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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Gleichstrommaschine, insbesondere eines bürstenlos kommutierten Gleichstrommotors, über eine Schnittstelle.
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Hintergrund
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Antriebe mit einphasigen Wechselstrommotoren, insbesondere Rolladen- oder Jalousieantriebe, verwenden üblicherweise Schnittstellen zur Richtungssteuerung. Die Schnittstellen sind Zwischenglieder zwischen dem Stromnetz und dem zu betreibenden Wechselstrommotor. Sie umfassen vier Anschlüsse: einem Anschluss für den Nulleiter (N), zwei Phasenanschlüsse (L1 und L2) und einen Masseanschluss (PE). Um verschiedene Laufrichtungen des Wechselstrommotors zu codieren verfügt die Schnittstelle über einen Schalter, der drei Schalterstellungen aufweist und der den Phasenanschluss des Stromnetzes mit den entsprechenden motorseitigen Phasenanschlüssen L1 und L2 verbindet. Die Drehrichtung des Wechselstrommotors hängt davon ab, welche der beiden Phasen L1 oder L2 des Wechselstrommotors mit dem Phasenanschluss des Stromnetzes verbunden ist. In vielen Anwendungen ist es allerdings wünschenswert anstelle der einfachen Wechselstrommotoren bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) einzusetzen, bzw. vorhandene Wechselstrommotoren durch BLDC-Motoren zu ersetzen (z.B. nachzurüsten), ohne dabei die Energieversorgung und die Schnittstelle anpassen zu müssen. Die Drehrichtung wird bei BLDC Motoren durch eine interne Steuerung, insbesondere durch einen Mikrokontroller, gesteuert. BLDC-Motoren benötigen zum Betrieb eine Gleichspannung, so dass diese zunächst durch Gleichrichten der Netzspannung erzeugt werden muss. Um sicherzustellen, dass die durch das Gleichrichten erzeugten hochfrequenten Störungen im Stromverlauf vorgegebene Werte nicht überschreiten, sind zudem aufwändige Filtermaßnahmen erforderlich. Dadurch gehen die durch die Schalterstellung einer Schnittstelle bereitgestellten Richtungsinformationen verloren. Um einen BLDC-Motor mit einer vorhandenen Schnittstelle zu betreiben ist es daher erforderlich festzustellen, welche der beiden Phasenanschlüsse L1 und 12 infolge der Schalterstellung mit der Netzspannung verbunden sind. Es besteht daher das Problem, dass eine Steuerung des BLDC-Motors ein Signal erhalten muss, welche Schalterstellung gewählt wurde und in welche Richtung sich also ein BLDC-Motor drehen soll. Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer ein BLDC-Motor an einer Schnittstelle betrieben werden kann.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Betrieb einer Gleichstrommaschine, insbesondere eines BLDC-Motors, über eine Schnittstelle geschaffen, die Vorrichtung umfassend: eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Gleichstrommaschine, insbesondere einen Mikrokontroller; einen Knotenpunkt, wobei der Knotenpunkt dazu ausgebildet ist, einen ersten Phasenanschluss einer Schnittstelle und einen zweiten Phasenanschluss der Schnittstelle zusammenzuführen und leitend zu verbinden und mit einem in Bezug auf den Knotenpunkt motorseitigen Phasenanschluss des BLDC-Motors zu verbinden; einen ersten Stromsensor zum Erkennen oder Bestimmen eines ersten Phasenstroms in dem ersten Phasenanschluss, wobei der erste Stromsensor in Bezug auf den Knotenpunkt schnittstellenseitig an dem ersten Phasenanschluss angeordnet und mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist. Durch den Stromsensor werden Ströme in dem ersten oder dem zweiten Phasenanschluss erkannt oder bestimmt. Die Strommessung kann sich auch darauf beschränken, das Vorhandensein eines Stromflusses oder die Richtung des Stromflusses zu detektieren. In solchen Ausgestaltungen der Erfindung kann eine einfache und kostengünstige Sensorik und Messschaltung verwendet werden. In anderen Ausgestaltungen kann das Überschreiten eines Stromschwellwertes oder das Messen der Stromstärke erfolgen. Die Erkennung oder Messung kann dabei direkt oder indirekt, insbesondere über eine Spannungsmessung oder über die Messung eines vom Stromfluss