DE102020201553A1

DE102020201553A1 - Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE102020201553A1
Application number: DE102020201553.8A
Authority: DE
Inventors: Reiner Schweinfurth; Simon Dierolf; Ingo Immendoerfer; Udo Sieber; Martin Wellhäusser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1) für eine elektromotorische Verstelleinrichtung (50), insbesondere Luftsteller in einem Kraftfahrzeug, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
-- Ermitteln (100) einer Soll-Drehzahl (DS) eines Rotors (2) des bürstenlosen Gleichstrommotors (1);
-- Bestromen (200) wenigsten einer Phase (A1, B1, C1) wenigstens einer Phasenanordnung (P1) derart, dass die Soll-Drehzahl (DS) des Rotors (2) erreicht wird,
wobei die Bestromung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt;
-- Einstellen (300) einer Taktfrequenz (f_PWM) der Pulsweitenmodulation (PWM) in Abhängigkeit von der Soll-Drehzahl (DS) und/oder in Abhängigkeit von einer ermittelten Ist-Drehzahl (DI).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der insbesondere für eine elektromotorische Verstelleinrichtung in einem Kraftfahrzeug geeignet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens und ein Motorsystem mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und einem solchen Steuergerät.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) bekannt, die einen Rotor und einen Stator aufweisen. Der Stator weist z.B. eine Phasenanordnung mit drei Phasen auf (120° zueinander versetzt). Zum Betreiben des BLDC-Motors werden die Phasen der Phasenanordnung elektronisch kommutiert. Soll dabei an die Phasen eine Phasenspannung oder ein Phasenstrom z.B. in der Form eines Sinus-Signals, angelegt werden kann dies mittels einer sogenannten Pulsweitenmodulierung (PWM) geschehen. Dabei wird die gewünschte Signalform (z.B. eine Phasenspannung als Sinus-Signal) dadurch erzeugt, dass die PWM-Spannung zwischen zwei Werten (z.B. Aus / An bzw. „Min“ / „Max“) wechselt. Üblicherweise wird hierbei bei konstanter Taktfrequenz der PWM ein sogenannter Tastgrad eines Rechteckpulses moduliert, also die Dauer der ihn bildenden Impulse. Beträgt die Taktfrequenz wie üblich z.B. 1 kHz, so ist jeder Takt 1ms lang. Das bedeutet: in jedem Taktfenster kann der Rechteckpuls eine gewisse Zeit lang seinen Minimalwert bzw. seinen Maximalwert annehmen. Ist das zu modellierende Signal zu einem Zeitpunkt hoch, so kann z.B. das Rechtecksignal der PWM während des gesamten Taktfensters eines Takts seinen Maximalwert annehmen. Ist das zu modellierende Signal zu einem (anderen) Zeitpunkt niedrig, so kann das Rechtecksignal der PWM während des Taktfensters überwiegend seinen Minimalwert annehmen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass der Betrieb eines BLDC-Motors mit konstanter Taktfrequenz einer PWM nicht in allen Betriebszuständen des BLDC-Motors optimal ist. So kann bei hohen Drehzahlen des BLDC-Motors (z.B. wenigstens 1000Hz) eine konstante Taktfrequenz der PWM dazu führen, dass die Signalform der Soll-Phasenspannung (z.B. ein Sinussignal) vor allem in Abschnitten des Signals mit großen Amplitudenänderungen pro Zeiteinheit nicht mehr optimal abgebildet werden kann. Darüber hinaus kann es aufgrund der nicht idealen Signalnachbildung auch zu unerwünschten Stromrippeln kommen, die die Höhe des maximal entnehmbaren Drehmoments negativ beeinflussen. Solche Stromrippel entstehen z.B. durch das Rechtecksignal der PWM. Beim Einsetzen des Rechtecksignals steigt der Strom (z.B. im Anker) an, bis er einen beim Abschalten des Rechtecksignals einen Maximalwert bzw. Grenzwert erreicht. Wird das Rechtecksignal abgeschaltet, so sinkt der Strom wieder ab. Im laufenden Betrieb kommt es daher zu einem permanenten Auf- und Abpendeln des Stroms, z.B. um einen Mittelwert, was den Stromrippeln entspricht. Je größer die Amplitude des Stromrippel ist, desto geringer ist der Strom-Mittelwert (bei einem vorgegebenen Maximalwert bzw. Grenzwert für den Strom).
Dadurch kann der BLDC-Motor nicht mit maximalem (mechanischem) Wirkungsgrad betrieben werden. Auch die Motorperformance (auch Abgabeleistung, also die maximal mögliche Leistung bzw. das maximal erzielbare Drehmoment) liegt unter derjenigen eines mit einem idealen Signal angesteuerten bzw. kommutierten BLDC-Motors. Dies führt dazu, dass der BLDC-Motor und die ihn antreibende Leistungselektronik bzw. Bestromungseinrichtung (z.B. Halbleiterbrücken) stärker ausgelegt werden müssen, als dies bei einem Betrieb mit optimal nachgebildeter Signalform möglich wäre. Andererseits kann die Verwendung einer konstant hohen Taktfrequenz (z.B. 20kHz) dazu führen, dass die Leistungselektronik bzw. eine Bestromungseinrichtung zu stark erwärmt wird, da es bei jedem Schaltvorgang zu Schaltungsverlusten (z.B. in MOSFets oder IGBTs) kommt, die zu Verlustwärme führt. Dies mindert einerseits den elektrischen Wirkungsgrad des Motorsystems aus BLDC-Motor und Leistungselektronik (Bestromungseinrichtung) bzw. Steuergerät. Andererseits kann es bei zu hohen Temperaturen dazu kommen, dass die Leistungselektronik abgeregelt wird oder gar notabgeschaltet werden muss, um eine Beschädigung wegen Überhitzung zu verhindern.
Es kann daher ein Bedarf bestehen, ein Verfahren zum Betreiben eines BLDC-Motors bereitzustellen, mit dem in Abhängigkeit vom Betriebszustand des BLDC-Motors der mechanische und/oder der elektrische Wirkungsgrad verbessert werden kann, bei dem die Motorperformance (Abgabeleistung) erhöht werden kann, bei dem eine Überlastung der Leistungselektronik bzw. der Bestromungseinrichtung vermieden werden kann und bei dem auch die beim Betrieb des BLDC-Motors anfallenden Geräusche, insbesondere in für Menschen oder Tiere hörbaren und/oder unangenehmen Frequenzbereichen, verringert werden können.
Vorteile der Erfindung
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß der unabhängigen Ansprüche gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorgeschlagen. Der bürstenlose Gleichstrommotor kann z.B. für eine elektromotorische Verstelleinrichtung, z.B. in einem Kraftfahrzeug, geeignet sein bzw. eingerichtet sein. Die elektromotorische Verstelleinrichtung kann z.B. ein Luftsteller in einem Kraftfahrzeug sein, z.B. eine Drosselklappe, ein elektrischer Universalsteller („General Purpose Actuator“), ein Waste-Gate-Steller o.ä.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

-- Ermitteln einer Soll-Drehzahl eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors;
-- Bestromen wenigstens einer Phase wenigstens einer Phasenanordnung eines Stators des bürstenlosen Gleichstrommotors derart, dass die Soll-Drehzahl des Rotors erreicht wird, wobei die Bestromung mittels Pulsweitenmodulation erfolgt;
-- Einstellen einer Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation in Abhängigkeit von der Soll-Drehzahl und/oder in Abhängigkeit von einer ermittelten Ist-Drehzahl.

