DE3819064C2 - - Google Patents
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- H02P6/15—Controlling commutation time
- H02P6/153—Controlling commutation time wherein the commutation is advanced from position signals phase in function of the speed
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von
bürstenlosen Elektromotoren, insbesondere bürstenlosen
Gleichstrommotoren, bei dem von einem Rotorlagegeber
abgeleitete Ansteuersignale zur Ansteuerung von
elektronischen Schaltern, insbesondere Transistoren in
einer die Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen
versorgenden Brückenschaltung insbesondere
Transistorbrückenschaltung dienen, wobei der
Kommutierungspunkt der Ansteuerung der elektrischen
Schalter, insbesondere Transistoren veränderbar ist.
Bei bürstenlosen Elektromotoren, insbesondere
Gleichstrommotoren, weist der Rotor Permanentmagnete und
der Stator eine dreiphasige, in Sternschaltung liegende
Drehstromwicklung auf. Die Anschlußklemmen dieser Wicklung
werden durch eine üblicherweise dreiphasige
Transistorbrückenschaltung wahlweise mit der positiven
oder negativen Schiene der Zwischenkreis-Gleichspannung
verbunden. Die Magnetisierung der Permanentmagnete und die
Gestaltung der Drehstromwicklung sind so gewählt, daß jede
der in den drei Phasen induzierten Spannungen einen
näherungsweise trapezförmigen Verlauf weist. Der
günstigste Drehmomentenverlauf des Motors ist dann
gegeben, wenn die Phasenströme blockförmig mit einer
Blocklänge von 120° sind und genau in Phase mit den
induzierten Spannungen liegen. Hierzu werden üblicherweise
jeweils zwei der sechs Transistoren angesteuert, so daß
jeweils zwei der drei Teilwicklungen bestromt sind und die
dritte Teilwicklung stromfrei bleibt. Zur Entscheidung,
welche der sechs Transistoren dabei jeweils stromführend
sein müssen, wird die jeweilige Winkellage des Rotors über
einen ausgeführten Rotorlagegeber erfaßt.
In der Praxis zeigt sich jedoch eine erhebliche Abweichung
von dem idealen Stromverlauf. Bedingt durch die
Induktivitäten der drei Teilwicklungen erfolgt der
Stromaufbau und Stromabbau nicht schlagartig, sondern in
erster Näherung gemäß einer e-Funktion. Daraus ergibt sich
eine Phasenverschiebung des Stromblocks gegenüber der
induzierten Spannung und somit eine Verschlechterung der
Drehmomentbildung. Der Winkelbetrag dieser
Phasenverschiebung ist drehzahlabhängig, da zum einen der
Betrag der induzierten Spannung mit steigender Drehzahl
größer wird und somit dem Stromaufbau entgegenwirkt, und
da zum anderen der Zeitbedarf des Stromaufbaus bezogen auf
die Periodendauer immer größer wird.
Ein bekanntes Verfahren, mit dem dieser Phasenverschiebung
entgegengewirkt werden kann, besteht darin, den
Kommutierungspunkt vorzuverlegen, d. h. die jeweiligen
Transistoren bereits zu einem früheren Zeitpunkt
aufzusteuern. Einerseits hat damit der Strom mehr Zeit,
sich aufzubauen und wieder abzubauen; andererseits ist die
induzierte Spannung im Augenblick des Stromaufbaus noch
geringer.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten
Gattung (DE-OS 25 27 744) erfolgt diese Vorverlegung des
Kommutierungspunktes dadurch, daß die Sensoren des Polrad-
Rotorlagegebers entgegen der Motordrehrichtung mechanisch
verdreht werden. Nachdem diese Verdrehung erfolgt ist,
bleibt die Lage der Sensoren fest.
Außerdem ist es bekannt (DE-OS 26 29 269), in einer
Steuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor in
der Ansteuerung für die einzelnen Transistoren feste
Widerstände anzuordnen, die so dimensioniert werden, daß
der Einschaltzeitpunkt der jeweils zugeordneten Phase
verschoben, d. h. die Einschaltdauer kleiner oder größer
als 120° gewählt wird. Dadurch sollen die jeweils
gewünschten Motor- und Drehzahlcharakteristiken
realisierbar sein. Im wesentlichen wird damit eine
überlappungsfreie Kommutierung der drei Phasen mit
geringem Aufwand realisierbar.
