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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Motorsteuergerät für einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
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STAND DER TECHNIK
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Wegen ihres geringeren Wartungsaufwands, der aus dem Nichtvorhandensein von Kommutatorbürsten und unvermeidlichem Bürstenabrieb resultiert, werden herkömmliche Gleichstrommotoren mit Bürsten in einer zunehmenden Zahl von Anwendungsfällen durch bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC; BrushLess DC) ersetzt. Die BLDC-Motoren haben jedoch den Nachteil, dass sie eine komplexere Motorsteuerung erfordern, damit sie effizient und störungsfrei betrieben werden können.
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In einfacheren Anwendungen wird mit einer trapezförmigen Kommutation gearbeitet. In ausgefeilteren Anwendungen wird eine sinusförmige Kommutation eingesetzt.
Die Motorsteuerung ist von der Rotorposition abhängig, damit der Motor korrekt gesteuert wird. Es ist bekannt, die vom Motor erzeugte Gegen-EMK zu überwachen, um die Rotorposition zu bestimmen (sensorlose BLDC-Motoren). Es ist weiterhin bekannt, entweder Hall-Sensoren oder Drehwinkelcodierer zu verwenden, um die Rotorposition festzustellen.
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Ein Nachteil der Verwendung von Hall-Sensoren oder Drehwinkelcodierern besteht darin, dass aufgrund von Ungenauigkeiten in der Anordnung des Hall-Sensors und Fehlern in der Form des Rotors eine Ungenauigkeit in der Rotorposition auftreten kann, die zu einem weniger effizienten Antrieb des Motors und zu Drehmomentrippeln führt.
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Es ist bekannt, einen Phasenoffset zu verwenden, um einen Offset zwischen den Hall-Sensoren oder Drehwinkelcodierern und der wahren Rotorposition zu bestimmen. Ein solcher Phasenoffset wird üblicherweise zur Zeit der Herstellung bestimmt und in der Motorsteuerung vorkonfiguriert. Es ist zu bemerken, dass der Phasenoffset von der Drehrichtung abhängig ist. Deshalb werden üblicherweise Zweiphasenoffsets eingestellt, je einer für jede Drehrichtung.
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Wenn im Einsatz ein Motor ersetzt werden muss, so muss der Phasenoffset erneut bestimmt werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, wenigstens einen dieser Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu mildern, wobei die Steuerung jedoch einfach genug sein sollte, damit es z.B. in relativ einfachen feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) implementiert werden kann.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Motorsteuergerät für einen bürstenlosen Gleichstrommotor bereitgestellt, die folgendes aufweist: einen Phasenstromeingang; für jede Motorphase: einen Phasenausgang zur Steuerung der entsprechenden Motorphase; einen Rotorpositionseingang; und eine Phasenoutput-Generiereinheit, die dazu konfiguriert ist, die Phasenoutputs auf der Grundlage der Rotorposition und eines Phasenoffsets zu generieren; wobei das Motorsteuergerät dazu konfiguriert ist, einen Phasenoffset zu bestimmen durch: schrittweises Durchsuchen eines Bereiches von Phasenoffsets; bestimmen, für jeden Phasenoffset, der Größe des Phasenstromes während einer Anzahl von Samples; und auswählen des Phasenoffsets mit dem geringsten Summenwert der Größen des Phasenstroms.
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Das Motorsteuergerät hat auch einen Motorbefehlseingang, der dazu verwendet wird, die eigentliche Steuerung des Motors durchzuführen (z.B. den Motor mit einer niedrigen Geschwindigkeit oder einer hohen Geschwindigkeit laufen zu lassen). Für die Erörterungen in dieser Beschreibung wird angenommen, dass der Steuerbefehl für den Motor konstant ist, und dies wird nicht näher beschrieben, um die Beschreibung zu vereinfachen.
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In einer speziellen, jedoch typischen Ausführungsform, die häufig in feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) eingesetzt wird, enthält die Phasenoutput-Generiereinheit eine Sinus-Nachschlagtabelle, die dazu benutzt wird, die Phasen des Motors gemäß einem sinusförmigen Kommutationsschema einzustellen. Die Rotorposition wird in der Sinus-Nachschlagtabelle als ein Index verwendet, um die Phasenoutputs für die Motorphasen unter Berücksichtigung des Phasenoffsets zu bestimmen.
