Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Starten eines
bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Bürstenlose Gleichstrommotoren, sog. BLDC-Motoren, werden
elektronisch kommutiert, wobei die in Brückenschaltung
angeordneten Halbleiterschalter der Schaltvorrichtung nach
einem vorgegebenen Kommutierungsmuster zur folgerichtigen
Bestromung der einzelnen Wicklungsstränge oder -phasen der
Statorwicklung von einer Steuervorrichtung in Abhängigkeit
von der Drehstellung des Rotors durchgeschaltet (geschlossen)
oder gesperrt (geöffnet) werden. Durch die Kommutierung wird
sichergestellt, daß die Winkelbeziehung von 90° elektrisch
zwischen einem von der Statorwicklung erzeugten
Statorflußvektor und dem Rotordurchflutungsvektor
aufrechterhalten bleibt, und somit der Rotor von dem
umlaufenden Statorfeld oder Statorflußvektor angetrieben
wird.
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Zur Bestimmung der Rotorposition werden z. B.
Positionssensoren eingesetzt (DE 40 40 926 C1). Es sind auch
BLDC-Motoren bekannt, bei denen zur Bestimmung der
Rotorposition rotatorisch induzierte Spannungen ausgewertet
werden (DE 37 09 168 A1). Nachteilig dabei ist, daß im
Motorstillstand keine Spannung induziert wird, die Rotorlage
daher nicht bekannt ist und sich damit der Motoranlauf
insbesondere bei stark veränderlichen oder hohen Lasten
schwierig gestaltet.
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Aus der US 5 569 990 und/oder US 5 028 852 ist es bekannt,
bei einem BLDC-Motor die Rotorposition im Stillstand mit
einer Genauigkeit von 180°/m elektrisch zu bestimmen wobei m
die Phasenzahl der Statorwicklung ist, um mit dieser Kenntnis
der Rotorposition den Motor durch Anlegen eines auf die
Rotordrehstellung angepaßten Kommutierungsmusters der
Ansteuersignale für die Schaltvorrichtung in die richtige
Drehrichtung zu starten. Hierzu werden an die Statorwicklung
des stehenden Motors Stromimpulse gelegt, die einerseits lang
genug sind, um eine korrekte Messung zu ermöglichen und
andererseits kurz genug sind, damit der Rotor nicht dreht,
also seine Position beibehält. Hierzu wird an jede
Wicklungsphase oder jeden Wicklungsstrang der Statorwicklung
ein positiver und ein negativer Teststromimpuls gegeben, die
Stromanstiegszeit, d. h. die Zeit, die vergeht, bis der in der
Wicklungsphase fließende Strom eine Stromschwelle erreicht,
gemessen und die Zeitdifferenz zwischen den beiden
Stromanstiegszeiten bestimmt. Der aus den m
Stromanstiegszeiten bestehende Zeitvektor wird in eine
Bestromungstabelle für die Statorwicklung eingelesen, welche
das zur Kommutierung erforderliche Bestromungsmuster der m
Wicklungsphasen enthält, um den Rotor in die gewünschte
Drehrichtung umlaufen zu lassen. Die zu dem Zeitvektor
zugehörige Kombination der Phasenbestromung wird durch
entsprechende Ansteuersignale realisiert, die an die
Steuereingänge der Halbleiterschalter der Schaltvorrichtung
angelegt werden. Die Ansteuersignale werden dann in der durch
das Kommutierungsmuster vorgegebenen Weise variiert, so daß
auf den Rotor ein entsprechendes Drehmoment ausgeübt wird und
der Rotor hochdreht.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat den Vorteil der genaueren Bestimmung der
Rotorposition im Motorstillstand mit geringerem
steuerungstechnischen Aufwand. Der zur Verfügung stehende
Signalhub wird besser ausgenutzt, so daß die Prüf- oder
Testströme in den Wicklungsphasen oder -strängen kleiner bzw.
kürzer gemacht werden können, was durch dadurch mögliche
größere Bestromungszeiten für die Drehmomenterzeugung ein
höheres Antriebsmoment ermöglicht. Ist die Rotorposition
bestimmt, so kann gemäß weiteren Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer geringeren Anzahl von
weiteren Teststromimpulsen das mögliche Antriebsmoment sowohl
bei aktiver als auch passiver Last weiter gesteigert werden.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserungen des im
Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
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Ist die Rotorposition bestimmt, so wird nach einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
ein Stromimpuls auf die Statorwicklung aufgeschaltet, der
einen drehmomentbildenden Statorflußvektor erzeugt, dessen
Phasenlage um 90° elektrisch in einer als Kraftrichtung
gewählten Rotordrehrichtung gegenüber der bestimmten
Rotorposition versetzt ist. Nach einer Zeitspanne, die
konstant oder abhängig von der Drehzahl des Motors gewählt
wird, wird zur Überprüfung der Rotorposition eine geringere
Anzahl von weiteren Teststromimpulsen auf die Statorwicklung
aufgeschaltet. Ist die Rotorposition unverändert, so wird
erneut durch Aufschalten eines Stromimpulses der
drehmomentbildende Statorflußvektor erzeugt. Hat sich der
Rotor gedreht, so wird mittels eines Stromimpulses ein
drehmomentbildender Statorflußvektor generiert, dessen
Phasenlage wiederum um 90° elektrisch gegenüber der neu
bestimmten Rotorposition versetzt ist. Dieser Vorgang wird
fortgesetzt, bis eine ausreichende Rotordrehzahl erkannt
wird, wonach auf ein anderes bekanntes Verfahren zur
sensorlosen Bestimmung der Rotorposition umgeschaltet wird.
