DE102018107648A1

DE102018107648A1 - Verfahren zum Betreiben eines dreiphasigen elektronisch kommutierten Antriebsmotors

Info

Publication number: DE102018107648A1
Application number: DE102018107648.7A
Authority: DE
Inventors: Fabian Armbruster; Markus Weh
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2018-10-04

Abstract

Ein Aktuator (1) mit einem dreiphasigen, elektronisch kommutierten Antriebsmotor (3), mit einem Motorcontroller (4) zur Ansteuerung der Motorphasen (U,V,W) des Antriebsmotors (3), wobei der Antriebsmotor (3) in einem Betriebszustand (7) gemäß einem 6-Schritt-Kommutierungsschema betrieben wird und zum Stoppen und/oder Halten des Antriebsmotors (3) in einen Sonderzustand (8) gewechselt wird, während dessen der Antriebsmotor (3) gemäß einem 12-Schritt-Kommutierungsschema betrieben wird.

Description

Die Erfindung behandelt im Wesentlichen Aktuatoren, die einen elektronisch kommutierten Elektromotor als Antriebsmotor und ein Untersetzungsgetriebe aufweisen. Solche Aktuatoren werden beispielsweise in Automobilen etwa als Sitzversteller, als Klimaklappensteller und für weitere Stellaufgaben verwendet. Durch hohe Untersetzungen der Getriebe, etwa im Bereich um 1:600, werden sehr geringe Abtriebsdrehzahlen um 4-6 min^-1, bei gleichzeitig hohem Abtriebsdrehmoment zwischen 0,7 und 2,5 Nm erreicht.
Der Erfindung lag nun die Anforderung zugrunde, die Abtriebsdrehzahl zu vergrößern, bei ansonsten gleichen Spezifikationen. Das Nenndrehmoment am Abtrieb sollte weiterhin 1,2 Nm betragen. Um die Drehzahl zu erhöhen, wurde die Untersetzung des Getriebes auf etwa 1:300 verkleinert. Die Drehzahl steigt dadurch auf bis zu 15 min^-1 an. Gleichzeitig verringert sich jedoch auch das Drehmoment unter das geforderte Nennmoment. Eine Erhöhung des Motorstromes ist nicht möglich, da der verwendete Motorcontroller keine höheren Ströme schalten kann. Bei maximalem Motorstrom betrug das maximale Drehmoment am Abtrieb nur noch etwa 0,7 Nm.
Der Antriebsmotor wird gemäß einem sogenannten 6-Schritt-Kommutierungsschema betrieben. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass bei jedem Kommutierungsvorgang nur ein Brückenschalter der Vollbrückenschaltung geschaltet wird. Dadurch sind die Schalt- und andere Verluste reduziert.
Im Betrieb fiel nun auf, dass der Antriebsmotor mit der höheren Drehzahl zwar einen Aktuator antreiben kann, ihn aber nicht zuverlässig unter Last stoppen oder in einer Zwischenposition halten konnte. Das Problem ist, dass das Stoppen auf einer festen Kommutierung stattfindet, wobei eine oder mehrere Phasen des Elektromotors konstant bestromt werden. Der Rotor des Antriebsmotors möchte aber aufgrund seiner Trägheit weiter drehen. Wenn nun das auf den Rotormagneten aufgrund der Bestromung der Phasenwicklung entsprechend der aktuellen Kommutierung wirkende Drehmoment nicht ausreicht den Motor zu bremsen, wird der Motor weiter drehen und kommt nicht zum Stehen. Ebenso kann der Motor nicht vor dem Stoppen weiter abgebremst werden, da die minimale Drehzahl für die Software und den Controller bereits erreicht ist. Die minimale Drehzahl bestimmt sich beispielsweise anhand der induzierten BEMF-Spannung, die bei kleinen Drehzahlen die Auflösung der Messeinheit unterschreitet. Die Messeinheit ist beispielsweise eine Komparatorschaltung zur Detektion der Nulldurchgänge der BEMF unbestromter Phasenwicklungen. Üblicherweise liegt die minimale Drehzahl, die zum zuverlässigen Detektieren notwendig ist, im Bereich von 300 min^-1 bis 1200 min^-1.
Die Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zu entwickeln, das ein sicheres Anhalten (Stoppen) und Halten (Festhalten) des aktuellen Aktuators ermöglicht, ohne weitreichende Änderungen vorzunehmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Der Trick der Erfindung besteht nun darin, dass in einem Sonderzustand der Elektromotor gemäß einem 12-Schritt-Kommutierungsschema betrieben wird. Ein 12-Schritt Kommutierungsschema ist grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus der US 4 758 768 oder der DE 10023370 A1 .
Die 12-Schritt-Kommutierung bietet die Vorteile, dass die Zeitspanne zwischen den Kommutierungen geringer ist. Desweiteren sind abwechselnd immer zwei oder drei Phasen der Motorwicklung bestromt. Dadurch kann das Drehmoment des Elektromotors höher sein, als beim Ausführen eines 6-Schritt-Kommutierungsschemas.
Dies kann beispielsweise beim Beschleunigen, insbesondere beim Anfahren aus dem Stillstand, von Vorteil sein. Beim Bremsen und/oder Stoppen des Elektromotors kann das größere Bremsmoment hilfreich sein. Auch beim Halten in einer Zwischenposition kann das höhere Haltemoment sinnvoll sein.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht also vor, dass der Sonderzustand zum Stoppen und/oder Halten verwendet wird. In manchen bevorzugten Varianten des Verfahrens wird der Sonderzustand auch zum Anfahren, und/oder zum Beschleunigen, und/oder zum Bremsen des Elektromotors verwendet.
Neben den beschriebenen Vorteilen besitzt das 12-Schritt-Kommutierungsschema auch Nachteile. Insbesondere sind die Stromaufnahme und die Verluste höher als beim 6-Schritt-Kommutierungsschema. Daneben können die EMV(elektromagnetische Verträglichkeit)-Störungen größer ausfallen und daher beispielsweise für die Anwendung in einem Automobil problematisch sein. Es liegt daher im Interesse, den Sonderzustand möglichst kurzzeitig zu verwenden.
Daher wird der Sonderzustand vorzugsweise nur für eine begrenzte Sonderzeit und/oder für einen bestimmten Sonderzweck verwendet. Das bedeutet, wenn der Sonderzustand beispielsweise zum Anfahren verwendet wird, dann wird der Sonderzustand beendet, also auf das 6-Schritt-Kommutierungsschema umgeschaltet, sobald der Elektromotor seine Nenndrehzahl erreicht hat. Die Sonderzeit kann beispielsweise eine Haltezeit nach dem Stoppen des Elektromotors sein. Ein Sonderzweck kann beispielsweise das Stoppen, Halten, Bremsen oder Beschleunigen des Elektromotors sein. Desweiteren kann ein Sonderzweck durch den Betrieb des Elektromotors bei einer temporär anliegenden erhöhten Last gegeben sein.
