EP1297615A1 - Verfahren zum betrieb eines bürstenlosen gleichstrommotors - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines bürstenlosen gleichstrommotors

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Publication number
EP1297615A1
EP1297615A1 EP01960409A EP01960409A EP1297615A1 EP 1297615 A1 EP1297615 A1 EP 1297615A1 EP 01960409 A EP01960409 A EP 01960409A EP 01960409 A EP01960409 A EP 01960409A EP 1297615 A1 EP1297615 A1 EP 1297615A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
motor
commutation
voltage
speed
synchronous motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01960409A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Peter Feustel
Reinhard Orthmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aumovio Microelectronic GmbH
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG, Conti Temic Microelectronic GmbH filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1297615A1 publication Critical patent/EP1297615A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple

Definitions

  • Electric drive units are used in a wide range of applications; For example, various moving parts of the motor vehicle in motor vehicles can be adjusted by means of electrical drive units (e.g. seats,
  • Electrical drive units consist of an electric motor for generating and providing electrical drive power and a control module for controlling and monitoring the electric motor (for example for regulating the speed and power of the electric motor).
  • the electric motors can be used as
  • AC motors AC motors
  • DC motors DC motors
  • the commutation of the motor trains is linked to a position detection, i.e. If the commutation is carried out depending on the position (position) of the rotor that is measured directly or determined from other motor sizes, these are treated like electronically commutated (self-commutating) DC motors (EC-DC-
  • Commutated synchronous motors of this type are referred to as brushless DC motors.
  • the amplitude of the input voltage (DC voltage) supplied to the individual windings of the synchronous motor during commutation of the motor strands is varied in order to vary the speed of the synchronous motor.
  • the amplitude of the input voltage is generally varied by means of a clocked operation (for example, realized by means of pulse width modulation) of the commutation switches which carry out the commutation of the motor trains (in particular designed as commutation transistors); ie the commutation switches (commutation transistors) are used both for commutation of the motor branches and for clocking the input voltage and thus for adjusting the
  • the invention has for its object to provide a method for operating a brushless DC motor according to the preamble of claim 1, with which a simple, reliable and inexpensive operation of the brushless DC motor is made possible.
  • the synchronous motor is exactly the currently required motor voltage as the input voltage supplied (the difference between the motor voltage and the maximum input voltage is converted into power loss) - and after reaching a speed threshold value dependent on a predetermined voltage threshold value for the input voltage in a second speed range following the first speed range towards higher speeds a shift of the vectors (field orientation) of the motor voltage is regulated - ie the voltage angle between the DC voltage of the brushless DC motor applied to the respective motor winding of the synchronous motor (the "outer” motor voltage of the synchronous motor or motor terminal voltage) and the voltage on the rotor of the synchronous motor (the “inner” motor voltage of the synchronous motor or EMF or magnet wheel voltage) are rotated.
  • the input voltage supplied to vary the speed of the synchronous motor (this is applied to the commutation switches or commutation transistors for commutating the motor lines - the synchronous motor) is continuously changed in the first speed range by means of linear control by adjusting the amplitude of the motor terminal voltage and in the second speed range by means of vector control Regulated via the field orientation by increasing the effective motor current of the synchronous motor and thus by increasing the motor torque, in particular the first speed range is regulated with the linear control of the input voltage (or motor terminal voltage) up to such a speed
  • Threshold value specifying voltage threshold extends, at which the synchronous motor reaches its maximum motor terminal voltage (ie at which the motor terminal voltage of the synchronous motor becomes equal to the maximum input voltage of the brushless DC motor, for example equal to the operating voltage of the brushless DC motor), so that in the second speed range at maximum and constant amplitude of the motor terminal voltage of the synchronous motor by vector control increases the effective motor current of the synchronous motor and thus the engine torque is increased.
  • suitable dimensioning of the brushless DC motor or the synchronous motor preferably a synchronous motor with a high number of windings that reaches its maximum motor terminal voltage even at low speeds, a second speed range that is large compared to the first speed range (that is, the one specified by the voltage threshold value) is obtained Speed threshold is low).
  • the generation of a regulated DC voltage as an input voltage in the first speed range can either be realized by a linear regulation of the commutation switches (commutation transistors) itself or by a linear control device of the control module of the electrical drive unit connected upstream of the brushless DC motor; ie the control element is either designed as a separate control device upstream of the brushless DC motor or the commutation switches (commutation transistors) themselves take over its function.
