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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung von Positionen eines Rotors in elektrischen Maschinen und bezieht sich auf die Ansteuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) bzw. permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) bzw. Synchronmaschinen allgemein.
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Ein typischer Aufbau einer Einrichtung 1 zur Ansteuerung der Maschinen 2 ist in 1 dargestellt.
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Dazu ist die Einrichtung 1 an die Maschine 2 angeschlossen, wobei die Einrichtung 1 im Wesentlichen umfasst
- – ein Leistungsteil 3, das unmittelbar mit der Maschine 2 in Verbindung steht,
- – eine Messeinrichtung 4, die mit dem Leistungsteil 3 verbunden ist,
- – eine Regelungseinrichtung 5, die an die Messeinrichtung 4 angeschlossen ist, sowie
- – eine Spannungsversorgungseinheit 6, die mit dem Leistungsteil 3, mit der Messeinrichtung 4 und der Regelungseinrichtung 5 in Verbindung steht.
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Die Synchronmaschine kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein. Eine solche Maschine ist in der Druckschrift
DE 2 511 567 A1 beschrieben, die einen mit Permanentmagneten versehenen Rotor sowie eine auf dem Stator angeordnete mehrphasige Wicklung enthält, wobei jede Phase der Wicklung wenigstens eine Formspule aufweist, dass die Formspulen im Wesentlichen gleich ausgebildet sind und dass an den Kreuzungsstellen der Spulenköpfe jeweils der Kopf der in Umfangsrichtung nachfolgenden Spule und Phase über der vorherigen Spule liegend angeordnet ist, wobei herkömmliche Elektroniken
1 zum Einsatz kommen. Zwecks Anlegen der durch Phasen der Wicklung eines Gleichstrommotors fließenden Ströme werden Signale entsprechend der jeweiligen Rotorstellung benötigt. Dazu wird die durch die Drehung des Rotors in die einzelnen Formspulen induzierte Spannung gemessen und von der Elektronik
1 ausgewertet. Die Elektronik
1 erzeugt daraus Ansteuersignale zur Bestromung der Formspulen. Die Bestromung sorgt für die Drehbewegung des Rotors.
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Die jeweilige Maschine – Innenläufer oder Außenläufer – kann sowohl eine Maschine in Dreieckschaltung nach als auch für eine Maschine in Sternschaltung genutzt sein. Die Maschinen sind jeweils über die Anschlüsse strangmäßig mit einer Vorrichtung zur Kommutierung und Positionserkennung verbunden.
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Zum Betrieb der bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) bzw. permanentmagneterregten Synchronmaschinen (PMSM) bzw. Synchronmaschinen sind eine permanente Messung und Überwachung der Position des Rotors nötig. Dazu existiert derzeit eine Vielzahl von sowohl sensorbasierten als auch sensorlosen Verfahren zur Messung zumindest einer Position des Rotors einer Maschine während einer Rotation des Rotors.
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Stand der Technik
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Ein Verfahren zur sensorbasierten Positionsmessung für BLDC-Motoren ist in der Druckschrift AVR443: Sensorbased conrol of three phase Brushless DC motor, unter der Internetadresse http://www.atmel.com/Images/doc2596.pdf vom Februar 2006, beschrieben. Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass die Positionen des Rotors permanent und unabhängig von der Ansteuerung des Motors vorhanden sind. Die Implementierung hat jedoch auch mehrere Nachteile. Durch die Implementierung der Sensoren ist eine zusätzliche Hardware nötig, die das Gesamtprodukt verteuert. Außerdem ist der zulässige Temperaturbereich solcher Sensoren meist eingeschränkt (typisch auf 85°C), so dass sie in Hochtemperaturanwendungen nicht eingesetzt werden können.
