DE10352117A1

DE10352117A1 - Verfahren und Vorrichtung zur positionssensoriosen Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors unter Verwendung des Stromsignals

Info

Publication number: DE10352117A1
Application number: DE2003152117
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Zeiske
Original assignee: Matsushita Electronic Components Europe GmbH; Matsushita Electronic Components Co Ltd
Current assignee: Matsushita Electronic Components Europe GmbH; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-09

Abstract

Eine störungsfreie Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors auch bei Anwendung von Pulsweitenmodulation für den Strom der Statorwicklungen wird erreicht, wenn die Kommutierung eingeleitet wird, wenn das Stromsignal einen Schwellwert signalisiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur positionssensorlosen Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors unter Verwendung des Stromsignals und eine Vorrichtung hierzu.
Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren muß die Kommutierung elektronisch vorgenommen werden. Man verwendet hierzu üblicherweise Halbleiterschalter in Verbindung mit einer Ansteuerschaltung. Bürstenlose Gleichstrommotoren bestehen in der Regel aus einem permanentmagnetischen Rotor und einem mit Ein- oder Mehrphasenwicklungen versehenen Stator. Eine Steuerschaltung erzeugt Kommutatorsignale, die einer Motoransteuerschaltung zugeführt werden, die hierauf den Statorwicklungen Gleichstromimpulse zuleitet. Die stromdurchflossenen Wicklungen erzeugen ein Drehmagnetflußmuster, das auf dem Rotor ein Drehmoment induziert. Um die Statorwicklungen so anzusteuern, daß eine ruckfreie Rotordrehung entsteht, ist es notwendig, die Position des Rotors zu kennen. Manche bürstenlosen Gleichstrommotoren sind mit Sensoren ausgerüstet, zumeist optischen Sensoren oder Hallsensoren, zum Erfassen der Lage ihrer Rotoren, mit deren Hilfe geeignete Kommutierungssignale erzeugt werden. Als Beispiel hierfür sei auf die DE 101 61 994 A1 hingewiesen. Sie beschreibt ein Verfahren, bei dem prognostisch, also nach Art einer Schätzung aufgrund verfügbarer Daten, eine erste Zeitspanne berechnet wird, die der Rotor für das Durchlaufen eines vorgegebenen Drehwinkels benötigen wird, der zwischen einer ersten Drehstellung und einer späteren zweiten Drehstellung liegt, an der ein Schaltvorgang im Motor bewirkt werden soll. Beim tatsächlichen Durchlaufen der ersten Drehstellung wird eine Referenzzeit ermittelt und gespeichert. Anschließend wird wiederholt die zeitliche Differenz zwischen der aktuellen Zeit und der gespeicherten Referenzzeit berechnet und mit der ersten Zeitspanne verglichen. Wenn eine vorgegebene Relation zwischen zeitlicher Differenz und erster Zeitspanne besteht, wird der Schaltvorgang bewirkt. Man erreicht so, daß man mit einem Timer, welcher nach Art einer Uhr laufend weiterzählt, verschiedene Kommutierungsvorgänge optimal steuern kann.
Andere bürstenlose Gleichstrommotoren weisen keine Positionssensoren auf. Sie bestimmen die Rotorposition durch das Erfassen elektrischer Zustände in den Statorwicklungen. Insbesondere sind bürstenlose positionssensorlose Gleichstrommotoren eines dreiphasigen Typs üblich.
