Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung von bürstenlosen (EC) -Elektromotoren

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen (EC) -Elektromotors in Positionierantrieben, wobei die Drehwinkelstellung eines Rotors des Motors mit Hilfe einer Sensorik ermittelt wird und ent- sprechend eine Ansteuerung die einzelnen Motorphasen eines Stators des bürstenlosen Motors schaltet.

Aus Gründen der Wartungsfreiheit über die zu erwartende Lebensdauer eines Elektromotors werden in der heutigen Zeit be- vorzugt bürstenlose Elektromotoren auch in Positionierantrieben eingesetzt, in welchen es auf eine exakte Positionierung einer Ausgangs- bzw. Abtriebswelle ankommt. Üblich ist es dabei, Hallsensoren einzusetzen, die das bei einem bürstenlosen Elektromotor zwangsläufig vorhandene Magnetfeld von an dem Rotor angeordneten Permanentmagneten oder das Magnetfeld eines separaten Magnetrads erfassen können. Die Hallsensoren werden dabei über den Statorumfang verteilt, wobei zur Verbesserung der Auflösung die Zahl der Hallsensoren erhöht werden kann. Hallsensoren besitzen ein für die Ansteuerung der Statorwicklung, d. h. für die Motorphasen grundsätzlich günstiges Ausgangsverhalten mit einen nahezu diskreten Signal, d. h., sie verhalten sich quasi wie ein Schalter und sind entsprechend einfach auszuwerten, um eine sichere Ansteuerung der Motorphasen zu ermöglichen. Die einfache Auswertung ist dabei insbesondere bei höheren Drehzahlen von Bedeutung, da die Verarbeitung der Sensorsignale zeitnah erfolgen muss, um eine sichere Ansteuerung der Motorphasen zu ermöglichen, da fehlerhafte Ansteuerungen leicht zu einer Beschädigung des Motors, in jedem Fall aber zu einer Fehlstellung des Aus- gangswelle, führen können. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass die im Statorbereich anzuordnenden Hallsensoren, deren Beschaltung und Signalführung relativ teuer sind und ein zusätzliches aufwendiges Bauelement in diesem Bereich bedingen.

Aus der US 2004/0085041 Al ist es bekannt, eine derartige Hallsensorik, wie sie auch eingangs genannt worden ist, zu nutzen, um auch die Drehwinkelstellung einer Ausgangswelle des Positionierantriebes zu bestimmen. Andererseits ist es auch bereits aus dem Stand der Technik bekannt, zur Verbesserung der Genauigkeit der Drehwinkelbestimmung der Abtriebs- welle ein Magnetfeld eines mit der Abtriebswelle drehstarr verbundenen Magneten mit Hilfe eines Sensors zu erfassen, dessen analoges Ausgangssignal separat digitalisiert und verarbeitet wird. Bei der Abtriebswelle eines Positionierantriebes ist dies wegen des hohen Untersetzungsverhältnisses und der entsprechend langsamen Drehwickeländerung unproblematisch und in der Regel ist die Positionsbestimmung unempfindlich gegen zeitliche Verzögerungen bei der Berechnung, da lediglich quasi stationäre Zustände ermittelt werden müssen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein

Verfahren zur Ansteuerung von bürstenlosen Elektromotoren in Positionierantrieben zu schaffen, und dass ohne die bislang notwendige aufwendige Hallsensorik im Bereich des Stators auskommt .

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem wenigstens ein Permanentmagnet drehstarr an der Rotorwelle des Motors befestigt wird und ein Sensorchip zur Erfassung der Lageänderung des Magnetfeldes stationär angeordnet wird, wobei das analoge Ausgangssignal des Sensorchips in einem Controller erfasst und ausgewertet wird und ein Lageregler auf Basis des ermittelten Ist-Wertes der Rotorposition, des Winkelsollwertes und zu erfassenden und/oder bekannter Motorzustandsgrößen ein Kommutierungssignal für die Ansteuerung generiert, um die Motorphasen zu schalten. Es hat sich gezeigt, dass die Erfassung auch eines sich mit der Rotorwelle des Elektromotors sehr schnell drehenden Magnetfeldes und insbesondere auch die Auswertung dieses analogen Signals, die in der Regel wenigstens aus einer Diskreti- sierung, einer Positionsgenerierung, einem Abgleich und einer Plausibilisierung besteht, auch in der geforderten kurzen Zeit möglich ist, um eine rechtzeitige korrekte Ansteuerung der einzelnen Motorphasen zu ermöglichen und einen sicheren Betrieb des Elektromotors in allen Betriebszuständen zu ge- währleisten. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, einfache Fertigung und eine kostengünstige Sensorik, wobei in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Controller und der Lagerregler zusammenge- fasst werden, um die Fertigung weiter zu vereinfachen und die Kosten senken. In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Winkelstellung der zu positionierenden Ausgangswelle aus den Daten der Rotorwinkelerfassung und den Getriebeeigenschaften ermittelt wird. Dies stellt ein besonders kostengünstiges Verfahren ohne weitere Sensorik dar, das insbesondere bei solchen Positionierantrieben vorteilhaft eingesetzt werden kann, bei denen es nicht auf die allerhöchste Präzision bei der Erfassung der Winkellage der Ausgangswelle ankommt.

