DE19809764C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektro­ nisch kommutierten Gleichstrommotors (BLDC-Motor). Ein solcher Motor weist einen mit einer Wicklung versehenen Stator und einen mit einem Permanentmagneten aus­ gebildeten und einer Motorwelle verbundenen Rotor auf. Insbesondere kann die Wick­ lung drei Teilwicklungen umfassen, die durch entsprechende Ansteuerung ein umlau­ fendes Drehfeld erzeugen, durch das der Rotor und die damit verbundene Motorwelle in Rotation versetzt werden. Zur Ansteuerung des Motors ist eine Steuerungsvorrichtung mit einer Schaltungselektronik vorgesehen, die zumindest eine Phasenwandlereinrich­ tung zur Kommutierungssignalgetriggerten Spannungsversorgung der Teilwicklungen und eine Kommutierungslogikschaltung zur Erzeugung des Kommutierungstriggersig­ nals aufweist. Das Kommutierungstriggersignal wird dabei in Abhängigkeit von zumin­ dest einem Kommutierungswahlsignal Dir und einem Modulationssignal erzeugt. Wei­ terhin weist die Schaltungselektronik eine entsprechende Modulationseinrichtung zur Erzeugung des Modulationssignals, eine Strommeßeinrichtung zur Messung eines durch Teilwicklungen fließenden Gleichstroms, eine mit Strommeßeinrichtung, Modulati­ onseinrichtung und Kommutierungslogikschaltung verschaltete Stromsteuereinrichtung sowie eine dem Rotor zugeordnete Drehzahlmeßeinrichtung auf.

Die Modulationssignale werden in der Regel durch die Modulationseinrichtung gemäß einem Tastverhältnis erzeugt, das einem Verhältnis zwischen einer Einschaltdauer bzw. Ausschaltdauer und der Gesamtschaltdauer oder -periode entspricht. Dabei wird wäh­ rend der Einschaltdauer beispielsweise eine Teilwicklung mit positiver Spannung und während einer Ausschaltdauer mit negativer Spannung beaufschlagt.

Zur weiteren Steuerung des Gleichstrommotors kann die Steuerungsvorrichtung dem Motor zur Ermittlung der jeweiligen Rotorstellung zugeordnete Sensoren aufweisen, wo­ bei die Schaltungselektronik in Abhängigkeit von einem solchen Rotorstellungssignal die Stromzufuhr zu den Teilwicklungen steuern kann.

Aus der Praxis ist beispielsweise ein Dreiphasen-Gleichstrommotor mit elektronischer Kommutierung bekannt, bei dem die Phasenströme gemessen und diese Stromsteuer­ einrichtungen in einem Servoverstärker für hochdynamische Anwendungen zugeführt werden müssen. Sind die Anforderungen an die Dynamik geringer, kann der Gleich­ strom einer Stromsteuereinrichtung zugeführt werden, wodurch die Schaltelektronik vereinfacht und kostengünstiger ist. Allerdings ist die dynamische Arbeitsleistung einer solchen Stromsteuereinrichtung oft sehr schlecht aufgrund einer Nichtlinearität in der Beziehung zwischen dem gemessenen Gleichstrom und den Phasenströmen.

Ein solcher aus der Praxis bekannter Gleichstrommotor mit zugehöriger Steuerungsvor­ richtung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Dargestellt ist eine Steuerungsvorrichtung 16 für einen Gleichstrommotor 1, die als so­ genannte Vier-Quadranten (4-Q)-Steuerungsvorrichtung ausgeführt ist. Dabei wird ein Gleichstrom einer Dreiphasenwandlereinrichtung als Phasenschaltkreis 10 gemessen und ein Zwei-Qua­ dranten (2-Q)-Schema zur Schaltung der Dreiphasenwandlereinrichtung 10 eingesetzt.

Der BLDC-Motor 1 ist ein dreiphasiger, bürstenloser Gleichstrommotor. Im Stator sind drei Teilwicklungen 2, 3, 4 ausgebildet. Der Rotor weist einen Permanentmagneten auf oder wird durch diesen gebildet. Die drei Teilwicklungen 2, 3, 4 weisen jede entspre­ chend eine Induktivität L_u, L_v und L_w, einen Gesamtwiderstand R_u, R_v und R_w und rück­ wirkende elektromotorische Kräfte e_u, e_v und e_w auf, siehe auch Fig. 2. Zur Vereinfa­ chung sind die entsprechenden Gesamtwiderstände in Fig. 2 weggelassen worden.

Sensoren 5 wie beispielsweise Hall-Sensoren sind im Motor 1 integriert, um Winkelposi­ tionen S₁, S₂ und S₃ des Rotors zu bestimmen. Diese Winkelpositionssignale werden ei­ ner Kommutierungslogikschaltung 9 zugeführt.

Weiter wird eine Drehzahl n des Rotors mittels einer Drehzahlmeßeinrichtung 21 ge­ messen, die mit der Welle des Rotors verbunden sein kann.

