DE102018119723A1 - Method for driving an electric motor and electric motor - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors im Anlauf-Betrieb wird vorgeschlagen, wobei eine induzierte Spannung und ein Phasenstrom in Phasenwicklungen des Elektromotors erzeugt werden mit einem Verfahren umfassend: Erfassen einer Kennlinie basierend auf der induzierten Spannung und/oder dem Phasenstrom, und Ansteuern des Elektromotors in Abhängigkeit der erfassten Kennlinie.A method for controlling an electric motor in start-up mode is proposed, wherein an induced voltage and a phase current are generated in phase windings of the electric motor with a method comprising: detecting a characteristic curve based on the induced voltage and / or the phase current, and controlling the electric motor in Dependency of the recorded characteristic.
Description
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und einen Elektromotor, insbesondere für einen Stellantrieb. Stellantriebe werden in unterschiedlichen Anwendungen, wie in Klappenstellern eines Kraftfahrzeugs oder in industriellen oder gebäudetechnischen Automatisierungssystemen verwendet.The invention relates to a method for controlling an electric motor and an electric motor, in particular for an actuator. Actuators are used in various applications, such as in valve actuators of a motor vehicle or in industrial or building automation systems.
Eine Anwendung eines Stellantriebes ist beispielsweise ein Rollo, das parallel zu einer zu verschließenden Öffnung verfahren werden kann, ein Lüftermotor oder ein Klappensteller in Automobilanwendungen, beispielsweise in einer Klimaanlage. Eine andere Anwendung betrifft einen Klappensteller in einem Kraftfahrzeug, der zum Verschließen eines Stellgliedes in Form einer Tankklappe oder einer Ladeklappe zum Laden einer Batterie eines Elektro-Fahrzeugs ausgebildet sein kann. Solche Klappen sind beispielsweise um eine Drehachse verschwenkbar ausgebildet.One application of an actuator is, for example, a roller blind that can be moved parallel to an opening to be closed, a fan motor or a flap actuator in automotive applications, for example in an air conditioning system. Another application relates to a flap actuator in a motor vehicle, which can be designed to close an actuator in the form of a tank flap or a loading flap for charging a battery of an electric vehicle. Such flaps are designed, for example, to be pivotable about an axis of rotation.
Eine weitere Anwendung in der Automobiltechnik besteht zum Beispiel in dem Verschluss einer Öffnung zum Ansaugen von Außenluft durch eine mit Lamellen aufgebaute Lüftungsklappe, wobei die Lamellen ansteuerbar sind, um die Lüftungsklappe zwischen einem vollständig geschlossenen und einem vollständig geöffneten Zustand zu verstellen. Dadurch kann zum Beispiel die Motorraumtemperatur nach Bedarf beeinflusst werden. Dies ist auch von Bedeutung für Anwendungen in Elektrofahrzeugen, in denen die Temperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, das Laden und Entladen der Batterien hat. Um zu verhindern, dass sich Lüftungsklappen aufgrund von äußeren Kräften, zum Beispiel Fahrtwind, verstellen, kann der Stellantrieb mit einem Getriebe mit hohem Untersetzungsverhältnis oder mit einem selbsthemmenden Getriebe ausgerüstet sein und/oder der Elektromotor kann im Stillstand mit einem Haltestroms beaufschlagt werden. Die Erfindung ist auf die genannten Anwendungen nicht beschränkt.Another application in automotive engineering is, for example, to close an opening for drawing in outside air by means of a ventilation flap constructed with slats, the slats being controllable in order to adjust the ventilation flap between a fully closed and a fully open state. For example, this can influence the engine compartment temperature as required. This is also important for applications in electric vehicles in which the temperature has a significant influence on the performance, charging and discharging of the batteries. In order to prevent ventilation flaps from adjusting due to external forces, e.g. airflow, the actuator can be equipped with a gear with a high reduction ratio or with a self-locking gear and / or the electric motor can be supplied with a holding current when it is at a standstill. The invention is not restricted to the applications mentioned.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und einen Elektromotor, insbesondere für einen Stellantrieb, anzugeben, der aus dem Stillstand möglichst effizient anläuft.It is an object of the invention to provide a method for controlling an electric motor and an electric motor, in particular for an actuator, which starts up as efficiently as possible from a standstill.
Diese Aufgabe wir durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch ein Elektromotor nach Anspruch 25 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method according to
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors im Anlauf-Betrieb, wobei eine induzierte Spannung und ein Phasenstrom in Phasenwicklungen des Elektromotors erzeugt werden, das Verfahren umfassend: Erfassen einer Kennlinie basierend auf der induzierten Spannung und/oder dem Phasenstrom; und Ansteuern des Elektromotors in Abhängigkeit der erfassten Kennlinie.In one aspect, the invention relates to a method for controlling an electric motor during start-up operation, wherein an induced voltage and a phase current are generated in phase windings of the electric motor, the method comprising: detecting a characteristic curve based on the induced voltage and / or the phase current; and controlling the electric motor as a function of the detected characteristic.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Erfassen der Kennlinie das Erfassen oder Ermitteln von Nulldurchgängen der Kennlinie umfasst. In solchen Ausgestaltungen der Erfindung kann der Elektromotor abhängig von den ermittelten Nulldurchgängen angesteuert werden. Beispielsweise kann es dabei vorgesehen sein, Nulldurchgänge einer in den Phasenwicklungen induzierten Spannung zu erfassen. Insbesondere kann der Phasenstrom des Elektromotors in Abhängigkeit der zeitlichen Lage der erfassten Nulldurchgänge geregelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass eine Drehzahl oder eine Beschleunigung des Elektromotors in Abhängigkeit der zeitlichen Lage der erfassten Nulldurchgänge geregelt wird. Die Drehzahl oder Beschleunigung kann insbesondere durch das Ändern eines Tastgrades einer Pulsweitenmodulation des Phasenstroms geregelt werden.In particular, it can be provided that the detection of the characteristic curve comprises the detection or determination of zero crossings of the characteristic curve. In such configurations of the invention, the electric motor can be controlled as a function of the zero crossings determined. For example, it can be provided to detect zero crossings of a voltage induced in the phase windings. In particular, the phase current of the electric motor can be regulated as a function of the temporal position of the detected zero crossings. Additionally or alternatively, it can be provided that a speed or an acceleration of the electric motor is regulated as a function of the time position of the detected zero crossings. The speed or acceleration can be regulated in particular by changing a duty cycle of a pulse width modulation of the phase current.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Ansteuern des Elektromotors das Ermitteln eines optimierten nächsten Kommutierungszeitpunkts in Abhängigkeit von der erfassten Kennlinie oder den Nulldurchgängen der erfassten Kennlinie umfasst. Folglich kann der Elektromotor derart angesteuert werden, dass dieser zu den optimierten nächsten Kommutierungszeitpunkten kommutiert wird.In some configurations of the method, it is provided that the control of the electric motor comprises determining an optimized next commutation time as a function of the detected characteristic or the zero crossings of the detected characteristic. Consequently, the electric motor can be controlled in such a way that it is commutated at the optimized next commutation times.
In bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass der optimierte nächste Kommutierungszeitpunkt aus einem Zeitintervall A zwischen zwei aufeinander folgenden Nulldurchgängen bestimmt wird und derart festgelegt wird, dass er um eine Zeitspanne A' = A/n nach dem zweiten der beiden Nulldurchgänge auftritt, wobei 1,25 ≤ n ≤ 50 gilt.In preferred embodiments of the method, it is provided that the optimized next commutation point in time is determined from a time interval A between two successive zero crossings and is set such that it occurs by a time period A '= A / n after the second of the two zero crossings, wherein 1.25 ≤ n ≤ 50 applies.
