DE202004020586U1

DE202004020586U1 - Überlastschutz von bürstenlosen Motoren

Info

Publication number: DE202004020586U1
Application number: DE202004020586U
Authority: DE
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2014-04-21

Abstract

Motorsteuerung mit Überlastschutz zum Betrieb eines Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Lüftermotors, gekennzeichnet durch:
einen Drehzahlregler (30), der am Ausgang eine Soll-Steuerspannung U_soll für die Ansteuerung des Motors bereitstellt,
einen mit dem Ausgang des Drehzahlreglers verbundenen Begrenzer (31) zur Begrenzung der Steuerspannung U_soll auf einen Maximalwert U_Max, falls U_soll > U_max ist,
einen mit dem Ausgang des Begrenzers verbundenen Modulator (32) zur Modulation der Steuerspannung U_soll und Ansteuerung einer die Motorwicklungen mit Strom versorgenden Leistungselektronik (33),
einen Zähler (34) zum Zählen von Impulsen eines an einem Zählereingang (36) anliegenden Taktsignals CLK, solange wie U_soll > U_max und der Begrenzer (31) aktiv ist, und
Auswertemittel (38) zur Auswertung des Zählerstandes und Bereitstellung eines Freigabesignals, wenn der Zählerstand ungleich einem vorgegebenen Zählerstand ist,
wobei die Leistungselektronik einen mit den Auswertemitteln (38) verbundenen Freigabe-Eingang (39) aufweist, durch welchen die Leistungselektronik (33) gesperrt wird, wenn kein Freigabesignal anliegt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Überlastschutz für bürstenlose Motoren, und insbesondere eine Motorsteuerung mit Überlastschutz zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors.
Stand der Technik
Einfache bürstenlose Gleichstrommotoren werden oft zum Beispiel bei Ventilatoren verwendet. Die Kommutierung erfolgt hier elektronisch. Der Zeitpunkt der Kommutierung wird meistens über einen oder mehrere Hall-Sensoren erfasst, es ist aber auch eine sensorlose Lageerfassung möglich. Für die Überwachung des Motors in Bezug auf Überlastung sind weitere Sensoren notwendig. So kann man zum Beispiel den Motorstrom, die Versorgungsspannung und/oder die Wicklungstemperatur messen. Bei kleinen, preisgünstigen Motoren wird jedoch auf solche zusätzliche Sensoren für den Überlastschutz verzichtet. Damit reduziert man einerseits die Bauteilkosten, andererseits kann man dadurch die Leiterplatte für die Elektronik kleiner bauen und diese so im Motor einfacher integrieren. Wenn trotz eingeschalteter Kommutierungselektronik keine Kommutierung stattfindet, erkennt die Kommutierungselektronik, dass der Rotor blockiert ist. In diesem Fall schaltet die Elektronik den Motor nach einer gewissen Zeit ab. Dreht sich jedoch der Motor aufgrund einer Überlastung sehr langsam, wird dies von der Elektronik nicht erkannt und der Motor beziehungsweise die Wicklungsisolation und/oder die Leistungselektronik können durch Überhitzung beschädigt werden, da kein Überlastschutz vorhanden ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, bei einfachen Motoren, insbesondere bei bürstenlosen Lüftermotoren, die über keine aufwändige Sensorik verfügen, einen Überlastschutz ohne Zusatzkosten zu realisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebene Motorsteuerung gelöst.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird für eine Überwachung des Motors das Ausgangssignal eines die Drehzahl des Motors direkt oder indirekt regelnden Drehzahlreglers ausgewertet, und es werden Maßnahmen für einen Überlastschutz des Motors dann eingeleitet, wenn das Ausgangssignal des Drehzahlreglers länger als eine vorgegebene Zeitdauer einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.
Generell wird durch die Steuereinheit des Motors die Drehzahl oder eine der Drehzahl des Motors entsprechende Größe gemessen. Dann wird der die Drehzahl bestimmende Motorparameter, zum Beispiel die am Motor anliegenden Versorgungsspannung, mit einem vorgegebenen Soll-Wert verglichen. Es wird bestimmt, ob der Wert des Motorparameters für eine vorgegebene Zeitdauer größer (z.B. im Falle der Versorgungsspannung) war als ein vorgegebener Referenzwert. War dies der Fall, wird eine Gefahr einer Überlastung des Motors erkannt und es werden Maßnahmen für einen Überlastschutz getroffen.
