1 zeigt
ein schematisches Schaltbild einer Ansteuerelektronik für einen
dreiphasigen Gleichstrommotor mit bipolarer Ansteuerung. Der Elektromotor
umfaßt
drei Phasenwicklungen U,
12; V,
14; W,
16,
die in
1 schematisch
in Sternschaltung
10 dargestellt sind. Die drei Wicklungen
12,
14,
16 sind
zwischen einer positiven Versorgungsschiene
18 und einer
negativen Versorgungsschiene
20 angeschlossen. Die positive Versorgungsschiene
18 führt das
Potential +U
BAT, und die negative Versorgungsschiene
20 führt das
Potential –U
BAT. Die Phasenwicklungen
12,
14,
16 werden über sechs
Leistungs-Schalter T1,
22; T2,
24; T3,
26;
T4,
28; T5,
30; T6,
32 nach Maßgabe von
Steuersignalen mit den Versorgungsschienen
18,
20 verbunden.
Die Leistungs-Schalter
22 bis
32 sind vorzugsweise
Leistungstransistoren. Sie weisen Steueranschlüsse auf, die in
1 mit G1 bis G6 bezeichnet
sind. Die Steueranschlüsse
entsprechen insbesondere den Gates der Leistungstransistoren. Durch
Anlegen geeigneter Steuersignale an die Gates der Leistungstransistoren
werden die Phasenwicklungen
12,
14 und
16 des
Gleichstrommotors in geeigneter Weise bestromt, um dessen Betrieb
zu steuern. Verfahren zum Steuern eines bürstenlosen elektronisch kommutierten
Gleichstrommotors sind beispielsweise beschrieben in
DE 100 33 561 A1 und
U.S. 6,400,109 B1 ,
auf die Bezug genommen wird.
Elektronisch kommutierte, bürstenlose
Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) werden angesteuert, indem die
einzelnen Phasen des Motors synchron zu den in den Phasenwicklungen induzierten
Spannungen in Kommutierungsschritten bestromt werden. Grund hierfür ist, daß die elektrische
Leistung das Produkt aus induzierter Spannung und Strom ist: Pel =
Uind·i (1)
Die induzierte Spannung ist gegeben
durch: Uind =
KE(φ)·ω (2)wobei KE die Spannungskonstante und ω die Winkelgeschwindigkeit
des Rotors bezeichnet. Die Spannungskonstante KE ist
eine Größe, die
sich aus den Abmessungen des Motors und den elektromagnetischen
Parametern ergibt, welche für
das Motordesign gewählt
wurden.
Bei einem idealen, verlustfreien
Motor gilt ferner: KT(φ)
= KE(φ) (3)wobei KT die Drehmomentkonstante ist und sich das
Drehmoment T aus dem Produkt aus KT und
dem Strom i ergibt: T(φ) = KT(φ)·i (4)
Bei konstantem Strom entspricht somit
der Drehmomentverlauf T(φ)
der Drehmomentkonstanten KT(φ) und somit
auch der Spannungskonstanten KE(φ).
Bei Elektromotoren, insbesondere
drei-phasigen Elektromotoren, wie sie meist in industriellen Anwendungen
und in der Automobiltechnik zum Einsatz kommen, unterscheidet man
zwischen einer „blockförmigen" und einer „sinusförmigen" Bestromung der Phasen
des Motors. „Blockförmige" Bestromung bedeutet,
daß der Strom,
der an die Phasenwicklungen angelegt wird, einen rechteckförmigen Verlauf
hat. Der Strom wird zu einem Zeitpunkt auf einen gegebenen Wert
eingeschaltet und zu einem anderen Zeitpunkt wieder abgeschaltet. Solche
Motoren haben üblicherweise
eine trapezförmige
induzierte Spannung. 2 zeigt
sche matisch die induzierten Spannungen eines „blockförmig" bestromten oder „blockkommutierten" Motors. Im Betrieb
sollte die Umschaltung der Phasenströme dann erfolgen, wenn sich
jeweils zwei induzierte Spannungen schneiden, um eine minimale Drehmomentwelligkeit
zu erzeugen. Hierzu wird eine Information über die jeweilige Rotorlage benötigt, um
die Phasenströme
zu den richtigen Kommutierungszeitpunkten umschalten zu können.
