DE102020105530A1 - Method and device for commutating an electric motor - Google Patents

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Johannes Eisenring
Fabian Armbruster
Mathias Moser
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/15—Controlling commutation time

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors sowie eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Bestimmen eines Stroms durch eine Phasenwicklung des bürstenlosen Gleichstrommotors während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor. Der Strom wird mit einem Triggerschwellenwert verglichen, um einen Triggerzeitpunkt zu bestimmen, zu dem der Strom den Triggerschwellenwert erreicht. Basierend auf dem Triggerzeitpunkt wird ein zweiter Kommutierungszeitpunkt für eine zweite Kommutierung des Antriebssignals bestimmt.The invention relates to a method for commutating a brushless direct current motor and a device with a brushless direct current motor. The method according to the invention comprises determining a current through a phase winding of the brushless direct current motor during a measurement period after a first commutation of an electrical drive signal for the brushless direct current motor. The current is compared with a trigger threshold value in order to determine a trigger point in time at which the current reaches the trigger threshold value. Based on the trigger time, a second commutation time for a second commutation of the drive signal is determined.

Description

GEBIETAREA

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektrotechnik und betrifft ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors sowie eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor.The present invention lies in the field of electrical engineering and relates to a method for commutating a brushless direct current motor and a device with a brushless direct current motor.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Elektrische Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Servomotor, Lüftermotor oder Antrieb für Klappensteller oder Ventile, beispielsweise Nadelventile. Zur Steuerung und Überwachung können solche bürstenlosen Gleichstrommotoren mit Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren ausgestattet sein, um Motorparameter wie die Rotorstellung oder die Rotordrehzahl zu bestimmen. Aus Kosten- oder Platzgründen kommt der Einbau von Sensoren für viele Anwendungen allerdings nicht in Frage. In diesen Fällen kommen daher sensorlose bürstenlosen Gleichstrommotoren zum Einsatz, die sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise und ihrer hohen Effizienz gerade für derartige Anwendungen eignen.Small electric motors such as brushless direct current motors (BLDC motors) are used in the automotive sector and in automation technology, for example as a servo motor, fan motor or drive for flap actuators or valves, such as needle valves. For control and monitoring, such brushless DC motors can be equipped with sensors such as Hall sensors, for example, in order to determine motor parameters such as the rotor position or the rotor speed. For reasons of cost or space, however, the installation of sensors is out of the question for many applications. In these cases, sensorless brushless DC motors are used, which are particularly suitable for such applications due to their compact design and high efficiency.

Jedoch ist bei BLDC-Motoren ein sensorloser Betrieb nicht ohne weiteres zu realisieren, da diese Motoren eine auf die Rotorlage abgestimmte Kommutierung elektrischer Antriebsignale erfordern. Daher werden Verfahren benötigt, die indirekte Rückschlüsse auf die Rotorlage erlauben. Ein solches Verfahren basiert auf der Messung der Spannung, die durch die Rotorbewegung in einer Phasenwicklung des Motors im unbestromten Zustand induziert wird und häufig als back electromotive force (BEMF)/elektromotorische Kraft (EMK) bzw. BEMF-Spannung bezeichnet wird. Abhängig von der Motorgeometrie weist die BEMF-Spannung einen oder mehrere charakteristische Nulldurchgänge auf, wobei ein Nulldurchgang auftritt, wenn der Rotor eine bestimmte Stellung durchläuft. Anhand eines solchen Nulldurchgangs kann somit der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem sich ein bewegter Rotor in dieser Stellung befindet. Dies ermöglicht es, die Antriebssignale der Rotorlage entsprechend zu kommutieren.However, with BLDC motors, sensorless operation cannot easily be implemented, since these motors require electrical drive signals to be commutated to suit the rotor position. Therefore, methods are required that allow indirect conclusions to be drawn about the rotor position. Such a method is based on the measurement of the voltage that is induced by the rotor movement in a phase winding of the motor in the de-energized state and is often referred to as back electromotive force (BEMF) or BEMF voltage. Depending on the motor geometry, the BEMF voltage has one or more characteristic zero crossings, a zero crossing occurring when the rotor passes through a certain position. The point in time at which a moving rotor is in this position can thus be determined on the basis of such a zero crossing. This makes it possible to commutate the drive signals according to the rotor position.

Dieses Verfahren ist allerdings nur für Motoren mit hohen Drehzahlen geeignet, da die induzierte Spannung mit abnehmender Drehzahl kleiner wird. Es kann daher in der Regel unterhalb einer Drehzahl von etwa 800 1/min nicht mehr eingesetzt werden. Dies ist bei der Beschleunigung des Rotors aus dem Stillstand der Fall, aber auch im Regelbetrieb von niedrig drehenden bürstenlosen Gleichstrommotoren. Solche Motoren kommen häufig zum Einsatz, wenn eine präzise Bewegung eines Stellglieds, gegebenenfalls in Kombination mit einer großen Kraft, erforderlich ist, beispielsweise zur Steuerung von Nadelventilen. In diesen Situationen wird nach dem Stand der Technik die Kommutierung blind, d.h. unabhängig von der Rotorlage, durchgeführt. Die fehlende Synchronisation der Kommutierungen führt zu einer niedrigeren Effizienz des Motors und kann Vibrationen verursachen, die einen höheren Verschleiß nach sich ziehen und sensorlose BLDC-Motoren für bestimmte Anwendungen ungeeignet machen können.However, this method is only suitable for motors with high speeds, since the induced voltage decreases with decreasing speed. It can therefore generally no longer be used below a speed of approx. 800 rpm. This is the case when the rotor is accelerating from standstill, but also in normal operation of low-speed brushless DC motors. Such motors are often used when a precise movement of an actuator, possibly in combination with a large force, is required, for example to control needle valves. In these situations, according to the state of the art, the commutation is carried out blind, i.e. independently of the rotor position. The lack of synchronization of the commutations leads to a lower efficiency of the motor and can cause vibrations, which lead to higher wear and tear and can make sensorless BLDC motors unsuitable for certain applications.

ÜBERBLICKOVERVIEW

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors und eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und einer entsprechenden Steuereinheit anzugeben, welche eine gezielte Ansteuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors über einen weiten Drehzahlbereich ermöglichen.It is therefore an object of the invention to specify a method for commutating a brushless direct current motor and a device with a brushless direct current motor and a corresponding control unit which enable the brushless direct current motor to be controlled over a wide speed range.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by a method and a device having the features of claims 1 and 10, respectively. Refinements of the invention are given in the dependent claims.

Es wird ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorgesehen, welches folgende Schritte umfasst: (1) Bestimmen eines Stroms durch eine Phasenwicklung des bürstenlosen Gleichstrommotors während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor; (2) Vergleichen des Stroms mit einem Triggerschwellenwert, um einen Triggerzeitpunkt zu bestimmen, zu dem der Strom den Triggerschwellenwert erreicht; und (3) Bestimmen eines zweiten Kommutierungszeitpunktes für eine zweite Kommutierung des Antriebssignals basierend auf dem Triggerzeitpunkt. Die Nummerierung der Schritte dient ausschließlich der Klarheit und impliziert keinesfalls eine bestimmte Abfolge, in der die Schritte ausgeführt werden. Soweit technisch möglich, können Schritte vertauscht werden und das Verfahren und sämtliche weiteren Ausgestaltungen in einer beliebigen Abfolge ausgeführt werden. Insbesondere können einige Schritte zumindest zum Teil gleichzeitig ausgeführt werden. Der bürstenlose Gleichstrommotor kann beispielsweise als dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor oder als zweiphasiger bürstenloser Schrittmotor ausgebildet sein.A method for commutating a brushless DC motor is provided which comprises the following steps: (1) determining a current through a phase winding of the brushless DC motor during a measurement period after a first commutation of an electrical drive signal for the brushless DC motor; (2) comparing the current to a trigger threshold to determine a trigger time at which the current reaches the trigger threshold; and (3) determining a second commutation time for a second commutation of the drive signal based on the trigger time. The numbering of the steps is for clarity only and in no way implies a specific sequence in which the steps are carried out. As far as technically possible, steps can be exchanged and the method and all further configurations can be carried out in any sequence. In particular, some steps can be carried out at least partially at the same time. The brushless direct current motor can be designed, for example, as a three-phase brushless direct current motor or as a two-phase brushless stepper motor.

Die Phasenwicklung kann beispielsweise eine Antriebsspule oder eine Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Antriebsspulen umfassen. Der Strom kann zum Beispiel durch eine direkte Messung in der Phasenwicklung selbst oder in einer zugehörigen Zuleitung bestimmt werden. In anderen Fällen kann eine zum Strom proportionale Größe bestimmt werden, etwa ein durch den Strom erzeugtes Magnetfeld oder ein Spannungsabfall über einen bekannten Widerstand. In manchen Ausführungsformen kann der gemessene Strom der Strom durch mehrere in Reihe geschaltete Phasenwicklungen des bürstenlosen Gleichstrommotors und insbesondere der Gesamtstrom durch den bürstenlosen Gleichstrommotor sein. Der Strom kann kontinuierlich während des gesamten Messzeitraums bestimmt werden oder zu einer Vielzahl von diskreten Messzeitpunkten während des Messzeitraums. Die Bestimmung des Stroms kann das Erzeugen eines analogen oder digitalen Messsignals umfassen, welches die Amplitude des Stroms als Funktion der Zeit charakterisiert. In manchen Ausführungsformen kann das Bestimmen des Stroms eine zeitliche Mittelwertbildung umfassen, beispielsweise um Fluktuationen zu glätten, und/oder eine Inter- oder Extrapolation zwischen diskreten Datenpunkten.The phase winding can comprise, for example, a drive coil or a series and / or parallel connection of several drive coils. The current can be measured, for example, by a direct measurement in the phase winding itself or in a associated supply line can be determined. In other cases, a variable proportional to the current can be determined, for example a magnetic field generated by the current or a voltage drop across a known resistor. In some embodiments, the measured current can be the current through a plurality of series-connected phase windings of the brushless DC motor and, in particular, the total current through the brushless DC motor. The current can be determined continuously during the entire measurement period or at a large number of discrete measurement times during the measurement period. The determination of the current can include the generation of an analog or digital measurement signal which characterizes the amplitude of the current as a function of time. In some embodiments, the determination of the current can include a temporal averaging, for example in order to smooth fluctuations, and / or an inter- or extrapolation between discrete data points.

Das elektrische Antriebssignal kann zum Beispiel eine von einer Spannungsquelle bereitgestellte Antriebsspannung für eine oder mehrere Phasenwicklungen oder eine Vielzahl von Antriebsspannungen für jeweils eine Phasenwicklung sein. Die erste Kommutierung umfasst ein Umschalten des elektrischen Antriebssignals, beispielsweise einen Vorzeichenwechsel einer Antriebsspannung oder das Anlegen einer Antriebsspannung an eine Phasenwicklung und/oder das Trennen einer Antriebsspannung von einer Phasenwicklung.The electrical drive signal can be, for example, a drive voltage provided by a voltage source for one or more phase windings or a multiplicity of drive voltages for one phase winding in each case. The first commutation comprises switching over the electrical drive signal, for example changing the sign of a drive voltage or applying a drive voltage to a phase winding and / or separating a drive voltage from a phase winding.

Der Messzeitraum kann unmittelbar im Anschluss an die erste Kommutierung beginnen oder kann um ein vordefiniertes Zeitintervall gegenüber der ersten Kommutierung verschoben sein. Der Messzeitraum kann einen vordefinierten Endpunkt aufweisen, beispielsweise ein Kommutierungs-Timeout Δt nach der ersten Kommutierung, zu dem spätestens die nächste Kommutierung erfolgen soll.The measurement period can begin immediately after the first commutation or can be shifted by a predefined time interval compared to the first commutation. The measurement period can have a predefined end point, for example a commutation timeout Δt after the first commutation, at which the next commutation should take place at the latest.

Der Verlauf des Stroms wird mit dem Triggerschwellenwert verglichen, beispielsweise mittels einer analogen und/oder digitalen Komparatorschaltung oder einer mikroprozessorbasierten Datenverarbeitung. Anhand des Vergleichs wird der Triggerzeitpunkt bestimmt, zu dem der Strom dem Triggerschwellenwert entspricht. Der Triggerzeitpunkt kann beispielsweise der zeitlich erste Zeitpunkt innerhalb des Messzeitraums sein, zu dem der Strom den Triggerschwellenwert erreicht.The course of the current is compared with the trigger threshold value, for example by means of an analog and / or digital comparator circuit or a microprocessor-based data processing. Based on the comparison, the trigger point in time at which the current corresponds to the trigger threshold is determined. The trigger point in time can be, for example, the first point in time within the measurement period at which the current reaches the trigger threshold value.