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Statt einen vorkonfigurierten Phasenoffset zu verwenden, erlaubt es die Erfindung, den korrekten Phasenoffset automatisch zu bestimmen, indem ein Bereich von Phasenoffsets durchsucht wird. Der Phasenstrom wird für wenigstens eine Motorphase gesampelt. Für eine Periode, die einer Anzahl N von Samples entspricht, wird der Phasenoffset konstant gehalten. Die Größe des Phasenstromes wird bestimmt, z.B. durch Berechnen eines Absolutwertes des Phasenstroms (je nach verwendeter Codierung kann dies einfach dadurch geschehen, dass das Vorzeichen-Bit fallengelassen wird) oder durch Berechnen des Quadrats des Phasenstromes. Die Größen des Phasenstromes werden summiert, z.B. in einem kumulativen Register. Nach der Periode für N Samples wird die Summe der Größen mit dem bis dahin kleinsten Wert verglichen. Wenn die neue Summe kleiner ist, werden die neue Summe und ihr entsprechender Phasenoffset als der bis dahin kleinste Phasenstrom gespeichert, und der nächste Phasenoffset in dem zu durchsuchenden Bereich wird aufgesucht, um eine neue Summe von Größen des Phasenstromes zu bestimmen. Andernfalls wird die neue Summe einfach verworfen. Dies wird fortgesetzt bis entweder ein vorbestimmter Bereich von Phasenoffsets durchsucht worden ist oder alternativ bis die neue Summe von Größen den kleinsten bis dahin gefundenen Phasenstrom um einen vorbestimmten Betrag (absolut oder relativ) übersteigt. Wenn die Suche nach dem Phasenoffset abgeschlossen ist, arbeitet die Phasenoutput-Generiereinheit mit dem gefundenen optimalen Phasenoffset weiter. Es ist anzumerken, dass der Motorsteuerbefehl auch zwischen verschiedenen Phasenoffsets konstant gehalten werden sollte, um ein unverfälschtes Vergleichsergebnis zu erhalten.
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Die Anzahl von Samples muss beim Sampeln jedes Phasenoffsets nicht gleich sein. Unterschiedliche Anzahlen von Samples je Phasenoffset können korrigiert werden, indem die erhaltene Summe durch die Anzahl der Samples dividiert wird.
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Typischerweise wird der Phasenoffset für die beiden Drehrichtungen des Motors nicht gleich sein. Er sollte deshalb für jede Richtung bestimmt werden, wenn der Motor in beiden Richtungen betrieben wird.
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In einer weiteren Ausführungsform schafft die Erfindung ein Druckgerät, das folgendes aufweist: eine Empfangsmaterialauflage; einen Druckkopf, der während des Betriebs der Empfangsmaterialauflage zugewandt ist, um Markierungsmaterial auf das auf der Empfangsmaterialauflage liegende Empfangsmaterial aufzubringen, wobei der Druckkopf an einem Wagen montiert ist, der längs eines Balkens beweglich ist, der sich entlang der Empfangsmaterialauflage erstreckt; einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der betreibbar ist, um den Wagen entlang dem Balken zu bewegen; und ein Motorsteuergerät, das mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor verbunden ist, um diesen zu steuern. Das Druckgerät erlaubt z.B. das Drucken von Tinte auf Papierbögen, obgleich die Erfindung ebenso gut bei 3D-Druckern zum Drucken von dreidimensionalen Objekten eingesetzt werden kann. Das Druckgerät weist eine Auflage zur Aufnahme von Empfangsmaterial während des Druckens auf. Bei dem Empfangsmaterial kann es sich um Bögen wie etwa Papierbögen handeln. Der Empfangsmaterialauflage zugewandt ist ein Druckkopf, der das Markierungsmaterial, beispielsweise Tinte, auf das Empfangsmaterial aufbringt. Der Druckkopf ist an einem Wagen montiert, und der Wagen ist so an einem Balken montiert, dass der Wagen sich an dem Balken entlang bewegen kann. Der Balken erstreckt sich entlang der Empfangsmaterialauflage, so dass sich der Wagen entlang der Empfangsmaterialauflage bewegen kann und der Druckkopf über das Empfangsmaterial bewegt wird, um Markierungsmaterialien wie etwa Tinte auf der vollen Breite des Empfangsmaterials aufzubringen, indem durch geeigneten Antrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors Abtastbewegungen entlang dem Balken ausgeführt werden. Eine solche Abtastbewegung wird als Schwade bezeichnet. Der bürstenlose Gleichstrommotor wird durch ein Motorsteuergerät gemäß der Erfindung gesteuert.
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In einer spezielleren Ausführungsform schafft die Erfindung ein Druckgerät, bei dem, während ein Bereich von Phasenoffsets schrittweise durchsucht wird, der Phasenoffset erst dann für den nächsten Schritt aktualisiert wird, wenn der Druckkopf das Aufbringen von Markierungsmaterial für eine erste Bewegungsrichtung des Wagens vollendet hat und bevor der Druckkopf damit beginnt, Markierungsmaterial für eine nachfolgende Bewegung des Wagens in einer zweiten Richtung aufzubringen.
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Damit Druckartefakte vermieden werden, sollte das Drehmoment des Motors, der den Wagen mit dem Druckkopf entlang dem Balken antreibt, konstant gehalten werden. Deshalb wird der Phasenoffset während des Aufbringens von Markierungsmaterial vorzugsweise nicht geändert. Sobald sich der Druckkopf jenseits der Kante des Druckbildes und oberhalb des Randes des Bildes oder nicht einmal mehr über dem Empfangsmaterial befindet, kann der Phasenoffset ohne Konsequenzen für die Druckqualität geändert werden. Die Änderung des Phasenoffsets kann vorteilhafterweise vorgenommen werden, wenn am Ende der Schwade die Richtung umgeschaltet wird.
