DE4404926A1

DE4404926A1 - Vehicle brushless DC motor drive with electronic speed control

Info

Publication number: DE4404926A1
Application number: DE4404926A
Authority: DE
Inventors: Johannes Doerndorfer; Berthold Jonientz; Erich R Mueller
Original assignee: FGW FAHRZEUGGETRIEBEWERK GLAUC
Current assignee: FGW FAHRZEUGGETRIEBEWERK GLAUC
Priority date: 1994-02-16
Filing date: 1994-02-16
Publication date: 1995-08-17

Abstract

The control unit (47) incorporates a tachometer (57) reacting to the output signals from Hall effect transducers (32,33) spaced 90 deg. apart in recesses in the stator poles for determn. of rotor position. The voltage and angle of the supply are adjusted (59,60) from memory (59a,60a) according to the rotational speed signal (f). A pulse generator (62) produces a signal whose amplitude and phase are variable w.r.t. the rotor position in dependence on the voltage and angle control signal.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein gleichstrombetriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Steuern eines gleichstrombetriebenen, elektronisch kommutierten Antriebs- Elektromotors, der einen mit Stromleitern versehenen Stator und einen mit Dauermagneten versehenen Läufer aufweist. Die vorlie gende Erfindung findet bevorzugt Anwendung auf Direktantriebe für Fahrzeuge, beispielsweise in der Form von Radnabenmotoren. Hierbei wird unter einem gleichstrombetriebenen Elektromotor ein mit Gleichstrom versorgter verstanden.The invention relates to an electric drive system for a DC powered vehicle according to the preamble of Claim 1 and a method for controlling a DC operated, electronically commutated drive Electric motor, the stator provided with current conductors and has a rotor provided with permanent magnets. The present The present invention is preferably applied to direct drives for vehicles, for example in the form of wheel hub motors. Here is a DC-powered electric motor understood with DC power.

Derartige elektrische Antriebssysteme sind hinlänglich bekannt, wobei üblicherweise ein mittels einer Wicklungsanordnung im Sta tor erzeugtes magnetisches Drehfeld den mit dem Permanentmagne ten versehenen Rotor oder Läufer synchron folgen läßt. Da derar tige Motoren in der Regel mit einer Gleichspannung - beispiels weise aus einer Batterie - betrieben werden, muß die elektroni sche Ansteuereinrichtung eine Kommutierung der Gleichspannung durchführen, wobei üblicherweise ein Rechtecksignal bzw. ein zwei- oder dreiphasiger Drehstrom erzeugt wird. Hierfür werden in der Ansteuereinrichtung modulierte Impulse erzeugt, mit denen dann geeignete Leistungsschaltelemente zum Beaufschlagen der Wicklungsanordnung angesteuert werden. Moderne Leistungsschalt elemente - beispielsweise MOS-Feldeffekttransistoren - ermög lichen dabei eine annähernd leistungslose und damit weitgehend verlustfreie Ansteuerung.Such electric drive systems are well known usually with a winding arrangement in the sta magnetic field generated with the permanent magnet can follow the provided rotor or rotor synchronously. Because derar motors usually with a DC voltage - for example to be operated from a battery, the electronics cal control device commutation of the DC voltage perform, usually a square wave or a two- or three-phase three-phase current is generated. For that be generates modulated pulses in the control device with which then suitable power switching elements for loading the Winding arrangement can be controlled. Modern power switching elements - such as MOS field effect transistors - made possible lichen an almost inefficient and therefore largely lossless control.

Eine derartige elektronische Ansteuerung für einen Drehstrom- Scheibenläufermotor mit Anwendung in einem elektrisch angetrie benen Fahrzeug ist in der DE 40 12 062 A1 beschrieben. Bei die sem Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erzeugt ein Wechselrichter aus der Batterie-gleichspannung einen Drehstrom, der direkt auf die Wicklungen des Motors ge führt wird. Der Wechselrichter ist als Pulsbreiten- bzw. Puls folgesteuerung ausgebildet, wobei die Frequenz der erzeugten Wechselspannung von dem Abstand der Pulse während einer Halb welle abhängt.Such an electronic control for a three-phase Disc motor with application in an electrically driven Benen vehicle is described in DE 40 12 062 A1. At the Sem prior art according to the preamble of the claim 1 generates an inverter from the DC battery voltage a three-phase current that ge directly on the windings of the motor leads. The inverter is as a pulse width or pulse sequence control trained, the frequency of the generated AC voltage from the distance of the pulses during a half wave depends.

Aus der DE-OS 25 27 744 ist ferner ein elektronisch kommutierter Motor mit bekannter Rechteckansteuerung (auch "bürstenloser Gleichstrommotor" genannt) bekannt, bei dem zur Verbesserung der Motorleistung ein Rotorpositions-Abtastsystem eingesetzt wird. Hierbei erfassen optische Sensoren die Position des Rotors und steuern den Kommutierungszeitpunkt. Der Erfinder schlägt vor, den Kommutierungszeitpunkt vorzuverlegen - d. h. die Kommutierung der Wicklung vorzuverschieben - so daß eine jeweilige Wicklung erregt wird, bevor der Rotor seine das maximale Drehmoment pro Stromeinheit erzeugende Position erreicht, um den Aufbau des Stromes in der erregten Wicklung zu unterstützen. Hierdurch sollten höhere Drehmomente, größere Wirkungsgrade und höhere Drehzahlen erreichbar sein.From DE-OS 25 27 744 is also an electronically commutated Motor with known rectangular control (also "brushless DC motor "called), in which to improve the Motor power a rotor position sensing system is used. Optical sensors detect the position of the rotor and control the time of commutation. The inventor suggests To advance the commutation time - d. H. commutation advance the winding - so that a respective winding is excited before the rotor reaches its maximum torque per Power unit generating position reached to build the To support current in the excited winding. Hereby should have higher torques, greater efficiencies and higher ones Speeds can be reached.

Die EP 0 052 343 offenbart einen bürstenlosen Elektromotor der beschriebenen Art - als Innenläufer ausgebildet -, bei dem als Sensoren zur Ermittlung der Läuferposition Hallgeneratoren eingesetzt werden, die im beschriebenen Ausführungsbeispiel ringförmig um den inneren Umfang des Stators verteilt in Schwitzen des Statorbleches sitzen und mit den Dauermagneten des Rotors zusammenwirken. EP 0 052 343 discloses a brushless electric motor described type - formed as an inner runner - in which as Sensors for determining the rotor position of Hall generators are used in the described embodiment distributed in a ring around the inner circumference of the stator Sweat the stator sheet and sit with the permanent magnets of the Rotor interact.

Schließlich beschreibt die EP 0 300 126 einen auf einer Radnabe vorgesehenen Elektro-Antriebsmotor für ein Fahrzeug, bei dem die relative Sensorposition verändert werden kann, so daß der Motor verschiedenen Antriebs- oder Generatorbedingungen angepaßt wer den kann. Ferner wird in diesem Dokument beschrieben, daß zur Beeinflussung von Geschwindigkeit, Leistung oder Frequenz des Antriebs die Leiterverschaltung am Stator von einer Reihenschal tung in eine Parallelschaltung oder umgekehrt geändert werden kann.Finally, EP 0 300 126 describes one on a wheel hub provided electric drive motor for a vehicle in which the relative sensor position can be changed so that the motor adapted to different drive or generator conditions that can. Furthermore, this document describes that for Influencing the speed, power or frequency of the Drive the conductor connection on the stator from a series scarf device can be changed to a parallel connection or vice versa can.

Allen diesen Ansteuerverfahren aus dem beschriebenen Stand der Technik ist aber gemeinsam, daß sie im Hinblick auf einen ruhi gen, gleichförmigen und induktionsarmen Betrieb - wie er mit ei nem reinen Synchronmotor zu erreichen wäre - nur höchst unvoll kommen arbeiten. Vielmehr führt die bei den beschriebenen bür stenlosen Gleichstrommotoren bekannte Rechteckansteuerung, die von den groben Positionsangaben durch nur einen oder zwei Senso ren ausgelöst wird, zu folgenden Nachteilen:All of these control methods from the described state of the However, technology has in common that with regard to a calm uniform, low-induction operation - as with an egg to achieve a pure synchronous motor - only extremely incomplete come work. Rather, the office leads to the described known rectangular motors, the from the rough position information by just one or two Senso The following disadvantages are triggered:

- The rectangular pulse causes a non-uniform torque, comparable to the way a stepper motor works, with right resulting jerky movement, strong vibrations and loud engine noise,
- And there are high induction voltages for which the lei Control electronics must be designed accordingly: a Oversizing is therefore necessary.