Erfindungsgemäß kann das Signal eines oder mehrerer Hall-Sensoren, oder im Falle eines sensorlosen Motors ein oder mehrere Kommutierungssignale, nicht nur zur Steuerung der Kommutierung sondern auch zur Drehzahlregelung benutzt werden. Daher wird eine der Drehzahl entsprechende Größe des Motors überwacht. Zum Beispiel wird die Zeit zwischen zwei Hall-Wechseln, also die Zeit zwischen zwei Pegelwechseln des Hall-Signals, gemessen und ausgewertet. Ist die tatsächliche Drehzahl des Motors kleiner als ein vorgegebener Sollwert, erhöht die Motorsteuerung die wirksame Wicklungsspannung, um dadurch eine Drehzahlerhöhung zu erreichen. Die Spannung wird üblicherweise über Pulsweitenmodulation (PWM) beeinflusst. Die maximale Spannung ergibt sich bei maximalem PWM-Verhältnis (100% PWM). Manche Steuerungen begrenzen das PWM-Verhältnis jedoch schon bei geringfügig kleineren Werten (z.B. bei 98%). Kann der Motor die gewünschte Drehzahl nicht erreichen, z.B. aufgrund einer Überlast, arbeitet die Steuerung dauerhaft an der oberen PWM-Grenze und realisiert somit die maximal mögliche Wicklungsspannung. Falls festgestellt wird, dass die Regelung dauerhaft im Grenzbereich arbeitet, indem z.B. das PWM-Verhältnis dauerhaft über einem Grenzwert liegt, erkennt die Motorsteuerung den Zustand „Überbelastung", hervorgerufen durch zu hohes Lastmoment, und schützt den Motor gegen diesen Fehler, indem der Motor entweder abgeschaltet oder die Drehzahl reduziert wird. Letzteres kann zum Beispiel durch die Begrenzung des PWM-Verhältnisses auf einen kleineren Wert oder durch die Reduzierung des Drehzahlsollwertes erfolgen.
Die Motorsteuerung nach der Erfindung umfasst in einer bevorzugten Ausgestaltung einen die Drehzahl des Motors direkt oder indirekt regelnden Drehzahlregler, Mittel zur Überwachung des Drehzahlreglers, wobei bestimmt wird, ob die Regelung länger als eine vorgegebene Zeitdauer eine vorgegebene Soll-Drehzahl nicht erreicht, und Mittel, die in diesem Fall die Gefahr einer Überlastung des Motors erkennen und Maßnahmen für einen Überlastschutz ergreifen.
Die Mittel zur Überwachung des Drehzahlreglers können sowohl softwaremäßig in einem programmierbaren Mikrocontroller realisiert sein als auch hardwaremäßig in einem integrierten Schaltkreis, der vorzugsweise ein anwendungsspezifischer Schaltkreis oder ein programmierbarer logischer Baustein ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Ablaufdiagramm des der Erfindung zugrundeliegenden Arbeitsprinzips des Überlastschutzes.
2 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Motorsteuerung.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung
1 zeigt das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Überlastschutzes für einen elektronisch kommutierten Motor, wie er in der Steuereinheit des Motors, zum Beispiel einem Mikrocontroller, implementiert werden kann. In einem ersten Schritt 10 misst die Steuereinheit die Zeit T_HH zwischen zwei Kommutierungsvorgängen und erhält so eine Information über die aktuelle Drehzahl. Bei Motoren, die mit Hall-Sensoren ausgerüstet sind, kann dies durch eine Messung der Zeit zwischen zwei Hall-Wechseln, also zwischen zwei Flanken im Hall-Signal, erfolgen, wobei sowohl analoge Hall-Sensoren als auch digitale Hall-ICs verwendet werden können. Es ist ein Sollwert T_HH _soll vorgegeben, der einer Soll-Drehzahl entspricht. In einem zweiten Schritt 11 wird die Differenz ΔT zwischen dem gemessenen Wert T_HH und dem Sollwert T_HH _soll gebildet. Ist die Differenz ΔT zwischen der gemessenen Zeit T_HH und der vorgegebenen Soll-Zeit T_HH _soll positiv, dann läuft der Motor langsamer als gewünscht. Um die Soll-Drehzahl zu erreichen, muss die Drehzahl also erhöht werden. Dazu erhöht die Steuereinheit mittels eines Reglers, zum Beispiel eines PI-Reglers, die Versorgungsspannung U_soll des Motors (Schritt 12). Bei einer Ansteuerung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) kann dies vorzugsweise durch eine Erhöhung des PWM-Verhältnisses des die Endstufe steuernden PWM-Modulators verwirklicht werden. Bevor der neue Spannungssollwert bzw. PWM-Verhältnis ausgegeben wird, wird in Schritt 14 dieser Wert U_soll mit einem maximal zulässigen Wert U_Max (Referenzwert) verglichen. Ist U_soll > U_max, das heißt, wenn das erlaubte Maximum überschritten ist, wird die Spannung auf U_Max begrenzt (Schritt 15) und gleichzeitig ein Zähler CNT um einen Zählerschritt erhöht (Schritt 16). Der selbe Zähler CNT wird auf Null zurückgesetzt, falls U_so _ll <= U_M _ax ist, also keine Begrenzung notwendig ist (Schritt 17). Gemäß Schritt 18 wird nach einer erforderlichen Erhöhung des Zählers CNT dessen Wert mit einem Grenzwert CNT_Max verglichen.
