DE69823494T2

DE69823494T2 - Regelung eines bürstenlosen gleichstrommotors

Info

Publication number: DE69823494T2
Application number: DE69823494T
Authority: DE
Inventors: H. John BOYD; Gerald Mt Eden DUNCAN; Michael Thomas George Manukau PERRY
Original assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Current assignee: Fisher and Paykel Appliances Ltd
Priority date: 1997-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2018-02-06
Also published as: EP0972332B1; BR9807658A; US6034493A; TW398112B; HK1024112A1; AU6007198A; EP0972332A4; WO1998035428A1; EP0972332A1; KR100445250B1; CA2279540A1; JP3440274B2; BR9807658B1; ATE265754T1; AU719478B2; DE69823494D1; KR20000070770A; JP2001510680A; DK0972332T3; CA2279540C

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft elektronisch gesteuerte/geregelte bürstenlose Gleichstrommotoren (mit Permanentmagnet-Rotoren) und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, Motoren mit drei Wicklungen für Kleinmotor-Anwendungen, wie zum Beispiel in Haushaltgeräten und Fitnessgeräten.
STAND DER TECHNIK
Verfahren zum Steuern/Regeln elektronisch kommutierter bürstenloser Gleichstrommotoren sind in dem Dokument GB 2272808 und in dem US-Patent 4,495,450 (Tokizaki et al) beschrieben und zur Verwendung in Haushaltsgeräten und insbesondere in Waschmachinen in den US-Patenten 4540921 (Boyd et al) und 4857814 (Duncan et al). Einige der in diesen Patenten beschriebenen Grundkonzepte elektronisch gesteuerter/geregelter Motoren (ECM = electronically controlled motor) werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1 und 2 zusammengefasst.
Ein idealer Dreiphasen-Gleichstrommotor (oder Gleichstrommotor mit drei Wicklungen) ist in 1 gezeigt, mit Kommutationsschaltern, die normalerweise FET-Leistungstransistoren wären. Durch das Anschalten des oberen Schalters 1 für Phase A und des unteren Schalters 2 für Phase B entsteht in dem Stator ein statisches Magnetfeld. Durch das Abschalten des unteren Schalters 2 für Phase B und das Anschalten des unteren Schalters 3 für Phase C bewegt sich dieses Magnetfeld in Uhrzeigerrichtung. Das Abschalten des oberen Schalters 1 für Phase A und das Anschalten des oberen Schalters 4 für Phase B bewirkt, dass sich das Magnetfeld in Uhrzeigerrichtung weiterbewegt. Durch eine Wiederholung dieser "Rotation" der Kommutationsschalter dreht sich das Magnetfeld in dem Stator mit der gleichen Geschwindigkeit, wie die Schalter betätigt werden. Ein komplettes Muster von Schaltzuständen für eine Drehung in Uhrzeigerrichtung ist in 2 angegeben.
Eine Drehung des Motors entgegen der Uhrzeigerrichtung wird erreicht, indem die Schaltmustersequenz der Kommutationsschalter umgekehrt wird.
In dem beschriebenen Verfahren zum Erzeugen eines Drehfelds in dem Stator fließt Strom gezielt nur in zwei Phasen gleichzeitig. Die dritte Phase bleibt daher ohne gezielten Stromdurchfluss. In den zitierten Patenten wird diese zeitweise unbenutzte Wicklung auf eine durch den sich drehenden Permanentmagnet-Rotor induzierte Spannung abgegriffen, um für eine Angabe der Rotorposition zu sorgen. Die induzierte Spannung ist einer gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK, engl. BEMF = back electromotive force) zuzuschreiben.
Die Wellenform der erfassten Gegen-EMK ist zyklisch und variiert zwischen trapez- und annähernd sinusförmig. Die "Nulldurchgänge" dieser Wellenform sind der Kante der Permanentmagnetpole zuzuschreiben und sorgen für einen gleichbleibenden Punkt an dem Rotor, um seine Drehposition zu verfolgen.
Wenn solch ein bürstenloser Gleichstrommotor läuft, muss jede Kommutation synchron mit der Position des Rotors stattfinden. Sobald das vorstehend beschriebene Gegen-EMK-Signal den Nullpunkt passiert, wird eine Entscheidung gefällt, zu dem nächsten Schaltmuster umzuschalten, um sicherzustellen, dass eine Fortsetzung der Drehung bewerkstelligt wird. Das Umschalten darf nur erfolgen, wenn sich der Rotor in einer geeigneten Winkelposition befindet. Dies resultiert in einem Regelsystem für Geschwindigkeitsregelung.
Die Beschleunigung oder die Verzögerung des Rotors wird bewerkstelligt, indem die Stärke des sich drehenden Magnetfelds in dem Stator (durch Impulsbreitenmodulations-(PWM)-Verfahren (engl. PWM = pulse width modula tion) erhöht oder verringert wird, da die auf den Rotor wirkende Kraft proportional zur Stärke des Magnetfelds ist. Aufgrund der Rückführung in einem geschlossenen Regelkreis aus dem Gegen-EMK-Sensor hält die Kommutationsfrequenz Schritt mit dem Rotor.
Zur Beibehaltung einer vorgegebenen Geschwindigkeit unter konstanter Last muss die Stärke des Magnetfelds in dem Stator gesteuert/geregelt werden, um sicherzustellen, dass die gewünschte Kommutationsrate beibehalten wird. Um eine vorgegebene Drehgeschwindigkeit unter variierender Last beizubehalten, ist eine entsprechende Änderung der Stärke des Magnetfelds in dem Stator notwendig, um Lastwechsel des Rotors zu kompensieren.
Die in den US-Patenten 4,540,921 und 4,857,814 beschriebene ECM-Technologie erfordert die Verwendung von eigens vorgesehenen Strombegrenzungsschaltungen zur Begrenzung des Stroms, der durch die Schalt-FETs fließen kann, auf sichere Werte. Eine solche Schutzschaltung verteuert das ECM-System und schließt seine Verwendung in leistungsschwächeren, preiswerteren Geräten aus. Da ferner der Motorstrom direkt proportional zur Motorlast variiert, wäre es wünschenswert, eine Motorstrommessung anzuwenden, um das Geräteverhalten in Abhängigkeit von Ereignissen zu steuern/regeln, die Lastwechsel verursachen. Bei der Technologie gemäß dem genannten Stand der Technik würde eine solche Lasterfassung weitere teuere Hardware erfordern.
