DE202004020764U1 - Brushless DC motor controlling unit, has comparing unit comparing actual rotational speed with lower and upper threshold valves, where maximum duty cycle is reduced and increased when speed exceeds upper and lower valves, respectively - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungTerritory of invention
Die Erfindung betrifft die Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BrushLess Direct Current Motor: BLDC Motor), und insbesondere eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines BLDC Motors unter Verwendung eines offenen Regelkreises mit Pulsweitenmodulation (PWM) und steuerbarem Tastverhältnis D.The The invention relates to the control of a brushless DC motor (BrushLess direct current motor: BLDC motor), and in particular a device for controlling a BLDC motor using an open Control circuit with pulse width modulation (PWM) and controllable duty cycle D.
Stand der TechnikState of technology
Prinzipiell können die Eigenschaften (Performance) eines BLDC Motors oder eines Lüfters mit BLDC Motor unter Verwendung eines offenen Regelkreises gesteuert oder eines geschlossenen Regelkreises geregelt werden, indem die Drehzahl n bzw. die Rotationsgeschwindigkeit ω in Abhängigkeit von bestimmten Parametern, z.B. einer maximalen Leistungsaufnahme des Motors, gesteuert bzw. geregelt wird. Die Aufgabe der Steuerung bzw. Regelung von BLDC Motoren wird häufig durch einen Mikrocontroller übernommen.in principle can the performance of a BLDC motor or a BLDC fan Engine controlled using an open loop or a closed loop can be controlled by the speed n or the rotational speed ω as a function of certain parameters, e.g. a maximum power consumption of the engine, controlled or is regulated. The task of controlling or regulating BLDC Engines become common taken over by a microcontroller.
Bei einem offenen Regelkreis wird die gewünschte Rotationsgeschwindigkeit (Drehzahl) als Eingabegröße eingestellt und vorzugsweise unter Verwendung einer Steuerschaltung mit Pulsweitenmodulation direkt in ein entsprechendes Tastverhältnis der Steuerspannung zur Ansteuerung der Leistungstransistoren des Motors übertragen. Der nominale Arbeitspunkt des Motors, der einer definierten Drehzahl entspricht, wird nur erreicht, wenn die vorgegebene Nennspannung an den Motor angelegt wird und der Motor bzw. der Lüfter mit seiner Nennlast arbeitet. Das bedeutet, dass bei einer geringeren Versorgungsspannung (im Vergleich zur Nennspannung) die Drehzahl des Motors abnimmt. Eine höhere Versorgungsspannung führt zu einer höheren Drehzahl n bzw. Rotationsgeschwindigkeit ω und daher zu einer höheren Last bzw. bei Lüftern einem höheren Luftdurchsatz.at an open loop becomes the desired rotation speed (Speed) set as input size and preferably using a pulse width modulation control circuit directly into a corresponding duty cycle of the control voltage to Activation of the power transistors of the motor transmitted. The nominal operating point of the motor, the defined speed corresponds, is only achieved if the specified nominal voltage is applied to the motor and the motor or the fan with its nominal load is working. This means that at a lower supply voltage (compared to the rated voltage) the speed of the motor decreases. A higher supply voltage leads to a higher one Speed n or rotational speed ω and therefore to a higher load or with fans a higher air flow.
In Rahmen der Offenbarung werden die Größen von Drehzahl n, Umlauffrequenz f und Rotationsgeschwindigkeit ω = 2π f = 2π n gleichbedeutend verwendet und sind untereinander austauschbar.In The scope of the disclosure will be the magnitudes of speed n, orbit frequency f and rotation speed ω = 2π f = 2π n is synonymous used and are interchangeable.