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Ein anderes Verfahren zur sensorlosen Positionsmessung mit folgenden Rahmenbedingungen ist in der Druckschrift AVR444: Sensorless control of 3-phase brushless DC motors, unter der Internetadresse http://www.atmel.com/Images/doc8012.pdf vom vom Oktober 2005 beschrieben. Dabei wird ein Motor an zwei von drei Phasen bestromt. An der dritten, unbestromten Phase wird die EMK zurückgemessen. Das Verfahren kann zuverlässig verwendet werden, sobald eine hinreichend hohe EMK zur Verfügung steht. Es setzt weiterhin voraus, dass eine Phase zum Messzeitpunkt unbestromt ist. Dadurch schränkt sich die Form der Ansteuerung auf eine Blockkommutierung ein mit den Nachteilen, dass das Drehmoment der Maschine eine hohe Welligkeit besitzt. Druckschrift
DE 10 2007 063 386 A1 beschreibt ebenfalls dieses Verfahren. Ein weiteres Problem der Ansteuerung besteht darin, dass sich eine starke Geräuschentwicklung und auch ein nicht optimaler Wirkungsgrad der Applikation ergeben. Für einen optimalen Wirkungsgrad bei minimaler Geräuschentwicklung wäre eine sinusförmige Ansteuerung mit dafür geeigneter Positionsmessung nötig. Dafür geeignet bedeutet, dass zur Positionsmessung keine unbestromte Phase nötig ist, da bei sinusförmiger Ansteuerung stets alle drei Phasen der Maschine betromt werden.
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Andere Verfahren zur Durchführung einer sinusförmigen Ansteuerung eines Motors sind in der Druckschrift Perassi: Feldorientierte Regelung der permanenterregten Synchronmaschine ohne Lagegeber für den gesamten Drehzahlbereich bis zum Stillstand, unter der Internetadresse http://db-thueringen.de/Servlets/Derivate Servlet/Derivate-13770/ilm1-2007000172.pdf vom 04.12.2006 beschrieben. Dazu wird der Stromanstieg gemessen. Die Stromanstiegsmessung stellt hohe Anforderungen in Bezug auf eine Vielzahl von Bauelementen/Bauteilen im Strommesspfad, so dass auch hierbei ein hoher Hardwareaufwand entsteht.
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Eine weitere Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Positionsbestimmung von sensorlosen elektrischen Maschinen ist in der Druckschrift
US 5 254 914 A beschrieben, wobei vor dem Start kurze Stromimpulse in die einzelnen Phasen eingespeist werden und die Dauer bis zum Abklingen der Spannung am jeweiligen Anschluss gemessen wird. Dazu wird die Anschlussspannung mit der Spannung des tatsächlichen Sternpunktes der elektrischen Maschine verglichen und ausgewertet. Zum Generieren der Stromimpulse für die Messung ist ein einfaches Leistungsteil nicht geeignet und es ist ein zusätzlicher Realisierungsaufwand notwendig. Weiterhin ist das Verfahren ausschließlich auf elektrische Maschinen in Sternschaltung anwendbar, bei denen der Sternpunkt als zusätzliche Leitung herausgeführt ist. Viele Maschinen führen entweder den Sternpunkt nicht heraus oder sind in der Dreieckschaltung verschaltet. Dann ist das Verfahren nicht anwendbar.
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Eine fremderregte elektrische Maschine ist in der Druckschrift
EP 1 005 716 A1 beschrieben, wobei zur Positionsbestimmung kurzzeitig Spannungen an die einzelnen Phasen angelegt und die Spannung am tatsächlichen Sternpunkt der elektrischen Maschine ausgewertet werden. Zum Anlegen der Spannungen kann das vorhandene Leistungsteil ohne Erweiterungen genutzt werden, was zu einer deutlichen Reduktion des notwendigen Realisierungsaufwandes gegenüber der in der Druckschrift
US 5 254 914 A angegebenen Einrichtung führt. Das mit der Auswertung der tatsächlichen Sternpunktspannung der elektrischen Maschine verbundene Problem der starken Einschränkung der Einsetzbarkeit des Verfahrens bei verschiedenen Applikationen bleibt jedoch bestehen.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rotorpositionsbestimmung ist in der Druckschrift Dobrucky, Filka, Spanik, Zigmund: Real-Time PMSM Rotor Position Estimator Based on Virtual HF Injectionn n Method (VHFIM), In proc. EPE' 05, September 2005, Dresden beschrieben, bei dem kein herausgeführter Sternpunkt benötigt wird. Dazu wird aber in die einzelnen Stränge ein Hochfrequenz(HF)-Signal eingespeist und das gefilterte Signal ausgewertet. Ein Problem besteht darin, dass das Verfahren jedoch einen enormen zusätzlichen Realisierungsaufwand zur Erzeugung, Einspeisung und Auswertung des HF-Signals benötigt.
