WO2008022878A2 - Verfahren und vorrichtung zum selbstkommutierenden betrieb eines elektronisch kommutierten gleichstrommotors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum selbstkommutierenden betrieb eines elektronisch kommutierten gleichstrommotors Download PDF

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Hartmut Seiler
Dirk Lamprecht
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
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    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
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    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/188—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using the voltage difference between the windings

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the self-commutating operation of an electronically commutated DC motor according to the preamble of the independent claims.
  • Such methods and circuit arrangements are basically known in the prior art, with an evaluation of speed-typical motor signals being used in each case.
  • a first such method operates on the principle of detecting the voltage induced in a non-energized phase of a permanent-magnetically excited motor voltage as a speed-relevant signal and is described for example in DE 3012833 C2.
  • This method provides a high signal level even at relatively low engine speeds, as well as at high load.
  • there is a low dependence of the phase position of the induced voltage of the phase current in the interesting EC motors with magnetically unbalanced rotor whereby a reliable evaluation of the speed signals can be achieved without correcting the phase angle at low engine speeds and high load.
  • a disadvantage of this method is that a motor phase must always be energized, which is why the Procedure at higher speeds achieved by field weakening with high field weakening factor is not suitable.
  • a second, also basically known method for the self-commutating operation of a permanently magnetically excited EC motor operates on the principle of evaluation of the third harmonics in the motor phase voltages and is, for example, by Volker Bosch in the reports from the Institute of Electrical Machines and Drives
  • a minimum speed supply current method is known, which is for startup control both for the combination with the self-commutating operation of an EC motor according to the principle of detecting the in a non-energized phase induced voltage as well as for the combination with the self-commutating operation according to the principle of detecting the third harmonics of the phase voltages.
  • Another known starting method for EC motors which is also suitable for combining with the two aforementioned self-commutating operating options, operates on the principle of determining the rotor position due to rotational position-typical data of the engine.
  • the rotor position is in this case determined by determining the different current levels at pulsed energization of the individual phases or by detecting the different current increase in the individual phases due to different magnetic couplings.
  • Such methods are also specified in the aforementioned publications or described for example in DE 102 005 007 995.4.
  • the method according to the invention and a corresponding circuit arrangement have the advantage over the known methods described above that they are suitable both for starting with a high starting load at low speeds and for high speeds caused by field weakening and with comparatively little circuit complexity, in particular without hardware-based rotation angle sensors , are feasible.
  • This is achieved by the combination of basically known, in different speed ranges advantageous method for self-commutating operation of EC motors, which by Monitoring and comparison of the engine speeds with predetermined range limits and be activated by the respective switching to the appropriate mode in its advantageous application.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a
  • FIG. 2 is a schematic representation of a
  • Fig. 3 is a schematic representation of a combination of the invention
  • FIG. 1 shows the known principle of a circuit arrangement for determining the rotor position and the energization of the stator phases U, V, W of a permanently excited, electronically commutated direct current motor (EC motor) according to the principle of detecting the voltage induced in the currentless phase.
  • EC motor electronically commutated direct current motor
  • DC power source which supplies a three-phase inverter 12 for supplying a three-phase EC motor 14 with voltage.
  • the excitation of the motor 14 is effected by a permanent magnet rotor 16.
  • the motor is energized by pulse-width modulated 120 ° voltage blocks, between each of which there are 60 ° wide, de-energized sections in which the voltage induced in the phase changes their polarity.
  • Zero crossings of the induced voltage can be evaluated for the exact determination of the rotor position by means of the circuit arrangement shown in FIG.
  • the induced voltage of each phase via one Low-pass filter 18,20,22 placed on the non-inverting inputs of comparators 24,26 and 28, the inverting inputs at a connection point 30 of a connected to the neutral point of the stator windings U, V, W and the ground 31 of the DC power supply circuit of a resistor 32 and a capacitor 35 are.
