-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels Pulsweitenmodulation nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Es ist bekannt, bürstenlose Gleichstrommotoren, wie z. B. Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, mittels Pulsweitenmodulation in der Drehzahl zu regeln.
-
Derartige bürstenlose Gleichstrommotoren können mit verschiedenen Drehzahlen betrieben werden. Beispielsweise sind Festplattenlaufwerke mit unterschiedlichen Nenndrehzahlen erhältlich, ferner Lüfter oder dergleichen, die durch bürstenlose Gleichstrommotoren bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. Ebenso können Antriebsmotoren für LiDAR-Systeme/Laserscannersysteme mit unterschiedlichen Nenndrehzahlen angesteuert werden. Die Drehzahlregelung erfolgt durch Pulsweitenmodulation, wobei die Frequenz des Pulsweitensignals in der Regel unabhängig von der Drehzahl des Elektromotors ist. Gewöhnlich wird für kleinere Elektromotoren eine feste Pulsweitenfrequenz von einigen zehn Kilohertz verwendet.
-
Zur Drehzahlregelung wird die aktuelle Ist-Drehzahl des Motors ständig gemessen und zwar entweder mittels Hallsensoren oder sensorlos durch Messung der gegenelektromotorischen Spannung (auch gegenelektromotorische Kraft genannt, kurz Gegen-EMK) der jeweils unbestromten Phase der Motorwicklung. Die Ist-Drehzahl wird mit einer eingestellten Soll-Drehzahl (Nenndrehzahl) verglichen, und Abweichungen von der Nenndrehzahl durch die Motorsteuerung ausgeregelt.
-
Als sensorloses Messsignal für die Ist-Drehzahl des Motors wird der Nulldurchgang der in der Motorwicklung induzierten Gegen-EMK detektiert, bei einer Sternschaltung beispielsweise anhand eines Vergleichs der in einer Phasenwicklung induzierten Gegen-EMK mit dem elektrischen Potential im virtuellen Nullpunkt am Sternpunkt.
-
Durch Störungen und Asymmetrie des elektrischen Systems bzw. Störungen durch die Erregung mit dem pulsweitenmodulierten Strom kommt es z.B. zu Schwebungen des Potentials des Sternpunktes und damit zu Zeitabweichungen bei der Messung des Nulldurchgangs der Gegen-EMK. Dadurch wird bei jeder Umdrehung des Motors eine etwas andere Drehzahl gemessen, wobei die Drehzahlregelung ständig versucht, die gemessene Ist-Drehzahl auf die Soll-Drehzahl nachzuregeln.
-
Dadurch ergeben sich mehr oder weniger große Drehzahlschwankungen, die für manche Anwendungen nicht tolerierbar sind.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels Pulsweitenmodulation anzugeben, welches eine verbesserte Drehzahlregelung und Minimierung der Drehzahlschwankungen ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
-
Erfindungsgemäß ist die Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation eine Funktion der Nenndrehzahl des Gleichstrommotors. Für verschiedene Drehzahlen des Elektromotors werden demnach unterschiedliche PWM-Frequenzen verwendet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation ein ganzzahliges Vielfaches der Nenndrehzahl nNenn gewählt.
-
Durch die Erfindung werden zwar Verzerrungen oder andere Störgrößen der gemessenen Gegen-EMK, die unter anderem durch das PWM-Signal generiert werden, nicht verhindert, aber die Verzerrungen und Störungen ergeben sich immer an derselben Stelle des Phasenwinkels und mit derselben Magnitude und können bei der Wahl der Nenndrehzahl und PWM-Frequenz berücksichtigt werden.
-
Der Einfluss dieser Störgrößen auf die sensorlose Drehzahlmessung durch Auswertung der Gegen-EMK bzw. des Nulldurchganges der Gegen-EMK kann dadurch erheblich reduziert werden.
-
Für die gewünschte Nenndrehzahl des Motors wird eine Frequenz der Pulsweitenmodulation gesucht, bei der die Drehzahlschwankung möglichst klein ist. Die optimale Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation ist eine Funktion der Motordrehzahl. Für die PWM-Frequenz können ferner sinnvolle untere und obere Grenzwerte festgelegt werden. Sinnvolle untere und obere Grenzwerte der PWM-Frequenz werden z.B. anhand der Zeitkonstanten des Elektromotors und anderen Parametern bestimmt.