Ist CNT <= CNT_Max, dann wird das Verfahren ab Schritt 10 fortgesetzt.
Bei Überschreiten dieses Grenzwertes, also wenn CNT > CNT_Max ist, arbeitet der Motor bereits über eine längere Zeitdauer mit zu geringer Drehzahl, obwohl die Steuereinheit bereits Maßnahmen zur Drehzahlerhöhung vorgenommen hatte. Es wird erfindungsgemäß ein Fehlerfall erkannt (Schritt 19) und erforderliche Maßnahmen für einen Überlastschutz getroffen. In diesem Fall begrenzt die Steuerung zum Beispiel die Motorspannung direkt oder über die Erhöhung des T_HH _soll -Wertes, was der Reduzierung des Drehzahlsollwertes entspricht, oder sie schaltet den Motor ab. Bei letzterem bleibt der Motor entweder stromlos solange bis der Motor von der Versorgungsspannung getrennt und wieder angeschlossen wird, oder die Steuerung schaltet ihn nach einer gewissen Zeit wieder ein. In diesem Fall muss diese Zeit so ausgewählt werden, dass kein Überlastungsfall den Motor thermisch beschädigen kann.
Die Überwachung kann in ähnlicher Weise auch für sensorlose Motoren verwendet werden, oder für Motoren mit anderen Lagesensoren als Hall-Sensoren. In diesen Fällen muss statt der Zeit zwischen zwei Hall-Wechseln einfach die Zeit zwischen zwei (oder mehreren) Kommutierungsvorgängen geregelt werden. Bei sensorlosen Motoren wird der Kommutierungszeitpunkt beispielsweise dadurch ermittelt, dass der Nulldurchgang der induzierten Spannung der momentan nicht bestromten Phase gemessen wird.
Die erfindungsgemäße Lösung kann dabei sowohl bei einsträngigen als auch bei mehrsträngigen bürstenlosen Motoren verwendet werden. Bei anderen Motortypen ist die Lösung auch verwendbar, vorausgesetzt, eine Drehzahlregelung ist realisierbar.
2 beschreibt eine Motorsteuerung mit hardwaremäßig realisiertem Überlastschutz.
Ein Drehzahlregler 30 wird mittels eines Drehzahl-Differenzsignals Δn = n_ist -n_soll angesteuert. Es handelt sich zum Beispiel um einen analogen oder digitalen Drehzahlregler mit PI-Charakteristik. Als Ausgangssignal liefert der Drehzahlregler 30 eine Soll-Steuerspannung U_soll für die Ansteuerung des Motors. Es ist ein Begrenzer 31 vorgesehen, der, falls erforderlich, die Steuerspannung U_soll auf einen Maximalwert U_Max begrenzt. Die (begrenzte) Steuerspannung U_soll wird einem Modulator 32 zugeführt, der zum Beispiel eine Pulsweitenmodulation (PWM) vornimmt und eine Leistungselektronik 33 ansteuert, die mit den Wicklungen des Motors (nicht dargestellt) verbunden ist.
Falls die Steuerspannung U_soll <= U_max ist, ist keine Begrenzung von U_soll notwendig. In diesem Fall setzt der Begrenzer 31 den Wert eines binären Zählers 34 über einen Reset-Eingang 35 auf Null zurück. Der Zähler 34 zählt die Impulse eines am Zählereingang 36 anliegenden Taktsignals CLK. Solange wie U_soll > U_max ist, ist der Begrenzer 31 aktiv, und der Zähler 34 zählt die Taktsignale CLK. Die mehreren Ausgänge 37 des Zählers 34 sind mit jeweils einem Eingang einer Nicht-UND-Schaltung 38 verbunden. Der Ausgang der Nicht-UND-Schaltung 38 ist mit einem Freigabe-Eingang 39 (Enable) der Leistungselektronik 33 verbunden. Der Zähler wird hier verwendet, um die Zeitdauer der Spannungsbegrenzung zu messen. Muss die Spannung U_soll über eine längere Zeitdauer begrenzt werden, dann liegt ein Fehlerfall mit Gefahr einer Überlastung des Motors vor. Solange mindestens ein Ausgang des Zählers Null ist, gibt die Nicht-UND-Schaltung ein Freigabe-Signal aus und die Leistungselektronik kann arbeiten. Falls alle Ausgangssignale des Zählers auf 1 gesetzt worden sind, also die vorgegebene Zeit abgelaufen ist, wird das Freigabe-Signal auf Null gesetzt und die Leistungselektronik gesperrt. Der aktuelle Zählerstand wird über einen Set-Eingang 40 des Zählers eingefroren. Diese Lösung kann bevorzugt bei der Realisierung mit einem anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) verwendet werden.

