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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors.
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Stand der Technik
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Eine Auslegung elektronisch kommutierter elektrischer Antriebe (EC-Antriebe) erfordert die Wahl einer an die Motorphasen angelegten elektrischen Spannungsform. Eine harmonische Spannungsform liefert dabei ein besseres Geräuschbild als eine nichtharmonische Spannungsform (z.B. Rechteck) und ist daher oftmals bevorzugte Lösung. Für das Erzeugen der sinusförmigen Spannung werden Endstufenhalbleiter in einem Taktbetrieb angesteuert, wobei im Sinusbetrieb stets eine Verlustleistung durch Umschaltverluste anfällt. Ein elektrischer Antrieb wird daher für erhöhte Betriebstemperaturen mit entsprechenden Reserven im Kühlsystem ausgestattet, wodurch er für andere Bereiche somit überdimensioniert sein kann.
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DE 102 32 166 B4 offenbart ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs über ein Ansteuerungsmodul, mit dem eine Verfügbarkeit eines Motorgebläse-Kühlsystems erhöht werden kann. Dazu wird der elektrische Antrieb eines Kühlgebläses so betrieben, dass die Verlustleistung von Elektronikkomponenten, wie zum Beispiel Leistungshalbleitern sinkt und eine Erhöhung der thermischen Wärmeableitung an der Elektronikkomponenten, die zur Ansteuerung des elektrischen Antriebs erforderlich sind, erreicht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optimiertes Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors, aufweisend die Schritte:
- – Ansteuern des Elektromotors in Abhängigkeit von einem Auslastungsgrad; wobei
- – elektrische Ansteuerspannungen des Elektromotors mittels Pulsweitenmodulation generiert werden; wobei
- – das Ansteuern des Elektromotors im Teillastbereich mit in einem definierten zeitlichen Mittel periodischen, vorzugsweise sinusförmigen Ansteuerspannungen durchgeführt wird, und wobei
- – das Ansteuern des Elektromotors im Hochlastbereich über definierte Abschnitte der elektrischen Periode mit konstanten elektrischen Ansteuerspannungen durchgeführt wird, wobei die elektrischen Ansteuerspannungen aus den sinusförmigen Ansteuerspannungen gebildet werden, die mit einem definierten Übermodulationsgrad verstärkt und auf einen definierten konstanten Wert begrenzt werden.
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Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Optimierung des Elektromotors betreffend Geräuschemission und Wirkungsgrad bereitgestellt werden. Bei hoher Auslastung wird ein verschlechtertes Geräuschverhalten in Kauf genommen, wobei dadurch jedoch vorteilhaft geringere Schaltverluste der verwendeten Halbleiterschaltelemente verbunden sind. Auf diese Weise kann ein Aufwand für eine Entwärmung bzw. Wärmeabfuhr bzw. Kühlung verringert werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors, aufweisend:
- – eine Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen elektrischer Ansteuersignale für den Motor, und
- – eine Ansteuereinrichtung mit Halbleiterschaltelementen, wobei die Halbleiterschaltelemente derart mit den von der Erzeugungseinrichtung erzeugten pulsweitenmodulierten Ansteuersignalen betreibbar sind, dass der Elektromotor im Teillastbereich mit in einem definierten zeitlichen Mittel periodischen, vorzugsweise sinusförmigen Ansteuerspannungen betreibbar ist, wobei der Elektromotor im Hochlastbereich über definierte Abschnitte der elektrischen Periode mit konstanten elektrischen Ansteuerspannungen betreibbar ist, die aus den sinusförmigen Ansteuerspannungen generierbar und auf einen definierten Wert begrenzbar sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass ein Vorkommutierungswinkel des Elektromotors verändert wird, wenn ein Arbeitspunkt des Elektromotors mittels des Ansteuerns mit den definiert erhöhten elektrischen Ansteuerspannungen nicht erreicht wird. Mithilfe des Änderns des Vorkommutierungswinkels kann dem Elektromotor eine erhöhte Leistung entnommen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Vorkommutierungswinkel des Elektromotors mit Zahlenwerten aus einer Tabelle oder