Beschreibung

Titel

Verfahren und Vorrichtung zum selbstkommutierenden Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selbstkommutierenden Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Derartige Verfahren und Schaltungsanordnungen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, wobei jeweils eine Auswertung von drehzahltypischen Motorsignalen zur Anwendung kommt.

Ein erstes derartiges Verfahren arbeitet nach dem Prinzip der Erfassung der in einer nicht bestromten Phase eines permanentmagnetisch erregten Motors induzierten Spannung als drehzahlrelevantes Signal und ist beispielsweise in der DE 3012833 C2 beschrieben . Dieses Verfahren liefert einen hohen Signalpegel bereits bei relativ kleinen Motordrehzahlen, sowie bei hoher Last. Außerdem besteht bei den interessierenden EC-Motoren mit magnetisch unsymmetrischem Rotor eine geringe Abhängigkeit der Phasenlage der induzierten Spannung vom Phasenstrom, wodurch sich eine sichere Auswertung der Drehzahlsignale ohne Korrektur der Phasenlage bei kleinen Motordrehzahlen und hoher Last erreichen lässt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass eine Motorphase immer unbestromt sein muss, weshalb das

Verfahren bei höheren, durch Feldschwächung erreichten Drehzahlen mit hohem Feldschwächungsfaktor nicht geeignet ist.

Ein zweites, ebenfalls grundsätzlich bekanntes Verfahren zum selbstkommutierenden Betrieb eines permanentmagnetisch erregten EC-Motors arbeitet nach dem Prinzip der Auswertung der dritten Oberwellen in den Motorphasenspannungen und ist beispielsweise von Volker Bosch in den Berichten aus dem Institut für Elektrische Maschinen und Antriebe der

Universität Stuttgart als Dissertation D 93 in Band 7 unter dem Titel „Elektronisch kommutiertes

Einzelspindelantriebssystem" im Shaker Verlag, Aachen, 2001 veröffentlicht. Dieses Verfahren ist auch einsetzbar, wenn alle Motorphasen bestromt sind, und es eignet sich daher auch für den Feldschwächungsbetrieb mit hohem Feldschwächungsfaktor bei hohen Drehzahlen eines EC-Motors. Nachteilig bei diesem zweiten Verfahren ist jedoch, dass die auszuwertenden Signale in starkem Maße drehzahlabhängig sind, weshalb bei kleinen Motordrehzahlen keine ausreichenden Signalpegel anstehen. Außerdem besteht eine hohe Abhängigkeit der Phasenlage der Spannungssignale vom Phasenstrom eines EC-Motors mit einem magnetisch unsymmetrischen Rotor, wie er häufig bei permanentmagnetisch erregten EC-Motoren verwendet wird. Für kleine Drehzahlen und insbesondere für einen Anlauf des EC-Motors unter hoher Last ist das Verfahren daher ungeeignet.

Weiterhin sind zum Starten von EC-Motoren und zum Betrieb dieser Motoren unterhalb einer Mindestdrehzahl Bestromungsverfahren bekannt, welche sich zur Anlaufsteuerung sowohl für die Kombination mit dem selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors nach dem Prinzip der Erfassung der in einer nicht bestromten Phase

induzierten Spannung als auch für die Kombination mit dem selbstkommutierenden Betrieb nach dem Prinzip der Erfassung der dritten Oberwellen der Phasenspannungen eignen. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, den Rotor des Motors beim Start durch Bestromung der Statorwicklungen in einer bestimmten Lage auszurichten und die Anfangsbestromung des Motors auf diese Rotorlage abzustellen. Ein anderes bekanntes Startverfahren für EC-Motoren, welches sich ebenfalls für die Kombination mit den beiden vorgenannten selbstkommutierenden Betriebsmöglichten eignet, arbeitet nach dem Prinzip der Bestimmung der Rotorlage aufgrund von drehstellungstypischen Daten des Motors. Die Rotorstellung wird hierbei durch die Bestimmung der unterschiedlichen Stromhöhen bei impulsförmiger Bestromung der einzelnen Phasen bestimmt oder durch Erfassung des unterschiedlichen Stromanstiegs in den einzelnen Phasen aufgrund unterschiedlicher magnetischer Kopplungen. Derartige Verfahren sind ebenfalls in den vorgenannten Druckschriften angegeben oder beispielsweise in der DE 102 005 007 995.4 beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine entsprechende Schaltungsanordnung haben gegenüber den zuvor beschriebenen bekannten Verfahren den Vorteil, dass sie sowohl für den Anlauf mit einer hohen Anlauflast bei niedrigen Drehzahlen als auch für hohe, durch Feldschwächung bewirkte Drehzahlen geeignet und mit verhältnismäßig geringem Schaltungsaufwand, insbesondere ohne hardwaremäßige Drehwinkelsensorik, realisierbar sind. Dies wird erreicht durch die Kombination grundsätzlich bekannter, in unterschiedlichen Drehzahlbereichen vorteilhafter Verfahren zum selbstkommutierenden Betrieb von EC-Motoren, welche durch

