DE10064486A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Rotorposition eines Elektromotors mit mehreren Motorsträngen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Erfassungsmodul (23) zur Ermittlung der Rotorposition eines Elektromotors (10) mit mehreren Motorsträngen (101, 201, 301), insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem zur Bestimmung der Rotorposition die Polarität zumindest einer in zumindest einen ersten Motorstrang induzierten Strang-Spannung (107, 207, 307) als mindestens ein erster Polaritätswert (111, 211, 311) durch Vergleich mit einem Referenzwert, insbesondere mit einer realen oder nachgebildeten, an einem Sternpunkt der Motorstränge anliegenden Sternpunktspannung (25, 26), ermittelt wird. Dazu wird vorgeschlagen, dass die Ermittlung des mindestens einen ersten Polaritätswertes auf einen Einschaltzeitpunkt (t¶e¶) zur Bestromung des mindestens einen ersten oder eines zweiten Motorstranges synchronisiert wird und dass der mindestens eine erste Polaritätswert nach einer sich an den mindestens einen Einschaltzeitpunkt (t¶e¶) anschließenden, vorbestimmten Wartezeit (t¶wa¶) ermittelt wird.

Description

STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ro­ torposition eines Elektromotors mit mehreren Motorsträngen, insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Die Erfin­ dung betrifft ferner ein Erfassungsmodul hierfür.

In zahlreichen Bereichen der Technik, insbesondere auch im Kraftfahrzeugbereich, verwendet man neuerdings sogenannte bürstenlose Gleichstrommotoren, die auch als BLDC-Motoren (BLDC = Brushless Direct Current) bekannt sind und keine ver­ schleißanfälligen Bürsten aufweisen. Statt einer mechanischen Kommutierung ist bei BLDC-Motoren eine elektronische Kommu­ tierung vorgesehen, die im Allgemeinen durch eine Leistungs­ elektronik realisiert ist. BLDC-Motoren werden auch elektro­ nisch kommutierte Gleichstrommotoren oder EC-Motoren genannt (EC = electronically commutated).

Ein BLDC-Motor wird mit Hilfe eines als Kommutator dienenden leistungselektronischen Stellgliedes betrieben, beispielswei­ se mit einem 6-pulsigen Brücken-Umrichter, der mit Hilfe einer Pulsmodulation, im Allgemeinen einer Pulsweitenmodulati­ on, aus einer Batterie- oder Zwischenkreis-Gleichspannung ein dreiphasiges, in Frequenz und Spannungsamplitude variables Wechselspannungssystem erzeugt, so dass für den BLDC-Motor beispielsweise im Wesentlichen rechteckförmige Stromblöcke bereitgestellt werden. Die Bestromung der Motorstränge des Elektromotors, also die Bestromung von dessen Wicklungen, er­ folgt dabei in Abhängigkeit von dessen jeweiliger Rotorlage. Üblicherweise werden bei zwei Stränge gleichzeitig bestromt. Dabei sind diesen zugeordnete Zweige des Brücken-Umrichters aktiv und bestromen einen ersten Motorstrang positiv und ei­ nen zweiten Motorstrang negativ. Die Schalter eines dritten Brücken-Umrichter-Zweiges sind dabei geöffnet und somit ist der dritte Zweig inaktiv.

Durch den Rotor des Elektromotors, der z. B. eine Permanent­ magnetanordnung aufweist, wird eine Gegenspannung in die Mo­ torwicklungen, also in die jeweiligen Motorstränge induziert. Für einen hohen Motorwirkungsgrad sind die Motorstränge der­ art zu bestromen, dass in sie eine höchstmögliche Strang- Gegenspannung gleicher Polarität wie der jeweilige Strang­ strom induziert wird.

Jedenfalls müssen bei einem BLDC-Motor dessen aktuelle Rotor­ positionen zur Ermittlung optimaler Kommutierungszeitpunkte bekannt sein. Die Rotorpositionen bzw. Kommutierungszeitpunk­ te können z. B. durch eine Sensoranordnung oder auch sensorlos bestimmt werden, beispielsweise durch Auswertung der Null­ durchgänge der induzierten Gegenspannungen in den jeweils nicht bestromten Motorsträngen. Aus den Nulldurchgängen kann man den Rotorwinkel für die nächste Kommutierung durch Extra­ polation ermitteln. Allerdings ist dieses Verfahren nur für Elektromotoren geeignet, die als Dauerläufer betrieben wer­ den, z. B. in Pumpen oder Lüftern.

Bei Motoren mit einer Drehzahlregelung bis hin zu einem Mo­ torstillstand, beispielsweise bei Motoren für Positionieran­ triebe, sind dynamischere Verfahren zur Ermittlung der Rotor­ position erforderlich. Allerdings treten dabei einige Schwie­ rigkeiten auf:

Durch Pulsweitenmodulation (PWM) der Schalter in den beiden aktiven Zweigen des Brücken-Umrichters wird der in den akti­ ven, bestromten Motorsträngen fließende Strom eingestellt und begrenzt. Allerdings werden durch die Pulsweitenmodulation Störimpulse hervorgerufen, die sich unter anderem durch Kop­ pelinduktivitäten zwischen den einzelnen Motorsträngen auf den nicht bestromten, inaktiven Strang übertragen, so dass bei diesem der Nulldurchgang der induzierten Spannung nicht störungsfrei und zuverlässig gemessen werden kann. Die Takt­ störungen müssen für die Auswertung aus dem jeweiligen Mess­ signal ausgefiltert werden.

