DE19938678A1

DE19938678A1 - Verfahren und Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE19938678A1
Application number: DE1999138678
Authority: DE
Inventors: Reiner Grosmann; Michael Henninger; Lutz-Peter Breyer
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-08-14
Filing date: 1999-08-14
Publication date: 2001-02-15
Also published as: EP1077523A2; EP1077523A3

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 i_W1 bis i_W3 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 i_W1, auf den Strom i_W2 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 PWM_100% 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 t_k 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 t_k 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 t_k-t₀ abgelegt sind.

Claims

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.