-
In manchen Ausgestaltungen umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- - Empfangen einer Nenndrehzahl durch eine Motorsteuerung des Gleichstrommotors,
- - Berechnen einer PWM-Frequenz fPWM als ein ganzzahliges Vielfaches der Nenndrehzahl nNenn oder als diejenige Frequenz aus einer Menge an möglichen Frequenzen, welche die kleinste Abweichung von der zur Nenndrehzahl nNenn gehörigen Drehfrequenz fNenn aufweist,
- - Ansteuern des Gleichstrommotors mit der berechneten PWM-Frequenz fPWM , und
- - Beschleunigen des Gleichstrommotors auf die Nenndrehzahl nNenn .
-
Vorzugsweise wird der Gleichstrommotor bereits zu Beginn der Beschleunigung auf die Nenndrehzahl nNenn mit der PWM-Frequenz fPWM angesteuert. Dadurch kann das Anpassen der PWM-Frequenz vergleichsweise robust erfolgen und gleichzeitig eine effiziente Ansteuerung des Gleichstrommotors, beispielsweise mit einer Drehzahlregelung, sichergestellt werden.
-
In manchen Ausgestaltungen der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Berechnung der Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation eine Minimierung einer mittleren Drehzahlabweichung nDiff der Drehzahl n des Gleichstrommotors von der Nenndrehzahl nNenn umfasst. Es wird in solchen Ausgestaltungen die Frequenz fPWM also derart bestimmt, dass die tatsächliche Drehzahl n des Gleichstrommotors eine möglichst kleine mittlere Abweichung nDiff um die betrachtete Nenndrehzahl nNenn zeigt.
-
Ferner ist es vorteilhaft, die Frequenzen fPWM der Pulsweitenmodulation innerhalb eines Frequenzbereiches fmin ≤ fPWM ≤ fmax liegend zu wählen. Insbesondere können die Grenzfrequenzen fmin und fmax von der Nenndrehzahl abhängen. Somit kann in einem ersten Schritt ein der Nenndrehzahl nNenn angepasster Frequenzbereich, der prinzipiell einen effizienten Motorbetrieb bei dieser Drehzahl ermöglicht, festgelegt werden. In einem zweiten Schritt kann dann die Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation dann, innerhalb diesem Bereich liegend, als ein ganzzahliges Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz fNenn , bestimmt werden, wobei die Nenn-Drehfrequenz fNenn die Drehfrequenz bei der Nenndrehzahl nNenn bezeichnet.
-
Ferner kann es der Fall sein, dass Frequenzen fi aus einer Menge an möglichen Frequenzen ausgewählt werden müssen, so dass diese nicht in jedem Fall als ein Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz fNenn bei der Nenndrehzahl nNenn gewählt werden können. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, die Frequenzen fi als diejenigen Frequenzen festzulegen, welche die kleinste Abweichung zu einem ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz fNenn bei der Nenndrehzahl nNenn aufweisen. Die Berechnung der Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation kann somit das Bestimmen einer Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen von der Nenn-Drehfrequenz fNenn für eine Vielzahl an Frequenzen fi im Frequenzbereich fmin ≤ fPWM ≤ fmax, umfassen, wobei die Abweichung jeweils in Bezug auf das nächstliegenden ganzzahlige Vielfache der Nenn-Drehfrequenz bestimmt wird. Die Frequenzen fi werden dabei jeweils als ein ganzzahliges Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz fNenn gewählt.
-
Alternativ zu der Abweichung der Frequenzen fi zu einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz kann analog auch die Drehzahlabweichung nDiff der entsprechenden Drehzahlen zu einem ganzzahligen vielfachen der Nenndrehzahl nNenn betrachtet werden. Die Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation wird dann als diejenige der Frequenzen fi festgelegt, bei welcher die der Frequenz fi entsprechende Drehzahl die geringste Drehzahlabweichung nDiff zur Nenndrehzahl nNenn aufweist.