Eine Dreiphasenwandlereinrichtung 10 umfaßt beispielsweise MOSFET's T1, T2, T3, T4, T5 und T6. Diese stellen als Ausgangsspannungen der Wicklungsspannungen U_u, U_v U_w zum Erzeugen eines Stromflußes in den drei Teilwicklungen 2, 3, 4 bereit.

Um eine Information über die Phasenströme zu erhalten, wird ein Gleichstrom I_dc der Phasenwandlereinrichtung 10 durch eine Strommeßeinrichtung 12 ermittelt, die bei­ spielsweise ein Stromsensor oder ein Widerstand 14 sein kann. Das erfaßte Stromsig­ nal wird verstärkt, dessen Absolutwert in der Absolutwerteinrichtung 15 ermittelt und an­ schließend einer Stromsteuereinrichtung 7 als Teil einer Schaltungselektronik 6 zuge­ führt.

Weiterhin kann eine Geschwindigkeitsregeleinrichtung 11 als Teil der Schaltungselek­ tronik 6 eingesetzt werden, um einen Stromreferenzwert I^* zu erzeugen, der einer Diffe­ renz zwischen einem Drehzahlreferenzwert n^* und der ermittelten Drehzahl n des Rotors entspricht. Eine solche Geschwindigkeitsregeleinrichtung kann beispielsweise durch ei­ nen PI-Regler gebildet werden.

Die Stromsteuereinrichtung 7 erzeugt ein Tastverhältnis σ und ein Kommutierungswahl­ signal Dir, welches die Kommutierungsreihenfolge der Dreiphasenwandlereinrichtung 10 bestimmt. Das Tastverhältnis entspricht einem Verhältnis zwischen Einschaltzeit und Ausschaltzeit der gesteuerten MOSFET's und wird einer Modulationseinrichtung 8 zuge­ führt. Diese erzeugt ein Modulationssignal, wie beispielsweise ein Pulsbreitenmodulati­ onssignal (PWM-Signal) entsprechend zum durch die Stromsteuereinrichtung 7 erzeug­ ten Tastverhältnis σ.

Die Kommutierungslogikschaltung 9 erzeugt die I<ommutierungstriggersignale g1 bis g6 für entsprechend die MOSFET's T1 bis T6 in der Dreiphasenwandlereinrichtung 10. Die Eingaben der Kommutierungslogikschaltung 9 sind beispielsweise die Positionssignale S₁, S₂ und S₃ von den Positionssensoren 5, das Kommutierungswahlsignal Dir von der Stromsteuereinrichtung 7 und das von der Modulationseinrichtung 8 erzeugte PWM₁- Signal. Für eine bestimmte Winkelstellung des Rotors bestimmen die Positionssignale S₁ bis S₃ und das Kommutationswahlsignal Dir, welche zwei der sechs MOSFET's in der Dreiphasenwandlereinrichtung mittels des PWM-Signals ein- und ausgeschaltet werden. Alle anderen MOSFET's sind ausgeschaltet.

Das PWM-Signalschema bestimmt, wie die MOSFET's in der Dreiphasenwandlereinrich­ tung durch das PWM-Signal gesteuert werden. Um das Ausgangsmoment des Motors 1 zu steuern, wird ein Gleichstrom gesteuert, der in eine Teilwindung ein- und aus einer anderen Teilwindung ausfließt. Welche jeweils zwei Phasenwicklungen der drei Pha­ senwicklungen den Gleichstrom gerade leiten und die Richtung des Stroms ergeben sich aus der Winkelposition des Rotors und dem Kommutierungswahlsignal Dir. Die Kommutierung, d. h., welche zwei Teilwicklungen zum Fließen des Gleichstroms einge­ setzt sind, hängt nur vom Zustand der Stellungssignale S₁ bis S₃ ab. Dabei gibt es sechs unterschiedliche Zustände der Positionssignale bei einer Rotordrehung, von de­ nen jeder Zustand zwei der drei Teilwicklungen festlegt, die Strom leiten.

Zur weiteren Erläuterung der Schaltungselektronik 6 wird ein Betriebszustand nach Fig. 2 im folgenden erläutert. Richtungen für einen Ausgangsstrom I und eine Spannung U_o sind in Fig. 2 dargestellt. Der Gleichstrom I fließt in die Teilwindung mit Induktivität L_u und fließt aus der Teilwindung mit Induktivität L_v bei positivem Kommutierungswahlsignal (Dir = 1). Der Gleichstrom fließt in umgekehrter Richtung, wenn das Kommutierungswahlsi­ gnal negativ ist (Dir = -1). Bei dieser Rotorstellung fließt kein Strom durch die Teilwick­ lung mit Induktivität L_w.

Die Dreiphasenwandlereinrichtung 10 wird durch ein 2-Quadranten-PWM-Schema ge­ steuert, gemäß dem ein MOSFET in der oberen Hälfte, siehe Fig. 2, und ein MOSFET in der unteren Hälfte der Dreiphasenwandlereinrichtung durch das Modulationssignal ge­ steuert werden und alle anderen MOSFET's während einer Schaltperiode ausgeschaltet sind. In Fig. 2 werden T1 und T6 ein- und ausgeschaltet durch das Modulationssignal und T3 und T4 sind während einer Schaltperiode mit Dir = 1 ausgeschaltet. Bei Dir = -1 werden die MOSFET's T3 und T4 ein- und ausgeschaltet durch das Modulationssignal und T1 und T6 sind ausgeschaltet. In einem solchen Fall ist der Absolutwert der Stro­ mamplitude I_DC im Gleichstromverbindungsschaltkreis und des in den beiden Teilwick­ lungen fließenden Gleichstrom gleich. Daher kann der Absolutwert der Stromamplitude in den Teilwicklungen durch Ermitteln des Gleichstromverbindungsstroms erfaßt werden.