Bei analogen Filtern treten dabei jedoch unter anderem Pha­ senverschiebungen auf, die störende Messfehler hervorrufen.

Ein digitales Filterverfahren wird in der US 5,859,520 vorge­ schlagen. Bei diesem Verfahren wird ein Nulldurchgang der in­ duzierten Spannung dadurch gemessen, dass ein oberer Schalter eines Brückenzweiges getaktet wird, sodass sich ein Frei­ lauf-Strom über den unteren Schalter desselben Brückenzweiges einstellt. Im Freilauf wird dann die in den dem betrachteten Brückenzweig zugeordneten Motorstrang induzierte Gegenspan­ nung gegenüber einem Massepotential einer Mess-Schaltung ge­ messen. Nachteilig ist dabei zum Einen, dass nur die oberen Schalter der Brückenzweige getaktet werden können, und zum Anderen, dass durch Taktung der oberen Schalter sozusagen ein Zwangsfreilauf einzustellen ist, um die Messungen überhaupt durchführen zu können. Aus dem Zwangsfreilauf resultiert je­ doch eine geringere potentielle Motorausnutzung.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Hauptan­ spruchs sowie das nach dem Verfahren arbeitende erfindungsge­ mäße Erfassungsmodul haben demgegenüber den Vorteil, dass kein Zwangsfreilauf zur Ermittlung der Polarität von in die Motorstränge induzierter Gegenspannungen erforderlich ist und demzufolge eine optimale Motorausnutzung möglich ist.

Zur Bestimmung der Rotorposition wird die Polarität der in die Motorstränge induzierten Strang-Spannung ermittelt. Dazu werden die jeweiligen Strang-Spannungen mit Referenzwerten, insbesondere mit einer realen oder nachgebildeten, an einem Sternpunkt der Motorstränge anliegenden Sternpunktspannung, verglichen und jeweils Polaritätswerte gebildet. Zur Vermei­ dung von die Polaritätswerte jeweils verfälschenden Störungen wird auf die Einschaltzeitpunkte zur Bestromung der Motor­ stränge synchronisiert und eine vorbestimmte Wartezeit gewar­ tet, in der die Polaritätswerte einen eingeschwungenen, sta­ bilen Zustand erreicht haben. Erst dann werden die Polari­ tätswerte ermittelt und beispielsweise an eine Steuerung zur Steuerung des Elektromotors ausgegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zusammen mit verschieden­ artigen Freilaufverfahren durchgeführt werden. Die notwendige Auswerteschaltung ist kompakt und kann beispielsweise in eine Schaltung zur Steuerung des Elektromotors und/oder zur Steue­ rung einer den Elektromotor versorgenden Leistungselektronik integriert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann varia­ bel und ohne aufwändige Justierungen für einen großen Dreh­ zahlbereich angewendet werden. Jedenfalls treten keine durch Phasenverschiebung hervorgerufene Messfehler auf, wie z. B. bei analogen Filtern.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Erfassungs­ moduls möglich.

Damit nicht eventuell mit Störungen behaftete Polaritätswerte ermittelt werden, werden diese zweckmäßigerweise nur dann er­ mittelt und gegebenenfalls ausgegeben, wenn innerhalb der Wartezeit kein Freilauf des Elektromotors auftritt.

Vorzugsweise wird nach Ablauf der vorbestimmten Wartezeit mit einer Abtastperiode begonnen, in der pro Motorstrang jeweils nicht nur ein Polaritätswert, sondern bei entsprechender Län­ ge der Abtastperiode auch mehrere Polaritätswerte ermittelt werden können. Die Polaritätswerte werden jeweils in einen Speicher eingespeichert, wobei vorgesehen sein kann, dass ein später erfasster Polaritätswert einen vorher erfassten Pola­ ritätswert ersetzt. Beispielsweise kann nur der jeweils letz­ te Polaritätswert eines Motorstranges gespeichert werden.

Zweckmäßigerweise wird dann der jeweils zuletzt ermittelte Polaritätswert ausgegeben.

Die Abtastperiode kann durch mehrere Ereignisse beendet wer­ den, z. B. durch einen Freilauf des Elektromotors oder durch einen nachfolgenden Einschaltzeitpunkt zur Bestromung des E­ lektromotors.

Wie eingangs erwähnt, wird in üblichen Verfahren der Elektro­ motor mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation zur Einstellung und Begrenzung der jeweils in den Motorsträngen fließenden Ströme bestromt. Die Einschaltzeitpunkte zur Bestromung der Motorstränge des Elektromotors werden dabei zweckmäßigerweise durch einen Pulsweitenmodulations-Grundtakt definiert. Dieser Pulsweitenmodulations-Grundtakt wird zweckmäßigerweise zur Synchronisation bei der Ermittlung der Polaritätswerte einge­ setzt.