Eine besonders zweckmäßige Anwendung der Erfindung sieht vor, dass der Elektromotor in dem Sonderzustand gestoppt wird und nach dem Stillstand erst nach einer vorgegebenen Haltezeit wieder in den Betriebszustand gewechselt wird.
Das 12-Schritt-Kommutierungsschema umfasst entlang einer elektrischen Umdrehung doppelt so viele Kommutierungsschritte wie das 6-Schritt-Kommutierungsschema. Die Schaltzustände der Brückenschalter werden dann in Abständen von 30° anstelle von 60° im Verlauf einer elektrischen Umdrehung von 360° geändert. Üblicherweise werden zum Stoppen des Motors eine oder mehrere Phasenwicklungen U, V, W bestromt. Soll beim Stoppen eines sensorlos kommutierten Motors die Position des Motors, also die Information über die aktuelle Rotorstellung, nicht verlorengehen, muss sichergestellt werden, dass der Rotor entsprechend der Bestromung der Phasenwicklung zum Stehen kommt. Bei einer 6-Schrittkommutierung werden dazu einem N-ten Kommutierungsschritt die Rotorpositionen zugeordnet, die im Bereich von der Mitte zwischen diesem N-ten Kommutierungsschritt und dem vorangegangenem (N-1)-ten Kommutierungsschritt bis zur Mitte zwischen dem N-ten Kommutierungsschritt und dem folgenden (N+1)-ten Kommutierungsschritt liegen. Kommt nun ein Stoppbefehl während die Rotorstellung innerhalb dieses Bereichs liegt, dann werden die Phasenwicklungen entsprechend diesem N-ten Kommutierungsschritt bestromt. Wird der Stoppbefehl registriert, während die aktuelle Rotorposition am Ende des dem N-ten Kommutierungsschritt zugeordneten Bereichs in Richtung des (N+1)-ten Kommutierungsschrittes liegt, muss der Rotor zum Stoppen entgegen seiner Drehrichtung zurückgedreht werden. Aufgrund der Feldverteilung des elektromagnetischen Feldes zwischen Stator und Rotor wirkt zu diesen Zeitpunkten nur eine relativ geringe Bremskraft auf den Rotor. Wegen der Trägheit des Rotors und einer eventuell anliegenden äußeren Last kann es dann vorkommen, dass die Bremskraft nicht ausreicht und der Rotor eine elektrische Umdrehung weiter dreht als vorgesehen, bevor er gestoppt wird. Dadurch kann ein Schrittverlust auftreten. Insbesondere kann dadurch die Information über die Position des Elektromotors entlang seines Verfahrweges verloren gehen. Ebenso kann es in solchen Fällen vorkommen, dass ein Stoppen des Motors nicht mehr möglich ist. Durch das Einführen einer 12-Schritt-Kommutierung zum Stoppen des Motors, werden Zwischenpositionen im Kommutierungsschema eingebracht, die in der Mitte zwischen zwei Kommutierungsschritten des 6-Schritt-Kommutierungsschemas liegen. Somit kann immer ein Kommutierungsschritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas zum Stoppen ausgewählt werden, der optimal auf die aktuelle Rotorposition abgestimmt ist. Im obigen Beispiel bedeutet dies, dass der Rotor, der sich am Ende des Bereichs der N-ten Kommutierung befindet und sich in Richtung des (N+1)-ten Kommutierungsschrittes dreht, zum Stoppen der Kommutierungsschritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas zugeordnet wird, der zwischen dem N-ten und (N+1)-ten Kommutierungsschritt des 6-Schritt-Kommutierungsschemas liegt. Durch das Bestromen aller Phasen U, V, W in diesem Sonderzustand kann der Rotor zuverlässig gestoppt und das Risiko eines Schrittverlusts minimiert werden.
Desweiteren sind bei den Schaltzuständen des 12-Schritt-Kommutierungsschemas, die in einem 6-Schritt-Kommutierungsschema nicht vorhanden sind, alle Motorphasen bestromt. Das bedeutet, an allen Motorwicklungen liegt ein Strom an. Dadurch ist die elektro-magnetische Kraft im Motor höher, die zu einem erhöhten Haltemoment führt. Der Motor kann dadurch auch unter externer antreibender Last gestoppt und auch in einer Zwischenposition gehalten werden.
Allein durch den Wechsel auf das 12-Schritt-Kommutierungsschema konnte bei der der Erfindung zugrundeliegenden Anwendung das maximale Drehmoment am Abtrieb auf etwa 1,1 Nm erhöht werden, was einer Steigerung von etwa 50% entspricht.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass sobald der Motor steht, auch das Haltemoment der 6-Schritt-Kommutierung ausreicht, um den Motor in einer Zwischenposition zu halten. Der Sonderzustand zum Stoppen wird daher nach dem Stillstand noch für eine vorbestimmte Haltezeit beibehalten, und dann in den Betriebszustand gewechselt. Die Haltezeit liegt beispielsweise im Bereich von 5 ms bis 1 s, insbesondere im Bereich von 20 ms bis 200 ms.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Sonderzustand über die vollständige Haltezeit beibehalten wird.
Ein Wechsel in den Sonderzustand kann in manchen Ausgestaltungen der Erfindung auch in Abhängigkeit von dem aufzubringenden Drehmoment oder in Abhängigkeit vom fließenden Motorstrom erfolgen. Beispielsweise kann die Motorsteuerung dann, wenn der Motorstrom im Betriebszustand einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet oder wenn ein Drehmomentsensor ein Drehmoment registriert, das über einem vorgegebenen Drehmomentschwellwert liegt, einen Wechsel in den Sonderzustand veranlassen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch ein kontrolliertes Bremsen vor einem erwarteten Endanschlag möglich ist, so dass der Endanschlag nicht mit voller Drehzahl angefahren wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht nun darin, dass ein Aktuator bei gleichbleibender Elektronik und elektrischer Ausführung mit wechselnden Getrieben verwendet werden kann. Der Betrieb kann in einer effizienten 6-Schritt-Kommutierung erfolgen, da lediglich zum Stoppen auf eine 12-Schritt-Kommutieurng umgeschaltet wird. Optional kann auch zum Halten, und/oder zum Bremsen, und/oder zum Beschleunigen das 12-Schritt-Kommutierungsschema verwendet werden. Insbesondere kann zum Halten ein Kommutierungsschritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas verwendet werden, der nicht Teil des 6-Schritt-Kommutierungsschemas ist.
