WO2020177794A1 - Verfahren zum schwingungsreduzierten betreiben eines bldc-motors - Google Patents

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WO2020177794A1
WO2020177794A1 PCT/DE2020/000040 DE2020000040W WO2020177794A1 WO 2020177794 A1 WO2020177794 A1 WO 2020177794A1 DE 2020000040 W DE2020000040 W DE 2020000040W WO 2020177794 A1 WO2020177794 A1 WO 2020177794A1
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torque
rotor
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PCT/DE2020/000040
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French (fr)
Inventor
Sandro Purfürst
Robert Reichert
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Nidec Drivexpert Gmbh
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Publication date
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Classifications

    • 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
    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple
    • 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
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Definitions

  • the invention relates to a method for the vibration-reduced operation of a brushless direct current motor, hereinafter referred to as a BLDC motor or brushless direct current motor.
  • BLDC motors are known as such from the prior art.
  • BLDC motors have a stationary stator with stator coils as well as a movable rotor, which is usually designed with permanent magnets.
  • the stator coils are controlled with a time delay by an electronic circuit and thus form a magnetic rotating field which interacts with the rotor and thus causes the rotor to rotate.
  • Control methods relate to the commutation of the phase current applied to the coils in order to enable the most reliable and uniform possible motor operation.
  • commutation a distinction is made between sensor-controlled and sensorless commutation.
  • sensor-controlled commutation a rotor position is detected by means of a sensor and, derived therefrom, the commutation is controlled.
  • DE 197 43 314 A1 describes a BLDC motor with a permanent magnetic rotor and a control circuit which detects the position of the rotor and controls the application of current to the stator coils as a function of the detected rotor position.
  • DE 103 08 859 A1 describes a method for operating a BLDC motor, in which commutation times are determined on the basis of the detection of the time interval between zero crossings of the induced voltage in the motor coil that is not subject to current.
  • the object of the invention is to provide a solution for a method for operating a BLDC motor which enables low-vibration and uniform motor operation with little effort and can be used with different designs and sizes of BLDC motors and effectively reduces noise emissions.
  • the method according to the invention for operating a switched BLDC motor with reduced vibrations is carried out by means of a BLDC motor arrangement which has the features described below.
  • the BLDC motor arrangement comprises, on the one hand, the BLDC motor. Furthermore, the BLDC motor arrangement has a control and evaluation unit, a data memory, a current regulator, a rotor angle sensor and a torque detector.
  • the data memory, the current regulator, the rotor angle sensor and the torque recorder are each connected to the control and evaluation unit.
  • the rotor angle sensor is designed to determine the angular position of the rotor, preferably by detecting the rotor magnetic field. This can also be done by a voltage or current measurement in a non-switched stator coil, so that the rotor angle sensor does not necessarily have to be designed as an independent structural component.
  • the control and evaluation unit is designed to receive data from the rotor angle sensor and torque recorder and to process them.
  • control and evaluation unit is designed to control the current regulator and to read data from the data memory and also into the data memory to write.
  • the control and evaluation unit is preferably an electronic circuit such as a computer or a controller.
  • the data memory, the torque recorder and the current regulator can form an integrated structural unit together with the control and evaluation unit.
  • the BLDC motor has a stator with stator coils and a rotor.
  • the rotor is preferably located inside a rotationally symmetrical stator and is mounted rotatably about an axis of rotation.
  • the stator has soft magnetic material in a tooth structure. These are also referred to below as stator teeth.
  • the stator coils, to which a current can be applied, are assigned to the stator teeth.
  • the rotor is preferably designed to be permanent magnet.
  • permanent magnets are preferably arranged rotationally symmetrically about the axis of rotation.
  • the permanent magnets can be arranged in different arrangement variants.
  • An arrangement variant is the design of the rotor as a cylinder in which the permanent magnetic poles are arranged alternately in circular sectors. The north pole and south pole circular sectors alternate.
  • the rotor has a tooth structure with permanent magnetic teeth with alternating magnetic polarity.
  • the teeth of the tooth structure of the rotor are also referred to below as rotor teeth or as rotor arms.
  • the BLDC motor is designed in such a way that the application of an electric current to the stator coils generates a magnetic field of the stator, also referred to as a stator magnetic field or stator field. Due to the interaction of the stator field with the magnetic field of the rotor, a torque acts on the rotor. The geometric arrangement of the rotor teeth and stator teeth with respect to one another thus causes the rotor to rotate. This is achieved by switching the stator coils on and off on different stator teeth magnetic field of the stator changed in its position, so that the rotor aligns itself again and again by rotation according to the acting torque.
  • the BLDC motor is also referred to as a motor, sometimes in abbreviated form.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that the rotor teeth and the stator teeth are deformed due to the force due to the interaction of the rotor magnetic field and the stator magnetic field, in particular transversely to their longitudinal axes.
  • This deformation is not constant due to the variability of the interaction between the rotor magnetic field and the stator magnetic field and leads to vibrations of the rotor teeth and the stator teeth and, in some cases, other mechanically connected components of the BLDC motor or a driven unit. These vibrations lead to disadvantageous dynamic loads and are also perceived as noise in an audible frequency range.
  • the method shows a solution according to which the force on the rotor teeth and stator teeth is controlled in such a way that their vibration is reduced.
  • the torque is kept constant in all angular positions of the rotor.
  • Essentially constant forces thus also act on the rotor teeth and stator teeth at right angles to their longitudinal axes.
  • the method provides a solution that is not tied to a specific geometry or other structural design of the rotor teeth and stator teeth.
  • the method includes the following method steps:
  • the value tuples each contain a value pair consisting of a target torque and a rotor angle as well as an assigned target current.
