DE10326606A1

DE10326606A1 - Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE10326606A1
Application number: DE10326606A
Authority: DE
Inventors: Andràs Dr. Lelkes
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2023-06-14
Also published as: JP4115423B2; US20050007051A1; JP2005006494A; CN1574596A; DE10326606B4; US7145303B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem die Position des Rotors, bezogen auf den Stator direkt, oder indirket ermittelt wird, und das Anlegen einer externen Spannung an die mindestens eine Motorwicklung in Abhängigkeit der ermittelten Rotorposition bei einem voreingestellten Kommutierungswinkel erfolgt. Erfindungsgemäß wird vorzugsweise periodisch zwischen einem zweiten, optimierten Kommutierungswinkel und dem ersten, ursprünglichen, voreingestellten Winkel hin- und hergeschaltet. Falls durch die Umschaltung der Kommutierungswinkel eine Drehzahländerung hervorgerufen wird, weicht der neue Arbeitspunkt vom alten Arbeitspunkt ab. Um diese Differenz der Drehzahl zu kompensieren, wird neben dem Kommutierungswinkel auch die Motorspannung geändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem die Position des Rotors bezogen auf den Stator direkt oder indirekt ermittelt wird, und das Anlegen einer externen Betriebsspannung an die mindestens eine Motorwicklung in Abhängigkeit der ermittelten Rotorposition bei einem voreingestellten Kommutierungswinkel erfolgt.
Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor wird die Motorspannung bzw. der Motorstrom in bestimmten Rotorlagen elektronisch kommutiert. Bei einem einsträngigen Motor passiert das zweimal je elektrische Umdrehung. Bei einem dreisträngigen Motor werden alle 120° (elektrisch) ein Leistungsschalter abgeschaltet und ein anderer eingeschaltet. Damit dieser Kommutierungsvorgang zum richtigen Zeitpunkt stattfindet muss die aktuelle Rotorlage bekannt sein. Eine übliche Methode bei diesen Motoren ist die Lageerfassung des Rotors mittel Hall-Sensoren. Diese Elemente erfassen das vom permanentmagnetischen Rotor erzeugte magnetische Feld.
Da die Motorwicklung relativhohe Induktivität aufweist, dauert die Kommutierung des Motorstromes eine gewisse Zeit, das heißt der Strom wird verzögert. Um diese Verzögerung zu kompensieren, wird eine sogenannte Vorkommutierung praktiziert. Das heißt, der Kommutierungsvorgang wird früher gestartet, noch bevor der Rotor die neutrale Position bzw. die theoretische Kommutierungsposition erreicht hat. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder wird der Hallsensor statt in der neutralen Zone in einer geringfügig abweichenden Position platziert. Das geht jedoch nur bei Motoren, die sich nur in eine Richtung drehen müssen (z.B. Lüfter). Der Nachteil dieser Methode ist, dass hier der Statorstrom das Messsignal des Hallsensors beeinflussen kann, was unter anderem zu Anlaufschwierigkeiten führen kann.
Eine andere Methode nutzt die Tatsache, dass diese Motoren mit ihrer Last zusammen, besonders bei Lüfteranwendungen, ein hohes Trägheitsmoment aufweisen. Dadurch ändert sich die Betriebsdrehzahl nur relativ langsam. Deshalb wird die Zeit zwischen zwei Polaritätswechseln im Hallsignal gemessen. Wenn man davon ausgeht, dass die Zeit zwischen den nächsten zwei Polaritätswechsel konstant bleibt, kann die Vorkommutierung mit einem Timerbaustein gesteuert werden. Dieser Timer kann entweder hardwaremäßig, z.B. mit einer Counter-Timer-Einheit eines Mikrocontrollers, oder softwaremäßig realisiert werden. Vorteil dieser Methode ist, dass der Hall-Sensor in der neutralen Zone platziert werden kann, wo aus Symmetriegründen die Beeinflussung des Sensors durch den Wicklungsstrom minimal ist. Nachteil ist die geringfügig höhere Anforderung an die Steuerelektronik, z.B. ein aufwendigerer Mikrocontroller.
Der Kommutierungszeitpunkt kann auch ohne Hall-Sensoren bzw. generell ohne Lagesensoren bestimmt werden. Bei diesen so genannten sensorlosen Motoren werden die Motorwicklungen als Sensoren genutzt. Diese Methode ist besonders bei Motoren mit externer Kommutierungselektronik vorteilhaft, da hier nicht nur die Sensoren und gegebenenfalls ihre Halter im Motor, sondern auch die Sensorleitungen zur externen Elektronik und die entsprechenden Stecker entfallen können.
Unabhängig davon wie die Rotorlage erfasst wird und wie die Vorkommutierung realisiert wird, bleibt die Frage, wie groß der Winkel der Vorkommutierung sein soll. Mit diesem Winkel kann sowohl die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie als auch der Motorwirkungsgrad beeinflusst werden. In bestimmten Fällen kann sogar das Motorgeräusch mit geeigneter Einstellung des Kommutierungswinkels verbessert werden.
Falls man den Winkel der Vorkommutierung eines Motors, der ohne Diehzahlregelung arbeitet, ändert, um bestimmte Eigenschaften, z.B. den Wirkungsgrad, zu optimieren, erhält man eine veränderte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie. Das bedeutet jedoch zum Beispiel im Falle eines Lüfters, dass er in einem anderen Arbeitspunkt arbeitet als ohne Optimierung, so dass sich dessen Drehzahl und damit der Luftdurchsatz ändert. Oft möchte man aber die Motoreigenschaften verbessern ohne jedoch die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie zu verändern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors anzugeben, mit dem die Betriebseigenschaften des Motors verbessert werden können ohne dass sich die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie (Arbeitspunkt) wesentlich ändert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird der Motor in zwei Betriebsarten betrieben. Dabei wird vorzugsweise periodisch zwischen einer ersten Betriebsart mit dem ursprünglichen, voreingestellten Kommutierungswinkel und einer zweiten Betriebsart mit einem zweiten, optimierten Kommutierungswinkel hin- und hergeschaltet. Falls durch die Umschaltung zwischen dem ursprünglichen und dem neuen Kommutierungswinkel eine Drehzahländerung hervorgerufen wird, weicht der neue Arbeitspunkt vom alten Arbeitspunkt ab. Um diese Drehzahlabweichung zu kompensieren, wird in der zweiten Betriebsart neben dem Vorkommutierungswinkel auch die Motorspannung derart geändert, dass der Motor auch beim Betrieb mit dem neuen Kommutierungswinkel mit der selben Drehzahl, das heißt im ursprünglichen Arbeitspunkt, arbeitet.