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Typischerweise findet man für die beiden Drehrichtungen des Motors einen unterschiedlichen Phasenoffset. Die Bestimmung der Phasenoffsets für die beiden Drehrichtungen kann deshalb in einem Zuge erfolgen, indem der Phasenoffset erst geändert wird, nachdem sich der Wagen in beide Richtungen bewegt hat, und indem der Phasenstrom für jede Richtung getrennt summiert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Steuergerät für einen bürstenlosen Gleichstrommotor geschaffen, das folgendes aufweist: einen Phasenstromeingang; für jede Motorphase: einen Phasenausgang zur Steuerung der entsprechenden Motorphase; einen Rotorpositionseingang; eine Phasenoutput-Generiereinheit, die dazu konfiguriert ist, die Phasenoutputs auf der Grundlage der Rotorposition und eines Phasenoffsets zu generieren; wobei der Rotorpositionseingang einen Hall-Sensor-Eingang und einen Drehcodierer-Eingang aufweist; und wobei das Steuergerät dazu konfiguriert ist, eine Referenzposition des Rotors zu bestimmen durch Beobachten, während einer Motorumdrehung für jeden Hall-Übergang, der am Hall-Sensor-Eingang beobachtet wird, der Anzahl der Zähltakte des Drehcodierer-Eingangs, um damit eine Schleife von Drehcodierer-Zählwerten zu erhalten, und auswählen, aus der Schleife der Drehcodierer-Zählwerte, einer Sequenz von nachfolgenden Drehcodierer-Zählwerten, die in der Schleife einzigartig ist; und wobei während der nachfolgenden Motorumdrehungen das Auftreten der einzigartigen Sequenz detektiert wird durch Vergleichen der einzigartigen Sequenz mit den zuletzt eingetroffenen Drehcodierer-Zählwerten.
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Detektieren des Auftretens der einzigartigen Sequenz ermöglicht nicht nur die Detektion der Phasenposition in dem elektrischen Zyklus sondern auch die Detektion oder Nachverfolgung der Phasenposition in dem mechanischen Zyklus für Motoren mit mehreren Rotor-Polpaaren. Auf diese Weise wird eine absolute Winkelposition in dem mechanischen Zyklus erhalten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Motorsteuergerät geschaffen, bei dem die Phasenoutput-Generiereinheit einen Synchronisationseingang zum Neustarten des Phasenoutput-Generierzyklus von einem konfigurierten Phasenwinkel aus aufweist, und bei dem bei Detektion der einzigartigen Sequenz der Synchronisiereingang der Phasenoutput-Generiereinheit getriggert wird.
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Das Motorsteuergerät muss die Phasenoutputs mit der aktuellen Rotorposition synchronisieren. Typischerweise geschieht dies bei Auftreten eines ausgewählten Hall-Übergangs. Die meisten bürstenlosen Gleichstrommotoren haben jedoch mehrere Polpaare am Rotor. Dies führt dazu, dass der Motor mehrere elektrische Zyklen innerhalb eines einzigen mechanischen Zyklus hat. Das Hall-Sensor-Signal selbst liefert keine Information darüber, zu welchem Polpaar der Pol gehört, der den Sensor passiert hat. Wenn der Rotor vier Polpaare hat, gibt es eine Chance von 25%, dass die Phasenoutputs mit der korrekten Winkelposition in dem mechanischen Zyklus synchronisiert sind. Wenn der bürstenlose Gleichstrommotor ein idealer Motor ist, so ist dies kein Problem. Das ist jedoch in der Praxis nicht der Fall. Die Synchronisation mit der falschen Winkelposition führt in einem nicht idealen Motor zu verringerter Effizienz. Außerdem trägt jede Synchronisieraktion zu Drehmomentrippeln bei, so dass das Synchronisieren mit jedem Auftreten des ausgewählten Hall-Übergangs, d.h. das Synchronisieren mit einer Phase in dem elektrischen Zyklus, zu erhöhten Drehmomentrippeln führt.
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Die Erfindung erlaubt es, die korrekte Winkelposition für Rotoren mit mehreren Polpaaren zu identifizieren. Der nicht ideale Charakter des Motors führt dazu, dass die Impulse des Drehcodierers nicht gleichmäßig über die Perioden zwischen den Hall-Sensor-Übergängen verteilt sind. In einigen Perioden werden einige Impulse mehr gezählt, während in anderen Perioden weniger Impulse gezählt werden. In der Praxis hat der Anmelder Motoren gefunden, bei denen eine volle Umdrehung des Motors 20000 Drehcodierer-Impulse und 24 Hall-Übergänge umfasste, was zu ideal 833 1/3 Drehcodierer-Impulsen je Periode führt. Die beobachtete tatsächliche Impulszählung wich jedoch um bis zu 250 Zähltakte ab, entsprechend einem Fehler von 30%.