Die Bestromung mittels Pulsweitenmodulation kann dabei z.B. durch eine pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung erfolgen. Eine solche pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung kann lediglich beispielsweise eine pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung eines Inverters bzw. einer Leistungselektronik bzw. einer Bestromungseinrichtung sein.
Durch das Verfahren wird vorteilhaft bewirkt, dass die Motorperformance (Abgabeleistung) des BLDC-Motors bei gleicher Baugröße und gleichem Maximalstrom erhöht werden kann. Weiterhin vorteilhaft kann z.B. auch der mechanische Wirkungsgrad des BLDC-Motors verbessert werden und gleichzeitig auch der elektrische Wirkungsgrad der Leistungselektronik bzw. der Bestromungseinrichtung verbessert werden. Beispielsweise kann die Taktfrequenz linear oder polynomial (z.B. quadratisch, kubisch, quadratwurzelförmig, etc.) oder in sonst einem funktionalen Zusammenhang mit der Soll-Drehzahl und/oder der Ist-Drehzahl zusammenhängen, z.B. ansteigen. Dadurch kann bei einer geringen Soll-Drehzahl und/oder Ist-Drehzahl die Taktfrequenz gering sein, wodurch die elektrischen Schaltverluste gering sind und damit auch die Wärmeverluste in der Bestromungseinrichtung gering ausfallen. Aufgrund der geringen Soll-Drehzahl und/oder Ist-Drehzahl ist trotz einer geringen Taktfrequenz auch ein guter mechanischer Wirkungsgrad erzielbar, da z.B. die Soll-Phasenspannung mit ausreichender Genauigkeit nachgebildet werden kann. Steigt die Soll-Drehzahl und/oder die Ist-Drehzahl an, so kann die PWM-Taktfrequenz ebenfalls ansteigen, wodurch die Genauigkeit der Nachbildung der Soll-Phasenspannung erhalten bleibt, was zu weniger großen Stromrippel führt und damit auch zu einer besseren Motorperformance (Abgabeleistung bzw. maximal erzielbarem Drehmoment). Weiterhin vorteilhaft kann dadurch der mechanische Wirkungsgrad verbessert werden. Zwar erhöhen sich dadurch auch die Schaltverluste, jedoch führt dies gerade bei zeitlich punktueller Belastung mit hohen (Soll-/Ist-)Drehzahlen nicht zu einer übermäßigen Erwärmung in der Bestromungseinrichtung. Über die Gesamtbetriebsdauer kann auf diese Weise eine höhere Motorperformance bzw. eine höhere Abgabeleistung bzw. ein höheres maximales Drehmoment erzielt werden als bei einer konstanten Taktrate. Außerdem kann ein besserer Gesamtwirkungsgrad erreicht werden als bei einer konstanten Taktrate.
Besonders vorteilhaft ist das Verfahren, wenn die Soll-Drehzahl und/oder die Ist-Drehzahl während des Betriebs erheblich schwankt, z.B. in einem Bereich von 100Hz bis 5kHz und/oder wenn gerade bei den höchsten Soll-Drehzahlen hohe Drehmomentanforderungen bestehen. Denn dann ist für eine kleine Dimensionierung des BLDC-Motors eine (deutlich) höhere maximale Leistung bzw. ein (deutlich) höheres maximales Drehmoment und damit eine (deutlich) höhere Motorperformance erzielt werden bei gleichzeitig niedriger thermischer Belastung der Leistungselektronik bzw. einer Bestromungseinrichtung als bei einer konstanten Taktrate. Für derartige Soll-Drehzahlen kann bei klein dimensionierten BLDC-Motoren auch ein optimaler mechanischer Wirkungsgrad notwendig sein, der sich nur bei optimaler elektrischer Kommutierung (also bei möglichst idealer Nachbildung des Soll-Phasensignals durch die PWM) ergibt.
Dadurch, dass die Taktfrequenz kontinuierlich an die Soll-Drehzahl und/oder die ermittelte Ist-Drehzahl angepasst wird werden der mechanische und der elektrische Wirkungsgrad besonders vorteilhaft gesteigert.
Unter dem Begriff „kontinuierlich“ ist insbesondere eine kontinuierliche Anpassung in zeitlicher Sicht zu verstehen. Mit anderen Worten: wenn das Steuergerät bzw. eine Steuerschaltung einen elektronischen Takt aufweist (z.B. 10µs), dann soll in jedem x.-ten Takt eine Anpassung der PWM-taktfrequenz vorgenommen werden bzw. geprüft werden, ob eine Änderung der PWM-Taktfrequenz notwendig ist. Beispielsweise kann dies in jedem Takt sein (dann wäre x = 1) oder in jedem dritten Takt (dann wäre x=3). Bevorzugt ist dabei x kleiner als 50, besonders bevorzugt ist x kleiner als 10.
Die kontinuierliche Anpassung bzw. Überprüfung der Taktfrequenz soll insbesondere unabhängig von ereignisbasierten Anpassungen erfolgen (also z.B.: überschreitet eine physikalische Größe einen Schwellwert, dann wird die PWM-Taktfrequenz geändert bzw. angepasst - wobei bei ereignisbasierten Anpassungen von nur wenigen, definierten Schwellwerten ausgegangen wird, z.B. Temperaturüberschreitung bei 150°C oder Überschreitung einer Soll-Drehzahl von 1000Hz).
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Taktfrequenz in einem Band von 0Hz bis 50kHz eingestellt wird bzw. variiert bzw. angepasst werden kann. Dadurch wird vorteilhaft eine besonders gute Wirkungsgradoptimierung geschaffen. Besonders vorteilhaft ist dieser Taktfrequenzbereich für BLDC-Motoren, die sehr große Höchstdrehzahlen aufweisen, z.B. BLDC-Motoren für elektrische betriebene Kompressoren für Turbolader. Bei einer Taktfrequenz von 0Hz steht der BLDC-Motor, ist jedoch mit einem Drehmoment beaufschlagt, um z.B. eine federbeaufschlagte Klappe offenzuhalten.
Grundsätzlich fällt in diesen und die folgenden vorgeschlagenen Taktfrequenzbereiche auch eine sogenannte Blockkommutierung, bei der die betreffende Phase während ihrer Bestromungsdauer (z.B. während 120° eines Rotorumlaufs) durchgehend bestromt wird und in den anderen Zeiten (z.B. die restlichen 240° der Rotordrehung) unbestromt bleibt.
Besonders vorteilhaft wird die Taktfrequenz in einem Band von 500Hz bis 25kHz eingestellt bzw. variiert die Taktfrequenz in diesem Frequenzband.
Mit diesem Taktfrequenz-Frequenzband können viele BLDC-Motor-Anwendungen wirkungsgradoptimiert betrieben werden.
Weiterhin vorteilhaft wird die Taktfrequenz in einem Band von 1kHz bis 20kHz eingestellt bzw. variiert in diesem Band.
Durch dieses Taktfrequenz-Frequenzband können Schaltverluste der Bestromungseinrichtung beim Betrieb mit der höchsten Taktfrequenz besonders gut gering gehalten werden.
Dadurch, dass die Taktfrequenz in Abhängigkeit einer Differenz zwischen Soll-Drehzahl und Ist-Drehzahl eingestellt wird wird vorteilhaft bewirkt, dass auch ein klein dimensionierter BLDC-Motor besonders schnell auf die Soll-Drehzahl eingeregelt werden kann.
Ist z.B. die $(Drehzahl -) Differenz = Soll - Drehzahl - Ist - Drehzahl$
groß, so kann z.B. eine höhere Taktfrequenz eingestellt werden als bei der aktuellen Ist-Drehzahl oder bei der aktuellen Soll-Drehzahl eingestellt würde. Dadurch kann die Soll-Phasenspannung erheblich präziser nachgebildet werden. Dadurch steigt der mechanische Wirkungsgrad des Motors, so dass er in kurzer Zeit auf die Soll-Drehzahl eingeregelt werden kann. Dies gilt insbesondere auch bei hohen Drehmomentanforderungen, die im Grenzbereich des verwendeten BLDC-Motors liegen. Solche hohen Drehmomentanforderungen können dadurch auch mit einem relativ klein dimensionierten BLDC-Motor erzielt werden, da die Motorperformance (Abgabeleistung) steigt. Dies ist u.a. eine Folge der präziseren Nachbildung des idealen Kommutierungssignals und damit einhergehend kleineren Stromrippeln, die das maximal erreichbare Drehmoment verringern. Weiterhin wird der mechanische Wirkungsgrad durch das Verfahren optimiert. Nähert sich die Ist-Drehzahl der Soll-Drehzahl an (d.h.: die Drehzahl-Differenz verringert sich) kann die Taktfrequenz z.B. verringert werden, um so eine thermische Belastung der Bestromungseinrichtung zu verringern. Auch bei häufigen Soll-Drehzahl-Änderungen bzw. bei großen Sprüngen in der Soll-Drehzahl ist diese Weiterbildung besonders vorteilhaft, da hierdurch die Regelzeiten gering gehalten werden können. Dieser Aspekt kann z.B. bei größer dimensionierten BLDC-Motoren, die z.B. als Fahrantrieb z.B. im Dauerbetrieb Verwendung finden besonders wichtig sein.
Dadurch, dass die Taktfrequenz in Abhängigkeit einer Änderungsrate der Soll-Drehzahl eingestellt wird wird vorteilhaft bewirkt, dass bei schnellen Wechseln in der Soll-Drehzahl der BLDC-Motor schnell und präzise auf die Soll-Drehzahl eingeregelt werden kann.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Taktfrequenz weiterhin abhängt von wenigstens einem Parameter aus der Gruppe von