-
Aufgrund der vorgegebenen Taktfrequenzen üblicher Steuerschaltungen, ist die Wahl einer Drehzahlabweichung, die exakt einem ganzzahligen Vielfachen der Nenndrehzahl entspricht, nicht immer möglich. Beispielsweise weisen übliche Mikroprozessoren einer Steuerschaltung eine Prozessortaktfrequenz fµc im Bereich von 10 MHz bis 10 GHz auf. Mögliche PWM-Frequenzen fi können dann beispielsweise als fi = fµc / ri bestimmt werden, wobei die ri natürliche Zahlen N = {1; 2; 3; ...} sind. Von den berechneten fi werden dann diejenigen Frequenzen bestimmt, welche möglichst exakt einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz fNenn entsprechen.
-
Dazu können, wie bereits erwähnt, die PWM-Frequenzen fi als Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz fNenn ausgedrückt werden. Es gilt dann fi = ki · fNenn, wobei ki ein Proportionalitätsfaktor ist. Durch auflösen nach ki und berechnen der Abweichung von ki von der nächstliegenden ganzen Zahl, kann ein Maß MDiff für die Drehzahlabweichung nDiff von der Nenndrehzahl nNenn gefunden werden. Beispielsweise kann MDiff zu MDiff = 1/2 - |(ki mod 1) - 1/2| bestimmt werden, wobei „mod“ den Modulo-Operator bezeichnet, wonach (a mod b) den Rest der Divsion alb auf den realen Zahlenraum bezogen angibt. Die Drehzahlabweichung ergibt sich folglich aus nDiff = MDiff · fNenn. Typischerweise ist es von Vorteil, die Frequenzen fi deutlich kleiner als die Prozessortaktfrequenz fµc zu wählen, so dass fi << fµc gilt.
-
Im Falle, dass mehrere gleichwertige Frequenzen berechnet wurden, bei denen also ungefähr gleich große Drehzahlabweichungen nDiff bestimmt wurden (für diese Werte sind ungefähr gleich große mittlere Drehzahlschwankungen zu erwarten), kann es vorteilhaft sein, die Frequenz fPWM auf die größte der gefundenen Frequenzen festzulegen.
-
In manchen Ausgestaltungen der Erfindungen legt die Motorsteuerung einen Tastgrad der PWM in Abhängigkeit von der berechneten PWM-Frequenz fPWM und/oder in Abhängigkeit von der Nenndrehzahl nNenn , beziehungsweise Nenn-Drehfrequenz fNenn , fest. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der Tastgrad der PWM durch eine Drehzahlregelung und/oder eine Stromregelung des Gleichstrommotors bestimmt wird, und der Gleichstrommotor mittels einer geeigneten Wahl des Tastgrades beschleunigt wird. Die Änderung der PWM-Frequenz bewirkt eine Änderung des Phasenstroms, so dass eine entsprechende Anpassung der Steuergrößen notwendig ist und der Gleichstrommotor beschleunigt werden kann. In manchen Ausgestaltungen kann dazu die Versorgungsspannung zum Bestromen der Phasenwicklungen erhöht werden. In vielen Anwendungen ist die Versorgungsspannung jedoch fest vorgegeben, so dass eine Anpassung des Phasenstroms über die Variation des Tastgrades vorteilhaft ist. Der Phasenstrom kann in solchen Ausgestaltungen des Verfahrens durch eine Erhöhung des Tastgrades der PWM erhöht werden.
-
Der Regelalgorithmus der Drehzahlregelung und/oder der Stromregelung ist vorzugsweise ein PID (Proportional-Integral-Differential)-Regler oder ein PI-Regler. Dadurch kann auch bei einer Änderung der PWM-Frequenz eine zuverlässige Regelung erfolgen und der Gleichstrommotor effizient auf die Nenndrehzahl nNenn beschleunigt werden.
-
Ferner kann die Regelung auch eine Vektorregelung (auch feldorientierte Regelung genannt) umfassen. Auch in Verbindung mit einer derartigen Regelung kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft sein, da die Vektorregelung auch eine Integration umfasst, zu der immer gleich viele PWM-Takte beitragen.
-
Vorzugsweise wird der bürstenlose Gleichstrommotor sensorlos betrieben. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zur Regelung des bürstenlosen Gleichstrommotors dessen Drehzahl erfasst wird und die Drehzahlerfassung auf Basis der Nulldurchgänge der gegenelektromotorischen Spannung erfolgt.