Oft verwenden bürstenlose Gleichstrommotoren eine Pulsweitenmodulation (PWM), um den Strom in den Statorwicklungen zu modulieren. Hierdurch soll der Energieverbrauch reduziert werden. Durch Pulsen mit maximalem Strompegel in den Statorwicklungen soll ferner ein maximales Drehmoment erreicht werden, um eine hohe Beschleunigung zu erzielen. Schließlich wird hierdurch angestrebt, die im Halbleiterschalter verbrauchte Leistung auf ein Niveau zu verringern, welches proportional dem Arbeitszyklus ist. Durch die Modulation der angesteuerten Statorwicklungen werden in den unangesteuerten Wicklungen Störungen induziert bzw. eingekoppelt. Diese Störungen können die Erfassung des wahren Nulldurchgangs der Gegen-EMK in den unangesteuerten Statorwicklungen verhindern, die zur positionssensorlosen Erfassung der Rotorposition genutzt wird.
Die DE 693 19 705 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Antreiben eines mehrphasigen Gleichstrommotors, die eine verläßliche Nulldurchgangsbestimmung zur Kommutierung bei Anwendung von Pulsweitenmodulation gestattet. Dabei wird das Modulationssignal selbst dazu verwendet, um die Spannung der unangesteuerten Statorwicklung an einem passen den Zeitpunkt abzutasten, in dem Rausch- bzw. Störspitzen durch die Pulsweitenmodulation verringert sind. Bei diesem Verfahren wird der wahre Nulldurchgang zu dem Modulationssignal synchronisiert. Die Erfassung von Nulldurchgängen wird für eine vorbestimmte Zeit relativ zu dem Zerhackerschritt der Pulsweitenmodulation gesperrt. Diese Sperrung tritt innerhalb jeder Phase der Kommutatorfrequenz mehrere Male auf. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist in dem hohen Aufwand für die Realisierung der hierzu erforderlichen Schaltung zu sehen. Ferner stellt die Synchronisation der Nulldurchgangserkennung mit der Pulsweitenmodulation eine zusätzliche Fehlerquelle bei der Synchronisation der Kommutierungssequenz dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors anzugeben, das keinen Positionssensor benötigt, auch bei Anwendung von Pulsweitenmodulation in den Statorwicklungen einsetzbar ist und die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem erfindungsgemäß die Kommutierung bewirkt wird, wenn das Stromsignal einen Schwellwert des Schleifenstroms signalisiert.
Die Kommutierungsschwelle ist korrekt bestimmt, wenn der Strom unmittelbar nach der Kommutierung ein Maximum hat. Tritt das Strommaximum nicht unmittelbar nach der Kommutierung auf, so erfolgt die Kommutierung zu früh, und die Zeit zwischen zwei Kommutierungen ist zu verlängern. Tritt das Strommaximum gar nicht auf, so erfolgt die Kommutierung zu spät, und die Zeit zwischen den Kommutierungen muß verkürzt werden. Der Schwellwert kann durch die Auswertung der Stromkurve, d. h. durch die Ermittlung eines Strommaximums unmittelbar nach der Kommutierung regelungstechnisch korrigiert werden. Der Vergleich der Kommutierungsfrequenz mit der Sollfrequenz ergibt ein Regelsignal für die Drehzahlregelung.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben.
1 zeigt einen bürsten- und positionssensorlosen Gleichstrommotor;
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kommutierung eines solchen Gleichstrommotors.
1 zeigt schematisch einen bürstenlosen und positionssensorlosen Gleichstrommotor eines dreiphasigen Typs. Solche Motoren kann man sich so vorstellen, daß sie einen Stator mit drei Feldwicklungen aufweisen, die in Sternschaltung verbunden sind, obgleich in der Praxis im allgemeinen – wie auch in der Figur – eine größere Anzahl von Statorwicklungen u, v, w mit mehreren Motorpolen verwendet werden. Jedoch können die Statorwicklungen immer noch in der Form von drei Feldwicklungen analysiert werden, die in Sternschaltung verbunden sind.
