DE102017121829A1 - Verfahren zum Betreiben eines sensorlos, elektronisch kommutierten, mehrphasigen Elektromotors - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten mehrphasigen Elektromotors (3), bei dem die Kommutierungszeiten sensorlos mit Hilfe eines Komparators (8) aus den Nulldurchgängen der Gegenelektromotorischen Kraft ermittelt werden, wobei die ermittelten Kommutierungszeiten in Abhängigkeit von einer Hysterese des Komparators (8) korrigiert werden.

Description

• Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten, mehrphasigen Elektromotors.
• Hierbei ist es bekannt, den Elektromotor sensorlos zu betreiben. Bei diesem Verfahren werden die Kommutierungszeiten nicht durch Lagesensoren bestimmt, sondern aus der in der Statorwicklung (im Folgenden auch als Motorwicklung bezeichnet) des Elektromotors aufgrund der Drehbewegung des Rotormagneten induzierten elektrischen Spannung abgeleitet. Diese induzierte Spannung wird als Gegenelektromotorische Kraft (englisch backelectromotive force, kurz BEMF) bezeichnet. Die BEMF kann am Besten in einer unbestromten Motorwicklung gemessen werden. Insbesondere wird ein Nulldurchgang der BEMF als Kommutierungszeitpunkt verwendet.
• Zur Feststellung des Nulldurchgangs wird in der Regel die BEMF mit einem Komparator gegen 0 V verglichen, wobei das Ergebnis ein Komparatorsignal ist, das als Rechtecksignal am Ausgang des Komparators vorliegt. Das Komparatorsignal ist beispielsweise High, wenn die BEMF positiv ist und Low, wenn die BEMF negativ ist.
• Der Kommutierungszeitpunkt wird üblicherweise als derjenige Zeitpunkt bestimmt, der in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der BEMF liegt. Die Nulldurchgänge werden bei mehrphasigen Motoren dabei in zwei verschiedenen Phasenwicklungen detektiert.
• Zum Betreiben eines solchen Elektromotors existieren auf dem Markt anschlussfertige Motorcontroller, die alle zum Betreiben notwendigen Bausteine enthalten, etwa einen solchen Komparator und eine Vollbrückenschaltung. Dabei gibt es zahlreiche Modelle, die für verschiedene Anwendungen spezialisiert sind und dementsprechend ausgewählt werden können.
• Üblicherweise besitzt ein Komparator, im Allgemeinen und auch die in den Motorcontrollern integrierten, eine Hysterese. Diese ist zumeist derart ausgebildet, dass die steigende Flanke des Komparatorsignals mit dem Nulldurchgang ins Positive des betrachteten Signals zeitlich übereinstimmt. Die fallende Flanke jedoch mit einer Verzögerung behaftet ist, so dass diese zeitlich nach dem Nulldurchgang erfolgt. Die Hysterese ist durch eine konstante Hysteresespannung charakterisiert. Daraus folgt, dass bei schnellen Spannungsänderungen die Hysteresespannung schneller erreicht wird, und somit die Hysteresezeit kürzer ist.
• Die Änderung der BEMF-Spannung hängt bei einem Elektromotor im Wesentlichen von der Drehzahl ab. Bei geringen Drehzahlen ändert sich auch die BEMF langsamer als bei hohen Drehzahlen. Das bedeutet, dass auch die Zeit, bis die Hysteresespannung überwunden ist, von der Drehzahl abhängt. Bei sehr geringen Drehzahlen benötigt die BEMF länger, als bei hohen Drehzahlen. Je nach verwendetem Komparator kann der dadurch entstandene Fehler beim Kommutierungszeitpunkt bis über 100% betragen, so dass ein Betrieb eines Motors bei niedrigen Drehzahlen nicht möglich ist. Beispielsweise kann dies bei Drehzahlen im Bereich von 500 bis 1000 min^-1 oder weniger der Fall sein. Das bedeutet, ein Motor kann an einem solchen Motorcontroller nicht unterhalb einer Grenzdrehzahl sensorlos betrieben werden, da der durch den Nulldurchgang ermittelte Kommutierungszeitpunkt erst nach dem nächsten theoretischen Kommutierungszeitpunkt auftritt.
• Neben dieser Beschränkung bei niedrigen Drehzahlen, bewirkt ein falscher Kommutierungszeitpunkt auch erhebliche Wirkungsgradverluste aufgrund einer stark überhöhten Stromaufnahme.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zu schaffen, dass es ermöglicht, einen Elektromotor an einem Motorcontroller mit Hysterese behafteten Komparator mit geringerer Drehzahl effizient zu betreiben.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