-- Temperatur, z.B. einer Temperatur der Bestromungseinrichtung;
-- Phasenstrom;
-- Momentenausbeute.

Dadurch kann vorteilhaft eine Optimierung des BLDC-Motors und der Steuerschaltung je nach Betriebszustand des BLDC-Motors erfolgen.
Beispielsweise kann bei einer hohen Temperatur der Bestromungseinrichtung bei einem - lediglich beispielhaften - linearen Zusammenhang zwischen Taktfrequenz und Soll-Drehzahl vorgesehen sein, dass insbesondere bei hohen Soll-Drehzahlen oder auch ganz allgemein der Proportionalitätsfaktor zwischen Taktfrequenz und Soll-Drehzahl verringert wird. Dadurch wird bei hohen Soll-Drehzahlen eine geringere Taktfrequenz eingestellt als eigentlich vorgesehen. Dies wiederum verringert die Schaltverluste und kann in der Folge die Temperatur der Bestromungseinrichtung verringern.
Bei hohen Phasenströmen, die z.B. bei hohen Drehmomentanforderungen notwendig sein können, kann es durch elektrisch-mechanische Kopplungen des BLDC-Motors bzw. der Bestromungseinrichtung bzw. durch Anregungen im BLDC-Motor zu einer Ausbildung von mechanischen Schwingungen kommen, die sich als Geräusch bemerkbar machen. Liegt die Frequenz des Geräuschs in einem für Menschen und/oder Tiere hörbaren Bereich und wird diese Frequenz als störend wahrgenommen so kann ein Bedarf bestehen, eine Taktfrequenz bzw. ein Taktfrequenzband zu vermeiden, die bzw. das dieses Geräusch hervorruft. Die Intensität (Lautstärke, Amplitude) des Geräuschs kann von der Stärke der Anregung, also dem Phasenstrom, abhängen, der wiederum vom angeforderten Drehmoment abhängt. Daher kann z.B. vorgesehen sein, dass bei einem - lediglich beispielsweise - angenommenen linearen Zusammenhang zwischen Soll-Drehzahl und Taktfrequenz bei Überschreiten eines definierten ersten Schwellwerts des Phasenstroms ein Taktfrequenz-Frequenzband nur sehr kurz angefahren wird bzw. dass dieses Taktfrequenz-Frequenzband nicht angefahren wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die PWM-Taktfrequenz bei Überschreiten eines definierten Phasenstroms nicht länger als 3 Sekunde oder nicht länger als 1 Sekunde in einem Taktfrequenz-Frequenzband von z.B. 1kHz bis 8kHz oder 3kHz bis 12kHz liegen darf bzw. dass ein solches Taktfrequenz-Frequenzband bei Überschreiten des ersten Schwellwerts des Phasenstroms überhaupt nicht eingestellt wird. Fällt der Phasenstrom unter einen definierten zweiten Schwellwert (dieser kann vom ersten Schwellwert verschieden sein oder gleich dem ersten Schwellwert sein), so ist das zu meidende Taktfrequenz-Frequenzband wieder zulässig.
Der erste und der zweite Schwellwert und/oder die Breite des zu meidenden Taktfrequenz-Frequenzbands können z.B. auch noch davon abhängen, ob Umgebungsgeräusche vorhanden sind, die das unangenehme Geräusch des BLDC-Motors bzw. der Bestromungseinrichtung überdecken. Dies kann z.B. durch die Auswertung von Mikrofon-Aufnahmen bewertet werden oder aus anderen Betriebsparametern abgeleitet werden, z.B. in einem Kraftfahrzeug daraus, ob ein Verbrennungsmotor läuft und wenn ja, mit welcher Drehzahl.
Dadurch wird ein guter, zustandsabhängiger Kompromiss zwischen Nutzerempfinden und Wirkungsgradoptimierung des BLDC-Motors und/oder der Bestromungseinrichtung erreicht.
Unter Momentenausbeute ist die Motorperformance (Ausgabeleistung) des BLDC-Motors zu verstehen. Bei kleinen Taktfrequenzen kann es - wie oben bereits dargelegt - vorkommen, dass das Soll-Phasenspannungs-Signal nicht ideal nachgebildet wird, was zu einer Verringerung des tatsächlich erreichten Drehmoments gegenüber dem mit eigentlich erreichbaren Drehmoment bei idealer Soll-Phasenspannung führt, z.B. wegen Stromrippeln. Wird z.B. bei aktuell vorliegenden Soll-Drehzahl und/oder Ist-Drehzahl ein hohes Drehmoment angefordert, das im Bereich des maximalen Drehmoments des BLDC-Motors liegt, so kann es sinnvoll sein, die PWM-Taktfrequenz z.B. kurzfristig höher einzustellen, als dies bei einem - lediglich beispielhaften - linearen Zusammenhang zwischen Taktfrequenz und Soll-Drehzahl vorgesehen ist (es versteht sich, dass auch z.B. quadratische, kubische, allgemein polynomiale oder wurzelförmige Zusammenhänge oder andere Abhängigkeiten in diesem und allen anderen Beispielen möglich sind). Denn durch eine höhere Taktfrequenz wird die Genauigkeit der Signalnachbildung der Soll-Phasenspannung verbessert, wodurch die Stromrippel geringer werden und dadurch die Momentenausbeute steigt. Sinkt die Drehmomentanforderung wieder ab, so kann wieder zur ursprünglich vorgesehenen Abhängigkeitsbeziehung zurückgekehrt werden.
Dadurch kann vorteilhaft bei einem vorgegebenen maximalen Soll-Drehmoment ein besonders kleiner BLDC-Motor eingesetzt werden, was Bauraum und Kosten spart.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Taktfrequenz eine stetige Funktion von der Soll-Drehzahl und/oder der Ist-Drehzahl ist. Dadurch wird ein besonders sanftes Regeln des BLDC-Motors ermöglicht. Auch werden dadurch vorteilhaft knackende und/oder pfeifende Geräusche unterbunden, die an Unstetigkeitsstellen auftreten könnten.
Die Taktfrequenz kann z.B. insbesondere eine stetige Funktion der Soll-Drehzahl und/oder der Ist-Drehzahl sein in einem Zustand, in dem keine Temperaturlimitierung und/oder keine Phasenstromlimitierung und/oder keine Momentenausbeute-Limitierung vorliegt.
Unter Temperaturlimitierung ist dabei zu verstehen, dass aufgrund einer erfassten Temperatur die eigentlich vorgesehene Abhängigkeitsbeziehung der Taktfrequenz von der Soll-Drehzahl und/oder Ist-Drehzahl verändert bzw. ausgehebelt wird. Z.B. bei Überschreitung eines Temperatur-Schwellwerts in der Bestromungseinrichtung (s.o.).
In gleicher Weise sind die Begriffe Phasenstromlimitierung und Momentenausbeute-Limitierung zu verstehen.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Taktfrequenz zusätzlich in Abhängigkeit von der Phasenlage einer Soll-Phasenspannung oder eines Soll-Phasenstroms eingestellt wird.
Mit anderen Worten: wenn z.B. eine Soll-Phasenspannung (nachfolgend ebenso wie ein Soll-Phasenstrom auch als Soll-Phasensignal bezeichnet) durch die PWM nachgebildet werden soll, dann wird bei dieser Weiterbildung die Taktfrequenz während einer Periode der Soll-Phasenspannung nicht konstant gehalten (selbst wenn die Frequenz der Soll-Phasenspannung konstant wäre). Vielmehr wird an Stellen, an denen bei konstanter PWM-Taktfrequenz die größten Abweichungen zwischen Soll-Phasenspannung und erzielter Nachbildung durch die PWM auftreten, die PWM-Taktfrequenz erhöht. Diese Bereiche sind typischerweise Abschnitte im Soll-Phasensignal, bei denen sich dessen Amplitude pro Zeiteinheit besonders stark ändert. Dadurch wird in diesen Bereichen die Genauigkeit verbessert. In den anderen Bereichen ist die PWM-Taktfrequenz wieder niedriger. Dadurch kann eine Genauigkeit der Signalnachbildung erreicht werden, die sehr nahe an diejenige herankommt, die eine konstante höhere Taktfrequenz aufweist und gleichzeitig treten nicht dieselben höheren Schaltverluste dieser höheren Taktfrequenz auf. Denn in den für die Genauigkeit der Nachbildung nicht kritischen Bereichen ist die PWM-Taktfrequenz niedriger. Dadurch verringern sich auch die Stromrippel und die Motorperformance kann weiter gesteigert werden.
Dadurch wird vorteilhaft eine noch höhere Genauigkeit der Nachbildung der Soll-Phasenspannung bzw. des Soll-Phasenstroms bewirkt und dadurch der mechanische Wirkungsgrad des BLDC-Motors verbessert. Gleichzeitig werden die Schaltverluste in vertretbarem Ausmaß gehalten, so dass die Bestromungseinrichtung (Leistungselektronik) mit für den erzielten Drehmoment-Wirkungsgrad geringen Schaltverlusten arbeitet.
Dadurch, dass die zusätzliche Variation der Taktfrequenz durch einen additiven Term erfolgt, der von einer zeitlichen Ableitung der Soll-Phasenspannung oder des Soll-Phasenstroms abhängt wird vorteilhaft eine besonders gute Anpassung des durch die PWM nachgebildeten Signals an das Soll-Phasensignal erreicht. Dadurch wird vorteilhaft die Momentenausbeute verbessert. Gleichzeitig können vorteilhaft die Schaltverluste gering gehalten werden.
Der additive Term ist insbesondere geeignet, wenn das nachzubildende Soll-Phasensignal (z.B. Soll-Phasenspannung oder Soll-Phasenstrom) eine stetige Form aufweist, z.B. eine Sinusform aufweist. Der Cosinus ist in diesem beispielhaften Fall die Ableitung des Sinus-Signals. Somit wird immer dann, wenn die Änderungsrate des Soll-Signals besonders hoch ist die Taktfrequenz erhöht und so die Genauigkeit der Nachbildung verbessert. Beispielsweise kann dabei ein Absolutwert bzw. der Betrag oder ein Quadrat der zeitlichen Ableitung, gegebenenfalls multipliziert mit einem Vorfaktor als additiver Term verwendet werden.
Dadurch, dass die Taktfrequenz unter Bezugnahme auf ein Kennfeld eingestellt wird wird vorteilhaft ein besonders robustes Verfahren bereitgestellt, das auch bei nur geringer Rechnerleistung ausgeführt werden kann.
Das Kennfeld kann z.B. in einer Speichereinheit hinterlegt sein. Diese Speichereinheit kann z.B. auf einem Steuergerät angeordnet sein oder als Cloud-Speicher vorliegen.
In dem Kennfeld können z.B. die einzustellenden Taktfrequenzen selber hinterlegt sein, die dann abgerufen werden, bevor die Taktfrequenz eingestellt wird. Es können jedoch auch Größen hinterlegt sein, die sich z.B. durch einfache mathematische Operationen (z.B. Addition, Multiplikation, Division, etc.) in eine Taktfrequenz umrechnen lassen, jedenfalls jedoch mit der Taktfrequenz korrelieren.
Dadurch, dass die einzustellende Taktfrequenz fortlaufend berechnet wird kann das Verfahren besonders schnell implementiert werden und kommt mit wenig Speicherbedarf aus - auch ein Ausfall des Speichers hat keine großen Auswirkungen, da die Taktfrequenz fortlaufend berechnet wird. Die Berechnung kann z.B. anhand einer Funktion bzw. eines Algorithmus erfolgen.
Unter „fortlaufend“ ist eine Berechnung zu verstehen, die in jedem x.-ten Takt eines Computers, Microcontrollers oder einem sonstigen (elektronischen) Rechenwerk abläuft, z.B. in jedem Takt (x=1) oder jedem 3. Takt (x=3), etc. - fortlaufend ist hier abzugrenzen von ereignisbasiert. Dabei ist vorteilhaft x kleiner oder gleich 50, besonders vorteilhaft ist x kleiner oder gleich 10.
Im Unterschied zu einem kennfeldbasierten Verfahren kann z.B. die Bedatung des Kennfelds entfallen, wodurch auch Updates schnell implementiert werden können, indem einfach der Algorithmus oder die Funktion geändert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Steuergerät zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorgeschlagen.
Das Steuergerät weist auf:

