WO2025172011A1 - Verfahren und einrichtung zur indirekten feldorientierten regelung eines bürstenlosen gleichstrommotors - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur indirekten feldorientierten regelung eines bürstenlosen gleichstrommotors

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Qin Liu
Florian Hurka
Walter Wissmach
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Hilti AG
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Hilti AG
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    • 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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    • H—ELECTRICITY
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    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
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    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/15—Controlling commutation time

Definitions

  • the present invention relates to a method and an electronic device for field-oriented control of a brushless DC motor using digital HALL sensors for detecting the current rotor position of the DC motor for the purpose of torque control.
  • the field-oriented control (FOC) of interest here is one of the most commonly used control strategies for driving brushless direct current (BLDC) motors, which is also used in the field of power tools.
  • the well-known FOC improves the dynamic behavior of the drive and delivers optimal torque, especially with a uniform drive.
  • the basic concept of FOC is the consideration of instantaneous values over time.
  • the alternating electrical quantities of a three-phase motor are not treated as spatially fixed, but rather rotate with the rotor. This means that the three-phase currents measured at the stator are converted into rotor coordinates. Since the reference system is static, the controller can operate with direct current quantities instead of alternating quantities.
  • FOC continuously monitors the Rotor position and constantly switches the excitation of the three stator windings so that an optimal rotor torque is generated.
  • the digital HALL sensors used in the present invention can also be used to discretely detect the rotor position.
  • Three digital HALL sensors typically measure the rotor position with an accuracy of 60 electrical degrees.
  • a PLL (phase-locked loop) method can be used to achieve angular linearization of the signal from the HALL sensors, which appears as a step-like waveform.
  • the PLL technique receives digital HALL interrupts as an input signal and estimates the quasi-continuous rotor angles, which are used as the FOC input signal. Although the thus estimated rotor angle is still quantized, the significantly higher resolution compared to the otherwise stepped waveform results in a quasi-continuous rotor angle.
  • the inventive solution estimates the rotor position, particularly during the first few rotor revolutions from standstill, when the motor speed cannot be accurately estimated due to a lack of information and the dynamic load torque.
  • the FOC algorithm By feeding the FOC algorithm with the stepwise constant rotor angle signal obtained according to the invention as an input value, the FOC becomes more reliable than with a conventionally inaccurate estimate of the motor speed and thus a correspondingly inaccurate estimate of the rotor position.
  • one revolution of the rotor is divided into six sectors of 60° each using three digital HALL sensors, each sector corresponding to a defined HALL pattern, preferably with the following binary values: 101, 001, 011, 010, 110, 100.
  • the change in the HALL signal indicates that the rotor exceeds the boundary of a sector.
  • the current rotor position determined in the manner according to the invention is used in the control of the brushless DC motor in a low speed range between 0 to 15% of an idle speed in order to achieve a functional field-oriented control during the start-up phase of, for example, an electric screwdriver.
  • the brushless DC motor is operated with a FOC across its entire speed range, with control in the low speed range based on the gradually constant rotor angle and in the subsequent higher speed range based on a conventionally estimated continuous rotor angle.
  • This allows the DC motor to achieve the same or even higher starting torque from standstill than with a conventional control system.
  • the high efficiency at high speeds is utilized when the FOC receives the precise rotor position and performs optimal control.
  • transition between control according to a stepwise constant rotor angle and an estimated continuous rotor angle is preferably carried out taking into account a hysteresis in order to avoid unwanted switching back and forth in the transition range.
  • Fig. 2 a graphical representation of sectors of one revolution of the rotor with associated binary values of a defined Hall pattern with three Hall sensors
  • Fig. 4 is a graphical representation of a transition between a discrete rotor angle and a continuous rotor angle as hysteresis-affected FOC input values
  • Fig. 5 is a graphical representation for determining a switching point from an initial stepwise constant rotor angle to a subsequent estimated continuous rotor angle
  • Fig. 6 is a block diagram showing the operation of the electronic device for carrying out the method according to the invention.
  • the brushless DC motor 1 shown here in a highly schematic manner, comprises three digital HALL sensors 3a to 3c arranged equidistant from one another around the circumference of a rotor 2.
  • the three digital HALL sensors 3a to 3c are known to divide one electrical revolution of the rotor 2 into twice as many, i.e., six sectors of 60° each.