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Gemäß der Erfindung zählt des Motorsteuergerät die Anzahl der Impulse des Drehcodierers für jede Periode zwischen Hall-Übergängen. Dies führt zu einer Sequenz von Drehcodierer-Impulszählungen, die sich infolge der zyklischen Natur der Drehungen des Rotors zu einem Kreis schließt, weshalb die Sequenz tatsächlich eine Schleife bildet. Die nicht ideale Charakteristik des Motors führt dazu, dass zumindest einige wenn nicht alle Impulszählwerte von der idealen gleichmäßigen Verteilung abweichen. Deshalb sollte es möglich sein, in der Schleife eine Referenz-Winkelstellung zu identifizieren, indem eine Sequenz von Impulszählwerten in der Schleife identifiziert wird, die in der Schleife einzigartig ist. Im Fall eines idealen Motors wäre die einzigartige Sequenz die komplette Schleife. Für einen nicht idealen Motor kann diese Sequenz jedoch kürzer sein und oftmals sogar eine Sequenz mit der Länge „eins“ sein, d.h. es gibt eine Periode zwischen zwei Hall-Übergängen, die eine einzigartige Anzahl von Impuls-Zähltakten des Drehcodierers hat, die nicht zwischen irgendwelchen der übrigen Hall-Übergänge auftritt.
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Nachdem so eine absolute Referenz für die Winkelposition erhalten wurde, ist die Generierung des Phasenoutputs mit jeder mechanischen Umdrehung gemäß dem Auftreten der einzigartigen Sequenz synchronisiert.
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Bei der anfänglichen Bestimmung der Einzigartigkeit der Sequenz und beim späteren Abgleichen des Auftretens der Sequenz muss eine gewisse Toleranz berücksichtigt werden, da einige kleine Differenzen in den Zählwerten zwischen identischen Perioden zwischen Hall-Übergängen auftreten können, beispielsweise dadurch, dass ein Impuls des Drehcodierers und ein Hall-Übergang mehr oder weniger zusammenfallen.
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Die Schleife der Impuls-Zähltakte des Drehcodierers ist spezifisch für einen einzelnen Motor. Solange des Motorsteuergerät mit demselben Motor verbunden bleibt, gibt es keinen Grund, die Schleife erneut zu identifizieren. Die Schleife oder die identifizierte Sequenz kann vorteilhaft in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden, damit sie jedes Mal, wenn das Motorsteuergerät gestartet wird, unmittelbar verfügbar ist. Da andererseits die Identifizierung auch während des normalen Betriebs laufen kann, ist es auch möglich, die Schleife und die einzigartige Sequenz automatisch zu identifizieren, entweder fortlaufend oder beispielsweise beim Hochfahren. Durch Abgleich der identifizierten Schleife oder Sequenz mit einer gespeicherten Schleife bzw. Sequenz ist es auch möglich, automatisch festzustellen, dass ein Motor während eines Wartungsvorgangs ausgetauscht wurde.
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In einer weiteren Ausführungsform schafft die Erfindung ein Druckgerät mit: einer Empfangsmaterialauflage; einem Druckkopf, der im Betrieb der Empfangsmaterialauflage zugewandt ist, um Markierungsmaterial auf ein auf der Empfangsmaterialauflage liegendes Empfangsmaterial aufzubringen, wobei der Druckkopf an einem Wagen montiert ist, der Wagen entlang eins Balkens bewegbar ist, der Balken sich entlang der Empfangsmaterialauflage erstreckt; einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der betreibbar ist, um den Wagen entlang dem Balken zu bewegen; und ein Motorsteuergerät wie oben beschrieben, das mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor verbunden ist, um diesen zu steuern.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors geschaffen, das die folgenden Schritte aufweist: steuern des bürstenlosen Gleichstrommotors durch: wiederholtes Lesen eines Inputs für eine Rotorposition, generieren eines Phasenoutputs auf der Grundlage der gelesenen Rotorposition und eines Phasenoffsets, und ausgeben eines Phasenoutputs; und, während einer Anzahl von Wiederholungen des vorherigen Schrittes: durchsuchen eines Bereiches von Phasenoffsets; bestimmen, für jeden Phasenoffset, die Größe des Phasenstromes während einer Anzahl von Sampeln; und auswählen des Phasenoffsets mit der niedrigsten Summe der Größen des Phasenstromes; und fortfahren mit nachfolgenden Wiederholungen des ersten Schrittes mit dem ausgewählten Phasenoffset.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, das weiterhin einschließt, dass während des Durchsuchens eines Bereichs von Phasenoffsets der Phasenoffset erst dann für den nächsten Schritt aktualisiert wird, wenn der Druckkopf das Aufbringen von Markierungsmaterial für eine erste Bewegungsrichtung des Wagens vollendet hat und bevor der Druckkopf damit beginnt, Markierungsmaterial für eine nachfolgende Bewegung des Wagens in einer zweiten Richtung aufzubringen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors geschaffen, dass die folgenden Schritte aufweist: steuern des bürstenlosen Gleichstrommotors durch: wiederholtes lesen einer Rotorposition, die Hall-Sensor-Signale und Drehcodierer-Signale enthält, generieren eines Phasenoutputs auf der Grundlage der gelesenen Rotorposition und eines Phasenoffsets, und ausgeben eines Phasenoutputs; bestimmen einer Referenz-Drehposition durch Beobachten, während einer Motorumdrehung für jeden in den Hall-Sensor-Signalen beobachteten Hall-Übergang, der Anzahl von Zähltakten des Drehcodierer-Signals, und damit Erhalten einer Schleife von Drehcodierer-Zählwerten, und auswählen, aus der Schleife der Drehcodierer-Zählwerte, einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Drehcodierer-Zählwerten, die in der Schleife einzigartig ist; und, während nachfolgender Umdrehungen, detektieren des Auftretens der einzigartigen Sequenz der Drehcodierer-Zählwerte zwischen Hall-Übergängen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, das weiterhin den folgenden Schritt aufweist: bei Detektion des Auftretens der einzigartigen Sequenz, neustarten des Phasenoutput-Generierungszyklus in dem ersten Schritt von einem konfigurierten Phasenwinkel aus.