  • the low-pass filters 18, 20, 22 serve to reduce the influences of the pulse width modulation on the signals to be evaluated.
  • the output signals of the comparators 24, 26 and 28 are evaluated in a controller 36 in the form of a microcontroller for the inverter 12.
  • the comparators 24,26 and 28 each receive the same reference potential corresponding to the potential at the connection point 30.
  • the potential at the non-inverting input of the comparators changes according to the course of the associated terminal voltage, resulting in the zero crossing of the induced voltage exactly determined in the respective de-energized phase U, V, W and from this the associated rotor position can be determined, since the phase position of the Polradschreib depends only on the rotor position.
  • a current flows only in two of the three phases.
  • the third phase remains de-energized and thus corresponds to the
  • FIG. 1 shows the basic circuit diagram of a circuit arrangement for determining the rotor position of a permanently magnetically excited EC motor from the third harmonics of the voltages in the phases U, V, W.
  • the same switching elements as in FIG. 1 are provided with the same reference numerals. This applies to the DC voltage source 10, the inverter 12, the EC motor 14 with its permanent magnet rotor 16 and the ground 31 of the DC voltage source and to the controller 36 of the inverter 12.
  • the terminal voltages of the phases U, V, W are brought together via resistors 38, 40, 42 to form an artificial star point 44, which is connected to the non-inverting input a comparator 46 is connected.
  • This is still a capacitor 43 to the ground 31.
  • the resistors 38, 40, 42 each have the same resistance.
  • the artificial star point 44 is connected to form a further voltage divider via a resistor 48 to the ground 31 of the DC voltage network.
  • the inverting input of the comparator 46 is connected to a connection point 45 of a connected between Statorsternrios and ground 31
  • the circuit arrangement according to FIG. 2 for determining the rotor position by evaluating the third harmonic in the terminal voltages operates according to the principle of subtraction between the voltages at the real one Star point of the stator windings U, V, W and the artificial star point 44.
  • the Polradschreib the permanent magnetically excited three-phase machine with radially magnetized air gap magnet in this case has harmonics odd order, the harmonics form with three or a multiple of three different atomic numbers symmetrical three-phase systems, the cancel each other out. Remaining in terms of amount essentially remains the third harmonic, which has the same phase in the three phases U, V, W.
  • these third harmonics add up to zero, but not at the artificial star point 44, so that they can be taken as an input to the comparator 46 between these two points.
  • the zero crossings of the Polradschreiben each coincide with a zero crossing of the third harmonic, the switch-on and the switch-off for a 120 ° -Blockbestromung the phase windings U, V, W is defined in each case by a peak value of the third harmonic.
  • the third harmonic amplitudes that increase with the speed can be brought to a constant level and the curve can be phase-shifted by 90 ° so that the zero crossings of the third harmonic coincide with the zero crossings of the phase voltage. Further details emerge from Volker Bosch's reference on rotor position determination by detecting the third harmonic.
  • Fig. 3 shows the circuit arrangement according to the invention for the self-commutating operation of an EC motor 14, which is fed from a DC voltage source 10 and controlled by an electronic switching device, again in the form of an inverter 12, by a control unit 48 analogous to the circuit arrangements in Figures 1 and 2.
  • This contains a first evaluation device 50 corresponding to the structure in Fig. 1, which operates according to the measuring principle of the voltage induced in a de-energized phase winding voltage, and a second evaluation circuit 52, which analogous to FIG. 2 for determining the rotor position and the self-commutating operation of the motor 14 detects the third harmonics of the phase voltages.
  • the switching between the two evaluation circuits 50 and 52 is performed by a comparator 54 with an associated switching device 56 which connects the evaluation circuits 50 and 52 according to the height of the engine speeds n with a microcontroller 58 which controls the inverter 12.
  • a counter is integrated, which supplies a speed signal for the actual speed n to the comparator 54 in accordance with the detected speed pulses.