Den beiden bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß die
Verschiebung des Kommutierungspunktes mechanisch oder
elektrisch nur um einen fest vorgegebenen Wert erfolgen
kann, der beim mechanischen Verfahren durch einen festen
Drehwinkelbetrag und beim elektrischen Verfahren durch
einen festen elektrischen Phasenwinkelbetrag bestimmt ist.
Es hat sich aber gezeigt, daß der optimale Wert einer
Verschiebung des Kommutierungspunktes drehzahlabhängig
ist, d. h. bei niedrigen Drehzahlen nahe 0° liegt und bei
höheren Drehzahlen beispielsweise Werte bis über 60°
annimmt. Bei den genannten Verfahren mit fester Vorgabe
der Verschiebung des Kommutierungspunktes ist jeweils nur
ein Kompromiß möglich, der strenggenommen, nur für eine
bestimmte Drehzahl optimale Verhältnisse ergibt. Hinzu
kommt noch, daß die angestrebte Vorverlegung des
Kommutierungspunktes drehrichtungsabhängig ist. Ein Motor,
bei dem der Kommutierungspunkt um einen festen Betrag und
nur in einer vorgegebenen Richtung vorgenommen wurde, wird
deshalb in der entgegengesetzten Drehrichtung eine äußerst
schlechte Motorcharakteristik aufweisen oder überhaupt
nicht funktionsfähig sein. Die bekannten Verfahren sind
daher für Motoren mit Drehrichtungsumkehr ungeeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der
eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß mit
einfachen Mitteln eine
für alle Drehzahlen optimale Verlagerung des
Kommutierungspunktes und damit eine wesentliche
Verbesserung der Motorcharakteristik und insbesondere
Drehmomentcharakteristik erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Kommutierungspunkt jeweils um einen vorgegebenen
Zeitbetrag auf elektronische Weise vorverlegt wird.
Im Gegensatz zu einer Vorverlegung um einen festen
Drehwinkel oder um einen festen elektrischen Winkel wird
durch die zeitlich bestimmte Vorverlegung des
Kommutierungspunktes eine automatische Anpassung an die
Drehzahl erreicht. Außerdem tritt die gewünschte Wirkung
in beiden Drehrichtungen im gleichen Maße ein, so daß
dieses Verfahren uneingeschränkt bei
drehrichtungsumkehrbaren Motoren einsetzbar ist.
Mit diesem Verfahren läßt sich durch die Erhöhung des
Drehmoments und damit verbunden auch einer Erhöhung der
erreichbaren Drehzahl eine erhebliche Steigerung der
Motorleistung erzielen.
Die als Zeitbetrag vorgegebene Vorkommutierung kann im
einfachsten Fall konstant gewählt werden. Bereits dann
erfolgt eine sehr wirksame Anpassung an die jeweilige
Drehzahl, weil bei geringer Drehzahl innerhalb der
konstanten Zeitspanne nur ein kleiner Drehwinkel vom Rotor
durchlaufen wird. Dies entspricht der allgemeinen
Forderung, die Vorkommutierung bei niedrigen Drehzahlen
gering zu halten. Bei höherer Drehzahl durchläuft der
Rotor in der gleichen Zeitspanne einen größeren
Drehwinkel, wodurch die Forderung erfüllt ist, daß bei
höherer Drehzahl die Vorkommutierung größer sein muß, um
eine optimale Wirkung zu erreichen.
Noch vorteilhafter ist es, die Vorkommutierung in
Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder vom geforderten
Drehmoment bzw. Drehmomentverlauf vorzugeben.
In Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen,
daß der Zeitabstand zwischen den Wechseln der vom
Rotorlagegeber gelieferten Rotorlageinformation gemessen
wird und daß von diesem Zeitabstand der als
Vorkommutierung vorgegebene Zeitbetrag subtrahiert und
daraus die den Kommutierungspunkt bestimmende Umschaltzeit
für die Transistoren ermittelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat noch den besonderen
Vorteil, daß es ohne Einschränkung auch bei solchen
bürstenlosen Elektromotoren einsetzbar ist, in deren
Steuerschaltung kein der Rotordrehung ständig
entsprechender Signalverlauf zur Verfügung
steht, aus der ein Signal für eine gewünschte
Vorkommutierung in einfacher Weise dadurch abgeleitet
werden könnte, daß die Auslöseschwelle gegenüber der
Nullage nach oben oder unten verschoben wird. Das
erfindungsgemäße Verfahren ist vielmehr insbesondere auch
bei solchen Elektromotoren anwendbar, bei denen der
Rotorlagegeber nur wenige Rechtecksignale liefert. Da der
Zeitabstand von vorangegangenen Wechseln der
Rotorlageinformation gemessen wurde, kann der sich daraus
für den Zeitpunkt der Vorkommutierung ergebende Wert von
einem vorangehenden Wechsel der Rotorlageinformation
ausgehen abgezählt werden und die vorzeitige Kommutierung
auslösen, bevor die entsprechende Flanke des
Rechtecksignals vom Rotorlagegeber auftritt.
Die Erfindung betrifft auch eine Steuerschaltung für
bürstenlose Elektromotoren, insbesondere
Gleichstrommotoren, zur Durchführung des Verfahrens, mit
einem Rotorlagegeber, einer Zuordnungslogik und einer die
Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen
versorgenden Transistorenschaltung mit Transistoren, deren
Ansteuerungseingänge mit der Zuordnungslogik
gegebenenfalls über Pulsweitenmodulatoren verbunden sind,
und mit einer Vorrichtung zur Änderung des
Kommutierungspunktes der Ansteuerung der Transistoren.
Diese erfindungsgemäße Steuerschaltung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Änderung des
Kommutierungspunktes eine Kommutierungssteuerung ist, die
eine Rechenschaltung mit einem Eingang für einen
vorgegebenen Zeitbetrag und einen mit dem Rotorlagegeber
verbundenen Eingang sowie einen mit der Zuordnungslogik
verbundenen Ausgang aufweist. Der Rechner führt die nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzunehmende Subtraktion
aus.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des
Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung
dargestellt ist. Es zeigt
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild der Steuerschaltung
für einen bürstenlosen Gleichstrommotor,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Mikroprozessorsteuerung in
Fig. 1 bei einem herkömmlichen Verfahren ohne
Vorkommutierung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Mikroprozessorsteuerung in
Fig. 1 zur Vorkommutierung und
Fig. 4 die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien des
bürstenlosen Gleichstrommotors nach Fig. 1 mit und ohne
Vorkommutierung.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte bürstenlose
Gleichstrommotor 1 weist einen Rotor 2 auf, an dem ein
Rotorlagegeber 3, vorzugsweise ein dreiphasiger Polrad-
Rotorlagegeber angeordnet ist. Der Stator 4 des Motors 1
weist in seiner Wicklung 5 drei in Sternschaltung gelegte
Teilwicklungen 5 a, 5 b und 5 c auf.
Die Leistungselektronik der Steuerschaltung nach Fig. 1
weist eine Transistorenbrückenschaltung 6 auf, deren sechs
Transistoren 7 eine Vollbrückenschaltung bilden. In einer
herkömmlichen Gleichrichterbrückenschaltung 8 wird aus
einer Wechselstromquelle 9 ein Gleichstrom gewonnen, der
einer positiven Stromschiene 10 und einer negativen
Stromschiene 11 zugeführt wird, an denen die Transistoren
7 liegen. Durch eine Mikroprozessorsteuerung 12 werden die
Transistoren 7 so angesteuert, daß die Anschlußklemmen
Wicklung 5 wahlweise mit der positiven Schiene 10 bzw. der
negativen Schiene 11 in der Weise verbunden werden, daß
jeweils zwei der drei Teilwicklungen 5 a, 5 b und 5 c
bestromt sind und die dritte Teilwicklung weitgehend
stromfrei bleibt.
Fig. 2 zeigt eine Steuerschaltung der
Mikroprozessorsteuerung 12 ohne Vorkommutierung.