Eine reine Rechtecktaktung, wie sie durch die beschriebenen her kömmlichen Ansteuerungsarten realisiert wird, bedingt zudem häu fig, daß lediglich Permanentmagneten aus Ferrit einsetzbar sind, da sonst insbesondere bei höheren Frequenzen die Verluste durch Induktion stark ansteigen und eine Überdimensionierung der Schaltelektronik notwendig machen würden. Ferritmagnete bedingen allerdings durch ihre geringere magnetische Flußdichte einen schlechteren Wirkungsgrad als beispielsweise Permanentmagneten aus Seltene Erden-Material. A pure square clock, as described by the forth conventional types of control is also often required fig that only permanent magnets made of ferrite can be used, otherwise the losses are caused especially at higher frequencies Induction rise sharply and oversizing the Would make switching electronics necessary. Condition ferrite magnets however, due to their lower magnetic flux density poorer efficiency than, for example, permanent magnets made of rare earth material.

Ferner besteht, wie beispielsweise aus der Theorie des Synchron motors bekannt, ein Versatzwinkel zwischen dem Läufer und dem Drehfeld des Stators bei Belastung des Motors. Wie bereits in der DE-OS 25 27 744 beschrieben, kann daher eine voreilende An steuerung, wie sie durch versetzte bzw. verstellbare Sensoren realisiert wird, den Wirkungsgrad des Motors verbessern (während eine nacheilende Ansteuerung im Fall des Synchronmotors im Gene ratorbetrieb notwendig wäre). Allerdings ist der Versatzwinkel belastungs- und drehzahlabhängig, so daß ein gleichmäßiger Be trieb im jeweils optimalen Wirkungsgrad über einen weiten Dreh zahlbereich der Maschine mit der beschriebenen Technik nicht möglich ist. Vielmehr gestatten die bekannten Vorrichtungen le diglich das starre Einstellen eines an eine vorgegebene Drehzahl angepaßten Versatzwinkels.It also consists, for example, of the theory of synchronism motors known, an offset angle between the rotor and the Rotating field of the stator when the motor is loaded. As already in DE-OS 25 27 744 described, can therefore be a leading control, such as by offset or adjustable sensors is realized, improve the efficiency of the engine (while a lagging control in the case of the synchronous motor in the gene operation would be necessary). However, the offset angle is load and speed dependent, so that a uniform loading drove in the optimum efficiency over a wide rotation number range of the machine with the technology described is possible. Rather, the known devices le diglich the rigid setting of a given speed adjusted offset angle.

Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen getakteten Gleichstrom motoren weisen herkömmliche Synchronmotoren für den Betrieb in Elektrofahrzeugen eine Reihe von Vorteilen auf, wieIn contrast to the clocked direct current described so far motors have conventional synchronous motors for operation in Electric vehicles have a number of advantages such as

- high efficiency,
- homogeneous torque / speed behavior over wide load and Speed ranges,
- maximum torque at standstill,
- good controllability and
- good generator characteristics (with regard to energy recovery).

Allerdings benötigen solche Synchronmotoren leistungsstarke Um richter, die über Einrichtungen zur genauen Winkelmessung (z. B. Inkrementzähler) verfügen, um die Position zwischen Stator und Rotor exakt messen und regeln zu können. Ferner verfügen derar tige Umrichter über aufwendige Strommeßeinrichtungen an den Pha senausgängen zum Ausführen einer Stromregelung der jeweils ange triebenen Maschine. Ein typisches Einsatzgebiet dieser Technik liegt im Bereich der Werkzeugmaschinen.However, such synchronous motors require powerful Um judges who have facilities for precise angle measurement (e.g. Increment counter) to determine the position between the stator and Being able to measure and regulate the rotor precisely. Furthermore, derar term inverters via complex current measuring devices to the Pha sensor outputs to carry out a current control of the respective driven machine. A typical area of application for this technology lies in the field of machine tools.

Für den Einsatz in batteriegetriebenen Fahrzeugen hingegen sind Synchronmotoren mit solchen leistungsfähigen Umrichtern zu auf wendig und durch ihren komplizierten Aufbau allein schon wegen der aufwendigen Sensorik auch zu anfällig gegen Umwelteinflüsse (Feuchtigkeit, Schmutz) und Störungen. However, for use in battery-powered vehicles Synchronous motors with such powerful converters agile and due to its complicated structure, if only because of the complex sensor technology is also too susceptible to environmental influences (Moisture, dirt) and faults.

Eine weitere theoretische Möglichkeit läge im Einsatz eines Asynchronmotors bei Elektrofahrzeugen. Hier besteht aber der Nachteil, daß zwar hohe Drehzahlen erreichbar sind, die maxima len Drehmomente aber beschränkt sind, so daß in der Regel ein Getriebe notwendig sein wird. Ferner wirkt sich nachteilig aus, daß durch den notwendigen (und üblicherweise schweren) Rück schlußring für den Rotor ein Asynchronmotor sich nicht für den Gebrauch als Radnabenmotor eignet.Another theoretical possibility would be to use a Asynchronous motor in electric vehicles. But here is the Disadvantage that high speeds can be reached, the maxima len torques are limited, so that usually a Gearbox will be necessary. It also has a disadvantage that through the necessary (and usually heavy) return closing ring for the rotor an asynchronous motor not for the Suitable as a wheel hub motor.

Die Anforderungen an einen Antrieb für ein Elektrofahrzeug sind zusammengefaßt wie folgt:The requirements for a drive for an electric vehicle are summarized as follows:

- high efficiency for energy saving and for large Ranges,
- Great frequency dynamics, so that both without a manual transmission high torque when starting as well as high speed is feasible for high top speeds, and
- adjustable torque (current control) for acceleration.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein im Hinblick auf die spe zifischen Erfordernisse von Elektrofahrzeugen verbessertes elek trisches Antriebssystem für ein gleichstrombetriebenes Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das ei nerseits erhöhten Wirkungsgrad und verbesserte Regelbarkeit er möglicht, andererseits aber kostengünstig herstellbar und all tagstauglich ist. Ferner ist ein entsprechendes Steuerverfahren für einen gleichstrombetriebenen Antriebs-Elektromotor zu schaf fen.The object of the invention is therefore, with regard to the spe specific requirements of electric vehicles improved elec drive system for a DC-powered vehicle to create according to the preamble of claim 1, the egg on the other hand he increased efficiency and controllability possible, but on the other hand inexpensive to manufacture and all is suitable for daily use. There is also a corresponding tax procedure for a DC-powered electric drive motor fen.

Die Aufgabe wird durch das Antriebssystem für ein gleichstrombe triebenes Fahrzeug nach dem Patentanspruch 1 sowie das Verfahren nach dem Patentanspruch 16 gelöst. The task is carried out by the drive system for a direct current powered vehicle according to claim 1 and the method solved according to claim 16.

Vorteilhaft weist dabei der Antriebs-Elektromotor den mechani schen Aufbau eines üblichen getakteten Gleichstrommotors mit einfacher Sensoranordnung auf, gleichzeitig kann aber durch die ständig erfolgende Drehzahlmessung (Frequenzmessung) und die in Abhängigkeit von dem Frequenzwert erfolgende Bestimmung von Spannung und Versatzwinkel der Motor stets in einem Arbeitspunkt mit optimalem Wirkungsgrad gehalten werden. Eine komplizierte mechanische und/oder elektronische Regelung, beispielsweise durch Verstellen der relativen Sensorposition, ist dafür aber nicht notwendig.The drive electric motor advantageously has the mechani structure of a conventional clocked DC motor with simple sensor arrangement, but at the same time through the constant speed measurement (frequency measurement) and the in Depending on the frequency value determination of The voltage and offset angle of the motor are always at one working point are kept with optimal efficiency. A complicated one mechanical and / or electronic control, for example by adjusting the relative sensor position, but is for it unnecessary.

Bevorzugt erfolgt die Erzeugung des Spannungs- und Winkelsteuer signals auf der Basis von vorbestimmten Werten, die vorab ermit telt und in Tabellenform in der Speichereinrichtung abgelegt wurden. Auf diese Tabellen wird während der Erzeugung des Span nungs- und Winkelsteuersignals zugegriffen, wobei jeder mögli chen Drehzahl ein in Bezug auf den Motorwirkungsgrad optimierter Spannungs- und Winkelsteuerwert zugeordnet wird. Die Signalerzeu gung auf der Basis vorbestimmter Werte erlaubt dabei eine einfa che Berücksichtigung komplexer, beispielsweise nichtlinearer, Zusammenhänge zwischen Drehzahl und optimaler Spannung bzw. Win kel.The voltage and angle control are preferably generated signals based on predetermined values determined in advance telt and stored in table form in the storage device were. These tables are used during the production of the chip voltage and angle control signal accessed, each possible speed optimized with respect to engine efficiency Voltage and angle control value is assigned. The signal generators tion on the basis of predetermined values allows a simple che taking complex, e.g. non-linear, Relationships between speed and optimal voltage or win kel.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Impulssignal für die Stromleiter ein Mehrphasen-Wechselsignal, das aus pulsbreitenmodulierten Einzelimpulsen zusammengesetzt ist, und dessen Hüllkurve dem Spannungsverlauf angenähert ist, der von dem jeweils angesteuerten Antriebs-Elektromotor im Generatorbetrieb erzeugt wird. Diese Hüllkurvencharakteristik wurde ebenfalls vorab ermittelt und numerisch gespeichert, wobei dann bei der jeweiligen Impulserzeugung der Impuls gemäß der gespeicherten Hüllkurvencharakteristik geformt wird. Hierdurch ist eine der jeweiligen Motorcharakteristik optimal angepaßte Spannungskurve mit wenig Aufwand erzeugbar, so daß die bei Ansteuerung durch einen reinen Rechteckimpuls entstehenden Probleme weitgehend vermieden werden können. According to a further feature of the invention, the pulse signal for the current conductors a multi-phase alternating signal that comes from pulse width modulated individual pulses is composed, and the envelope of which approximates the voltage curve that of the driven electric motor in each case Generator operation is generated. This envelope curve characteristic was also determined in advance and stored numerically, whereby then the pulse according to the respective pulse generation stored envelope characteristic is formed. Hereby is one that is optimally adapted to the respective engine characteristics Voltage curve can be generated with little effort, so that the Triggered by a pure rectangular pulse Problems can be largely avoided.