Es ist auch möglich, dass der Pulsweitenmodulations-Grundtakt jeweils bei einer Kommutierung der Bestromung des Elektromo­ tors durch ein Synchronisationssignal neu gestartet wird. Bei einer Kommutierung wechselt die Bestromung üblicherweise von einem Paar von Motorsträngen zu einem benachbarten Motor­ strang-Paar. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Ermittlung der Polaritätswerte anhand des Synchroni­ sationssignals jeweils neu synchronisiert. Zweckmäßigerweise dienen sowohl das Synchronisationssignal als auch Pulsweiten­ modulations-Grundtakt zur Synchronisierung der Ermittlung der Polaritätswerte. Sehr einfach lässt sich dies beispielsweise dadurch realisieren, dass der Grundtakt und das Synchronisa­ tionssignal mit logisch "ODER" zusammengefasst werden.

Die Strang-Spannungen sowie die Sternpunktspannung können zwar prinzipiell an den jeweiligen Motorsträngen bzw. am Sternpunkt der Motorstränge abgegriffen werden. Die jeweiligen Messpunkte sind jedoch oftmals schwer zugänglich. Daher die werden die Strang-Spannungen und/oder die Sternpunktspan­ nung vorteilhafterweise nachgebildet.

ZEICHNUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1A eine Anordnung aus einem Brücken-Umrichter mit an­ geschlossenen Motorsträngen eines Elektromotors so­ wie einen Stromverlauf im Bestromungszustand,

Fig. 1B die Anordnung aus Fig. 1A mit einem Stromverlauf bei Freilauf des Elektromotors,

Fig. 2A schematische und beispielhafte Verläufe von Strömen bei Bestromung des Elektromotors aus den Fig. 1A, 1B sowie dabei in die Motorstränge jeweils in­ duzierte Spannungen,

Fig. 2B eine gepulste Bestromung eines Motorstranges aus Fig. 2A,

Fig. 3 die Anordnung aus den Fig. 1A, 1B mit einer Mo­ torsteuerung, die ein erfindungsgemäßes Erfassungs­ modul aufweist,

Fig. 4 ein Zustandsübergangsdiagramm einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 5 ein Zustandsübergangsdiagramm einer zweiten Varian­ te der erfindungsgemäßen Verfahrens.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ein Elektromotor 10 ist an einen sechspulsigen Brücken- Umrichter 11 als leistungselektronische Versorgungseinheit des Elektromotors angeschlossen. Bei dem Elektromotor 10 han­ delt es sich um einen bürstenlosen, sogenannten elektronisch kommutierten Gleichstrom-Elektromotor (BLDC-Motor) der ein­ gangs beschriebenen Art. Von dem Elektromotor 10 sind ledig­ lich Motorstränge 101, 201, 301 mit Motorwicklungen 102, 202, 302 gezeigt, die im Stator des Elektromotors 10 angeordnet sind und zu einem Sternpunkt 12 zusammengeschaltet sind. In dem nicht dargestellten Stator läuft ein aus Gründen der Ü­ bersichtlichkeit nicht dargestellter permanentmagnetisch oder elektrisch erregter Rotor 13, der bei seiner Rotation Span­ nungen in die Motorstränge 101, 201, 301 induziert.

Eine Motorsteuerung 14 steuert über eine Steuerleitung 22 den Brücken-Umrichter 11 und somit den Elektromotor 10. Der Brü­ cken-Umrichter 11 wird weist drei Brückenzweige 103, 203, 303 auf, die jeweils ein oberes schaltbares Ventil 104, 204, 304 und ein unteres schaltbares Ventil 105, 205, 305 aufweisen. Die Ventile 104, 105; 204, 205; 304, 305 werden durch die Motorsteuerung 14 ein- und ausgeschaltet, wobei vorliegend eine Pulsweitenmodulation (PWM) eingesetzt wird.

Eingansseitig ist der Brücken-Umrichter 11 an eine Batterie oder einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem positiven Spannungspotential +U_B und einem negativen Spannungspotential -U_B angeschlossen. Ausgangsseitig sind die Motorstränge 101, 201, 301 jeweils zwischen den Ventilen 104, 105; 204, 205; 304, 305 an die Brückenzweige 103, 203, 303 angeschlossen. Die Ventile 104, 105; 204, 205; 304, 305 sind beispielsweise Leistungstransistoren, über die ein Stromfluss in Richtung von dem positiven Spannungspotential +U_B zum negativen Span­ nungspotential -U_B oder vom Abgriff der Motorstränge 101, 201, 301 an den Brückenzweigen 103, 203, 303 in Richtung zum negativen Spannungspotential -U_B ein- und ausschaltbar ist. In Gegenrichtung weisen die Ventile 104, 105; 204, 205; 304, 305 vorliegend als Schutz gegen induzierte Überspannungen je­ weils eine interne, durch einen Pfeil angedeutete Diode auf. Es ist auch möglich, dass eine externe Diode zu den Ventilen 104, 105; 204, 205; 304, 305 geschaltet ist. Jedenfalls er­ lauben die Dioden einen Freilauf des Elektromotors 10, z. B. den in Fig. 1B dargestellten Freilauf.

Die jeweils über die Motorstränge 101, 201, 301 fließenden Strangströme 106, 206, 306 werden von der Motorsteuerung 14 durch Ein- und Ausschalten der Ventile 104, 105; 204, 205; 304, 305 eingestellt. Typischerweise werden, wie im Ausfüh­ rungsbeispiel dargestellt, jeweils zwei Motorstränge 101, 201, 301 gleichzeitig bestromt. Dabei wird ein Motorstrang 101, 201, 301 positiv und der zweite Strang negativ bestromt. 4Ein idealisiertes Kommutierungsmuster für eine elektrische Umdrehung des Rotors 13 zeigt Abb. 2A, in der die die Motorstränge 101, 201, 301 durchfließenden Strangströme 106, 206, 306 und vom elektro- oder permanentmagnetisch erregten Rotor 13 in die Motorstränge 101, 201, 301 induzierte Strang­ spannungen 107, 207, 307 in gestrichelten Linien dargestellt sind.