  • the latter is susceptible to hysteresis and receives two limit signals, on the one hand from an encoder 60 at a defined upper speed threshold n2 and on the other hand from a sensor 62 falls below a lower speed threshold nl to be determined.
  • the speed threshold of the encoder 60 is higher than the speed threshold of the encoder 62, so that the switchover to the respective suitable evaluation circuit 50 or 52 with increasing and decreasing speed n at different speed thresholds.
  • the switch 56 switches over from the evaluation circuit 50 to the evaluation circuit 52 for the third harmonic.
  • the lower speed threshold nl defined by the encoder 62 is switched by the evaluation circuit 52 to the evaluation circuit 50 for the evaluation of the induced voltage, wherein the thresholds of the encoder 60 and 62 define a hysteresis to a to ensure stable switching behavior.
  • the evaluation of the speed signals is performed by the microcontroller 58, which controls the inverter 12.
  • the inventive method and the associated circuit arrangement are therefore suitable for the control of permanent magnetically excited EC motors both at a high starting load and at high speeds during operation with a high field weakening factor.
  • the combination of two basically known methods for controlling the speed of EC motors and the division of the entire control range into suitable subregions thus electrical drives can be created, which are particularly suitable both for startup with high torque and for high maximum speeds. Areas of application for such a control are, for example, electrical tools such as screwdrivers, saws and drills, whose range of application and performance can be significantly increased.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb eines elektronisch kommutierbaren Gleichstrommotors (14) mit permanentmagnetisch erregtem Rotor (16) und einem mehrphasig gestalteten Stator, welcher aus einer Gleichspannungsquelle (10) über eine von einer Steuereinheit (48) gesteuerte elektronische Schalteinrichtung (12) bestromt wird. Erfindungsgemäß weist hierbei die Steuereinheit (48) einen vorzugsweise hysteresebehafteten Vergleicher (54) für die Motordrehzahlen (n) auf mit einer zugeordneten Umschaltvorrichtung (56) für unterschiedliche Auswerteschaltungen (50,52) von Drehzahlsignalen, von denen eine erste (50) nach dem Messprinzip der in einer unbestromten Phasenwicklung (U,V,W) induzierten Spannung arbeitet und unterhalb einer Drehzahlschwelle (n1) aktiviert wird, während eine zweite Auswerteschaltung (52) zum selbstkommutierenden Betrieb die dritten Oberwellen der Phasenspannungen erfasst und erst oberhalb einer vorgebbaren Drehzahlschwelle (n2) aktiviert wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum selbstkommutierenden Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selbstkommutierenden Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Derartige Verfahren und Schaltungsanordnungen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, wobei jeweils eine Auswertung von drehzahltypischen Motorsignalen zur Anwendung kommt.
Ein erstes derartiges Verfahren arbeitet nach dem Prinzip der Erfassung der in einer nicht bestromten Phase eines permanentmagnetisch erregten Motors induzierten Spannung als drehzahlrelevantes Signal und ist beispielsweise in der DE 3012833 C2 beschrieben . Dieses Verfahren liefert einen hohen Signalpegel bereits bei relativ kleinen Motordrehzahlen, sowie bei hoher Last. Außerdem besteht bei den interessierenden EC-Motoren mit magnetisch unsymmetrischem Rotor eine geringe Abhängigkeit der Phasenlage der induzierten Spannung vom Phasenstrom, wodurch sich eine sichere Auswertung der Drehzahlsignale ohne Korrektur der Phasenlage bei kleinen Motordrehzahlen und hoher Last erreichen lässt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass eine Motorphase immer unbestromt sein muss, weshalb das Verfahren bei höheren, durch Feldschwächung erreichten Drehzahlen mit hohem Feldschwächungsfaktor nicht geeignet ist.
