DE102019128495A1 - Verfahren zum Ansteuern von Elektromotoren mit einem pulsweitenmodulierten Signal - Google Patents

Verfahren zum Ansteuern von Elektromotoren mit einem pulsweitenmodulierten Signal Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern von Elektromotoren mit einem pulsweitenmodulierten Signal, wobei das pulsweitenmodulierte Signal ein Rechteckpuls aus aufeinanderfolgenden Impulsen ist, deren Impulsdauer einstellbar ist, wodurch ein Tastgrad veränderbar ist, der das Verhältnis aus der Impulsdauer und der Periode des Rechteckpulses, wobei der Kehrwehrt der Periode des Rechteckpulses die PWM-Frequenz ist, in der die Impulse aufeinander folgen, wobei während des Betriebs des Elektromotors die PWM-Frequenz- innerhalb eines Frequenzbands- ohne Veränderung des Tastgrades- wiederholt und- nach einem vorgegebenen Schema oder zufälligverändert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern von Elektromotoren mit einem pulsweitenmodulierten Signal, wobei das pulsweitenmodulierte Signal ein Rechteckpuls aus aufeinanderfolgenden Impulsen ist, deren Impulsdauer einstellbar ist. Durch das Einstellen der Impulsdauer kann der sogenannte Tastgrad eingestellt werden, der das Verhältnis aus der Impulsdauer und der Länge des Rechteckpulses, der sogenannten Periodendauer ist. Der Kehrwehrt der Periodendauer ist die PWM-Frequenz, in der die Impulse aufeinander folgen.
  • Pulsweitengesteuerte Elektromotoren werden in nahezu allen Bereichen der elektrischen Antriebstechnik verwendet. In Kraftfahrzeugen sind zum Beispiel Lüftermotoren sowie die Motoren elektrischer Verstellsysteme häufig Elektromotoren. Die Ansteuerung eines pulsweitengesteuerten Elektromotors erfolgt dabei über ein Steuergerät, das den Rechteckpuls erzeugt, dessen Tastgrad eingestellt wird. Dadurch wird die dem Elektromotor zugeführte Energie moduliert, wodurch die Geschwindigkeit gesteuert werden kann. Herkömmliche Steuergeräte werden mit einer konstanten PWM- Frequenz betrieben, die z. B. 18 kHz oder 20 kHz betragen kann.
  • Es ist bekannt, dass die Ansteuerung von Elektromotoren durch Pulsweitenmodulation Störungen verursacht, die sich z. B. während des Radioempfangs als akustische Störgeräusche äußern. Störungen können als Oberwellen der PWM-Frequenz auftreten und sind insbesondere dann hörbar, wenn die Oberwelle eine ähnliche Frequenz wie ein eingestellter Radiosender hat.
  • In der WO 97/05716 A1 ist zur Vermeidung von Störungen durch einen Motor, der mittels Pulsweitenmodulation gesteuert wird, vorgeschlagen worden, Filter zur Verringerung der Funkinterferenzen zu verwenden. Als Filter werden Kondensatoren verwendet.
  • Daneben ist die Verwendung von Spulen bekannt, die zusätzlich zu Kondensatoren in den Steuergeräten angeordnet sind. Allerdings sind derartige EMV-Maßnahmen kostspielig und benötigen einen großen Bauraum auf der Platine, sie sind jedoch teilweise nicht ausreichend wirksam.
  • In dem Dokument WO 2013/068087 wird ein Verfahren zur Steuerung eines Motors mittels Pulsweitenmodulation vorgeschlagen, welches eine verbesserte Reduzierung von Störungen ermöglicht. Die hinter diesem Verfahren stehende Idee ist es, dass unerwünschte Störungen vermieden werden können, wenn die Frequenz des Rechteckpulses, mit der der Motor gesteuert wird (PWM-Frequenz), mit der Trägerfrequenz übereinstimmt, beziehungsweise wenn ein Vielfaches der PWM-Frequenz mit der Trägerfrequenz übereinstimmt. Sofern Oberwellen der PWM-Frequenz exakt einem Vielfachen der Trägerfrequenz entsprechen, sind sie nicht hörbar, da sie auf der Trägerfrequenz liegen.
  • Das in dem Dokument WO 2013/068087 offenbarte Verfahren hat den Nachteil, dass bei der Vermeidung von Störungen die Trägerfrequenz des am Radio eingestellten Radiosenders bekannt sein muss. Zudem kann bei der Entstörung auch nur ein Signal berücksichtigt werden.
