt 4 zusätzlich, wenn die übergebene Zeit am Kommutierungstimer (K) abgelaufen ist, ein Interrupt (I) am Zeitpunkt der Kommutierung gesetzt wird.
  6. Controller, der dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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