-- eine Steuerschaltung,
-- eine Bestromungseinrichtung für die Bestromung wenigstens einer Phase wenigstens einer Phasenanordnung des bürstenlosen Gleichstrommotors.

Die Steuerschaltung ist zur Ansteuerung der Bestromungseinrichtung für die wenigstens eine Phase eingerichtet. Das Steuergerät ist eingerichtet, ein Verfahren wie oben beschrieben auszuführen.
Das Steuergerät kann vorteilhaft den BLDC-Motor mit besonders hohem mechanischen Wirkungsgrad ansteuern und die Bestromungseinrichtung gleichzeitig mit besonders hohem elektrischem Wirkungsgrad.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Motorsystem vorgeschlagen. Das Motorsystem weist einen bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) auf. Der bürstenlose Gleichstrommotor weist einen Rotor und einen Stator auf, wobei der Rotor auf einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Welle drehfest angeordnet ist, wobei der Stator gehäusefest angeordnet ist und eine Statorwicklung mit wenigstens einer Phasenanordnung mit wenigstens einer Phase aufweist. Das Motorsystem weist weiterhin ein Steuergerät wie oben beschrieben auf.
Das Motorsystem kann vorteilhaft mit besonders gutem mechanischen und gleichzeitig elektrischem Wirkungsgrad über einen großen Drehzahlbereich betrieben werden.
Der BLDC-Motor kann z.B. geeignet sein zur Verwendung in einer elektromotorischen Verstelleinrichtung, wie z.B. einer Drosselklappe, einem Waste-gate für einen Turbolader, etc. Er kann auch eingerichtet sein zur Verwendung in einer elektromotorischen Verstelleinrichtung. Der BLDC-Motor kann z.B. an ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrrads angeschlossen sein. Dies kann z.B. ein 12V-Bordnetz, ein 24V-Bordnetz, ein 36V-Bordnetz oder ein 48V-Bordnetz sein. Es kann auch ein Hochvolt-Bordnetz sein. Der BLDC-Motor ist jedoch auf diese Verwendungen nicht beschränkt - er kann z.B. in einem Hybridfahrzeug als Antrieb eingesetzt werden, welches neben dem BLDC-Motor noch einen Verbrennungsmotor aufweist. Auch der Einsatz, z.B. als Antrieb, in einem rein elektrisch betriebenen Fahrzeug ist möglich.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen

1: eine schematische Skizze, eines BLDC-Motors und eines Steuergeräts;
2: ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Betreiben des BLDC-Motors darstellt;
3a-3d: eine Darstellung einer PWM für eine einzelne Phase mit konstanter Taktfrequenz, sowie die Nachbildung eines Soll-Phasensignals und des Differenzsignals aus Soll-Phasensignal und nachgebildetem Signal;
4a-4d: eine Darstellung einer PWM für eine Phase mit variierender Taktfrequenz, sowie die Nachbildung eines Soll-Phasensignals und des Differenzsignals aus Soll-Phasensignal und nachgebildetem Signal;
5a-5d: eine Darstellung einer weiteren PWM für eine Phase mit variierender Taktfrequenz, sowie die Nachbildung eines Soll-Phasensignals und des Differenzsignals aus Soll-Phasensignal und nachgebildetem Signal.

1 zeigt eine schematische Skizze eines Motorsystems 50, welches einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor) 1 und ein Steuergerät 10 aufweist. Der BLDC-Motor 1 weist einen Rotor 2 und einen Stator 3 auf, wobei der Rotor 2 auf einer in einem Gehäuse 4 drehbar gelagerten Welle 5 drehfest angeordnet ist, wobei der Stator 3 gehäusefest angeordnet ist und eine Statorwicklung mit einer ersten Phasenanordnung P1 aufweist (grundsätzlich könnte auch eine weitere, zweite Phasenanordnung vorgesehen sein). Die erste Phasenanordnung Plweist hier lediglich beispielhaft drei Phasen A1, B1, C1 auf. Die Phasen A1, B1, C1 der ersten Phasenanordnung P1 werden in Abhängigkeit von einem Drehwinkel des Rotors 2 angesteuert.
Weiterhin ist im Steuergerät 10 ein Schaltungsträger 11 vorgesehen, welcher eine Steuerschaltung 13 bzw. eine Steuerungslogik aufweist. Die elektronische Schaltung 13 ist mit einem DC-Link 12, der z.B. Zwischenkreiskondensatoren aufweisen kann, verbunden und kann diesen regeln bzw. steuern bzw. Signale von diesem empfangen. In den DC-Link 12 sind zwei Leitungen geführt, die Erdpotential („GND“) und hier lediglich beispielhaft 48V Spannung aufweisen (auch 12V oder 24V oder 36V oder eine Hochspannung (z.B. mehr als 100V) sind möglich).
Weiterhin ist die elektronische Schaltung 13 eingerichtet, eine Leistungselektronik bzw. Bestromungseinrichtung 14 und eine Rotor-Leistungselektronik bzw. Rotor-Bestromungseinrichtung 16 anzusteuern bzw. zu regeln. Die zwei Leistungselektronik-Bestromungseinrichtung-Module 14, 16 werden aus dem DC-Link 12 mit Strom und Spannung versorgt.
Die Bestromungseinrichtung 14 steuert über drei Phasenleitungen (erste Phasenleitung 20, zweite Phasenleitung 21, dritte Phasenleitung 22) die drei Phasen A1, B1, C1 der ersten Phasenanordnung P1 des Stators 3 der elektrischen Maschine 1 an. Die Rotor-Bestromungseinrichtung 16 steuert die Bestromung des Rotors 2 über eine erste Rotorleitung 40 und eine zweite Rotorleitung 41. Grundsätzlich kann der Rotor auch permanentmagnetisch ausgebildet sein. Dann entfällt die Rotor-Bestromungseinrichtung 16.
Um die Ansteuerung der Phasen A1, B1, C1 der ersten Phasenanordnung P1 effizient durchführen zu können ist hier - lediglich beispielhaft - ein Rotorlagensensor 18 vorgesehen, der mit der Steuerschaltung 13 verbunden ist. Die elektronische Schaltung 13 steuert hier zumindest die erste Phasenanordnung P1 in Abhängigkeit der Lage des Rotors 2 zum Stator 3 bzw. vereinfacht ausgedrückt in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors 2.
Die Bestromung der drei Phasen A1, B1, C1 erfolgt mittels Pulsweitenmodulation (PWM). Dazu ermittelt die Steuerschaltung 13 z.B. aus einer Soll-Phasenspannung für die einzelnen Phasen ein PWM-Signal, wobei dessen Maximalwert von der Bordnetzspannung abhängt.
2 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben des BLDC-Motors 1 aus 1.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

