DE102007031548A1 - Elektromotor-Kommutator und Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotor-Kommutators - Google Patents

Elektromotor-Kommutator und Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotor-Kommutators Download PDF

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Abstract

Die Erfindung ist gerichtet auf einen Elektromotor-Kommutator (12) mit einer Schaltbrücke (20) mit einem Highside-Halbleiter (T<SUB>1</SUB>) und einem Lowside-Halbleiter (T<SUB>4</SUB>). Der Kommutator (12) weist ferner einen Pulsweiten-Modulator (26) zur Ansteuerung der Schaltbrücke (20) auf. Der Pulsweiten-Modulator (26) ist an beide Halbleiter (T<SUB>1</SUB>, T<SUB>4</SUB>) angeschlossen. Der Pulsweiten-Modulator wird alternierend an die beiden Halbleiter (T<SUB>1</SUB>, T<SUB>4</SUB>) durchgeschaltet. Hierdurch wird eine gleichmäßige Erwärmung aller Schalt-Halbleiter (T<SUB>1</SUB>, T<SUB>4</SUB>) der Schaltbrücke (20) realisiert, so dass die Verlustleistung und die Temperaturbelastung der Schalt-Halbleiter gleich ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Elektromotor-Kommutator und ein Verfahren zum Ansteuern eines derartigen Kommutators.
  • Ein elektronischer Kommutator dient der Steuerung bzw. Regelung der Drehzahl und des Drehmomennts eines bürstenlosen Elektromotors. Jeder Elektromotor weist mindesteins eine Stator- und/oder Rotorspule auf, die durch den Kommutator bestromt wird. Hierzu weist der Kommutator eine Schaltbrücke mit einem sogenannten Lowside-Halbleiter und einem Highside-Halbleiter auf. Die Schaltbrücke wird durch einen Pulsweiten-Modulator angesteuert. Der Pulsweiten-Modulator generiert ein pulsweiten-moduliertes periodisches Signal, mit dem eine der beiden Schalt-Halbleiter der Schaltbrücke angesteuert wird. Die Modulationsfrequenz ist so hoch, dass aufgrund der elektrischen Zeitkonstante des Motors und der gespeicherten Energie in den Stranginduktivitäten der von dem Pulsweiten-Modulator periodisch in die Motorspulen eingeleitete Strom zu einem mittleren Strom in der betreffenden Motorspule geglättet wird. Durch Variation des Tastverhältnisses kann auf diese Weise eine beliebige Spannung zwischen Null Volt und der Versorgungsspannung eingestellt werden.
  • Bei Kommutatoren nach dem Stand der Technik wird entweder der Lowside-Halbleiter oder der Highside-Halbleiter der Schaltbrücke durch den Pulsweiten- Modulator angesteuert, wobei der komplementäre Schalt-Halbleiter während der gesamten Modulationsphase geschlossen, also durchleitend ist. Über den dauerhaft geschlossenen komplementären Schalt-Halbleiter bildet sich in den Bestromungspausen zwischen zwei Pulsen des pulsweiten-modulierten Signals ein Freilauf. Unabhängig davon, ob es sich bei der Schaltbrücke um eine Halbbrücke oder um eine Vollbrücke handelt, und unabhängig davon, ob die Schaltbrücke ein, zwei, drei oder mehr Motorspulen treibt, werden der jeweilige Lowside- und Highside-Halbleiter verschieden stark belastet. Nur bei einem Pulsweiten-Verhältnis von 100%, d. h. bei einem Verhältnis der Pulslänge zur Taktlänge von 1,0, liegt die elektrische und die thermische Belastung des Lowside- und des Highside-Halbleiters auf einem gleichen Niveau von ungefähr 50% der gesamten Verlustleistung.
