WO2016128468A1 - Verfahren zum betreiben eines bürstenlosen gleichstrommotors - Google Patents

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WO2016128468A1
WO2016128468A1 PCT/EP2016/052833 EP2016052833W WO2016128468A1 WO 2016128468 A1 WO2016128468 A1 WO 2016128468A1 EP 2016052833 W EP2016052833 W EP 2016052833W WO 2016128468 A1 WO2016128468 A1 WO 2016128468A1
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voltage
rotor
measuring
value
stator
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PCT/EP2016/052833
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Daniel Schikorra
Original Assignee
Eonas It-Beratung Und -Entwicklung Gmbh
Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. Kommanditgesellschaft, Würzburg
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Publication date
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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
    • H02P6/183—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using an injected high frequency signal
    • 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
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    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/181—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using different methods depending on the 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
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    • H02P6/14—Electronic commutators
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a brushless DC motor according to the preamble of claim 1 and to a brushless DC motor.
  • a rotating field is generated to drive a rotor which is rotatable about an axis of rotation to the stator and has at least two unlike permanent magnet poles.
  • the armature coils form a three-phase three-phase winding for generating a rotary field rotating on the stator and in this case have three or more terminals, via which the armature coils are energized.
  • sensor-controlled commutation and sensorless commutation.
  • the rotating armature field generated at the stator is electronically commutated depending on the rotor position, the rotor speed and the torque.
  • the electronic commutation can be used here for regulating the operating behavior of the DC motor.
  • sensors such as Hall sensors for detecting the magnetic flux of the rotor or optical sensors in the stator. The sensors provide information about the rotor position, which is thus sensory detected. Depending on the sensory detected rotor position then the electronic commutation can be adjusted.
  • a sensorless brushless DC motor known from WO 2009/053388 A2
  • it is provided for determining the rotor position at standstill to apply a measuring sequence to two out of three motor terminals and to measure a voltage at the respectively third, non-energized motor terminal. This voltage is compared with a reference voltage, and the comparison can be used to determine within which angle sector the rotor is currently located.
  • the method of WO 2009/053388 A2 makes it possible to determine in which of six possible angular sectors a rotor is currently located. This is done by applying measuring pulses as part of a measurement sequence. An angular determination of the rotor position in the style, when turning the rotor or within the Block commutation is not or only partially possible with the method of WO 2009/053388 A2.
  • the object of the present invention is to provide a method for operating a brushless DC motor and a brushless DC motor, which reliably enables a determination of the rotor position from standstill to average rotational speeds in externally driven or in block-commutated, self-propelled operation. This object is achieved by an article having the features of claim 1.
  • a resultant voltage is measured at a third of the terminals, - a gradient value indicative of the slope of the resulting voltage in a time interval is determined on the basis of the time profile of the resulting voltage, and
  • the slope value is taken into account in the determination of the position of the rotor.
  • a measuring voltage signal is applied between two of the three terminals of a three-phase DC motor (connected to a triangle or star), and the third, non-energized terminal is used for the measurement.
  • a voltage is established which corresponds (approximately) to the voltage at a (virtual) neutral point of the three-phase armature coils interconnected to a delta or star circuit.
  • the resulting voltage is determined in this case by a voltage divider of the inductance of the first armature coil associated with the first terminal and of the inductance of the second armature coil associated with the second terminal, the inductances in turn being dependent on the magnetic field of the permanent magnet excited rotor.
  • the inductance of each armature coil is variable, which is related to a magnetic iron core of the Armature coil is magnetized by the magnetic field of the permanent-magnet rotor.
  • the magnetization here depends on the angular position of the rotor, because the permanent magnetic field is aligned depending on the angular position of the rotor to the armature coil. It can be seen that the greater the magnetization of the iron core through the permanent magnetic field of the rotor, the lower the inductance of an armature coil.
  • the current flow through an armature coil also has an influence on the inductance.
  • the current flow is initially small and then increases (gradually).
  • the current flow through an armature coil causes a local magnetic field at the armature coil, which overlaps with the permanent magnetic field of the rotor and can lead to a field strengthening or weakening of the magnetic field at the armature coil.
  • the current flow through an armature coil can thus cause an increase (in field strengthening) or a reduction (in field weakening) of the magnetization of the iron core, which leads to a reduction or increase in the inductance.
  • the inductance thus also changes while the measuring voltage signal is applied to the terminals. This temporal change can be evaluated and can only be used to determine the angular position of the rotor or can at least be taken into account when determining the rotor position.
  • the method makes use of the fact that a measuring voltage signal is applied to two terminals and a resulting voltage is measured at a non-energized third terminal. Because the inductors of the armature coils acting between the first terminal and the second terminal change during the measurement voltage signal due to the current flowing through these armature coils, the voltage divider of the armature coils also changes, which has an influence on the measured resulting voltage. The (positive or negative) slope of the resulting voltage thus indicates the change with time of the inductors due to the current flow through these inductances as a function of the angular position of the rotor. From the temporal change of the resulting voltage can thus be directly or indirectly on the angular position of the rotor, so the rotor position, closed.
  • the potential of a supply voltage is preferably applied to the first terminal and a ground potential to the second terminal connected.
  • the third terminal is switched to a high-impedance state so that the resulting voltage can be measured at this third terminal.
  • the resulting voltage at least approximately indicates the midpoint voltage of the circuit of a voltage divider comprising two armature coils.
  • the measuring voltage signal is preferably composed by individual measuring pulses. These measuring pulses preferably have different signs, so that - in one embodiment - a current flow through the armature coils of the first terminal and the second terminal is effected, which just picks up in the integral.
  • a first measuring pulse in which, for example, the supply voltage potential is connected to the first terminal and the ground potential to the second terminal, effects a current flow through the armature coils assigned to the first terminal and the second terminal in a first direction.
  • the second measuring pulse which has an opposite sign and in which thus the supply voltage potential is connected to the second terminal and the ground potential to the first terminal, on the other hand causes a current flow through the armature coils associated with the first terminal and the second terminal in an opposite, second direction , In this way it is achieved that an electromotive force, which is caused by the flow of current, just picks up on average, so that the rotor is not placed in a rotary motion.
  • the current through the armature coils in the measurement voltage signals is so small that the rotor is not driven and in particular no electromotive force is caused, which exceeds the cogging torque of the rotor. If there is still a movement of the rotor, this movement is stopped again by a subsequent measuring pulse with the opposite sign.
  • the measuring pulses preferably each have an at least approximately constant voltage plateau.
  • the supply voltage is applied to the first terminal with a constant amplitude over a predetermined period.
  • the supply voltage with constant amplitude is then applied to the second terminal, so that a measuring pulse of opposite sign results.
  • Additional measuring pulses can be connected to the second measuring pulse, the integral of the measuring pulses advantageously canceling out altogether.
  • a third measuring pulse can in this case have the same sign as the second measuring pulse, but then the fourth measuring pulse again has a reverse sign to this.
  • voltage values of the resulting voltage are respectively determined during the first measuring pulse and during the second measuring pulse. It is thus measured which voltage is set during a measuring pulse at the non-energized third terminal, for which purpose the resulting voltage can be sampled and averaged over the period of each measuring pulse in a suitable manner.
  • a difference value can then be determined.
  • effects superimposing the measurement can be eliminated. For example, upon rotation of the rotor at a low rotational speed, an induced countervoltage in the individual armature coils may result, which superimposes the center point voltage of the voltage divider. By subtracting the voltage values obtained during the different measuring pulses from each other, this induced countervoltage is eliminated, so that the countervoltage has no influence on the determined size of the voltage divider.
  • the difference with the voltage value during the first measuring pulse as Minuend and the voltage value during the second measuring pulse as Subtrahend, formed.
  • An additional constant voltage which is applied during the measurement of the minuend and subtrahend, subtracts out and has no influence on the value of the difference.
  • a voltage vector dependent voltage value e.g. the shift of the midpoint voltage by the ratio of the inductances in the minuend and the inverse shift of the midpoint voltage by the inverted ratio of the inductances in the subtrahend remain in the difference as a difference.
  • the disturbance of the induced electromotive voltage can also be determined without the application of a voltage between two terminals in the context of a measuring pulse.
  • all other phase connections are switched to a potential, with the exception of the measuring connection, whereby the voltage divider is canceled and a voltage is established at the measuring connection which corresponds exclusively to the induced electromotive voltage.
  • the result is the induced electromotive voltage whose value can be used for compensation (the induced voltage contained in a single midpoint voltage measurement).
  • the systematic error of an induced voltage resulting from the rotation of the rotor at low rotational speed can be deducted from the relevant Determine the magnitude of the midpoint voltage of the voltage divider without distortion by an induced electromotive voltage.
  • connection combinations are measured. This results in three existing connections three connection combinations, which are each acted upon by measuring pulses of different sign. This results in six voltage values, from which, for example, three difference values are determined.
  • at least two phase connections are energized so that a torque can be generated.
  • the measurement of the midpoint voltage requires a phase connection without current flow. Since this condition is fulfilled in the block-commutated case only for one phase connection, the number of possible six measurement combinations is reduced to two. Nevertheless, an ambiguous position can be determined from the difference of two measurement combinations, as long as the maximum amplitude of the inductance difference function is known.
  • the induced electromotive voltage can also be compensated by means of an additional measurement of the electromotive voltage.
  • two phase connections are connected at the same time to the ground potential or to the supply voltage, and the electromotive voltage is measured at the third currentless phase connection.
  • This compensation measurement takes place shortly before or after the application of the individual measuring pulse in order to minimize the influence of a change in the time of the electromotive voltage.
  • U is the inductance of an armature coil
  • ⁇ is the rotor angle
  • U is a base value of the inductance (around which the inductance value fluctuates)
  • b is the modification factor. If, for example, b is 50%, then the minimum inductance value is for example 0.5l_o at an angle of 0 °, whereas the maximum inductance value at an angle of eg 90 ° is 1.5.
  • the inductance of the armature coil U is minimal when the exciting field vector of the permanent magnet excited rotor and the armature field vector of the rotating armature field have an angle of 0 ° and 180 ° to each other. At 90 ° and 270 °, however, the inductance is maximum.
  • the slope values of the voltage within the time interval of the measuring pulses can be taken into account.
  • the correct result is determined on the basis of the slope values from the ambiguous result determined on the basis of the difference values. This is done by determining a slope value for each different connection combination and checking, based on the different slope values, which sign the slope has for which connection combination. Based on the sign of the slope, so based on the information as to whether a positive slope or a negative slope for a connection combination occurs, it can be concluded in which angular range is the rotor and thus whether an angular offset of 180 ° to the determined from the difference values Angular position is to be added or not.
  • three measurement voltage signals each consisting of two connection combinations (if a measurement voltage signal has different, mutually inverted measurement pulses) there are six slope values, which are preferably averaged for each measurement voltage signal to a total of three slope values, which in turn can be evaluated separately or together, to conclude whether or not to add an angular offset when determining the rotor position.
  • the strongest measured slope of the three average slope values is used, which occurs when the measurement branch or phase connection is oriented in the direction of a permanent magnet pole.
