WO2013110501A2 - Verfahren zur ansteuerung eines bldc motors - Google Patents

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Definitions

  • the rotor is realized with a permanent magnet
  • the fixed stator comprises the coils, which are controlled by an electronic circuit offset in time to create a rotating field, which causes a torque at the permanently excited rotor.
  • three-phase systems are common because of their simple structure.
  • higher pole pair numbers are used, whereby in addition to the usual three-phase system in power engineering, higher numbers of phases are used.
  • the running properties are improved, so that the rotating field can also be formed by driving with a rectangular AC voltage.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the known prior art.
  • the solution according to the invention proposes a control method for the converter which optimizes the driving signals so that the PWM control pulses do not
  • Figure 3 shows a brushless motor to which a battery voltage U Ba tt is applied
  • a DC link is defined by way of a coil L1 and a capacitor C1, and motor phases are identified parallel to the DC link by U, V and W. They are driven by power components T1 to T6
  • the power components T1 to T6 are connected directly to a controller 5 Independently of the method of commutation as well as independently of a sensor or of a sensorless operation, the motor phases (U, V, W) are controlled by the method according to the invention.
  • the total current l ba t is between 0 and 1, the current in the DC link capacitor is referred to as l c .
  • the controller checks the power of the pulse width modulated signals PWMu and PWM W. If the sum of the pulse width modulated signals is less than 1, the current l c flows in the intermediate circuit according to equation F2.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines BLDC Motors zur Reduktion der Stromwelligkeit in einem Zwischenkreiskondensator vorgeschlagen, wobei Mittel zur Kontrolle von pulsweitenmodulierten Signalen (PWMU, PWMV, PWMW) für jede Motorphase (U,V,W) vorhanden sind, die in einem ersten Schritt Motorphasenströme (lu, lv, lw) zweier benachbarten Phasen addieren, sollte der Wert über null liegen die jeweiligen pulsweitenmodulierten Signale (PWMU, PWMV, PWMW) addieren, und sollten das Ergebnis größer 1 sein, die Phase mindestens eines pulsweitenmodulierten Signals (PWMU, PWMV, PWMW) im Zeitschlitz T verschieben.

Description

Verfahren zur Ansteuerung eines BLDC Motors
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ansteuerung in einem bürstenlo- sen Gleichstrommotor der Art nach Anspruch 1 .
Stand der Technik
Üblicherweise ist bei BLDC-Motoren der Rotor mit einem Permanentmagneten reali- siert, der feststehende Stator umfasst die Spulen, die von einer elektronischen Schaltung zeitlich versetzt angesteuert werden um ein Drehfeld entstehen zu lassen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht. Bei kleineren BLDC- Motoren mit geringen Ansprüchen wie Lüftern sind Dreiphasensysteme wegen des einfachen Aufbaus üblich. Um winkelabhängige Drehmomentschwankungen zu mini- mieren, werden höhere Polpaarzahlen eingesetzt, wobei neben dem in der Energietechnik üblichen Dreiphasensystem auch höhere Phasenanzahlen zur Anwendung kommen. Durch eine hohe Polzahl werden die Laufeigenschaften verbessert, so dass das Drehfeld auch durch Ansteuerung mit einer rechteckförmigen Wechselspannung gebildet werden kann.
Bei BLDC-Motoren besteht die Möglichkeit, die elektronische Kommutierung von der Rotorposition, der Rotordrehzahl und dem Drehmoment abhängig zu machen. Dies stellt eine Form der direkten Rückkopplung dar, womit die Frequenz und bei manchen Systemen auch die Amplitude in Abhängigkeit der Position und Drehzahl des Rotors verändert werden. Die elektronische Kommutierung wird damit zu einem Regler und die Art der Erzeugung des Drehfeldes bestimmt damit wesentlich die Charakteristik des BLDC-Motors.
Zum Erfassen der Rotorposition und Drehzahl bestehen verschiedene Möglichkeiten: die Sensorgesteuerte Kommutierung und die sensorlose Kommuntierung. Kommutie- ren beschreibt den Vorgang, bei dem der Stromfluss von einem Zweig in den nächsten übergeht. Im Falle eines 3 poligen BLDC Motors wird das Stromsignal um 60 elektrische Grad weiter geschaltet. In diesem Fall der sensorgesteuerten Kommutierung befinden sich Sensoren wie beispielsweise Hall- oder optische Sensoren zur Erfassung der Rotorposition im Bereich des Stators. Entsprechend dieser Stellungsinformation werden über geeignete Leistungstreiber von der Steuerelektronik die Wicklungen angesteuert, die im Rotor ein Drehmoment erzeugen. Der Vorteil ist, dass die sensorgesteuerte Kommutierung auch bei sehr geringen Drehzahlen bzw. im Stand funktioniert. Gewöhnlich werden bei die- ser Kommutierung bei drei oder mehr Phasen nicht alle Phasen zugleich bestromt, sondern zumindest eine Phase ist zu jedem Zeitpunkt stromlos.