-
Die Nulldurchgänge der gegenelektromotorischen Spannung können mittels wenigstens eines Spannungskomparators erfasst werden. Bei einem dreiphasigen Gleichstrommotor können beispielsweise drei Spannungskomparatoren vorgesehen sein. Die Spannungskomparatoren können dabei jeweils mit zwei Phasenwicklungen, oder jeweils mit einer Phasenwicklung und einem Sternpunkt, beziehungsweise einem virtuellen Sternpunkt, verbunden sein. Ein Ausgang der Spannungskomparatoren kann beispielsweise mit einem Mikrocontroller einer Motorsteuerung verbunden sein. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Spannung mittels eines Analog-Digital-Wandlers erfasst und durch den Motorcontroller ausgewertet wird.
-
Ferner betrifft die Erfindung einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Solch ein bürstenloser Gleichstrommotor kann beispielsweise in einem Festplattenantrieb, einem Antriebsmotor eines LiDAR(Light Detection And Ranging)-Systems oder eines Laserscanners, einem Lüfterantrieb oder einem Stellmotor verwendet werden.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
- 1 zeigt die Beträge der Drehzahlabweichung eines Spindelmotors aufgetragen über die Drehzahl bei verschiedenen PWM-Frequenzen.
- 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von 1 im Bereich der Drehzahlen 7175 bis 7260 U/min.
- 3 zeigt ein Ablaufdiagram einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt ein Ablaufdiagram einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 5 zeigt ein Ablaufdiagram einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Für einen Spindelmotor soll für eine gewünschte Nenndrehzahl von nNenn = 7200 U/min diejenige PWM-Frequenz fPWM ermittelt werden, bei der die geringsten Drehzahlschwankungen auftreten.
-
Um nun die optimale PWM-Frequenz fPWM für diesen Spindelmotor und der gegebenen Nenndrehzahl zu finden, kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Für die PWM-Frequenzen werden vorzugsweise ganzzahlige Vielfache der Nenndrehzahl nNenn des Spindelmotors verwendet.
-
Zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einer Messreihe die Drehzahlabweichungen nDiff für eine Vielzahl von Drehzahlen n innerhalb eines Drehzahlbereichs [nNenn - x; nNenn + y] um eine gewünschte Nenndrehzahl nNenn vorzugsweise für mehrere unterschiedliche PWM-Frequenzen (f1, f2, f3, f4) gemessen. Der Drehzahlbereich erstreckt sich beispielsweise in einem Bereich von kleiner oder gleich +/- 1% um die gewünschte Drehzahl, also beispielsweise bei nNenn = 7200 U/min zwischen 7025 U/min und 7425 U/min. Für den Wert x wurde somit 175 U/min und für y = 225 U/min gewählt.
-
Ausgehend von dem unteren Drehzahlwert von 7025 U/min wurde der Betrag der Drehzahlabweichung gemittelt über 250 Umdrehungen erfasst. Danach wurde die Drehzahl n in Schritten von jeweils 0,5 U/min erhöht. Für jede eingestellte Drehzahl n wurde der Betrag der Drehzahlabweichung gemittelt über 250 Umdrehungen erfasst. Es ergibt sich ein Drehzahldiagramm gemäß 1.
-
1 zeigt die Beträge der gemessenen Drehzahlabweichungen in U/min des Spindelmotors aufgetragen über die Drehzahl n bei verschiedenen PWM-Frequenzen (f1, f2, f3, f4).
-
Die Kurve f4 für die PWM-Frequenz fPWM = 6250 Hz zeigt, dass die Drehzahlabweichung periodisch über einen großen Bereich schwankt und zwar innerhalb eines Betrags von 2 U/min und 12 U/min. Bei der gewünschten Nenndrehzahl nNenn von 7200 U/min beträgt die mittlere Drehzahlabweichung etwa 5,5 U/min. Die Periode der Drehzahlabweichung ist abhängig von der PWM-Frequenz.
-
Die starke Drehzahlschwankung gemäß Kurve f4 ergibt sich einerseits aufgrund von Störungen des Magnetsystems des Motors durch die PWM-Frequenz und zum anderen auf Grund der relativ niedrigen PWM-Frequenz f4 von nur etwas über 6 kHz. Diese PWM-Frequenz f4 ermöglicht daher keine ausreichend genaue Drehzahlregelung bei der gewünschten Nenndrehzahl nNenn = 7200 U/min.