In einer Zuordnungslogik 13 wird aus den zugeführten drei
Signalen des Rotorlagegebers 3 ermittelt, welche beiden
Transistoren 7 jeweils anzusteuern sind. Außerdem wird der
Zuordnungslogik 13 über einen Eingang 14 noch ein
Steuersignal "sign(M)" zugeführt, das angibt, welches
Vorzeichen das Drehmoment haben soll. Dieses Signal wird
von einer Drehzahlregelung 15 geliefert. Mit diesem
Signal kann die Zuordnungslogik 13 zwischen zwei
verschiedenen Zuordnungen der Rotorlage zur
Transistorenansteuerung auswählen. Die daraus gebildeten
beiden Signale werden zwei Pulsweitenmodulatoren 16 und 17
zugeführt und dort jeweils mit einem von der
Drehzahlregelung 15 gelieferten Pulsweitensignal
verknüpft. Die beiden Pulsweitenmodulatoren 16 und 17
geben dann die gepulsten Ansteuersignale an die oberen
drei Transistoren 7 über einen oberen Ausgang 18 und an
die unteren drei Transistoren 7 über einen unteren Ausgang
19 ab.
Um zur Verbesserung der Motorcharakteristik und
insbesondere des Drehmomentenverlaufs eine
Vorkommutierung, d. h. eine Vorverlagerung des
Kommutierungspunktes für die drei Teilwicklungen 5 a, 5 b
und 5 c der Statorwicklung 5 des Motors 1 zu erreichen,
wird die beschriebene Mikroprozessorsteuerung 12 der
Schaltung nach Fig. 1 durch die Mikroprozessorsteuerung
12′ gemäß Fig. 3 ersetzt.
Das vom Rotorlagegeber 3 gelieferte dreiphasige Signal wird
sowohl der Zuordnungslogik 13′ als auch einer
Kommutierungssteuerung 20 zugeführt. Diese erhält von
einer übergeordneten Regeleinrichtung 21 als Wert für die
Vorkommutierung einen Zeitbetrag Tv vorgegeben, der
beispielsweise konstant sein kann. In der
Kommutierungssteuerung 20 wird der Zeitabstand Tk zwischen
den Wechseln der Rotorlageinformation gemessen. Von diesem
Zeitabstand Tk wird der vorgegebene Zeitbetrag Tv
abgezogen. Das Ergebnis dieser Subtraktion gibt die
Umschaltzeit Ts an, nach der die Transistoren 7
umgeschaltet werden.
Wird das Ergebnis dieser Subtraktion negativ, d. h. ist der
Zeitbetrag Tv für die Vorkommutierung größer als der
Zeitabstand Tk zwischen den Kommutierungen, so wird zu dem
Ergebnis der Subtraktion der Zeitabstand Tk addiert:
Ts = 2 Tk - Tv.
Wenn das Ergebnis immer noch negativ ist, wird der
Zeitabstand Tk ein weiteres Mal hinzuaddiert:
Ts = 3 Tk - Tv.
Abhängig davon, ob zur Berechnung von Ts der Zeitabstand
Tk einmal, zweimal oder dreimal verwendet wurde, wird der
Zuordnungslogik 13′ angegeben, welche Zuordnung der
Rotorlageinformation zum Ansteuersignal für die
Transistoren 7 verwendet werden soll. Dieses
Ansteuersignal wird jedoch noch nicht ausgegeben.
Gleichzeitig wird in einer Verzögerungseinrichtung 22 in
der Kommutierungssteuerung 20 eine Verzögerung gestartet,
die nach Ablauf der Zeit Ts der Zuordnungslogik 13′ ein
Triggersignal zu dem Zeitpunkt liefert, zu dem das neue
Ansteuersignal ausgegeben wird.
In den beiden Pulsweitenmodulatoren 16 und 17 erfolgt
sodann in gleicher Weise wie bei Fig. 2 beschrieben die
Verknüpfung der Signale mit den von der Drehzahlregelung
15 gelieferten Pulsweitensignalen, bevor die oberen bzw.
unteren Transistoren 7 angesteuert werden.
Abweichend hiervon kann der für die Vorkommutierung
vorgegebene Zeitbetrag Tv auch in Abhängigkeit von der
Drehzahl, dem geforderten Drehmoment bzw. dem
Drehmomentenverlauf vorgegeben werden. Wie im
Blockschaltbild nach Fig. 3 angedeutet, ist die
Regeleinrichtung 21 hierfür mit der Drehzahlregelung 15
verbunden und/oder wird von einer (nicht dargestellten)
Programmsteuerung nach der jeweils vorgegebenen Funktion
gesteuert.
