WO2012146541A2 - Verfahren zur sensorlosen kommutierungserkennung von elektronisch kommutierten elektromotoren - Google Patents

Verfahren zur sensorlosen kommutierungserkennung von elektronisch kommutierten elektromotoren Download PDF

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    • H02P6/186—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using difference of inductance or reluctance between the phases

Definitions

  • the invention relates to a method for sensorless commutation detection of electronically commutated electric motors.
  • the rotating magnetic field required for the rotary motion is controlled by electronics.
  • the commutation times are dependent on the rotor position of the motor and can either be sensed or determined by measuring the mutual induction voltage.
  • Comparators are used to detect the zero crossings, and the evaluation of the comparator signals is carried out via microcontrollers.
  • the invention has for its object to optimize the electronic commutation in electric motors with simple measures. It should in particular the sensorless commutation detection can be improved so that no performance losses occur.
  • phase current is interrupted for a blanking period, so that the mutual induction voltage (back-EMF or BEMF) is present after the phase current has decayed without voltage superimposition.
  • BEMF mutual induction voltage
  • Zero crossing in this context does not necessarily mean a zero potential, but also includes the passage of the inductive voltage through means potentials.
  • the mean potential is that of the neutral point, which corresponds to half the supply voltage.
  • the zero crossing can be determined for example by means of comparators.
  • the output signal (BEMF signal) of the comparator is evaluated, for example, by means of a microcontroller.
  • the blanking period is therefore characterized by three times, namely the beginning of the blanking period at which the phase current is switched off, the end of the blanking period at which the phase current is switched on again, and an intermediate decay point within the blanking period in which the phase current has decayed below a limit value after switching off.
  • the blanking period ie the time difference between the beginning and the end of the blanking period, is kept as short as possible. This is accomplished by determining the time difference between the decay time and the end of the blanking period and determining the beginning of the blanking period as a function of this time difference so that the blanking period is minimized.
  • the blanking period is not constant, but rather is continuously variably determined or updated, so that the system or environmental conditions such as temperature and voltage or other operating conditions can be taken into account and at the same time the blanking period by the variable adjustment as short as possible. This is made possible by setting the beginning of the blanking period variable.
  • the start of the blanking period is brought forward if the time difference between the decay time and the end of the blanking period is reduced from a reference value.
  • the time difference is too small and the beginning of the blanking period - which coincides with the turn-off time - must be shifted to a preferred earlier time.
  • the re-start timing of the phase current - is increased from a reference value, the beginning of the blanking period is shifted to a later time.
  • the reference value on which the comparison with the time difference between decay time and end of the blanking period is based expediently represents a system size or function, which, however, depends on the rotational speed of the electric motor. Depending on the current speed, the reference value changes, in particular in such a way that the reference value increases or decreases with the speed.
  • the relationship between the reference value and the speed of the electric motor is linear.
  • the reference value can be specified both as absolute and as relative size.
  • the reference value as described above is a system-specific value, which may depend on a state or characteristic variable of the electric motor, in particular the speed of the motor.
  • the reference value may depend on the value from the previous calculation cycle, with relative deviations exceeding a defined percentage leading to an adjustment of the beginning of the blanking period, whereas relative deviations below the percentage threshold will result in no adjustment the beginning of the blanking time remains unchanged.
  • the value by which the beginning of the blanking period is postponed to an earlier or later time can be determined in various ways. According to a simple embodiment, it is provided that the beginning of the blanking period is shifted by a constant amount. In contrast, according to an alternative, advantageous embodiment, it is provided that the beginning of the blanking period is shifted by a variable amount, which is determined in particular as a function of the time difference between the decay time and the end of the blanking period. For example, the amount by which the beginning of the blanking period is shifted can be determined as a fraction of the time difference between the decay time and the end of the blanking period. The method expediently takes place in a regulating or control device which is assigned to the electric motor.
  • the zero crossing of the induced voltage must be determined, which is done using the BEMF signal 3. Since the current BEMF signal 3 is disturbed by the overlap with the phase current, the phase current must be interrupted for a blanking period, which takes place at the time ti, thus marking the beginning of the blanking period. After switching off the current supply, however, to avoid disturbances of the BEMF signal 3, the decay of the current must still be awaited. At the time of decay t 2 , the phase current has decayed sufficiently, so that no significant disturbances in the course of the BEMF signal 3 occur more. Thus, the period between the decay time t 2 and the end t 3 of the blanking period represents the phase in which the BEMF signal 3 is unaffected by the phase current.