  • the linear control of the input voltage in the first speed range is preferably carried out by a certain number of linearly controlled commutation switches (commutation transistors), with only one of the commutation switches (commutation transistors) used in this control phase for commutating the motor trains being controlled linearly or all in
  • This activation phase of the synchronous motor used to commutate the motor strands can be regulated linearly (commutation transistors) (usually with a brushless DC motor, two commutation switches or commutation transistors are provided for commutation of the motor strands in each activation phase of the synchronous motor). Since the first speed range extends only up to relatively low speeds of the synchronous motor (here is the
  • the power loss is the product of the voltage difference between the input voltage of the brushless DC motor and the motor voltage (motor terminal voltage) of the synchronous motor on the one hand and the motor current of the control element (either the upstream linear control device or the commutation switch itself)
  • Synchronous motor on the other hand also low.
  • the linear control takes place in an area with low motor currents of the synchronous motor (in particular when using the brushless DC motor in fans or pumps) and therefore also low power losses, so that no disruptive effects on the operation of the brushless DC motor occur and no oversized or additional components required for high power losses are required.
  • the commutation switches the commutation transistors
  • the commutation transistors are not operated in a clocked manner (not in switching operation) and consequently. Little or no interference in the supply line for supplying the input voltage occurs, EMC measures can be omitted or severely restricted.
  • the commutation switches themselves are controlled linearly in the first speed range, no additional power components or actuators are required for the linear control; since only in the first speed range due to the low motor currents of the synchronous motor. A low power loss occurs, "commercially available" commutation switches (commutation transistors) can be used.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of the essential components of the brushless DC motor
  • FIG. 2 shows the time course of the motor voltage and motor current of the synchronous motor of the brushless DC motor when commutating or controlling the motor windings of the synchronous motor
  • FIG. 3 shows the voltage-dependent course of the speed of the Brushless DC motor synchronous motor.
  • the brushless DC motor 1 is supplied with the variable input voltage as DC voltage via the supply line 11 to vary the speed n M of the synchronous motor 10, the input voltage being obtained from the supply voltage U B of the brushless DC motor 1 (e.g. the supply voltage is U B 1 3.5 V).
  • the brushless DC motor 1 has six commutation transistors 3 to 8 operated in a bridge circuit as commutation switches, with two commutation transistors 3, 4; for each activation phase for commutation of the motor strands of the synchronous motor 10. 5, 6; 7, 8 are provided.
  • Synchronous motor 10 evaluated for example, three Hall sensors generating a digital output signal are provided as position sensors 9; the output signal of the position sensor 9 is carried out by a commutation logic 2 which, depending on the current motor position of the synchronous motor 1 0, drives the commutation transistors 3 to 8 and thus switches the motor windings of the synchronous motor 10 on (commutates).
  • a commutation logic 2 which, depending on the current motor position of the synchronous motor 1 0, drives the commutation transistors 3 to 8 and thus switches the motor windings of the synchronous motor 10 on (commutates).
  • FIG. 2 shows the time sequence of the commutation of the synchronous motor 10, which is driven by three-phase current in three control phases, for the motor voltage (the motor terminal voltage UM applied to the windings of the synchronous motor 10) and the motor current of the synchronous motor 10.
  • the switching on (commutation) of the motor lines of the synchronous motor 10 is carried out cyclically each time the synchronous motor 10 is rotated by 60 ° (detection by position encoder 9), the one specified by the commutation logic 2 and realized by switching the commutation transistors 3 to 8
  • Commutation time for switching on the motor current in the respective motor train of the synchronous motor 10 (times t1, t3, t5, t7, t9, ... for the positive half-wave of the motor terminal voltage U and times t2, t4, t ⁇ , t8, ... for the negative half-wave the motor terminal voltage UM) is then carried out when the motor terminal voltage U M has reached its respective maximum value (and since ⁇ corresponds approximately to a DC voltage); this creates a ripple in the current profile of the sum of the motor currents of the individual motor lines. Detected total current avoided, so that there is approximately a direct current in the supply line 1 1 (and therefore no current peaks occur).
  • FIG. 3 shows the course of the motor voltage (motor terminal voltage UM) as a function of the speed n 'of the synchronous motor 10.