Bevorzugt ist ferner eine Erfassungseinrichtung vorgesehen, mit der Beschleunigungs- bzw. Bremssignale beispielsweise einer Be dienperson erfaßt werden können. Diese Signale beeinflussen di rekt die Erzeugung des Spannungs- und Winkelsteuersignals, so daß beispielsweise bei vorgesehener Beschleunigung der vorbestimmte Wert für das Spannungssteuersignal um einen der Be schleunigung entsprechenden Wert erhöht wird. Auf diese Weise werden Betriebssignale des Bedieners in das elektrische An triebssystem einbezogen.A detection device is also preferably provided, with the acceleration or braking signals, for example of a load the person can be recorded. These signals influence di right the generation of the voltage and angle control signal, so that, for example, with the intended acceleration of the predetermined value for the voltage control signal around one of the loading acceleration corresponding value is increased. In this way operating signals of the operator in the electrical on drive system included.

Als günstig hat sich ferner eine Korrektur des Spannungspegels des Spannungs- und Winkelsteuersignals in Abhängigkeit von einer aktuellen Klemmenspannung der Spannungsquelle erwiesen. Hierdurch wird sichergestellt, daß in den Stromleitern ein dem augenblicklichen Betriebszustand entsprechender Strom fließt, der unabhängig von der Klemmenspannung ist. Damit kann (unter Kenntnis der jeweiligen Motoreigenschaften) eine Stromsteuerung realisiert werden, ohne daß eine Messung des tatsächlich in den Stromleitern fließenden Stroms notwendig ist.A correction of the voltage level has also proven to be advantageous of the voltage and angle control signal depending on one current terminal voltage of the voltage source proved. This ensures that a in the conductors current current corresponding current state flows, which is independent of the terminal voltage. With this (under Knowledge of the respective motor properties) a current control can be realized without a measurement of the actually in the Conductors of flowing electricity is necessary.

Bevorzugt wird der Antriebs-Elektromotor als Radnabenmotor aus gebildet, um die durch ein Getriebe bewirkten Verluste und Ge räusche zu vermeiden.The drive electric motor is preferably designed as a wheel hub motor formed to the losses and Ge caused by a gear to avoid noise.

Das Verfahren zum Steuern eines gleichstrombetriebenen, elektro nisch kommutierten Antriebs-Elektromotos ermöglicht, daß der Mo tor über einen weiten Drehzahlbereich stets in einem der jewei ligen Drehzahl optimal angepaßten Betriebspunkt gehalten wird, wobei der Betriebspunkt durch den Spannungs- und den Versatzwin kel-Vorgabewert definiert wird. Da die Erzeugung der Vorgabe werte auf der Basis von vorbestimmten gespeicherten Werten er folgt, kann durch die vorbestimmten gespeicherten Werte selbst ein komplexer, nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Eingangs größe Drehzahl und den Ausgangsgrößen Spannung und Versatzwinkel nachgebildet werden.The method of controlling a DC powered, electro niche commutated drive electric motor allows the Mo gate over a wide speed range always in one of the two operating speed optimally adjusted operating point is maintained, the operating point being determined by the voltage and the offset win kel default value is defined. Because the generation of the default score based on predetermined stored values can follow through the predetermined stored values themselves a complex, non-linear relationship between the input Large speed and the output variables voltage and offset angle be replicated.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:Further advantages, features and details of the invention result from the following description of a Embodiment and with reference to the drawing; this shows in:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen als Radnabenmotor ausgebildeten Antriebs-Elektromotor; Fig. 1 shows a cross section through a constructed as a wheel motor drive electric motor;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des elektrischen Antriebssystems gemäß der Ausführungsform; Fig. 2 is a block diagram of the electric drive system according to the embodiment;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Ansteuerungslogik gemäß der Ausführungsform; Fig. 3 is a block diagram of the control logic according to the embodiment;

Fig. 4 ein Signalpulsdiagramm der Sensor-Ausgangssignale und der Ansteuerungsimpulse für beide Betriebszustände des Antriebssystems gemäß der Ausführungsform; Fig. 4 is a signal waveform diagram of the sensor output signals and the drive pulses for the two operating states of the drive system according to the embodiment;

Fig. 5 eine Diagrammdarstellung der Spannungs-Vorgabewerte in Abhängigkeit von der Drehzahl; Figure 5 is a diagrammatic representation of the voltage set values in dependence on the speed.

Fig. 6 eine Diagrammdarstellung der Versatzwinkel-Vorgabewerte in Anhängigkeit von der Drehzahl; Fig. 6 is a diagrammatic illustration of the offset angle-set values in dependence on the rotational speed;

Fig. 7 eine Diagrammdarstellung der Hüllkurve des Impulssi gnals für die Stromleiter; Fig. 7 is a diagrammatic representation of the envelope of the Impulssi gnals for the current conductors;

Fig. 8 ein Flußdiagramm mit Verfahrensschritten zum Steuern eines Antriebs-Elektromotors. Fig. 8 is a flowchart with process steps for controlling a driving electric motor.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines als Radnabenmotor ausge bildeten Antriebs-Elektromotors M gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. An einem Außenläufer (Rotor) 10 ist eine Felge 12 durch eine Schraubverbindung 14 befestigt. Der Rotor 10 ist über Lager 16 auf dem Ansatz einer Radachse 18 drehbar gelagert. Der Rotor 10 weist an seinem äußeren Umfang einen ringförmigen Arbeitsmagnetträger 20 auf, an dem eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung mit abwechselnder Polarität angeordneten Arbeitsmagneten (Permanentmagneten) 22 - aus Neodym oder einem anderen Seltene-Erden-Material - befestigt ist. Fig. 1 shows a sectional view of a drive electric motor M formed as a wheel hub motor according to an embodiment of the invention. A rim 12 is fastened to an external rotor (rotor) 10 by a screw connection 14 . The rotor 10 is rotatably mounted on bearings 16 on the approach of a wheel axle 18 . The rotor 10 has on its outer circumference an annular working magnet carrier 20 , to which a plurality of working magnets (permanent magnets) 22 arranged in the circumferential direction with alternating polarity - made of neodymium or another rare earth material - are fastened.

Den Polflächen der Arbeitsmagnete 22 liegen, durch einen Luft spalt 24 getrennt, aus Statorblechen gebildete Pole 26 eines Stators 28 gegenüber, die eine Wicklungsanordnung 32 bzw. 33 tragen. Der Stator 28 ist in üblicher Weise drehfest auf der Ra dachse 18 befestigt.The pole faces of the working magnets 22 , separated by an air gap 24 , are poles 26 of a stator 28 formed from stator laminations, which bear a winding arrangement 32 or 33 . The stator 28 is fixed in a conventional manner on the Ra badger 18 .

Am Stator 28 sind zwei als Hallgeneratoren ausgebildete, die Rotorposition abtastende Sensoren 34, 35 vorgesehen, von denen in Fig. 1 nur der erste Sensor 34 gezeigt ist. Die Sensoren 34, 35 sind - voneinander in Umfangsrichtung um 90° versetzt - in Ausnehmungen in den Polen 26 aufgenommen, so daß sich die Hallgeneratoren im Wirkbereich des Magnetfeldes der Permanentmagneten 22 befinden.Provided on the stator 28 are two sensors 34 , 35 designed as Hall generators and sensing the rotor position, of which only the first sensor 34 is shown in FIG. 1. The sensors 34 , 35 are offset from one another in the circumferential direction by 90 ° in recesses in the poles 26 , so that the Hall generators are located in the effective range of the magnetic field of the permanent magnets 22 .