  • the rotor 2 comprises a permanent magnet with a south pole S and a north pole N. Electrical coil windings A, B, and C are also arranged on the stator side, equally spaced from one another in the circumferential direction.
  • Fig. 2 the configuration described above results in the illustrated HALL pattern over a 360° rotation.
  • the binary number 1 represents the north pole, whereas the binary number 2 represents the south pole of the permanent magnet.
  • the signals from the three digital HALL sensors 3a to 3c in each of the six 60° sectors result in the illustrated HALL pattern 101, 001, 011, 010, 110, 100.
  • This HALL pattern is transmitted as a high or low voltage level to the electronic device for indirect field-oriented control.
  • the HALL pattern defined in this way consists of (angular) sectors with an opening angle of 60°, in which the rotor of the brushless DC motor is currently located, allowing the electronic device to energize the corresponding motor coils to build up torque.
  • the said stepwise constant rotor angle a is shown in the upper area over a starting time considered from the start, namely in Connection with the phase currents IA, IB and lc shown in the middle section of the figure as well as the curve of the motor torque MM shown in the lower section. From this it can be seen that the currents calculated with the strongly quantized to 60° steps of the rotor angle and according to the rules of the FOC also produce a sufficiently large torque
  • Fig. 4 the transition between an initial control with a stepwise constant rotor angle a and an estimated continuous rotor angle a', which is already linearized from a PLL algorithm, which also works correctly due to the higher speed, is carried out taking into account a shown hysteresis with regard to the motor speed n in order to avoid unwanted switching back and forth in this transition area of different control strategies.
  • the rotor angle a, a' is smoothed for several revolutions from 0° to 360° from the start according to different criteria.
  • the brushless DC motor is operated over its entire speed range with a field-oriented control, whereby in the low speed range - here purely schematically the first 1.5 revolutions - control is carried out according to the stepwise constant rotor angle a and in the higher speed range according to a conventionally estimated continuous rotor angle a'.
  • the estimated continuous rotor angle a' is determined by applying a PLL method to linearize a stepped measured value curve of the current motor position detected by the digital HALL sensors.
  • a switch is made from an FOC according to a stepwise constant rotor angle a to an FOC with an estimated continuous rotor angle a' in order to change the control strategies after the rotor has started up.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektronische Einrichtung zur indirekten feldorientierten Regelung (FOC) eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1) unter Verwendung von digitalen Hall-Sensoren (3a – 3c) zur Erfassung der aktuellen Rotorposition des Gleichstrommotors (1) zwecks Drehmomentregelung, wobei eine elektrische Umdrehung des Rotors (2) durch mehrere (n) äquidistant zueinander bezüglich des Rotorumfangs angeordnete digitale Hall-Sensoren (3a – 3c) in doppelt (2n) so viel Sektoren unterteilt wird, wobei jeder Sektor einem definierten Hall-Muster entspricht und ein Wechsel des Hallsignals als eine durch die Drehung des Rotors (2) bewirkte Überschreitung der Grenze eines Sektors interpretiert wird, um einen schrittweise konstanten Rotorwinkel (α) zur Bestimmung der aktuellen Rotorposition für die feldorientierte Regelung anzuwenden.

Description

Verfahren und Einrichtung zur indirekten feldorientierten Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine elektronische Einrichtung zur feldorientierten Regelung eines bürstenlosen Gleichstrommotors unter Verwendung von digitalen HALL-Sensoren zur Erfassung der aktuellen Rotorposition des Gleichstrommotors zwecks Drehmomentregelung.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich insbesondere auf solche Elektrohandwerkzeuge, welche im Einsatz einem Bremsmoment unterliegen, wie beispielsweise ein Elektroschrauber beim Lösen einer Schraube oder ein Bohrhammer beim Lösen eines festsitzenden Bohrers. All sind einer diese Elektrohandwerkzeuge stark schwankenden Belastung während des Betriebes ausgesetzt, anders als beispielsweise ein Elektrohammer, welcher mit relativ konstanter Drehzahl und Antriebsmoment betrieben wird.