  • Evaluation unit by comparing the target torque and the actual torque
  • Evaluation unit based on the torque deviation. The calculation is carried out for all four table points last used depending on the interpolation distance used.
  • Setpoint currents for the respective motor coil to be acted upon are assigned to a rotor angle (Gist) and the setpoint torque.
  • a table point forms a tuple of values which has the rotor angle (Gist), the target torque (Msoii) and at least one target current, or preferably two target currents, specifically one target current each for two adjacent motor coils (h, I2) .
  • Table 1 shows a table of values for a BLDC motor with two stator coils. In the case of a BLDC motor with more coils, the value tuples contain additional setpoint current values for each additional coil.
  • This table of values is stored in the data memory.
  • the control and evaluation unit is designed to access the data memory and the value table.
  • the specification of a target torque is determined by the load that is to be applied by the motor.
  • the target torque is specified by the control and evaluation unit when the switched BLDC motor is started
  • the rotor angle sensor measures the mechanical angular position of the rotor. In this way it is known how the rotor teeth and the stator teeth are positioned with respect to one another. The rotor angle sensor also determines the position of the rotor within a motor state.
  • the control and evaluation unit reads the target currents for the nearest rotor angles and the target torque from the value table of the data memory.
  • the values of the four surrounding table points read out are offset against the real values and the distance between the real values of the target torque and the first actual rotor angle and the table points is determined.
  • An example of four points determined is highlighted in the table of values by a frame.
  • the target currents are calculated from the respective target currents of the four table points using bilinear interpolation.
  • the current controller sets the calculated target currents for the respective motor coils.
  • This can be any type of current regulator known from the prior art that has sufficiently fast switching times. It is preferably a digital current regulator.
  • the current controller directs the nominal current to the corresponding motor coil, which generates a magnetic flux and, as a result, a force on the rotor.
  • the torque recorder determines the actual torque.
  • the actual torque is preferably determined from the available parameters such as the actual currents and the rotor angle.
  • the control and evaluation unit determines a torque deviation by comparing the target torque with the actual torque.
  • a detected torque deviation shows that the level of the setpoint current was not completely suitable for the specified setpoint torque adjust.
  • the amount of the determined torque deviation provides a statement as to the extent to which a changed setpoint current would likely lead to the actual torque corresponding to the setpoint torque.
  • the calculation is made for all four table points last used.
  • the calculation is based on the interpolation distance used (h, I) and the torque deviation (Msoii-Mist).
  • a learning constant (Ki_em) is also included in the calculation.
  • the control and evaluation unit writes the determined values for the corrected target currents in the value tuples of the four table points.
  • the operating phase of the BLDC motor from one commutation to the next commutation is referred to as the motor state.
  • the rotor runs through all the angular positions starting from the angular position of one commutation to the next commutation.
  • the angular position of the rotor at the end of one motor state is the same as the angular position at the beginning of the next motor state.
  • the partial cycle is repeated until the rotor of the BLDC motor has reached a rotation angle which corresponds to a position that is congruent to the rotation angle at the beginning of the next motor state. Depending on the number of arms of the rotor, it always reaches a congruent position for such a motor state after an angle that corresponds to 360 ° divided by the number of motor states.
  • a rotationally symmetrical design of the rotor is assumed. ok
  • a rotor arm corresponds to another rotor arm in terms of strength and orientation of its permanent magnetic field, these rotor arms are referred to as equivalent.
  • the partial cycle is carried out after the first engine state has been reached for the next engine state and is repeated until a complete cycle is reached again.
  • a first motor state is reached after the rotor has rotated by 60 °.
  • Six motor states are run through for a complete rotor rotation of 360 °.
  • the process is iteratively self-learning. With each cycle of a partial cycle, the table points are optimized based on the value of the target current. As the process continues, all table points are recorded by the optimization. As a result of the repeated execution, the setpoint current continues to approach the optimal value, so that the torque deviation is asymptotically adjusted to zero.
  • vibration reduction Due to the constantly improving setting of the torque, a particularly effective vibration reduction is achieved as an advantage.
  • the vibration reduction results in particularly smooth running and noise reduction.
  • the dynamic loads for the engine itself as well as for driven components and support structures of the engine are reduced.
  • the method can be used with different engines without adaptation or with only little adaptation effort. It is only necessary to initially fill the table of values with roughly determined values that only have to enable the motor to run. By using the method, an optimization of the values of the target current in adaptation to the respective motor is achieved automatically with each run of the partial cycles and the overall cycle.
  • the method advantageously also provides automatic compensation for any manufacturing tolerances.
  • the method provides an automatic adaptation to changes that may not occur gradually until the motor is in operation, such as imbalances or out-of-round running due to bearing wear.
  • the method has the effect that the setpoint currents are adapted to the respective physical properties of the motor.
  • the table of values is designed for a complete revolution of the rotor. If the table of values is designed for a full rotation of the rotor, i.e. for a rotation through 360 °, table points are reversibly assigned to each physical positional relationship of a rotor tooth to a stator tooth. In this way, even the finest manufacturing differences in the individual rotor or stator teeth, imbalances or signs of wear on the rotor can be compensated for by the process. This means that the smooth running of the BLDC motor can also be increased and guaranteed even after long running times.
  • Figure 1 shows a schematic structure of the BLDC motor arrangement.
  • the BLDC motor arrangement has a control and evaluation unit 2, a data memory 3, a current regulator 4, a rotor angle sensor 5, a torque recorder 6 and a BLDC motor 1.
  • the current regulator 4, the rotor angle sensor 5 and the torque detector 6 are each connected to the BLDC motor 1 and the control and evaluation unit 2.
