DE4190250C2 - Verfahren und Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors, bei dem die relative Position des Magnetrotors mittels einer in der Ankerwicklung induzierten Spannung erfaßt wird, und bei dem ein glatter Übergang von einem synchronen Betriebsmodus in einen Rotor­ positionserfassungsbetriebsmodus möglich ist.

Gewöhnlich benötigt ein bürstenloser Motor einen Detektor zum Erfassen der Position von Magnetpolen eines Rotors des Motors. Wenn jedoch z. B. der bürstenlose Motor in einem Kompressor für eine Klimaanlage verwendet wird, ist es nicht möglich, einen solchen Rotorpol­ positionsdetektor zu verwenden, da die Zuverlässigkeit des Detektors bei hohen Temperaturen und Drücken nicht sichergestellt werden kann. Dementsprechend wird bei solchen Anwendungen kein derartiger Positionsdetektor verwendet, sondern ein in der Ankerwicklung induziertes Spannungssignal erfaßt, um auf der Grundlage des erfaßten Spannungssignals ein Kommutierungssignal des Motors zu erzeugen.

Da das Spannungssignal in der Ankerwicklung nur in dem Fall erzeugt wird, wenn sich der Rotor dreht, kann keine Polpositionsinformation erhalten werden, wenn der Rotor stillsteht. In anderen Worten, das Spannungssignal ist nicht verfügbar, wenn der Motor seine Drehung beginnt. Dementsprechend wird beim Starten ein spe­ zielles Signal zugeführt, um zu bewirken, daß in der Anker­ wicklung unabhängig von der Polposition des Rotors ein ro­ tierendes magnetisches Feld erzeugt wird, um den Rotor zwangsweise zu drehen.

Danach beginnt der Rotor zu drehen, und es wird ein in der Ankerwicklung induziertes Spannungssignal erfaßt, wodurch es möglich wird, auf der Grundlage des erfaßten Spannungs­ signals ein Kommutierungssignal des Motors zu erzeugen. Somit wird der bürstenlose Motor derart betrieben, daß der Motor im synchronen Betriebsmodus in Betrieb genommen und danach in den Rotorpositionserfas­ sungsbetriebsmodus überführt wird. Die Einstellung einer dem Motor zugeführten Spannung erfolgt unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulation, bei dem eine Spannung gesteuert wird, indem ein Tastverhältnis eines Spannungssignalimpulses bei konstanter Spannung einer Gleichstromquelle gesteuert wird.

Es sind verschiedene Methoden vorgeschlagen worden für das Überwechseln zwischen dem synchronen Betriebsmodus und dem Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus.

Ein Verfahren der hier oben angegebenen Art ist bei­ spielsweise offenbart in IEEE Transact. on Ind. Appl. Vol. IA- 21, Nr. 4, Mai/Juni 1985, Seiten 595 bis 601. Bei dem in dieser Schrift angegebenen Verfahren wird ein bürstenloser Motor in einem Synchronbetriebsmodus mit Hilfe eines externen Kommutierungssignals gestartet. In diesem Betriebsmodus wird der Motor so lange beschleunigt, bis ein zur Rotorpositionserfassung ausreichendes Spannungssignal in den Ankerwicklungen des Motors erzeugt und eine genügend kleine Phasendifferenz zwischen dem induzierten Spannungssignal und dem zwangsweise angelegten Kommutierungssignal nachgewiesen wird. Danach wechselt der Betriebszustand des Motors in einen Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus über, in dem der Motor weiter beschleunigt wird.

Zur Durchführung dieses Verfahrens muß die Phasendifferenz zwischen dem Synchronsignal und dem in den Ankerwicklungen des bürstenlosen Motors induzierten Spannungssignal ermittelt werden, um ein störungsfreies Überwechseln vom synchronen Betriebsmodus zum Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus zu gewährleisten. Dazu ist eine geeignete Vorrichtung er­ forderlich, wodurch der Aufwand und die Kosten für eine zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignete Einrichtung erhöht werden.

Angesichts der vorstehend beschriebenen Nachteile im Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines einfachen Verfahrens zum Betreiben und insbesondere zum Starten eines bürstenlosen Motors, mit dem ein störungsfreier Übergang vom synchronen Betriebsmodus zum Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus möglich ist, sowie in der Schaffung einer zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeigneten Einrichtung.