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Der weitere Umfang und die Anwendbarkeit der Erfindung wird verdeutlicht durch die nachstehend gegebene detaillierte Beschreibung. Es versteht sich jedoch, dass die detaillierte Beschreibung und spezielle Beispiele, die Ausführungsformen der Erfindung darstellen, nur zu Illustrationszwecken gegeben werden, da verschiedene Abwandlungen und Modifikationen im Rahmen der Erfindung für den Fachmann anhand dieser detaillierten Beschreibung offensichtlich sind.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird näher erläutert in der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung und den zugehörigen schematischen Zeichnungen, die lediglich zur Illustration dienen und die Erfindung nicht beschränken und in denen zeigen:
- 1 ein Diagramm einer Anwendung eines Motorsteuergerätes gemäß der Erfindung;
- 2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Auffinden des optimalen Phasenoffsets;
- 3 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer absoluten Rotor-Referenzposition;
- 4 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Synchronisieren der Phasenoutput-Generierung eines Motorsteuergerätes mit einer absoluten Rotor-Referenzposition.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei zur Identifizierung gleicher oder ähnlicher Elemente in den verschiedenen Darstellungen gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
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1 zeigt einen bürstenlosen Dreiphasen-Gleichstrommotor 14. Er wird getrieben durch drei Phasen 13A-C, die den jeweiligen Statorwicklungen zugeführt werden. Die drei Phasen 13A-C werden von einem Motortreiber 12 geliefert, der drei Phasensignale 11A-C von einem Motorsteuergerät 10 erhält. Der Motortreiber 12 stellt sicher, dass eine ausreichende Leistung für den Motor 14 bereitgestellt werden kann. Das Motorsteuergerät 10 bestimmt die Kommutation des Motors 14 durch Bestimmung eines Phasensignals für jede der drei Phasen 11A-C in Abhängigkeit von der aktuellen Winkelposition des Rotors des Motors 14. Im gezeigten Beispiel wird die Rotorposition zweifach bestimmt:
- - mit einem hochauflösenden Quadratur-Drehcodierer, der 20000 Impulse pro Umdrehung des Rotors liefert, und
- - mit drei Hall-Sensoren, die aktuell den Durchgang der Pole des Rotors messen.
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Der Drehcodierer ist typischerweise auf einer Rotorwelle 18 montiert und liefert Impulse, die dem Motorsteuergerät über eine Signalleitung 17 zugeführt werden. Weiterhin sind in dem Motor drei Hall-Sensoren in der Nähe des Rotors montiert, um den Durchgang der Rotorpole zu erfassen. Bei vier Polpaaren werden die drei Hall-Sensoren je Rotorumdrehung 24 Übergänge detektieren. Die Signale der Hall-Sensoren werden über Signalleitungen 19X-Z ebenfalls an das Motorsteuergerät 10 zurückgemeldet.
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Weiterhin liefert der Motortreiber 12 an das Motorsteuergerät 10 ein Rückkopplungssignal 15, das den momentanen Phasenstrom angibt. Dieses Rückkopplungssignal kann sich auf eine einzelne Phase A-C beziehen oder es können getrennte Signale für jede Phase A-C vorgesehen sein.
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Das Motorsteuergerät 10 führt eine automatische Bestimmung des Phasenoffsets durch, wie in 2 gezeigt ist. Die automatische Bestimmung des Phasenoffsets kann bei Bedarf durch einen speziellen Befehl in Lauf gesetzt werden, der an das Motorsteuergerät 10 geliefert wird, oder kann automatisch ablaufen, nachdem der Motor 14 gestartet worden ist. Die automatische Bestimmung des Phasenoffsets startet mit Schritt S200 und initialisiert in Schritt 202 einen minimalen Phasenstrom auf irgendeinen unrealistisch hohen Wert, beispielsweise den größtmöglichen Wert, der gespeichert werden kann. Weiterhin wird der Phasenoffset auf den Anfang des zu durchsuchenden Bereiches initialisiert. Als nächstes wird in Schritt S204 der kumulierte Phasenstrom auf null zurückgesetzt, da noch kein Strom gemessen worden ist.