Stand der Technik
Die hier interessierende feldorientierte Regelung (FOC = field oriented controlling) ist gewöhnlich eine der am häufigsten verwendeten Regelungsstrategien für den Antrieb bürstenloser Gleichstrommotoren (BLDC-Motor = brushless direct current motor), welche auch auf dem Gebiet der Elektrohandwerkzeuge Anwendung findet. Die allgemein bekannte FOC verbessert das dynamische Verhalten des Antriebs und liefert ein optimales Drehmoment, insbesondere bei einem gleichförmigen Antrieb. Das Grundkonzept der FOC ist die Betrachtung von zeitlichen Momentanwerten. Somit werden die elektrischen Wechselgrößen eines dreiphasigen Motors nicht als raumfest behandelt, sondern drehen sich mit dem Rotor. Das bedeutet, dass die am Stator gemessenen Dreiphasenströme in Rotorkoordinaten umgewandelt werden. Da das Bezugssystem statisch ist, kann der Regler mit Gleichstromgrößen anstelle von Wechselgrößen arbeiten. Anders als bei einer alterna-tiven Blockkommutierungssteuerung, bei der die Kommutierungszustände alle 60 elektrischen Grad umgeschaltet werden, überwacht die FOC kontinuierlich die Rotorposition und schaltet ständig die Erregung der drei Statorwicklungen um, so dass ein optimales Drehmoment des Rotors erzeugt wird.
Grundsätzlich existieren zwei allgemeine Methoden der FOC, nämlich die direkte FOC und die indirekte FOC. Beide Methoden unterscheiden sich in der Art, wie der Rotorwinkel/die Lageerfassung bestimmt wird. Bei der direkten FOC wird der Rotorwinkel über die Klemmspannung und die Klemmströme berechnet, während bei der im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierenden indirekten FOC die Rotorposition gemessen wird. Somit wird hierfür eine zusätzliche Positionserfassung benötigt, welche Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
Eine bereits allgemein bekannte Methode zur Messung der Rotorposition basiert auf einem Positionsgeber, beispielsweise einem anisothropen Magnetowiderstandssensor (AMR), Resolver oder Encoder. Trotz hoher Messgenauigkeit eines AMR-Sensors ist dieser recht aufwändig und die Unterbringung erfordert einen relativ hohen zusätzlichen Platzbedarf innerhalb eines BLDC-Motors.
Für Elektrohandwerkzeuge der hier interessierenden Art, bei denen die Kompaktheit des Werkzeuggehäuses eine wesentliche Rolle spielt, ist die Verwendung eines AMR- Sensors daher ungünstig.
Als Alternative können auch die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommenden digitalen HALL-Sensoren verwendet werden, um die Rotorposition diskret zu erfassen. So messen drei digitale HALL-Sensoren die Rotorposition gewöhnlich mit einer Genauigkeit von 60 elektrischen Grad.
Es ist bereits versucht worden, mittels digitaler HALL-Sensoren die Motordrehzahl in der elektronischen Steuereinheit auf der Grundlage der Frequenz der HALL- Unterbrechungen zu berechnen und die kontinuierliche Rotorposition zu schätzen, welche dann in den FOC-, Algorithmus eingespeist wird. Dabei kann ein PLL-Verfahren (PLL = phase-locked-loop) zur Anwendung kommen, um eine Winkel-Linearisierung des von den HALL-Sensoren als stufenförmige Wellenform erscheinenden Signals herbeizuführen. Dabei wird das PLL-Verfahren zur Gewinnung eines geschätzten kontinuierlichen Rotorwinkels in der Regel in Abhängigkeit von der PWM-Frequenz (PWM = pulse-wide-modulation) in entsprechende Software der elektronischen Steuereinheit implementiert. Das PLL-Verfahren empfängt digitale HALL-Interrupts als Eingangssignal und schätzt die quasi-kontinuierlichen Rotorwinkel, die als FOC- Eingangssignal verwendet werden. Der so geschätzte Rotorwinkel ist zwar immer noch quantisiert, aber die wesentlich höhere Auflösung im Vergleich zu der ansonsten stufenförmigen Wellenform führt zu einem quasi kontinuierlichen Rotorwinkel.