bewirkten Magnetfeldes, erfolgen. Das Erkennen oder Bestimmen erfolgt in Bezug auf den Knotenpunkt schnittstellenseitig, nämlich dort, wo noch beide Phasenanschlüsse, die von der Schnittstelle kommen, getrennt sind. Die beiden Phasenanschlüsse sind je nach Schalterstellung stromführend. Je nachdem welche Phase Strom führt, kann durch die Steuereinheit bestimmt werden, in welche Richtung sich die Gleichstrommaschine - entsprechend der Wahl der Schalterstellung - drehen soll. Es kann daher darauf verzichtet werden weitere Komponenten wie Filter und/oder Gleichrichter für jeden Phasenanschluss gesondert vorzusehen. Dadurch werden Schaltungsaufwand und Bauraum gespart.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung, umfasst die Vorrichtung einen zweiten Stromsensor zum Erkennen oder Bestimmen eines zweiten Phasenstroms in dem zweiten Phasenanschluss, wobei der zweite Stromsensor in Bezug auf den Knotenpunkt schnittstellenseitig an dem zweiten Phasenanschluss angeordnet und mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist. Dadurch wird auch der Strom in der zweiten Phase detektiert. Die Detektion kann sich wiederum auf das Erkennen des Vorhandenseins eines Stromflusses beschränken. Die Steuereinrichtung kann auf Grundlage der Messung ein eigenes Steuersignal in Abhängigkeit der Messung erzeugen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der motorseitige Phasenanschluss des BLDC-Motors an einer dem BLDC-Motor und der Steuereinheit vorgelagerten Filtereinrichtung und/oder Gleichrichtereinheit angeordnet. Zum Filtern hochfrequenter Störungen im Stromverlauf und zum Gleichrichten der von der Schnittstelle bereitgestellten Wechselspannung, sind Filter und Gleichrichtereinheiten notwendig. Diese müssen für beide Phasenanschlüsse nur einmal vorhanden sein, weil die beiden Phasenanschlüsse zu einem einzelnen Anschluss zusammengeführt und motorseitig mit einem Phasenanschluss des BLDC-Motors verbunden werden, der einer Filtereinrichtung und der Gleichrichtereinheit vorgelagert ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der erste und/oder der zweite Stromsensor ein Hall-Sensor zum Erkennen oder Bestimmen des magnetischen Wechselfeldes und die Stromsensoren werden von der Steuereinrichtung mit Spannung versorgt. Da es nicht auf eine genaue Messung des Stromes ankommt, sondern lediglich Informationen darüber benötigt werden, in welcher der beiden Phasenanschlüsse ein Strom fließt, können Hallsensoren eingesetzt werden um das magnetische Wechselfeld, welches den stromdurchflossenen Phasenanschluss umgibt, zu detektieren. Es können sowohl lineare Hallsensoren, die eine zu einem magnetischen Fluss proportionale Spannung ausgeben, als auch digitale Hallsensoren, welche in Abhängigkeit von der Richtung des magnetischen Flusses ein Low-Pegel-Signal oder ein High-Pegel-Signal ausgeben, verwendet werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und der zweite Phasenanschluss schnittstellenseitig jeweils als auf einer Platine verlaufende Leiterbahnen ausgebildet, und der erste und der zweite Stromsensor sind auf der der jeweiligen Leiterbahn gegenüberliegenden Seite der Platine angeordnet. Um eine ausreichende Isolation der Hallsensoren gegenüber der Netzspannung zu gewährleisten, werden die Hallsensoren auf der der Leiterbahn jeweils gegenüberliegenden Seite der Platine angeordnet. Das vom Strom in der Leiterbahn verursachte magnetische Wechselfeld durchdringt die Platine und wird von den darüber liegenden Hallsensoren gemessen. Die von den Hallsensoren messbare magnetische Flussdichte ist dabei von einer Dicke der Platine - also vom Abstand der Hallsensoren zur Leiterbahn - als auch von der Stromstärke in der Leiterbahn abhängig.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die erste und/oder die zweite Leiterbahn auf einer ersten Seite der Platine angeordnet, wobei die Leiterbahnen erste und zweite Drosselspulen, insbesondere Stabkerndrosseln oder Drosselspulen in Topfform, aufweisen, und wobei die ersten und zweiten Stromsensoren auf der den ersten und zweiten Drosselspulen jeweils gegenüberliegenden zweiten Seite der Platine angeordnet sind. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, die ersten und zweiten Stromsensoren in Bezug auf die ersten und zweiten Drosselspulen in einem Bereich eines maximalen magnetischen Flusses anzuordnen. Falls der Stromfluss in der Leiterbahn zu gering ist um ein ausreichendes (detektierbares) Magnetfeld zu erzeugen, kann dies durch ungeschirmte Drosselspulen verstärkt werden. Spulen in Stabform oder Topfform mit Ferritkernen sind besonders geeignet. Der magnetische Fluss wird durch die Spulen verstärkt und gebündelt. Durch die Wahl einer geeigneten Spule kann auch bei kleinen Strömen eine für die Aussteuerung eines Hallsensors ausreichende magnetische Flussdichte erzeugt werden. Die Drosselspulen werden in den ersten und zweiten Phasenanschluss eingebracht. Weil die Drosselspulen auch dämpfende / filternde Wirkungen haben, können unter Umständen Komponenten in der Filtereinheit eingespart und diese verkleinert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Steuerung einer Gleichstrommaschine zu verwenden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung einer Gleichstrommaschine mittels einer Schnittstelle geschaffen, das Verfahren umfassend: Erkennen oder Bestimmen, durch eine Steuereinheit eines ersten und/oder zweiten Stromflusses in einem ersten und/oder zweiten Phasenanschluss, wobei der erste und/oder der zweite Phasenanschluss Phasenanschlüsse der Schnittstelle sind; und Ausgeben, auf Grundlage des Erkennens oder Bestimmens, eines Steuersignals an die Gleichstrommaschine. Schaltungsaufwand und Bauraum können gespart werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Erkennen oder Bestimmen das Messen, des ersten und/oder zweiten Stromflusses durch einen ersten und einen zweiten Stromsensor, insbesondere einen Hallsensor. Die Stromsensoren ermöglichen das Erkennen oder Bestimmen, durch die Steuereinheit, von Informationen über einen durch die Schalterstellung vorgegebenen Betriebszustand.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Erkennen oder Bestimmen das Erkennen oder Bestimmen eines von in dem ersten und/oder zweiten Phasenanschluss angeordneten ersten und zweiten Drosselspulen erzeugten magnetischen Flusses. Insbesondere können die ersten und/oder zweiten Stromsensoren dabei durch eine Platine von den Drosselspulen getrennt und in Bereichen des maximalen magnetischen Flusses der Drosselspulen angeordnet sein. Bei kleinen Strömen in der Leiterbahn kann der magnetische Fluss verstärkt und der Hallsensor ausgesteuert werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend sind anhand der Beigefügten Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
- Die 1 eine Schnittstelle zum Betrieb eines Wechselstrommotors aus dem Stand der Technik;
- die 2 eine Vorrichtung zum Betrieb eines BLDC-Motors aus dem Stand der Technik;
- die 3 eine beispielhafte Vorrichtung zum Betrieb eines BLDC-Motors über eine Schnittstelle aus dem Stand der Technik;
- die 4 eine beispielhafte Vorrichtung zum Betrieb einer Gleichstrommaschine über eine Schnittstelle gemäß der Erfindung;
- die 5 eine beispielhafte Anordnung eines Stromsensors gemäß der Erfindung;
- die 6 eine weitere beispielhafte Anordnung eines Stromsensors gemäß der Erfindung;
- die 7 eine weitere beispielhafte Vorrichtung zum Betrieb einer Gleichstrommaschine über eine Schnittstelle gemäß der Erfindung.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine Vorrichtung zum Betrieb eines Wechselstrommotors 1 aus dem Stand der Technik. Die Vorrichtung umfasst eine Schnittstelle 2. Die Schnittstelle 2 umfasst einen Schalter 3 mit drei Schalterstellungen, der einen Phasenanschluss L eines Stromnetzes 4 wahlweise mit einem ersten oder einem zweiten motorseitigen Phasenanschluss 5,6, des Wechselstrommotors 1 verbindet. Die Drehrichtung des Wechselstrommotors 1 wird über die jeweilige Schalterstellung festgelegt. Je nach Schalterstellung ist entweder der erste Phasenanschluss 5 oder der zweite Phasenanschluss 6 mit dem Phasenanschluss des Stromnetzes verbunden. Dies legt die Drehrichtung des Wechselstrommotors 1 fest.