Soll der Strom nicht nur ein- und
ausgeschaltet werden, sondern auch abhängig von der Rotorlage gesteuert
werden, so ist eine detaillierte Information über die Rotorlage notwendig.
Eine Steuerung des Stromes i(φ)
ist sinnvoll, weil durch die geeignete Einstellung von i(φ) die Ausbildung
des Drehmomentes beeinflußt werden
kann: T(φ)
= KT(φ)·i(φ) (5)
Beispielsweise auf der Grundlage
der folgenden Gleichungen:
kann ein konstantes Drehmoment
erreicht werden, wenn die induzierte Spannung U
ind(φ) und somit
K
E(φ)
bzw. K
T(φ)
und der Strom i(φ)
einen sinusförmigen
Verlauf haben und Spannung und Strom in Phase liegen und die einzelnen
Phasen des Motors z.B. bei einem zweiphasigen Motor um 90° elektrisch
und bei einem dreiphasigen Motor um 120° elektrisch gegeneinander versetzt
sind.
3A zeigt
die induzierten Spannungen eines dreiphasigen Gleichstrommotors.
Die Bestromung der Phasen des Gleichstrommotors sollte wie in 3B gezeigt erfolgen. Sie
setzt sich während
eines elektrischen Zyklus aus sechs Kommutierungsschritten zusammen.
Um einen von der Rotorposition und
somit der induzierten Spannung, abhängigen sinusförmigen Strom
zu erzeugen, muß die
genaue Lage des Rotors bekannt sein. Im Stand der Technik werden
zur Erfassung der Rotorlage z.B. Encoder oder Resolver eingesetzt.
Dies sind Rotorlagegeber, welche mit einer bestimmten Auflösung N
INC arbeiten und die Winkellage des Rotors
mit einer Winkelauflösung:
angeben
können.
Abhängig
von der Auflösung
des Rotorlagegebers kann der Strom i(φ) zur Bestromung der Motorphasen
in entsprechend vielen Inkrementen gesteuert werden.
Im Stand der Technik sind solche
Rotorlagegeber an der Digitaltechnik orientiert und haben eine Auflösung, die
in Bit-Breite angegeben ist. Rotorlagegeber mit einer Auflösung von
beispielsweise 10 Bit erzeugen somit 1024 Inkremente pro Umdrehung
des Rotors.
Ein Beispiel eines Resolvers ist
in einer früheren
deutschen Patentanmeldung, Aktenzeichen 101 30 118.9 derselben Anmelderin
beschrieben.
Ein Resolver ist grundsätzlich ähnlich wie
ein Transformator mit einer Primärwicklung
und zwei Sekundärwicklungen
aufgebaut. Das Wicklungsverhältnis
und die Polarität
zwischen der Primär-
und den Sekundärwicklungen
variiert abhängig
von der Winkellage der Welle. Der Resolver weist wenigstens zwei
im Winkel von 90° zueinander
ausgerichtete Sekundärwicklungen
auf, die stationär
montiert sind (Stator). Die Primärwicklung ist
an der Welle des Resolvers angeordnet und wird als Rotor bezeichnet.
Wenn eine Wechselspannung mit einer konstanten Frequenz in der Primärwicklung
induziert wird, haben die Ausgangssignale des Stators dieselbe Frequenz,
sind jedoch um 90° versetzt.
Man erhält
somit ein Sinussignal und ein Kosinussignal. Die Spitzenspannung
des Resolvers variiert mit der Drehung der Welle.
Encoder, die auch als Inkrementalencoder
bezeichnet werden, erzeugen zwei Ausgangssignale unter Verwendung
beispielsweise einer Glasscheibe, in die gleichmäßige Unterteilungen ge ätzt sind.
Auf einer Seite der Scheibe ist eine Lichtquelle angeordnet, auf
der anderen Seite zwei Lichtdetektoren. Die Scheibe wird an der
Welle montiert, und die Lichtquelle und die Detektoren sind stationär angeordnet.