  • Insbesondere bei hochdynamischen Elektromotoren bzw. Anwendungen, die für Kurzzeitbetrieb ausgelegt sind, kommt es beispielsweise während des Starts zu deutlich unsymmetrischen Belastungen der beiden zueinander komplementären Halbleiter. Sowohl der Lowside-Halbleiter als auch der Highside-Halbleiter sind in der Praxis aus Symmetriegründen identisch und daher alle auf 100% der gesamten auftretenden Leistung bzw. Verlustleistung ausgelegt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, ein Elektromotor-Kommutator bzw. ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotor-Kommutators zu schaffen, bei dem die Leistungs-Halbleiter der Schaltbrücke symmetrisch belastet werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 9.
  • Gemäß dem Vorrichtungsanspruch 1 ist der Pulsweiten-Modulator sowohl an den Lowside-Halbleiter als auch an den Highside-Halbleiter angeschlossen. Es ist ein Betriebsart-Umschalter vorgesehen, der den Pulsweiten-Modulator alternierend an den Highside- bzw. den Lowside-Halbleiter durchschaltet.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 9 wird beim Betrieb des Kommutators zum Betrieb des Elektromotors alternierend und unterhalb der Modulationsfrequenz fM zwischen einer Highside- und einer Lowside-Betriebsart umgeschaltet, in der das Pulsweiten-Modulator-Signal alternierend auf den Highside- und den Lowside-Schalt-Halbleiter geschaltet wird, wobei der jeweils komplementäre Halbleiter jeweils durchgeschaltet, also geschlossen wird.
  • Gemäß den unabhängigen Patentansprüchen ist also vorgesehen, regelmäßig und unterhalb der Modulationsfrequenz fM zwischen der Highside- und der Lowside-Betriebsart hin- und herzuschalten. Hierdurch wird die Verlustleistung auch bei einem Modulationsverhältnis von weniger als 100% annähernd gleich auf den Lowside- und den Highside-Halbleiter verteilt. Die Umschaltfrequenz fHL, mit der der Betriebsart-Umschalter zwischen der Lowside- und der Highside-Betriebsart hin- und herschaltet, ist in Abhängigkeit von der thermischen Trägheit der beiden betroffenen Halbleiter zu wählen. Die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL muss so hoch sein, dass bei Pulsweiten zwischen 0% und 100% eine unsymmetrische Erwärmung einer der beiden miteinander korrespondierenden Schalt-Halbleiter gegenüber dem anderen korrespondierenden Schalt-Halbleiter ausgeschlossen ist. Hierdurch wird die in den beiden korrespondierenden Halbleitern auftretende Verlustleistung so symmetriert und schnell verteilt, dass eine symmetrische und weitgehend gleichförmige peakfreie Erwärmung aller Halbleiter sichergestellt ist. Betriebsart-Umschaltung kann bei verschiedenen Schaltbrücken-Topologien eingesetzt werden, also bei 1H-, 3H-, M6-, B6-, etc. -Topologien.
  • Bei Versuchen hat sich gezeigt, dass die Maximaltemperatur der Schaltbrücken-Halbleiter um 15–20 K und mehr reduziert werden kann. Die betreffenden Halbleiter können daher entsprechend kleiner dimensioniert sein, wodurch sich wiederum Kostenvorteile ergeben. Gegebenenfalls sind an wärmeabführende Mittel geringere Anforderungen zu stellen. Ferner steigen durch die vermeidbaren Temperaturpeaks auch die Sicherheit gegenüber Zerstörung und die Zuverlässigkeit.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL unterhalb Modulationsfrequenz fM des Pulsweiten-Modulators. Besonders bevorzugt liegt die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL mindestens 60% unterhalb der Modulationsfrequenz fM. Die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL ist jedoch stets so hoch zu wählen, dass eine nennenswerte Erhöhung der Temperatur des einen Halbleiters gegenüber der des anderen korrespondierenden Halbleiters über die Dauer einer Betriebsart bis zum Umschalten praktisch ausgeschlossen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung liegt die Betriebsart-Umschaltfrequenz fHL unter 5 kHz.