• Die Erfindung stellt also ein Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten mehrphasigen Elektromotors bereit, bei dem die Kommutierungszeiten sensorlos mit Hilfe eines Komparators aus den Nulldurchgängen der Gegenelektromotorischen Kraft ermittelt werden. Die ermittelten Kommutierungszeiten werden dabei in Abhängigkeit von einer Hysterese des Komparators korrigiert.
• Vorzugsweise werden die ermittelten Kommutierungszeiten mit Hilfe eines Fehlerkoeffizienten korrigiert. Durch diese Korrektur kann eine eventuell vorhandene Hysterese des Komparators kompensiert werden, um eine korrekte Kommutierungszeit zu erhalten.
• Insbesondere zweckmäßig ist es, wenn der Fehlerkoeffizient abhängig von der Hysterese des Komparators berechnet wird. Die Hysterese kann beispielsweise durch eine feste Hysteresespannung charakterisiert sein. Insbesondere kann der Komparator eine asymmetrische Hysterese aufweisen, wobei beispielsweise ein Nulldurchgang bei steigender Spannung ohne Verzögerung erkannt wird und ein Nulldurchgang bei fallender Spannung eine Hysterese aufweist.
• Da die Änderung der gegenelektromotorischen Kraft von der aktuellen Drehzahl des Elektromotors abhängt, ist es zweckmäßig, wenn der Fehlerkoeffizient abhängig von der aktuellen Drehzahl und/oder der Hysteresespannung des Komparators und/oder der elektrischen Motorkonstante ke berechnet wird.
• Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung basiert auf der Feststellung, dass die Hysterese bei der fallenden Spannung durch eine konstante Drehzahlabweichung charakterisiert werden kann. Aus diesem Grund kann zunächst eine Drehzahlabweichung aus der Hysteresespannung und der elektrischen Motorkonstante berechnet werden. Diese konstante Drehzahlabweichung ist demnach unabhängig von der aktuellen Drehzahl. Aus dieser Drehzahlabweichung und der aktuellen Drehzahl kann dann eine Korrektur für die jeweils ermittelte Kommutierungszeit bestimmt werden. Beispielsweise kann aus dem Verhältnis der aktuellen Drehzahl zu der Drehzahlabweichung ein Fehlerkoeffizient berechnet werden, mit dem die jeweils ermittelte Kommutierungszeit korrigiert wird.
• Die Berechnung der Korrekturen, beziehungsweise der Fehlerkoeffizienten, ist für jeden Kommutierungszeitpunkt notwendig und kann in einem Motorcontroller fortlaufend durchgeführt werden.
• Es ist jedoch auch möglich, dass die Fehlerkoeffizienten für mehrere Drehzahlen vorausberechnet und in einer Tabelle gespeichert werden, auf die für die Korrektur der Kommutierungszeiten zugegriffen werden kann. Auf diese Weise kann in nicht ganz leistungsfähigen Motorcontrollern mit ausreichendem Speicherplatz auf eine fortlaufende Berechnung der Fehlerkoeffizienten, verzichtet werden. Insbesondere auch bei drehzahlgeregelten Motoren, die in der Regel mit konstanter Drehzahl betrieben werden, kann so der Berechnungsauswand wesentlich reduziert werden.
• Die Fehlerkoeffizienten können vorausberechnet und in einer Tabelle, beispielswiese einem dauerhaften oder flüchtigen Speicher einer Ansteuerschaltung, gespeichert werden. Beispielsweise können die Fehlerkoeffizienten bei einer Initialisierung oder Konfiguration der Ansteuerschaltung des Elektromotors vorausberechnet werden und/oder zuvor vorausberechnet und während der Initialisierung oder Konfiguration in der Tabelle abgespeichert werden. Insbesondere können die vorausberechneten Fehlerkoeffizienten auch fest in ein Betriebsprogramm eines Mikrocontrollers der Ansteuerschaltung programmiert sein.
• In manchen Ausgestaltungen ist es vorgesehen, dass die Hysteresespannung während einer Referenzfahrt des Elektromotors bestimmt wird. Beispielsweise kann der Elektromotor bei der Konfiguration oder ersten Inbetriebnahme eine einmalige Referenzfahrt durchlaufen, während der die Hysteresespannung ermittelt wird. Alternativ kann die Referenzfahrt auch öfter, beispielsweise nach jedem Einschaltvorgang, durchgeführt werden. Zur Ermittlung der Hysteresespannung kann der Elektromotor angetrieben und die Nulldurchgänge der Gegenelektromotorischen Kraft ermittelt werden. Treten die Nulldurchgänge bei konstanter Drehzahl