Wenn die Scheibe sich dreht, zeichnen die Detektoren eine Unterbrechung
des Lichtstrahls durch die Lichtscheibe auf. Durch Zählen der Übergänge von
hell zu dunkel kann eine relative Drehung der Welle bestimmt werden.
Zwei Detektoren werden verwendet, wenn auch die Drehrichtung erfaßt werden
soll. Encoder der beschriebenen An können nur eine inkrementelle
Wellendrehung erfassen. Die absolute Wellenposition wird durch einen
dritten Sensor mit Hilfe eines sogenannten Null-Indexes oder einer
Null-Referenzspur
erfaßt.
Der Rotorlagegeber liefert die Information,
welche für
die Steuerung des Stroms notwendig ist. Dabei entsteht das Problem,
daß der
Rotorlagegeber in der Regel nicht zu der Periodendauer einer Stromphase
synchronisiert ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung der Drehlage eines Rotors eines
elektronisch kommutierten Elektromotors anzugeben, mit der eine
besonders präzise
und effektive Steuerung der Kommutierungssignale möglich ist.
Insbesondere soll die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung für einen
dreiphasigen Elektromotor geeignet sein, der in industriellen Anwendungen
zum Einsatz kommt. Sie soll möglichst
einfach und günstig
zu realisieren sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung
mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch
6 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Sensorvorrichtung
mit einer solchen Auflösung
vorgesehen, daß die
Periodendauer einer Stromphase ein ganzzahliges Vielfaches der Periode
des Rotorlagegebers ist. Da sich der elektrische Zyklus der Bestromung
der Motorphasen während
einer mechanischen Umdrehung des Motors entsprechend der Polpaarzahl
NPP des Motors wiederholt, wird für die Sensorvorrichtung
eine Auflösung
NINC gewählt,
die ein ganzzahliges Vielfaches der Polpaarzahl NPP ist.
Da ferner die elektrische Periode in einem dreiphasigen Gleichstrommotor
bei bipolarer Ansteuerung in sechs Kommutierungsschritte unterteilt
wer den sollte, ergibt sich daraus, daß die Auflösung NINC des
Rotorlagegebers auch ein ganzzahliges Vielfaches von sechs ist.
Mit anderen Worten ist die Anzahl der Inkremente oder Auflösung NINC der Sensorvorrichtung gemäß der Erfindung
dividiert durch die Polpaarzahl NPP und
dividiert durch die Zahl sechs eine ganzzahlige Größe. Keine
Binärzahl
erfüllt
diese Bedingung.
Die Anzahl der Inkremente der Sensorvorrichtung
ist nach oben begrenzt. Insbesondere ist vorgesehen, daß die Anzahl
der Inkremente der Sensorvorrichtung kleiner als 214 ist.
Vorzugsweise beträgt
die Anzahl der Inkremente der Sensorvorrichtung 360 oder ein ganzzahliges
Vielfaches hiervon. Der Erfinder hat festgestellt, daß eine Sensorvorrichtung
mit einer Auflösung
von lediglich 360 Inkrementen pro Motorumdrehung einen brauchbaren
Encoder oder Resolver für
einen dreiphasigen Elektromotor mit 2, 3, 4, 5 oder 6 Polpaaren ergibt.
Durch die erfindungsgemäße Lehre
ist es möglich,
eine Sensorvorrichtung zu konzipieren, die eine geringe Auflösung hat
und somit kostengünstig
ist und gleichwohl für
eine Vielzahl unterschiedlicher Motoren mit unterschiedlichen Polpaarzahlen
geeignet ist. Während
erfindungsgemäß die Auflösung der
Sensorvorrichtung aus Kostengründen
so niedrig wie möglich
sein soll, wird die Auflösung
in der Praxis häufig
größer als
360 sein, wobei bevorzugte Werte für die Resolverauflösung gemäß der Erfindung
360, 1260, 1440, 1620, 2880, 4320, 7200, 8640, 12960, 14400, 15120
und 16200 sind. Entscheidend ist bei der Erfindung, daß mit einer möglichst
wenig hoch auflösenden
Sensorvorrichtung exakt die Kommutierungspunkte des Elektromotors
angesteuert werden können.