Ist die Drehzahl mit dem optimierten Kommutierungswinkel kleiner als mit dem voreingestellten Kommutierungswinkel, so muss im Betrieb mit dem optimierten Kommutierungswinkel die Motorspannung, z.B. durch Änderung des Pulsweitenverhältnisses (PWM-Verhältnis) der Motorspannung, erhöht werden. Die Zeitdauer, während der Motor mit dem voreingestellten Winkel (Referenzwinkel) arbeitet, ist relativ klein im Vergleich zur Dauer des Betriebs mit optimiertem Winkel. Dadurch wird der durchschnittliche Wirkungsgrad wegen der periodischen Umschaltung nicht wesentlich beeinflusst bzw. verschlechtert. Die Dauer des Betriebs mit dem voreingestellten Winkel muss jedoch groß genug sein, damit die Drehzahländerung richtig erfasst werden kann. Es genügt daher, nach einer gewissen Anzahl von Motorumdrehungen oder einer vorgegebenen Zeitperiode, beispielsweise jede Sekunde, kurzzeitig, beispielsweise für die Dauer einer Motorumdrehung, von der zweiten auf die erste Betriebsart umzuschalten, um die Drehzahl zu messen, die sich möglicherweise durch Lastwechsel oder geänderte Umgebungsbedingungen verändert hat. Dann kann sofort wieder auf die zweite Betriebsart umgeschaltet werden.