nicht im jeweils gleichen zeitlichen Abstand zueinander auf, kann dies ein Maß für die Hysterese des Komparators sein. Aus den zeitlichen Abständen der Nulldurchgänge zueinander kann daher die Hysteresespannung bestimmt werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass der Elektromotor während der Referenzfahrt synchron, also mit vorgegebenen Kommutierungszeiten, angetrieben wird. Ebenso ist es auch in solchen Ausgestaltungen auch vorteilhaft, wenn der Elektromotor wenigstens einen Hallsensor aufweist, so dass die aktuelle Drehzahl präzise eingestellt werden kann. Alternativ ist aber auch eine Referenzfahrt mit einer sensorlosen Kommutierung möglich.
• In einem besonders zweckmäßigen Verfahren wird die BEMF in einer jeweils unbestromten Motorphase gemessen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn für jede Motorphase ein separater Komparator vorhanden ist. Auf diese Weise muss der Eingang des Komparators nicht mit einem Umschalter oder Multiplexer mit der jeweils unbestromten Motorphase verbunden werden. Bei einem dreiphasigen Elektromotor können die Phasenwicklungen auch derart mit den Komparatoren verschaltet sein, dass jeweils ein Komparatoreingang mit einer Phasenwicklung gekoppelt ist und der jeweils andere Komparatoreingang über einen Widerstand mit den beiden anderen Phasenwicklungen verbunden ist. Auch hier können drei unabhängige Komparatoren verwendet werden. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass einem Komparator ein geeigneter Multiplexer vorgeschaltet ist, der mit allen drei Phasenwicklungen gekoppelt ist.
• Vorzugsweise werden die Kommutierungszeiten derart aus zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der Gegenelektromotorischen Kraft bestimmt, dass die Kommutierungszeiten jeweils in der Mitte zwischen zwei Nulldurchgängen der Gegenelektromotorischen Kraft liegen. Der theoretisch ideale Kommutierungszeitpunkt ist üblicherweise als derjenige Zeitpunkt definiert, der in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen liegt. Ist jedoch das Komparatorsignal bezüglich eines der Nulldurchgänge mit einer Hysterese behaftet ist, dann muss diese Hysterese bei der Bestimmung des nächsten Kommutierungszeitpunktes kompensiert werden. Es wird also die Hysterese derart kompensiert, dass der aus den Komparatorsignalen der Nulldurchgänge berechnete Kommutierungszeitpunkt in der Mitte zwischen zwei Nulldurchgängen der BEMF liegt.
• Ebenso kann es in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens bevorzugt sein den Elektromotor, in Abhängigkeit von einem Betriebszustand, mit einer Vorkommutierung zu betreiben. Dies kann insbesondere während dem Anlauf oder allgemein während einer Beschleunigungsphase eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorteilhaft sein. In solchen Betriebszuständen kann durch eine Vorkommutierung der ideale Arbeitspunkt des Elektromotors eingestellt werden. Die Kommutierungszeiten können dann insbesondere derart bestimmt werden, dass sie jeweils zwischen 5° und 30° einer elektrischen Umdrehung vor der Mitte zwischen zwei Nulldurchgängen der Gegenelektromotorischen Kraft, also zwischen 5° und 30° vor dem idealen Kommutierungszeitpunkt liegen. Es ist in manchen Ausgestaltungen also vorgesehen, den Kommutierungszeitpunkt in manchen Betriebsphasen derart festzulegen, dass ausgehend von den Komparatorsignalen sowohl eine Kompensation der Hysterese des Komparators als auch eine zusätzliche Vorkommutierung erfolgt. Beispielsweise kann der Elektromotor während einer Beschleunigungsphase mit einer Vorkommutierung betrieben werden und im nach dem Erreichen der Sollgeschwindigkeit zur idealen Kommutierungszeit kommutiert werden.
• Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen den Fall, dass sowohl Nulldurchgänge der BEMF mit fallendem als auch mit steigendem Verlauf eine Hysterese im Komparatorsignal aufweisen. Bei einer gegebenen Drehzahl können die Hysteresen dann symmetrisch sein, so dass die Hysteresezeiten der fallenden und der steigenden Flanke gleich sind. Ebenso können sie sowohl einen symmetrischen als auch einen asymmetrischen Anteil aufweisen. In manchen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun vorgesehen, dass der symmetrische Anteil der Hysterese eines Komparators kompensiert wird. Ein symmetrischer Anteil bedeutet, dass die Flanken der Komparatorsignale in zeitlich gleichen Abständen zueinander ausgegeben werden. Daher sind die Kommutierungsintervalle bei fester Drehzahl gleich lang. Jedoch werden aufgrund der Hysteresezeit alle Nulldurchgänge der BEMF um die gleiche Zeitspanne zu früh oder zu spät registriert, weshalb auch alle Kommutierungszeitpunkte zu früh oder zu spät sind. Dieser Fehler wird daher in einigen Ausgestaltungen der Erfindung durch eine drehzahlabhängige Verschiebung des Kommutierungszeitpunktes kompensiert. Dies entspricht im Wesentlichen einer drehzahlabhängigen Vorkommutierung in Bezug auf die hysteresebehafteten Komparatorsignale.
• In weiteren Fortbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sowohl der symmetrische Anteil einer Komparatorhysterese, als auch der asymmetrischer Anteil kompensiert. Der Kommutierungszeitpunkt kann dann jeweils mittels einer aus der Hysteresespannung bestimmten Drehzahlabweichung, zur Kompensation des asymmetrischen Anteils, in Kombination mit einer drehzahlabhängigen Verschiebung des Kommutierungszeitpunktes, zur Kompensation des symmetrischen Anteils, korrigiert werden. Zusätzlich kann auch hier eine vom Betriebszustand abhängige Vorkommutierung hinzukommen. Somit kann unabhängiger von der Hysterese der Komparatoren, bei jeder Drehzahl des Elektromotors der jeweilige Betriebszustand berücksichtigt werden und ein optimaler Arbeitspunkt des Elektromotors eingestellt werden.
• Die Erfindung umfasst auch einen Motorcontroller mit wenigstens einem Komparator zur Bestimmung eines Nulldurchgangs einer Gegenelektromotorischen Kraft einer unbestromten Motorwicklung und einer Motorsteuerung, die zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Der Motorcontroller kann insbesondere ein integrierter Schaltkreis sein, in dem alle notwendigen Schaltungsteile integriert sind. Insbesondere können dies sein, ein Mikrocontroller, eine Vollbrückenschaltung, sowie jeweils ein Komparator für jede Motorphase.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
• Es zeigt:
• 1 ein Blockschaltbild eines Aktuators mit einem Motorcontroller und einem Antriebsmotor,
• 2 ein schematisches Diagramm einer überwachten Spannung und eines zugehörigen Hysteresesignals,
• 3 ein schematisches Diagramm des Verlaufs der induzierten Spannungen und Kommutierungszeitpunkte am Beispiel eines bürstenlosen dreiphasigen Gleichstrommotors, und
• 4 eine Ansteuerschaltung eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer Komparatorschaltung zur Detektion der Nulldurchgänge der BEMF.
• Die 1 zeigt beispielhaft einen Aktuator 1, der beispielsweise zum Antreiben eines Stellgliedes, etwa einer Kühlergrillklappe in einem Automobil, verwendbar ist. Der Aktuator weist einen integrierten Motorcontroller 2 auf, der mit einem dreiphasigen, elektronisch kommutierten Elektromotor 3 verbunden ist. Der Motorcontroller 2 enthält, neben weiteren Komponenten, für jede Motorphase U,V,W einen Komparator zur Feststellung eines Nulldurchgangs der BEMF in einer unbestromten Motorphase U,V,W.
• Diese Komparatoren besitzen eine Hysteresespannung, die bekannt ist und beispielsweise im Datenblatt des Motorcontrollers 2 angegeben ist oder durch einfache Maßnahmen bestimmbar ist.
• Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die 2 ein Diagramm, in dem eine BEMF-Spannung 4 dargestellt ist. Üblicherweise weist die BEMF-Spannung 4 etwa eine Sinusform auf. In den Bereichen der Nulldurchgänge ist der Sinus jedoch näherungsweise linear, so dass die in 2 dargestellte BEMF-Spannung 4 als Näherung eines Sinus betrachtet werden kann.
• Unterhalb der BEMF-Spannung 4 ist ein Komparatorsignal 5 gezeigt, das ein Ausgangssignal eines Komparators mit der BEMF-Spannung 4 darstellt.
• Zum Zeitpunkt t1 weist die BEMF-Spannung 4 einen Nulldurchgang von einer negativen zu einer positiven Spannung auf. Infolgedessen schaltet der Komparator sein Komparatorsignal 5 von Low auf High. Die steigende Flanke 6 des Komparators stimmt zeitlich mit dem Nulldurchgang zum Zeitpunkt t1 überein.
