EP2203972A2 - Verfahren und einrichtung zur elektronischen kommutierung eines motors - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur elektronischen kommutierung eines motors

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EP2203972A2
EP2203972A2 EP08839535A EP08839535A EP2203972A2 EP 2203972 A2 EP2203972 A2 EP 2203972A2 EP 08839535 A EP08839535 A EP 08839535A EP 08839535 A EP08839535 A EP 08839535A EP 2203972 A2 EP2203972 A2 EP 2203972A2
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EP
European Patent Office
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commutation
signal
phase windings
motor
rotor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08839535A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Grimm
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Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
    • 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
    • H02P6/06—Arrangements for speed regulation of a single motor wherein the motor speed is measured and compared with a given physical value so as to adjust the motor speed
    • 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
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/15—Controlling commutation time

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for electronically commutating a motor, which has a stator with phase windings and a rotor with two or more permanent magnets, the angle of rotation and direction of rotation detected by a rotation angle sensor and a corresponding rotation angle signal is fed to a signal processing unit, wherein, in accordance with the detected rotational angle signal, a commutation instant signal for controlling the phase currents of the stator acting on the phase windings is generated by the signal processing unit.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device for the electronic commutation of a motor, by which or by avoiding these disadvantages a dynamic, in particular highly dynamic operation of the motor with both low and high speed and with changing direction of rotation is possible.
  • This object is achieved according to the invention in a method in that one or more motor state variables of the DC motor are detected and corresponding state signals are fed to a commutation generation unit and a second commutation instant signal is generated by the commutation generation unit in accordance with the state signals, wherein below a certain rotational speed of the rotor first commutation timing signal and above a certain rotational speed of the rotor, the second commutation timing signal for controlling the phase windings acting on phase currents is forwarded.
  • the current rotor position is detected by the rotation angle sensor and generated from the angular position of the switching patterns for the control of the phase windings.
  • the rotation angle detection is replaced by rotation angle sensor by a sensorless Kommut istszeitpunkerkod based on the identified engine state variables.
  • a complex signal acquisition and signal processing is dispensed with and system-related commutation delays are avoided.
  • the speed can be transmitted via the rotor shaft continuously a maximum torque with low ripple to the output shaft.
  • the terminal voltages or the induced voltages of the phase windings or the phase currents of the phase windings can be detected.
  • the motor has three phase windings.
  • the switching from the forwarding of the first Kommut réelleszeitticiansignals on the second Kommut réelleszeitticiansignal and vice versa can be done by a hysteresis switch.
  • the specific speed is formed by a speed range, within which both the first and the second Kommutêtszeitticiansignal a signal processing unit are supplied, by the first and second Kommutêtszeitticiansignal generates a total Kommut réelleszeitticiansignal and forwarded to control the phase windings acting on the phase currents.
  • the total Kommutleiterszeittician- signal is generated after reaching a synchrony of the first and the second Kommut réelleszeitticiansignals preferred.
  • the specific speed is formed by a speed range within which the first commutation time signal and the second commutation time signal are redundantly forwarded for controlling the phase currents applied to the phase windings.
  • a device for the electronic commutation of a motor preferably has a stator of the motor with phase windings and a rotor with two or three a plurality of permanent magnets, the rotational angle position and direction of rotation detected by a rotational angle sensor and a corresponding rotational angle signal to a signal processing unit zuleitbar by the corresponding Drehwinkelsig- signal a first Kommut istszeitticiansignal generated with one or more detection units for detecting one or more engine state variables of the engine and generating corresponding State signals, with a commutation generating unit for generating a state signal corresponding to the second Kommutéesszeitticiansignals, with
  • the z. B. may be a Hall sensor, the rotational angle position and the direction of rotation of a rotor of a motor 2, in particular a DC motor is detected and fed a corresponding rotational angle signal via a first line 7 of a signal processing unit 3.
  • the signal processing unit 3 generates a first commutation timing signal, which is applied to a first input 4 of a switch 5, in accordance with the rotational angle signal.
  • engine state variables such. B. the terminal voltages or the induced voltages of the three phase windings 6 of the DC motor 2 or phase currents of the three phase windings 6 of the DC motor 2 detected and corresponding state signals via a second line 8 a commutation generating unit 9 fed from the in accordance with the state signals, a second commutation timing signal is generated which is applied to a second input 10 of the switch 5.