  • the selection of the relevant slope value takes place, for example, based on the two possible solutions resulting from the difference values, offset by 180 ° from one another. But it can also be a common decision value from all three slope values are formed by depending on the angular range of the two by 180 ° staggered solutions the individual values are subtracted or added to a common value.
  • the method described can be used advantageously when the rotor is at a standstill to determine the position of the rotor.
  • the method can be used from standstill to medium rotational speeds by compensating the reverse voltage in externally driven rotation up to medium rotational speeds and in self-propelled rotation in block-fed operation.
  • the object is also achieved by a brushless DC motor, with a stator, on which a plurality of armature coils is arranged, which form a three-phase three-phase winding for generating a rotary field rotating on the stator and have three terminals,
  • a rotor which is rotatable about an axis of rotation to the stator and at least two unlike permanent magnet poles, and
  • control device for energizing the armature coils for generating the rotating field. It is provided that the control device is designed to determine at least one measurement voltage signal between a first and a second of the connections for determining the position of the rotor relative to the stator,
  • Figure 2B at a rotor position of the rotor, representing possible connection combinations for applying measurement voltage signals for determining the rotor position; a temporal representation of measuring pulses of a measuring voltage signal; a graphical view of the inductances of the armature coils over the angle of the rotor for the star connection of Fig. 2A; a graphical view of the inductances of the armature coils on the angle of the rotor for the triangular circuit of Fig. 2B;
  • FIG. 5A is a graphical view of the differences between two inductances in FIG.
  • Fig. 5B is a graphical view of the differences between two inductances as a function of the angular position of the rotor for the triangular circuit of Fig. 2B
  • Fig. 6A is a schematic view of the circuit of the armature coils in
  • FIG. 6B is a schematic view of the circuit of the armature coils in
  • Fig. 6C is a view showing a hysteresis curve of the magnetization of an iron core of an armature coil
  • Fig. 7 is a schematic view of be applied between two terminals
  • Fig. 8 is a graphical view of the slope of the resulting voltage for the different connection combinations of a star or delta connection as a function of the angular position of the rotor.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a sensorless brushless DC motor 1, which has a stator 10 and a rotatable about a rotation axis 1 10 1 1 rotor.
  • a plurality of armature coils A-C with attached to the stator 10 conductors a1, a2, b1, b2, c1, c2 are arranged, which can be energized via terminals U, V, W.
  • the rotor 1 1 is permanent magnet excited and has a plurality of (pairwise) unlike magnetic poles N, S, which cooperate with the field of the armature coils A-C and cause a rotational movement D of the rotor 1 1 during operation.
  • the DC motor 1 is energized via a control device 12 by a three-phase three-phase current in the terminals U, V, W initiated and thereby an am Stator 10 rotating rotating field is generated. This rotating field is followed by the rotor 1 1, so that the rotor 1 1 is set in a rotational movement.
  • the current fed into the terminals U, V, W is electronically commutated.
  • the timing of the commutation is dependent on the rotor position, which requires a control of the DC motor 1 as a function of the rotor position.
  • the rotor position is detected during operation of the DC motor 1 via a countervoltage induced in the armature coils a-c, which can be evaluated by the control device 12. This is possible when the rotor 1 1 rotates at a rotational speed greater than a predetermined minimum rotational speed and, consequently, the induced counter-voltage is sufficiently large.
  • the method is also applicable when it is a structure as an external rotor instead of an internal rotor and when the rotor and the stator are exchanged so that the rotor consists of armature coils and the stator consists of permanent magnets.
  • a method for determining the rotor position at standstill or at low rotational speeds will be described below.
  • the armature coils ac can be connected to a star connection or to a triangular circuit with each other.
  • the method described below is basically applicable to both Verschaltungsart.
  • a star connection there is a voltage divider consisting of armature coils whose center point voltage can be measured via the third, de-energized measuring branch (or its armature coil).
  • a triangular circuit results in a voltage divider whose center point voltage can be measured directly on the current-depleted phase connection.
  • FIG. 2A shows the armature coils ac which are interconnected to a star connection and which are each connected to a connection U, V, W and have a common neutral point M.
  • Each armature coil ac has an inductance L1, L2, L3 whose value depends, for example, on the number of turns of the armature coils ac and on the nature of the iron core and also on external influences such as the magnetic field of the rotor 11, as will be explained below.
  • FIGS. 1 and 2A show only a very simple embodiment of a brushless DC motor 1.
  • more than three armature coils for example six or nine armature coils, can be arranged on the stator, and more than two poles N, S, for example four, six or eight poles, can be arranged on the rotor 11.
  • the DC motor 1 for example, nine armature coils on the stator 10 and six magnetic poles on the rotor 1 1 has.
  • a rotating rotating field is generated on the armature coils a-c, which interacts with the permanently excited rotor field and leads to an electromotive force on the rotor 11. This is done by the terminals U, V, W are energized in electronically commutated manner and thus a three-phase current is introduced into the armature coils A-c.
  • the determination of the rotor position for controlling the commutation based on the induced reverse voltage in the branches of the armature coils a-c is readily possible, this is not possible at standstill of the rotor 1 1 or at low rotational speeds. For this reason, a method is used in the present case, in which, as shown schematically in Fig. 3A, measuring voltage signals V12, V23, V31 between the terminals U, V, W are applied to a voltage based on these measurement voltage signals V12, V23, V31 Evaluate star point M and from this to close the rotor position.
  • a measuring voltage signal V12, V23, V31 is applied between two terminals U, V, W, and the resulting, resulting voltage is measured at the third, non-energized terminal U, V, W.
  • this third connection is switched to a high-impedance state, so that the voltage at this third connection (approximately) corresponds to the voltage at the star point M (because no current flows due to the high-impedance state through the branch of the third connection U, V, W) the armature coil ac in this third Branch approximately as a simple conductor that does not affect the measured voltage).
  • the measuring voltage signal applied between two terminals U, V, W is hereby composed by measuring pulses P1 -P4, as shown schematically in FIG. 3C.
  • the inductance L1 -L3 acting on an armature coil a-c depends on the position of the rotor 11. In the position of the rotor 11 shown in FIG. 3A, the magnetic field caused by the permanent magnet poles N, S is directed along the armature coils a, which results in that an iron core of this armature coil a is at least largely magnetized. Such a large magnetization has the consequence that the inductance L1 at this armature coil a is comparatively small, because the iron core of this armature coil a is (at least for the most part) in the magnetic saturation.
  • the inductance L2, L3 is in contrast increased because the permanent magnetic field of the rotor 1 1 is not collinear to these armature coils b, c and therefore the iron cores of these armature coils b, c are not saturated.
  • the course of the inductors L1 -L3 as a function of the angle ⁇ of the rotor 1 1 is shown in Fig. 4.
  • the inductors L1-L3 each have a sinusoidal profile and can be described (using the example of the inductance L1) by the following equation:
  • Li is the inductance of the armature coil a
  • ⁇ is the rotor angle
  • L 0 is a base value of the inductance (around which the inductance value fluctuates)
  • b is the change factor. If, for example, b is 50%, then the minimum inductance value is for example at an angle of 0 ° 0.5L 0 , while the maximum inductance value at an angle of eg 90 ° is 1, 5L 0 .
  • each inductor L1-L3 has a period of 180 ° over the angle ⁇ of the rotor 11. With a rotation of 360 ° of the rotor 11 (referring to the electrical angle which does not necessarily coincide with the mechanical angle), each inductor L1-L3 has two maxima and two minima.
  • the position (the angle ⁇ ) of the rotor 1 1 can be determined, wherein - due to the periodicity according to Fig. 4A - give two solutions in the angular range between 0 ° and 360 ° and thus the rotor position can not be determined uniquely.
  • a measuring voltage signal for example in the form of the pulse sequence shown in FIG. 3C, is applied between two terminals U, V, W for each connection combination.
  • a measuring voltage signal V12 is applied between the terminals U, V, in which first a first measuring pulse P1, then a second measuring pulse P2, then a third measuring pulse P3 and finally a fourth measuring pulse P4 are switched to the terminals U, V.
  • the potential of a supply voltage VS is applied to the terminal U, while the other, second terminal V is switched to a ground potential.
  • the supply voltage potential VS is switched to the second terminal V and the ground potential to the first terminal U.
  • the third measuring pulse P3 is identical to the second measuring pulse, and the fourth measuring pulse P4 in turn has a reverse sign to the third measuring pulse P3.
  • the measuring pulses P1 -P4 are advantageously all the same length and designed so that their integral just picks up. As a result, a current flow I effected on the armature coils a, b of the terminals U, V is roughly canceled on the average and thus does not lead to a driving of the rotor 11.
  • a measuring voltage signal V12 of the form shown in FIG. 3C is applied between two terminals U, V
  • the third terminal W is set in a high-impedance state and used to measure a resultant voltage VM at this terminal W.
  • This voltage VM corresponds approximately to the voltage at the star point M and is determined by the voltage divider between the inductors L1, L2 in the terminals U, V associated branches (this is at least approximately, because the ohmic resistances of the armature coils A-c are small):
  • V v M, P ⁇ V v S- T- .- T + V 3
  • VB3 here denotes an induced electromotive voltage, which results upon rotation of the rotor 1 1 at the terminal W.
  • the resulting voltage VM results at the third connection W.
  • v M, P2 v s - ⁇ - + v B3
  • the resulting voltage VM is measured at the third terminal W, and the difference between voltage values resulting from measuring pulses P1 -P4 of different sign is determined.
  • ⁇ 12 designates the resulting difference value between the voltage values of the resulting voltage VM at the first measuring pulse (VM.PI) and the second measuring pulse (VM, P2) when the measuring voltage signal V12 is applied to the terminals U, V.
  • the induced voltage VB3 at the third Port W drops out in difference value ⁇ 12.
  • Angular position ⁇ of the rotor 1 1 are determined, resulting in two solutions in the angular range between 0 ° and 360 °, a first in the range between 0 ° and 180 ° and a second in the range between 180 ° and 360 °, due to the fact that Curves have a periodicity of 180 0 .
  • the slope of the voltage VM measured at the third terminal U, V, W during the measuring voltage signals V12, V23, V31 is evaluated in a further step. This is based on the fact that the Inductors L1-L3 change depending on what current flows through the respective armature coils ac.
  • a measuring voltage signal V23 is applied between the terminals V, W, initially no current flows through the associated inductances L2, L3 when the first measuring pulse P1 is applied, because the current in these inductors L2 , L3 builds up gradually. If the current I increases in the inductors L2, L3, then it comes to the inductors L2, L3 to build up a magnetic field H2, H3, which is superimposed on the permanent magnetic field HO of the rotor 1 1 and locally to the inductors L2, L3 to a Strengthening or weakening of the resulting total field leads.
  • a local field H2 occurs at the inductance L2, due to the current flow I through the inductance L2.
  • This magnetic field H2 is rectified with a vector component to the magnetic field HO of the rotor 1 1, so that it comes to the inductance L2 to a strengthening of the local magnetic field, resulting in a reduction in the value of the inductance L2.