-- Ermitteln 100 einer Soll-Drehzahl DS eines Rotors 2 des bürstenlosen Gleichstrommotors 1;
-- Bestromen 200 wenigsten einer Phase A1, B1, C1 wenigstens einer Phasenanordnung P1 eines Stators 3 des bürstenlosen Gleichstrommotors 1 derart, dass die Soll-Drehzahl DS des Rotors 2 erreicht wird,

PWM

-- Einstellen 300 einer Taktfrequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation PWM in Abhängigkeit von der Soll-Drehzahl DS und/oder in Abhängigkeit von einer ermittelten Ist-Drehzahl DI.

Es können auch weitere Schritte vorgesehen sein - da diese optional sind sind sie in 2 durch gestrichelte Linien dargestellt. Mit anderen Worten: diese Schritte können durchgeführt werden, müssen jedoch nicht durchgeführt werden.

-- Ermitteln 110 einer Ist-Drehzahl DI des Rotors 2;
-- Ermitteln 120 einer Differenz DD aus Soll-Drehzahl DS des Rotors 2 und Ist-Drehzahl DI des Rotors 2: DD = DS - DI;
-- Ermitteln 130 einer Änderungsrate RDS der Soll-Drehzahl DS. Dazu kann z.B. die zeitliche Ableitung der Soll-Drehzahl ermittelt werden: RDS = d(DS) / dt. Dies kann z.B. durch den Vergleich zweier Soll-Drehzahlen DS(t1), DS(t2) an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1, t2 erfolgen.
-- Ermitteln 140 einer Temperatur T der Bestromungseinrichtung 14;
-- Ermitteln 150 eines Phasenstroms I_A1, I_B1, I_C1;
-- Ermitteln 160 einer Momentenausbeute AM.

