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1. WO2013004311 - ELECTRONIC COMMUTATION METHOD IN DIRECT CURRENT ELECTRIC MOTORS

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

Beschreibung

Titel

Verfahren zur elektronischen Kommutierung in Gleichstrom-Elektromotoren

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektronischen Kommutierung in

Gleichstrom-Elektromotoren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 .

Stand der Technik

Bei elektronisch kommutierten Gleichstrom-Elektromotoren wird das für die

Drehbewegung erforderliche magnetische Drehfeld von einer geeigneten Elektronik gesteuert. Die exakten Zeitpunkte der Kommutierung sind von der Rotorposition des Motors abhängig, die entweder mit Sensoren erfasst oder durch Messung der Gegeninduktionsspannung (Back-EMF) der jeweils nicht bestrom-ten Phase bestimmt wird. Die sensorlose Kommutierungserkennung kann durch

Verwendung von Komparatoren zur Detektierung der Nulldurchgänge der induzierten Spannung und Auswertung der Komparatorsignale durchgeführt werden. Bekannt ist es auch, die induzierte Spannung direkt zu messen und die Messwerte mit einer Schwelle um den Nulldurchgang zu vergleichen.

Aus der DE 10 2005 006 503 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Stromaufnahme eines aus einem Gleichspannungsnetz gespeicherten, durch Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuerten Elektromotors bekannt. Eine PWM-Steuereinheit liefert pulsweitenmodulierte Spannungs-Steuersignale für eine Halbleiterschaltvorrichtung, über die der Stromfluss im Elektromotor gesteuert wird. An einem der Halbleiterschaltvorrichtung in Reihe geschalteten Messwiderstand wird der Spannungsabfall erfasst, aus dem auf den Motorstrom geschlossen wird.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen ein Verfahren zur elektronischen Kommutierung in Gleichstrom-Elektromotoren zu verbessern. Es soll insbesondere die sensorlose Kommutierungserkennung unabhängig vom realen Nulldurchgang der induzierten Spannung sein. Gemäß eines weite-ren Aspektes soll die Bestromungspause zwischen den periodisch aufeinander folgenden, positiven oder negativen Stromwerten der Bestromung minimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 ge-löst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Bei dem verbesserten Verfahren zur elektronischen Kommutierung werden die Gleichstrom-Elektromotoren durch Pulsweitenmodulation (PWM) der Bestromung gesteuert, welche periodisch mit positiven und negativen Stromwerten und zwi-schenliegenden Bestromungspausen erfolgt. Die induzierte Spannung (Gegeninduktionsspannung bzw. Back-EMF) wird PWM-synchron gemessen. Der Nulldurchgang der Gegeninduktionsspannung wird über den Schnittpunkt einer Einhüllenden, welche an die Gegeninduktionsspannung gelegt wird, mit der Nulllinie bestimmt. Je nach Position des Nulldurchgangs der Gegeninduktionsspannung wird die Pulsweitenmodulation der Bestromung verändert, und zwar in den Fällen, in denen der Nulldurchgang entweder von den positiven oder von den negativen Stromwerten der Bestromung überdeckt wird.

In diesem Zusammenhang bedeutet Nulldurchgang nicht notwendigerweise ein Nullpotenzial, sondern schließt auch den Durchgang der induktiven Spannung durch Mittelpotenziale ein, beispielsweise im Fall von drei Strangspannungen in Form eines Sterns das jeweilige Mittelpotenzial des Sternpunktes, welches üblicherweise der halben Versorgungsspannung entspricht.

Der grundsätzliche Verlauf der induzierten Spannung des Motors ist bekannt, er ändert sich insbesondere zumindest näherungsweise geradlinig, so dass auch die Einhüllende an die Gegeninduktionsspannung zumindest näherungsweise eine Gerade ist. Aus dem grundsätzlich bekannten Verlauf der Induktionsspannung kann daher auf den Nulldurchgang geschlossen werden, auch wenn dieser von den positiven oder negativen Stromwerten der Bestromung überdeckt wird und somit nicht direkt messbar ist. Aus der PWM-synchron gemessenen Gegeninduk- tionsspannung können die Parameter der Einhüllenden bestimmt werden, aus der durch Extrapolation der Nulldurchgang festgestellt werden kann. Die Einhüllende ist bevorzugt eine Gerade, wobei grundsätzlich auch nicht-lineare Funktionen in Betracht kommen.

Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass ein genaues Ausmessen des Nulldurchgangs der induzierten Spannung nicht zwingend erforderlich ist. Es genügt, lediglich in einem kleinen Teilbereich den Verlauf der induzierten Spannung zu messen, insbesondere über einen Teilbereich in der Bestromungslücke, und daraus über die Extrapolation der Einhüllenden den Nulldurchgang zu bestimmen. Auf diese Weise kann die Bestromungslücke, die prinzipiell zur Erkennung des Nulldurchgangs nötig ist, wesentlich verkürzt werden, was positive Auswirkungen auf Geräusch und Leistungen hat.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das Verfahren im Vergleich zu Ausführungen aus dem Stand der Technik wesentlich robuster ist, da ein Ausbleiben einer Kommutierungsflanke nicht automatisch zum Verlust der Kommutierung selbst führt.

Der Nulldurchgang wird im Falle einer Ausführung der Einhüllenden als Gerade zweckmäßigerweise aus dem Gradienten der Gerade bestimmt. Aus dem Nulldurchgang bzw. dem Gradienten kann darüber hinaus die Motordrehzahl und der Rotorwinkel bestimmt werden.

Wird festgestellt, dass der Nulldurchgang von der vorhergehenden Bestromung verdeckt wird, so erfolgt die Bestromung verglichen mit der Motordrehzahl zu langsam. Um die Bestromung, die als Pulsweitenmodulation vorgegeben wird, zu beschleunigen, werden die Inkremente der Pulsweitenmodulation angepasst, um die Bestromung wieder an die Motordrehzahl anzugleichen. Im Fall, dass der Nulldurchgang der induzierten Spannung durch die nachfolgende Bestromung verdeckt wird, erfolgt die Bestromung zu schnell. Auch in diesem Fall wird die Bestromung durch Anpassung der Inkremente an die Motordrehzahl wieder angeglichen.

In beiden Fällen, also sowohl bei zu langsamer als auch bei zu schneller Bestromung, wird durch die Anpassung erreicht, dass der Nulldurchgang der induzier- ten Spannung in der Mitte der Bestromungspause liegt. Die Anpassung erfolgt durch Veränderung der Breite der Pulsweitenmodulation.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das Verfahren bei Mehrphasenstrom angewandt wird, wobei in diesem Fall die Messung der Gegeninduktionsspannung erst erfolgt, wenn der Strom in der betrachteten Phase einen Grenzwert unterschreitet. Hintergrund ist, dass mittels des PWM-Verlaufs der Strom in der jeweiligen Phase vorteilhafterweise nahezu abgebaut sein soll, bevor die Messung der induzierten Spannung beginnt, da andernfalls die Messung durch den noch fließenden Phasenstrom verfälscht würde.

Der PWM-Verlauf der Bestromung erfolgt beispielsweise sinusförmig, wobei auch rechteckförmige oder trapezförmige oder sonstige Bestromungsformen in Betracht kommen. Die gewünschte Bestromungsform einer Phase wird beispielsweise in einer Tabelle für 180° abgelegt, wobei in jedem PWM-Zyklus mittels eines Zeigers auf die Tabelle ein Wert aus der Tabelle geholt und als Pulsweitenmodulation ausgegeben wird. Durch ein Inkrementieren des Zeigers kann auf die folgenden Tabellenwerte umgeschaltet werden, wobei die Tabelle umso schneller durchfahren wird, je größer das Zeigerinkrement ist. Auf diese Weise ist eine Anpassung an die Motordrehzahl möglich. Mit zunehmender Motorgeschwindigkeit steigt das Zeigerinkrement.

Beim Nulldurchgang der induzierten Spannung wird der Zeiger wieder auf den Beginn der Tabelle gesetzt, wodurch eine Synchronisation mit dem Motor erreicht wird.

Die Motorgeschwindigkeit und damit das Zeigerinkrement wird aus dem Abstand zweier Nulldurchgänge ermittelt. Die Drehzahlstellung kann durch Skalierung der Tabellenwerte bestimmt werden.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 den Verlauf der pulsweitenmodulierten Bestromung eines Gleichstrom- Elektromotors mit elektronischer Kommutierung, wobei in der zwischenliegenden Bestromungspause zwischen positiven und negativen Strom-

werten eine PWM-synchron gemessene Gegeninduktionsspannung liegt, die einen Nulldurchgang aufweist,

Fig. 2 das Detail aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung, mit einer an die Gegeninduktionsspannung angelegten Einhüllenden, die als Gerade ausgeführt ist und aus der der Nulldurchgang bestimmt werden kann,

Fig. 3 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung eines Bestromungsverlaufs, bei der der Nulldurchgang der induzierten Spannung durch die vorhergehende Bestromung verdeckt ist.