  • the locally generated at the inductance L3 magnetic field H3 is opposite to the permanent magnetic field HO of the rotor 1 1 with a vector component, so it comes locally to the inductance L3 to a weakening of the magnetic field HO. This leads to an increase in the value of the inductance L3.
  • the slope has a positive or negative sign, and based on the slope can be determined whether the rotor position in the angular range between 90 ° and 270 ° or in the angular range between 270 ° and 90 °.
  • the pitch generally also has a sinusoidal shape dependent on the rotor position, as shown in FIG.
  • the slope for the measuring voltage signal V23 between the terminals V, W is for example minimal at 0 ° and maximum at 180 ° and has a periodicity of 360 °.
  • An increase value for a control signal V12, V23, V31 can hereby be determined by determining the slope during a measurement pulse P1 -P4 or by averaging over the slope in the case of the different measurement pulses P1 -P4.
  • the gradients have a sinusoidal profile which is dependent on the angle ⁇ and has a periodicity of 360 °, which permits unambiguous calculation of the rotor position solely from the three slope values.
  • the Measurement of the slope compared to the difference value is less and thus more susceptible to noise, so that for a more accurate position estimate advantageously the ambiguous result from the difference values is taken into account.
  • the described method can be used identically for a circuit connected in a delta connection. Fig.
  • FIG. 2B shows schematically how the armature coils ac of Fig. 1 are connected to a delta connection.
  • the geometric orientation of the armature coils ac to the permanent magnet 1 1 in Fig. 2B corresponds to that in Fig. 2A, provided that the rotor is rotated by 90 °.
  • the inductors L23, L12, L31 of the armature coils ac of FIG. 2B are shown graphically via a rotation of the permanent magnet 11 for an angular range of 360 ° in FIG. 4B. Comparing FIGS. 4A to 4B, as can also be seen in FIGS. 2A and 2B, the inductance values of the armature coils ac are shifted by an angle of 90 °.
  • the measured voltages from the signals V12, V23, V31 in Fig. 3B fall with inverted sign on the armature coils ac with the same name as in Fig. 3A from.
  • the measurement voltage signal V12 in FIG. 3B drops at the armature coils b, a, while in FIG. 3A it drops at the armature coils a, b.
  • the same inductance differences from the armature coils ac were formed from the result of the measurement voltage signals V12, V23, V31.
  • the measuring voltage signal V12 consisting of the measuring pulses P1 -P4, for example, for a triangular circuit, the difference ⁇ 12 from the resulting center point voltages of the voltage divider
  • Inductors L 23 formed at the terminal W as follows.
  • the measuring pulses P1 -P4 of a measuring voltage signal V12, V23, V31 preferably have a uniform duration so that in the armature coils in total no current is impressed, but may also have an arbitrarily different duration, preferably in block operation, e.g. to impress a torque-forming current in the armature coils.
  • the rotor position can be determined prior to starting (clearly when the rotor is at a standstill) or ambiguously and continuously in block mode.
  • the measuring pulses P1 -P2 of only one measuring voltage signal V12 or V23 or V31 are applied depending on the position, and their resultant center-point voltage is measured.
  • exactly one inductance difference can be determined in sections from the inductance differences shown in FIGS. 5A and 5B.
  • the current amplitude and the knowledge of the maximum inductance difference can be concluded on four possible positions.
  • unique position determination and a measurement signal rate significantly greater than the electrical rotation frequency can be assumed that the right solution is the position that is closer to the previous unique position. As shown in Fig.
  • the number of measurement pulses P1 -P4 can be limited to a single measurement pulse (in the form of a measurement pulse P1 or a measurement pulse P2, see FIG. 3C). be reduced.
  • an additional compensation measurement must be performed without impressing a voltage drop across the armature coils ac in order to determine the superposed induced electromotive voltage at the third terminal, which is a disturbance for the measurement of the midpoint voltage of the voltage divider.
  • the disturbance variable of the induced electromotive voltage at the third connection is measured individually for this purpose directly before or after the application of the measuring pulse.
  • the terminals eg, V and W in Fig.
  • the induced electromotive voltage can then be measured directly with the potential of the applied voltage as a reference.
  • one of the two voltage values of the voltage vector is limited to a value close to the terminal voltage, so that the compensation quantity of the reverse voltage is contained in only one measurement.
  • the scanning of the measured, resulting voltage can in principle be carried out in any desired manner, for example using an analog-to-digital converter for digital evaluation.
  • an arbitrary number of samples may be taken in order to determine from the samples a value of the resulting voltage and / or its slope.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1) wird durch Bestromen einer Mehrzahl von an einem Stator (10) angeordneter Ankerspulen (a-c), die eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator (10) umlaufenden Drehfelds ausbilden und drei Anschlüsse (U, V, W) aufweisen, ein Drehfeld erzeugt, um einen Rotor (11), der um eine Drehachse (110) zu dem Stator (10) drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole (N, S) aufweist, anzutreiben. Dabei ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Position des Rotors (11) relativ zum Stator (10) ein Messspannungssignal (V12, V23, V31) zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse (U, V, W) angelegt wird, an einem dritten der Anschlüsse (U, V, W) eine resultierende Spannung (VM) gemessen wird, anhand des zeitlichen Verlaufs der resultierenden Spannung (VM) ein die Steigung der resultierenden Spannung (VM) in einem Zeitintervall angebender Steigungswert bestimmt wird und der Steigungswert bei der Bestimmung der Position (Φ) des Rotors (11) berücksichtigt wird. Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors zur Verfügung gestellt, das in zuverlässiger Weise eine Bestimmung der Rotorposition bei Stillstand oder langsamen Drehgeschwindigkeiten ermöglicht.

Description

Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
Bei einem derartigen Verfahren wird durch Bestromen einer Mehrzahl von an einem Stator angeordneten Ankerspulen ein Drehfeld erzeugt, um einen Rotor, der um eine Drehachse zu dem Stator drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole aufweist, anzutreiben. Die Ankerspulen bilden eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator umlaufenden Drehfelds aus und weisen dabei drei oder mehr Anschlüsse auf, über die die Ankerspulen bestromt werden. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren wird unterschieden zwischen einer sensorgesteuerten Kommutierung und einer sensorlosen Kommutierung. Generell wird bei bürstenlosen Gleichstrommotoren das am Stator erzeugte, umlaufende Ankerfeld elektronisch kommutiert in Abhängigkeit von der Rotorposition, der Rotordrehzahl und dem Drehmoment. Die elektronische Kommutierung kann hierbei zum Regeln des Betriebsverhaltens des Gleichstrommotors verwendet werden. Bei der sensorgesteuerten Kommutierung (sogenannte sensorgesteuerte bürstenlose Gleichstrommotoren) befinden sich Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren zur Erfassung des magnetischen Flusses des Rotors oder optische Sensoren im Bereich des Stators. Die Sensoren liefern Informationen über die Rotorposition, die somit sensorisch erfasst wird. In Abhängigkeit von der sensorisch erfassten Rotorposition kann dann die elektronische Kommutierung eingestellt werden.
Bei der sensorlosen Kommutierung (sogenannte sensorlose bürstenlose Gleichstrommotoren) erfolgt die Erfassung der Rotorposition hingegen über die in den Ankerspulen des Stators induzierte Gegenspannung, die von der Steuereinrichtung zur Bestimmung der Rotorposition ausgewertet werden kann und auch als Gegen-EMK (EMK: induzierte elektromagnetische Kraft) bezeichnet wird.
Die Bestimmung dieser Gegenspannung ist jedoch erst ab einer Mindestdrehzahl des Rotors möglich, weil unterhalb dieser Mindestdrehzahl die induzierte Gegenspannung zu klein ist. Herkömmliche bürstenlose Gleichstrommotoren sahen daher ein Ausrichten des Rotors mit einem definiertem Schaltmuster und ein anschließendes blindes Schalten der Phasen für den Anlauf vor, bis eine Mindestdrehzahl erreicht ist und somit anhand der induzierten Gegenspannung die Winkellage des Rotors bestimmt werden kann.
Wünschenswert ist daher ein Verfahren, bei dem bei einem sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotor auch bei Stillstand oder niedriger Drehgeschwindigkeit des Rotors die Winkellage des Rotors bestimmt werden kann, um den Motor zuverlässig und effizient anzufahren.
Bei einem aus der WO 2009/053388 A2 bekannten sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotor ist zur Bestimmung der Rotorposition bei Stillstand vorgesehen, an zwei von drei Motoranschlüssen eine Messsequenz anzulegen und an dem jeweils dritten, unbestromten Motoranschluss eine Spannung zu messen. Diese Spannung wird mit einer Referenzspannung verglichen, und anhand des Vergleichs kann bestimmt werden, innerhalb welches Winkelsektors der Rotor sich gerade befindet.
Das Verfahren der WO 2009/053388 A2 macht es möglich zu ermitteln, in welchem von sechs möglichen Winkelsektoren sich ein Rotor gerade befindet. Dies erfolgt durch Anlegen von Messpulsen im Rahmen einer Messsequenz. Eine winkelgenaue Bestimmung der Rotorposition im Stilstand, bei Drehung des Rotors oder innerhalb der Blockkommutierung ist mit dem Verfahren der WO 2009/053388 A2 hingegen nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors sowie einen bürstenlosen Gleichstrommotor zur Verfügung zu stellen, die in zuverlässiger Weise eine Bestimmung der Rotorposition vom Stillstand bis zu mittleren Drehgeschwindigkeiten im fremdangetriebenen oder im blockkommutierten, eigenangetriebenen Betrieb ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass zur Bestimmung der Position des Rotors relativ zum Stator - ein Messspannungssignal zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse angelegt wird,
an einem dritten der Anschlüsse eine resultierende Spannung gemessen wird, - anhand des zeitlichen Verlaufs der resultierenden Spannung ein die Steigung der resultierenden Spannung in einem Zeitintervall angebender Steigungswert bestimmt wird und
der Steigungswert bei der Bestimmung der Position des Rotors berücksichtigt wird.
Dies geht davon aus, bei der Bestimmung der Position des Rotors die zeitliche Veränderung einer gemessenen, resultierenden Spannung zu berücksichtigen. Zur Bestimmung der Position des Rotors wird ein Messspannungssignal zwischen zwei der drei Anschlüsse eines (zu einem Dreieck oder Stern verschalteten) dreiphasigen Gleichstrommotors angelegt, und der dritte, nicht bestromte Anschluss wird zur Messung genutzt. An diesem dritten Anschluss stellt sich eine Spannung ein, die (in etwa) der Spannung an einem (virtuellen) Sternpunkt der zu einer Dreiecks- oder Stern-Schaltung verschalteten, dreiphasigen Ankerspulen entspricht. Die resultierende Spannung bestimmt sich hierbei durch einen Spannungsteiler der dem ersten Anschluss zugeordneten Induktivität der ersten Ankerspule und der dem zweiten Anschluss zugeordneten Induktivität der zweiten Ankerspule, wobei die Induktivitäten wiederum abhängig vom Magnetfeld des permanentmagneterregten Rotors sind.