Basierend auf dem Triggerzeitpunkt wird anschließend der zweite Kommutierungszeitpunkt bestimmt, zu dem eine zweite Kommentierung des Antriebsignals durchgeführt werden soll. Damit stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine einfach zu implementierende und kostengünstige Lösung dar, Kommutierungszeitpunkte für einen bürstenlosen Gleichstrommotor ohne Sensoren zur Messung der Motorlage zu bestimmen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die oben beschriebenen Anwendungen mit strikten Anforderungen an Kosten, Komplexität und Größe des Motors wünschenswert. Viele bürstenlose Gleichstrommotoren sind bereits dazu eingerichtet, den Strom durch eine Phasenwicklung zu bestimmen, beispielsweise über eine Spannungsmessung an einem Shunt-Widerstand. Zudem kann ein Vergleich des gemessenen Stroms mit einem Schwellenwert mit Hilfe eines Mikrocontrollers implementiert werden und erfordert nur eine geringe Rechenleistung. Ein Mikrocontroller ist bei vielen Motoren bereits in der zugehörigen Steuereinheit verbaut, so dass für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vielfach nur eine entsprechende Modifikation der Steuereinheit nötig ist. Zudem kann das erfindungsgemäß Verfahren über einen weiten Drehzahlbereich zuverlässig eingesetzt werden und insbesondere bereits bei sehr geringen Drehzahlen, z.B. auch bei einer Drehzahl von weniger als 50 1/min.Based on the trigger time, the second commutation time at which a second commenting of the drive signal is to be carried out is then determined. The method according to the invention thus represents a simple to implement and cost-effective solution for determining commutation times for a brushless DC motor without sensors for measuring the motor position. This is particularly desirable in view of the applications described above with strict requirements in terms of cost, complexity and size of the motor. Many brushless DC motors are already set up to determine the current through a phase winding, for example by measuring the voltage on a shunt resistor. In addition, a comparison of the measured current with a threshold value can be implemented with the aid of a microcontroller and requires only little computing power. A microcontroller is already built into the associated control unit in many motors, so that in many cases only a corresponding modification of the control unit is necessary for carrying out the method according to the invention. In addition, the method according to the invention can be used reliably over a wide speed range and in particular even at very low speeds, e.g. even at a speed of less than 50 1 / min.

Der Triggerschwellenwert kann beispielsweise basierend auf einem idealen Verlauf des Stroms durch die Phasenwicklung bestimmt werden. Der ideale Verlauf kann z.B. der Stromverlauf sein, bei dem der bürstenlose Gleichstrommotor im Mittel das höchste Drehmoment generiert und/oder die höchste Energieeffizienz aufweist. Der ideale Verlauf kann im Voraus für die jeweilige Motorengeometrie beispielsweise anhand eines physikalischen Modells berechnet oder empirisch bestimmt werden.The trigger threshold value can be determined, for example, based on an ideal course of the current through the phase winding. The ideal curve can be, for example, the current curve in which the brushless DC motor generates the highest torque on average and / or has the highest energy efficiency. The ideal course can be calculated in advance for the respective engine geometry, for example using a physical model, or determined empirically.

Der Triggerschwellenwert kann abhängig von einem Sollstromwert für die Phasenwicklung bestimmt werden. Der Sollstromwert kann beispielsweise dem Strom durch die Phasenwicklung entsprechen, der sich beim Anlegen einer konstanten Versorgungsspannung an den bürstenlosen Gleichstrommotor im Gleichgewicht einstellt. Die Versorgungsspannung kann z.B. basierend auf einem zu generierenden Solldrehmoment und/oder einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand der Phasenwicklung und/oder des bürstenlosen Gleichstrommotors berechnet werden. Der Triggerschwellenwert kann beispielsweise dem Sollstromwert entsprechen oder um einen vordefinierten relativen oder absoluten Offset von diesem abweichen. Der Triggerschwellenwert kann insbesondere der Differenz aus dem Sollstromwert und einem Vorkommutierungs-Offset entsprechen. Der Vorkommutierungs-Offset kann beispielsweise ein vordefinierter Anteil des Sollstroms sein, zum Beispiel zwischen 0% und 25 % des Sollstroms.The trigger threshold value can be determined as a function of a setpoint current value for the phase winding. The setpoint current value can correspond, for example, to the current through the phase winding which is established in equilibrium when a constant supply voltage is applied to the brushless DC motor. The supply voltage can, for example, be calculated based on a target torque to be generated and / or a temperature-dependent electrical resistance of the phase winding and / or the brushless DC motor. The trigger threshold value can, for example, correspond to the setpoint current value or deviate from it by a predefined relative or absolute offset. The trigger threshold value can in particular correspond to the difference between the setpoint current value and a pre-commutation offset. The pre-commutation offset can, for example, be a predefined portion of the target current, for example between 0% and 25% of the target current.

In manchen Ausführungsformen kann der Vorkommutierungs-Offset als Funktion der Zeit variieren. Der Vorkommutierungs-Offset kann abhängig von einem Zustand des bürstenlosen Gleichstrommotors gewählt werden, zum Beispiel abhängig von einer Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotor und/oder abhängig davon ob sich der bürstenlose Gleichstrommotor in einer Startphase befindet, in der der bürstenlose Gleichstrommotor aus dem Stillstand angefahren wird, oder in einer auf die Startphase folgenden Anlaufphase, in der der bürstenlose Gleichstrommotor beispielsweise auf eine Solldrehzahl beschleunigt wird, oder in einer auf die Anlaufphase folgenden Dauerbetriebsphase befindet, in der der bürstenlose Gleichstrommotor z.B. die Solldrehzahl erreicht hat.In some embodiments, the pre-commutation offset may vary as a function of time. The pre-commutation offset may depend on a state of the brushless DC motor can be selected, for example depending on a speed of the brushless DC motor and / or depending on whether the brushless DC motor is in a start phase in which the brushless DC motor is started from standstill, or in a start-up phase following the start phase in which the brushless DC motor is accelerated to a target speed, for example, or is in a continuous operating phase following the start-up phase in which the brushless DC motor has, for example, reached the target speed.

Der Vorkommutierungs-Offset wird in vorteilhaften Ausgestaltungen so gewählt, dass der Motor zu jedem Zeitpunkt im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Dies kann generell dazu führen, dass der Vorkommutierungs-Offset während einer Beschleunigungsphase des BLDC-Motors im Wesentlichen konstant bleibt, oder vergrößert oder verringert wird.In advantageous refinements, the pre-commutation offset is selected in such a way that the motor is operated at the optimal operating point at all times. This can generally lead to the pre-commutation offset remaining essentially constant during an acceleration phase of the BLDC motor, or being increased or decreased.

Der Vorkommutierungs-Offset kann zum Beispiel während der Anlaufphase von einem Anlauf-Offsetwert auf einen Betriebs-Offsetwert reduziert werden. Der Anlauf-Offsetwert kann zum Beispiel zwischen 10% und 25% des Sollstroms betragen, in einem Beispiel zwischen 15 % und 20 %. Der Betriebs-Offsetwert kann zum Beispiel zwischen 0% und 4% des Sollstroms betragen, in einem Beispiel zwischen 1% und 3%. Der Anlauf-Offsetwert und/oder der Betriebs-Offsetwert können beispielsweise abhängig von einer Last des bürstenlosen Gleichstrommotors, einer Stellung eines mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor gekoppelten Stellungsglied und/oder einer gewünschten Beschleunigung gewählt werden. Der Vorkommutierungs-Offset kann beispielsweise linear von dem Anlauf-Offsetwert auf den Betriebs-Offsetwert reduziert werden, d.h. um einen gleichbleibenden Betrag in jeder Kommutierungsphase. Alternativ kann der Vorkommutierungs-Offset einen nicht-linearen Verlauf aufweisen, beispielsweise basierend auf einer vorgegebenen Beschleunigungskurve. Der Vorkommutierungs-Offset kann zudem während einer Abbremsphase wieder erhöht werden, beispielsweise gegenläufig zur Reduktion während Anlaufphase.The pre-commutation offset can, for example, be reduced from a start-up offset value to an operating offset value during the start-up phase. The start-up offset value can be, for example, between 10% and 25% of the setpoint current, in one example between 15% and 20%. The operating offset value can be, for example, between 0% and 4% of the target current, in one example between 1% and 3%. The start-up offset value and / or the operating offset value can be selected, for example, depending on a load of the brushless DC motor, a position of a positioner coupled to the brushless DC motor and / or a desired acceleration. The pre-commutation offset can, for example, be reduced linearly from the start-up offset value to the operating offset value, i.e. by a constant amount in each commutation phase. Alternatively, the pre-commutation offset can have a non-linear profile, for example based on a predefined acceleration curve. The pre-commutation offset can also be increased again during a deceleration phase, for example in the opposite direction to the reduction during the start-up phase.

Die erste Kommutierung kann beispielsweise eine Zwangskommutierung zu einem vordefinierten ersten Kommutierungszeitpunkt sein, d. h. eine Kommutierung, die unabhängig von der Rotorlage durchgeführt wird. Alternativ kann die erste Kommutierung eine abhängig von der Rotorlage durchgeführte Kommutierung und/oder eine Kommutierung sein, die zu einem zu mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Kommutierungszeitpunkt durchgeführt wird.The first commutation can, for example, be a forced commutation at a predefined first commutation time; H. a commutation that is carried out independently of the rotor position. Alternatively, the first commutation can be a commutation carried out as a function of the rotor position and / or a commutation which is carried out at a commutation time determined by means of the method according to the invention.

In manchen Ausführungsformen kann der bürstenlose Gleichstrommotor beispielsweise in der Startphase durch Zwangskommutierungen aus dem Stillstand beschleunigt werden und anschließend während der Anlaufphase das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, um die Kommutierungszeitpunkte zu bestimmen. In manchen Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Dauerbetriebsphase eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können in der Anlauf- und/oder Dauerbetriebsphase die Kommutierungszeitpunkte auch anhand der BEMF-Spannung und/oder anhand charakteristischer Kurvenpunkte des Stromverlaufs bestimmt werden, beispielsweise wie im Folgenden beschrieben. In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens kann die zur Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte verwendete Methode abhängig von einer Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors gewählt werden. Beispielsweise können die Kommutierungszeitpunkte unterhalb einer ersten Mindestdrehzahl von z.B. 800 1/min anhand des Triggerschwellenwerts bestimmt werden und anhand der BEMF-Spannung oberhalb der ersten Mindestdrehzahl und/oder anhand des Triggerschwellenwerts unterhalb einer zweiten Mindestdrehzahl von z.B. 50 1/min und anhand charakteristischer Kurvenpunkte oberhalb der zweiten Mindestdrehzahl.In some embodiments, the brushless DC motor can be accelerated from standstill by forced commutations, for example in the start phase, and the method according to the invention can then be carried out during the start-up phase in order to determine the commutation times. In some embodiments, the method according to the invention can also be used in the continuous operating phase. Alternatively or additionally, in the start-up and / or continuous operation phase, the commutation times can also be determined on the basis of the BEMF voltage and / or on the basis of characteristic curve points of the current profile, for example as described below. In some refinements of the method, the method used to determine the commutation times can be selected as a function of a speed of the brushless direct current motor. For example, the commutation times can be determined below a first minimum speed of e.g. 800 1 / min using the trigger threshold value and using the BEMF voltage above the first minimum speed and / or using the trigger threshold value below a second minimum speed of e.g. 50 1 / min and using characteristic curve points above the second minimum speed.

Der zweite Kommutierungszeitpunkt kann dem Triggerzeitpunkt entsprechen, d. h. die zweite Kommutierung kann z.B. unmittelbar durchgeführt werden, sobald der Strom den Triggerschwellenwert erreicht. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Kommutierungszeitpunkt gegenüber dem Triggerzeitpunkt um eine vordefinierte Zeitverzögerung verschoben sein. Die Zeitverzögerung kann ähnlich wie der Vorkommutierungs-Offset als Funktion der Zeit variieren, beispielsweise abhängig vom Zustand des bürstenlosen Gleichstrommotors.The second commutation time can correspond to the trigger time, d. H. the second commutation can, for example, be carried out immediately as soon as the current reaches the trigger threshold. In other embodiments, the second commutation time can be shifted by a predefined time delay with respect to the trigger time. Similar to the pre-commutation offset, the time delay can vary as a function of time, for example depending on the state of the brushless DC motor.