Die maximale Leistungsaufnahme Pmax des Motors wird erreicht, wenn das Tastverhältnis D und die Höhe der Versorgungsspannung Uin ihr zulässiges Maximum erreichen. Bei einem offenen Regelkreis muss z.B. der Motor eines Lüfters für einen Betrieb bei maximaler Leistungsaufnahme Pmax ausgelegt sein, die bei der maximal zulässigen Versorgungsspannung Umax erreicht wird.The maximum power P max of the motor is achieved when the duty ratio D and the height of the supply voltage U reach to their permitted maximum. In an open loop, for example, the motor of a fan must be designed for operation at maximum power consumption P max , which is reached at the maximum allowable supply voltage U max .
Bei
einer Anwendung, bei der die Nennspannung Unom des
Motors beispielsweise 48V DC beträgt, die maximale Versorgungsspannung
Umax jedoch beispielsweise bis zu 60V DC
betragen kann, muss der Lüfter
für eine
maximale Leistung Pmax ausgelegt werden,
die etwa 25% über
der Nennleistung Pnom liegt, wie aus Gleichung
(1) hervorgeht:
Eine zweite Methode zur Ansteuerung eines BLDC Motors ist die Verwendung eines geschlossenen Regelkreises zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit ω. Es wird z.B. ein Hallsensor des Motors zur Bestimmung der aktuellen Rotationsgeschwindigkeit ω des Motors verwendet. Eine Mikrocontroller-interne Regelschleife regelt das Tastverhältnis der PWM derart, dass eine gewünschte nominale Rotationsgeschwindigkeit ω erreicht wird. Aufgrund des geschlossenen Regelkreises kann die maximale Leistungsaufnahme Pm a x vorgegeben und begrenzt (überwacht) werden. In einem geschlossenen Regelkreis ist die Rotationsgeschwindigkeit ω unabhängig von der Versorgungsspannung Uin.A second method for driving a BLDC motor is the use of a closed loop for controlling the rotational speed ω. For example, a Hall sensor of the motor is used to determine the actual rotational speed ω of the motor. A microcontroller-internal control loop controls the duty cycle of the PWM such that a desired nominal rotational speed ω is achieved. Due to the closed control loop, the maximum power consumption P m a x can be specified and limited (monitored). In a closed control loop, the rotational speed ω is independent of the supply voltage U in .
Zur Vermeidung der Nachteile eines offenen Regelkreises im Hinblick auf die maximale Leistungsaufnahme bzw. die maximale Verlustleistung kann ein geschlossener Regelkreis verwendet werden. Wie oben erläutert wurde, wird dadurch die maximale vom Lüfter aufgenommene Leistung Pmax durch die Drehzahlregelung des Regelkreises begrenzt. Ein Nachteil eines geschlossenen Regelkreises ist der zusätzliche Rechenaufwand im Mikrocontroller und die Notwendigkeit zusätzlichen Speicherplatzes. Bei preiswerten Motoren sollte aber das Steuerprogramm und die Elektronik so einfach wie möglich gehalten werden.To avoid the disadvantages of an open loop in terms of maximum power consumption or the maximum power loss, a closed loop can be used. As explained above, the maximum power P max absorbed by the fan is thereby limited by the speed control of the control loop. A disadvantage of a closed loop is the additional computational effort in the microcontroller and the need for additional storage space. For low cost motors, however, the control program and electronics should be kept as simple as possible.
Ferner hat z.B. ein mit einem geschlossenen Regelkreis betriebener Lüftermotor bei niedrigen Versorgungsspannungen mehr Verlustleistung als bei Verwendung eines offenen Regelkreises und das kann je nach Anwendung ein Nachteil sein.Further has e.g. a closed-loop fan motor at low supply voltages more power dissipation than when using an open loop and this can be a disadvantage depending on the application be.
Offenbarung der Erfindungepiphany the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motorsteuerung zur Ansteuerung eines BLDC Motors anzugeben, welche die Vorteile von offenen und geschlossenen Regelkreisen kombiniert und trotzdem mit einem relativ geringen zusätzlichen Aufwand hinsichtlich Elektronik und Programmierung auskommt.Of the Invention is based on the object, a motor control for driving of a BLDC motor indicating the advantages of open and combined closed loop and still with a relative small additional Expense concerns electronics and programming.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Motorsteuerung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.These The object is achieved by a Motor control solved with the features of claim 1.
Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments and vorteilhaf te developments of the invention are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird eine Motorsteuerung mit einem offenen Regelkreis und einem schnell arbeitenden Algorithmus zur Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit eines bürstenlosen Gleichspannungsmotors vorgeschlagen.According to the invention is a Motor control with an open loop and a fast-acting Algorithm for limiting the rotational speed of a brushless DC motor proposed.
Die Erfindung kombiniert die Vorteile eines offenen Regelkreises bei Betriebsspannungen bis etwa zur Nennspannung Unom und die Vorteile eines geschlossenen Regelkreises bei Spannungen oberhalb der Nennspannung.The invention combines the advantages of an open loop at operating voltages up to about the rated voltage U nom and the benefits of a closed loop at voltages above the rated voltage.
Die gewünschten Arbeitsbedingungen des Motors werden durch Festlegung einer nominalen Rotationsgeschwindigkeit ωnom bestimmt. Die nominale Rotationsgeschwindigkeit ωnom wird dann dazu verwendet, um einen unteren Schwellwert ωhys-low für die Rotationsgeschwindigkeit zu bestimmen, der geringfügig höher ist als die nominale Rotationsgeschwindigkeit ωnom. Es wird ferner ein oberer Schwellwert ωhys-high bestimmt, der größer oder gleich dem unteren Schwellwert ωhys-low ist. Wird der obere Schwellwert so gewählt, dass er größer als der untere Schwellwert ist, muss eine ausreichende Hysterese sichergestellt werden.The desired operating conditions of the engine are determined by establishing a nominal rotational speed ω nom . The nominal rotation speed ω nom is then used to determine a lower threshold ω hys-low for the rotation speed which is slightly higher than the nominal rotation speed ω nom . Furthermore, an upper threshold value ω hys-high is determined which is greater than or equal to the lower threshold value ω hys-low . If the upper threshold is chosen to be greater than the lower threshold, sufficient hysteresis must be ensured.
Die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit ω wird im Mikrocontroller, z.B. anhand von Signalen von Hallsensoren ermittelt, mit denen auch die Rotorlage für die exakte Kommutierung des Motors bestimmt wird. Sobald die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit ω den oberen Schwellwert ωhys-high überschreitet, z.B. aufgrund einer Erhöhung der Betriebsspannung, wird das maximal erlaubte Tastverhältnis Dmax um einen definierten Schritt ΔD verringert.The current rotational speed ω is determined in the microcontroller, for example on the basis of signals from Hall sensors, with which the rotor position for the exact commutation of the motor is determined. As soon as the current rotational speed ω exceeds the upper threshold value ω hys-high , for example due to an increase in the operating voltage, the maximum permissible duty cycle D max is reduced by a defined step ΔD.
In Folge verringert sich die Rotationsgeschwindigkeit ω, bis sie gleich oder kleiner als der obere Schwellwert ωhys-high ist. Sobald aber die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit ω den unteren Schwellwert ωhys-low unterschreitet, wird das maximale Tastverhältnis Dmax um einen definierten Schritt ΔD erhöht. In Folge erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit ω, bis sie gleich oder größer als der untere Schwellwert ωhys-low ist. Auf diese Weise wird die Rotationsgeschwindigkeit ω für Betriebsspannungen, die größer sind als die Nennspannung, zwischen den Werten ωhys-low und ωhys-high gehalten. Bei einigen Anwendungen ist keine Schalthysterese notwendig, so dass ωhys-low und ωhys-high auf denselben Wert gesetzt werden können, oder aber nur ein Schwellwert notwendig ist.As a result, the rotation speed ω decreases until it is equal to or smaller than the upper threshold value ω hys-high . However, as soon as the current rotational speed ω falls below the lower threshold value ω hys-low , the maximum duty cycle D max is increased by a defined step ΔD. As a result, the rotational speed ω increases until it is equal to or greater than the lower threshold value ω hys-low . In this way, the rotational speed ω for operating voltages which are greater than the nominal voltage, between the values ω hys-low and ω hys-high is maintained. In some applications, no switching hysteresis is necessary, so that ω hys-low and ω hys-high can be set to the same value, or only one threshold is necessary.