In manchen Ausgestaltungen der Erfindung umfasst das Ansteuern des Elektromotors ferner das Berechnen wenigstens eines theoretischen Kommutierungsschrittes abhängig von einer gewünschten Beschleunigung oder eines Sollwertes des Phasenstroms des Elektromotors. Der Elektromotor kann dann in Abhängigkeit des theoretischen Kommutierungsschrittes angesteuert werden. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn der theoretische Kommutierungszeitpunkt ein sogenannter idealer Kommutierungszeitpunkt ist, der in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der induzierten Spannung liegt. Liegen nicht alle Betriebsparameter, die zum Bestimmen des idealen Kommutierungszeitpunktes nötig sind vor, kann der ideale Kommutierungszeitpunkt auf der Grundlage von Schätzwerten oder Maximalwerten vorgenommen werden. Dadurch kann der theoretische Kommutierungszeitpunkt so bestimmt werden, dass ein Anlauf des Elektromotors unter allen Betriebsbedingungen möglich ist. Beispielsweise kann zum Bestimmen des idealen Kommutierungszeitpunktes eine von dem Elektromotor anzutreibende maximale Last angenommen werden.In some configurations of the invention, driving the electric motor further comprises calculating at least one theoretical commutation step depending on a desired acceleration or a setpoint value of the phase current of the electric motor. The electric motor can then be controlled depending on the theoretical commutation step. In particular, it can be advantageous if the theoretical commutation time is a so-called ideal commutation time which lies in the middle between two successive zero crossings of the induced voltage. Are not all operating parameters necessary to determine the ideal Commutation point in time are necessary, the ideal commutation point in time can be made on the basis of estimated values or maximum values. This allows the theoretical commutation time to be determined in such a way that the electric motor can be started under all operating conditions. For example, to determine the ideal commutation time, a maximum load to be driven by the electric motor can be assumed.
In manchen Ausgestaltungen kann der optimale nächste Kommutierungszeitpunkt durch Vergleichen der erfassten Nulldurchgänge und/oder der vorausgegangenen Kommutierungszeitpunkte mit dem theoretischen, beziehungsweise idealen, Kommutierungszeitpunkt bestimmt werden. Je nach Betriebszustand, beispielsweise abhängig von der von dem Elektromotor angetriebenen Last oder anderen Betriebsparametern, kann der optimale nächste Kommutierungszeitpunkt einem idealen Kommutierungszeitpunt entsprechen, oder früher (Vorkommutierung) oder später (Nachkommutierung) als der ideale Kommutierungszeitpunkt erfolgen. Insbesondere kann der optimierte nächste Kommutierungsschritt sowohl in Abhängigkeit von der erfassten Kennlinie als auch in Abhängigkeit des theoretischen Kommutierungszeitpunktes bestimmt werden.In some configurations, the optimal next commutation time can be determined by comparing the detected zero crossings and / or the previous commutation times with the theoretical, or ideal, commutation time. Depending on the operating state, for example depending on the load driven by the electric motor or other operating parameters, the optimal next commutation time can correspond to an ideal commutation time, or earlier (pre-commutation) or later (post-commutation) than the ideal commutation time. In particular, the optimized next commutation step can be determined both as a function of the detected characteristic and as a function of the theoretical commutation time.
In manchen Ausgestaltungen umfasst das Verfahren das Bestromen von Phasenwicklungen des Elektromotors derart, dass ein erster optimierter nächster Kommutierungszeitpunkt ein Vorkommutierungszeitpunkt ist, der vor dem theoretischen Kommutierungszeitpunkt, insbesondere vor dem idealen Kommutierungszeitpunkt liegt. Der Vorkommutierungszeitpunkt kann beispielsweise 2° bis 30° elektrisch vor dem idealen Kommutierungszeitpunkt liegen. In manchen Ausgestaltungen ist es vorteilhaft, wenn der erste optimierte nächste Kommutierungszeitpunkt eine Vorkommutierung im Bereich von 15° bis 30° aufweist, der erste optimierte nächste Kommutierungszeitpunkt also 15° bis 30° vor dem entsprechenden theoretischen oder idealen Kommutierungszeitpunkt liegend gewählt wird.In some configurations, the method comprises energizing phase windings of the electric motor in such a way that a first optimized next commutation time is a pre-commutation time that lies before the theoretical commutation time, in particular before the ideal commutation time. The pre-commutation time can, for example, be 2 ° to 30 ° electrically before the ideal commutation time. In some configurations, it is advantageous if the first optimized next commutation time has a pre-commutation in the range from 15 ° to 30 °, that is to say the first optimized next commutation time is 15 ° to 30 ° before the corresponding theoretical or ideal commutation time.
Das Verfahren kann insbesondere zum Ansteuern eines als dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotors verwendet werden. In solchen Ausgesaltungen des Verfahrens kann ein Vorkommutierungs-Zeitpunkt wenigstens in manchen Kommutierungsschritten 3° bis 15° elektrisch vor dem berechneten Ende des theoretischen Kommutierungsschrittes/idealen Kommutierungsschrittes liegen.The method can be used in particular to control an electric motor designed as a three-phase brushless DC motor. In such embodiments of the method, a pre-commutation time can be at least in some commutation steps 3 ° to 15 ° electrically before the calculated end of the theoretical commutation step / ideal commutation step.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden Kommutierungsschritte, welche auf den ersten eine Vorkommutierung aufweisenden Kommutierungsschritt folgen, eine kleinere Vorkommutierung als dieser erste eine Vorkommutierung aufweisende Kommutierungsschritt aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass diese beiden Kommutierungsschritte sukzessive theoretischen Kommutierungsschritten, beispielsweise mit idealen Kommutierungszeiten, angenähert werden, wobei die Vorkommutierung folglich verringert wird.It is particularly preferred if the two commutation steps which follow the first commutation step having a pre-commutation have a smaller pre-commutation than this first commutation step which has a pre-commutation. Alternatively or additionally, it can be provided that these two commutation steps are successively approximated to theoretical commutation steps, for example with ideal commutation times, the precommutation being consequently reduced.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass für wenigstens zwei auf einen ersten Kommutierungsschritt folgende Kommutierungsschritte der optimierte nächste Kommutierungszeitpunkt auf Basis der Nulldurchgänge der Kennlinie während der jeweils vorhergehenden Kommutierungsschritte bestimmt wird.It is preferably provided that for at least two commutation steps following a first commutation step, the optimized next commutation point in time is determined on the basis of the zero crossings of the characteristic during the respective previous commutation steps.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens vorgesehen, dass wenigstens ein optimierter nächster Kommutierungszeitpunkt derart bestimmt wird, dass ein Nulldurchgang der Kennlinie in der Mitte oder ungefähr in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungszeitpunkten liegt. Das Verfahren kann beispielsweise derart umgesetzt werden, dass die optimierten nächsten Kommutierungsschritte ideale Kommutierungsschritte sind, oder dass die ersten optimierten nächsten Kommutierungsschritte eine Vorkommutierung aufweisen und darauf folgende optimierten nächsten Kommutierungsschritte als ideale Kommutierungsschritte ausgeführt werden.In some embodiments of the method it is provided that at least one optimized next commutation time is determined such that a zero crossing of the characteristic lies in the middle or approximately in the middle between two successive commutation times. The method can be implemented, for example, in such a way that the optimized next commutation steps are ideal commutation steps, or that the first optimized next commutation steps have precommutation and subsequent optimized next commutation steps are carried out as ideal commutation steps.
