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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Nulldurchgangs eines Stroms durch einen Strang eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der über eine gesteuerte Versorgungsschaltung, insbesondere eine Brückenschaltung, mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist,
- - wobei die Versorgungsschaltung eingangsseitig mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist und ausgangsseitig Außenleiteranschlüsse aufweist,
- - wobei der Gleichstrommotor einen permanent erregten Rotor und einen Stator mit wenigstens drei Strängen mit wenigstens jeweils einer Spule aufweist, die in einer Sternschaltung mit einem ersten Anschluss mit einem der Außenleiteranschlüsse und mit einem zweiten Anschluss mit einem Sternpunkt oder in einer Polygonschaltung mit den ersten Anschlüssen und den zweiten Anschlüssen mit den Außenleiteranschlüssen verbunden sind, und
- - wobei Stromrichterventile der Versorgungsschaltung mittels einer Steuerung zum Schließen angesteuert werden, so dass an jedem Strang während einer ersten Periode mit einer ersten Periodendauer (T1) ein Spannungspuls mit einer Pulsdauer τ bei 0 ≤ τ < T1 anliegt und durch die Versorgungsschaltung ein Strom fließt.
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Werden die Stromrichterventile mittels einer PWM angesteuert, was in der Regel der Fall ist, entspricht die erste Periodendauer einer PWM-Periode.
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Bürstenlose Gleichstrommotoren, auch als Brushless DC Motor, abgekürzt BLDC- oder BL-Motor sowie auch electronically commutated Motor, kurz EC-Motor oder Permanent Magnet Synchron Motor, kurz PMSM, bezeichnet, sind aus dem Stand der Technik in großer Vielzahl und in vielen Variationen bekannt. Zumeist weist ein bürstenloser Gleichstrommotor einen Rotor mit einem Permanentmagneten auf, während der feststehende Stator die Spulen umfasst. Diese wird von einer elektronischen Versorgungsschaltung zeitlich versetzt mit elektrischer Energie versorgt, um ein elektromagnetisches Drehfeld zu erzeugen. Das Drehfeld verursacht ein Drehmoment am permanent erregten Rotor. Bei kleineren bürstenlosen Gleichstrommotoren mit geringen Ansprüchen ist es wegen des einfachen Aufbaus üblich, die Spulen an ein Zweiphasensystem anzuschließen. Um winkelabhängige Drehmomentschwankungen zu reduzieren, werden höhere Phasensysteme eingesetzt, wobei neben dem in der Energietechnik üblichen Dreiphasensystem auch höhere Phasenanzahlen zur Anwendung kommen. Durch eine hohe Polzahl werden die Laufeigenschaften verbessert, so dass das Drehfeld auch durch Ansteuerung mit einer rechteckförmigen Wechselspannung gebildet werden kann.
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Bürstenlose Gleichstrommotoren werden elektronisch kommutiert. Dazu muss die Rotorposition und die Drehzahl erfasst werden. Die Erfassung kann mit Sensoren oder ohne Sensoren erfolgen. Die vorliegende Erfindung betrifft die sensorlose elektronische Kommutierung.
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Bei der sensorlosen Kommutierung erfolgt die Erfassung der Rotorposition über die in den Spulen des Stators ausgelöste Gegenspannung, welche von der elektronischen Steuerschaltung ausgewertet wird. Eine häufige Bezeichnung für bürstenlose Gleichstrommotoren mit einem Permanentmagnetrotor und drei Spulen im Stator, ist elektronisch kommutierter Motor (EC-Motor).
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Der Fokus dieser Erfindung liegt auf Anwendungen, bei denen EC-Motoren dauerhaft betrieben werden. Die Erfindung ist nicht auf Motoren mit drei Spulen im Stator beschränkt.
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Ein Verfahren zur Ansteuerung von EC-Motoren basiert auf der Messung der Polradspannung zur Bestimmung der Rotorposition.