Das von der Motorsteuerung durchgeführte Steuerungsverfahren erlaubt es, auch bei Verwendung eines offenen Regelkreises die Leistungsaufnahme des Motors (Lüfters) auf einen maximalen Wert Pmax zu begrenzen. Die Leistungsaufnahme wird auf einen maximalen Wert Pmax begrenzt, der beim oberen Drehzahl-Schwellwert ωhys-high erreicht wird.The control method performed by the engine control system makes it possible to limit the power consumption of the engine (fan) to a maximum value P max even when using an open control loop. The power consumption is limited to a maximum value P max , which is reached at the upper speed threshold ω hys-high .
Das Verfahren wird nur bei Rotationsgeschwindigkeiten ω durchgeführt, die höher sind als der Nennwert wnom. Unterhalb der Drehzahl ωnom verhält sich die Motorsteuerung wie ein offener Regelkreis. Das Verfahren erlaubt eine Reduzierung der Bemessungsleistung und eine schwächere Auslegung der Motorelektronik im Vergleich zu einem Motor mit ausschließlich offenem Regelkreis. Dies spart Kosten bei der Herstellung des Motors.The method is performed only at rotational speeds ω that are higher than the nominal value w nom . Below the speed ω nom , the engine control behaves like an open loop. The method allows a reduction of the rated power and a weaker design of the engine electronics compared to an open-loop engine. This saves costs in the production of the engine.
Zusätzlich kann die Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Hysterese Δωhys = ωhys-high – ωhys-low für Betriebsspannungen höher als die Nennspannung im Wesentlichen konstant gehalten werden. Dies führt zu einem verminderten Motorgeräusch bei hohen Betriebsspannungen.In addition, the rotational speed can be kept substantially constant as a function of the hysteresis Δω hys = ω hys-high -ω hys-low for operating voltages higher than the nominal voltage. This leads to a reduced engine noise at high operating voltages.
Das Steuerungsverfahren beeinflusst nicht die Funktion des offenen Regelkreises. Eine Reduzierung des maximalen Tastverhältnisses Dmax wird erst nach der Bestimmung des aktuell gewählten Tastverhältnisses D durchgeführt.The control method does not affect the function of the open loop. A reduction of the maximum duty ratio D max is performed only after the determination of the currently selected duty cycle D.
Das heißt so lange das aktuelle Tastverhältnis D das vorbestimmte maximale Tastverhältnis Dmax nicht überschreitet, wird auch das erfindungsgemäße Verfahren nicht durchgeführt. Dies reduziert die Komplexität der Gleichungen für die Berechnungen des Tastverhältnisses im offenen Regelkreis und damit den Programmieraufwand und die hardwaremäßigen Anforderungen an den Mikrocontroller.That is, as long as the current duty ratio D does not exceed the predetermined maximum duty ratio D max , the method according to the invention is not performed. This reduces the complexity of the equations for the open loop duty cycle calculations, and thus the programming overhead and hardware requirements for the microcontroller.
Der vorgeschlagene zusätzliche Algorithmus zur Steuerung eines BLDC Motors, der auch als Begrenzungsalgorithmus zur Begrenzung der Rotationsgeschwindigkeit ω bezeichnet werden kann, lässt sich sehr einfach in die Firmware eines Mikrocontrollerprogramms implementieren, da er nur wenige zusätzliche Berechnungen und Speicherplatz erfordert. Somit eignet sich die beschriebene Motorsteuerung für die Anwendung bei „low-cost" Motorenanwendungen, wo ein geschlossener Regelkreis nicht notwendig ist und zu teuer wäre.Of the proposed additional Algorithm for controlling a BLDC motor, also called the limiting algorithm can be called to limit the rotational speed ω, can be very easy to implement in the firmware of a microcontroller program, because he only a few extra Calculations and disk space required. Thus, the suitable described engine control for the application in "low-cost" engine applications, where a closed loop is not necessary and too expensive would.