Ferner kann das Verfahren vorsehen, dass der Elektromotor vor dem Wechsel in den Sonderzustand auf eine niedrigere Drehzahl abgebremst wird. Vorzugsweise wird der Elektromotor während des Bremsvorgangs synchron angesteuert (Synchronmodus). Dabei werden die Phasenwicklungen des Elektromotors nach einem vorgegebenen Schema bestromt. Insbesondere können dazu die Kommutierungszeitpunkte, beziehungsweise die Schrittlängen der einzelnen Kommutierungsschritte, vorherbestimmt werden. Dem Rotor des Elektromotors wird dadurch, unabhängig von der relativen Phasenlage der elektromagnetischen Felder des Rotors und des Stators, eine Drehgeschwindigkeit aufgezwungen. In manchen Ausgestaltungen der Erfindung ist es dabei vorgesehen, dass die Schrittlängen der Kommutierungsschritte im Synchronmodus in Abhängigkeit von einer zuvor erfassten Drehzahl des Elektromotors vorherbestimmt werden. Die Drehzahl kann beispielsweise über einen Drehgeber, über Hall-Sensoren, oder sensorlos über die in den Phasenwicklungen aufgrund einer Drehbewegung eines Rotormagneten induzierte Spannung (die sogenannte gegen-elektromotorische Kraft) detektiert werden.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Schrittlängen des Synchronmodus derart gewählt werden, dass die Bremskraft durch eine konstante negative Beschleunigung vermittelt wird. Dadurch kann ein gleichmäßiger Bremsbetrieb erzielt werden.
Ebenso kann es vorgesehen sein, dass die Anzahl der Kommutierungsschritte im Synchronbetrieb fest vorherbestimmt ist. Beispielsweise kann die Anzahl der Kommutierungsschritte im Bremsbetrieb bis zum Wechsel in den Sonderzustand während der Konfiguration oder Initialisierung des Elektromotors festgelegt werden. Dies kann beispielsweise während einer ersten Inbetriebnahme des Elektromotors oder während eines Produktionsschrittes bei der Herstellung des Elektromotors oder eines den Elektromotor verwendenden Aktuators erfolgen. Die Anzahl der Kommutierungsschritte im Synchronbetrieb kann beispielsweise im Bereich von 3 bis 100 Kommutierungsschritten, insbesondere im Bereich von 5 bis 40 Kommutierungsschritten, liegen.
Alternativ kann es in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens vorgesehen sein, dass die Anzahl der Kommutierungsschritte im Synchronbetrieb in Abhängigkeit von einer zuvor erfassten Drehzahl des Elektromotors bestimmt wird. Insbesondere kann die Drehzahl im Betriebszustand kontinuierlich oder zyklisch erfasst werden, wobei auch eine Drehzahlregelung des Elektromotors vorgesehen sein kann. Wird nun ein Bremsvorgang eingeleitet, kann vor dem Wechsel in den Synchronmodus die Anzahl der im Synchronmodus auszuführenden Kommutierungsschritte festgelegt werden. Die Anzahl der Kommutierungsschritte kann insbesondere in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der im Betriebszustand erfassten Drehzahl, oder einer unmittelbar vor dem Wechsel in den Synchronmodus erfassten Drehzahl, und einer Mindestdrehzahl, bei deren erreichen der Motor im Sonderzustand gestoppt wird, festgelegt werden. Nach dem Ausführen der Kommutierungsschritte im Synchronmodus kann der Elektromotor dann im Sonderzustand sicher gestoppt werden.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens ist es ferner vorgesehen, die Schrittlänge der Kommutierungsschritte im Synchronmodus konstant zu halten. Dadurch ist eine einfach umzusetzende Steuerung des Elektromotors vorgeschlagen. Um zu große mechanische Belastungen zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, die Bremskraft während des Synchronmodus zu begrenzen. Dies kann beispielsweise durch die Anpassung einer Pulsweitenmodulation (PWM) der Phasenspannung erfolgen. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass dann, wenn die Bremskraft einen Maximalwert überschreitet, die Schrittlänge im Synchronbetrieb verlängert wird. Der Bremsbetrieb im Synchronmodus kann dann beispielsweise über eine vorherbestimmte Anzahl an Kommutierungsschritten mit der verlängerten Schrittweite ausgeführt werden und dann wieder zu der ursprünglichen Schrittlänge oder in den Sonderzustand wechseln.
Vorzugsweise umfasst der Bremsvorgang ausgehend von dem Betriebszustand mit dem 6-Schritt-Kommutierungsschema ein Abbremsen auf eine Übergangsdrehzahl ND_trans. Das Abbremsen bis zur Übergangsdrehzahl ND_trans kann beispielsweise in einem Betriebsmodus mit einer sensorlosen Regelung des Elektromotors erfolgen. Insbesondere kann der Bremsvorgang bis zum Erreichen der Übergangsdrehzahl ND_trans in einem Betriebsmodus erfolgen, der im Wesentlichen dem Betriebsmodus des Betriebszustands mit dem 6-Schritt-Kommutierungsschema entspricht. Nach dem Unterschreiten der Übergangsdrehzahl ND_trans kann in solchen Ausgestaltungen dann in den Synchronmodus gewechselt werden und der Bremsvorgang bis zum Erreichen der Minimaldrehzahl ND_min im Synchronmodus fortgesetzt wird. Sobald die Minimaldrehzahl ND_min erreicht ist, kann schließlich in den Sonderzustand gewechselt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass der Elektromotor auch bei einer großen externen, antreibenden Last gestoppt werden kann. Insbesondere können dadurch zu große Bremskräfte beim Wechsel in den Sonderzustand verhindert werden.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens ist der Elektromotor dazu ausgebildet, eine externe, antreibende Last zu erkennen. Die externe Kraft kann insbesondere durch eine mechanische Krafteinwirkung auf ein von dem Elektromotor bewegliches Stellglied hervorgerufen werden. Sobald eine antreibende Last erkannt wurde, wird der Wechsel von dem Betriebszustand in den Sonderzustand oder in einen Bremsvorgang eingeleitet werden. Insbesondere kann ein aufgrund der externen Last den Elektromotor antreibendes Drehmoment erkannt werden und mit einem Schwellwert verglichen werden. Der Wechsel von dem Betriebszustand in den Sonderzustand oder in den Bremsvorgang kann dann eingeleitet werden, sobald das erkannte Drehmoment den Schwellwert überschreitet. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, wenn die antreibende Last über eine durch die Last hervorgerufene Veränderung des Motorstroms erkannt wird. Da der Motorstrom proportional zum Drehmoment ist, kann dadurch auch auf das durch die Last generierte Drehmoment geschlossen werden. Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass eine Polaritätsänderung des Motorstroms erkannt wird, und der Bremsvorgang oder der Wechsel in den Sonderzustand erfolgt, sobald die Polaritätsänderung, insbesondere ein Generatorbetrieb des Elektromotors, erkannt wird. Dabei kann ein Motorstrom-Schwellwert festgelegt werden und der erfasste Motorstrom mit diesem Motorstrom-Schwellwert verglichen werden. Der Motorstrom-Schwellwert kann beispielsweise im Bereich von 0 A bis -1 A, insbesondere im Bereich von 0 A bis -300 mA liegen und beispielsweise -100 mA betragen. Wenn der Motorstrom-Schwellwert betragsmäßig überschritten wurde, kann das Verfahren dann in den Bremsvorgang oder den Sonderzustand wechseln.