Man erkennt, dass zwischen Kommutierungszeitpunkten 17, 18, die zwischen den in Drehrichtung des Elektromotors 10 liegen­ den elektrischen Winkeln 30° und 150° liegen, der Motorstrang 101 positiv und der Motorstrang 201 negativ bestromt wird und zwischen elektrisch 210° und 330° liegenden Kommutierungs­ zeitpunkten 19, 20 der Motorstrang 201 positiv und der Motor­ strang 101 negativ bestromt ist. Beispielsweise sind die Ven­ tile 104, 205 zur Einstellung eines Bestromungszustandes zwi­ schen den Kommutierungszeitpunkten 17, 18 eingeschaltet, wie in Fig. 1A dargestellt. Dort ist ferner ein vom positiven Spannungspotential +U_B über das Ventil 104, die Motorwicklun­ gen 102, 202 und das Ventil 205 zum negativen Spannungspoten­ tial -U_B fließender Strom 15 gezeigt.

Für einen hohen Motorwirkungsgrad des Elektromotors 10 wird ein Motorstrang 101, 201, 301 immer bei höchst möglicher in­ duzierter Strangspannung 107, 207, 307 gleicher Polarität bestromt. Im dem in Fig. 2A gezeigten Schaltschema sind die Motorstränge 101, 201, 301 jeweils zwischen den jeweiligen Kommutierungszeitpunkten entweder durchgehend bestromt oder durchgehend nicht bestromt. Der Elektromotor 10 ist dabei un­ ter Volllast.

Durch gepulstes Schalten der Ventile 104, 105; 204, 205; 304, 305, vorliegend mit Hilfe von Pulsweitenmodulation, werden die jeweils in den Motorsträngen 101, 201, 301 fließenden Strangströme 106, 206, 306 begrenzt, wobei der Elektromotor 10 jeweils kurzzeitig in Freilauf übergeht. Ein solcher Frei­ laufzustand ist in Fig. 1B gezeigt. Dabei wird das Ventil 205 geschlossen, so dass sich ein über das Ventil 104, die Motorwicklungen 102, 202 und die interne Diode des Ventils 204 fließender Freilaufstrom 16 einstellt.

Ein abwechselndes Schalten des Ventils 205 für einen Wechsel zwischen Bestromungs- und Freilaufzustand für die Motorsträn­ ge 101, 201 ist in Fig. 2B dargestellt. Der Motorstrang 301 ist dabei stromlos geschaltet und von den Spannungspotentia­ len +U_B, -U_B elektrisch getrennt. Das Ventil 205 wird jeweils zu Einschaltzeitpunkten t_e für eine Einschaltzeit t_ein einge­ schaltet (Bestromungszustand) und zu Einschaltzeitpunkten t_a für eine Ausschaltzeit t_aus ausgeschaltet (Freilaufzustand).

Die Motorsteuerung 14 stellt dabei für den Motorstrang 101 zwischen den Kommutierungszeitpunkten 17, 18 eine Folge 21 von Stromblöcken mit positivem Strangstrom 106 ein, zwischen den Kommutierungszeitpunkten 19, 20 eine Folge 22 von Strom­ blöcken mit negativem Strangstrom 106.

Es versteht sich, dass die Motorsteuerung 14 auch andere Kom­ mutierungsmuster der Strangströme 106, 206, 306 und/oder Pulsmuster der Strangströme 106, 206, 306 durch entsprechen­ des Schalten der Ventile 104, 105; 204, 205; 304, 305 ein­ stellen kann.

Die Motorsteuerung 14 enthält ein Erfassungsmodul 23 zur Er­ mittlung der Rotorposition des Elektromotors 10. Dem Erfas­ sungsmodul 23 ist vorliegend ein Nachbildungsmodul 24 vorge­ schaltet, das die Strangspannungen 107, 207, 307 als virtuel­ le Strangspannungen 108, 208, 308 nachbildet und aus den vir­ tuellen Strangspannungen 108, 208, 308 eine virtuelle Stern­ punktspannung 26 nachbildet. Die virtuellen Strangspannungen 108, 208, 308 fallen an Widerständen 109, 209, 309 ab, die jeweils eingangsseitig parallel zu den Motorwicklungen 102, 202, 302 mit den Brückenzweigen 103, 203, 303 verbunden sind und die ausgangsseitig zu einem virtuellen Sternpunkt 27 zu­ sammengeschaltet sind, an dem die virtuelle Sternpunktspan­ nung 26 abfällt. Jedenfalls ist es aufgrund des Nachbildungs­ moduls 24 nicht erforderlich, dass der (reale) Sternpunkt 12 zur Erfassung der (realen) Sternpunktspannung 25 kontaktiert wird.