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Ansteuerverfahren bei dem die Polradspannung gemessen wird, sind aufgrund der hohen Robustheit weit verbreitet. Die Polradspannung ist die Spannung, die vom rotierenden Rotor in die Wicklungen des Stators induziert wird (nachfolgend Back-EMF genannt). Diese Verfahren können allerdings nur angewandt werden, wenn der Strom in einer Spule vorübergehend null ist und somit in dieser Spule die Back-EMF gemessen werden kann. Daher wird bei diesen Verfahren in der Regel jede Spule zu 2/3 der Periodendauer bestromt und zu 1/3 ist die Spule stromfrei und wird als Tachogenerator genutzt (2/3 Motorbetrieb, 1/3 Generatorbetrieb). Diese Art der Ansteuerung wird in der Regel als Blockkommutierung bezeichnet.
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Zwei wesentliche Nachteile dieses Konzeptes sind:
- 1.) Die Leistung und der Wirkungsgrad des Motors sind stark reduziert.
- 2.) Durch die Ansteuerung entstehen hohe Stromrippel, die
- a. ein schwankendes Drehmoment verursachen
- b. die Glättungskondensatoren stark belasten
- c. zusätzliche Geräusche verursachen.
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Wünschenswert ist dagegen, dass alle drei Spulen mit einem zum Rotor passenden Strom versorgt werden. Dieser kann beispielsweise sinusförmig oder trapezförmig sein. Letzteres ist insbesondere bei einer Blockkommutierung vorteilhaft. Außerdem ist es wünschenswert, wenn ein geringerer Rechenaufwand für die Steuerung des Motors notwendig wäre.
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Verfahren zur Ansteuerung von EC-Motoren, bei denen die Back-EMF genutzt wird, sind in den Dokumenten
WO 2007/026241 A2 und
WO 2010/046386 A2 beschrieben. Das Bestreben der in den Dokumenten beschriebenen technischen Lehren und auch der vorliegenden Erfindung ist es, die Phasenverschiebung zwischen der Back-EMF in einer Spule und dem sinusförmigen Strom durch die gleiche Spule zu eliminieren. Die beiden Dokumente beschreiben im Wesentlichen Folgendes:
- 1.) Der EC-Motor befindet sich im Motorbetrieb und die Drehzahl ist auf einem Niveau, so dass die Back-EMF messtechnisch ermittelt werden kann.
- 2.) Die Ansteuerung einer Schaltung zur Erzeugung des Stroms durch eine Spule wird unterbrochen, so dass der Strom in einer Spule null ist und die Back-EMF in dieser Spule gemessen werden kann.
- 3.) Die Back-EMF wird mittels eines Mikrocontrollers gemessen.
- 4.) Die Phasenverschiebung zwischen Back-EMF und dem Spulenstrom wird berechnet.
- 5.) Die berechnete Phasenverschiebung wird auf null geregelt, damit wird der Betrieb im optimalen Arbeitspunkt gewährleistet.
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Wie schon beschrieben, ist die Back-EMF-Messung nur möglich, wenn kein Strom in der Messphase fließt. Um in den Zustand zu gelangen, dass kein Strom in der Spule fließt, in der die Back-EMF gemessen werden soll, werden nach der Lehre aus dem Dokument
WO 2007/026241 A2 sinusförmige Spannungen an die drei Spulen angelegt. Man unterbricht diese Spannungen für ein fest definiertes Zeitintervall. Während dieses Zeitintervalls bildet sich nach Abklingen des Stroms in den Spulen die Back-EMF aus und kann gemessen werden. Nach der Lehre des Dokumentes
WO 2007/026241 A2 wird die Back-EMF an zwei Stellen gemessen und dann auf den Nulldurchgang der Back-EMF interpoliert. Ist der Nulldurchgang bekannt, kann die Phasenverschiebung ermittelt werden. Das Problem bei dieser Vorgehensweise ist, dass das definierte Zeitintervall relativ lang gewählt werden muss. Der Hintergrund dafür ist, dass das Abklingen des Phasenstroms eine gewisse Zeit dauert und während der Messung zwei Messwerte, mit ausreichendem Abstand, gemessen werden müssen. Für die Abklingzeit ist im Wesentlichen die Motorzeitkonstante verantwortlich, die üblicherweise einige Millisekunden beträgt. Als Folge der langen Unterbrechung der Spannung an den Spulen entsteht ein ungleichmäßiges Drehmoment und eine deutliche Reduzierung der Leistung sowie des Wirkungsgrads.