Die Ausgangsspannung U_o zur Ansteuerung der beiden Teilwicklungen ist abhängig vom Tastverhältnis des Modulationssignals. Das Verhältnis zwischen der mittleren Aus­ gangsspannung U_o in einer Schaltperiode und dem Tastverhältnis σ ist unterschiedlich, je nach dem ob der Strom kontinuierlich durch die beiden Teilwicklungen in der Schalt­ periode fließt oder der Strom vor Ende der Schaltperiode gegen Null strebt. Der erste Fall wird als kontinuierliche Stromperiode und der andere Fall als diskontinuierliche Stromperiode bezeichnet.

Bei einem positiven Kommutierungswahlsignal (Dir = 1) und bei kontinuierlichem Strom während der Schaltperiode, ist die Ausgangsspannung U_o gleich der Gleichspannung U_dc, wenn T1 und T6 eingeschaltet sind. Die Ausgangsspannung U_o ist gleich der nega­ tiven Gleichspannung -U_dc, wenn T1 und T6 ausgeschaltet sind und der Strom weiterhin durch die beiden Dioden fließt, die antiparallel zu den MOSFET's T3 und T4 verschaltet sind. Die mittlere Ausgangsspannung in einer solchen Schaltperiode ist proportional zum Tastverhältnis.

Im Falle eines diskontinuierlichen Stroms in einer Schaltperiode ergibt sich ein zusätzli­ cher Zustand, in dem der Phasenstrom I in der Schaltperiode gleich Null ist. In diesem Zustand ist die Ausgangsspannung U_o gleich der Summe der elektromotorischen Kräfte in den beiden Teilwicklungen, d. h., es gilt, U_o = e_u + e_v. Der Mittelwert der Ausgangs­ spannung in einer Schaltperiode wird bezüglich aller drei Zustände berechnet. Das Ver­ hältnis zwischen der mittleren Ausgangsspannung U_o in einer Schaltperiode und dem Tastverhältnis σ ist nicht linear.

In Fig. 3 ist das Verhältnis zwischen der mittleren Ausgangsspannung in einer Schaltpe­ riode und dem Tastverhältnis σ angegeben. Die Kurve a-b-c-d stellt das Verhältnis im Falle eines positiven Kommutierungsauswahlsignals (Dir = 1) dar. Da das Tastverhältnis σ bei positivem Kommutierungswahlsignal und negativem Kommutierungswahlsignal gemäß der Erfindung unterschiedlich bestimmt wird, siehe im folgenden, wird das Tastverhältnis bei positivem Kommutierungswahlsignal als σ⁺ und das Tastverhältnis bei negativem Kommutierungswahlsignal als σ^- bezeichnet. In Fig. 3 entspricht E der Sum­ me der elektromotorischen Kräfte der beiden Teilwicklungen. Der Abschnitt c bis d der Kurve entspricht den Verhältnissen während einer Periode mit kontinuierlichem Strom und einer Ausgangsspannung proportional zum Tastverhältnis. Das Verhältnis im Ab­ schnitt a-c im Fall einer diskontinuierlichen Stromperiode und die Verstärkung der mittle­ ren Ausgangsspannung im Hinblick auf das Tastverhältnis ist so gering, daß es als Tot­ zone in der Charakteristik für die Ausgangsspannung bezeichnet werden kann. In ähnli­ cher Weise ergibt sich für den Fall eines negativen Kommutierungswahlsignals ein Ver­ hältnis zwischen der mittleren Ausgangsspannung in einer Schaltperiode und dem Tastverhältnis gemäß der Kurve e-f-g-h. Der Abschnitt g-h entspricht der Charakteristik einer Ausgangsspannung im Falle einer Periode mit kontinuierlichem Strom und der Ab­ schnitt e-g der Charakteristik im Falle einer Periode mit diskontinuierlichem Strom.

Aus Jahns, Becerra, Ehsani: "Integrated Current Regulation for a Brushless ECM Dri­ ve" aus "IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 6, No. 1, Januar 1991, S. 118- 126 ist eine Stromreglung für einen bürstenlosen ECM-Antrieb bekannt, bei der die PWM-Frequenz in Abhängigkeit der EMK (elektromotorische Kraft) verändert wird. Da­ bei ist die elektromotorische Kraft proportional zur Geschwindigkeit des Motors, wobei sowohl die Rate eines Stromanstiegs als auch einer Stromabnahme sich bei Variation der Motorgeschwindigkeit ändert und dadurch die PWM-Frequenz geändert wird.