  • the data memory 3 with the table of values is integrated into the control and evaluation unit 2.
  • the BLDC motor 1 has a stator 7, a rotor 8 and several motor coils 9.
  • the rotor is cylindrical with four permanent magnetic poles. It is rotatably mounted about the axis of rotation 10.
  • the current regulator regulates the target currents for the stator coils 9 to the values transmitted by the control and evaluation unit 2.
  • the rotor angle sensor 5 determines the position of the rotor 8 and transmits this to the control and evaluation unit 2 and to the torque detector 6.
  • the torque detector 6 determines from the parameters applied to the BLDC motor 1, in the exemplary embodiment in particular from the actual current, based on a concrete rotor angle, the actual torque and also transmits this to the control and evaluation unit 2. From this, the control and evaluation unit 2 calculates a torque deviation as well as optimized target current values on this basis and enters these in the table of values in place of the previous target current values of data memory 3.
  • FIG. 2 shows a diagram of the method for operating a switched BLDC motor with reduced vibrations.
  • the diagram shows a summary of all process steps from I. to IV., With process step II. Being shown with all sub-steps.
  • the partial cycle (process step II.) Is repeated until the end of the first motor state is reached, and after the first motor state has been reached, it is repeated until the end of the next motor state is reached (process step III.). This is an overall cycle.
  • the table of values is constantly updated in step II.9.
  • FIG. 3 shows a compilation of graphics for the torque behavior of the BLDC motor when the method is used.
  • the switched BLDC motor still shows high torque peaks, also as torque Metrippel denotes, which are caused by a sub-optimal superimposition of the partial torques, especially during the transition from one motor state to the next (bottom left).
  • torque Metrippel denotes
  • the torque peaks are significantly reduced (bottom right) and the partial torques are more advantageously superimposed.
  • the torque peaks are responsible for oscillation of the rotor teeth and stator teeth and thus for a loud running noise of the BLDC motor.
  • the reduction of the torque peaks also reduces the engine noise.
  • FIG. 4 shows the interpolation of the values in the coordinate system a) and the calculation of the corrections for the setpoint currents in table b).
  • the value interpolation according to method step 11.3 is shown graphically in coordinate system a).
  • the control and evaluation unit receives the target torque and the rotor angle sensor supplies the actual rotor angle ( ⁇ ist).
  • the control and evaluation unit determines the four closest table points (P11, P12, P21, P22) and interpolates a target current (Loii) using bilinear interpolation.
  • the value for a nominal current (Isoii) obtained in this way by interpolation is set in process steps II.4 and II.5 by the current regulator and passed to the motor coils.
  • step II.6 the actual torque (manure) present is determined by means of the torque recorder and in step II.7 it is offset by the control and evaluation unit with the target torque (Msoii) to form a torque deviation (Msoii-manure).
  • FIG. 4 shows the calculation formulas for the correction values (according to method step II.8) with the torque deviation based on the interpolation distances (h, I) used, a learning constant (Ki_em) and the torque deviation (Msoll-Mist). Reference symbols used

Abstract

Verfahren zum optimierten Betreiben eines BLDC-Motors (1), mittels einer BLDC-Motoranordnung, diese aufweisend den BLDC-Motor (1), eine Steuerungs- und Auswertungseinheit (2), einen Datenspeicher (3), einen Stromregler (4), einen Rotorwinkelsensor (5) und einen Drehmomenterfasser (6), wobei der BLDC-Motor einen Stator (7) und einen Rotor (8) aufweist, wobei der Rotor (8) Erregermagnete und der Stator (7) Statorspulen (9) aufweist, wobei jede der Statorspulen (9) mit einem Strom beaufschlagbar ist. Die Statorspulen werden mit einem Strom beaufschlagt, wobei die Größe des Strom in einer Wertetabelle rotorwinkelspezifisch festgelegt ist. In Abhängigkeit einer Abweichung zwischen einem Soll-Drehmoment und einem ermittelten Ist-Drehmoment werden die Stromwerte in der Wertetabelle fortlaufend optimiert.

Description

Verfahren zum schwingungsreduzierten Betreiben eines BLDC-Motors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schwingungsreduzierten Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors, nachfolgend als BLDC-Motor oder Brushless Direct Current Motor bezeichnet.
Aus dem Stand der Technik sind BLDC-Motoren als solche bekannt. BLDC-Moto- ren weisen einen feststehenden Stator mit Statorspulen sowie einen beweglichen Rotor, der in der Regel permanentmagetisch ausgebildet ist, auf. Die Statorspulen werden von einer elektronischen Schaltung zeitversetzt angesteuert und bilden so ein magnetisches Drehfeld aus, welches mit dem Rotor wechselwirkt und so die Rotation des Rotors herbeiführt.
Es sind ferner Steuerungsverfahren bekannt, welche die Kommutierung des an die Spulen angelegten Phasenstroms betreffen um einen möglichst zuverlässigen und gleichmäßigen Motorlauf zu ermöglichen. Hinsichtlich der Kommutierung wird zwi schen einer sensorgesteuerten und einer sensorlosen Kommutierung unterschieden. Bei einer sensorgesteuerten Kommutierung wird mittels eines Sensors eine Rotorposition detektiert und davon abgeleitet die Kommutierung gesteuert.
Beispielsweise beschreibt DE 197 43 314 A1 einen BLDC-Motor mit einem permanentmagnetischen Rotor und einer Regelschaltung, welche die Position des Rotors erfasst und in Abhängigkeit der detektierten Rotorposition die Strombeaufschlagung der Statorspulen steuert.