Damit entfallen die zyklisch auftretenden Teststromimpulse,
und der Motor ist im seinem vollen Leistungsumfang nutzbar.
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Die Aufschaltung der weiteren Teststromimpulse kann in
verschieden Weisen durchgeführt werden. Ist die Drehrichtung
des Motors bekannt, so werden gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung die Teststromimpulse so
aufgeschaltet, daß ein erster weiterer Teststromimpuls einen
ersten Statorflußvektor erzeugt, dessen Phasenlage mit der
bestimmten Rotorposition übereinstimmt, und ein zweiter
weiterer Teststromimpuls einen zweiten Statorflußvektor
erzeugt, dessen Phasenlage um einen elektrischen
Winkelschritt in Kraftrichtung gegenüber dem ersten
Statorflußvektor versetzt ist. Die Kraftrichtung ist dabei
die bekannte Drehrichtung des Rotors. Die den beiden
Statorflußvektoren zugehörigen Stromanstiegszeiten werden
gemessen und miteinander verglichen, und die Phasenlage des
Statorflußvektors mit der kleinsten Stromanstiegszeit wird
als neue Rotorposition bestimmt. Danach wird wiederum ein
Stromimpuls auf die Statorwicklung aufgeschaltet, der einen
drehmomentbildenden Statorflußvektor erzeugt, dessen
Phasenlage um 90° elektrisch gegenüber der neuen
Rotorposition in Kraftrichtung versetzt ist.
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Ist die Drehrichtung des Motors unbekannt, so werden gemäß
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die
weiteren Teststromimpulse so aufgeschaltet, daß ein erster
weiterer Teststromimpuls einen ersten Statorflußvektor
erzeugt, der gegenüber der Phasenlage des zuvor erzeugten
drehmomentbildenden Statorflußvektors um 90° elektrisch
zuzüglich eines elektrischen Winkelschritts entgegen
Kraftrichtung versetzt ist, und ein zweiter weiterer und ein
dritter weiterer Teststromimpuls jeweils einen zweiten und
dritten Statorflußvektor erzeugen, der um jeweils einen
elektrischen Winkelschritt in Kraftrichtung gegenüber dem
ersten bzw. zweiten Statorflußvektor versetzt ist. Die den
Statorflußvektoren zugehörigen Stromanstiegszeiten werden
wiederum gemessen und miteinander verglichen, und die
Phasenlage des Statorflußvektors mit der kleinsten
Stromanstiegszeit wird als neue Rotorposition bestimmt.
Anschließend wird ein Stromimpuls auf die Statorwicklung
aufgeschaltet, der einen drehmomentbildenden Statorflußvektor
erzeugt, dessen Phasenlage um 90° elektrisch gegenüber der
neuen Rotorposition in Kraftrichtung versetzt ist.
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In beiden Fällen hat die vorstehend beschriebene Festlegung
der Abfolge des Anlegens der weiteren Teststromimpulse
folgende Vorteile: Vor dem Anlegen eines Teststromimpulses
ist es notwendig, daß die in den Wicklungsphasen von dem
vorhergehenden Teststromimpuls erzeugten Phasenströme
abgeklungen sind. Dadurch wird sichergestellt, daß die mit
den einzelnen Teststromimpulsen erhaltenen Meßergebnisse
nicht durch einen bereits existierenden Phasenstrom
verfälscht werden. Nachdem der letzte Teststromimpuls
aufgeschaltet worden ist und damit die aktuelle Rotorposition
bekannt ist, kann direkt der Stromimpuls zur Erzeugung des
drehmomentbildenden Statorflußvektors aufgeschaltet werden.