  • Speed n M in the first speed range 1 2 up to the speed threshold value n s the motor terminal voltage UM applied to the motor windings of the synchronous motor 10 is changed by a linear control (continuously), in the second speed range 1 3 from the speed threshold value n s up to the nominal value n N the speed n ⁇ of the synchronous motor 10 is the internal motor voltage or pole wheel voltage or EMF at constant motor terminal voltage U by regulating the field orientation; that is, in the first speed range 1 2, the speed n M of the synchronous motor 1 0 is a function of the motor terminal voltage UM, in the second speed range 13 a function of the voltage angle between constant motor terminal voltage U and the internal motor voltage (pole wheel voltage or EMF) of the synchronous motor 10.
  • the speed threshold value n s is defined as the speed n M of the synchronous motor 10 at which the input voltage U. and thus the motor terminal voltage UM of the synchronous motor 10 reaches the value of the supply voltage UB, that is to say the motor terminal voltage U reaches its maximum value U MA *. takes.
  • this maximum value U MA of the motor terminal voltage UM is already reached at low speeds n M of the synchronous motor 10 - that is, the speed threshold value n s is correspondingly low, so that the second speed range 13 also regulates the field orientation low speeds n M of the synchronous motor 10 begins.
  • the speed n M of the synchronous motor 10 should be varied in a speed range between 400 rpm and 2400 rpm (nominal speed n N ); at the nominal speed n N of ex.
  • the defined power of the synchronous motor 10 or of the brushless DC motor 1 is output at 2400 rpm.
  • the synchronous motor 10 has, for example. a maximum power consumption of 400 W with a motor terminal voltage UM of 1 3.5 V and thus a maximum motor current of 30 A, which is divided by commutation using 6 commutation transistors 3 to 8 on the motor windings of the synchronous motor 1 0. Due to the non-linear load characteristic of the fan, the maximum power loss (e.g. approx. 45 W) occurs at 70% of the nominal speed n N (e.g. 1 680 rpm) in linear control.
  • n N e.g. 1 680 rpm
  • the maximum power loss of each of the commutation transistors is 3 to 8 7.5 W (if all 6 commutation transistors act as a control element) or 1 5 W (if only 3 commutation transistors act as a control element).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Synchronmotor, dem zur Kommutierung der Motorstränge eine Gleichspannung als Eingangspannung zugeführt wird, soll die Drehzahl des Synchronmotors auf einfache Weise störungsfrei variiert werden. Hierzu wird in einem ersten Drehzahlbereich bis zu einem Drehzahl-Schwellwert eine Linearregelung der Eingangsspannung und in einem sich an den ersten Drehzahlbereich anschliessenden zweiten Drehzahlbereich mit höherer Drehzahl eine Vektorregelung der Eingangsspannung vorgenommen. Verfahren zur Variation der Drehzahl eines Lüftermotors.

Description

Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Gleichstrommotors
Elektrische Antriebseinheiten werden in vielfältigen Anwendungsgebieten eingesetzt; beispielsweise können in Kraftfahrzeugen verschiedene bewegliche Teile des Kraftfahrzeugs mittels elektrischer Antriebseinheiten verstellt werden (bsp. Sitze,
Fensterheber, Schiebedächer etc.) oder mit variabler Drehzahl betätigt werden (bsp. Lüfter). Elektrische Antriebseinheiten bestehen aus einem Elektromotor zur Erzeugung und Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung und aus einem Steuermodul zur Ansteuerung und Überwachung des Elektromotors (beispielsweise zur Dreh- zahl- und Leistungsregelung des Elektromotors). Die Elektromotoren können als
Wechselstrommotoren (AC-Motoren), d.h. entweder als Asynchronmotoren (diese laufen asynchron zur eingespeisten Frequenz) oder als Synchronmotoren (diese laufen synchron zur eingespeisten Frequenz) mit einer externen Kommutierung der otorstränge (Weiterschaltung der Motorwicklung) ausgebildet sein oder als sich (in Abhängigkeit der angelegten Eingangsspannung) selbst kommutierende Gleichstrommotoren (DC-Motoren). Falls bei (permanenterregten) Synchronmotoren die Kommutierung der Motorstränge mit einer Lageerkennung verknüpft wird, d.h. die Kommutierung in Abhängigkeit von der direkt gemessenen oder aus anderen Motorgrößen ermittelten Lage (Position) des Rotors vorgenommen wird, werden diese wie elektronisch kommutierte (sich selbst kommutierende) Gleichstrommotoren (EC-DC-