-
Die anderen Kurven f1, f2 und f3 zeigen die Drehzahlabweichungen innerhalb des betrachteten Drehzahlbereichs bei PWM-Frequenzen f1 = 32787 Hz, f2 = 32653 Hz und f3 = 32520 Hz, was etwa dem Fünffachen der PWM-Frequenz f4 entspricht.
-
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht von 1 in einem relevanten Drehzahlbereich von etwa 7175 bis 7265 U/min.
-
Man erkennt, dass bei den Kurven f1, f2 und f3 der PWM-Frequenzen die periodischen Drehzahlschwankungen insgesamt wesentlich geringer und höherfrequenter sind als bei Kurve f4 und etwa zwischen 1 U/min und 6,5 U/min schwanken.
-
Die eingerahmten Bereiche 1, 2, 3 in 2 zeigen jeweils Minima der Drehzahlschwankungen für die PWM-Frequenzen f1, f2, f3, f4.
-
Die geringste Drehzahlabweichung von etwa 1 U/min ergibt sich bei der PWM-Frequenz f2 = 32653 Hz bei einer Drehzahl von 7190 U/min, siehe eingerahmter Bereich 1. Für die PWM-Frequenzen f1 und f3 sind die Drehzahlabweichungen im Bereich 1 etwas größer.
-
Für den Bereich 2 bei einer Drehzahl von 7210 U/min ergibt sich für die PWM-Frequenz f3 = 32520 Hz eine minimale mittlere Drehzahlabweichung von etwa 1,5 U/min. Hier zeigen die Kurven für die PWM-Frequenzen f2 und f4 etwas größere Drehzahlabweichungen und die Kurve für PWM-Frequenz f1 eine deutlich größere Drehzahlabweichung.
-
Im Bereich 3 bei einer Motordrehzahl von etwa 7250 U/min ergibt sich für die PWM-Frequenz f1 = 32787 eine minimale Drehzahlschwankung von etwa 2 U/min und für die PWM-Frequenzen f2 und f3 etwas größere Werte.
-
In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die tatsächliche PWM-Frequenz fPWM für einen gegebene Nenndrehzahl auf diejenige Frequenz f1, f2, f3, f4 eingestellt, bei denen die gemessene Drehzahlabweichung nDiff ein Minimum, vorzugsweise das kleinste Minimum, aufweist.
-
Gemäß 2 ist das das kleinste Minimum der Drehzahlabweichung von 1 U/min bei der PWM-Frequenz f2 = 32653 Hz bei einer Drehzahl von 7190 U/min im eingerahmten Bereich 1 zu finden. Der Spindelmotor kann daher vorzugsweise mit diesen Parametern betrieben werden.
-
Es könnten als Motorparameter für diesen Spindelmotor aber auch das Minimum der Drehzahlabweichung bei der PWM-Frequenz f3 = 32520 Hz und eine Drehzahl von 7210 U/min im eingerahmten Bereich 2 gewählt werden.
-
Analog zu der Auswertung der oben erläuterten Messergebnisse, kann das Verfahren auch durch ein Computerprogramm ausgeführt werden. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einer Steuereinheit, beispielsweise einem Mikrocontroller, implementiert sein und diejenige der möglichen PWM-Frequenzen bestimmen, die bei einer vorgegebenen Nenndrehzahl die kleinste Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz fNenn aufweist, beziehungsweise die kleinste mittlere Drehzahlabweichung zeigt. Derartige Ausgestaltungen sind im Folgenden beispielhaft erläutert.
-
3 zeigt ein Ablaufdiagram einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren kann beispielsweise auf einer Steuereinheit zum Ansteuern des Gleichstrommotors ausgeführt werden. Die Steuereinheit kann insbesondere einen Mikrocontroller umfassen, auf dem ein Computerprogramm implementiert ist, welches das Verfahren ausführt. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird eine Nenndrehzahl nNenn empfangen. Die Nenndrehzahl nNenn kann beispielsweise von einem anderen Computerprogramm oder einer anderen Routine desselben Programms ausgegeben und von dem das Verfahren ausführenden Programm oder Programmteil empfangen werden. In einem zweiten Schritt S3 wird daraufhin eine Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation bestimmt, sodass die Frequenz fPWM ein ganzzahliges Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz fNenn ist, oder sodass die Differenz zwischen der Frequenz fPWM und dem nächstgelegenen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz fNenn minimal ist. Es gilt also fPWM = k * fNenn, wobei k eine natürliche Zahl ist. Falls diese Relation mit den möglichen PWM-Frequenzen nicht erfüllt werden kann, wird also die PWM-Frequenz fPWM so bestimmt, dass der Differenzbetrag |fPWM - k * fNenn| minimal ist.
