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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selbstkommutierenden
Betrieb eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors nach der
Gattung der unabhängigen
Ansprüche.
Derartige Verfahren und Schaltungsanordnungen sind im Stand der
Technik grundsätzlich
bekannt, wobei jeweils eine Auswertung von drehzahltypischen Motorsignalen
zur Anwendung kommt.
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Ein
erstes derartiges Verfahren arbeitet nach dem Prinzip der Erfassung
der in einer nicht bestromten Phase eines permanentmagnetisch erregten
Motors induzierten Spannung als drehzahlrelevantes Signal und ist
beispielsweise in der
DE
3012833 C2 beschrieben. Dieses Verfahren liefert einen
hohen Signalpegel bereits bei relativ kleinen Motordrehzahlen, sowie
bei hoher Last. Außerdem
besteht bei den interessierenden EC-Motoren mit magnetisch unsymmetrischem
Rotor eine geringe Abhängigkeit
der Phasenlage der induzierten Spannung vom Phasenstrom, wodurch
sich eine sichere Auswertung der Drehzahlsignale ohne Korrektur
der Phasenlage bei kleinen Motordrehzahlen und hoher Last erreichen lässt. Nachteilig
bei diesem Verfahren ist jedoch, dass eine Motorphase immer unbestromt
sein muss, weshalb das Verfahren bei höheren, durch Feldschwächung erreichten
Drehzahlen mit hohem Feldschwächungsfaktor
nicht geeignet ist.
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Ein
zweites, ebenfalls grundsätzlich
bekanntes Verfahren zum selbstkommutierenden Betrieb eines permanentmagnetisch
erregten SC-Motors arbeitet nach dem Prinzip der Auswertung der
dritten Oberwellen in den Motorphasenspannungen und ist beispielsweise
von Volker Bosch in den Berichten aus dem Institut für Elektrische
Maschinen und Antriebe der Universität Stuttgart als Dissertation
D 93 in Band 7 unter dem Titel „Elektronisch kommutiertes Einzelspindelantriebssystem" im Shaker Verlag,
Aachen, 2001 veröffentlicht.
Dieses Verfahren ist auch einsetzbar, wenn alle Motorphasen bestromt
sind, und es eignet sich daher auch für den Feldschwächungsbetrieb
mit hohem Feldschwächungsfaktor bei
hohen Drehzahlen eines EC-Motors. Nachteilig bei diesem zweiten
Verfahren ist jedoch, dass die auszuwertenden Signale in starkem
Maße drehzahlabhängig sind,
weshalb bei kleinen Motordrehzahlen keine ausreichenden Signalpegel
anstehen. Außerdem
besteht eine hohe Abhängigkeit
der Phasenlage der Spannungssignale vom Phasenstrom eines SC-Motors
mit einem magnetisch unsymmetrischen Rotor, wie er häufig bei
permanentmagnetisch erregten EC-Motoren verwendet wird. Für kleine
Drehzahlen und insbesondere für
einen Anlauf des SC-Motors unter hoher Last ist das Verfahren daher
ungeeignet.
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Weiterhin
sind zum Starten von EC-Motoren und zum Betrieb dieser Motoren unterhalb
einer Mindestdrehzahl Bestromungsverfahren bekannt, welche sich
zur Anlaufsteuerung sowohl für
die Kombination mit dem selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors
nach dem Prinzip der Erfassung der in einer nicht bestromten Phase induzierten
Spannung als auch für
die Kombination mit dem selbstkommutierenden Betrieb nach dem Prinzip
der Erfassung der dritten Oberwellen der Phasenspannungen eignen.