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Der Motor 14, der bereits laufen mag, wird anhand des gerade eingestellten Phasenoffsets gesteuert. Während des Betriebs wird der Phasenstrom in Schritt S206 gemessen. Danach wird der Absolutwert des gemessenen Phasenstromes in Schritt 208 zu dem kumulierten Phasenstrom addiert. Im nächsten Schritt S210 wird entschieden, ob genügend Phasenstrom-Samples gesammelt worden sind. Der Algorithmus kann mit einer festen Anzahl von Sampeln arbeiten oder mit einer variablen Anzahl von Sampeln (in welchem Fall der akkumulierte Phasenstrom durch die Anzahl der Samples dividiert werden sollte, bevor der akkumulierte Phasenstrom verglichen wird, so dass unterschiedliche Sampleanzahlen ausgeglichen werden). Zumindest sollten genügend Samples gesammelt werden, um alle Momente des elektrischen Zyklus des Motors und vorzugsweise alle Momente des mechanischen Zyklus zu erfassen. Die Messwertaufnahme über mehrere Umdrehungen des Rotors ist bevorzugt.
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Solange noch nicht genügend Samples gesammelt worden sind, wird der Prozess wiederholt, mit festem Phasenoffset und Messung des Phasenstroms in Schritt S206 und addieren des Absolutwertes des Phasenstroms zu dem kumulierten Phasenstrom in Schritt S208. Sobald genügend Samples gesammelt worden sind, wird der kumulierte Phasenstrom in Schritt 212 mit dem gespeicherten minimalen Phasenstrom verglichen. Wenn der kumulierte Phasenstrom kleiner ist als der bis dahin aufgezeichnete minimale Phasenstrom, wird der kumulierte Phasenstrom in Schritt S214 als der neue minimale Phasenstrom gespeichert, zusammen mit dem aktuellen Phasenoffset, um nachzuverfolgen, bei welchem Phasenoffset der minimale Phasenstrom aufgetreten ist. Als nächstes wird in Schritt S216 der Phasenoffset erhöht, und es wird mit dem nächsten Schritt bei der Durchsuchung des Bereiches der Phasenoffsets begonnen, und in Schritt S218 wird geprüft, ob das Ende des Bereiches der Phasenoffsets erreicht ist. Wenn nicht, springt die Prozedur zurück zu Schritt S204, und der kumulierte Phasenstrom wird wieder auf null zurückgesetzt, damit der kumulierte Phasenstrom für den nächsten Phasenoffset bestimmt werden kann. Wenn in Schritt S218 festgestellt wird, dass das Ende des Bereiches der Phasenoffsets erreicht ist, wird die Prozedur fortgesetzt mit der Einstellung des Phasenoffsets auf den gespeicherten Wert des Phasenoffsets, der dem bei der Durchsuchung gefundenen minimalen Phasenstrom entspricht, und in Schritt S220 wird der Motor mit diesem Phasenoffset angesteuert. Damit endet die Durchsuchung der Phasenoffsets in Schritt S222.
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3 zeigt ein Flussdiagramm zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition des Rotors, um die Phasenoutput-Generiereinheit in dem Motorsteuergerät 10 mit der aktuellen Winkelposition des Rotors zu synchronisieren. Die Hall-Sensoren in dem Motor 14 erlauben die akkurate Erfassung des Durchgangs der Rotorpole an den Hall-Sensoren. Jedoch sind die Hall-Sensoren nicht in der Lage, irgendeine Winkelposition zwischen den Hall-Übergängen zu liefern. Der Drehcodierer liefert Information über Winkelpositionen zwischen den Hall-Übergängen. Jedoch ist keine dieser Positionen eine absolute Winkelposition.
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Damit eine absolute Winkelposition identifiziert werden kann, beginnt das Verfahren in 3 mit Schritt S300 und steuert initial, in Schritt S302, den Motor 14 so an, dass er eine erste vollständige mechanische Umdrehung ausführt. Der Motor 14 kann in der Tat fortlaufend angetrieben werden, doch das Verfahren arbeitet mit einer vollständigen mechanischen Umdrehung, um alle Drehcodierer-Zähltakte zwischen allen Hall-Übergängen zu sammeln. Zu diesem Zweck wartet das Verfahren in Schritt S304 auf das Auftreten eines ersten Hall-Übergangs. Wenn der Hall-Übergang auftritt, wird ein Drehcodierer-Zähler, der die Anzahl der seit dem Hall-Übergang aufgetretenen Drehcodierer-Impulse zählt, in Schritt S306 zurückgesetzt, um den Zustand abzubilden, dass seit dem letzten Hall-Übergang noch keine Impulse beobachtet worden sind. Danach wird jeder auftretende Impuls des Drehcodierers in Schritt 308 in dem Drehcodierer-Zähler gezählt. Dies geht so weiter (mit Hilfe der Schleife vom Entscheidungsschritt S310 zurück zu Schritt S308), bis in Schritt S310 ein neuer Hall-Übergang detektiert wird.
