Bestimmung der Rotorlage in einem Elektromotor Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage des Rotors in einem Elektromotor.

Eine genaue Kenntnis der Rotorlage ist für den Betrieb eines bürstenlosen Elek- tromotors, dessen Drehzahl durch die Frequenz einer zugeführten Wechselspannung bestimmt ist, von entscheidender Bedeutung, um einen solchen Motor ohne Hinzunahme eines Hilfsmotors starten und bei willkürlich festlegbaren Drehzahlen betreiben zu können. Eine herkömmliche Technik zum Erfassen der Rotorlage ist, in der Nähe einer auf der Welle des Motors befestigten, mit Magneten bestückten Ta- choscheibe mehrere Hall-Sensoren anzubringen, die jeweils den Durchgang eines Nord-oder Südpols eines Magneten der Tachoscheibe durch einen Signalimpuls oder einen Pegelwechsel eines kontinuierlichen Signals anzeigen. Die Zahl der Magnetpole eines solchen Tachorades ist im Allgemeinen die gleiche wie die des Rotors.

Die Energieversorgung des Motors erfolgt im Allgemeinen über einen elek- tronischen Wechselrichter, der für jede 360°-Umdrebung des Magnetfeldes im Motor (entsprechend einer Drehung der Welle von 360°/n bei einem Motor mit n Polpaaren) eine Sequenz von sechs Schaltzuständen in einem Winkelabstand von 60° elektrisch erzeugt. Die Folge der Schaltzustände erzeugt im Motor ein rotierendes magnetisches Feld, das sich von einem Schaltzustand zum nächsten in Schritten von 60° elektrisch weiter dreht. Wenn sich entsprechend einer vollständigen Umdrehung des Ma- gnetfeldes der Rotor um 360°/n weiter dreht, liefert ein einzelner Hall-Sensor nur zwei Impulse. Da sich im Laufe einer Magnetfeldumdrehmg aber sechs Schaltzustände abwechseln, werden pro vollständiger Umdrehung des Magnetfeldes sechs Schaltimpulse benötigt, um den übergang von einem Schaltzustand zum nächsten auszulösen. Um diese Schaltimpulse jeweils phasenrichtig zu erzeugen, ist es bekannt, insgesamt drei Hall-Sensoren jeweils in einem Raumwinkel von 120°/n im Bezug zueinander an der Tachoscheibe anzuordnen. Diese drei Sensoren liefern Schaltimpulse zum Umschalten des Wechselrichters von einem Zustand auf den nächsten in Winkelabständen der Welle von 120°/n.

Diese drei Sensoren sind natürlich kostspielig, und sie erfordern Zeit und vor allem Platz zum Einbau, der nicht notwendigerweise immer verfügbar ist. Ein weiteres Problem ist, dass Ungenauigkeiten in der Anordnung der Magneten ai der Ta- choscheibe dazu führen können, dass die Zeitabstände zwischen zwei Schaltimpulsen im Laufe einer Umdrehung der Welle periodisch variieren, was zu einem un- gleichmäßigen Lauf des Motors und damit zu verstärkter Geräuschentwicklung führt.

[005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Rotorlage in einem Elektromotor anzugeben, die eine genaue Lage- erfassung bei geringen Kosten und geringem Platzbedarf, insbesondere in der Nach- barschaft des Rotors, ermöglichen.

[006] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

[007] Durch den abstimmbaren Oszillator können alle herkömmlicherweise am Rotor an- geordneten Sensoren ersetzt werden, bis auf einen einzigen, der benötigt wird, um eine Referenzperiode zu liefern, auf die der Oszillator abgestimmt werden kann. Da der Oszillator nicht in unmittelbarer Nachbarschaft zum Rotor angeordnet sein muss, wird in der Umgebung des letzteren Platz eingespart, der es ermöglicht, den Elektromotor kompakter zu bauen. Darüber hinaus kann aufgrund des verringerten Platzbedarfs des erfindungsgemäßen einzelnen Detektors im Vergleich zu herkömmlichen drei Detektoren der Detektor auch unmittelbar an den Magneten des Rotors platziert werden, so dass Kosten und Platzbedarf einer Tachoscheibe entfallen und Fehler bei der Bestimmung der Referenzlagendurchgänge, die auf Ungenauigkeiten bei der Anordnung der Magnete an der Tachoscheibe zurückgehen, vermieden werden.