Ein Abklingen der Phasenströme in der Statorwicklung ist in
diesem Fall nicht mehr notwendig. Durch die vorstehend
beschriebe Festlegung der Abfolge der Teststromimpulse liegt
der von dem letzten Teststromimpuls erzeugte Statorflußvektor
immer um 30° elektrisch - wenn die Rotorposition bestätigt
wurde - und 90° elektrisch - wenn eine neue Rotorposition
erkannt worden ist - neben dem Statorflußvektor, der für die
anschließende Drehmomenterzeugung zum Weiterbewegen des
Rotors erforderlich ist. Liegt der vom letzten
Teststromimpuls erzeugte Statorflußvektor nur 30° elektrisch
neben dem drehmomentbildenden Statorflußvektor so braucht zur
Erzeugung des drehmomentbildenden Statorflußvektors nur eine
der durch den letzten Teststromimpuls bestromten
Wicklungsphasen der Statorwicklung nicht mehr bestromt zu
werden. Ist der Abstand der Statorflußvektoren 90°
elektrisch, kann zur Erzeugung des drehmomentbildenden
Statorflußvektors immerhin eine der durch den letzten
Teststromimpuls bestromten Wicklungsphasen für die Erzeugung
des drehmomentbildenden Statorflußvektors gleich bestromt
bleiben. Durch diese Integration des letzten
Teststromimpulses mit dem Stromimpuls für die
Momentenerzeugung wird eine deutliche Drehmomenterhöhung im
Hochlauf erzielt, da das Verhältnis der Zeiten für die
Teststromimpulse und der Zeiten für die Momentenerzeugung
verbessert ist, ohne daß die Zeit für die Momentenerzeugung
verlängert wurde.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
werden zur Bestimmung des die Rotorposition bestimmenden
Statorflußvektors die Phasenlagen und die zugeordneten
Stromanstiegszeiten aufeinanderfolgender Statorflußvektoren
gespeichert und dabei die Speicherwerte des vorherigen
Statorflußvektors mit denen des nachfolgenden
Statorflußvektors überschrieben, wenn die dem nachfolgenden
Statorflußvektor zugehörige Stromanstiegszeit kleiner ist,
als die dem vorherigen Statorflußsektor zugehörigen
Stromanstiegszeit. Durch diese Verfahrensvariante müssen
nicht alle Stromanstiegszeiten und zugeordneten Phasenlagen
der Statorflußvektoren abgespeichert werden. Es genügt, wenn
jeweils für zwei unmittelbar aufeinanderfolgende
Teststromimpulse, die Stromanstiegszeiten und die Phasenlagen
der erzeugten Statorflußvektoren gespeichert werden, so daß
sich der Speicherbedarf auf nur zwei Speicher beschränkt. In
den ersten Speicher werden dabei immer die jeweils aktuelle
Stromanstiegszeit und die aktuelle Phasenlage des gerade
erzeugten Statorflußvektors eingeschrieben und eine in der
vorstehend beschriebenen Weise arbeitende Vergleichslogik
sorgt dafür, daß im zweiten Speicher immer die Phasenlage des
Statorflußvektors abgespeichert ist, dem die kleinste
Stromanstiegszeit zugehörig ist.
Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es
zeigen:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum
Betrieben eines bürstenlosen
Gleichstrommotors, an einem
Gleichspannungsnetz,
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Fig. 2 ein Schaltbild der Schaltvorrichtung in der
Vorrichtung gemäß Fig. 1,
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Fig. 3 ein in der Steuervorrichtung der Vorrichtung
gemäß Fig. 1 abgelegtes Kommutierungsmuster,
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Fig. 4 bis 10 Darstellungen von im Stator erzeugten
Statorflußvektoren zur Erläuterung des
Verfahrens zum Starten des Gleichstrommotors.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In Fig. 1 ist im Blockschaltbild eine Vorrichtung zum
Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors 10 an einem
Gleichspannungsnetz mit der Netzgleichspannung UB
dargestellt. Der Gleichstrommotor 10 weist in bekannter Weise
einen Stator 11 mit einer im Ausführungsbeispiel dreiphasigen
Statorwicklung 12 (Fig. 2) und einen permanentmagneterregten
Rotor 13 auf. Alternativ kann der Rotor auch
gleichstromerregt sein. Mittels einer Schaltvorrichtung 14,
die von einer Steuervorrichtung 15 gesteuert wird, werden die
drei Wicklungsphasen oder -stränge 121, 122, 123 der
dreiphasigen Statorwicklung 12 folgerichtig so bestromt, daß
im Stator ein Statorfeld umläuft, das dem Durchflutungsvektor
des Rotors 13 um 90° elektrisch in Drehrichtung vorauseilt.
Hierzu ist es erforderlich, die Drehstellung des Rotors 13 zu
überwachen und die Schaltvorrichtung 14 entsprechend
anzusteuern. Die momentane Rotordrehstellung wird mit Hilfe
der rotatorisch induzierten Spannung in den Wicklungsphasen
121-123 der Statorwicklung 12 bestimmt, was durch die in
Fig. 1 strichliniert eingezeichnete Spannungsmeßleitung 27
angedeutet ist.
