DE19517665A1 - Elektronisch kommutierter Motor, und Verfahren zur Ansteuerung eines drei- oder mehrsträngigen, elektronisch kommutierten Motors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines drei- oder mehrsträngigen, elektronisch kommutierten Motors (ECM). Sie betrifft ferner einen elektronisch kommutierten Motor mit mindestens drei Statorwicklungssträngen.

Bei einem dreisträngigen ECM benötigt man bei konventioneller Bauweise drei Rotorstellungssensoren, die in Abständen von 120° el. voneinander angeordnet sind, also z. B. an den Statorstellungen 0° el., 120° el., und 240° el., oder (0° + n × 360°) el., (120° + m × 360°) el., etc., wobei m, n = 0, 1, 2 . . . sind. Gerade bei Motoren mit kleiner Leistung verbrauchen diese Sensoren viel Strom, und dieser Stromverbrauch trägt nichts zur mechanischen Leistung des Motors bei, ist also eine reine Verlustleistung, die den Wirkungsgrad des Motors reduziert.

Hat z. B. ein solcher Motor als Rotorstellungssensoren drei Hall-IC′s, von denen jeder einen Strom von 15 mA benötigt, so ergibt sich bei einer Betriebsspannung von 40 V eine Verlust­ leistung von 40 × 0,045 = 1,8 W, und diese Verlustleistung kann wesentlich höher sein als die abgegebene mechanische Leistung des Motors von z. B. 0,5 W. Entsprechend schlecht wird der Wirkungsgrad eines solchen Motors.

Man hat versucht, diesen Nachteil durch die sogenannte Sensorless-Technik zu umgehen, doch arbeitet diese nicht in allen Fällen mit der gewünschten Zuverlässigkeit, und sie benötigt einen Mikroprozessor, der seinerseits Strom verbraucht und Geld kostet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Verfahren zur Ansteuerung eines drei- oder mehrsträngigen elektronisch kommutierten Motors, sowie einen solchen Motor, bereitzustellen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines drei- oder mehrsträngigen, elektronisch kommutierten Motors, welcher zur Erfassung seiner Rotorstellung eine Anzahl von Rotorstellungssensoren aufweist, die um wenigstens 1 kleiner ist als die Zahl der für diese Strangzahl an sich erforderlichen Rotorstellungssensoren, insbesondere nach Patentanmeldung P 44 41 372.6 und P 44 42 450.7, mit folgenden Schritten:

• a) Für die Rotorstellungsbereiche, bei denen eine ausreichende Zuordnung möglich ist, wird aus den Ausgangssignalen der vorhandenen Rotorstellungssensoren ein virtuelles Rotorstellungs­ signal abgeleitet;
• b) für die Rotorstellungsbereiche, bei denen keine ausreichende Zuordnung möglich ist, wird für das virtuelle Rotorstellungs­ signal ein Schätzwert verwendet, der eine Funktion des Ausgangssignals mindestens eines der vorhandenen Rotorstellungs­ sensoren ist.

Während man also bei konventioneller Bauweise beispielsweise bei einem dreisträngigen Rotor drei Rotorstellungssensoren verwenden muß, verwendet man beim erfindungsgemäßen Verfahren nur zwei Sensoren, was den Stromverbrauch entsprechend reduziert und den Wirkungsgrad verbessert. Dabei gibt es Rotorstellungs­ bereiche, für die auch aus den Ausgangssignalen von nur zwei (vorhandenen) Sensoren die Rotorstellung mit einer für den Betrieb des Motors ausreichenden Genauigkeit bestimmt werden kann, und für diese Bereiche stellt die Kommutierung auch beim Start kein Problem dar, wenn sich der Rotor beim Start in einem solchen Bereich befindet, denn man kann aus den Signalen der vorhandenen Rotorstellungssensoren zusätzlich ein korrektes virtuelles Rotorstellungssignal herleiten. (Virtuell bedeutet in diesem Zusammenhang, daß zwar ein entsprechender Sensor nicht vorhanden ist, daß man aber mit einem synthetisch erzeugten Signal arbeitet, das ebenfalls eine Funktion der Rotorstellung ist.)

Ferner gibt es Rotorstellungsbereiche, in denen aus den Ausgangs­ signalen der vorhandenen Sensoren dieses virtuelle Signal nicht mit ausreichender Genauigkeit hergeleitet werden kann, weil Mehrdeutigkeiten bestehen, d. h. man kann nur sehr grob sagen, in welchem (großen) Rotorstellungsbereich sich der Rotor im Augenblick befindet. In diesen Fällen, in denen keine ausreichend eindeutige Zuordnung möglich ist, wird ein Schätzwert für das virtuelle Rotorstellungssignal verwendet, und auch dieser Schätzwert ist eine Funktion der Ausgangssignale der vorhandenen Rotorstellungssensoren.

Dabei verwendet man in Weiterbildung der Erfindung als Schätzwert in bevorzugter Weise den inversen Wert des Ausgangssignals eines der vorhandenen Rotorstellungssensoren. Dies ermöglicht bei geeigneter Auswahl einen Anlauf in der richtigen Drehrichtung, wobei nur in bestimmten, besonders ungünstigen Drehstellungen des Rotors, die dieser beim Start einnehmen kann, Probleme auftreten können, weil dort das Start-Drehmoment relativ schwach ist.

Um den Anlauf in der richtigen Drehrichtung sicherzustellen, geht man ferner mit Vorteil so vor, daß im Falle der Verwendung eines Schätzwertes dieser so gewählt wird, daß beim Start des Motors aus einer für den Anlauf ungünstigen Rotorstellung die Stromflußphase auf einen größeren Wert eingestellt wird als in den Fällen, bei denen eine ausreichende Zuordnung des virtuellen Rotorstellungssignals zu den vorhandenen Rotor­ stellungssignalen möglich ist. Man wählt also den Schätzwert so, daß sich beim Start aus einer solchen ungünstigen Rotorstellung eine mittlere Stromflußphase ergibt, die größer ist als die mittlere Stromflußphase im normalen Betrieb, d. h. man legt den Motor so aus, daß für den worst case (Start mit falschem Schätzwert) eine verfrühte Wicklungsdurchflutung auftritt, die einen Anlauf in der gewünschten Drehrichtung bewirkt.

Sollte der Schätzwert für das virtuelle Rotorstellungssignal falsch sein (Beispiel: Geschätzt wird, daß das virtuelle Rotorstellungssignal den Wert "1" hat, während es richtig den Wert "0" haben müßte), so kann, wie bereits erläutert, das Drehmoment beim Start recht klein werden, so daß der Motor nicht anläuft, wenn er zum Start ein hohes Drehmoment benötigt. Zum Vermeiden dieses Problems geht man mit großem Vorteil so vor, daß im Anschluß an den Schritt b) der Schätzwert für das virtuelle Rotorstellungssignal dann durch dessen Komplementärwert ersetzt wird, wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne keine Änderung des Rotorstellungssignals mindestens eines der vorhandenen Rotorstellungssensoren erfolgt ist. Die Tatsache, daß sich kein Ausgangssignal eines vorhandenen Rotorstellungssensors ändert, bedeutet, daß sich der Motor nicht dreht, und daraus ergibt sich indirekt, daß der Schätzwert falsch sein muß. Indem man nun den Komplementärwert dieses Schätzwerts bildet, also - bei einem digitalen System - diesen Schätzwert invertiert, erhält man das richtige virtuelle Rotorstellungssignal, und mit diesem Signal als zusätzlicher Rotorstellungsinformation erhält dann der Motor die richtigen Statorströme zur Erzeugung des vollen Start-Drehmoments, und läuft in der gewünschten Richtung hoch. Es ergibt sich also allenfalls beim Start eine geringe zeitliche Verzögerung, die aber in der Praxis keine Rolle spielt.

Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich durch einen elektronisch kommutierten Motor mit mindestens drei Statorwicklungssträngen, mit einem ersten Rotorstellungssensor zur Erzeugung eines ersten Rotorstellungssignals, mit einem zweiten Rotorstellungssensor zur Erzeugung eines zweiten Rotorstellungssignals, welche beiden Rotorstellungssignale die Identifizierung einer Teilmenge von Rotorstellungen zwecks Kommutierung der Ströme in den drei Strängen ermöglichen, und mit einer von den Ausgangssignalen der beiden Rotorstellungs­ sensoren gesteuerten Anordnung zur geschätzten Identifizierung einer zweiten Teilmenge von Rotorstellungen, um einen Anlauf des Motors entgegen der richtigen Drehrichtung aus jeder Rotorstellung in den beiden Teilmengen auszuschließen. Da ein solcher Motor nur eine Teilmenge von Rotorstellungen sicher identifizieren kann, ist eine Anordnung zur geschätzten Identifizierung einer weiteren Teilmenge von Rotorstellungen vorgesehen, um zu vermeiden, daß der Motor aus irgendeiner Drehstellung in der falschen Drehrichtung anläuft. Auf diese Weise gelingt es, einen Rotorstellungssensor einzusparen.