Hierzu wird die Sensorvorrichtung an die Kommutierungsschritte und
die Polpaarzahl des Motors angepaßt. Vorzugsweise wird die Auflösung der
Sensorvorrichtung dabei so bestimmt, daß die Sensorvorrichtung in
Elektromotoren mit unterschiedlichen Polpaarzahlen möglichst
vielseitig einsetzbar ist. Da in industriellen Anwendungen, die
präzise
steuerbare Elektromotoren einsetzen, in der Regel dreiphasige Motoren
zur Anwendung kommen, ist erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen,
die Sensorvorrichtung für
einen dreiphasigen Elektromotor passend auszulegen. Die Erfindung
macht es möglich,
eine kostengünstige,
einfache Sensorvorrichtung vielseitig, d.h. für verschiedene Motoren in verschiedenen
Polpaarzahlen, einzusetzen und dennoch eine präzise Steuerung des jeweiligen
Motors zu erreichen.
Erfindungsgemäß kann die Sensoreinrichtung
so eingestellt werden, daß die
Periodendauer einer Stromphase ein ganzzahliges Vielfaches der Periode
des Rotorlagegebers ist. Die Nulldurchgänge des Rotorlagegebersignals
werden vorzugsweise immer in den Schnittpunkt der induzierten Spannungen
gelegt, um ein Sensorsignal jeweils exakt zu den gewünschten
Kommutierungszeitpunkten zu erzeugen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand
einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben. In den Figuren zeigt:
1 ein
Schaltbild einer Ansteuerelektronik für einen dreiphasigen Gleichstrommotor;
2 schematisch
den Verlauf der induzierten Spannungen eines blockförmig bestromten
oder „blockkommutierten" dreiphasigen Gleichstrommotors;
3A den
Verlauf der induzierten Spannungen eines sinusförmig bestromten dreiphasigen
Gleichstrommotors;
3B die
Bestromung eines dreiphasigen Gleichstrommotors während eines
elektrischen Zyklus; und
4 die
Bestromung eines dreiphasigen Gleichstrommotors während eines
halben elektrischen Zyklus und die korrespondierenden Signale des
Rotorlagegebers gemäß der Erfindung.
1,
die bereits beschrieben wurde, zeigt ein schematisches Schaltbild
einer Ansteuerelektronik für einen
dreiphasigen Gleichstrommotor mit bipolarer Ansteuerung. Zur Bestromung
der drei Phasen U, 12, V, 14, und W 16,
des Gleichstrommotors werden die Transistoren T1 bis T6, 22 bis 32, über ihre
Gates G1 bis G6 angesteuert. Die Steuerzeitpunkte werden bestimmt
durch die Ausgangssignale des Rotorlagegebers gemäß der Erfindung.
2 zeigt
die induzierten Spannungen eines dreiphasigen Gleichstrommotors
mit blockförmiger
Bestromung oder Blockkommutierung. Die induzierten Spannungen der
drei Phasen sind mit u, v, bzw. w bezeichnet.
3A zeigt
in einer ähnlichen
Darstellung wie 2 die
induzierten Spannungen eines dreiphasigen Gleichstrommotors mit
sinusförmiger
Bestromung oder Kommutierung, wobei die induzierten Spannungen der drei
Phasen wiederum mit u, v bzw. w bezeichnet sind.
In den 2 und 3A ist jeweils ein elektrischer
Zyklus von 360°,
entsprechend einer Umdrehung der Motorwelle dargestellt.
3B zeigt
die Bestromung des dreiphasigen Gleichstrommotors, die sich während eines
elektrischen Zyklus aus sechs Kommutierungsschritten zusammensetzt,
welche mit u, v, w, -u, -v und -w bezeichnet sind. Die dargestellten
Kurven u, v, w, -u, -v, -w entsprechen den Strömen, welche über die
Transistoren T1 bis T6, 22 bis 32, in 1 auf die Wicklungen U, 12,
V, 14, und W, 16, aufgeschaltet werden.