  • Vorzugsweise ist der Betriebsart-Umschalter zeitgesteuert. Unabhängig von der Drehzahl bzw. Drehfrequenz des Elektromotors wird die Umschaltung der Betriebsart mit einer konstanten Frequenz betrieben. Hierdurch kann zuverlässig eine zu geringe Umschaltfrequenz, die zu einer unerwünschten Erwärmung einer der korrespondierenden Halbleiter führen könnte, ausgeschlossen werden.
  • Alternativ ist jedoch auch eine lagegesteuerte Umschaltung der Betriebsart realisierbar. Dies stellt technisch die einfachere Lösung dar, da Rotor-Lagenformationen bei elektrisch kommutierten Elektromotoren ohnehin vorliegen. Beispielsweise kann die Betriebsart alle 15°, 30° oder 60° einer Rotor-Vollumdrehung umgeschaltet werden. Bei der lagegesteuerten Betriebsart-Umschaltung ist sicherzustellen, dass eine Mindest-Betriebsart-Umschaltfrequenz nicht unterschritten wird, um eine unerwünschte Erhitzung einer der beiden korrespondierenden Halbleiter zu vermeiden.
  • Grundsätzlich kann die Schaltbrücke des Kommutators als Halbbrücke ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schaltbrücke jedoch als Vollbrücke ausgestaltet. Hierdurch kann die bzw. können die Motor-Spulen bzw. -Stränge in beiden Richtungen bestromt werden. Dies eröffnet u. a. die Möglichkeit den Motor in beiden Drehrichtungen zu betreiben.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kommutator derart ausgebildet, dass ein aktiver Freilauf während der Taktpause realisiert werden kann bzw. realisiert wird. Hierdurch wird die Verlustleistung insgesamt reduziert, da der Freilauf-Strom nicht mehr über eine Freilauf-Diode, sondern über einen geschlossenen Schalt-Halbleiter läuft.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 schematisch einen Elektromotor mit Elektromotor-Kommutator einschließlich einer reduziert dargestellten Schaltbrücke und Schaltbrückenansteuerung mit einem Pulsweiten-Modulator,
  • 2 die Verläufe des Stromes durch die Motorspule, der Ansteuersignale für die Schalt-Halbleiter und des Stromes durch die Schalt-Halbleiter der Schaltbrücke der 1 bei passivem Freilauf, und
  • 3 die Verläufe des Stromes durch die Motorspule, der Ansteuersignale für die Schalt-Halbleiter und des Stromes durch die Schalt-Halbleiter der Schaltbrücke der 1 bei aktivem Freilauf.
  • In der 1 ist eine vereinfachte und reduzierte dargestellte Motor-Anordnung 10 gezeigt, die im Wesentlichen gebildet wird von einem Kommutator 12 und einem Elektromotor 14. Der Elektromotor 14 ist ein bürstenloser elektronisch kommutierter Elektromotor mit einem permanentmagnetischen Motorrotor 16 und drei statorseitigen Motorspulen L, L', L''. Die drei Motorspulen L, L', L'' werden durch den Kommutator 12 mit Strom versorgt.
  • In der 1 ist der Übersichtlichkeit halber der Kommutator 12 stark reduziert dargestellt, um exemplarisch und übersichtlich zwei verschiedene Betriebszustände in Bezug auf eine Halbbrücke, die von den Halbleitern T1 und T3 gebildet wird, zu erläutern. Der Kommutator 12 weist eine als Vollbrücke ausgebildete Schaltbrücke 20 auf, deren Schalt-Halbleiter T1, T2, T3, T4 durch eine Schaltbrücken-Ansteuerung 22 angesteuert werden. Die Schalt-Halbleiter T1, T2, T3, T4 sind MOSFET-Halbleiter, können jedoch auch aus anderen schaltbaren Leistungshalbleitern gebildet werden. Den Halbleitern T1–T4 parallel sind Freilauf-Dioden D1–D4 zugeordnet, die in den Schaltpausen einen Stromfluss erlauben.