Fig. 4 ein weiterer Bestromungsverlauf, bei dem der Nulldurchgang der induzierten Spannung durch die nachfolgende Bestromung verdeckt ist.

Fig. 1 zeigt den Verlauf der Bestromung eines Gleichstrom-Elektromotors mit e-lektronischer Kommutierung, bei dem der Nulldurchgang der induzierten Spannung genau in die Bestromungslücke bzw. -pause zwischen den periodisch aufeinander folgenden positiven oder negativen Stromwerten 1 mit Pulsweitenmodulation (PWM) fällt. Bei der induzierten Spannung 2 handelt es sich um die Gegeninduktionsspannung (Back-EMF), die PWM-synchron gemessen wird. Die Messung erfolgt über einen Analog-Digital-Konverter.

Die Bestromung des Gleichstrom-Elektromotors erfolgt über Mehrphasenstrom, der insbesondere über eine Sternschaltung aufgebracht wird, wobei im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 4 lediglich eine Phase dargestellt ist. Die Messung der Gegeninduktionsspannung 2 erfolgt erst dann, wenn der Strom in der Phase bereits nahezu abgebaut wurde, so dass der Strom einen Grenzwert unterschreitet. Damit wird vermieden, dass die Messung durch den noch fließenden Phasenstrom verfälscht wird.

Wie der vergrößerten Darstellung der Gegeninduktionsspannung 2 gemäß Fig. 2 zu entnehmen, weist die Gegeninduktionsspannung einen PWM-synchronen Verlauf auf, wobei an den Verlauf eine Einhüllende 3 gelegt werden kann, die eine Gerade bildet und die Nulllinie 4 schneidet. Mit der Nulllinie 4 fällt annähernd eine Gerade 5 zusammen, die gegenüber der Nulllinie um einen kleinen Winkelbetrag geneigt ist und die zweite Einhüllende an den Verlauf der Gegenindukti- onsspannung 2 auf der der Einhüllenden 3 gegenüberliegenden Seite bildet. Der Schnittpunkt der ersten Einhüllenden 3 mit der Nulllinie 4 ist zugleich der Schnittpunkt der zweiten Einhüllenden 5 mit der ersten Einhüllenden 3.

Die Einhüllende 3 weist eine Steigung auf, die so bemessen ist, dass der Schnittpunkt 6 der Einhüllenden 3 mit der Nulllinie 4 genau in der Mitte der Bestromungspause zwischen zwei Bestromungsphasen liegt. Dies kennzeichnet den Normalfall, bei dem die Bestromung zur Motordrehzahl passt. Aus dem Gradienten bzw. der Steigung der Einhüllenden 3 können zudem die Motordrehzahl und der Motorwinkel bestimmt werden.

Grundsätzlich genügt es, aus dem in Fig. 2 dargestellten Verlauf der Gegeninduktionsspannung 2 in der Bestromungspause zwischen zwei Bestromungsphasen lediglich einen Teilabschnitt zu messen, so dass die Steigung der Einhüllenden 3 bestimmt werden kann. Bereits wenige Abtastpunkte genügen, um den Nulldurchgang 6 zu bestimmen.

In den weiteren Darstellungen gemäß Fig. 3 und 4 passt die Bestromung nicht zur Motordrehzahl, wobei gemäß Fig. 3 die Bestromung zu langsam und gemäß Fig. 4 die Bestromung zu schnell erfolgt. Dementsprechend ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 der Nulldurchgang der induzierten Spannung 2 von der vorhergehenden Bestromung verdeckt, wohingegen in Fig. 4 der Nulldurchgang der induzierten Spannung 2 von der nachfolgenden Bestromung verdeckt ist. Aus dem Gradienten der Einhüllenden 3 kann durch lineare Extrapolation trotz der Überdeckung der Nulldurchgang bestimmt werden. Zur Anpassung der Bestromung an die Motordrehzahl wird die Pulsweitenmodulation PWM der Bestromung in der Weise verändert, dass der Nulldurchgang der Gegeninduktionsspannung 2 analog zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mittig in der Bestromungspause liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Breite der Pulsweitenmodulation ange-passt wird.