Zusätzlich ist ein ringförmiger Innenbereich des Rotors 10 als Bremsfläche 36 einer Trommelbremse ausgebildet, gegen die Brems backen 38 bei Betätigung der Bremse wirken.In addition, an annular inner region of the rotor 10 is formed as a braking surface 36 of a drum brake, against which brake shoes 38 act when the brake is actuated.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild des elektrischen Antriebssystems ge mäß der Ausführungsform, wobei ein Zweiphasensystem gezeigt ist. Am Antriebs-Elektromotor M sind schematisch die Wicklungsanord nungen 32 und 33 mit den zugehörigen Klemmenpaaren 32′, 32′′ bzw. 33′, 33′′ gezeigt. Die Anschlüsse der Wicklungsanordnungen sind mit einer Leistungsschalteinheit 40 verbunden, die vier Paare von jeweils bezüglich des Kanals in Reihe geschalteten Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren (MOS-FET) 42 aufweist. Je des der Paare der MOS-FETs 42 ist parallel zueinander mit den Klemmen der als Gleichspannungs-Versorgungsquelle des Antriebs systems dienenden Batterie 44 verbunden. Mit dem Verbindungskno ten 46 zwischen den zwei MOS-FETs 42 jedes Paares von MOS-FETs 42 ist jeweils einer der Klemmenanschlüsse 32′, 32′′, 33′, 33′, der Wicklungsanordnungen 32, 33 verbunden. Die Gates der insgesamt acht MOS-FETs 42 werden mit Steuersignalen S1 bis S8 beaufschlagt, die von einer Ansteuerungseinheit 47 erzeugt und über einen Treiber 48 gepuffert bzw. verstärkt werden. Fig. 2 shows a circuit diagram of the electric drive system ge according to the embodiment, wherein a two-phase system is shown. On the drive electric motor M are the Wicklungsanord openings 32 and 33 with the associated pairs of terminals 32 ', 32 ''and 33 ', 33 '' shown. The connections of the winding arrangements are connected to a power switching unit 40 , which has four pairs of power MOS field-effect transistors (MOS-FET) 42 connected in series with respect to the channel. Each of the pairs of MOS-FETs 42 is connected in parallel to one another with the terminals of the battery 44 serving as a DC voltage source for the drive system. With the connecting node 46 between the two MOS-FETs 42 of each pair of MOS-FETs 42 , one of the terminal connections 32 ', 32 '', 33 ', 33 ', of the winding arrangements 32 , 33 is connected. The gates of a total of eight MOS-FETs 42 are acted upon by control signals S1 to S8, which are generated by a control unit 47 and buffered or amplified by a driver 48 .

Wie aus der Verschaltung der MOS-FET-Paare für jede Wicklungs einheit deutlich wird, liegen je nach Phasenlage der Ansteuerung zueinander komplementäre (gegenphasige) Signale S1, /S2 bzw. /S1, S2 am ersten MOS-FET-Paar für den Anschluß 32′ an, zueinan der komplementäre Signale /S3, S4 bzw. S3, /S4 liegen am zweiten MOS-FET-Paar für den Anschluß 32′′ an, usw. ("/" beschreibt ein invertiertes Signal). Auf diese Weise ist für jede Wicklungsein heit durch entsprechende Ansteuerung der MOS-FETs 42 eine Polaritätsumkehrung der über die MOS-FETs 42 angelegten Batteriespannung möglich.As can be seen from the interconnection of the MOS-FET pairs for each winding unit, depending on the phase position of the control, complementary (out-of-phase) signals S1, / S2 or / S1, S2 are located on the first MOS-FET pair for connection 32 'On, zueinan the complementary signals / S3, S4 or S3, / S4 are on the second pair of MOS-FETs for the connection 32 '', etc. ("/" describes an inverted signal). In this way, a reversal of polarity of the battery voltage applied via the MOS-FETs 42 is possible for each winding unit by correspondingly controlling the MOS-FETs 42 .

Außerdem führen vom Antriebs-Elektromotors M Signalleitungen 34′, 35′ der Sensoren 32 bzw. 33 zur Ansteuerungseinheit 47, und ein (nur schematisch gezeigter) Temperatursensor 50 im Antriebs- Elektromotor M ist über eine Signalleitung 50′ mit der Ansteuerungseinheit 47 verbunden.In addition, lead from the drive electric motor M signal lines 34 ', 35 ' of the sensors 32 and 33 to the control unit 47 , and a (only schematically shown) temperature sensor 50 in the drive electric motor M is connected via a signal line 50 'to the control unit 47 .

Durch eine Bedienperson betätigbare Steuerelemente 52 und 53 für "Gas" (Beschleunigung) bzw. Bremse, ausgebildet als regelbare Widerstände, sind ebenfalls mit der Ansteuerungseinheit 47 ver bunden. Schließlich erfaßt die Ansteuerungseinheit direkt die Klemmenspannung der Batterie 44.Control elements 52 and 53, which can be actuated by an operator, for "gas" (acceleration) or brake, designed as adjustable resistors, are also connected to the control unit 47 . Finally, the control unit directly detects the terminal voltage of the battery 44 .

Mit der Ansteuerungseinheit 47 verbunden ist schließlich eine Anzeigeeinheit 56 (Display), die nach Maßgabe von durch die An steuerungseinheit 47 ermittelten Werten aktuelle Betriebsparame ter des Antriebssystems auf geeignete Weise anzeigt.Finally, connected to the control unit 47 is a display unit 56 (display) which, in accordance with values determined by the control unit 47, displays current operating parameters of the drive system in a suitable manner.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild mit den wesentlichen Komponen ten der Ansteuerungseinheit 47 aus Fig. 2. Eine Frequenzmeßein heit 57 empfängt das Ausgangssignal der Sensoren 34, 35 und gibt ein der Motordrehzahl entsprechendes Frequenzsignal f aus, wobei das Frequenzsignal f durch Ermittlung des zeitlichen Abstands zweier aufeinanderfolgender Sensorsignale der Sensoren 34 und 35 bestimmt wird. Eine Vergleichslogik 58 ist mit der Frequenzmeß einheit 57 sowie den Sensoren 34, 35 verbunden und empfängt zu sätzlich ein Signal der Beschleunigungs-/Bremssteuerelemente 52 und 53. 47 Fig. 3 is a block diagram showing the essential Components th of the driving unit of FIG. 2. A Frequenzmeßein standardized 57 receives the output signal of the sensors 34, 35 and outputs a corresponding one of the engine revolution frequency signal f, the frequency signal f by determining the time interval two successive sensor signals from sensors 34 and 35 is determined. A comparison logic 58 is connected to the frequency measuring unit 57 and the sensors 34 , 35 and additionally receives a signal from the acceleration / braking control elements 52 and 53 .

Eine Spannungsvorgabeeinheit 59 ist mit der Frequenzmeßeinheit 57 und der Vergleichslogik 58 verbunden. Zusätzlich ist die Spannungsvorgabeeinheit 59 mit den Steuerelementen 52 und 53 für Beschleunigung bzw. Abbremsen sowie mit einer ersten Speichereinheit 59a verbunden.A voltage specification unit 59 is connected to the frequency measurement unit 57 and the comparison logic 58 . In addition, the voltage specification unit 59 is connected to the control elements 52 and 53 for acceleration or deceleration and to a first storage unit 59 a.

Entsprechend ist eine Versatzwinkelvorgabeeinheit 60 mit der Frequenzmeßeinheit 57 und der Vergleichslogik 58 verbunden, zusätzlich mit den Steuerelementen 52 und 53. Für die Versatzwinkelvorgabeeinheit 60 ist eine zweite Speichereinheit 60a vorgesehen.Correspondingly, an offset angle specification unit 60 is connected to the frequency measurement unit 57 and the comparison logic 58 , in addition to the control elements 52 and 53 . For the offset angle setting unit 60, a second memory unit 60 a is provided.

Die Spannungsvorgabeeinheit 59 ist mit einer Spannungs-Korrek tureinheit 61 verbunden, die wiederum mit den Polen der Batterie 44 verbunden ist.The voltage setting unit 59 is connected to a voltage correction unit 61 , which in turn is connected to the poles of the battery 44 .

Eine Hüllkurven-Erzeugungseinheit 62 ist mit der Spannungs-Kor rektureinheit 61, der Versatzwinkel-Vorgabeeinheit 60 und der Vergleichslogik 58 verbunden. Zusätzlich ist für die Hüllkurven- Erzeugungseinheit 62 eine dritte Speichereinheit 62a vorgesehen.An envelope generation unit 62 is connected to the voltage correction unit 61 , the offset angle specification unit 60 and the comparison logic 58 . In addition, a third storage unit 62 is a provided for the envelope generating unit 62nd

Die Hüllkurven-Erzeugungseinheit 64 erzeugt die in Fig. 2 gezeigten Steuersignale S1 bis S8 für die Treiber 48 bzw. die Leistungsschalteinheit 42.The envelope generation unit 64 generates the control signals S1 to S8 shown in FIG. 2 for the drivers 48 and the power switching unit 42 .

Weitere in der Ansteuerungseinheit 47 enthaltene Komponenten, beispielsweise eine Steuereinheit für die Anzeigeeinheit 56 oder Schaltungen zur Batterieüberwachung sind im Blockschaltbild der Fig. 3 nicht gezeigt.Further components contained in the control unit 47 , for example a control unit for the display unit 56 or circuits for battery monitoring, are not shown in the block diagram in FIG. 3.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3, das Signal-Pulsdiagramm gemäß Fig. 4 und die Schaubilder gemäß Fig. 5 bis 7 wird nach folgend die Funktionsweise des Antriebssystems im Betrieb erläu tert. With reference to FIGS. 1 to 3, the signal pulse diagram according to FIG. 4 and the diagrams according to FIGS. 5 to 7, the operation of the drive system in operation is explained below.