3a zeigt im oberen Diagramm eine PWM aus dem Stand der Technik mit konstanter PWM-Taktfrequenz, die ein Soll-Phasensignal US_A1 (siehe 3a, unteres Diagramm) nachbilden soll. Dabei steigt mit zunehmender Zeit t die Soll-Drehfrequenz DS eines BLDC-Motors 1 an, der mit der PWM angetrieben werden soll.
Dabei ist hier aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine Phase (z.B. die Phase A1) dargestellt. Mit anderen Worten: die PWM-Zeitspanne ist immer gleich lang, bei einer PWM-Frequenz von 1kHz also z.B. 1ms.
Im oberen Diagramm der 3a ist auf der x-Achse die Zeit (hier in Millisekunden, ms) aufgetragen und auf der y-Achse die Spannung (in willkürlichen Einheiten), die hier normiert zwischen „0“ (Minimalwert) und „1“ (Maximalwert) als Rechteckpuls wechselt.
Im unteren Diagramm der 3a ist auf der x-Achse die Zeit (hier in Millisekunden, ms) aufgetragen (und zwar derselbe Zeitstrahl wie im oberen Diagramm).
Auf der y-Achse ist eine normierte Spannungsgröße (in willkürlichen Einheiten) aufgetragen, die von „0“ (Minimalwert, z.B. 0V) bis zu „1“ (Maximalwert, z.B. 48V) reicht.
Im unteren Diagramm ist als durchgezogene Linie die Soll-Phasenspannung US_A1 zur Kommutierung eines BLDC-Motors 1 gegen die Zeit t aufgetragen. Die Soll-Phasenspannung US_A1 ist hier lediglich beispielhaft ein Sinussignal. Die Amplitude der Soll-Phasenspannung US_A1 variiert zwischen dem Minimalwert („0“) und dem Maximalwert („1“).
Als gestrichelte Linie ist die Nachbildung der Soll-Phasenspannung dargestellt, wie sie sich aus der PWM ergibt. Die Nachbildung ist eine Treppenfunktion, wobei die Stufenbreite in x-Richtung der Blocklänge der PWM entspricht und damit von der Taktfrequenz f_PWM abhängt. Da die Taktfrequenz f_PWM konstant ist ist auch die Treppenbreite stets gleich breit (hier jeweils 0,5ms, entsprechend einer Taktfrequenz f_PWM von 2kHz).
Auf den x-Achsen des oberen und des unteren Diagramms sind zur besseren Orientierung jeweils noch die Zeitabschnitte gekennzeichnet, in denen die Soll-Phasenspannung US_A1 jeweils eine vollständige Periode (360° bzw. 2π) durchlaufen hat. Es sind jeweils 3 Perioden dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass die Soll-Drehzahl DS bzw. Ist-Drehzahl DI des BLDC-Motors 1 mit zunehmender Zeit t ansteigt, d.h. die Zeitabschnitte, in denen eine vollständige Periode durchlaufen wird, verkürzen sich.
Da die Taktfrequenz f_PWM konstant ist (und damit auch die Treppenbreite entlang der Zeitachse) wird die Nachbildung des Soll-Phasensignals US_A1 mit zunehmender Soll-Drehfrequenz DS ungenauer.
3b zeigt den Zusammenhang zwischen der Soll-Drehzahl DS (als f_Motor bezeichnet) bezogen auf die linke y-Achse (hier in Hz) und der Taktfrequenz f_PWM der PWM bezogen auf die rechte y-Achse (hier in kHz). Auf der x-Achse ist die Zeit t dargestellt. Es ist zu erkennen, wie die Soll-Drehzahl DS mit zunehmender Zeit ansteigt (hier beispielhaft von 100Hz bis 1000Hz). Die Taktfrequenz f_PWM bleibt jedoch konstant (hier z.B. 1kHz oder 2kHz, etc.).
Selbst bei steigender Frequenz des nachzubildenden Soll-Phasensignals (hier Soll-Phasenspannung US_A1, entsprechend der Soll-Drehzahl DS oder der Ist-Drehzahl DI) bleibt die Taktfrequenz f_PWM also gleich.
3c zeigt das im oberen Diagramm dieselbe Abbildung wie das untere Diagramm aus 3a. Im unteren Diagramm von 3c ist auf der x-Achse erneut die Zeit t aufgetragen (derselbe Zeitstrahl wie im oberen Diagramm) sowie die Periodenlänge der Soll-Drehfrequenz DS. Auf der y-Achse ist der Absolutwert bzw. der Betrag der Differenzspannung aus Soll-Phasenspannung US_A1 und dem mittels der PWM nachgebildeten realen Spannungssignal (also der Treppenfunktion) aufgetragen.
Man erkennt, dass mit steigender Soll-Drehzahl DS (hier also mit zunehmender Zeit t) die Genauigkeit des nachgebildeten Signals geringer wird (siehe auch 3d), denn die Amplitude des Abweichungswerts nimmt mit zunehmender Zeit t (und zunehmender Soll-Drehzahl DS) zu.
Als durchgezogene horizontale Linie ist der Wert der mittleren Differenz aufgetragen als Indikator für die Qualität der Nachbildung des Soll-Phasensignals durch die PWM.
3d zeigt zur Verdeutlichung der Genauigkeit das untere Diagramm aus 3d in vergrößerter Darstellung. Es ist erkennbar, dass das Differenzsignal (Absolutwert bzw. Betrag der Differenzspannung aus Soll-Phasenspannung US_A1 und dem mittels der PWM nachgebildeten realen Spannungssignal) stark ansteigt. Dadurch werden auch immer größere Stromrippel im BLDC-Motor 1 generiert, so dass das maximal abrufbare Drehmoment (also die Motorperformance) hinter demjenigen zurückbleibt, welches mit einem idealen Soll-Phasensignal bewirkt werden könnte.
Als durchgezogene horizontale Linie ist der Wert der mittleren Differenz aufgetragen als Indikator für die Qualität der Nachbildung des Soll-Phasensignals durch die PWM.
Die 4a bis 4d zeigen Darstellungen analog zu denen aus den 3a bis 3d. In den 4a bis 4d wird jedoch die Taktfrequenz f_PWM in Abhängigkeit von der Soll-Drehzahl DS und/oder der Ist-Drehzahl DI variiert. Hier wurde - lediglich beispielhaft - ein linearer Zusammenhang zwischen Soll-Drehzahl DS und Taktfrequenz f_PWM angenommen. Die Einstellung der Taktfrequenz f_PWM erfolgt kontinuierlich bzw. fortlaufend. Zur Einstellung der Taktfrequenz f_PWM kann z.B. auf ein Kennfeld zurückgegriffen werden. Beispielsweise können für verschiedene erfasste Werte (z.B. Drehzahlen, etc.) in dem Kennfeld Taktfrequenzen f_PWM oder Werte hinterlegt sein, aus denen die Taktfrequenzen f_PWM durch einfache Berechnungen ermittelt werden können. Das Kennfeld kann vorab bedatet werden. Es kann in einem Speicher hinterlegt sein, z.B. im Steuergerät 10 oder in einer Cloud. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Taktfrequenz f_PWM kontinuierlich bzw. fortlaufend zu berechnen. Dazu kann in dem Steuergerät 10 eine Recheneinheit vorgesehen sein, die die Taktfrequenz f_PWM anhand einer hinterlegten Funktion oder eines Algorithmus errechnet. Die errechnete oder aus dem Kennfeld abgerufene Taktfrequenz f_PWM wird dann von der Steuerschaltung 13 eingestellt.
