DE10338996A1

DE10338996A1 - Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors

Info

Publication number: DE10338996A1
Application number: DE10338996A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Krüger
Original assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Current assignee: TRW Fahrwerksysteme GmbH and Co KG
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-03-24
Also published as: US20050093491A1

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors, bei dem der Motor in einem Anlaßdrehzahlbereich (A) vom Stillstand bis zu einer unteren Schwelldrehzahl (N¶1¶) mit einem aktiven Steuerverfahren und in einem Betriebsdrehzahlbereich (B) von der unteren Schwelldrehzahl (N¶1¶) bis zu einer oberen Schwelldrehzahl (Nk) mit einem passiven Steuerverfahren angesteuert wird. Die Erfindung schafft außerdem einen elektrischen Antrieb, mit einem Elektromotor und einer elektronischen Steuereinheit, bei dem der Elektromotor gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gesteuert wird, sowie eine elektrohydraulische Lenkunterstützung mit einer Hydraulikpumpe, die von einem derartigen elektrischen Antrieb angetrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors sowie einen elektrischen Antrieb mit einem Elektromotor und einer elektronischen Steuereinheit, die geeignet ist, ein derartiges Verfahren auszuführen. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrohydraulische Lenkunterstützung mit einer Hydraulikpumpe, die von einem derartigen elektrischen Antrieb angetrieben wird.
Für die Regelung von bürstenlosen Motoren ist die Erkennung der Rotorlage notwendig. Bislang wurde dazu ein Rotorlagegeber z. B. ein Hallsensor eingesetzt. Der Einsatz eines Lagegebers bedeutet jedoch zusätzlichen Bauteile- und Montageaufwand mit den damit verbundenen Kosten. Außerdem muß der Lagegeber gegebenenfalls bei der Endmontage des elektrischen Antriebs abgeglichen werden. Daher besteht die Forderung nach einer sensorlosen Regelung für bürstenlose Elektromotoren. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene sensorlose Verfahren bekannt, die jedoch spezifische Nachteile mit sich bringen.
So gibt es passive Verfahren, bei denen die Rotorposition aus Phasenspannung und Phasenstrom anhand eines Steuermodells mit den Motorparametern berechnet wird. Derartige Verfahren sind jedoch nicht mit ausreichender Stabilität und Genauigkeit bei Stillstand oder sehr niedrigen Drehzahlen einsetzbar.
Bei anderen, aktiven Verfahren werden bei der Ansteuerung Testimpulse eingeprägt, und aus der Antwort auf diese Impulse kann momentane Rotorposition berechnet und zur Regelung des Motors verwandt werden. Dieses Verfahren ist jedoch mit einer durch die Testimpulse verursachten Geräuschentwicklung verbunden. Es eignet sich daher nicht für die Verwendung in Kraftfahrzeugen. Außerdem führt diese Art der Motoransteuerung zu einer geringeren Leistungsausbeute und höheren thermischen Verlusten.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors, bei dem der Motor in einem Anlaßdrehzahlbereich vom Stillstand bis zu einer unteren Schwelldrehzahl mit einem aktiven Steuerverfahren, und in einem Betriebsdrehzahlbereich von der unteren Schwelldrehzahl bis zu einer oberen Schwelldrehzahl mit einem passiven Steuerverfahren angesteuert wird. Dieses Verfahren beseitigt die genannten Nachteile, da im unteren Drehzahlbereich und zum Anfahren des Motors das aktive Verfahren noch keine störende Geräuschentwicklung verursacht, während bei höheren Drehzahlen vorteilhaft das passive Verfahren eingesetzt werden kann, welches geräuschlos arbeitet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird bei dem aktiven Steuerverfahren die Rotorposition des Motors durch Testimpulse ermittelt, mit deren Hilfe die Induktivität der Ankerwicklungen festgestellt wird, und bei dem passiven Steuerverfahren wird die Rotorposition aus Phasenstrom und Phasenspannung ermittelt
Gemäß einem weiteren Aspekt der schafft die Erfindung einen elektrischen Antrieb, mit einem Elektromotor und einer elektronischen Steuereinheit, bei dem der Elektromotor gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gesteuert wird. Ein derartiger Antrieb, kann besonders kostengünstig hergestellt werden, da ein Sensor zur Ermittlung der Rotorlage sowie dessen zusätzliche Elektronik zur Signalverarbeitung und Spannungsversorgung entfallen kann. Die Genauigkeit einer derartigen Regelung ist mindestens gleich oder besser als die Messung der Rotorlage mittels Hallsensoren. Der Verzicht auf die Lagesenso ren spart außerdem Bauraum, so daß der elektrische Antrieb bei gleicher Leistung und Meßgenauigkeit kleiner ausfallen kann.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine elektrohydraulische Lenkunterstützung mit einer Hydraulikpumpe, die von einem elektrischen Antrieb, der vorgenannten Art angetrieben wird. Aufgrund ihrer geringen Geräuschentwicklung ist eine derartige Lenkunterstützung vorteilhaft in einem Kraftfahrzeug insbesondere in einem Personenfahrzeug einsetzbar, wo es auf hohen Fahrkomfort ankommt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform genauer beschrieben. Dabei wird Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, in denen zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Motorkennlinie beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Darstellung von Testimpulsen für das aktive Verfahren;