• Beim Nulldurchgang von einer positiven BEMF-Spannung 4 zu einer negativen BEMF-Spannung 4 besitzt der Komparator jedoch eine Hysterese, die durch eine konstante Hysteresespannung Uh charakterisiert ist. Dadurch liegt die fallende Flanke 7 des Komparatorsignals zu einem späteren Zeitpunkt t3 als der Zeitpunkt t2 des Nulldurchgangs. Wobei die Hysteresezeit Th, also die Differenz zwischen t3 und t2, von der Steigung der BEMF-Spannung 4 abhängt. Die Steigung ist wiederum abhängig von der aktuellen Drehzahl des Motors. Das bedeutet, dass die Hysteresezeit Th mit Zunahme der Drehzahl abnimmt.
• Da jeder Kommutierungszeitpunkt anhand zweier vorausgegangener Nulldurchgangsdetektionen der BEMF bestimmt wird, führt der Detektionsfehler aufgrund der Hysteresezeit Th des Komparators 8 auch zu einem Fehler in der Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes. Wird beispielsweise ein Nulldurchgang der BEMF bei steigender BEMF korrekt und bei fallender BEMF mit einer Hysterese behaftet erkannt, so werden diejenigen Kommutierungszeitpunkte, die anhand eines Nulldurchgangs bei steigender BEMF gefolgt von einem Nulldurchgang mit fallender BEMF bestimmt werden, verspätet sein. Dagegen werden diejenigen Kommutierungszeitpunkte, die anhand eines Nulldurchgangs bei fallender BEMF gefolgt von einem Nulldurchgang mit steigender BEMF bestimmt werden, verfrüht sein. Dadurch ergibt sich ein ungleichmäßiges Kommutierungsmuster, so dass der Arbeitspunkt des bürstenlosen Gleichstrommotors nicht bestmöglich eingestellt ist. Insbesondere kann der Motor deshalb „unrund“ laufen und gegebenenfalls außer Schritt geraten.
• Dies kann durch das erfindungsgemäße Verfahren kompensiert werden. Vom verwendeten Elektromotor 3 ist in der Regel die elektrische Motorkonstante ke bekannt. Diese gibt die Induktionsspannung der Gegenelektromotorischen Kraft 4 in Abhängigkeit der Umdrehungszahl an. Zudem ist die Hysteresespannung Uh des Komparators bekannt, beispielsweise aus dem Datenblatt des Motorcontrollers 2.
• Im Beispiel beträgt die elektrische Motorkonstante ke = 1,7 mV/rpm. Die Hysteresespannung Uh = 100 mV.
• Da bei einem BLDC-Motor 3 BEMF-Spannung 4 und Drehzahl zu einander proportional sind, folgt daraus auch, dass eine BEMF-Spannungsänderung proportional zu einer Drehzahländerung ist. Somit kann die Hysteresespannung Uh auch als eine konstante Drehzahlabweichung betrachtet werden. Das bedeutet, der Motor läuft im Prinzip um diese Drehzahlabweichung zu langsam, da aufgrund der verzögerten Erkennung des Nulldurchgangs die Kommutierungszeiten zu lange sind. Dabei ist diese konstante Drehzahlabweichung unabhängig von der aktuellen Drehzahl. Aus diesem Grunde ist auch die relative Abweichung im Verhältnis zur aktuellen Drehzahl bei hohen Drehzahlen geringer. Insbesondere kann der Motor aufgrund der verzögerten Erkennung des Nulldurchgangs auch unrund laufen. Wird die steigende Flanke ohne nennenswerte Hysterese detektiert, während die fallende Flanke mit einer Hysterese behaftet ist, so ist das durch die beiden Zeitpunkte definierte Intervall insgesamt zu lange, während das darauf folgende Intervall zu kurz ist. Folglich wird der Kommutierungszeitpunkt des ersten Intervalls zu spät sein, während der Kommutierungszeitpunkt im darauf folgenden Intervall zu früh sein wird. Der Kommutierungszeitpunkt wird also für Intervalle, die mit einer steigenden Flanke beginnen und mit einer fallenden Flanke enden, zu spät sein und für Intervalle, die mit einer fallenden Flanke beginnen und mit einer steigenden Flanke enden, zu früh sein.
• In manchen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun aus der elektrischen Motorkonstante ke und der Hysteresespannung Uh eine Drehzahlabweichung dN berechnet. Beispielsweise kann die Drehzahlabweichung dN über die Formel dN = 2 * Uh / ke bestimmt werden.
• Es kann dann zu einer aktuellen Drehzahl N ein Fehlerkoeffizient Nk berechnet werden, der diese mit der Drehzahlabweichung dN ins Verhältnis setzt zu $$\text{Nk}\left(\text{N}\right)=2*\text{dN}/\text{N}\text{.}$$