Weiterhin umfasst die Erfindung einen Aktuator mit einem mehrphasigen Antriebsmotor und einem Motorcontroller zum Ansteuern des Antriebsmotors, wobei der Motorcontroller zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Insbesondere weist der Aktuator ein Untersetzungsgetriebe auf, mit dem die Abtriebsdrehzahl reduziert wird, etwa auf eine Nenndrehzahl im Bereich von 2 bis 40 min^-1, insbesondere im Bereich von 4 bis 15 min^-1.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Motorcontroller über eine Verpolschutzdiode mit einer Eingangsspannung verbunden ist. Zwischen der Verpolschutzdiode und dem Motorcontroller kann dann eine Kapazität angeordnet und derart verschaltet sein, dass die Kapazität von dem Elektromotor geladen wird, wenn dieser von einer externen Last angetrieben und dabei in den Generatorbetrieb übergeht. Die von der Kapazität bereitgestellte Spannung kann nun mit einem Spannungs-Schwellwert U_c verglichen werden. Sobald die von der Kapazität bereitgestellte Spannung diesen Spannungs-Schwellwert U_c überschreitet, kann der Motorcontroller einen Übergang von dem Betriebszustand mit dem 6-Schritt-Kommutierungsschema in den Bremsvorgang einleiten oder direkt in den Sonderzustand überleiten. Beispielsweise kann der Spannungsschwellwert U_c durch U_c = V_in - v_F gegeben sein, wobei V_in eine Eingangsspannung eines Motorcontrollers und v_F die Diodenspannung der Verpolschutzdiode ist.
Alternativ kann die Änderung des Motorstroms auch anders erkannt werden. Beispielsweise kann der Motorcontroller eine oder mehrere Zustandsgrößen, beziehungsweise Motorparameter, des Elektromotors überwachen oder einen Zustandsbeobachter umfassen. Die überwachten oder beobachteten Zustandsgrößen und Motorparameter können beispielsweise ein Tastverhältnis einer PWM, einen elektrischen Strom, eine Temperatur, eine Motorspannung, insbesondere eine BEMF-Spannung, die Eingangsspannung V_in und/oder die Drehzahl des Elektromotors umfassen. Aus den beobachteten Zustandsgrößen und Motorparametern kann dann auf eine Änderung des Motorstroms geschlossen werden. Beispielsweise kann eine aus den überwachten oder beobachteten Größen abgeleitete, erwartete Drehzahl mit einer detektierten Drehzahl verglichen werden und aus der Differenz der beiden Werte auf die Größe oder das Vorhandensein einer externen antreibenden Kraft geschlossen werden.
Auch wenn die Erfindung die Lösung zu einem konkreten Problem darstellt, ist die Erfindung jedoch nicht auf die beschriebene Anwendung beschränkt. Vielmehr kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Elektromotoren ohne Getriebe und auch unter anderen Voraussetzungen eingesetzt werden, ohne dass Änderungen an dem erfindungsgemäßen Verfahren notwendig wären.
Die Erfindung ist nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Aktuators,
2 eine B6-Brückenschaltung zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors,
3 eine schematische Darstellung der Abfolge der Kommutierungsschritte in Abhängigkeit zur Winkelposition des Rotors,
4 ein Diagramm der Drehzahl des Motors in Abhängigkeit der Zeit,
5 ein alternatives Diagramm der Drehzahl des Motors in Abhängigkeit der Zeit,
6 ein weiteres alternatives Diagramm der Drehzahl des Motors in Abhängigkeit der Zeit,
7 zeigt schematisch eine Steuerschaltung (Motorcontroller) zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors.

Die 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Aktuator 1, der beispielsweise in einem Automobil zum Antrieb einer Kühlergrillklappe 2 eingesetzt ist. Der Aktuator besitzt einen dreiphasigen, elektronisch kommutierten Elektromotor als Antriebsmotor 3. Weiterhin weist der Aktuator einen Motorcontroller 4 auf, der einen Mikrocontroller und eine von diesem geschaltete Brückenschaltung zur Ansteuerung der drei Motorphasen U,V,W des Antriebsmotors 3 beinhaltet. An der Abtriebswelle 5 des Antriebsmotors 3 sitzt ein Untersetzungsgetriebe 6, das die Kühlergrillklappe 2 antreibt. Im Beispiel besitzt das Untersetzungsgetriebe 6 eine Untersetzung von 1:300. Die Abtriebsdrehzahl des Getriebes beträgt damit 15 min^-1.
Der Antriebsmotor 3 wird mit einer 6-Schritt-Kommutierung betrieben, da diese eine gute Effizienz und eine gute EMV-Verträglichkeit bietet. Im Fahrbetrieb kann eine hohe Windlast auf den Kühlergrillklappen 2 lasten, wodurch das Bremsen und Anhalten des Antriebsmotors im normalen Betriebszustand nicht zuverlässig erfolgen kann. Aus diesem Grund wird hier zum Bremsen und Anhalten das erfindungsgemäße Verfahren angewandt, in dem zum Bremsen und Anhalten in einen Sonderzustand gewechselt wird, in dem eine 12-Schritt-Kommutierung verwendet wird.
In 2 ist beispielhaft eine B6-Brückenschaltung zum Ansteuern eines Elektromotors M, beispielsweise eines bürstenlosen Gleichstrommotors, gezeigt. Die B6-Brückenschaltung umfasst drei Halbbrücken mit jeweils einem oberen Brückenschalter S1, S3, S5 und einem unteren Brückenschalter S2, S4, S6. Durch Leitendschalten wenigstens eines oberen und eines unteren Brückenschalters können zwei der drei Phasen U, V, W eines mit der Brückenschaltung gekoppelten bürstenlosen Gleichstrommotors bestromt werden. In einer üblichen 6-Schritt-Kommutierung werden beispielsweise abwechselnd die Schalterpaare (S1, S4), (S1, S6), (S3, S6), (S3, S2), (S5, S2), sowie (S5, S4) leitend geschaltet. Bei einer 12-Schritt-Kommutierung kommen zusätzlich Zwischenschritte hinzu, in denen jeweils eine der folgenden Kombinationen aus drei Brückenschaltern leitend geschaltet ist: (S1, S4, S6), (S1, S6, S3), (S3, S6, S2), (S3, S2, S5), (S5, S2, S4), sowie (S5, S4, S1). Die Brückenschalter können beispielsweise Halbleiterschalter sein, insbesondere bipolare Transistoren oder Feldeffekttransistoren wie MOSFETs(Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren).