-
Optional kann hier ein weiterer Verfahrensschritt S5 ausgeführt werden, in welchem ein Tastgrad der Pulsweitenmodulation festgelegt wird. Der Tastgrad kann insbesondere in Abhängigkeit der bestimmten PWM-Frequenz, und/oder der Nenndrehzahl nNenn , und/oder der gewünschten Beschleunigung erfolgen. In einem nächsten Schritt S7 wird der Gleichstrommotor mit der im Schritt S3 festgelegten Frequenz fPWM angesteuert. Im Schritt S9 wird der Gleichstrommotor schließlich auf die Nenndrehzahl nNenn beschleunigt. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die aktuelle Frequenz der Pulsweitenmodulation schrittweise oder kontinuierlich auf die festgelegte Frequenz fPWM eingestellt wird. Dies kann aber zu Nachteilen im Regelverhalten oder bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit führen, weshalb in den meisten Anwendungen ein sprunghaftes Einstellen der Frequenz fPWM vorteilhaft ist.
-
In der 4 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines im Vergleich zur 3 leicht abgewandelten Ablaufdiagramms illustriert. Zusätzlich zu den in der 3 beschriebenen Verfahrensschritten ist hier nach dem Empfangen der Nenndrehzahl nNenn im Schritt S1 ein Schritt S2 angegeben, während dessen ein Frequenzbereich mit einer unteren Grenzfrequenz fmin und einer oberen Grenzfrequenz fmax festgelegt wird. Die untere Grenzfrequenz fmin und die obere Grenzfrequenz fmax können in Abhängigkeit von der Nenndrehzahl nNenn oder in Abhängigkeit von den Fähigkeiten des Mikrocontrollers festgelegt werden. Der Frequenzbereich wird so gewählt, dass ein effizienter Motorbetrieb gewährleistet ist und gleichzeitig die Steuerelektronik möglichst wenig beansprucht wird. So kann die untere Grenze fmin in Abhängigkeit von Puffer- und/oder Glättungskondensatoren der Motorsteuerung gewählt werden, wobei die untere Grenzfrequenz fmin groß genug gewählt wird, dass die Ladungsmenge der entsprechenden Kapazitäten gering gehalten wird. Die obere Grenze kann insbesondere in Abhängigkeit von den Spezifikationen von Halbleiterschaltern einer Brückenschaltung zum Ansteuern des Gleichstrommotors bestimmt werden. Der Frequenzbereich kann beispielsweise einen Bereich von 5 kHz bis 100 kHz, insbesondere von 10 kHz bis 40 kHz umspannen. Beispielsweise kann ein Frequenzbereich mit unterer Grenzfrequenz fmin im Bereich von 10 kHz bis 20 kHz und oberer Grenzfrequenz fmax im Bereich von 30 kHz bis 50 kHz gewählt werden. Die obere Grenzfrequenz fmax kann jedoch auch bei deutlich höheren Frequenzen, beispielsweise bei 150 kHz, liegen.
-
Zum Ansteuern eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors kann eine B6-Brückenschaltung mit sechs Halbleiterschaltern vorgesehen sein. Die Brückenschalter können beispielsweise als bipolare Transistoren, MOSFETs oder JFETs ausgebildet sein. Die obere Grenzfrequenz fmax kann nun so gewählt werden, dass die Schaltverluste beim Schalten der Brückenschalter nicht zu groß werden und beispielsweise einen vorherbestimmten Grenzwert nicht überschreiten.
-
Im Schritt S3 wird in dieser Ausgestaltung nun diejenige Frequenz im Bereich fmin bis fmax berechnet, bei der die kleinsten mittleren Drehzahlschwankungen bei der Nenndrehzahl nNenn zu erwarten sind. Die niedrigsten Drehzahlschwankungen sind bei Frequenzen zu erwarten, die eine möglichst geringe Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz fNenn aufweisen. Im Schritt S3 wird die PWM-Frequenz fPWM daher vorzugsweise derart bestimmt, dass die Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz fNenn minimal ist, wobei die PWM-Frequenz fPWM im Frequenzbereich von fmin bis fmax liegt.