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Die Schaltvorrichtung 14 umfaßt eine Mehrzahl von
Halbleiterschaltern, die im Ausführungsbeispiel als MOS-FETs
ausgebildet und in einer Zweiweg-Brückenschaltung
zusammengefaßt sind. Bei der gewählten Dreiphasenwicklung
sind in der Schaltvorrichtung 14 sechs Halbleiterschalter T1
-T6 vorhanden, deren Steuereingänge an der Steuervorrichtung
15 angeschlossen sind. In der Steuervorrichtung 15 werden
entsprechend eines vorgegebenen Kommutierungsmusters
Ansteuersignale generiert (in Fig. 3 linker Tabellenteil) die
an die einzelnen Halbleiterschalter T1-T6 gelegt werden und
dadurch eine Bestromung der Wicklungsphasen 121-123 der
Statorwicklung 12 bewirken, wie sie in Fig. 3 im rechten Teil
der Tabelle dargestellt ist. Das Pluszeichen bedeutet hierbei
eine positive Bestromung in Richtung Pfeil 16 in
Fig. 2, ein Minuszeichen eine entgegengerichtete Bestromung.
Ein nicht ausgefülltes Kästchen steht für eine stromlose
Wicklungsphase. Werden beispielsweise die Halbleiterschalter
T1, T4 und T6 angesteuert, so schalten diese durch, und ein
Strom fließt in der Wicklungsphase 121 in Richtung Pfeil 16
und in den Wicklungsphasen 122 und 123 gegen Pfeilrichtung.
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Im Motorstillstand besteht das Problem, daß bei Drehzahl Null
keine Spannung in der Statorwicklung 12 induziert wird, so
daß das sensorlose Verfahren zur Rotorlagebestimmung durch
Auswertung der Strang- oder Phasenspannungen des Motors 10
nicht eingesetzt werden kann. Um einen geregelten Motoranlauf
aus dem Stillstand zu gewährleisten, sind weitere Komponenten
für einen geregelten sensorlosen Hochlauf vorgesehen. Diese
umfassen einen vom Summenstrom der Statorwicklung 12
durchflossenen Meßshunt 17, einen Verstärker 18, einen
Komparator 19, an dessen einem Eingang eine Referenzspannung
Uref liegt, einen Zeitmesser 20, zwei Speicher 21, 22, eine
Vergleichslogik 23 zum Vergleich der Speicherinhalte der
beiden Speicher 21, 22 und eine von der Vergleichslogik 23
gesteuerte Torschaltung 24, die bei geöffnetem Tor das
Einschreiben der Speicherwerte aus dem Speicher 21 in den
Speicher 22 zuläßt.
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Mit diesen Komponenten für den geregelten Hochlauf des Motors
10 wird folgendes Verfahren zum Starten des bürstenlosen
Gleichstrommotors 10 durchgeführt:
Im Stillstand des Rotors 13 werden auf die dreiphasige
Statorwicklung 12 sechs Teststromimpulse aufgeschaltet, die
im Stator Statorflußvektoren erzeugen, die um 60° elektrisch
gegeneinander versetzt sind. Hierzu werden die
Halbleiterschalter T1-6 der Schaltvorrichtung 14
nacheinander mit den im linken Teil der Tabelle gemäß Fig. 3
angegebenen Schaltsignalen angesteuert. Die Ordnungszahl der
Impulse In mit n = 1, 2. . .6 ist in Fig. 3 in der linken Spalte
eingetragen. In dem linken Teil der Tabelle sind die
erforderlichen Ansteuersignale der Halbleiterschalter T1-T6
dargestellt. Eine "1" bedeutet dabei einen geschlossenen
Halbleiterschalter, also einen durchgeschalteten MOS-FET,
eine "0" steht für einen gesperrten MOS-FET, also einen
offenen Halbleiterschalter T1-T6. Die Teststromimpulse sind
dabei von einer solch kurzen Dauer, daß die im Motor
erzeugten Drehmomente so klein sind, daß sich der Rotor 13
aufgrund seines Trägheitsmoments und der Reibung nicht
bewegt. Bei jedem Teststromimpuls In werden die
Wicklungsphasen 121, 122 und 123 der Statorwicklung 12 in der
im rechten Teil der Tabelle der Fig. 3 angegebenen Weise
bestromt, wobei im Stator ein Statorflußvektor generiert
wird, dessen Phasenlage α in der mittleren Spalte der
Tabelle in Fig. 3 eingetragen ist. Beim ersten
Teststromimpuls I1 werden z. B. - wie in Fig. 3 ausgewiesen
ist - die Halbleiterschalter T1, T4 und T6 angesteuert. In
der Wicklungsphase 121 fließt ein zeitlich zunehmender
Phasenstrom in Richtung Pfeil 16, der über die
Wicklungsphasen 122, 123 entgegen Pfeil 16 und über den
Meßshunt 17 fließt. Der über den Meßshunt 17 fließende
Summenstrom ergibt eine Meßspannung, die über den Verstärker
18 dem Komparator 19 zugeführt wird. Übersteigt die am
Meßshunt 17 abgegriffene und verstärkte Spannung die
Referenzspannung Uref wird vom Komparator 16 ein
Ausgangssignal generiert, das als Stopsignal an den
Zeitmesser 20 und an die Steuervorrichtung 15 gelangt. Mit
Auslösen eines jeden Teststromimpulses durch die
Steuervorrichtung 15 wird von der Steuervorrichtung 15 auch
der Zeitmesser 20 gestartet, der die Zeit mißt, bis der von
dem Teststromimpuls in den Wicklungsphasen 121-123 erzeugte
Summenstrom die durch die Referenzspannung Uref festgelegte
Stromschwelle erreicht hat. Ist dies der Fall, so wird durch
das Ausgangssignal des Komparators 19 die Zeitmessung beendet
und über die Steuervorrichtung 15 die Ansteuerung der
Halbleiterschalter beendet. Die vom Zeitmesser 20 gemessene
Zeit t1 wird zusammen mit der Phasenlage α1 des von dem
Teststromimpuls I1 erzeugten Statorflußvektors gespeichert.