Falls eine höhere Präzision gefordert ist oder das Getriebe selbst aufgrund eines besonders hohen Übersetzungsverhältnisses, einer hohen Anzahl hintereinander geschalteter Getriebestufen und möglicherweise vorhandenem Getriebespiel Ungenau- igkeiten hervorruft, kann es von Vorteil sein, auf der Ab- triebswelle eines Positioniergetriebes einen weiteren Magnetgeber drehstarr vorzusehen und diesem zugeordnet einen weiteren Sensorchip anzuordnen, um die Winkelauflösung zu verbessern. Alternativ oder ergänzend kann damit auch eine Redundanz geschaffen werden, so dass beispielsweise die aus der Rotorwinkelstellung und den Getriebeeigenschaften errechnete Lage der Abtriebswelle durch die zweite Sensorik plausibili- siert wird. Die Erfassung der Winkeliststellung der Getriebeausgangswelle mit Hilfe einer zweiten Sensorik kann dadurch vereinfacht werden, dass das analoge Ausgangssignal des zweiten Sensorchips ebenfalls im Controller verarbeitet wird.

Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist auch eine Ansteue- rungsvorrichtung für bürstenlose (EC) -Elektromotoren in Positionsantrieben zur Durchführung der vorgeschriebenen Verfahren. Im einfachsten Fall ist zur Erfassung des Ist-Wertes des Rotors und der Ansteuerung der einzelnen Motorphasen des Stators am Rotor des Motors wenigstens ein Permanentmagnet drehstarr befestigt und zur Erfassung der Winkellage des Magnetfeldes dieses Permanentmagneten wenigstens ein stationärer Sensorchip vorgesehen, wobei ein Controller und ein Lagegeber vorgesehen sind, die das analoge Ausgangssignal des Sensorchips erfassen und auswerten, um die Rotorwinkelposition zu bestimmen und aus der Rotorist-Position, dem Winkelsollwert und weiteren Motorzustandgrößen ein Kommutierungssignal für die Ansteuerung generieren, damit diese die Motorphasen des Stators in der gewünschten Weise ansteuert.

Grundsätzlich eignet sich die Ansteuerungsvorrichtung für Statoren mit einer beliebigen Anzahl von Motorphasen, selbst wenn nur ein Permanentmagnet mit einem Sensorchip zum Einsatz kommt, wobei zur Ansteuerung der wenigstens drei Motorphasen mit steigender Anzahl entsprechend eine höhere Rechnerleistung des Controllers erforderlich ist.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der Controller und der Lagegeber in einer Einheit, d. h. einem

Chip zusammengefasst sind und der Sensorchip auf der Platine des Controllers angeordnet ist. Damit entfällt die fertigungstechnisch aufwendige Anordnung des Sensorchips an einem zusätzlichen Bauteil, an das dann hohe Anforderungen hin- sichtlich der Fertigungsqualität zu stellen sind. Sofern die Erfassung der Winkelstellung der Ausgangswelle des Positionierantriebes gewünscht ist, kann diese in einfacher Weise durch eine bevorzugte Ausführungsform der Ansteuerungs- vorrichtung bestimmt werden, bei welcher der Controller aus den Daten der Rotoriststellung und den Getriebeeigenschaften die Iststellung der Abtriebswelle errechnet.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf der Abtriebswelle des Positionierantriebes drehstarr ein weiterer Permanentmagnet angeordnet ist, dessen Drehwinkellager mit Hilfe eines weiteren Sensorchips erfassbar ist, um die Auflösung der Bestimmung der Drehwinkellage der Abtriebswelle zu verbessern und/oder eine Redundanz für die Winkelbestimmung mithilfe des ersten Sensorchips zu schaffen.

