DE4438569C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Anfahren eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Schaltungsanordnung zum Anfahren eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 definierten Gattung, wie sie aus der DE 32 47 359-A1 bekannt sind. Diese Druckschrift zeigt einen kollektorlosen, zweipoligen Gleichstrommotor mit einer Statorwicklung sowie mit einem permanentmagnetischen Rotor. Der Motor besitzt eine Rotorstellungs-Sensoranordnung mit einem Hall-IC und mit einer zum Steuern der Bestromung der Statorwicklung dienenden Halbleiteranordmang mit mindestens zwei Schaltgliedern, die abhängig von der durch den Hall-IC detektierten Rotorstellung kommutiert werden. Durch die Detektierung der Rotorlage mit Hilfe des Hall-IC's ist der Anlauf des Motors in einer vorgegebenen Drehrichtung gesichert.

Weiterhin ist aus der DE 32 09 394-C2 ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Anfahren für einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnet-Rotor und mit einer mehrpoligen Statorwicklung mit mehreren, gleichmäßig am Umfang versetzten Wicklungssträngen bekannt, bei der die Winkellage des Rotors durch die in den Wicklungssträngen induzierte Spannung ermittelt und die Wicklungsstränge nacheinander über eine von der Lage des Rotors abhängig gesteuerte Ansteuerschaltung an eine Gleichspannungsquelle anschaltbar sind. Bei Anlaufbeginn wird ein erster Wicklungsstrang kurzzeitig erregt und die induzierte Spannung daraufhin überprüft, ob das in der gewünschten Drehrichtung erwartete Lagesignal auftritt. Nach erfolglosem erstem Vergleichsvorgang mit dem eingegangenen Lagesignal prüft die Schaltungsanordnung, in welchem Winkelsektor der Rotor steht und erregt den erforderlichen Wicklungsstrang zwecks Anlauf des Motors in der gewünschten Drehrichtung. Hierbei ist die Ausgangslage des Rotors entweder vollständig beliebig oder er wird über eine Hilfseinrichtung der Rotor vor dem Startversuch in eine vorgegebene Position bewegt, in dem eine der beiden um 90° versetzten Wicklungen beim Abschalten des Motors noch so lange bestromt wird, bis der Rotor in einer vorgegebenen Ruhelage anhält. Die Rotorlage kann in vier Quadranten bestimmt werden und durch die um 90° versetzte Anordnung der beiden Wicklungen ist eine gezielte Bestromung für eine definierte Anlaufrichtung möglich.

Für eine schnelldrehende Last wie beispielsweise ein hochdrehendes Gebläse mit einer Drehzahl von n = 30 000 l/min, ist ein kostengünstiger Antriebsmotor auf der Basis eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (EC-Motor) zur Verfügung zu stellen. Es muß eine kurze Hochlaufzeit und eine eindeutige Drehrichtung gesichert sein. Um den Aufwand gering zu halten, wird ein mit zwei magnetisch entgegengesetzt wirkenden Wicklungen versehener, d. h. einsträngiger Gleichstrommotor verwendet, bei dem die Zahl der Leistungshalbleiter mit zwei am geringsten ist. Solche Motoren können grundsätzlich in beiden Drehrichtungen betrieben werden. Bei einer Last, die nur in einer Richtung betrieben werden soll bzw. darf, sind daher besondere Maßnahmen erforderlich, um eine definierte Drehrichtung des Gleichstrommotors sicherzustellen. Um den Aufwand gering zu halten, sollen bei der Sicherstellung der Drehrichtung und beim Anlauf keine Sensoren zur Feststellung der Pollage verwendet werden.

Gleichstrommotoren dieser Art, sowie ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zu ihrem Anlauf, die diese Forderungen erfüllen, sind aus dem Stand der Technik nicht bekannt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Anfahren eines EC-Motors mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 haben den Vorteil eines schnellen, sensorlosen Anlaufs des Motors in eine eindeutig bestimmte Drehrichtung. Dabei ist der Gesamtaufwand für Motor und Schaltungsanordnung sehr gering.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Blockschaltbild schematisch den EC- Motor gemäß der Erfindung;

Fig. 2A schematisch den zeitlichen Verlauf der in den Wicklungen des EC-Motors induzierten Spannungen;

Fig. 2B schematisch den Verlauf der Schaltimpulse zur Steuerung des erfindungsgemäßen EC-Motors in zeitlicher Zuordnung zu Fig. 2A;