Die Anwendung der Gegen-EMK-Erfassung zur Bestimmung der Rotorposition hat viele Vorteile, ist aber auch mit dem Problem behaftet, dass die Ausgabe unter Verwendung teuerer Komponenten einer Filterung unterzogen werden muss, um Transienten zu eliminieren, die bei der Kommutation der Statorwicklungen auftreten. Außerdem arbeiten ECM-Systeme dieses Typs allgemein nicht mit einer optimalen Motorleistung, da der Motorstrom der Gegen-EMK vorauseilt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung und/oder einer oder mehrerer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, ein elektronisch gesteuertes/geregeltes Motorsystem zur Verfügung zu stellen, das die vorstehend genannten Nachteile beseitigen kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß besteht die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zum Steuern/Regeln eines elektronisch kommutierten bürstenlosen Gleichstrommotors, bei welchem eine Motorwicklung zu jedem Zeitpunkt energiefrei ist und verwendet wird, um Nulldurchgänge der Gegen-EMK zu erfassen, wobei diese Information benutzt wird, um Wicklungskommutationen zu initiieren, wobei eine Impulsbreitenmodulation der die Kommutationseinrichtungen steuernden Signale angewandt wird, um die Motorbeschleunigung zu steuern/regeln, und wobei unidirektionale Stromeinrichtungen mit den Kommutationseinrichtungen parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Stromimpulses, der aufgrund einer Verteilung von gespeicherter Energie durch die unidirektionalen Stromeinrichtungen erzeugt wird, nachdem dieser Wicklung die Stromzufuhr entzogen wurde, genutzt wird, um ein Maß eines Motorstroms zur Verfügung zu stellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Steuern/Regeln eines elektronisch kommutierten bürstenlosen Gleichstrommotors, bei welchem eine Motorwicklung zu jedem Zeitpunkt energiefrei ist und verwendet wird, um Nulldurchgänge der Gegen-EMK zu erfassen, wobei diese Information benutzt wird, um Wicklungskommutationen zu initiieren, wobei eine Impulsbreitenmodulation der die Kommutationseinrichtungen steuernden Signale angewandt wird, um die Motorbeschleunigung zu steuern/regeln, und wobei unidirektionale Stromeinrichtungen mit den Kommutationseinrichtungen parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Stromimpulses, der aufgrund einer Verteilung von gespeicherter Energie durch die uni direktionalen Stromeinrichtungen erzeugt wird, nachdem dieser Wicklung die Stromzufuhr entzogen wurde, gemessen wird und dass der Augenblick der Kommutation von Strom in den Motorwicklungen über das Stattfinden jedes Gegen-EMK-Nulldurchgangs hinaus verzögert wird, um den Phasenwinkel zwischen dem Motorstrom und der Gegen-EMK zu reduzieren und dadurch die Leistung des Motors zu maximieren, wobei diese Verzögerung als eine Funktion der Zeit zwischen den vorhergehenden Kommutationen und der Stromimpulsdauer berechnet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung in einem elektronisch kommutierten Motorsystem, umfassend:
einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der einen Rotor und einen Stator mit wenigstens einer Phasenwicklung aufweist;
eine Kommutationsschaltung mit einer Gleichstromversorgung, Umschalteinrichtungen, die zur Zuführung von Strom zu wenigstens einer Wicklung oder zu ausgewählten Wicklungspaaren mit der Stromversorgung verbunden sind, und unidirektionale Stromeinrichtungen, die einen Strompfad für die Verteilung von Energie zur Verfügung stellen, die in jeder Wicklung gespeichert wird, nachdem die Stromzufuhr durch eine Umschalteinrichtung beendet wurde;
eine Digitalisierungsschaltung, die die Spannung an der wenigstens einen Wicklung erfasst und diese Spannung mit der Spannung eines Referenzsignals vergleicht, um dadurch Nulldurchgänge der Gegen-EMK zu erfassen, die durch die Drehung des Rotors in der wenigstens einen Wicklung induziert wird;
einen programmierten Digitalprozessor, der einen Speicher und Eingabe- und Ausgabeanschlüsse aufweist, wobei ein erster Anschluss mit dem Ausgang der Digitalisierungsschaltung und eine zweite Gruppe von Anschlüssen mit der Kommutationsschaltung verbunden ist, um dieser Umschaltsteuersignale zuzuleiten;
in dem Speicher gespeicherte Software, um den Prozessor zu veranlassen, die Umschaltsteuersignale zu erzeugen, wobei die Software umfasst:

(a) eine Tabelle, die (i) eine Folge von Kombinationen von Zuständen für jede Umschalteinrichtung in der Kommutationsschaltung speichert, die bei sequentieller und zyklischer Anwendung auf die Umschalteinrichtungen bewirkt, dass die Statorwicklung ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt, und die (ii) eine Folge der möglichen Ausgangszustände der Digitalisierungsschaltung für vorgegebene Winkelpositionen des Rotors speichert, deren jede einer Kombinationen von Zuständen der Umschalteinrichtungen entspricht, die ein Drehmoment in dem Rotor erzeugt, um sicherzustellen, dass die Drehung des Rotors fortgesetzt wird, wenn sich der Rotor in der entsprechenden vorgegebenen Position befindet;
(b) eine Routine zum Wählen jeder gespeicherten Zustandskombination aus der Tabelle und zum Erzeugen von digitalen Umschaltsteuersignalen für jede Umschalteinrichtung, deren Logikpegel den Zuständen der zu einer beliebigen Zeit ausgewählten bestimmten Kombination entsprechen;
(c) eine Routine für eine Impulsbreitenmodulation der Umschaltsteuersignale, um dadurch den Effektivstrom (engl. RMS = root mean square) in den Statorwicklungen zu steuern/regeln;
(d) eine Routine zum Einstellen der Tastverhältnisse der Impulsbreitenmodulation nach Maßgabe eines gespeicherten Tastverhältnis-Werts;
(e) eine Positionsbestimmungs-Routine, die den Ausgang des Digitalisierers liest und hieraus die Winkelposition des Rotors bestimmt;
(f) eine Routine für den Aufruf der Auswahlroutine zum Auswählen der gespeicherten Zustandskombination entsprechend jeder erfassten Position des Rotors, um die Drehung des Rotors fortzusetzen;
(g) eine Geschwindigkeitsbestimmungs-Routine, die den Ausgang des Digitalisierers liest und hieraus die Winkelgeschwindigkeit des Rotors bestimmt;
(h) eine Tabelle zum Speichern von Werten gewünschter Rotorgeschwindigkeiten;
(i) eine Routine zum Vergleichen der bestimmten Rotorgeschwindigkeit mit dem Wert der gewünschten Rotorgeschwindigkeit, um einen Geschwindigkeits-Fehlerwert zu erzeugen;
(j) eine Routine zum Empfangen des Geschwindigkeits-Fehlerwerts und zum Aktualisieren des gespeicherten Werts des Tastverhältnisses, um ihn zu erhöhen, wenn die Rotorgeschwindigkeit niedriger als die gewünschte Geschwindigkeit ist, und um ihn zu verringern, wenn die Rotorgeschwindigkeit höher als die gewünschte Geschwindigkeit ist;
(k) eine Impulsdauer-Bestimmungsroutine, die den Ausgang des Digitalisierers liest und hieraus die Dauer des Impulses bestimmt, der während der Verteilung von gespeicherter Energie nach Beendigung der Stromzufuhr zu jeder Wicklung durch eine Umschalteinrichtung in jeder Phasenwicklung erzeugt wird;
(l) eine Routine zum Vergleichen der so bestimmten Impulsdauer mit einem gespeicherten vorgegebenen Maximalwert einer Impulsdauer, um einen Wert zu erzeugen für die Einstellung des gespeicherten Tastverhältnis-Werts auf einen reduzierten Wert, wenn die so bestimmte Dauer größer als der Maximalwert ist; und
(m) eine Routine, die den Verkleinerungswert liest und den momentan gespeicherten Tastverhältnis-Wert aktualisiert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltungsdiagramm eines elektronisch kommutierten bürstenlosen Gleichstrommmotors mit drei Wicklungen.