überwachung und Vergleich der Motordrehzahlen mit vorgegebenen Bereichsgrenzen und durch die jeweilige Umschaltung auf die geeignete Betriebsart in ihrem vorteilhaften Anwendungsbereich aktiviert werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen möglich. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn ein hysteresebehafteter Vergleicher zur Auswahl der jeweils bevorzugten Betriebsart durch die Umschaltung auf unterschiedliche Auswerteschaltungen zum Einsatz kommt, wobei die Umschaltung mit zunehmender und abnehmender Drehzahl bei unterschiedlichen Drehzahlen erfolgt und dabei die Einschaltschwelle für die Aktivierung der Auswerteschaltung mit der Erfassung der dritten Oberwellen der Phasenspannungen höher liegt als die Drehzahlschwelle für die Umschaltung auf die Auswerteschaltung mit der Erfassung der induzierten Spannungen. Auf diese Weise wird ein stabilisierter Betrieb im Grenzbereich der Eignung der unterschiedlichen Auswerteschaltungen sichergestellt .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer

Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors mit Erfassung der jeweils

in der nicht bestromten Phase induzierten Spannung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer

Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors nach dem Prinzip der

Erfassung der dritten Oberwellen in den Phasenspannungen und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kombination der

Schaltungsanordnungen gemäß den Figuren 1 und 2.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt das bekannte Prinzip einer Schaltungsanordnung für die Ermittlung der Rotorposition und die Bestromung der Statorphasen U, V, W eines permanenterregten, elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (EC-Motor) nach dem Prinzip der Erfassung der in der unbestromten Phase induzierten Spannung. In der Zeichnung ist mit 10 eine

Gleichspannungsquelle bezeichnet, welche einen dreiphasigen Umrichter 12 zur Speisung eines dreiphasigen EC-Motors 14 mit Spannung versorgt. Die Erregung des Motors 14 erfolgt durch einen permanentmagnetischen Rotor 16.

Die Bestromung des Motors erfolgt durch pulsweitenmodulierte 120 ° -Spannungsblöcke, zwischen denen jeweils 60° breite, unbestromte Abschnitte liegen, in denen die in der Phase induzierte Spannung jeweils ihre Polarität wechselt. Die

Nulldurchgänge der induzierten Spannung können zur exakten Bestimmung der Rotorposition ausgewertet werden mittels der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Hierbei wird die induzierte Spannung jeder Phase über je ein

Tiefpassfilter 18,20,22 auf die nicht invertierenden Eingänge von Komparatoren 24,26 und 28 gelegt, deren invertierende Eingänge an einem Anschlusspunkt 30 eines mit dem Sternpunkt der Statorwicklungen U, V, W und mit der Masse 31 des Gleichspannungsnetzes verbundenen Schaltungszweiges aus einem Widerstand 32 und einem Kondensator 35 liegen. Die Tiefpassfilter 18, 20, 22 dienen der Verringerung der Einflüsse der Pulsweitenmodulation auf die auszuwertenden Signale. Die Ausgangssignale der Komparatoren 24, 26 und 28 werden in einer Steuerung 36 in Form eines MikroControllers für den Umrichter 12 ausgewertet.