3 ein schematisches Phasenzeigerdiagramm für das passive Verfahren.
In 1 zeigt ein schematisches Diagramm, bei dem in der horizontalen Achse das Drehmoment M und in der vertikalen Achse die Drehzahl N aufgetragen ist. Exemplarisch ist eine typische Motorkennlinie K eingetragen, die den Arbeitsbereich des Elektromotors zwischen einer unteren Schwelldrehzahl N₁ und einer oberen Schwelldrehzahl N_k zeigt. Zum Anfahren des Motors wird dieser in einem Anlaßdrehzahlbereich A vom Stillstand bis zur unteren Schwelldrehzahl N₁ in einem passiven Steuerverfahren angesteuert, bei dem die Rotorposition durch Testimpulse Ip ermittelt wird, mit deren Hilfe die von der momentanen Rotorstellung abhängige Induktivität der Ankerwicklungen des Motors festgestellt wird. Dabei werden die Testimpulse Ip vorteilhafterweise, wie es in 2 in einem Strom/Zeit (I/t) Diagramm aufgetragen ist, als positive und negative Impulse eingeprägt, um kein zusätzliches Drehmoment zu erzeugen. Selbst in einem Vollpol- Elektromotor kann die Sättigung des Ankers dazu benutzt werden, die Rotorposition festzustellen. Der Sättigungseffekt kann vorteilhafterweise weiter verstärkt werden, indem den Testimpulsen Ip ein Gleichstrom I_DC überlagert wird. Bei Ansteuerung des Elektromotors durch Pulsweitenmodulation können die Testimpulse auch das Modulationspattern integriert sein.
Ein alternatives aktives Steuerverfahren, das sich für das erfindungsgemäße Verfahren eignet, ist durch ein sogenanntes Open-loop Verfahren gegeben, bei dem der Motor mit vom Stillstand bis zur unteren Schwelldrehzahl N₁ mit Wechsel-Phasenstrom steigender Frequenz angesteuert wird, wodurch die Rotordrehzahl gezwungen ist, der Frequenzrampe zu folgen.
In einem Betriebs-Drehzahlbereich B oberhalb der unteren Schwelldrehzahl N₁ bis zu seiner maximalen Drehzahl N_k wird der Elektromotor mit einem passiven Steuerverfahren angesteuert, bei dem die Rotorposition aus Phasenstrom und Phasenspannung ermittelt wird. Dazu müssen die Elektromotorparameter Statorwiderstand, Induktivität und die Rück-emf Konstante, bekannt sein. Dann kann aus dem Phasenstrom I_p und der Klemmenspannung U_K1 der Winkel zwischen der induzierten Rück-emf Spannung und der Klemmenspannung U_K1 (oder dem Phasenstrom I_p) berechnet werden. Dies ist in 3 schematisch dargestellt: Der Phasenstrom I_p wird direkt oder indirekt gemessen. Diese Messung ist zur Stromüberwachung in jedem Fall erforderlich und benötigt daher im Vergleich zu einer herkömmlichen Motorregelung mit Sensor keinen zusätzlichen Schaltungsaufwand in der Steuereinheit. Die Phasenspannung U_p, dargestellt durch den so bezeichneten Vektorpfeil, ist aus der angelegten Klemmenspannung U_K1 berechnet, welche wiederum beispielsweise aus dem Pattern der Pulsweitenmodulation ermittelt werden kann, das an eine Leistungsendstufe der Steuereinheit angelegt wird. Der Betrag des Vektors J (momentane Motorinduktivität × 2 × π) und der Betrag des Vektors F, der die Rück-emf repräsentiert, sind bekannt. Damit läßt sich der Winkel zwischen den Vektoren U_p und F, der die momentane Rotorposition ergibt, berechnen. Beispiele für derartige passive Verfahren sind aus dem Stand der Technik unter den Namen Luenberger Observer, Kalman Filter und Sliding Mode Observer bekannt.
Da das passive Verfahren nicht im normalen Betriebsdrehzahlbereich des Elektromotors ausgeführt wird, steht in der elektronischen Steuereinheit ausreichend Rechenleistung zur Berechnung der Rotorposition wie oben ausgeführt zur Verfügung.
Der Drehzahlbereich des Motors kann auch weiter aufgeteilt werden, in drei oder mehr Drehzahlbereiche, in denen der Motor mit unterschiedlichen Verfahren angesteuert wird, die in den entsprechenden Drehzahlbereichen besondere Vorteile bieten.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors, bei dem der Motor in einem Anlaßdrehzahlbereich (A) vom Stillstand bis zu einer unteren Schwelldrehzahl (N₁) mit einem aktiven Steuerverfahren und in einem Betriebsdrehzahlbereich (B) von der unteren Schwelldrehzahl (N₁) bis zu einer oberen Schwelldrehzahl (Nk) mit einem passiven Steuerverfahren angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem passiven Steuerverfahren die Rotorposition aus Phasenstrom und Phasenspannung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem aktiven Steuerverfahren die Rotorposition durch Testimpulse ermittelt wird, mit deren Hilfe die Induktivität der Ankerwicklung festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem aktiven Steuerverfahren der Motor in einem Open-loop Steuerverfahren mit einer Wechselspannung ansteigender Frequenz angesteuert wird.
Elektrischer Antrieb mit einem Elektromotor und einer elektronischen Steuereinheit, bei dem der Elektromotor gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche gesteuert wird.
Elektrohydraulische Lenkunterstützung mit einer Hydraulikpumpe, die von einem elektrischen Antrieb nach Anspruch 5 angetrieben wird.