Dazu wird entsprechend der vorliegenden Erfindung das Tastverhältnis der Pulsbreitenmodulation zum Überwechseln von einem synchronen Betriebsmodus zu einem Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus so eingestellt, daß die Drehzahl im Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus gleich oder kleiner als die Drehzahl im synchronen Betriebsmodus gemacht ist.

Weiter wird bei der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors geschaffen, enthaltend eine mit einem nicht geerdeten Neutralpunkt geschaltete dreiphasige Ankerwicklung und einen Magnetrotor, eine Gleich­ stromquelle, eine Schalteinrichtung aus einer Gruppe von Halbleiterschaltelementen zum Durchlassen/Unterbrechen eines Stroms zu der Ankerwicklung, eine Startbefehlseinrichtung, eine Synchronsignalerzeugungseinrichtung zum Ausgeben eines Synchronsignals entsprechend einem Befehl von der Startbefehlseinrichtung, eine Drehmagnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines synchronen rotierenden Magnetfeldes in der Ankerwicklung unter Verwendung eines von der Synchronsignalerzeugungseinrichtung ausgegebenen Signals, eine Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen der relativen Position der Ankerwicklung und des Magnetrotors entsprechend eines in der Ankerwicklung induzierten Spannungssignals, einer Überwechseleinrichtung zum Liefern eines Ausgangssignals der Drehmagnetfelderzeugungsein­ richtung und eines Ausgangssignals der Positionserfassungsein­ richtung in einer wahlweise überwechselnden Weise, eine Über­ wechselbefehlseinrichtung zum Ausgeben eines Überwechselbefehls an die Überwechseleinrichtung, eine Treibersignalerzeugungs­ einrichtung zum Erzeugen eines Treiberstroms der Schalteinrichtung unter Verwendung eines Ausgangssignals der Überwechseleinrichtung, eine Tastverhältnisbefehlseinrichtung und eine Pulsbreitenmodulationseinrichtung zum Verarbeiten eines Ausgangssignals der Treibersignalerzeugungseinrichtung im Sinne einer Pulsbreitenmodulation auf der Grundlage eines Befehls von der Tastverhältnisbefehlseinrichtung, wobei die Tastver­ hältnisbefehlseinrichtung nach Ausgabe des Ausgangssignals der Überwechseleinrichtung durch Änderung des Tastverhältnisses den bürstenlosen Motor derart betreibt, daß die Drehzahl im Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus gleich oder niedriger als die Drehzahl im synchronen Betriebsmodus ist.

Im Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus wird die Drehzahl durch die Charakteristik des Motors und die Bela­ stungsbedingung für ein gegebenes Tastverhältnis bestimmt. Bei der vorliegenden Erfindung werden mit der oben genannten Anordnung die Drehzahl und das Tastverhältnis im synchronen Betriebsmodus und das Tastverhältnis im Rotor­ positionserfassungsbetriebsmodus so eingestellt, daß eine Beziehung zwischen der Drehzahl im synchronen Betriebsmodus und der Drehzahl im Rotorpositionserfassungs­ betriebsmodus derart ist, daß die Drehzahl im Rotorpositions­ erfassungsbetriebsmodus gleich oder kleiner ist als die Drehzahl im synchronen Betriebsmodus. Dadurch ist ein glatter Übergang vom synchronen Betriebsmodus in den Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus möglich.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild mit Einzelheiten der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung,

Fig. 3 ein Diagramm mit Schwingungsformen jeweiliger Teile in dem in Fig. 2 dargestellten Schaltbild und

Fig. 4 ein Schwingungsformdiagramm, das eine Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Tastverhältnis im synchronen Betriebsmodus und im Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus in der in Fig. 1 dar­ gestellten Einrichtung zeigt.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine Gleichstromquelle, und Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Schalteinrichtung aus einer Gruppe von Halbleiter­ schaltelementen, die aus sechs Transistoren und sechs mit den Tran­ sistoren umgekehrt parallel geschalteten Dioden gebildet ist. Bezugszeichen 3 bezeichnet einen bürstenlosen Motor, der aus einer dreiphasig geschalteten Ankerwicklung 4 und einem Magnetrotor 5 gebildet ist. Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Positionserfassungseinrichtung, Bezugszeichen 7 eine Überwechseleinrichtung, Bezugszeichen 8 eine Treiber­ signalerzeugungseinrichtung, Bezugszeichen 9 eine Pulsbreiten­ modulationseinrichtung, Bezugszeichen 10 eine Synchron­ signalerzeugungseinrichtung, Bezugszeichen 11 eine Drehmagnetfelderzeugungseinrichtung, Bezugszeichen 12 eine Startbefehlseinrichtung, Bezugszeichen 13 eine Überwechsel­ befehlseinrichtung und Bezugszeichen 14 eine Tastverhältnis­ befehlseinrichtung.