Fig. 3 schematisch Startimpulse bei falschem ersten Startimpuls, und

Fig. 4 schematisch in einem Schnittbild den mechani­ schen Aufbau des EC-Motors mit mecha­ nisch generierter magnetischer Unsymmetrie.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist schematisch in einem Blockschaltbild der erfindungsgemäß gestaltete elektronisch kommutierte, einsträngige Gleichstrommotor dargestellt, der ganz all­ gemein mit dem Bezugszeichen 3 bezeichnet ist. Zum EC-Motor 3 gehören zwei Wicklungen 1 und 2, deren jeweiliger Wicklungsanfang durch einen seitlich ange­ brachten Punkt gekennzeichnet ist. Weiterhin erhält der EC-Motor 3 einen Rotor 4, dessen Erregermagnete mit N und S bezeichnet sind. Die bei dem erfindungsgemäß gestalteten EC-Motor 3 vorgesehene magne­ tische Unsymmetrie ist durch die aus der zu den Wick­ lungen 1, 2 Senkrechten 8 um einen kleinen Winkel ver­ drehten Anordnung der Magnetpole N und S darge­ stellt. Die dadurch sichergestellte Drehrichtung ist mit dem Pfeil 7 bezeichnet. Der EC-Motor 3 wird also im­ mer nur in Richtung 7 betrieben.

Über einen ersten Schalttransistor 31 wird mittels auf einer Leitung 35 zugeführter Schaltimpulse die Wick­ lung 1 an die Versorgungsspannung U+ gelegt. Über einen zweiten Schalttransistor 32 wird mittels auf einer Leitung 36 zugeführter Schaltimpulse die Wicklung 2 an die Versorgungsspannung U+ gelegt. Die Schaltimpul­ se 25 und 26 werden von einer Ansteuerschaltung 6 geliefert, die ihrerseits von einer Auswerteschaltung 5 beeinflußt wird. Die Auswerteschaltung 5 greift an den Punkten 111 und 112 die in den Wicklungen 1 und 2 indu­ zierten Spannungen ab und mißt sie. Diese Abtastung der Spannungen 11 und 12 erfolgt erfindungsgemäß in Austastlücken, die durch Abstände zwischen dem auf­ einanderfolgenden Ein- und Ausschalten der Transisto­ ren 31 und 32 bzw. den sie steuernden Schaltimpulsen 25 und 26 ermöglicht werden. Es ist also in der Kombina­ tion von Auswerteschaltung 5 und Ansteuerschaltung 6 dafür Sorge getragen, daß zu keinem Zeitpunkt die Schalttransistoren 31 und 32 gleichzeitig eingeschaltet sind.

In Fig. 2A ist schematisch der zeitliche Verlauf der in den Wicklungen 1, 2 des EC-Motors 3 induzierten Span­ nungen über der Zeitachse t in analoger Form darge­ stellt. Der Übersichtlichkeit wegen ist nur die in der Wicklung 1 induzierte Spannung 11 dargestellt. In Fig. 2B ist in Zeit­ abhängigkeit von der Darstellung in Fig. 2A schema­ tisch ein Impulsdiagramm für den Verlauf von Schaltim­ pulsen 325 und 25 zur Steuerung des Schalttransistors und von Schaltimpulsen 26 zur Steuerung des Schalt­ transistors 32 gezeigt. Dies gilt dann, wenn der EC-Mo­ tor in der korrekten Drehrichtung angelaufen ist.

Zum Anlaufen des EC-Motors 3 wird beispielsweise dem ersten Schalttransistor 31 ein Startimpuls 325 von zeitlich konstanter, vorgegebener Länge t = const. zuge­ führt. Wenn die Polarisierung durch den Erregermagnet durch die bestromte Wicklung übereinstimmen, dann wird eine Drehung des Rotors 4 um eine Poltei­ lung erreicht. Überschreitet nun die Induktionsspan­ nung 11 eine fest eingestellte positive Schaltschwelle 12'', wie dies in Fig. 2A dargestellt ist, dann wird auf den zweiten Transistor 32 ein Schaltimpuls 26 gegeben, der diesen durchschaltet. Damit ist die Wicklung 2 an die Versorgungsspannung U+ angelegt und somit ist die Wicklung 2 bestromt. Der Schaltimpuls 26 endet, sobald die Induktionsspannung 11 die positive Schaltschwelle 12'' unterschreitet. Damit hört die Bestromung der Wicklung 2 auf. Überschreitet nun die Induktionsspan­ nung 11 im nächsten Zyklus eine fest eingestellte negati­ ve Schaltschwelle 11'', wie dies in Fig. 2A dargestellt ist, dann wird ein Schaltimpuls 25 auf den ersten Schalttran­ sistor 31 gegeben, der diesen durchschaltet. Somit wird wiederum die Wicklung 1 bestromt. Der Schaltimpuls 25 endet, sobald die Induktionsspannung 11 die negative Schaltschwelle 11'' unterschreitet. Damit hört die Be­ stromung der Wicklung 1 auf. Dies setzt sich nun ab­ wechselnd so fort.