Aus DE 41 90 248 T1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben eines bür­ stenlosen Motors bekannt. Das Tastverhältnis der PWM (Pulsbreitmodulation) wird durch mehrere Einflußfaktoren bestimmt, wie beispielsweise ein Positionssignal der An­ kerwicklung.

Im Hinblick auf den eingangs geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Er­ findung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors dahingehend zu verbessern, daß die dynamische Arbeitsleistung erheblich verbessert werden kann, ohne eine auf­ wendig aufgebaute Schaltungselektronik oder eine größere Anzahl von Bauelementen oder Schaltkreisen zu verwenden und unter Vermeidung einer Nichtlinearität in der Cha­ rakteristik der Ausgangsspannung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der An­ sprüche 1 und 15 gelöst.

Insbesondere wird erfindungsgemäß die Ausgangsspannung der Phasenwandlereinrich­ tung in zwei Spannungskomponenten aufgeteilt. Eine dieser Spannungskomponenten entspricht der Summe der elektromotorischen Kräfte der beiden den Strom leitenden Teilwicklungen. Die andere Spannungskomponente ist eine Stromtreiberspannung, die zum Hervorrufen eines Gleichstroms I in den Teilwicklungen ohne Beachtung der rück­ wirkenden elektromotorischen Kräfte erforderlich ist. Entsprechend zu den beiden Spannungskomponenten wird das Tastverhältnis σ in zwei Teiltastverhältnisse aufge­ teilt. Ein Teiltastverhältnis σ(n) entspricht der der Summe der der elektromotorischen Kräfte entsprechenden Spannungskomponente, und das andere Teiltastverhältnis Δσ entspricht der Stromtreiberspannung. Zur Ermittlung der jeweiligen Teiltastverhältnisse sind vorrichtungsmäßig entsprechende Ermittlungseinrichtungen vorgesehen. Je nach Vorzeichen des Kommutierungswahlsignals werden die beiden Teiltastverhältnisse zu einem mittleren Tastverhältnis σ_o addiert bzw. von diesem subtrahiert. Dazu ist eine ent­ sprechende Additionseinrichtung vorgesehen, die gemäß des bekannten Standes der Technik ihren Ausgangswert der Modulationseinrichtung zur Erzeugung des Modulati­ onssignals zuführt. Folglich kann eine Kommutierung erfolgen, bevor die Ausgangs­ spannung gleich oder geringer als die elektromotorischen Kräfte ist, wodurch sich eine verbesserte Charakteristik für das Verhältnis Ausgangsspannung zu Tastverhältnis er­ gibt.

Eine Weiterbildung der Erfindung kann beispielsweise einen Stromreferenzwert durch einen Geschwindigkeitsregler aus gemessener Umdrehungszahl n und einem vorgege­ benen Referenzwert für die Umdrehungszahl n^* ermittelt und der Stromsteuereinrichtung übermittelt werden. Dabei kann der Geschwindigkeitsregler ähnlich wie beim oben ge­ schilderten Stand der Technik als PI-Regler ausgebildet sein.

Der Gleichstrommeßwert kann beispielsweise durch einen an sich bekannten Gleich­ stromsensor ermittelt werden, der den Strom in der Gleichstromverbindung zur Pha­ senwandlereinrichtung mißt. Weiterhin kann eine entsprechende Gleichstrommeßein­ richtung durch einen Widerstand gebildet sein, der zwischen Phasenwandlereinrichtung und Masse verschaltet ist.

Zwischen der Stromsteuereinrichtung und der Strommeßeinrichtung kann weiterhin eine Absolutwerteinrichtung angeordnet sein, durch die zumindest ein Absolutwert des ge­ messenen Gleichstroms bestimmt und zur Stromsteuereinrichtung übermittelt wird. Gleichzeitig kann neben der Absolutwertbildung auch eine Verstärkung des gemesse­ nen Gleichstroms erfolgen. Eine entsprechende Verstärkungsschaltung kann in der Ab­ solutwerteinrichtung enthalten sein.

Bevorzugt wird erfindungsgemäß eine Modulationseinrichtung, die in Abhängigkeit vom Tastverhältnis ein Impulsbreitenmodulationssignal erzeugt und an die Kommutierungs­ logikschaltung übermittelt. Bei einem einfachen Ausführungsbeispiel kann das Teiltast­ verhältnis Δσ entsprechend der Stromtreiberspannung aus einer Differenz zwischen dem Stromreferenzwert I^* und dem gemessenen Gleichstrom I_dc bestimmt werden. Dies erfolgt mittels der ersten Ermittlungseinrichtung, die beispielsweise als PI-Regler aus­ gebildet sein kann.

Um in diesem Zusammenhang dem gemessenen Gleichstrom I_DC je nach Kommutie­ rungswahlsignal ein entsprechendes Vorzeichen zuzuordnen, kann zwischen Absolut­ werteinrichtung und erster Ermittlungseinrichtung eine Vorzeichenzuordnungseinrich­ tung verschaltet sein. Diese wird in Abhängigkeit vom Kommutierungswahlsignal ge­ steuert und ordnet entsprechend dem gemessenen Gleichstrom ein Vorzeichen zu.