Bei der sensorlosen Kommutierung erfolgt die Erfassung der Rotorposition über die in den Spulen des Stators ausgelöste Gegenspannung, welche von der elektronischen Steuerschaltung ausgewertet wird.
Über Kommutierungszyklen hinweg und vernachlässigt man die durch den Pulssteller verursachten Oberschwingungen, erkennt man, dass die Phasenströme näherungsweise einen block- oder trapezförmigen Verlauf aufweisen. Man spricht deshalb beim Betrieb von bürstenlosen Gleichstrommotoren an einem Pulssteller auch von "Blockkommutierung".
Die "Weiterschaltung" der Stromblöcke durch den Pulssteller entspricht der mechanischen Kommutierung bei Bürsten motoren. Die von Pulsstellern bereitgestellte Aus- gangsspannung besteht aus einer Folge von (positiven und negativen) Spannungsimpulsen. Wrd der Pulssteller mit einer hohen Pulsfrequenz betrieben, machen sich diese jedoch nur geringfügig in den Phasenströmen der angeschlossenen Motoren und im abgegebenen Drehmoment bemerkbar. Mit Pulsstellern sind deshalb Forderungen nach einer geringen Welligkeit im Drehmoment sehr gut erfüllbar. Ein Pulssteller ist es immer, es kommt darauf an, wie dieser Pulssteller konfiguriert und angesteuert wird.
Bei einer Blockkommutierung werden immer genau 2 von 3 Motorphasen bestromt. Man kann ohne weiteres eine Blockkommutierung mit einer Bestromung von gleichzeitig drei Phasen durchführen. Die dritte Wicklung ist unbenutzt und wird von einigen Frequenzumrichtern zur Vermessung der Gegen-EMK benutzt. Damit können permanenterregte Maschinen vom Frequenzumrichter ohne den sonst erforderlichen Lagegeber (optimal) kommutiert werden. Aufgrund der permanent konstanten magnetischen Durchflutung ergeben sich gegenüber einer Sinuskommutierung kaum Nachteile in der Welligkeit des Drehmoments oder des Wirkungsgrads. In Analogie zu einem Schrittmotor spricht man in dieser Betriebsart auch von einem 6-Schritt-Betrieb.
Zum Betrieb von Synchronmaschinen ist eine Sinuskommutierung durch den Frequen- zumrichter üblich (Sinusumrichter; die Pulsweiten werden sinusförmig moduliert). Die Erzeugung der Schaltsignale erfolgt in der Regel durch Mikrocontroller, welche speziell für Motoranwendungen in Ausführungen mit 6 PWM-Ausgängen kommerziell erhältlich sind. Es sind keine 6 PWM Ausgänge notwendig, um Sinusförmig zu kommutieren.
Ein solcher BLDC Motor ist aus der Veröffentlichung„PMW Switching Strategy for Torque Ripple Minimization", W. Salah et al., Journal of Electrical Engineering, Vol 62, No. 3, 201 1 Seiten 141-146 bekannt. Eine Schemadarstellung eines solchen Motors zeigt deren Figur 2, die als Stand der Technik in Fig. 1 dieser Anmeldung zitiert wird.
Die dort verwendeten pulsweitenmodulierten Signale (pulse width modulation PWM) werden so gestaltet, dass die Pulshöhe während der Pulszeit verändert wird, um in der Übergangsphase der Kommutierung Überhöhungsspitzen im Strom, die zu verhindern sind, zu reduzieren. Beeinflusst werden dabei die Stromspitzen in der Zuleitung nicht im Zwischenkreis des Motors.
Über die Anpassung der Pulsform selbst sind noch weitere Verfahren zur Unterdrückung der Stromwelligkeit bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es die Nachteile des bekannten Standes der Technik zu überwinden.
Insbesondere ist es Aufgabe die Stromwelligkeit im Zwischenkreis des Motors zu reduzieren und dadurch die Belastung der Bauteile zu minimieren. Durch die erfin- dungsgemäße Lösung werden Bauteile der Ansteuerung im Zwischenkreis der Netzversorgung entlastet und der Einbau kleinerer Kondensatoren möglich. Dadurch kann Bauraum optimiert und die Komponente kleiner ausgestaltet werden. Wählt man die Dimensionierung des Bauteils gleich, erreicht man mit der erfindungsgemäßen Lösung eine Verlängerung der Lebensdauer der Komponente.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1 sowie einen entsprechend gestalteten Controller.