  • the time t 3 marks the end of the blanking period in which there is a zero crossing, which can be detected on the edge of the BEMF signal 3. With the end of the blanking period at time t 3 , the phase Ström is turned on again.
  • the beginning ti of the blanking period is variably shifted to a preferred, earlier time or to a later time. The decision as to whether a shift takes place and, if so, in which direction, depends on the time difference A t between the decay time t 2 and the end t 3 of the blanking period. If the time difference is reduced from a reference value, the beginning ti of the blanking period is advanced to an earlier time.
  • the beginning ti is set to a later point in time.
  • the reference value which is used for the comparison with the time difference Et, is advantageously a system-specific function, which depends on the rotational speed of the electric motor.
  • the magnitude of the shift in the beginning ti of the blanking period is advantageously set variably and determined in particular as a function of the time difference Et between t 2 and t 3 , for example as a fixed fraction of the time difference ⁇ t.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur sensorlosen Kommutierungserkennung von elektronisch kommutierten Elektromotoren wird zur Detektierung des Nulldurchgangs der Phasenstrom für einen Austastzeitraum unterbrochen. Aus dem Verlauf der Gegeninduktionsspannung wird ein das Abklingen des Phasenstroms kennzeichnender Abklingzeitpunkt innerhalb des Austastzeitraums ermittelt und der Beginn des Austastzeitraums als Funktion der Zeitdifferenz zwischen Abklingzeitpunkt und Ende des Austastzeitraums bestimmt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur sensorlosen Kommutierungserkennung von elektronisch kommu- tierten Elektromotoren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sensorlosen Kommutierungserkennung von elektronisch kommutierten Elektromotoren.
Stand der Technik
Bei elektronisch kommutierten Gleichstrom-Elektromotoren wird das magnetische Drehfeld, welches für die Drehbewegung erforderlich ist, von einer Elektronik gesteuert. Die Kommutierungszeitpunkte sind von der Rotorposition des Motors abhängig und können entweder sensorisch erfasst oder über die Messung der Gegeninduktionsspannung bestimmt werden. Zur Detektierung der Nulldurchgänge werden Komparatoren eingesetzt, die Auswertung der Komparator- signale erfolgt über Mikrocontroller.
Zur Detektierung des Nulldurchgangs ist es erforderlich, die zugehörige Phase für einen definierten Zeitraum nicht zu bestromen, um eine Überdeckung der induzierten Spannung zu vermeiden. Diese sogenannte Austastlücke, während der nicht bestromt wird, muss groß genug gewählt werden, um in verschiedenen Be- triebszuständen des Motors eine Überdeckung der induzierten Spannung auszuschließen. Bei größeren Austastlücken werden jedoch Geräusch und Leistung beeinträchtigt.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen die elektronische Kommutierung in Elektromotoren zu optimieren. Es soll insbesondere die sensorlose Kommutierungserkennung so verbessert werden, dass keine Leistungseinbußen entstehen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine sensorlose Kommutierungserkennung von elektronisch kommutierten Elektromotoren, insbesondere Gleichstrom-Elektromotoren möglich. Um störende Einflüsse bei der Kommutierungserkennung aufgrund eines noch fließenden Phasenstromes auszuschließen bzw. zu minimieren, wird für einen Austastzeitraum der Phasenstrom unterbrochen, so dass die Gegeninduktionsspannung (Back-EMF bzw. BEMF) nach dem Abklingen des Phasenstroms ohne Spannungsüberlagerung vorliegt. Das Verfahren eignet sich zur dynamischen Längenoptimierung bzw. Minimierung der Austastlücke bei elektronisch kommutierten Elektromotoren.
