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Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor oder auch „brushless DC“ (BLDC). Ein BLDC-Motor ist konstruktiv gesehen eine Drehfeldmaschine, die keinen mechanischen Kommutator braucht. Der Rotor beinhaltet einen oder mehrere Magnete. Durch die Wechselwirkung zwischen Statorfeld und Rotorfeld entsteht ein elektrisches Moment, das zu einer Rotation führen kann.
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Anders als die unter dem Begriff permanenterregte Synchron-Maschinen (PMSM) oder PMAC bekannten Motoren werden jeweils nur zwei Phasen von drei gleichzeitig bestromt und die dritte Phase ist stromlos. Die Auswahl der zu bestromenden Phasen ist von der Rotorlage abhängig. Der Übergang von einem Sektor zum nächsten wird auch „elektronische Kommutierung“ genannt, deswegen auch die Bezeichnung „brushless“ oder „elektronisch kommutiert“. Die für die Kommutierung eines BLDC-Motors notwendige Information über die Rotorlage wird üblicherweise über einen Lagesensor wie beispielsweise Hall-Sensoren, Resolver oder Inkrementalgeber gemessen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt, die diese Kommutierung ohne einen Lagesensor erlauben. Der am meiste verbreitete Ansatz der sensorlosen Ansteuerung basiert darauf, die Rotorlage und die Kommutierungszeitpunkte durch Messung der induzierten Spannung in der inaktiven Phase zu ermitteln. Die Spannungspotentiale der Motorphase und des Motorsternpunkts werden über Spannungsteiler miteinander verglichen und der Nullübergang wird als Referenzzeitpunkt für die Kommutierung genommen.
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Bei Motoren, bei denen der Sternpunkt nicht physikalisch herausgeführt ist (etwa bei einer Dreieck-Schaltung), kann ein Sternpunkt künstlich durch drei in Stern geschaltete Widerstände nachgebildet werden. Das Spannungspotential des künstlichen Sternpunkts wird dann anschließend mit dem Spannungspotential der inaktiven Phase, zum Beispiel über einen Komparator, verglichen. Der Nulldurchgang dieser Differenz wird als Referenzzeitpunkt für die Kommutierung genommen.
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Bei einem optimal kommutierten BLDC sollen der Phasenstrom und die Elektromotorische Kraft (EMK) in Phase sein, damit ein maximales Verhältnis der Leistung zum Stromeffektivwert erreicht wird. Dieses Kriterium bedeutet, dass der Nulldurchgang der EMK einer Phase etwa in der Mitte des stromlosen Intervalls erfolgen soll (unter der Annahme einer kleinen Verzögerung zwischen Spannung und Strom in der Phase). Bei der herkömmlichen Ansteuerung ist dies nicht ohne Weiteres gegeben.
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Die Erfindung hat daher die Aufgabe, eine sensorlose Ansteuerung eines BLDCs bereitzustellen, die eine optimale oder zumindest optimierte Kommutierung aufweist.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines mindestens dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors, bevorzugt ohne Rotorlagesensor, umfassend: Bestromen von zwei Phasen, wobei die Spannung des Bestromens mittels PWM-Steuerung eingestellt wird;
Ermitteln der induzierten Spannung ΔU einer nicht bestromten Phase;
Anpassen der PWM-Frequenz, falls die induzierte Spannung ΔU ungleich Null ist, wobei
- - die PWM-Frequenz erhöht wird, falls
ΔU bei positivem Nulldurchgang < 0; oder
ΔU bei negativem Nulldurchgang > 0
und
- - die PWM-Frequenz verringert wird, falls
ΔU bei positivem Nulldurchgang > 0; oder
ΔU bei negativem Nulldurchgang < 0.