Die erfindungsgemäße Lösung schlägt ein Steuerungsverfahren für den Wandler vor, das die ansteuernden Signale so optimiert, dass die PWM-Steuerpulse sich nicht
(phasengleich) überlagern, sondern gegenphasig, also voneinander subtrahiert Überlagert werden, falls eine konvetionelle Ansteuerung zu einem Stromfluß in zwei Pha- sen mit gleichem Vorzeichen zur Folge hätte.
Vorteilhafterweise ist das Verfahren unabhängig von der Wahl der Kommuntierung und dem Typ des bürstenlosen Motors.
Die Kommutierung verläuft unabhängig vom vorgeschlagenen Verfahren.
Vorteilhafter Weise ist das Verfahren auf sensorgesteuerte sowie auf sensorlose Motoren anwendbar. Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Umrichters.
Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild und zeitliche Verläufe.
Figur 3 zeigt eine schematische Motorbeschaltung.
Figur 4 zeigt die Reduktion des Zwischenkreiskondensatorstroms.
Figur 5 zeigt ein Ablaufdiagramm. Figur 6 zeigt eine Phasenverschiebung von Pulsen.
Figur 1 zeigt ein Netzmodul 1 das mit einem Wandler 2 verbunden ist. Der Wandler ist mit einem Motor 3 und einem Controller 5 verbunden. Der elektrische Motor 3 weist in diesem Beispiel eine Verbindung zu einem Sensor 4 auf, der wiederum mit dem Con- troller 5 verbunden ist.
Das Netzmodul 1 dient zur Leistungsversorgung der angeschlossenen Baugruppen über einen Zwischenkreis und zur Spannungsversorgung der Steuerelektronik im Controller s. Das Netzmodul enthält beispielsweise einen Servoumrichter, basierend auf einem Spannung-Zwischenkreisumrichter. Das bedeutet, dass im Zwischenkreis Kondensatoren die Spannung stabil halten. Die am Motor erzeugten Stromspitzen durch die Welligkeit des Signals schlagen auf die Kondensatoren zurück, so dass deren Aus- legung durch das Maß der Welligkeit mitbestimmt ist.
Die Ansteuerung des Motors 3 erfolgt beispielsweise mit pulsweitenmodulierten PWM Signalen in jeder Phase des Motors. Figur 2 zeigt einen idealen Zustand mit einem Ersatzschaltbild auf der linken Seite und den zeitlichen (γ), idealen Verläufen der Motorphasenströme lu, lv und lw sowie der Motorphasenspannungen für einen Ausführungsform mit Blockkommutierung. Der zeitliche Verlauf der Motorphasenströme ist dabei idealisiert dargestellt. Analog erfolgt eine Ansteuerung des Motors bei Sinuskommutierung. Die verschiedenen Kommutierungsfolgen optimieren die Stromwellig- keit in den Zuleitungen aber nicht im Zwischenkreis. Wenn in der Zuleitung reduziert wird, ist automatisch auch der Zwischenkreis betroffen, es kommt darauf an, ob das optimierte Frequenzspektrum mehr im Zwischenkreis oder in der Zuleitung„gepuffert wird". Figur 3 zeigt einen bürstenlosen Motor, an dem eine Batteriespannung UBatt anliegt. Über einen Spule L1 und einen Kondensator C1 ist ein Zwischenkreis definiert. Parallel zum Zwischenkreis liegen die Motorphasen mit U, V und W gekennzeichnet. Sie werden durch Leistungsbauteile T1 bis T6 angesteuert. Die Leistungsbauteile T1 bis T6 sind dabei direkt mit einem Controller 5 verbunden. Unabhängig von der Methode der Kommutierung sowie unabhängig von einem Sensor oder von einem sensorlosen Betrieb werden die Motorphasen (U, V, W) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert.
Über einen Rückkanal erhält der Controller 5 die Information über die Motorphasen- ströme lu, lv und lw. In einer normierten Skala bewegen sich diese Ströme zwischen den Werten -1 und 1.
Der Gesamtstrom lbat liegt zwischen 0 und 1 , der Strom im Zwischenkreiskondensator wird als lc bezeichnet.
Die Ansteuerung erfolgt über PWM-Pulse, die auf einer normierten Skala zwischen 1 und 0 liegen. Die PMW-Pulse sind dabei mit der jeweiligen Motorphase U,V,W korreliert. In Figur 5 sind die Verfahrensschritte dargestellt. Die Ströme zweier aufeinanderfolgenden Motorphasen im Beispiel der Phase U und der Phase W werden addiert, und das Ergebnis logisch überprüft. Liegt die Summe der Ströme unter Null fließt im Zwi- schenkreis der Strom lc nach Gleichung F1.