mittels eines Motormodells gesteuert wird. Dadurch werden unterschiedliche Möglichkeiten zur Steuerung des Vorkommutierungswinkels bereitgestellt. Die Zahlenwerte der Tabelle können beispielsweise aus Messungen oder aus einem Motormodell ermittelt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Vorkommutierungswinkel geregelt wird. Vorteilhaft kann dadurch eine noch feinere Einstellung bzw. Veränderung des Vorkommutierungswinkels vorgenommen werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens zeichnen sich dadurch aus, dass die Regelung des Vorkommutierungswinkels mittels eines P-Reglers oder mittels eines PI-Reglers durchgeführt wird. Vorteilhaft können dadurch unterschiedliche Regelungskonzepte umgesetzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Übermodulationsgrad in Abhängigkeit von einer Temperatur ermittelt wird. Auf diese Weise kann ein Einfluss einer Temperatur berücksichtigt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Übermodulationsgrad zwischen zwei definierten Temperaturwerten linear erhöht wird. Dadurch wird eine spezifische Ausbildung des Übermodulationsgrads im Zusammenhang mit einer definierten Änderung des Temperaturwerts getroffen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Temperatur intern oder extern vom Elektromotor oder mittels eines Thermomodells des Elektromotors ermittelt wird. Dadurch werden vorteilhaft verschiedene Möglichkeiten der Temperaturerfassung bereitgestellt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Übermodulationsgrad in Abhängigkeit von einer Leistung des Elektromotors ermittelt wird. Auf diese Weise kann eine weitere Einflussgröße für den Übermodulationsgrad berücksichtigt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen der Vorrichtung ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine prinzipielle Darstellung einer elektrischen Steuerspannung für eine Motorwicklung;
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2 eine prinzipielle Darstellung einer Verschiebung eines Vorkommutierungswinkels der elektrischen Steuerspannung für eine Motorwicklung;
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3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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6 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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7 eine Darstellung einer Abhängigkeit des Übermodulationsgrads von einer Temperatur;
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8 eine Darstellung einer Abhängigkeit des Übermodulationsgrads von einer Ausgangsleistung des Motors und einer Temperatur; und
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9 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wenn eine Zielanwendung eines elektrischen Antriebs mit einem elektronisch kommutierten Elektromotor einen Betrieb bei verschiedenen Drehzahlen vorsieht, muss bei einer Auslegung des Elektromotors üblicherweise ein Kompromiss bezüglich Geräuschemissionen, Effizienz und thermischer Beanspruchung eingegangen werden. Der elektrische Antrieb wird daher, um den genannten Anforderungen gerecht werden, bezüglich Kühlmaßnahmen und thermischer Belastbarkeit von Komponenten der Elektronik überdimensioniert. Um diesen Nachteil zu beheben wird vorgeschlagen, eine gezielte sogenannte „Übermodulation“ bzw. Verstärkung der sinusförmigen elektrischen Phasenspannungen in einem Hochlastbetrieb des Antriebs vorzunehmen. Unter einer Übermodulation wird nachfolgend der Vorgang verstanden, dass eine sinusförmige elektrische Spannung definiert verstärkt und bei einem definierten Wert begrenzt wird. Im Ergebnis wird dadurch, wie weiter unten näher erläutert, eine trapezartige bzw. abgeschnittene sinusförmige bzw. auf eins begrenzte sinusförmige bzw. auf 100% begrenzte sinusförmige elektrische Ansteuerspannung für einen elektronisch kommutierten Motor generiert, wobei für den Betrieb des Motors drei jeweils um 120° verschobene Ansteuerspannungen erzeugt werden. Dieses Vorgehen resultiert in einem kontinuierlichen Übergang von der sinusförmigen zur trapezartigen Spannungsform, was für den Motorbetrieb besonders vorteilhaft ist und leicht in der Betriebssoftware realisiert werden kann.