Dabei geht man in Weiterbildung der Erfindung so vor, daß Signalerzeugungsmittel vorgesehen sind, welche wenigstens einer vorgegebenen Rotorstellungssignalkombination der beiden Rotorstellungssensoren einen Schätzwert zuordnen, welcher Schätzwert, in Kombination mit dem ersten und dem zweiten Rotorstellungssignal, die Identifizierungswahrscheinlichkeit für die Identifizierung von Rotorstellungen in der zweiten Teilmenge erhöht. Es gelingt so, die Identifizierungswahrschein­ lichkeit von Rotorstellungen in der zweiten Teilmenge von Rotorstellungen zu erhöhen.

Bei einer weiteren Weiterbildung eines solchen Motors sind Verifizierungsmittel vorgesehen, welche die Verifizierung der Richtigkeit des Schätzwerts, bzw. dessen Korrektur bei Unrichtigkeit, steuern. Mit Vorteil weisen diese Verifizierungs­ mittel ein Zeitglied auf, welches überwacht, ob innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Einschalten des Motors eine Änderung des ersten Rotorstellungssignals und/oder des zweiten Rotorstellungssignals auftritt. Dabei wird der Motor mit besonderem Vorteil so ausgebildet, daß die Verifizierungsmittel den Schätzwert korrigieren, wenn innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne keine Änderung des ersten und/oder des zweiten Rotorstellungssignals auftritt. Diese Korrektur kann z. B. einfach darin bestehen, daß der Komplementärwert des Schätzwerts gebildet wird.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen Motor, bei welchem Mittel zur Vorausberechnung eines Werts in einer für eine zukünftige Rotorstellung kennzeichnenden Signalkombination aufgrund einer augenblicklich vorhandenen Signalkombination vorgesehen sind. Bei einem derartigen Motor sind ja die Rotorstellungssignalkombinationen bekannt, welche verschiedenen Rotorstellungen zugeordnet sind, und sie lassen sich deshalb vorausberechnen, wenn der Motor läuft. Dabei geht man mit ganz besonderem Vorteil so vor, daß Mittel zur Erfassung und Speicherung des zeitlichen Abstands zwischen einer Änderung einer für eine erste Rotorstellung kennzeichnenden Signalkombination und einer darauffolgenden Änderung einer für eine nachfolgende Rotorstellung kennzeichnenden Signalkombination vorgesehen sind, und der vorausberechnete Wert, oder ein von ihm abgeleiteter Wert, dann in die Rotorstellungssignalkombination eingegeben wird, wenn nach dem Zeitpunkt der Änderung einer für eine bestimmte Rotorstellung kennzeichnenden Rotorstellungssignalkombination eine Zeit verstrichen ist, die diesem zeitlichen Abstand, oder einem von ihm abgeleiteten Wert, entspricht. Dies ermöglicht eine präzise Kommutierung an denjenigen Rotorstellungen, an denen von den vorhandenen Rotorstellungssensoren keine entsprechenden Signale abgegeben werden, welche eine solche Kommutierung steuern könnten.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel, sowie aus den übrigen Unteransprüchen.

Es zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines elektronisch kommutierten Motors mit drei Strängen (Phasen), nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der beim Motor nach Fig. 1 verwendeten Brückenschaltung, über welche die Stator­ wicklung dieses Motors pro Rotordrehung von 360° el. sechs Stromimpulse erhält;

Fig. 2A zeigt die Steuerung dieser Impulse, durch die Rotorstellungssignale H1, H2, H3 von drei Rotorstellungsgebern bzw. Sensoren,

Fig. 3 für eine Rotordrehung von 360° el. die Rotorstellungs­ signale der drei Rotorstellungsgeber des Motors der Fig. 1, und zwar in den Zeilen a, b und c als Signale, in der Tabelle in Zeile g als digitale Werte, und in der Tabelle in Zeile h die Ansteuerung der Brücken­ schaltung der Fig. 2B während des Drehwinkels von 360° el. (anschl. an diesen Drehwinkel wiederholt sich der ganze Ablauf identisch),

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Stromfluß­ phase bei einem elektronisch kommutierten Motor,

Fig. 5 ein Schaubild, das in konventioneller Form in Zeile a die induzierte Spannung in einem Strang (Phase) des Motors der Fig. 1 (bei trapezförmiger Magnetisierung des Rotors) und darunter, in Zeile b, den Strom in diesem Strang bei einer mittleren Stromflußphase von 90° el. und einer Stromflußbreite von 60° el zeigt,

Fig. 6 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines elektronisch kommutierten Motors nach der Erfindung,

Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des bei Fig. 6 bevorzugt verwendeten Mikroprozessors vom Typ PIC16CR57A der Firma MicroChip,

Fig. 8 Schaubilder zur Erläuterung des Schaltbilds der Fig. 6,

Fig. 9 ein Flußdiagramm der Abläufe, die beim Betrieb des Motors der Fig. 6 in dessen Mikroprozessor in ständiger Wiederholung ablaufen, um diesen Motor sowohl beim Start wie im Betrieb richtig zu kommutieren,

Fig. 10 eine Prinzipdarstellung analog Fig. 4 zur Erläuterung der Anlaufprobleme bei bestimmten exzeptionellen Rotorstellungen, wie sie beim Motor gemäß Fig. 6 gemeistert werden müssen,

Fig. 11 ein Schaubild analog Fig. 5 für den Motor der Fig. 6, das in Zeile a die induzierte Spannung in einem Strang (Phase) (bei trapezförmiger Magnetisierung des Rotors) und darunter, in Zeile b, den Strom in diesem Strang bei einer Stromflußphase von 180° zeigt, wie sie beim Motor der Fig. 6 in bestimmten Startstellungen auftreten kann, zur Erläuterung des Flußdiagramms der Fig. 9,

Fig. 12 ein Schaubild zur Erläuterung der fortlaufenden (korrekten) Kommutierung bei rotierendem Motor, zur Erläuterung des Flußdiagramms der Fig. 9, und

Fig. 13 eine Grafik zur Erläuterung des Flußdiagramms der Fig. 9.

Die vorliegende Erfindung ist schwierig zu verstehen, und deshalb wird eine Vielzahl von grafischen Darstellungen verwendet, um das Verständnis zu erleichtern. Ein richtiges Verständnis dieser Erfindung erfordert eine gute Kenntnis sowohl des Elektro­ maschinenbaus wie der Digitaltechnik. Die Erfindung hat als Kerngedanken die Einsparung mindestens eines aus einer Mehrzahl von Rotorstellungssensoren, und seine Ersetzung durch Intelligenz in Form von Teilen des Programms eines Mikroprozessors. Diese Einsparung spart Platz im Motor; sie spart ein Bauteil und verbilligt dadurch den Motor; und sie spart Strom und verbessert dadurch den Wirkungsgrad des Motors, weil das nicht vorhandene Bauteil auch keinen Strom verbraucht.

Anhand der Fig. 1 bis 5 werden zunächst die Grundlagen erläutert, die zum Verständnis der Erfindung notwendig erscheinen. Fig. 1 zeigt einen dreisträngigen elektronisch kommutierten Motor 30 nach dem Stand der Technik. Dieser hat eine Statorwicklung mit drei Strängen 31, 32, 33, deren Anschlüsse mit L1, L2, L3 bezeichnet sind. Diese drei Stränge, die man auch als Phasen bezeichnet, sind hier im Stern geschaltet, könnten aber ebensogut im Dreieck geschaltet sein. Der permanentmagnetische Rotor des Motors 30 ist symbolisch bei 35 angedeutet, und um ihn herum sind am Stator drei Rotorstellungssensoren 37, 38 und 39 mit Abständen von 120° el. angeordnet. (Da der dargestellte Rotor 35 vierpolig ist, entsprechen 120° el. einem Winkel von 60° mech.) Diese Sensoren sind gewöhnlich Hall-IC′s, die einen relativ hohen Strombedarf haben, z. B. 15 mA, und die deshalb bei kleinen Motoren den Wirkungsgrad stark verschlechtern.

Diese Sensoren 37, 38 und 39 sind in Fig. 1 links nochmals dargestellt. Ihre Ausgangssignale sind mit H1, H2 und H3 bezeichnet und werden einer Kommutierungssteuerung 42 zugeführt, welche Signale T1, B1, T2, B2, T3, B3 abgibt, die einer Vollbrückenschaltung 44 zugeführt werden, an welche die Anschlüsse L1, L2 und L3 der Wicklungen 31, 32, 33 angeschlossen sind.