Mit der obigen Anordnung wird nach dem Starten eine Ausgangsspannung der Drehmagnetfelderzeugungseinrichtung 11 an die Treibersignalerzeugungseinrichtung 8 über die Über­ wechseleinrichtung gesendet und ein Ausgangssignal der Treibersignalerzeugungseinrichtung 8 wird einer Pulsbreiten­ modulation unterzogen, die für einen synchronen Betriebsmodus eingerichtet ist, um die Transistoren in der Schalteinrichtung 2 zu treiben, wodurch der bürstenlose Motor 3 aktiviert wird. Wenn der bürstenlose Motor 3 zu drehen beginnt, wird die Position der Magnetpole des Magnetrotors 5 auf der Grundlage einer in der Ankerwicklung 4 induzierten Spannung von der Positionserfassungseinrichtung 6 erfaßt. Das Erfassungssignal wird über die Überwechseleinrichtung 7 an die Treibersignalerzeugungs­ einrichtung 8 gesendet und ein Ausgangssignal der Treibersignalerzeugungseinrichtung 6 wird einer Pulsbreiten­ modulation unterzogen, die für einen Rotorpositionserfassungs­ betriebsmodus eingerichtet ist, um die Transistoren in der Halbleiterschaltelementgruppe 2 zu treiben, wodurch der bürstenlose Motor 3 geregelt wird.

Fig. 2 zeigt genauer das Blockschaltbild von Fig. 1. In Fig. 2 sind die gleichen Komponenten wie die in Fig. 1 gezeigten oder die Komponenten mit den gleichen Funktionen wie die in Fig. 1 gezeigten mit den gleichen wie in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen versehen.

In Fig. 2 sind die Bezugszeichen 1 bis 5 die gleichen wie die in Fig. 1 verwendeten. Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Positionserfassungsschaltung, die aus drei Filtern 61 bis 63 und einem Vergleicherabschnitt 64 zusammengesetzt ist. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Überwechselschaltung, Bezugszeichen 8 eine Treibersignalerzeugungsschaltung, Be­ zugszeichen 9 eine Pulsbreitenmodulationsschaltung, Bezugs­ zeichen 10 eine Synchronsignalerzeugungsschaltung, Bezugs­ zeichen 11 eine Drehmagnetfelderzeugungsschaltung, Bezugs­ zeichen 13 eine Überwechselbefehlsschaltung und Bezugszeichen 15 einen Mikrocomputer, der der in Fig. 1 gezeigten Inbetriebnahmebefehlseinrichtung 12 und Tastverhältnis­ befehlseinrichtung entspricht. Der Mikrocomputer 15 gibt ein Startbefehlssignal 151 an die Synchronsignalerzeugungs­ schaltung 10 und ein Tastverhältnisbefehlssignal 153 an die Pulsbreitenmodulationsschaltung 9 ab.

Nun soll der Betrieb der Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors mit der obigen Anordnung beschrieben werden.

Zuerst gibt der Mikrocomputer 15 gleichzeitig ein Startbefehlssignal 151, ein Überwechselsignal 152 und ein Tastverhältnisbefehlssignal 153 aus. Beim Empfang eines Startbefehlssignals gibt die Synchronsignalerzeugungseinrichtung 10 ein Synchronsignal 100 aus, wie in Fig. 3 gezeigt. Auf der Grundlage des Synchronsignals 100 gibt die Drehmagnetfelderzeugungsschaltung 11 Signale 111 bis 113 aus, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Überwechsel­ schaltung 7 ist eine Schaltung zum Liefern von Ausgangssignalen der Positionserfassungsschaltung 6 und der Ausgangssignale der Drehmagnetfelderzeugungsschaltung 11 als Eingangssignale 87 bis 89 der Treibersignalerzeugungsschaltung 8 in einer wahlweise überwechselnden Art. Nach dem Starten wird die Überwechselschaltung 7 durch das Überwechselsignal 152 auf die Seite des Ausgangssignals der Drehmagnetfeld­ erzeugungseinrichtung 11 geschaltet. Die Ausgangssignale 111 bis 113 der Drehmagnetfelderzeugungseinrichtung 11 werden der Treibersignalerzeugungseinrichtung 8 zugeführt, die ihrerseits Ausgangssignale 81 bis 86 erzeugt, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Signale 81 bis 83 unter den Ausgangssignalen 81 bis 86 weden der Pulsbreitenmodulationsschaltung 9 ein­ gegeben und darin einer Pulsbreitenmodulation auf der Grundlage des für einen synchronen Betriebsmodus ein­ gerichteten Tastverhältnisbefehlssignals 153 unterzogen. Die pulsbreitenmodulierten Signale dienen als Treibersignale der Transistoren Q₁ bis Q₃ in der Halbleiterschaltelementgruppe 2. Andererseits dienen die Ausgangssignale 84 bis 86 der Treibersignalerzeugungsschaltung 8 als Treiber­ signale der Transistoren Q₄ bis Q₆ in der Halbleiterschalt­ elementgruppe 2, wie sie sind. Die sechs Transistoren in der Halbleiterschaltelementgruppe werden durch diese Treiber­ signale umgeschaltet. Als ein Ergebnis wird ein rotierendes Magnetfeld in der Ankerwicklung 4 erzeugt, so daß der Magnetrotor 5 rotiert, wodurch der bürstenlose Motor 3 gestartet wird.