Abhängig von der Winkellage des Rotors ist die Induktivität einer jeden Ankerspule veränderlich, was damit zusammenhängt, dass ein magnetischer Eisenkern der Ankerspule durch das Magnetfeld des permanenterregten Rotors magnetisiert wird. Die Magnetisierung ist hierbei abhängig von der Winkellage des Rotors, weil das Permanentmagnetfeld abhängig von der Winkellage des Rotors zu der Ankerspule ausgerichtet ist. Es ergibt sich, dass die Induktivität einer Ankerspule umso geringer ist, je stärker die Magnetisierung des Eisenkerns durch das Permanentmagnetfeld des Rotors ist.
Einen Einfluss auf die Induktivität hat zudem der Stromfluss durch eine Ankerspule. So ist generell bei Anlegen eines Messspannungssignals zwischen zwei Anschlüssen der Stromfluss zunächst klein und steigt dann (allmählich) an. Der Stromfluss durch eine Ankerspule bewirkt ein lokales magnetisches Feld an der Ankerspule, das sich mit dem Permanentmagnetfeld des Rotors überlagert und zu einer Feldstärkung oder Feldschwächung des magnetischen Feldes an der Ankerspule führen kann. Der Stromfluss durch eine Ankerspule kann somit eine Zunahme (bei Feldstärkung) oder eine Reduzierung (bei Feldschwächung) der Magnetisierung des Eisenkerns bewirken, was zu einer Reduzierung bzw. Vergrößerung der Induktivität führt.
Da der Stromfluss sich bei Anlegen eines Messspannungssignals zeitlich ändert, ändert sich somit auch die Induktivität, während das Messspannungssignal an den Anschlüssen anliegt. Diese zeitliche Änderung kann ausgewertet werden und kann allein zur Bestimmung der Winkellage des Rotors dienen oder kann zumindest bei der Bestimmung der Rotorlage berücksichtigt werden.
Das Verfahren macht davon Gebrauch, dass an zwei Anschlüsse ein Messspannungssignal angelegt und an einem nicht bestromten, dritten Anschluss eine resultierende Spannung gemessen wird. Weil sich hierbei die zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss wirkenden Induktivitäten der Ankerspulen während des Messspannungssignals aufgrund des Stromflusses durch diese Ankerspulen ändern, ändert sich auch der Spannungsteiler der Ankerspulen, was Einfluss auf die gemessene resultierende Spannung hat. Die (positive oder negative) Steigung der resultierenden Spannung zeigt somit die zeitliche Änderung der Induktivitäten aufgrund des Stromflusses durch diese Induktivitäten in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors an. Aus der zeitlichen Änderung der resultierenden Spannung kann somit direkt oder indirekt auf die Winkellage des Rotors, also die Rotorposition, geschlossen werden.
Zum Anlegen des Messspannungssignals wird vorzugsweise an den ersten Anschluss das Potenzial einer Versorgungsspannung und an den zweiten Anschluss ein Massepotential angeschlossen. Der dritte Anschluss wird hingegen in einen hochimpedanten Zustand geschaltet, sodass an diesem dritten Anschluss die resultierende Spannung gemessen werden kann. Die resultierende Spannung gibt zumindest näherungsweise die Mittelpunktspannung der Schaltung eines Spannungsteilers aus zwei Ankerspulen an.
Das Messspannungssignal ist vorzugsweise durch einzelne Messpulse zusammengesetzt. Diese Messpulse weisen vorzugsweise unterschiedliche Vorzeichen auf, sodass - in einer Ausgestaltung - ein Stromfluss durch die Ankerspulen des ersten Anschlusses und des zweiten Anschlusses bewirkt wird, der sich im Integral gerade aufhebt. So bewirkt ein erster Messpuls, bei dem beispielsweise an den ersten Anschluss das Versorgungsspannungspotenzial und an den zweiten Anschluss das Massepotential angeschlossen wird, ein Stromfluss durch die dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zugeordneten Ankerspulen in eine erste Richtung. Der zweite Messpuls, der ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist und bei dem somit das Versorgungsspannungspotenzial an den zweiten Anschluss und das Massepotential an den ersten Anschluss angeschlossen wird, bewirkt hingegen ein Stromfluss durch die dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zugeordneten Ankerspulen in eine entgegengesetzte, zweite Richtung. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine elektromotorische Kraft, die durch den Stromfluss bewirkt wird, sich im Mittel gerade aufhebt, sodass der Rotor nicht in eine Drehbewegung versetzt wird.
Generell ist der Strom durch die Ankerspulen im Rahmen der Messspannungssignale so klein, dass der Rotor nicht angetrieben wird und insbesondere keine elektromotorische Kraft bewirkt wird, die das Rastmoment des Rotors übersteigt. Kommt es dennoch zu einer Bewegung des Rotors, wird diese Bewegung durch einen nachfolgenden Messpuls mit umgekehrtem Vorzeichen wieder gestoppt.
Die Messpulse haben vorzugsweise jeweils ein zumindest näherungsweise konstantes Spannungsplateau. Im Rahmen eines Messpulses wird beispielsweise an den ersten Anschluss die Versorgungsspannung mit konstanter Amplitude über einen vorbestimmten Zeitraum angelegt. Umgekehrt wird im Rahmen des zweiten Messpulses dann die Versorgungspannung mit konstanter Amplitude an den zweiten Anschluss angelegt, sodass sich ein Messpuls umgekehrten Vorzeichens ergibt. An den zweiten Messpuls können weitere Messpulse anschließen, wobei das Integral der Messpulse sich vorteilhafterweise insgesamt gerade aufhebt. Ein dritter Messpuls kann hierbei das gleiche Vorzeichen wie der zweite Messpuls aufweisen, wobei dann aber der vierte Messpuls wieder ein hierzu umgekehrtes Vorzeichen hat.
Vorteilhafterweise werden während des ersten Messpulses und während des zweiten Messpulses jeweils Spannungswerte der resultierenden Spannung bestimmt. Es wird somit gemessen, welche Spannung sich während eines Messpulses an dem nicht bestromten, dritten Anschluss einstellt, wobei hierzu die resultierende Spannung über den Zeitraum eines jeden Messpulses in geeigneter Weise abgetastet und gemittelt werden kann.
Aus dem ersten resultierenden Spannungswert, erhalten während des ersten Messpulses, und dem zweiten resultierenden Spannungswerts, erhalten während des zweiten zum ersten invertierten Messpulses, kann sodann ein Differenzwert bestimmt werden. Durch Bildung der Differenz zwischen dem ersten resultierenden Spannungswert und dem zweiten resultierenden Spannungswert können Effekte, die die Messung überlagern, herausgerechnet werden. Beispielsweise kann sich bei Drehung des Rotors mit geringer Drehgeschwindigkeit eine induzierte Gegenspannung in den einzelnen Ankerspulen ergeben, welche die Mittelpunktspannung des Spannungsteilers überlagert. Durch Subtraktion der während der unterschiedlichen Messpulse erhaltenen Spannungswerte voneinander wird diese induzierte Gegenspannung herausgerechnet, sodass die Gegenspannung keinen Einfluss auf die ermittelte Größe des Spannungsteilers hat.
Aus den resultierenden Spannungswerten wird die Differenz, mit dem Spannungswert während des ersten Messpulses als Minuend und dem Spannungswert während des zweiten Messpulses als Subtrahend, gebildet. Eine zusätzliche konstante Spannung, welche während der Messung des Minuend und Subtrahend anliegt, subtrahiert sich dabei heraus und hat keinen Einfluss auf den Wert der Differenz. Ein vom Spannungsvektor abhängiger Spannungswert dagegen, z.B. die Verschiebung der Mittelpunktspannung durch das Verhältnis der Induktivitäten im Minuend und die invertierte Verschiebung der Mittelpunktspannung durch das invertierte Verhältnis der Induktivitäten im Subtrahend, bleibt in der Differenz als Unterschied erhalten.
Es werden damit Effekte, die die Messung überlagern, herausgerechnet. Beispielsweise kann sich bei einer geringen Drehgeschwindigkeit des Rotors eine induzierte Gegenspannung im Messzweig und den Spulen des Spannungsteilers ergeben. Bei Drehung des Rotors entspricht der am Anschluss gemessene Spannungswert dann nicht mehr der Mittelpunktspannung des Spannungsteilers, sondern wird unter anderem durch die induzierte elektromotorische Spannung der Spule des Messzweiges verfälscht. Da die induzierte Gegenspannung innerhalb des Zeitintervalls der Messung jedoch annähernd konstant ist und ihr Vorzeichen beibehält, kann dieser Fehler durch die Subtraktion von zwei Messungen annähernd vollständig entfernt werden.
In den Spulen des Spannungsteilers wird in gleicher Weise durch die Rotation des Permanentmagneten Spannung induziert, sodass bereits die Mittelpunktspannung des Spannungsteilers durch eine induzierte Spannung verfälscht ist. Auch ein im Dreieck verschalteter Gleichstrommotor ist aus diesem Grund nicht frei von dem eingeprägten Fehler der induzierten Spannung, obwohl die Mittelpunktspannung direkt am Phasenanschluss gemessen werden kann. Der Fehler der im Spannungsteiler induzierten Spannung wird jedoch ebenfalls durch die Differenz zweier Messungen kompensiert.
Die Störgröße der induzierten elektromotorischen Spannung kann auch ohne das Anlegen einer Spannung zwischen zwei Anschlüssen im Rahmen eines Messpulses bestimmt werden. Dazu werden, bis auf den Messanschluss, alle weiteren Phasenanschlüsse auf ein Potential geschaltet, womit der Spannungsteiler aufgehoben wird und sich am Messanschluss eine Spannung einstellt, welche ausschließlich der induzierten elektromotorischen Spannung entspricht. Nach Abzug des (bei der Kompensationsmessung angelegten) Potentials ist das Ergebnis die induzierte elektromotorische Spannung, deren Wert zur Kompensation (der in einer einzelnen Mittelpunktspannungsmessung enthaltenen induzierten Spannung) genutzt werden kann.
Durch die Subtraktion der während der unterschiedlichen Messpulse erhaltenen Spannungswerte voneinander im Allgemeinen oder die Subtraktion mit einer zusätzlichen zeitlich angrenzenden Kompensationsmessung im Speziellen kann der systematische Fehler einer induzierten Spannung, die sich bei der Drehung des Rotors mit niedriger Drehgeschwindigkeit ergibt, herausgerechnet werden, um die relevante Größe der Mittelpunktspannung des Spannungsteilers ohne Verfälschung durch eine induzierte elektromotorische Spannung zu bestimmen.