Fig. 2B zeigt in prinzipieller Darstellung den Aufbau der Brückenschaltung 44 mit bipolaren Transistoren. Naturgemäß können hier in gleicher Weise MOSFETs, Darlingtontransistoren etc. verwendet werden. Eine Plusleitung mit dem Potential +UB (z. B. + 40 V) ist mit 48 bezeichnet, und eine Minusleitung mit dem Potential 0 V (GND) ist mit 50 bezeichnet. Die drei oberen Brückentransistoren 52, 54 und 56 sind pnp-Transistoren, und zu jedem ist in der dargestellten Weise eine Freilaufdiode 52′, 54′ und 56′ antiparallel geschaltet. Der Emitter ist jeweils mit der Plusleitung 48 verbunden, der Kollektor mit den Ausgängen L1 bzw. L2 bzw. L3. An der Basis erhalten diese drei oberen Transistoren die Signale T1, T2 und T3, wie sie sich aus Fig. 2A ergeben. Hat z. B. der Hall-IC 37 das Ausgangs­ signal H1 = 1, und der Hall-IC 38 das Ausgangssignal H2/=0, so ist der Transistor 52 leitend, und die Transistoren 54 und 56 sind gesperrt.

Die unteren Brückentransistoren 60, 62 und 64 sind npn-Transistoren; ihre Emitter sind mit der Minusleitung 50 verbunden, ihre Kollektoren mit den Ausgängen L1, L2, L3, und zu jedem ist eine Freilaufdiode 60′, 62′, 64′ antiparallel geschaltet. An der Basis erhalten diese unteren Transistoren die Signale B1, B2 bzw. B3, wie sie sich aus Fig. 2A ergeben.

Es braucht nicht betont zu werden, daß dies nur ein Ausführungs­ beispiel ist, und daß diese Dinge beschrieben werden, damit der Leser anhand eines konkreten Beispiels überhaupt in die Lage versetzt wird, die Erfindung durch ein Beispiel zu verstehen.

Die Fig. 3a, 3b und 3c zeigen die drei Sensorsignale H1, H2, H3, die jeweils um 120° el. gegeneinander versetzt sind. Die Bezifferung ist so gewählt, daß H1 beim Winkel 0° el. von "0" auf "1" geht, bei 180° el. von "1" auf "0", und bei 360° el. wieder von "0" auf "1", d. h. wenn sich der Rotor 35 um 360° el. dreht, so ergeben sich die Signale gemäß Fig. 3a, 3b und 3c. Die Funktion dieser Signale ist, der Kommutierungs­ steuerung 42 die Information zu liefern, in welcher Drehstellung sich der Rotor 35 im Augenblick befindet.

Diese Information über die Drehstellung ist nur grob, denn die Kommutierungssteuerung 42 benötigt nur diese grobe Information, d. h. sie muß wissen:

Befindet sich der Rotor 35 in der Drehstellung von 1° bis 60° el.?
Dieser Stellungsbereich ist in Fig. 3c durch die Zahl im Kreis symbolisiert.

Oder befindet sich der Rotor 35 in der Drehstellung von 60° bis 120° el.?
Dieser Drehstellungsbereich ist in Fig. 3c durch die Zahl im Kreis symbolisiert.

Oder befindet sich der Rotor 35 in der Drehstellung von 121° bis 180° el.?
Dieser Drehstellungsbereich ist in Fig. 3c durch die Zahl im Kreis symbolisiert.

Oder befindet sich der Rotor 35 in der Drehstellung von 181° bis 240° el.?
Dieser Drehstellungsbereich ist in Fig. 3c durch die Zahl im Kreis symbolisiert.

Oder befindet sich der Rotor 35 in der Drehstellung von 241° bis 300° el.?
Dieser Drehstellungsbereich ist in Fig. 3c durch die Zahl im Kreis symbolisiert.

Oder befindet sich der Rotor 35 in der Drehstellung von 301° bis 360° el.?
Dieser Drehstellungsbereich ist in Fig. 3c durch die Zahl im Kreis symbolisiert.

Für den Drehstellungsbereich 1° bis 60° el. liefern z. B. die drei Sensoren die Signalkombination H1, H2, H3 = 101, wie in Fig. 3g dargestellt, und diese Signalkombination bewirkt gemäß Fig. 3h, daß die Signale T1 und B2 hoch werden, d. h. daß in der Brückenschaltung 44 die Transistoren 52 und 62 eingeschaltet werden, so daß von der Plusleitung 48 über den Transistor 52, die Stränge 31 und 32, und den Transistor 62 ein Strom zur Minusleitung 50 fließt.

Im anschließenden Drehwinkelbereich von 61° bis 120° el. lautet die Rotorstellungsinformation H1, H2, H3 = 100, und sie bewirkt, daß die Signale T1 und B3 hoch werden, wodurch die Transistoren 52 und 64 eingeschaltet werden und ein Strom über den Strang 31 und den Strang 33 von der Plusleitung zur Minusleitung fließt.

Der Leser versteht also, daß bei diesem Beispiel jeweils nach einer Rotordrehung von 60° el. die Brückenschaltung 44 umgeschaltet wird. Diese Umschaltung bezeichnet man im Elektromaschinenbau als Kommutierung. Der Zweck der Übung ist, den Strom zu den drei Strängen 31, 32, 33 des Stators so zu steuern, daß das von der Statorwicklung erzeugte Magnetfeld immer um einen gewissen Winkel dem Feld des permanentmagnetischen Rotors 35 vorausläuft, und diesen daher in der gewünschten Richtung "nach vorne zieht", also antreibt. Diesen Winkel bezeichnet man als die mittlere Stromflußphase.

Fig. 4 zeigt dies in einer prinzipiellen Darstellung. Der permanentmagnetische Rotor 35′ ist hier zweipolig dargestellt, und es ist nur eine einzige Statorwicklung W dargestellt. Das Magnetfeld MR des Rotors 35′ hat einen senkrechten Verlauf, und das Magnetfeld MS des Stators hat einen waagerechten Verlauf, d. h. zwischen ihnen liegt ein Winkel von 90° el., den, man als die mittlere Stromflußphase bezeichnet. Bei einem, solchen Wert von 90° el. ergibt sich für das Drehmoment T des Motors ein Maximum, und deshalb versucht man, diesen Wert einzuhalten.

Fig. 5a zeigt die induzierte Spannung und, die vom Rotormagneten 35′ der Fig. 4 bei seiner Drehung in der Wicklung W induziert wird. Fig. 5B zeigt den Strom i, der z. B. während eines Stromflußwinkels von 60° el. in die Wicklung W fließt und der also in Fig. 4 bei einer Stromflußphase von 120° beginnt und bei einer Stromflußphase von 60° endet. Am Beginn eines solchen Stromimpulses i, wie er in Fig. 5b dargestellt ist, steht eine Kommutierung, ebenso an seinem Ende, wie in Fig. 5 durch die Beschriftung dargestellt. Bei dem Motor nach den Fig. 1 bis 5 haben die Stromimpulse meist eine Länge von 60° el., d. h. pro Drehung von 360° el. werden den Strängen 31, 32, 33 insgesamt sechs solche Stromimpulse zugeführt, immer einer anschließend an den vorhergehenden, weshalb man den Motor nach Fig. 1 und 2B auch als dreisträngigen, sechspulsigen Motor bezeichnet. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht auf derartige Motoren beschränkt ist, sondern sich in gleicher Weise auch für Motoren mit anderen Strangzahlen und anderen Pulszahlen eignet. Für das Verständnis erscheint es aber notwendig, die Erfindung an einem spezifischen Beispiel zu beschreiben, denn in abstrakterer Form wird die Darstellung wohl für die meisten Menschen unverständlich bleiben.

Es ist ferner auch darauf hinzuweisen, daß durch Regelvorgänge die Stromimpulse i auch kürzer als 60° el. werden können, wie im Hauptpatent ausführlich beschrieben, z. B. durch eine Drehzahlregelung.

Fig. 6 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Motoranordnung 70. Der eigentliche Motor 30 ist ebenfalls ein dreisträngiger, sechspulsiger Motor und ist aus Platzgründen in Fig. 6 unten links dargestellt.

Das Besondere an der Motoranordnung 70 ist, daß sie nur die zwei Rotorstellungssensoren 37 und 38 der Fig. 1 benötigt, welche die Signale H1 und H2 liefern, nicht aber den dritten Rotorstellungssensor 39, der hier weggelassen wurde.