Zwischen das Nachbildungsmodul 24 und das Erfassungsmodul 23 ist ein Komparatormodul 28 zur Ermittlung der Polarität der Strangspannungen 107, 207, 307 geschaltet. Das Komparatormo­ dul 28 vergleicht die Strangspannungen 107, 207, 307 mit der einen Referenzwert bildenden virtuellen Sternpunktspannung 26. Das Komparatormodul 28 enthält als Komparatoren beschal­ tete Operationsverstärker 110, 210, 310, die eingangsseitig an ihnen anliegende Spannungsdifferenzen zwischen den Strang­ spannungen 107, 207, 307 einerseits und jeweils der virtuel­ len Sternpunktspannung 26 andererseits vergleichen und aus­ gangsseitig die dabei ermittelte Polarität der jeweiligen Spannungsdifferenz als Polaritätswerte 111, 211, 311 in Form von Ausgangsspannungen ausgeben. Die Polaritätswerte 111, 211, 311 springen bei einem Polaritätswechsel der jeweiligen Spannungsdifferenz von einem negativen zu einem positiven Ma­ ximalwert und umgekehrt. Die Operationsverstärker 110, 210, 310 sind in nicht dargestellter Weise mit einer Versorgungs­ spannung verbunden.

Die Strangspannungen 107, 207, 307 liegen an Spannungsteilern 112, 212, 312 an, die den Plus-Eingängen der Operationsver­ stärker 110, 210, 310 vorgeschaltet sind und jeweils einen parallel zu den Motorwicklungen 102, 202, 302 mit den Brü­ ckenzweigen 103, 203, 303 verbundenen Widerstand 29 und einen mit diesem verbundenen und gegen Masse geschalteten Wider­ stand 30 aufweisen. Die virtuelle Sternpunktspannung 26 liegt an einem Spannungsteiler 31 an, der einen zwischen den virtu­ ellen Sternpunkt und die Minus-Eingänge der Operationsver­ stärker 110, 210, 310 geschalteten Widerstand 32 und einen zwischen die Minus-Eingänge und Masse geschalteten Widerstand 33 aufweist. Jedenfalls werden durch die Spannungsteiler 112, 212, 312; 31 die Strangspannungen 107, 207, 307 sowie die virtuelle Sternpunktspannung 26 auf ein durch die Operations­ verstärker 110, 210, 310 verarbeitbares Maß dimensioniert. Eine geeignete Dimensionierung der Widerstände 29, 30; 32, 33 ist dem Fachmann bekannt und hängt unter anderem von den Ei­ genschaften der Operationsverstärker 110, 210, 310 ab.

Das Erfassungsmodul 23 enthält als Erfassungsmittel vorlie­ gend ein erfindungsgemäß programmiertes logisches Feld, das z. B. ein sogenanntes (Field) Programmable Logic Array ((F)PLA) oder ein sogenanntes (Field) Programmable Gate Array ((F)PGA) sein kann. Prinzipiell können die Erfassungsmittel auch durch eine diskrete Logikschaltung oder einen geeigneten Prozessor gebildet werden, der ein erfindungsgemäßes Pro­ gramm-Modul ausführt. Die Erfassungsmittel des Erfassungsmo­ duls 23 sind zur Ermittlung der Polaritätswerte 111, 211, 311 auf die Einschaltzeitpunkte, z. B. die Einschaltzeitpunkte t_e, zur Bestromung der Motorstränge 101, 201, 301 synchronisier­ bar und zwar derart, dass sie die Polaritätswerte 111, 211, 311 nach einer sich an die jeweiligen Einschaltzeitpunkte anschließenden, vorbestimmten Wartezeit t_wa ermitteln. Eine solche Wartezeit t_wa nach Beginn der Bestromung des Motor­ strangs 101 ist in Fig. 2B beispielhaft eingezeichnet.

Das Erfassungsmodul 23 tastet die Polaritätswerte 111, 211, 311 nach einen erfindungsgemäßen, später anhand von zwei Va­ rianten beispielhaft erläuterten Verfahren ab, und "filtert" aus den sozusagen "rohen" Polaritätswerten 111, 211, 311 e­ ventuell enthaltene Störungen aus. Anschließend gibt das Er­ fassungsmodul 23 aus den rohen Polaritätswerten 111, 211, 311 ermittelte, sozusagen digital gefilterte Polaritätswerte 114, 214, 314 an ein Steuermodul 34 der Motorsteuerung 14 aus, das den Brücken-Umrichter 11 steuert.

Das Steuermodul 34 ermittelt dann anhand von Signalwechseln der Polaritätswerte 114, 214, 314 den jeweiligen elektrischen Referenzwinkel des Rotors 13 und somit die zugeordneten Kom­ mutierungszeitpunkte. Diese Funktion könnte jedoch auch durch das Erfassungsmodul 23 erfüllt werden. Zwischenwerte der Re­ ferenzwinkel, die nicht aus den Polaritätswerten 114, 214, 314 unmittelbar abgelesen werden können, können von dem Steu­ ermodul 34 oder dem Erfassungsmodul 23 beispielsweise durch Extrapolation ermittelt werden. Zudem ist es möglich, dass das Erfassungsmodul 23 und/oder das Steuermodul 34 nur denje­ nigen der Polaritätswerte 114, 214, 314 ausgeben, der einem momentan nicht bestromten Motorstrang 101, 201, 301 zugeordnet ist, z. B. zwischen den Kommutierungszeitpunkten 17, 18 zunächst den Polaritätswert 311 des Motorstrangs 301 und dann den Polaritätswert 211 des Motorstrangs 201.