In den 4c und 4d ist gut zu erkennen, dass die Genauigkeit des nachgebildeten Signals (gestrichelte Linie im unteren Diagramm der 4a und gestrichelte Linie im oberen Diagramm der 4c) über den gesamten Bereich der Soll-Drehzahl DS gegenüber dem Zustand aus den 3a bis 3d mit konstanter Taktfrequenz f_PWM deutlich verbessert ist. Gerade bei höheren Soll-Drehzahlen DS ist die Ablage des nachgebildeten Signals vom Soll-Phasensignal erheblich verringert. Dies führt zu einer verbesserten Drehmomentausbeute (Motorperformance). Auch der mechanische Wirkungsgrad des BLDC-Motors 1 steigt.
In 4b sind zwei verschiedene Szenarien eingezeichnet.
Im ersten Szenario ist mit einer ersten gestrichelten Linie der in den 4a, 4b und 4d dargestellte streng lineare Zusammenhang zwischen der Taktfrequenz f_PWM (rechte y-Achse) und der Soll-Drehzahl DS (in 4b als f_Motor bezeichnet, zur linken y-Achse gehörend) dargestellt. Die Taktfrequenz f_PWM verläuft von einer Startzeit t0 bis zu einer einem Zeitpunkt t1 hier beispielhaft von 2 kHz bis 20 kHz. Die Soll-Drehzahl DS (hier bezeichnet mit f_Motor) verläuft hier beispielhaft von 100 Hz bis 1000Hz.
Mit einer strichpunktierten Linie ist ein zweites Szenario eingezeichnet, bei dem die Taktfrequenz f_PWM bei Erreichen eines definierten ersten Taktfrequenz-Schwellwerts (hier beispielhaft: 3kHz) die Steigung ändert (vergrößert) und den Bereich bis zu einem definierten zweiten Taktfrequenz-Schwellwert sehr zügig durchläuft, bevor die Kurve dann mit geringerer Steigung linear weiter verläuft. Dieses zweimalige Ändern der Steigung kann z.B. bewirkt werden, wenn eine Phasenstrom-Limitierung IL_A1, IL_B1, IL_C1 eingreift. Wenn der Phasenstrom I_A1, I_B1, I_C1 z.B. eine definierte Phasenstrom-Schwelle (die Phasenstrom-Limitierung) übersteigt kann das Risiko bestehen, dass mittels der PWM Schwingungen im Motorsystem 50 derart stark angeregt werden, dass sie deutlich hörbar werden. Liegen diese angeregten Schwingungen im hörbaren Bereich für Menschen und/oder Tiere und ist bekannt, dass sie als unangenehm empfunden werden, so kann die Taktfrequenz f_PWM so eingestellt werden, dass diese Schwingungen vermieden werden. Dazu wird ein für die Anregung der unangenehmen Geräusche relevanter Taktfrequenz-Bereich (hier beispielhaft 3kHz bis 12kHz) gemieden bzw. sehr rasch durchlaufen, so dass die Geräusche sich nicht ausbilden oder so kurz sind, dass sie nicht als störend empfunden werden. Bei Phasenströmen I_A1, I_B1, I_C1, die unter der Phasenstrom-Limitierung IL_A1, IL_B1, IL_C1 liegen kann z.B. die Energie nicht ausreichend sein, um hörbare bzw. wahrnehmbare Geräusche zu erzeugen. In diesem Fall kann die Taktfrequenz f_PWM mit der normalen Abhängigkeitsbeziehung eingestellt werden (durchgezogene Linie).
Der Übergang zwischen den Abschnitten mit verschiedener Steigung kann z.B. stetig erfolgen, z.B. durch einen sehr kurzen Abschnitt mit z.B. quadratischer oder kubischer Abhängigkeit oder dergleichen. Es ist jedoch auch denkbar, einen direkten (unstetigen) Übergang zwischen den Abschnitten vorzusehen.
In den 4c und 4d ist gut zu erkennen, dass das Differenzsignal gegenüber demjenigen mit konstanter Taktrate aus den 3c und 3d erheblich verringert ist. Weiterhin ist sichtbar, dass das Differenzsignal über alle Bereiche der Soll-Drehfrequenz DS stets ungefähr eine gleich hohe maximale Amplitude aufweist. Die Motorperformance ist somit nicht mehr (so stark) abhängig von der Soll-Drehzahl DS bzw. der Ist-Drehzahl DI wie im Fall einer PWM mit konstanter Taktrate f_PWM.
Die mittlere Abweichung (durchgezogene horizontale Linie) ist um ca. 80% geringer als bei konstanter Taktrate f_PWM (hier: 0,026 statt 0,133).
Die 5a bis 5d zeigen Darstellungen analog zu denen aus den 4a bis 4d, also mit variierender Taktfrequenz f_PWM. In den 5a bis 5d wird im Unterschied zu der Variation der Taktfrequenz f_PWM gemäß den 4a bis 4d die Taktfrequenz f_PWM jeweils noch innerhalb einer Periode des Soll-Phasensignals variiert. Beispielsweise wird zu der - beispielhaft - linearen Abhängigkeitsbeziehung der Taktfrequenz f_PWM von der Soll-Drehzahl DS noch ein additiver Term hinzugefügt, der die Taktfrequenz f_PWM immer dann weiter erhöht, wenn die Änderungsrate des zugrundeliegenden Soll-Phasensignals (also: Amplitudenänderung bzw. Spannungsänderung (falls das Soll-Phasensignal eine Spannung ist) pro Zeiteinheit oder zeitliche Ableitung der Amplitude bzw. zeitliche Ableitung der Spannung) besonders groß ausfällt. Dadurch kann das nachgebildete Signal noch genauer an das Soll-Phasensignal angepasst werden, ohne dass dazu die Taktfrequenz f_PWM dauerhaft erhöht werden muss. Mit anderen Worten: in diesem Beispiel kann die Steigung des linearen Zusammenhangs zwischen Taktfrequenz f_PWM bezogen auf die Soll-Drehzahl DS beibehalten werden und es wird lediglich inter-periodell die Taktrate f_PWM für kurze Zeit (also wenige Takte) erhöht. Dies ist erkennbar an den auf der linearen Funktion (diese ist als dünne Linie, die die Minima der Linie für die Taktrate f_PWM touchiert dargestellt) aufgesetzten Peaks (pro Periode zwei Peaks). Dadurch wird die Motorperformance weiter erhöht und damit das maximal abrufbare Drehmoment sowie der mechanische Wirkungsgrad, gleichzeitig steigen die Schaltverluste und damit die thermische Belastung der Bestromungseinrichtung 14 nicht (so stark) bzw. nur unwesentlich an.
In den 5c und 5d ist gut zu erkennen, wie das Differenzsignal gegenüber dem aus den 4c und 4d weiter verringert ist. Gleichzeitig oszilliert das Differenzsignal nicht mehr so stark wie in den 4c und 4d, in denen es an eine Absolutfunktion eines Sinussignals erinnert. In den 5c und 5d nimmt es eher die Form eines Rechtecksignals an.
Die mittlere Abweichung (durchgezogene horizontale Linie) ist noch einmal um ca. 7% geringer als im Beispiel der 4a bis 4d (hier: 0,024 statt 0,026).