  
• Die durch den Komparator ermittelte Kommutierungszeit Tk kann dann mit diesem Fehlerkoeffizient korrigiert werden zu $$\text{Tk\_neu}\left(\text{N}\right)=\text{Tk}*\left(1-\text{Nk}\left(\text{N}\right)\right).$$

  
• Die so korrigierte Kommutierungszeit Tk_neu liegt wesentlich näher bei der optimalen Kommutierungszeit, als die anhand der fallenden Flanke 7 bestimmte Kommutierungszeit Tk.
• Das Ausführungsbeispiel zeigt die erfindungsgemäße Korrektur angewandt auf einen Komparator mit asymmetrischer Hysterese, bei der die steigende Flanke 6 korrekt und die fallende Flanke 7 zu spät erkannt werden. Das Verfahren kann ohne weiteres auch auf andere Fälle übertragen werden, beispielsweise auf Fälle, bei der die beiden Flanken unterschiedliche Hysteresen aufweisen.
• Die 3 illustriert die Hystereseproblematik anhand eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors. Es sind die Verläufe U_U , U_V , U_W der in den Phasenwicklungen U, V, W induzierten Spannungen, der BEMF 4, als Funktion des elektrischen Drehwinkels gezeigt. Die Zeitpunkte der Nulldurchgänge der BEMF sind wie zuvor bei einem ansteigenden Verlauf der BEMF mit t₁ benannt und bei einem fallenden Verlauf der BEMF mit t₂ benannt. Die Kurven I_U , I_V und I_W stellen die Phasenströme, beziehungsweise die bestromten Intervallen der jeweiligen Phasenwicklung dar. Die Kommutierungszeitpunkte entsprechen Komparatorsignalen (Com.) 5'. Signale 6' einer steigenden Flanke der BEMF werden dabei ohne Verzögerung detektiert. Signale 7' einer fallenden Flanke der BEMF weisen eine Hysterese auf und werden entsprechend um die Hysterseszeit Th verzögert detektiert. Ein Kommutierungszeitpunkt wird nun aus zwei aufeinanderfolgenden Komparatorsignalen 6', 7' bestimmt. Beispielsweise wird aus dem Komparatorsignal 6' des bei 0° registrierten Nulldurchgangs der U-Phase und dem Komparatorsignal 7', das aufgrund des Nulldurchgangs der W-Phase bei 60° ausgegeben wird, der nächstfolgende Kommutierungszeitpunkt bestimmt. Das Komparatorsignal 7' der fallenden Flanke wird um die Hysterseszeit Th zu spät ausgegeben, weshalb die Distanz zwischen den beiden Komparatorsignalen nicht 60° einer elektrischen Umdrehung entspricht, sondern 60° + Th. Die nächstfolgende Kommutierung liegt daher um die Hälfte dieser Distanz hinter dem bei 60° auftretenden Nulldurchgang, also bei 90° + Th/2. Die Komparatorsignale 5' der Nulldurchgänge bei 60° + Th und 120° definieren jedoch eine kürzere Distanz, die nun einem elektrischen Drehwinkel kleiner als 60° entspricht und durch 60° - Th gegeben ist. Entsprechend findet die Kommutierung zum Bestromen der V-Phase um die halbe Hysterseszeit Th/2 zu früh, also bei 150° - Th/2, statt. Der folgende Kommutierungszeitpunkt, bei dem die U-Phase bestromt und die W-Phase ausgeschaltet werden, ist dagegen um Th/2 verzögert und liegt bei 210°+ Th/2. In dieser Betrachtung wurde die Hysteresezeit Th im Sinne des elektrischen Drehwinkels, der während dieser Zeit zurückgelegt wird, verwendet.
• Insgesamt betrachtet folgt auf ein zu kurzes Kommutierungsintervall der Länge L1 immer ein zu langes Kommutierungsintervall der Länge L2, wobei sich dieses Muster fortsetzt. Dadurch wird der Elektromotor nicht im idealen Arbeitspunkt betrieben und unrund laufen. Durch die Korrektur der Hysterese der Komparatorsignale werden auch die Kommutierungszeitpunkte korrigiert, so dass die Kommutierungsintervalle wenigstens näherungsweise die gleiche Länge haben, dass also wenigstens näherungsweise L1 = L2 gilt.