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Erfindungsgemäß wird ΔU verwendet, um auf den Zustand der Kommutierung zu schließen. Abhängig davon kann über die Änderung der PWM-Frequenz entsprechend geregelt werden, um den Nulldurchgang der induzierten Spannung bzw. elektromotorischen Kraft (EMK) mit der Mitte des stromlosen Intervalls zu synchronisieren. Damit werden Phasenstrom und EMK in Phase gehalten und das Verhältnis der Leistung zum Stromeffektivwert wird maximiert.
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Erfindungsgemäß müssen nicht unbedingt alle Phasen in der beschriebenen Weise gemessen werden. Je nach Anwendung genügt es, nur eine einzige Phase zu messen. Es ist möglich, nur eine Phase, einen Teil der Phasen oder alle Phasen zu messen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Ermitteln der induzierten Spannung ΔU:
- - Messen der induzierten Spannung ΔU gegenüber einem Referenzpotenzial, wobei das Referenzpotenzial bevorzugt das Potenzial eines Sternpunkts des Motors ist.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ermitteln der induzierten Spannung der nicht bestromten Phase im Wesentlichen mittig in Bezug auf das stromlose Intervall.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Zeitpunkt des Ermittelns der induzierten Spannung von der PWM-Ansteuerung abgeleitet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die PWM-Frequenz ein ganzzahliges, bevorzugt ungeradzahliges Vielfaches der elektrischen Frequenz.
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Diese Ausführungsform ermöglicht eine sehr einfache Handhabung der PWM-Frequenz bzw. elektrischen Frequenz. Insbesondere im Falle eines ungeradzahligen Vielfachen kann der Triggerzeitpunkt für das Ermitteln sehr einfach abgeleitet werden, da hier immer ein PWM-Puls mittig in Bezug auf das stromlose Intervall liegt. Von diesem Puls kann dann einfach der Triggerzeitpunkt abgeleitet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter
- - Erhöhen des ganzzahligen Vielfachen, falls die PWM-Frequenz einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet; und/oder
- - Verringern des ganzzahligen Vielfachen, falls die PWM-Frequenz einen vorgegebenen Maximalwert unterschreitet.
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Die PWM-Frequenz kann nicht beliebig variiert werden. Bei zu hohen Frequenzen kommt es zu inakzeptablen Verlusten, bei zu niedrigen Frequenzen kann der Stromripple zu stark werden, was zu unangenehmer Geräuschentwicklung führen kann. Daher wird gemäß dieser Ausführungsform eine minimale/maximale Frequenz vorgegeben, bevorzugt ein Fenster für die Frequenz. Bei Überschreiten von Schwellenwerten wird das Vielfache angepasst, damit die Frequenz wiederum innerhalb des Fensters bzw. unterhalb/oberhalb der Schwellenwerte bleiben kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Ansteuerschaltung für einen mindestens dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor ohne Rotorlagesensor bereitgestellt, umfassend:
- - eine Steuereinheit, die zum Bestromen von zwei Phasen eingerichtet ist, wobei die Spannung des Bestromens mittels PWM-Steuerung eingestellt wird; und
- - eine Abtasteinrichtung, die zum Ermitteln der induzierten Spannung ΔU einer nicht bestromten Phase eingerichtet ist;
wobei die Steuereinheit eingerichtet ist zum Anpassen der PWM-Frequenz, falls die induzierte Spannung ΔU ungleich Null ist, wobei
- - die PWM-Frequenz erhöht wird, falls
ΔU bei positivem Nulldurchgang < 0; oder
ΔU bei negativem Nulldurchgang > 0
und
- - die PWM-Frequenz verringert wird, falls
ΔU bei positivem Nulldurchgang > 0; oder
ΔU bei negativem Nulldurchgang < 0.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ansteuerschaltung weiter
- - einen Mikrokontroller, der dazu eingerichtet ist, der Abtasteinrichtung ein Triggersignal zum Ausführen des Ermittelns der induzierten Spannung ΔU bereitzustellen, wobei das Triggersignal im Wesentlichen mittig in Bezug auf das stromlose Intervall ausgegeben wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Mikrokontroller dazu eingerichtet, das Triggersignal von der PWM-Ansteuerung abzuleiten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit weiter dazu eingerichtet ist, das Verhältnis von PWM-Frequenz und elektrischer Frequenz des Motors so einzustellen, dass die PWM-Frequenz ein ganzzahliges, bevorzugt ungeradzahliges Vielfaches der elektrischen Frequenz ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit weiter dazu eingerichtet:
- - das ganzzahlige Vielfache zu erhöhen, falls die PWM-Frequenz einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet; und/oder
- - das ganzzahlige Vielfache zu verringern, falls die PWM-Frequenz einen vorgegebenen Maximalwert unterschreitet.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein bürstenloser Gleichstrommotor mit mindestens drei Phasen und bevorzugt ohne Rotorlagesensor bereitgestellt, umfassend eine Ansteuerschaltung wie vorstehend beschrieben.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der bürstenlose Gleichstrommotor weiter einen Sternpunkt zur Messung der induzierten Spannung.