In manchen bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens wird der Elektromotor mit einer Blockkommutierung betrieben, wobei Phasenwicklungen mit einer konstanten Spannung versorgt werden. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Blockkommutierung durch eine Pulsweitenmodulation überlagert ist. Mittels der Pulsweitenmodulation kann beispielsweise ein Drehmoment des Elektromotors, eine Drehzahl oder ein Phasenstrom auf einen Sollwert geregelt werden.In some preferred embodiments of the method, the electric motor is operated with block commutation, with phase windings being supplied with a constant voltage. It is particularly preferred if the block commutation is superimposed by pulse width modulation. A pulse width modulation can be used, for example, to regulate a torque of the electric motor, a speed or a phase current to a setpoint.
In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens umfasst dieses das Anlegen eines Haltestroms an den Elektromotor vor der Ausführung des ersten Kommutierungsschrittes. Dadurch kann der Rotor des Elektromotors ausgerichtet werden, so dass ein besonders effizienter und schneller Anlauf möglich ist. In solchen Ausgestaltungen kann insbesondere auch der erste Kommutierungsschritt kürzer als ein idealer Kommutierungsschritt sein. Vorzugsweise umfasst das Verfahren daher zu Beginn der Anlaufphase ferner das Berechnen wenigstens des ersten theoretischen Kommutierungsschritts abhängig von einer gewünschten Beschleunigung des Elektromotors; und das Wählen eines ersten Kommutierungsschritts, der kürzer ist als der berechnete erste theoretische Kommutierungsschritt, zur Ansteuerung des Elektromotors in der Anlaufphase. Beispielsweise kann bei einer 60°-Kommutierung, bei der jeweils zwei von drei Motorphasen bestromt sind, der erste Kommutierungsschritt eine Länge kleiner als 60° elektrisch, beispielsweise eine Länge von 30° elektrisch aufweisen. Allgemein kann das Verfahren folglich derart ausgestaltet sein, dass die Länge des ersten Kommutierungsschritts, der in der Anlaufphase gewählt wird, 50% oder etwa 50 % der Länge des ersten theoretischen Kommutierungsschritts beträgt.In further refinements of the method, this includes the application of a holding current to the electric motor before the first commutation step is carried out. This allows the rotor of the electric motor to be aligned, so that particularly efficient and fast starting is possible. In such configurations, the first commutation step in particular can also be shorter than an ideal commutation step. At the beginning of the start-up phase, the method therefore preferably also includes calculating at least the first theoretical commutation step as a function of a desired acceleration of the electric motor; and the selection of a first commutation step, which is shorter than the calculated first theoretical commutation step, for controlling the electric motor in the start-up phase. For example, with a 60 ° commutation, in each case two of three motor phases are energized, the first commutation step has a length of less than 60 ° electrical, for example a length of 30 ° electrical. In general, the method can consequently be designed such that the length of the first commutation step, which is selected in the start-up phase, is 50% or approximately 50% of the length of the first theoretical commutation step.
In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens, betrifft diese eine Anlaufphase, die als synchrone Anlaufphase ausgebildet ist. In solchen synchronen Anlaufphasen, wird der Elektromotor durch die Vorgabe von theoretischen Kommutierungsschritten angetrieben. Das vorliegende Verfahren kann nun dazu verwendet werden, die synchrone Anlaufphase zu optimieren, indem wenigstens eine theoretische Kommutierungszeit mittels des wenigstens einen optimierten Kommutierungsschrittes dynamisch modifiziert wird. In manchen Ausgestaltungen werden die theoretischen Kommutierungszeiten des synchronen Anlaufs vorherbestimmt und in einer Tabelle hinterlegt. Die Tabelle kann dann durch eine Motorsteuerung ausgelesen und der Elektromotor entsprechend angesteuert/kommutiert werden. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass die theoretischen Kommutierungszeiten des synchronen Anlaufs im Betrieb berechnet werden. Dies hat den Vorteil, dass die theoretischen Kommutierungszeiten in Abhängigkeit des letzten Kommutierungszeitpunktes, und/oder eines aktuellen Phasenstroms, und/oder einer aktuell anliegenden Last, und/oder eines Sollwertes des Phasenstroms, und/oder einer gewünschten Beschleunigung/Sollbeschleunigung des Elektromotors, bestimmt werden können. Somit kann durch das Berechnen der theoretischen Kommutierungsschritte im Betrieb und das Anpassen wenigstes eines theoretischen Kommutierungsschritts mittels eines optimierten nächsten Kommutierungsschritts ein besonders effizienter Anlauf erreicht werden.In particularly advantageous refinements of the method, this relates to a start-up phase which is designed as a synchronous start-up phase. In such synchronous start-up phases, the electric motor is driven by the specification of theoretical commutation steps. The present method can now be used to optimize the synchronous start-up phase by dynamically modifying at least one theoretical commutation time by means of the at least one optimized commutation step. In some configurations, the theoretical commutation times of the synchronous startup are predetermined and stored in a table. The table can then be read out by a motor controller and the electric motor can be controlled / commutated accordingly. It can also be provided that the theoretical commutation times of the synchronous start-up are calculated during operation. This has the advantage that the theoretical commutation times are determined as a function of the last commutation point in time, and / or a current phase current, and / or a current load, and / or a setpoint value of the phase current, and / or a desired acceleration / setpoint acceleration of the electric motor can be. A particularly efficient start-up can thus be achieved by calculating the theoretical commutation steps during operation and adapting at least one theoretical commutation step by means of an optimized next commutation step.
Beispielsweis kann solche ein dynamisch angepasster synchroner Anlauf wie folgt ablaufen. Zunächst kann ein optionaler Haltestrom den ruhenden Rotor in seiner Position halten und/oder vorausrichten. In einem nächsten Schritt kann, beispielsweise abhängig von einer gewünschten Beschleunigung, ein erster Kommutierungsschritt erfolgen. Die Beschleunigung kann beispielsweise über eine Pulsweitenmodulation angepasst werden. Dieser erste Kommutierungsschritt kann, im Falle eines vorausgerichteten Rotors, die halbe Länge eines idealen Kommutierungsschrittes aufweisen. Darauf folgend kann der Elektromotor auf Basis von Kommutierungszeiten der theoretischen Kommutierungsschritte beschleunigt werden.For example, such a dynamically adapted synchronous startup can take place as follows. First of all, an optional holding current can hold and / or pre-align the stationary rotor. In a next step, a first commutation step can take place, for example depending on a desired acceleration. The acceleration can be adjusted, for example, using pulse width modulation. In the case of a pre-aligned rotor, this first commutation step can have half the length of an ideal commutation step. The electric motor can then be accelerated on the basis of commutation times of the theoretical commutation steps.