Der gleiche Vorgang wiederholt sich beim Aufschalten des
zweiten Teststromimpuls I2 durch Ansteuerung der
Halbleiterschalter T1, T3 und T6 und beim Aufschalten der
übrigen Teststromimpulse I3 bis I6.
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Nach Aufschalten aller Teststromimpulse In mit n = 1-6 sind
nacheinander die in Fig. 4 dargestellten sechs
Statorflußvektoren 25 erzeugt worden, und zu jedem
Statorflußvektor 25 sind die Stromanstiegszeit tn und die
Phasenlage αn abgespeichert worden. Nunmehr werden die
Stromanstiegszeiten miteinander verglichen, und die
Phasenlage des Statorflußvektors, dem die kleinste
Stromanstiegszeit zugehörig ist, wird als Rotorposition
bestimmt. Diese Rotorposition definiert einen Sektor 26 von
60° elektrisch, dessen Symmetrieachse durch die Phasenlage αn
des Stromflußvektors 25 bestimmt ist. In Fig. 4 sind die
sechs Stromflußvektoren 25 und die zugehörigen Sektoren 26
dargestellt. Bei einer m-phasigen Statorwicklung mit m > 2
werden durch insgesamt 2m Teststromimpulse 2m
Statorflußvektoren 25 erzeugt, die um 180°/m elektrisch
zueinander versetzt sind und 2m Sektoren 26 mit einer
Winkelbreite von 180°/m elektrisch definieren.
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Um nicht alle Stromanstiegszeiten tn und die zugeordneten
Phasenlagen αn mit n = 1-6 der Statorflußvektoren abspeichern
zu müssen und den Speicherbedarf auf die beiden Speicher 21,
22 reduzieren zu können, wird immer die jeweils vom
Zeitmesser 20 gemessene aktuelle Zeit tn in den Speicher 21
geschrieben und dort der Phasenlage αn des aktuellen
Statorflußvektors zugeordnet. Nach dem ersten Teststromimpuls
I1 wird die im ersten Speicher 21 abgelegte Stromanstiegszeit
t1 und die dazugehörige Phasenlage α1 des vom Testimpuls I1
erzeugten Statorflußvektors in den zweiten Speicher 22
eingeschrieben. Mit Anlegen des zweiten Teststromimpulses I2
wird die Stromanstiegszeit t2 im Summenstrom der
Statorwicklung 12 gemessen und diese zusammen mit der
zugehörigen Phasenlage α2 des Statorflußvektors 25 in den
Speicher 21 eingeschrieben. Die Vergleichslogik 23 vergleicht
nunmehr die im zweiten Speicher 22 enthaltene
Stromanstiegszeit t1 mit der in den ersten Speicher 21
eingeschriebenen Stromanstiegszeit t2. Ist die
Stromanstiegszeit t2 kleiner als die Stromanstiegszeit t1,
steuert die Vergleichslogik 23 die Torschaltung 24 auf, und
der Speicherinhalt des zweiten Speichers 22 wird von dem
Speicherinhalt des ersten Speichers 21 überschrieben. Ist die
Stromanstiegszeit t2 größer als die Stromanstiegszeit t1, so
bleibt die Torschaltung 24 geschlossen, und beim nächsten
Testimpuls I3 wird der Speicherinhalt des Speichers 21 mit
dar Stromanstiegszeit t3 und der Phasenlage α3 des von dem
dritten Teststromimpuls I3 erzeugten Statorflußvektors
überschrieben. Die Vergleichslogik 23 vergleicht wiederum die
in den beiden Speichern 21, 22 abgelegten Stromanstiegszelten
tn+1 und tn und steuert wie vorstehend beschrieben die
Torschaltung 24 auf oder nicht. Sind alle sechs
Teststromimpulse In an die Statorwicklung 12 gelegt worden,
so sind im zweiten Speicher 22 die kleinste Stromanstiegszeit
und die Phasenlage des zugehörigen Statorflußvektors
abgespeichert. Diese Phasenlage bestimmt den Sektor 26, in
welchem die maximale Verkettung zwischen Rotorfluß und
Statorfluß auftritt, und definiert damit den Sektor 26, in
dem sich der Rotor 13 momentan befindet. Angemerkt sei, daß
die Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden
Teststromimpulsen so gewählt wird, daß die von einem
Teststromimpuls erzeugten Phasenströme in der Statorwicklung
12 vor Aufschalten des nächsten Teststromimpulses abgeklungen
sind. Dadurch wird sichergestellt, daß die
Stromanstiegszeiten beim Aufschalten der einzelnen
Teststromimpulse nicht durch einen bereits existierenden
Phasen- oder Strangstrom verfälscht werden.