In manchen Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin einen Schritt umfassen, in dem bestimmt wird, ob der Strom während des Messzeitraums einen charakteristischen Kurvenpunkt aufweist sowie gegebenenfalls zusätzlich ein Referenzzeitpunkt bestimmt werden, zu dem der charakteristische Kurvenpunkts auftritt. Ein charakteristischer Kurvenpunkts kann beispielsweise ein Extremum, d.h. ein Minimum oder Maximum, ein Sattelpunkt und/oder ein Wendepunkt sein. Solche charakteristischen Kurvenpunkte können Rückschlüsse auf die Lage eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors ermöglichen und es somit ebenfalls erlauben, einen dynamischen Kommutierungszeitpunkt ohne Rotorlagesensor zu bestimmen.In some embodiments, the method according to the invention can furthermore include a step in which it is determined whether the current has a characteristic curve point during the measurement period and, if necessary, a reference point in time at which the characteristic curve point occurs is additionally determined. A characteristic curve point can, for example, be an extremum, i.e. a minimum or maximum, a saddle point and / or a turning point. Such characteristic curve points can enable conclusions to be drawn about the position of a rotor of the brushless direct current motor and thus also allow a dynamic commutation time to be determined without a rotor position sensor.

In manchen Ausführungsformen kann daher der zweite Kommutierungszeitpunkt basierend auf dem Triggerzeitpunkt und dem Referenzzeitpunkt bestimmt werden. In einem Beispiel kann ein erster potentieller Kommutierungszeitpunkt auf Basis des Triggerzeitpunkt bestimmt werden, z.B. wie oben beschrieben, und zusätzlich ein zweiter potentieller Kommutierungszeitpunkt auf Basis des Referenzzeitpunkts bestimmt werden. Der erste und der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt können insbesondere unabhängig vom Referenzzeitpunkt bzw. Triggerzeitpunkt bestimmt werden. In manchen Ausführungsformen kann der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt beispielsweise der Summe aus dem Referenzzeitpunkt und der Differenz zwischen dem Referenzzeitpunkt und dem ersten Kommutierungszeitpunkt entsprechen. Die Bestimmung des zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkts kann zudem das Addieren oder Subtrahieren eines Zeitoffset umfassen.In some embodiments, the second commutation time can therefore be determined based on the trigger time and the reference time. In one example, a first potential commutation time can be determined on the basis of the trigger time, for example as above and a second potential commutation time can also be determined on the basis of the reference time. The first and the second potential commutation time can in particular be determined independently of the reference time or trigger time. In some embodiments, the second potential commutation time can correspond, for example, to the sum of the reference time and the difference between the reference time and the first commutation time. The determination of the second potential commutation time can also include adding or subtracting a time offset.

Der zweite Kommutierungszeitpunkt kann auf Basis des ersten und des zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkts bestimmt werden. In manchen Ausführungsformen wird für den zweiten Kommutierungszeitpunkt der erste potentielle Kommutierungszeitpunkt gewählt, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt mehr als eine vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkts liegt oder kein charakteristische Kurvenpunkt während des Messzeitraums auftritt. Liegt der zweite Kommutierungszeitpunkt weniger als die vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkts, wird der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt für den zweiten Kommutierungszeitpunkt gewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann es somit ermöglichen, eine Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkt basierend auf dem charakteristischen Kurvenpunkt zu verbessern, indem der anhand des Triggerschwellenwerts bestimmte erste potentielle Kommutierungszeitpunkt als „Timeout“ verwendet wird, um eine Kommutierung zu erzwingen, falls kein charakteristischer Kurvenpunkt rechtzeitig erkannt wird. Die Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkt anhand des Triggerschwellenwerts kann insbesondere bei sehr niedrigen Drehzahlen, beispielsweise weniger als 50 1/min, und/oder einer hohen Motorlast zuverlässiger als die Bestimmung anhand des charakteristischen Kurvenpunkts sein. In diesem Drehzahlbereich kann die induzierte Spannung, welche den charakteristischen Kurvenpunkt hervorrufen kann, zu gering sein, um eine zuverlässige Bestimmung des charakteristischen Kurvenpunkt zu ermöglichen, beispielsweise sobald die induzierte Spannung weniger als 0,2 V oder weniger als 0,1 V beträgtThe second commutation time can be determined on the basis of the first and the second potential commutation time. In some embodiments, the first potential commutation time is selected for the second commutation time if the second potential commutation time is more than a predefined time difference after the first potential commutation time or if no characteristic curve point occurs during the measurement period. If the second commutation time is less than the predefined time difference after the first potential commutation time, the second potential commutation time is selected for the second commutation time. The method according to the invention can thus make it possible to improve a determination of the second commutation time based on the characteristic curve point by using the first potential commutation time determined using the trigger threshold value as a “timeout” in order to force commutation if no characteristic curve point is detected in good time . The determination of the second commutation time on the basis of the trigger threshold value can be more reliable than the determination on the basis of the characteristic curve point, in particular at very low speeds, for example less than 50 1 / min, and / or a high motor load. In this speed range, the induced voltage, which can cause the characteristic curve point, can be too low to enable a reliable determination of the characteristic curve point, for example as soon as the induced voltage is less than 0.2 V or less than 0.1 V.

In manchen Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße Verfahren mehrfach wiederholt werden, beispielsweise für jede einer Vielzahl von Kommutierungsphasen. Der zweite Kommutierungszeitpunkt kann basierend auf dem Triggerzeitpunkt und einem oder mehreren vorangegangenen Kommutierungszeitpunkten bestimmt werden. Beispielsweise kann der zweite Kommutierungszeitpunkt einem gewichteten Mittelwert der vorangegangenen Kommutierungszeitpunkte und eines auf Basis des Triggerzeitpunkt bestimmten potentiellen Kommutierungszeitpunkts entsprechen. Damit kann etwa in der Dauerbetriebsphase eine ungünstige Kommutierung aufgrund einer kurzfristigen Stromspitze verhindert werden.In some embodiments, the method according to the invention can be repeated several times, for example for each of a large number of commutation phases. The second commutation time can be determined based on the trigger time and one or more previous commutation times. For example, the second commutation time can correspond to a weighted mean value of the previous commutation times and a potential commutation time determined on the basis of the trigger time. In this way, for example, in the continuous operating phase, unfavorable commutation due to a short-term current peak can be prevented.

Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, der mindestens eine Phasenwicklung aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors wie oben beschrieben auszuführen, um einen zweiten Kommutierungszeitpunkt zu bestimmen. Die Steuereinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, eine Kommutierung eines elektrischen Antriebsignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor zum zweiten Kommutierungszeitpunkt durchzuführen.The invention further comprises a device with a brushless direct current motor which has at least one phase winding. The device according to the invention is characterized in that the device comprises a control unit which is set up to carry out a method for commutating the brushless direct current motor as described above in order to determine a second commutation time. The control unit is also set up to commutate an electrical drive signal for the brushless direct current motor at the second commutation time.

Die Vorrichtung kann eine Spannungsquelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine Antriebsspannung als Antriebssignal für den bürstenlosen Gleichstrommotor bereitzustellen. In manchen Ausführungsformen kann die Spannungsquelle eine pulsweitenmodulierte (PWM) Antriebsspannung ausgeben. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Spannungsquelle zu steuern, insbesondere eine Amplitude und/oder ein PWM-Tastverhältnis der Antriebsspannung. Die Vorrichtung kann weiterhin eine Kommutierungsschaltung wie beispielsweise eine Brückenschaltung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Antriebsspannung zu kommutieren, z.B. auf Basis eines von der Steuereinheit generierten Trigger- oder Steuersignals.The device can comprise a voltage source which is set up to provide a drive voltage as a drive signal for the brushless direct current motor. In some embodiments, the voltage source can output a pulse width modulated (PWM) drive voltage. The control unit can be set up to control the voltage source, in particular an amplitude and / or a PWM duty cycle of the drive voltage. The device can also have a commutation circuit, such as a bridge circuit, which is set up to commutate the drive voltage, e.g. on the basis of a trigger or control signal generated by the control unit.

In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung einen Shunt-Widerstand umfassen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Strom durch Messung eines Stroms über den Shunt-Widerstand zu bestimmen. Der Shunt-Widerstand kann sich beispielsweise in einer Zuleitung für den bürstenlosen Gleichstrommotor und/oder für die Phasenwicklung oder innerhalb der Brückenschaltung befinden. Der Shunt-Widerstand kann insbesondere zwischen der Phasenwicklung und einem Erdungskontakt angeordnet sein. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine am Shunt-Widerstand abfallende Spannung zu messen und anhand eines bekannten Widerstands des Shunt-Widerstands den Strom über den Shunt-Widerstand zu berechnen. In manchen Ausgestaltungen kann die Vorrichtung mehrere Shunt-Widerstände aufweisen, zum Beispiel je einen Shunt-Widerstand in der Zuleitung jeder Phasenwicklung beziehungsweise jeweils zwischen einer Phasenwicklung und Masse. Entsprechend kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, den Strom durch jeden dieser Shunt-Widerstände zu messen. In anderen Ausgestaltungen kann die Strommessung auch mittels einer in der Brückenschaltung angeordneten Stromspiegelschaltung erfolgen.In some embodiments, the device can comprise a shunt resistor, wherein the control unit is configured to determine the current by measuring a current through the shunt resistor. The shunt resistor can be located, for example, in a supply line for the brushless direct current motor and / or for the phase winding or within the bridge circuit. The shunt resistor can in particular be arranged between the phase winding and a ground contact. The control unit can be set up, for example, to measure a voltage drop across the shunt resistor and to calculate the current through the shunt resistor on the basis of a known resistance of the shunt resistor. In some configurations, the device can have a plurality of shunt resistors, for example one shunt resistor each in the supply line of each phase winding or between a phase winding and ground. Accordingly, the control unit can be set up to measure the current through each of these shunt resistors. In other configurations can the current measurement can also take place by means of a current mirror circuit arranged in the bridge circuit.

Die Steuereinheit kann als Hardware und/oder Software implementiert sein. Die Steuereinheit kann beispielsweise einen Mikrocontroller aufweisen, der einen Prozessor und ein Speichermedium umfasst, wobei das Speichermedium Programmbefehle enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit analoge oder digitale elektronische Schaltungen umfassen.The control unit can be implemented as hardware and / or software. The control unit can for example have a microcontroller which comprises a processor and a storage medium, the storage medium containing program instructions which can be executed by the processor in order to execute the method according to the invention. Alternatively or additionally, the control unit can comprise analog or digital electronic circuits.

In manchen Ausführungsformen weist die Steuereinheit einen Analog-Digital-Wandler auf, der dazu eingerichtet ist, ein analoges Signal des Verlaufs des Stroms in ein digitales Signal umzuwandeln. Der Analog-Digital-Wandler kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine elektrische Spannung, die die Amplitude des Stroms charakterisiert, in ein digitales Signal umzuwandeln. Der Mikrocontroller kann dazu eingerichtet sein, anhand des digitalen Signals den Strom mit dem Triggerschwellenwert zu vergleichen, um den Triggerzeitpunkt zu bestimmen, z.B. wie oben beschrieben. In anderen Ausführungsformen kann die Steuereinheit eine analoge oder digitale Komparatorschaltung umfassen, die dazu eingerichtet ist, den Strom durch die Phasenwicklung mit dem Triggerschwellenwert zu vergleichen. Die Komparatorschaltung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, ein Triggersignal zu erzeugen, sobald der Strom den Triggerschwellenwert erreicht.In some embodiments, the control unit has an analog-to-digital converter which is set up to convert an analog signal of the course of the current into a digital signal. The analog-digital converter can be set up, for example, to convert an electrical voltage, which characterizes the amplitude of the current, into a digital signal. The microcontroller can be set up to use the digital signal to compare the current with the trigger threshold value in order to determine the trigger time, e.g. as described above. In other embodiments, the control unit can comprise an analog or digital comparator circuit which is configured to compare the current through the phase winding with the trigger threshold value. The comparator circuit can be set up, for example, to generate a trigger signal as soon as the current reaches the trigger threshold value.