2 zeigt die Sequenz von Zuständen für die Kommutationsschalter, um eine Drehung des Motors von 1 in Uhrzeigerrichtung zu veranlassen.
3 ist ein Blockschaltbild eines bürstenlosen Gleichstrommotors und einer Steuerung/einem Regler gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Wellenformdiagramm, das die Spannung über einer Phase des Motors von 3 zeigt.
5 ist ein Teilschaltungsdiagramm, das die Motorstrompfade durch die Wicklungen darstellt.
6 ist ein Graph der Motorleistung bei verschiedenen Motorströmen.
7 ist ein Wellenformdiagramm, das den Motorwicklungsstrom und eine Gegen-EMK darstellt.
8 ist ein Schaltungsdiagramm für den in 3 gezeigten Digitalisierer der Gegen-EMK.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
3 zeigt das Motor-Steuer-/Regelsystem der vorliegenden Erfindung in Form eines Blockschaltbildes. Die wesentlichen Hardware-Blöcke sind ein Permanentmagnet-Motor 21 mit drei Wicklungen, eine Motorwicklungs-Kommutationsschaltung 22, ein Schaltnetzteil 23, ein Gegen-EMK-Digitalisierer 24 und ein Mikrocomputer 25. Die Blöcke in dem Mikrocomputer 25 repräsentieren Funktionen, die durch nachstehend beschriebene Softwareroutinen ausgeführt werden.
Das vorliegenden ECM-System wird im Zusammenhang mit einem Motor beschrieben, der einen Stator mit drei Wicklungen (oder Phasen) A, B und C und sechs vorspringende Pole hat. Auch andere Stator-Konfigurationen könnten verwendet werden. Der Motor hat einen Permanentmagnet-Rotor mit vier Po len, wenngleich auch eine andere Polzahl gewählt werden könnte. Die Wicklungen A, B und C sind in dieser Ausführungsform sterngeschaltet, wie in 3 angegeben.
Die Kommutationsschaltung 22 weist ein Paar Umschalteinrichtungen in Form von Feldeffekt-Leistungstransistoren (FETs) auf, die über die Gleichstromversorgung 23 geschaltet sind, um jede der Wicklungen A, B und C in der mit Bezug auf die 1 und 2 bereits beschriebenen Weise zu kommutieren. Jede der sechs Umschalteinrichtungen, die den oberen und den unteren Schalter für jede Motorphase bilden, wird durch Torsignale a+, a–, b+, b–, c+, c– geschaltet, die durch den Mikrocomputer 25 erzeugt werden. Das Schaltnetzteil 23 stellt die Gleichspannung zur Verfügung, die über jedes Umschalteinrichtungspaar angelegt wird.
Der Gegen-EMK-Digitalisierer 24 empfängt Eingangssignale von dem gewählten Ende jeder der Motorphasen A, B und C zum Zweck der Überwachung der durch den Rotor induzierten Gegen-EMK (gegenelektromotorischen Kraft). Der Ausgang aus der Motorwicklung, die zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt nicht mit Strom aus der Kommutationsschaltung 22 gespeist wird, wird zu diesem Zweck verwendet. Die angewandte Erfassung der Gegen-EMK wurde bereits mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. Der Gegen-EMK-Digitalisierer 24 liefert an seinem Ausgang ein digitales Mischsignal, das repräsentativ ist für die Analogsignale an seinen drei Eingängen, und leitet durch bekannte Komparator-Techniken diese Logikpegel ab. Das Ausgangssignal enthält logische Übergänge, die den "Nulldurchgängen" der individuellen analogen Gegen-EMK-Spannungen entsprechen, während ein Rotorpol einen dieser Phase zugeordneten Wicklungspol passiert. Dieser Ausgang enthält auch andere Informationen, wie das nachstehend beschrieben wird.
Eine geeignete Schaltung für den Gegen-EMK-Digitalisierer 24 ist in 8 dargestellt. Ein Komparator 51 wird mit einer Referenzspannung V_ref am Ein gang 56 und mit Gegen-EMK-Spannungen von den drei Motorwicklungen A, B und C am Eingang 55 versorgt. Wenn der Pegel des zusammengesetzten Wicklungsspannungssignals an dem Eingang 55 V_ref übersteigt (um einen Nulldurchgangspunkt zu bilden), ändert der Ausgang 57 des Komparators den Zustand und digitalisiert dadurch ausreichend große Exkursionen des Wicklungsspannungssignals.
Widerstände 52 bis 54 kombinieren die Wicklungsspannungen, und der Ausgang des Komparators wird deshalb durch die Spannung über allen drei Wicklungen bestimmt. Der zwei Zustände aufweisende Ausgang 57 des Komparators wird dem Mikroprozessoranschluss 27 zugeführt. Wie bereits erwähnt wurde, ist es die Spannung über der nicht kommutierten Wicklung, die für die Rotorposition und andere Steuer-/Regelzwecke nützlich ist, aber da die Kommutation durch den Mikroprozessor bestimmt wird, weiß man zu einem beliebigenen gegebenen Zeitpunkt, welche Wicklung keinen Motorstrom führt, und dadurch wird ein Zeitfenster gebildet, das in einem beliebigen gegebenen Zeitintervall bestimmt, welche Wicklungsspannung im Ausgang des Digitalisierers widergespiegelt wird.
In der Startroutine reicht die Größe der Gegen-EMK in der unbenutzten Wicklung nicht aus, um den Zustand des Komparators 51 zu ändern, und es kann keine Kommutations-Regelung angewendet werden. Der Wert von V_ref (der ein nicht konstanter Wert sein kann) und der Wert des Widerstands 58 sind derart gewählt, dass die Hysterese des Digitalisierers so eingestellt ist, dass Übergänge des Nulldurchgangszustands bei der gewünschten Rotorgeschwindigkeit für das Umschalten auf selbsttätige Regelung am Ausgang 57 erscheinen. Diese könnte für manche Anwendungen typisch 350 U/min betragen.
Die Motorsteuerung/regelung bei vorliegender Erfindung wird durch einen einzigen programmierten Mikroprozessor durchgeführt, der die Schaltsignale für die Kommutationsschaltung 22 direkt bereitstellt, ohne notwendige zusätzliche Lo gik oder "Stromlenkungs"-Schaltungen. Die erforderliche Impulsbreitenmodulation des Stroms in den Motorwicklungen wird ebenfalls durch den Mikroprozessor 25 durchgeführt.
Der Mikroprozessor 25 ist typisch eine CPU (central processing unit = Zentraleinheit) mit 8 Bit und einem einzigen Chip, wobei ein geeigneter Typ das Modell TMS370 von Texas Instruments ist. Die Hardwarekomponenten des Mikroprozessors wie die CPU, der Bus, der Taktgeber, das RAM und das ROM sind in 3 nicht dargestellt, da diese wesentlichen Komponenten von Mikrocomputern hinreichend bekannt sind. Zur Unterstützung der Erläuterung repräsentieren die innerhalb des Mikrocomputers 25 jeweils dargestellten Blöcke vielmehr eine Steuer-/Regelfunktion, die von einer Softwareroutine durchzuführen ist, die von dem Mikroprozessor 25 ausgeführt wird, oder sie repräsentieren alternativ dazu eine Datentabelle oder eine Datenspeicherstelle in dem Speicher.