In diesem Zusammenhang kann es sich weiterhin als vorteilhaft erweisen, wenn eine Zuordnung des Vorzeichens zum gemessenen Gleichstrom um eine Schaltperiode des Modulationssignals beispielsweise bei Analogtechnik oder um eine Abtastperiode der Stromsteuereinrichtung beispielsweise bei Digitaltechnik, verzögert wird.

Das zweite Teiltastverhältnis σ(n) wird vorzugsweise aus der Drehzahl n bestimmt. Die­ se kann zur verbesserten Bestimmung des Teiltastverhältnisses weiterhin mit einem konstanten Faktor zur Verstärkung multipliziert werden, wobei in diesem Fall die zweite Ermittlungseinrichtung durch eine Konstantverstärkungseinrichtung gebildet ist.

Eine Ermittlung des Kommutierungswahlsignals Dir ist in einfacher Weise aus der Polari­ tät des Teiltastverhältnisses Δσ möglich. Dazu kann eine Vorzeichenbestimmungsein­ richtung der ersten Ermittlungseinrichtung zur Erzeugung des entsprechenden Kommu­ tierungswahlsignals nachgeordnet sein.

Die beiden Teiltastverhältnisse Δσ und σ(n) werden vorzugsweise in einer weiteren Ad­ ditionseinrichtung addiert, die mit erster und zweiter Ermittlungseinrichtung verbunden ist. Der Summenwert kann anschließend mittels einer Vorzeichenzuordnungseinrichtung entsprechend zum Vorzeichen des Kommutierungswahlsignals mit einem Vorzeichen versehen und in einer ersten Additionseinrichtung zum mittleren Tastverhältnis addiert werden. Neben dem mittleren Tastverhältnis, das insbesondere einem 50%igen Tastverhältnis entspricht, kann als weiterer Summand ein Versatzwert δ addiert oder subtrahiert werden.

Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß erfindungsgemäß das gesamte Tastverhältnis für einen positiven Kommutierungswahlwert (Dir = 1) einen anderen Wert als für einen negativen Kommutierungswahlwert (Dir = -1) hat. Aus diesem Grund wird das Tastver­ hältnis als σ⁺ im Fall eines positiven Kommutierungswahlsignals und als σ^- im Fall eines negativen Kommutierungswahlsignals bezeichnet.

Wie bereits beim obengenannten Stand der Technik kann auch erfindungsgemäß die Phasenwandlereinrichtung aus einer Parallelschaltung von sechs jeweils in Reihe zu zweit verschalteten MOSFET's mit entsprechend zu jedem Transistor antiparallel ge­ schalteter Diode gebildet sein.

Im folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines elektronischkommutierten Gleichstrom­ motors mit einer Steuerungsvorrichtung;

Fig. 2 einen vergrößerten und vereinfachten Ausschnitt aus Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung einer Relation zwischen Ausgangsspan­ nung U_o und Tastverhältnis;

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Aufbau einer Stromsteuereinrichtung, wie sie in Fig. 1 eingesetzt ist, und

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung einer Relation zwischen Ausgangsspan­ nung und Tastverhältnis gemäß der Erfindung.

In Fig. 4 ist die in Fig. 1 dargestellte und mit gestrichelter Linie umrandete Stromsteuer­ einrichtung 7 in ihrer erfindungsgemäßen Ausgestaltung dargestellt. Gemäß der Erfin­ dung wird die Ausgangsspannung einer Dreiphasenwandlereinrichtung 10, siehe Fig. 1, in der Stromsteuereinrichtung 7 der Schaltungselektronik 6 einer Steuervorrichtung 16 in zwei Spannungskomponenten oder Teiltastverhältnisse aufgeteilt. Das Teiltastver­ hältnis σ(n) entspricht der Summe der elektromotorischen Kräfte und wird mittels der zweiten Ermittlungseinrichtung 18 aus der durch Drehzahlmeßeinrichtung 21, siehe Fig. 1, ermittelten Drehzahl n ermittelt. Die zweite Ermittlungseinrichtung 18 ist als Konstant­ verstärker ausgebildet, wobei die Drehzahl n mit einem konstanten Wert multipliziert wird.

Das Teiltastverhältnis Δσ entspricht der Stromtreiberspannung und wird mittels der er­ sten Ermittlungseinrichtung 17 bestimmt. Diese kann als PI-Regler ausgebildet sein, dem als Eingangsgröße eine Differenz aus Stromreferenzwert I^* und Gleichstromwert I zugeführt wird, siehe auch Fig. 1. Entsprechend wird der Stromreferenzwert I^* durch die Geschwindigkeitsregeleinrichtung 11 aus Drehzahl n und Drehzahlreferenzwert n^* ermit­ telt.

Aus der Polarität des Teiltastverhältnisses Au wird mittels einer Vorzeichenbestim­ mungseinrichtung 24 ein Kommutierungswahlsignal Dir entsprechend zu Dir = sign(Δσ) bestimmt.