• Die 4 zeigt eine beispielhafte Ansteuerschaltung eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors. Die Ansteuerschaltung umfasst eine B6-Brückenschaltung mit insgesamt sechs Halbleiterschalter HS0, HS1, HS2, LS0, LS1 und LS2 zum Bestromen der Phasenwicklungen U, V, W. Am Spannungseingang der B6-Brückenschaltung ist ein Pufferkondensator C_in angeordnet. Die Halbleiterschalter HS0, HS1, HS2, LS0, LS1 und LS2 können beispielsweise als Feldeffekttransistoren, insbesondere als MOSFET oder JFET, ausgebildet sein. Durch Schalten der Halbleitschalter HS0, HS1, HS2, LS0, LS1 und LS2 kann der bürstenlose Gleichstrommotor kommutiert werden. Üblicherweise werden die Halbleiterschalter HS0, HS1, HS2, LS0, LS1 und LS2 derart geschaltet, dass immer zwei der Phasenwicklungen U, V, W bestromt sind. In der jeweils unbestromten Phasenwicklung U, V, W können dann die Nulldurchgänge der induzierten Spannung (der BEMF 4) mittels des Spannungskomparators 8 detektiert werden. Im Beispiel ist jede der drei Phasenwicklungen U, V, W über einen nicht gezeigten Multiplexer mit einem Eingang des einzigen Komparators 8 verbunden, wobei ein weiterer Eingang des Komparators 8 mit einem virtuellen Sternpunkt VS der Phasenwicklungen verbunden ist. Ein Ausgang des Komparators 8 kann dann, wie im Beispiel angedeutet, mit einem Eingang IO eines Mikrocontrollers 2 der Ansteuerschaltung gekoppelt sein. Der Mikrocontroller 2 kann dann die Kommutierungszeitpunkte auf Basis der detektierten Nulldurchgänge der BEMF bestimmen. Die Komparatoren 8 können auf unterschiedliche Art und Weise verschaltet sein. Neben der gezeigten Schaltung mit einem Komparator 8 sind auch Ausführungen mit drei separaten Komparatoren 8 möglich. Dann kann jeweils ein erster Eingang jedes Komparators 8 mit einer Phasenwicklung und ein zweiter Eingang mit dem virtuellen Sternpunkt VS verbunden sein. Im Beispiel sind die Phasenwicklungen U, V, W jeweils über einen Widerstand R₁ , R₂ , R₃ mit dem virtuellen Sternpunkt VS verbunden. Ebenso kann neben der jeweiligen Phasenwicklung U, V, W auch jeweils der physikalische Sternpunkt der Phasenwicklungen, anstelle des virtuellen Sternpunktes VS, mit einem Komparatoreingang gekoppelt sein. In anderen Ausgestaltungen ist jeweils ein erster Komparatoreingang mit einer Phasenwicklung U, V, W verbunden, während ein zweiter Komparatoreingang parallel mit den beiden übrigen Phasenwicklungen U, V, W gekoppelt ist.
• Die Komparatoren 8 und/oder deren Kopplung mit den Phasenwicklungen U, V, W können auch in dem Mikrocontroller 8 integriert sein. Ebenso können die Halbleiterschalter HS0, HS1, HS2, LS0, LS1, LS2 und/oder die Verschaltung des Sternpunktes, beziehungsweise des virtuellen Sternpunktes VS, im Mikrocontroller 8 integriert sein.
• Bei anderen bürstenlosen Elektromotoren, beispielsweise bei einem zweiphasigen Schrittmotor, kann die Erfindung auch unter Verwendung anderer Ansteuerschaltungen und Komparatoranordnungen umgesetzt werden, wobei eine beliebige Anzahl an Komparatoren 8 verwendet werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Aktuator