Kommutationsschaltmuster, wie sie in 2 dargestellt sind, sind zusammen mit einer zweiten Sequenz von Schaltmustern für die Erzeugung einer Motordrehung entgegen dem Uhrzeigersinn in einer Tabelle 28 gespeichert. Steuerimpulse für die Kommutationsschalter werden durch die Routine 29 für die Erzeugung eines Kommutations-Steuerimpulses synthetisch hergestellt, wobei die Routine einen Zeigerwert enthält, der auf die Stelle des Schaltzustandsmusters in der Tabelle 28 zeigt, welches notwendig ist, um die nächste Kommutation für die benötigte Drehrichtung des Motors 21 herbeizuführen. Es müssen sechs Kommutations-Antriebssignale synthetitisiert werden, wenngleich pro Kommutation nur zwei davon den Zustand ändern.
Eine Startroutine 30 in einer initialen Phase "taktet" den Zeiger 29 mit einer konstant niedrigen Frequenz (oder einer zwar niedrigen, doch langsam ansteigenden Frequenz) im wesentlichen durch eine Schaltmustersequenz. Dies kommutiert die Statorphasen, so dass ein sich drehendes Magnetfeld erzeugt wird, mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend hoch ist, um die Hysterese des Digitalisierers zu überwinden. Der Permanentmagnet-Rotor folgt dem sich drehenden Statorfeld.
Wenn sich der Motor mit einer Geschwindigkeit dreht, die ausreicht, um ein digitales Gegen-EMK-Signal am Eingangsanschluss 27 von jeder unbenutzten Phasenwicklung zu erzeugen, zweigt die Motorstartroutine von dem beschriebenen Modus der Steuerung ab zu einem Modus der selbsttätigen Regelung. Hierzu ist es erforderlich, dass eine Positionserfassungsroutine 31 das zusammengesetzte digitale Gegen-EMK-Signal an dem Eingangsanschluss 27 liest und unter Verwendung von Informationen über die in dem Augenblick gerade kommutierten Phasen die durch die Gegen-EMK bedingten Übergänge in der unbenutzten Phase bestimmt und jedem "Nulldurchgang" in jeder Phase folgend ein paralleles Muster oder digitales Wort erzeugt und dieses Muster an die Routine 29 übermittelt. Durch den Zugriff auf eine Nachschlagetabelle innerhalb der Tabelle 28 findet diese Routine in der Tabelle das Kommutationsschaltmuster, das für eine Anwendung geeignet ist, um im Hinblick auf die Rotorposition, wie diese durch das durch die Routine 31 bereitgestellte Muster angegeben ist, eine effiziente fortgesetzte Drehung des Motors sicherzustellen. Dadurch bestimmt die Position des Rotors die Kommutation der Statorphasen.
Die synthetisierten Kommutations-Steuerimpulse sind impulsmoduliert, wenn sie in die Kommutationsschaltung 22 eingespeist werden. Das heißt, eine Routine 32 belegt die durch die Routine 29 synthetisierten Impulse mit einem Tastverhältnis, das für die Kommutationseinrichtungen geeignet ist, durch welche der Motorstrom nach Maßgabe des vorliegenden, an dem Speicherort 33 gespeicherten Tastverhältnis fließen muss. Das Tastverhältnis wird variiert, um den Motor 21 zu beschleunigen oder zu verzögern und um variierende Motorlasten zu kompensieren, da das Rotordrehmoment proportional zu dem Motorstrom ist und dieser durch das Tastverhältnis der Impuisbreitenmodulation (PWM) bestimmt wird.
Eine Geschwindigkeitserfassungsroutine 34 liest die Gegen-EMK-Nulldurchgangsmuster und bestimmt in Verbindung mit einer Timer-Routine 36 einen für die Winkelgeschwindigkeit des Rotors repräsentativen Wert. Die Routine 37 vergleicht diesen Wert mit einem vorgegebenen Geschwindigkeitswert, n, der in der Tabelle 38 gespeichert ist. Ist die berechnete Rotorgeschwindigkeit kleiner als n, wird der an dem Speicherort 33 gespeicherte Wert des Tastverhältnisses vergrößert (angenommen um 1%), und wenn die berechnete Rotorgeschwindigkeit größer als n ist, wird das Tastverhältnis verkleinert (angenommen um 1%). Der aus der Tabelle 38 ausgewählte vorgegebene Geschwindigkeitswert hängt von der Motoranwendung zu einer bestimmten Zeit ab. In einem nachfolgend diskutierten Beispiel beträgt eine typische vorgegebene Betriebsgeschwindigkeit 3000 U/min.
Um die Umschalteinrichtungen der Kommutationsschaltung zu schützen, muss eine Strombegrenzungsfunktion vorgesehen werden. Wie nachstehend mit Bezug auf 6 näher erläutert wird, haben die Anmelder entdeckt, dass der Effektivstrom des Motors (RMS-Motorstrom, d. h. ein Strom in einem beliebigen Paar geschalteter Phasen zu einer beliebigen Zeit) direkt proportional zur Zeitdauer des Freilaufstroms ist, der in jeder Wicklung fließt, nachdem die Speisung von einem Kommutationsschalter beendet wurde. Dieser Strom ist natürlich bedingt durch die hinreichend bekannte Eigenschaft von Induktoren, Energie zu speichern, und durch die Notwendigkeit, diese Energie nach dem Entfernen der angelegten Spannung zu verteilen. Wie im Stand der Technik hinlänglich bekannt ist, sind "Freilauf"-Dioden mit den Kommutations-Umschalteinrichtungen parallelgeschaltet, um einen solchen Stromfluss zu ermöglichen.
Basierend auf dieser Entdeckung wird der in jeder unbenutzten Wicklung auftretende Stromimpuls durch die Routine 40 aus dem Ausgang des Gegen-EMK-Digitalisierers 24 extrahiert, wobei die Routine 40 in Verbindung mit dem Timer 36 die Zeitdauer eines jeden Freilauf-Stromimpulses bestimmt. Eine erste Entscheidungsroutine 41 stellt fest, ob die Impulsbreite CP größer ist als ein am Speicherort 42 gespeicherter vorgegebener Wert T₁, der einem Wert des Motorstroms entspricht, der an dem kritischen Höchstlimit für die Kommutationseinrichtungen liegt. Wenn dies zutrifft, wird an dem Speicherort 43 ein Wert eingestellt, der ein PWM-Tastverhältnis mit einer minimalen AN-Zeit festlegt. In dem nachstehend erläuterten Beispiel könnte dieses typisch 17% betragen. Wenn die Impulsbreite weniger als T₁ beträgt, stellt eine zweite Entscheidungsroutine 50 fest, ob die aktuelle Impulsbreite die Dauer eines weiteren niedrigeren vorgegebenen Werts T₂, der am Speicherort 42 gespeichert ist und der einem normalen maximalen sicheren Betriebsstrom entspricht, überschreitet, und falls ja, wird ein Wert 44 verwendet, um den PWM-Tasfverhältniswert 33 zu erniedrigen. Eine typische Erniedrigung könnte 5% betragen. Wenn die Stromimpulsdauer weniger als T₂ ist, ist keine Strombegrenzung notwendig, und die Steuerung/Regelung des PWM-Tastverhältnisses wird an die Geschwindigkeits-Entscheidungsroutine 37 übergeben.