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Die Druckschriftt
DE 11 2007 000 833 T5 betrifft eine Schaltung zur Verwendung der Vorzeichenwechsel einer Motorphase und der Gegen-EMK-Ströme einer Motorphase zur Steuerung von PWM. Die Aufgabe besteht darin, eine Bestimmung des Vorzeichens eines Stromes durchzuführen, wenn eine Sinuswelle des Stromes Null kreuzt, und die Verwendung des Vorzeichenwechsels (beim Nulldurchgang) zum Feststellen einer Phasenverschiebung des Stromes gegenüber einer erzwungenen Spannungsmodulation. Die Schaltung soll zur Optimierung einer von einer Inverterschaltung zu einem Motor übertragenen Leistung dienen, wobei die Schaltung ein Steuerverfahren zum Anlaufen des Motors verwendet, um ihn in eine Mindestgeschwindigkeit zu bringen, und jede Phase des Motors Spannung von der Inverterschaltung erhält, wobei die Schaltung umfasst:
- – wenigstens eine Phasendetektorschaltung zum Abtasten des Vorzeichens eines Stromes/mehrerer Ströme, wobei das Vorzeichen des Stromes zur Feststellung eines Nulldurchgangs des Stroms verwendet wird,
- – einen Interpolator zum Empfangen einer Spannungsreferenz und zum Ausgeben einer Frequenzreferenz und einer Phasenverschiebungsreferenz, wobei die Phasenverschiebungsreferenz ein Unterschied zwischen einer erzwungenen Spannungsmodulation und dem einen Strom/mehreren Strömen ist, und
- – eine Reglerschaltung zur Verwendung eines Fehlers zwischen der Phasenverschiebungsreferenz und dem Vorzeichen des einen Stromes/der mehreren Ströme zur Berechnung einer Phasenverschiebungskompensation, wobei das Vorzeichen des einen Stromes/der mehreren Ströme bei ersten Vorzeichenwechselvorgängen als positiv festgestellt wird, wenn eine Sinuswelle des Stromes in einen positiven Bereich übergeht, wobei die ersten und die zweiten Vorzeichenwechselvorgänge zur Feststellung einer Phasenverschiebung des Stromes gegenüber der erzwungenen Spannungsmodulation verwendet werden.
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Die Druckschrift
DE 11 2007 000 833 T5 beschreibt ein Verfahren zur Kommutierung bürstenloser Gleichstrommotoren bzw. PMSM (permanentmagneterregten Synchronmaschinen), wobei das Verfahren in Form von Funktionsblock-Bildern dargestellt ist. Obwohl das Verfahren entsprechend des Standes der Technik üblicherweise vollständig mit Software gelöst wird, ist das Verfahren in der Druckschrift
DE 11 2007 000 833 T5 als Schaltung beschrieben und bezeichnet. Das Verfahren nutzt die Information über den Zeitpunkt des Stromrichtungswechsels. Die Detektion der Stromrichtung bzw. des Wechsels der Stromrichtung ist in der Druckschrift
DE 11 2007 00 833 T5 jedoch nicht angegeben.
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Eine weitere Druckschriftt
DE 11 2007 000 833 T5 betrifft eine schaltknoten- basierte, sensorlose Motorregelung für einen PM-Motor. Sie dient zum Messen des Vorzeichens bzw. des Verlaufs eines Stromes, der in eine Inverterstufe fließt, die an eine Phase eines Motors gekoppelt ist und durch eine Gegen-EMK (elektromotorische Kraft) in einer Wicklung der Phase des Motors induziert wird, wobei die Inverterstufe zwischen einer Leistungs- bzw. Stromversorgung und Masse verbunden ist, wobei die Schaltung eine Gatter- bzw. Gate-Treiberschaltung umfasst, die an der Inverterstufe gekoppelt ist, um die Phase des Motors abwechselnd mit der Stromversorgung und der Masse zu verbinden, wobei die Gate-Treiberschaltung eine Stromverlauferkennungsschaltung aufweist, wobei die Stromverlauferkennungsschaltung die Vorzeichen des Stromes misst, der in der Inverterstufe fließt, um die Kommutierung von Schaltern in der Inverterstufe zu regeln. Die Aufgabe besteht darin, die Spannung eines Halbbrückenarmes des Inverters mit einem Grenz- bzw. Schwellenwert zu vergleichen und ein Ausgangssignal zu liefern, das entsprechend dem Vergleichsergebnis variiert. Bei Verwendung in einem den Motor antreibenden Motorantriebssystem wird das Vorzeichen des Stromes gemessen, d. h. die Richtung oder den Verlauf des Stromes, der in einen oder aus einem Motor für sensorlose Motorsteuerung fließt. In der Druckschrift
DE 11 2007 000 429 T5 wird eine Anordnung zum Messen der Stromrichtung während der Totzeit angegeben. Dazu ist jedoch eine ausreichend große Totzeit beim Betrieb der Halbbrücken nötig. Diese große Totzeit hat einige Nachteile:
- 1. Es tritt eine Verfälschung des ausgegebenen tatsächlichen Tastverhältnisses gegenüber dem gewünschten Tastverhältnis auf. Das führt besonders bei sinusförmiger Ansteuerung der Maschine zu verringerter Performance.