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Gemäß einer Ausführungsform
- - sind die Phasen in Sternschaltung mit dem Sternpunkt verbunden; oder
- - ist der Sternpunkt ein künstlich nachgebildeter Sternpunkt.
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Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Haushaltsgerät bereitgestellt, umfassend einen Motor wie vorstehend beschrieben. Das Haushaltsgerät kann beispielsweise ein Staubsauger sein, andere Geräte kommen jedoch ebenso in Frage.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 zeigt drei mögliche Spannungsverläufe für negativen Nulldurchgang; und
- 4 zeigt drei mögliche Spannungsverläufe für positiven Nulldurchgang.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes. Ein bürstenloser Gleichspannungsmotor (BLDC) 2 ist verbunden mit einer Steuereinheit 4. Die Steuereinheit 4 stellt die Kommutierung des Motors 2 bereit. Die Spannung, die an die Phasen des Motors 2 angelegt wird, wird mittels Pulsweitenmodulation bzw. PWM-Steuerung eingestellt. Die Steuereinheit 4 übernimmt die Erzeugung der PWM-Steuerung.
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Der Motor 2 kann beispielsweise mit einer üblichen (nicht gezeigten) Schaltung mit insgesamt sechs Leistungsschaltern (zwei pro Phase) angesteuert werden, wobei die Steuereinheit 4 dann die Halbbrücken in einem entsprechenden Muster ansteuert, d.h. die Highside- und Lowside-Transistoren einer jeweiligen Phase entsprechend öffnet bzw. schließt. Es wird hier und im Folgenden von einer Ansteuerung ausgegangen, bei der jeweils zwei Phasen bestromt werden, während eine Phase unbestromt bleibt.
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Eine Abtasteinheit ADC, beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler, ist einerseits mit dem Sternpunkt 8 und andererseits jeweils mit einer der drei Phasen des Motors 2 verbunden. In der hier gezeigten Ausführungsform besitzt der Motor 2 einen künstlichen Sternpunkt 8, der das Referenzpotenzial für die Messung der induzierten Phasenspannung bereitstellt. Diese Ausführung kann für Motoren ohne physikalischen Sternpunkt (etwa in Dreiecksschaltung) oder in Sternschaltung, aber ohne herausgeführten Sternpunkt, angewendet werden. Der künstliche Sternpunkt 8 wird mit passend gewählten Widerständen erzeugt. Alternativ kann bei Motoren in Sternschaltung der dort physikalisch vorhandene Sternpunkt verwendet werden, um hier die Referenzspannung abzugreifen.
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Die Abtasteinheit ADC wird von einem Mikrocontroller 6 getriggert, um zu dem richtigen Zeitpunkt die induzierte Phasenspannung zu messen. Durch einen gestrichelten Pfeil ist hier angedeutet, dass in einer alternativen Ausführungsform optional der Zeitpunkt für die Triggerung von der PWM-Ansteuerung abgeleitet werden kann. Es ist dafür vorteilhaft, wenn die PWM-Frequenz ein ungeradzahliges Vielfaches der elektrischen Frequenz ist, da hier einfach der mittlere PWM-Puls während des stromlosen Intervalls der unbestromten Phase gewählt werden kann, um gleichzeitig die Triggerung auszulösen.