Diese Methode funktioniert insbesondere bei hohen Drehzahlen, zeigt jedoch Schwächen bei niedrigen Drehzahlen, beispielsweise dann, wenn der Gleichstrommotor unter hoher Last anläuft, wie dies beispielsweise bei einem elektrischen Schraubendreher zum Lösen einer Schraube oder einem Bohrhammer zum Lösen festsitzender Bohrer und dergleichen auftritt. Denn während des Motorstarts liegen sehr begrenzte Informationen für eine zuverlässige Schätzung des Rotorwinkels nach dem PLL-Verfahren vor, da die Anzahl der eingehenden HALL- Interrupts sehr gering ist. Die Schätzung der Rotorposition erfordert eine genaue Berechnung der Motordrehzahl, während die eingehenden HALL-Interrupts nicht ausreichen, um eine hinreichende Genauigkeit zu erzielen. Die ungenaue Geschwindigkeitsschätzung führt letztlich zu einer unzuverlässigen Schätzung der Rotorposition. Wenn der Motor unter Last anläuft, handelt es sich um einen sehr dynamischen Vorgang. Die Motordrehzahl kann hierbei stark schwanken. Dies führt ebenfalls zu unzuverlässigen Schätzwerten für die Rotorposition.
Wenn ein ungenauer Rotorwinkel/Rotorposition in einen FOC-Algorithmus eingegeben wird, kann das durch die Erregung der Spule erzeugte Magnetfeld das Motordrehmoment nicht effizient aufbauen. Gelingt es dem Gleichstrommotor nicht, innerhalb der ersten paar Umdrehungen ein ausreichendes Drehmoment aufzubauen, läuft dieser nicht an.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Implementierung einer indirekten FOC in einem bürstenlosen Gleichstrommotor unter Verwendung von digitalen HALL-Sensoren zur Erfassung der aktuellen Rotorposition zu ermöglichen, um einen optimalen Antrieb für elektrische Maschinen mit hohem Anlaufmoment und dynamischem Drehzahlverhalten zu schaffen. Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Der nebengeordnete Anspruch 10 beschreibt eine hiermit korrespondierende elektronische Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Der Anspruch 11 ist auf ein Elektrohandwerkzeug mit einer solchen elektronischen Einrichtung gerichtet.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass eine elektrische Umdrehung des Rotors eines BLDC-Motors durch mehrere äquidistant zueinander bezüglich des Rotorumfangs angeordnete digitale Hall-Sensoren in doppelt so viel Sektoren unterteilt wird, wobei jeder Sektor einem definierten Hall-Muster entspricht und ein Wechsel des Hallsignals als eine durch die Drehung des Rotors bewirkte Überschreitung der Grenze eines Sektors interpretiert wird, um einen schrittweise konstanten Rotorwinkel a zur Bestimmung der aktuellen Rotorposition für die feldorientierte Regelung anzuwenden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird mit anderen Worten also eine Schätzung der Rotorposition insbesondere während der ersten Rotorumdrehungen aus dem Stillstand heraus vorgenommen, wenn die Motordrehzahl aufgrund des Mangels an Informationen und des dynamischen Lastmoments nicht genau geschätzt werden kann. Indem der FOC-Algorithmus mit dem erfindungsgemäß gewonnenen schrittweisen konstanten Rotorwinkel-Signal als Eingangswert gespeist wird, wird die FOC zuverlässiger als bei einer herkömmlich ungenauen Schätzung der Motordrehzahl und damit einer entsprechend ungenauen Schätzung der Rotorposition.
Elektrohandwerkzeuge, bei denen die erfindungsgemäße Lösung implementiert ist, erreichen hierdurch ein Anlaufmoment, das mindestens so hoch ist, wie das einer herkömmlichen Rechtecksteuerung und weisen bei einer hohen Drehzahl einen vergleichbar hohen Wirkungsgrad auf wie herkömmlich feldorientiert geregelte Gleichstrommotoren, bei denen die Rotorposition mit einem hochauflösenden Encoder gemessen wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Auswahl des schrittweise konstanten Rotorwinkels dahingehend optimiert werden, dass das gemittelte Motordrehmoment eines Sektors am höchsten und die Drehmomentwelligkeit am niedrigsten ist, wenn von einem Sektor auf einen anderen umgeschaltet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird mit drei digitalen HALL-Sensoren eine Umdrehung des Rotors in sechs Sektoren von je 60°unterteilt, wobei jeder Sektor einem definierten HALL-Muster entspricht, mit vorzugsweise folgenden Binärwerten: 101 , 001 , 011 , 010, 110, 100. Der Wechsel des HALL-Signals zeigt an, dass der Rotor die Grenze eines Sektors überschreitet.