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2 zeigt eine Vorrichtung 7 zum Betrieb eines BLDC-Motors 8 aus dem Stand der Technik. Die Vorrichtung 7 verwendet keine Schnittstelle 2. Die Vorrichtung umfasst eine Filtereinheit 9 zum Filtern hochfrequenter Störungen, eine Gleichrichtereinheit 10 und eine Steuereinheit 11, insbesondere einen Mikrokontroller. Im Beispiel umfasst die Gleichrichtereinheiten 10 einen Brückengleichrichter mit vier Dioden. Die Filtereinheit 9 umfasst im Beispiel zwei Spulen 11, 12, wobei eine Spule 11 an dem ersten Phasenanschluss 5 der Gleichrichtereinheit 10 vorgeschaltet ist und eine Spule 12 an dem zweiten Phasenanschluss 6 der Gleichrichtereinheit 10 vorgeschaltet ist. Ferner sind ein Pufferkondensator C1, ein Varistor V1 sowie eine Sicherung F1 vorgesehen.
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3 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 7 zum Betrieb einesr als BLDC-Motors 8 über eine Schnittstelle 2 aus dem Stand der Technik. Die Schnittstelle 2 wird mittels des Phasenanschlusses L des Stromnetzes, eines Neutralleiters N und eines Schutzleiters PE mit der Netzspannung verbunden und von dieser versorgt. Um die Richtungsinformationen, die durch die Schalterstellung des Schalters 3 zur Verfügung gestellt werden zu detektieren, ist ein erster Spannungsabgriff 12 und ein zweiter Spannungsabgriff 13 implementiert. Weil BLDC-Motoren mit Gleichstrom arbeiten sind die Filtereinheit 9, und die Gleichrichtereinheit 10 doppelt vorgesehen, da jeder Phasenanschluss 5, 6 einzeln gefiltert und gleichgerichtet werden muss. Die Richtungsinformationen, die beim Filtern und Gleichrichten verloren gehen, werden über die ersten und zweiten Spannungsabgriffe 12,13 detektiert. Diese greifen die Spannungen an den Gleichrichtereinheiten 10 ab, sind mit der Steuereinrichtung 11 verbunden und geben Aufschluss darüber an welcher Gleichrichtereinheit eine Spannung anliegt, d.h. welcher der Phasenanschlüsse 5,6 infolge der Schalterstellung bestromt ist. Dadurch wird, durch die Steuereinheit, eine Bestimmung der durch die Schalterstellung erwünschten Drehrichtung ermöglicht.
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Die 4 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 7 zum Betrieb einer Gleichstrommaschine 8 über eine Schnittstelle 2 gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 7 umfasst einen Knotenpunkt 14. Der Knotenpunkt 14 führt die von der Schnittstelle 2 kommenden ersten und zweiten Phasenanschlüsse 5,6 zusammen und verbindet diese leitend. Der Knotenpunkt 14 koppelt den ersten und den zweiten Phasenanschluss 5,6 mit einem motorseitigen Phasenanschluss 15. Der motorseitige Phasenanschluss 15 ist über die Filtereinheit 9 mit der Gleichrichtereinheit 10 und mit der Steuereinheit 11 verbunden. Durch das Zusammenführen der ersten und zweiten Phasenanschlüsse 5,6 in dem Knotenpunkt 14 gehen die durch die Schalterstellung bereitgestellten Richtungsinformationen verloren. Zur Richtungsdetektion umfasst die Vorrichtung 7 einen ersten Stromsensor 16 und einen zweiten Stromsensor 17. Der erste Stromsensor 16 ist in Bezug auf den Knotenpunkt 14 schnittstellenseitig angeordnet und dazu ausgebildet, einen Stromfluss in dem ersten Phasenanschluss 5 zu detektieren. Der zweite Stromsensor 17 ist in Bezug auf den Knotenpunkt 14 schnittstellenseitig angeordnet und dazu ausgebildet, einen Stromfluss in dem zweiten Phasenanschluss 6 zu detektieren. Der erste und der zweite Stromsensor 16,17 sind mit der Steuereinheit 11 verbunden. Je nach Schalterstellung des Schalters 3 wird mittels der ersten und zweiten Stromsensoren 16,17 ein Stromfluss in dem ersten oder zweiten Phasenanschluss 5,6 der Schnittstelle 2 detektiert. Dadurch kann die Steuereinheit 11 die von der Schalterstellung vorgegebene Drehrichtung ermitteln.