Motoren) betrieben, d.h. die Selbstkommutierung des Synchronmotors erfolgt in Abhängigkeit der an die einzelnen Wicklungen des Synchronmotors angelegten Eingangsspannung; derartige kommutierte Synchronmotoren werden als bürstenlose Gleichstrommotoren bezeichnet. Bei drehzahlgeregelten elektrischen Antriebseinheiten mit bürstenlosen Gleichstrommotoren wird zur Variation der Drehzahl des Synchronmotors die Amplitude der den einzelnen Wicklungen des Synchronmotors bei der Kommutierung der Motorstränge zugeführten Eingangsspannung (Gleichspannung) verändert. Die Variation der Amplitude der Eingangsspannung (Gleichspannung) erfolgt in der Regel über einen (bsp. mittels Pulsweitenmodulation realisierten) getakteten Betrieb von die Kommutierung der Motorstränge durchführenden (insbesondere als Kommutierungstransistoren ausgebildeten) Kommutierungsschaltern; d.h. die Kommutierungsschalter (Kommutierungstransistoren) werden sowohl zur Kommutierung der Motor- stränge als auch zum Takten der Eingangsspannung und damit zur Verstellung der
Amplitude der angelegten Eingangsspannung und damit der Motorspannung verwendet.
Nachteilig hierbei ist, daß aufgrund der durch den getakteten Betrieb der Kommutierungsschalter (Kommutierungstransistoren) bedingten Schaltvorgänge der Stromfluß in der zur Zuführung der Eingangsspannung (Gleichspannung) vorgesehenen Versorgungsleitung periodisch abrupt unterbrochen und wieder eingeschaltet wird, was starke Rückwirkungen auf die zugeführte Eingangsspannung (Gleichspannung) mit sich bringt; zur Begrenzung dieser beim Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors störenden Rückwirkungen ist ein hoher Aufwand für zusätzliche Bauelemente erforderlich (EMV-Spulen, Speicherkondensatoren und Entstörkondensatoren, Drosseln etc.), wodurch erhebliche Kosten und ein hoher Platzbedarf verursacht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzuge- ben, mit dem ein einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors ermöglicht wird. '
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patent- ansprächen. Beim vorgestellten Verfahren wird zur Variation der Drehzahl des Synchronmotors die Gleichspannung des bürstenlosen Gleichstrommotors und damit die dem Synchronmotor zugeführte Eingangsspannung in einem ersten Drehzahlbereich mit geringen Drehzahlen linear geregelt (kontinuierlich verändert) - d.h. dem Synchronmo- tor wird exakt die momentan gerade benötigte Motorspannung als Eingangsspannung zugeführt (die Differenz zwischen der Motorspannung und der maximalen Eingangsspannung wird in Verlustleistung umgesetzt) — und nach Erreichen eines von einem vorgegebenen Spannungs-Schwellwert für die Eingangsspannung abhängigen Drehzahl-Schwellwerts in einem zweiten, sich an den ersten Drehzahlbereich zu höheren Drehzahlen hin anschließenden Drehzahlbereich durch eine Verschiebung der Vektoren (Feldorientierung) der Motorspannung geregelt - d.h. der Spannungswinkel zwischen der an die jeweilige Motorwicklung des Synchronmotors angelegten Gleichspannung des bürstenlosen Gleichstrommotors (die „äußere" Motorspannung des Synchronmotors bzw. Motorklemmenspannung) und der Spannung am Läufer des Synchronmotors (die „innere" Motorspannung des Synchronmotors bzw. EMK bzw. Polradspannung) wird verdreht. Demzufolge wird die zur Variation der Drehzahl des Synchronmotors zugeführte Eingangsspannung (mit dieser werden die Kommutierungsschalter bzw. Kommutierungstransistoren zur Kommutierung der Motorstränge- des Synchronmotors beaufschlagt) im ersten Drehzahlbereich mittels einer Linearregelung durch Verstellung der Amplitude der Motorklemmenspannung kontinuierlich verändert und im zweiten Drehzahlbereich mitteis einer Vektorregelung über die Feldorientierung durch Erhöhung des wirksamen Motorstroms des Synchronmotors und damit durch Steigerung des Motormoments geregelt, insbesondere wird der erste Drehzahlbereich mit der Linearregelung der Eingangs- Spannung (bzw. Motorklemmenspannung) bis zu einem derartigen den Drehzahl-