Vorzugsweise wird die auf erfindungsgemäße Weise ermittelte aktuelle Rotorposition bei der Regelung des bürstenlosen Gleichstrommotors in einem niedrigen Drehzahlbereich zwischen 0 bis 15% einer Leerlaufdrehzahl angewendet, um während der Anlaufphase beispielsweise eines Elektroschraubers eine funktionsgerechte feldorientierte Regelung zu erzielen.
Vorzugsweise wird der bürstenlose Gleichstrommotor über seinen gesamten Drehzahlbereich mit einer FOC betrieben, wobei im niedrigen Drehzahlbereich nach Maßgabe des schrittweise konstanten Rotorwinkels und im anschließenden höheren Drehzahlbereich nach Maßgabe eines herkömmlich geschätzten kontinuierlichen Rotorwinkels geregelt wird. Dadurch kann der Gleichstrommotor aus dem Stillstand heraus das gleiche oder sogar ein höheres Anlaufmoment erreichen als bei einer herkömmlichen Ansteuerung. Darüber hinaus wird der hohe Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen genutzt, wenn die FOC die genaue Rotorposition empfängt und die optimale Regelung durchführt.
Der Übergang zwischen einer Regelung nach einem schrittweise konstanten Rotorwinkel und einem geschätzten kontinuierlichen Rotorwinkel wird vorzugsweise unter Berücksichtigung einer Hysterese durchgeführt, um ein ungewolltes Hin- und Herschalten im Übergangsbereich zu vermeiden. Detailbeschreibung anhand Zeichnung
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von Bestandteilen eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit mehreren Hallsensoren,
Fig. 2 eine graphische Darstellung von Sektoren einer Umdrehung des Rotors mit zugeordneten Binärwerten eines definierten Hall-Musters mit drei Hall-Sensoren,
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verlaufs eines im Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgegebenen schrittweisen konstanten Rotorwinkel a im Zusammenhang mit zu-gehörigen Phasenströmen und dem Motormoment eines hierüber angesteuerten bürstenlosen Gleichstrommotors,
Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Übergangs zwischen einem diskreten Rotorwinkel und einem kontinuierlichen Rotorwinkel als hysteresebehaftete FOC-Eingangswerte,
Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Bestimmung eines Umschaltpunkts von einem anfänglich schrittweise konstanten Rotorwinkel zu einem nachfolgenden geschätzten kontinuierlichen Rotorwinkel, und
Fig. 6 eine Blockschaltbilddarstellung der Funktionsweise der elektronischen Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß Fig. 1 umfasst der hier stark schematisiert dargestellte bürstenlose Gleichstrommotor 1 drei äquidistant zueinander bezüglich des Umfangs eines Rotors 2 angeordnete digitale HALL-Sensoren 3a bis 3c. Die drei digitalen HALL-Sensoren 3a bis 3c unterteilen bekanntermaßen eine elektrische Umdrehung des Rotors 2 in doppelt so viel, also sechs Sektoren von je 60°. Der Rotor 2 umfasst einen Permanentmagneten mit einem Südpol S und einem Nordpol N. Statorseitig sind ebenfalls in Umfangsrichtung äquidistant zueinander positionierte elektrische Spulenwicklungen A, B, C angeordnet.
Gemäß Fig. 2 ergeben sich infolge der vorstehend beschriebenen Konfiguration über eine Umdrehung von 360° das dargestellte HALL-M uster. Die Binärzahl 1 repräsentiert den Nordpol, wohingegen die Binärzahl 2 den Südpol des Permanentmagneten repräsentiert. Aus den Signalen der drei digitalen HALL-Sensoren 3a bis 3c in jedem der sechs Sektoren von je 60° ergibt sich das dargestellte HALL-Muster 101 , 001 , 011 , 010, 110, 100. Dieses HALL-Muster wird als High- bzw. Low-Spannungspegel an die elektronische Einrichtung zur indirekten feldorientierten Regelung übertragen. Das so definierte HALL-Muster besteht aus (Winkel-)Sektoren mit einem Öffnungswinkel von 60°, in dem sich der Rotor des bürstenlosen Gleichstrommotors aktuell befindet, wodurch die elektronische Einrichtung die entsprechenden Motorspulen bestromen kann, um ein Drehmoment aufzubauen.