- 2. Ein weiterer Nachteil ist die Erhöhung der Verluste im Leistungsteil durch die Totzeit.
- 3. Ein weiteres Problem stellen unerwünschte Schwingungen dar, die bei Verwendung einer totzeitbehafteten Ansteuerung in Verbindung mit steilen Schaltflanken zur Verringerung der Schaltverluste in den Leistungsbauelementen auftreten.
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Insgesamt kann zusammengefasst werden, dass, sobald eine sinusförmige Ansteuerung eines Motors erfolgen soll, hohe Anforderungen an die Positionsmessung des Rotors gestellt werden, die zu zusätzlichem Hardwareaufwand und/oder zusätzlichem algorithmischen Aufwand führen.
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In Einrichtungen zur Ansteuerung von BLDC-Motoren oder von permanentmagneterregten Synchronmaschinen ist es zur Generierung der Ansteuersignale stets nötig, wenigstens eine Phase mit einer festen Frequenz oder variablen Frequenz zu schalten. Beim Schalten treten oft unerwünschte Schwingungen während der Schaltvorgänge auf, die eine erhöhte Störabstrahlung hervorrufen und damit sowohl andere Systeme als auch das System selbst erheblich bis hin zum funktionalen Ausfall oder zur Zerstörung beeinträchtigen können.
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Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern sind in der Druckschrift
DE 10 2008 026 499 A1 und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern mit induktiver Last sind in der Druckschrift
DE 10 2008 026 500 A1 beschrieben, in denen die Störabstrahlung minimiert werden soll. Der Aufbau einer solchen Vorrichtung mit dem zugehörigen Verfahren nach Druckschrift
DE 10 2008 026 499 A1 ist in
2 dargestellt. In Motorsteuerungssystemen ist daher die Anwendung eines solchen Verfahrens zu empfehlen. In der Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern in einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last nach Druckschrift
DE 10 2008 026 499 A1 sind die Stellglieder zwischen einem positiven Versorgungspotenzial VS und einem negativen Versorgungspotenzial GND angeordnet, von denen mindestens zwei Stellglieder aktiv ein- und ausgeschaltet werden und über Steuersignalleitungen mit einer Ansteuerschaltung, die ein zentrale Steuereinheit mit darin befindlichen Teilschaltungen enthält, verbunden sind, wobei der Ansteuerschaltung eine übergeordnete Programmier- und Steuereinheit vorgeschaltet ist. Mindestens zwei aktiv schaltende Stellglieder sind durch die Steuersignalleitungen mit der Ansteuerschaltung verbunden, wobei die Ansteuerschaltung durch mindestens einen Messsignalabgriff Messgrößen von der Leistungsschalteranordnung aufnimmt und Ansteuersequenzen für die aktiv schaltenden Stellglieder über die Steuersignalleitungen in Abhängigkeit des Signals auf einer Steuervorgabeschnittstelle und weiteren Vorgaben auf zwei Programmierschnittstellen zu der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit erzeugt, wobei die Ansteuerschaltung folgende Baugruppen enthalten kann:
- – eine Mess- und Bewertungsschaltung, welche Verbindungen zu mindestens einem Messsignalabgriff und zu mindestens einer Signalleitung der Steuervorgabeschnittstelle besitzt und über Zustandserfassungsleitungen Signale an die zentrale Steuereinheit überträgt, wobei die Signale der Zustandserfassungsleitungen in Verbindung zum Beginn und zum Ende der Kommutierung stehen,
- – die zentrale Steuereinheit, welches mit der Mess- und Bewertungsschaltung über die Zustandserfassungsleitungen verbunden ist und mittels mindestens einer Signalleitung mit der Steuervorgabeschnittstelle und mittels mindestens einer Signalleitung zur Vorgabe von Zeitparametern auf der ersten Programmierschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit in Verbindung steht,
- – eine Hilfssignalschaltung, welche mit der zentralen Steuereinheit durch Totzeit-Parameterübergabeleitungen, durch Schaltzeit-Parameterübergabeleitungen und durch Hilfssignalrückführungsleitungen in Verbindung steht und mittels mindestens einer Signalleitung der Steuervorgabeschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit verbunden ist,