Beispielsweise werden wenigstens eine oder mehrere Kommutierungszeitpunkte entsprechend den theoretischen Kommutierungsschritten gewählt. Sobald eine Kennlinie der induzierten Spannung oder des Phasenstroms zuverlässig erfasst werden kann, können die theoretischen Kommutierungszeitpunkte des synchronen Anlaufs auf Basis der Kennlinie angepasst werden. Beispielsweise kann eine Kommutierungszeit eines theoretischen Kommutierungsschritts durch eine optimierte nächste Kommutierungszeit angepasst werden, sobald zwei Nulldurchgänge der Kennlinie, beispielsweise der induzierten Spannung, erfasst wurden. Die Bestimmung des optimierten nächsten Kommutierungszeitpunktes kann dabei in Abhängigkeit von der Kennlinie, insbesondere deren Nulldurchgang, erfolgen. Ferner kann die Anpassung in Abhängigkeit von idealen Kommutierungszeitpunkten erfolgen. Beispielsweise können die Kommutierungszeitpunkte der theoretischen Kommutierungsschritte unter der Annahme einer maximalen von dem Elektromotor antreibbaren Last als ideale Kommutierungszeitpunkte bestimmt werden. Ebenfalls kann es vorgesehen sein, dass unter Berücksichtigung der erfassten Kennlinie ein der tatsächlich anliegenden Last entsprechender idealer Kommutierungszeitpunkt bestimmt. Der optimierte nächste Kommutierungszeitpunkt kann dann in Abhängigkeit dieses idealen Kommutierungszeitpunktes bestimmt werden. Zusätzlich können zur Bestimmung des optimierten nächsten Kommutierungszeitpunktes ein oder mehrere vorangegangen Kommutierungszeitpunkte berücksichtigt werden.For example, at least one or more commutation times are selected in accordance with the theoretical commutation steps. As soon as a characteristic curve of the induced voltage or phase current can be reliably detected, the theoretical commutation times of the synchronous starting can be adjusted on the basis of the characteristic curve. For example, a commutation time of a theoretical commutation step can be adapted by an optimized next commutation time as soon as two zero crossings of the characteristic curve, for example the induced voltage, have been detected. The optimized next commutation point in time can be determined as a function of the characteristic curve, in particular its zero crossing. Furthermore, the adaptation can take place as a function of ideal commutation times. For example, the commutation times of the theoretical commutation steps can be determined as ideal commutation times, assuming a maximum load that can be driven by the electric motor. It can also be provided that an ideal commutation time corresponding to the actually applied load is determined taking into account the detected characteristic. The optimized next commutation time can then be determined as a function of this ideal commutation time. In addition, one or more previous commutation times can be taken into account to determine the optimized next commutation time.
Ferner kann zur Bestimmung des optimierten nächsten Kommutierungszeitpunktes eine Gewichtung eines auf Basis der Kennlinie berechneten Zeitpunkts und/oder des Kommutierungszeitpunkts des theoretischen Kommutierungsschrittes, vorgenommen wird. Beispielsweise kann auch vorgegeben werden, dass der optimierte nächste Kommutierungszeitpunkt nur um einen maximalen elektrischen Winkel vor und/oder nach dem Kommutierungszeitpunkt des theoretischen Kommutierungsschrittes liegen darf. Wird dieser maximale Winkel überschritten, kann der berechnete Wert durch den Maximalwert ersetzt oder durch einen anderen vorherbestimmten Wert ersetzt werden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der optimierte nächste Kommutierungszeitpunkt maximal 30° elektrisch, insbesondere maximal 15° elektrisch vor oder nach dem Kommutierungszeitpunkt des anzupassenden theoretischen Kommutierungsschrittes liegt.Furthermore, in order to determine the optimized next commutation point in time, a weighting of a point in time calculated on the basis of the characteristic curve and / or the commutation point in time of the theoretical commutation step can be carried out. For example, it can also be specified that the optimized next commutation time may only lie by a maximum electrical angle before and / or after the commutation time of the theoretical commutation step. If this maximum angle is exceeded, the calculated value can be replaced by the maximum value or by another predetermined value. It is preferably provided that the optimized next commutation time is a maximum of 30 ° electrical, in particular a maximum of 15 ° electrical, before or after the commutation time of the theoretical commutation step to be adapted.
Ferner kann es in dem Verfahren vorgesehen sein, dass der optimierte nächste Kommutierungszeitpunkt maximal 15° elektrisch vor oder nach dem anzupassenden theoretischen Kommutierungszeitpunkt liegt.Furthermore, it can be provided in the method that the optimized next commutation time is at most 15 ° electrically before or after the theoretical commutation time to be adjusted.
In manchen Weiterbildungen des Verfahrens ist es vorgesehen, dass von der synchronen Anlaufphase in einen sensorlos geregelten Motorbetrieb umgeschaltet wird, nachdem wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: das Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Kommutierungsschritten; das Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Nulldurchgängen; das Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl; und die Erfassung einer Back-EMF, die über einem vorgegebenen Schwellwert liegt.In some developments of the method it is provided that from the synchronous start-up phase to sensorless controlled motor operation is switched after at least one of the following conditions is met: reaching a predetermined number of commutation steps; reaching a predetermined number of zero crossings; reaching a predetermined speed; and detecting a back EMF that is above a predetermined threshold.
Die optimierten nächsten Kommutierungszeitpunkte können zusätzlich auch in Abhängigkeit von den vorangehenden Kommutierungszeitpunkten bestimmt werden. Es kann folglich auch eine Bestimmung in Abhängigkeit von wenigstens einem vorangehenden Kommutierungszeitpunkt, der erfassten Kennlinie und einem nächsten theoretischen Kommutierungsschritt erfolgen.The optimized next commutation times can also be determined depending on the previous commutation times. Consequently, a determination can also be made as a function of at least one preceding commutation point in time, the detected characteristic curve and a next theoretical commutation step.
Gemäß den oben beschriebenen Ausgestaltungen kann somit besonders effizienter Betrieb des Elektromotors gewährleistet werden. Durch die Anpassung der Ansteuerung des Elektromotors auf Basis der Kennlinie im Anlauf-Betrieb, kann diese Betriebsphase besonders effizient durchlaufen werden. Bei relativ kleinen Lasten kann im Extremfall gar ein vollständig sensorlos geregelter Anlauf bereitgestellt werden. Wenigstens kann ein synchroner Anlauf derart verbessert werden, dass entweder die theoretischen Kommutierungszeiten beibehalten werden und beispielsweise eine Regelung, etwa auf einen Sollwert des Phasenstroms, in Abhängigkeit der erfassten Kennlinie ausgeführt werden kann. Somit kann beispielsweise die Stromaufnahme des Elektromotors verringert und damit die elektromagnetische Verträglichkeit des Elektromotors verbessert werden. Ebenso kann eine größere Beschleunigung oder das Antreiben einer größeren Last ermöglicht werden. In anderen Ausgestaltungen kann ein synchroner Anlauf dynamisch ausgebildet sein, so dass durch eine Anpassung der Synchron-Kommutierungszeiten mittels der optimierten nächsten Kommutierungszeiten ein sehr schneller Anlauf des Elektromotors und damit beispielsweise ein sehr schneller Wechsel in einen sensorlos geregelten Betrieb möglich ist. Der Wechsel in einen sensorlosen Betrieb kann beispielsweise bereits nach einer bis fünf Kommutierungen des synchronen Anlaufs möglich sein. Ebenso kann eine Kombination der möglichen Ausgestaltungen des Verfahrens vorgesehen sein.According to the configurations described above, particularly efficient operation of the electric motor can thus be ensured. By adapting the control of the electric motor on the basis of the characteristic curve during start-up operation, this operating phase can be carried out particularly efficiently. In the case of relatively small loads, a completely sensorless controlled start can be provided in extreme cases. At least a synchronous start-up can be improved in such a way that either the theoretical commutation times are retained and, for example, regulation, for example to a setpoint value of the phase current, can be carried out as a function of the detected characteristic curve. Thus, for example, the current consumption of the electric motor can be reduced and thus the electromagnetic compatibility of the electric motor can be improved. Greater acceleration or driving of a larger load can also be made possible. In other configurations, a synchronous start-up can be designed dynamically, so that by adapting the synchronous commutation times by means of the optimized next commutation times, a very fast start-up of the electric motor and thus, for example, a very quick change to a sensorless controlled operation is possible. The switch to sensorless operation can be possible, for example, after only one to five commutations of the synchronous start-up. A combination of the possible configurations of the method can also be provided.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Elektromotor umfassend Phasenwicklungen und eine Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, den Elektromotor mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens anzusteuern.In a further aspect, the invention relates to an electric motor comprising phase windings and a control circuit, the control circuit being set up to control the electric motor using the method described above.