Dieses HALL-System löst also aufgrund der nur drei HALL-Sensoren den Winkel nur in 60°-Schritten auf. Jeder der sechs Sektoren entspricht damit einem definierten HALL-Muster und erfindungsgemäß wird ein Wechsel des HALL-Signals als eine durch die Drehung des Rotors bewirkte Überschreitung der Grenze eines Sektors interpretiert, um einen schrittweise konstanten Rotorwinkel zur Bestimmung der aktuellen Rotorposition für die feldorientierte Regelung (FOC) anzuwenden.
Gemäß Fig. 3 ist im oberen Bereich der besagte schrittweise konstante Rotorwinkel a über eine aus dem Start heraus betrachtete Anlaufzeit dargestellt, und zwar im Zusammenhang mit dem im mittleren Bereich der Abbildung dargestellten Phasenströme IA, IB und lc sowie den im unteren Bereich dargestellten Verlauf des Motormoments MM. Hieraus ist also ersichtlich, dass auch die mit den stark auf 60° Schritte quantisierte Verlauf des Rotorwinkels und nach den Regeln der FOC berechneten Ströme ein ausreichend großes Drehmoment erzeugen
Gemäß Fig. 4 wird der Übergang zwischen einer anfänglichen Regelung mit einem schrittweise konstanten Rotorwinkel a und einem geschätzt kontinuierlichen Rotorwinkel a‘, welcher bereits linearisiert aus einem PLL-Algrothmus, welcher auf Grund der höheren Geschwindigkeit auch korrent arbeitet, kommt, unter Berücksichtigung einer dargestellten Hysterese hinsichtlich der Motordrehzahl n durchgeführt, um ein ungewolltes Hin- und Herschalten in diesem Übergangsbereich unterschiedlicher Regelungsstrategien zu vermeiden.
Hinsichtlich Fig. 5 erfolgt eine Glättung des Rotorwinkels a, a‘ für mehreren Umdrehungen 0° bis 360° aus dem Start heraus nach unterschiedlichen Maßgaben. Erfindungsgemäß wird der bürstenlose Gleichstrommotor über seinen gesamten Drehzahlbereich mit einer feldorientierten Regelung betrieben, wobei im niedrigen Drehzahlbereich - hier rein schematisch die ersten 1 ,5 Umdrehungen - nach Maßgabe des schrittweise konstanten Rotorwinkels a und in demgegenüber höheren Drehzahlbereich nach Maßgabe eines herkömmlich geschätzten kontinuierlichen Rotorwinkels a‘ geregelt wird. Dabei wird der geschätzte kontinuierliche Rotorwinkel a‘ durch die Anwendung eine PLL-Methode zur Linearisierung eines abgestuften Messwertverlaufs der durch die digitalen HALL-Sensoren erfassten aktuellen Motorposition bestimmt. An einem Umschaltpunkt S wird von einer FOC nach schrittweise konstantem Rotorwinkel a auf eine FOC mit geschätztem kontinuierlichen Rotorwinkel a‘ umgeschaltet, um nach dem Anlaufen des Rotors die Regelstrategien zu wechseln.