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Der Betrieb des Antriebs erfolgt demgegenüber im Teillastbetrieb des Elektromotors ohne die genannte Übermodulation der sinusförmigen Spannung. Ein Abstand zu absoluten thermischen Bauteile- bzw. Designgrenzen ist in diesem Fall in der Regel ausreichend, wodurch die Effizienz des Antriebs in der Regel zwar verringert ist, Geräuschemissionen in der Regel aber vorteilhaft ebenfalls geringer sind. Dabei wird an den Elektromotor im gesamten Teillastbereich dieselbe elektrische Spannungsform angelegt, wobei Umschaltverluste die thermische Last erhöhen und daher gegebenenfalls einen Antrieb mit größer dimensioniertem Wärmeabfuhrsystem erfordern. Die genannten Umschaltverluste repräsentieren dabei einen signifikanten Anteil der gesamten Elektronikverluste.
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Im Fall aktiver Übermodulation können die genannten Umschaltverluste von Halbleiterschaltelementen einer Ansteuereinrichtung vorteilhaft erheblich reduziert werden, weil die Halbleiterschaltelemente zur Erzeugung der Ansteuerspannungen über große Teile einer elektrischen Periode voll durchgesteuert, also ohne Schaltvorgänge und ohne die anfallenden Umschaltverluste betrieben werden. Geräuschemissionen können dadurch zwar höher ausfallen, allerdings wird vorteilhaft die Verlustleistung in den Halbleiterschaltelementen verringert. Ferner wird das vom Motor erzeugte Drehmoment durch drehmomentbildende höherfrequente Anteile des sich einstellenden Motorstroms erhöht. Durch zusätzliches Drehmoment und geringere Elektronikverluste kann ein Wirkungsgrad des elektronisch kommutierten Antriebs (Motor und Elektronik) erhöht sein, wobei Maßnahmen zur Wärmeabfuhr reduzierbar sind, was sich vorteilhaft in verringerten Kosten auswirkt.
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Im Ergebnis ist es auf diese Weise möglich, den elektronisch kommutierten Elektromotor durch eine gezielte Reduktion von Anforderungen an eine Lärmentwicklung zu verkleinern (engl. „Downsizing“) und damit kostengünstig zu fertigen. Andernfalls müsste ein herkömmlicher elektronisch kommutierter Antrieb über den gesamten Leistungsbereich für dieselbe Spannungsform (Sinus) ausgelegt sein, wobei Umschaltverluste die thermische Last erhöhen und einen Antrieb mit größer dimensioniertem Wärmeabfuhrsystem erfordern.
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Das vorgeschlagene Verfahren des Betriebs mit Übermodulation basiert auf einer gezielten Übersteuerung der normierten Spannungsform mit dem Ziel der Reduktion der Umschaltverluste im Hochlastfall. Der Maximalwert der anzulegenden elektrischen Spannung wird über die Schranken der Klemmenspannung des Antriebs erhöht, was zu einem vollen Durchsteuern der Endstufe führt und dadurch zu einer Abflachung der Sinusform führt.
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1 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer derart ausgebildeten Spannungsform an einer Wicklung des Elektromotors. Erkennbar sind zwei Verläufe A, B einer elektrischen Phasenspannung in drei Zonen Z1, Z2 und Z3. Die beiden Spannungen A, B werden von Halbleiterschaltelementen (z.B. eine B6-Brücke, nicht dargestellt) mit unterschiedlichen Tastverhältnissen einer pulsweitenmodulierten Spannung generiert. Im zeitlichen Mittel werden auf diese Weise für den Elektromotor periodische, vorzugsweise sinusförmige elektrische Ansteuerspannungen generiert. Zu diesem Zweck wird für die pulsweitenmodulierte Spannung ein geeignetes Integrationsfenster zum Erreichen der gewünschten Frequenz der Ansteuerspannung definiert. Auf der Abszisse des dargestellten Koordinatensystems ist der elektrische Winkel aufgetragen.