Bei vielen Anwendungen kann der Grad der auf den Motor 21 wirkenden Last oder ein Lastanstieg eine nützliche Information für die Steuerung/Regelung des Prozesses bilden, in dem das ECM-System eingesetzt wird. Jede Änderung der Motorlast wird in einer Änderung des Motorstroms reflektiert, und es kann die Stromimpuls-Messroutine 40 angewandt werden, um Informationen einer solchen Erfassung bereitzustellen. Einer Lastüberwachungsroutine 45 wird durch die Routine 41 der Wert der aktuell bestimmten Stromimpulsbreite übermittelt, und durch ein Feststellen plötzlicher Änderungen der Impulsbreite oder durch ein Bestimmen, dass die Impulsbreite einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht hat, können einer externen Steuerung/einem externen Regler über die Ausgangsanschlüsse 46 nützliche Ausgaben zugeführt werden. Falls der Motor zum Beispiel in einem Geschirrspüler verwendet wird, um eine Spülflüssigkeitspumpe anzutreiben, kann der Wasserstand festgestellt werden, indem der plötzliche Anstieg des Motorstroms erfasst wird, wenn die Pumpe beginnt, Wasser auf der Ansaugseite anzusaugen.
Bei ECM-Systemen des beschriebenen Typs wird eine maximale Laufleistung des Motors 21 nicht erreicht, weil der Phasenstrom zu der Gegen-EMK führt, so dass Strom- und Spannungsspitzen nicht koinzidieren. Hier wird erfindungsgemäß Abhilfe geschaffen durch ein Berechnen einer Zeit, die zum Verzögern des Schaltens der Phasen nach der Erfassung des Nulldurchgangs verwendet wird. Daher führt ein Verzögerungsalgorithmus 47 (nachstehend ausführlicher beschrieben) eine Kommutationsverzögerung ein, um zu bewirken, dass die Spannungs- und Stromspitzen in den Motorwicklungen koinzidieren, um dadurch die Motorleistung zu optimieren.
Das Ausgangssignal aus dem Gegen-EMK-Digitalisierer 24 enthält Transienten, die mit dem Stattfinden der Kommutation konizidieren. Anstelle der Verwendung von Hardware-Filtern werden diese Transienten erfindungsgemäß durch Software herausgefiltert. Die Routine 48 liest die Signale an den Eingangsanschlüssen 27, unterbricht aber die Lesefunktion bei jeder stattfindenden Kommutation unter Verwendung von zeitbezogenen Informationen über die Kommutation von der Routine 29.
Die Funktionsweise der vorstehend angegebenen speziellen Routinen wird in den folgenden Abschnitt ausführlicher beschrieben.
Motorstart-Routine
Der Motorstart erfolgt durch die Routine 30 in zwei Stufen. Die erste Stufe beinhaltet das Starten der Drehung des Magnetfeldes in dem Stator. Dies wird erreicht, indem die Schaltmuster (2) entweder für eine Drehung in Uhrzeigerrichtung oder entgegen der Uhrzeigerrichtung durchgearbeitet werden. Der Permanentmagnet-Rotor folgt dabei dem sich drehenden Feld in dem Stator. In dieser Stufe befindet sich das System im Zustand der Steuerung.
Die Endgeschwindigkeit des sich drehenden Magnetfelds bei Abschluss der ersten Stufe wird durch die minimale Gegen-EMK bestimmt, die der Digitalisierer 24 für die Erfassung der Drehung des Rotors benötigt. Die Größe der Gegen-EMK steht in direktem Zusammenhang mit der Drehgeschwindigkeit des Rotors. Findet keine Drehung statt, ist die Gegen-EMK gleich Null. Alternativ dazu ist die Gegen-EMK umso größer, je schneller die Drehung ist. Es gibt jedoch einen Punkt, an dem die Geschwindigkeit des. sich drehenden Feldes in dem Stator im Zustand der Steuerung zu schnell ist für den Rotor, um "aufholen" zu können. Dies führt dazu, dass der Motor nie richtig startet. Das obere Geschwindigkeitslimit wird bestimmt durch die Trägheit des Rotors. In einer Anwendung der bevorzugten Ausführungsform beträgt die initiale Startgeschwindigkeit 330 U/min.
Bei 330 U/min wird eine Gegen-EMK erzeugt, die ausreicht, um einen Regelungsvorgang zu ermöglichen. Wie in der Beschreibung des Standes der Technik erwähnt, wechselt die Software in Abhängigkeit von der Gegen-EMK nun nur noch auf das nächste gespeicherte Schaltmuster. Die 4 zeigt, wie die Spannung über Phase B bei jedem Schaltmuster variiert. Die Position des Rotors wird bestimmt, wenn die Gegen-EMK-Wellenform eine Referenzspannung V_ref für den Digitalisierer 24 kreuzt. Die Software entscheidet dann über die optimale Zeit für einen Wechsel zum nächsten Schaltmuster. Unterliegt die Geschwindigkeit des Rotors einer Regelung, findet eine Kommutation nicht statt, ehe ein Gegen-EMK-"Referenzdurchgang" stattgefunden hat.
Die zweite Stufe in der Startroutine beinhaltet ein Erhöhen der Geschwindigkeit des Rotors bis zur gewünschten Betriebsgeschwindigkeit durch ein Erhöhen des PWM-Tastverhältnisses, wie das in der Beschreibung des Standes der Technik ausgeführt wurde.
Geschwindigkeits-Steuerung/Regelung
Im Zustand der Regelung "folgen" die Kommutationen dem Rotor. In einer Anwendung der bevorzugten Ausführungsform sind 3000 U/min die gewünschte Drehgeschwindigkeit. Dies entspricht 0,02 Sekunden pro Umdrehung des Rotors. In einer Ausführungsform ist das Motorsystem vorgesehen zum Steuern/Regeln eines Motors, der einen vierpoligen Rotor und einen sechspoligen Stator hat. Bei einem solchen Motor sind zwei "elektrische" Umdrehungen oder komplette Gegen-EMK-Zyklen notwendig, damit der Motor eine mechanische Umdrehung macht. Jede elektrische Umdrehung erfordert sechs Kommutationen. Das bedeutet, dass die Zeit zwischen Kommutationen 1,667 ms beträgt. Um die Drehgeschwindigkeit von einer initialen Startgeschwindigkeit von 330 U/min auf 3000 U/min zu erhöhen, muss der Strom in dem Stator erhöht werden, bis die Kommutationsrate gleich 1,667 ms ist.
Sobald sich der Rotor einmal mit seiner Betriebsgeschwindigkeit dreht, beeinflusst jede Variaton der auf den Rotor wirkenden Last seine Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeitsänderungen werden durch ein Variieren des PWM-Tastverhältnisses in der bereits beschriebenen Weise kompensiert, um sicherzustellen, dass die gewünschte Drehgeschwindigkeit stets beibehalten wird.