  • the switch 5 switches depending on the speed of the motor 5, wherein below a certain speed of the first input 4 and above the certain speed of the second input 10 is connected to the output 11 of the switch 5.
  • either the first commutation instant signal or the second commutation instant signal is supplied via the output 11 and a commutation signal line 12 to a converter 13 which accordingly applies phase currents to the three phase windings 6 of the DC motor 2.
  • the motor consists of the unillustrated components of a shaft and a rotor assembly having two or more permanent magnets and a stator assembly comprising a stator with the phase windings 6.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors 2, der einen Stator mit Phasenwicklungen 6 und einen Rotor mit zwei oder mehreren Permanentmagneten aufweist, dessen Drehwinkellage und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor 1 erfasst und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit 3 zugeleitet wird. Dabei werden entsprechend dem erfassten Drehwinkelsignal von der Signalverarbeitungseinheit 3 ein Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen 6 beaufschlagenden Phasenströme des Stators erzeugt. Weiterhin werden eine oder mehrere Zustandsgrößen des Gleichstrommotors 2 erfasst und entsprechende Zustandssignale einer Kommutierungsgenerierungseinheit 9 zugeleitet und von der Kommutierungsgenerierungseinheit 9 entsprechend der Zustandssignale ein zweites Kommutierungszeitpunktsignal erzeugt. Dabei wird unterhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das erste Kommutierungszeitpunktsignal und oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das zweite Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen 6 beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet.

Description

Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors, der einen Stator mit Phasenwicklungen und einen Rotor mit zwei oder mehreren Permanentmagneten aufweist, dessen Drehwinkel- läge und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor erfasst und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit zugeleitet wird, wobei entsprechend dem erfass- ten Drehwinkelsignal von der Signalverarbeitungseinheit ein Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwick- lungen beaufschlagenden Phasenströme des Stators erzeugt wird .
Derartige bekannte Verfahren sind für hohe Drehzahlen des Rotors aufgrund der konstant bleibenden Totzeit der Auswertung und bei steigender Drehzahl mit geringer werdenden Kommutierungsschaltpausen nicht zuverlässig funktionsfähig. Die verzögerte Winkelerfassung hat zur Folge, dass der optimale Kommutierungszeitpunkt verpasst wird oder sogar Kommutierungswechsel nicht durchgeführt werden.
Damit treten an der Abgangswelle des Rotors signifikante Drehmomenteinbrüche auf oder es kommt zu Fehlkommutierungen.
Dies ist bei einer Verwendung des Motors als Stellantrieb von besonderem Nachteil, da die anzufahrende Position temporär mit hoher Momentenwelligkeit nur verzögert erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors zu schaffen, durch das bzw. durch die unter Vermeidung dieser Nachteile ein dynamischer, insbesondere hochdynamischer Be- trieb des Motors mit sowohl niedriger als auch hoher Drehzahl sowie mit wechselnder Drehrichtung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren da- durch gelöst, dass eine oder mehrere Motorzustandsgrößen des Gleichstrommotors erfasst und entsprechende Zustandssignale einer Kommutierungsgenerierungseinheit zugeleitet werden und von der Kommutierungsgenerierungseinheit entsprechend der Zustandssignale ein zweites Kommutierungszeitpunktsignal er- zeugt wird, wobei unterhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das erste Kommutierungszeitpunktsignal und oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das zweite Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet wird.
Bei niedriger Rotordrehzahl wird die aktuelle Rotorposition von dem Drehwinkelsensor erfasst und aus der Winkellage die Schaltmuster für die Ansteuerung der Phasenwicklungen generiert .
Bei hoher Drehzahl wird die Drehwinkelerfassung mittels Drehwinkelsensor durch eine sensorlose Kommutierungszeitpunkterkennung basierend auf den identifizierten Motorzustandsgrößen abgelöst. Bei dieser direkten Kommutierung wird auf eine auf- wendige Signalerfassung und Signalverarbeitung verzichtet und systembedingte Kommutierungsverzögerungen vermieden.
Durch die gegenseitige Ablösung der beiden Kommutierungsverfahren in Abhängigkeit von der Drehzahl wird ein hochdynami- scher, robuster Antrieb mit verminderten Stellzeiten realisiert .