Das Steuermodul 34 ist lediglich schematisch und beispielhaft in Form von einem Steuermittel 35 und Speichermitteln 36 dar­ gestellt. Bei dem Steuermittel 35 handelt es sich um einen Prozessor oder um eine Gruppe von Prozessoren, beispielsweise Digitale Signalprozessoren, die Programmcode von Programm- Modulen ausführen können, die in den Speichermitteln 36 ge­ speichert sind. Das Steuermodul 34 steuert einerseits den Brücken-Umrichter 11 und gibt dabei die Schaltmuster für die Ventile 104, 105; 204, 205, 304, 305 zur Einstellung von Bestromungs- und Freilaufzuständen vor. Andererseits gibt das Steuermodul 34 an das Erfassungsmodul 23 als Synchronisati­ onssignale ein "Freilauf-EIN"-Signal 40, ein "PWM-Takt- Starten"-Signal 41 und ein "PWM-Takt"-Signal 42 aus.

Das "PWM-Takt"-Signal 42 ist sozusagen der PWM-Grundtakt und wird jeweils zu den Einschaltzeitpunkten t_e beispielsweise als logisch "1" ausgegeben. Es repräsentiert jeweils den Be­ ginn eines Strompulses t_ein auf einem der Motorstränge 101, 201, 301, also die Einschaltzeitpunkte t_e der Bestromung der Motorstränge 101, 201, 301.

Im vorliegenden Beispiel wird der PWM-Grundtakt, also auch das "PWM-Takt"-Signal 42, jeweils bei einer Kommutierung, al­ so z. B. zu den Kommutierungszeitpunkten 17, 18, 19, 20, je­ weils neu gestartet. Das "PWM-Takt-Starten"-Signal 41 wird dabei als logisch "1" ausgegeben. Somit werden die Motor­ stränge 101, 201, 301, sofern sie zuvor nicht bestromt worden sind und eine Bestromung für den jeweiligen Motorstrang 101, 201, 301 vorgesehen ist, jeweils unmittelbar nach einer Kom­ mutierung mit einem Strompuls bestromt. Der Beginn einer sol­ chen Bestromung ist beispielsweise durch die Kommutierungs­ zeitpunkte 17, 19 für den Motorstrang 101 in Fig. 2B be­ stimmt.

Das "Freilauf-EIN"-Signal 40 wird jeweils zu Beginn eines Freilaufzustandes auf einem der Motorstränge 101, 201, 301, also zu den Zeitpunkten t_a, beispielsweise als logisch "1", ausgegeben.

Eine erste Variante zur Ermittlung der Polaritätswerte 114, 214, 314 ist in Fig. 4 dargestellt. Ausgangszustand ist dort ein Zustand "Warten auf Bestromung" 401. Wenn das Erfassungs­ modul 23 in diesem Zustand eines der Signale "PWM-Takt- Starten"-Signal 41 oder "PWM-Takt"-Signal 42 mit logisch "1" empfängt, also von dem Steuermodul 34 ein Einschaltsignal zur Bestromung der Motorstränge 101, 201, 301 gegeben wird, geht das Erfassungsmodul 23 in einen ein Zustand "Bestromung ein­ geschalten" 402 über, was durch einen Übergang 412 angedeutet ist. Das Erfassungsmodul 23 ist somit auf einen Einschalt­ zeitpunkt zur Bestromung von mindestens einem der Motorsträn­ ge 101, 201, 301 synchronisiert.

Im Zustand "Bestromung eingeschalten" 402 startet das Erfas­ sungsmodul 23 einen Timer, um eine vorbestimmte Wartezeit t_wa bis zur Abtastung Polaritätswerte 111, 211, 311 abzuwarten. Die Wartezeit t_wa ist insbesondere dafür vorgesehen, dass die Operationsverstärker 110, 210, 310 einen eingeschwungenen Zu­ stand erreichen und stabile Polaritätswerte 111, 211, 311 ausgeben, und kann von einem Fachmann entsprechend ermittelt und eingestellt werden.

Nach Ablauf der Wartezeit t_wa geht das Erfassungsmodul 23 in einen Zustand "Abstasten und Ausgeben der Polaritätswerte" über (Übergang 423). In diesem Zustand tastet das Erfassungs­ modul 23 die Polaritätswerte 111, 211, 311 ab und gibt sie als Polaritätswerte 114, 214, 314 an das Steuermodul 34 aus. Anschließend geht das Erfassungsmodul 23 in einem Übergang 431 wieder in den Zustand "Warten auf Bestromung" 401 über.

Wenn im Zustand "Bestromung eingeschalten" 402 das Steuermo­ dul 34 den Brücken-Umrichter 11 zur Einstellung eines Frei­ laufes schaltet, vorliegend das Erfassungsmodul 23 das "Freilauf-EIN"-Signal 40 erhält, geht das Erfassungsmodul 23 ebenfalls in den Zustand "Warten auf Bestromung" 401 über.

Wenn das Erfassungsmodul 23 im Zustand "Bestromung einge­ schalten" 402 erneut ein Signal "Bestromung eingeschalten", insbesondere das aufgrund einer Kommutierung gegebene "PWM- Takt-Starten"-Signal 41, möglicherweise auch das "PWM-Takt"- Signal 42, erhält, startet das Erfassungsmodul 23 den Timer erneut zur Ermittlung der vorbestimmten Wartezeit t_wa, was durch einen Übergang 422 dargestellt ist.