Gemäß Fig. 6 verwendet eine erfindungsgemäß ausgebildete elektronische Einrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eine Steuereinheit 10 mit verschiedenen Regelstrategien, zwischen denen je nach Drehzahl und Belastung des bürstenlosen Gleichstrommotors per Schalter S umgeschaltet werden kann, und zwar die erfindungsgemäße feldorientierte Regelung nach Maßgabe eines schrittweise konstanten Rotorwinkels I für den unteren Drehzahlbereich, eine feldorientierte Regelung (FOC) nach Maßgabe eines herkömmlich geschätzten kontinuierlichen Rotorwinkels gemäß einer zweiten Regelungsstrategie II, einen Regelungsstrategie III, welche den Winkel mit Hilfe eines PLL-Algorithmus' linearisiert. Im kleinsten Drehzahlbereich (ca. 0 bis 5% der Leerlaufdrehzahl) wird Strategie I verwendet, in Bereich II (5 bis 15% der LL-Drehzahl) werden die Hallsignale linear extra-Zinterpoliert und im dritten Bereich über eine PLL linearisiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur indirekten feldorientierten Regelung (FOC) eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1 ) unter Verwendung von digitalen Hall-Sensoren (3a - 3c) zur Erfassung der aktuellen Rotorposition des Gleichstrommotors (1 ) zwecks Drehmomentregelung, wobei eine elektrische Umdrehung des Rotors (2) durch mehrere (n) äquidistant zueinander bezüglich des Rotorumfangs angeordnete digitale Hall-Sensoren (3a - 3c) in doppelt (2n) so viel Sektoren unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sektor einem definierten Hall-Muster entspricht und ein Wechsel des Hallsignals als eine durch die Drehung des Rotors (2) bewirkte Überschreitung der Grenze eines Sektors interpretiert wird, um einen schrittweise konstanten Rotorwinkel (a) zur Bestimmung der aktuellen Rotorposition für die feldorientierte Regelung anzuwenden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des schrittweise konstanten Rotorwinkels (a) für einen Sektor bei einem Maximum des gemittelten Motordrehmoments eines Sektors in Verbindung mit einem Minimum der Drehmomentwelligkeit erfolgt, wenn von einem Sektor auf den anderen Sektor umgeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des schrittweise konstanten Rotorwinkels (a) genau drei digitale Hall-Sensoren (3a - 3c) zur Unterteilung in sechs Sektoren verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sechs Sektoren einem definierten Hall- Muster mit folgenden Binärwerten entsprechen: 101 , 001 , 011 , 010, 110, 100.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die hieraus ermittelte aktuelle Rotorposition bei der Regelung des bürstenlosen Gleichstrommotors (1) in einem niedrigen Drehzahlbereich zwischen 0 bis 15% einer Leerlaufdrehzahl angewendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bürstenlose Gleichstrommotor (1 ) über seinen gesamten Drehzahlbereich mit einer feldorientierten Regelung (FOC) betrieben wird, wobei im niedrigen Drehzahlbereich nach Maßgabe des schrittweise konstanten Rotorwinkels (a) und im demgegenüber höheren Drehzahlbereich nach Maßgabe eines herkömmlich geschätzten kontinuierlichen Rotorwinkels (a‘) geregelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen einer Regelung nach einem schrittweise konstanten Rotorwinkels (a) und einem geschätzten kontinuierlichen Rotorwinkel (a‘) unter Berücksichtigung einer Hysterese durchgeführt wird, um ein ungewolltes Hin- und Herschalten im Übergangsbereich zu vermeiden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der geschätzte kontinuierliche Rotorwinkel (a‘) durch Anwendung einer PLL-Methode zur Linearisierung eines abgestuften Messwertverlaufs der durch die digitalen Hall-Sensoren (3a - 3c) erfassten aktuellen Rotorposition bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschaltpunkt (S) von einer FOC nach dem schrittweise konstanten Rotorwinkel (a) auf eine FOC nach dem geschätzten kontinuierlichen Rotorwinkel (a‘) definiert wird.
10. Elektronische Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend digitale Hall-Sensoren (3a - 3c) zur Erfassung der aktuellen Rotorposition des Gleichstrommotors (1 ), wobei die digitalen Hall-Sensoren (3a - 3c) derart angeordnet sind, dass eine elektrische Umdrehung des Rotors (2) durch mehrere (n) äquidistant zueinander bezüglich des Rotorumfangs angeordnete digitale Hall-Sensoren () in doppelt (2n) so viel Sektoren unterteilt sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuereinheit (10) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, jedem Sektor ein definiertes Hall- Muster zuzuordnen und ein Wechsel des Hallsignals als eine durch die Drehung des Rotors (2) bewirkte Überschreitung der Grenze eines Sektors zu interpretieren, um einen schrittweise konstanten Rotorwinkel (a) für einen Sektor als aktuelle Rotorposition für die feldorientierte Regelung zu verwenden.
11. Elektrohandwerkzeug mit einer als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildeten Antriebseinheit, umfassend eine elektronische Einrichtung nach Anspruch 10.
12. Elektrohandwerkzeug nach Anspruch 11 , wobei dieses als ein Elektroschrauber ausgebildet ist.
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EP4287494A1 (de) * 2022-06-02 2023-12-06 Siemens Aktiengesellschaft Bürstenlose gleichstrommaschine mit einer hall-sensoren umfassenden sensoreinrichtung

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