Bei einem zweipoligen Betrieb werden die drei Feldwicklungen so umgeschaltet, daß jede zu unterschiedlichen Zeiten einen Gleichstromfluß in entgegengesetzten Richtungen leitet, um zyklisch Vormagnetisierungs-, Nichtmagnetisierungs- und Rückwärtsmagnetisierungszustände zu erzeugen. Beim zweipoligen Betrieb werden die Feldwicklungen in Sequenzen erregt, bei denen in jeder ein Strom durch zwei der drei Feldwicklungen in den Stern gesteuert wird, wobei die dritte Feldwicklung unangesteuert bleibt. Die Sequenzen sind so aufgebaut, daß, wenn die Strompfade durch die Feldwicklungen geändert oder kommutiert werden, eine nachfolgende Wicklung aus dem Stromkreis ausgeschaltet wird und unangesteuert ist und die vorhergehende unangesteuerte Wicklung in den Strompfad zurückgeschaltet wird. Weiterhin ist die Sequenz so definiert, daß, wenn die vorhergehend unangesteuerte Wicklung in den Strompfad zurückgeschaltet wird, ein Strom in der gleichen Richtung wie in der jetzt unangesteuerten Wicklung fließen wird, welche vorher in dem Strompfad enthalten war. Auf diese Weise wird eine Felddrehung und damit eine Rotordrehung in der gleichen Richtung fortgesetzt. Auf diese Weise werden sechs aufeinanderfolgende Kommutierungszustände für jeden elektrischen Zyklus in einem Gleichstrommotor mit Dreiphasen-Statorwicklungen gebildet.
Bei der herkömmlichen Schrittsequenz bzw. CSS (conventional step sequence) für einen zweipoligen Betrieb ist dis Schrittsequenz so, daß in jeder Statorwicklung die Dauer des Zuführens eines bestimmten Gleichstroms in einer Vorwärtsrichtung, um die Vorwärtsmagnetisierung zu erzeugen, in jedem Zyklus die gleiche ist wie die Dauer des Zuführens des bestimmten Gleichstroms in einer Rückwärtsrichtung, um eine Rückwärtsmagnetisierung zu erzeugen. Die CSS bewirkt, daß die Richtung des Zuführens des bestimmten Gleichstroms zu jeder Statorwicklung wechselt, wobei die Intervalle des Zuführens des bestimmten Gleichstroms durch Intervalle getrennt sind, die halb so lang sind wie die Dauer, während welcher die Statorwicklung unangesteuert ist und keinen Strom leitet, um einen Nichtmagnetisierungszustand zu erzeugen.
Elektrisch läßt sich eine Statorwicklung eines bürstenlosen Gleichstrommotors als Reihenschaltung eines idealen Widerstands, einer idealen Induktivität und der Generation einer Spannung durch die gegenelektromagnetische Kraft (EMK) beschreiben. Die Spannung U_S an der Statorwicklung ergibt sich dann zu: US = IS·RS – LS·IS/dt +EMKmit dem Strom I_S, dem Wicklungswiderstand R_S, der Wicklungsinduktivität L_S und der Zeit t.
Die EMK ist gemäß dem Induktionsgesetz proportional zur Windungszahl N und der zeitlichen Ableitung des magnetischen Flusses ϕ: EMK = CE·N·dϕ/dt
Der magnetische Kreis besteht aus der Wicklung, dem Eisenkern mit Reluktanz R_m,FE, dem dauermagnetischen Rotor mit effektiver Länge l und koerzitiven Feld H und den Luftspalten mit der gesamten Reluktanz R_m,L. Entsprechend ergibt sich die magnetische Durchflutung Θ unter Vernachlässigung von Streufeldern und Sättigung der Induktivitäten: IS·N = Θ = ϕ·(Rm,FE + Rm,L) + H·l·cOs(ωct)
Die elektrische Drehfrequenz ω_c = n/2ω entspricht der Hälfte des Produkts aus der Polzahl n und der mechanischen Drehfrequenz ω. Für die EMK erhält man so mit dem magnetischen Fluß: ϕ = [IS·N – H·l cos(ωct)]/(Rm,FE + Rm,L) EMK = –CE·N(H·l ωcsin(ωct)/(Rm,FE + Rm,L)