Der Elektromotor, beziehungsweise die Steuerschaltung, kann ferner einen Komparator und/oder eines Analog-Digital-Wandlers zur Erkennung von Nulldurchgängen einer Kennlinie umfassen, welche auf einer induzierten Spannung und/oder einem Phasenstrom des Elektromotors basiert.The electric motor, or the control circuit, can further comprise a comparator and / or an analog-digital converter for detecting zero crossings of a characteristic curve which is based on an induced voltage and / or a phase current of the electric motor.
Schließlich soll ein Stellantrieb mit solch einem Elektromotor und mit einem Untersetzungsgetriebe, welches ein Untersetzungsverhältnis zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Untersetzgetriebes im Bereich von 1:100 bis 1:1000 aufweist, bereitgestellt werden.Finally, an actuator with such an electric motor and with a reduction gear, which has a reduction ratio between an input and an output of the reduction gear in the range from 1: 100 to 1: 1000, is to be provided.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektromotors und einer zugehörigen Steuerschaltung gemäß einem Beispiel; -
2A bis2D zeigen schematische Darstellungen der Rotorposition in einem dreiphasigen Elektromotor bei 60° Blockkommutierung, gemäß einem Beispiel zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung; -
3A zeigt schematisch einen möglichen Steuersignalverlauf zur synchronen Anlauf-Kommutierung eines Elektromotors, gemäß einem Vergleichsbeispiel; -
3B zeigt schematisch einen möglichen Verlauf des Motorstroms bei der synchronen Anlauf-Kommutierung des Vergleichsbeispiels der3A ; -
3C zeigt schematisch einen möglichen Verlauf der induzierten Spannung bei der synchronen Anlauf-Kommutierung des Vergleichsbeispiels der3A ; -
4A zeigt schematisch einen möglichen Steuersignalverlauf zur synchronen Anlauf-Kommutierung eines Elektromotors, gemäß einem Beispiel; -
4B zeigt schematisch einen möglichen Verlauf des Motorstroms bei der synchronen Anlauf-Kommutierung des Beispiels der4A ; -
4C zeigt schematisch einen möglichen Verlauf der induzierten Spannung bei der synchronen Anlauf-Kommutierung des Beispiels der4A ; -
5A und5B zeigen schematische Darstellungen von Komparatorsignalen zur Erkennung von Nulldurchgängen relativ zu Kommutierungszeitpunkten für die Anlauf-Kommutierungen der3A bis3C bzw.4A bis4C ; -
6 zeigt schematisch eine abgewandelte synchrone Anlauf-Kommutierung abhängig von erfassten Nulldurchgängen, gemäß einem weiteren Beispiel.
-
1 shows a schematic representation of an electric motor and an associated control circuit according to an example; -
2A to2D show schematic representations of the rotor position in a three-phase electric motor at 60 ° block commutation, according to an example to explain the background of the invention; -
3A shows schematically a possible control signal curve for synchronous start-commutation of an electric motor, according to a comparative example; -
3B shows schematically a possible course of the motor current in the synchronous start-commutation of the comparative example of FIG3A ; -
3C shows schematically a possible course of the induced voltage in the synchronous start-commutation of the comparative example of the3A ; -
4A schematically shows a possible control signal curve for synchronous startup commutation of an electric motor, according to an example; -
4B shows schematically a possible course of the motor current in the synchronous start-commutation of the example of4A ; -
4C shows schematically a possible course of the induced voltage in the synchronous start-commutation of the example of4A ; -
5A and5B show schematic representations of comparator signals for detecting zero crossings relative to commutation times for the start-up commutations of the3A to3C respectively.4A to4C ; -
6 shows schematically a modified synchronous startup commutation depending on detected zero crossings, according to another example.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
In einem Beispiel ist der Elektromotor ein sensorloser bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor), der keine externen Lagesensoren, zum Beispiel Hallsensoren, zur Bestimmung der Motorposition verwendet. Die Steuerung der Kommutierung solcher Elektromotoren beruht in der Regel auf der Kenntnis der Lage des Rotors relativ zum Stator. Sind keine Lagesensoren vorhanden, kann im Betrieb die von dem Elektromotor durch die elektromotorische Kraft induzierte Spannung (BACK-EMF- oder BEMF-Spannung) ausgewertet werden.In one example, the electric motor is a sensorless, brushless DC motor (BLDC motor) that does not use external position sensors, for example Hall sensors, to determine the motor position. The control of the commutation of such electric motors is usually based on the knowledge of the position of the rotor relative to the stator. If no position sensors are available, the voltage induced by the electric motor through the electromotive force (BACK-EMF or BEMF voltage) can be evaluated during operation.
Da im Stillstand des Motors keine BEMF-Spannung gemessen werden kann und somit keine Information über die Rotorposition vorliegt, kann für den Anlauf des Motors aus dem Stillstand ein synchroner Anlauf-Betrieb gewählt werden, indem erste Kommutierungsschritte ohne Positionsrückmeldung vorgegeben werden. Die ersten Kommutierungsschritte können, wie im Folgenden erläutert ist, aufgrund einer gewünschten Beschleunigung berechnet und fest eingestellt werden, um die Drehzahl des Elektromotors kontinuierlich zu erhöhen, bis eine minimale Drehzahl erreicht ist, bei der eine BEMF-Spannung erfasst werden kann. Wenn eine BEMF-Spannung ausreichend hoch ist, um hieraus die Rotorlage des Elektromotors sicher zu erkennen, kann auf einen sensorlosen Regelalgorithmus zur Ansteuerung des Elektromotors umgeschaltet werden.Since no BEMF voltage can be measured when the motor is at a standstill and there is therefore no information about the rotor position, synchronous start-up operation can be selected for starting the motor from standstill by specifying the first commutation steps without position feedback. The first commutation steps can, as explained in the following, be calculated on the basis of a desired acceleration and fixedly set in order to continuously increase the speed of the electric motor until a minimum speed is reached at which a BEMF voltage can be detected. If a BEMF voltage is sufficiently high to reliably identify the rotor position of the electric motor, a switch can be made to a sensorless control algorithm for controlling the electric motor.
Während des synchronen Anlauf-Betriebs kann beispielsweise eine synchrone Rampe so gewählt werden, dass aufeinanderfolgende Kommutierungsschritte jeweils verkürzt werden, um einen gewünschten Drehzahlanstieg zu erreichen. Je nach Motor, Algorithmus, Last und möglicherweise weiteren Anforderungen kann die Drehzahl linear, exponentiell oder schlichtweg so schnell wie möglich erhöht werden.During synchronous start-up operation, for example, a synchronous ramp can be selected in such a way that successive commutation steps are shortened in each case in order to achieve a desired speed increase. Depending on the motor, algorithm, load and possibly other requirements, the speed can be increased linearly, exponentially or simply as quickly as possible.
Die Steuerschaltung
Beispielsweise kann eine Sechs-Schritt-Blockkommutierung umgesetzt sein, in welcher jeweils zwei der drei Phasenwicklungen
Die B6-Brückenschaltung wird über einen Pufferkondensator
In der Figur ist auch eine beispielhafte Verschaltung eines Spannungskomparators
Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerschaltung einen Analog-Digital-Wandler zum Detektieren der induzierten Spannung oder eines Phasenstroms umfassen. In anderen Ausgestaltungen kann der Phasenstrom auch mittels einer in der Brückenschaltung realisierten Strom-Spiegelschaltung erfasst werden.Additionally or alternatively, the control circuit may include an analog-to-digital converter for detecting the induced voltage or a phase current. In other configurations, the phase current can also be detected by means of a current mirror circuit implemented in the bridge circuit.