Zur Bestimmung der Position des Rotors werden vorzugsweise sämtliche Anschlusskombinationen durchgemessen. So ergeben sich bei drei vorhandenen Anschlüssen drei Anschlusskombinationen, die jeweils mit Messpulsen unterschiedlichen Vorzeichens beaufschlagt werden. Hieraus resultieren sechs Spannungswerte, aus denen beispielsweise drei Differenzwerte bestimmt werden. Im stromgeführten blockkommutierten Betrieb der Motorphasen sind dagegen mindestens zwei Phasenanschlüsse bestromt, damit ein Drehmoment erzeugen werden kann. Die Messung der Mittelpunktspannung erfordert jedoch einen Phasenanschluss ohne Stromfluss. Da diese Voraussetzung im blockkommutierten Fall nur für einen Phasenanschluss erfüllt ist, ist die Anzahl der möglichen sechs Messkombinationen auf zwei reduziert. Eine mehrdeutige Position kann dennoch aus der Differenz von zwei Messkombinationen bestimmt werden, sofern die maximale Amplitude der Induktivitätsdifferenzfunktion bekannt ist.
Mit der Kenntnis der Maximalamplitude der Induktivitätsdifferenz besteht zusätzlich die Option, die Position mit nur einem Messpuls bzw. einer Messkombination zu bestimmen. Für niedrige Drehgeschwindigkeiten kann die induzierte elektromotorische Spannung auch mit Hilfe einer zusätzlichen Messung der elektromotorischen Spannung kompensiert werden. Für eine solche Kompensationsmessung werden zwei Phasenanschlüsse zugleich an das Massepotential oder an die Versorgungsspannung angeschlossen, und die elektromotorische Spannung wird am dritten stromlosen Phasenanschluss gemessen. Diese Kompensationsmessung erfolgt zeitlich kurz vor oder nach dem Anlegen des einzelnen Messpulses, um den Einfluss einer zeitlichen Änderung der elektromotorischen Spannung möglichst gering zu halten. Durch Subtraktion der gemessenen elektromotorischen Spannung von der (beim Anlegen der Messpulse gemessenen) Phasenspannung, kann die Mittelpunktspannung frei von einer (für den Zeitraum konstanten) induzierten elektromotorischen Spannung, bestimmt werden. Mittels der bereinigten Mittelpunktspannung und der Kenntnis der Maximalamplitude der Induktivitätsdifferenz kann schlussendlich auf eine mehrdeutige Position des Rotors geschlossen werden.
Bei einer Umdrehung des Rotors um 360° (Bezug genommen wird auf den elektrischen Winkel) ändert sich die Induktivität einer Ankerspule abhängig von der Rotorlage vereinfacht wie folgt:
L1(<p) =li) -(\-b-cos%- P)
Hierbei ist U die Induktivität einer Ankerspule, Φ der Rotorwinkel, U ein Basiswert der Induktivität (um den der Induktivitätswert schwankt) und b der Änderungsfaktor. Beträgt b beispielsweise 50%, so ist der minimale Induktivitätswert z.B. bei einem Winkel von 0 ° 0,5l_o, der maximale Induktivitätswert bei einem Winkel von z.B. 90° hingegen 1 ,5 . Die Induktivität der Ankerspule U ist minimal, wenn der Erregerfeldvektor des permanentmagneterregten Rotors und der Ankerfeldvektor des sich drehenden Ankerfelds einen Winkel von 0 ° und 180° zueinander aufweisen. Bei 90° und 270° hingegen ist die Induktivität maximal. Hieraus ergibt sich, dass anhand der Induktivitätsänderung in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors nicht eindeutig auf die Winkellage des Rotors geschlossen werden kann, sondern bei Auswertung der sich für die unterschiedlichen Anschlusskombinationen anhand der Messpulse ergebenden Differenzwerte ergeben sich zwei um 180° zueinander versetzte Lösungen.
Um zu einer eindeutigen Lösung zu gelangen, können - bei einer Ausgestaltung des Verfahrens - die Steigungswerte der Spannung innerhalb des Zeitintervalls der Messpulse berücksichtigt werden. So wird anhand der Steigungswerte aus dem anhand der Differenzwerte ermittelten zweideutigen Ergebnis das richtige Ergebnis ermittelt. Dies erfolgt dadurch, dass für jede unterschiedliche Anschlusskombination ein Steigungswert bestimmt wird und anhand der unterschiedlichen Steigungswerte geprüft wird, welches Vorzeichen die Steigung für welche Anschlusskombination aufweist. Anhand des Vorzeichens der Steigung, also anhand der Information, ob eine positive Steigung oder eine negative Steigung für eine Anschlusskombination auftritt, kann darauf geschlossen werden, in welchem Winkelbereich sich der Rotor befindet und ob somit ein Winkelversatz von 180 ° zu der anhand der Differenzwerte ermittelten Winkelposition hinzuzuaddieren ist oder nicht.
Für drei Messspannungssignale bestehend aus jeweils zwei Anschlusskombinationen (wenn ein Messspannungssignal unterschiedliche, zueinander invertierte Messpulse aufweist) ergeben sich sechs Steigungswerte, welche vorzugsweise für jedes Messspannungssignal zu insgesamt drei Steigungswerten gemittelt werden, welche wiederum gesondert oder gemeinsam ausgewertet werden können, um darauf zu schließen, ob ein Winkelversatz bei der Bestimmung der Rotorposition hinzuzuaddieren ist oder nicht. Es wird für die Betrachtung dieser Entscheidung z.B. die stärkste gemessene Steigung der drei gemittelten Steigungswerte genutzt, welche auftritt, wenn der Messzweig beziehungsweise Phasenanschluss in die Richtung eines Permanentmagnetpols ausgerichtet ist. Die Auswahl des relevanten Steigungswertes erfolgt z.B. anhand der sich aus den Differenzwerten ergebenden, beiden möglichen, um 180 ° zueinander versetzten Lösungen. Es kann aber auch ein gemeinsamer Entscheidungswert aus allen drei Steigungswerten gebildet werden, indem abhängig vom Winkelbereich der beiden um 180 ° zueinander versetzten Lösungen die einzelnen Werte zu einem gemeinsamen Wert subtrahiert oder addiert werden.
Hinzuweisen ist an dieser Stelle darauf, dass grundsätzlich auch allein anhand der Steigungswerte eine Bestimmung der Rotorposition möglich ist. So ändert sich die Steigung in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors sinusförmig. Durch Auswertung der drei gemittelten Steigungswerte kann grundsätzlich bereits eindeutig auf die absolute Position des Rotors geschlossen werden.
Das beschriebene Verfahren ist vorteilhaft bei Stillstand des Rotors zur Bestimmung der Position des Rotors einsetzbar. Zudem ist das Verfahren durch die Kompensation der Gegenspannung bei fremdangetrieben Rotation bis zu mittleren Drehgeschwindigkeiten sowie bei eigenangetrieben Rotation im blockförmig bestromten Betrieb vom Stillstand bis zu mittleren Drehgeschwindigkeiten verwendbar. Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor, mit einem Stator, an dem eine Mehrzahl von Ankerspulen angeordnet ist, die eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator umlaufenden Drehfelds ausbilden und drei Anschlüsse aufweisen,
- einem Rotor, der um eine Drehachse zu dem Stator drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole aufweist, und
einer Steuereinrichtung zum Bestromen der Ankerspulen zum Erzeugen des Drehfelds. Dabei ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, zur Bestimmung der Position des Rotors relativ zum Stator zumindest ein Messspannungssignal zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse anzulegen,
- an einem dritten der Anschlüsse eine resultierende Spannung zu messen,
- aus dem zeitlichen Verlauf der resultierenden Spannung einen die Steigung der resultierenden Spannung in einem Zeitintervall angebenden Steigungswert zu bestimmen und
den Steigungswert bei der Bestimmung der Position des Rotors zu berücksichtigen. Die vorangehend für das Verfahren beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen finden analog auch auf den bürstenlosen Gleichstrommotor Anwendung, sodass hierzu auf das oben Ausgeführte verwiesen werden soll. Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen: eine schematische Ansicht eines sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotors; eine schematische Schaltungsansicht der Verschaltung der Ankerspulen zu einer Sternschaltung; eine schematische Schaltungsansicht der Verschaltung der Ankerspulen zu einer Dreiecksschaltung; die Ansicht gemäß Fig. 2A, bei einer Rotorposition des Rotors, darstellend mögliche Anschlusskombinationen zum Anlegen von Messspannungssignalen zum Bestimmen der Rotorposition; die Ansicht gemäß Fig. 2B, bei einer Rotorposition des Rotors, darstellend mögliche Anschlusskombinationen zum Anlegen von Messspannungssignalen zum Bestimmen der Rotorposition; eine zeitliche Darstellung von Messpulsen eines Messspannungssignals; eine grafische Ansicht der Induktivitäten der Ankerspulen über den Winkel des Rotors für die Sternschaltung aus Fig. 2A; eine grafische Ansicht der Induktivitäten der Ankerspulen über den Winkel des Rotors für die Dreiecksschaltung aus Fig. 2B;
Fig. 5A eine grafische Ansicht der Differenzen zwischen zwei Induktivitäten in
Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors für die Sternschaltung aus Fig. 2A; Fig. 5B eine grafische Ansicht der Differenzen zwischen zwei Induktivitäten in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors für die Dreiecksschaltung aus Fig. 2B; Fig. 6A eine schematische Ansicht der Schaltung der Ankerspulen bei
Überlagerung des Permanentmagnetfeldes des Rotors mit lokal an den Ankerspulen aufgrund eines Stromflusses erzeugten Magnetfeldern für die Sternschaltung aus Fig. 2A; Fig. 6B eine schematische Ansicht der Schaltung der Ankerspulen bei
Überlagerung des Permanentmagnetfeldes des Rotors mit lokal an den Ankerspulen aufgrund eines Stromflusses erzeugten Magnetfeldern für die Dreiecksschaltung aus Fig. 2B; Fig. 6C eine Ansicht einer Hysteresekurve der Magnetisierung eines Eisenkerns einer Ankerspule;
Fig. 7 eine schematische Ansicht von zwischen zwei Anschlüssen anzulegenden
Messpulsen und von einer sich an einem dritten Anschluss ergebenden resultierenden Spannung für eine Stern- und Dreieckschaltung; und
Fig. 8 eine grafische Ansicht der Steigung der resultierenden Spannung für die unterschiedlichen Anschlusskombinationen einer Stern- oder Dreieckschaltung in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotor 1 , der einen Stator 10 und einen um eine Drehachse 1 10 drehbaren Rotor 1 1 aufweist. Am Stator 10 sind eine Mehrzahl von Ankerspulen a-c mit an dem Stator 10 angebrachten Leitern a1 , a2, b1 , b2, c1 , c2 angeordnet, die über Anschlüsse U, V, W bestromt werden können. Der Rotor 1 1 ist permanentmagneterregt und weist eine Mehrzahl von (paarweise) ungleichnamigen Magnetpolen N, S auf, die mit dem Feld der Ankerspulen a-c zusammenwirken und im Betrieb eine Drehbewegung D des Rotors 1 1 bewirken.