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Die induzierte Phasenspannung bzw. ΔU wird (in Bezug auf eine Referenzspannung ΔURef) an die Steuereinheit 4 zurückgeführt. Die Messgröße ΔU wird als Rückführung über den Zustand der Kommutierung genutzt, um eine Art Phase Locked Loop (PLL, Phasenregelschleife) mit der Steuereinheit 4 zu bilden, deren Ziel es ist, den Nulldurchgang der EMK mit dem Zeitpunkt der Abtastung in der Mitte des stromlosen Intervalls zu synchronisieren. Damit wird erreicht, dass Phasenstrom und EMK in Phase gehalten werden. Die Steuereinheit 4 kann rein in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert werden.
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Grundsätzlich dient eine PLL dazu, die Phasenlage und damit zusammenhängend die Frequenz eines veränderbaren Oszillators über einen geschlossenen Regelkreis so zu beeinflussen, dass die Phasenabweichung zwischen einem äußeren Referenzsignal und dem Oszillator oder einem daraus abgebildeten Signal möglichst konstant zu halten. Bei der hier gezeigten Ausführung entspricht die elektrische Grundwelle (Spannung) des Motors dem Oszillator und die Rotorlage dem Referenzsignal. ΔU wird erfindungsgemäß als ein Maß für die Phasenverschiebung zwischen elektrischer Grundwelle und Rotorlage verwendet und dient als Regelabweichung am Eingang des Reglers bzw. der Steuereinheit 4.
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Durch Änderung der PWM-Frequenz kann indirekt die Frequenz/elektrische Grundwelle des Motors angepasst werden und die Phasenlage zum Rotor bei Abweichung korrigiert werden. Die PWM-Frequenz kann bei einem Wechselrichter aus den folgenden Gründen jedoch nicht beliebig verändert werden:
- - bei zu hoher PWM-Frequenz sind die Schaltverlust der beispielsweise MOSFETs zu hoch
- - Bei zu niedriger PWM Frequenz kann der Stromripple stark steigen und in Folge können unangenehme akustische Signale entstehen
Vorteilhaft ist es daher, eine maximale und eine minimale PWM-Frequenz zu definieren, so dass immer gilt: Fmin < FPWM < Fmax . Bei Überschreitung der maximalen PWM-Frequenz (F1PWM > Fmax), wird das Verhältnis N zwischen PWM-Frequenz und elektrischer Frequenz verringert, so dass F1PWM/N1 = F2PWM/N2 = Felektrisch. Bei Unterschreitung von Fmin wird ensprechend N erhöht und die PWM-Frequenz erhöht.
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In 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung in Form eines Flussdiagramms gezeigt. In Schritt 100 werden zwei der drei Phasen eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC) bestromt. Die anliegende Spannung wird per Pulsweitenmodulation (PWM) erzeugt. In Schritt 102 wird bei der nicht bestromten Phase die induzierte Spannung ΔU bestimmt. Abhängig von der Ausführung des Motors wird die induzierte Spannung gegen ein Referenzpotenzial gemessen, das entweder an einem physikalischen Sternpunkt oder einem künstlich nachgebildeten Sternpunkt anliegt.
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In Schritt 104a wird bestimmt, dass bei einem positiven Nulldurchgang (PZC) ΔU < 0 ist oder bei einem negativen Nulldurchgang (NZC) ΔU > 0 ist. In diesem Fall wird die PWM-Frequenz erhöht. Alternativ wird in Schritt 104b bestimmt, dass bei einem positiven Nulldurchgang (PZC) ΔU > 0 ist oder bei einem negativen Nulldurchgang (NZC) ΔU < 0 ist. In diesem Fall wird die PWM-Frequenz verringert.