Grundsätzlich ist der Elektromotor zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Das Verfahren kann als Teil eines Computerprogramms, beispielsweise eines Betriebsprogramms/einer Firmware der Steuerschaltung ausgeführt werden. Insbesondere kann solch ein Programm in einem nicht-flüchtigen Speicher eines Mikrocontrollers der Steuerschaltung gespeichert und von dem Mikrocontroller aufgerufen werden. Zum Ansteuern des Elektromotors kann der Mikrocontroller über Steuerausgänge mit Halbleiterschaltern einer oder mehrerer Brückenschaltungen gekoppelt sein. Im Falle eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors kann beispielsweise die B6-Brückenschaltung vorgesehen sein. Wird das Verfahren hingegen zum Betreiben eines zweiphasigen Schrittmotors verwendet, können beispielsweise zwei Brückenschaltungen mit jeweils vier Halbleiterschaltern vorgesehen sein.Basically, the electric motor is set up to carry out a method according to the invention. The method can be carried out as part of a computer program, for example an operating program / firmware of the control circuit. In particular, such a program can be stored in a non-volatile memory of a microcontroller in the control circuit and called up by the microcontroller. To control the electric motor, the microcontroller can be coupled to semiconductor switches of one or more bridge circuits via control outputs. In the case of a three-phase brushless DC motor, for example, the B6 bridge circuit can be provided. If, on the other hand, the method is used to operate a two-phase stepper motor, two bridge circuits, each with four semiconductor switches, can be provided.
Der Elektromotor kann Teil eines Stellantriebs sein, insbesondere eines Klappenstellers. Stellantriebe, welche beispielsweise zum Verstellen einer Klappe, einer Jalousie, oder eines linear verstellbares Stellglied ausgebildet sind, sind in unterschiedlichen Anwendungen zu finden. Beispielsweise können derartige Stellantriebe zum Verstellen einer Klappe oder einer Jalousie an einem Kraftfahrzeug oder in einer Industrieanwendung oder in gebäudetechnischen Verstellsystemen verwendet werden. Typischerweise umfassen solche Stellantriebe Elektromotoren, welche ein Drehmoment im Bereich von 0,1 Nm bis 20 Nm bereitstellen können. Ein Klappensteller eines Kraftfahrzeugs kann beispielsweise ein Nenndrehmoment im Bereich von 0,4 Nm bis 4 Nm bereitstellen. Der Stellantrieb kann dabei auch Teilnehmer eines Feldbusses sein, beispielsweise Teil eines LIN-Busses (Local Interconnect Network). Es kann daher auch vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung Befehle oder Informationen des Bus-Systems empfangen und in der Ausführung des Verfahrens berücksichtigen kann.The electric motor can be part of an actuator, in particular a flap actuator. Actuators, which are designed, for example, to adjust a flap, a blind, or a linearly adjustable actuator, can be found in different applications. For example, such actuators can be used to adjust a flap or a blind on a motor vehicle or in an industrial application or in building adjustment systems. Such actuators typically include electric motors which can provide a torque in the range from 0.1 Nm to 20 Nm. A flap actuator of a motor vehicle can, for example, provide a nominal torque in the range from 0.4 Nm to 4 Nm. The actuator can also be a participant of a field bus, for example part of a LIN bus (Local Interconnect Network). It can therefore also be provided that the control circuit can receive commands or information from the bus system and take them into account in the execution of the method.
Der Stellantrieb kann insbesondere auch ein Untersetzungsgetriebe umfassen. Ein derartiges Getriebe kann mehrere Getriebestufen umfassen und zum Beispiel eine Untersetzungsverhältnis zwischen dem Abtrieb des Elektromotors und dem Abtrieb des Stellantriebes im Bereich von 1:20 bis 1:2000, insbesondere im Bereich von 1:100 bis 1:1000, aufweisen. Der Elektromotor kann beispielsweise mit Drehzahlen Bereich von 500 min-1 bis 20.000 min-1 betrieben werden. Das Stellglied kann beispielsweise auf eine Drehzahl des Abtriebes des Stellantriebes im Bereich von 1 min-1 bis 100 min-1, insbesondere im Bereich von 2 min-1 bis 30 min-1, ausgelegt sein. Zum Erkennen der induzierten Spannungen kann beispielsweise eine Drehzahl des Elektromotors im Bereich von 200 min-1 bis 800 min-1 notwendig sein. Anderenfalls ist die Amplitude der induzierten Spannung zu gering, so dass diese, oder der entsprechende Phasenstrom, nicht sicher detektiert werden kann. Daher kann das Verfahren insbesondere bei Stellantrieben, deren Stellglied über ein Untersetzungsgetriebe von dem Elektromotor angetrieben wird, gut angewendet werden. In solchen Elektromotoren bewirkt eine vergleichsweise hohe Drehzahl des Elektromotors nur eine relativ geringe Drehzahl am Abtrieb. Somit kann schnell eine hohe Drehzahl des Rotormagneten erreicht werden, wodurch relativ schnell die zur Erfassung der induzierten Spannung und/oder des Phasenstroms notwendigen Drehzahlen erreicht sind.The actuator can in particular also comprise a reduction gear. Such a transmission can comprise several transmission stages and, for example, have a reduction ratio between the output of the electric motor and the output of the actuator in the range from 1:20 to 1: 2000, in particular in the range from 1: 100 to 1: 1000. The electric motor can, for example, at speeds ranging from 500 min -1 to 20,000 min -1 are operated. The actuator can for example be designed for a speed of the output of the actuator in the range from 1 min -1 to 100 min -1 , in particular in the range from 2 min -1 to 30 min -1 . To detect the induced voltages, for example, a speed of the electric motor in the range from 200 min -1 to 800 min -1 may be necessary. Otherwise the amplitude of the induced voltage is too low, so that it, or the corresponding phase current, cannot be detected reliably. Therefore, the method can be applied particularly well to actuators whose actuator is driven by the electric motor via a reduction gear. In such electric motors, a comparatively high speed of the electric motor only causes a relatively low speed at the output. A high rotational speed of the rotor magnet can thus be achieved quickly, as a result of which the rotational speeds necessary for detecting the induced voltage and / or the phase current are reached relatively quickly.
In
In
In
- a. von der Rotorposition bei Anliegen des Haltestroms in den Phasen
U ,V , der bis zum Zeitpunktt1 gilt, - b. mit einem ersten Kommutierungsschritt zum Zeitpunkt
t1 , um den Rotor von der statischen Halteposition zur ersten Rotorposition aufgrund der ersten Kommutierung auf die PhasenV ,W zu drehen, - c. einem zweiten Kommutierungsschritt zum Zeitpunkt
t2 von der ersten Rotorposition zur zweiten Rotorposition aufgrund der zweiten Kommutierung auf die PhasenW ,U , und - d. mit einem dritten Kommutierungsschritt zum Zeitpunkt
t3 von der zweiten Rotorposition zur dritten Rotorposition aufgrund der dritten Kommutierung auf die PhasenU ,V , wobei der dritte Kommutierungsschritt zum Zeitpunktt4 endet.
- a. from the rotor position when the holding current is applied in the phases
U .V who by the timet1 applies, - b. with a first commutation step at the time
t1 to move the rotor from the static stop position to the first rotor position due to the first commutation on the phasesV .W to shoot - c. a second commutation step at the time
t2 from the first rotor position to the second rotor position due to the second commutation on the phasesW .U , and - d. with a third commutation step at the time
t3 from the second rotor position to the third rotor position due to the third commutation on the phasesU .V , with the third commutation step at timet4 ends.