In der dargestellten Schaltung gemäß Fig. 1 erhalten die Komparatoren 24,26 und 28 jeweils das gleiche Bezugspotential entsprechend dem Potential am Anschlusspunkt 30. Das Potential am nicht invertierenden Eingang der Komparatoren ändert sich entsprechend dem Verlauf der zugehörigen Klemmenspannung, woraus der Nulldurchgang der induzierten Spannung in der jeweils unbestromten Phase U, V, W exakt ermittelt und hieraus die zugehörige Rotorposition bestimmt werden kann, da die Phasenlage der Polradspannung nur von der Läuferposition abhängt. Wenn hierbei der Motor mit im Wesentlichen rechteckförmigen Strömen gespeist wird, fließt ein Strom jeweils nur in zwei der drei Phasen. Die dritte Phase bleibt unbestromt und somit entspricht die

Polradspannung der unbestromten Phase der leicht messbaren Klemmenspannung. Für die rechteckförmige Bestromung der Statorwicklungen werden jeweils nur die sechs Kommutierungszeitpunkte während einer Periode benötigt, welche sich aus den Nulldurchgängen der Polrad- beziehungsweise Klemmenspannungen ergeben. Weitere Einzelheiten zum Verfahren der Bestimmung der Rotorlage aus den Polradspannungen ergeben sich aus der eingangs genannten Druckschrift DE 30 12 833 C2.

Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Rotorposition eines permanentmagnetisch erregten EC-Motors aus den dritten Oberwellen der Spannungen in den Phasen U, V, W. Gleiche Schaltelemente wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Dies gilt für die Gleichspannungsquelle 10, den Umrichter 12, den EC-Motor 14 mit seinem Permanentmagnetrotor 16 und der Masse 31 der Gleichspannungsquelle sowie für die Steuerung 36 des Umrichters 12.

Abweichend von der Anordnung gemäß Fig. 1 sind bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 zur Ermittlung der dritten Oberwellen die Klemmenspannungen der Phasen U, V, W über Widerstände 38,40,42 zu einem künstlichen Sternpunkt 44 zusammengeführt, welcher mit dem nicht invertierenden Eingang eines Komparators 46 verbunden ist. Dieser liegt weiterhin über einen Kondensator 43 an der Masse 31. Die Widerstände 38, 40, 42 haben jeweils den gleichen Widerstandswert. Der künstliche Sternpunkt 44 ist zur Bildung eines weiteren Spannungsteilers über einen Widerstand 48 mit der Masse 31 des Gleichspannungsnetzes verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators 46 liegt an einem Anschlusspunkt 45 eines zwischen Statorsternpunkt und Masse 31 angeschlossenen

Spannungsteilers mit den Widerständen 32 und 34. Dieser Anschlusspunkt 45 ist zusätzlich über einen Tiefpassfilter 41 an Masse 31 gelegt. Der Ausgang der Komparators 46 ist an die Steuerung 36 für den Umrichter 12 angeschlossen.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 zur Bestimmung der Rotorposition durch Auswertung der dritten Oberschwingung in den Klemmenspannungen arbeitet nach dem Prinzip der Differenzbildung zwischen den Spannungen am echten

Sternpunkt der Statorwicklungen U, V, W und an dem künstlichen Sternpunkt 44. Die Polradspannung der permanentmagnetisch erregten Drehstrommaschine mit radial magnetisierten Luftspaltmagneten weist hierbei Oberwellen ungerader Ordnungszahl auf, wobei die Oberwellen mit von drei oder einem Vielfachen von drei abweichenden Ordnungszahlen symmetrische Drehspannungssysteme bilden, die sich gegenseitig aufheben. übrig bleibt betragsmäßig im Wesentlichen die dritte Oberwelle, die in den drei Phasen U, V, W gleiche Phasenlage hat. Im Sternpunkt der Maschine addieren sich diese dritten Oberwellen zu Null, nicht jedoch am künstlichen Sternpunkt 44, sodass sie zwischen diesen beiden Punkten als Eingangsgröße für den Komparator 46 abgenommen werden können. Hierbei stimmen die Nulldurchgänge der Polradspannungen jeweils mit einem Nulldurchgang der dritten Oberwelle überein, der Einschaltpunkt und der Ausschaltpunkt für eine 120 °-Blockbestromung der Phasenwicklungen U, V, W ist jeweils durch einen Scheitelwert der dritten Oberwelle definiert.