DE 103 08 859 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines BLDC-Motors, bei dem Kommutierungszeitpunkte anhand der Detektion des zeitlichen Abstands von Nulldurchgängen der induzierten Spannung in der jeweils nicht strombeaufschlag ten Motorspule bestimmt werden.
Bestätigungskopie Nachteilig an diesen Lösungen ist, dass die Laufruhe und das Schwingungsverhalten nur bedingt optimiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für ein Verfahren zum Betreiben eines BLDC-Motors anzugeben, welches einen schwingungsarmen und gleichmä ßigen Motorlauf ermöglicht mit geringem Aufwand bei unterschiedlichenBauformen und Baugrößen von BLDC Motoren anwendbar ist und die Schallemissionen wirksam verringert.
Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum schwingungsreduzierten Betreiben eines geschalteten BLDC-Motors wird mittels einer BLDC-Motoranordnung durchgeführt, welche die nachfolgend beschriebenen Merkmale aufweist.
Die BLDC-Motoranordnung umfasst zum einen den BLDC-Motor. Ferner weist die BLDC-Motoranordnung eine Steuerungs- und Auswertungsinheit, einen Daten speicher, einen Stromregler, einen Rotorwinkelsensor und einen Drehmomenterfasser auf.
Der Datenspeicher, der Stromregler, der Rotorwinkelsensor und der Drehmomenterfasser sind jeweils mit der Steuerungs- und Auswertungseinheit verbunden. Der Rotorwinkelsensor ist so ausgebildet, vorzugsweise durch ein Erfassen des Rotormagnetfeldes die Winkelstellung des Rotors zu bestimmen. Dies kann auch durch eine Spannungs- oder Strommessung in einer nicht geschalteten Statorspule erfolgen, so dass der Rotorwinkelsensor nicht zwingend als eigenständige bauliche Komponente ausgebildet sein muss.
Die Steuerungs- und Auswertungseinheit ist ausgebildet, Daten vom Rotorwinkelsensor und Drehmomenterfasser zu empfangen sowie diese zu verarbeiten.
Weiterhin ist die Steuerungs- und Auswertungseinheit ausgebildet, den Stromregler zu steuern und Daten vom Datenspeicher zu lesen und auch in den Datenspeicher zu schreiben. Bei der Steuerungs- und Auswertungseinheit handelt es sich vorzugsweise um eine elektronische Schaltung wie einen Rechner oder einen Controller. Insbesondere der Datenspeicher, der Drehmomenterfasser und der Stromregler können zusammen mit der Steuerungs- und Auswertungseinheit eine integrierte Baueinheit bilden.
Der BLDC-Motor weist erfindungsgemäß einen Stator mit Statorspulen und einen Rotor auf. Der Rotor befindet sich vorzugsweise im Inneren eines rotationssym metrischen Stators und ist um eine Rotationsachse drehbar gelagert.
Der Stator weist weichmagnetisches Material in einer Zahnstruktur auf. Diese werden nachfolgend auch als Statorzähne bezeichnet. Den Statorzähnen sind die Statorspulen zugeordnet, welche mit einem Strom beaufschlagbar sind.
Der Rotor ist vorzugsweise permanentmagnetisch ausgebildet. Hierbei sind Per manentmagneten vorzugsweise rotationssymmetrisch um die Rotationsachse angeordnet. Die Permanentmagneten können in unterschiedlichen Anordnungsvarianten angeordnet sein. Eine Anordnungsvariante ist die Ausbildung des Rotors als Zylinder, in welchem die permanentmagnetischen Pole alternierend in Kreissektoren angeordnet sind. Es wechseln sich Nordpol- und Südpol-Kreissektoren ab. In einer anderen Variante weist der Rotor eine Zahnstruktur mit permanentmagne tischen Zähnen mit abwechselnder magnetischer Polarität auf.
Die Zähne der Zahnstruktur des Rotors werden nachfolgend auch als Rotorzähne oder als Rotorarme bezeichnet.
Der BLDC-Motor ist so ausgebildet, dass durch das Beaufschlagen der Stator spulen mit einem elektrischen Strom ein magnetisches Feld des Stators, auch als Statormagnetfeld oder Statorfeld bezeichnet, erzeugt wird. Durch die Wechselwirkung des Statorfeldes mit dem Magnetfeld des Rotors wirkt auf den Rotor ein Drehmoment. Durch die geometrische Anordnung der Rotorzähne und Statorzähne zueinander wird somit eine Rotation des Rotors hervorgerufen. Durch das Zuschalten und Abschalten der Statorspulen an unterschiedlichen Statorzähnen wird das magnetische Feld des Stators in seiner Lage verändert, so dass sich der Rotor entsprechend dem wirkenden Drehmoment immer wieder erneut durch Rotation ausrichtet. Der BLDC-Motor wird nachfolgend auch teilweise verkürzt lediglich als Motor bezeichnet.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich die Rotorzähne und die Statorzähne infolge der Kraft durch die Wechselwirkung von Rotormagnetfeld und Statormagnetfeld insbesondere quer zu deren Längsachsen verformen. Diese Verformung ist durch die Veränderlichkeit der Wechselwirkung von Rotormagnetfeld und Statormagnetfeld nicht konstant und führt zu Schwingungen der Rotorzähne und der Statorzähne sowie teilweise auch weiterer mechanisch verbundener Bauteile des BLDC-Motors oder einer angetriebenen Einheit. Diese Schwingungen führen zu nachteiligen dynamischen Belastungen und werden zudem in einem hörbaren Frequenzbereich als Geräusch wahrgenommen. Zur Reduzierung solcher Schwingungen und damit zur Geräuschreduzierung zeigt das Verfahren eine Lösung auf, nach der die Kraft auf die Rotorzähne und Statorzähne so gesteuert wird, dass deren Schwingung reduziert wird. Hierzu wird das Drehmoment möglichst in allen Winkelstellungen des Rotors konstant gehalten. Damit wirken auch auf die Rotorzähne und Statorzähne im Wesentlichen konstante Kräfte quer zu deren Längsachsen. Das Verfahren stellt dabei eine Lösung bereit, welche nicht an eine bestimmte Geometrie und sonstige bauliche Ausbildung der Rotorzähne und Statorzähne gebunden ist.