In 3 ist beispielhaft der Vorteil eines Kommutierungsschritts des 12-Schritt-Kommutierungsschemas zum Stoppen des Antriebsmotors 3, beziehungsweise dessen Rotors, illustriert. Im (N-1)-ten Kommutierungsschritt des 6-Schritt-Kommutierungsschemas sind im Beispiel die Halbleiterschalter S1 und S4 leitend geschaltet, im N-ten Kommutierungsschritt des 6-Schritt-Kommutierungsschemas die Halbleiterschalter S1 und S6 und im (N+1)-ten Kommutierungsschritt des 6-Schritt-Kommutierungsschemas die Halbleiterschalter S3 und S6. Nimmt nun der Rotormagnet eine Winkelposition ein, bei der bald die (N+1)-te Kommutierung erfolgen würde, kann das elektromagnetische Feld des Stators nur ein relativ kleines Drehmoment auf den Rotor übertragen. Solch eine Winkelposition ist in der 3 mit x bezeichnet. Die Winkelposition x liegt im Bereich BN, der zum Stoppen des Rotors der N-ten Kommutierung zugeordnet ist. Der Bereich BN umfasst den Teilbereich BN-1, der von der Mitte zwischen dem (N-1)-ten und dem N-ten Kommutierungsschritt des 6-Schritt-Kommutierungsschemas bis zum N-ten Kommutierungsschritt reicht. Analog umfasst der Bereich BN den Teilbereich BN-2, der vom N-ten bis zur Mitte zwischen dem N-ten und dem (N+1)-ten Kommutierungsschritt des 6-Schritt-Kommutierungsschemas reicht. Der Anfang des Teilbereichs BN-1 fällt mit einem Schritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas zusammen, in dem die Halbleiterschalter S1, S4 und S6 leitend geschaltet sind und das Ende des Teilbereichs BN-2 fällt mit einem Schritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas zusammen, in dem die Halbleiterschalter S1, S3 und S6 leitend geschaltet sind. Liegt nun die Winkelposition x des Rotormagneten im Bereich BN, insbesondere im Teilbereich BN-2, kann durch Umschalten auf das 12-Schritt-Kommutierungsschema ein größeres Drehmoment zum Stoppen oder Bremsen auf den Rotor übertragen werden. Insbesondere kann zum Stoppen des Motors ein Kommutierungsschritt des 12-Schritt-Kommutierungssschemas ausgewählt werden, in dem drei Halbleiterschalter leitend geschaltet sind. Ist die Rotorposition hinreichend genau bestimmbar, kann für eine Rotorposition im Teilbereich BN-1 weiterhin die N-te 6-Schritt-Kommutierung verwendet werden. Üblicherweise ist die Rotorposition mittels Hall-Sensoren oder über die BEMF nur auf 60° oder bestenfalls 30° elektrisch genau detektierbar. Die Genauigkeit von 30° ist erreichbar, falls drei Hallsensoren in Kombination mit einer Detektion der Nulldurchgänge der BEMF verwendet werden. Zu einer genaueren Detektion wären zusätzliche Hallsensoren oder eine sehr leistungsfähige Motorsteuerungselektronik notwendig, was aus Kostengründen in den meisten Fällen nicht gewünscht ist. Daher wird in manchen Ausgestaltungen der Erfindung der nächste Schritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas zum Stoppen verwendet, der nicht im 6-Schritt-Kommutierungsschema existiert. Im Beispiel der 3 werden dazu die Halbleiterschalter S1, S3 und S6 leitend geschaltet.
Zur Verdeutlichung des Verfahrens ist in 4 ein Diagramm gezeigt, in dem die Motordrehzahl ND des Aktuators 1 über die Zeit t aufgetragen ist. Das Diagramm in 4 startet zu einem beliebigen Zeitpunkt t1, an dem sich der Antriebsmotor 3 in einem normalen Betriebszustand befindet. Die Drehzahl des Motors liegt hier konstant bei seiner Solldrehzahl ND_soll von im Beispiel 15 min^-1. Zum Zeitpunkt t2 erhält der Motorcontroller den Steuerbefehl zum Anhalten des Antriebsmotors 3 und der Antriebsmotor wird auf eine vorbestimmte Minimaldrehzahl ND_min abgebremst. Das Bremsen erfolgt in dem Beispiel der 4 im normalen Betriebszustand 7 mit einer 6-Schritt-Kommutierung. Nach dem Erreichen der Minimaldrehzahl ND_min wird der Antriebsmotor zum Zeitpunkt t3 gestoppt. Beispielsweise kann mit dem Bremsen bei einer Winkelposition des Abtriebsrades von 5° vor dem Erreichen der Zielposition begonnen werden. Zum Stoppen wird nun vom Betriebszustand 7 in den Sonderzustand 8 gewechselt. Der Kommutierungsschritt zum Stoppen des Antriebsmotors 3 wird also aus den Schaltzuständen des 12-Schritt-Kommutierungschemas ausgewählt. In manchen Ausgestaltungen der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Kommutierungsschritt zum Stoppen des Antriebsmotors ein Schaltzustand des 12-Schritt-Kommutierungsschemas ist, in dem alle drei Phasen des Antriebsmotors 3 bestromt sind. Somit kann ein größeres Drehmoment zum Stoppen des Antriebsmotors aufgebracht werden, was insbesondere dann hilfreich sein kann, wenn dem Stoppen eine äußere Last entgegenwirkt. Würde die äußere Last den Antriebsmotor ungewollt, bei kleiner Drehzahl weiterdrehen, hätte dies bei sensorlos betriebenen Motoren außerdem den Nachteil, dass die Information über die aktuelle Rotorposition entlang des Verstellweges verloren gehen würde.
Zum Zeitpunkt t3 ist der Stillstand des Antriebsmotors 3 erreicht, wobei der Sonderzustand noch eine Haltezeit ts bis zum Zeitpunkt t4 beibehalten wird. Erst danach wechselt der Motorcontroller wieder in den Betriebszustand 7, auch wenn sich der Antriebsmotors 3 immer noch im Stillstand befindet. Vorzugsweise ist der Schaltzustand des 12-Schritt-Kommutierungsschemas zum Stoppen ein Schaltzustand, der kein Schaltzustand des 6-Schritt-Kommutierungsschemas ist. Dies sind diejenigen Schaltzustände, in denen drei Halbleiterschalter der B6-Brückenschaltung leitend geschaltet sind. Dabei werden alle drei Phasen des bürstenlosen Gleichstrommotors 3 bestromt. Je nach Lage des Rotormagneten relativ zur Statoranordnung kann dies in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens dazu führen, dass ein Kommutierungsschritt, in dem nur zwei der Halbleiterschalter S1 bis S6 leitend geschaltet sind, ausgelassen wird. Es wird dann also ein Kommutierungsschritt ausgelassen, der sowohl im 6-Schritt-kommutierungsschema als auch im 12-Schritt-Kommutierungsschema vorhanden ist. Stattdessen wird der Kommutierungsschritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas ausgeführt, der im 12-Schritt-Kommutierungsschema auf den ausgelassenen Kommutierungsschritt folgt.