Nun benötigt man aber, wie soeben ausführlich erläutert, für die Information über die Rotorstellung immer ein Triplet von digitalen Signalen H1, H2, H3, z. B. 100, oder 001, und das dritte Signal H3 wird deshalb intern in der Motoranordnung 70 aus anderen Informationen berechnet. Man kann es deshalb auch als "virtuelles" Rotorstellungssignal bezeichnen. Anhand dieses virtuellen Signals H3B (B = berechnet), und der real existierenden Signale H1 und H2 von den vorhandenen Sensoren 37 und 38, kann dann die Kommutierung des Motors 70 genauso gesteuert werden, wie das bei den Fig. 1 bis 5 in großer Ausführlichkeit beschrieben wurde.

Die Anordnung 70 nach Fig. 7 verwendet einen Mikroprozessor (µP) 72, der in Fig. 6 vergrößert dargestellt ist. Fig. 7 zeigt die Anschlüsse 1 bis 28 dieses µP und deren vom Hersteller (MicroChip) gewählte Bezeichnungen, und der Leser wird zur Information hierauf, und auf die zugehörigen Datenblätter, verwiesen. Der µP 72 enthält auch ein ROM, in dem sich das verwendete Programm zur Steuerung des µP befindet, und ein RAM zur Speicherung von flüchtigen Daten, z. B. von Grenzwerten für einen Zähler, etc. Bei diesem µP handelt es sich um einen RISC-Prozessor. Naturgemäß können hier vielerlei Mikroprozessoren verwendet werden, wobei das Hauptziel ist, einen preiswerten µP mit niedrigem Stromverbrauch zu verwenden, der den Temperaturen in einem Motor gewachsen ist. (Der µP 72 wird gewöhnlich direkt in das Gehäuse des Motors eingebaut und bildet einen Bestandteil desselben.)
Zur Stromversorgung des µP 72, ausgehend von der Plusleitung 48 dient eine geregelte Stromversorgung 75, die an ihrem Ausgang 76 eine Spannung + US von z. B. + 5 V liefert. Die Minusleitung 50 ist teilweise auch mit GND bezeichnet. Der Eingang 2 des µP 72 ist direkt mit diesem Ausgang 76 verbunden, und der Eingang 28 über einen Widerstand 80. An die Eingänge 26 und 27 ist, wie dargestellt, ein Schwingquarz 82 (z. B. 4 MHz) angeschlossen, der als Taktgenerator für den µP 72 dient. Der Eingang 4 ist direkt mit der Minusleitung 50 verbunden, der Eingang 1 über einen Widerstand 84, z. B. 100 kOhm. Der Ausgang des Hall-IC 37 ist mit dem Eingang 6 verbunden und führt diesem das Signal H1 zu. Der Ausgang des Hall-IC 38 ist mit dem Eingang 7 verbunden und führt diesem das Signal H2 zu. Die Pluseingänge der Hall-ICs 37 und 38 sind miteinander und mit dem Anschluß 9 des µP 72 verbunden. Sie erhalten von dort periodische Stromimpulse 86 mit einer Dauer von z. B. 7 µs und einem zeitlichen Abstand von z. B. 50 . . . 150 µs. Durch diese Stromimpulse 86 werden die Hall-ICs 37 und 38 immer nur kurzzeitig eingeschaltet und liefern dann kurzzeitig die Signale H1 und H2, die im µP 72 bis zum nächsten Stromimpuls 86 gespeichert und beim nächsten Stromimpuls 86 durch die dann entstehenden neuen Signale H1 und H2 ersetzt werden. Diese Art der Abfrage ist Gegenstand der deutschen Patentanmeldung 19 515 944.6 vom 2. Mai 1995. Über Widerstände 88, 90 (z. B. je 22 kOhm), die als Pullup-Widerstände bezeichnet werden, sind die Eingänge 6 und 7 mit dem Ausgang 76 des Spannungsreglers 75 verbunden.

Der Ausgang 25 des µP 72 liefert im Betrieb das Signal T1, der Ausgang 24 das Signal B1, der Ausgang 23 das Signal T2, der Ausgang 22 das Signal B2, der Ausgang 21 das Signal T3, und der Ausgang 20 das Signal B3, wie in Fig. 6 dargestellt. Diese Signale dienen, wie bei Fig. 2B, zur Steuerung einer Vollbrückenschaltung 94, deren prinzipieller Aufbau Fig. 2B entspricht, d. h. die Signale T1, B1, T2, B2, T3 und B3 werden in genau derselben Weise aus den Signalen H1, H2 und dem (virtuellen) Signal H3B berechnet, wie das anhand der Fig. 1 bis 5 bereits ausführlich beschrieben wurde.

Die Vollbrückenschaltung nach Fig. 6 hat denselben prinzipiellen Aufbau wie die Vollbrückenschaltung 44 der Fig. 2B. Deshalb werden für gleiche oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet und gewöhnlich nicht nochmals beschrieben.

Wie Fig. 6 zeigt, enthält die Brückenschaltung 94 drei Teile 100, 101 und 102 mit identischem Aufbau. Deshalb wird im folgenden nur der Teil 100 beschrieben. Die entsprechenden Bauteile des Teils 101 erhalten dasselbe Bezugszeichen mit einem nachgestellten Apostroph, diejenigen des Teils 102 mit zwei nachgestellten Apostrophen.

Das Signal T1 wird über einen Widerstand 104 der Basis eines npn-Transistors 106 zugeführt, dessen Emitter mit der Minusleitung 50 (GND) und dessen Kollektor über einen Widerstand 108 mit der Basis des pnp-Transistors 52 verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand 110 und einen dazu parallelgeschalteten Kondensator 112 (z. B. 4,7 kOhm und 1 nF) mit der Basis verbunden ist. Der Widerstand 110 und der Kondensator 112 bilden ein RC-Glied und verlangsamen die Schaltvorgänge des Transistors 52, um Abschaltspitzen und Funkstörungen zu vermeiden.

In gleicher Weise wird das Signal T2 über den Widerstand 104′ der Basis des Transistors 106′ und das Signal T3 über den Widerstand 104′′ der Basis des Transistors 106′′ zugeführt.

Wenn das Signal T1 am Ausgang 25 des Mikroprozessors 72 den logischen Wert "1" annimmt, wird der Transistor 106 leitend und bewirkt einen Basisstrom im oberen Brückentransistor 52, so daß auch dieser leitend wird. Wird umgekehrt das Signal T1 niedrig, nimmt also den logischen Wert "0" an, so werden die Transistoren 106 und 52 gesperrt.

Dasselbe gilt analog für das Signal T2 am Ausgang 23, bzw. das Signal T3 am Ausgang 21 des Mikroprozessors 72.

Das Signal B1 vom Mikroprozessor 72 wird über einen Widerstand 116 (z. B. 4,7 kOhm) direkt der Basis des Transistors 60 zugeführt. Diese ist ihrerseits über einen Widerstand 118 (z. B. 4,7 kOhm) mit der Minusleitung 50 verbunden.

Wenn also das Signal B1 am Ausgang 24 des Mikroprozessors 72 den logischen Wert "1" annimmt, wird der Transistor 60 leitend, und wenn es den Wert "0" annimmt, wird dieser Transistor gesperrt. Analoges gilt für die Signale B2 und B3, was keiner Erläuterung bedarf, da die Anordnungen im Aufbau übereinstimmen. Bei kleinen Motorleistungen können für die Brückentransistoren sehr preiswerte Typen verwendet werden, z. B. BC807-40 für die oberen Brückentransistoren 52, 54, 56, und BC817-40 für die unteren Brückentransistoren 60, 62, 64.

Fig. 8a zeigt das Ausgangssignal H1 des Hall-IC 37, und Fig. 8b das Ausgangssignal H2 des Hall-IC 38. Die Darstellung entspricht exakt Fig. 3a und 3b, ebenso die Bezifferung der Drehstellungsbereiche unterhalb von Fig. 8e, die der Bezifferung der Drehstellungsbereiche gemäß Fig. 3c entspricht.

Aus Fig. 3a, b, c entnimmt man direkt, daß die Signale H1, H2, H3 niemals gleichzeitig die Werte 000 bzw. 111 annehmen können, und daraus folgt in Fig. 8c direkt, daß für den Bereich von -60° bis 0° el. sowie von 300° bis 360° el. (Drehstellungsbereich im Kreis) das virtuelle Ausgangssignal H3B′ des (nicht vorhandenen; weggelassenen) dritten Sensors gleich "1" sein muß. Ebenso folgt daraus direkt, daß im Drehstellungsbereich im Kreis (120° bis 180° el.) das Signal H3B′ = 0 sein muß. In diesen Drehstellungsbereichen liegt also eine vollständige Drehstellungsinformation vor, die es gestattet, aus ihnen heraus den Motor mit vollem Drehmoment und der richtigen Drehrichtung zu starten. Befindet sich also der Rotor in einer dieser Drehstellungen, die in Fig. 8f schwarz markiert und mit dem Bezugszeichen 120 bezeichnet sind, so ist ein problemloser Start möglich. Fig. 8f zeigt aber auch, daß zwischen diesen "sicheren" Bereichen 120 größere Drehstellungsbereiche 122, 124 liegen, die mit Fragezeichen markiert sind. Dies sind Drehstellungsbereiche, in denen die Drehstellungsinformation nicht ausreicht, um stets einen Start mit vollem Drehmoment zu gewährleisten.