Im Betrieb wird der Gleichstrommotor 1 über eine Steuereinrichtung 12 bestromt, indem ein dreiphasiger Drehstrom in die Anschlüsse U, V, W eingeleitet und dadurch ein am Stator 10 umlaufendes Drehfeld erzeugt wird. Diesem Drehfeld folgt der Rotor 1 1 nach, sodass der Rotor 1 1 in eine Drehbewegung versetzt wird.
Zum Erzeugen des Drehfelds am Stator 10 wird der in die Anschlüsse U, V, W eingespeiste Strom elektronisch kommutiert. Der Zeitpunkt der Kommutierung ist hierbei abhängig von der Rotorposition, was eine Steuerung des Gleichstrommotors 1 in Abhängigkeit von der Rotorposition erforderlich macht.
Bei einer sensorlosen Kommutierung erfolgt die Erfassung der Rotorposition im Betrieb des Gleichstrommotors 1 über eine in den Ankerspulen a-c induzierte Gegenspannung, die über die Steuereinrichtung 12 ausgewertet werden kann. Dies ist möglich, wenn der Rotor 1 1 sich mit einer Drehgeschwindigkeit größer als eine vorbestimmte Mindestdrehgeschwindigkeit dreht und demzufolge die induzierte Gegenspannung hinreichend groß ist.
Bei Stillstand des Rotors 1 1 oder bei einer kleinen Drehgeschwindigkeit ist eine Steuerung über die induzierte Gegenspannung hingegen nicht ohne weiteres möglich, sodass insbesondere bei einem Anlaufen des Motors 1 die Rotorposition in anderer Weise zu bestimmen ist.
Anzumerken ist, dass das Verfahren auch anwendbar ist, wenn es sich um einen Aufbau als Au ßenläufer anstatt eines Innenläufers handelt und wenn Rotor und Stator getauscht sind, sodass der Rotor aus Ankerspulen und der Stator aus Permanentmagneten besteht. Ein Verfahren zum Bestimmen der Rotorposition bei Stillstand oder bei kleinen Drehgeschwindigkeiten soll nachfolgend beschrieben werden.
Die Ankerspulen a-c können zu einer Sternschaltung oder zu einer Dreiecksschaltung miteinander verschaltet sein. Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist grundsätzlich auf beide Verschaltungsarten anwendbar. In einer Sternschaltung befindet sich ein Spannungsteiler aus Ankerspulen, dessen Mittelpunktspannung über den dritten, unbestromten Messzweig (bzw. dessen Ankerspule) gemessen werden kann. In einer Dreiecksschaltung ergibt sich ein Spannungsteiler, dessen Mittelpunktspannung direkt am unbestromten Phasenanschluss gemessen werden kann. Im Folgenden wird zuerst auf die Sternschaltung eingegangen. Fig. 2A zeigt die zu einer Sternschaltung miteinander verschalteten Ankerspulen a-c, die jeweils mit einem Anschluss U, V, W verbunden sind und einen gemeinsamen Sternpunkt M aufweisen. Jede Ankerspule a-c weist eine Induktivität L1 , L2, L3 auf, deren Wert z.B. von der Windungsanzahl der Ankerspulen a-c sowie von der Beschaffenheit des Eisenkerns und auch von externen Einflüssen wie dem Magnetfeld des Rotors 1 1 abhängt, wie nachfolgend noch erläutert werden soll.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass Fig. 1 und 2A lediglich ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel eines bürstenlosen Gleichstrommotors 1 zeigen. Grundsätzlich können am Stator mehr als drei Ankerspulen, beispielsweise sechs oder neun Ankerspulen, angeordnet sein, und am Rotor 1 1 können mehr als zwei Pole N, S, beispielsweise vier, sechs oder acht Pole angeordnet sein.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Gleichstrommotor 1 beispielsweise neun Ankerspulen am Stator 10 und sechs Magnetpole am Rotor 1 1 aufweist.
An den Ankerspulen a-c wird im Betrieb des Gleichstrommotors 1 ein umlaufendes Drehfeld erzeugt, das mit dem permanenterregten Rotorfeld zusammenwirkt und zu einer elektromotorischen Kraft am Rotor 1 1 führt. Dies erfolgt dadurch, dass die Anschlüsse U, V, W in elektronisch kommutierter Weise bestromt werden und somit ein dreiphasiger Drehstrom in die Ankerspulen a-c eingeleitet wird. Während im normalen Betrieb des Gleichstrommotors 1 die Bestimmung der Rotorposition zur Steuerung der Kommutierung anhand der induzierten Gegenspannung in den Zweigen der Ankerspulen a-c ohne weiteres möglich ist, ist dies bei Stillstand des Rotors 1 1 oder bei kleinen Drehgeschwindigkeiten nicht möglich. Aus diesem Grunde wird vorliegend ein Verfahren verwendet, bei dem, wie schematisch in Fig. 3A dargestellt, Messspannungssignale V12, V23, V31 zwischen den Anschlüssen U, V, W angelegt werden, um anhand dieser Messspannungssignale V12, V23, V31 eine resultierende Spannung am Sternpunkt M auszuwerten und daraus auf die Rotorposition zu schließen.
Zur Messung der resultierenden Spannung am Sternpunkt M wird hierbei zwischen zwei Anschlüssen U, V, W ein Messspannungssignal V12, V23, V31 angelegt, und am dritten, nicht bestromten Anschluss U, V, W wird die sich ergebende, resultierende Spannung gemessen. Dieser dritte Anschluss ist hierbei in einen hochimpedanten Zustand geschaltet, sodass die Spannung an diesem dritten Anschluss (in etwa) der Spannung am Sternpunkt M entspricht (weil aufgrund des hochimpedanten Zustands durch den Zweig des dritten Anschlusses U, V, W kein Strom fließt, wirkt die Ankerspule a-c in diesem dritten Zweig näherungsweise als einfacher Leiter, der keinen Einfluss auf die gemessene Spannung hat). Das zwischen zwei Anschlüssen U, V, W angelegte Messspannungssignal ist hierbei durch Messpulse P1 -P4 zusammengesetzt, wie schematisch in Fig. 3C dargestellt.
Die an einer Ankerspule a-c wirkende Induktivität L1 -L3 hängt ab von der Position des Rotors 1 1 . Bei der in Fig. 3A dargestellten Lage des Rotors 1 1 ist das durch die Permanentmagnetpole N, S bewirkte Magnetfeld entlang der Ankerspulen a gerichtet, was dazu führt, dass ein Eisenkern dieser Ankerspule a zumindest weitestgehend magnetisiert ist. Eine solche große Magnetisierung hat zur Folge, dass die Induktivität L1 an dieser Ankerspule a vergleichsweise klein ist, weil sich der Eisenkern dieser Ankerspule a (zumindest weitestgehend) in der magnetischen Sättigung befindet. An den anderen beiden Ankerspulen b, c ist die Induktivität L2, L3 demgegenüber vergrößert, weil das Permanentmagnetfeld des Rotors 1 1 nicht kollinear zu diesen Ankerspulen b, c ist und demzufolge die Eisenkerne dieser Ankerspulen b, c nicht gesättigt sind.
Der Verlauf der Induktivitäten L1 -L3 in Abhängigkeit vom Winkel Φ des Rotors 1 1 ist in Fig. 4 dargestellt. Die Induktivitäten L1 -L3 weisen jeweils einen sinusförmigen Verlauf auf und lassen sich (am Beispiel der Induktivität L1 ) durch folgende Gleichung beschreiben:
L1(P) =li) -(\-b-cosi£- i>)
Hierbei ist Li die Induktivität der Ankerspule a, Φ der Rotorwinkel, L0 ein Basiswert der Induktivität (um den der Induktivitätswert schwankt) und b der Änderungsfaktor. Beträgt b beispielsweise 50%, so ist der minimale Induktivitätswert z.B. bei einem Winkel von 0 ° 0,5L0, der maximale Induktivitätswert bei einem Winkel von z.B. 90° hingegen 1 ,5L0.
Aus Fig. 4A ist ersichtlich, dass die Induktivitäten L1 -L3 über den Winkel Φ des Rotors 1 1 eine Periode von 180° aufweisen. Bei einer Drehung von 360 ° des Rotors 1 1 (Bezug genommen wird auf den elektrischen Winkel, der nicht notwendigerweise mit dem mechanischen Winkel übereinstimmt) weist jede Induktivität L1 -L3 zwei Maxima und zwei Minima auf.
Anhand der pulsförmigen Messspannungssignale V12, V23, V31 kann die Position (der Winkel Φ) des Rotors 1 1 bestimmt werden, wobei sich - aufgrund der Periodizität gemäß Fig. 4A - im Winkelbereich zwischen 0 ° und 360 ° zwei Lösungen ergeben und somit die Rotorposition nicht eindeutig bestimmt werden kann.
Zur Bestimmung der Rotorposition wird für jede Anschlusskombination ein Messspannungssignal beispielsweise in Form der in Fig. 3C dargestellten Pulsfolge zwischen zwei Anschlüssen U, V, W angelegt. Beispielsweise wird zunächst zwischen den Anschlüssen U, V ein Messspannungssignal V12 angelegt, bei dem zunächst ein erster Messpuls P1 , dann ein zweiter Messpuls P2, dann ein dritter Messpuls P3 und schließlich eine vierter Messpuls P4 auf die Anschlüsse U, V geschaltet wird. Im Rahmen des ersten Messpulses P1 wird beispielsweise an den Anschluss U das Potenzial einer Versorgungsspannung VS angelegt, während der andere, zweite Anschluss V auf ein Massepotential geschaltet wird. Beim zweiten Messpuls P2 erfolgt dies genau umgekehrt, es wird also das Versorgungsspannungspotenzial VS auf den zweiten Anschluss V und das Massepotential auf den ersten Anschluss U geschaltet. Der dritte Messpuls P3 ist dem zweiten Messpuls identisch, und der vierte Messpuls P4 weist wiederum ein umgekehrtes Vorzeichen zum dritten Messpuls P3 auf.
Die Messpulse P1 -P4 sind vorteilhafterweise alle gleich lang und so gestaltet, dass sich ihr Integral gerade aufhebt. Dies hat zur Folge, dass ein an den Ankerspulen a, b der Anschlüsse U, V bewirkter Stromfluss I sich im Mittel in etwa aufhebt und somit nicht zu einem Antreiben des Rotors 1 1 führt.