Das Verfahren beinhaltet erfindungsgemäß dabei folgende Verfahrensschritte:
I. Definition einer Wertetabelle in dem Datenspeicher, welche mehrere Tabellenpunkte enthält, wobei die Tabellenpunkte als Wertetupel gebildet werden. Die Wertetupel beinhalten jeweils ein Wertepaar aus einem Soll-Drehmoment und einem Rotorwinkel sowie einem zugeordneten Soll-Strom.
II. Durchführung eines Teilzyklus 11.1 Vorgabe eines Soll-Drehmoments
11.2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors
11.3 Auslesen des Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit, der dem ersten Wertepaar dem Soll-Drehmoment und dem ersten Ist-Rotor winkel zugeordnet ist. Dabei werden die am nächstliegenden zwei Tabellen punkte zu dem vorgegebenen Soll-Drehmoment und die nächstliegenden zwei Tabellenpunkte zu dem Ist-Rotorwinkel ermittelt und die Entfernung der realen Werte des Soll-Drehmoments und des ersten Ist-Rotorwinkels von den Tabellenpunkten berechnet. Der Soll-Strom wird durch bilineare Interpolation aus den jeweiligen Soll-Strömen der vier Tabellenpunkte ermittelt.
11.4 Einstellen des Soll Stroms durch den Stromregler
11.5 Strombeaufschlagung der Statorspulen
11.6 Evaluation des Ist-Drehmoments mittel des Drehmomenterfassers
11.7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und
Auswertungseinheit durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments und des Ist-Drehmoments
11.8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und
Auswertungseinheit auf der Grundlage der Drehmomentabweichung. Die Berechnung erfolgt für alle vier zuletzt verwendeten Tabellenpunkte in Abhängigkeit des verwendeten Interpolationsabstands.
11.9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms. III. wiederholte Durchführung des Teilzyklus bis zum Erreichen eines Rotorwinkels, der einem vollständigen Motorstate entspricht, und somit Ausbildung eines Gesamtzyklus. IV. Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus
Das Verfahren wird nachfolgend anhand der Verfahrensschritte im Detail beschrie ben: I. Definition einer Wertetabelle
Ein Beispiel für eine entstprechende Wertetabelle ist in Tabelle 1 dargestellt.
Einem Rotorwinkel (Gist) und dem Soll-Drehmoment sind jeweils Soll-Ströme für die jeweilige zu beaufschlagende Motorspule zugeordnet. Ein Tabellenpunkt bildet ein Wertetupel aus, welches den Rotorwinkel (Gist), das Soll-Drehmoment (Msoii) und mindestens einen Soll-Strom, oder vorzugsweise zwei Soll-Ströme, konkret je einen Sollstrom für zwei benachbarte Motorspulen (h, I2), aufweist.
Die Tabelle 1 zeigt eine Wertetabelle für einen BLDC-Motor mit zwei Statorspulen. Bei einem BLDC-Motor mit mehr Spulen enthalten die Wertetupel zusätzliche Soll- Stromwerte für jede weitere Spule.
Tabelle 1 Beispiel für Wertetabelle
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Diese Wertetabelle wird im Datenspeicher gespeichert. Die Steuerungs- und Auswertungseinheit ist ausgebildet, auf den Datenspeicher und die Wertetabelle zuzu greifen.
II. Durchführen eines Teilzyklus
11.1 Vorgabe eines Soll-Drehmomentes
Die Vorgabe eines Soll-Drehmoments wird durch die Last bestimmt, die von dem Motor aufgebracht werden soll. Die Vorgabe des Soll-Drehmoment erfolgt von der Steuerungs- und Auswertungseinheit beim Startvorgang des geschalteten BLDC- Motors
11.2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors
Der Rotorwinkelsensor misst die mechanische Winkelposition des Rotors. Auf diese Weise ist bekannt, wie die Rotorzähne und die Statorzähne zueinander positioniert sind. Der Rotorwinkelsensor bestimmt damit zugleich die Stellung des Rotors innerhalb eines Motorstates.
11.3 Auslesen des Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit
Die Steuerungs- und Auswertungseinheit liest die Soll-Ströme zu den nächstliegen- den Rotorwinkeln und dem Soll-Drehmoment aus der Wertetabelle des Datenspeichers aus.
Die Werte der ausgelesenen vier umliegenden Tabellenpunkte werden mit den realen Werten verrechnet und die Entfernung der realen Werte des Soll-Drehmo ments und des ersten Ist-Rotorwinkels zu den Tabellenpunkten bestimmt. Ein Beispiel für vier ermittelte Punkte ist in der Wertetabelle durch einen Rahmen hervor gehoben. Durch eine bilineare Interpolation werden die Soll-Ströme aus den jeweiligen Soll- Strömen der vier Tabellenpunkte berechnet.
11.4 Einstellen der Soll-Ströme durch den Stromregler
Der Stromregler stellt die berechneten Soll-Ströme für die jeweiligen Motorspulen ein. Es kann sich hierbei um jegliche aus dem Stand der Technik bekannte Art von Stromreglern handeln, welche ausreichend schnelle Schaltzeiten aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich um einen digitalen Stromregler.