Die Berechnung des gesamten Tastverhältnisses ist unterschiedlich je nach Kommutie­ rungsauswahlsignal. Mittels einer Additionseinrichtung 26 werden die beiden Teiltast­ verhältnisse Δσ und σ(n) addiert und einer Vorzeichenzuordnungseinrichtung 25 zuge­ führt. Diese ordnet der Summe der Teiltastverhältnisse je nach Vorzeichen des Kommu­ tierungsauswahlsignals Dir ein entsprechendes Vorzeichen zu und in einer weiteren Additionseinrichtung 19 wird diese mit Vorzeichen versehene Summe der Tastverhält­ nisse ein mittleres Tastverhältnis σ_o und ein Versatzwert δ, siehe Fig. 3, hinzugefügt.

Folglich ergibt sich das Gesamttastverhältnis je nach Kommutierungswahlsignal wie folgt:

σ = σ^* = σ_o + σ(n) + Δσ - δ bei Dir = 1

σ = σ^- = σ_o - σ(n) - Δσ - δ bei Dir = -1

Dabei entspricht σ_o dem mittleren Tastverhältnis, d. h. einem 50%igen Tastverhältnis.

Der zur ersten Ermittlungseinrichtung 17 rückgeführte Strom ergibt sich aus dem Abso­ lutwert der Stromamplitude, die in der Gleichstromverbindungsschaltung, siehe Fig. 1, ermittelt wurde. Der Absolutwert von I_DC wird einer Vorzeichenzuordnungseinrichtung 22 zugeführt und in Abhängigkeit eines Vorzeichens des Kommutierungswahlsignals Dir erfolgt eine Zuordnung eines Vorzeichens. Allerdings wird in der Vorzeichenzuord­ nungseinrichtung 22 jeweils das Vorzeichen des Kommutierungswahlsignals Dir der je­ weils vorausgegangenen Periode zugeordnet gemäß:

I = /I_DC/ bei Dir = 1

I = -/I_DC/ bei Dir = -1

Die Periode kann als Abtastperiode der Stromsteuereinrichtung bestimmt sein, wenn diese beispielsweise durch einen digitalen Signalprozessor realisiert ist. Ist die Strom­ steuereinrichtung in Analogtechnik ausgeführt, kann die entsprechende Periode gleich der Schaltperiode des PWM-Signals sein.

Im folgenden wird kurz die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung nach Fig. 4 geschildert.

Die erste Ermittlungseinrichtung 17 erzeugt das Teiltastverhältnis Δσ entsprechend zu einer Komponente der Ausgangsspannung der Dreiphasenwandlereinrichtung. Eine Eingabe der ersten Ermittlungseinrichtung 17 ist eine Differenz zwischen dem Stromre­ ferenzwert I^* von der Geschwindigkeitsreglereinrichtung 11 und dem geschätzten Gleichstrom I in der Teilwicklung. Die erste Ermittlungseinrichtung 17 ist beispielsweise durch einen PI-Regler gebildet. Weiter kann zur Vermeidung eine Änderung des Aus­ gangs während einer Steuerperiode eine Nullordnungshalteeinrichtung vorgesehen sein.

In der Vorzeichenbestimmungseinrichtung 24 wird das Kommutierungswahlsignal Dir entsprechend zur Polarität des Teiltastverhältnisses Δσ bestimmt.

Eine Verstärkung K_n in der zweiten Ermittlungseinrichtung 18 ist konstant und umge­ kehrt proportional zur Geschwindigkeit des gesteuerten, bürstenlosen Dreiphasengleich­ strommotors. Eine Eingabe der zweiten Ermittlungseinrichtung 18 ist die Drehzahl n und die Ausgabe ist das Teiltastverhältnis σ(n), welches der einer Summe der rückwirkenden elektromotorischen Kräfte entsprechenden Spannungskomponente entspricht. Diese ergeben sich in den beiden Teilwicklungen, durch die der Gleichstrom I fließt.

Mittels der Vorzeichenzuordnungseinrichtung 25 wird der Summe der Teiltastverhältnis­ se Δσ und σ(n) ein Vorzeichen zugeordnet und anschließend wird der mit Vorzeichen versehenen Summe ein mittleres Tastverhältnis σ_o und ein Versatz σ hinzugefügt. Da­ durch ergibt sich je nach Kommutierungswahlsignal Dir das Gesamttastverhältnis σ, sie­ he die obigen Formeln.

Durch das Verzögerungsglied 23 wird eine Verzögerung um eine Steuerperiode hervor­ gerufen, so daß der Vorzeichenzuordnungseinrichtung 22 jeweils das Kommutierungs­ wahlsignal Dir der jeweils vorangehenden Steuerperiode zugeführt wird.

Die Vorzeichenzuordnungseinrichtung 22 ist analog zur Vorzeichenzuordnungseinrich­ tung 25 aufgebaut, womit hierauf verwiesen wird. Allgemein weist eine solche Vorzei­ chenzuordnungseinrichtung jeweils einen Multiplexer und einen vorgeschalten Inverter bzw. Einheitsverstärker auf.