Generell ist festzuhalten, daß bei Verlauf der Induk­ tionsspannung 11 außerhalb des von der positiven 12'' und der negativen 11'' Schaltschwelle gesetzten Be­ reich, entweder die Wicklung 1 oder die Wicklung 2 bestromt ist. Bei Verlauf der Induktionsspannung 11 in­ nerhalb des so gesetzten Bereichs ist keiner der Schalt­ transistoren 31 und 32 durchgeschaltet und damit keine der Wicklungen 1 oder 2 bestromt. In der erfindungsge­ mäß so geschaffenen Lücke zwischen den Ansteuerim­ pulsen 25 und 26 wird die in den Wicklungen induzierte Spannung 11 bzw. 12 abgegriffen und gemessen. Dies geschieht in der Auswerteschaltung 5. Die aus dem Er­ gebnis entstehenden Ansteuerimpulse 25 und 26, sowie die festen Startimpulse 325 und 326, werden von der Ansteuerschaltung 6 geliefert. Dabei sind die den Start­ pulsen 325 und 326 nachfolgenden Schaltimpulse 25 und 26 von der Induktionsspannung 11 bzw. 12 abhän­ gig.

In Fig. 2A ist mit 11' eine Spannung dargestellt, die mit nur sehr kleiner Amplitude um die Nullinie 0 schwankt. Diese induzierte Spannung 11' tritt dann auf, wenn ein Startimpuls dann auf eine Wicklung gegeben wird, wenn die Polarisierung durch den Erregermagnet und durch die bestromte Wicklung nicht übereinstim­ men. Dann wird eine Drehung des Rotors 4 um einen nur sehr kleinen Winkel, 63 in Fig. 4, erreicht. Das dabei entwickelte Drehmoment reicht nicht aus, um den Rotor 4 um eine volle Polteilung zu verdrehen. Der Rotor 4 wird in diesem Fall etwas aus seiner Ruhe-Lage verdreht, fällt aber in diese wieder zurück, weil keine weitere Bestromung der Wicklungen erfolgt. Der EC- Motor 3 fährt also nicht hoch.

In Fig. 3 ist mit 325 ein Startimpuls dargestellt, der dem in Fig. 2B entspricht. Dieser Startimpuls 325 ist jedoch in diesem Beispiel auf den "falschen" Schalttran­ sistor 31 gegeben. Da die induzierte Spannung 11' we­ der die positive 12'' noch die negative 11'' Schaltschwel­ le überschreitet, werden keine dem Startimpuls folgen­ de Schaltimpulse erzeugt. Gemäß der Erfindung wird in diesem Fall eine Pause 300 eingelegt, bevor zweckmäßi­ gerweise der nächste Startversuch durch Abgabe eines Startimpulses 326 auf den Schalttransistor 32, also den anderen als zuvor, erfolgt. Die Pause 300 kann z. B. 300 ms betragen und dient als Ausschwingzeit, in welcher der durch den "falschen" Startimpuls um einen nur klei­ nen Drehwinkel leicht aus seiner Ruhelage verschobene Rotor 4 wieder in seiner Ruhelage zur Ruhe kommt. Je nach Motor kann die Länge dieser Pause 300 verschieden sein.

In Fig. 4 ist schematisch in einem Schnittbild der me­ chanische Aufbau des einsträngigen EC-Motors 3 mit mechanisch generierter magnetischer Un­ symmetrie dargestellt. Der EC-Motor 3 ist bevorzugt ein Außenläufer, bei dem der Rotor 4 um eine Achse 66 drehbar ist. Der Rotor 4 ist ringförmig gestaltet und trägt an seiner zylindrischen Innenseite insgesamt acht Erregermagnete 401 und 402, die ihrerseits eine zylindri­ sche Fläche bilden. Die Polarisierung dieser Erregerma­ gnete 401 und 402 weist einmal radial nach außen ent­ sprechend dem mit N für Nordpol bezeichneten Pfeil und einmal radial nach innen entsprechend dem mit S für Südpol bezeichnetem Pfeil. Die Erregermagnete 401 und 402 können auf einfache Weise durch Aufkleben von Plastoferritstreifen realisiert werden.