In den Bereichen 122 ist das Rotorstellungssignal H1, H2 = 10, und in den Bereichen 124 ist das Rotorstellungssignal H1, H2 = 01, d. h. das Signal 10 bedeutet, daß sich der Rotor 35 irgendwo zwischen 0° und 120° el. befindet, und das Rotorstellungssignal 01 bedeutet, daß sich der Rotor 35 irgendwo zwischen 180° und 300° el. befindet. Diese Informationen sind nicht präzise genug für einen sicheren Start des Motors mit voller Leistung.

Aus Fig. 3c entnimmt man, daß im Bereich 122 das virtuelle Signal H3 entweder "1" oder "0" sein kann, und daß im Bereich 124 ebenfalls das virtuelle Signal H3 entweder "0" oder "1" sein kann.

Diese Unsicherheit hat bislang die Fachwelt veranlaßt, bei solchen Motoren stets drei Sensoren zu verwenden, wie das Fig. 1 zeigt, um einen sicheren Start und anschließenden Betrieb des Motors zu gewährleisten. Bei der vorliegenden Erfindung wird dieser sichere Start und Betrieb auch gewährleistet, wenn einer der drei Hallsensoren weggelassen wird. Dabei spielt es für die Erfindung keine Rolle, welcher dieser drei Sensoren dies ist. Auch läßt sich die Erfindung auf andere elektronisch kommutierte Motoren übertragen, bei denen eine größere Zahl von Rotorstellungssensoren benötigt wird, um dort mindestens einen dieser Sensoren wegzulassen und durch das Programm in einem Mikroprozessor zu ersetzen.

Die Erfindung geht hier folgenden Weg: Für den Drehstellungsbereich 122 wird - für die hier dargestellte Drehrichtung - als Schätzwert für das virtuelle Signal H3B′′ der Wert "0" gewählt, wie in Fig. 3d dargestellt, und für den Drehstellungsbereich 124 wird als Schätzwert für das virtuelle Signal H3B′′ der Wert "1" gewählt, vgl. Fig. 3d. Dies ist also für diese Drehrichtung der Komplementärwert von H1.

Befindet sich also der Rotor 35 beim Start im Drehstellungsbereich im Kreis (60 bis 120° el.), so erzeugt der Mikroprozessor 72 die richtige Drehstellungsinformation, da dann die Signalkombination H1, H2, H3B = 100 richtig ist, und der Start verläuft normal. (H3B = H3 berechnet).

Dasselbe gilt, wenn sich der Rotor 35 beim Start im Drehstellungsbereich im Kreis (240 bis 300° el.) befindet. Auch hier erzeugt der Mikroprozessor 72 die richtige Drehstellungsinformation H1, H2, H3B = 011, und der Start verläuft normal mit vollem Drehmoment.

Damit verbleiben also noch die Drehstellungsbereiche im Kreis (0 bis 60° el.) und im Kreis (180 bis 240° el.), für die der Mikroprozessor 72 - infolge der Schätzung für den Wert H3B - eine falsche Drehstellungsinformation erhält, in specie:

Wenn sich der Rotor 35 im Drehstellungsbereich im Kreis (0 bis 60° el.) befindet, erzeugt der Mikroprozessor die (falsche) Drehstellungsinformation H1, H2, H3B = 100, die eigentlich für den Drehstellungsbereich im Kreis (60 bis 120° el.) zutrifft. Dadurch wird zwar beim Start ein Antrieb des Rotors 35 in der richtigen Drehrichtung bewirkt, aber mit einem reduzierten Drehmoment, das umso schwächer wird, je näher sich der Rotor 35 beim Start bei der Drehstellung 0° el. befindet, die in Fig. 8e mit a) bezeichnet ist.

Wenn sich der Rotor 35 im Drehstellungsbereich im Kreis (180 bis 240° el.) befindet, erzeugt der Mikroprozessor 72 die (falsche) Drehstellungsinformation H1, H2, H3B = 011, die eigentlich für den Drehstellungsbereich (240 bis 300 ° el.) zutrifft. Dadurch wird zwar beim Start ein Antrieb des Rotors 35 in der richtigen Drehrichtung bewirkt, aber mit einem reduzierten Drehmoment, das umso schwächer wird, je näher sich der Rotor 35 beim Start bei der Drehstellung 180° befindet, die in Fig. 8e mit b) bezeichnet ist.

Die Stellungen a) und b), also 0° el. und 180° el., sind also die Drehstellungen, die hier beim Start das meiste Kopfzerbrechen bereiten, denn ein Motor muß selbstverständlich aus allen Drehstellungen sicher starten können, auch wenn diese Drehstellungen in der Praxis vielleicht nur selten vorkommen.

Diese Startprobleme werden anhand der Fig. 10 und 11 an einem vereinfachten Modell erläutert, um auch dem Digitaltechniker ein Verständnis der Erfindung überhaupt zu ermöglichen.

Der Start in einer der Drehstellungen a) und b) entspricht der Anordnung nach Fig. 10, d. h. die Stromflußphase beim Einschalten beträgt volle 180° el., und einem Südpol des Stators (Wicklung W) liegt ein Südpol des Rotors 35′ direkt gegenüber. Ersichtlich kann in dieser Stellung kein Drehmoment auf den Rotor 35′ erzeugt werden, auch wenn der Strom i in der Wicklung W sehr groß wird.

Diese Drehstellung ist die Stellung, in der gemäß Fig. 11a die induzierte Spannung und den Wert 0 hat. Dort, wo diese Spannung den Wert 0 hat, kann der Motor kein Drehmoment erzeugen.

Wird der Motor in Fig. 11 eingeschaltet, wenn sein Drehwinkel alpha z. B. 5° el. beträgt, so wird ein - wenn auch sehr schwaches - Drehmoment erzeugt, da die Stromflußphase dann nur 175° el. beträgt, und der Strom i wird - ohne Kommutierung - bis zum Winkel alpha = 120° el. aufrechterhalten. Kommutiert wird erstmals bei der Drehstellung 120° el., und ab da liegt die sichere Drehstellungsinformation H1, H2, H3B = 110 vor, so daß der Motor sicher anlaufen kann, wenn er die "Durststrecke" von alpha = 0° bis 60° el. überwunden hat.

Analoges gilt für den Anlauf an der Stelle b).

Befindet sich nun der Rotor 35 beim Anlauf an der Stelle 1° el. oder 181° el., so kann es sein, daß das erzeugte Drehmoment aus den erläuterten Gründen so niedrig ist, daß kein Anlauf stattfinden kann.

In diesem Fall überwacht der Mikroprozessor 72, ob innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne von z. B. 30 ms eine Kommutierung stattfindet, d. h., ob sich eines der Signale H1 oder H2 ändert. Ist dies nicht der Fall, so bedeutet dies, daß der Motor nicht angelaufen ist, also sich in der Nähe der Stellung a) oder der Stellung b) befinden muß.

Aus den Signalen H1 und H2 weiß der Mikroprozessor 72, ob sich der Rotor 35 im Drehstellungsbereich 122 (0° bis 120° el.) befindet, oder ob er sich im Drehstellungsbereich 124 (180 bis 300° el.) befindet, d. h. er weiß, daß der nichterfolgende Start entweder eine Folge der Drehstellung a) (H1, H2 = 10) ist, oder eine Folge der Drehstellung b) (H1, H2 = 01). Im Falle H1, H2 = 10 ändert der µP 72 in diesem Fall das virtuelle Signal von H3B′′ = 0 auf den komplementären Wert H3B′′C = 1. Dadurch wird sofort ein Anlauf mit vollem Drehmoment möglich, da nun die korrekte Information über die Rotorstellung und damit die Situation gemäß Fig. 4 und 5 vorliegt.

Im Falle H1, H2 = 01 ändert der µP 72 bei Nichtanlauf das virtuelle Signal von H3B′′ = 1 auf den komplementären Wert H3B′′C = 0, der in Fig. 8e dargestellt ist. Dadurch wird ebenfalls sofort ein Anlauf mit vollem Drehmoment möglich, da jetzt die korrekte Information über die Rotorstellung und damit die Situation gemäß Fig. 4 und 5 vorliegt.