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Erkennbar ist ein Übermodulationsgrad bzw. Übermodulationsbereich OVM (engl. over voltage modulation), in den sich die Spannung B ohne die vorgeschlagene Begrenzung erstrecken würde (strichlierter Verlauf). Durch die Begrenzungsfunktion der Halbleiterschaltelemente (z.B. MOS-FETs) auf 100% entsteht ein trapezartiger Verlauf der „übermodulierten“ elektrischen Spannung B. Erreicht wird dies dadurch, dass die sinusförmige Spannung definiert verstärkt und bei 100 % Amplitude abgeschnitten bzw. begrenzt wird, wodurch eine Art Amplitudenskalierung der Spannung realisiert wird. In 1 ist lediglich eine einzige Phasenspannung dargestellt, wobei für den Betrieb des elektronisch kommutierten Elektromotors drei um jeweils 120° phasenverschoben Phasenspannungen erforderlich sind.
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Erkennbar ist, dass bei der Spannung A in allen Zonen Z1, Z2, Z3 Taktverluste der Halbleiterschaltelemente generiert werden. Durch die genannte Übermodulation entfallen bei der Spannung B die Taktverluste in der Zone Z2 vollständig, wodurch Gesamttaktverluste der Halbleiterschaltelemente in gewünschten Betriebsfällen erheblich reduziert werden können. Auf diese Weise kann der elektronisch kommutierte Antrieb durch die eine höhere mittlere elektrische Spannung mehr Leistung abgeben. Beispielhaft steigt die mittlere Spannung an Halbbrücken einer B6-Brücke von ca. 6,2 V auf ca. 6,8 V, was einer um ca. 10 % höheren Leistung des Antriebs entspricht.
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2 deutet an, dass die erzeugte trapezartige elektrische Spannung B zum Zwecke einer Vorkommutierung des Elektromotors mit einem Vorkommutierungswinkel VK verschoben werden kann, was auch als Feldschwächung bekannt ist. Der Vorkommutierungswinkel VK repräsentiert einen Phasenwinkel zwischen einer an die Spulen des Elektromotors angelegten elektrischen Spannung und einem durch die Spulen fließenden elektrischen Strom. Ein idealer Vorkommutierungswinkel VK führt zu einer optimalen Effizienz des elektrischen Antriebs. Bei bestimmten Verhältnissen kann eine Nachführung des Vorkommutierungswinkels VK unabdingbar sein, zum Beispiel wenn der Elektromotor bei maximaler Temperatur und Leistung, bedingt durch eine Belastung und durch eine Motordimensionierung, an einer Spannungsauslegungsgrenze betrieben wird. Durch eine Verschiebung des Vorkommutierungswinkels VK wird die angelegte Spannung gegenüber einer vom Elektromotor induzierten Gegen-EMK (engl. back electromagnetic force, BEMF) vorgezogen, wodurch sich im Elektromotor ein höherer elektrischer Strom ausbilden kann.
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2 zeigt, dass zwei trapezartige elektrische Ansteuerspannungen B1, B2 gegeneinander um einen definierten Vorkommutierungswinkel VK verschoben sind. Auf diese Weise kann ein erhöhter Wirkungsgrad für den elektronisch kommutierten Motor erreicht werden, wobei insbesondere ein Arbeitspunkt des Motors erreicht werden kann, der mittels der oben genannten Übermodulation nicht erreichbar ist. Durch die genannte Übermodulation können Schaltverluste der verwendeten Halbleiter-Schaltelemente sowie eine Belastung eines Zwischenkreis-Elkos auf ein Minimum reduziert werden.
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3 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors. Erkennbar ist ein Drehzahlregler 10, der funktional mit einem Begrenzer 15 verschaltet ist. Dem Drehzahlregler 10 werden eine Solldrehzahl 11 und eine Ist-Drehzahl 12 des Elektromotors 19 zugeführt. Ein Ausgangssignal des Drehzahlreglers 10 repräsentiert eine Stellgröße 13, die dem Begrenzer 15 zugeführt wird, z.B. in Form einer Drehzahlabweichung. Dem Bregenzer 15 wird ein Übermodulationsgrad OVM vorgegeben, der eine definierte Übermodulation der elektrischen Steuerspannung für den Elektromotor 19 definiert. Der Übermodulationsgrad OVM stellt dabei eine feste numerische Größe dar. Dem Begrenzer 15 wird ferner eine elektrische Zwischenkreisspannung 14 (z.B. 13V) zugeführt.