Der grundsätzliche Verlauf der induzierten Spannung des Motors ist an sich bekannt, so dass nach dem Abklingen der Bestromung auf den Nulldurchgang geschlossen werden kann. Nulldurchgang bedeutet in diesem Zusammenhang nicht zwingenderweise ein Nullpotenzial, sondern schließt auch den Durchgang der induktiven Spannung durch Mittelpotenziale ein. Im Fall von drei Strangspannungen in Form eines Sterns ist das Mittel Potenzial dasjenige des Sternpunktes, welches der halben Versorgungsspannung entspricht.
Der Nulldurchgang kann beispielsweise mittels Komparatoren ermittelt werden. Das Ausgangssignal (BEMF-Signal) des Komparators wird zum Beispiel mittels eines Mikrocontrollers ausgewertet.
Um den Austastzeitraum, in welchem der Phasenstrom unterbrochen ist, so gering wie möglich zu halten und damit insbesondere die Leistung des Elektromotors zu verbessern, aber auch das entstehende Geräusch zu verringern, wird innerhalb des Austastzeitraums aus dem Verlauf der Gegeninduktionsspannung ein das Abklingen des Phasenstroms kennzeichnender Abklingzeitpunkt ermittelt und der Beginn des Austastzeitraums als Funktion der Zeitdifferenz zwischen diesem Abklingzeitpunkt und dem Ende des Austastzeitraums bestimmt. Der Austastzeitraum ist demzufolge durch drei Zeitpunkte gekennzeichnet, nämlich dem Beginn des Austastzeitraums, zu dem die Abschaltung des Phasenstroms erfolgt, dem Ende des Austastzeitraums, bei welchem der Phasenstrom wieder eingeschaltet wird, und einem zwischenliegenden Abklingzeitpunkt innerhalb des Austastzeitraums, bei dem der Phasenstrom nach dem Abschalten bis unter einen Grenzwert abgeklungen ist.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Austastzeitraum, also die Zeitdifferenz zwischen dem Beginn und dem Ende des Austastzeitraums, so kurz wie möglich gehalten. Dies wird erreicht, indem die Zeitdifferenz zwischen dem Abklingzeitpunkt und dem Ende des Austastzeitraumes bestimmt und der Beginn des Austastzeitraumes als Funktion dieser Zeitdifferenz ermittelt wird, so dass der Austastzeitraum minimiert wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit der Austastzeitraum nicht konstant, sondern wird vielmehr fortlaufend variabel bestimmt bzw. aktualisiert, so dass den System- bzw. Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel Temperatur und Spannung oder sonstigen Betriebszuständen Rechnung getragen werden kann und zugleich der Austastzeitraum durch die variable Anpassung so kurz wie möglich gehalten wird. Ermöglicht wird dies, indem der Beginn des Austastzeitraums variabel eingestellt wird.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass der Beginn des Austastzeitraums vorgezogen wird, falls die Zeitdifferenz zwischen dem Abklingzeitpunkt und dem Ende des Austastzeitraums gegenüber einem Referenzwert verringert ist. In diesem Fall ist die Zeitdifferenz zu klein und es muss der Beginn des Austastzeitraums - welcher mit dem Abschaltzeitpunkt zusammenfällt - auf einen vorgezogenen, früheren Zeitpunkt verschoben werden. Dagegen wird der Beginn des Austastzeitraums auf einen späteren Zeitpunkt verschoben, falls die Zeitdifferenz zwischen dem Abklingzeitpunkt und dem Ende des Austastzeitraums - dem Wieder-Einschaltzeitpunkt des Phasenstroms - gegenüber einem Referenzwert vergrößert ist. Es steht somit sowohl für den Fall einer verringerten Zeitdifferenz als auch für den Fall einer vergrößerten Zeitdifferenz ein Instrumentarium zur Anpassung des Austastzeitraums unter Berücksichtigung der aktuellen Zustands- bzw. Systembedingungen zur Verfügung. Der Referenzwert, der dem Vergleich mit der Zeitdifferenz zwischen Abklingzeitpunkt und Ende des Austastzeitraums zugrunde liegt, stellt zweckmäßigerweise eine Systemgröße bzw. -funktion dar, welche jedoch von der Drehzahl des Elektromotors abhängt. In Abhängigkeit der aktuellen Drehzahl ändert sich der Referenzwert, insbesondere in der Weise, dass der Referenzwert mit der Drehzahl ansteigt bzw. abfällt. Der Zusammenhang zwischen dem Referenzwert und der Drehzahl des Elektromotors ist linear.