Unabhängig von der Drehzahl kann über die Rotorwelle kontinuierlich ein maximales Drehmoment mit geringer Welligkeit zur Abgangswelle übertragen werden. Als Motorzustandsgrößen können die Klemmenspannungen oder die induzierten Spannungen der Phasenwicklungen oder der Phasenströme der Phasenwicklungen erfasst werden.
Bevorzugt weist der Motor drei Phasenwicklungen auf.
Um im Bereich der bestimmten Drehzahl ein mehrfaches Umschalten von einem auf das andere Kommutierungsverfahren zu vermeiden, kann die Umschaltung von der Weiterleitung des ersten Kommutierungszeitpunktsignals auf das zweite Kommutierungszeitpunktsignal und umgekehrt durch einen Hystereseschalter erfolgen .
Zur Synchronisation des Betriebes beim Umschalten von dem ei- nen zum anderen Kommutierungsverfahren ist es möglich, dass die bestimmte Drehzahl durch einen Drehzahlbereich gebildet ist, innerhalb dessen sowohl das erste als auch das zweite Kommutierungszeitpunktsignal einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt werden, durch die aus dem ersten und dem zweiten Kommutierungszeitpunktsignal ein Gesamtkommutierungszeit- punktsignal erzeugt und zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet wird.
Dabei wird vorzugsweise das Gesamtkommutierungszeitpunkt- signal nach Erreichen einer Synchronität des ersten und des zweiten Kommutierungszeitpunktsignals erzeugt.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die bestimmte Drehzahl durch einen Drehzahlbereich gebildet ist, innerhalb dessen das erste Kommutierungszeitpunktsignal und das zweite Kommutierungszeitpunktsignal redundant zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet werden .
Eine Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Motors nach dem o. g. Verfahren weist vorzugsweise einen Stator des Motors mit Phasenwicklungen und einen Rotor mit zwei oder mehreren Permanentmagneten auf, dessen Drehwinkellage und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor erfassbar und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit zuleitbar ist, durch die entsprechend dem Drehwinkelsig- nal ein erstes Kommutierungszeitpunktsignal erzeugbar ist, mit einer oder mehreren Erfassungseinheiten zur Erfassung einer oder mehrerer Motorzustandsgrößen des Motors und Erzeugung entsprechender Zustandssignale, mit einer Kommutierungs- generierungseinheit zur Erzeugung eines den Zustandssignalen entsprechenden zweiten Kommutierungszeitpunktsignals, mit
Leitungsverbindungen, durch die die Signalverarbeitungseinheit und die Kommutierungsgenerierungseinheit mit einer Steuereinheit zur Erzeugung der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme verbunden sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Mo- tors.
An einem Drehwinkelsensor 1, der z. B. ein Hallsensor sein kann, wird die Drehwinkellage und die Drehrichtung eines Rotors eines Motors 2, insbesondere eines Gleichstrommotors er- fasst und ein entsprechendes Drehwinkelsignal über eine erste Leitung 7 einer Signalverarbeitungseinheit 3 zugeleitet.
Die Signalverarbeitungseinheit 3 erzeugt entsprechend dem Drehwinkelsignal ein erstes Kommutierungszeitpunktsignal, das an einen ersten Eingang 4 eines Schalters 5 angelegt wird.
Weiterhin werden Motorzustandsgrößen wie z. B. die Klemmenspannungen oder die induzierten Spannungen der drei Phasenwicklungen 6 des Gleichstrommotors 2 oder Phasenströme der drei Phasenwicklungen 6 des Gleichstrommotors 2 erfasst und entsprechende Zustandssignale über eine zweiten Leitung 8 einer Kommutierungsgenerierungseinheit 9 zugeleitet, von der entsprechend der Zustandssignale ein zweites Kommutierungszeitpunktsignal erzeugt wird, das an einen zweiten Eingang 10 des Schalters 5 angelegt wird.
Der Schalter 5 schaltet abhängig von der Drehzahl des Motors 5 um, wobei unterhalb einer bestimmten Drehzahl der erste Eingang 4 und oberhalb der bestimmten Drehzahl der zweite Eingang 10 mit dem Ausgang 11 des Schalters 5 verbunden ist.