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Sobald ein Hall-Übergang detektiert worden ist, wird die Anzahl der Impulse in dem Drehcodierer-Zähler in Schritt S312 in einer Zählerstandsliste gespeichert. Diese Liste zeichnet auf, wie viele Drehcodierer-Impulse zwischen je zwei Hall-Übergängen gezählt worden sind. Als nächstes wird in Schritt S314 geprüft, ob der Hall-Übergang der letzte Hall-Übergang ist. Zum Beispiel hat ein BLDC-Motor typischerweise drei Hall-Sensoren. Wenn der Rotor vier Polpaare hat, so erzeugt eine vollständige mechanische Umdrehung 24 Hall-Übergänge. In einem solchen BLDC-Motor kann der Schritt S314 einfach prüfen, ob 24 Hall-Übergänge auftreten sind (oder genauer 25, wenn der anfängliche Hall-Übergang in Schritt S304 mit einbezogen wird), z.B. durch Überprüfung, ob die Zählerstandsliste bereits 24 Einträge enthält. Wenn noch nicht alle Hall-Übergänge angetroffen wurden, springt das Verfahren zurück zu Schritt S306 und beginnt mit der Bestimmung der Anzahl der Drehcodierer-Impulse für die nächste Zeitspanne zwischen zwei Hall-Übergängen.
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Sobald alle Hall-Übergänge aufgetreten sind, sollte die Summe aller Zählerstände in der Zählerstandsliste gleich der Gesamtzahl der Impulse sein, die der Dehcodierer bei einer vollen Umdrehung erzeugt (unter Vernachlässigung etwaiger Zeitunsicherheiten im Hinblick auf das gleichzeitige Auftreten eines Hall-Übergangs und eines Drehcodierer-Impulses). Die Zählerstandsliste wird dann in Schritt S316 nach einer einzigartigen Sequenz von Zählerständen durchsucht. Im Fall eines idealen Motors wären die Drehcodierer-Zählwerte gleichmäßig über die Perioden zwischen den Hall-Übergängen verteilt. Wenn die Gesamtzahl der Drehcodierer-Zähltakte für eine einzige Umdrehung sogar durch die Anzahl der Hall-Übergänge in einer einzigen Umdrehung teilbar ist, so wären alle diese Zählerstände gleich. In dem Fall wäre nur die komplette Liste eine einzigartige Sequenz. Auch diese vollständige Liste ist jedoch als einzigartige Sequenz verwendbar. Im Fall eines nicht idealen Motors werden einige Zeitspannen einen niedrigeren Zählwert haben als im Idealfall, und einige werden einen höheren Zählwert haben. In dem Fall kann eine kürzere Sequenz gefunden werden, die einzigartig ist. Bei der Entscheidung, ob eine Sequenz einzigartig ist, sollte berücksichtigt werden, dass die Liste tatsächlich zyklisch geschlossen ist, da der Anfangspunkt für die vollständige mechanische Umdrehung beliebig ist und die Liste sich bei weiteren mechanischen Umdrehungen wiederholt. Weiterhin sollte bei der Entscheidung über die Einzigartigkeit der Sequenz in Betracht gezogen werden, dass eine kleine Variation (um ein oder zwei Pulse) in den Zählwerten für identische Perioden auftreten kann, nämlich aufgrund von Zeitunsicherheiten, z.B. infolge von Hall-Übergängen, die zeitlich mit Drehcodierer-Impulsen zusammenfallen.
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Wenn eine einzigartige Sequenz detektiert worden ist, wird diese Sequenz in Schritt S318 gespeichert, für den Abgleich mit einer absoluten Winkelposition während nachfolgender Umdrehungen, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 4 erläutert werden wird. Die Bestimmungsphase endet in Schritt S320 mit der Speicherung der einzigartigen Sequenz.
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Es mag nicht notwendig sein, die kürzeste einzigartige Sequenz zu finden. Die triviale einzigartige Sequenz, die aus der Liste der Zählerstände für alle Perioden besteht, eignet sich in einigen Anwendungen ebenso gut zum Abgleich einer absoluten Winkelstellung. In einigen Anwendungen kann jedoch die Detektion einer kurzen Sequenz zu niedrigerer Rechenlast führen.