Erfindungsgemäß ist zur Erfassung der Rotorlage
eine Sensorvorrichtung, oder ein Rotorlagegeber, mit einer Auflösung vorgesehen,
die ein ganzzahliges Vielfaches der Periode einer Magnetpollänge ist.
Dem liegt die Überlegung
zugrunde, daß sich
der elektrische Zyklus des Gleichstrommotors NPP (=
Anzahl der Polpaare) mal während
einer mechanischen Umdrehung des Rotors wiederholt. Ferner sollte
die Auflösung
der Sensorvorrichtung für
einen dreiphasigen Gleichstrommotor zusätzlich ein ganzzahliges Vielfaches
der Zahl 6 sein, da die elektrische Periode in einem Gleichstrommotor
mit bipolarer Ansteuerung in wenigstenssechs Kommutierungsschritte
für die
Ansteuerung unterteilt werden sollte.
4 zeigt
den Verlauf der Ströme
in den Phasen U, V, W eines 4-poligen, dreiphasigen Gleichstrommotors über einer
halben Periode oder Umdrehung des Gleichstrommotors, d.h. über 180° elektrisch.
Die Ströme
sind entsprechend der Darstellung der 3B mit
u, v, w, -u, -v und -w bezeichnet. Ein Ausgangssignal eines Rotorlagegebers,
insbesondere eines Resolvers, ist in 4 mit 40 bezeichnet.
Die in 4 gezeigte Auflösung des
Resolvers beträgt
24 Inkremente
pro elektrischem Zyklus, was bei einem vierpoligen Motor einer viertel
Umdrehung der Welle entspricht, wobei der Fachmann verstehen wird,
daß diese
Auflösung
lediglich als Beispiel dient und in der Praxis in der Regel höhere Auflösungen der
Sensorvorrichtung gewählt
würden.
Die gewählte
Auflösung
der Sensorvorrichtung ist somit ein ganzzahliges Vielfaches des
Produktes aus der Polpaarzahl, NPP (4),
und der Anzahl der Kommutierungsschritte (6). Dadurch ist es möglich, die
Sensorvorrichtung derart einzurichten, daß sie wenigstens zu jedem gewünschten
Kommutierungs-Schaltzeitpunkt, der in 4 durch
eine Kreuzung der Phasenströme
dargestellt ist, ein Inkrement, in 4 ein
Nulldurchgang der steigenden Flanke des Resolversignals 40,
erzeugt.
In einem anderen Ausführungsbeispiel
sei angenommen, daß der
dreiphasige Gleichstrommotor 3 Polpaare umfaßt. In diesem Fall muß die Auflösung der
Sensorvorrichtung ein ganzzahliges Vielfaches von 3·6, d.h.
des Produktes aus der Polpaarzahl und der Anzahl der Kommutierungsschritte
sein. Sensorvorrichtungen mit einer Auflösung von z.B. 36, 180, 360
erfüllen
diese Bedingung. Damit ist gewährleistet,
daß die Sensorvorrichtung
Inkremente immer genau zu einem gewünschten Kommutierungspunkt
erzeugen kann.
Die Kommutierungs-Schaltzeitpunkte
sind in 4 durch Pfeile
gekennzeichnet. Sie können,
wie im Stand der Technik üblich,
durch Abzählen
der Inkremente des Resolvers oder Encoders bestimmt werden. Die Erfindung
hat den Vorteil, daß die
Auflösung
des Rotorlagegebers an den Kommutierungszyklus angepaßt ist, so
daß der
Rotorlagegeber wenigstens immer dann ein Inkrementsignal erzeugt,
wenn ein gewünschter
Kommutierungs-Schaltzeitpunkt vorliegt. Dadurch kann eine genauere
Ansteuerung des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors erzielt
werden, ohne daß eine
Interpolation zwischen den Inkrementsignalen des Rotorlagegebers
notwendig wäre.
Die in der vorstehenden Beschreibung,
den Ansprüchen
und der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.