Während der Haltephase a., bis zum Zeitpunkt
Die Erfinder haben festgestellt, dass dieses Rotorschwingen besonders ausgeprägt während der ersten Kommutierungsschritte im synchronen Anlauf auftreten kann. Aufgrund des Rotorschwingens, das abhängig sein kann von der Trägheit des Systems, der Last und der eingespeiste elektrischen Leistung, geht die Synchronität zwischen der Rotorposition und der Kommutierung verloren. Es ist nicht mehr zwingend (deterministisch), zu welcher Rotorposition nachfolgende Kommutierungen erfolgen. Das Rotorschwingen kann sogar dazu führen, dass der Motor sich bis zur Ausführung der nächsten Kommutierung in die falsche Richtung dreht und somit einen gewünschten Anlauf verhindert, weil der Rotor nicht mehr dem angelegten Drehfeld folgt.The inventors have found that this rotor oscillation can occur particularly strongly during the first commutation steps in synchronous starting. Due to the rotor oscillation, which can depend on the inertia of the system, the load and the electrical power fed in, the synchronicity between the rotor position and the commutation is lost. It is no longer mandatory (deterministic) to which rotor position subsequent commutations take place. The rotor swing can even cause the motor to turn in the wrong direction until the next commutation is carried out, thus preventing a desired start-up because the rotor no longer follows the applied rotating field.
Auch die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) kann unter diesem Verhalten leiden. Die Schwingungen des Rotors und die insgesamt nicht deterministische Kommutierung während des Anlaufs können die Phasenströme in dem Motor erhöhen. Hieraus ergibt sich ein erhöhter Stromverbrauch und eine schlechtere EMV bzw. höhere Kosten für die Auslegung der EMV-relevanten Komponenten.EMC (electromagnetic compatibility) can also suffer from this behavior. The vibrations of the rotor and the overall non-deterministic commutation during startup can increase the phase currents in the motor. This results in increased power consumption and poorer EMC or higher costs for the design of the EMC-relevant components.
Die
Ein erster Kommutierungszeitpunkt
In dem gezeigten Beispiel wird wieder davon ausgegangen, dass die erste Kommutierung zu dem Kommutierungszeitpunkt
Zunächst sieht man ihn
Grundsätzlich gilt für eine ideale Kommutierung, dass ein Nulldurchgang der induzierten Spannung jeweils mittig zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungszeitpunkten auftreten sollte. Entsprechend sollten die Kommutierungszeitpunkte der theoretischen Kommutierungszeiten (theoretische Kommutierungszeitpunkte) so gewählt werden, dass diese idealen Kommutierungszeiten darstellen. Hiervon ist die Kommutierungssteuerung des Standes der Technik, die in den
Von dem synchronen Anlauf-Betrieb auf einen sensorlosen asynchronen Betrieb kann umgeschaltet werden, wenn beispielsweise eine vorgegebene Anzahl, zum Beispiel drei Nulldurchgänge der induzierten Spannung zuverlässig erkannt wurden oder wenn eine vorgegebene Anzahl von Kommutierungsschritten ausgeführt wurde oder wenn eine vorgegebene Drehzahl erfasst wurde. Mit steigender Drehzahl steigt auch die Rampe der induzierten Spannung, sodass Nulldurchgänge besser erkannt werden können. Ein möglicher Zeitpunkt für das Umschalten in den sensorlosen Betrieb ist in
Die
Ein erster Kommutierungszeitpunkt
Es hat sich gezeigt, dass allein durch eine Verkürzung des ersten Kommutierungsschritts auf die Hälfte, selbst ohne weitere Anpassungen oder Vorkommutierung, die im Folgenden noch erläutert sind, eine deutliche Verbesserung des Anfahrverhaltens des Elektromotors erreichbar ist.It has been shown that a reduction in the first commutation step by half, even without further adjustments or pre-commutation, which will be explained in the following, can significantly improve the starting behavior of the electric motor.
In dem gezeigten Beispiel wird wieder davon ausgegangen, dass die erste Kommutierung zu dem Kommutierungszeitpunkt K1= t1 erfolgt, nachdem ein Haltestrom an dem Motor angelegt war und der Rotor sich in einer statischen Rotorposition befindet, die sich durch die Ausrichtung des Rotors an das durch den Haltestrom erzeugte Magnetfeld ergibt. Der Rotor liegt also nicht dort, wo er sich während des stationären Betriebs zu einem Kommutierungszeitpunkt befinden würde, sondern an einer Position, die der Mitte zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten entspricht. Der erste Kommutierungsschritt
Zunächst sieht man ihn
In der Praxis ist die Beschleunigung und Ausrichtung des Rotors abhängig von äußeren Einflüssen, wie eine an dem Motor anliegenden Last. In einer Abwandlung kann daher der erste verkürzte Kommutierungsschritt auch parametrierbar sein, wobei es zum Beispiel ohne Last weiter verkürzt und mit Last weniger stark verkürzt werden kann. Die Last kann beispielsweise über eine Detektion des Phasenstroms bestimmt werden. Auch eine Aufteilung der Verkürzung auf mehrere aufeinanderfolgende Kommutierungsschritte ist möglich. Dadurch kann der Anlauf des Motors aus dem Stillstand für verschiedene Anwendungen optimiert werden.In practice, the acceleration and alignment of the rotor is dependent on external influences, such as a load on the motor. In a modification, the first shortened commutation step can therefore also be parameterizable, it being able to be further shortened without a load, for example, and less shortened with a load. The load can be determined, for example, by detecting the phase current. Also a division of the Shortening to several successive commutation steps is possible. This allows the motor start-up to be optimized from a standstill for various applications.
Ferner zeigt
Ausgehend von den berechneten Kommutierungszeitpunkten
In dem Beispiel der
Somit kann beispielsweise der Kommutierungszeitpunkt
Eine entsprechende Anpassung des nächsten Kommutierungszeitpunkts kann ausgehend von dem zeitlichen Abstand
Das obige Beispiel beruht auf der Annahme einer 60°-Blockkommutierung, bei der im Verlauf einer elektrischen Umdrehung immer zwei der drei Phasen bestromt werden, sodass der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen jeweils 60° elektrisch beträgt, weil sechs verschiedene Kombinationen aus bestromten Phasen möglich sind und durchlaufen werden. Bei sensorlosem Motorbetrieb kann die Vorkommutierung zu Beginn der Anlaufphase beispielsweise bei 15° bis 30° elektrisch liegen, wobei 30° zum Beispiel dem Abstand zwischen einem Nulldurchgang und dem nächsten Kommutierungszeitpunkt entspricht. Nach dem ersten sensorlosen Kommutierungsschritt kann die Vorkommutierung auf 0-15° elektrisch reduziert werden. In verschiedenen Ausgestaltungen kann ein konstanter Vorkommutierungswinkel oder ein sich allmählich Null annähernder Vorkommutierungswinkel gewählt werden. Die Vorkommutierung eines nachfolgenden Kommutierungsschritts kann jeweils kleiner sein als die Vorkommutierung des vorhergehenden Kommutierungsschritts. Die Vorkommutierung kann beispielsweise bis zu 0,5Δtzc betragen, wobei Δtzc das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen ist, in den obigen Beispielen entspricht Δtzc zum Beispiel A oder B.The above example is based on the assumption of a 60 ° block commutation, in which two of the three phases are always energized in the course of an electrical revolution, so that the distance between two successive commutations is 60 ° electrical because six different combinations of energized phases are possible and be run through. With sensorless motor operation, the pre-commutation at the start of the start-up phase can be, for example, 15 ° to 30 ° electrically, 30 ° for example corresponding to the distance between a zero crossing and the next commutation time. After the first sensorless commutation step, the pre-commutation can be electrically reduced to 0-15 °. In various configurations, a constant pre-commutation angle or a pre-commutation angle that gradually approaches zero can be selected. The pre-commutation of a subsequent commutation step can in each case be smaller than the pre-commutation of the previous commutation step. The pre-commutation can be, for example, up to 0.5Δtzc, where Δtzc is the time interval between two successive zero crossings, in the above examples Δtzc corresponds to A or B, for example.