Ein zweites, ebenfalls grundsätzlich bekanntes Verfahren zum selbstkommutierenden Betrieb eines permanentmagnetisch erregten EC-Motors arbeitet nach dem Prinzip der Auswertung der dritten Oberwellen in den Motorphasenspannungen und ist beispielsweise von Volker Bosch in den Berichten aus dem Institut für Elektrische Maschinen und Antriebe der
Universität Stuttgart als Dissertation D 93 in Band 7 unter dem Titel „Elektronisch kommutiertes
Einzelspindelantriebssystem" im Shaker Verlag, Aachen, 2001 veröffentlicht. Dieses Verfahren ist auch einsetzbar, wenn alle Motorphasen bestromt sind, und es eignet sich daher auch für den Feldschwächungsbetrieb mit hohem Feldschwächungsfaktor bei hohen Drehzahlen eines EC-Motors. Nachteilig bei diesem zweiten Verfahren ist jedoch, dass die auszuwertenden Signale in starkem Maße drehzahlabhängig sind, weshalb bei kleinen Motordrehzahlen keine ausreichenden Signalpegel anstehen. Außerdem besteht eine hohe Abhängigkeit der Phasenlage der Spannungssignale vom Phasenstrom eines EC-Motors mit einem magnetisch unsymmetrischen Rotor, wie er häufig bei permanentmagnetisch erregten EC-Motoren verwendet wird. Für kleine Drehzahlen und insbesondere für einen Anlauf des EC-Motors unter hoher Last ist das Verfahren daher ungeeignet.
Weiterhin sind zum Starten von EC-Motoren und zum Betrieb dieser Motoren unterhalb einer Mindestdrehzahl Bestromungsverfahren bekannt, welche sich zur Anlaufsteuerung sowohl für die Kombination mit dem selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors nach dem Prinzip der Erfassung der in einer nicht bestromten Phase induzierten Spannung als auch für die Kombination mit dem selbstkommutierenden Betrieb nach dem Prinzip der Erfassung der dritten Oberwellen der Phasenspannungen eignen. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, den Rotor des Motors beim Start durch Bestromung der Statorwicklungen in einer bestimmten Lage auszurichten und die Anfangsbestromung des Motors auf diese Rotorlage abzustellen. Ein anderes bekanntes Startverfahren für EC-Motoren, welches sich ebenfalls für die Kombination mit den beiden vorgenannten selbstkommutierenden Betriebsmöglichten eignet, arbeitet nach dem Prinzip der Bestimmung der Rotorlage aufgrund von drehstellungstypischen Daten des Motors. Die Rotorstellung wird hierbei durch die Bestimmung der unterschiedlichen Stromhöhen bei impulsförmiger Bestromung der einzelnen Phasen bestimmt oder durch Erfassung des unterschiedlichen Stromanstiegs in den einzelnen Phasen aufgrund unterschiedlicher magnetischer Kopplungen. Derartige Verfahren sind ebenfalls in den vorgenannten Druckschriften angegeben oder beispielsweise in der DE 102 005 007 995.4 beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und eine entsprechende Schaltungsanordnung haben gegenüber den zuvor beschriebenen bekannten Verfahren den Vorteil, dass sie sowohl für den Anlauf mit einer hohen Anlauflast bei niedrigen Drehzahlen als auch für hohe, durch Feldschwächung bewirkte Drehzahlen geeignet und mit verhältnismäßig geringem Schaltungsaufwand, insbesondere ohne hardwaremäßige Drehwinkelsensorik, realisierbar sind. Dies wird erreicht durch die Kombination grundsätzlich bekannter, in unterschiedlichen Drehzahlbereichen vorteilhafter Verfahren zum selbstkommutierenden Betrieb von EC-Motoren, welche durch Überwachung und Vergleich der Motordrehzahlen mit vorgegebenen Bereichsgrenzen und durch die jeweilige Umschaltung auf die geeignete Betriebsart in ihrem vorteilhaften Anwendungsbereich aktiviert werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen möglich. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn ein hysteresebehafteter Vergleicher zur Auswahl der jeweils bevorzugten Betriebsart durch die Umschaltung auf unterschiedliche Auswerteschaltungen zum Einsatz kommt, wobei die Umschaltung mit zunehmender und abnehmender Drehzahl bei unterschiedlichen Drehzahlen erfolgt und dabei die Einschaltschwelle für die Aktivierung der Auswerteschaltung mit der Erfassung der dritten Oberwellen der Phasenspannungen höher liegt als die Drehzahlschwelle für die Umschaltung auf die Auswerteschaltung mit der Erfassung der induzierten Spannungen. Auf diese Weise wird ein stabilisierter Betrieb im Grenzbereich der Eignung der unterschiedlichen Auswerteschaltungen sichergestellt .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors mit Erfassung der jeweils in der nicht bestromten Phase induzierten Spannung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer
Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors nach dem Prinzip der
Erfassung der dritten Oberwellen in den Phasenspannungen und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kombination der
Schaltungsanordnungen gemäß den Figuren 1 und 2.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt das bekannte Prinzip einer Schaltungsanordnung für die Ermittlung der Rotorposition und die Bestromung der Statorphasen U, V, W eines permanenterregten, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (EC-Motor) nach dem Prinzip der Erfassung der in der unbestromten Phase induzierten Spannung. In der Zeichnung ist mit 10 eine
Gleichspannungsquelle bezeichnet, welche einen dreiphasigen Umrichter 12 zur Speisung eines dreiphasigen EC-Motors 14 mit Spannung versorgt. Die Erregung des Motors 14 erfolgt durch einen permanentmagnetischen Rotor 16.
Die Bestromung des Motors erfolgt durch pulsweitenmodulierte 120 ° -Spannungsblöcke, zwischen denen jeweils 60° breite, unbestromte Abschnitte liegen, in denen die in der Phase induzierte Spannung jeweils ihre Polarität wechselt. Die
Nulldurchgänge der induzierten Spannung können zur exakten Bestimmung der Rotorposition ausgewertet werden mittels der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Hierbei wird die induzierte Spannung jeder Phase über je ein Tiefpassfilter 18,20,22 auf die nicht invertierenden Eingänge von Komparatoren 24,26 und 28 gelegt, deren invertierende Eingänge an einem Anschlusspunkt 30 eines mit dem Sternpunkt der Statorwicklungen U, V, W und mit der Masse 31 des Gleichspannungsnetzes verbundenen Schaltungszweiges aus einem Widerstand 32 und einem Kondensator 35 liegen. Die Tiefpassfilter 18, 20, 22 dienen der Verringerung der Einflüsse der Pulsweitenmodulation auf die auszuwertenden Signale. Die Ausgangssignale der Komparatoren 24, 26 und 28 werden in einer Steuerung 36 in Form eines MikroControllers für den Umrichter 12 ausgewertet.
In der dargestellten Schaltung gemäß Fig. 1 erhalten die Komparatoren 24,26 und 28 jeweils das gleiche Bezugspotential entsprechend dem Potential am Anschlusspunkt 30. Das Potential am nicht invertierenden Eingang der Komparatoren ändert sich entsprechend dem Verlauf der zugehörigen Klemmenspannung, woraus der Nulldurchgang der induzierten Spannung in der jeweils unbestromten Phase U, V, W exakt ermittelt und hieraus die zugehörige Rotorposition bestimmt werden kann, da die Phasenlage der Polradspannung nur von der Läuferposition abhängt. Wenn hierbei der Motor mit im Wesentlichen rechteckförmigen Strömen gespeist wird, fließt ein Strom jeweils nur in zwei der drei Phasen. Die dritte Phase bleibt unbestromt und somit entspricht die
Polradspannung der unbestromten Phase der leicht messbaren Klemmenspannung. Für die rechteckförmige Bestromung der Statorwicklungen werden jeweils nur die sechs Kommutierungszeitpunkte während einer Periode benötigt, welche sich aus den Nulldurchgängen der Polrad- beziehungsweise Klemmenspannungen ergeben. Weitere Einzelheiten zum Verfahren der Bestimmung der Rotorlage aus den Polradspannungen ergeben sich aus der eingangs genannten Druckschrift DE 30 12 833 C2. Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Rotorposition eines permanentmagnetisch erregten EC-Motors aus den dritten Oberwellen der Spannungen in den Phasen U, V, W. Gleiche Schaltelemente wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dies gilt für die Gleichspannungsquelle 10, den Umrichter 12, den EC-Motor 14 mit seinem Permanentmagnetrotor 16 und der Masse 31 der Gleichspannungsquelle sowie für die Steuerung 36 des Umrichters 12.