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Der Lösungsansatz des Verfahrens nach dem Dokument
WO 2010/046386 A2 hat ebenfalls das Ziel, die Back-EMF zu messen und den Phasenwinkel zwischen Back-EMF und Phasenstrom zu minimieren. Bei diesem Verfahren wird der Nulldurchgang des Stromes einer Spule genau detektiert, um so ohne Verzögerung die Back-EMF sofort messen zu können. Durch das Detektieren des Stromnulldurchgangs braucht keine Rücksicht auf die Motorzeitkonstante genommen zu werden. Zur genauen Bestimmung des Stromnulldurchgangs wird die Spulenspannung zu einem Zeitpunkt abgeschaltet, der vermutlich vor dem Stromnulldurchgang liegt. Nach dem Abschalten der Spulenspannung fließt der Strom über ein Freilaufelement weiter. Als Freilaufelement dient üblicherweise die inverse Freilaufdiode in MOSFETs von Halbbrücken, über welche die Spannungsversorgung der Spulen erfolgt. Da die Freilaufdiode nur in eine Richtung leitend ist, kommt es zu einem sprunghaften Anstieg der Spannung, sobald der Strom durch die Spule den Wert null erreicht. Dieser Anstieg kann als Triggersignal für das Einleiten der Back-EMF-Messung genutzt werden. Bei diesem Verfahren wird der Nulldurchgang des Stroms nach Abschalten der Spulenspannung genau bestimmt und die Phasenverschiebung zwischen Strom und Back-EMF kann relativ einfach ermittelt und auf null geregelt werden.
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Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass zum Abschaltzeitpunkt der reale Stromnulldurchgang zunächst nicht bekannt ist und somit die Abschaltung der Spulenspannung auf einem Schätzwert basiert. Hierbei kann es zu zwei Problemen kommen:
- 1.) Die Spannung wird weit vor dem tatsächlichen Stromnulldurchgang abgeschaltet. In diesem Fall würde unter Umständen ein hoher Strom über die Freilaufdiode fließen und erhebliche Verlustleistung generieren. Zusätzlich fällt über das Freilaufelement eine Durchlassspannung ab, die an anderer Stelle kompensiert werden muss um den Stromverlauf nicht zu beeinflussen, was wiederum einen zusätzlichen Rechenaufwand bedeutet.
- 2.) Die Spannung wird nach dem tatsächlichen Stromnulldurchgang abgeschaltet. In diesem Fall sperrt das Freilaufelement sofort, da der Strom bereits in Sperrrichtung fließt und somit können keine Rückschlüsse mehr auf den tatsächlichen Stromnulldurchgang und die Phasenverschiebung zwischen Spulenstrom und Back-EMF erfolgen. In diesem Fall steht für die Regelung kein Ist-Wert bzw. ein falscher Ist-Wert zur Verfügung. Des Weiteren wird in diesem Fall der Stromverlauf verändert und somit auch das Drehmoment beeinflusst.
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In dem Dokument
DE 10 2014 107 949 A1 ist daher vorgeschlagen worden, den Stromnulldurchgang in einem Strang des Motors zu Erkennen und nach der Erkennung des Nulldurchgangs die Spannung an dem Strang, an dem die Back-EMF gemessen werden soll, abzuschalten.
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Anders als bei der Lehre nach dem Dokument
WO 2010/046386 A2 wird bei dem Verfahren nach dem Dokument
DE 10 2014 107 949 A1 nicht geschätzt, wann der Nulldurchgang des Spulenstroms stattfinden könnte, um dann die Spulenspannung abzuschalten, damit man ein Triggersignal erhält, welches den Zeitpunkt des Nulldurchgangs anzeigt. Bei der aus dem Dokument
DE 10 2014 107 949 A1 bekannten Vorrichtung wird der Strom durch die Versorgungsschaltung wenigstens zweimal pro erster Periode abgetastet. Durch diese Abtastung des Stroms durch die Versorgungsschaltung kann der Nulldurchgang ermittelt werden.
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In einer ersten Periode, der PWM-Periode, folgen Zeitintervalle aufeinander. Diese Zeitintervalle unterscheiden sich durch unterschiedliche Schaltzustände der Stromrichterventile der Brückenschaltung. Gemäß der Lehre aus dem Dokument
DE 10 2014 107 949 A1 können die Abtastzeitpunkte innerhalb verschiedener Zeitintervalle einer ersten Periode liegen.