Die Software ändert den Wert des PWM-Tastverhältnisses in zwei unterschiedlichen Stufengrößen. Zum Beispiel:

1. Wenn die Motorgeschwindigkeit innerhalb von 10% der gewünschten Geschwindigkeit liegt, wird die PWM-Rate um 1% geändert.
2. Wenn die Motorgeschwindigkeit nicht innerhalb von 10% liegt, wird die PWM-Rate um 5% geändert.

Die genannten Geschwindigkeiten stellen ein Anwendungsbeispiel der Erfindung dar. Es können viel höhere Geschwindigkeiten für andere Anwendungen gewählt werden.
Freilauf-Stromimpuls
Die Routinen 40, 41, 50 für die Begrenzung des Umschalteinrichtungsstroms nutzen den Feilauf-Stromimpuls. Dies wird mit Bezug auf 5 (die eine vereinfachte Version von 1 ist) und 4 erläutert. 5 zeigt in den Phasen und A und C fließenden Strom. Dies entspricht dem angeschalteten oberen Schalter (A+) der Phase A und dem angeschalteten unteren Schalter 3 (C–) der Phase C. Dieser Strom ist anhand des durchgezogenen Pfeils dargestellt.
Der gestrichelte Pfeil repräsentiert den aufgrund des Schaltmusters der vorhergehenden Kommutation fließenden Strom. Bei der vorhergehenden Kommutation waren der Schalter 1 (A+) und 2 (B–) an (siehe 2). Wenn der Leistungsschalter 2 (B–) abgeschaltet und der Schalter 3 (C–) angeschaltet würde, könnte sich der Strom in dem Induktor von Phase B nicht augenblicklich auf Null reduzieren. Der Induktor erhält den Stromfluss aufrecht. Dies erhöht die Spannung am Ende von Phase B, bis die mit dem oberen Schalter 4 parallele Freilaufdiode 5 zu leiten beginnt. An diesem Punkt ist die "Phasenend"-Spannung an V –0,6 Volt geklemmt, und der Strom fließt aus dem Induktor von Phase B. Dieser "Freilaufstrom" entsteht jedesmal, wenn ein Schalter abgeschaltet wird. Wenn sich der Strom auf Null reduziert hat, hört die Diode auf zu leiten, und die Spannung über Phase B ist alleine auf die Gegen-EMK zurückzuführen. Die Freilaufstromimpulse für Phase B sind in 4 mit "CP" bezeichnet.
Wenn in einer Phase Strom fließt, kann die Gegen-EMK nicht erfasst werden. Der Freilaufstrom verursacht eine Diskontinuität bei der Erfassung der Gegen- EMK. Dies wird hier als "Stromimpuls" bezeichnet. Die Wellenform der Spannung von Phase B ist in 4 gezeigt, und die Stromimpulse sind deutlich erkennbar.
Stromsteuerung/-regelung
Der durch die Kommutationsschalter fließende Strom muss auf sichere, für die verwendeten Umschalteinrichtungen angemessene Höhen begrenzt werden. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Limits für FETs, die als Umschalteinrichtungen verwendet werden, 2 Ampere im eingeschwungenen Zustand und 4 Ampere kontinuierlich gepulst. Der Maximalstrom in jeder Wicklung wird durch die Differenz zwischen der Schienenspannung und der in der Wicklung erzeugten Gegen-EMK geteilt durch den Widerstand der Wicklung bestimmt.
Die Rate des Stromanstiegs wird bestimmt durch die Induktivität in der Wicklung.
Um sicherzustellen, dass der Spitzenstrom durch die Kommutationseinrichtungen beim Start stets unter 4 Ampere ist, wird das PWM-Tastverhältnis auf einem Minimalwert gehalten. Dieser Minimalwert stellt auch das beim Start zugelassene maximale Drehmoment ein. Die Trägheit des Rotors und eine angeschlossene Last müssen ausreichend gering sein, um sicherzustellen, dass das beim Start zulässige maximale Drehmoment den Motor starten kann.
Der initiale PWM-Wert wird gewählt, um sicherzustellen, dass ein ausreichendes Startdrehmoment vorliegt, um die Trägheit des Rotors und jede initiale Last zu überwinden. Dieser Wert wird auf einer Basis von Kommutation um Kommutation gemäß vier Kriterien geändert:

1. Begrenzen des PWM auf einen vordefinierten "sicheren" Wert, wenn der Motorstrom kritisch wird.
2. Verringern des PWM, wenn der Motorstrom das kritische Limit erreicht.
3. Erhöhen des PWM, wenn der Motor zu langsam ist.
4. Verringern des PWM, wenn der Motor zu schnell ist.

6 zeigt Graphen, die die Motorleistung in dem bereits beschriebenen System angeben. Die Hyperbeln sind Graphen eines Drehmoments im Verhältnis zur Rotorgeschwindigkeit für verschiedene PWM-Tastverhältnisse (z. B. 9%, 18%, 27% etc.). Die mehr oder weniger horizontalen Kurven sind Darstellungen des Umschalteinrichtungs-Effektivstroms bei einem gegebenen Prozentsatz des PWM-Tastverhältnisses und bei einer gegebenen Rotorgeschwindigkeit.
Diese Graphen zeigen:

1. Ein lineares Verhältnis zwischen dem PWM-Tastverhältnis und dem Motorausgangsdrehmoment.
Deshalb:
Bei einer konstanten Geschwindigkeit (angenommen 314 rad/sek. oder 3000 U/min) bleibt V_Gegen-EMK konstant. Eine Variation von I_Motor (über verschiedene PWM-Tastverhältnisse) bewirkt, dass das Drehmoment des Motors in einem angemessen linearen Verhältnis variiert. Das bedeutet, dass das Verhältnis zwischen dem PWM-Tastverhältnis und der Lastvariation bei einer gegebenen Geschwindigkeit linear ist.
2. Ein minimales PWM-Tastverhältnis, um sicherzustellen, dass der Motorstrom 4 Ampere nicht übersteigt. Sämtliche PWM-Tastverhältnis-Kurven von 30% oder weniger kreuzen nie die horizontale 4 Ampere-Linie. Das bedeutet, dass ungeachtet der Rotorgeschwindigkeit der Motorstrom bei diesen Tastverhältnissen 4 Ampere nicht überschreitet. Dies bestimmt einen maximalen PWM-Wert beim Start und bei Fehlerzuständen des Motors.
3. Ein normaler Betrieb verursacht nicht, dass der Motorstrom 2 Ampere Effektivstrom (RMS) überschreitet. Bei einer Geschwindigkeit von 314 rad/sek. (3000 U/min) und einem PWM-Tastverhältnis von 100% zeigen die Graphen, dass der Strom in dem Motor 2 Ampere Effektivstrom (RMS) nicht überschreitet.