(Iu + Iw - lBat )2 * Pwmw + (Iu - IBat )2
Ic :
1 (Pwniu - Pwmw) + IBat 2 * (1 - Pwin
Ist die Summe der Ströme größer Null erfolgt ein zweiter logischer Schritt. Der Controller überprüft die Leistung der pulsweitenmodulierten Signale PWMu und PWMW. Ist die Summe der Pulsweitenmodulierten Signale kleiner 1 fließt im Zwischenkreis der Strom lc nach Gleichung F2.
= (lu - IBat)2 * (1 - Pwmw) + (Ιυ + Iw - IBat f *
(Pwmu + Pwmw - 1) + (Iw - IBat )2 * (1 - Pwmu)
In beiden bisherigen Abfragen wird das pulsweitenmodulierte Signal nicht verändert.
Wird in der Abfrage PWMu+PWMw aber ein Wert größer 1 festgestellt, überlagern sich die Pulse so, dass eine Stromspitze erzeugt werden würde. In diesem Fall werden die PWM Pakete gegenphasig gelegt um eine Stromaddition zu vermeiden.
Figur 6 zeigt die beiden Szenarien links. In der Darstellung sind zwei PWM Signale dargestellt, die sich addieren würden. Durch Verschieben des Pulses PWMu gegen- über den Puls PWMW werden die Ströme nicht addiert. Diese Ansteuerung durch Pulse erfolgt während eines Teilbereiches der elektrischen Umdrehung und immer in einem definierten Teilschlitz der Länge T.
Das vorgeschlagenen Verfahren lässt sich sowohl in der Logik eines Kontrollers durch geeignete Programmierung realisieren als auch in einer Schaltung. Die Umsetzung als Software erfolgt in einem geeigneten programmierbaren Controller. Es ist dabei vorgesehen, dass die für die Durchführung des Verfahrens benutzte Software in einem EPROM hinterlegt ist, oder direkt im Flash des Controllers. Eine schaltungstechnische Umsetzung des Verfahrens ist sehr stark abhängig von der verwendeten Hardware, den Brückentreibern und dem PWM Modul des Controllers und wird hier nicht im Einzelnen erläutert. Jede einem Fachmann geläufige Schaltung zur Realisierung der oben genannten Verfahrensschritte ist dabei einsetzbar. Das Resultat des oben beschriebenen Verfahrens ist in Figur 4 sichtbar. Aufgetragen ist der Strom im Zwischenkreis lc über der Motordrehzahl. Die obere gestrichelte Kurve zeigt den Stromverlauf ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die durchgezogene Kurve darunter gibt die reduzierte Stromstärke im Zwischenkreis wieder, die durch Anwendung des Verfahrens erreicht wird und beispielhaft gemessen wurde. Die Erfindung ist beispielhaft dargestellt und kann mit jedem, einem Fachmann geläufigen Mittel realisiert und umgesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC Mo- tors) zur Reduktion der Stromwelligkeit in einem Zwischenkreiskondensator, dadurch gekennzeichnet,
dass Mittel zur Kontrolle von pulsweitenmodulierten Signalen
(PWMu , PWMv , PWMW ) für jede Motorphase (U,V,W) vorhanden sind, die in einem ersten Schritt Motorphasenströme (lu, lv, lw) zweier benachbarten Phasen addieren, sollte der Wert über null liegen die jeweiligen pulsweitenmodulierten Signale (PWMu , PWMy , PWMW ) addieren, und sollten das Ergebnis größer 1 sein, die Phase mindestens eines pulsweitenmodulierten Signals (PWMu , PWMV , PWMW ) im Zeitschlitz T verschieben.
2. Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel in einem Controller durch Software realisiert sind.
3. Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel in einer diskreten oder integrierten Schaltung realisiert sind.
4. Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass beide in einem Zeitschlitz T liegende Phasen der pulsweitenmodulierten Signale (PWMu , PWMy , PWMW ) gegeneinander verschoben werden.
5. Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass nur ein der in einem Zeitschlitz T liegende pulsweitenmodulierten Signale (PWMu , PWMV , PWMW ) verschoben wird.
6. Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Motor blockkommutiert ist.
7. Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Motor sinuskommutiert ist.
8. Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Motor sensorlos betrieben wird.
9. Verfahren zur Kontrolle eines BLDC Motors nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Motor einen Sensor aufweist.
10. Controller zur Durchführung des Verfahrens nach den vorherigen Ansprüchen.
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