Grundsätzlich denkbar ist auch eine Abhängigkeit von weiteren Zustands- bzw. Betriebsgrößen des Elektromotors, beispielsweise von der Temperatur.
Der Referenzwert kann sowohl als absolute als auch als relative Größe vorgegeben werden. Im Falle einer absoluten Größe handelt es sich bei dem Referenzwert wie vorbeschrieben um einen systemspezifischen Wert, der gegebenenfalls von einer Zustands- bzw. Kenngröße des Elektromotors, insbesondere der Drehzahl des Motors abhängt. Im Falle einer relativen Größe kann der Referenzwert von dem Wert aus dem vorangegangen Berechnungszyklus abhängen, wobei relative Abweichungen, die einen definierten Prozentsatz überschreiten, zu einer Anpassung des Beginns des Austastzeitraumes führen, wohingegen relative Abweichungen unterhalb des prozentualen Schwellenwertes zu keiner Anpassung führen, so dass der Beginn des Austastzeitpunkts unverändert bleibt.
Auch der Wert, um den der Beginn des Austastzeitraums auf einen vorgezogenen bzw. späteren Zeitpunkt verschoben wird, kann auf verschiedene Weisen ermittelt werden. Gemäß einer einfachen Ausführung ist vorgesehen, dass der Beginn des Austastzeitraumes um einen konstanten Betrag verschoben wird. Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausführung ist dagegen vorgesehen, dass der Beginn des Austastzeitraums um einen veränderlichen Betrag verschoben wird, welcher insbesondere als Funktion der Zeitdifferenz zwischen dem Abklingzeitpunkt und dem Ende des Austastzeitraums bestimmt wird. Beispielsweise kann der Betrag, um den der Beginn des Austastzeitraums verschoben wird, als Bruchteil der Zeitdifferenz zwischen dem Abklingzeitpunkt und dem Ende des Austastzeitraums ermittelt werden. Das Verfahren läuft zweckmäßigerweise in einem Regel- bzw. Steuergerät ab, welches dem Elektromotor zugeordnet ist. Unter den Begriff„Elektromotor" sollen auch elektrische Maschinen fallen, die als Generatoren eingesetzt werden. Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu entnehmen, die ein Schaubild mit dem zeitabhängigen Verlauf der Strangspannung, der Sternpunktspannung sowie des BEMF-Signals in der Bestromung eines Elektromotors zeigt. In dem Schaubild sind drei Kurven Verläufe mit Spannungswerten dargestellt, die bei der Bestromung eines elektronisch kommutierten Elektromotors auftreten. Die Kurve 1 stellt die Strangspannung in einer Sternschaltung zur Stromversorgung des Elektromotors dar, die Kurve 2 die Sternpunktspannung und die Kurve 3, welche die Form eines Rechtecksignals hat, das BEMF-Signal, das mittels ei- nes Komparators ermittelt werden kann, wobei das BEMF-Signal 3 als Ausgangssignal am Komparator anliegt, dem als Eingangssignal die Strangspannung 1 und die Sternpunktspannung 2 zugeführt werden.
Zur sensorlosen Kommutierungserkennung muss der Nulldurchgang der indu- zierten Spannung ermittelt werden, was anhand des BEMF-Signals 3 erfolgt. Da während der Bestromung das BEMF-Signal 3 durch Überlagerung mit dem Phasenstrom gestört ist, muss der Phasenstrom für einen Austastzeitraum unterbrochen werden, was zum Zeitpunkt ti erfolgt, der somit den Beginn des Austastzeitraums markiert. Nach dem Abschalten der Bestromung muss jedoch, um Störun- gen des BEMF-Signals 3 auszuschließen, noch das Abklingen des Stroms abgewartet werden. Zum Abklingzeitpunkt t2 ist der Phasenstrom hinreichend abgeklungen, so dass keine signifikanten Störungen im Verlauf des BEMF-Signals 3 mehr auftreten. Somit stellt der Zeitraum zwischen dem Abklingzeitpunkt t2 und dem Ende t3 des Austastzeitraums die Phase dar, in der das BEMF-Signal 3 un- beeinflusst vom Phasenstrom ist.