Eine zweite Variante zur Ermittlung der Polaritätswerte 114, 214, 314 ist in Fig. 5 dargestellt. Ausgegangen wird von ei­ nem Zustand "Bestromung eingeschalten" 501, der aufgrund ei­ nes der Signale "PWM-Takt-Starten"-Signal 41 oder "PWM-Takt"- Signal 42 eingenommen wird. Im Zustand 501 startet das Erfas­ sungsmodul 23 einen Timer, um eine vorbestimmte Wartezeit t_wa bis zur Abtastung Polaritätswerte 111, 211, 311 abzuwarten.

Wenn das Erfassungsmodul 23 im Zustand "Bestromung einge­ schalten" 501 erneut ein Signal "Bestromung eingeschalten" erhält ("PWM-Takt-Starten"-Signal 41 oder "PWM-Takt"-Signal 42), startet es den Timer erneut zur Ermittlung der vorbe­ stimmten Wartezeit t_wa, was durch einen Übergang 511 darge­ stellt ist.

Wenn das Erfassungsmodul 23 im Zustand "Bestromung einge­ schalten" 501 das "Freilauf-EIN"-Signal 40 erhält, geht das Erfassungsmodul 23 in den Zustand "Freilauf vor Ablauf der Wartezeit" 502 über (Übergang 512), in welchem keine Abtas­ tung der Polaritätswerte 111, 211, 311 erfolgt. Wenn das Er­ fassungsmodul 23 im Zustand "Freilauf vor Ablauf der Warte­ zeit" 502 ein Signal "Bestromung eingeschalten" erhält ("PWM- Takt-Starten"-Signal 41 oder "PWM-Takt"-Signal 42), geht es wieder in den Zustand "Bestromung eingeschalten" 501 über (Übergang 521).

Wenn im Zustand "Bestromung eingeschalten" 501 die Wartezeit t_wa abgelaufen ist, ohne dass eines der Synchronisationssig­ nale 40, 41, 42 eingetroffen ist, geht das Erfassungsmodul 23 in einen Zustand "Bestromung nach Wartezeit aktiv" 503 über (Übergang 513). In diesem Zustand tastet das Erfassungsmodul 23 die Polaritätswerte 111, 211, 311 einmalig oder während einer Abtastperiode t_ab wiederholt ab, z. B. mit einer vorbe­ stimmten Abtastfrequenz, und speichert sie in einem z. B. als Schieberegister ausgebildeten Speicher 43.

Wenn während des Zustands "Bestromung nach Wartezeit aktiv" 503 das "Freilauf-EIN"-Signal 40 eintrifft, der Elektromotor 10 also in Freilauf übergeht, geht das Erfassungsmodul 23 in einem Übergang 534 in einen Zustand "Ausgabe mit Freilauf" 504 über und gibt die jeweils letzten abgetasteten Polari­ tätswerte 111, 211, 311 als Polaritätswerte 114, 214, 314 aus. Bei einem Signal "Bestromung eingeschalten" ("PWM-Takt- Starten"-Signal 41 oder "PWM-Takt"-Signal 42), geht das Erfassungsmodul 23 wieder in den Zustand "Bestromung einge­ schalten" 501 über (Übergang 541).

Wenn während des Zustands "Bestromung nach Wartezeit aktiv" 503 ein Signal "Bestromung eingeschalten" eintrifft ("PWM- Takt-Starten"-Signal 41 oder "PWM-Takt"-Signal 42), geht das Erfassungsmodul 23 in einen Zustand "Ausgabe ohne Freilauf" 505 über (Übergang 535), in welchem es die jeweils letzten abgetasteten Polaritätswerte 111, 211, 311 als Polaritätswer­ te 114, 214, 314 ausgibt. Unmittelbar danach geht das Erfas­ sungsmodul 23 in einem Übergang 551 wieder in den Zustand "Bestromung eingeschalten" 501.

Weitere Varianten der Erfindung sind ohne Weiteres möglich:
Das Erfassungsmodul 23 kann auch als ein Softwaremodul ausge­ bildet sein, das Programmcode enthält, der von einem Steuer­ mittel, z. B. einem Prozessor, ausgeführt werden kann. Bei­ spielsweise könnte der Prozessor 35 der Motorsteuerung 14 ein solches Softwaremodul ausführen. Das Erfassungsmodul 23 wäre dann aus funktionaler Sicht in das Steuermodul 34 integriert.

Es ist prinzipiell auch möglich, dass das Komparatormodul 28 die virtuellen Strangspannungen 108, 208, 308 mit der realen Sternpunktspannung 25 oder die virtuellen Strangspannungen 108, 208, 308 mit der virtuellen Sternpunktspannung 26 ver­ gleicht.

Das Nachbildungsmodul 24 könnte Bestandteil des Erfassungsmo­ duls 23 und/oder der Motorsteuerung 14 sein.

Ferner könnte das Komparatormodul 28 in das Erfassungsmodul 23 und/oder die Motorsteuerung 14 integriert sein. Beispiels­ weise könnten das Komparatormodul 28 und/oder das Erfassungs­ modul 23 durch einen ASIC-Baustein (Application Specific In­ tegrated Circuit) realisiert sein.