  • In der Umgebung eines Kraftfahrzeugs und in einem Kraftfahrzeug wird jedoch von verschiedenen technischen Systemen ein breit gefächertes Portfolio an Frequenzbändern parallel genutzt (z. B. Betriebsfunk, DAB, GPS, UKW...). Zielsetzung ist es daher, das Stören der technischen Systeme zu vermeiden.
    Die Erfinder haben sich daher die Aufgabe gestellt, eine Frequenzanpassung ohne die Nutzung einer ermittelten Trägerfrequenz durchzuführen, um im gesamten Spektrum Störungen zu reduzieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während des Betriebs des Elektromotors die PWM-Frequenz
    • - innerhalb eines Frequenzbands
    • - ohne Veränderung des Tastgrades
    • - wiederholt
    • - nach einem vorgegebenen Schema oder zufällig
    verändert wird.
  • Das Verfahren ändert die eingestellte PWM-Frequenz schnell, damit eine ausgeprägte Störung und eine Überschreitung von Grenzwerten bei der Motoransteuerung in dem genutzten Frequenzbereich und dessen Harmonischen nicht entstehen kann. Die Leistung des Störspektrums wird breitbandig auf einen großen Frequenzbereich verteilt.
  • Die PWM-Frequenz kann nach einer Zeit oder n-Perioden verändert werden, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die Zeit oder die natürliche Zahl n kann beim Start des Motors festgelegt und für die Betriebszeit des Motors konstant gehalten werden. Es ist aber auch möglich, dass die Zeit oder die Zahl n während des Betriebs des Motors variiert wird. Ferner ist es möglich, dass die Zeit oder die Zahl n einmal festgelegt und anschließend auch bei Start des Motors nicht mehr verändert wird.
  • Es ist möglich, dass die Zeit oder die natürliche Zahl n zufällig bestimmt wird.
  • Erfindungsgemäß kann die PWM-Frequenz um einen vorgegebenen Betrag erhöht oder vermindert werden. Es ist auch möglich, dass die PWM-Frequenz um einen zufällig bestimmten Betrag erhöht oder vermindert wird. Der Betrag, um den die PWM-Frequenz erhöht oder vermindert wird, kann ein ganzzahliger Teil der Breite des Frequenzbandes sein, innerhalb dessen die PWM-Frequenz variiert werden kann.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass die PWM-Frequenz von einem Ausgangsbetrag ausgehend schrittweise nach dem Ablauf der Zeit oder nach jeder n-ten Periode erhöht wird, bis eine obere Grenze des Frequenzbandes erreicht ist. Nach dem Erreichen der oberen Grenze kann mit der schrittweisen Erhöhung an der unteren Grenze wieder gestartet werden. Stattdessen könnte auch nach Erreichen der oberen Grenze die PWM-Frequenz schrittweise vermindert werden, bis die untere Grenze des Frequenzbandes erreicht ist.
  • Alternativ könnte die PWM-Frequenz von einem Ausgangsbetrag ausgehend schrittweise nach dem Ablauf der Zeit oder nach jeder n-ten Periode vermindert werden, bis eine untere Grenze des Frequenzbandes erreicht ist. Nach dem Erreichen der unteren Grenze könnte dann die schrittweise Verminderung an der oberen Grenze wieder starten. Stattdessen könnte nach Erreichen der unteren Grenze die PWM-Frequenz schrittweise erhöht werden, bis die obere Grenze erreicht ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann so gestaltet sein, dass die obere Grenze und die untere Grenze des Frequenzbandes eingestellt werden können.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und.
    • 1a eine Routine aus dem Verfahren nach 1 im Detail.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit einigen Schritten zur Vorbereitung des Motorstarts, in denen einige Einstellungen festgelegt werden. Diese können als Standardeinstellungen aus einem Speicher abgerufen werden. Werte, die auf die Weise festgelegt werden, können ein Ausgangswert Default_f = 20 kHz für eine PWM-Frequenz Freq_Dyn und eine Zeit Time_step_size = 0,5 ms sein, nach deren Ablauf eine Änderung der PWM-Frequenz Freq_Dyn erfolgen soll. Ferner kann ein Betrag Freq_step_size, um den die PWM-Frequenz Freq_Dyn verändert wird, eingestellt werden. Auch die untere Grenze Freq_Min und die obere Grenze Freq_Max eines Frequenzbandes, innerhalb dessen die PWM-Frequenz Freq_Dyn liegen soll, kann auf diese Art festgelegt werden.
  • In einem weiteren Schritt vor dem Einstieg in eine Routine R (siehe 1a) zur Veränderung der PWM-Frequenz Freq_Dyn werden ein Zähler Step_count =1, eine Uhr Timer =0 und ein Flag Var_up =1 initialisiert. Mit dem Zähler Step_count wird gezählt, wie viele Male die PWM-Frequenz erhöht oder vermindert wurde. Mit der Uhr Timer wird eine Zeit erfasst und mit dem Setzen des Flags Var_up wird festgelegt, dass die PWM-Frequenz Freq_dyn erhöht und nicht vermindert werden soll.