Damit ergibt sich der Strom zu: IS = [US – LS·IS/dt + CE·N(H·l·ωcsin(ωct)]/(Rm,FE + Rm,L)/RS
Das Differential – L_S·I_S/dt bewirkt den bekannten Stromverlauf bei der Aufmagnetisierung von I_S,Lu = U_S/R_S (1–e^–t/τ) bzw. Entmagnetisierung I_S,Ld = U_S/R_S–e^–t/τ mit der Zeitkonstanten τ = L_S/R_S, soweit τ << 1/ω_c ist, was bei Gleichstrommotoren immer gegeben sein muß.
Bei einem dreiphasigen Gleichstrommotor, der nach dem CSS-Verfahren angesteuert wird, erhält man so z. B. unter Vernachlässigung der Auf- und Entmagnetisierung einen Schlei fenstrom durch die Wicklungen v und w von (0° ist Wicklung u, w hängt 120° und v 240° nach) IS = US/2RS + CE·N·H·l·ωc[sin(ωc t-120°) + sin (ωc t-240°)]/2RS (Rm,FE + Rm,L)
Nach Umformung entsprechend der trigonometrischen Additionstheoreme erhält man: IS = US/2RS – CE·N·H·l·ωcsin(ωct)/2RS·(Rm,FE + Rm,L)
Die Kommutierung der Wicklungen u und v nach dem CSS-Verfahren muß bei ω_c t = 60° erfolgen, also wenn bei konstanter Spannung U_S der Strom I_S um den Betrag √3·CE·N·H·l·ωc/4RS·(Rm,FE + Rm, L)abfällt. Dieser Betrag hängt einerseits von den konstanten Motorparametern C_E, N, H, l, R_S, R_m,FE und R_m,L sowie der elektrischen Drehfrequenz ω_c ab. Das gilt entsprechend für die anderen Wicklungskombinationen gemäß dem CSS-Verfahren. Das heißt zum einen, daß die Kommutierung beim Erreichen der durch die konstanten Motorparameter und der elektrischen Drehfrequenz festgelegten Schwelle eingeleitet werden muß, zum anderen daß die Abweichung der Ist- von der Solldrehzahl in der Zeitdifferenz zwischen der gemessenen Zeit bis zum Erreichen der Schwelle für die Kommutierung und der aus der Solldrehfrequenz berechneten Zeit für ein Sechstel der elektrischen Drehfrequenz gegeben ist. Die Kommutierungsschwelle ist korrekt bestimmt, wenn der Strom unmittelbar nach der Kommutierung ein Maximum hat. Dieses Maximum kann zum einen über den konstanten Maximalwert (bei konstanter Spannung U_S), zum anderen über die Steigung der Stromkurve festgestellt werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese ist rea lisiert in einem Mikrocontroller 9, der auf der Basis der Messung des Phasenstroms über den Strommeßshunt 8 den Zeitpunkt des Strommaximums feststellt und hieraus den Kommutierungszeitpunkt bestimmt und über je zwei Treiber 9 – 14 pro Motorwicklung und eine gleiche Anzahl von Halbleiterschaltern mit Freiluftdioden 1 – 6 die Motorwicklungen u, v, w ansteuert.

Claims

Verfahren zur positionssensorlosen Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors unter Verwendung des Stromsignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierung bewirkt wird, wenn das Stromsignal einen Schwellwert des Schleifenstroms signalisiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt der Kommutierung so eingestellt wird, daß der Schleifenstrom nach der Kommutierung ein Maximum erreicht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum des Schleifenstroms durch Analyse der Steigung der Stromkurve ermittelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert des Schleifenstroms nach Ermittlung des Maximums des Schleifenstroms unmittelbar nach der Kommutierung regelungstechnisch korrigiert wird.
Vorrichtung zur positionssensorlosen Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors unter Verwendung des Stromsignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierung bewirkt wird, wenn das Stromsignal einen Schwellwert des Schleifenstroms signalisiert.