[008] Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit einer an sich bekannten Phasen- regelkreis (PLL)-Schaltung ausführbar, in der bei jedem Durchgang des Rotors durch die Referenzlage die Phase des Oszillators erfasst wird und die Abstimmfrequenz des Oszillators anhand der erfassten Abweichung korrigiert wird.

[009] Eine einfache PLL-Schaltung würde eine Vielzahl von Umdrehungen des Elek- tromotors erfordern, bevor sie auf die Frequenz des Rotors einrastet und als Fre- quenznormal für die Ableitung der Magnetfeldsteuerung dienen kann. Ein solches Einrasten wird erheblich dadurch beschleunigt, dass die Zeitdauer zwischen zwei Re- ferenzlagendurchgängen gemessen und eine von dieser Zeitdauer abgeleitete Zeit als Periode des Oszillators vorgegeben wird. So genügen beim Starten des erfin- dungsgemäßen Motors schon zwei Referenzlagendurchgänge, um zu einer braxhbaren Schätzung der Periode zu gelangen, auf deren Grundlage im Weiteren der abstimmbare Oszillator betrieben werden kann.

[010] Bei einem Motor mit einer Mehrzahl n von Polpaaren des Rotors können Ferti- gungstoleranzen dazu führen, dass such bei exakt konstanter Drehgeschwindigkeit des Motors die zwischen zwei Referenzlagendurchgängen gemessenen Zeitdauern rhythmisch schwanken. Um den Einfluss solcher Schwankungen zu begrenzen, wird man zweckmäßigerweise beim Ableiten der als Periode des Oszillators vorzugebenden Zeit aus den Zeitpunkten der Referenzlagendurchgänge einen Schritt des Mittens der bei jeweils n aufeinanderfolgenden Referenzlagendurchgängen ermittelten Zeitdauern vorsehen.

[011] Wenn die Drehzahl des Motors herauf-oder heruntergeregelt werden soll, ist die zwischen zwei Referenzlagendurchgängen gemessene Zeitdauer nicht konstant, sondern sie nimmt kontinuierlich ab oder zu. Dem kann beim Bestimmen der Rotorlage leicht Rechnung getragen werden, indem bei jedem Durchgang des Rotors durch die Referenzlage die seit dem vorhergehenden Durchgang verstrichene Zeitdauer ermittelt wird, die Differenz zwischen dieser Zeitdauer und einer bei dem vorhergehenden Durchgang ermittelten Zeitdauer berechnet wird und die als Periode des Oszillators abgeleitete Zeit durch Hinzuaddieren der mit einem positiven Faktor gewichteten Differenz korrigiert wird. Dieser Faktor wird vorzugsweise bei ca. 0,5 gewählt.

[012] Die abgeleitete Rotorlage kann zweckmäßig genutzt werden, um den zeitlichen Verlauf von an die mehreren Phasen des Motors angelegten Versorgungsspannungen zu steuern. Diese Steuerung besteht vorzugsweise aus dem Anlegen eines mit der erfassten Periode zyklisch wiederkehrenden, aus einer Folge von diskreten Schalt- zuständen bestehenden Musters an die Phasen des Motors, wobei jeweils bei einer vor- gegebenen Rotorlage von einem der Zustände zum darauffolgenden umgeschaltet wird.

[013] Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung sind Motoren für Haushaltsgeräte, ins- besondere für Waschmaschinen.

[014] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich als der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug alE die beigefügten Figuren. Es zeigen : [015] Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Rotorlagenerfassung und eines mit Hilfe der Vorrichtung angesteuerten Elek- tromotors ; [016] Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines in der Vorrichtung der Fig. 1 verwendeten Wechselrichters ; [017] Fig. 3 den zeitlichen Ablauf der zyklisch wiederkehrend an den Motor angelegten Schaltzustände ; und [018] Fig. 4 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung au Ro torlagenerfassung und eines mit Hilfe dieser Vorrichtung angesteuerten Elektromotors.