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Damit der Rotor 13 nach dem Ende der Positionsbestimmung ein
Drehmoment abgibt, wird nunmehr ein Stromimpuls auf die
Statorwicklung 12 aufgeschaltet, der einen
drehmomentbildenden Statorflußvektor erzeugt, dessen
Phasenlage um 90° elektrisch in einer als Kraftrichtung
gewählten Rotordrehrichtung gegenüber der bestimmten
Rotorposition versetzt ist. Die Statorflußvektoren 25' für
die Drehmomenterzeugung sind in Fig. 5 dargestellt. Ist
beispielsweise der Sektor 26 der Rotorposition durch die
Phasenlage α = 120° des von einem Teststromimpuls
hervorgerufenen Statorflußvektors 25 festgelegt (Fig. 6), so
besitzt der drehmomentbildende Statorflußvektor 25' die
Phasenlage α = 210°. Nach Ablauf einer Zeit, die fest oder
z. B. in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors gewählt
wird, wird durch Aufschalten weiterer Teststromimpulse auf
die Statorwicklung 12 die Rotorposition überprüft, d. h.
nachgeprüft, ob aufgrund des aufgeschalteten Stromimpulses
zur Drehmomentbildung der Rotor 13 seine zuvor bestimmte
Position beibehalten oder verändert hat, um das
Antriebsmoment beizubehalten.
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Ist die Drehrichtung des Motors bekannt, so werden - wie dies
in Fig. 7 und 8 dargestellt ist - die weiteren
Teststromimpulse so aufgeschaltet, daß ein erster weiterer
Teststromimpuls einen ersten Statorflußvektor 251 erzeugt,
dessen Phasenlage α um einen halben elektrischen
Winkelschritt, im Ausführungsbeispiel der dreiphasigen
Statorwicklung 12 also um 30° elektrisch, gegenüber der
Phasenlage α = 210° des drehmomentbildenden Statorflußvektors
25' (Fig. 8) entgegen Kraftrichtung, die mit der Drehrichtung
zusammenfällt, versetzt ist. Dabei wird, wie eingangs
beschrieben, die Stromanstiegszeit gemessen. Anschließend
wird ein zweiter weiterer Teststromimpuls auf die
Statorwicklung 12 aufgeschaltet, der einen zweiten
Statorflußvektor 252 erzeugt, dessen Phasenlage α um einen
elektrischen Winkelschritt, im Ausführungsbeispiel also 60°
elektrisch, gegenüber dem ersten Statorflußvektor 251
entgegen Kraftrichtung versetzt ist. Auch die diesem
Statorflußvektor 252 zugehörige Stromanstiegszeit wird
gemessen. Nunmehr werden wiederum die beiden
Stromanstiegszeiten miteinander verglichen und die Phasenlage
α des Statorflußvektors 251 bzw. 252 mit der kleinsten
Stromanstiegszeit als neue Rotorposition bestimmt. Hierzu
werden - wie zuvor beschrieben - die Phasenlagen α der von
den Teststromimpulsen erzeugten Statorflußvektoren 251, 252
und die zugehörigen Anstiegszeiten t wieder in die Speicher
21, 22 eingeschrieben und durch die Vergleichslogik 23
miteinander verglichen. Die Phasenlage α des
Stromflußvektors mit der kleinsten Stromanstiegszeit wird an
die Steuervorrichtung 15 übertragen. Nunmehr wird wie
vorstehend beschrieben ein Stromimpuls auf die Statorwicklung
12 aufgeschaltet, der einen drehmomentbildenden
Statorflußvektor 25' erzeugt, dessen Phasenlage um 90°
elektrisch gegenüber der neuen Rotorposition in Kraftrichtung
versetzt ist (Fig. 8). Der Vorgang der Aufschaltung der
beiden weiteren Teststromimpulse und des Stromimpulses zur
Drehmomenterzeugung wird solange fortgesetzt, bis die
Steuervorrichtung 15 eine ausreichende Rotordrehzahl erkennt.
Dann wird von der Ansteuervorrichtung 15 auf die z. B. EMK-
basierte sensorlose Rotorpositionsbestimmung umgeschaltet.