Die Drehzahl kann ohne zusätzliche Sensoren, aus dem Kommutierungssignal (z.B. Hall-Signal) erfasst werden. Um die Drehzahlen zu vergleichen, reicht es auch aus, die Zeiten zwischen zwei Polaritätswechseln beim Kommutierungsvorgang zu messen. Diese Zeiten können dann direkt verglichen werden, wobei längere Zeiten naturgemäß geringere Drehzahlen bedeuten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Optimierung des Betriebsverhaltens des Motors z.B. hinsichtlich Stromverbrauch, Wirkungsgrad oder Arbeitsgeräusch. Gleichzeitig bleibt aber der Arbeitspunkt in der zweiten Betriebsart unverändert, so dass diese Optimierung auch in existierenden Produkten eingeführt werden kann.

Diese Verbesserung kann in vielen Fällen ohne Hardwareänderung, das heißt ohne Zusatzkosten durchgeführt werden.

Nachfolgend wird ein einfaches Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von mehreren Zeichnungen erläutert.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines einsträngigen, bürstenlosen Gleichstrommotors;
2 zeigt eine Drehmoment-Drehzahlkennlinie eines Gleichstrommotors zum Antrieb eines Lüfters bei Änderung des Kommutierungswinkels;
Die 3a, 3b und 3c zeigen den Verlauf des Statorstroms eines Motors zum Antrieb eines Lüfters bei verschiedenen Kommutierungswinkeln.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines einsträngigen, bürstenlosen Gleichstrommotors dargestellt. Der Motor umfasst den eigentlichen Motor 1 sowie die zugehörige Motorsteuerung 2, die im Motor integriert oder auch extern vorgesehen sein kann. Die einzige Wicklung 3 des Rotors wird jeweils für einen elektrischen Winkel von 180° bestromt, dass heißt jeweils nach 180° wird die Polarität der Speisespannung V_DC durch die Transistoren T₁ bis T₄ der Steuerung 2 umgeschaltet. Derartige einsträngige, bürstenlose Gleichstrommotoren werden zum Beispiel zum Antrieb von Lüftern verwendet.
2 zeigt die Kennlinie eines derartigen Gleichstrommotors beim Betrieb als Lüfter. Es ist hier das Drehmoment über der Drehzahl aufgetragen. Mit "10" ist die Motorkennlinie bei einer bestimmten Betriebsspannung dargestellt. Die Motorkennlinie 10 schneidet sich mit einer entsprechenden Lastkennlinie 11 des Lüfters im Arbeitspunkt 12, welcher den regulären, vorgegebenen Arbeitspunkt darstellt.
3a zeigt zum Beispiel den Verlauf des Wicklungsstroms in dem Arbeitspunkt 12 aus 2. Es ist ein vollständiger Kommutierungszyklus dargestellt, was einer Umdrehung des Motors 1 entspricht. Man erkennt den relativ großen Spitzenstrom Ip, der beim gewählten Arbeitspunkt 12 und den dargestellten Kommutierungszeitpunkten auftritt. Verschiebt man nun den Kommutierungszeitpunkt, dass heißt auch den Kommutierungswinkel, zum Beispiel um einen gewissen Betrag zeitlich nach vorne, so beeinflusst dies stark den Statorstrom, sowohl dessen zeitlichen Verlauf als auch dessen Effektivwert und Spitzenwert, hier als Spitzenstrom Ip dargestellt. Dadurch wird aber die Motorkennlinie und damit auch der Wirkungsgrad des Motors verändert. Diese Vorverlegung des Kommutierungswinkels ist in den 3b und 3c dargestellt.
Geht man nun von einem veränderten Kommutierungswinkel aus, so verändert sich auch die Kennlinie des Motors, wobei die ursprüngliche Kennlinie 10 des Motors in die neue Kennlinie 20 übergeht, so dass sich ein neuer Arbeitspunkt 21 auf der Lastkennlinie 11 des Lüfters ergibt. Hierbei nimmt, wie man aus dem Diagramm in 2 erkennt, die Drehzahl des Motors ab. Diesem Umstand wird nun erfindungsgemäß dadurch entgegengewirkt, dass der Kommutierungswinkel periodisch geändert wird, das heißt zwischen den beiden Arbeitspunkten 12 und 21 umgeschaltet wird. In jedem Arbeitspunkt 12 bzw. 21 wird die aktuelle Drehzahl gemessen und die Solldrehzahl im Arbeitspunkt 12 mit der Drehzahl im Arbeitspunkt 21 verglichen. Man erkennt in 2, dass die Drehzahl im Arbeitspunkt 21 geringer ist als die Drehzahl im Arbeitspunkt 12. Um zu erreichen, dass der Motor auch in der zweiten Betriebsart, das heißt bei verändertem Kommutierungswinkel, im ursprünglichen Arbeitspunkt 12 arbeitet, wird nun erfindungsgemäß die Spannung an der Wicklung 3 so lange erhöht, bis wieder die entsprechende Solldrehzahl erreicht ist.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es von einer Motorsteuerung 2 ausgeführt werden kann.
Der Start des Motors erfolgt zunächst in der ersten Betriebsart, welche einem ersten Kommutierungswinkel und einer ersten Betriebsspannung entspricht. In einem nächsten Schritt wird die Motordrehzahl D1 gemessen. Danach erfolgt ein Umschalten auf die zweiten Betriebsart, die einem zweiten Kommutierungswinkel entspricht. Auch in der zweiten Betriebsart wird die aktuelle Drehzahl D2 gemessen. Die gemessenen Drehzahlen D1 und D2 werden miteinander verglichen. Ist D2 kleiner als D1 wird die Betriebsspannung solange erhöht bis die beiden Drehzahlen übereinstimmen. Ist D2 größer als D1 wird die Betriebsspannung solange verringert bis die beiden Drehzahlen übereinstimmen. Danach wird der Motor für eine vorgegebene Zeit in der zweiten Betriebsart, das heißt mit dem zweiten Kommutierungswinkel und der aktuellen Betriebsspannung, betrieben, bis dann wieder auf die erste Betriebsart umgeschaltet wird und der Ablauf von neuem beginnt.