2

Motorcontroller

3

Elektromotor

4

BEMF-Spannung

5, 5'

Komparatorsignal

6, 6'

steigende Flanke

7, 7'

fallende Flanke

8

Komparator

R₁

Widerstand

R₂

Widerstand

R₃

Widerstand

U,V,W

Motorphasen

t1

steigender Nulldurchgang

t2

fallender Nulldurchgang

t3

fallende Flanke

Th

Hysteresezeit

Uh

Hysteresespannung

N

aktuelle Drehzahl

dN

Drehzahlabweichung

Nk

Fehlerkoeffizient

Tk

Kommutierungszeit

U_U, U_V, U_W

BEMF-Spannung

I_U, I_V, I_W

Phasenströme

Claims (15)

1. Verfahren zum Betreiben eines elektronisch kommutierten mehrphasigen Elektromotors (3), bei dem die Kommutierungszeiten sensorlos mit Hilfe eines Komparators (8) aus den Nulldurchgängen (t1,t2) der Gegenelektromotorischen Kraft (4) ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kommutierungszeiten (Tk) in Abhängigkeit von einer Hysterese des Komparators (8) korrigiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kommutierungszeiten (Tk) in Abbhängigkeit von einer aktuellen Drehzahl (N) und/oder einer Hysteresespannung (Uh) des Komparators (8) und/oder einer elektrischen Motorkonstanten (ke) korrigiert werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Drehzahlabweichung (dN) aus der Hysteresespannung (Uh) und der elektrischen Motorkonstante (ke) berechnet wird und die Kommutierungszeiten (Tk) auf Basis der Drehzahlabweichung (dN) korrigiert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur der Kommutierungszeiten (Tk) ein Fehlerkoeffizient (Nk) abhängig von der Hysterese des Komparators (8) berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass der Fehlerkoeffizient (Nk) als Verhältnis aus der Drehzahl (N) zu der Drehzahlabweichung (dN) berechnet wird, mit dem dann die ermittelte Kommutierungszeit (Tk) korrigiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerkoeffizienten (Nk) für mehrere Drehzahlen vorausberechnet und in einer Tabelle gespeichert werden, auf die für die Korrektur der Kommutierungszeiten (Tk) zugegriffen werden kann.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerkoeffizienten (Nk) während einer Konfiguration oder Initialisierung einer Ansteuerschaltung des Elektromotors für mehrere Drehzahlen (N) vorausberechnet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hysteresespannung (Uh) während einer Referenzfahrt des Elektromotors bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Referenzfahrt die Nulldurchgänge der Gegenelektromotorischen Kraft (4) ermittelt werden und die Hysteresespannung (Uh) aus den zeitlichen Abständen der Nulldurchgänge zueinander bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektromotorische Kraft (4) in einer jeweils unbestromten Phasenwicklung (U,V,W) gemessen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungszeiten (Tk) jeweils derart aus zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen (t1,t2) der Gegenelektromotorischen Kraft (4) bestimmt werden, dass die Kommutierungszeiten (Tk) jeweils in der Mitte zwischen zwei Nulldurchgängen (t1,t2) der Gegenelektromotorischen Kraft (4) liegen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3) in Abhängigkeit von einem Betriebszustand mit einer Vorkommutierung betrieben wird, wobei die Kommutierungszeiten jeweils derart bestimmt werden, dass sie jeweils zwischen 5° und 30° einer elektrischen Umdrehung vor der Mitte zwischen zwei Nulldurchgängen (t1,t2) der Gegenelektromotorischen Kraft (4) liegen.
13. Motorcontroller (2) mit wenigstens einem Komparator (8) zur Bestimmung eines Nulldurchgangs (t1,t2) einer in einer unbestromten Phasenwicklung (U,V,W) induzierten Gegenelektromotorischen Kraft (4) und einer Motorsteuerung, die zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
14. Motorcontroller (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorcontroller (2) zum Betreiben eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors ausgebildet ist und dass ein erster Eingang des Komparators (8) mit einer Phasenwicklung (U,V,W) des Elektromotors (3) verbunden ist und ein zweiter Eingang des Komparators (8) mit einem Sternpunkt oder mit einem virtuellen Sternpunkt (VS) der drei Phasenwicklungen (U,V,W) oder mit zwei weiteren Phasenwicklungen (U,V,W) verbunden ist.
15. Aktuator (1) mit einem Motorcontroller (2) nach Anspruch 13 oder 14 und einem dreiphasigen Elektromotor (3), der mit dem Motorcontroller (2) verbunden ist.

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