Schwellwert vorgebenden Spannungs-Schwellwert erstreckt, bei- dem der Synchronmotor seine maximale Motorklemmenspannung erreicht (d.h. bei dem die Motorklemmenspannung des Synchronmotors gleich der maximalen Eingangsspannung des bürstenlosen Gleichstrommotors wird, bsp. gleich der Betriebsspannung des bürstenlosen Gleichstrommotors), so daß im zweiten Drehzahlbereich bei maximaler und konstanter Amplitude der Motorklemmenspannung des Synchronmotors durch die Vektorregelung der wirksame Motorstrom des Synchronmotors erhöht und damit das Motormoment gesteigert wird. Durch geeignete Dimensionierung des bürstenlosen Gleichstrommotors bzw. des Synchronmotors, vorzugsweise wird ein bereits bei geringen Drehzahlen seine maximale Motorklemmenspannung erreichender Synchronmotor mit einer hohen Anzahl an Wicklungen eingesetzt, erhält man einen gegenüber dem ersten Drehzahlbereich großen zweiten Drehzahlbereich (d.h. der durch den Spannungs-Schwellwert vorgegebene Drehzahl-Schwellwert ist gering). Die Erzeugung einer geregelten Gleichspannung als Eingangsspannung im ersten Drehzahlbereich kann entweder durch eine Linearregelung der Kommutierungsschalter (Kommutierungstransistoren) selbst realisiert werden oder durch eine dem bürstenlosen Gleichstrommotor vorgeschaltete lineare Regeleinrichtung des Steuermoduls der elektrischen Antriebseinheit; d.h. das Regelelement ist entweder als separate, dem bürstenlosen Gleichstrommotor vorgeschaltete Regeleinrichtung ausgebildet oder die Kommutierungsschalter (Kommutierungstransistoren) selbst übernehmen dessen Funktion. Vorzugsweise erfolgt die Linearregelung der Ein- gangsspannung im ersten Drehzahibereich durch eine bestimmte Anzahl linear geregelter Kommutierungsschalter (Kommutierungstransistoren), wobei pro Ansteuerphase des Synchronmotors entweder jeweils nur einer der in dieser Ansteuerphase zur Kommutierung der Motorstränge herangezogenen Kommutierungsschalter (Kommutierungstransistoren) linear geregelt wird oder alle in dieser Ansteuerphase des Synchronmotors zur Kommutierung der Motorstränge herangezogenen Kommutierungsschalter (Kommutierungstransistoren) linear geregelt werden (üblicherweise sind bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor in jeder Ansteuerphase des Synchronmotors zwei Kommutierungsschalter bzw. Kommutierungstransistoren zur Kommutierung der Motorstränge vorgesehen). Da sich der erste Drehzahlbereich nur bis zu relativ geringen Drehzahlen des Synchronmotors erstreckt (hier ist der
Motorstrom des Synchronmotors noch gering), ist die Verlustleistung als Produkt aus der am Regelelement (entweder der vorgeschalteten linearen Regeleinrichtung oder dem Kommutierungsschalter selbst) abfallenden Spannungsdifferenz zwischen Eingangsspannung des bürstenlosen Gleichstrommotors und Motorspannung (Mo- torklemmenspannung) des Synchronmotors einerseits und aus dem Motorstrom des
Synchronmotors andererseits ebenfalls gering. Durch die Kombination des linear geregelten Betriebs des bürstenlosen Gleichstrommotors bei geringen Drehzahlen des Synchronmotors mit dem Feldorientierungsbetrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors bei höheren Drehzahlen des Synchronmotors erfolgt die Linearregelung in einem Bereich mit geringen Motorströmen des Synchronmotors (insbesondere bei Anwendung des bürstenlosen Gleichstrommotors in Lüftern oder Pumpen) und daher auch geringen Verlustleistungen, so daß keine störenden Auswirkungen auf den Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors auftreten und keine bei hohen Verlustleistungen erforderlichen überdimensionierten oder zusätzlichen Bauelemente benötigt werden. Dadurch daß die Kommutierungsschalter (die Kommutierungstransistoren) nicht getaktet (nicht im Schaltbetrieb) betrieben werden und demzufolge .auch keine oder nur geringe Störungen in der Versorgungsleitung zur Zuführung der Eingangsspannung auftreten, können EMV-Maßnahmen entfallen oder stark eingeschränkt, werden. Falls im ersten Drehzahlbereich die Kommutierungsschalter (die Kommutierungstransistoren) selbst linear geregelt werden, sind keine zusätzlichen Leistungsbauelemente oder Stellglieder für die Linearregelung erforderlich; da im ersten Drehzahlbereich aufgrund der geringen Motorströme des Synchronmotors nur. eine geringe Verlustleistung auftritt, können „handelsübliche" Kommutierungsschalter (Kommutierungstransistoren) eingesetzt werden.