[019] In dem Blockdiagramm der Fig. 1 bezeichnet 1 einen bürstenlosen Gleich- strommotor, dessen Rotor n = 4 Polpaare aufweist. Der Gleichstrommotor 1 ist durch einen Wechselrichter 7 gespeist, dessen Schalter zyklisch wechselnd von einer Steuer- schaltung 6 in sechs verschiedene, jeweils um 60° elektrisch gegeneinander phasenver- schobenen Magnetfeldern im Motor 1 entsprechende Zustände gebracht werden. Ein Hall-Sensor 2 ist in unmittelbarer Nachbarschaft des Rotors angeordnet, um das Feld jedes einzelnen ihn passierenden Pols des Rotors zu erfassen. Der Hall-Sensor 2 liefert ein Ausgangssignal, das jeweils beim Passieren eines ersten Poltyps eine ansteigende und beim Passieren des anderen Poltyps eine abfallende Flanke aufweist. Die Frequenz f des Ausgangssignals des Hall-Sensors 2 beträgt somit das n-Fache der Drehfrequenz des Motors 1.

[020] Das Ausgangssignal des Hall-Sensors 2 liegt an einem ersten Eingang eines Pha- senkomparators 3 an, dessen zweiter Eingang mit einem Vergleichssignal versorgt ist, dessen Zustandekommen noch erläutert wird. Der Phasenkomparator 3 kann z. B. durch einen elektronischen Zähler gebildet sein, der jeweils bei Eintreffen einer ab- fallenden Signalflanke vom Hall-Sensor 2 beginnt, Impulse eines Taktsignals, dessen Frequenz ein Vielfaches der Frequenz f ist, zu zählen, bis eine abfallende Signalflanke am zweiten Signaleingang empfangen wird, und das Zählergebnis als Messwert für eine Phasendifferenz zwischen den zwei Signalen ausgibt. Die durch ein Tiefpassfilter 4 geglättete Ausgabe des Phasenkomparators 3 steuert einen spannungsgesteuerten Oszillator 5 an. Im stationären Regime liefert dieser Oszillator das Vergleichssignal mit der Frequenz f.

[021] Einer ersten Ausgestaltung zafolge hat das Vergleichssignal eine Form, die jederzeit einen Rückschluss vom Signalpegel auf die Phase zulässt, etwa eine Sägezahn-, Dreieck-oder Sinusform. Die Steuerschaltung 6 empfängt das Ver- gleichssignal des Oszillators 5 und vergleicht es mit einer Reihe von Referenzpegeln, die z. B. Phasen von 0°, 60°, 120°,..., 300° entsprechen, um so die entsprechenden Phasen zu erfassen und zu diesen Phasen den Zustand der Schalter des Wechselrichters 7 zu ändern.

[022] Einer zweiten Ausgestaltung zufolge erzeugt der Oszillator 5 im stationären Regime eine Hauptschwingung mit der Frequenz 6f und weist einen Frequenzteiler auf, der als dieser Hauptschwingung das Vergleichssignal mit der Frequenz f erzeugt.

Jede Periode der Hauptschwingung zeigt somit eine Drehung des Rotors um 60° an.

Anhand der so bestimmten Rotorlage, mit jeder Periode der Haxptschwingung, schaltet die Steuerschaltung jeweils von einem Schaltzustand des Wechselrichters zum nächsten.

[023] Fig. 2 zeigt schematisch den Wechselrichter 7. Er umfasst sechs Schalter SU1, SV1, SW1, SU2, SV2, SW2, von denen jeweils die Schalter SU1, SV1, SW1 zwischen einer positiven Versorgungsklemme (+) und einer Phase U, V bzw. W des Motors 1 angeordnet sind und die Schalter SU2, SV2, SW2 jeweils zwischen einer dieser drei Phasen und einer negativen Versorgungsklemme (-) angeordnet sind. Bei den Schaltern kann es sich in an sich bekannter Weise um IGBTs mit einer parallel ge- schalteten Freilafdiode handeln.