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Von einer bekannten Drehrichtung kann ausgegangen werden,
wenn das mögliche Lastmoment nicht größer ist als das
verfügbare Motormoment, d. h. daß der Motor bei Aufschalten
der drehmomentbildenden Stromimpulse sich nicht unbedingt
drehen muß, allerdings auch nicht von der Last entgegen der
gewünschten Drehrichtung bewegt wird. Ist die Drehrichtung
unbekannt, so wird - wie dies in Fig. 9 und 10 dargestellt
ist - zusätzlich zu den beiden weiteren Teststromimpulsen
noch ein dritter weiterer Teststromimpuls auf die
Statorwicklung 12 aufgeschaltet, der einen Statorflußvektor
erzeugt, dessen Phasenlage α um einen elektrischen
Winkelschritt, also im Ausführungsbeispiel um 60° elektrisch,
gegenüber dem vom zweiten Teststromimpuls erzeugten
Statorflußvektor 252 entgegen Kraftrichtung versetzt ist.
Auch hier wird wiederum die Stromanstiegszeit gemessen, und
die Phasenlage α des Statorflußvektors mit der kleinsten
Stromanstiegszeit bestimmt die neue Rotorposition. Zur
nachfolgenden Drehmomenterzeugung wird in gleicher Weise
wiederum ein Stromimpuls an die Statorwicklung 12 gelegt, der
einen drehmomentbildenden Statorflußvektor 25' mit einer
gegenüber der neu bestimmten Rotorposition um 90° elektrisch
in Kraftrichtung vorauseilenden Phasenlage erzeugt (Fig. 10).
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Während es vor dem Anlegen eines jeden Teststromimpulses
notwendig ist, daß in den Wicklungsphasen 121-123 die
Phasenströme vollständig abgeklungen sind, kann der
Stromimpuls zur Erzeugung eines drehmomentbildenden
Statorflußvektors unmittelbar dem letzten Teststromimpuls
folgen. Ein Abklingen der Phasen- oder Strangströme ist in
diesem Fall nicht notwendig. Um das Verhältnis von Zeit für
die Teststromimpulse und Zeit für den Stromimpuls für die
Momenterzeugung zu verbessern, ohne daß die Zeit für die
Momentenerzeugung verlängert wird, wird bei dem vorstehend
beschriebenen Aufschalten der weiteren Teststromimpulse zur
Nachprüfung der Rotorposition und zum Steigern des
Antriebsmoments für den Rotor 13 in einer modifizierten Weise
vorgegangen:
Bei bekannter Drehrichtung des Rotors (Fig. 7 und 8) werden
die weiteren Teststromimpulse so aufgeschaltet, daß ein
erster weiterer Teststromimpuls einen ersten Statorflußvektor
251a erzeugt, dessen Phasenlage α mit der Rotorposition
übereinstimmt, wie sie durch Anlegen der ersten sechs
Teststromimpulse bestimmt wurde. Nachfolgend wird ein zweiter
weiterer Teststromimpuls auf die Statorwicklung 12
aufgeschaltet, der einen zweiten Statorflußvektor 252a
erzeugt, dessen Phasenlage um einen elektrischen
Winkelschritt, also 60° elektrisch, in Kraftrichtung, die
hier wiederum mit der Drehrichtung zusammenfällt, gegenüber
dem ersten Statorflußvektor 251a versetzt ist. Die
Bezugszeichen für diese beiden Statorflußvektoren sind in
Fig. 7 in Klammern gesetzt. Die Stromanstiegszeiten beider
Teststromimpulse werden gemessen und die Phasenlage
desjenigen Statorflußvektors, dem die kleinste
Stromanstiegszeit zugehörig ist, wird als neue Rotorposition
bestimmt. Anschließend wird wiederum ein Stromimpuls zur
Drehmomenterzeugung auf die Statorwicklung 12 aufgeschaltet.
Der von diesem Stromimpuls erzeugte drehmomentbildende
Statorflußvektor 25' (Fig. 8) ist um 90° elektrisch gegenüber
der neu bestimmten Rotorposition in Kraftrichtung verschoben.
Stimmt die neu bestimmte Rotorposition mit der zuvor
bestimmten Rotorposition überein, beträgt also im in Fig. 7
und 8 angenommenen Beispiel 120° elektrisch, so liegt der mit
dem zuletzt angelegten Teststromimpuls erzeugte
Statorflußvektor 252a um einen halben elektrischen
Winkelschritt von hier 30° elektrisch neben dem
drehmomentbildenden Statorflußvektor 25' so daß zur
Generierung des Stromimpulses für den drehmomentbildenden
Statorflußvektor mit der Phasenlage α = 210° lediglich die
Wicklungsphase 122 nicht mehr bestromt zu werden braucht, wie
dies aus dem Bestromungsschema im rechten Teil der Tabelle
gemäß Fig. 3 hervorgeht. Weicht dagegen die neu bestimmte
Rotorposition von der zuvor bestimmten Rotorposition ab, hat
also im Beispiel der Fig. 7 die Phasenlage α = 180°
elektrisch, so liegt der mit dem zuletzt angelegten
Teststromimpuls erzeugte Stromflußvektor 25 90° elektrisch
neben dem zur Drehmomentenbildung erforderlichen
Statorflußvektor 25' (in Fig. 8 strichliniert eingezeichnet)
und zum Anlegen des um 90° in der Phasenlage vorauseilenden
drehmomentbildenden Statorflußvektors 25' kann eine
Wicklungsphase gleich bestromt bleiben. Im in Fig. 7 und 8
vorgestellten Beispiel ist dies bei einer Phasenlage α = 270°
des Statorflußvektors 25' die Wicklungsphase 123 der
Statorwicklung 12, die durch den letzten Teststromimpuls
zusammen mit den Wicklungsphasen 121 und 122 bestromt wurde.