Das Verfahren wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierbei zeigt die Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild der wesentlichen Komponenten des bürstenlosen Gleichstrommotors, die Figur 2 den zeitlichen Verlauf von Motorspannung und Motorstrom des Synchronmotors des bürstenlosen Gleichstrommotors bei der Kommutierung bzw. Ansteuerung der Motorwicklungen des Synchronmotors und die Figur 3 den spannungsabhängigen Verlauf der Drehzahl des Synchronmotors des bürstenlosen Gleichstrommotors. Gemäß der Figur 1 wird dem bürstenlosen Gleichstrommotor 1 zur Variation der Drehzahl nM des Synchronmotors 10 die variable Eingangsspannung als Gleichspannung über die Versorgungsleitung 1 1 zugeführt, wobei die Eingangsspannung aus der Versorgungsspannung UB des bürstenlosen Gleichstrommotors 1 gewonnen wird (bsp. beträgt die Versorgungsspannung UB 1 3.5 V). Zur Kommutierung der Motorstränge des Synchronmotors 10 weist der bürstenlose Gleichstrommotor 1 sechs in Brückenschaltung betriebene Kommutierungstransistoren 3 bis 8 als Kommutierungsschalter auf, wobei pro Ansteuerphase zur Kommutierung der Motorstränge des Synchronmotors 10 jeweils zwei Kommutierungstransistoren 3, 4; 5, 6; 7, 8 vorgesehen sind. Durch einen Lagegeber 9 wird die Motorlage bzw. Position des
Synchronmotors 10 ausgewertet (bsp. sind als Lagegeber 9 drei ein digitales Ausgangssignal generierende Hallsensoren vorgesehen); das Ausgangssignal des Lagegebers 9 wird einer Kommutierungslogik 2 durchgeführt, die abhängig von der momentanen Motorlage des Synchronmotors 1 0 die Kommutierungstransistoren 3 bis 8 ansteuert und so die Motorwicklungen des Synchronmotors 10 weiterschaltet (kommutiert). . " ; -
In der Figur 2 ist hierzu der zeitliche Ablauf der Kommutierung des in drei Ansteuerphasen mittels Drehstrom angesteuerten Synchronmotors 10 für die Motorspan- nung (die an den Wicklungen des Synchronmotors 10 angelegten Motorklemmenspannung UM) und den Motorstrom des Synchronmotors 10 dargestellt. Die Weiterschaltung (Kommutierung) der Motorstränge des Synchronmotors 10 wird zyklisch jeweils nach einer Drehung des Synchronmotors 10 um 60° vorgenommen (Erkennung durch Lagegeber 9), wobei der durch die Kommutierungslogik 2 vorge- gebene und durch das Schalten der Kommutierungstransistoren 3 bis 8 realisierte
Kommutierungszeitpunkt zum Einschalten des Motorstroms im jeweiligen Motorstrang des Synchronmotors 10 (Zeitpunkte t1 , t3, t5, t7, t9, ... für die positive Halbwelle der Motorklemmenspannung U und Zeitpunkte t2, t4, tό, t8, ... für die negative Halbwelle der Motorklemmenspannung UM) dann vorgenommen wird, wenn die Motorklemmenspannung UM ihren jeweiligen Maximalwert erreicht hat (und da¬ mit ungefähr einer Gleichspannung entspricht); hierdurch wird eine Welligkeit im Stromverlauf des als Summe der Motorströme der einzelnen Motorstränge gebil- deten Gesamtstroms vermieden, so daß in der Versorgungsleitung 1 1 näherungsweise ein Gleichstrom vorliegt (und daher keine Stromspitzen auftreten).