Abweichend von der Anordnung gemäß Fig. 1 sind bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 zur Ermittlung der dritten Oberwellen die Klemmenspannungen der Phasen U, V, W über Widerstände 38,40,42 zu einem künstlichen Sternpunkt 44 zusammengeführt, welcher mit dem nicht invertierenden Eingang eines Komparators 46 verbunden ist. Dieser liegt weiterhin über einen Kondensator 43 an der Masse 31. Die Widerstände 38, 40, 42 haben jeweils den gleichen Widerstandswert. Der künstliche Sternpunkt 44 ist zur Bildung eines weiteren Spannungsteilers über einen Widerstand 48 mit der Masse 31 des Gleichspannungsnetzes verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators 46 liegt an einem Anschlusspunkt 45 eines zwischen Statorsternpunkt und Masse 31 angeschlossenen
Spannungsteilers mit den Widerständen 32 und 34. Dieser Anschlusspunkt 45 ist zusätzlich über einen Tiefpassfilter 41 an Masse 31 gelegt. Der Ausgang der Komparators 46 ist an die Steuerung 36 für den Umrichter 12 angeschlossen.
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 zur Bestimmung der Rotorposition durch Auswertung der dritten Oberschwingung in den Klemmenspannungen arbeitet nach dem Prinzip der Differenzbildung zwischen den Spannungen am echten Sternpunkt der Statorwicklungen U, V, W und an dem künstlichen Sternpunkt 44. Die Polradspannung der permanentmagnetisch erregten Drehstrommaschine mit radial magnetisierten Luftspaltmagneten weist hierbei Oberwellen ungerader Ordnungszahl auf, wobei die Oberwellen mit von drei oder einem Vielfachen von drei abweichenden Ordnungszahlen symmetrische Drehspannungssysteme bilden, die sich gegenseitig aufheben. Übrig bleibt betragsmäßig im Wesentlichen die dritte Oberwelle, die in den drei Phasen U, V, W gleiche Phasenlage hat. Im Sternpunkt der Maschine addieren sich diese dritten Oberwellen zu Null, nicht jedoch am künstlichen Sternpunkt 44, sodass sie zwischen diesen beiden Punkten als Eingangsgröße für den Komparator 46 abgenommen werden können. Hierbei stimmen die Nulldurchgänge der Polradspannungen jeweils mit einem Nulldurchgang der dritten Oberwelle überein, der Einschaltpunkt und der Ausschaltpunkt für eine 120 °-Blockbestromung der Phasenwicklungen U, V, W ist jeweils durch einen Scheitelwert der dritten Oberwelle definiert.
In der Abbildung gemäß Fig. 2 sind weitere Gestaltungsmöglichkeiten der Schaltungsanordnung nicht dargestellt, beispielsweise solche zur Integration der Messsignale. Durch eine Integration können die mit der Drehzahl steigenden Amplituden der dritten Oberwelle auf ein konstantes Niveau gebracht und der Kurvenverlauf um 90° phasenverschoben werden, sodass die Nulldurchgänge der dritten Oberwelle mit den Nulldurchgängen der Phasenspannung übereinstimmen. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der eingangs genannten Literaturstelle von Volker Bosch über die Rotorlagebestimmung durch Erfassung der dritten Oberwelle.
Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors 14, welcher analog zu den Schaltungsanordnungen in den Figuren 1 und 2 aus einer Gleichspannungsquelle 10 gespeist und durch eine elektronische Schalteinrichtung, wiederum in Form eines Umrichters 12, von einer Steuereinheit 48 kontrolliert wird. Diese enthält eine erste Auswerteinrichtung 50 entsprechend dem Aufbau in Fig. 1, welche nach dem Messprinzip der in einer unbestromten Phasenwicklung induzierten Spannung arbeitet, sowie eine zweite Auswerteschaltung 52, welche analog zur Fig. 2 für die Ermittlung der Rotorposition und zum selbstkommutierenden Betrieb des Motors 14 die dritten Oberwellen der Phasenspannungen erfasst. Die Umschaltung zwischen den beiden Auswerteschaltungen 50 und 52 erfolgt durch einen Vergleicher 54 mit einer zugeordneten Umschaltvorrichtung 56, welche die Auswerteschaltungen 50 und 52 entsprechend der Höhe der Motordrehzahlen n mit einem MikroController 58 verbindet, der den Umrichter 12 steuert.
In den MikroController 58 ist ein Zähler integriert, welcher entsprechend den erfassten Drehzahlimpulsen ein Drehzahlsignal für die Ist-Drehzahl n an den Vergleicher 54 liefert. Letzterer ist hysteresebehaftet und erhält zwei Grenzwertsignale, einerseits von einem Geber 60 bei einer festzulegenden oberen Drehzahlschwelle n2 und andererseits von einem Geber 62 bei Unterschreitung einer festzulegenden unteren Drehzahlschwelle nl . Hierbei liegt die Drehzahlschwelle des Gebers 60 höher als die Drehzahlschwelle des Gebers 62, sodass die Umschaltung auf die jeweils geeignete Auswerteschaltung 50 oder 52 mit zunehmender und abnehmender Drehzahl n bei unterschiedlichen Drehzahlenschwellen erfolgt. Überschreitet die Ist-Drehzahl n des Motors 14 die im Geber 60 festgelegte obere Drehzahlschwelle n2, so wird durch den Umschalter 56 von der Auswerteschaltung 50 auf die Auswerteschaltung 52 für die dritte Oberwelle umgeschaltet. Unterschreitet andererseits die Ist-Drehzahl n des Motors 14 die durch den Geber 62 festgelegte untere Drehzahlschwelle nl, so wird von der Auswerteschaltung 52 auf die Auswerteschaltung 50 für die Auswertung der induzierten Spannung umgeschaltet, wobei die Schwellen der Geber 60 und 62 ein Hystereseband definieren, um ein stabiles Schaltverhalten zu gewährleisten.