Das Synchronsignal 100 und das für den synchronen Betriebsmodus eingerichtete Tastverhältnisbefehlssignal 153 werden gleichzeitig mit dem Anstieg des Start­ befehlssignals 151 ausgegeben und der bürstenlose Motor dreht.

Nach dem Starten gibt die Überwechselbefehlsschaltung 13 ein Überwechselsignal 152 aus, um die Überwechselschaltung 7 auf die Seite der Positionserfassungsschaltung 6 zu schalten. Dadurch werden die Eingangssignale 87 bis 89 der Treibersignalerzeugungseinrichtung 8 die Ausgangssignale 641 bis 643 der Positionserfassungsschaltung 6. Nachfolgend wird der bürstenlose Motor 3 durch in der Ankerwicklung 4 erzeugte induzierte Spannungssignale 41 bis 43 getrieben. Auch wird ein für einen Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus eingerichtetes Tastverhältnisbefehlssignal von dem Mikrocomputer 15 durch das Überwechselsignal 152 und gleichzeitig damit ausgegeben. Das Startbefehlssignal 151 wird auf das Abfallen des Überwechselsignals 152 folgend entfernt, wodurch eine Reihe von Startbetriebsprozeduren auf die Anfangsbedingung zurückgesetzt werden.

In der Reihe der obengenannten Operationen werden das Synchronsignal 100, das Tastverhältnisbefehlssignal 153 für den synchronen Betriebsmodus und das Tastver­ hältnisbefehlssignal 153 für den Rotorpositionserfassungs­ betriebsmodus so gesetzt, daß die Drehzahl nach dem Überwechseln von dem synchronen Betriebsmodus in den Rotorpositions­ erfassungsbetriebsmodus gleich oder niedriger als die Drehzahl im synchronen Betriebsmodus wird. Dies soll nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert werden. Im synchronen Betriebsmodus erfolgt das Starten mit einer Drehzahl r₀ und einem Tastverhältnis d₀. Diese Werte sind so eingestellt, daß sie Beschränkungen wie die Spezifikation und die Lastbedingung des Motors, einen zu­ lässigen Stromwert der Halbleiterschaltelementgruppe und so weiter berücksichtigen. In dem Rotorpositionserfassungsbe­ triebsmodus wird das Tastverhältnis auf d₁ eingestellt und die Drehzahl r₁ so eingestellt, daß sie r₁r₀ genügt. Mit dieser Prozedur wird ein glattes Überwechseln vom synchronen Betriebsmodus in den Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus realisiert. Beispielsweise, wenn das Tastverhältnis im Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus auf d₂ eingestellt ist, wird die Drehzahl r₂ höher als r₁. In diesem Falle findet nach dem Übergang in den Rotorpositions­ erfassungsbetriebsmodus eine plötzliche Beschleunigung statt. Daher kann ein glattes Überwechseln nicht erwartet werden.

Im Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus wird das Tastverhältnisbefehlssignal 153 vom Mikrocomputer 15 als Zuführungsspannungssteuerbefehl zur Geschwindigkeitsregelung des bürstenlosen Motors 3 ausgegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die Synchron­ signalerzeugungsschaltung 10, die Drehmagnetfelderzeugungs­ schaltung 11 und die Überwechselbefehlsschaltung 13 als un­ abhängige Schaltungen vorgesehen. Jedoch können ein Teil oder alle Funktionen dieser Schaltungen auch von dem Mikrocomputer 15 übernommen werden.