Prinzipiell würde auch das "PWM-Takt"-Signal 42 zur Synchro­ nisation des Erfassungsmoduls 23 auf die jeweiligen Ein­ schaltzeitpunkte zur Bestromung der Motorstränge 101, 201, 301 genügen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Ermittlung der Rotorposition eines Elekt­ romotors (10) mit mehreren Motorsträngen (101, 201, 301), insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors, bei dem zur Bestimmung der Rotorposition die Polarität zumindest ei­ ner in zumindest einen ersten Motorstrang (101, 201, 301) in­ duzierten Strang-Spannung (107, 207, 307) als mindestens ein erster Polaritätswert (111, 211, 311) durch Vergleich mit ei­ nem Referenzwert, insbesondere mit einer realen oder nachge­ bildeten, an einem Sternpunkt der Motorstränge (101, 201, 301) anliegenden Sternpunktspannung (25, 26), ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des mindestens einen ersten Polaritätswertes (111, 211, 311) auf einen Ein­ schaltzeitpunkt (t_e) zur Bestromung des mindestens einen ers­ ten oder eines zweiten Motorstranges (101, 201, 301) synchro­ nisiert wird und dass der mindestens eine erste Polaritäts­ wert (111, 211, 311) nach einer sich an den mindestens einen Einschaltzeitpunkt (t_e) anschließenden, vorbestimmten Warte­ zeit (t_wa) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Polaritätswert (111, 211, 311) nur dann ermittelt wird und/oder nur dann ausgegeben wird, wenn innerhalb der Wartezeit kein Freilauf des Elektromotors (10) auftritt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass nach Ablauf der vorbestimmten Wartezeit (t_wa) eine Abtastperiode (t_ab) begonnen wird, in der zumin­ dest ein zweiter Polaritätswert (111, 211, 311) ermittelt werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf der Abtastperiode (t_ab) der jeweils als letzter ermittelte mindestens eine erste oder zweite Polaritätswert (111, 211, 311) ausgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Abtastperiode (t_ab) durch einen Frei­ lauf des Elektromotors (10) oder durch einen nachfolgenden Einschaltzeitpunkt (t_e) zur Bestromung des Elektromotors (10) beendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation bestromt wird, dass die Einschalt­ zeitpunkte (t_e) zur Bestromung der Motorstränge (101, 201, 301) des Elektromotors (10) durch einen Pulsweitenmodulati­ ons-Grundtakt (42) definiert werden und dass die Ermittlung des mindestens einen ersten Polaritätswertes (111, 211, 311) anhand des Pulsweitenmodulations-Grundtakts (42) synchroni­ siert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsweitenmodulations-Grundtakt bei einer Kommutierung durch ein Synchronisationssignal (41) neu gestartet wird und dass die Ermittlung des mindestens einen ersten Polaritäts­ wertes (111, 211, 311) anhand des Pulsweitenmodulations- Grundtakts (42) und/oder des Synchronisationssignals (41) synchronisiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strang- Spannung (107, 207, 307) und/oder die Sternpunktspannung (25, 26) nachgebildet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass ermittelt wird, ob der erste Mo­ torstrang (101, 201, 301) nicht bestromt wird und dass der mindestens eine erste oder zweite Polaritätswert (111, 211, 311) dann ausgegeben wird, wenn der erste Motorstrang (101, 201, 301) nicht bestromt wird.

10. Erfassungsmodul zur Ermittlung der Rotorposition eines Elektromotors (10) mit mehreren Motorsträngen (101, 201, 301), insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors, das Erfassungsmittel zur Ermittlung der Polarität zumindest einer in zumindest einen ersten Motorstrang (101, 201, 301) indu­ zierten Strang-Spannung (107, 207, 307) als mindestens ein erster Polaritätswert (111, 211, 311) durch Vergleich mit ei­ nem Referenzwert, insbesondere mit einer realen oder nachge­ bildeten, an einem Sternpunkt der Motorstränge (101, 201, 301) anliegenden Sternpunktspannung (25, 26), aufweist, da­ durch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel zur Ermitt­ lung des mindestens einen ersten Polaritätswertes (111, 211, 311) auf einen Einschaltzeitpunkt (t_e) zur Bestromung des mindestens einen ersten oder eines zweiten Motorstranges (101, 201, 301) synchronisierbar sind und dass die Erfas­ sungsmittel derart ausgestaltet sind, dass sie den mindestens einen ersten Polaritätswert (111, 211, 311) nach einer sich an den mindestens einen Einschaltzeitpunkt (t_e) anschließen­ den, vorbestimmten Wartezeit (t_wa) ermitteln können.

11. Erfassungsmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, dass es Programmcode enthält, der von einem Steuermit­ tel, insbesondere von einem Prozessor einer Motorsteuerung (14) zur Steuerung des Elektromotors (10), ausgeführt werden kann.

12. Motorsteuerung mit einem Erfassungsmodul (23) nach ei­ nem der Ansprüche 10 oder 11, die zur Steuerung des Elektro­ motors (10) ausgestaltet ist.

13. Speichermittel, insbesondere Diskette oder CD-ROM, Di­ gital Versatile Disc, Festplattenlaufwerk oder dergleichen, mit einem darauf gespeicherten Erfassungsmodul nach Anspruch 11.