Die Auswertung der Drehzahlsignale erfolgt durch den MikroController 58, welcher den Umrichter 12 steuert. Durch die Umschaltung wird bereits bei niedrigen Drehzahlen des Motors 14 ein hoher Signalpegel erreicht bei gleichzeitig geringer Abhängigkeit der Phasenlage vom Phasenstrom des Motors, und auch bei hohen Drehzahlen mit Feldschwächungsbetrieb steht trotz Bestromung aller Motorphasen ein ausreichender Signalpegel zur Verfügung. Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Schaltungsanordnung eignen sich daher für die Steuerung von permanentmagnetisch erregten EC-Motoren sowohl bei einer hohen Anlauflast als auch bei hohen Drehzahlen im Betrieb mit hohem Feldschwächungsfaktor. Durch die Kombination zweier grundsätzlich bekannter Verfahren zur Drehzahlregelung von EC-Motoren und die Aufteilung des gesamten Stellbereiches in geeignete Teilbereiche können somit elektrische Antriebe geschaffen werden, die sowohl für den Anlauf mit hohem Drehmoment als auch für hohe maximale Drehzahlen besonders geeignet sind. Anwendungsgebiete für eine derartige Regelung sind beispielsweise elektrische Arbeitsgeräte wie Schrauber, Sägen und Bohrer, deren Einsatzbereich und Leistung deutlich vergrößert werden können.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum selbstkommutierenden Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (14) mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor (16) und einem eine mehrphasige, vorzugsweise dreiphasige, Statorwicklung (U, V, W) tragenden Stator, welcher aus einer
Gleichspannungsquelle (10) über eine von einer Steuereinheit (48) gesteuerte elektronische Schalteinrichtung (12) bestromt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (48) einen Vergleicher (54) für Motordrehzahlen (n) mit einer zugeordneten Umschaltvorrichtung (54) für unterschiedliche Auswerteschaltungen (50,52) von Drehzahlsignalen aufweist, von denen eine erste (50) nach dem Messprinzip der in einer unbestromten Phasenwicklung (U, V, W) induzierten Spannung
(Fig.l) arbeitet und unterhalb einer Drehzahlschwelle (nl) aktiviert wird, während eine zweite Auswerteschaltung (52) die dritten Oberwellen der Phasenspannungen (U, V, W; Fig.2) erfasst und oberhalb einer Drehzahlschwelle (n2) aktiviert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher (54) hysteresebehaftet ist, wobei die Umschaltung auf unterschiedliche Auswerteschaltungen (50,52) mit zunehmender und abnehmender Drehzahl (n) bei unterschiedlichen Drehzahlen (nl , n2 ) erfolgt und die Einschaltschwelle (n2) für die Aktivierung der zweiten Auswerteschaltung (52) mit der Erfassung der dritten Oberwellen (Fig.2) der Phasenspannungen (U, V, W) höher liegt als die Schaltschwelle (nl) für die Umschaltung auf die erste Auswerteschaltung (50) mit der Erfassung der induzierten Spannungen (Fig.l).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Auswerteschaltung (50) zum selbstkommutierenden Betrieb mittels Erfassung der induzierten Spannung überwiegend im Arbeitsbereich durch Pulsweitenmodulation aktiviert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Auswerteschaltung (52) zum selbstkommutierenden Betrieb mittels Erfassung der dritten Oberwellen der Phasenspannungen (U, V, W) überwiegend im Arbeitsbereich durch Feldschwächung aktiviert wird.
5. Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (14) mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor (16) und einem eine mehrphasige, vorzugsweise dreiphasige, Statorwicklung (U, V, W) tragenden Stator, welcher aus einer
Gleichspannungsquelle (10) über eine von einer Steuereinheit (48) gesteuerte elektronische Schalteinrichtung (12) bestrombar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (48) zwei getrennte Auswerteschaltungen
(50,52) für die Ermittlung der Motordrehzahlen (n) besitzt, welche in Abhängigkeit von der Höhe der Motordrehzahl durch eine Umschaltvorrichtung (56) eines Vergleichers mit einer Logikschaltung (58) für die Ansteuerung der Schalteinrichtung (12) verbindbar sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine erste, in einem unteren Drehzahlbereich aktive Auswerteschaltung (50) für die in einer nicht bestromten Phase (U, V, W) der Statorwicklung induzierten Spannung (Fig.l) .
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine zweite, in einem oberen
Drehzahlbereich aktive Auswerteschaltung (52) für die dritten Oberwellen der Phasenspannungen (U, V, W; Fig.2).
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass der Vergleicher (54) der
Steuereinheit (48) eine Hysteresecharakteristik aufweist mit unterschiedlichen Drehzahlschwellen (nl,n2; 60,62) für die Auswahl der Auswerteschaltungen (50,52) bei zunehmenden und abnehmenden Drehzahlen (n) .
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