Dadurch wird drehzahlabhängig entweder das erste Kommutierungszeitpunktsignal oder das zweite Kommutierungszeitpunktsignal über den Ausgang 11 und eine Kommutierungssignalleitung 12 einem Umrichter 13 zugeführt, der entsprechend die drei Phasenwicklungen 6 des Gleichstrommotors 2 mit Phasen- strömen beaufschlagt.
Der Motor besteht aus den nicht dargestellten Bauteilen einer Welle und einer Rotorbaugruppe mit zwei oder mehreren Permanentmagneten und einer Statorbaugruppe, die einen Stator mit den Phasenwicklungen 6 umfasst.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur elektronischen Kommutierung eines Motors, der einen Stator mit Phasenwicklungen und einen Rotor mit zwei oder mehreren Permanentmagneten aufweist, dessen
Drehwinkellage und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor erfasst und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit zugeleitet wird, wobei entsprechend dem erfassten Drehwinkelsignal von der Signal- Verarbeitungseinheit ein Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme des Stators erzeugt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine oder mehrere Motorzu- standsgrößen des Motors (2) erfasst und entsprechende Zu- Standssignale einer Kommutierungsgenerierungseinheit (9) zugeleitet werden und von der Kommutierungsgenerierungs- einheit (9) entsprechend der Zustandssignale ein zweites Kommutierungszeitpunktsignal erzeugt wird, wobei unterhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das erste Komm- mutierungszeitpunktsignal und oberhalb einer bestimmten Drehzahl des Rotors das zweite Kommutierungszeitpunktsignal zum Steuern der die Phasenwicklungen (6) beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Motorzustandsgrößen die Klemmenspannungen oder die induzierten Spannungen der Phasenwicklungen (6) oder die Phasenströme der Phasenwicklungen (6) erfasst werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Um- schaltung von der Weiterleitung des ersten Kommutierungszeitpunktsignals auf das zweite Kommutierungszeitpunkt- signal und umgekehrt durch einen Hystereseschalter erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die bestimmte Drehzahl durch einen Drehzahlbereich gebildet ist, innerhalb dessen sowohl das erste als auch das zwei- te Kommutierungszeitpunktsignal einer Signalverarbeitungseinheit zugeführt werden, durch die aus dem ersten und dem zweiten Kommutierungszeitpunktsignal ein Gesamt- kommutierungszeitpunktsignal erzeugt und zum Steuern der die Phasenwicklungen (6) beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gesamtkommutierungszeitpunkt- signal nach Erreichen einer Synchronität des ersten und des zweiten Kommutierungszeitpunktsignals erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die bestimmte Drehzahl durch einen Drehzahlbereich gebildet ist, inner- halb dessen das erste Kommutierungszeitpunktsignal und das zweite Kommutierungszeitpunktsignal redundant zum Steuern der die Phasenwicklungen beaufschlagenden Phasenströme weitergeleitet werden.
7. Einrichtung zur elektronischen Kommutierung eines Gleichstrommotors nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Motor (2) einen Stator mit Phasenwicklungen (6) und einen Rotor mit zwei oder mehreren Permanentmagneten auf- weist, dessen Drehwinkellage und Drehrichtung von einem Drehwinkelsensor (1) erfassbar und ein entsprechendes Drehwinkelsignal einer Signalverarbeitungseinheit (3) zuleitbar ist, durch die entsprechend dem Drehwinkelsignal ein erstes Kommutierungszeitpunktsignal erzeugbar ist, mit einer oder mehreren Erfassungseinheiten zur Erfassung einer oder mehrerer Motorzustandsgrößen des Motors (2) und Erzeugung entsprechender Zustandssignale, mit einer Kommutierungsgenerierungseinheit (9) zur Erzeugung eines den Zustandssignalen entsprechenden zweiten Kommutierungszeitpunktsignals, mit Leitungsverbindungen, durch die die Signalverarbeitungseinheit und die Kommutierungs- generierungseinheit mit einer Steuereinheit zur Erzeugung der die Phasenwicklungen (6) beaufschlagenden Phasenströme verbunden sind.
EP08839535A 2007-10-17 2008-10-15 Verfahren und einrichtung zur elektronischen kommutierung eines motors Withdrawn EP2203972A2 (de)

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