  • Anschließend wird im Schritt 4 der Motor mit den vorgenommenen Einstellungen gestartet. Parallel wird eine Routine 5 zum Überwachen des Motors gestartet werden. Die Zeitmessung mit der Uhr Timer wird dann gestartet. Zeigt Routine 5 zum Überwachen des Motors bei der Abfrage in Schritt 6 nicht an, dass der Motor gestoppt (Schritt 7) werden soll, wonach das erfindungsgemäße Verfahren endet, wird das Verfahren mit der Routine R zur Veränderung der PWM-Frequenz Freq_Dyn begonnen.
  • In der Routine R wird die PWM-Frequenz Freq_Dyn zunächst schrittweise jeweils nach dem Ablauf der Zeit Time_step_size um den Betrag Freq_step_size erhöht. Ist die obere Grenze Freq_Max des Frequenzbandes erreicht, wird die PWM-Frequenz Freq_Dyn schrittweise jeweils nach dem Ablauf der Zeit Time_step_size um den Betrag Freq_step_size vermindert, bis nach Erreichen der unteren Grenze Freq_Min die PWM-Frequenz wieder schrittweise erhöht wird.
  • Nach dem Eintritt in diese Routine R wird zunächst in Schritt 8 geprüft, ob die Uhr Timer seit dem Start des Motors in Schritt 4 eine Zeit Time_step_size abgelaufen ist. Falls das nicht der Fall ist, misst die Uhr weiter und in Schritt 8 wird die Zeit solange geprüft, bis die Uhr den Ablauf der Zeit Time_step_size erfasst hat. Dann wird im Schritt 9 geprüft, ob die PWM-Frequenz Freq_Dyn erhöht werden soll. Dazu wird geprüft, ob das Flag Var_up gesetzt ist und ob die PWM-Frequenz Freq_Dyn kleiner ist als die obere Grenze Freq_Max. Sollte beides der Fall sein, wird im Schritt 10 die PWM-Frequenz Dyn_freq erhöht. Dazu wird sie auf den Ausgangswert Default_f zuzüglich des mit dem Stand des Zählers Step_count multiplizierten Betrags Freq_step_size gesetzt.
  • Anschließend wird in Schritt 11 der Zähler Step_count inkrementiert und die Uhr Timer auf 0 zurückgesetzt.
  • Die Routine R wird dann verlassen und in einem erneuten Aufruf von Schritt 4 werden die neuen Werte zum Motor übertragen.
  • Nach Schritt 4 wird erneut in Schritt 6 geprüft, ob der Motor abgeschaltet werden soll.
  • Stellt sich in Routine R bei der Prüfung in Schritt 9 heraus, dass die PWM-Frequenz Freq_Dyn nicht erhöht werden soll, kann das daran liegen, das Flag Var_up nicht gesetzt ist. Das bedeutet, dass die PWM-Frequenz Freq_Dyn vermindert werden soll. Ob das Flag Var_up gesetzt ist oder nicht, wird in Schritt 12 geprüft.
  • Stellt sich bei der Prüfung in Schritt 12 heraus, dass das Flag Var_up aber gesetzt ist, bedeutet das, dass nach der Prüfung in Schritt 9 die PWM-Frequenz Freq_Dyn nicht erhöht wurde, weil die PWM-Frequenz Freq_Dyn die obere Grenze Freq_Max erreicht hat. Dann muss von einer Erhöhung zu einer Verminderung der PWM-Frequenz Freq_Dyn gewechselt werden. Für diesen Wechsel muss das Flag Var_up gelöscht werden, was in Schritt 13 vollzogen wird. Zugleich wird mit dem Wechsel auch der Zähler Step_count auf 0 zurückgesetzt. In Schritt 14 kommt es dann zu einer ersten Verminderung der PWM-Frequenz Freq_Dyn dadurch, dass sie auf den Ausgangswert Default_f abzüglich des mit dem Stand des Zählers Step_count multiplizierten Betrags Freq_step_size gesetzt wird. Nach Schritt 14 wird dann in Schritt 11 der Zähler Step_count inkrementiert und die Uhr Timer auf 0 gesetzt. In Schritt 4 werden die Werte dann zum Motor übertragen.