Beim Stoppen zur Zeit t3 wird der Antriebsmotor auf Grund seiner Trägheit um die Zielposition herum eine gedämpfte Schwingung ausführen und schließlich zum Stillstand kommen. Um sicherzustellen, dass die Zielposition gehalten wird, ist es bevorzugt, dass die Phasenwicklungen entsprechend dem Sonderzustand 8 während einer Haltezeit ts bestromt bleiben. Erst nach Ablauf der Haltezeit ts wird wieder in den Betriebszustand 7 gewechselt. Der Antriebsmotor kann dann beispielsweise aufgrund seines Rastmoments der Rotor-StatorAnordnung und/oder aufgrund einer Selbsthemmung des Getriebes seine Position halten. Falls dieses Haltemoment im Stromlosen Zustand nicht ausreicht, den Antriebsmotor gegen eine äußere Kraft zu halten, kann eine einsetzende Drehbewegung des Rotors beispielsweise mittels Hallsensoren oder mittels einer Detektion der BEMF erkannt werden. Eine äußere Kraft kann im Falle des Klappenstellers eines Kühlergrills beispielsweise durch den auf die Klappen 2 wirkenden Luftdruck gegeben sein. Der Antriebsmotor kann dann wieder zum Halten bestromt werden, wobei die Bestromung mittels einer 12-Schritt-Kommutierung oder mittels einer 6-Schritt-Kommutierung erfolgen kann. Es kann also wieder in den Sonderzustand 8 gewechselt werden oder ein Halten im Betriebszustand erfolgen.
Liegt neben dem Stoppen und/oder Halten auch eine Anforderung zur Umkehr der Drehrichtung vor, dann ist es in manchen Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen, dass egal welche Rotorstellung anliegt, in jedem Fall der auf den aktuellen Kommutierungsschritt folgende Kommutierungsschritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas verwendet wird, der nicht Teil des 6-Schritt-Kommutierungsschemas ist. Es wird bei der Umkehr der Drehrichtung also kein Kommutierungsschritt übersprungen.
Im Beispiel der 4 wird der Antriebsmotor 3 zum Zeitpunkt t5 wieder im Betriebszustand 7 beschleunigt, bis eine vorgegebene Solldrehzahl ND_soll erreicht wird. Nach dem Erreichen der Solldrehzahl ND_soll wird der Antriebsmotor weiterhin im Betriebszustand 7 betrieben, bis ein erneuter Stopp-Befehl umgesetzt wird oder ein Endanschlag des Verstellweges erreicht wird.
In manchen Ausgestaltungen der Erfindung wird bereits zum Zeitpunkt t2 der Betriebszustand 7 in den Sonderzustand 8 geändert, so dass das Bremsen mit einer 12-Schritt-Kommutierung erfolgt. Dies ist in der 5 illustriert. Hier beginnt der Sonderzustand 8 mit Beginn des Bremsvorgangs zur Zeit t2. Der Motor wird dabei unter Verwendung des Kommutierungsschemas der 12-Schritt-Kommutierung auf die vorherbestimmte Minimaldrehzahl ND_min gebremst. Beim Erreichen der Minimaldrehzahl ND_min , zur Zeit t3, wird der Antriebsmotor durch konstantes Bestromen der Phasenwicklungen des Antriebsmotors 3, entsprechend eines Schaltzustandes der 12-Schritt-Kommutierung, gestoppt. Analog zum in der 4 illustrierten Fall wird auch hier zum Stoppen vorzugsweise ein Kommutierungsschritt der 12-Schritt-Kommutierung verwendet, in dem drei Halbleiterschalter leitend geschaltet sind.
Der Sonderzustand 8 wird nach dem Stoppen für eine Haltezeit ts, bis zum Erreichen der Zeit t4, zum Halten des Antriebsmotor 3 beibehalten. Nach Beendigung der Haltezeit ts im Sonderzustand 8 wird der Antriebsmotor 3 ab dem Zeitpunkt t4 wieder im Betriebszustand 7 gemäß dem 6-Schritt-Kommutierungsschema betrieben. Der Antriebsmotor 3 kann dann im Betriebszustand 7 stromlos oder bestromt weiter gehalten oder wieder beschleunigt werden. In den 4 und 5 ist jeweils der Fall gezeigt, dass der Antriebsmotor 3 nach Beendigung der Haltezeit ts im Sonderzustand 8 weiter gehalten wird, wobei das Haltemoment beispielsweise durch eine Selbsthemmung des Antriebsmotors 3 und/oder des Getriebes 6 gegeben ist.
Zusätzlich ist in der 5 der Fall illustriert, dass das Verfahren zum Beschleunigen des Antriebsmotors zur Zeit t5 in den Sonderzustand 8 wechselt oder in diesem bleibt. Der Antriebsmotor wird dabei unter Anwendung des 12-Schritt-Kommutierungsschemas bis zum Erreichen der Solldrehzahl ND_soll beschleunigt. Nach dem Erreichen der Solldrehzahl ND_soll wechselt das Verfahren wieder in den Betriebszustand 7 und der Antriebsmotor wird gemäß dem 6-Schritt-Kommutierungsschema weiterbetrieben.
In der 6 ist zur Illustration einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wieder die Motordrehzahl ND des Aktuators 1 über die Zeit t aufgetragen. In dieser Ausgestaltung umfasst das Verfahren einen Bremsvorgang BV, der wenigstens teilweise im Synchronmodus erfolgt. Der Synchronmodus zeichnet sich durch ein vorgegebenes Kommutierungsschema mit festgelegten Kommutierungszeiten aus. Im Beispiel schließt sich der Bremsvorgang BV direkt an den Betriebszustand 7 an, wobei der Elektromotor in einem ersten Abschnitt BV₁ des Bremsvorgangs BV, von der Zeit t2 bis zu einer Zeit t6, nicht im Synchronmodus betrieben wird. Insbesondere kann in dem ersten Abschnitt BV₁ ein sensorloser Betrieb erfolgen. Nach einer vorher festgelegten Anzahl an Kommutierungsschritten oder nach dem Erreichen einer Übergangsdrehzahl ND_trans wird zur Zeit t6 in den Synchronmodus gewechselt. Im einem weiteren Abschnitt BV₂ des Bremsvorgangs BV, von dem Zeitpunkt t6 bis zum Zeitpunkt t3, wird der Elektromotor dann im Synchronmodus betrieben und bis auf die Minimaldrehzahl ND_min abgebremst. Anschließend wird der Elektromotor im Sonderzustand zur Zeit t3 gestoppt. Die Übergangsdrehzahl ND_trans kann beispielsweise im Bereich von 100 bis 1500 min^-1 liegen. Die Minimaldrehzahl ND_min liegt zum Beispiel im Bereich von 40 bis 800 min^-1. Beispielsweise kann bei einem Elektromotor mit einer Nenndrehzahl ND_soll im Bereich von 1500 bis 6000 min^-1 als Übergangsdrehzahl ND_trans = 1000 min^-1 und als Minimaldrehzahl ND_min = 100 min^-1 gewählt werden. Der Wechsel in den Synchronmodus kann auf solche Fälle beschränkt sein, in denen im Betriebszustand 7 oder während des ersten Bremsabschnitts BV₁ eine hohe negative externe Last detektiert wird, beispielsweise wenn eine entsprechende Veränderung des Motorstroms oder eines anderen Motorparameters erkannt wird. Anderenfalls, wenn also nur eine kleine externe negative Last erkannt wurde, kann der Bremsvorgang beispielsweise im sensorlosen Betrieb ausgeführt werden.