In manchen Ausgestaltungen ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Last des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmen. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, mittels der Spannungsquelle Lageerkennungspulse für ein induktives Element des bürstenlosen Gleichstrommotors wie beispielsweise eine Phasenwicklung zu erzeugen, um die Induktivität des induktiven Elements und damit eine Stillstandslage eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmen. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, mittels der Spannungsquelle ein Lastabschätzungs-Antriebsignal für den bürstenlosen Gleichstrommotor zu erzeugen und die Stillstandslage des Rotors vor und nach dem Lastabschätzungs-Antriebsignal zu ermitteln, um die Last zu bestimmen. In einer anderen Ausführungsform kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Last des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmen, indem ein Strom durch ein induktives Element des bürstenlosen Gleichstrommotors gemessen wird während der Rotor um eine Gleichgewichtslage schwingt und die Amplitude einer daraus resultierenden Oszillation des Stroms bestimmt wird. Eine solche Schwingung um eine Gleichgewichtslage kann beispielsweise während einer Zwangskommutierungsphase auftreten.In some configurations, the control unit is set up to determine a load of the brushless direct current motor. The control unit can, for example, be set up to use the voltage source to generate position detection pulses for an inductive element of the brushless DC motor, such as a phase winding, in order to determine the inductance of the inductive element and thus a standstill position of a rotor of the brushless DC motor. The control unit can also be configured to generate a load estimation drive signal for the brushless DC motor by means of the voltage source and to determine the standstill position of the rotor before and after the load estimation drive signal in order to determine the load. In another embodiment, the control unit can be set up to determine the load of the brushless direct current motor by measuring a current through an inductive element of the brushless direct current motor while the rotor oscillates about an equilibrium position and the amplitude of a resulting oscillation of the current is determined. Such an oscillation around an equilibrium position can occur, for example, during a forced commutation phase.

Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, den Triggerschwellenwert an die Last anzupassen. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, den Vorkommutierungs-Offset abhängig von der Last zu wählen, beispielsweise einen großen Vorkommutierungs-Offset bei einer geringen Last und einen kleinen Vorkommutierungs-Offset bei einer hohen Last. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, den Anlauf-Offsetwert und/oder den Betriebs-Offsetwert abhängig von der Last zu wählen. Ferner kann die Steuereinheit beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Dauer der Anlaufphase an die Last anzupassen.The control unit can also be configured to adapt the trigger threshold value to the load. The control unit can, for example, be set up to select the pre-commutation offset as a function of the load, for example a large pre-commutation offset with a low load and a small pre-commutation offset with a high load. The control unit can in particular be set up to select the start-up offset value and / or the operating offset value as a function of the load. Furthermore, the control unit can be set up, for example, to adapt the duration of the start-up phase to the load.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, Kommutierungszeitpunkte für das Antriebsignal abhängig von einem Zustand des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmen, beispielsweise abhängig von einer Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors und/oder der Phase, in der sich der bürstenlose Gleichstrommotor befindet. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, in einer Startphase eine Zwangskommutierungen des Antriebsignals zu vordefinierten Kommutierungszeitpunkten durchzuführen, um den bürstenlosen Gleichstrommotor aus dem Stillstand anzufahren. Die Startphase kann eine vordefinierte Anzahl von Zwangskommutierungen umfassen, beispielsweise zwischen 2 und 30 Zwangskommutierungen. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, in einer auf die Startphase folgenden Anlaufphase eine Kommutierung des Antriebsignals zu Kommutierungszeitpunkten durchzuführen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wurden. In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein während der Anlaufphase und/oder einer Dauerbetriebsphase nach der Anlaufphase ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte zu verwenden, beispielsweise basierend auf charakteristischen Kurvenpunkten und/oder der BEMF-Spannung.In a preferred embodiment, the control unit is set up to determine commutation times for the drive signal depending on a state of the brushless DC motor, for example depending on a speed of the brushless DC motor and / or the phase in which the brushless DC motor is located. The control unit can in particular be set up to carry out forced commutation of the drive signal at predefined commutation times in a start phase in order to start the brushless DC motor from standstill. The start phase can include a predefined number of forced commutations, for example between 2 and 30 forced commutations. The control unit can furthermore be set up to carry out a commutation of the drive signal at commutation times, which were determined by means of the method according to the invention, in a start-up phase following the start phase. In some embodiments, the control unit can be set up to use a further method for determining the commutation times during the start-up phase and / or a continuous operating phase after the start-up phase, for example based on characteristic curve points and / or the BEMF voltage.

In manchen Ausführungsformen kann der bürstenlose Gleichstrommotor mit einem Stellglied, beispielsweise einem Ventil, insbesondere einem Nadelventil, gekoppelt sein. Die Steuereinheit ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Anzahl der Zwangskommutierungen in der Startphase abhängig von einer Anfangsstellung des Stellglieds und/oder einer Last des bürstenlosen Gleichstrommotors zu wählen. In manchen Ausführungsformen kann eine Last des bürstenlosen Gleichstrommotors abhängig von der Stellung des Stellglieds sein und beispielsweise in der Nähe eines Endanschlages höher sein als in anderen Bereichen des Verfahrbereichs des Stellglieds. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, den Triggerschwellenwert abhängig von der Stellung des Stellglieds zu wählen, beispielsweise durch eine entsprechende Anpassung des Vorkommutierungs-Offsets.In some embodiments, the brushless DC motor can be coupled to an actuator, for example a valve, in particular a needle valve. The control unit is preferably set up to select the number of forced commutations in the start phase as a function of an initial position of the actuator and / or a load of the brushless DC motor. In some embodiments, a load of the brushless DC motor can be dependent on the position of the actuator and, for example, be higher in the vicinity of an end stop than in other areas of the travel range of the actuator. The control unit can also be set up to to choose the trigger threshold depending on the position of the actuator, for example by adjusting the pre-commutation offset accordingly.

FigurenlisteFigure list

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung

  • 1: eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß einem Beispiel;
  • 2: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß einem Beispiel;
  • 3a: ein Beispiel für einen Stromverlauf durch einen Shunt-Widerstand eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors im Betrieb;
  • 3b: ein Beispiel für einen Stromverlauf durch einen Shunt-Widerstand eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit Anpassung eines Vorkommutierungs-Offsets;
  • 4a: ein Beispiel für einen Verlauf des Stroms durch eine Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit geringer Last und Kommutierung basierend auf einem Wendepunkt des Stromverlaufs;
  • 4b: ein Beispiel für einen Verlauf des Stroms durch eine Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit hoher Last und Kommutierung basierend auf einem Wendepunkt des Stromverlaufs; und
  • 4c: ein Beispiel für einen Verlauf des Stroms durch eine Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit Kommutierung basierend auf einem Triggerschwellenwert.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. In the figures show in a schematic representation
  • 1 : an apparatus having a brushless DC motor according to an example;
  • 2 : a flowchart of a method for commutating a brushless DC motor according to an example;
  • 3a : an example of a current curve through a shunt resistor of a commutating brushless DC motor during operation;
  • 3b : an example of a current profile through a shunt resistor of a commutating brushless DC motor with adaptation of a pre-commutation offset;
  • 4a : an example of a course of the current through a phase winding of a commutating brushless DC motor with low load and commutation based on a turning point of the current course;
  • 4b : an example of a course of the current through a phase winding of a commutating brushless DC motor with high load and commutation based on a turning point of the current course; and
  • 4c : an example of a course of the current through a phase winding of a commutating brushless DC motor with commutation based on a trigger threshold value.

BESCHREIBUNG DER FIGURENDESCRIPTION OF THE FIGURES

1 zeigt eine Vorrichtung 100 gemäß einem Beispiel, mit der das erfindungsgemäße Verfahren implementiert werden kann. Die Vorrichtung 100 umfasst einen als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotor 102, der aus einem äußeren Stator 104 und einem beweglich gelagerten inneren Rotor 106 besteht. Der Rotor 106 umfasst einen oder mehrere Permanentmagnete 108 und kann mit anderen beweglichen Elementen (nicht gezeigt) mechanisch gekoppelt sein, zum Beispiel mit einem Stellglied wie einem Kolben eines Nadelventils. Der Stator 104 weist mehrere Phasenwicklungen 110 auf, von denen jeweils ein Ende über einen Sternpunkt 112 mit den anderen Phasenwicklungen 110 verbunden ist. In anderen Ausgestaltungen der Vorrichtung 100 können die Phasenwicklungen 110 auch über eine Dreiecksschaltung verbunden sein oder einzeln ansteuerbar sein. 1 shows an apparatus 100 according to an example with which the method according to the invention can be implemented. The device 100 comprises an electric motor designed as a brushless direct current motor 102 that consists of an outer stator 104 and a movably mounted inner rotor 106 consists. The rotor 106 includes one or more permanent magnets 108 and can be mechanically coupled to other movable elements (not shown), for example to an actuator such as a piston of a needle valve. The stator 104 has several phase windings 110 on, each of which has one end via a star point 112 with the other phase windings 110 connected is. In other configurations of the device 100 can the phase windings 110 also be connected via a delta connection or individually controllable.

Zur Steuerung des Motors umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit 114, eine Spannungsquelle 116 und eine Brückenschaltung 118. Die Steuereinheit 114 ist dazu eingerichtet, die Ströme durch die Phasenwicklungen 110 mittels der Spannungsquelle 116 und/oder der Brückenschaltung 118 so zu regeln, dass ein zeitabhängiges Magnetfeld erzeugt wird, welches den Rotor 106 in Bewegung versetzen kann. Durch Regelung der Ströme kann die Motorbewegung kontrolliert werden. Die Spannungsquelle kann dazu eingerichtet sein, mittels Pulsweitenmodulation (PWM) elektrische Spannungspulse mit einem variablen Tastverhältnis als Antriebsignale für die Phasenwicklungen zu erzeugen. In einem anderen Beispiel kann die Steuereinheit 114 eine regelbare Gleichspannungsquelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere variable Gleichspannungen als Antriebsignale bereitzustellen.To control the motor, the device comprises a control unit 114 , a voltage source 116 and a bridge circuit 118 . The control unit 114 is set up to direct the currents through the phase windings 110 by means of the voltage source 116 and / or the bridge circuit 118 to regulate so that a time-dependent magnetic field is generated, which the rotor 106 can set in motion. The motor movement can be controlled by regulating the currents. The voltage source can be set up to generate electrical voltage pulses with a variable duty cycle as drive signals for the phase windings by means of pulse width modulation (PWM). In another example, the control unit 114 comprise a controllable DC voltage source which is set up to provide one or more variable DC voltages as drive signals.

Die Spannungsquelle 116 ist über die Brückenschaltung 118 mit den Phasenwicklungen 110 verbunden, wobei die Brückenschaltung dazu eingerichtet ist, das von der Spannungsquelle 116 bereitgestellte elektrische Antriebsignal zu kommutieren, beispielsweise auf Basis eines von der Steuereinheit 114 erzeugten Trigger- oder Steuersignal. Ein Ausgang der Spannungsquelle 116 ist mit einem Eingang 120 der Brückenschaltung 118 verbunden, um eine Versorgungsspannung anzulegen, zum Beispiel PWM-Spannungspulse. Ein Ausgang 122 der Brückenschaltung 118 ist mit einem Erdungskontakt 124 verbunden. Über eine Reihe von Eingangsschaltern 126 kann der Eingang 120 jeweils mit demjenigen Ende einer Phasenwicklung 110 verbunden werden, welches nicht mit dem Sternpunkt 112 verbunden ist. In gleicher Weise kann das entsprechende Ende mittels einer Reihe von Ausgangsschaltern 128 an den Ausgang 122 gekoppelt werden. Die Steuereinheit 114 ist dazu eingerichtet sein, die Eingangsschalter 126 und die Ausgangsschalter 128 geeignet anzusteuern, um die am Eingang 120 anliegende Versorgungsspannung zu kommutieren. Dafür können zum Beispiel die Phasenwicklungen 110 sukzessive paarweise mit dem Eingang 120 bzw. Ausgang 122 verbunden werden, so dass jeweils ein Phasenwicklungspaar über den Sternpunkt 112 in Reihe zwischen den Eingang 120 und den Ausgang 122 geschaltet ist und bei jeder Kommutierung auf ein anderes Phasenwicklungspaar umgeschaltet wird.The voltage source 116 is across the bridge circuit 118 with the phase windings 110 connected, wherein the bridge circuit is set up to the of the voltage source 116 to commutate provided electrical drive signal, for example on the basis of one of the control unit 114 generated trigger or control signal. One output of the voltage source 116 is with an entrance 120 the bridge circuit 118 connected to apply a supply voltage, for example PWM voltage pulses. An exit 122 the bridge circuit 118 is with a ground contact 124 tied together. Via a series of input switches 126 can the entrance 120 each with that end of a phase winding 110 which is not connected to the star point 112 connected is. In the same way, the corresponding end can be switched by means of a series of output switches 128 to the exit 122 be coupled. The control unit 114 is set up to use the input switch 126 and the output switches 128 suitable to head to the at the entrance 120 to commutate applied supply voltage. For example, the phase windings 110 successively in pairs with the entrance 120 or exit 122 are connected, so that each phase winding pair across the star point 112 in series between the entrance 120 and the exit 122 is switched and is switched to a different phase winding pair with each commutation.