In Fig. 4 ist das Drehmoment M über der Drehzahl n für den
Motor 1 aufgetragen. Die Kurve I stellt die Drehmoment-
Drehzahl-Kennlinie beim Betrieb ohne Vorkommutierung dar,
d. h. bei einem Steuerungsaufbau gemäß Fig. 2. Die Kurve II
stellt die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie bei optimaler
Wahl der Vorkommutierung durch eine Schaltung gemäß Fig. 3
dar. Man erkennt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
(Kennlinie II) bei niedrigen Drehzahlen der Drehmoment dem
Verlauf ohne Vorkommutierung entspricht. Bei höheren
Drehzahlen wird jedoch durch die Vorkommutierung eine mit
zunehmender Drehzahl zunehmende Drehmomenterhöhung
erzielt. Zugleich wird die erreichbare Höchstdrehzahl
wesentlich gesteigert.
Claims (10)
1. Verfahren zur Steuerung von bürstenlosen
Elektromotoren, insbesondere bürstenlosen
Gleichstrommotoren, bei dem von einem Rotorlagegeber
abgeleitete Ansteuersignale zur Ansteuerung von
elektronischen Schaltern, insbesondere Transistoren in
einer die Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen
versorgenden Brückenschaltung, insbesondere
Transistorbrückenschaltung dienen, wobei der
Kommutierungspunkt der Ansteuerung der elektrischen
Schalter, insbesondere Transistoren veränderbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungspunkt jeweils
um einen vorgegebenen Zeitbetrag (Tv) auf elektronische Weise vorverlegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zeitbetrag (Tv) der Vorkommutierung konstant ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zeitbetrag (Tv) der Vorkommutierung in Abhängigkeit
von der Drehzahl vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zeitbetrag (Tv) der
Vorkommutierung vom geforderten Drehmoment bzw.
Drehmomentenverlauf vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zeitabstand (Tk) zwischen den
Wechseln der vom Rotorlagegeber gelieferten
Rotorlageinformation gemessen wird und daß von diesem
Zeitabstand (Tk) der als Vorkommutierung vorgegebene
Zeitbetrag (Tv) subtrahiert und daraus die den
Kommutierungspunkt bestimmende Umschaltzeit (Ts) für die
elektronischen Schalter bzw. Transistoren ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
bei einem negativen Ergebnis der Subtraktion der
Zeitabstand (Tk) oder ein ganzzahliges Vielfaches davon
addiert wird, bis ein positives Ergebnis erhalten wird.
7. Steuerschaltung für bürstenlose Elektromotoren,
insbesondere Gleichstrommotoren zur Durchführung des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem
Rotorlagegeber, einer Zuordnungslogik und einer die
Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen
versorgenden Schaltung, insbesondere
Transistorbrückenschaltung mit elektrischen Schaltern,
insbesondere Transistoren, deren Ansteuerungseingänge mit
der Zuordnungslogik ggf. über Pulsweitenmodulatoren
verbunden sind, und mit einer Vorrichtung zur Änderung des
Kommutierungspunktes der Ansteuerung der Schalter bzw.
Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung
zur Änderung des Kommutierungspunktes eine
Kommutierungssteuerung (20) ist, die eine Rechenschaltung
mit einem Eingang für einen vorgegebenen Zeitbetrag (Tv)
und einen mit dem Rotorlagegeber (3) verbundenen Eingang
sowie einen mit der Zuordnungslogik (13′) verbundenen
Ausgang (20 a) aufweist.
8. Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Eingang für die vorgegebene
Zeitspanne (Tv) mit einer einen konstanten Wert liefernden
Einstellvorrichtung (21) verbunden ist.
9. Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Eingang für die vorgegebene
Zeitspanne (Tv) mit einer Regeleinrichtung (21) verbunden
ist, der eine variable Regelgröße (Drehzahl-Drehmoment)
eingebbar ist.
10. Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kommutierungssteuerung (20) einen
weiteren mit der Zuordnungslogik (13′) verbundenen Ausgang
(20 b) aufweist, der ein Triggersignal für die Ansteuerung
der Transistoren (7) liefert.
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