Allgemeiner gesagt kann der Zeitpunkt der Vorkommutierung proportional zu einem zeitlichen Abstand ΔtZC zwischen zwei zuvor detektierten, aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen bestimmt werden. So kann es vorgesehen sein, dass der Kommutierungszeitpunkt um einen Bruchteil des zeitlichen Abstandes ΔtZC, z.B. A oder B, vor dem idealen Kommutierungszeitpunkt erfolgt. Beispielsweise kann der Kommutierungszeitpunkt des ersten Kommutierungsschrittes um 0,03 ΔtZC bis 0,25 ΔtZC, insbesondere circa 0,125 ΔtZC vor dem idealen Kommutierungszeitpunkt liegen. Dadurch können die elektromagnetischen Felder des Stators und des Rotors des Elektromotors mittels der Vorkommutierung relativ zueinander ausgerichtet und der Elektromotor effizient und zuverlässig betrieben werden.More generally, the time of the pre-commutation can be determined in proportion to a time interval ΔtZC between two previously detected, successive zero crossings. It can be provided that the time of commutation is a fraction of the time interval ΔtZC, e.g. A or B, before the ideal commutation time. For example, the commutation time of the first commutation step can be 0.03 ΔtZC to 0.25 ΔtZC, in particular approximately 0.125 ΔtZC, before the ideal commutation time. As a result, the electromagnetic fields of the stator and the rotor of the electric motor can be aligned relative to one another by means of the pre-commutation, and the electric motor can be operated efficiently and reliably.
In weiteren Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass auf den ersten Kommutierungsschritt folgende zweite Kommutierungsschritte derart durch die Steuerschaltung bestimmt werden, dass diese eine kürzere Vorkommutierungszeit aufweisen, als der erste Kommutierungsschritt. Beispielsweise kann der Zeitpunkt der Vorkommutierung wiederum proportional zu einem zeitlichen Abstand ΔtZC2, z.B. B, zwischen zwei zuvor detektierten, aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen bestimmt werden. Beispielsweise können die Kommutierungszeitpunkte der zweiten Kommutierungsschritte um 0,015 ΔtZC2 bis 0,125 ΔtZC2, insbesondere circa 0,0625 ΔtZC2 vor dem idealen Kommutierungszeitpunkt liegen.In further refinements, it can be provided that second commutation steps following the first commutation step are determined by the control circuit in such a way that they have a shorter pre-commutation time than the first commutation step. For example, the time of the pre-commutation can again be proportional to a time interval ΔtZC2, e.g. B, between two previously detected, successive zero crossings. For example, the commutation times of the second commutation steps can be 0.015 .DELTA.tZC2 to 0.125 .DELTA.tZC2, in particular approximately 0.0625 .DELTA.tZC2, before the ideal commutation time.
Sofern erfasst wird, dass Nulldurchgänge später auftreten als erwartet, können Kommutierungszeitpunkte auch durch Verschieben der Zeitpunkte hinter die berechneten Werte angepasst werden.If it is detected that zero crossings occur later than expected, commutation times can also be adjusted by moving the times behind the calculated values.
In dem in Bezug auf
In noch einer weiteren Ausgestaltung, die mit den zuvor beschriebenen Varianten kombinierbar ist, kann auch bereits der zweite Kommutierungszeitpunkt
Wenn zusätzlich noch für die Anlauf- bzw. Beschleunigungsphase eine Vorkommutierung berücksichtigt wird, kann der Kommutierungszeitpunkt
Schließlich ist in
Die oben erläuterten verschiedenen Ansätze zur Anpassung der Kommutierungszeitpunkte, mit oder ohne Vorkommutierung, können kombiniert und in entsprechender Weise auf das bereits optimierte synchrone Anlaufverfahren, das mit Bezug auf die
In einer weiteren Abwandlung kann auch eine Regel aufgestellt werden, nach der ein erfasster Nulldurchgang nur dann berücksichtigt wird, wenn er einen Mindestabstand von einem vorausgegangenen Kommutierungszeitpunkt hat, oder dass immer ein minimaler Mindestabstand angenommen wird, um eine zu hohe Schaltfrequenz der Kommutierung zu vermeiden. Das Verfahren setzt voraus, dass aufgrund der induzierten Spannung und/oder des Phasenstroms des Elektromotors eine Kennlinie ermittelt werden kann, die die Bestimmung von Nulldurchgängen erlaubt. Dies ist, wie oben dargelegt, aufgrund der Modifikation der Kommutierungs-Steuerung mit einem verkürzten ersten Kommutierungsschritt möglich. Lassen sich während der ersten Kommutierungsschritt keine Nulldurchgänge ermitteln oder erscheint die Ermittlung der Lage der Nulldurchgänge nicht zuverlässig, können für die ersten Kommutierungsschritt die berechneten Kommutierungszeitpunkte oder der oben angesprochene Mindestabstand herangezogen werden.In a further modification, a rule can also be set up according to which a detected zero crossing is only taken into account if it has a minimum distance from a previous commutation time or that a minimum minimum distance is always assumed in order to avoid a too high switching frequency of the commutation. The method assumes that a characteristic curve can be determined on the basis of the induced voltage and / or the phase current of the electric motor, which allows the determination of zero crossings. As explained above, this is possible due to the modification of the commutation control with a shortened first commutation step. If no zero crossings can be determined during the first commutation step or if the position of the zero crossings does not appear to be reliable, the calculated commutation times or the above-mentioned minimum distance can be used for the first commutation step.
Auf diese Weise können aufeinanderfolgende Kommutierungszeitpunkte bestimmt werden, bis eine Bedingung zum Umschalten auf den sensorlosen Synchronbetrieb erfüllt ist. Diese Bedingung kann beispielsweise das Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Kommutierungsschritt, das Erfassen einer vorgegebenen Anzahl von Nulldurchgängen, das Erreichen einer Solldrehzahl, das Erreichen einer Zielposition eines Stellgliedes etc. sein. Während der Anlaufphase kann der Elektromotor zum Beispiel Drehzahl geregelt betrieben Die Drehzahlregelung kann beispielsweise mittels der Modulation eines Tastgrades einer PWM erfolgen. werden. Zusätzlich kann eine Strombegrenzung vorgesehen sein.In this way, successive commutation times can be determined until a condition for switching to sensorless synchronous operation is fulfilled. This condition can be, for example, reaching a predetermined number of commutation steps, detecting a predetermined number of zero crossings, reaching a target speed, reaching a target position of an actuator, etc. During the start-up phase, for example, the electric motor can be operated in a regulated manner. The rotational speed can be regulated, for example, by modulating a duty cycle of a PWM. become. A current limitation can also be provided.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Elektromotorelectric motor
- 1212
- Steuerschaltungcontrol circuit
- 1414
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1616
- Spannungskomparatorvoltage
- 2020
- Rotorrotor
- 22, 24, 2622, 24, 26
- SpulenDo the washing up
- CC
- Kondensatorcapacitor
- RR
- Widerstandresistance
- FPFP
- Fußpunktnadir
Claims (27)
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ID=69320264
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Legal Events
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R163 | Identified publications notified |