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Ein Ausgangssignal des Begrenzers 15 wird als eine Skalierungsamplitude 16 einer Erzeugungseinrichtung 17 zugeführt, wobei die Skalierungsamplitude 16 als eine definierte Schwelle für die elektrische Steuerspannung des Elektromotors fungiert. Die Erzeugungseinrichtung 17 enthält eine Schaltlogik, mittels der Halbleiterschaltelemente angesteuert werden können, vorzugweise in Form einer B6-Brücke zum Erzeugen von pulsweitenmodulierten elektrischen Spannungen. Mittels der Erzeugungseinrichtung 17 werden mit geeigneten Tastverhältnissen 18 versehene pulsweitenmodulierte Signale aus der Zwischenkreisspannung 14 erzeugt, die an Motorwicklungen des Motors 19 angelegt werden.
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Eine Effizienz eines Gesamtsystems mit einem idealisierten Motor ohne Reluktanzanteil ist bei Betrieb unterhalb der Spannungsgrenze dann optimal, wenn der elektrische Strom und die induzierte elektrische Spannung an den Motorwicklungen in Phase liegen, der Vorkommutierungswinkel ist dann Null. Bei einem realen Antrieb muss ein zusätzlicher Reluktanzanteil berücksichtigt werden und entsprechend vorkommutiert werden, um ein maximales Drehmoment bei minimalem Strom zu erhalten. Es wird dabei folgende Strategie angewendet: Liegt die errechnete elektrische Sollspannung unterhalb der zur Verfügung stehenden elektrischen Betriebsspannung („Teillastbereich“), so wird mit minimaler Vorkommutierung gearbeitet. Liegt die errechnete elektrische Sollspannung hingegen oberhalb der elektrischen Betriebsspannung („Hochlastbereich“), wird zum Erreichen des gewünschten Betriebspunktes entsprechend vorkommutiert. Im Folgenden wird beispielhaft ein elektronisch kommutierter Antrieb dargestellt, dessen Steuerung eine Solldrehzahl einhält, die Ausführungen sind analog auf einen Drehmomentenregler adaptierbar.
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Es existieren verschiedene Möglichkeiten, den erforderlichen Vorkommutierungswinkel VK zu bestimmen. Die einfachste Lösung der Nachführung ist die Verwendung einer Tabelle (engl. look up table, LUT), die im Antrieb abgelegt werden kann und den zu verwendenden Vorkommutierungswinkel VK abhängig von der elektrischen Klemmenspannung, Temperaturen und der Last enthält. Bessere Ergebnisse liefern regelbasierte Verfahren, wobei die vorgenannten Beispiele anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben werden. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 100 zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors. Die Anordnung sieht eine Steuerung des Vorkommutierungswinkels VK mittels einer Vorkommutierungseinrichtung 20 vor, die als eine Tabelle ausgebildet sein kann. Als ein Ausgangssignal der Vorkommutierungseinrichtung 20 wird der Vorkommutierungswinkel VK der Erzeugungseinrichtung 17 zugeführt, die entsprechende pulsweitenmodulierte Signale erzeugt. Der Steuerungseinrichtung 17 wird ferner die Skalierungsamplitude 16 zugeführt. Der Vorkommutierungswinkel VK wird gemäß den Möglichkeiten des Elektromotors 19 und der Ansteuerelektronik begrenzt.
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Es existieren verschiedene Möglichkeiten, den erforderlichen Vorkommutierungswinkel VK zu bestimmen bzw. abzulegen. Die einfachste Lösung der Nachführung ist die Verwendung einer Tabelle, die im Antrieb abgelegt werden kann den zu verwendenden Vorkommutierungswinkel VK abhängig von der Klemmenspannung, Temperaturen und einer Last enthält. Dies kann durch Fertigungsstreuungen ungenau und aufwendig sein bzw. ist antriebsspezifisch abzulegen.