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Die Spannungspulse, welche durch das Schalten der Stromrichterventile erzeugt werden, bilden periodische Pulsmuster. Die periodischen Pulsmuster wiederholen sich mit einer zweite Periode, wobei eine Periodendauer der zweiten Perioden vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Periodendauer ist. Die zweiten Perioden entsprechen in der Regel der Periodendauer einer elektrischen Umdrehung. Die Pulsmuster zur Ansteuerung der Stromrichterventile sind um 360° geteilt durch die Anzahl der Stränge des Stators zueinander phasenverschoben. Bei einem Motor mit drei Strängen sind die Pulsmuster also um 120° zueinander phasenverschoben.
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Die während der ersten Perioden in den verschiedenen Strängen auftretenden Spannungspulse in einer einzelnen der ersten Perioden können unterschiedliche Pulsdauern haben. Das bedeutet, dass in einer einzeln betrachteten ersten Periode die Spannungspulse der an den Strängen des Stators anliegenden Spannungen unterschiedlich lang sind. Die Länge der Spannungspulse wird dabei durch die Zustände der Stromrichterventile der Versorgungsschaltung bestimmt. Diese Zustände bestimmen auch die Zeitintervalle in den ersten Perioden. Da während einer ersten Periode in verschiedenen Zeitintervallen abgetastet wird, also zu Zeitpunkten, in denen nicht die gleichen Spannungspulse an den Strängen anliegen, hat die unterschiedliche Länge der Pulsdauer zur Folge, dass der durch die Versorgungsschaltung fließende Strom, der abgetastet wird, die Summe unterschiedlicher Strangströme ist. Je nach dem, welcher Spannungspuls anliegt, also welches Stromrichterventil der Versorgungsschaltung leitend ist, ergibt sich der durch die Versorgungsschaltung fließende Strom aus unterschiedlichen Strangströmen.
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Es ist möglich, dass zu einzelnen Abtastzeitpunkten während jeder ersten Periode entweder an einem Strang des Stators ein Spannungspuls anliegt oder an zwei unterschiedlichen Strängen des Stators Spannungspulse anliegen. Das kann dadurch erreicht werden, dass mit den Stromrichterventilen der Versorgungsschaltung unterschiedliche Strompfade geschaltet werden.
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Nachfolgend wird von einem in dem Dokument
DE 10 2014 107 949 A1 näher betrachteter Motor ausgegangen, der drei Stränge hat. Der Motor kann eine Spule pro Strang haben. Bei einem solchen Motor kann der Strom durch die Versorgungsschaltung zweimal innerhalb einer ersten Periode abgetastet werden, und zwar
- - das eine Mal, wenn der erste Anschluss eines ersten Strangs der drei Stränge mit einem negativen Potential der Gleichspannungsquelle verbunden ist und die ersten Anschlüsse eines zweiten Strangs und eines dritten Strangs der drei Stränge mit einem positiven Potential der Gleichspannungsquelle verbunden sind, und
- - das andere Mal, wenn die ersten Anschlüsse des ersten Strangs und des dritten Strangs der drei Stränge mit dem negativen Potential der Gleichspannungsquelle verbunden sind und der erste Anschluss des zweiten Strangs der drei Stränge mit einem positiven Potential der Gleichspannungsquelle verbunden ist.
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Aus den zu den Abtastzeitpunkten gemessenen Werten des Stroms durch die Versorgungsschaltung wird der Zeitpunkt eines Nulldurchgangs wenigstens eines durch den dritten Strang fließenden Stroms ermittelt. Als Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des durch den dritten Strang fließenden Stroms wird zum Beispiel der Zeitpunkt ermittelt, zu dem die an den Abtastzeitpunkten gemessenen Ströme gleich groß sind oder die Differenz zwischen den beiden Strömen einen festgelegten Betrag nicht überschreitet.
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Bei der in dem Dokument
DE 10 2014 107 949 A1 offenbarten technischen Lehre müssen in jeder ersten Periode zwei Messungen vorgenommen werden, die verarbeitet werden müssen. Das nimmt Kapazitäten eines dafür vorgesehenen Mikrocontrollers in Anspruch, der dementsprechend ausgelegt sein muss. Ein weiterer Nachteil ist, dass es für das Verfahren notwendig ist, dass für die Abtastungen nicht immer hinreichend Zeit zur Verfügung steht. Das kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Zeitintervalle, in denen während einer ersten Periode abgetastet werden muss, sehr klein sind, was damit gleichbedeutend sein, dass die Pulsdauern der an den Strängen anliegenden Spannungen gleich lang sind bzw. die Duty-Cycle sehr klein sind.