In beiden Fällen wird damit der letzte Teststromimpuls mit
dem Stromimpuls für die Erzeugung des drehmomentbildenden
Statorflußvektors integriert, wodurch eine deutliche
Drehmomenterhöhung im Hochlauf erzielt wird.
-
Ist wiederum die Drehrichtung des Motors unbekannt, so werden
zur Erzielung des gleichen wie vorstehend beschriebenen
Vorteils die insgesamt drei weiteren Teststromimpulse so auf
die Statorwicklung 12 aufgeschaltet, daß - wie in Fig. 9
dargestellt ißt - ein erster weiterer Teststromimpuls 251b
einen Statorflußvektor 251b erzeugt, der gegenüber der
Phasenlage des drehmomentbildenden Statorflußvektors 25' um
90° elektrisch zuzüglich eines halben elektrischen
Winkelschritts, also 30° elektrisch, entgegen Kraftrichtung
versetzt ist. Die zugehörige Stromanstiegszeit wird gemessen
und gespeichert. Im angenommen Beispiel der Fig. 9 und 10 hat
dieser Statorflußvektor 251b eine Phasenlage von α = 60°, ist
also gegenüber dem drehmomentbildenden Statorflußvektor 25'
um 150° elektrisch entgegen Kraftrichtung versetzt. Danach
wird ein zweiter weiterer Teststromimpuls aufgeschaltet, der
einen Statorflußvektor 252b generiert, der gegenüber dem
ersten Statorflußvektor 251b um einen elektrischen
Winkelschritt, also 60° elektrisch, in Kraftrichtung versetzt
ist. Auch hier wird die zugehörige Stromanstiegszeit
gemessen. Ein dritter weiterer Teststromimpuls wird
aufgeschaltet, der einen dritten Statorflußvektor 253b
generiert, dessen Phasenlage wiederum um eine elektrischen
Winkelschritt, also um 60° elektrisch, gegenüber dem zweiten
Statorflußvektor 252b versetzt ist. Die zugehörige
Stromanstiegszeit wird wiederum gemessen. Nunmehr wird
derjenige der drei Statorflußvektoren 251b, 252b und 253b
bestimmt, dessen Stromanstiegszeit die kleinste ist. Die
Phasenlage α dieses Statorflußvektors definiert die neue
Rotorposition. Auch hier liegt der Statorflußvektor 213b, der
von dem zuletzt auf die Statorwicklung 12 aufgeschalteten
Teststromimpuls erzeugt wurde, um 30° elektrisch neben dem
zur Drehmomentenbildung erforderlichen Statorflußvektor 25',
wenn die gleiche Rotorposition wie zuvor erkannt wird, und um
90° elektrisch neben dem Statorflußvektor 25', der für die
anschließende Drehmomenterzeugung benötigt wird, wenn sich
die Rotorposition verändert hat. Wie vorstehend schon
hervorgehoben wurde, braucht im ersten Fall (gleiche
Rotorposition) für die Drehmomenterzeugung nur eine Phase
nicht mehr bestromt zu werden. Im zweiten Falle der
veränderten Rotorposition ist ein Stromflußvektor zu
generieren, der um 90° elektrisch der neu bestimmten
Rotorposition in Kraftrichtung vorauseilt. Wie das
Bestromungsmuster der Wicklungsphasen in dem rechten
Tabellenteil der Fig. 3 zeigt, kann hierzu eine gleiche
Wicklungsphase bestromt bleiben, die auch durch den zuletzt
aufgeschalteten Teststromimpuls bestromt wurde. Der Vergleich
der Stromanstiegszeiten der drei Teststromimpulse erfolgt
auch hier wiederum durch die Vergleichslogik 23, und die
Phasenlage α des zuletzt in den zweiten Speicher 22
eingeschriebenen Statorflußvektors, die den Sektor 26
bestimmt, in welchem sich der Rotor 13 befindet, wird der
Steuervorrichtung 15 zugeführt. Auch hier werden die drei
Teststromimpulse und der Stromimpuls zur Drehmomenterzeugung
nach Ablauf einer bestimmten Zeit wiederholt angelegt und die
gleiche Prozedur solange durchgeführt, bis die
Steuervorrichtung 15 eine ausreichende Drehzahl des Rotors 13
erkennt.