Der Betrieb der beschriebenen Ausführungsform umfaßt zwei ver schiedene Betriebsarten, die in Abhängigkeit von der Drehzahl (Frequenz) gesteuert werden: Wie in dem Betriebs-Signaldiagramm gemäß Fig. 4 gezeigt, das Signalverläufe entlang des Umfangswin kels des Motors M im Betrieb zeigt, ist eine rechteckförmige An steuerung der Wicklungsanordnungen 32, 33 möglich (mittlere zwei Signalverläufe "Ansteuerung I"), und es ist eine Ansteuerung mit trapezförmigem Steuersignal möglich (untere zwei Signalverläufe "Ansteuerung II"). Bei der rechteckförmigen Ansteuerung (Ansteuerung I) folgt das rechteckige Phasensignal für die Wick lungseinheit 32 und 33 jeweils dem Ausgangssignal des Sensors 34 bzw. 35, während bei der Ansteuerung II ein Trapezsignal erzeugt wird. Es wird darauf verwiesen, daß allerdings die mit dem Sen sorsignal weitgehend phasengleiche Ansteuerung der Rechtecksi gnale und der Trapezsignale nur für das Anfahren des Motors bzw. für sehr geringe Drehzahlen gilt. Bei höheren Drehzahlen bildet sich ein Versatzwinkel aus, auf den an späterer Stelle noch im Detail eingegangen wird.The operation of the described embodiment comprises two different operating modes which are controlled as a function of the speed (frequency): As shown in the operating signal diagram according to FIG. 4, which shows waveforms along the circumferential angle of the motor M during operation, one is Rectangular control of the winding arrangements 32 , 33 possible (middle two signal curves "control I"), and control with a trapezoidal control signal is possible (lower two signal curves "control II"). In the rectangular control (control I), the rectangular phase signal for the winding unit 32 and 33 follows the output signal of the sensors 34 and 35 , respectively, while a trapezoidal signal is generated in the control II. It is pointed out that, however, the largely in-phase control of the rectangle signals and the trapezoidal signals with the sensor signal only applies to starting the engine or to very low speeds. At higher speeds, an offset angle is formed, which will be discussed in more detail later.

Der Motor M läuft unter Beaufschlagung mit Rechtecksignalen gemäß Ansteuerung I an, bezüglich der Phase dem Signal der Positionssensoren folgend. Dabei wird die Spannungshöhe über eine Pulsweitenmodulation zwischen 0V und einem vorgegebenen Maximalwert entsprechend dem Beschleunigungs-Steuerelement 52 eingestellt. Diese Einstellung erfolgt durch die Vergleichslogik 58 in Fig. 3, die den entsprechenden Stellwert des Steuerelements 52 sowie das Ausgangssignal der Sensoren 34, 35 empfängt. In diesem Betriebsmodus erzeugt die Hüllkurven- Erzeugungseinheit 62 als Reaktion auf die Vergleichslogik 58 die dem Rechtecksignal entsprechenden Impulse. Zusätzlich reagiert die Vergleichslogik 58 auf das Frequenzsignal f der Frequenzmeßeinheit 57. The motor M starts under the action of square wave signals according to control I, with respect to the phase following the signal of the position sensors. The voltage level is set via pulse width modulation between 0V and a predetermined maximum value in accordance with the acceleration control element 52 . This setting is made by the comparison logic 58 in FIG. 3, which receives the corresponding manipulated variable of the control element 52 and the output signal of the sensors 34 , 35 . In this operating mode, the envelope generation unit 62 generates the pulses corresponding to the square-wave signal in response to the comparison logic 58 . In addition, the comparison logic 58 reacts to the frequency signal f of the frequency measuring unit 57 .

Da beim Anfahren noch keine genaue Position des Läufers 10 bekannt ist, wird die Ansteuerung mit Rechtecksignalen wie bei bekannten bürstenlosen Gleichstrommotoren durchgeführt. Die in der Einleitung beschriebenen Probleme mit Induktion und ungleichförmigem Drehmoment wirken sich in dieser Anlaufphase durch die geringen Drehzahlen noch nicht gravierend aus und werden in Kauf genommen.Since no exact position of the rotor 10 is known when starting, the control is carried out with square-wave signals as in known brushless DC motors. The problems with induction and non-uniform torque described in the introduction do not yet have a serious impact in this start-up phase due to the low speeds and are accepted.

Bei einer Motorfrequenz von mehr als 2Hz - sobald über die Sensoren 34, 35 eine gleichförmige Drehung des Läufers in die richtige Richtung erkannt wird - schaltet das Antriebssystem in die zweite Betriebsart (Ansteuerung II) um. Dabei ist der Drehzahl-Schwellwert nicht notwendig auf 2Hz beschränkt, sondern kann davon abweichend entsprechend den jeweiligen Motorgegebenheiten gewählt werden.At a motor frequency of more than 2 Hz - as soon as a uniform rotation of the rotor in the correct direction is detected via sensors 34 , 35 - the drive system switches to the second operating mode (control II). The speed threshold is not necessarily limited to 2Hz, but can be selected differently according to the respective engine conditions.

Das Umschalten in die zweite Betriebsart erfolgt allerdings erst, wenn die Vergleichslogik 58 bei fünf aufeinanderfolgenden Messungen eine Drehfrequenz von größer als 2Hz erfaßt hat. Hierdurch werden mögliche Störungen beim Anlaufen wirksam unterdrückt und ein falsches Umschalten in den zweiten Betriebsmodus verhindert. Auch hier ist die Angabe von fünf aufeinanderfolgenden Messungen als Richtgröße zu verstehen, die abweichend gewählt werden kann.However, switching to the second mode takes place only when the comparison logic 58 for five consecutive measurements a rotational frequency is detected by greater than 2 Hz. This effectively suppresses possible malfunctions during startup and prevents incorrect switching to the second operating mode. Here too, the specification of five successive measurements is to be understood as a guideline, which can be chosen differently.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel erzeugen die zwei Sensoren 34, 35 über eine volle Drehung von 360° vier Signale (bzw. Signalflanken) im Abstand von 90°, und auf der Basis dieser vier Sensorsignale kann das System durch zeitliche Interpolation zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Signalflanken die jeweils aktuelle Position des Läufers 10 errechnen: Die Frequenzmeßeinheit 57 beginnt gesteuert durch eine erste Signalflanke mit der Erzeugung von Taktsignalen, ermittelt die Anzahl von Taktsignalen bis zur nächsten Signalflanke und kann so unter Einbeziehung der Taktfrequenz die aktuelle Drehzahl bzw. Drehfrequenz des letzten 90°-Drehwinkels bestimmen. Gleichzeitig steht aber mit der Taktsignalanzahl auch ein Vorgabe- bzw. Erwartungswert für die nächste 90°-Drehung zur Verfügung. In the exemplary embodiment described, the two sensors 34 , 35 generate four signals (or signal edges) at a distance of 90 ° via a full rotation of 360 °, and on the basis of these four sensor signals, the system can perform the interpolation between two successive signal edges in each case Calculate the current position of the rotor 10 : The frequency measuring unit 57 starts with the generation of clock signals controlled by a first signal edge, determines the number of clock signals until the next signal edge and can thus take into account the clock frequency, the current speed or rotational frequency of the last 90 ° angle of rotation determine. At the same time, the number of clock signals also provides a default or expected value for the next 90 ° rotation.

Auf der Basis dieser Taktsignale wird es also möglich, ein Steu ersignal für den nächsten 90° Drehwinkel vorzubestimmen und zu erzeugen, wobei sich dieses Steuersignal aus kurzen, aufeinan derfolgenden Taktsignalen zusammensetzt, die zusammen ein puls breitenmoduliertes Signal ergeben.On the basis of these clock signals, it becomes possible to control and determine the first signal for the next 90 ° rotation angle generate, this control signal consisting of short, one on the other the following clock signals, which together form a pulse result in width-modulated signal.

Fig. 7 zeigt die Hüllkurve eines derartigen Steuersignals, das von der Hüllkurven-Erzeugungseinheit 62 als Reaktion auf die Taktsignale der Frequenzmeßeinheit 57 erzeugt wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der unter der horizontalen Zeitachse vorhandene Teil der Hüllkurve nur an dieser angedeutet; diese Zeitachse ist eine Art Symmetrieachse, unterhalb deren ein Teil der Hüllkurve spiegelbildlich - aber seitenversetzt - erscheint (rechte obere Abbildungsecke). FIG. 7 shows the envelope of such a control signal, which is generated by the envelope generation unit 62 in response to the clock signals of the frequency measurement unit 57 . For reasons of clarity, the part of the envelope present under the horizontal time axis is only indicated on this; this time axis is a kind of axis of symmetry, below which a part of the envelope appears in mirror image - but offset to one side (upper right corner of the figure).