Der erfindungsgemäße Motor startet also in den meisten Fällen direkt und ohne Verzögerung. Im Bereich der Rotorstellungen a) und b) kann sich aus den erläuterten Gründen eine Startverzögerung von z. B. 30 ms ergeben, die aber in der Praxis nicht stört und nicht bemerkbar ist. Ist der Motor einmal angelaufen, so wird die Drehung auf jeden Fall aufrechterhalten, und wie dies in optimaler Form geschieht, wird weiter unten ausführlich erläutert. Zunächst soll aber das Flußdiagramm der Fig. 9 erläutert werden, mit dessen Hilfe der Anlauf sicher bewerkstelligt wird, obwohl anstelle von drei Rotorstellungs­ sensoren nur deren zwei verwendet werden.

Fig. 9 zeigt das Flußdiagramm für die Kommutierung des Motors 30 der Fig. 6. Dieses Flußdiagramm ist nur für eine Drehrichtung dargestellt.

Beim Einschalten des Motors 30 erfolgt zunächst im Schritt S130 ein Reset-Vorgang, der sogenannte Power Up Reset, wie im zugehörigen Hauptpatent ausführlich beschrieben. Hierdurch werden die diversen Register des Mikroprozessors 72, sowie der Programmzähler, auf 0 gestellt.

Im Schritt S132 erfolgt eine Initialisierung. Die Werte H1 und H2 der Hall-IC′s 37 und 38 werden abgelesen, indem diesen IC′s vom µP 72 ein Stromimpuls 86 zugeführt wird. Anschließend werden beide Werte H1, H2 im µP 72 gespeichert. Auf der Basis dieser beiden Werte wird vom µP 72 ein Wert für H3B errechnet, sofern dies möglich ist, d. h. für H1, H2 = 00 wird H3B′ = 1 berechnet, und für H1, H2 = 11 wird H3B′ = 0 berechnet. Für die übrigen Wertepaare von H1, H2 wird für die beschriebene Drehrichtung H3B′′ = H1 gesetzt, also der Komplementärwert von H1. Der berechnete Wert H3B setzt sich also zusammen aus H3B′ und H3B′′, wobei nur H3B′ gesicherte Werte sind, während H3B′′ einen optimierten Schätzwert darstellt.

Ferner wird für die Variable "Stellwert" ein Anfangswert gesetzt. "Stellwert" entspricht im Betrieb der Zeit, die der Rotor 35 für eine Drehung von 60° el. benötigt. Dies wird nachfolgend anhand von Fig. 13 noch näher erläutert. Beim Start dreht sich der Motor 35 zunächst nur langsam, und deshalb muß dieser Anfangs­ wert entsprechend groß sein. (Sobald sich der Rotor 35 dreht, wird die Größe "Stellwert" laufend gemessen, und es wird jeweils der aktuelle Wert verwendet.)

Beim Schritt S134 wird geprüft, ob sich H1, H2 oder H3B geändert haben. Dies ist beim Start immer der Fall, so daß das Programm zum Schritt S136 geht. Dort wird geprüft, ob sich der Rotor 35 im Rotorstellungsbereich (Fig. 8e) befindet, d. h. ob sich das Signal H1 von "1" auf "0" geändert hat. Ist dies der Fall, so wird im Schritt S138 ein Logikpegel auf "1" gesetzt. (Der Logikpegel ist eine Variable, nämlich ein bistabiler Flipflop, der nur die Werte "0" oder "1" einnehmen kann.) Befindet sich der Rotor im Rotorstellungsbereich im Kreis, so wird der Logikpegel im Schritt S138 zu "1", und im Schritt S140 wird ein Flag auf "1" gesetzt, das anzeigt, daß in den nachfolgenden Schritten S162, S164 der Wert für H3B geändert werden soll, wenn eine bestimmte Bedingung erfüllt ist.

Wird im Schritt S136 festgestellt, daß sich der Rotor nicht im Rotorstellungsbereich befindet, so geht das Programm zum Schritt S142 und prüft, ob sich der Rotor 35 im Rotorstellungs­ bereich befindet, d. h. ob sich der Wert H1 von "0" nach "1" geändert hat. Falls ja, wird im Schritt S144 der Logikpegel auf "0" gesetzt, und es wird ebenfalls anschließend im Schritt S140 das Flag auf "1" gesetzt, um anzuzeigen, daß in den nachfolgenden Schritten S162, S164 der Wert für H3B geändert werden soll.

Befindet sich der Rotor 35 nicht im Rotorstellungsbereich oder so lautet sowohl beim Schritt S136 wie beim Schritt S142 die Antwort nein, so daß der Logikpegel nicht verändert und im Schritt S140 das Flag nicht gesetzt wird.

Auf den Schritt S142 folgt der Schritt S146. Dort wird in einen Zähler Z des µP 72 die Variable "Stellwert" als oberer Grenzwert eingegeben, und dieser Zähler Z wird auf "0" gesetzt. Dieser in Fig. 7 symbolisch angedeutete Zähler Z zählt also immer ab einem Kommutierungszeitpunkt, z. B. ab K1 in Fig. 13, wie dort durch einen Pfeil angedeutet; beim nächsten Kommutierungszeitpunkt K2 wird er erneut auf "0" gesetzt und zählt dann ab K2, und so zyklisch weiter.

Dieser Zähler Z kann auch ein separater Zähler sein, was den Vorteil hat, daß die Auflösung sehr gut wird und der Motor sehr ruhig läuft. Der Zähler Z kann aber auch - wie im Flußdiagramm dargestellt - die Zahl der Schleifen S150 zählen, die das Programm der Fig. 9 ab der Nullstellung im Schritt S146 durchläuft. Diese Schleifen S150 haben z. B. eine Dauer von 50 µs, d. h. wenn z. B. 10 Schleifen S150 durchlaufen werden, weiß man, daß eine Zeit von 10 × 50 µs = 0,5 ms abgelaufen ist. Voraussetzung hierfür ist, daß jeder Schleifendurchlauf S150, egal auf welchem Weg, dieselbe Zeit erfordert, d. h. im Flußdiagramm der Fig. 9 müssen dann entsprechende unwirksame, aber Zeit verbrauchende Befehle an einzelnen Stellen enthalten sein, z. B. NOP-Befehle, wie in den Fig. 22 und 23 des zugehörigen Hauptpatents P 44 413 72.6 vom 21.11.1994 beschrieben und dargestellt.

Im Schritt S152 werden die Signale H1, H2 und H3B evaluiert, so, wie das in Fig. 2A dargestellt ist, um je nach Rotorstellung die richtige Kombination der Signale T1, T2, T3 und B1, B2, B3 zu erzeugen, wie sie in der Tabelle der Fig. 8h dargestellt sind. Wie diese Tabelle zeigt, ergeben sich die Anlaufschwierigkeiten im Bereich von 0 bis 60° el. dadurch, daß dort durch den (falschen) Schätzwert H3B′′ = 0 beim Anlauf das Signal B3 anstelle des (richtigen) Signals B2 erzeugt wird. Im Bereich von 180 bis 240° el. ergeben sich die Anlaufschwierigkeiten dadurch, daß durch den falschen Schätzwert H3B′′ = 1 anstelle des Signals T2 das (falsche) Signal T3 erzeugt wird. Durch die bereits beschriebene Bildung des komplementären Signals H3B′′C wird dieser falsche Schätzwert von der Programmlogik innerhalb kurzer Zeit korrigiert, falls der Motor mit dem falschen Schätzwert nicht startet.

Die Signale T1 bis 33 werden, wie in Fig. 9 angedeutet, der Vollbrückenschaltung 94 zugeführt, an deren Ausgängen L1, L2, L3 der Motor 30 (Fig. 6, unten links) angeschlossen ist.

Im Anschluß an den Schritt S152 folgt der Schritt S154, wo der Zählerstand des Zählers Z geprüft wird. Sind mehr als 30 ms abgelaufen, so wird der geschätzte Wert H3B′′ als "falsch" interpretiert und im Schritt S156 durch seinen Komplementärwert H3B′′C ersetzt, wodurch der Motor anschließend mit vollem Drehmoment anläuft, sofern er nicht mechanisch blockiert ist.

Im Schritt S158 wird der Zähler Z um den Wert 1 hinaufgezählt, und über die Schleife S150 geht das Programm zurück zum Schritt S134. Im Schritt S158, oder anschließend an ihn, können bei Bedarf Regelvorgänge stattfinden, wie im Hauptpatent beschrieben. Im Schritt S159 werden die Signale H1, H2 von den Hall-IC′s 37, 38 erneut kurz abgefragt, indem ein Stromimpuls 86 (Fig. 6) zu ihnen geschickt wird, und diese Signale werden im µP 72 zwischengespeichert.