Während zwischen zwei Anschlüssen U, V ein Messspannungssignal V12 der in Fig. 3C dargestellten Form angelegt wird, wird der dritte Anschluss W in einen hochimpedanten Zustand versetzt und zur Messung einer resultierenden Spannung VM an diesem Anschluss W genutzt. Diese Spannung VM entspricht in etwa der Spannung am Sternpunkt M und ist bestimmt durch den Spannungsteiler zwischen den Induktivitäten L1 , L2 in den Anschlüssen U, V zugeordneten Zweigen (dies stimmt zumindest näherungsweise, weil die ohmsche Widerstände der Ankerspulen a-c klein sind):
V v M,P\ =V v S— T— .— T + V 3
VB3 bezeichnet hier eine induzierte elektromotorische Spannung, die sich bei einer Drehung des Rotors 1 1 am Anschluss W ergibt. Während des zweiten Messpulses P2 hingegen ergibt sich die resultierende Spannung VM am dritten Anschluss W zu vM,P2 =vs --^-+vB3
Während der Messpulse P1 -P4 wird die resultierende Spannung VM am dritten Anschluss W gemessen, und es wird die Differenz zwischen Spannungswerten bestimmt, die sich bei Messpulsen P1 -P4 unterschiedlichen Vorzeichens ergeben. Der sich ergebende Differenzwert ist proportional zu der Differenz zwischen den Induktivitäten L1 , L2 der den Anschlüssen U, V zugeordneten Ankerspulen a, b: ^n = Vu ,P2 - Vu ^ = Vs - -^ - Vs - -^ = -^—(L1 - L2) oC L1 - L2
Lx + L2 Lx + L2 Lx + L2
Δ12 bezeichnet hierbei den sich ergebenden Differenzwert zwischen den Spannungswerten der resultierenden Spannung VM bei dem ersten Messpuls (VM.PI ) und dem zweiten Messpuls (VM,P2) bei Anlegen des Messspannungssignals V12 an die Anschlüsse U, V. Die induzierte Spannung VB3 am dritten Anschluss W fällt im Differenzwert Δ12 heraus.
Dies wird wiederholt für sämtliche Anschlusskombinationen, indem jeweils an zwei Anschlüsse U, V, W ein Messspannungssignal V12, V23, V31 angelegt wird und am dritten Anschluss U, V, W die resultierende Spannung VM gemessen wird. Es ergeben sich drei Differenzwerte, die jeweils proportional sind zu der Differenz der in den zugeordneten Zweigen liegenden Induktivitäten L1 , L2, L3.
Analog der Abhängigkeit der Induktivitäten L1 , L2, L3 von der Winkellage des Rotors 1 1 sind auch die Differenzen L1 -L2, L2-L3, L3-L1 abhängig vom Winkel Φ des Rotors 1 1 , wie dies in Fig. 5A dargestellt ist. Anhand der drei Differenzwerte kann mit dem Arkustangens aus der Division der nach der Clarke-Transformation erhaltenen Vektoren (a,ß) die
Winkellage Φ des Rotors 1 1 bestimmt werden, wobei sich zwei Lösungen im Winkelbereich zwischen 0° und 360° ergeben, eine erste im Bereich zwischen 0° und 180° und eine zweite im Bereich zwischen 180° und 360°, dadurch bedingt, dass die Kurven eine Periodizität von 1800 aufweisen.
Um zu bestimmen, welche Lösung die richtige ist, wird in einem weiteren Schritt die Steigung der am dritten Anschluss U, V, W gemessenen Spannung VM während der Messspannungssignale V12, V23, V31 ausgewertet. Diesem liegt zugrunde, dass sich die Induktivitäten L1 -L3 abhängig davon ändern, was für ein Strom durch die jeweiligen Ankerspulen a-c fließt.
Wird beispielsweise, wie schematisch in Fig. 6A dargestellt, ein Messspannungssignal V23 zwischen den Anschlüssen V, W angelegt, so fließt zunächst bei Anlegen des ersten Messpulses P1 näherungsweise kein Strom durch die zugeordneten Induktivitäten L2, L3, weil sich der Strom in diesen Induktivitäten L2, L3 erst allmählich aufbaut. Steigt der Strom I in den Induktivitäten L2, L3 an, so kommt es an den Induktivitäten L2, L3 zum Aufbau eines Magnetfeldes H2, H3, das sich mit dem Permanentmagnetfeld HO des Rotors 1 1 überlagert und lokal an den Induktivitäten L2, L3 zu einer Stärkung bzw. Schwächung des resultierenden Gesamtfeldes führt.
Bei dem in Fig. 6A dargestellten Beispiel kommt es an der Induktivität L2 zu einem lokalen Feld H2, bedingt durch den Stromfluss I durch die Induktivität L2. Dieses Magnetfeld H2 ist mit einer Vektorkomponente dem Magnetfeld HO des Rotors 1 1 gleichgerichtet, sodass es an der Induktivität L2 zu einer Stärkung des lokalen Magnetfeldes kommt, was zu einer Reduzierung des Werts der Induktivität L2 führt.
Umgekehrt ist das an der Induktivität L3 lokal erzeugte Magnetfeld H3 mit einer Vektorkomponente dem Permanentmagnetfeld HO des Rotors 1 1 entgegengerichtet, sodass es lokal an der Induktivität L3 zu einer Schwächung des Magnetfeldes HO kommt. Dies führt zu einer Vergrößerung des Werts der Induktivität L3.
Dies ist dadurch bedingt, dass, wie schematisch in Fig. 6C dargestellt, aufgrund der Hysterese des Eisenkerns der Ankerspulen b, c es bei Stärkung oder Schwächung des lokalen Magnetfeldes es zu einem Herauslaufen aus einem Arbeitspunkt AP kommt. Kommt es zu einer Stärkung des Magnetfeldes, läuft die Magnetisierung des Eisenkerns der Sättigung entgegen, was zu einer Reduzierung der Induktivität führt. Kommt es hingegen zu einer Schwächung des Magnetfeldes, so reduziert sich die Magnetisierung und läuft, bei dem in Fig. 6C dargestellten Beispiel, nach unten, was zu einer Vergrößerung der Induktivität führt.
Je größer der Stromfluss I, desto stärker ist die Änderung der Induktivitätswerte an den Induktivitäten L2, L3. Bei allmählichem Aufbau des Stroms kommt es somit zu einer Änderung der Induktivitätswerte, die auch zu einer Änderung des Spannungsteilers führt und somit unmittelbar an der zeitlichen Änderung der am Sternpunkt M über den dritten Anschluss U gemessenen resultierenden Spannung VM sichtbar ist. Dies ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Es ergibt sich bei Anlegen des Messspannungssignals V23 während der einzelnen Messpulse P1 -P4 ein zeitlicher Verlauf der am dritten Anschluss U gemessenen resultierenden Spannung VM, der ein Steigungswert zugeordnet werden kann.
Die Steigung hat ein positives oder negatives Vorzeichen, und anhand der Steigung kann bestimmt werden, ob die Rotorposition im Winkelbereich zwischen 90 ° und 270 ° oder im Winkelbereich zwischen 270° und 90 ° liegt.
So weist die Steigung grundsätzlich ebenfalls einen von der Rotorposition abhängigen sinusförmigen Verlauf auf, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist. Die Steigung für das Messspannungssignal V23 zwischen den Anschlüssen V, W ist beispielsweise bei 0 ° minimal und bei 180° maximal und weist eine Periodizität von 360° auf.
Wird die Steigung der resultierenden Spannung VM für sämtliche Anschlusskombinationen gemessen, so ergeben sich drei nicht redundante Steigungswerte, die in Kombination ausgewertet werden können, um darauf zu schließen, in welchem Winkelbereich die Rotorposition liegt.
Weist beispielsweise die Steigung für das Messspannungssignal V12 ein negatives Vorzeichen auf und weist die Steigungen für das Messspannungssignale V31 ein positives Vorzeichen auf, so ist dadurch eindeutig bestimmt, dass der Rotor 1 1 sich im Winkelbereich zwischen 180° und 360 ° befindet, was bei der Berechnung der Rotorposition anhand der Differenzwerte (Fig. 5) berücksichtigt werden kann, um aus den zwei möglichen Lösungen die richtige auszuwählen.
Ein Steigungswert für ein Steuersignal V12, V23, V31 kann hierbei dadurch bestimmt werden, dass während eines Messpulses P1 -P4 die Steigung bestimmt wird oder indem über die Steigung bei den unterschiedlichen Messpulsen P1 -P4 gemittelt wird.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass grundsätzlich auch möglich ist, allein anhand der Steigungen auf die absolute Rotorposition zu schließen. Sie weisen die Steigungen, wie aus Fig. 8 ersichtlich, einen vom Winkel Φ abhängigen sinusförmigen Verlauf mit einer Periodizität von 360° auf, was eine eindeutige Berechnung der Rotorposition allein aus den drei Steigungswerten ermöglicht. Da die Stärke des überlagerten Magnetfelds jedoch geringer als die des Permanentmagneten ist, ist auch die Messgröße der Steigung im Vergleich zum Differenzwert geringer und damit rauschanfälliger, sodass für eine genauere Positionsschätzung vorteilhaft das zweideutige Ergebnis aus den Differenzwerten berücksichtigt wird. Das beschriebene Verfahren lässt sich identisch für eine in Dreiecksschaltung beschaltete Anordnung anwenden. Fig. 2B zeigt schematisch, wie die Ankerspulen a-c aus der Fig. 1 zu einer Dreieckschaltung verbunden sind. Die geometrische Ausrichtung der Ankerspulen a-c zum Permanentmagneten 1 1 in Fig. 2B entspricht der in Fig. 2A, sofern der Rotor um 90 ° gedreht wird. Die Induktivitäten L23, L12, L31 der Ankerspulen a-c aus Fig. 2B sind über eine Rotation des Permanentmagneten 1 1 für einen Winkelbereich von 360° in Fig. 4B graphisch dargestellt. Im Vergleich von Fig. 4A zu Fig. 4B zeigt sich, wie in Fig. 2A und Fig. 2B ebenfalls ersichtlich, dass die Induktivitätswerte der Ankerspulen a-c um einen Winkel von 90° verschoben sind. Die Messspannungen aus den Signalen V12, V23, V31 in Fig. 3B fallen mit invertiertem Vorzeichen an den Ankerspulen a-c mit der gleichen Bezeichnung wie in Fig. 3A ab. Beispielsweise fällt das Messspannungssignal V12 in Fig. 3B an den Ankerspulen b, a ab, während es in Fig. 3A an den Ankerspulen a, b abfällt. In Fig. 5B wurden wie in Fig. 5A dieselben Induktivitätsdifferenzen von den Ankerspulen a-c aus dem Ergebnis der Messspannungssignale V12, V23, V31 gebildet. Für das Messspannungssignal V12 bestehend aus den Messpulsen P1 -P4 wird beispielsweise für eine Dreiecksschaltung die Differenz Δ12 aus den resultierenden Mittelpunktspannungen des Spannungsteilers der
Induktivitäten L23 , am Anschluss W wie folgt gebildet.
Δ12 = VM P2 - VM P1 = Vs■— ys .— L. = - — (L23 - L31) L23 - L31
Der Vergleich der Induktivitätsdifferenzen aus Fig.5A und Fig. 5B zeigt, dass das Ergebnis der Differenz aus den Messspannungssignalen V12, V23, V31 unabhängig von einer Stern- bzw. Dreiecksschaltung ist. Ebenso führt ein durch die Messspannungssignale ansteigender Stromfluss in den Spulen der Dreiecksschaltung zu einem überlagerten Magnetfeld und damit zu einer zeitlichen Änderung der Mittelpunktspannung des Spannungsteilers, welche die gleichen (in Fig.7 und Fig.8 für die Sternschaltung dargestellten) Steigungen innerhalb eines Messpulses erzeugt. Das Verfahren ist daher identisch für eine im Dreieck verschaltete Ankerspulenanordnung anwendbar. Ist die Rotorposition bestimmt worden, kann die Steuerung des Gleichstrommotors 1 in Abhängigkeit von der Rotorposition erfolgen. So kann die Kommutierung zur Einspeisung des Drehfelds in die Anschlüsse in Abhängigkeit von der bestimmten Rotorposition erfolgen.