Claims

Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem die Position des Rotors bezogen auf den Stator direkt oder indirekt ermittelt wird, und das Anlegen einer externen Betriebsspannung an die mindestens eine Motorwicklung in Abhängigkeit der ermittelten Rotorposition bei einem voreingestellten Kommutierungswinkel erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor zunächst in einer ersten Betriebsart mit einem voreingestellten Kommutierungswinkel und einer ersten Betriebsspannung betrieben wird, wobei die Drehzahl des Motors erfasst wird, dass von der ersten Betriebsart auf eine zweite Betriebsart mit geändertem Kommutierungswinkel umgeschaltet wird, wobei die Drehzahl des Motors erfasst und mit der in der ersten Betriebsart erfassten Drehzahl verglichen wird, und dass bei einer Abweichung der beiden Drehzahlen die Betriebsspannung derart geändert wird, dass die Drehzahl in der zweiten Betriebsart mit der Drehzahl in der ersten Betriebsart übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorgegebenen Anzahl von Motorumdrehungen oder einer vorgegebenen Zeitperiode kurzzeitig auf die erste Betriebsart umgeschaltet wird, um die Drehzahl des Motors erneut zu erfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer des Betriebs in der zweiten Betriebart um ein Vielfaches größer ist als die Zeitdauer des Betriebs in der ersten Betriebsart.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorspannung bei einer festgestellten Verringerung der Drehzahl in der zweiten Betriebsart erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorspannung bei einer festgestellten Erhöhung der Drehzahl in der zweiten Betriebsart verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Drehzahl des Motors aus der Zeitdifferenz zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es bei Lüfterantrieben eingesetzt wird.
Vorrichtung zur elektronischen Steuerung der Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, welche umfasst: Mittel zur Umschaltung des Motors von einer ersten Betriebsart, entsprechend einem ersten Kommutierungswinkel, in eine zweite Betriebsart, entsprechend einem zweiten Kommutierungswinkel, und umgekehrt, Mittel zur Messung der Drehzahl des Rotors jeweils beim Betrieb in der ersten und in der zweiten Betriebsart; Mittel zum Vergleichen der beiden gemessenen Drehzahlen; und Mittel zur Kompensation einer während des Betriebs in der zweiten Betriebsart auftretenden Drehzahländerung durch Änderung der an die Motorwicklung angelegten Betriebsspannung.