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Der Erfinder hatte sich das Problem gestellt, ein alternatives Verfahren zur Erkennung des Nulldurchgangs des Stroms in einer Spule vorzuschlagen, bei welchem weniger Abtastungen notwendig sind, was zu einer geringeren zu verarbeitenden Datenmenge führt, und auch eine Messung in einem ausreichend langem Zeitintervall möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der durch die Versorgungsschaltung fließende Strom zu genau einem Abtastzeitpunkt in einer der ersten Periode abgetastet wird. Durch das einmalige Abtasten während der ersten Periode wird die Anzahl der zu verarbeitenden Daten reduziert. Der die Datenverarbeitung vornehmende Mikrocontroller kann weniger leistungsfähig ausgelegt werden, wodurch Kosten gespart werden können. Außerdem ist eine zuverlässige Messung auch bei kleinen Duty-Cyclen bzw. Tastgraden und annähernd gleich langen Tastgraden möglich.
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Jede erste Periode kann in aufeinanderfolgende Zeitintervalle unterteilt sein. Der Abtastzeitpunkt liegt vorzugsweise immer innerhalb des gleichen Zeitintervalls der ersten Periode. Die Zeitintervalle können sich durch unterschiedliche Schaltzustände der Stromrichterventile der Versorgungsschaltung unterscheiden. Aufgrund der unterschiedlichen Schaltzustände der Stromrichterventile der Versorgungsschaltung stellen sich unterschiedliche Ströme durch die Stränge des Stators (Strangströme) ein, wodurch sich die Zeitintervalle weiter unterscheiden.
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Gemäß der Erfindung kann der Abtastzeitpunkt in ein Zeitintervall der ersten Periode gelegt werden, in dem durch die Versorgungsschaltung ein Strom fließt, der einem Strangstrom entspricht, der als nächstes einen Nulldurchgang erfährt. Als Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des Strangstroms kann der Zeitpunkt ermittelt werde, zu dem der an dem Abtastzeitpunkt gemessenen Strom null ist oder der Betrag einen festgelegten Betrag nicht überschreitet.
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Die Spannungspulse können periodische Pulsmuster mit zweiten Perioden bilden, wobei eine Periodendauer der zweiten Periode ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Periodendauer ist und wobei die Pulsmuster zur Ansteuerung der Stromrichterventile um 360° geteilt durch die Anzahl der Stränge des Stators zu einander phasenverschoben sind. Vorzugsweise hat der Motor drei Stränge, die im Stern geschaltet sind.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 eine Systemübersicht,
- 2 eine schematische Darstellung der PWM-Pulsausrichtung während erster Perioden,
- 3 Strompfad im ersten Schritt,
- 4 Strompfad im zweiten Schritt,
- 5 Strompfad im dritten Schritt,
- 6 Strom durch die Versorgungsschaltung während zweiter Perioden,
- 7 eine Überlagerung des Strom durch die Versorgungsschaltung mit den einzelnen Strangströmen,
- 8 eine Detaildarstellung des Summenstroms mit einem Strangstrom,
- 9 eine Darstellung der PWM-Signale und Strom durch die Versorgungsschaltung über drei erste Perioden mit Einzeichnung der Abtastzeitpunkte und
- 10 eine Darstellung der Abtastzeitpunkte des Stroms durch die Versorgungsschaltung mit Kennzeichnung des Nulldurchgangs.
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In den 1 und 3 bis 5 ist die Gleichspannungsquelle mit 1, die Versorgungsschaltung mit 2 und der Stator des bürstenlosen Gleichstrommotors mit 3 bezeichnet.
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Bei der Gleichspannungsquelle kann es sich um eine Batterie, einen Akkumulator, ein Netzgerät oder ähnliches handeln.
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Als Versorgungsschaltung, auch oft als Endstufe bezeichnet, wurde für das dargestellte Beispiel eine B6C-Topologie gewählt. Grundsätzlich sind aber auch andere Schaltungen als Versorgungsschaltungen möglich.
