DE19812966A1 - Bürstenloser Gleichstrommotor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, insbesondere Kleinmmotor, mit einem Polradlagegeber zur Erkennung der Rotorposition, ist vorgesehen, daß die Ansteuerelektronik mit den mechanischen Motorkomponenten unmittelbar gekoppelt ist und einen Speicher zum Abspeichern der individuellen Eigenschaften des Polradlagegebers des jeweiligen Motors aufweist, sowie eine Korrektureinrichtung zur Korrektur des von dem Polradlagegeber abgegebenen Positionssignals in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Polradlagegebers.

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor, insbe­ sondere Kleinmotor, mit einem Polradlagegeber zur Erkennung der Rotor­ position und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Derartige bürstenlose Gleichstrommotoren eignen sich im Vergleich zu herkömmlichen kollektorbehafteten Motoren beispielsweise hervorragend als Antrieb für Modelleisenbahnen, weil sie das Problem des Kollektorver­ schleißes und der damit einhergehenden Wartung vermeiden, ein hervorra­ gendes Anlaufverhalten und Verhalten bei niedriger Drehzahl bzw. Fahrge­ schwindigkeit aufweisen und vor allem im Vergleich zu kollektorbehafteten Motoren eine erheblich höhere elektromagnetische Verträglichkeit aufwei­ sen.

Das Problem bei derartigen bürstenlosen Kleinst-Gleichstrommotoren be­ steht jedoch darin, daß deren Herstellungskosten extrem eng kalkuliert sind und deshalb bei einer Verbesserung der Eigenschaften solcher Motoren bzw. bei der Anpassung solcher Motoren für bestimmte Aufgaben, wie z. B. einen Modellbauantrieb, die technischen Möglichkeiten immer durch re­ striktive Kostenvorgaben eingeschränkt werden.

Um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC, EC-Motor) betreiben zu können, ist es erforderlich, seine Rotorlage zu kennen oder mindestens zu wissen, wann der Rotor eine bzw. mehrere definierte Positionen durchläuft.

Die Erfassung der Rotorlage erfolgt mittels eines Polradlagegebers (PLG), welcher mit dem Motor meist eine Einheit bildet.

Der PLG ist meist so ausgeführt, daß er als Ergebnis lediglich eine digitale Information liefert, welche aussagt, daß sich der Rotor innerhalb eines be­ stimmten Winkelbereichs befindet. Diese Information wird (entsprechend mit einer Regelung oder Steuerung verknüpft) dem Leistungsteil zugeführt (z. B. Pulswechselrichter) und die Motorphasen werden entweder positiv, negativ oder gar nicht bestromt.

Als Sensorelemente im PLG werden meistens magnetisch sensitive Ele­ mente (z. B. Hallsensoren) in Verbindung mit dem Erregerfeld des Motors oder Lichtschranken in Verbindung mit einer entsprechend ausgeführten und mit der Motorwelle verbundenen Blende verwendet.

Ist die Information, welche der PLG liefert, aus irgendeinem Grund nicht korrekt, so werden die einzelnen Motorphasen zu früh oder zu spät be­ stromt. Dies führt dazu, daß sich der Wirkungsgrad verringert, die Drehmomentwelligkeit sowie die Blindstromaufnahme erhöhen, mech. Re­ sonanzen angeregt werden usw. Der PLG hat somit einen sehr großen Ein­ fluß auf das Gesaintverhalten eines derartigen Antriebs. Insbesondere kann sich eine unterschiedliche Leerlaufdrehzahl links-rechts ergeben.

Die Hauptursache eines Fehlers eines PLG liegt meist darin, daß die ent­ sprechenden Sensorelemente (z. B. Hallsensoren, Lichtschranken) nicht ex­ akt plaziert sind. Bei gleicher Montagetoleranz wirkt sich dieser Fehler um so größer aus, je kleiner der Motor bzw. der PLG ist.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen bür­ stenlosen Gleichstrommotor so auszugestalten, daß er herstellungs- und montagebedingte Toleranzen bei der Positionierung des PLG ausgleicht und verbesserte Laufeigenschaften bei kostengünstiger Herstellbarkeit auf­ weist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ansteuer­ elektronik mit den mechanischen Motorkomponenten unmittelbar gekoppelt ist und einen Speicher zum Abspeichern der individuellen Eigenschaften des PLG des jeweiligen Motors aufweist, sowie eine Korrektureinrichtung zur Korrektur des von dem PLG abgegebenen Positionssignals in Abhän­ gigkeit von den Eigenschaften des PLG.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient auch ein Verfahren zur Herstellung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, wobei den mechanischen Motorkompo­ nenten eine Ansteuerelektronik zugeordnet wird, in einem Probelauf oder dergleichen die individuellen Eigenschaften des jeweiligen PLG erfaßt und abgespeichert werden und die im Betrieb dann vom PLG abgegebenen Po­ sitionssignale in Abhängigkeit von den abgespeicherten Eigenschaften kor­ rigiert und diese korrigierten Signale über die Steuerung bzw. Regelung als Ansteuersignale umgesetzt werden.