11.5 Strombeaufschlagung der Motorspulen
Der Stromregler leitet den Soll-Strom an die entsprechende Motorspule, wodurch ein magnetischer Fluss und in der Folge eine Kraft auf den Rotor erzeugt wird.
11.6 Ermittlung des Ist-Drehmoments mittels des Drehmomenterfassers
Der Drehmomenterfasser bestimmt das Ist-Drehmoment. Vorzugsweise wird das Ist-Drehmoment aus den verfügbaren Kenngrößen wie den Ist-Strömen und dem Rotorwinkel ermittelt.
11.7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und
Auswertungseinheit
Die Steuerungs- und Auswertungseinheit bestimmt eine Drehmomentabweichung durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments mit dem Ist-Drehmoment.
11.8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs-und
Auswertungseinheit auf Grundlage der Drehmomentabweichung
Aus einer festgestellten Drehmomentabweichung ergibt sich, dass die Höhe des Soll-Stroms nicht vollständig geeignet war, das vorgegebene Soll-Drehmoment einzustellen. Zugleich ergibt sich aus der Höhe der festgestellten Drehmomentabweichung eine Aussage, in welchem Maß ein geänderter Soll-Strom voraussichtlich dazu führen würde, dass das Ist-Drehmoment dem Soll-Drehmoment entspricht.
Erfindungsgemäß erfolgt die Berechnung für alle vier zuletzt verwendeten Tabel lenpunkte. Die Berechnung erfolgt in Abhängigkeit des verwendeten Interpolationsabstands (h, I) und der Drehmomentabweichung (Msoii-Mist). Ferner wird in die Berechnung eine Lernkonstante (Ki_em) einbezogen.
II.9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms
Die Steuerungs- und Auswertungseinheit schreibt die ermittelten Werte für die korri gierten Soll-Ströme in die Wertetupel der vier Tabellenpunkte.
III. Wiederholte Durchführung des Teilzyklus bis zum Erreichen eines Motorwinkels, der einem vollständigen Motorstate entspricht
Als Motorstate wird die Betriebsphase des BLDC-Motors von einer Kommutierung bis zur nächsten Kommutierung bezeichnet. Der Rotor durchläuft hierbei alle Win kelstellungen beginnend von der Winkelstellung der einen Kommutierung bis zur nächsten Kommutierung. Die Winkelstellung des Rotors am Ende eines Motor- states ist gleich der Winkelstellung am Anfang des nächsten Motorstates.
Der Teilzyklus wird solange wiederholt, bis der Rotor des BLDC-Motors einen Rotationswinkel erreicht hat, welcher einen kongruenten Lage zu dem Rotationswinkel am Beginn eines nächsten Motorstates entspricht. Je nach Anzahl der Arme des Rotors erreicht dieser eine kongruente Lage für einen solchen Motorstate immer nach einem Winkel, der 360° dividiert durch die Anzahl der Motorstates entspricht. Dabei wird von einer rotationssymetrischen Ausbildung des Rotors ausgegangen. io
Entspricht ein Rotorarm in Stärke und Ausrichtung seines permanentmagnetischen Feldes einem anderen Rotorarm, werden diese Rotorarme als gleichwertig bezeich net.
Bei einem beispielsweise dreiarmigen Rotor (mit drei gleichwertigen Armen) tritt eine Beendigung des ersten Motorzustands alle 120° ein. Nach dem Durchlaufen von drei Motorstates wird eine vollständige Umdrehung des Rotors erreicht. Ein Gesamtzyklus bezeichnet also die Gesamtheit aller Teilzyklen, die vom Beginn eines Motorstates bis zum Abschluss eines Motorstates durchgeführt werden.
Der Teilzyklus wird nach dem Erreichen des ersten Motorstates für den nächsten Motorstate durchgeführt und wiederholt, bis erneut ein Gesamtzyklus erreicht wird.
IV. Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus
Das Verfahren wird für alle folgenden Gesamtzyklen wiederholt.
Für eine vollständige Rotation des Rotors um 360° werden bei einem dreiarmigen Rotor drei Motorstates und damit drei Gesamtzyklen durchgeführt. Für jeden Motorstate wir jeweils immer wieder einTeilzyklus durchgeführt, bis wieder ein Ge samtzyklus erreicht wird.
In dem Beispiel nach der Tabelle 1 wird ein erster Motorstate nach einer Rotation des Rotors um 60° erreicht. Für eine vollständige Rotordrehung um 360° werden sechs Motorstates durchlaufen.
Dies wird für die Herbeiführung einer dauerhaften Rotation des Rotors fortlaufend wiederholt.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere folgende besonderen Vor teile auf. Das Verfahren ist iterativ selbstlernend. Mit jedem Durchlauf eines Teilzyklus werden die Tabellenpunkte bezogen auf den Wert des Soll-Stroms optimiert. Mit fortgesetzter Durchführung des Verfahrens werden alle Tabellenpunkte von der Optimie rung erfasst. Durch die wiederholte Durchführung nähert sich der Soll-Strom immer weiter dem optimalen Wert an, so dass sich die Drehmomentabweichung asymptotisch gegen Null einstellt.
Aufgrund der sich immer verbessernden Einstellung des Drehmoments wird als Vorteil eine besonders wirksame Schwingungsreduzierung erreicht. Die Schwing ungsreduzierung bewirkt eine besonders hohe Laufruhe sowie Geräuschreduzierung. Zudem werden die dynamischen Belastungen sowohl für den Motor selbst, als auch für angetriebene Komponenten und Haltestrukturen des Motors reduziert.