6 zeigt ebenfalls einen Graph eines Effektiv-(RMS)-Motorstroms (rechts die Y-Achse – in Ampere gemessen) im Verhältnis zur Dauer des Stromimpulses (in ms gemessen). Dieser Graph zeigt, dass die Dauer der Stromimpulse direkt proportional zu dem Effektivstrom (RMS) in dem Motor ist. Dies ermöglicht eine Bestimmung des Effektivstroms (RMS) in dem Motor durch ein Messen der Dauer des Stromimpulses. Dadurch wiederum kann eine eigens dafür vorgesehene Hardware in Form von Strombegrenzungsschaltungen, die für elektronisch gesteuerte/geregelte Motoren typisch ist, entfallen.
Stromlimit
Ein Stromlimit wird erreicht durch eine Begrenzung des Werts 33 des PWM-Tastverhältnisses bei Fehlerzuständen oder unter Startbedingungen auf 17%. Ein Fehlerzustand wird erfasst, wenn die Routine 50 aus den Daten, die sie von der Routine 40 übermittelt bekommt, feststellt, dass die Dauer des Stromimpulses 1 ms ist. Dies entspricht etwa 3 Ampere Effektivstrom (RMS), der durch die FETs fließt. Wenn dieser Zustand erfasst wird, wird der Wert der Einschaltdauer sofort auf 17% begrenzt, und die Software versucht, den Motor auf volle Geschwindigkeit zurückzustellen. Wenn eine vorgegebene Anzahl von Versuchen, den Motor auf volle Geschwindigkeit zurückzustellen, fehlschlägt, setzt die Software ein Fehlerflag für den Benutzer.
Stromauslösung
Die Stromauslösung wird durch das Schaltnetzteil (SMPS = engt. switch mode power supply) 23 ermöglicht. Wenn der Strom in dem ersten Induktor über 2,25–3,15 Ampere ansteigt, schaltet der obere Schalter aus, bis der nächste Zyklus des Schaltnetzteils initiiert wird. Dies begrenzt den auf den zweiten Induktor übertragbaren Energiebetrag.
Der für das Auftreten dieses Zustands typische Fehler ist, dass ein oberer und ein unterer FET aufgrund eines Verlusts der Steuerung/Regelung durch die Software oder aufgrund eines Hardwarefehlers gleichzeitig an sind. Die Strommenge, die durch die FETs fließt, ist davon abhängig, wie viel Energie in dem zweiten Induktor des Transformators und in dem Glättungskondensator über der 40 V-Schiene ist. Die Spitzenenergie, die N Kanal-FETs insbesondere handhaben können, ehe sie beschädigt werden, beträgt 30 mJoules.
Optimieren der Motorleistung
Die Funktion des Algorithmus 47 ist, die Gegen-EMK und die Wellenformen des Stroms in gleicher Phase zu halten, um die Motorleistung zu optimieren, wie durch die Motorleistungsgleichung angegeben: LeistungMotor = VGegen-EMK × IMotor × cos(Phasenwinkel)
Um den Phasenwinkel so klein wie möglich zu halten, muss jede Kommutation um einen Zeitbetrag verzögert werden, der für die vorgehende Kommutation spezifisch ist.
Die Gleichung für die Berechnung dieser dynamischen Kommutation lautet:
Diese Gleichung kann graphisch hergeleitet werden. 7 zeigt zwei Spuren. Die Sinusspur ist die während des schnellen Drehens des Permanentmagnets in der Statorwicklung induzierte Gegen-EMK. Die trapezförmige Spur I_Phase ist der durch eine gegebene Wicklung fließende Strom. Das Ziel ist, dass t₁ = t₆ wird. Dies stellt sicher, das die Wellenform des Stroms hinsichtlich der Wellenform der Gegen-EMK zentriert ist, um den Phasenwinkel zu minimieren.
Zeit zwischen Kommutationen (TBC) = t5 + t6 + t7 deshalb t6 = TBC – t5 – t7 umordnen und erkennen, dass t7 = t1 = t6 t6 + t7 = TBC – t5 2t6 = TBC – t5
Dabei ist:
t₆ die optimale Verzögerung
t₅ die Stromimpulsdauer
TBC die Stromkommutationsrate
Dieser Algorithmus wird dynamisch mit jeder Kommutation durchgeführt. Bei Anwendungen mit einem Betrieb bei im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit jedoch können die Verzögerungszeitwerte vorausberechnet und in den Mikroprozessor 25 vorab eingegeben werden, um während jedes Betriebsmodus des Motors angewendet zu werden. Die Berechnung erfolgt in diesem Fall mit einem Zeitwert zwischen Kommutationen auf der Basis einer gewünschten Kommutationsrate und einem Wert einer Stromimpulsdauer, der von einem Computer gebildet oder angenommen wird.
Das vorliegende Motorsystem kann mit relativ niedrigen PWM-Raten implementiert werden und kann einen geräuscharmen Betrieb erreichen. Die Verwendung von Motoren mit hoher Induktivität (vorspringende Pole zum Beispiel) ermöglicht die Verwendung von niedrigen PWM-Raten.

Claims

Verfahren zum Steuern eines elektronisch kommutierten bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem zu jedem Zeitpunkt eine Motorwicklung energiefrei ist und genutzt wird, um Gegen-EMK-Nulldurchgänge zu detektieren, deren Information zum Auslösen von Wicklungskommutationen genutzt wird, wobei eine Impulsbreitenmodulation der die Kommutationseinrichtungen steuernden Signale zum Steuern einer Motorbeschleunigung genutzt wird und wobei unidirektionale Stromeinrichtungen mit den Kommutationseinrichtungen parallelgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Stromimpulses, welcher in dieser Wicklung aufgrund der Verteilung von gespeicherter Energie durch die unidirektionalen Stromeinrichtungen erzeugt wird, nachdem die Stromversorgung von dieser Wicklung entfernt wurde, für eine Messung eines Motorstroms genutzt wird.
Verfahren zum Steuern eines elektronisch kommutierten bürstenlosen Gleichstrommotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Motorstroms das Impulsbreitenmodulations-Tastverhältnis steuert, um den Motorstrom auf sichere Werte zu begrenzen.