- – mindestens zwei Ansteuerteilschaltungen, welche über Hilfssignalleitungen mit der Hilfssignalschaltung verbunden sind, und
- – mindestens zwei Treiberschaltungen, die jeweils mindestens zwei Treiberteilstromquellen enthalten und die über Treibersteuerleitungen mit den Ansteuerteilschaltungen verbunden sind und mittels Signalleitungen zur Vorgabe der Treiberteilstromniveaus auf der zweiten Programmierschnittstelle mit der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit in Verbindung stehen sowie über die Steuersignalleitungen mit der Leistungsschalteranordnung verbunden sind.
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In dem zugehörigen Verfahren erfolgen
- – eine gleichzeitige Ansteuerung der beiden aktiv schaltenden Stellglieder derart, dass bei jedem Schaltvorgang eine direkte Stromübernahme zwischen der beiden aktiv schaltenden Stellgliedern stattfindet, mittels Ansteuersignalen aus der Ansteuerschaltung, wobei
- – eine Erfassung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung,
- – eine schrittweise Regelung des Totzeitparameters unter Nutzung des Zeitpunktes des Beginns der Kommutierung und
- – eine Erfassung des Zeitpunktes des Endes der Kommutierung durchgeführt werden.
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Ein Problem der Vorrichtungen nach den Druckschriften
DE 10 2008 026 499 A1 und
DE 10 2008 026 500 A1 besteht darin, dass die Stromflussrichtung inherent im Verfahren ermittelt wird aber kein zur Positionsbestimmung nutzbares Signal an die übergeordnete Steuer- und Regelungseinheit weitergegeben wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bestimmung von Positionen eines Rotors in elektrischen Maschinen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass die Stromflussrichtung in den einzelnen Phasen des Rotors der elektrischen Maschine ermittelt und von der übergeordneten Steuer- und Regelungseinheit ausgewertet werden kann sowie dass eine sinusförmige Ansteuerung der elektrischen Maschinen erlaubt wird, ohne dabei einen hohen zusätzlichen Hardwareaufwand zu generieren.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Einrichtung zur Bestimmung von Positionen eines Rotors in elektrischen Maschinen, die neben dem Rotor mit einem Stator versehen sind, umfasst zumindest
- – ein Leistungsteil mit leistungselektronischen Stellgliedern, die an den Rotor angeschlossen sind,
- – eine Anordnung zum Ansteuern der leistungselektronischen Stellglieder des Leistungsteils,
- – eine Messeinrichtung, die Signale zur Verfügung stellt,
- – eine übergeordnete Steuereinheit zur Ansteuerung der elektrischen Maschine,
wobei die Messeinrichtung mit einer im Leistungsteil befindlichen Messinduktivität verbunden ist und ein Signal zur Verfügung stellt, an dem eine Stromflussrichtung sign(I) festgestellt werden kann, und
die Anordnung eine Auswerteeinheit zur Feststellung der Stromflussrichtung sign(I) enthält, in der eine Auswertung des von der Messeinrichtung übermittelten Signals zur Feststellung der Stromflussrichtung sign(I) im Rotor der Maschine durchgeführt wird,
wobei die Auswerteeinheit zur Feststellung der Stromflussrichtung sign(I) zwischen Messeinrichtung und Leistungsteil geschaltet ist und zumindest enthält
- – eingangsseitig vier angeordnete Flip-Flops,
- – zwei den Flip-Flops nachgeordnete, parallel angeordnete ODER-Glieder und
- – ausgangsseitig ein den ODER-Gliedern nachgeschaltetes XOR-Glied,
sowie über eine Leitung oder mehrere Leitungen oder über Interfaceleitungen der übergeordneten Steuereinheit die Information über die Stromflussrichtung sign(I) permanent zur Verfügung stellt und das Vorzeichen der Spannung an der Messinduktivität im Leistungsteil auswertet,
wobei die Messeinrichtung zwei Komparatoren enthält, die die Spannung am oberen Messpunkt MP mit einer positiven Referenzspannung und einer negativen Referenzspannung vergleichen, wobei ein Ausgangssignal didt_p eine positive Stromänderung und ein Ausgangssignal didt_n eine negative Stromänderung an einer betreffenden Schaltflanke anzeigen.