Für die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Vorrichtung 100 einen Analog-Digital-Wandler 130 und einen Mikrocontroller 132 auf, welcher dazu eingerichtet ist, die im Folgenden in Bezug auf 2 beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen. Der Analog-Digital-Wandler 130 ist dazu eingerichtet, ein analoges Eingangssignal in ein digitales Signal umzuwandeln, zum Beispiel ein analoges Messsignal eines Messgeräts 136 oder eine Spannung, die proportional zu einer zu messenden Stromstärke ist. Hierzu kann der Analog-Digital-Wandler 130 eine Sample-and-Hold-Schaltung aufweisen. In einem Beispiel kann der Analog-Digital-Wandler 130 eine Auflösung von 12 Bit aufweisen. Die Steuereinheit 114 kann ferner eine Verstärkerschaltung (nicht gezeigt) umfassen, um das analoge Eingangssignal vor der Umwandlung zu verstärken. Der Mikrocontroller 132 ist dazu eingerichtet, das von dem Analog-Digital-Wandler 130 ausgegebene digitale Signal dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend zu verarbeiten. Der Mikrocontroller 132 kann ferner dazu eingerichtet sein, Steuersignale für die Spannungsquelle 114 und/oder die Brückenschaltung 118 zu erzeugen, beispielsweise um eine Kommutierung wie oben beschrieben durchzuführen.For the implementation of the method according to the invention, the device 100 an analog-to-digital converter 130 and a microcontroller 132 which is set up for this purpose, which is described below in relation to 2 to carry out the process steps described. The analog-to-digital converter 130 is set up to do this, an analog Converting an input signal into a digital signal, for example an analog measurement signal from a measuring device 136 or a voltage that is proportional to a current to be measured. The analog-to-digital converter 130 have a sample-and-hold circuit. In one example, the analog-to-digital converter 130 have a resolution of 12 bits. The control unit 114 may further include an amplifier circuit (not shown) to amplify the analog input signal prior to conversion. The microcontroller 132 is set up to do this by the analog-to-digital converter 130 to process output digital signal according to the method according to the invention. The microcontroller 132 can also be set up to provide control signals for the voltage source 114 and / or the bridge circuit 118 to generate, for example to carry out a commutation as described above.

Die Vorrichtung 100 weist zudem einen Shunt-Widerstand 134 auf, der sich zwischen dem Ausgang 122 der Brückenschaltung 118 und dem Erdungskontakt 124 befindet. Mittels eines Messgerätes 136 kann die über den Shunt-Widerstand 134 abfallende Spannung gemessen werden, um den zwischen Ausgang 122 und Erdungskontakt 124 fließenden Strom zu ermitteln („DC-link“-Messung). Ist der Ausgang 122 über die Ausgangsschalter 128 mit genau einer der Phasenwicklungen 110 verbunden, entspricht der über den Shunt-Widerstand 134 gemessene Strom dem durch die entsprechende Phasenwicklung 110 fließenden Strom. Die Steuereinheit 114 ist mit dem Messgerät 136 verbunden, um den über den Shunt-Widerstand 134 fließenden Strom zu bestimmen. In einem anderen Beispiel kann das Messgerät 136 ein Strommessgerät sein, welches sich direkt in der Leitung zwischen dem Ausgang 122 und dem Erdungskontakt 124 befindet.The device 100 also has a shunt resistance 134 on that is between the exit 122 the bridge circuit 118 and the ground contact 124 is located. Using a measuring device 136 can do that via the shunt resistor 134 falling voltage can be measured to the between output 122 and ground contact 124 to determine the flowing current ("DC-link" measurement). Is the exit 122 via the output switch 128 with exactly one of the phase windings 110 connected, corresponds to the one across the shunt resistor 134 measured current through the corresponding phase winding 110 flowing stream. The control unit 114 is with the meter 136 connected to the one across the shunt resistor 134 to determine the current flowing. In another example, the meter can 136 be an ammeter, which is located directly in the line between the output 122 and the ground contact 124 is located.

In anderen Ausführungsformen kann der Shunt-Widerstand 134 und/oder das Messgerät 136 an anderer Stelle angeordnet sein, beispielsweise zwischen der Spannungsquelle 116 und dem Eingang 120 der Brückenschaltung 118. In manchen Ausgestaltungen kann die Vorrichtung 100 auch mehrere Shunt-Widerstände aufweisen, die beispielsweise jeweils zwischen einem der Ausgangsschalter 128 und dem Ausgang 122 eingebracht sind („low-side“-Messung) oder zwischen dem Eingang 120 und einem der Eingangsschalter 126 („high-side“-Messung). Alternativ können die Shunt-Widerstände auch in den Zuleitungen zwischen der Brückenschaltung 118 und den Phasenwicklungen 112 angeordnet sein („in line“-Messung).In other embodiments, the shunt resistor 134 and / or the measuring device 136 be arranged elsewhere, for example between the voltage source 116 and the entrance 120 the bridge circuit 118 . In some configurations, the device can 100 also have several shunt resistors, for example each between one of the output switches 128 and the exit 122 are introduced ("low-side" measurement) or between the input 120 and one of the entrance switches 126 ("High-side" measurement). Alternatively, the shunt resistors can also be in the supply lines between the bridge circuit 118 and the phase windings 112 be arranged ("in line" measurement).

Neben dem in 1 dargestellten Beispiel 100 können zahlreiche weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert werden. Die Steuereinheit 114 kann zum Beispiel mit der Spannungsquelle 116 und/oder dem Messgerät 136 in einer gemeinsamen Einheit zusammengefasst sein, welche die entsprechenden Aufgaben wahrnimmt. Des Weiteren kann die Steuereinheit 114 auch eine analoge oder digitale Komparatorschaltung umfassen, um den vom Messgerät 136 gemessenen Strom mit einem Triggerschwellenwert wie unten beschrieben zu vergleichen. In manchen Ausgestaltungen kann die Vorrichtung 100 das Messgerät 136 nicht aufweisen und der Analog-Digital-Wandler 130 dazu eingerichtet sein, die an dem Shunt-Widerstand 134 abfallende Spannung direkt in ein digitales Signal umzuwandeln, welches den durch die Phasenwicklungen 110 fließenden Strom charakterisiert. Daneben kann die Anzahl und/oder Verschaltung der Phasenwicklungen 110 variieren. Diese können beispielsweise nicht miteinander verbunden sein, sondern einzeln angesteuert werden. Zudem kann die Vorrichtung 100 dazu eingerichtet sein, den Strom durch jede der Phasenwicklungen 110 einzeln zu messen. Des Weiteren können andere Elektromotor-Bauformen zu Einsatz kommen.In addition to the in 1 In the example 100 shown, numerous further configurations of the device according to the invention can be implemented. The control unit 114 can for example with the voltage source 116 and / or the measuring device 136 be combined in a common unit that performs the relevant tasks. Furthermore, the control unit 114 also include an analog or digital comparator circuit to match that of the measuring device 136 Compare the measured current with a trigger threshold as described below. In some configurations, the device can 100 the meter 136 do not have and the analog-to-digital converter 130 to be set up on the shunt resistor 134 to convert the falling voltage directly into a digital signal, which is transmitted through the phase windings 110 characterizes flowing stream. In addition, the number and / or connection of the phase windings 110 vary. For example, these cannot be connected to one another, but rather controlled individually. In addition, the device 100 be arranged to pass the current through each of the phase windings 110 to measure individually. Other electric motor designs can also be used.

In 2 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß einem Beispiel dargestellt. Dieses Verfahren wird im Folgenden am Beispiel der Vorrichtung 100 beschrieben, deren Steuereinheit 114 in manchen Ausgestaltungen dazu eingerichtet sein kann, das Verfahren 200 wie beschrieben auszuführen.In 2 Figure 3 is a flow diagram of a method according to the invention 200 for commutation of a brushless DC motor shown according to an example. This method is described below using the device as an example 100 described, their control unit 114 can be set up in some embodiments, the method 200 to be carried out as described.

In Schritt 202 wird zunächst der Strom durch eine Phasenwicklung 110 des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor 102 bestimmt. Dies kann wie oben beschrieben zum Beispiel durch Messung des durch den Shunt-Widerstand 134 fließenden Stroms erfolgen, so dass bei paarweiser Kommutierung der Phasenwicklungen 110 der Strom durch das jeweils in Reihe geschalteten Phasenwicklungspaar gemessen wird. In einem anderen Beispiel können die Phasenwicklungen 110 einzeln angesteuert werden und entsprechend der Strom durch eine der Phasenwicklungen 110 bestimmt werden.In step 202 is first the current through a phase winding 110 of the brushless DC motor 102 during a measurement period after a first commutation of an electrical drive signal for the brushless DC motor 102 certainly. This can be done as described above, for example by measuring the resistance caused by the shunt 134 flowing current, so that with paired commutation of the phase windings 110 the current is measured through the phase winding pair connected in series. In another example, the phase windings 110 individually controlled and accordingly the current through one of the phase windings 110 to be determined.

In 3a ist beispielhaft für einen wie in 1 gezeigten BLDC-Motor der durch den Shunt-Widerstand 134 fließende Strom I(t) 300 als Funktion der Zeit t dargestellt. Das Umschalten zwischen verschiedenen Konfigurationen der Phasenwicklungen 110 während der Kommutierungen führt zu kurzzeitigen Einbrüchen 302A-302D im Stromverlauf 300. Innerhalb eines Kommutierungsschritts zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen weist der Strom 300 einen kontinuierlichen Verlauf auf, der unter anderem von den Induktivitäten der Phasenwicklungen 110 und den durch die Bewegung des Rotors 106 in den Phasenwicklungen 110 induzierten Spannungen beeinflusst wird. Wird bei einer der Kommutierungen 302A-302D jeweils ein Phasenwicklungspaar in Reihe mit einer Versorgungsspannung geschaltet, entspricht der Stromverlauf 300 zwischen zwei Kommutierungen dem durch die beiden Phasenwicklungen fließenden Strom. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Strom während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung, beispielsweise der Kommutierung 302A, bestimmt. Der Messzeitraum kann unmittelbar nach der ersten Kommutierung 302A beginnen oder ein vordefiniertes Zeitintervall nach der ersten Kommutierung 302A, z.B. nach dem mit der Kommutierung verknüpften kurzzeitigen Einbruch des Stroms.In 3a is exemplary of one like in 1 BLDC motor shown by the shunt resistor 134 flowing current I (t) 300 shown as a function of time t. Switching between different configurations of the phase windings 110 During the commutation, this leads to brief dips 302A-302D in the current curve 300 . Within a commutation step between two successive commutations, the current 300 a continuous curve, which, among other things, depends on the inductances of the phase windings 110 and through the Movement of the rotor 106 in the phase windings 110 induced voltages is influenced. If a phase winding pair is connected in series with a supply voltage in one of the commutations 302A-302D, the current curve corresponds 300 between two commutations the current flowing through the two phase windings. In the context of the method according to the invention, the current is determined during a measurement period after a first commutation, for example commutation 302A. The measurement period can begin immediately after the first commutation 302A or a predefined time interval after the first commutation 302A, for example after the brief current drop associated with the commutation.

In der Regel weist der Stromverlauf 300 kurzzeitige Fluktuationen auf, die beispielsweise durch eine fluktuierende Versorgungsspannung und/oder die Messung des Stroms hervorgerufen werden können. Um diese zu unterdrücken, kann die Steuereinheit 114 dazu eingerichtet sein, den Stromverlauf 300 geeignet zu mitteln, zum Beispiel durch Bilden eines gleitenden zeitlichen Mittelwerts oder durch Mitteln der Messwerte innerhalb gewisser Zeitintervalle. Wird die Versorgungsspannung durch Pulsweitenmodulation oder ähnliche Verfahren moduliert, kann die Strommessung geeignet angepasst werden, beispielsweise durch Synchronisierung mit der Modulation, um den Stromverlauf 300 zu glätten und eine Beeinflussung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch gegebenenfalls von einer solchen Modulation hervorgerufene Stromschwankungen zu vermeiden. Dies kann durch eine entsprechende Ansteuerung des Messgerätes 136 oder durch eine nachgeschaltete Datenverarbeitung durch den Mikrocontroller 132 erfolgen. Die nachgeschaltete Datenverarbeitung kann zudem eine Interpolation und/oder Extrapolation diskreter Messwerte umfassen.As a rule, the current flow 300 Brief fluctuations that can be caused, for example, by a fluctuating supply voltage and / or the measurement of the current. To suppress this, the control unit can 114 be set up to track the current 300 suitable for averaging, for example by forming a sliding time average or by averaging the measured values within certain time intervals. If the supply voltage is modulated by pulse width modulation or similar methods, the current measurement can be suitably adapted, for example by synchronization with the modulation, around the current curve 300 to smooth and to avoid influencing the method according to the invention by current fluctuations possibly caused by such a modulation. This can be done by activating the measuring device accordingly 136 or by downstream data processing by the microcontroller 132 take place. The downstream data processing can also include interpolation and / or extrapolation of discrete measured values.