  • Die Schaltbrücken-Ansteuerung 22 weist u. a. einen Mikrocomputer 24, einen Pulsweiten-Modulator 26 und einen Betriebsart-Umschalter 28 auf. Tatsächlich ist die Ansteuerung 22 komplexer, da vorliegend nur zwei Betriebsarten in einer Bestromungsrichtung in Bezug auf eine Halbbrücke exemplarisch erläutert werden und hierzu u. a. auf eine Darstellung der Ansteuerung der Halbleiter T2 und T4 völlig verzichtet wurde. Tatsächlich werden alle drei Motorspulen L, L', L'' bestromt und zwar mit alternierenden Stromrichtungen. Das Prinzip der Ansteuerung 22 soll exemplarisch an einer der drei H-Brücken erklärt werden.
  • Bei Kommutatoren nach dem Stand der Technik wird das von dem pulsweiten-Modulator generierte Signal entweder auf einen Highside-Halbleiter T1, T2 oder auf einen Lowside-Halbleiter T3, T4 geleitet. Der ebenfalls im Brückenzweig liegende komplementäre Schalt-Halbleiter T3, T4, bzw. T1, T2 kann zum aktivem Freilauf angesteuert werden.
  • Wenn die in der 1 dargestellte Anordnung im sogenannten Highside-Modus betrieben wird, ist bei Anordnungen nach dem Stand der Technik der Pulsweiten-Modulator ausschließlich auf dem betreffenden Highside-Halbleiter T1 geschaltet. Der korrespondierende Lowside-Halbleiter T4 ist dann dauerhaft geschlossen. Während der Taktpause des pulsweiten-modulierten Signales ist der Highside-Halbleiter T1 geöffnet, d. h. es fällt dort während der Taktpause keine Verlustleistung und damit keine weitere Erwärmung an. Der korrespondierende Halbleiter T4 bleibt jedoch geschlossen, damit sich in der unteren Hälfte der Schaltbrücke 20 ein Freilauf einstellen kann, der im Uhrzeigersinn durch die Motorspule L, den Lowside-Halbleiter T4 sowie die Freilaufdiode D4 bzw. gegebenenfalls den geschlossenen Halbleiter T3 im Kreis läuft. Nur bei einem Tastverhältnis von 100% ist die Verlustleistung in dem Highside-Halbleiter T1 und dem korrespondierenden Lowside-Halbleiter T4 identisch.
  • Wird die Motorspule L in beiden Bestromungsrichtungen betrieben, was in aller Regel der Fall ist, wird der betrachtete Lowside-Halbleiter T4 auch während der aktiven Freilaufphasen beansprucht, wenn der die Bestromung der Motorspule L in Gegenrichtung modulierende Highside-Halbleiter T2 geöffnet ist.
  • Da ein Pulsweiten-Verhältnis von 100% im Betrieb die Ausnahme darstellt und gegebenenfalls prinzipbedingt technisch nicht möglich ist, wird ein Teil der Brücke (Low- oder Highside Halbleiter), je nach Taktungsart, in aller Regel erheblich mehr beansprucht als die korrespondierenden Halbleiter. Dies hat zur Folge, dass sich die Verlustleistung und damit die Erwärmung unterschiedlich auf die Halbleiter verteilt.
  • Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Kommutator 12 ist daher ein Betriebsart-Umschalter 28 vorgesehen, der den Pulsweiten-Modulator 26 abwechselnd auf den bzw. die Highside-Halbleiter T1, T2 und auf die Lowside-Halbleiter T4, T3 aufschalten kann. Es kann ständig zwischen einer Highside-Betriebsart und einer Lowside-Betriebsart hin- und hergeschaltet werden. Hierdurch wird auch die Verlustleistungs-Unsymmetrie zwischen den Highside-Halbleitern T1, T2 und den Lowside-Halbleitern T3 und T4 mit der Frequenz der Betriebsart-Umschaltung stets umgedreht, d. h. die ggf. höhere Verlustleistung abwechselnd auf die Highside-Halbleiter T1, T2 einerseits und die Lowside-Halbleiter T3, T4 andererseits geschaltet.