Zudem besteht der Vorteil, dass das Verfahren ohne Anpassung oder mit lediglich geringem Anpassungsaufwand bei unterschiedlichen Motoren anwendbar ist. Es ist lediglich erforderlich, die Wertetabelle zunächst mit grob ermittelten Werten zu besetzen, die lediglich eine Lauffähigkeit des Motors ermöglichen müssen. Durch die Anwendung des Verfahrens wird mit jedem Durchlauf der Teilzyklen und des Gesamtzyklus selbsttätig eine Optimierung der Werte des Soll-Stroms in Anpassung an den jeweiligen Motor erreicht.
Das Verfahren stellt vorteilhaft zudem eine selbsttätige Kompensierung etwaiger Fertigungstoleranzen bereit.
Vorteilhaft ist es zudem, dass das Verfahren eine selbsttätige Anpassung an sich möglicherweise erst im Laufe eines Betriebs des Motors sukzessiv ergebende Veränderungen, wie beispielsweise Unwuchten oder ein unrunder Lauf durch Lagerverschleiß, bereitstellt. Das Verfahren bewirkt, dass die Soll-Ströme der jeweiligen physischen Beschaffenheit des Motors angepasst werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Wertetabelle für einen vollständigen Rotorumlauf ausgebildet. Wird die Wertetabelle für einen vollen Rotorumlauf, also für eine Rotation um 360° ausgelegt, sind jeder physischen Lagebeziehung eines Rotorzahns zu einem Statorzahn Tabellenpunkte umkehrbar eindeutig zugeordnet. So können auch feinste Fertigungsunterschiede bei den einzelnen Rotor- oder Statorzähnen, Unwuchten oder Verschleißerscheinungen am Rotor durch das Verfahren ausgeglichen werden. Dadurch kann die Laufruhe des BLDC-Motors zusätzlich erhöht und selbst nach langen Laufzeiten gewährleistet werden.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
Fig. 1 BLDC-Motoranordnung
Fig. 2 schematischer Ablaufplan des Verfahrens
Fig. 3 Drehmomentverhalten des BLDC-Motors bei dem Verfahren
Fig. 4 Werte, Interpolation und Berechnung der Korrekturen näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau der BLDC-Motoranordnung.
Die BLDC-Motoranordnung weist eine Steuerungs- und Auswertungseinheit 2, einen Datenspeicher 3, einen Stromregler 4, einen Rotorwinkelsensor 5, einen Drehmomenterfasser 6 und einen BLDC-Motor 1 auf.
Der Stromregler 4, der Rotorwinkelsensor 5 und der Drehmomenterfasser 6 sind jeweils mit dem BLDC-Motor 1 und der Steuerungs- und Auswertungseinheit 2 verbunden.
In dieser Ausführung ist der Datenspeicher 3 mit der Wertetabelle in die Steue rungs- und Auswertungseinheit 2 integriert.
Der BLDC-Motor 1 weist einen Stator 7, einen Rotor 8 und mehrere Motorspulen 9 auf. Der Rotor ist in dieser Ausführung zylindrisch mit vier permanentmagnetischen Polen ausgebildet. Er ist drehbar um die Rotationsachse 10 gelagert.
Der Stromregler regelt die Soll-Ströme für die Statorspulen 9 auf die von der Steuerungs- und Auswertungseinheit 2 übermittelten Werte.
Der Rotorwinkelsensor 5 ermittelt die Stellung des Rotors 8 und übermittelt diese an die Steuerungs- und Auswertungseinheit 2 und an den Drehmomenterfasser 6. Der Drehmomenterfasser 6 ermittelt aus den am BLDC-Motor 1 anliegenden Kenngrößen, im Ausführungsbeispiel insbesondere aus dem tatsächlichen Strom, bezogen auf einen konkreten Rotorwinkel, das Ist-Drehmoment und übermittelt dieses ebenfalls an die Steuerungs- und Auswertungseinheit 2. Hieraus errechnet die Steuerungs- und Auswertungseinheit 2 eine Drehmomentabweichung sowie auf dieser Grundlage optimierte Soll-Stromwerte und trägt diese an Stelle der bisherigen Soll-Stromwerte in die Wertetabelle des Datenspeichers 3 ein.
Figur 2 stellt ein Schema des Verfahrens zum schwingungsreduzierten Betreiben eines geschalteten BLDC-Motors dar. Das Schema zeigt zusammengefasst alle Verfahrensschritte von I. bis IV., wobei der Verfahrensschritt II. mit allen Teilschritten dargestellt ist. Der Teilzyklus (Verfahrensschritt II.) wird bis zum Erreichen des Endes des ersten Motorstates wiederholt und nach Erreichen des ersten Motorstate erfolgt die Wiederholung bis zum Erreichen des Endes des nächsten Motorstates (Verfahrensschritt III.). Hierbei handelt es sich um einen Gesamtzyklus.
Der Gesamtzyklus wird für alle Motorstates wiederholt, bis eine volle Umdrehung des Rotors um 360° erreicht wird (Verfahrensschritt IV.). Ist eine volle Rotordrehung abgeschlossen, kann der Ablauf in Gänze beliebig wiederholt werden, um eine dau erhafte Rotation zu bewirken.
Die Wertetabelle wird im Verfahrensschritt II.9 ständig aktualisiert.