Feststehend um eine Befestigung 67 ist ein ringförmi­ ger Stator 68 mit acht Statorzähnen 69 angeordnet. Der Statorzahn 69 ist in seinem Statorzahn­ kopf 70 unsymmetrisch gestaltet. Diese unsymmetrische Gestaltung wird dadurch erreicht, daß der Zahnkopf 70 an seinem einen Ende 71 dicker ist als an seinem ande­ ren Ende 72. Diese unterschiedliche Dicke ist so ange­ ordnet, daß sie sich gegenüber der Innenfläche 403 des Rotors 4 derart auswirkt, daß der Luftspalt 60 des EC- Motors 3 im wesentlichen stetig vom dünnen Ende 72 zum dicken Ende 71 abnimmt. In dieser Richtung dreht sich auch der Motor 3, wie dies durch den Pfeil 65 ange­ geben ist. Die so gestaltete Unsymme­ trie bewirkt eine Verschiebung des Rotors 3 um einen kleinen Drehwinkel 61 aus der mittigen Lage 62. Die­ ser Ruhewinkel 61 weist in die Betriebsdrehrichtung 65 des Motors 3.

Um Statorzahnhälse 73 sind die zwei Wicklungen 1 und 2 gewickelt. Die Wicklung 1 ist durch einen Kreis und die Wicklung 2 durch ein Quadrat dargestellt. Der "." gibt die Stromflußrichtung aus der Darstellungsebe­ ne heraus an und das "X" gibt die Stromflußrichtung in die Darstellungsebene der Fig. 4 hinein an. Die Pollage ist beim Einschalten des EC-Motors 3 wegen der fehlen­ den Sensorik unbekannt, so daß ein willkürlich einge­ schalteter Schalttransistor 31 oder 32 (Fig. 1) und damit ein Stromfluß in der Wicklung 1 oder 2 wie in Fig. 4 dargestellt, zwei mögliche Reaktionen des Rotors 4 zur Folge hat.

In dem in Fig. 4 dargestellten Schnittbild ist eine der zwei möglichen Positionen des Rotors 3 beim Start an­ gegeben. Wenn die Wicklung 2 in der dargestellten Richtung X, . vom Strom durchflossen wird, so richtet sich der Rotor 4 bis in die entsprechende mittige Lage 62 aus. Das entspricht der Verdrehung um den Drehwin­ kel 63. Die Länge des ersten Stromimpulses ist, wie in Fig. 2A und Fig. 3 mit 325 angegeben, konstant und ist abhängig von der trägen Masse des rotierenden Sy­ stems. Der relativ kleine Drehwinkel 63 entspricht der Verdrehung 61 aus der mittigen Lage 62 und reicht nicht aus, um genügend Rotationsenergie aufzubauen, die eine selbsttätige Drehung des Rotors 4 zuläßt. Dies wird darüber hinaus sogar noch erschwert, wenn nicht gar verhindert, weil das System sich beim Erreichen der mittigen Lage 62 in einem magnetisch stabilen Punkt befindet, und dort kein Drehmoment be­ wirkt wird. Die kleine Drehung um den Drehwinkel 63 verursacht außerdem eine zu geringe induzierte Span­ nung 11' in Fig. 2A, so daß die Auswerteschaltung 5 und die Ansteuerschaltung 6 dies nicht wahrnimmt. In dieser stabilen Position verharrt der Rotor 4 solange die Wicklung 2 angesteuert und bestromt wird. In der kurzen stromlo­ sen Phase beim Umschalten zwischen den Wicklungen erfährt der Rotor 4 durch die magnetische Unsymmetrie einen Drehimpuls in die korrekte Drehrichtung 65. Die­ ser Drehimpuls wird von dem anschließenden Strom­ fluß und dem daraus resultierenden Magnetfeld in der Wicklung 1 unterstützt. Der Stromfluß in der Wicklung 1 bewirkt den großen Drehwinkel 64, der zusammen mit der zuvor angesprochenen Stromflußzeit den Aufbau eines größeren Drehimpulses nach sich zieht. Dies gilt auch, wenn die Wicklung 1 als erste eingeschaltet wird. Der dadurch erzeugte Drehimpuls in Richtung 65 reicht aus, um die induzierte Spannung sicher meßbar zu er­ zeugen und die oben beschriebene Steuerung zu star­ ten und den Motor 3 somit sicher nur in der korrekten Drehrichtung 65 hochlaufen zu lassen.