In Schritt 204 wird der in Schritt 202 bestimmt Strom 300 mit einem Triggerschwellenwert Ik verglichen, der in 3a durch eine horizontale gepunktete Linie angedeutet ist. Bevorzugt wird der Schritt 204 gleichzeitig mit dem Schritt 202 ausgeführt, d.h. der am Shunt-Widerstand 134 gemessene Strom 300 wird von der Steuereinheit 114 kontinuierlich mit dem Triggerschwellenwert Ik verglichen. Anhand des Vergleichs wird ein Triggerzeitpunkt tk ermittelt, zu dem der Strom 300 dem Triggerschwellenwert Ik entspricht. Der Triggerzeitpunkt tk kann insbesondere der Zeitpunkt sein, an dem der Strom 300 innerhalb des Messzeitraums zum ersten Mal den Triggerschwellenwert Ik erreicht.In step 204 becomes the in step 202 determines electricity 300 with a trigger threshold I k compared to that in 3a is indicated by a horizontal dotted line. The step is preferred 204 at the same time as the step 202 executed, ie the one at the shunt resistor 134 measured current 300 is controlled by the control unit 114 continuously with the trigger threshold I k compared. A trigger time is determined on the basis of the comparison t k determined to which the current 300 the trigger threshold I k is equivalent to. The trigger time t k can in particular be the time at which the electricity 300 the trigger threshold value for the first time within the measurement period I k achieved.

Anschließend wird in Schritt 206 basierend auf dem Triggerzeitpunkt tk ein zweiter Kommutierungszeitpunkt tB bestimmt, zu dem eine zweite Kommutierung 302B des Antriebssignals durchgeführt werden soll. Bevorzugt ist die Steuereinheit 114 zudem dazu eingerichtet, ein entsprechendes Steuersignal an die Brückenschaltung 118 auszugeben, um mittels der Eingangs- und Ausgangsschalter 126, 128 die zweite Kommutierung 302B zum zweiten Kommutierungspunkt tB durchzuführen wie in 3a gezeigt. Der zweite Kommutierungszeitpunkt tB kann dem Triggerzeitpunkt tk entsprechen wie in dem Beispiel von 3a, d.h. die Steuereinheit 114 kann die zweite Kommutierung 302B durchführen unmittelbar nachdem der Strom 300 den Triggerschwellenwert Ik erreicht. In anderen Ausgestaltungen kann die zweite Kommutierung 302B um eine vordefinierte Zeitverzögerung nach dem Triggerzeitpunkt tk erfolgen, beispielsweise 0.1 ms bis 1 ms nach tk .Then in step 206 based on the trigger time t k a second commutation time t B determines at which a second commutation 302B of the drive signal is to be carried out. The control unit is preferred 114 also set up to send a corresponding control signal to the bridge circuit 118 output to using the input and output switches 126 , 128 the second commutation 302B to the second commutation point t B perform as in 3a shown. The second commutation time t B can be the trigger time t k correspond to the example of 3a , ie the control unit 114 can perform the second commutation 302B immediately after the current 300 the trigger threshold I k achieved. In other configurations, the second commutation 302B can be a predefined time delay after the trigger time t k take place, for example 0.1 ms to 1 ms after t k .

Nach der zweiten Kommutierung 302B kann die Steuereinheit 114 das Verfahren 200 erneut ausführen, um einen dritten Kommutierungszeitpunkt für eine dritte Kommutierung 302C zu bestimmen. Durch wiederholte Ausführung des Verfahrens 200 kann die Steuereinheit so ein geeignet kommutiertes Antriebssignal für den bürstenlosen Gleichstrommotor 102 erzeugen.After the second commutation 302B, the control unit 114 the procedure 200 execute again to determine a third commutation time for a third commutation 302C. By repeating the procedure 200 the control unit can thus provide a suitably commutated drive signal for the brushless DC motor 102 produce.

Der Triggerschwellenwert Ik wird bevorzugt abhängig von einem Sollstromwert Is bestimmt, welcher in 3a durch eine horizontale gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Sollstromwert kann beispielsweise von der Steuereinheit 114 basierend auf einem vorgegebenen Solldrehmoment ermittelt werden, welches der bürstenlose Gleichstrommotor 102 bereitstellen soll. Die Steuereinheit 114 kann basierend auf dem Solldrehmoment sowie einem elektrischen Widerstand der Phasenwicklungen 110 eine von der Spannungsquelle 116 auszugebende Versorgungsspannung ermitteln, bei der sich im Gleichgewichtszustand, d.h. wenn die entsprechende Spannung dauerhaft an ein Phasenwicklungspaar angelegt ist, der gewünscht Sollstrom Is ergibt. In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 114 hierzu unter anderem auch eine Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands berücksichtigen. Die Steuereinheit 114 kann ein entsprechendes Steuersignal an die Spannungsquelle 116 ausgeben, um eine Amplitude und/oder ein Tastverhältnis der Versorgungsspannung geeignet anzupassen.The trigger threshold I k is preferably dependent on a target current value I s determines which in 3a is indicated by a horizontal dashed line. The setpoint current value can, for example, come from the control unit 114 can be determined based on a predetermined target torque, which the brushless DC motor 102 should provide. The control unit 114 can based on the target torque and an electrical resistance of the phase windings 110 one from the voltage source 116 Determine the supply voltage to be output at which the desired setpoint current is in the equilibrium state, ie when the corresponding voltage is permanently applied to a phase winding pair I s results. In some embodiments, the control unit 114 take into account, among other things, a temperature dependency of the electrical resistance. The control unit 114 can send a corresponding control signal to the voltage source 116 output in order to suitably adapt an amplitude and / or a duty cycle of the supply voltage.

Der Triggerschwellenwert Ik kann insbesondere der Differenz aus dem Sollstromwert Is und einem Vorkommutierungs-Offset δ1 entsprechen, d.h. um den Vorkommutierungs-Offset δI kleiner als der Sollstromwert Is sein, so dass die zweite Kommutierung 302B vor Erreichen des Sollstromwerts Is erfolgt. Der Vorkommutierungs-Offset δI kann ein absoluter Wert sein, beispielsweise zwischen 10 mA und 100 mA, oder ein relativer Wert, insbesondere ein Bruchteil des Sollstromwerts Is . Der Vorkommutierungs-Offset δI kann beispielsweise zwischen 0% und 25% von Is betragen, in einem Beispiel 2%. Ein Vorkommutierungs-Offset kann vorteilhaft sein, um eine zu späte Kommutierung, beispielsweise aufgrund von Fluktuationen des Stroms 300 zu vermeiden, insbesondere da eine zu späte Kommutierung für die Effizienz und das Laufverhalten des bürstenlosen Gleichstrommotors nachteiliger sein kann als eine zu frühe Kommutierung.The trigger threshold I k can in particular be the difference from the setpoint current value I s and a pre-commutation offset δ1 correspond, ie the pre-commutation offset δI smaller than the setpoint current value I s be so that the second commutation 302B before reaching the target current value I s he follows. The pre-commutation offset δI can be an absolute value, for example between 10 mA and 100 mA, or a relative value, in particular a fraction of the setpoint current value I s . The pre-commutation offset δI can for example be between 0% and 25% of I s be, in one example 2%. A pre-commutation offset can be advantageous in order to avoid commutation that is too late, for example due to fluctuations in the current 300 to be avoided, especially since commutation too late can be more disadvantageous for the efficiency and the running behavior of the brushless DC motor than commutation too early.

Die Steuereinrichtung 114 kann zudem dazu eingerichtet sein, den Vorkommutierungs-Offset δ1 als Funktion der Zeit zu ändern, beispielsweise während eines Beschleunigungs- oder Abbremsvorgangs des Rotors 106. Dies ist beispielshaft in 3b illustriert. 3b zeigt ähnlich wie 3a einen durch den Shunt-Widerstand 134 fließenden Strom I(t) 302. Der in 3b gezeigt Ausschnitt kann beispielsweise einer Anlaufphase des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 entsprechen, in der der Rotor 106 nach einer anfänglichen, von einem stillstehenden Rotor 106 ausgehenden Startphase beschleunigt wird, z.B. auf eine vorgegebene Solldrehzahl.The control device 114 can also be set up to adjust the pre-commutation offset δ1 to change as a function of time, for example during an acceleration or deceleration process of the rotor 106 . This is exemplified in 3b illustrated. 3b shows similar to 3a one through the shunt resistor 134 flowing current I (t) 302 . The in 3b The excerpt shown can, for example, be a start-up phase of the brushless DC motor 102 correspond in which the rotor 106 after an initial, from a stationary rotor 106 outgoing start phase is accelerated, for example to a predetermined target speed.

Zu Beginn der Anlaufphase entspricht der Vorkommutierungs-Offset δ1 einem Anlauf-Offset, der beispielsweise ein konstanter, vordefinierter Wert sein kann oder von der Steuereinheit 114 in Abhängigkeit einer Last des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 und/oder der Stellung eines mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor 102 gekoppelten Stellglieds ermittelt worden sein kann. Der Anlauf-Offsetwert kann z.B. zwischen 10% und 25% des Sollstroms Is betragen, in einem Beispiel 20%.The pre-commutation offset corresponds to the beginning of the start-up phase δ1 a start-up offset, which can be a constant, predefined value, for example, or from the control unit 114 depending on a load of the brushless DC motor 102 and / or the position of one with the brushless DC motor 102 coupled actuator may have been determined. The start-up offset value can, for example, be between 10% and 25% of the nominal current I s be, in one example 20%.

Während der Anlaufphase wird der Vorkommutierungs-Offset δI kontinuierlich auf einen Betriebs-Offsetwert reduziert, d.h. die Kommutierung wird sukzessive immer später durchgeführt. Der Betriebs-Offsetwert kann z.B. ein in einer auf die Anlaufphase folgenden Dauerbetriebsphase verwendeter Wert für den Vorkommutierungs-Offset δI sein, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor 102 in der Dauerbetriebsphase beispielsweise mit einer konstanten Drehzahl betrieben werden kann. Der Betriebs-Offsetwert kann ebenfalls ein konstanter, vordefinierter Wert sein oder von der Steuereinheit 114 in Abhängigkeit einer Last des bürstenlosen Gleichstrommotors 102, der Stellung eines mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor 102 gekoppelten Stellglieds und/oder einer Solldrehzahl ermittelt worden sein. Der Betriebs-Offsetwert kann z.B. zwischen 0% und 4% des Sollstroms Is betragen, in einem Beispiel 2%. Ein Verringern des Vorkommutierungs-Offset δI kann beispielsweise vorteilhaft sein, um die Effizienz und Laufruhe des Rotors 106 während der Anlaufphase zu erhöhen.During the start-up phase, the pre-commutation offset δI is continuously reduced to an operating offset value, ie the commutation is carried out successively and later. The operating offset value can be, for example, a value for the pre-commutation offset δI used in a continuous operating phase following the start-up phase, with the brushless direct current motor 102 can be operated, for example, at a constant speed in the continuous operating phase. The operating offset value can also be a constant, predefined value or from the control unit 114 depending on a load of the brushless DC motor 102 , the position of one with the brushless DC motor 102 coupled actuator and / or a target speed have been determined. The operating offset value can, for example, be between 0% and 4% of the nominal current I s be, in one example 2%. A reduction in the pre-commutation offset δI can be advantageous, for example, in order to improve the efficiency and smoothness of the rotor 106 to increase during the start-up phase.

In ähnlicher Weise kann die Steuereinheit 114 dazu eingerichtet sein, bei einem Abbremsvorgang den Vorkommutierungs-Offset δI sukzessive wieder zu erhöhen, z.B. auf den Anlauf-Offsetwert, oder bei weiteren Beschleunigungsvorgängen den Vorkommutierungs-Offset δI zunächst sprunghaft zu erhöhen, z.B. auf den Anlauf-Offsetwert, und anschließend sukzessive wieder zu verringern, z.B. auf den Betriebs-Offsetwert.Similarly, the control unit 114 be set up to gradually increase the pre-commutation offset δI again during a braking process, e.g. to the start-up offset value, or to initially increase the pre-commutation offset δI abruptly during further acceleration processes, e.g. to the start-up offset value, and then gradually increase again reduce, e.g. to the operating offset value.