  • Der zeitliche Verlauf der Ansteuersignale sowie der zeitliche Verlauf der Ströme durch die Halbleiter T1–T4 sei anhand der 1 bis 3 erklärt:
    Ein Rotorumlauf von 360° ist in sechs Phasen A–F, von je 60° aufgeteilt. Die neun Zeitdiagramme der 2 und 3 zeigen die zeitlichen Verläufe des Spulenstroms IL (1), die Schaltzustände der Halbleiter T1, T3, T2 und T4 (2 bis 5) und die entsprechenden Halbleiter-Ströme IT1, IT3, IT2 und IT4 durch die Halbleiter T1 bis T4, und zwar in 2 mit passivem und in 3 mit aktivem Freilauf. Die Highside- und Lowside-Phasen sind in den Diagrammen mit "h" bzw. "l" gekennzeichnet.
  • In der Phase A (0°–60°) ist das pulsweiten-modulierte Signal des Pulsweiten-Modulators 26 auf den Highside-Halbleiter T1 geschaltet, so dass sich ein entsprechender Stromverlauf IT1 durch den Halbleiter T1 ergibt. Der korrespondierende Lowside-Halbleiter T4 ist in der Phase A dauerhaft geschlossen. Während des High-Signals des Pulsweiten-Modulators 26 wird der Highside-Halbleiter T1 durchgesteuert und es fließt ein Strom vom Pulspol über den Halbleiter T1, die Motorspule, den Halbleiter T4 zum Minuspol. Während des Low-Signals des Modulators 26 wird der Stromfluss durch die Spule L über die Diode D3 oder den Halbleiter T3 und den Lowside-Halbleter T4 aufrechterhalten, was den sogenannten Freilauf darstellt. Auf diese Weise ergibt sich während der Phase A durch den korrespondierenden Lowside-Halbleiter T4 ein praktisch dauerhafter relativ konstanter Stromfluss. Der andere Highside-Halbleiter T2 ist in der Phase A geöffnet. Der Lowside-Halbleiter T3 ist bei passivem Freilauf geöffnet (siehe 2). Der Stromfluß wird dabei über die Diode D3 aufrecht gehalten. Beim aktiven Freilauf wird der Lowside-Halbleiter T3 komplementär zu dem Highside-Halbleiter T1 geschaltet bzw. getaktet (siehe 3).
  • In der folgenden Phase B (60°–120°) wird von der Highside-Betriebsart auf die Lowside-Betriebart umgeschaltet, so dass das pulweiten-modulierte Signal des Pulsweiten-Modulators 26 nunmehr auf den zu dem Highside-Halbleiter T1 korrespondierenden Lowside-Halbleiter T4 geschaltet wird. Der korrespondierende Highside-Halbleiter T1 wird während der gesamten Phase B geschlossen, also durchgeschaltet. Der Highside-Halbleiter T1 leitet während der Pulse des pulsweiten-modulierten Signals und ebenfalls während der Puls-Pausen im Freilauf den Strom durch, so dass während der Phase B in T1 kontinuierlich eine entsprechende Verlustleistung anfällt.
  • Die folgende Phase C (120°–180°) dient ebenso wie die Phase F (300°–360°) der Umkommutierung. Während der Phasen C und F sind alle Halbleiter T1–T4 geöffnet, so dass keine Ströme durch die Halbleiter T1–T4 bzw. durch die Spule L fließen.