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5 zeigt eine beispielhafte Anordnung eines Stromsensors 16,17 gemäß der Erfindung. Der Stromsensor 16,17 ist als Hallsensor 18 ausgebildet und auf einer Platine 19 angeordnet. Die Platine 19 trägt auf einer dem Hallsensor 18 gegenüberliegenden Seite die Leiterbahnen 20 des ersten und /oder zweiten Phasenanschlusses 5,6. Der Hallsensor 18 ist so angeordnet, um einen von den Leiterbahnen 20 der Phasenanschlüsse 5,6 erzeugten magnetischen Fluss 21 zu messen. Der Hallsensor ist durch die Platine 19 von der jeweiligen Leiterbahn 20 beabstandet. Je dicker die Platine 19 ist und je geringer der Stromfluss durch die Leiterbahnen 20 ist, desto schwächer ist der gemessene magnetische Fluss 21.
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6 zeigt eine weitere beispielhafte Anordnung eines Stromsensors 16,17,18 gemäß der Erfindung. Der Stromsensor ist ein Hallsensor 18. Die jeweilige Leiterbahn des Phasenanschlusses 5,6 ist im Bereich des Stromsensors 18 als Induktivität (Drosselspule) 22, insbesondere als topfförmige Induktivität, ausgeführt. Die Leiterbahn 20 ist um einen Ferritkern 23 gewunden und erzeugt einen höheren magnetischen Fluss 21, als die ungewunden ausgeführte Leiterbahn aus 5. Der Hallsensor ist im Bereich der maximalen Flussdichte auf einer der topfförmigen Induktivität 22 gegenüber liegenden Seite der Platine 19 angeordnet.
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7 zeigt eine weitere beispielhafte Vorrichtung 7 zum Betrieb einer Gleichstrommaschine über eine Schnittstelle 2 gemäß 4. Die Stromsensoren 16,17 sind als Hallsensoren 18 ausgeführt und die Leiterbahnen 20 der ersten und zweiten Phasenanschlüsse 5,6 sind mit integrierten Induktivitäten 22 versehen. Die Induktivitäten 22 sind beispielsweise als Stabkerndrosseln oder als topfförmige Induktivitäten ausgebildet. Insbesondere sind die Induktivitäten 22 als Teil der Leiterbahn 20 ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wechselstrommotor
- 2
- Schnittstelle
- 3
- Schalter
- 4
- Phasenanschluss des Stromnetzes
- 5
- erster Phasenanschluss
- 6
- zweiter Phasenanschluss
- 7
- Vorrichtung zum Betrieb eines BLDC-Motors
- 8
- BLDC-Motor
- 9
- Filtereinheit
- 10
- Gleichrichtereinheit
- 11
- Steuereinheit/Steuereinrichtung
- 12
- erster Spannungsabgriff
- 13
- zweiter Spannungsabgriff
- 14
- Knotenpunkt
- 15
- motorseitiger Phasenanschluss
- 16
- erster Stromsensor
- 17
- zweiter Stromsensor
- 18
- Hallsensor
- 19
- Platine
- 20
- Leiterbahnen
- 21
- magnetischer Fluss
- 22
- Induktivität
- 23
- Ferritkern
- C1, C2, C3
- Kondensator
- F1
- Sicherung
- L
- Phasenanschluss (Stromnetz)
- 11
- Spule
- 12
- Spule
- N
- Neutralleiter (Stromnetz)
- PE
- Schutzleiter (Stromnetz)
- V1
- Varistor