Die Messpulse P1 -P4 eines Messspannungssignals V12, V23, V31 haben vorzugsweise eine einheitliche Dauer damit in die Ankerspulen in Summe kein Strom eingeprägt wird, können jedoch auch eine beliebig unterschiedliche Dauer aufweisen, um vorzugsweise im Blockbetrieb z.B. einen drehmomentbildenden Strom in die Ankerspulen einzuprägen. Die Bestimmung der Rotorposition kann vor dem Anlaufen (eindeutig bei Stillstand des Rotors) oder mehrdeutig und fortlaufend im Blockbetrieb erfolgen.
Im stromgeführten Blockbetrieb des Motors werden die Messpulse P1 -P2 nur eines Messspannungssignals V12 oder V23 oder V31 je nach Position angelegt, und deren resultierende Mittelpunktspannung wird gemessen. Damit kann im Blockbetrieb abschnittsweise genau eine Induktivitätsdifferenz aus den in Fig. 5A und Fig. 5B dargestellten Induktivitätsdifferenzen bestimmt werden. Mit einem Vergleich der aktuellen Amplitude und der Kenntnis der maximalen Induktivitätsdifferenz kann auf vier mögliche Positionen geschlossen werden. Anhand einer initialen, vor dem Blockbetrieb erfolgten, eindeutigen Positionsbestimmung und einer Messsignalrate deutlich größer der elektrischen Rotationsfrequenz kann davon ausgegangen werden, dass die richtige Lösung jene Position ist, welche näher an der vorhergegangen eindeutigen Position liegt. Da, wie in Fig. 7 dargestellt, mit steigendem Strom das eingeprägte Magnetfeld der Ankerspulen das Permanentmagnetfeld beeinflussen wird, wodurch sich die Mittelpunktspannung verschiebt und auch der Spannungsabfall an dem Widerstand der Ankerspulen nicht mehr vernachlässigbar klein ist, kann es bei einem höherem Phasenstrom notwendig sein, die berechnete abschnittsweise Funktion je nach Blocksegment und Stromamplitude mittels Skalierung und Verschiebung aufzuarbeiten. Der Magnetpol kann anhand dieser Verschiebung plausibilisiert werden, da die Mittelpunktspannung eines anliegenden Blocksegmentes vom Strom invertiert beeinflusst wird und sich nach dem Umschalten des Messspannungssignals ein positiver oder negativer Sprung in den Messdaten ergibt. Um den Drehmomentfehler durch ein Messspannungssignal entgegengesetzt zur Stromrichtung gering zu halten, kann die Anzahl der Messpulse P1 -P4 auf einen einzelnen Messpuls (in Form eines Messpulses P1 oder eines Messpulses P2, siehe Fig. 3C) reduziert werden. Dafür muss jedoch eine zusätzliche Kompensationsmessung ohne Einprägen eines Spannungsabfalls an den Ankerspulen a-c durchgeführt werden, um die überlagerte induzierte elektromotorische Spannung am dritten Anschluss die eine Störgröße für die Messung der Mittelpunktspannung des Spannungsteilers darstellt, zu bestimmen. Die Störgröße der induzierten elektromotorischen Spannung am dritten Anschluss wird hierfür einzeln unmittelbar vor oder nach dem Anlegen des Messpulses gemessen. Für die Kompensationsmessung werden die Anschlüsse (z.B. V und W in Fig. 6A), zwischen denen der Messpuls angelegt worden ist bzw. werden soll, auf das Massepotential oder das Potential der Versorgungsspannung gesetzt, sodass keine Spannung zwischen den Anschlüssen des Motors anliegt und die Mittelpunktspannung dem Potential an den Anschlüssen (V, W) (entsprechend dem Massepotential oder der Versorgungsspannung) entspricht. Am dritten Anschluss (U) kann dann die induzierte elektromotorische Spannung mit dem Potential der angelegten Spannung als Referenz direkt gemessen werden.
In der Praxis wird einer der beiden Spannungswerte des Spannungsvektors auf einen Wert nahe der Anschlussspannung begrenzt, sodass die Kompensationsgröße der Gegenspannung in nur einer Messung enthalten ist. Experimente haben ergeben, dass mit dem beschriebenen Verfahren eine Bestimmung der Rotorposition im Stillstand mit einer Genauigkeit von +/- 3 °, unter Umständen sogar +/- 1 °, möglich ist.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich auch bei gänzlich anders gearteten Ausführungsformen verwirklichen.
Das Abtasten der gemessenen, resultierenden Spannung kann grundsätzlich in beliebiger Weise, beispielsweise unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers zur digitalen Auswertung, erfolgen. Während eines Messpulses können hierbei eine beliebige Anzahl von Abtastwerten werden genommen werden, um anhand der Abtastwerte einen Wert der resultierenden Spannung und/oder deren Steigung zu bestimmen. ßezugszeichenliste
1 Bürstenloser Gleichstrommotor
10 Stator
1 1 Rotor
1 10 Drehachse
12 Steuereinrichtung
a-c Ankerspule
a1 , a2, b1 , b2, d , c2 Leiter
AP Arbeitspunkt
D Drehbewegung
I Stromfluss
LO Mittlerer Induktivitätswert
L1 -L3 Induktivität
M Sternpunkt
N, S Permanentmagnetpol
P1 -P4 Messpuls
t Zeit
U, V, W Anschluss
V12, V23, V31 Spannungsvektor
VM Resultierende Spannung
VS Versorgungsspannung
Φ Winkel

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1 ), bei dem durch Bestromen einer Mehrzahl von an einem Stator (10) angeordneter Ankerspulen (a-c), die eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator (10) umlaufenden Drehfelds ausbilden und drei Anschlüsse (U, V, W) aufweisen, ein Drehfeld erzeugt wird, um einen Rotor (1 1 ), der um eine Drehachse (1 10) zu dem Stator (10) drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole (N, S) aufweist, anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position des Rotors (1 1 ) relativ zum Stator (10)
ein Messspannungssignal (V12, V23, V31 ) zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse (U, V, W) angelegt wird,
an einem dritten der Anschlüsse (U, V, W) eine resultierende Spannung (VM) gemessen wird,
anhand des zeitlichen Verlaufs der resultierenden Spannung (VM) ein die Steigung der resultierenden Spannung (VM) in einem Zeitintervall angebender Steigungswert bestimmt wird und
- der Steigungswert bei der Bestimmung der Position (Φ) des Rotors (1 1 ) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Anlegen des Messspannungssignals (V12, V23, V31 ) an den ersten Anschluss das Potential einer Versorgungsspannung (VS) und an den zweiten Anschluss ein Massepotential oder umgekehrt angeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anschluss zum Messen in einen hochimpedanten Zustand geschaltet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messspannungssignal (V12, V23, V31 ) aus zumindest einem Messpuls (P1 -P4) ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messspannungssignal (V12, V23, V31 ) aus zumindest einem ersten Messpuls (P1 ) und einem zweiten Messpuls (P2), die ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, ausgebildet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des ersten Messpulses (P1 ) ein erster resultierender Spannungswert (VM) und während des zweiten Messpulses (P2) ein zweiter resultierender Spannungswert (VM) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Subtraktion des ersten resultierenden Spannungswerts (VM) und des zweiten resultierenden Spannungswerts (VM) voneinander ein Differenzwert bestimmt und anhand des
Differenzwerts die Position des Rotors (1 1 ) bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während jedes Messpulses (P1 -P4) ein Wert für die Steigung in einem Zeitintervall ermittelt und aus den einzelnen Werten durch Mittelwertbildung ein Steigungswert bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messspannungssignal (V12, V23, V31 ) aus einem Messpuls (P1 , P2) ausgebildet ist und während des Messpulses (P1 , P2) ein Wert der resultierenden Spannung (VM) ermittelt wird, wobei vor Anlegen des Messpulses (P1 , P2) oder nach Anlegen des Messpulses (P1 , P2) eine Kompensationsmessung zur Bestimmung einer induzierten elektromotorischen Spannung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kompensationsmessung an den ersten Anschluss und an den zweiten Anschluss das gleiche Potential, insbesondere ein Massepotential oder das Potential einer Versorgungsspannung, angelegt wird und am dritten Anschluss eine sich ergebende Spannung gemessen wird, um aus der sich ergebenden Spannung die induzierte elektromotorische Spannung zu bestimmen.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der resultierenden Spannung (VM) mit der bei der Kompensationsmessung bestimmten induzierten elektromotorischen Spannung korrigiert wird und aus der korrigierten elektromotorische Spannung die Position des Rotors (1 1 ) bestimmt wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass paarweise zwischen zwei der drei Anschlüsse (U, V, W) ein Messspannungssignal (V12, V23, V31 ) angelegt und an dem dritten Anschluss eine resultierende Spannung (VM) gemessen wird, wobei diese Messung für zumindest einen Teil, vorzugsweise für sämtliche der möglichen Anschlusskombinationen wiederholt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Rotors (1 1 ) anhand der unterschiedlichen Messungen für die unterschiedlichen Anschlusskombinationen bestimmt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die unterschiedlichen Anschlusskombinationen jeweils zumindest ein Steigungswert bestimmt wird und anhand der unterschiedlichen Steigungswerte der Anschlusskombinationen festgelegt wird, ob ein vorbestimmter Winkelversatz, insbesondere 180°, zur bestimmten Position des Rotors (1 1 ) hinzugerechnet wird.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Rotors (1 1 ) bei Stillstand oder einer langsamen Drehgeschwindigkeit bestimmt wird. Bürstenloser Gleichstrommotor (1 ), mit
- einem Stator (10), an dem eine Mehrzahl von Ankerspulen (a-c) angeordnet ist, die eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator (10) umlaufenden Drehfelds ausbilden und drei Anschlüsse (U, V, W) aufweisen,
- einem Rotor (1 1 ), der um eine Drehachse (1 10) zu dem Stator (10) drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole (N, S) aufweist, einer Steuereinrichtung (12) zum Bestromen der Ankerspulen (a-c) zum Erzeugen des Drehfelds, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Position des Rotors (1 1 ) relativ zum Stator (10)
- zumindest ein Messspannungssignal (V12, V23, V31 ) zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse (U, V, W) anzulegen,
an einem dritten der Anschlüsse (U, V, W) eine resultierende Spannung (VM) zu messen,
aus dem zeitlichen Verlauf der resultierenden Spannung (VM) einen die Steigung der resultierenden Spannung (VM) in einem Zeitintervall angebenden Steigungswert zu bestimmen und
- den Steigungswert bei der Bestimmung der Position (Φ) des Rotors (1 1 ) zu berücksichtigen.
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