4a-4c illustriert beispielhaft den Verlauf der Ströme 400, 402 und 404 durch eine Phasenwicklung 110 des bürstenlosen Gleichstrommotors 102. Die Stromverläufe 400-404 können beispielsweise durch Messung des Stroms in der jeweiligen Zuleitung zu einer Phasenwicklung 110 bestimmt werden. Für einen BLDC-Motor mit drei Phasenwicklungen wie dem in 1 dargestellten Elektromotor 102 müssen die Antriebsignale sechsmal pro Umdrehung des Rotors 106 kommutiert werden. An eine gegebene Phasenwicklung wird in zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten eine positive Versorgungsspannung angelegt und in zwei weiteren aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten eine negative Versorgungsspannung. Dazwischen befindet sich jeweils ein Kommutierungsschritt, in dem die Phasenwicklung unbestromt bleibt. Daher weisen die Stromverläufe 400-404 für eine Phasenwicklung beispielsweise eine wiederholte Abfolge von zunächst zwei Kommutierungsschritten mit positiven Stromwerten auf (zwei von einem kurzzeitigen Einbruch getrennte Maxima), anschließend einem unbestromten Kommutierungsschritt, bevor das Vorzeichen des Stroms wechselt und zwei Kommutierungsschritte mit negativen Stromwerten folgen (zwei von einem kurzzeitigen Einbruch getrennte negative Minima). Nach einem weiteren unbestromten Kommutierungsschritt hat der Rotor 106 eine Umdrehung abgeschlossen und der Zyklus beginnt von neuem. 4a-4c illustrates the course of the currents by way of example 400 , 402 and 404 through a phase winding 110 of the brushless DC motor 102 . The current courses 400-404 can, for example, by measuring the current in the respective feed line to a phase winding 110 to be determined. For a BLDC motor with three phase windings like the one in 1 illustrated electric motor 102 need the drive signals six times per revolution of the rotor 106 be commutated. A positive supply voltage is applied to a given phase winding in two successive commutation steps and a negative supply voltage is applied in two further successive commutation steps. In between there is a commutation step in which the phase winding remains de-energized. Therefore, the currents show 400-404 For a phase winding, for example, a repeated sequence of initially two commutation steps with positive current values (two maxima separated from a brief dip), then a de-energized commutation step before the sign of the current changes and two commutation steps with negative current values follow (two separate from a brief dip negative minima). After a further de-energized commutation step, the rotor has 106 one revolution is completed and the cycle starts again.

In gleicher Weise kann der Strom zusätzlich für eine zweite Phasenwicklung bestimmt werden (nicht dargestellt). Der Verlauf des Stroms durch die zweite Phasenwicklung ähnelt den Verläufen 400-404, ist aber um zwei Kommutierungsschritte verschoben. Folglich fließt durch die zweite Phasenwicklung auch in den Kommutierungsschritten ein Strom, in denen die erste Phasenwicklung unbestromt bleibt. Somit kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein nächster Kommutierungszeitpunkt während jedes Kommutierungsschritts ermittelt werden. Wird das Verfahren für mehrere Phasenwicklungen in einem Kommutierungsschritt gleichzeitig durchgeführt, können die ermittelten Kommutierungszeitpunkte z.B. kombiniert werden, um die Genauigkeit zu erhöhen.In the same way, the current can also be determined for a second phase winding (not shown). The course of the current through the second phase winding is similar to the courses 400-404 , but is shifted by two commutation steps. Consequently, a current also flows through the second phase winding in the commutation steps in which the first phase winding remains de-energized. Thus, according to the method according to the invention, a next commutation point in time can be determined during each commutation step. If the method is carried out simultaneously for several phase windings in one commutation step, the determined commutation times can be combined, for example, in order to increase the accuracy.

Die 4a-4c zeigen Stromverläufe 400-404 durch eine Phasenwicklung 110 wie sie beispielsweise während einer Anlaufphase des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 direkt im Anschluss an eine Startphase auftreten können, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor 102 in der Startphase durch Zwangskommutierungen aus dem Stillstand beschleunigt wird. Die Zwangskommutierungen erfolgen unabhängig von der Rotorlage „blind“ zu vordefinierten Kommutierungszeitpunkten, wobei jede Kommutierungsphase z.B. eine Dauer zwischen 10 ms und 50 ms, in einem Beispiel 30 ms, aufweist. Die Startphase kann eine feste Anzahl von Kommutierungsschritten umfassen, z.B. zwischen 2 und 50 Kommutierungsschritte. In manchen Ausgestaltungen kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Anzahl der Kommutierungsschritte an die Last des bürstenlosen Gleichstrommotors und/oder die Stellung eines mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor gekoppelten Stellglieds, z.B. einem Nadelventil, anzupassen.the 4a-4c show current curves 400-404 through a phase winding 110 such as, for example, during a start-up phase of the brushless DC motor 102 can occur directly after a start-up phase, with the brushless DC motor 102 in the start phase through forced commutation from standstill is accelerated. The forced commutations take place “blindly” independently of the rotor position at predefined commutation times, with each commutation phase, for example, having a duration between 10 ms and 50 ms, in one example 30 ms. The start phase can include a fixed number of commutation steps, for example between 2 and 50 commutation steps. In some configurations, the control unit can be set up to adapt the number of commutation steps to the load of the brushless DC motor and / or the position of an actuator coupled to the brushless DC motor, for example a needle valve.

4a und 4b zeigen Beispiele für den Verlauf des Stroms 400, bei denen die Kommutierung nicht mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird, sondern basierend auf charakteristischen Punkten im Stromverlauf, beispielsweise Wendepunkten wie sie etwa in den 3a, 3b nach der halben Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Kommutierungen zu sehen sind, z.B. zum Zeitpunkt tR zwischen der ersten und der zweiten Kommutierung 302A, 302B. Im Beispiel von 4a treibt der bürstenlose Gleichstrommotor 102 eine geringe Last an, während im Beispiel von 4b eine hohe Last angetrieben wird. Eine hohe Last kann sich beispielsweise bei einem Stellglied wie einem Nadelventil daraus ergeben, dass sich das Stellglied an oder in der Nähe eines Endanschlags befindet, während eine niedrige Last in einer Mittelstellung zwischen zwei Endanschlägen auftreten kann. 4a and 4b show examples of the course of the current 400 , in which the commutation is not carried out by means of the method according to the invention, but based on characteristic points in the current curve, for example turning points such as those in the 3a , 3b can be seen after half the time between two successive commutations, for example at the point in time t R between the first and the second commutation 302A, 302B. In the example of 4a drives the brushless DC motor 102 a light load, while in the example of 4b a heavy load is being driven. In the case of an actuator such as a needle valve, for example, a high load can result from the fact that the actuator is at or near an end stop, while a low load can occur in a mid-position between two end stops.

In beiden Fällen ist unmittelbar nach dem Ende der Zwangskommutierung ein Einbruch der Ströme 400, 402 zu beobachten, d.h. die Kommutierung erfolgt jeweils vor Erreichen des Triggerschwellenwerts und damit unterhalb des Sollstromwerts. In 4a-4c ist der positive und negative Triggerschwellenwert wie in 3a durch gepunktete Linien angedeutet. Der Einbruch der Ströme 400, 402 ist lastabhängig und bei höherer Last stärker ausgeprägt als bei niedrigerer Last. Insbesondere bei geringen Drehzahlen kann die vom Rotor 106 in der Phasenwicklung 110 induzierte Spannung klein sein, so dass der in 3a deutlich zu erkennende Wendepunkt nicht oder nur schwach ausgeprägt sein kann. Folglich kann die Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte anhand des Wendepunkts unzuverlässig sein. Dadurch kann die Effizienz und das Laufverhalten des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 beeinträchtigt werden und der bürstenlose Gleichstrommotor 102 eine längere Zeit benötigen, um ruhig zu laufen und die Solldrehzahl zu erreichen.In both cases there is a drop in the currents immediately after the end of the forced commutation 400 , 402 to be observed, ie the commutation takes place before the trigger threshold value is reached and thus below the setpoint current value. In 4a-4c is the positive and negative trigger threshold as in 3a indicated by dotted lines. The collapse of the streams 400 , 402 is load-dependent and more pronounced at higher loads than at lower loads. Particularly at low speeds, the rotor can 106 in the phase winding 110 induced voltage must be small, so that the in 3a clearly recognizable turning point may not be pronounced or only weakly pronounced. As a result, the determination of the commutation times based on the turning point can be unreliable. This can improve the efficiency and running behavior of the brushless DC motor 102 and the brushless DC motor 102 need a longer time to run smoothly and reach the target speed.

4c zeigt ein Beispiel für den Verlauf des Strom 404, bei dem die Kommutierungszeitpunkte nach dem Ende der Startphase mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden. In diesem Beispiel ist kein Einbruch des Stroms 404 zu beobachten. Die Kommutierung erfolgt immer bei Erreichen des Triggerschwellenwerts und der bürstenlose Gleichstrommotor läuft bereits nach wenigen Kommutierungen gleichmäßig. Während des in 4c gezeigten Zeitraums kann zusätzlich der Triggerschwellenwert variiert werden, z.B. wie oben in Bezug auf 3b beschrieben. 4c shows an example of the course of the current 404 , at which the commutation times are determined after the end of the start phase by means of the method according to the invention. In this example there is no current drop 404 to observe. Commutation always takes place when the trigger threshold is reached and the brushless DC motor runs evenly after a few commutations. During the in 4c During the period shown, the trigger threshold value can additionally be varied, for example as above in relation to FIG 3b described.

Die Kommutierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch nach Ende der Anlaufphase in einer Dauerbetriebsphase weitergeführt werden. In anderen Beispielen können in der Dauerbetriebsphase die Kommutierungszeitpunkte zusätzlich oder alternativ mit anderen Methoden bestimmt werden, z.B. anhand von charakteristischen Kurvenpunkten und/oder anhand der BEMK-Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung 110.The commutation according to the method according to the invention can also be continued after the end of the start-up phase in a continuous operating phase. In other examples, the commutation times in the continuous operating phase can additionally or alternatively be determined using other methods, for example using characteristic curve points and / or using the BEMK voltage in a de-energized phase winding 110 .

In einem Beispiel kann das Verfahren 200 hierzu einen zusätzlichen Schritt umfassen, in dem bestimmt wird, ob der Strom während des Messzeitraums einen Wendepunkt aufweist und falls ja, zu welchen Zeitpunkt dieser Wendepunkt auftritt. Dieser Zeitpunkt wird im Folgenden als Referenzzeitpunkt tR bezeichnet (vgl. 3a). Ein erster potentieller Kommutierungszeitpunkts wird auf Basis des Triggerzeitpunkts tk ermittelt ohne den Referenzzeitpunkt tR zu verwenden, z.B. wie voranstehend beschrieben. Zusätzlich wird ein zweiter potentieller Kommutierungszeitpunkt auf Basis des Referenzzeitpunkts ermittelt ohne den Triggerzeitpunkts tk zu verwenden. Der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt kann insbesondere der Summe aus dem Referenzzeitpunkt tR und der Differenz zwischen dem Referenzzeitpunkt tR und dem ersten Kommutierungszeitpunkt tA entsprechen, d.h. tR + (tR - tA), so dass der Referenzzeitpunkt tR in der Mitte zwischen dem ersten Kommutierungszeitpunkt tA und dem zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt liegt.In one example, the method 200 To this end, include an additional step in which it is determined whether the current has a turning point during the measurement period and, if so, at what point in time this turning point occurs. This point in time is used as the reference point in time below t R designated (cf. 3a) . A first potential commutation time is based on the trigger time t k determined without the reference time t R to be used, e.g. as described above. In addition, a second potential commutation time is determined on the basis of the reference time without the trigger time t k to use. The second potential commutation time can in particular be the sum of the reference time t R and the difference between the reference time t R and the first commutation time t A correspond, ie t R + (t R - t A ), so that the reference time t R in the middle between the first commutation time t A and the second potential commutation time.