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Die Versorgungsschaltung 2 ist aus Stromrichterventilen aufgebaut. Bei diesen kann es sich um MOS-FETs handeln. Die Versorgungsschaltung 2 weist eine erste Gruppe von MOS-FETs T1, T3, T5 auf, deren Kollektoren mit dem Anschluss der Gleichspannungsquelle für das positive Potential der Gleichspannung verbunden sind. Die Emitter dieser MOS-FETs T1, T3, T5 sind mit Lastanschlüssen der Versorgungsschaltung 2 verbunden. Neben der ersten Gruppe von MOS-FETs weist die Versorgungsschaltung 2 eine zweite Gruppe von MOS-FETs T2, T4, T6 auf. Die MOS-FETs T2, T4, T6 bilden zusammen mit jeweils einem MOS-FET T1, T3, T5 eine Halbbrücke. Die Kollektoren der MOS-FETs T2, T4, T6 sind dazu mit den Emittern und den Lastanschlüssen verbunden. Die Emitter der MOS-FETs T2, T4, T6 sind über einen Messwiderstand mit dem Anschluss der Gleichspannungsquelle für das negative Potential verbunden.
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Die Gateanschlüsse der MOS-FETs T1 bis T6 sind mit einer Steuerschaltung verbunden, die nicht dargestellt ist.
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Der Stator 3 weist drei Stränge mit jeweils einer Spule auf. Die Stränge haben jeweils einen ersten Anschluss A, B, C und einen zweiten Anschluss. Die zweiten Anschlüsse sind miteinander verbunden, so dass sich eine Sternschaltung der Stränge ergibt. Der erste Anschluss A des Stators 3 ist mit dem Lastanschluss der Versorgungsschaltung 2 in der Halbbrücke T1, T2 verbunden, der erste Anschluss B des Stators 3 ist mit dem Lastanschluss der Versorgungsschaltung 2 in der Halbbrücke T3, T4 verbunden und der erste Anschluss C des Stators 3 ist mit dem Lastanschluss der Versorgungsschaltung 2 in der Halbbrücke T5, T6 verbunden.
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Zur Ansteuerung der MOS-FETs T1 bis T6 der Versorgungsschaltung werden von der nicht dargestellten Steuerschaltung PWM-Signale erzeugt, die einen oder mehrere der MOS-FETs T1, T3, T5 der ersten Gruppe oder einen oder mehrere der MOS-FETs T2, T4, T6 der zweiten Gruppe von MOS-FETs der Halbbrücken zum Schließen ansteuern. Das bedeutet, dass immer einer der MOS-FETs T1 bis T6 einer Halbbrücke leitend ist.
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Die PWM-Signale können so gewählt werden, dass in den Strängen des Stators 3 trapezförmige, sinusförmige oder nahezu sinusförmige Ströme mit einer zweiten Periode fließen. Durch diese sinusförmigen Ströme wird das Wanderfeld erzeugt, welches den permanent erregten Rotor des Motors treibt.
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Zur Erzeugung dieser Strangströme werden an die Stränge Spannungen angelegt. Die PWM-Signale an den Gateelektroden der MOS-FETs sind in der 2 und der 9 oben dargestellt. Diese erzeugen in jedem Strang Spannungspulse mit einer ersten Periode in Pulsmustern mit einer zweiten Periode. Ist eine Strangspannung auf einem hohen Wert, ist der mit diesem Strang verbundene MOS-FET T1, T3, T5 der ersten Gruppe durchgeschaltet während der mit diesem Strang verbundene MOS-FET der zweiten Gruppe T2, T4, T6 sperrt. Ist eine Strangspannung auf einem niedrigen Wert, ist es umgekehrt.
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Die Pulsmuster der Strangspannungen sind um 120° der zweiten Periode phasenverschoben.
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Durch die gewählten PWM-Signale ergibt es sich, dass in einer ersten Periode die Spannungspulse in den drei Strängen unterschiedlich lang sind. D.h., die PWM-Singale haben in einer ersten Periode unterschiedliche Duty-Cycle oder Tastgrade.