Die Erfindung lässt sich bei allen Arten von BLDC Motoren anwenden, die von einem Mikrocontroller gesteuert sind. Die am Motor betriebene Last kann ein Lüfterrad oder eine andere passive Last, z.B. ein Pumpenrad, sein.The Invention leaves Apply to all types of BLDC motors by a microcontroller are controlled. The load operated on the motor can be a fan or another passive load, e.g. a pump wheel, be.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.in the The invention will now be described by way of example with reference to FIG closer to the drawings explained.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenSummary the drawings
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindungdescription a preferred embodiment the invention
In
In
Bei
einer Überschreitung
des maximalen Tastverhältnisses
wird das aktuelle Tastverhältnis
auf den Maximalwert Dmax gesetzt und der
Motor mit dem Maximalwert Dmax angesteuert
(Schritt
Erfindungsgemäß wird nun
die aktuelle Drehzahl ω des
Motors
In
Schritt
Ergibt
sich in Schritt
Ergibt
sich jedoch, dass die aktuelle Drehzahl ω kleiner ist als der Mindestschwellwert ωhys-low, wie im Schritt
Zurückkommend
auf
- 11
- Verfahrensschrittstep
- 22
- Verfahrensschrittstep
- 33
- Verfahrensschrittstep
- 44
- Verfahrensschrittstep
- 55
- Verfahrensschrittstep
- 66
- Verfahrensschrittstep
- 77
- Verfahrensschrittstep
- 88th
- Verfahrensschrittstep
- 99
- Verfahrensschrittstep
- 1010
- PWM-GeneratorPWM generator
- 1111
- BLDC MotorBLDC engine
- 1212
- HallsensorHall sensor
- Dmax D max
- maximales Tastverhältnismaximum duty cycle
- DD
- aktuelles TastverhältnisCurrent duty cycle
- ΔD.DELTA.D
- Schrittweite der Änderung des Tastverhältnissesincrement the change of the duty cycle
- ωω
- aktuelle Rotationsgeschwindigkeitcurrent rotation speed
- ωmax ω max
- maximale Rotationsgeschwindigkeitmaximum rotation speed
- ωhys-high ω hys-high
- oberer Schwellwertupper threshold
- ωhys-low ω hys-low
- unterer Schwellwertlower threshold
- Δωhys Δω hys
- Hysterese, Differenz zwischen ωhys-high und ωhys-low Hysteresis, difference between ω hys-high and ω hys-low
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202004020764U DE202004020764U1 (en) | 2004-11-11 | 2004-11-11 | Brushless DC motor controlling unit, has comparing unit comparing actual rotational speed with lower and upper threshold valves, where maximum duty cycle is reduced and increased when speed exceeds upper and lower valves, respectively |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102004054507 | 2004-11-11 | ||
DE202004020764U DE202004020764U1 (en) | 2004-11-11 | 2004-11-11 | Brushless DC motor controlling unit, has comparing unit comparing actual rotational speed with lower and upper threshold valves, where maximum duty cycle is reduced and increased when speed exceeds upper and lower valves, respectively |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202004020764U1 true DE202004020764U1 (en) | 2006-02-16 |
Family
ID=36001903
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE202004020764U Expired - Lifetime DE202004020764U1 (en) | 2004-11-11 | 2004-11-11 | Brushless DC motor controlling unit, has comparing unit comparing actual rotational speed with lower and upper threshold valves, where maximum duty cycle is reduced and increased when speed exceeds upper and lower valves, respectively |
Country Status (1)
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DE (1) | DE202004020764U1 (en) |
-
2004
- 2004-11-11 DE DE202004020764U patent/DE202004020764U1/en not_active Expired - Lifetime
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Legal Events
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R207 | Utility model specification |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
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