[024] In dem Zeitdiagramm der Fig. 3 ist mit VCO die Hauptschwingung des spannungs- gesteuerten Oszillators 5 dargestellt, auf deren ansteigende Flanke die Steuerschaltung 6 reagiert, indem sie jeweils von einem der sechs zyklisch nacheinander erzeugten Schaltzustände a, b, c, d, e, f zum nächsten wechselt.

[025] Fig. 3 zeigt für jeden der Schaltzastände a bis f den Zustand der Schalter des Wech- selrichters 7 sowie die daraus resultierenden Spannungen an den Phasen U, V, W des Elektromotors 1. Im Zustand a sind die Schalter SU1, SW1 geschlossen. Die Schalter SU2, SW2, SV1 sind offen, und der Schalter SV2 wird gepulst geöffnet und ge- schlossen. Entsprechend dem Tastverhältnis des Schalters SV2 fließt Strom durch die Phasen U, V bzw. W, V des Motors, und die resultierenden Magnetfelder überlagern sich zu einem Raumzeiger u. Im nachfolgenden Schaltzustand b sind die Schalter a SV2, SW2 offen, SU2, SV1, SW1 geschlossen und SU1 ist pulsbreitenmoduliert ; ent- sprechend fließt Strom durch die Phasen U, V und U, W, und es resultiert ein Raumzeiger u, der gegenüber u a um 60'im Gegenuhrzeigersinn gedreht ist. Die b a Zustände geschlossen, offen, pulsbreitenmoduliert der Schalter für die Zustände c, d, e, f und die daraus resultierenden Stromverteilungen und Raumzeiger können aus Fig. 3 abgelesen werden und brauchen hier nicht im Detail erläutert zu werden. Wesentlich ist, dass sechs Perioden des Signals VCO eine Raumzeigerdrehung um 360° ergeben.

[03] Selbstverständlich könnten die von der Steuerschaltung 6 gesteuerten Zustände des Wechselrichters 7 auch andere als die in Fig. 3 gezeigten sein, insbesondere käme auch, wenn auch weniger bevorzugt, ein Zustandsmuster in Betracht, bei dem jede Phase U, V, W des Motors 1 jeweils einen Zustand lang durch öffnen beider zu- geordneter Schalter stromlos gehalten wird, dann zwei Zustände lang mit der positiven Versorgungsspannung verbunden, dann wieder einen Zustand lang stromlos gehalten und schließlich zwei Zustände lang mit der negativen Versorgungsklemme verbunden wird und die drei Phasen jeweils um zwei Zustände gegeneinander phasenverschoben sind.

[027] Die Vorrichtung der Fig. 1 zeigt die Lagen des Rotors, bei denen ein Weiterschalten des Raumzeigers im Motor erforderlich ist, zwar bei einem gleichmäßig rotierenden Motor zuverlässig an, doch können Probleme auftreten, wenn Drehzahländerungen zu einem Verlust der Phasenkopplung führen, oder während des Anfahrens des Motors eine Phasenkopplung erst hergestellt werden muss.

[028] Eine weiterentwickelte Ausgestaltung, die diese und andere Probleme vermeidet, ist in Fig. 4 dargestellt. Komponenten der Vorrichtung aus Fig. 4, die den bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht erneut behandelt.

[029] Das Ausgangssignal des Phasenkomparators 3 bildet hier das nichtinvertierte Ein- gangssignal eines Differenzverstärkers 8, an dessen invertierendem Eingang ein für eine gewünschte Phasenverschiebung repräsentatives Signal"Soll"von außen zugeführt ist. Mit Hilfe dieses externen Signals kann ein beliebiger Nachlaufwinkel zwischen dem Rotor des Motors 1 und dem in dem Motor rotierenden magnetischen Feld eingestellt werden.

[030] Das Tiefpassfilter 4 ist hier als Proportional/integralregler mit einem Gewich- tngsteil 9, welches das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 8 mit einem vor- gegebenen Gewichtungsfaktor multipliziert, und einem Integrator 10 zum Integrieren des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 8 gebildet. Die additiv überlagerten Ausgangssignale von Gewichlungsteil 9 und Integrator 10 werden dem spalinungsge- steuerten Oszillator 5 als ein Frequenzsteuersignal zusammen mit weiteren in einem Addierglied 11 hinzuaddierten Beiträgen zugeführt.