Beinhaltet der Gesamtantrieb einen PLG, welcher auf Grund von z. B. zu großer Plazierungsfehler der Sensorelemente einen zu großen und somit nichtakzeptablen Fehler aufweist, so kann dieser Fehler durch die erfin­ dungsgemäße Zusatzelektronik kompensiert werden.

Angenommen, der PLG weist einen Fehler auf, derart daß er bereits eine bestimmte Lageinformation des Läufers ausgibt, noch bevor der Läufer die­ se Position erreicht hat, so muß man, um den Fehler des PLG zu kompen­ sieren, lediglich sein Ausgangssignal um eine bestimmte Zeit verzögern. Weist der PLG einen Fehler in umgekehrter Richtung auf, d. h. sein Aus­ gangssignal erscheint zu spät, so ändert sich prinzipiell nichts. In diesem Fall kann man entweder das Ausgangssignal um nahezu eine Periodendauer verzögern, oder man vertauscht die Zuordnung der einzelnen Sensorele­ mente untereinander und erhält somit eine entsprechend niedrigere Verzö­ gerungszeit.

Es ist jedoch zu beachten, daß die Verzögerungszeit in der Regel nicht kon­ stant ist. Die Verzögerungszeit hängt einerseits von der Motordrehzahl und andererseits von der Rotorlage bzw. in entsprechender Weise umgerechnet vom Ausgangssignal des PLG ab. Eine konstante Verzögerungszeit würde man nur bei einer konstanten Drehzahl erhalten und unter der Vorausset­ zung, daß alle Sensorelemente um den gleichen Winkelversatz positioniert worden wären und weiterhin das Erregerfeld bzgl. seiner Symmetrie ein ideales Verhalten aufweisen würde.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung, mit wel­ chem es möglich ist, den Fehler eines PLG zu kompensieren.

Hierbei wird mit x(t) das Ausgangssignal des PLG bezeichnet. Es kann sich hierbei sowohl um ein analoges wie auch um ein digitales Signal handeln. Dieses Signal wird um die Zeit t_VERZ verzögert, wobei die Verzögerungszeit t_VERZ wiederum vom Ausgangssignal x(t) des PLG abhängt wie auch von der Motordrehzahl n.

Strenggenommen hängt die Verzögerungszeit t_VERZ auch noch von der Pol­ paarzahl Z_p des Motors ab. Vereinfachend wurde dieser Parameter in Fig. 1 jedoch nicht mit berücksichtigt.

Fig. 2 zeigt ein entsprechendes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform. Die zusätzliche Elektronik besteht im Wesentlichen nur aus einem Microcontroller (MC) und einem nichtflüchtigen Speicher, bei­ spielsweise EEPROM. In vielen Fällen ist bereits ein MC vorhanden, wel­ cher dann noch diese zusätzlichen Aufgaben erledigen kann; so daß nahezu kein Mehraufwand erforderlich ist.

In Fig. 2 wird davon ausgegangen, daß der PLG an seinem Ausgang ein digitales 3 bit Wort zur Verfügung stellt, wie es meist der Fall ist. Des wei­ teren wird davon ausgegangen, daß der Antrieb einen Tachogenerator auf­ weist, welcher das Drehzahlsignal n zur Verfügung stellt. Sollte dies nicht der Fall sein so kann auf das Drehzahlsignal auch verzichtet werden. In diesem Fall kann sich der MC das Drehzahlsignal auch aus dem Ausgangs­ signal des PLG bilden.

Weiterhin wird angenommen, daß das EEPROM Werte beinhaltet, welche ein Maß dafür darstellen, um welchen Fehlerwinkel die einzelnen Senso­ relemente von der idealen Position abweichen. Ausgehend von der Motor­ drehzahl n, dem momentan anliegenden Digitalwert des PLG und den ge­ speicherten Werten im EEPROM berechnet der MC eine Verzögerungszeit, um welche er das Ausgangssignal des PLG verzögert an seinem Ausgang abgibt.

Die entsprechenden Werte im EEPROM hängen prinzipiell nur vom PLG ab und brauchen in einem Initialisierungslauf nur einmal ermittelt zu wer­ den.

Um die Werte im EEPROM zu initialisieren gibt es prinzipiell die zwei nachfolgend aufgeführte Möglichkeiten:
Der Motor wird von einem zweiten Motor angetrieben und somit als Gene­ rator betrieben. Die induzierten Spannungen (EMK) werden dem MC zuge­ führt. Der MC berechnet aus dem Verlauf der induzierten Spannungen bei verschiedenen Drehzahlen und dem Ausgangssignal des PLG die entspre­ chenden Zeitdifferenzen, welche mit Hilfe des Drehzahlsignals in entspre­ chende Winkelabweichungen umgerechnet und abgespeichert werden.

Bei einer zweiten Möglichkeit wird der Motor nicht von einem zweiten Motor angetrieben. Er wird vielmehr selbst im quasi Schrittmotorbetrieb auf unterschiedliche Drehzahlen gebracht. Der MC überwacht die indu­ zierte Spannung in der jeweils nichtbestromten Phase und berechnet sich mit dem Ausgangssignal des PLG die entsprechenden Zeitdifferenzen, wel­ che mit Hilfe des Drehzahlsignals in entsprechende Winkelabweichungen umgerechnet und abgespeichert werden.