Die in Fig. 7 gezeigte Hüllkurve des Spannungssignals, das an den Wicklungseinheiten 32, 33 des Stators 28 anliegt, entspricht in ihrer Form demjenigen Spannungsverlauf, der sich bei Betrieb des Motors M als Generator in den Wicklungen einstellen würde. Die Hüllkurve wurde auf diese Weise als Digitalsignal erfaßt und der Spannungsverlauf numerisch als Folge von Einzelwerten in der dritten Speichereinheit 62a abgelegt.The envelope of the voltage signal shown in FIG. 7, which is applied to the winding units 32 , 33 of the stator 28 , corresponds in its form to the voltage profile that would occur in the windings when the motor M was operating as a generator. In this way, the envelope was recorded as a digital signal and the voltage curve was stored numerically as a sequence of individual values in the third memory unit 62 a.

Für die Erzeugung des Wicklungs-Steuersignals durch die Hüllkur ven-Erzeugungseinheit 62 setzt diese also das Signal taktweise aus den aufeinanderfolgenden Taktsignalen zusammen, wobei sich die jeweilige Amplitude der Taktsignale nach den gespeicherten Hüllkurvenwerten richtet. Ein typischer Wert für die Länge der aufeinanderfolgenden Taktsignale liegt bei 10 ms. Auf diese Weise wird für eine nachfolgende 90°-Drehung ein pulsbreitenmodulier tes Wicklungs-Steuersignal erhalten, das auf einer Extrapolation der gemessenen Frequenz der vorherigen 90°-Drehung beruht, und das in der Form des Spannungsverlaufs weitgehend der gespeicher ten Hüllkurvenform entspricht. Der Fehler, der dadurch entsteht, daß die Extrapolation für die nachfolgende 90°-Drehung bei einer beschleunigten oder gebremsten Drehung des Läufers 10 zu einer zu langen bzw. zu kurzen Umdrehungszeit führt, hat sich im praktischen Betrieb des Antriebssystems als vernachlässigbar herausgestellt.For the generation of the winding control signal by the envelope generating unit 62 , the latter therefore assembles the signal in cycles from the successive clock signals, the respective amplitude of the clock signals being based on the stored envelope values. A typical value for the length of the successive clock signals is 10 ms. In this way, a pulse width modulated winding control signal is obtained for a subsequent 90 ° rotation, which is based on an extrapolation of the measured frequency of the previous 90 ° rotation, and which largely corresponds to the stored envelope shape in the form of the voltage curve. The error that arises from the fact that the extrapolation for the subsequent 90 ° rotation with an accelerated or braked rotation of the rotor 10 leads to a rotation time that is too long or too short has proven to be negligible in practical operation of the drive system.

Dieses Ansteuerungsverfahren ermöglicht nun auf einfache Weise eine vor- bzw. nacheilende Ansteuerung der Windungseinheiten. Wie bereits oben in der Beschreibungseinleitung diskutiert, ist es im Motorbetrieb wichtig, den Motor durch eine voreilende An steuerung bei unterschiedlichen Belastungen und Drehzahlen stets in einem optimalen Wirkungsgrad zu halten, um so die Batterie energie weitmöglichst auszunutzen. Wie bereits erwähnt ist aber der Versatzwinkel zwischen Ansteuerungssignal und Läufer abhän gig von der Last (bzw. dem Drehmoment) und der Drehzahl des Läu fers; dementsprechend ist also der jeweils optimale Wert des Versatzwinkels für die voreilende Ansteuerung in Abhängigkeit von Belastung und Drehzahl einzustellen.This control method now enables in a simple manner a leading or lagging control of the winding units. As already discussed above in the introduction, is it is important in engine operation to advance the engine control at different loads and speeds to keep it in optimal efficiency so as to keep the battery to use energy as far as possible. As already mentioned, however the offset angle between the control signal and the rotor depends gig of the load (or the torque) and the speed of the Läu heels; accordingly, the optimal value of the Offset angle for the leading control depending load and speed.

Diese voreilende Ansteuerung wird nun bei der beschriebenen An triebseinheit wie folgt realisiert:This leading control is now at the described to drive unit implemented as follows:

Der jeweils optimale Versatzwinkel für verschiedene Drehzahlen - von der Minimaldrehfrequenz 2Hz bis zur maximalen Drehfrequenz - wurde vorab durch Probeläufe des Motors M bei verschiedenen Drehzahlen und Belastungen ermittelt und in Form einer Tabelle numerisch abgelegt (Speichereinheit 60a). Ebenso wurde der optimale Spannungswert, der das Motordrehmoment beeinflußt, durch Probeläufe bei verschiedenen Drehzahlen und Belastungen ermittelt und in Form einer weiteren Tabelle (Speichereinheit 59a) abgelegt.The optimal offset angle for different speeds - from the minimum rotational frequency 2Hz to the maximum rotational frequency - was determined in advance by test runs of the motor M at different speeds and loads and stored numerically in the form of a table (storage unit 60 a). Likewise, the optimal voltage value, which influences the motor torque, was determined by test runs at different speeds and loads and stored in the form of another table (storage unit 59 a).

Damit stehen der Antriebseinheit nun zwei Tabellen mit Vorgabe werten zur Verfügung, die eine optimale Vorgabespannung bzw. einen optimalen Vorgabewinkel jeweils bezogen auf den gesamten Drehzahlbereich beschreiben. Diese beiden Tabellen sind in Fig. 5 bzw. Fig. 6 grafisch aufbereitet dargestellt: This means that the drive unit now has two tables with default values that describe an optimal default voltage or an optimal default angle in relation to the entire speed range. These two tables are shown in Figure 5 and Figure 6 shown graphically..:

Fig. 5 zeigt auf der X-Achse aufgetragen die Drehfrequenz von 0Hz als Minimum bis zur maximalen Drehzahl, und als Funktion da von auf der Y-Achse den jeweils vorzugebenden Spannungswert. In diesem Diagramm beschreibt die mittlere Kurve A die Leerlaufmi nimalspannung, bei der der Motor weder beschleunigt noch ab bremst, die obere Kurve B die maximale Differenzspannung bei je der Frequenz, die bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit auch dem maximalen Drehmoment und Motorstrom entspricht, und die un tere Kurve C die minimale Differenzspannung für Abbremsung. Bei Betätigung der Beschleunigungs-/Brems-Steuerelemente 52 und 53 bewegen sich also die jeweiligen Werte weg von der Kurve A in Richtung auf und bis maximal zur Kurve B (maximale Beschleuni gung, also zusätzliche Erhöhung der Spannung); bzw. sie bewegen sich in Richtung auf und bis höchstens zur Kurve C (größte Ab bremsung, also Absenkung der Spannung). Fig. 5 shows on the X-axis is applied, the rotational frequency of 0Hz as a minimum to the maximum speed, and as a function of da on the Y-axis to each presettable voltage value. In this diagram, the middle curve A describes the no-load minimum voltage at which the motor neither accelerates nor brakes, the upper curve B the maximum differential voltage at each frequency, which also corresponds to the maximum torque and motor current up to a certain speed, and that lower curve C the minimum differential voltage for braking. When the acceleration / braking control elements 52 and 53 are actuated, the respective values move away from curve A in the direction of and up to curve B at maximum (maximum acceleration, that is to say an additional increase in voltage); or they move in the direction of and up to curve C at the most (greatest deceleration, ie lowering of the voltage).

Entsprechend zeigt Fig. 6 aufgetragen auf der Y-Achse den jewei ligen Versatzwinkel bezogen auf die Drehfrequenz. Hier be schreibt die Kurve D den Leerlaufwinkelversatz bei der gering sten Stromaufnahme, also bei unbetätigtem Beschleunigungs- /Bremssteuerelement 52, 53; die Kurve E den maximalen voreilen den Winkelversatz, der bei maximalem Strom dem optimalen Ver satzwinkel entspricht (also Beschleunigungssteuerelement 52 voll betätigt); und die Kurve F beschreibt den maximalen Winkelver satz, der bei maximalem Rückspeisestrom dem optimalen Wirkungs grad entspricht (also Bremssteuerelement 53 voll betätigt). Im Betrieb wird sich also auch hier in Abhängigkeit von Beschleuni gung oder Bremsen der Winkel für eine jeweilige Drehzahl zwi schen den Kurven E und F einstellen.Correspondingly, Fig. 6 shows on the Y axis the respective offset angle based on the rotational frequency. Here, curve D writes the idle angle offset at the lowest current consumption, that is, when the acceleration / brake control element 52 , 53 is not actuated; curve E the maximum lead the angular offset, which corresponds to the optimum offset angle at maximum current (ie acceleration control element 52 fully actuated); and curve F describes the maximum Winkelver rate, which corresponds to the optimum efficiency at maximum feedback current (ie brake control element 53 fully actuated). In operation, the angle for a particular speed between the curves E and F will also be set here, depending on acceleration or braking.