In der Figur 3 ist der Verlauf der Motorspannung (Motorklemmenspannung UM) als Funktion der Drehzahl n« des Synchronmotors 10 dargestellt. Zur Variation der
Drehzahl nM wird im ersten Drehzahlbereich 1 2 bis zum Drehzahl-Schwellwert ns die an den Motorwicklungen des Synchronmotors 10 anliegende Motorklemmenspannung UM durch eine Linearregelung (kontinuierlich) geändert, im zweiten Drehzahlbereich 1 3 ab dem Drehzahl-Schwellwert ns bis zum Nennwert nN der Drehzahl nω des Synchronmotors 10 die innere Motorspannung bzw. Polradspannung bzw. EMK bei konstanter Motorklemmenspannung U durch eine Regelung der Feldorientierung; d.h. im ersten Drehzahlbereich 1 2 ist die Drehzahl nM des Synchronmotors 1 0 eine Funktion der Motorklemmenspannung UM, im zweiten Drehzahlbereich 13 eine Funktion des Spannungswinkels zwischen konstanter Motorklemmenspannung U und innerer Motorspannung (Polradspannung bzw. EMK) des Synchronmotors 10.
Insbesondere wird der Drehzahl-Schweliwert ns als diejenige Drehzahl nM des Synchronmotors 10 definiert, bei der die Eingangsspannung U. und damit die Motorklemmenspannung UM des Synchronmotors 10 den Wert der Versorgungsspannung ÜB erreicht, also die Motorklemmenspannung U ihren Maximalwert U MA* ein- nimmt. Durch geeignete Auslegung des Synchronmotors 10 wird dieser Maximalwert U MA der Motorklemmenspannung UM bereits bei geringen Drehzahlen nM des Synchronmotors 10 erreicht - d.h. der Drehzahl-Schwellwert ns ist dementsprechend gering, so daß der zweite Drehzahlbereich 13 mit der Regelung der Feldorientierung ebenfalls bereits bei geringen Drehzahlen nM des Synchronmotors 10 beginnt.
Bsp. soll bei einem als Lüftermotor ausgebildeten bürstenlosen Gleichstrommotor 1 die Drehzahl nM des Synchronmotors 1 0 in einem Drehzahlbereich zwischen 400 U/min und 2400 U/min (Nenndrehzahl nN) variiert werden; bei der Nenndrehzahl nN von bsp. 2400 U/min wird die definierte Leistung des Synchronmotors 10 bzw. des bürstenlosen Gleichstrommotors 1 abgegeben.
Der Synchronmotor 10 besitzt bsp. eine maximale Aufnahmeleistung von 400 W bei einer Motorklemmenspannung UM von 1 3.5 V und damit einen maximalen Motor- strom von 30 A, der durch die Kommutierung mittels 6 Kommutierungstransistoren 3 bis 8 auf die Motorwicklungen des Synchronmotors 1 0 aufgeteilt wird. Aufgrund der nicht-linearen Lastkennlinie des Lüfters tritt bei der Linearregelung das Maximum der Verlustleistung (bsp. ca. 45 W) bei 70 % der Nenndrehzahl nN (bsp. 1 680 U/min) auf. Falls die Kommutierungstransistoren 3 bis 8 selbst für die Linearregelung herangezogen werden, teilt sich diese Verlustleistung auf die Kommutierungstransistoren 3 bis 8 auf; demzufolge beträgt die maximale Verlustleistung jedes der Kommutierungstransistoren 3 bis 8 7.5 W (falls alle 6 Kommutierungstransistoren als Regelelement fungieren) oder 1 5 W (falls nur 3 Kommutierungstransisto- ren als Regelelement fungieren). Übliche Transistoren mit einem Durchlaßwiderstand („On-Widerstand") von bsp. 1 2 mΩ im Schaltbetrieb besitzen bei der maximalen Stromstärke des Motorstroms von 30 A jedoch nur eine zulässige Verlustleistung von 3.6 W, so daß eine Überdimensionierung der Kommutierungstransistoren 3 bis 8 erforderlich würde. Falls jedoch bei dem oben angegebenen Synchronmotor 10 mit der maximalen Aufnahmeleistung von 400 W ein Linearregelungsbetrieb bei geringen Drehzahlen nM mit einem Feldorientierungsbetrieb bei höheren Drehzahlen nM kombiniert wird und der Synchronmotor 10 so ausgelegt wird (bsp. durch eine Erhöhung der Anzahl der Motorwicklungen, bsp. um 50 %), daß der Synchronmotor 10 bereits bei 50 % der Nenndrehzahl n* von bsp. 2400 U/min (Drehzahl-Schwellwert m daher 1 200 U/min) das Maximum UM.M« der