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Der Schritt 104a bzw. 104b wird beispielsweise von einem Mikrocontroller getriggert, zu einem Zeitpunkt, der etwa in der Mitte des stromlosen Intervalls liegt. Ob es sich um einen PZC oder NZC handelt, ist durch die Ansteuerung des Motors vorgegeben und kann somit daraus abgeleitet werden. Vorteilhaft kann dies aber auch einfach daraus ermittelt werden, ob der Trigger des Mikrocontrollers eine steigende oder fallende Flanke aufweist. Beispielsweise kann für eine ansteigende Triggerflanke NZC und für eine abfallende Triggerflanke PZC erkannt werden. Siehe dazu auch 2 und 3.
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Es ist möglich, bei dem dreiphasigen Motor nur eine der drei Phasen in Bezug auf die induzierte Spannung abzutasten. Alternativ können mehrere oder alle Phasen abgetastet werden. Das Verfahren ist analog auch bei Motoren mit abweichenden Anzahlen der Phasen möglich.
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In 3 sind drei mögliche Spannungsverläufe für negativen Nulldurchgang gezeigt. Unter negativem Nulldurchgang wird hier verstanden, dass die Phasenspannung ihr Vorzeichen von positiv auf negativ ändert. Links ist der gewünschte Idealzustand gezeigt, bei dem die Nulldurchgänge der Spannung des (künstlichen oder physikalischen) Sternpunkts UStern mit der induzierten Phasenspannung UPhase zusammenfallen, d.h. ΔU = 0 ist.
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In der Mitte ist der Fall gezeigt, dass zum Abtastzeitpunkt UPhase größer als UStern ist, d.h. ΔU > 0 ist. In diesem Fall findet der Nulldurchgang also später als der Abtastzeitpunkt statt bzw. die Kommutierung erfolgt zu spät. Die PWM-Frequenz ist daher zu erhöhen.
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Rechts ist der Fall gezeigt, dass zum Abtastzeitpunkt UPhase kleiner als UStern ist, d.h. ΔU < 0 ist. In diesem Fall findet der Nulldurchgang also früher als der Abtastzeitpunkt statt bzw. die Kommutierung erfolgt zu früh. Die PWM-Frequenz ist daher zu verringern.
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In 4 sind drei mögliche Spannungsverläufe für positiven Nulldurchgang gezeigt. Unter positivem Nulldurchgang wird hier verstanden, dass die Phasenspannung ihr Vorzeichen von negativ auf positiv ändert. Links ist der gewünschte Idealzustand gezeigt, bei dem die Nulldurchgänge der Spannung des (künstlichen oder physikalischen) Sternpunkts UStern mit der induzierten Phasenspannung UPhase zusammenfallen, d.h. ΔU = 0 ist.
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In der Mitte ist der Fall gezeigt, dass zum Abtastzeitpunkt UPhase größer als UStern ist, d.h. ΔU > 0 ist. In diesem Fall findet der Nulldurchgang also früher als der Abtastzeitpunkt statt bzw. die Kommutierung erfolgt zu früh. Die PWM-Frequenz ist daher zu verringern.
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Rechts ist der Fall gezeigt, dass zum Abtastzeitpunkt UPhase kleiner als UStern ist, d.h. ΔU < 0 ist. In diesem Fall findet der Nulldurchgang also später als der Abtastzeitpunkt statt bzw. die Kommutierung erfolgt zu spät. Die PWM-Frequenz ist daher zu erhöhen.
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Um einfach zu erkennen, ob mit einem NZC oder PZC zu einem gegebenen Abtastzeitpunkt zu rechnen ist, kann in einer optionalen Ausführungsform die Triggerflanke entsprechend eingestellt und ausgewertet werden. Beispielsweise kann für NZC die Triggerflanke ansteigend, für PZC abfallend vorgesehen sein, wie in 2 und 3 gezeigt.