Figur 3 zeigt eine Zusammenstellung von Grafiken zum Drehmomentverhalten des BLDC-Motors bei der Anwendung des Verfahrens. Am Anfang (t=0 bzw. links) zeigt der geschaltete BLDC-Motor noch hohe Drehmomentspitzen, auch als Drehmo- mentrippel bezeichnet, welche durch eine nicht optimale Überlagerung der Teildrehmomente insbesondere beim Übergang von einem Motorstate zum Nächsten entstehen (unten links). Nach mehreren Gesamtzyklen sind die Drehmomentspitzen deutlich reduziert (unten rechts) und die Teildrehmomente überlagern sich vorteilhafter. Die Drehmomentspitzen sind verantwortlich für ein Schwingen der Rotorzähne und Statorzähne und damit für ein lautes Laufgeräusch des BLDC- Motors. Die Reduzierung der Drehmomentspitzen bewirkt damit auch eine Reduzierung des Motorgeräuschs.
Figur 4 zeigt die Interpolation der Werte im Koordinatensystem a) und die Berechnung der Korrekturen für die Soll-Ströme in Tabelle b).
Die Werteinterpolation gemäß dem Verfahrensschritt 11.3 ist im Koordinatensystem a) grafisch dargestellt. Die Steuerungs- und Auswertungseinheit bekommt das Soll- Drehmoment vorgegeben und der Rotorwinkelsensor liefert den Ist-Rotorwinkel (©ist). Die Steuerungs- und Auswertungseinheit ermittelt die vier nächstgelegenen Tabellenpunkten (P11 , P12, P21 , P22) und interpoliert einen Soll-Strom (Loii) durch bilineare Interpolation. Der so durch Interpolation erhaltene Wert für einen Soll- Strom (Isoii) wird in Verfahrensschritt II.4 und II.5 durch den Stromregler eingestellt und an die Motorspulen geleitet.
In Verfahrensschritt II.6 wird das anliegende Ist-Dremoment (Mist) mittels des Drehmomenterfassers ermittelt und in Verfahrensschritt II.7 durch die Steuerungsund Auswertungseinheit mit dem Soll-Drehmoment (Msoii) zu einer Drehmomentabweichung (Msoii-Mist) verrechnet.
Fig. 4 zeigt in Tabelle II. die Berechnungsformeln für die Korrekturwerte (gemäß Verfahrensschritt II.8) mit der Drehmomentabweichung anhand der verwendeten Interpolationsabstände (h, I), einer Lernkonstante (Ki_em) und der Drehmomentabweichung (Msoll-Mist). Verwendete Bezugszeichen
1 BLDC-Motor
2 Steuern ngs-und Auswertungseinheit
3 Datenspeicher
4 Strom regier
5 Rotorwinkelsensor
6 Drehmomenterfasser
7 Stator
8 Rotor
9 Statorspulen
10 Rotationsachse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum optimierten Betreiben eines BLDC-Motors (1),
mittels einer BLDC-Motoranordnung,
diese aufweisend den BLDC-Motor (1), eine Steuerungs- und Aus
wertungseinheit (2), einen Datenspeicher (3), einen Stromregler (4), einen Rotorwinkelsensor (5) und einen Drehmomenterfasser (6),
wobei der BLDC-Motor einen Stator (7) und einen Rotor (8) aufweist, wobei der Rotor (8) Erregermagneten und der Stator (7) Statorspulen (9) aufweist, wobei jede der Statorspulen (9) mit einem Strom beaufschlagbar ist, aufweisend folgende Verfahrensschritte:
I. Definition einer Wertetabelle in dem Datenspeicher (3), aufweisend Tabellenpunkte, wobei diese durch Wertetupel gebildet werden, und wobei jeder Wertetupel ein Wertepaar aus einem Soll-Drehmoment und einem Rotorwinkel sowie einen zugeordneten Soll-Strom aufweist,
II. Durchführen eines Teilzyklus, dabei
11.1 Vorgabe eines Soll-Drehmoments
11.2 Detektion eines ersten Ist-Rotorwinkels mittels des Rotorwinkelsensors
11.3 mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit (2) erfolgt ein
Auslesen des Soll-Stroms, der dem Wertepaar dem Soll-Drehmoment und dem ersten Ist-Rotorwinkel zugeordnet ist, dabei werden die nächstliegenden Tabellenpunkte ermittelt und die Entfernung der realen Werte des Soll-Drehmoments und des ersten Ist-Rotorwinkel von den Tabellenpunkten berechnet, wobei der Soll-Strom durch bilineare Interpolation aus den jeweiligen Soll-Strömen der vier Tabellenpunkte ermittelt wird,
11.4 Einstellen des Soll-Stroms durch den Stromregler
11.5 Strombeaufschlagung der Statorspulen (9)
11.6 Evaluation des Ist-Drehmoments mittels des Drehmomenterfassers (6),
11.7 Ermittlung einer Drehmomentabweichung mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit (2) durch einen Vergleich des Soll-Drehmoments und des Ist-Drehmoment,
11.8 Berechnung eines korrigierten Soll-Stroms mittels der Steuerungs- und Auswertungseinheit (2) auf der Grundlage der Drehmomentabwei chung, wobei die Berechnung für alle vier zuletzt verwendeten Tabellenpunkte in Abhängigkeit des verwendeten Interpolationsabstands erfolgt,
11.9 Einschreiben der berechneten Werte des korrigierten Soll-Stroms in die vier betreffenden Wertetupel der Wertetabelle mittels der Steuerungsund Auswertungseinheit (2) und Löschung der bisherigen Werte des Soll-Stroms, III. wiederholte Durchführung des Teilzyklus, bis zum Erreichen eines
Rotorwinkels, der einem vollständigen Motorstate entspricht, zur Aus bildung eines Gesamtzyklus,
IV. Wiederholte Ausführung eines Gesamtzyklus.
2. Verfahren zum geräuschgeminderten Betreiben eines geschalteten BLDC- Motors nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wertetabelle für einen vollen Rotorumlauf ausgebildet ist.
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