Gemäß der Erfindung ergibt sich somit eine Charakteristik für die Ausgangsspannung im Verhältnis zum Tastverhältnis nach Fig. 5, d. h. eine lineare Charakteristik. Dabei ist ein Umschaltpunkt der Kommutierungsfolge ein solcher Punkt, bei dem die theoretische Ausgangsspannung gleich der elektromotorischen Kraft E in einem stetigen Betriebs­ zustand ist. Die Folge der Kommutierungslogik ist nicht direkt vom erforderlichen Strom abhängig, sondern hängt von der Polarität der erforderlichen Stromtreiberspannung ab.

Claims (27)

1. Verfahren zur Steuerung eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (1), welcher einen mit einer insbesondere drei Teilwicklungen (2, 3, 4) umfassenden Wicklung versehenen Stator und einen mit einem Permanentmagneten ausge­ bildeten und mit einer Motorwelle verbundenen Rotor aufweist, wobei Sensoren (5) die jeweilige Rotorstellung erfassen und eine Schaltungselektronik (6) eine Spannungsversorgung der Teilwicklungen (2, 3, 4) in Abhängigkeit von der Ro­ torstellung steuert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

• 1. Messen einer Umdrehungszahl (n) des Rotors und eines Phasenströmen der Teilwicklungen entsprechenden Gleichstroms (I_DC);
• 2. Übermittlung der Meßwerte von Umdrehungszahl (n) und Gleichstrom (I_DC) an eine Stromsteuereinrichtung (7) der Schaltungselektronik (6) zur Bestimmung eines Kommutierungswahlsignals (Dir) und eines Tastverhältnisses (σ) zur An­ steuerung der Teilwicklungen (2, 3, 4);
• 3. wobei die Wicklungsspannungen (U_u, U_v, U_w) modellmäßig in eine den elektro­ motorischen Kräften der jeweiligen Teilwicklungen (2, 3, 4) entsprechende erste und eine einer Stromtreiberspannung entsprechenden zweiten Teilspannung aufgespaltet und den Teilspannungen entsprechende erste und zweite Teil­ tastverhältnisse (Δσ, σ(n)), bestimmt werden, und die Teiltastverhältnisse (Δσ, σ(n)) zur Bestimmung des Gesamt- Tastverhältnisses (σ) zu oder von einem mittleren Tastverhältnis (δ_o) in Abhän­ gigkeit vom Kommutierungswahlsignal (Dir) addiert oder subtrahiert werden,
• 4. Umsetzen des Tastverhältnisses (σ) in einer Modulationseinrichtung (8) in ein Modulationssignal (PWM) und Zufuhr des Kommutierungswahlsignals (Dir) und des Modulationssignals (PWM) zu einer Kommutierungslogikschaltung (9), die diese Signale mit von den Sensoren gelieferten Rotorstellungssignalen (S₁, S₂, S₃) verknüpft und Kommutierungstriggersignale (g₁-g₆) erzeugt, und
• 5. Übermittlung der Kommutierungstriggersignale (g₁-g₆) an einen Phasen­ schaltkreis (10) zur Bereitstellung von Wicklungsspannungen (U_u, U_v, U_w) für die Teilwicklungen (2, 3, 4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Geschwindigkeitsregeleinrichtung (11) aus der gemessenen Umdrehungszahl (n) und einem vorgegebenen Referenz­ wert (n*) für die Umdrehungszahl (n) einen Stromreferenzwert (I*) ermittelt und der Stromsteuereinrichtung (7) übermittelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Strommeßeinrichtung (12) den Gleichstrommeßwert (I_dc) ermittelt.

4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleichstrommeßwert (I_dc) mittels eines Nebenschlußwiderstandes als Strom­ meßeinrichtung (11) bestimmt wird, welcher zwischen Phasenschaltkreis (10) und Masse (13) verschaltet ist.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Absolutwerteinrichtung (15) einen Absolutwert des Gleichstrommeßwerts (I_dc) bestimmt und den Wert verstärkt sowie den verstärkten Absolutwert der Strom­ steuereinrichtung (7) zuführt.

6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Teiltastverhältnis (Δσ) sich aus einer Differenz zwischen dem Referenz­ stromwert (I*) und dem gemessenen Phasenstrom (I) einer Teilwicklung (2, 3, 4) ergibt.

7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein PI- Regler aus der Differenz von Referenzstromwert (I*) und gemessenem Phasen­ strom (I) das erste Teiltastverhältnis (Δσ) bestimmt.

8. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Teiltastverhältnis (σ(n)) als Produkt der gemessenen Umdrehungszahl (n) und einer positiven Konstante (K_n) bestimmt wird.

9. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kommutierungswahlsignal (Dir) aus einem Vorzeichen des ersten Teiltastver­ hältnisses (Δσ) bestimmt wird.

10. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Summe aus erstem und zweitem Teiltastverhältnis (Δσ, σ(n)) ermittelt wird und ein Summenvorzeichen in Abhängigkeit vom Kommutierungswahlsignal (Dir) be­ stimmt wird.

11. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Vorzeichen dem verstärkten Absolutwert des gemessenen Gleichstrommeßwer­ tes (I_dc) in Abhängigkeit vom Kommutierungswahlsignal (Dir) zugeordnet wird.

12. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zu­ ordnung des Vorzeichens zum verstärkten Absolutwert des Gleichstrommeßwer­ tes (I_dc) um eine Schaltperiode des Modulationssignals (PWM) verzögert wird.

13. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zu­ ordnung des Vorzeichens zum verstärkten Absolutwert des Gleichstrommeßwer­ tes (I_dc) um eine Abtastperiode der Stromsteuereinrichtung (7) verzögert wird.

14. Steuerungsvorrichtung (16) für einen elektronisch kommutierbaren Strommotor (1), welcher einen mit einer insbesondere drei Teilwicklung (2, 3, 4) umfassenden Wicklung versehenen Stator und einen mit einem Permanentmagneten ausge­ bildeten und mit einer Motorwelle verbundenen Rotor aufweist, wobei die Steue­ rungsvorrichtung (16) mit einer Schaltungselektronik (6) für den Motor (1) aus­ gebildet ist, die zumindest einen Phasenschaltkreis (10) zur kommutierungs­ signalgetriggerten Spannungsversorgung der Teilwicklungen (2, 3, 4), eine Kommutierungslogikschaltung (9) zur Erzeugung von Kommutierungstriggersi­ gnalen (g₁-g₆) in Abhängigkeit von zumindest einem Kommutierungswahlsignal (Dir) und einem Modulationssignal (PWM), eine Modulationseinrichtung (8) zur Erzeugung des Modulationssignals (PWM), eine Strommeßeinrichtung (12) zur Messung eines durch Teilwicklungen (2, 3, 4) fließenden Gleichstroms (I_DC), eine mit Strommeßeinrichtung (12), Modulationseinrichtung (8) und Kommutierungs­ logikschaltung (9) verschaltete Stromsteuereinrichtung (7) und eine dem Rotor zugeordnete Drehzahlmeßeinrichtung (21) aufweist, wobei die Stromsteuerein­ richtung (7) zumindest eine erste Ermittlungseinrichtung (17) zur Ermittlung eines ersten einer durch elektromotorische Kräfte in den Teilwicklung (2, 3, 4) bestimm­ ten ersten Spannung entsprechenden Teiltastverhältnisses (Δσ) und eine zweite Ermittlungseinrichtung (18) zur Ermittlung eines zweiten, der Drehzahl des Rotors entsprechenden Teiltastverhältnisses (σ(u)) sowie eine erste Additionseinrichtung (19) zur Addition der Teiltastverhältnisse (Δσ, σ(u)) und zumindest eines mittleren Tastverhältnisses (σ_o) aufweist, wobei die Additionseinrichtung (19) mit der Modu­ lationseinrichtung (8) verbunden ist.

15. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei zwischen Stromsteuereinrich­ tung (7) und Strommeßeinrichtung (12) eine Absolutwerteinrichtung (15) ver­ schaltet ist.

16. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Absolutwerteinrich­ tung (15) eine Verstärkungsschaltung aufweist.

17. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 16, wobei zwischen Drehzahlmeßeinrichtung (21) und Stromsteuereinrich­ tung (7) eine Geschwindigkeitsregeleinrichtung (11) zur Ermittlung eines Stromre­ ferenzwertes (I*) aus gemessener Drehzahl (n) und einem Drehzahlreferenzwert (n*) verschaltet ist.

18. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 17, wobei die Geschwindigkeitsregeleinrichtung (11) ein PI-Regler ist.

19. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 18, wobei die Modulationseinrichtung (8) eine Impulsbreitenmodulations­ einrichtung ist.

20. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 19, wobei die Strommeßeinrichtung (12) ein zwischen Phasenschaltkreis (10) und Masse (13) verschalteter Widerstand (14) ist.

21. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 20, wobei der Phasenschaltkreis (10) aus einer Parallelschaltung von sechs jeweils in Reihe zu zweit verschalteten MOSFET-Transistoren (T₁-T₆) ge­ bildet ist.

22. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 21, wobei zwischen Absolutwerteinrichtung (15) und erster Ermittlungsein­ richtung (17) eine Vorzeichenzuordnungseinrichtung (22) verschaltet ist.

23. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 22, wobei die Vorzeichenzuordnungseinrichtung (22) mit einem Verzöge­ rungsglied (23) zur Verzögerung des zugeführten Kommutierungswahlsignals (Dir) verbunden ist.

24. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 23, wobei zur Erzeugung des Kommutierungswahlsignals (Dir) eine Vor­ zeichenbestimmungseinrichtung (24) der ersten Ermittlungseinrichtung (17) nachgeordnet ist.

25. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 24, wobei eine gemäß des Kommutierungsauswahlsignals (Dir) gesteuerte weitere Vorzeichenzuordnungseinrichtung (25) zwischen einer mit erster und zweiter Ermittlungseinrichtung (17, 18) verbundenen zweiten Additionseinrich­ tung (26) und der ersten Additionseinrichtung (19) verschaltet ist.

26. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 25, wobei die erste Ermittlungseinrichtung (17) ein PI-Regler ist.

27. Steuerungsvorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 26, wobei die zweite Ermittlungseinrichtung (18) eine Konstantverstärkungseinrichtung ist.