Aus der Darstellung der Fig. 5 und 6 geht hervor, daß sich diese Tabellenform auch für eine Erfassung von komplexen, nichtli nearen Zusammenhängen zwischen Drehzahl und Spannung bzw. Dreh zahl und Winkel eignet, die sich insbesondere bei Extremwerten der Drehzahl einstellen (im Bereich des Drehzahlminimums oder Drehzahlmaximums). Einen derartigen Zusammenhang regelungstech nisch nachzubilden, wäre ungleich aufwendiger. From the illustration in Fig. 5 and 6 indicate that this table form is also suitable for detection of complex, nichtli-linear correlations between speed and power or speed and angle, to adjust especially at extreme values of the rotational speed (in the range of Speed minimums or speed maximums). To reproduce such a relationship in terms of control technology would be far more complex.

Im Betrieb, nachdem die Vergleichslogik 58 (siehe Fig. 3) den zweiten Betriebsmodus eingestellt hat, empfängt nun die Span nungsvorgabeeinheit 59 das Drehfrequenzsignal f der Frequenzmeß einheit 57 sowie von der Bedienperson vorgegebene Werte der Steuerelemente 52 oder 53. Unter Bezug auf die Tabellenwerte in der ersten Speichereinheit 59a (Fig. 5) ermittelt die Spannungsvorgabeeinheit 59 dann den optimalen Spannungsvorgabewert gemäß Kurve A, gegebenenfalls nach oben oder unten beeinflußt durch die Beschleunigungs- bzw. Bremsvorgabe, wobei der ermittelte Wert innerhalb der durch die Kurven B und C bestimmten Grenzen liegt.In operation, after the comparison logic 58 (see FIG. 3) has set the second operating mode, the voltage specification unit 59 now receives the rotational frequency signal f of the frequency measurement unit 57 and values of the control elements 52 or 53 specified by the operator. With reference to the table values in the first storage unit 59 a ( FIG. 5), the voltage specification unit 59 then determines the optimum voltage specification value according to curve A, possibly influenced upwards or downwards by the acceleration or braking specification, the determined value being within the range specified by the Curves B and C have certain limits.

Entsprechend ermittelt die Versatzwinkelvorgabeeinheit 60 als Reaktion auf das Drehfrequenzsignal f und ggf. beeinflußt durch die Beschleunigungs- oder Bremsvorgabe den der Drehzahl entspre chenden Vorgabewinkel gemäß der in Fig. 6 dargestellten Tabelle. Auch in diesem Fall bewegen sich die Werte zwischen den durch die Kurven E und F bestimmten Grenzen.Correspondingly, the offset angle setting unit 60 determines the setpoint angle corresponding to the speed in accordance with the table shown in FIG. 6 in response to the rotational frequency signal f and possibly influenced by the acceleration or braking specification. In this case, too, the values move between the limits determined by curves E and F.

Wie aus dem Blockschaltbild gemäß Fig. 3 erkennbar, wird der durch die Spannungsvorgabeeinheit 59 erzeugte Spannungsvorgabe wert durch die Korrektureinheit 61 einer Pegelkorrektur unterzo gen, wobei die Korrektur von dem augenblicklichen Klemmenwert der Spannung an Batterie 44 abhängig ist. Der Grund für diese Spannungskorrektur liegt in dem der Antriebseinheit zugrundeliegenden Prinzip, die Wicklungen mit einem konstanten Stromwert zu beaufschlagen, was nur dann möglich ist, wenn der Spannungsvorgabewert in Abhängigkeit von der gemessenen Batteriespannung angepaßt wird. Damit kann andererseits auf eine Strommessung und eine aufwendige Stromregelung verzichtet werden.As can be seen from the block diagram according to FIG. 3, the voltage specification value generated by the voltage specification unit 59 is subjected to a level correction by the correction unit 61 , the correction being dependent on the current terminal value of the voltage on the battery 44 . The reason for this voltage correction lies in the principle on which the drive unit is based, to apply a constant current value to the windings, which is only possible if the voltage preset value is adapted as a function of the measured battery voltage. On the other hand, this means that current measurement and complex current regulation can be dispensed with.

Sowohl der korrigierte Spannungsvorgabewert aus der Korrektur schaltung 61 als auch das durch die Versatzwinkelvorgabeeinheit 60 erzeugte Winkelsignal werden von der Hüllkurven-Erzeugungs einheit 62 empfangen und beeinflussen das erzeugte Hüllkurvensi gnal: Während der Spannungsvorgabewert die Amplitude des Hüll kurvensignals erhöht oder verringert (siehe Fig. 7), verschiebt der Versatzwinkel das Hüllkurvensignal horizontal (d. h. in der Phase relativ zum Läufer).Both the corrected voltage specification value from the correction circuit 61 and the angle signal generated by the offset angle specification unit 60 are received by the envelope curve generation unit 62 and influence the generated envelope signal: While the voltage specification value increases or decreases the amplitude of the envelope signal (see FIG. 7 ), the offset angle shifts the envelope signal horizontally (ie in phase relative to the rotor).

Das in Amplitude und/oder Winkel entsprechend der erfaßten Dreh frequenz angepaßte Hüllkurvensignal wird dann von der Hüllkur ven-Erzeugungseinheit 62 in Form der pulsbreitenmodulierten auf einanderfolgenden Impulssignale als Steuersignale S1 bis S8 an die Treiber 48 bzw. die Leistungsschalteinheit 42 ausgegeben.The envelope signal adapted in amplitude and / or angle corresponding to the detected rotational frequency is then output by the envelope generation unit 62 in the form of pulse-width-modulated, successive pulse signals as control signals S1 to S8 to the drivers 48 and the power switching unit 42 .

Auf die beschriebene Weise kann sowohl eine an die besondere Spannungscharakteristik des Motors M angepaßte als auch eine den jeweils optimalen Versatzwinkel bezüglich der augenblicklichen Drehzahl berücksichtigende Ansteuerung des Radnabenmotors erfol gen, womit sich im Hinblick auf Steuerbarkeit, Drehmomentverhal ten und Wirkungsgrad eine deutliche Verbesserung gegenüber her kömmlichen bürstenlosen Gleichstrommotoren erreichen läßt. Ande rerseits ist aber durch eine Realisierung insbesondere der An steuerungslogik durch einen Microprozessor mit entsprechender Steuersoftware die Antriebseinheit mit vergleichsweise wenig Aufwand und weitgehend unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen erstellbar, so daß den Anforderungen an einen Betrieb im Fahr zeug Rechnung getragen wird.In the way described both can be a special Voltage characteristics of the motor M adapted as well as the optimal offset angle with respect to the current Speed control of the wheel hub motor is successful with which in terms of controllability, torque behavior efficiency and efficiency compared to a significant improvement conventional brushless DC motors. Ande on the other hand, the realization is particularly the An control logic by a microprocessor with appropriate Control software the drive unit with comparatively little Effort and largely insensitive to environmental influences can be created so that the requirements for operation while driving is taken into account.

Das Flußdiagramm in Fig. 8 faßt noch einmal die wesentlichen Schritte der Ansteuerung zusammen, wobei dieses Verfahren auch auf andere, beispielsweise stationäre, elektrische Antriebssy steme anwendbar ist.The flowchart in FIG. 8 summarizes once again the essential steps of the control, this method also being applicable to other, for example stationary, electrical drive systems.

Wie sich für den Fachmann unmittelbar ergibt, ist die Anwendung des Antriebssystems außerdem nicht auf einen Radnabenmotor be schränkt, vielmehr können beliebige andere Motorvarianten einge setzt werden. As is immediately apparent to the person skilled in the art, the application is the drive system also not be on a wheel hub motor limits, rather any other engine variants can be used be set.

Außerdem führt der Einsatz des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems auch dann zu einer Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik, wenn nur eine der im beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel realisierten Ansteuerungstechniken umgesetzt wird:
Die Korrektur der Versatzwinkels und der Spannung in Abhängig keit von der Drehzahl wird selbst bei Ansteuerung mit einem im wesentlichen rechteckigen Signal die Motorleistung und die Be triebseigenschaften gegenüber der herkömmlichen Rechteckansteue rung verbessern, und die Ausbildung des Steuerspannungssignals entsprechend der Generator-Hüllkurve des Motors würde auch ohne Korrektur von Versatzwinkel und Spannung in Abhängigkeit von der Drehzahl die Motorleistung und Motorbetriebseigenschaften ver bessern.In addition, the use of the electric drive system according to the invention also leads to an improvement over the prior art if only one of the control techniques implemented in the exemplary embodiment described is implemented:
The correction of the offset angle and the voltage as a function of the speed will improve the motor performance and the operating characteristics compared to the conventional rectangular drive even when driven with a substantially rectangular signal, and the formation of the control voltage signal corresponding to the generator envelope of the motor would also without correcting the offset angle and voltage as a function of speed, improve engine performance and engine operating characteristics.

