DE19938678A1 - Verfahren und Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors - Google Patents
Verfahren und Ansteuerung eines bürstenlosen GleichstrommotorsInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren und einer Anordnung zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit Blockkummutierung weicht beim Umschalten des Stroms von einer Wicklung auf eine andere die an mindestens einer der beteiligten Wicklungen angelegte Spannung vorübergehend von der für die Blockkommutierung vorgesehenen Spannung derart ab, daß die zeitlichen Verläufe des durch das Umschalten verursachten Stromanstiegs und Stromabfalls angenähert sind.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ansteuerung eines
bürstenlosen Gleichstrommotors mit Blockkommutierung.
Bürstenlose Gleichstrommotoren werden meist mit einer sogenannten Block
kommutierung betrieben, bei welcher die Wicklungen mit rechteck- oder tra
pezförmigen Spannungen beaufschlagt werden. Folgt der Strom diesen recht
eck- oder trapezförmigen Spannungen, so ergibt sich ein gleichförmiges Mo
ment. Tatsächlich treten jedoch beim Betrieb von bürstenlosen Gleichstrom
motoren sogenannte Strom- und Momentenrippel auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere bei langsam drehen
den Anwendungen, wie es zum Beispiel die elektrische Lenkhilfe in Kraftfahr
zeugen erfordert, derartige Strom- und Momentenrippel zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst,
daß beim Umschalten des Stroms von einer Wicklung auf eine andere die an
mindestens einer der beteiligten Wicklungen angelegte Spannung vorüberge
hend von der für die Blockkommutierung vorgesehenen Spannung derart ab
weicht, daß die zeitlichen Verläufe des durch das Umschalten verursachten
Stromanstiegs und Stromabfalls angenähert sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei der Umschaltung zwi
schen zwei Wicklungen die durch den induktiven Anteil der Wicklungen be
dingten Ein- und Ausschaltvorgänge der Wicklungen sich nicht gegenläufig
verhalten. Dieses hat wiederum seine Ursache darin, daß nach dem An- und
Abschalten der jeweiligen Wicklung unterschiedliche Spannungen an den
Wicklungen wirksam sind.
Ein Hauptanwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bür
stenlose Gleichstrommotoren mit drei Wicklungen bzw. Strängen. Das Verfah
ren ist jedoch auch auf Motoren mit anderen Wicklungszahlen anwendbar.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß die Spannung an der jeweils abzuschaltenden Wicklung nach dem
Einschalten der Spannung an der jeweils anzuschaltenden Wicklung verzögert
abnimmt. Die auch beim Abschalten der Wicklung wirksame elektromotorische
Kraft kann dabei dadurch berücksichtigt werden, daß die Spannung an der je
weils abzuschaltenden Wicklung zunächst plötzlich und dann verzögert ab
nimmt.
Eine genauere Anpassung der Stromverläufe beim An- und Abschalten kann
gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erfolgen, daß die Spannung
an der anzuschaltenden Wicklung zunächst auf einen höheren Wert plötzlich
ansteigt und dann auf den für die Blockkommutierung vorgesehenen Wert ver
zögert abnimmt.
Die Stromverläufe beim Anlegen einer sprunghaft auf einen konstanten Wert
steigenden Spannung sind nicht linear, weil unter anderem die induzierten
Spannungen nicht linear verlaufen. Eine gute Annäherung wird aber bei einer
anderen Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß die verzögerten
Spannungsabnahmen im wesentlichen zeitlinear verlaufen. Bei bürstenlosen
Gleichstrommotoren wird die Betriebsspannung häufig pulsbreitenmoduliert.
Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren ohne zusätzlichen Schaltungs
aufwand dadurch realisiert werden, daß die Spannungsverläufe durch Puls
breitenmodulation erzeugt werden.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
daß die Abweichungen der Spannung von der für die Blockkommutierung vor
gesehenen Spannung in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Gleich
strommotors gesteuert werden. Mit dieser Weiterbildung wird berücksichtigt,
daß die vorübergehenden Spannungsabweichungen, die zu einer Annäherung
des Stromanstiegs und der Stromabnahme erforderlich sind, sowohl von der
Drehzahl als auch von der Stromaufnahme des Gleichstrommotors abhängen,
weshalb vorzugsweise die Betriebsparameter die Drehzahl und die Stromauf
nahme sind.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß plötzliche Spannungsänderun
gen von der Drehzahl und die Dauer verzögerter Spannungsabnahmen vom
Strom des Gleichstrommotors abhängig sind. Eine besonders vorteilhafte An
ordnung zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit Block
kommutierung, wobei zum Umschalten des Stroms von einer auf eine andere
Wicklung Halbleiterschalter vorgesehen sind, die von einer Steuereinrichtung
gesteuert werden, wobei der Steuereinrichtung mindestens die gemessene
Drehzahl und die gemessene Stromaufnahme zugeführt werden, besteht da
durch, daß die Steuereinrichtung zur Erzeugung von pulsbreitenmodulierten
Impulsen mit einer gegenüber der Drehzahl hohen Frequenz ausgelegt ist, wo
bei die Pulsbreite in mindestens einer der jeweils umzuschaltenden Wicklungen
verzögert geändert wird, und daß eine Tabelle mit der Abhängigkeit der Ände
rung der Pulsbreiten von der zugeführten Drehzahl und den zugeführten
Stromwerten vorgesehen ist.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schema
tisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend
beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine teilweise als Blockschaltbild dargestellte erfindungsgemäße An
ordnung,
Fig. 2 verschiedene Stromverläufe bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor
mit Blockkommutierung und
Fig. 3 ein Beispiel für einen Spannungsverlauf bei der Umschaltung von einer
ersten auf eine zweite Wicklung.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung zur Ansteuerung des Motors sind drei
Halbbrückenzweige mit den Transistoren T1 bis T6 vorgesehen, denen Frei
laufdioden D1 bis D6 parallel geschaltet sind. An die Abgriffe zwischen jeweils
zwei Transistoren T1 und T4, T2 und T5 sowie T3 und T6 ist jeweils ein An
schluß einer Wicklung W1, W2, W3 angeschlossen, die als Stern geschaltet
sind. Die Transistoren T1 bis T6 werden von einer Steuereinrichtung 1 über
lediglich schematisch dargestellte Treiber 2 angesteuert, wobei die Steuerein
richtung 1 im wesentlichen aus einem Mikroprozessor besteht. Wie auch bei
bekannten Anordnungen zur Ansteuerung von bürstenlosen Gleichstrommoto
ren wird die jeweilige Winkelstellung des im übrigen nicht dargestellten Rotors
von gegeneinander um 120° versetzten Hallsensoren 3, 4, 5 erfaßt und der
Steuereinrichtung 1 gemeldet. In Abhängigkeit davon erfolgt die Ansteuerung
der Transistoren. Außerdem wird die jeweilige Stromaufnahme mit Hilfe eines
Strommeßwiderstandes 6 gemessen und einem nicht dargestellten Ana
log/Digital-Wandler der Steuereinrichtung zugeführt. Aus den Signalen der
Hallsensoren kann ferner die Drehzahl berechnet werden. Eine Gleichspan
nungsquelle 7 dient zum Betrieb der Wicklungen W1, W2, W3.
Ein idealer Stromverlauf durch die Wicklungen W1, W2, W3 in Abhängigkeit
von der Winkelstellung des Rotors ist in den Diagrammen a) bis c) als iW1 bis iW3
dargestellt. Die idealen Ströme weisen jeweils für 120° einer Halbwelle einen
konstanten Wert und für die folgenden 30° den Wert Null auf. Die Ströme der
einzelnen Wicklungen sind jeweils um 120° phasenverschoben. Dadurch ergibt
sich, daß zu jedem Zeitpunkt ein Strom positiv, ein weiterer Strom negativ und
der dritte gleich Null ist. Damit ist auch die Stromsummengleichung für den
Sternpunkt erfüllt.