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4 zeigt, wie die einzigartige Sequenz dazu verwendet wird, die Generierung der Phasenoutputs 11A-C in dem Motorsteuergerät 10 zu synchronisieren. Das Motorsteuergerät 10 beginnt in Schritt S402 mit der Generierung der Phasenoutputs in herkömmlicher Weise. Zum Beispiel kann eine Sinus-Nachschlagtabelle dazu verwendet werden, die Phasenoutputs zu bestimmen, wobei die Rotorposition als Input genommen wird. Am Anfang ist keine Rotorposition bekannt, und es ist üblich, einen BLDC-Motor mit einer trapezförmigen Wellenform anstelle einer Sinus-Wellenform zu starten. Sobald in Schritt S404 ein erster Hall-Übergang auftritt, ist die elektrische Winkelposition bekannt, und das Motorsteuergerät 10 kann nun auf die Ansteuerung des Motors 14 mit der Sinus-Wellenform umschalten. Motoren mit mehr als einem Polpaar haben jedoch mehrere elektrische Zyklen in jedem mechanischen Zyklus. Deshalb kann die tatsächliche Winkelposition des Rotors immer noch so vielen Winkelpositionen entsprechen, wie es Polpaare gibt.
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In Schritt S406 wird eine Drehcodierer-Zählerstandsliste zurückgesetzt, um die Zählwerte zwischen jedem Paar von aufeinanderfolgenden Hall-Übergängen zu verfolgen. Diese Liste kann einfach als ein Zirkelregister oder ein Schieberegister mit der gleichen Länge implementiert werden wie die einzigartige Sequenz, die detektiert werden soll. (Neue Impuls-Zählwerte überschreiben den ältesten Eintrag im Register oder schieben ihn hinaus). Weiterhin wird in Schritt S408 ein Drehcodierer-Zähler zurückgesetzt, um die Drehcodierer-Impulse für die aktuelle Periode zwischen zwei Hall-Übergängen zu zählen. Mit jedem Impuls des Drehcodierers wird der Drehcodierer-Zähler in Schritt S410 um eins erhöht, um die Impulszählung fortzuführen. Dies wird fortgesetzt (siehe Rücksprung zu Schritt S410), bis in Schritt S412 wieder ein Hall-Übergang detektiert wird. Wenn in Schritt S412 ein Hall-Übergang detektiert wird, wird der Zählerstand des Drehcodierer-Zählers in Schritt S414 in die Zählerstandsliste geschrieben. Danach wird der Inhalt der Zählerstandsliste in Schritt S416 mit der einzigartigen Sequenz verglichen. Bei fehlender Übereinstimmung wird die Prozedur mit dem Verfolgen der nächsten Periode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hall-Übergängen fortgesetzt, durch Rücksprung zu Schritt S408 und Zurücksetzen des Drehcodierer-Zählers.
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Beim Abgleichen der Zählerstandsliste mit der einzigartigen Sequenz sollte eine kleine Toleranz in Betracht gezogen werden, um Zeitunsicherheiten Rechnung zu tragen. Dies kann dadurch implementiert werden, dass die ein oder zwei niederwertigsten Bits in der Zählerstandsliste und der einzigartigen Sequenz fallengelassen werden (z.B. durch Anwendung von ein oder zwei Rechts-Schiebeoperationen).
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Wenn die Zählerstandsliste gleich der einzigartigen Sequenz ist, so ist auch die Winkelposition in dem mechanischen Zyklus gefunden worden, und von dem Moment an ist die absolute Winkelposition verfügbar. Diese absolute Winkelposition kann dann dazu benutzt werden, in Schritt S418 den Phasenoutput-Generierungszyklus auf eine konfigurierte Winkelposition zurückzusetzen.
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Es sind hier detaillierte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden; es versteht sich jedoch, dass die beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele für die Erfindung bilden, die in verschiedenen Formen realisiert werden kann. Deshalb sollten spezielle strukturelle und funktionelle Details, die hier beschrieben wurden, nicht als beschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als Basis für die Patentansprüche und als repräsentative Basis, um dem Fachmann aufzuzeigen, wie die Erfindung auf verschiedene Weise in irgendeiner geeignet detaillierten Struktur umgesetzt werden kann. Insbesondere können Merkmale, die in verschiedenen abhängigen Ansprüchen dargestellt und beschrieben werden, in Kombination angewandt werden, und jede vorteilhafte Kombination solcher Ansprüche gilt als offenbart.
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Weiterhin sollen die hier gebrauchten Ausdrücke und Redewendungen nicht als beschränkend verstanden werden; vielmehr sollen sie nur dem Verständnis der Erfindung dienen. Die Ausdrücke „ein“ oder „eine“ sind als unbestimmte Artikel und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Der Ausdruck „Vielzahl“ bedeutet zwei oder mehr als zwei. Der Ausdruck „ein anderer“ oder „eine andere“ oder „ein anderes“ bedeutet wenigstens ein Zweites oder mehr. Die Ausdrücke „enthalten“, „einschließen“ oder „aufweisen“ sind nicht abschließend zu verstehen und schließen das Vorhandensein weiterer Elemente oder Komponenten nicht aus. Der Ausdruck „verbunden“ bedeutet direkt oder indirekt verbunden.
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Es versteht sich, dass die oben beschriebene Erfindung auf vielfältige Weise abgewandelt werden kann. Solche Abwandlungen sollen nicht als außerhalb des Rahmens der Erfindung liegend betrachtet werden, und alle Abwandlungen, die für den Fachmann auf der Hand liegen, sollen in den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche einbezogen sein.