Bezugszeichenliste

  1 Gleichstromquelle
  2 Gruppe von Halbleiterschaltelementen
  3 Bürstenloser Motor
  4 Ankerwicklung
  5 Magnetrotor
  6 Positionserfassungseinrichtung
  7 Überwechseleinrichtung
  8 Treibersignalerzeugungseinrichtung
  9 Pulsbreitenmodulationseinrichtung
 10 Synchronsignalerzeugungseinrichtung
100 Synchronsignal
 11 Drehmagnetfelderzeugungseinrichtung
 12 Startbefehlseinrichtung
 13 Überwechselbefehlseinrichtung
 14 Tastverhältnisbefehlseinrichtung
 15 Mikrocomputer
151 Startbefehlssignal
152 Überwechselsignal
153 Tastverhältnisbefehlssignal

Claims (2)

1. Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Motors mit Pulsbreitenmodulation, bei dem ein in einer Ankerwicklung des einen Magnetrotor aufweisenden bürstenlosen Motors induziertes Spannungssignal zur Erfassung der Drehstellung der Rotorpole erfaßt und darauf ansprechend ein Kommutierungssignal des bürstenlosen Motors auf der Grundlage eines durch Umwandlung des Spannungssignals erhaltenen Signals erzeugt wird, wobei der Motor in einem synchronen Betriebsmodus gestartet wird, in dem der bürstenlose Motor durch ein externes zwangsweises Kommutierungssignal synchron betrieben wird, und danach der Betriebsmodus in einen Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus überwechselt, in dem der bürstenlose Motor durch Erzeugen eines Kommutierungssignals des bürstenlosen Motors auf der Grundlage des durch Umwandlung des Spannungssignals erhaltenen Signals berieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis der Pulsbreitenmodulation zum Überwechseln so eingestellt wird, daß die Drehzahl im Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus gleich oder kleiner als die Drehzahl im synchronen Betriebsmodus wird.

2. Einrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Motors mit einer mit einem nichtgeerdeten Neutralpunkt geschalteten dreiphasigen Ankerwicklung (4) und einem Magnetrotor (5), ent­ haltend eine Gleichstromquelle (1), eine Schalteinrichtung (2) aus einer Gruppe von Halbleiterschaltelementen zum Durchlassen/ Unterbrechen eines Stroms zu der Ankerwicklung (4), eine Startbefehlseinrichtung (12), eine Synchronsignalerzeugungs­ einrichtung (10) zum Ausgeben eines Synchronsignals entsprechend einem Befehl von der Startbefehlseinrichtung (12), eine Drehmagnetfelderzeugungseinrichtung (11) zum Er­ zeugen eines synchronen rotierenden Magnetfeldes in der Anker­ wicklung (4) unter Verwendung eines von der Synchronsignal­ erzeugungseinrichtung (10) ausgegebenen Signals, eine Positions­ erfassungseinrichtung (6) zum Erfassen der relativen Position der Ankerwicklung (4) und des Magnetrotors (5) entsprechend einem in der Ankerwicklung (4) induzierten Spannungssignal, eine Überwechseleinrichtung (7) zum Liefern eines Ausgangssignals der Drehmagnetfelderzeugungseinrichtung (11) und eines Ausgangssignals der Positionserfassungseinrichtung (6) in einer wahlweise überwechselnden Weise, eine Überwechselbefehlseinrichtung (13) zum Ausgeben eines Überwechselbefehls an die Überwechselrichtung (7), eine Treibersignalerzeugungseinrichtung (8) zum Erzeugen eines Treiberstroms der Schalteinrichtung unter Verwendung eines Ausgangssignals der Überwechseleinrichtung (7), eine Tastverhältnisbefehlseinrichtung (14) und eine Pulsbreiten­ modulationseinrichtung (9) zum Verarbeiten eines Ausgangssignals der Treibersignalerzeugungseinrichtung (8) im Sinne einer Pulsbreitenmodulation auf der Grundlage eines Befehls von der Tastverhältnisbefehlseinrichtung (14), wobei die Tastverhält­ nisbefehlseinrichtung (14) nach Ausgabe des Ausgangssignals der Überwechseleinrichtung (7) durch Änderung des Tastverhält­ nisses den bürstenlosen Motor derart betreibt, daß die Drehzahl im Rotorpositionserfassungsbetriebsmodus gleich oder niedriger als die Drehzahl im synchronisierten Betriebsmodus ist.