Hierzu ist es beispielsweise bekannt, den Rotor des Motors beim
Start durch Bestromung der Statorwicklungen in einer bestimmten
Lage auszurichten und die Anfangsbestromung des Motors auf diese Rotorlage
abzustellen. Ein anderes bekanntes Startverfahren für EC-Motoren,
welches sich ebenfalls für die
Kombination mit den beiden vorgenannten selbstkommutierenden Betriebsmöglichten
eignet, arbeitet nach dem Prinzip der Bestimmung der Rotorlage aufgrund
von drehstellungstypischen Daten des Motors. Die Rotorstellung wird
hierbei durch die Bestimmung der unterschiedlichen Stromhöhen bei
impulsförmiger
Bestromung der einzelnen Phasen bestimmt oder durch Erfassung des
unterschiedlichen Stromanstiegs in den einzelnen Phasen aufgrund
unterschiedlicher magnetischer Kopplungen. Derartige Verfahren sind
ebenfalls in den vorgenannten Druckschriften angegeben oder beispielsweise
in der
DE 102 005 007 995.4 beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und eine entsprechende Schaltungsanordnung haben gegenüber den
zuvor beschriebenen bekannten Verfahren den Vorteil, dass sie sowohl
für den
Anlauf mit einer hohen Anlauflast bei niedrigen Drehzahlen als auch für hohe,
durch Feldschwächung
bewirkte Drehzahlen geeignet und mit verhältnismäßig geringem Schaltungsaufwand,
insbesondere ohne hardwaremäßige Drehwinkelsensorik,
realisierbar sind. Dies wird erreicht durch die Kombination grundsätzlich bekannter,
in unterschiedlichen Drehzahlbereichen vorteilhafter Verfahren zum
selbstkommutierenden Betrieb von EC-Motoren, welche durch Überwachung und
Vergleich der Motordrehzahlen mit vorgegebenen Bereichsgrenzen und
durch die jeweilige Umschaltung auf die geeignete Betriebsart in
ihrem vorteilhaften Anwendungsbereich aktiviert werden.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
unabhängigen
Ansprüchen
angegebenen Maßnahmen
möglich.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn ein hysteresebehafteter
Vergleicher zur Auswahl der jeweils bevorzugten Betriebsart durch
die Umschaltung auf unterschiedliche Auswerteschaltungen zum Einsatz
kommt, wobei die Umschaltung mit zunehmender und abnehmender Drehzahl
bei unterschiedlichen Drehzahlen erfolgt und dabei die Einschaltschwelle
für die
Aktivierung der Auswerteschaltung mit der Erfassung der dritten
Oberwellen der Phasenspannungen höher liegt als die Drehzahlschwelle
für die
Umschaltung auf die Auswerteschaltung mit der Erfassung der induzierten
Spannungen. Auf diese Weise wird ein stabilisierter Betrieb im Grenzbereich der
Eignung der unterschiedlichen Auswerteschaltungen sichergestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb
eines EC-Motors mit Erfassung der jeweils in der nicht bestromten
Phase induzierten Spannung,
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2 eine
schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zum selbstkommutierenden Betrieb
eines EC-Motors nach dem Prinzip der Erfassung der dritten Oberwellen
in den Phasenspannungen und
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3 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kombination der Schaltungsanordnungen
gemäß den 1 und 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
das bekannte Prinzip einer Schaltungsanordnung für die Ermittlung der Rotorposition
und die Bestromung der Statorphasen U, V, W eines permanenterregten,
elektronisch kommutierten Gleichstrommotors (EC-Motor) nach dem
Prinzip der Erfassung der in der unbestromten Phase induzierten
Spannung. In der Zeichnung ist mit 10 eine Gleichspannungsquelle
bezeichnet, welche einen dreiphasigen Umrichter 12 zur
Speisung eines dreiphasigen EC-Motors 14 mit Spannung versorgt.
Die Erregung des Motors 14 erfolgt durch einen permanentmagnetischen
Rotor 16.
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Die
Bestromung des Motors erfolgt durch pulsweitenmodulierte 120°-Spannungsblöcke, zwischen
denen jeweils 60° breite,
unbestromte Abschnitte liegen, in denen die in der Phase induzierte Spannung
jeweils ihre Polarität
wechselt. Die Nulldurchgänge
der induzierten Spannung können
zur exakten Bestimmung der Rotorposition ausgewertet werden mittels
der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Hierbei wird
die induzierte Spannung jeder Phase über je ein Tiefpassfilter 18, 20, 22 auf
die nicht invertierenden Eingänge
von Komparatoren 24, 26 und 28 gelegt,
deren invertierende Eingänge
an einem Anschlusspunkt 30 eines mit dem Sternpunkt der
Statorwicklungen U, V, W und mit der Masse 31 des Gleichspannungsnetzes
verbundenen Schaltungszweiges aus einem Widerstand 32 und
einem Kondensator 35 liegen. Die Tiefpassfilter 18, 20, 22 dienen
der Verringerung der Einflüsse
der Pulsweitenmodulation auf die auszuwertenden Signale. Die Ausgangssignale
der Komparatoren 24, 26 und 28 werden
in einer Steuerung 36 in Form eines Mikrocontrollers für den Umrichter 12 ausgewertet.
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In
der dargestellten Schaltung gemäß
1 erhalten
die Komparatoren
24,
26 und
28 jeweils
das gleiche Bezugspotential entsprechend dem Potential am Anschlusspunkt
30.