-
Die Menge der möglichen PWM-Frequenzen kann beispielsweise durch ein Verfahren zur Bestimmung der PWM-Frequenzen, welches auf einer Prozessortaktfrequenz fµc einer Steuerschaltung basiert, limitiert sein. Aufgrund der vorgegebenen Taktfrequenzen üblicher Steuerschaltungen ist die Wahl einer Frequenz, die exakt einem ganzzahligen Vielfachen der Nenndrehzahl entspricht, nicht immer möglich. Mögliche PWM-Frequenzen fi können dann in Abhängigkeit von der Prozessortaktfrequenz fµc , beispielsweise zu fi = fµc / ri bestimmt werden, wobei die ri natürliche Zahlen sind. Von den berechneten fi werden dann diejenigen Frequenzen bestimmt, welche möglichst exakt einem ganzzahligen Vielfachen der Nenndrehzahl nNenn , beziehungsweise der zugehörigen Drehfrequenz fNenn , entsprechen. Dazu können die PWM-Frequenzen fi als Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz fNenn ausgedrückt werden, so dass fi = ki · fNenn gilt, wobei ki ein Proportionalitätsfaktor ist. Durch auflösen nach ki und berechnen der Abweichung von ki von der nächstliegenden ganzen Zahl, kann ein Maß MDiff für die Drehzahlabweichung nDiff gefunden werden. Beispielsweise kann MDiff zu MDiff = 1/2 - |(ki mod 1) - 1/2] bestimmt werden. Die Drehzahlabweichung ergibt sich folglich aus nDiff = MDiff · fNenn.
-
Im Falle, dass mehrere gleichwertige Frequenzen berechnet wurden, bei denen also ungefähr gleich große Drehzahlabweichungen nDiff bestimmt wurden, kann es vorteilhaft sein, die Frequenz fPWM auf die größte der gefundenen Frequenzen festzulegen. Optional kann auch hier ein Verfahrensschritt S5 ausgeführt werden, in welchem ein Tastgrad der Pulsweitenmodulation festgelegt wird. Im Schritt S7 wird der Gleichstrommotor wieder mit der Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation angesteuert und im Schritt S9 auf die Nenndrehzahl nNenn beschleunigt. Ferner kann es in manchen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass die PWM-Frequenz zwischen zwei oder mehreren gleichwertigen Frequenzen alternierend gewählt wird. Der Wechsel zwischen den gleichwertigen Frequenzen kann insbesondere sprunghaft erfolgen.
-
Die 5 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In dieser Variante wird in einem Schritt S3a diejenige Frequenz im Bereich fmin bis fmax berechnet, bei der die kleinsten mittleren Drehzahlschwankungen bei der Nenndrehzahl nNenn zu erwarten sind. Es werden dazu für eine Vielzahl an Frequenzen fi des im Schritt S2 festgelegten Frequenzbereichs fmin ≤ f ≤ fmax die Abweichungen von dem jeweils nächsten ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz fNenn berechnet. Vorzugsweise gelten alle PWM-Frequenzen, die als ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz fNenn realisiert werden können, bezüglich der Drehzahlabweichung als gleichwertig. Die Menge der realisierbaren PWM-Frequenzen kann insbesondere durch die Steuerschaltung, beziehungsweise den Mikrocontroller und dessen Taktfrequenz fµc, eingeschränkt sein. Im Schritt S3b wird dann diejenige der Frequenzen fi ausgewählt, für welche die kleinste Abweichung von der Nenn-Drehfrequenz berechnet wurde. Schließlich wird die Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation auf diese Frequenz fi festgelegt.
-
Analog zu den 4 und 5 erfolgt daraufhin wieder eine optionale Anpassung des Tastgrades der PWM in einem Verfahrensschritt S5, das Ansteuern des Gleichstrommotors mit der Frequenz fPWM der Pulsweitenmodulation im Schritt S7 und schließlich im Schritt S9 die Beschleunigung auf die Nenndrehzahl nNenn .