Motorklemmenspannung UM (= Versorgungsspannung U_ von bsp. 1 3.5 V) erreicht und im weiteren Drehzahlbereich die Variation der Drehzahl nM über die Feldorientierung, d.h. über die Verstellung des Winkels zwischen der Motorklemmenspannung UM (maximalen Motorklemmenspannung UMΛ«) und der inneren Spannung (Polradspannung, EMK) des Synchronmotors 10 realisiert wird, reduziert sich durch den geringeren Bereich der Linearregelung auch die maximale Verlustleistung auf 10 W bei ca. 40 % der Nenndrehzahl n» (bsp. 960 U/min). Falls die Kommutierungstransistoren 3 bis 8 wieder selbst für die Linearregelung herangezogen werden, teilt sich diese Verlustleistung auf die Kommutierungstransistoren 3 bis 8 auf; demzufolge beträgt die maximale Verlustleistung jedes der Kommutierungstransistoren 3 bis 8 nur noch 1 .7 W (falls alle 6 Kommutierungstransistoren als Regelelement fungieren) oder nur noch 3.3 W (falls nur 3 Kommutierungstransistoren als Regelelement fungieren). Diese maximale Verlustleistung ist geringer als die zulässige Verlustleistung von 3.6 W üblicher Transistoren mit einem Durchlaßwiderstand („On-Widerstand") von bsp. 1 2 mΩ und der maximalen Stromstärke des Motor- Stroms von 30 A. Durch die Kombination des Linearregelungsbetriebs mit dem Feldorientierungsbetrieb ist darüber hinaus kein getakteter Betrieb der Kommutierungstransistoren 3 bis 8 notwendig, wodurch keine schnellen Schaltvorgänge auftreten und daher auch keine Entstörmaßnahmen erforderlich sind.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1 ) mit einem Syn- chronmotor (10), dem zur Kommutierung der Motorstränge eine Gleichspannung als Eingangsspannung (UE) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Variation der Drehzahl (nM) des Synchronmotors (10) in einem ersten Drehzahlbereich (1 2) bis zu einem Drehzahl-Schwellwert (n=) eine Linearregelung der Eingangsspannung (UE) und ab dem Drehzahl-Schwellwert (n5) in einem sich an den ersten Drehzahlbereich (1 2) anschließenden zweiten Drehzahlbereich (13) mit höherer Drehzahl (nM) des Synchronmotors (10) eine Vektorregelung der Eingangsspannung ( ) vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahl- Schwellwert (ns) nach Maßgabe eines von der Versorgungsspannung (UB) des bürstenlosen Gleichstrommotors (1 ) abhängigen Spannungs-Schwellwerts vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als den Drehzahl-
Schwellwert (ns) bestimmender Spannungs-Schwellwert die durch die Versor- gungsspannung (UB) des bürstenlosen Gleichstrommotors (1 ) bestimmte maximale Motorklemmenspannung (UMMA*) des Synchronmotors (10) vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronmotor
(10) so ausgebildet wird, daß er seine maximale Motorklemmenspannung (U A ) bei einer geringen Drehzahl (nM) erreicht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kommutierung der Motorstränge des Synchronmotors (10) von Kommutierungsschaltern durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierung der
Motorstränge des Synchronmotors (10) von zwei Kommutierungsschaltern pro Motorstrang durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Motorstränge des Synchronmotors (1 0) mindestens einer der beiden zur Kommutierung des Synchronmotors (1 0) vorgesehenen Kommutierungsschalter zur Linearregelung der Eingangsspannung ( ) im ersten Drehzahlbereich (1 2) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem bürstenlosen Gleichstrommotor (1 ) vorgeschaltetes Regelelement zur Linearregelung der Eingangsspannung (U.) im ersten Drehzahlbereich (1 2) verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als
Kommutierungsschalter Kommutierungstransistoren (3 - 8) verwendet werden.
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