Claims

Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der insbesondere für eine elektromotorische Verstelleinrichtung in einem Kraftfahrzeug geeignet ist, insbesondere für einen Luftsteller, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: -- Ermitteln (100) einer Soll-Drehzahl (DS) eines Rotors (2) des bürstenlosen Gleichstrommotors (1); -- Bestromen (200) wenigsten einer Phase (A1, B1, C1) wenigstens einer Phasenanordnung (P1) eines Stators (3) des bürstenlosen Gleichstrommotors (1) derart, dass die Soll-Drehzahl (DS) des Rotors (2) erreicht wird, wobei die Bestromung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erfolgt; -- Einstellen (300) einer Taktfrequenz (f_PWM) der Pulsweitenmodulation (PWM) in Abhängigkeit von der Soll-Drehzahl (DS) und/oder in Abhängigkeit von einer ermittelten Ist-Drehzahl (DI).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Taktfrequenz (f_PWM) kontinuierlich, insbesondere in zeitlicher Sicht kontinuierlich, an die Soll-Drehzahl (DS) und/oder die ermittelte Ist-Drehzahl (DI) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktfrequenz (f_PWM) in einem Band von 0Hz bis 50kHz eingestellt wird oder wobei die Taktfrequenz (f_PWM) in einem Band von 500Hz bis 25kHz eingestellt wird oder wobei die Taktfrequenz (f_PWM) in einem Band von 1kHz bis 20kHz eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktfrequenz (f_PWM) in Abhängigkeit einer Differenz (DD) zwischen Soll-Drehzahl (DS) und Ist-Drehzahl (DI) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktfrequenz (f_PWM) in Abhängigkeit einer Änderungsrate (RDS) der Soll-Drehzahl (DS) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktfrequenz (f_PWM) weiterhin abhängt von wenigstens einem Parameter aus der Gruppe von -- Temperatur (T), insbesondere der Temperatur der Bestromungseinrichtung; -- Phasenstrom (I_A1, I_B1, I_C1); -- Momentenausbeute (AM).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktfrequenz (f_PWM) eine stetige Funktion von der Soll-Drehzahl (DS) und/oder der Ist-Drehzahl (DI) ist, insbesondere in einem Zustand, in dem keine Temperaturlimitierung (TL) und/oder keine Phasenstromlimitierung (IL_A1, IL_B1, IL_C1) und/oder keine Momentenausbeute-Limitierung (AML) vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktfrequenz (f_PWM) zusätzlich in Abhängigkeit von der Phasenlage einer Soll-Phasenspannung (US_A1, US_B1, US_C1) oder des Soll-Phasenstroms (IS_A1, IS_B1, IS_C1) eingestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zusätzliche Variation der Taktfrequenz (f_PWM) durch einen additiven Term erfolgt, der von einer zeitlichen Ableitung der Soll-Phasenspannung oder des Soll-Phasenstroms abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taktfrequenz (f_PWM) unter Bezugnahme auf ein Kennfeld eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einzustellende Taktfrequenz (f_PWM) fortlaufend berechnet wird.
Steuergerät zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors, das Steuergerät aufweisend: -- eine Steuerschaltung (13), -- eine Bestromungseinrichtung (14) für die Bestromung wenigstens einer Phase (A1, B1, C1) wenigstens einer Phasenanordnung (P1) des bürstenlosen Gleichstrommotors (1), wobei die Steuerschaltung (13) zur Ansteuerung der Bestromungseinrichtung (14) für die wenigstens eine Phase (A1, B1, C1) eingerichtet ist, wobei das Steuergerät (11) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Motorsystem, das Motorsystem (50) aufweisend: -- einen bürstenlosen Gleichstrommotor (1), -- ein Steuergerät (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (1) einen Rotor (2) und einen Stator (3) aufweist, wobei der Rotor (2) auf einer in einem Gehäuse (4) drehbar gelagerten Welle (5) drehfest angeordnet ist, wobei der Stator (3) gehäusefest angeordnet ist und eine Statorwicklung mit wenigstens einer Phasenanordnung (P1) mit wenigstens einer Phase (A1, B1, C1) aufweist.