Auch ist die im beschriebenen Ausführungsbeispiel dargestellte Sensoranordnung nicht auf eine Anbringung im Statorpol be schränkt. Vielmehr kann eine Erfassung durch Hall-Sensoren auch an anderen Positionen von Stator und Rotor erfolgen, oder aber eine Positionserfassung mittels optischer Einrichtungen oder Ul traschall ist möglich.The one shown in the described embodiment is also shown Sensor arrangement not be attached to the stator pole limits. Rather, detection by Hall sensors can also at other positions of the stator and rotor, or else a position detection by means of optical devices or ul trasound is possible.

Eine besonders interessante Weiterbildung der Erfindung liegt in der Realisierung der Sensorerfassung durch eine Schaltung, die statt Sensorelementen die vom Läufer induzierte Spannung in den Wicklungen während kurzer Schaltpausen der Leistungselemente mißt: Beispielsweise bei dem Einsatz von Leistungs-MOS-FETs als Schaltelemente ist es ohnehin notwendig, zwischen einzelnen Im pulsperioden, während der die Wicklungen mit Spannung beauf schlagt werden, kurze geschaltete Unterbrechungen der Spannungs beaufschlagung vorzusehen (bedingt durch die kapazitive Wirkung der Gates der MOS-FETs beim Ausschalten). Damit steht in kurzen Abständen jeweils eine Periode zur Verfügung, während der sich die in der Wicklung induzierte Spannung als eine Meßgröße für die Umdrehungsgeschwindigkeit und die Läuferposition erfassen läßt. Durch Vergleich mit einem Schwellwert läßt sich dann bei spielsweise ein dem im Ausführungsbeispiel beschriebenen Sensor signal vergleichbares Signal erzeugen, oder aber die induzierte Spannung wird hoch aufgelöst erfaßt und gibt damit Aufschluß über die augenblickliche Rotorposition. A particularly interesting development of the invention lies in the realization of the sensor detection by a circuit that instead of sensor elements, the voltage induced by the rotor in the Windings during short switching breaks of the power elements measures: For example when using power MOS FETs as Switching elements, it is necessary anyway between individual Im pulse periods during which the windings are energized short, switched interruptions in the voltage to be provided for (due to the capacitive effect the gates of the MOS-FETs when switching off). This means in short A period is available during which the voltage induced in the winding as a measured variable for record the speed of rotation and the rotor position leaves. By comparing with a threshold value, one can then see for example a sensor described in the exemplary embodiment generate comparable signal, or the induced signal Tension is recorded in high resolution and provides information about the current rotor position.

Zusätzlich könnten in das elektrische Antriebssystem weitere Funktionen wie ein intelligentes elektronisches Batteriemanage ment auf der Basis der ohnehin überwachten Batteriespannung oder eine Anti-Blockier-Regelung des Antriebsmotors auf der Basis der ermittelten Drehzahl integriert werden.In addition, more could be added to the electric drive system Functions like an intelligent electronic battery management ment based on the already monitored battery voltage or an anti-lock control of the drive motor based on the determined speed can be integrated.

Claims

1. Electric drive system for a DC-powered vehicle with a drive electric motor (M), which has a stator ( 28 ) provided with current conductors ( 32 , 33 ) and a rotor ( 10 ) provided with permanent magnets ( 22 ), one on a rotary movement of the Rotor ( 10 ) reacting sensor ( 34 , 35 ) and an electronic control device ( 44 ) which responds to an output signal of the sensor and applies a pulsed voltage signal to the current conductors ( 32 , 33 ), characterized in that the control device ( 46 ) has a has speed measuring device ( 57 ) reacting to the output signal of the sensor ( 34 , 35 ) for generating a speed signal (f) corresponding to the rotor speed of rotation, has a voltage control device ( 59 , 60 ) which generates a voltage and angle control signal dependent on the speed signal , and having a pulse generating device ( 62 ) which generates a pulse signal for the power line ter generated, the amplitude and phase angle is variable relative to the position of the rotor depending on the voltage and angle control signal.

2. Electric drive system according to claim 1, characterized in that the voltage control device ( 59 , 60 ) has a memory device ( 59 a, 60 a), each containing predetermined values for the voltage and angle signal to be specified, the predetermined values voltage values and offset angle values are optimized for different speeds.

3. Electric drive system according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the pulse signal is a multi-phase signal Alternating signal is, the individual phases to each other in one constant angular relationship.

4. Electric drive system according to claim 3, characterized in that the sensor has a plurality of sensor elements ( 34 , 35 ), the number of which is equal to the number of phases of the multi-phase alternating signal, the sensor elements in the direction of rotation of the rotor ( 10 ) at a distance from one another are arranged and the speed measuring device ( 57 ) for generating the speed signal (f) detects the time it takes a predetermined part of the rotor to move between two sensor elements ( 34 , 35 ).

5. Electric drive system according to claim 3 or 4, characterized by a comparison logic ( 58 ) which responds to the speed signal (f) and the voltage control device ( 59 , 60 ) and the pulse generating device ( 62 ) after starting the drive electric motor M is only activated when the rotor ( 10 ) has reached a predetermined minimum speed and which directly applies a substantially rectangular signal, depending on the output signal of the sensor, to power switching elements of the control device ( 47 ), as long as the rotor has not yet reached the minimum speed .

6. Electric drive system according to one of claims 3 to 5, characterized in that the multi-phase alternating signal each from successive short impulses composite signal, the envelope of which is from the drive Electric motor (M) generated in voltage generator mode is approximated.

7. Electric drive system according to claim 6, characterized records that the multi-phase alternating signal each a pulse width is a modulated signal.

8. Electric drive system according to claim 6 or 7, characterized characterized in that the envelope is shaped like a sine is approximated.

9. Electric drive system according to claim 6 or 7, characterized characterized in that the envelope is shaped like a trapezoid is approximated.

10. Electric drive system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the voltage control device ( 59 , 60 ) is connected to a detection device ( 52 , 53 ) for detecting an acceleration or braking signal and the acceleration or braking signal from the voltage control device generated voltage and angle control signal influences be.

11. Electric drive system according to claim 10, characterized in that the detection device ( 52 , 53 ) for detecting the acceleration or braking signal is assigned to a selection device and the latter can be selected by this while simultaneously detecting an acceleration and a braking signal.

12. Electrical drive system according to one of claims 1 to 11, characterized in that the voltage control device ( 59 , 60 ) has a correction device ( 61 ) for the voltage level of the voltage and angle control signal, the correction device depending on a current level Adapts terminal voltage of the voltage source ( 44 ) of the DC-powered vehicle.

13. Electric drive system according to one of claims 1 to 12, characterized in that the drive electric motor (M) is designed as a wheel hub motor, the rotor ( 10 ) being integrated into the rim ( 12 ) of the wheel driven by the wheel hub motor.

14. Electrical drive system according to one of claims 1 to 13, characterized in that the pulse generating device has a power switching device ( 40 ) which is realized by MOS field effect transistors ( 42 ) for loading the current conductors ( 32 , 33 ).

15. Electric drive system according to claim 14, characterized in that the sensor ( 34 , 35 ) is realized by a detection circuit which detects the induction voltage applied to the current conductors ( 32 , 33 ), the detection being carried out during a period of time during which the MOS field effect transistors ( 42 ) do not apply any voltage to the current conductors.

16. Electric drive system according to claim 15, characterized ge indicates that the detection circuit as Threshold switch is designed to output a Signal when the induction voltage is a predetermined Threshold exceeds.

17. A method for controlling a DC-operated, electronically commutated drive electric motor which has a stator provided with current conductors and a rotor provided with permanent magnets, characterized by the steps:

- Detecting the speed of the rotor (S1),
Generating a voltage default value as a function of the respective speed and on the basis of predetermined stored reference values (S3),
- Generating an offset angle default value depending on the respective speed and on the basis of predetermined stored reference values (S3), and
- Continuous generation of a voltage pulse for the current conductor, the amplitude and angle relative to the rotor are changed on the basis of the voltage default value or the offset angle default value (S5, S6).

18. The method according to claim 17, characterized in that the step of generating the voltage default value comprises the steps:

- Detection of the terminal voltage of a direct current source of the drive to the electric motor and
- Correct the voltage default value depending on the detected terminal voltage.

19. The method according to claim 17 or 18, characterized by the steps:

Detection of an acceleration or braking signal,
- Correct the voltage default value depending on the detected signal by increasing or decreasing the voltage default value and
- Correcting the offset angle default value depending on the detected signal by increasing or decreasing the offset angle default value.

20. The method according to any one of claims 17 to 19, characterized by the steps:

Comparing the detected speed with a predetermined minimum speed,
Deactivating the generation of the voltage default value and the offset angle default value if the detected speed is below the predetermined minimum speed, and
- Activating the generation of the voltage default value and the offset angle default value when the detected speed exceeds the predetermined minimum speed in succession a predetermined number of times.

21. The method according to any one of claims 17 to 20, characterized in that the step of continuously generating the voltage pulse the step

- Forming the voltage pulse approximate to a pulse shape which is approximated to the voltage profile of a voltage generated by the drive electromotive in generator mode,

having.