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Die Vorkommutierungseinrichtung 20 kann auch ein so genanntes „inverses d-q-Modell“ des Elektromotors enthalten, welches auf Motorkenngrößen (Induktivitäten, Gegeninduktivitäten, verketteter Fluss, Wicklungswiderstände, usw.) basiert. Oftmals genügt eine Betrachtung eines vereinfachten Grundwellenmodells. Die Endstufe und ohmsche Widerstände von Verbindungsleitungen sind ebenfalls zu berücksichtigen.
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Bessere Ergebnisse liefern reglerbasierte Verfahren, die nachfolgend beschrieben werden.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform des elektronisch kommutierten Antriebs. Man erkennt, dass in dieser Variante ein Regler 22 zwischen dem Begrenzer 15 und der Erzeugungseinrichtung 17 angeordnet ist, wobei ein Ausgangssignal des Reglers 22 einem Summationspunkt 23 zugeführt wird, an den auch ein Nominalwert VK-nom des Vorkommutierungswinkels VK zugeführt wird. Ein Ausgangssignal des Begrenzers 15 stellt ein Spannungsdelta 25 dar, welches einen elektrischen Spannungsbedarf repräsentiert, der zur Erreichung eines Arbeitspunkt erforderlich ist, der für den Elektromotor 19 mit bloßer Übermodulation nicht erreichbar ist. Als Ausgangsgröße des Reglers 22, der auch dem Summationspunkt 23 zugeführt wird, dient ein Wert ΔVK, der einen Wert eines Vorkommutierungswinkels repräsentiert, der für den Elektromotor erforderlich ist, weil er den Arbeitspunkt mit bloßer Übermodulation nicht erreichen kann.
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Der Regler 22 kann beispielhaft wahlweise als ein PI-Regler oder als ein P-Regler ausgebildet sein, wobei auch noch andere Reglertopolgien denkbar sind. Mittels einer Nennkennlinie wird auf diese Weise von der Vorkommutierungseinrichtung 20 ein Nominalwert VK-nom des Vorkommutierungswinkels VK vorab ausgegeben und am Summationspunkt 23 zum Ausgangssignal des Reglers 22 addiert. Im Ergebnis wird dadurch eine Vorsteuerung des Vorkommutierungswinkels VK mit einer nachgeschalteten Regelung des Vorkommutierungswinkels VK mittels des Reglers 22 kombiniert. Dies kann sinnvoll sein, wenn mittels des Übermodulationsgrads OVM und der Vorkommutierungseinrichtung 20 der Arbeitspunkt des Elektromotors 19 nicht erreicht werden kann.
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6 zeigt weitere Ausführungsformen der Vorrichtung 100 zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors bzw. Antriebs. Diese Ausführungsformen unterscheiden sich von jener von 5 lediglich dadurch, dass nunmehr auch eine Übermodulationseinrichtung 24 vorgesehen ist, mittels der die Temperatur T und/oder die Ausgangsleistung P des Motors zur Ermittlung des Übermodulationsgrads OVM berücksichtigt werden können. Auf diese Weise ist es möglich, den Übermodulationsgrad OVM spezifisch zu ermitteln und an den Begrenzer 15 zuzuführen.
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Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, den Übermodulationsgrad OVM zu ermitteln. Der Übermodulationsgrad OVM kann z.B. in Abhängigkeit von einer Temperatur T im Bereich des Elektromotors definiert werden, wie schematisch in 7 dargestellt. Man erkennt eine erste Temperatur T1 und eine zweite Temperatur T2, zwischen denen der Übermodulationsgrad OVM linear von 0 % bis 100 % verändert wird. Ein bevorzugter Übermodulationsgrad OVM beträgt ca. 10 %, mehr bevorzugt ca. 5% bis ca. 7 %. Im Ergebnis wird zwischen den Temperaturen T1 und T2 vor allem die Geräuschemission des elektronisch kommutierten Antriebs kontinuierlich verschlechtert, weil der Übermodulationsgrad OVM kontinuierlich erhöht wird.