Bei der Überwachung der induzierten Motorspannungen genügt es voll­ ständig, wenn man sich darauf beschränkt lediglich die Nulldurchgänge zu detektieren.

Der Initialisierungslauf sollte für mehrere Drehzahlen durchgeführt werden. Auf diese Weise ist es weiterhin möglich, zusätzlich noch die Totzeit der Sensorelemente zu kompensieren.

Werden die Werte im EEPROM nach der ersten Möglichkeit ermittelt, so hat man zusätzlich noch den Vorteil, daß sich auch eine Asymmetrie des Erregerfeldes mitkompensieren läßt.

Ohne weiteren Hardwareaufwand läßt sich auch noch die Totzeit des Lei­ stungsteils inklusive Ansteuerung kompensieren, falls diese bekannt ist und dem MC zugeführt wird.

Zusammenfassend läßt sich also feststellen:
Wie beschrieben lassen sich die Hauptfehler eines PLG kompensieren. Zu­ sätzlich können auch noch die Totzeiten des Leistungsteils sowie die der im PLG eingesetzten Sensorelemente kompensiert werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, eine Asymmetrie des Erregerfeldes zu kompensieren. In vielen Fällen, in welchen bereits ein MC zur Ansteuerung des Lei­ stungsteils oder zur Regelung eingesetzt wird, ist es möglich, die oben auf­ geführten Fehler zu kompensieren ohne einen zusätzlichen bzw. mit einem minimalen Mehraufwand an Hardware.

Es ergeben sich die Vorteile, daß der Gesaintantrieb einen höheren Wir­ kungsgrad und eine geringere Drehmomentwertigkeit aufweist. Des weite­ ren werden weniger mech. Schwingungen angeregt und Fertigungsstreuun­ gen betreffend den Motor und den PLG werden verringert. Die Leerlauf­ drehzahl links-rechts ist gleich.

Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht darin, die Lage der Sensorele­ mente des PLG überhaupt nicht oder nur grob zu positionieren, und alle hieraus resultierenden Fehler entsprechend zu kompensieren. Diese Mög­ lichkeit ist vor allem bei kleinen und preiswerten Motoren interessant, da sich eine bestimmte Positionsungenauigkeit der Sensorelemente bei kleinen Motoren bzw. PLG besonders stark auswirkt und die Kosten eines relativ genauen PLG zu den relativ niedrigen Motorkosten im keinem Vergleich stehen.

Claims (5)

1. Bürstenloser Gleichstrommotor, insbesondere Kleinmotor, mit einem Polradlagegeber zur Erkennung der Rotorposition, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ansteuerelektronik mit den mechanischen Motorkomponenten unmittelbar gekoppelt ist und einen Speicher zum Abspeichern der indivi­ duellen Eigenschaften des Polradlagegebers des jeweiligen Motors auf­ weist, sowie eine Korrektureinrichtung zur Korrektur des von dem Polrad­ lagegeber abgegebenen Positionssignals in Abhängigkeit von den Eigen­ schaften des Polradlagegebers.

2. Verfahren zur Herstellung eines bürstenlosen Gleichstrommotors, insbe­ sondere eines Kleininotors, mit einem Polradlagegeber zu Erkennung der Rotorposition, dadurch gekennzeichnet, daß den mechanischen Motor­ komponenten eine Ansteuerelektronik zugeordnet wird, in einem Probelauf oder dergleichen die individuellen Eigenschaften des jeweiligen Polradla­ gegebers erfaßt und abgespeichert werden und die im Betrieb dann vom Polradlagegeber abgegebenen Positionssignale in Abhängigkeit von den abgespeicherten Eigenschaften korrigiert und diese korrigierten Signale über die Steuerung bzw. Regelung als Ansteuersignale umgesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bür­ stenlose Gleichstrommotor von einem zweiten Motor angetrieben und als Generator betrieben wird, daß die induzierten Spannungen einem Mikro­ prozessor zugeführt werden, der Mikroprozessor aus dem Verlauf der indu­ zierten Spannungen und dem Ausgangssignal des Polradlagegebers die ent­ sprechenden Zeitdifferenzen berechnet, welche mit Hilfe des Drehzahlsi­ gnals in entsprechende Winkelabweichungen umgerechnet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleich­ strommotor mittels einer Art Schrittmotor-Betrieb auf eine bestimmte Drehzahl gebracht wird, wobei ein Mikroprozessor die induzierte Span­ nung in der jeweils nicht bestromten Phase, die erfaßt wird, überwacht und mit Hilfe des Ausgangssignals des Polradlagegebers die entsprechenden Zeitdifferenzen errechnet, welche mit Hilfe des Drehzahlsignals in entspre­ chende Winkelabweichungen umgerechnet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dreh­ zahlabhängigen Verzögerungszeiten gemessen und in einem Speicher als Tabelle abgelegt und beim nachfolgenden Betrieb des Gleichstrommotors ausgelesen werden.