Das vorstehend beschriebene Verfahren und die vor­ stehend beschriebene Schaltungsanordnung erlaubt in vorteilhafter Weise den sicheren Anlauf eines einsträn­ gigen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors in eine definierte Drehrichtung, ohne daß es dazu eines oder mehrerer besonderer Sensoren bedarf. Der voll­ ständige Verzicht auf ein Positionsgebersystem wirkt sich nicht nur auf die Senkung der Materialkosten gün­ stig aus, sondern auch auf die Fertigungskosten. Bei der Erfindung ist kein eng toleriertes Montieren und Ein­ messen erforderlich.

Claims (2)

1. Verfahren zum Anfahren eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (3) mit einem zwei magnetisch entgegengesetzt wirkende Wicklungen (1, 2) aufweisenden Stator (68) und einem mindestens ein Paar Magnetpole (N, S) aufweisenden Rotor (4) sowie mit einer magnetischen Unsymmetrie derart, daß in der Ruhelage des Rotors (4) die Magnetpole (N, S) gegenüber der Achse der Wicklungen (1, 2) um einen kleinen Ruhewinkel (61) in Betriebsdrehrichtung (7, 65) verschoben sind, wobei zur Bestromung jeder Wicklung (1, 2) ein zugeordneter Schalttransistor (31, 32) ein- und ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Anlauf des Gleichstrommotors (3) in der Betriebsdrehrichtung (7, 65) ein erster Schalttransistor (31) mit einem ersten Startimpuls (325) beaufschlagt wird, daß die in den Wicklungen (1, 2) induzierte Spannung (11, 12) abgegriffen und gemessen wird,
daß in Abhängigkeit von der in den Wicklungen (1, 2) induzierten Spannung (11, 12) bei Überschreiten einer Schaltschwelle (11'', 12'') dem Startimpuls folgende Schaltimpulse (26, 25) erzeugt werden, welche den jeweiligen Schalttransistor (32, 31) einschalten,
daß bei Nichterreichen der Schaltschwelle (11'', 12'') eine Pause (300) eingehalten wird, in welcher der Rotor (4) nach Ablauf einer Ausschwingzeit seine Ruhelage (61) erreicht oder in welcher der Rotor (4) durch die magnetische Unsymmetrie einen Drehimpuls in Betriebsdrehrichtung (7, 65) erfährt, und
daß nach Ablauf dieser Pause (300) der zweite Schalttransistor (32), welcher der zweiten Wicklung (2) zugeordnet ist, mit einem zweiten Startimpuls (326) beaufschlagt wird.

2. Schaltungsanordnung zum Anfahren eines elektronisch kommutierten Gleichstrom­ motors (3) mit einem zwei magnetisch entgegengesetzt wirkende Wicklungen (1, 2) aufweisenden Stator (68) und einem mindestens ein Paar Magnetpole (N, S) aufweisenden Rotor (4) sowie mit einer magnetischen Unsymmetrie derart, daß in der Ruhelage des Rotors (4) die Magnetpole (N, S) gegenüber der Achse der Wicklungen (1, 2) um einen kleinen Ruhewinkel (61) in Betriebsdrehrichtung (7, 65) verschoben sind, und mit einer Ansteuerschaltung (6), welche zwei jeweils einer der Wicklungen (1, 2) zugeordnete Schalttransistoren (31, 32) ansteuert, um die Wicklungen (1, 2) mit einer Spannungsquelle (U+) zu verbinden, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Auswerteschaltung (5) vorgesehen ist, welche die in den Wicklungen (1, 2) induzierten Spannungen mißt und auswertet,
wobei die Ansteuerschaltung (6) nach einem ersten Startimpuls (325) auf einen der Schalttransistoren (31, 32) nachfolgende Schaltimpulse (25, 26) zum Durchschalten der Schalttransistoren (31, 32) nur abgibt, wenn die von der Auswerteschaltung (5) gemessene und ausgewertete induzierte Spannung (11, 12) eine Schaltschwelle (11'', 12'') überschreitet,
und wobei bei Nichterreichen der Schaltschwelle (11'', 12'') nach dem ersten Startimpuls (325) die Ansteuerschaltung (6) eine Pause (300) einhält, in welcher der Rotor (4) nach Ablauf einer Ausschwingzeit seine Ruhelage (61) erreicht oder in welcher der Rotor (4) durch die magnetische Unsymmetrie einen Drehimpuls in Betriebsdrehrichtung (7, 65) erfährt, und daß nach Ablauf dieser Pause (300) von der Ansteuerschaltung (6) ein zweiter Startimpuls (326) auf den anderen Schalttransistor (32) gegeben wird.