10–19: Verfahrensschritt
30: Drehzahlregler
31: Begrenzer
32: Modulator
33: Leistungselektronik
34: Zähler
35: Reset-Eingang
36: Zählereingang
37: Zählerausgänge
38: Nicht-UND-Schaltung
39: Enable-Eingang
40: Set-Eingang
T_HH: Zeitdauer
T_HH _soll: Sollwert
ΔT: Zeitdifferenz
ΔT_Max: Referenzwert
CNT: Zähler
CNT_Max: Grenzwert
Δn: Drehzahl-Differenz
n_ist: Ist-Drehzahl
n_soll: Soll-Drehzahl
U_soll: Steuerspannung
U_Max: Spannungs-Maximalwert (Referenzwert)
CLK: Taktsignal

Claims

Motorsteuerung mit Überlastschutz zum Betrieb eines Elektromotors, insbesondere eines bürstenlosen Lüftermotors, gekennzeichnet durch: einen Drehzahlregler (30), der am Ausgang eine Soll-Steuerspannung U_soll für die Ansteuerung des Motors bereitstellt, einen mit dem Ausgang des Drehzahlreglers verbundenen Begrenzer (31) zur Begrenzung der Steuerspannung U_soll auf einen Maximalwert U_Max, falls U_soll > U_max ist, einen mit dem Ausgang des Begrenzers verbundenen Modulator (32) zur Modulation der Steuerspannung U_soll und Ansteuerung einer die Motorwicklungen mit Strom versorgenden Leistungselektronik (33), einen Zähler (34) zum Zählen von Impulsen eines an einem Zählereingang (36) anliegenden Taktsignals CLK, solange wie U_soll > U_max und der Begrenzer (31) aktiv ist, und Auswertemittel (38) zur Auswertung des Zählerstandes und Bereitstellung eines Freigabesignals, wenn der Zählerstand ungleich einem vorgegebenen Zählerstand ist, wobei die Leistungselektronik einen mit den Auswertemitteln (38) verbundenen Freigabe-Eingang (39) aufweist, durch welchen die Leistungselektronik (33) gesperrt wird, wenn kein Freigabesignal anliegt.
Motorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel (38) eine Nicht-UND-Schaltung (38) mit mehreren Eingängen aufweist, und der Zähler (34) mehrere Ausgänge (37) aufweist, die mit jeweils einem Eingang einer Nicht-UND-Schaltung verbunden sind, wobei der Ausgang der Nicht-UND-Schaltung (38) mit dem Freigabe-Eingang (39) der Leistungselektronik (33) verbunden ist.
Motorsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlregler (30) eine PI-Charakteristik aufweist.
Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet dass der Modulator (32) ein Pulsweitenmodulator ist.
Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die sie hardwaremäßig in einem integrierten Schaltkreis realisiert ist.
Motorsteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Schaltkreis ein anwendungsspezifischer Schaltkreis oder ein programmierbarer logischer Baustein ist.