Sofern keiner der Werte H1, H2, H3B geändert wurde, geht das Programm zum Schritt S160 und prüft dort, ob das Flag (vgl. Schritt S140) gesetzt ist. Dieses Flag zeigt an, daß der Wert von H3B in Kürze geändert werden muß, weil eine Kommutierung bevorsteht. - Ist dies nicht der Fall, d. h. Flag = 0, so geht das Programm direkt zum Schritt S154 und anschließend zum Schritt S158 und zurück durch die Schleife S150, wobei der Zähler Z um den Wert 1 erhöht wird.

Ist beim Schritt S160 das Flag = 1, so geht das Programm zum Schritt S162, wo geprüft wird, ob der Zähler Z bereits den Wert der Variablen "Stellwert" (vgl. Schritt S132) erreicht hat.

Ist im Schritt S162 der Zählerstand kleiner als "Stellwert", so geht das Programm zum Schritt S154, und anschließend wird im Schritt S158 der Zählerstand erneut um 1 erhöht. Die Kommutierung durch die Signale T1 bis B3 wird unverändert aufrechterhalten, solange sich an den Signalen H1, H2 und H3B nichts ändert.

Ist im Schritt S162 der Zählerstand größer als "Stellwert", so geht das Programm zum Schritt S164. Dort wird der bisherige Wert von H3B ersetzt durch den Wert "Logikpegel", und das bereits beschriebene Flag (Schritte S140 und S160) wird zurückgesetzt auf Flag = 0, damit die Schritte S162 und S164 anschließend nicht ständig durchlaufen werden.

Das Signal H3B hat nun einen neuen Wert, der der augenblicklichen Rotorstellung entspricht, so daß die Transistoren der Brückenschaltung 94 entsprechend dieser Rotorstellung richtig gesteuert werden können. Nach jeder Änderung eines der Signale H1, H2, H3B werden nämlich die Schritte S136 etc. neu durchlaufen, und die Kommutierung des Motors 30 wird entsprechend geändert, wie sich das aus dem Flußdiagramm ergibt.

Wenn das geschätzte Signal H3B′′ falsch ist und der Motor deshalb nicht anläuft, wird der Schritt S158 sehr oft durchlaufen, wodurch sich der Zählerstand des Zählers Z entsprechend erhöht, und wenn eine Zeit von mehr als 30 ms abgelaufen ist, bewirkt die Entscheidungsstufe S154 eine Umschaltung zum Schritt S156, wo dieser falsche Wert H3B′′ durch seinen Komplementärwert H3B′′C ersetzt wird, z. B. der Schätzwert "0" durch den richtigen Wert "1", oder umgekehrt, wonach der Motor mit vollem Drehmoment sofort anläuft.

Wie wird der laufende Motor richtig kommutiert?

Hierzu wird Bezug genommen auf Fig. 12, wo links die Signale H1, H2, H3B in ihrem (invariablen) zeitlichen Ablauf (für Rechts­ drehung des Motors 30) dargestellt sind. Man weiß also stets, daß z. B. auf das Signal 110 das Signal 010 folgen muß, und daß auf das Signal 101 das Signal 100 folgen muß.

Mit diesem Wissen ist es aber nicht getan, denn man muß auch wissen, zu welchem Zeitpunkt der Übergang zwischen diesen Signalen stattfindet, die sogenannte Kommutierung. Der Motor 30 liefert hierfür nur teilweise die entsprechenden Signale, denn es fehlt ja gerade der dritte Sensor, der diese Informationen liefern könnte.

Z. B. weiß man durch die Änderung des Signals H2, wann die Kommutierung vom Signal 100 zum Signal 110 stattfindet. Ebenso weiß man durch die Änderung des Signals H1, zu welchem Zeitpunkt die Kommutierung vom Signal 110 zum Signal 010 stattfindet. Da aber kein Sensor für das Signal H3B vorhanden ist, weiß man nicht, zu welchem Zeitpunkt die Kommutierung vom Signal 010 zum Signal 011 stattfindet, oder umgekehrt vom Signal 101 zum Signal 100.

Deshalb erscheint zunächst eine korrekte Kommutierung zwischen den letztgenannten Signalen nicht möglich.

Diesem Dilemma entgeht man mit dem Stratagen, das in Fig. 13 dargestellt ist. Dort soll der Zeitraum zwischen den Kommutierungs­ zeitpunkten K1 und K2 dem Drehstellungsbereich entsprechen. Sein Beginn K1 ist markiert dadurch, daß sich das Ausgangssignal H2 von "0" nach "1" ändert, und sein Ende K2 ist dadurch markiert, daß sich das Ausgangssignal H1 des Rotorstellungssensors 37 von "1" nach "0" ändert, vgl. Fig. 12. Diese beiden Zeitpunkte K1 und K2 sind also durch Signale vom Motor 30 exakt definiert. Die Zeitdauer von K1 bis K2 wird mit dem Zähler Z gemessen und als "Stellwert" für den nachfolgenden Zählvorgang verwendet. Diese Zeitdauer ist während einer Umdrehung des Rotors 35 praktisch invariant, d. h. sie schwankt allenfalls in ganz geringen Grenzen, und diese Schwankungen können, falls gewünscht, noch durch eine gleitende Mittelwertsbildung reduziert werden.

Der Zeitpunkt K3, an dem sich das Signal H3B von "0" nach "1" ändert, kann, wie soeben erläutert, nicht dem Motor 30 entnommen werden, da der entsprechende Sensor fehlt, und deshalb wird dieser Zeitpunkt dann als erreicht angesehen, wenn, gemessen ab K2, der Zähler Z den Wert "Stellwert" (also die zeitliche Distanz zwischen K1 und K2) erreicht hat. Zum Zeitpunkt K3 wird also das Signal H3B umgeschaltet und dadurch eine Kommutierung bewirkt, wobei der korrekte neue Wert für H3B aus den vorhergehenden Werten abgeleitet wird.

Fig. 12 zeigt, wie das geht. Z.B. wird im Rotorstellungsbereich durch den Programmschritt S142 der Logikpegel zu "0" gemacht, wie durch den Pfeil 170 der Fig. 12 angedeutet. Der Logikpegel "0" bleibt erhalten, bis er aktiv geändert wird, wie durch die Pfeile 172 angedeutet.

Beim Übergang vom Rotorstellungsbereich zum Bereich wird durch den Schritt S162 bestimmt, daß die Zeit "Stellwert" abgelaufen ist, und deshalb wird im Schritt S164 der bisherige Wert H3B = 1 ersetzt durch den Wert des Logikpegels, so daß H3B = 0 wird und die Kommutierung zum richtigen Zeitpunkt K3 stattfindet. Dies ist in Fig. 12 durch den Pfeil 174 angedeutet. Im Schritt S152 wird kurz darauf auch der Motor 30 entsprechend diesem neuen Wert von H3B kommutiert.

Der umgekehrte Vorgang läuft bei der Kommutierung vom Rotorstellungs­ bereich zum Bereich . Im Bereich wird durch die positive Abfrage im Schritt S136 nachfolgend im Schritt S138 der Logikpegel "1" erzeugt (Pfeil 176 in Fig. 12), und im Schritt S140 wird Flag = 1 gesetzt. Wird anschließend im Schritt S162 festgestellt, daß die Zeit "Stellwert" überschritten ist, so wird im Schritt S164 der bisherige Wert H3B = 0 durch den Logikpegel "1" ersetzt (Pfeil 178 in Fig. 12), und das Flagbit wird auf "0" zurückgesetzt, d. h. H3B wird zum zeitlich richtigen Zeitpunkt von "0" nach "1" kommutiert, wodurch dann anschließend im Schritt S152 auch der Motor 30 richtig kommutiert wird.

Fig. 12 zeigt rechts den Kommutierungsablauf der Vollbrücken­ schaltung 94, der im richtigen Muster erfolgt, sobald der Motor 30 einmal läuft, also sobald die Signale H1 und H2 sich durch die Drehung des Rotors 35 ändern.

Durch die Erfindung (in Verbindung mit der Speisung der Hall-IC′s 37, 38 durch die Stromimpulse 86) gelingt es, auch bei einem elektronisch kommutierten Motor geringer Leistung, z. B. mit 0,5 W abgegebener Leistung, einen akzeptablen Wirkungsgrad von ca. 30% zu erreichen. Dies ist besonders wertvoll bei Motoren, die mit Solarstrom oder aus Batterien betrieben werden, oder bei Geräten mit dem Umweltsiegel (Green Seal), z. B. bei Lüftern für Computer, Monitore oder irgendwelche elektrischen Geräte.

Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich. Z.B. eignet sich die Erfindung in gleicher Weise für Motoren, die sowohl vorwärts wie rückwärts laufen müssen, wobei dann für den Rückwärtslauf die andere Folge der Rotorstellungssignale beachtet werden muß, d. h. die Tabelle in Fig. 12, links, ist dann von unten nach oben zu lesen, und die Ansteuerung der Stränge 31, 32, 33 des Motors 30 erfolgt dann entsprechend in anderer Weise, um ebenfalls eine mittlere Stromflußphase von 90° el. zu erreichen. Auch müssen dann andere Schätzwerte H3B′′ verwendet werden. Dies ist nicht dargestellt, da es zum Verständnis der Erfindung nichts beiträgt.

Naturgemäß müssen bei Rückwärtslauf im Logikpegel (Schritte S138 und S144) die Werte "0" und "1" bei anderen Drehstellungen gespeichert werden, um eine korrekte Kommutierung zu erhalten. Dies ergibt sich direkt aus Fig. 12, denn die Änderung des Signals in "Logikpegel" muß zeitlich vor der Kommutierung erfolgen.

Die Erfindung eignet sich naturgemäß in gleicher Weise für einen dreipulsigen, dreisträngigen elektronisch kommutierten Motor, wie er z. B. dargestellt und beschrieben ist in dem Aufsatz von Rolf Müller in asr-digest für angewandte Antriebstechnik, 1977, Seiten 27 bis 31.

Claims (12)

1. Verfahren zur Ansteuerung eines drei- oder mehrsträngigen, elektronisch kommutierten Motors, welcher zur Erfassung seiner Rotorstellung eine Anzahl von Rotorstellungssensoren aufweist, die um wenigstens 1 kleiner ist als die Zahl der für diese Strangzahl zur Steuerung der Kommutierung an sich erforderlichen Rotorstellungssensoren, insbesondere nach Patentanmeldung P 44 41 372.6 und P 44 42 450.7, mit folgenden Schritten:

• a) Für die Rotorstellungsbereiche (120), bei denen eine ausreichende Zuordnung möglich ist, wird aus den Ausgangssignalen (H1, H2) der vorhandenen Rotorstellungssensoren (37, 38) ein virtuelles Rotorstellungssignal (H3B′) abgeleitet;
• b) für die Rotorstellungsbereiche (122, 124), bei denen keine ausreichende Zuordnung möglich ist, wird für das virtuelle Rotorstellungssignal ein Schätzwert (H3B′′) verwendet, der eine Funktion des Ausgangssignals (H1) mindestens eines der vorhandenen Rotorstellungssensoren (37, 38) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem beim Schritt b) als Schätzwert (H3B′′) der inverse Wert des Ausgangssignals (H1) eines der vorhandenen Rotorstellungssensoren (37) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem im Falle der Verwendung eines Schätzwertes dieser so gewählt wird, daß beim Start des Motors aus einer für den Anlauf ungünstigen Rotorstellung (a, b) die Stromflußphase (beta) auf einen größeren Wert eingestellt wird als in den Fällen, bei denen eine ausreichende Zuordnung des virtuellen Rotorstellungssignals zu den vorhandenen Ausgangssignalen möglich ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem im Anschluß an den Schritt b) der Schätzwert (H3B′′) für das virtuelle Rotorstellungssignal dann durch seinen Komplementärwert (H3B′′C) ersetzt wird, wenn innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne keine Änderung des Ausgangssignals mindestens eines der vorhandenen Rotorstellungssensoren erfolgt ist.

5. Verfahren zur Ansteuerung eines drei- oder mehrsträngigen, elektronisch kommutierten Motors, welcher zur Erfassung seiner Rotorstellung eine Anzahl von Rotorstellungssensoren aufweist, die um wenigstens 1 kleiner ist als die Zahl der für diese Strangzahl zur Erfassung der Rotorstellung an sich erforderlichen Rotorstellungssensoren, mit folgenden Schritten:

• a) im Betrieb, also bei sich drehendem Rotor, wird aus der Abfolge der die Kommutierung steuernden Signale (H1, H2, H3B) vorausberechnet, welchen Wert ein berechnetes Rotorstellungssignal (H3B) nach einer nachfolgenden Kommutierung haben wird;
• b) der Zeitabstand ("Stellwert") zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungszeitpunkten (Fig. 13: K1, K2), die durch eine Änderung der Rotorstellungssignale (H1, H2) vorhandener Rotorstellungssensoren (37, 38) definiert sind, wird gemessen;
• c) dieser gemessene Wert ("Stellwert") wird ab dem nachfolgenden Kommutierungszeitpunkt (z. B. K2) mit dem zeitlichen Abstand von diesem Kommutierungszeitpunkt (z. B. K2) verglichen und bewirkt bei Erreichen des gemessenen Wertes (z. B. K3), daß der bisherige Wert des berechneten Rotorstellungssignals (H3B) durch den gemäß Schritt a) vorausberechneten Wert ersetzt wird.

6. Elektronisch kommutierter Motor (30) mit mindestens drei Statorwicklungssträngen (31, 32, 33), mit einem ersten Rotorstellungssensor (37) zur Erzeugung eines ersten Rotorstellungssignals (H1), mit einem zweiten Rotorstellungssensor (38) zur Erzeugung eines zweiten Rotorstellungssignals (H2), welche beiden Rotorstellungssignale (H1, H2) die Identifizierung einer Teilmenge von Rotorstellungen zwecks Kommutierung der Ströme in den drei Strängen (31, 32, 33) ermöglichen, und mit einer von den Ausgangssignalen (H1, H2) der beiden Rotorstellungssensoren (37, 38) gesteuerten Anordnung (72) zur geschätzten Identifizierung einer weiteren Teilmenge von Rotorstellungen, um einen Anlauf des Motors (30) entgegen der richtigen Drehrichtung aus jeder Rotorstellung in den beiden Teilmengen auszuschließen.

7. Motor nach Anspruch 6, bei welchem Signalerzeugungsmittel vorgesehen sind, welche wenigstens einer vorgegebenen Rotorstellungssignalkombination der beiden Rotorstellungssensoren (37, 38) einen Schätzwert (H3B′′) für ein Signal zuordnen, welcher Schätzwert, in Kombination mit dem ersten und dem zweiten Rotorstellungssignal (H1, H2), die Identifizierungswahrscheinlichkeit für die Identifizierung von Rotorstellungen in der zweiten Teilmenge erhöht.

8. Motor nach Anspruch 7, bei welchem Verifizierungsmittel (S154) vorgesehen sind, welche die Verifizierung der Richtigkeit des Schätzwerts (H3B′′), bzw. dessen Korrektur (H3B′′C) bei Unrichtigkeit, steuern.

9. Motor nach Anspruch 8, bei welchem die Verifizierungsmittel (S154) ein Zeitglied (S154) aufweisen, welches überwacht, ob innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Einschalten des Motors eine Änderung des ersten Rotorstellungssignals (H1) und/oder des zweiten Rotorstellungssignals (H2) auftritt.

10. Motor nach Anspruch 9, bei welchem die Verifizierungsmittel den Schätzwert (H3B′′) korrigieren, wenn innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne keine Änderung des ersten und/oder des zweiten Rotorstellungssignals (H1 bzw. H2) auftritt.

11. Elektronisch kommutierter Motor (30), insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, mit mindestens drei Statorwicklungssträngen (31, 32, 33), deren Bestromung bei den unterschiedlichen Rotorstellungen durch für diese Rotorstellungen kennzeichnende Signalkombinationen (H1, H2, H3B) steuerbar ist, und mit Mitteln (S136, S138, S142, S144) zur Vorausberechnung eines Werts ("Logikpegel") in einer für eine zukünftige Rotorstellung kennzeichnenden Signalkombination (H1, H2, H3B) aufgrund einer augenblicklich vorhandenen Signalkombination.

12. Motor nach Anspruch 11, bei welchem Mittel zur Erfassung und Speicherung des zeitlichen Abstands ("Stellwert") zwischen einer Änderung (K1) einer für eine erste Rotorstellung kennzeichnenden Signalkombination und einer darauffolgenden Änderung (K2) einer für eine nachfolgende Rotorstellung kennzeichnenden Signalkombination vorgesehen sind, und der vorausberechnete Wert ("Logikpegel"), oder ein von ihm abgeleiteter Wert, dann in die für eine Rotorstellung kennzeichnende Signalkombination (H1, H2, H3B) eingegeben wird, wenn nach dem Zeitpunkt (K2) der Änderung einer für eine bestimmte Rotorstellung kennzeichnenden Signalkombination eine Zeit verstrichen ist (Zeitpunkt K3), die diesem zeitlichen Abstand ("Stellwert"), oder einem von ihm abgeleiteten Wert, entspricht.