Das Potential am nicht invertierenden Eingang der Komparatoren ändert sich
entsprechend dem Verlauf der zugehörigen Klemmenspannung, woraus
der Nulldurchgang der induzierten Spannung in der jeweils unbestromten
Phase U, V, W exakt ermittelt und hieraus die zugehörige Rotorposition
bestimmt werden kann, da die Phasenlage der Polradspannung nur von
der Läuferposition
abhängt. Wenn
hierbei der Motor mit im Wesentlichen rechteckförmigen Strömen gespeist wird, fließt ein Strom jeweils
nur in zwei der drei Phasen. Die dritte Phase bleibt unbestromt
und somit entspricht die Polradspannung der unbestromten Phase der
leicht messbaren Klemmenspannung. Für die rechteckförmige Bestromung
der Statorwicklungen werden jeweils nur die sechs Kommutierungszeitpunkte
während
einer Periode benötigt,
welche sich aus den Nulldurchgängen
der Polrad- beziehungsweise
Klemmenspannungen ergeben. Weitere Einzelheiten zum Verfahren der
Bestimmung der Rotorlage aus den Polradspannungen ergeben sich aus
der eingangs genannten Druckschrift
DE 30 12 833 C2 .
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2 zeigt
das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Bestimmung der
Rotorposition eines permanentmagnetisch erregten EC-Motors aus den
dritten Oberwellen der Spannungen in den Phasen U, V, W. Gleiche
Schaltelemente wie in 1 sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Dies gilt für
die Gleichspannungsquelle 10, den Umrichter 12,
den EC-Motor 14 mit seinem Permanentmagnetrotor 16 und
der Masse 31 der Gleichspannungsquelle sowie für die Steuerung 36 des
Umrichters 12.
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Abweichend
von der Anordnung gemäß 1 sind
bei der Schaltungsanordnung gemäß 2 zur
Ermittlung der dritten Oberwellen die Klemmenspannungen der Phasen
U, V, W über
Widerstände 38, 40, 42 zu
einem künstlichen
Sternpunkt 44 zusammengeführt, welcher mit dem nicht
invertierenden Eingang eines Komparators 46 verbunden ist.
Dieser liegt weiterhin über
einen Kondensator 43 an der Masse 31. Die Widerstände 38, 40, 42 haben jeweils
den gleichen Widerstandswert. Der künstliche Sternpunkt 44 ist
zur Bildung eines weiteren Spannungsteilers über einen Widerstand 48 mit
der Masse 31 des Gleichspannungsnetzes verbunden. Der invertierende
Eingang des Komparators 46 liegt an einem Anschlusspunkt 45 eines
zwischen Statorsternpunkt und Masse 31 angeschlossenen
Spannungsteilers mit den Widerständen 32 und 34.
Dieser Anschlusspunkt 45 ist zusätzlich über einen Tiefpassfilter 41 an
Masse 31 gelegt. Der Ausgang der Komparators 46 ist
an die Steuerung 36 für
den Umrichter 12 angeschlossen.
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Die
Schaltungsanordnung gemäß 2 zur Bestimmung
der Rotorposition durch Auswertung der dritten Oberschwingung in
den Klemmenspannungen arbeitet nach dem Prinzip der Differenzbildung zwischen
den Spannungen am echten Sternpunkt der Statorwicklungen U, V, W
und an dem künstlichen Sternpunkt 44.
Die Polradspannung der permanentmagnetisch erregten Drehstrommaschine
mit radial magnetisierten Luftspaltmagneten weist hierbei Oberwellen
ungerader Ordnungszahl auf, wobei die Oberwellen mit von drei oder
einem Vielfachen von drei abweichenden Ordnungszahlen symmetrische Drehspannungssysteme
bilden, die sich gegenseitig aufheben. Übrig bleibt betragsmäßig im Wesentlichen
die dritte Oberwelle, die in den drei Phasen U, V, W gleiche Phasenlage
hat. Im Sternpunkt der Maschine addieren sich diese dritten Oberwellen
zu Null, nicht jedoch am künstlichen
Sternpunkt 44, sodass sie zwischen diesen beiden Punkten
als Eingangsgröße für den Komparator 46 abgenommen werden
können.
Hierbei stimmen die Nulldurchgänge der
Polradspannungen jeweils mit einem Nulldurchgang der dritten Oberwelle überein,
der Einschaltpunkt und der Ausschaltpunkt für eine 120°-Blockbestromung der Phasenwicklungen
U, V, W ist jeweils durch einen Scheitelwert der dritten Oberwelle
definiert.
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In
der Abbildung gemäß 2 sind
weitere Gestaltungsmöglichkeiten
der Schaltungsanordnung nicht dargestellt, beispielsweise solche
zur Integration der Messsignale. Durch eine Integration können die
mit der Drehzahl steigenden Amplituden der dritten Oberwelle auf
ein konstantes Niveau gebracht und der Kurvenverlauf um 90° phasenverschoben werden,
sodass die Nulldurchgänge
der dritten Oberwelle mit den Nulldurchgängen der Phasenspannung übereinstimmen.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der eingangs genannten Literaturstelle
von Volker Bosch über
die Rotorlagebestimmung durch Erfassung der dritten Oberwelle.