Während der Dauerbetriebsphase kann in einigen Beispielen die Kommutierung zum zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt erfolgen. Alternativ kann der erste potentielle Kommutierungszeitpunkt als „Timeout“ verwendet werden, falls ein Wendepunkt nicht oder erst spät erkannt wird. Hierzu kann die Kommutierung zum zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt erfolgen, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt weniger als die vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkt liegt. Ist dies nicht der Fall oder wird kein Wendepunkt erkannt, kann die Kommutierung stattdessen zum ersten potentiellen Kommutierungspunkt erfolgen.During the continuous operation phase, in some examples, the commutation can take place at the second potential commutation time. Alternatively, the first potential commutation point in time can be used as a "timeout" if a turning point is not recognized or is recognized late. For this purpose, the commutation can take place at the second potential commutation time, if the second potential commutation time is less than the predefined time difference after the first potential commutation time. If this is not the case or if no turning point is recognized, the commutation can instead take place to the first potential commutation point.

In manchen Ausgestaltungen kann der erste potentielle Kommutierungszeitpunkt auch verwendet werden, um eine zu frühe Kommutierung zu verhindern. Beispielsweise kann eine Kommutierung zum zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt nur dann erfolgen, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls relativ zum ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkt liegt, z.B. vor dem ersten Kommutierungszeitpunkt, innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls um den zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt und/oder innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls nach dem zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt.In some configurations, the first potential commutation point in time can also be used to prevent too early a commutation. For example, commutation at the second potential commutation time can only take place if the second potential commutation time is within a certain time interval relative to the first potential commutation time, e.g. before the first commutation time, within a predefined time interval around the second potential commutation time and / or within a predefined time interval after the second potential commutation time.

Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.The described embodiments according to the invention and the figures are only used for purely exemplary illustration. The invention can vary in shape without changing the underlying functional principle. The scope of protection of the method according to the invention and the device according to the invention results solely from the following claims.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100 -100 -
Vorrichtung mit bürstenlosem GleichstrommotorDevice with brushless direct current motor
102 -102 -
Bürstenloser GleichstrommotorBrushless DC motor
104 -104 -
Statorstator
106 -106 -
Rotorrotor
108 -108 -
PermanentmagnetPermanent magnet
110 -110 -
PhasenwicklungenPhase windings
112 -112 -
SternpunktStar point
114 -114 -
SteuereinheitControl unit
116 -116 -
Pulsweitenmodulations-ModulPulse width modulation module
118 -118 -
BrückenschaltungBridge circuit
120 -120 -
Eingang der BrückenschaltungBridge circuit input
122 -122 -
Ausgang der BrückenschaltungOutput of the bridge circuit
124 -124 -
ErdungskontaktGround contact
126 -126 -
EingangsschalterEntrance switch
128 -128 -
AusgangsschalterOutput switch
130 -130 -
Analog-Digital-WandlerAnalog-to-digital converter
132 -132 -
MikrocontrollerMicrocontroller
134 -134 -
Shunt-WiderstandShunt resistance
136 -136 -
Messgerät Measuring device
200 -200 -
Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen GleichstrommotorsMethod for commutating a brushless DC motor
202 -202 -
Bestimmung des StromsDetermination of the current
204 -204 -
Vergleich mit TriggerschwellenwertComparison with trigger threshold
206 -206 -
Bestimmen des zweiten Kommutierungszeitpunkts Determining the second commutation time
300300
- Stromverlauf durch Shunt-Widerstand- Current curve through shunt resistor
302302
- Kommutierungen- commutations
Is -Is -
SollstromwertTarget current value
Ik -Ik -
TriggerschwellenwertTrigger threshold
δ1 -δ1 -
Vorkommutierungs-OffsetPre-commutation offset
tA -tA -
erster Kommutierungszeitpunktfirst commutation time
tB -tB -
zweiter Kommutierungszeitpunktsecond commutation time
tk -tk -
TriggerzeitpunktTrigger time
tR -tR -
ReferenzzeitpunktReference time
400 -400 -
Stromverlauf durch Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit geringer Last und Kommutierung basierend auf einem Wendepunkt des StromverlaufsCurrent curve through phase winding of a commutating brushless DC motor with low load and commutation based on a turning point in the current curve
402 -402 -
Stromverlauf durch Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit hoher Last und Kommutierung basierend auf einem Wendepunkt des StromverlaufsCurrent curve through phase winding of a commutating brushless DC motor with high load and commutation based on a turning point in the current curve
404 -404 -
Stromverlauf durch Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors Kommutierung basierend auf einem TriggerschwellenwertCurrent curve through phase winding of a commutating brushless DC motor Commutation based on a trigger threshold

Claims (16)

Verfahren (200) zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (102) mit folgenden Schritten: Bestimmen eines Stroms (300) durch eine Phasenwicklung (110) des bürstenlosen Gleichstrommotors (102) während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung (302A) eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor (102); Vergleichen des Stroms (300) mit einem Triggerschwellenwert Ik, um einen Triggerzeitpunkt tk zu bestimmen, zu dem der Strom (300) den Triggerschwellenwert Ik erreicht; und Bestimmen eines zweiten Kommutierungszeitpunktes tB für eine zweite Kommutierung (302B) des Antriebssignals basierend auf dem Triggerzeitpunkt tk.Method (200) for commutating a brushless DC motor (102) with the following steps: determining a current (300) through a phase winding (110) of the brushless DC motor (102) during a measurement period after a first commutation (302A) of an electrical drive signal for the brushless DC motor (102); Comparing the current (300) with a trigger threshold value I k in order to determine a trigger time t k at which the current (300) reaches the trigger threshold value I k ; and determining a second commutation time t B for a second commutation (302B) of the drive signal based on the trigger time t k . Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei der Triggerschwellenwert Ik abhängig von einem Sollstromwert Is für die Phasenwicklung (110) bestimmt wird.Method (200) according to Claim 1 , the trigger threshold value I k being determined as a function of a setpoint current value I s for the phase winding (110). Verfahren (200) nach Anspruch 2, wobei der Triggerschwellenwert Ik die Differenz aus dem Sollstromwert Is und einem Vorkommutierungs-Offset δ1 ist.Method (200) according to Claim 2 , the trigger threshold value I k being the difference between the setpoint current value I s and a pre-commutation offset δ1. Verfahren (200) nach Anspruch 3, wobei der Vorkommutierungs-Offset δI während einer Anlaufphase des bürstenlosen Gleichstrommotors (102) von einem Anlauf-Offsetwert auf einen Betriebs-Offsetwert reduziert wird.Method (200) according to Claim 3 , the pre-commutation offset δI being reduced from a start-up offset value to an operating offset value during a start-up phase of the brushless direct current motor (102). Verfahren (200) nach Anspruch 4, wobei der Anlauf-Offsetwert zwischen 10% und 25% des Sollstroms Is beträgt und der Betriebs-Offsetwert zwischen 0% und 4% des Sollstroms Is beträgt.Method (200) according to Claim 4 , wherein the start-up offset value is between 10% and 25% of the target current I s and the operating offset value is between 0% and 4% of the target current I s . Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Kommutierung (302A) eine Zwangskommutierung zu einem vordefinierten ersten Kommutierungszeitpunkt tA ist.Method (200) according to one of the preceding claims, wherein the first commutation (302A) is a forced commutation at a predefined first commutation time t A. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Kommutierungszeitpunkt tB dem Triggerzeitpunkt tk entspricht oder um eine vordefinierte Zeitverzögerung gegenüber dem Triggerzeitpunkt tk verschoben ist.Method (200) according to one of the preceding claims, wherein the second commutation time t B corresponds to the trigger time t k or is shifted by a predefined time delay compared to the trigger time t k. Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: Bestimmen, ob der Strom während des Messzeitraums einen Wendepunkt aufweist, um einen Referenzzeitpunkt tR zu bestimmen, zu dem der Wendepunkt auftritt, wobei der zweite Kommutierungszeitpunkt tB basierend auf dem Triggerzeitpunkt tk und dem Referenzzeitpunkt tR bestimmt wird.Method (200) according to one of the Claims 1 until 6th , further comprising: determining whether the current has a point of inflection during the measurement period in order to determine a reference point in time t R at which the point of inflection occurs, the second commutation point in time t B being determined based on the trigger point in time t k and the reference point in time t R. Verfahren (200) nach Anspruch 8, ferner umfassend Bestimmen eines ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkts auf Basis des Triggerzeitpunkts tk; und Bestimmen eines zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkts auf Basis des Referenzzeitpunkts tR; wobei der zweite Kommutierungszeitpunkt tB dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkt entspricht, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt mehr als eine vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentielle Kommutierungszeitpunkt liegt oder kein Wendepunkt auftritt; und dem zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt entspricht, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt weniger als die vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkt liegt.Method (200) according to Claim 8 , further comprising determining a first potential commutation time on the basis of the trigger time t k ; and determining a second potential commutation time on the basis of the reference time t R ; the second commutation time t B corresponds to the first potential commutation time if the second potential commutation time is more than a predefined time difference behind the first potential commutation time or if no turning point occurs; and corresponds to the second potential commutation time if the second potential commutation time is less than the predefined time difference after the first potential commutation time. Vorrichtung (100) mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor (102), wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (102) mindestens eine Phasenwicklung (110) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Steuereinheit (114) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (200) zur Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, um einen zweiten Kommutierungszeitpunkt tB zu bestimmen; und eine Kommutierung (302B) eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor (102) zum zweiten Kommutierungszeitpunkt tB durchzuführen.Device (100) with a brushless DC motor (102), wherein the brushless DC motor (102) has at least one phase winding (110), characterized in that the device (100) comprises a control unit (114) which is set up to implement a method (200) for commutating the brushless DC motor (102) according to one of the Claims 1 until 9 execute in order to determine a second commutation time t B; and to carry out a commutation (302B) of an electrical drive signal for the brushless direct current motor (102) at the second commutation time t B. Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, welche einen Shunt-Widerstand (134) umfasst, wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, den Strom durch Messung eines Stroms über den Shunt-Widerstand (134) zu bestimmen.Device (100) according to Claim 10 which comprises a shunt resistor (134), wherein the control unit (114) is configured to determine the current by measuring a current through the shunt resistor (134). Vorrichtung (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Steuereinheit (114) einen Analog-Digital-Wandler (130) und einen Mikrocontroller (132) aufweist, wobei der Analog-Digital-Wandler (130) dazu eingerichtet ist, ein analoges Signal des Verlaufs des Stroms in ein digitales Signal umzuwandeln, und wobei der Mikrocontroller (132) dazu eingerichtet ist, anhand des digitalen Signals den Strom mit dem Triggerschwellenwert Ik zu vergleichen, um den Triggerzeitpunkt tk zu bestimmen.Device (100) according to Claim 10 or 11 , wherein the control unit (114) has an analog-to-digital converter (130) and a microcontroller (132), the analog-to-digital converter (130) being set up to convert an analog signal of the course of the current into a digital signal and wherein the microcontroller (132) is set up to use the digital signal to compare the current with the trigger threshold value I k in order to determine the trigger time t k. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet, eine Last des bürstenlosen Gleichstrommotors (102) zu bestimmen und den Triggerschwellenwert Ik an die Last anzupassen.Device (100) according to one of the Claims 10 until 12th wherein the control unit (114) is set up to determine a load of the brushless DC motor (102) and to adapt the trigger threshold value I k to the load. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, in einer Startphase eine Zwangskommutierung des Antriebssignals zu vordefinierten Kommutierungszeitpunkten durchzuführen; und in einer auf die Startphase folgenden Anlaufphase eine Kommutierung des Antriebssignals zu Kommutierungszeitpunkten durchzuführen, die mittels des Verfahrens (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bestimmt wurden.Device (100) according to one of the Claims 10 until 13th wherein the control unit (114) is set up to carry out a forced commutation of the drive signal at predefined commutation times in a start phase; and in a start-up phase following the start phase, commutation of the drive signal at commutation times, which by means of the method (200) according to one of the Claims 1 until 9 were determined. Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei die Startphase eine vordefinierte Anzahl von Zwangskommutierungen umfasst.Device (100) according to Claim 14 , wherein the start phase comprises a predefined number of forced commutations. Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (102) mit einem Stellglied, insbesondere einem Nadelventil gekoppelt ist und die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, die Anzahl der Zwangskommutierungen abhängig von einer Anfangsstellung des Stellglieds zu wählen.Device (100) according to Claim 15 , wherein the brushless DC motor (102) is coupled to an actuator, in particular a needle valve, and the control unit (114) is set up to select the number of forced commutations depending on an initial position of the actuator.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1612925A2 (en) 2004-07-01 2006-01-04 Samsung Electronics Co., Ltd. A brushless DC motor controller
DE102011105913A1 (en) 2010-08-10 2012-02-16 Ebm-Papst St. Georgen Gmbh & Co. Kg Electronically commutated motor

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