Wie bereits erwähnt, weisen bei einer Beaufschlagung mit Spannungen ent
sprechend der in den Diagrammen a) bis c) gezeigten Kurvenform die Ströme
einen anderen Verlauf auf, was insbesondere dann stört, wenn der Stroman
stieg und der Stromabfall nicht gegenläufig sind. Ein dann resultierender
Stromverlauf für die Wicklung W1 ist beispielhaft im Diagramm d) der Fig. 2
dargestellt. Dadurch ist das Drehmoment nicht mehr konstant während einer
Umdrehung, was insbesondere bei langsam drehenden Antrieben stören kann.
Fig. 3 zeigt den Verlauf der Spannungen u1 und u2, die beispielsweise während
des Umschaltens zwischen dem Strom iW1, auf den Strom iW2 bei 120° (Fig. 2a
und 2b) erfindungsgemäß vorgesehen sind. Dabei sind die Spannungen u1 und
u2 auf denjenigen Wert kommutiert, der für den restlichen Teil der jeweiligen
Einschaltperiode durch eine Pulsbreitenmodulation PWM100% bewirkt wird. Zu
Beginn der Kommutierung bei t0 springt die Spannung u1 von 1 auf 0,8, wäh
rend die Spannung u2 von 0 auf 1,25 springt. Bis zum Ende der Kommutierung
bei tk fällt dann die Spannung u1 auf 0, während die Spannung u2 von 1,25 auf
1 sinkt.
Sowohl die Höhe des anfänglichen Sprungs als auch die Dauer zwischen tk und
t0 werden in Abhängigkeit von diesen Parametern gesteuert. Dazu ist in einem
der Steuereinrichtung 1 zugeordneten Speicher 8 eine diese Abhängigkeit dar
stellende Tabelle abgelegt. Dieses kann beispielsweise in der in Fig. 1 ange
deuteten Form sein, wobei jeweils in einer Zeile Werte für den Strom I, die
Drehzahl n, einen Spannungssprung δu und die Dauer tk-t0 abgelegt sind.
Claims (10)
1. Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit
Blockkommutierung, dadurch gekennzeichnet, daß beim Umschalten des
Stroms von einer Wicklung auf eine andere die an mindestens einer der
beteiligten Wicklungen angelegte Spannung vorübergehend von der für
die Blockkommutierung vorgesehenen Spannung derart abweicht, daß
die zeitlichen Verläufe des durch das Umschalten verursachten Stroman
stiegs und Stromabfalls angenähert sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung
an der jeweils abzuschaltenden Wicklung nach dem Einschalten der
Spannung an der jeweils anzuschaltenden Wicklung verzögert abnimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung
an der jeweils abzuschaltenden Wicklung zunächst plötzlich und dann
verzögert abnimmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannung an der anzuschaltenden Wicklung zunächst auf einen
höheren Wert plötzlich ansteigt und dann auf den für die Blockkommutie
rung vorgesehenen Wert verzögert abnimmt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die verzögerten Spannungsabnahmen im wesentlichen zeitlinear
verlaufen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Spannungsverläufe durch Pulsbreitenmodulation er
zeugt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abweichungen der Spannung von der für die Block
kommutierung vorgesehenen Spannung in Abhängigkeit von Betriebspa
rametern des Gleichstrommotors gesteuert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebs
parameter die Drehzahl und die Stromaufnahme sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß plötzliche
Spannungsänderungen von der Drehzahl und die Dauer verzögerter
Spannungsabnahmen vom Strom des Gleichstrommotors abhängig sind.
10. Anordnung zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit
Blockkommutierung, wobei zum Umschalten des Stroms von einer auf ei
ne andere Wicklung (W1, W2, W3) Halbleiterschalter (T1 bis T6) vorge
sehen sind, die von einer Steuereinrichtung (1) gesteuert werden, wobei
der Steuereinrichtung (1) mindestens die gemessene Drehzahl und die
gemessene Stromaufnahme zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung (1) zur Erzeugung von pulsbreitenmodulierten
Impulsen mit einer gegenüber der Drehzahl hohen Frequenz ausgelegt
ist, wobei die Pulsbreite in mindestens einer der jeweils umzuschaltenden
Wicklungen verzögert geändert wird, und daß eine Tabelle (8) mit der Ab
hängigkeit der Änderung der Pulsbreiten von der zugeführten Drehzahl
und den zugeführten Stromwerten vorgesehen ist.
Priority Applications (2)
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