[031] An den Ausgang des Hall-Sensors 2 ist neben dem Phasenkomparator 3 eine Peri- odenmessschaltung 12 angeschlossen, die jeweils die Zeitdauer zwischen zwei aufein- anderfolgenden abfallenden Flanken des Signals vom Hall-Sensor 2 misst und als Aus- gangssignal an eine Mittelwertschaltung 13 und ein erstes Schieberegister 14 liefert.

An den Ausgang des ersten Schieberegisters ist ein Eingang eines zweiten Schiebe- registers 15 und ein zweiter Eingang der Mittelwertschaltung 13 angeschlossen ; an den Ausgang des zweiten Schieberegisters ein drittes Schieberegister 16 und ein dritter Eingang der Mittelwertschaltung 13, und an den Ausgang des dritten Schieberegisters ein vierter Eingang der Mittelwertschaltung 13. Mit jedem neuen Periodenmesswert, den die Messschaltng 12 liefert, triggert sie die Schieberegister 14,15, 16, so dass diese den jeweils an ihrem Eingang anliegenden Messwert übernehmen und ausgeben.

So liegen an den Eingängen der Mittelwertschaltung 13 immer die vier jüngsten Messwerte von Periodendauem des Hall-Sensorsignals an. Die Mittelwertschaltung 13 liefert an ihrem Ausgang den Mittelwert dieser Messwerte. (Allgemein sind bei einer Polpaarzahl des Rotors von n immer n Eingänge und n-1 Schieberegister vorgesehen, so dass über die Zahl n von Perioden des Hall-Sensorsignals gemittelt wird, die einer vollständigen Umdrehung des Rotors entspricht. ) Zyklische Schwankungen der Peri- odendauer, die aus Ungleichmäßigkeiten in der Anordnung der vier Polpaare des Rotors resultieren können, sind somit im Ausgangssignal der Mittelwertschaltung 13 beseitigt. Dieses Ausgangssignal liefert einen wesentlichen Beitrag zum Ein- gangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators 5. Somit liegt nach zwei Refe- renzlagendurchgängen des Rotors eine Eingangsspannung am Oszillator 5 an, die nicht weit von der Eingangsspannung entfernt ist, die sich im stationären Regime einstellen würde, und die Frequenz des Oszillators kann schnell auf die des Rotors einrasten.

[032] Der Ausgang der Mittelwertschaltung 13 ist ferner an eine Differenzschaltung 18 einerseits direkt, andererseits über ein viertes Schieberegister 17 angeschlossen, das in gleicher Weise wie die Schieberegister 14 bis 16 getriggert wird, so dass die Differenz- schaltung 18 als Ausgangssignal die Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden gemittelten Perioden des Hall-Sensorsignals liefert. Das Ausgangssignal der Differenz- schaltung 18 entspricht also der mittleren änderung der Periodendauer und zeigt einen beschleunigten oder verlangsamten Lauf des Motors 1 an. Ein solcher beschleunigter oder verlangsamter Lauf wird berücksichtigt, indem das Ausgangssignal der Differenz- schaltung 18, in einem Gewichtngsteil 19 mit einem Faktor von 0,5 gewichtet, zu den bereits erwähnten Beiträgen zum Eingangssignal des Oszillators 5 im Addierglied 11 hinzuaddiert wird. So berücksichtigt die Schwingung des Oszillators 5 bereits eine änderung der Periodendauer, die zwar in Extrapolation der Vergangenheit zu erwarten, bisher aber noch nicht gemessen worden ist. Die Ansteuerung des Elek- tromotors über die Steuerschaltung 6 und den Wechselrichter 7 ist die gleiche wie im Fall der Fig. 1, wobei in Fig. 4 lediglich der 1 : 6-Frequenzteiler 20, der das Ver- gleichssignal für den Phasenkomparator 3 liefert, als vom Rest der Steuerschaltung 6 getrennte Schaltungskomponente dargestellt ist.

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