Elektronisch kommutiertes Motorsystem mit: – einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Rotor und einem Stator mit wenigstens einer Phasenwicklung; – einer Kommutationsschaltung mit einer Gleichstrom-Energieversorgung, Umschalteinrichtungen, die mit der Energieversorgung verbunden sind, um an die wenigstens eine Wicklung oder an ausgewählte Paare von Statorwicklungen einen Strom zu liefern, und unidirektionalen Stromeinrichtungen, welche einen Strompfad liefern, um Energie zu verteilen, die in jeder Wicklung gespeichert wird, nachdem die Stromversorgung durch eine Umschalteinrichtung beendet wurde; – einer Digitalisierungsschaltung, welche die Spannung an der wenigstens einen Wicklung misst und die Spannung mit einer Referenzsignalspannung vergleicht, um hierdurch Nulldurchgänge der Gegen-EMK zu detektieren, die in der wenigstens einen Wicklung aufgrund der Drehung des Rotors induziert wird; – einem programmierten Digitalprozessor mit einem Speicher und Eingangs-Ausgangs-Anschlüssen, wobei ein erster Anschluss mit dem Ausgang der Digitalisierungsschaltung und eine zweite Gruppe von Anschlüssen mit der Kommutationsschaltung verbunden ist, um dorthin Umschaltsteuersignale zu liefern; – Software, die in dem Speicher gespeichert ist, um den Prozessor zu veranlassen, die Umschaltsteuersignale zu erzeugen, wobei die Software die folgenden Merkmale aufweist: a) eine Tabelle zum Speichern von (i) einer Folge von Kombinationen von Zuständen für jede Umschalteinrichtung in der Kommutationsschaltung, welche die Statorwicklung veranlasst, ein sich drehendes Magnetfeld zu erzeugen, wenn sie sequentiell und zyklisch auf die Umschalteinrichtungen angewandt wird, und (ii) einer Folge der möglichen Ausgangszustände der Digitalisierungsschaltung für vorbestimmte Winkelpositionen des Rotors, die jeweils einer Kombination von Umschalteinrichtungszuständen entsprechen, die in dem Rotor ein Drehmoment erzeugen, um eine Fortsetzung der Drehung sicherzustellen, wenn der Rotor in der entsprechenden vorbestimmten Position ist; b) eine Routine zum Auswählen jeder gespeicherten Zustandskombination aus der Tabelle und zum Erzeugen von digitalen Umschaltsteuersignalen für jede Umschalteinrichtung, die Logikpegel aufweist, welche den Zuständen der speziellen Kombination entsprechen, die zu einem beliebigen Zeitpunkt ausgewählt wird; c) eine Routine zur Impulsbreitenmodulation der Umschaltsteuersignale, um hierdurch den Effektivstrom in den Statorwicklungen zu steuern; d) eine Routine zum Festlegen des Tastverhältnisses der Impulsbreitenmodulation in Übereinstimmung mit einem gespeicherten Tastverhältnis-Wert; e) eine Positionsbestimmungsroutine, die den Ausgang des Digitalisierers liest und hieraus die Winkelposition des Rotors bestimmt; f) eine Routine zum Aufrufen der Auswahlroutine zum Auswählen der gespeicherten Zustandskombinationen entsprechend jeder erfassten Rotorposition zum Fortsetzen der Drehung des Rotors; g) eine Geschwindigkeitsbestimmungsroutine, welche den Ausgang des Digitalisierers liest und hiervon die Winkelgeschwindigkeit des Rotors bestimmt; h) eine Tabelle zum Speichern von Werten gewünschter Rotorgeschwindigkeiten; i) eine Routine zum Vergleichen der bestimmten Rotorgeschwindigkeit mit dem Wert der gewünschten Rotorgeschwindigkeit, um einen Geschwindigkeitsfehlerwert zu erzeugen; j) eine Routine zum Empfangen des Geschwindigkeitsfehlerwerts und zum Aktualisieren des gespeicherten Tastverhältnis-Werts, um diesen zu vergrößern, wenn die Rotorgeschwindigkeit kleiner als die gewünschte Geschwindigkeit ist, und um diesen zu ver mindern, wenn die Rotorgeschwindigkeit größer als die gewünschte Geschwindigkeit ist; k) eine Impulsdauer-Bestimmungsroutine, welche den Ausgang des Digitalisierers liest und hiervon die Dauer des Impulses bestimmt, der in jeder Phasenwicklung während der Verteilung der gespeicherten Energie erzeugt wird, nachdem der Strom für jede Wicklung durch eine Umschalteinrichtung abgeschaltet wurde; l) eine Routine zum Vergleichen der so bestimmten Impulsdauer mit einem gespeicherten vorbestimmten maximalen Wert für die Impulsdauer, um einen Wert zum Festlegen des gespeicherten Tastverhältnis-Werts auf einen verminderten Wert zu erzeugen, wenn die so bestimmte Dauer größer als der maximale Wert ist; und m) eine Routine, welche den Erniedrigungswert liest und den momentan gespeicherten Tastverhältnis-Wert aktualisiert.
Elektronisch kommutiertes Motorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator wenigstens drei Phasenwicklungen aufweist, dass die Umschalteinrichtungen ausgewählte Wicklungspaare mit der Energieversorgung sequentiell verbinden und dass der Digitalisierer mit jeder Wicklung verbunden ist, um Nulldurchgänge der Gegen-EMK zu detektieren, die in allen Wicklungen induziert wird.
Elektronisch kommutiertes Motorsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Routine zum Vermindern des Phasenwinkels zwischen dem Strom und der Gegen-EMK, indem das Umschalten der Phasenwicklungen verzögert wird, wenn die Digitalisierungsschaltung einen Nulldurchgang detektiert.
Elektronisch kommutiertes Motorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsroutine eine Verzögerung imple mentiert, die gleich der halben Differenz zwischen dem Zeitintervall zwischen den unmittelbar vorausgehenden Kommutationen und der Dauer des Stromimpulses ist, der in der unmittelbar vorausgehend kommutierten Phasenwicklung während der Verteilung der gespeicherten Energie erzeugt wird, nachdem die Stromzufuhr zu dieser Wicklung beendet wurde.
Elektronisch kommutiertes Motorsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Motorstartroutine, welche veranlasst, dass die Auswahlroutine gespeicherte Zustandskombinationen sukzessiv aus der Tabelle auswählt und mit einer konstanten niedrigen Frequenz oder einer niedrigen, zunehmend ansteigenden Frequenz, welche von Daten aus der Positionsbestimmungsroutine unbeeinflusst ist, Umschaltsignale an jede Umschalteinrichtung liefert, bis eine vorbestimmte Geschwindigkeit erreicht wird, woraufhin Daten aus der Positionsbestimmungsroutine dann genutzt werden, um die Auswahlroutine aufzurufen, die Steuersignale für die Umschalteinrichtungen zu bestimmen.
Elektronisch kommutiertes Motorsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Routine, welche den Geschwindigkeitsfehlerwert mit einem gespeicherten Schwellwert vergleicht, wobei, wenn der Fehlerwert den Schwellwert übersteigt, der gespeicherte Tastverhältnis-Wert um einen größeren Wert erhöht oder erniedrigt wird, als dies der Fall ist, wenn der Fehlerwert den Schwellwert nicht übersteigt.
Elektronisch kommutiertes Motorsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Routine, welche die Impulsdauer mit einem zweiten gespeicherten vorbestimmten Wert vergleicht, welcher kleiner als der vorbestimmte maximale Wert ist, um den gespeicherten Tastverhältnis-Wert um eine vorbestimmte Größe zu erniedrigen, wenn die Impulsdauer größer als der zweite vorbestimmte Wert ist.
Elektronisch kommutiertes Motorsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Routine, welche den Aktualisierungs-Tastverhältnis-Wert mit einem gespeicherten maximalen Wert vergleicht und den Tastverhältnis-Wert auf den maximalen Wert setzt, wenn der Aktualisierungswert den maximalen Wert übersteigt.
Elektronisch kommutiertes Motorsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter maximaler Wert des Tastverhältnisses gespeichert und genutzt wird, wenn die Startroutine ausgeführt wird.
Elektrisch kommutiertes Motorsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Routine, welche die die Ausgänge des Digitalisierers lesende Routine in Übereinstimmung mit Daten steuert, die von der Auswahlroutine übergeben werden, um ein Nichtlesen der Ausgänge des Digitalisierers zu Zeitpunkten zu veranlassen, zu denen Übergänge in den Steuersignalen der Umschalteinrichtungen auftreten.