  • Stellt sich dagegen bei der Prüfung in Schritt 12 heraus, dass das Flag Var_up gelöscht ist, wird in Schritt 15 zunächst geprüft, ob die PWM-Frequenz Freq_Dyn noch reduziert werden darf oder ob sie bereits die untere Grenze des Frequenzbandes erreicht hat. Darf die PWM-Frequenz Freq_Dyn noch reduziert werden, wird das in Schritt 14 vollzogen. Darf die PWM-Frequenz Freq_Dyn nicht weiter reduziert werden, wird durch Schritt 16 in den Modus der Erhöhung der PWM-Frequenz Freq_Dyn gewechselt. Dazu wird das Flag Var_up gesetzt und der Zähler Step_count auf 0 zurückgesetzt, um dann auf die beschriebene Art und Weise die Erhöhung in Schritt 10 zu vollziehen.
  • Das dargestellte Verfahren kann zum Beispiel dadurch variiert werden, dass die PWM-Frequenz nicht nach Ablauf einer Zeit time_step_size verändert wird, sondern nach einer zufällig festgelegten Anzahl von n Perioden oder nach einer zufällig festgelegten Anzahl n von Zeitintervallen der Länge time_step_size. Ebenso ist es möglich, dass die Zeit time_step_size nach jeder Frequenzänderung auf einen neuen zufälligen Wert festgelegt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • Freq_Dyn
    PWM-Frequenz
    Default_f
    Ausgangswert der PWM-Frequenz
    Time_step_size
    Vorbestimmte Zeit zwischen einer Änderung der PWM-Frequenz
    Freq_step_size
    Betrag, um den die PWM-Frequenz verändert wird
    Freq_Min
    untere Grenze des Frequenzbandes in dem die PWM-Frequenz verändert wird
    Freq_Max
    obere Grenze des Frequenzbandes in dem die PWM-Frequenz verändert wird
    Step_count
    Zähler
    Timer
    Uhr
    Var_up
    Flag
    R
    Routine zur Veränderung der PWM-Frequenz
    1 bis 16
    Schritte des dargestellten erfindungsgemäßen Verfahrens
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 9705716 A1 [0004]
    • WO 2013/068087 [0006, 0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ansteuern von Elektromotoren mit einem pulsweitenmodulierten Signal, wobei das pulsweitenmodulierte Signal ein Rechteckpuls aus aufeinanderfolgenden Impulsen ist, deren Impulsdauer einstellbar ist, wodurch ein Tastgrad veränderbar ist, der das Verhältnis aus der Impulsdauer und der Periode des Rechteckpulses, wobei der Kehrwehrt der Periode des Rechteckpulses die PWM-Frequenz (Freq_dyn) ist, in der die Impulse aufeinander folgen, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs des Elektromotors die PWM-Frequenz - innerhalb eines Frequenzbands - ohne Veränderung des Tastgrades - wiederholt und - nach einem vorgegebenen Schema oder zufällig verändert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Frequenz nach einer Zeit (time_step_size), nach n Zeitintervallen der Länge der Zeit (time_step_size) oder nach n Perioden verändert wird, wobei n eine natürliche Zahl ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die natürliche Zahl n zufällig bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Frequenz (Freq_dyn) um einen vorgegebenen Betrag (Freq_step_size) erhöht oder vermindert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Frequenz (Freq_dyn) um einen zufällig bestimmten Betrag erhöht oder vermindert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Frequenz (Freq_dyn) von einem Ausgangsbetrag (Default_f) ausgehend schrittweise nach dem Ablauf der Zeit (time_step_size) oder nach jeder n-ten Periode erhöht wird, bis eine obere Grenze (Freq_Max) des Frequenzbandes erreicht ist bzw. die PWM-Frequenz (Freq_dyn) von einem Ausgangsbetrag ausgehend schrittweise nach dem Ablauf der Zeit oder nach jeder n-ten Periode vermindert wird, bis eine untere Grenze (Freq_Min) des Frequenzbandes erreicht ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der oberen Grenze (Freq_Max) die schrittweise Erhöhung an der unteren Grenze (Freq_Min) wieder startet bzw. dass nach Erreichen der unteren Grenze (Freq_Min) die schrittweise Verminderung an der oberen Grenze (Freq_Max) wieder startet.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der oberen Grenze (Freq_Max) die PWM-Frequenz (Freq_dyn) schrittweise vermindert wird, bis die untere Grenze (Freq_Min) erreicht ist bzw. dass nach Erreichen der unteren Grenze (Freq_Min) die PWM-Frequenz (Freq_dyn) schrittweise erhöht wird, bis die obere Grenze (Freq_Max) erreicht ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenze (Freq_Max) und die untere Grenze (Freq_Min) des Frequenzbandes einstellbar ist.
  10. Steuergerät zum Steuern eines Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät zum Steuern des Elektromotors mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet und eingerichtet ist.
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