Die 7 zeigt schematisch einen Motocontroller mit einem Wechselrichter in Form einer B6-Brückenschaltung zum Bestromen und Kommutieren der Phasenwicklungen U, V, W eines als bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ausgebildeten Elektromotors 3. Die drei Phasenwicklungen U, V, W des BLDC-Motors 3 sind in einer Sternschaltung miteinander verschaltet und werden von einer Eingangsspannung V_in gespeist. Alternativ kann eine Dreieckschaltung verwendet werden. Für jede Motorphase U, V, W weist der Wechselrichter zwei Halbleiterschalter, insbesondere Halbleiterschalter in Form von MOSFET-Schaltern S1 bis S6 auf, die in Serie zwischen der Betriebsgleichspannung V_in und Masse GND geschaltet sind. Die Motorphasen U, V, W sind jeweils an Verbindungspunkten zwischen den beiden Schaltern angeschlossen.
Die MOSFET-Schalter S1 bis S6 werden einzeln durch den Motorcontroller 4 angesteuert. Im Beispiel werden die Gate-Eingänge der MOSFET-Schalter S1 bis S6 mittels der Signale BH0.0, BH0.1, BH0.2, BH1.0, BH1.1 und BH1.1 durch den Motorcontroller 4 geschaltet.
Der Wechselrichter weist weiterhin eine Messschaltung mit einem Operationsverstärker 10 und Messwiderständen R_SHUNT auf. Die Messchaltung ist mit einem Eingang eines Analog-DigitalWandlers(ADC) des Motorcontrollers 4 verbunden. Die Messchaltung kann beispielsweise zur Umsetzung einer Stromregelng des BLDC-Motors verwendet werden. Dabei kann ein festes Stromlimit vorgegeben sein, beispielsweise durch die maximale Strombelastbarkeit der MOSFET-Schalter S1 bis S6 oder der Motorwicklungen. Die Stromregelung kann durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) realisiert sein, bei der die MOSFET-Schalter S1 bis S6 innerhalb eines Kommutierungsschrittes zusätzlich mit einer PWM-Frequenz geschaltet werden. Zur Stromregelung wird der Motorstrom dann gemessen und das Tastverhältnis der PWM so angepasst, dass bei der aktuellen Betriebsgleichspannung V_in der Strom unterhalb eines Stromlimits liegt.
Ferner ist ein virtueller Sternpunkt MTC vorgesehen, der aus einem Widerstands-Netzwerk besteht, welches jeweils mit den Zuleitungen der drei Motorphasen verbunden ist. Der virtuelle Sternpunkt MTC dient der Ermittlung des Spannungsniveaus, das als Nulldurchgang für die aufgrund der Rotationsbewegung des Rotormagneten in den Phasenwicklungen induzierte Spannung (gegen-elektromotorische Kraft; englisch: back-electromotive force (BEMF)) dient. Mittels der Detektion der Nulldurchgänge der BEMF kann beispielsweise eine sensorlose Regelung des BLDC-Motors realisiert werden. Die Nulldurchgänge können beispielsweise mittels einer oder mehrerer Spannungskomparatoren erfasst werden. So kann jeweils ein Komparatoreingang mit dem virtuellen Sternpunkt MTC und einer der Phasenwicklungen U, V, W verbunden sein. Im Beispiel sind die Phasenwicklungen dazu jeweils mit einem Komparatoreingang MTC0, MTC1 und MTC2 gekoppelt. Die jeweiligen Ausgangssignale der Komparatoren werden dann entsprechenden Eingängen des Motorcontrollers 4 zugeführt.
Am Spannungseingang V_in ist eine Verpolschutzdiode D angeordnet. Zusätzlich ist dort eine Kapazität C angeordnet, beispielsweise in Form des dargestellten Kondensators. Die Kapazität C ist im Beispiel einerseits mit der Kathode der Verpolschutzdiode, sowie mit einem Spannungsanschluss des Motorcontrollers 4 und andererseits mit Masse GND verbunden. Die Kapazität C dient somit als Puffer für die Eingangsspannung V_in.
Zusätzlich oder alternativ kann die Kapazität C dazu verwendet werden, eine Änderung des Motorstroms, insbesondere das Überschreiten eines Motorstrom-Schwellwerts und/oder eine Polaritätsänderung des Motorstroms, zu erfassen. Dazu kann es vorgesehen sein, eine Kondensatorspannung an der Kapazität zu erfassen und mit einem Spannungs-Schwellwert U_c zu vergleichen, der beispielsweise als U_c = V_in - v_F festgelegt wird. Sobald die Spannung am Kondensator C nicht mehr der Differenz V_in - v_F entspricht, liegt eine Polaritätsänderung des Motorstroms vor. Der BLDC-Motor ist also in den Generatorbetrieb übergegangen. Zunächst wird der Elektromotor 3 im Generatorbetrieb folglich den Motorcontroller 4 wenigstens teilweise mit Energie versorgen. Sobald die Spannungsversorgung des Motorcontrollers 4 vollständig aus dem Generatorbetrieb gespeist wird, wird die Spannung an der Kapazität in Abhängigkeit von der externen Last weiter ansteigen. Es ist in manchen Ausgestaltungen vorteilhaft, wenn der Wechsel in den Synchronmodus nur bei großen externen Lasten erfolgt, wenn also der im Generatorbetrieb generierte Strom einen Motorstrom-Schwellwert übersteigt. Beispielsweise kann dazu der oben genannte Spannungs-Schwellwert U_c verwendet werden, der im Bereich von 0,2 V bis 3 V, insbesondere im Bereich von 0,5 V bis 2 V liegen kann und beispielsweise dem Wert der Diodenspannung v_F entspricht. Die in der 6 gezeigten Komponenten, die außerhalb des Motorcontrollers 4 angeordnet sind, können alternativ auch teilweise oder vollständig in dem Motorcontroller 4 integriert sein.
Wurde ein Wechsel des BLDC-Motors vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb oder das Überschreiten eines vorherbestimmten Motorstrom-Schwellwertes, beziehungsweise eines entsprechenden Spannungs-Schwellwertes erkannt, kann daraus auf das Vorhandensein und/oder die Größe einer externen antreibenden Last geschlossen werden. Beispielsweise kann in einem von dem BLDC-Motor angetriebenen Klappensteller auf eine auf die Klappen wirkende Kraft geschlossen werden. Um der externen Kraft entgegenzuwirken und den BLDC-Motor anzuhalten, kann daraufhin der Betriebsmodus in den Sonderzustand oder in einen dem Sonderzustand vorgeschalteten Bremsvorgang übergeführt werden. Insbesondere kann ein Bremsvorgang, der eine synchrone Ansteuerung des BLDC-Motors umfasst, eingeleitet werden und anschließend der BLDC-Motor im Sonderzustand gestoppt werden.