Der Zeitpunkt t3 markiert das Ende des Austastzeitraums, bei dem ein Nulldurchgang vorliegt, was anhand der Flanke des BEMF-Signals 3 detektiert werden kann. Mit dem Ende des Austastzeitraums zum Zeitpunkt t3 wird der Phasen- ström wieder eingeschaltet. Um den Austastzeitraum zwischen den Zeitpunkten ti und t3 so kurz wie möglich zu halten, wird der Beginn ti des Austastzeitraums variabel auf einen vorgezogenen, früheren Zeitpunkt bzw. auf einen späteren Zeitpunkt verschoben. Die Entscheidung, ob eine Verschiebung stattfindet und wenn ja, in welche Richtung, hängt von der Zeitdifferenz Ät zwischen dem Abklingzeitpunkt t2 und dem Ende t3 des Austastzeitraums ab. Falls die Zeitdifferenz gegenüber einem Referenzwert verringert ist, wird der Beginn ti des Austastzeitraums auf einen früheren Zeitpunkt vorgezogen. Ist dagegen die Zeitdifferenz Ät zwischen t2 und t3 gegenüber einem Referenzwert vergrößert, wird der Beginn ti auf einen späteren Zeitpunkt gelegt. Der Referenzwert, welcher für den Vergleich mit der Zeitdifferenz Ät herangezogen wird, ist vorteilhafterweise eine systemspezifische Funktion, die von der Drehzahl des Elektromotors abhängt.
Die Höhe der Verschiebung des Beginns ti des Austastzeitraums wird vorteilhafterweise variabel festgelegt und insbesondere als Funktion der Zeitdifferenz Ät zwischen t2 und t3 bestimmt, beispielsweise als fester Bruchteil der Zeitdifferenz Ät.

Claims

Verfahren zur sensorlosen Kommutierungserkennung von elektronisch kom- mutierten Elektromotoren, bei dem zur Detektierung des Nulldurchgangs der Phasenstrom für einen Austastzeitraum unterbrochen wird, wobei der Beginn (ti) des Austastzeitraums auf den Zeitpunkt der Stromunterbrechung und das Ende (t3) des Austastzeitraums auf den Zeitpunkt der Stromeinschaltung fällt, wobei aus dem Verlauf der Gegeninduktionsspannung (3) ein das Abklingen des Phasenstroms kennzeichnender Abklingzeitpunkt (t2) innerhalb des Austastzeitraums ermittelt und der Beginn (ti) des Austastzeitraums als Funktion der Zeitdifferenz (Ät) zwischen dem Abklingzeitpunkt (t2) und dem Ende (t3) des Austastzeitraums bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn (ti) des Austastzeitraums auf einen vorgezogenen Zeitpunkt verschoben wird, falls die Zeitdifferenz (Ät) zwischen dem Abklingzeitpunkt (t2) und dem Ende (t3) des Austastzeitraums gegenüber einem Referenzwert verringert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn (ti) des Austastzeitraums auf einen späteren Zeitpunkt verschoben wird, falls die Zeitdifferenz (Ät) zwischen dem Abklingzeitpunkt (t2) und dem Ende (t3) des Austastzeitraums gegenüber einem Referenzwert vergrößert ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert von der Drehzahl des Elektromotors abhängt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert aus der Zeitdifferenz (Ät) zwischen dem Abklingzeitpunkt (t2) und dem Ende (t3) des Austastzeitraums aus einem vorangegangenen Berechnungszyklus gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn (ti) des Austastzeitraums um einen Betrag verschoben wird, der als Funktion der Zeitdifferenz (Ät) zwischen dem Abklingzeitpunkt (t2) und dem Ende (t3) des Austastzeitraums bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag, um den Beginn (ti) des Austastzeitraums verschoben wird, als Bruchteil der Zeitdifferenz (Ät) zwischen dem Abklingzeitpunkt (t2) und dem Ende (t3) des Austastzeitraums bestimmt wird.
8. Regel- bzw. Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
9. Elektromotor, insbesondere in einem Fahrzeug bzw. einem Aggregat in einem Fahrzeug, mit einem Regel- bzw. Steuergerät nach Anspruch 8.
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