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Damit die unterschiedlichen Längen der Spannungspulse der Strangspannungen realisiert werden können, können die Schaltzustände der MOS-FETs T1 bis T6 der Versorgungsschaltung in einer ersten Periode geändert werden. Dadurch ergeben sich innerhalb einer ersten Periode unterschiedliche Strompfade, die für drei Schaltzustände für eine erste Periode in den 3 bis 5 dargestellt sind. Ausgewählt ist eine erste Periode, nämlich die PWM-Periode, die in 9 unten dargestellt ist.
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Grundsätzlich kann jeder einzelne Strangstrom am Messwiderstand während einer ersten Periode gemessen werden. Welcher Strom zu welchem Zeitpunkt fließt, hängt dabei von dem aktiven PWM-Signalen bzw. deren Ausrichtung ab. Bei dem beschriebenen Verfahren, wird ein PWM-Puls an den Anfang einer PWM-Periode gelegt und der PWM-Puls der zweiten aktiven Phase an das Ende (siehe u.a. 2). Mit den Pfeilen im unteren Teil der 2 ist angedeutet, wie die Tastgrade der den Strängen zugeordneten PWM-Signale verändert werden könnten, um andere Spannungen an den Strängen zu erzeugen. Alternativ zu der Platzierung der PWM-Pulse am Anfang und am Ende einer ersten Periode ist es möglich, den einen PWM-Puls zentriert zur Mitte der ersten Periode zu platzieren und den zweiten Puls je zur Hälfte am Anfang und zur Hälfte am Ende oder, wenn man mehrere erste Perioden in Folge betrachtet, zentriert zum Beginn bzw. zum Ende einer ersten Periode. Dann ist eine Abtastung immer zum Beginn oder immer in der Mitte einer ersten Periode möglich.
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Eine PWM-Periode setzt sich aus der Abfolge der drei Schaltzustände zusammen.
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Beim in der 3 dargestellten ersten Schaltzustand ist der MOS-FET T1 leitend, während der MOS-FET T3 und der MOS-FET T5 der ersten Gruppe weiterhin sperren. Der MOS-FET T2 der zweiten Gruppe sperrt und die MOS-FET T4 und T6 leiten. In diesem Zustand ist ein Strompfad vom Anschluss der Gleichspannungsquelle für das positive Potential, über den MOS-FET T1, den ersten Anschluss A, dem mit dem ersten Anschluss A verbundenen Strang des Stators 3 zum Sternpunkt des Stators geschaltet. Von dem Sternpunkt sind zwei Strompfade zum Anschluss für das negative Potential der Gleichspannungsquelle 1 geschaltet, nämlich über den mit dem ersten Anschluss B bzw. den mit dem ersten Anschluss C verbundenen Strang, den ersten Anschluss B bzw. C, den MOS-FET T4 bzw. T6 und den Messwiderstand R.
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Beim in der 4 dargestellten zweiten Schaltzustand ist kein MOS-FET der ersten Gruppe durchgeschaltet. Die MOS-FETs der zweiten Gruppe sind dagegen leitend. In diesem ersten Schaltzustand kann kein Strom durch die Versorgungsschaltung 2 fließen. Am Messwiderstand R fällt in diesem Schaltzustand keine Spannung ab. In den Strängen können Ströme fließen, die durch Entladevorgänge der Spulen getrieben werden.
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Beim in der 5 dargestellten dritten Schaltzustand ist der MOS-FET T3 leitend, während die anderen MOS-FETs der ersten Gruppe sperren. Auch der MOS-FET T2 und der MOS-FET T6 der zweiten Gruppe leitet und der MOS-FET T4 sperrt. In diesem Zustand ist ein Strompfad vom Anschluss der Gleichspannungsquelle für das positive Potential, über den MOS-FET T3, den ersten Anschluss B, dem mit dem ersten Anschluss B verbundenen Strang des Stators 3 zum Sternpunkt des Stators geschaltet. Vom Sternpunkt sind zwei Strompfade zum Anschluss für das negative Potential der Gleichspannungsquelle 1 geschaltet, nämlich über den mit dem ersten Anschluss A bzw. über den mit dem ersten Anschluss C verbundenen Strang, den ersten Anschluss A bzw. C, den MOS-FET T1 bzw. T6 und den Messwiderstand R.