Die Erfindung legt auch einen Aktuator nahe, der mit einem dreiphasigen, elektronisch kommutierten Antriebsmotor 3, mit einem Motorcontroller 4 zur Ansteuerung der Motorphasen U, V, W des Antriebsmotors 3, wobei der Antriebsmotor 3 in einem Betriebszustand 7 gemäß einem 6-Schritt-Kommutierungschema betrieben wird und zum Stoppen und/oder Halten des Antriebsmotors 3 in einen Sonderzustand 8 mit einer 12-Schritt-Kommutierung gewechselt wird. In manchen Anwendungen des Aktuators kann es vorgesehen sein, dass der Sonderzustand 8 auch zum Bremsen und/oder zum Beschleunigen des Antriebsmotors 3 verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: Aktuator
2: Kühlergrillklappe
3, M: Antriebsmotor/Elektromotor
4: Motorcontroller
5: Abtriebswelle
6: Getriebe
7: Betriebszustand
8: Sonderzustand
10: Messverstärker
ADC: Analog-Digital-Wandler
BH0.0, BH0.1, BH0.2: Gate-Signale
BH1.0, BH1.1, BH1.2: Gate-Signale
BV: Bremsvorgang/Bremsphase
BV₁: erster Abschnitt des Bremsvorgangs
BV₂: zweiter Abschnitt des Bremsvorgangs/Synchronmodus
BN: Bereich
BN-1, BN-2: Teilbereich
C: Kapazität/Kondensator
D: Verpolschutzdiode
GND: Masseanschluss
MTC: virtueller Sternpunkt
MTC0: Komparatoreingang
MTC1: Komparatoreingang
MTC2: Komparatoreingang
R_SHUNT: Messwiderstand
S1 bis S6: Halbleiterschalter
t1: beliebige Startzeit
t2: Beginn Bremsphase
t3: Stoppen/Stillstand des Antriebsmotors
t4: Ende der Haltezeit im Sonderzustand
t5: Beginn Beschleunigungsphase
t6: Beginn des Synchronmodus
ts: Haltezeit (Sonderzeit)
ND: Drehzahl
ND_soll: Nenndrehzahl
ND_min: Minimaldrehzahl
ND_trans: Übergangsdrehzahl
U_c: Spannungs-Schwellwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4758768 [0007]
DE 10023370 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines dreiphasigen, elektronisch kommutierten Elektromotors (3, M), wobei in einem Betriebszustand (7) ein 6-Schritt-Kommutierungsschema ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Sonderzustand (8) ein 12-Schritt-Kommutierungsschema ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonderzustand (8) zum Stoppen und/oder Halten des Elektromotors (3) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonderzustand (8) zum Anfahren, und/oder zum Beschleunigen, und/oder zum Bremsen des Elektromotors (3, M) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonderzustand (8) exakt einen einzigen Kommutierungsschritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonderzustand (8) einen Kommutierungsschritt des 12-Schritt-Kommutierungsschemas umfasst, in dem drei Halbleiterschalter zum Bestromen der drei Phasen des Elektromotors (3, M) leitend geschaltet sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor vor dem Stoppen auf eine vorherbestimmte Minimaldrehzahl ND_min gebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor während des Bremsvorgangs entsprechend einem 6-Schritt-Kommutierungsschema betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Sonderzustand (8) nach einer vorgegebenen Sonderzeit (ts) und/oder nach Beendigung des Sonderzwecks wieder in den Betriebszustand (7) gewechselt wird.
Verfahren nach einem der der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Sonderzustand (8) der Elektromotor (3, M) gestoppt wird und nach Erreichen des Stillstands (t3) erst nach einer vorgegebenen Haltezeit (ts) wieder in den Betriebszustand (7) gewechselt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsvorgang (BV) einen Synchronmodus (BV₂) umfasst, in dem der Elektromotor (3, M) entsprechend einem vorherbestimmten Kommutierungsschema, mit vorherbestimmten Schrittlängen der Kommutierungsschritte, kommutiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittlängen der Kommutierungsschritte des Synchronmodus (BV₂) in Abhängigkeit von einer zuvor erfassten Drehzahl des Elektromotors vorherbestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittlängen der Kommutierungsschritte des Synchronmodus (BV₂) derart gewählt werden, dass eine im Synchronmodus (BV₂) wirkende Bremskraft durch eine konstante negative Beschleunigung vermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kommutierungsschritte im Synchronmodus (BV₂) fest vorherbestimmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kommutierungsschritte im Synchronmodus (BV₂) in Abhängigkeit von einer zuvor erfassten Drehzahl des Elektromotors (3, M) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittlänge der Kommutierungsschritte im Synchronmodus (BV₂) konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die im Synchronmodus (BV₂) wirkende Bremskraft begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremsvorgang (BV) ausgehend von dem Betriebszustand (7) mit dem 6-Schritt-Kommutierungsschema ein Abbremsen auf eine Übergangsdrehzahl ND_trans umfasst, wobei nach dem Unterschreiten der Übergangsdrehzahl ND_trans in den Synchronmodus (BV₂) gewechselt wird und wobei der Bremsvorgang im Synchronmodus (BV₂) bis zum Erreichen der Minimaldrehzahl ND_min fortgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3, M) dazu ausgebildet ist, das Vorhandensein einer externen, den Elektromotor (3, M) antreibenden Last zu erkennen, wobei das Verfahren von dem Betriebszustand (7) in den Sonderzustand (8) oder in den Bremsvorgang (BV) überleitet, wenn ein aufgrund der externen Last den Elektromotor (3, M) antreibendes Drehmoment einen Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhandensein und/oder die Größe der den Elektromotor (3, M) antreibenden Last über eine durch die Last hervorgerufene Veränderung des Motorstroms erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Motorstroms eine Polaritätsänderung des Motorstroms umfasst.
Aktuator (1) mit einem dreiphasigen, elektronisch kommutierten Antriebsmotor (3, M), mit einem Motorcontroller (4) und mit einer Vollbrückenschaltung, zur Ansteuerung der Motorphasen (U,V,W) des Antriebsmotors (3, M), wobei der Motorcontroller (4) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Aktuator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass am Abtrieb (5) des Antriebsmotors (3, M) ein Untersetzungsgetriebe (6) angeordnet ist.
Aktuator nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebsdrehzahl des Aktuators (1) zwischen 5 min^-1 und 15 min^-1 beträgt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersetzungsverhältnis des Getriebes (6) zwischen 1:300 und 1:700 beträgt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebsdrehmoment zwischen 1 Nm und 2,5 Nm beträgt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Spannungseingang des Motorcontrollers (4) ein Kondensator (C) angeordnet ist, wobei der Motorcontroller (4) dazu ausgebildet ist, die Kondensatorspannung zu erfassen und eine am Aktuator anliegende externe Last anhand der erfassten Kondensatorspannung zu erkennen.