In der Abbildung gemäß Fig. 2 sind weitere Gestaltungsmöglichkeiten der Schaltungsanordnung nicht dargestellt, beispielsweise solche zur Integration der Messsignale. Durch eine Integration können die mit der Drehzahl steigenden Amplituden der dritten Oberwelle auf ein konstantes Niveau gebracht und der Kurvenverlauf um 90° phasenverschoben werden, sodass die Nulldurchgänge der dritten Oberwelle mit den Nulldurchgängen der Phasenspannung übereinstimmen. Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der eingangs genannten Literaturstelle von Volker Bosch über die Rotorlagebestimmung durch Erfassung der dritten Oberwelle.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors 14, welcher

analog zu den Schaltungsanordnungen in den Figuren 1 und 2 aus einer Gleichspannungsquelle 10 gespeist und durch eine elektronische Schalteinrichtung, wiederum in Form eines Umrichters 12, von einer Steuereinheit 48 kontrolliert wird. Diese enthält eine erste Auswerteinrichtung 50 entsprechend dem Aufbau in Fig. 1, welche nach dem Messprinzip der in einer unbestromten Phasenwicklung induzierten Spannung arbeitet, sowie eine zweite Auswerteschaltung 52, welche analog zur Fig. 2 für die Ermittlung der Rotorposition und zum selbstkommutierenden Betrieb des Motors 14 die dritten Oberwellen der Phasenspannungen erfasst. Die Umschaltung zwischen den beiden Auswerteschaltungen 50 und 52 erfolgt durch einen Vergleicher 54 mit einer zugeordneten Umschaltvorrichtung 56, welche die Auswerteschaltungen 50 und 52 entsprechend der Höhe der Motordrehzahlen n mit einem MikroController 58 verbindet, der den Umrichter 12 steuert.

In den MikroController 58 ist ein Zähler integriert, welcher entsprechend den erfassten Drehzahlimpulsen ein Drehzahlsignal für die Ist-Drehzahl n an den Vergleicher 54 liefert. Letzterer ist hysteresebehaftet und erhält zwei Grenzwertsignale, einerseits von einem Geber 60 bei einer festzulegenden oberen Drehzahlschwelle n2 und andererseits von einem Geber 62 bei Unterschreitung einer festzulegenden unteren Drehzahlschwelle nl . Hierbei liegt die Drehzahlschwelle des Gebers 60 höher als die Drehzahlschwelle des Gebers 62, sodass die Umschaltung auf die jeweils geeignete Auswerteschaltung 50 oder 52 mit zunehmender und abnehmender Drehzahl n bei unterschiedlichen Drehzahlenschwellen erfolgt. überschreitet die Ist-Drehzahl n des Motors 14 die im Geber 60 festgelegte obere Drehzahlschwelle n2, so wird durch den Umschalter 56 von der Auswerteschaltung 50 auf die Auswerteschaltung 52 für die dritte Oberwelle umgeschaltet. Unterschreitet andererseits

die Ist-Drehzahl n des Motors 14 die durch den Geber 62 festgelegte untere Drehzahlschwelle nl, so wird von der Auswerteschaltung 52 auf die Auswerteschaltung 50 für die Auswertung der induzierten Spannung umgeschaltet, wobei die Schwellen der Geber 60 und 62 ein Hystereseband definieren, um ein stabiles Schaltverhalten zu gewährleisten.

Die Auswertung der Drehzahlsignale erfolgt durch den MikroController 58, welcher den Umrichter 12 steuert. Durch die Umschaltung wird bereits bei niedrigen Drehzahlen des Motors 14 ein hoher Signalpegel erreicht bei gleichzeitig geringer Abhängigkeit der Phasenlage vom Phasenstrom des Motors, und auch bei hohen Drehzahlen mit Feldschwächungsbetrieb steht trotz Bestromung aller Motorphasen ein ausreichender Signalpegel zur Verfügung. Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Schaltungsanordnung eignen sich daher für die Steuerung von permanentmagnetisch erregten EC-Motoren sowohl bei einer hohen Anlauflast als auch bei hohen Drehzahlen im Betrieb mit hohem Feldschwächungsfaktor. Durch die Kombination zweier grundsätzlich bekannter Verfahren zur Drehzahlregelung von EC-Motoren und die Aufteilung des gesamten Stellbereiches in geeignete Teilbereiche können somit elektrische Antriebe geschaffen werden, die sowohl für den Anlauf mit hohem Drehmoment als auch für hohe maximale Drehzahlen besonders geeignet sind. Anwendungsgebiete für eine derartige Regelung sind beispielsweise elektrische Arbeitsgeräte wie Schrauber, Sägen und Bohrer, deren Einsatzbereich und Leistung deutlich vergrößert werden können.