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Es sind mehrere Möglichkeiten für die Erfassung der Temperatur T denkbar. Beispielsweise kann eine Umgebungstemperatur des Antriebs direkt gemessen oder von einer externen Sensorik (nicht dargestellt) erfasst werden. Denkbar ist auch eine Ermittlung einer Temperatur T mittels interner Temperatursensoren (nicht dargestellt), wobei eine direkte Verwertung der innerhalb des Antriebs gemessenen Temperaturen einen Rückschluss auf kritische Werte geben kann. Ferner kann eine Temperatur T mittels eines Thermomodells (nicht dargestellt) aus einer Motorlast und einigen wenigen Sensormesswerten bestimmt werden. Ein Vergleich der ermittelten Temperaturen mit definierten Werten kann ein Kriterium zum Verändern des Übermodulationsgrads OVM liefern.
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Eine weitere Möglichkeit, den Übermodulationsgrad OVM zu ermitteln, ist prinzipiell in 8 dargestellt. Dabei wird eine Ausgangsleistung P des Elektromotors berücksichtigt, wobei die Ausgangsleistung P als ein Indiz für die Verlustleistungsverteilung im Antrieb verwendet wird. Erkennbar ist ein Korridor, wobei oberhalb des Korridors eine maximale Übermodulation (OVM = max.) stattfindet, d.h. eine maximale Reduktion von Verlusten des Antriebs erzielt wird. Unterhalb des Korridors findet keine Übermodulation (OVM = 0) statt, was im Ergebnis eine sinusförmige Ansteuerung des elektronisch kommutierten Antriebs bedeutet. Innerhalb des Korridors steigt der Übermodulationsgrad OVM von 0% bis 100 % kontinuierlich an.
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Vorteilhaft kann auf die beschriebene Weise ein elektronisch kommutiertes Motorkühlgebläse realisiert werden.
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9 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors.
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In einem Schritt 200 wird ein Belastungsgrad des elektronisch kommutierten Elektromotors 19 erfasst.
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In einem Schritt 210 wird eine Abfrage des Belastungsgrads des Elektromotors 19 durchgeführt, wobei elektrische Ansteuerspannungen des Elektromotors mittels Pulsweitenmodulation generiert werden.
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In einem Schritt 220 wird das Ansteuern des Elektromotors 19 im Teillastbereich mit in einem definierten zeitlichen Mittel periodischen, vorzugsweise sinusförmigen Ansteuerspannungen durchgeführt.
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In einem Schritt 230 wird für den Fall, dass eine erhöhte Belastung (Hochlastbereich) des Elektromotors 19 vorliegt, das Ansteuern des Elektromotors 19 über definierte Abschnitte der elektrischen Periode mit konstanten elektrischen Ansteuerspannungen durchgeführt, wobei die elektrischen Ansteuerspannungen aus den sinusförmigen Ansteuerspannungen gebildet werden, die mit einem definierten Übermodulationsgrad OVM verstärkt und auf einen definierten konstanten Wert begrenzt werden.
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Nach den Schritten 220, 230 verzweigt das Verfahren wieder auf den Schritt 200. Zusammenfassend werden mit der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektronisch kommutierten Elektromotors bzw. Antriebs vorgeschlagen, durch den eine spezifische Auslegestrategie realisiert wird. Dabei wird durch eine bewusste Übersteuerung des elektronisch kommutierten Antriebs in Kauf genommen, durch die eine höhere Ausgangsleistung realisierbar ist. Obwohl dadurch eine Geräuschemission erhöht sein kann, kann dadurch auch ein Aufwand für Wärmeabfuhr minimiert werden. Eine Bauform des elektronisch kommutierten Antriebs kann verkleinert sein, wodurch ein Fertigungsaufwand reduzierbar ist. Im Ergebnis wird dadurch ein „Downsizing-Prinzip“ bereitgestellt, durch das leistungsfähige und kostengünstige elektronisch kommutierte Antriebe realisierbar sind.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit vorgehend auch nicht realisierte oder teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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