  • In den folgenden Phasen D und E erfolgt die Bestromung der Spule L in umgekehrter Richtung, so dass die Halbleiter T2 und T3, die miteinander korrespondierenden Halbleiter bilden. In der Phase D gilt die Lowside-Betriebsart, so dass das pulsweiten-modulierte Signal auf den ersten Lowside-Halbleiter T3 geleitet wird. Der korrespondierende zweite Highside-Halbleiter T2 ist während der Phase D demnach vollständig und unterbrechungsfrei geschlossen.
  • In der Phase E wird das pulsweiten-modulierte Signal auf den zweiten Highside-Halbleiter T2 geschaltet. Dementsprechend wird der korrespondierende erste Lowside-Halbleiter T3 vollständig und unterbrechungsfrei geschlossen.
  • Wie aus den zeitlichen Stromverläufen der vier Halbleiter T1–T4 in 2 unschwer zu erkennen ist, ist das Integral der jeweiligen Stromverläufe durch alle vier Halbleiter T1–T4 gleich, so dass auch die Verlustleistung an allen vier Halbleitern T1–T4 gleich, also symmetrisch ist. Dies gilt unabhängig von dem Tastverhältnis des pulsweiten-modulierten Signals, also für ein Tastverhältnis von 0%–100%. Hierdurch können, gegenüber unsymmetrischer Belastung bei Betrieb ohne Betriebsart-Umschaltung, die maximale an einem Halbleiter auftretende Verlustleistung und damit die maximale Erwärmung reduziert und die Halbleiter sowie die Kühlmaßnahmen entsprechend kleiner dimensioniert werden.

Claims (10)

  1. Elektromotor-Kommutator (12) mit einer Schaltbrücke (20) mit einem Highside-Halbleiter (T1) und einem Lowside-Halbleiter (T4), und einem Pulsweiten-Modulator (26) zur Ansteuerung der Schaltbrücke (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsweiten-Modulator (26) an beide Halbleiter (T1, T4) angeschlossen ist, und ein Betriebsart-Umschalter (28) vorgesehen ist, der den Pulsweiten-Modulator (26) alternierend an den Highside-Halbleiter (T1) und den Lowside-Halbleiter (T4) durchschaltet.
  2. Elektromotor-Kommutator (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsart-Umschaltfrequenz (fHL) unterhalb der Modulationsfrequenz (fM) des Pulsweiten-Modulators (26) liegt.
  3. Elektromotor-Kommutator (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsart-Umschaltfrequenz (fHL) mindestens 60% unter der Modulationsfrequenz (fM) liegt.
  4. Elektromotor-Kommutator (12) nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsart-Umschaltfrequenz (fHL) unterhalb von 5 kHz liegt.
  5. Elektromotor-Kommutator (12) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsart-Umschalter (28) zeitgesteuert umgeschaltet wird.
  6. Elektromotor-Kommutator (12) nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsart-Umschalter (28) lagegesteuert ist.
  7. Elektromotor-Kommutator (12) nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltbrücke (20) eine Vollbrücke ist.
  8. Elektromotor-Kommutator (12) nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf während der Bestromungspausen des pulsweiten-modulierten Signales als aktiver Freilauf ausgebildet ist.
  9. Verfahren zum Ansteuern eines elektronischen Elektromotor-Kommutators (12) mit einem mit einer Modulationsfrequenz (fM) betriebenen Pulsweiten-Modulator (26) zur Generierung eines pulsweiten-modulierten Signals, und einer Schaltbrücke (20) mit einem Highside-Halbleiter (T1) und einem Lowside-Halbleiter (T4), wobei alternierend und unterhalb der Modulatorfrequenz (fM) zwischen einer Highside-Betriebsart und einer Lowside-Betriebsart umgeschaltet wird, in der das pulsweiten-modulierte Signal alternierend auf den Highside-Halbleiter (T1) und den Lowside-Halbleiter (T4) geschaltet und der jeweils komplementäre Halbleiter (T4, T1) jeweils durchgeschaltet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Merkmale einer der Ansprüche 2–8.
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