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In dem ersten und dem dritten Schaltzustand fließt der durch die Versorgungsschaltung fließende Strom zum Sternpunkt über einen Strang und vom Sternpunkt über zwei Stränge. Durch die Stränge des Stators fließen keine weiteren Ströme aus einer anderen Quelle. Im ersten Schaltzustand sind die mit dem Anschluss B und C verbundenen MOS-FETs T3 und T5 nicht durchgeschaltet. Im dritten Schaltzustand sind die mit dem Anschluss A und C verbundenen MOS-FETs T1 und T5 nicht durchgeschaltet. Ein Strom kann also über diese Transistoren in die Stränge des Stators dann nicht fließen. In den Stator fließt somit im ersten Zustand nur ein Strom über den ersten Anschluss A und im dritten Zustand nur ein Strom über den ersten Anschluss B.
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Im ersten und dritten Zustand entspricht der Strom durch die Versorgungsschaltung daher dem Strom durch den Strang mit dem ersten Anschluss A (erster Zustand) oder dem Strom durch den Strang mit dem ersten Anschluss B. Durch Messung des Stroms durch die Versorgungsschaltung kann also der Strom durch die beiden Stränge beobachtet werden.
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Hat also im ersten oder dritten Schaltzustand der Strom durch die Versorgungsschaltung, der an dem Messwiderstand erfasst wird, einen Nulldurchgang, gilt das auch für einen der Strangströme.
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Grundsätzlich lässt sich die nachfolgend beschriebene Methode zum Bestimmen des Stromnulldurchgangs mittels Software, Hardware oder einer Kombination aus beiden bestimmen.
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Die Stromnulldurchgangsdetektion kann über den Shunt bzw. Messwiderstand R oder eine Verpolungsschutz -MOSFET in der Zu- oder Ableitung der Versorgungsschaltung erfolgen.
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Ein Verlauf des Stroms durch die Versorgungsschaltung ist in 6 dargestellt. Deutlich zu erkennen sind die Stromhüllkurven der Strangströme, die aktiv mit einem PWM-Signal gepulst werden.
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Bei der gewählten Aufteilung der PWM-Signale kann der reale Stromnulldurchgang jedes Strangstroms direkt gemessen werden. Ersichtlich wird das in 7 an dem Verlauf des Strangstroms der zum Zeitpunkt 1.105 aus dem Negativen kommt und zwischen den Zeitpunkten 1.105 und 1.106 den Nullpunkt durchläuft. Dieser Strangstrom ist mit dem Strom durch die Versorgungsschaltung zu dem Zeitpunkt identisch, was in 8 mit höherer Auflösung dargestellt ist. In 8 ist der Strangstrom mit gestrichelter und der Strom durch die Versorgungschaltung mit durchgezogener Linie dargestellt.
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In der 9 stellt der untere Signalverlauf den Strom durch die Versorgungschaltung und der obere Signalverlauf die drei PWM-Signale über drei erste Perioden dar. Zur Bestimmung der Nulldurchgänge der Phasenströme wird synchron zu dem PWM-Signal der Strom abgetastet, der als Nächstes einen Nulldurchgang durchläuft. In 9 ist die Abtastung mit dem dritten PWM-Signal von oben synchronisiert. Die Abtastzeitpunkte sind in 9 und 10 mit einem Pfeil markiert.
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Da bei einer diskreten Abtastung der Stromnulldurchgang nur sehr selten genau getroffen wird, empfiehlt sich die Überschreitung bzw. Unterschreitung eines Schwellwertes auszuwerten. Es liegt also ein Nulldurchgang vor, wenn ein abgetasteter Wert in einem Toleranzfenster um Null liegt bzw. ein Polaritätswechsel vorliegt.
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Die beschriebene Ermittlung des Stromnulldurchgangs entspricht einem SW-Komparator. Die Funktionalität kann ebenfalls mit einem HW-Komparator realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- A, B C
- erste Anschlüsse des Stators
- T1 bis T6
- MOS-FETs der Versorgungsschaltung
- R
- Messwiderstand
- 1
- Gleichspannungsquelle
- 2
- Versorgungsschaltung/B6C-Schaltung
- 3
- Stator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/026241 A2 [0011, 0012]
- WO 2010/046386 A2 [0011, 0013, 0016]
- DE 102014107949 A1 [0015, 0016, 0017, 0021, 0023]