Schließlich ist es bei dieser Ausführungsform besonders bevorzugt, dass auch das Ausgangssignal des zweiten Sensorchips durch den Controller verarbeitet wird, um zusätzlichen Aufwand zu vermeiden.

Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnung (Fig.) näher auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen.

Die Abbildung zeigt als Schaubild eine Ansteuerung 10 eines Elektromotors 12, der aus einem beispielhaft mit drei Motorphasen dargestellten Stator 14 und einem mit in geeigneter Weise mit Permanentmagneten versehen Rotor 16 besteht. Die Statorphasen 14 werden über geeignete elektronische Schaltelemente 18 bestromt, die gemeinsam mit einem Lageregler 20, der sie ansteuert, und einem mit dem Lageregler 20 als Einheit zu einem Chip zusammengefassten Controller 22 auf einer Platine (nicht gezeigt) sitzen. Die Ansteuerung des dermaßen bürstenlos ausgebildeten Elektromotors 12 erfolgt in der Weise, dass an der Rotorwelle 16 drehstarr ein Permanentmagnet 24 angeordnet ist, vorzugsweise an der Stirnfläche der Rotorwelle 16, da sich dort der Permanentmagnet 16 leicht auswuchten lässt und nur geringe Massenträgheitskräfte zu erwarten sind. Im Bereich des Magnetfeldes dieses unabhängig von den Permanentmagneten des Rotors des Elektromotors selbst ausgebildeten Permanentmagneten ist eine Sensorchip 26 angeordnet, der beispielsweise ebenfalls auf der Platine des Controllers 22 und der übrigen elektrischen Schaltelemente sitzt. Ein solcher Sensorchip ist bekannt und liefert ein analoges Ausgangssignal φl, das für die Winkelstellung des Rotors steht. In dem Controller 22 wird das analoge Winkeleingangssignal φl erfasst und ausgewertet, wobei es diskretisiert wird, und die ermittelte Winkeliststellung von dem Controller 22 dazu herangezogen wird, unter Berücksichtigung eines Winkelsollwertes und weiterer Motorzustandsgrößen, wie z. B. Strom und Spannung, die gegebenenfalls durch weitere Sensoren erfassbar sein können, mit seinem Lageregler 20 ein Kommutierungssignal K zu generieren, das die Leistungselemente zur Ansteuerung der Motorphasen 14 ansteuert. Auf diese Weise werden die einzelnen Motorphasen des bürstenlosen Motors 16 gezielt geschaltet .

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel dient der Elektromotor 16 als Antrieb eines Positionierantriebes 28 mit einer Getriebeausgangswelle 30, wie er beispielsweise bei Aktuatoren, Drossel klappenStelleinrichtungen, Betätigungsvorrichtungen für Zentralverriegelungen oder sonstigen Stellvorrichtungen zum Einsatz kommen kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel verfügt der Positionierantrieb 28 noch über eine Zwischenwelle 32, um ein besonders hohes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Motor 16 und der Ausgangswelle 30 zu ermöglichen.

Grundsätzlich ist es möglich, mit Hilfe des Controllers 22 aus dem Sensorsignal φl des ersten Sensorchips 26 auch die Ist-Stellung der Ausgangswelle 30 zu ermitteln. Um eine Redundanz zu erreichen und gegebenenfalls auch die Winkelauflösung zu verbessern, kann auf der Ausgangswelle ein zweiter Permanentmagnet 34 drehstarr angeordnet sein, der mit einem zweiten Sensorchip 36 zusammenwirkt, der wiederum ein analoges Ausgangssignal φ2 generiert, das die Winkeliststellung der Ausgangswelle 30 widerspiegelt. Dieses analoge Rohsignal φ2 kann wiederum mit Hilfe des Controllers 22 verarbeitet werden, um eine exakte Bestimmung der Drehwinkellage der Ausgangswelle zu erreichen. Insbesondere bei mehrstufigen Getrieben mit hohen Übersetzungsverhältnissen und möglicherweise vorhandenem Getriebespiel kann damit die Genauigkeit bei der Erfassung der Winkeliststellung der Ausgangswelle verbessert werden.