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3 zeigt
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum selbstkommutierenden Betrieb eines EC-Motors 14, welcher analog
zu den Schaltungsanordnungen in den 1 und 2 aus
einer Gleichspannungsquelle 10 gespeist und durch eine elektronische
Schalteinrichtung, wiederum in Form eines Umrichters 12,
von einer Steuereinheit 48 kontrolliert wird. Diese enthält eine
erste Auswerteinrichtung 50 entsprechend dem Aufbau in 1,
welche nach dem Messprinzip der in einer unbestromten Phasenwicklung
induzierten Spannung arbeitet, sowie eine zweite Auswerteschaltung 52,
welche analog zur 2 für die Ermittlung der Rotorposition
und zum selbstkommutierenden Betrieb des Motors 14 die
dritten Oberwellen der Phasenspannungen erfasst. Die Umschaltung
zwischen den beiden Auswerteschaltungen 50 und 52 erfolgt
durch einen Vergleicher 54 mit einer zugeordneten Umschaltvorrichtung 56,
welche die Auswerteschaltungen 50 und 52 entsprechend
der Höhe
der Motordrehzahlen n mit einem Mikrocontroller 58 verbindet,
der den Umrichter 12 steuert.
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In
den Mikrocontroller 58 ist ein Zähler integriert, welcher entsprechend
den erfassten Drehzahlimpulsen ein Drehzahlsignal für die Ist-Drehzahl
n an den Vergleicher 54 liefert. Letzterer ist hysteresebehaftet
und erhält
zwei Grenzwertsignale, einerseits von einem Geber 60 bei
einer festzulegenden oberen Drehzahlschwelle n2 und andererseits
von einem Geber 62 bei Unterschreitung einer festzulegenden unteren
Drehzahlschwelle n1. Hierbei liegt die Drehzahlschwelle des Gebers 60 höher als
die Drehzahlschwelle des Gebers 62, sodass die Umschaltung auf
die jeweils geeignete Auswerteschaltung 50 oder 52 mit
zunehmender und abnehmender Drehzahl n bei unterschiedlichen Drehzahlenschwellen
erfolgt. Überschreitet
die Ist-Drehzahl n des Motors 14 die im Geber 60 festgelegte
obere Drehzahlschwelle n2, so wird durch den Umschalter 56 von
der Auswerteschaltung 50 auf die Auswerteschaltung 52 für die dritte
Oberwelle umgeschaltet. Unterschreitet andererseits die Ist-Drehzahl
n des Motors 14 die durch den Geber 62 festgelegte
untere Drehzahlschwelle n1, so wird von der Auswerteschaltung 52 auf
die Auswerteschaltung 50 für die Auswertung der induzierten
Spannung umgeschaltet, wobei die Schwellen der Geber 60 und 62 ein
Hystereseband definieren, um ein stabiles Schaltverhalten zu gewährleisten.
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Die
Auswertung der Drehzahlsignale erfolgt durch den Mikrocontroller 58,
welcher den Umrichter 12 steuert. Durch die Umschaltung
wird bereits bei niedrigen Drehzahlen des Motors 14 ein
hoher Signalpegel erreicht bei gleichzeitig geringer Abhängigkeit
der Phasenlage vom Phasenstrom des Motors, und auch bei hohen Drehzahlen
mit Feldschwächungsbetrieb
steht trotz Bestromung aller Motorphasen ein ausreichender Signalpegel
zur Verfügung.
Das erfindungsgemäße Verfahren
und die zugehörige
Schaltungsanordnung eignen sich daher für die Steuerung von permanentmagnetisch
erregten EC-Motoren sowohl bei einer hohen Anlauflast als auch bei
hohen Drehzahlen im Betrieb mit hohem Feldschwächungsfaktor. Durch die Kombination zweier
grundsätzlich
bekannter Verfahren zur Drehzahlregelung von EC-Motoren und die
Aufteilung des gesamten Stellbereiches in geeignete Teilbereiche können somit
elektrische Antriebe geschaffen werden, die sowohl für den Anlauf
mit hohem Drehmoment als auch für
hohe maximale Drehzahlen besonders geeignet sind. Anwendungsgebiete
für eine
derartige Regelung sind beispielsweise elektrische Arbeitsgeräte wie Schrauber,
Sägen und
Bohrer, deren Einsatzbereich und Leistung deutlich vergrößert werden
können.