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Die Bauelemente der Auswerteeinheit können derart miteinander verschaltet sein,
dass von den Ausgangsleitungen der Messeinrichtung zur Detektion der Stromkommutierung vom Beginn der Kommutierung und Ende der Kommutierung aus an das erste Flip-Flop und das zweite Flip-Flop die erste Ausgangsleitung geführt ist, während an das dritte Flip-Flop und das vierte Flip-Flop die zweite Ausgangsleitung geführt ist,
wobei an die RESET-Eingänge R der vier parallel angeordneten Flip-Flops Leitungen geführt sind, die mit der PWM-Signale führenden Ausgangsleitung in Verbindung stehen und die mit dem PWM-Signal von Seiten der übergeordneten Steuereinheit bedient werden,
wobei dem ersten Flip-Flop und dem vierten Flip-Flop das ODER-Glied nachgeschaltet ist und dem zweiten Flip-Flop und dem dritten Flip-Flop das zweite ODER-Glied nachgeschaltet ist,
wobei vom Ausgang Q des ersten Flip-Flops eine Signalleitung an einen der Eingänge des ersten ODER-Gliedes zur Übertragung des Freilaufsignals FRW_LS_H geführt ist,
wobei vom Ausgang Q des vierten Flip-Flops eine Signalleitung an den anderen Eingang des ersten ODER-Gliedes zur Übertragung des Freilaufsignals FRW_LS_L geführt ist,
wobei vom Ausgang Q des zweiten Flip-Flops eine Signalleitung an einen der Eingänge des zweiten ODER-Gliedes zur Übertragung des Freilaufsignals FRW_HS_L geführt ist,
wobei vom Ausgang Q des dritten Flip-Flops eine Signalleitung an den zweiten Eingang des zweiten ODER-Gliedes zur Übertragung des Freilaufsignals FRW_HS_H geführt ist,
wobei vom Ausgang des ersten ODER-Gliedes eine Signalleitung zur übergeordneten Steuereinheit, auf der das Freilaufsignal FRW_LS übertragen wird, und vom Ausgang des zweiten ODER-Gliedes eine Signalleitung zur übergeordneten Steuereinheit, auf der das Freilaufsignals FRW_HS übertragen wird, geführt sind,
wobei eine erste Abzweigleitung der Signalleitung an den ersten Eingang des XOR-Gliedes geführt und eine zweite Abzweigleitung der Signalleitung an den zweiten Eingang des XOR-Gliedes geführt sind,
wobei vom XOR-Glied eine Signalleitung an die übergeordnete Signalleitung geführt ist, auf der das Bestätigungssignal „valid” übertragen wird.
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Die Auswerteeinheit indikatiert das Ausgangssignal FRW_LS, dass die Stromflussrichtung vom Motor in den Phasenanschluss des Leistungsteils gerichtet ist, wobei das Ausgangssignal FRW_HS indikatiert, dass die Stromflussrichtung vom Leistungsteil in den Motor gerichtet ist und das Ausgangssignal „valid” anzeigt, dass die Ausgabe der Auswerteeinheit korrekt ist.
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Die Auswerteeinheit kann in einem System zur Motoransteuerung mit einer zentralen Steuereinheit enthalten sein, wobei das System aus der herkömmlichen Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern in einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last besteht, wobei zusätzlich in der zentralen Steuereinheit die Auswerteeinheit eingefügt ist, wobei der Ausgang dieser Baugruppe über eine oder mehrere separate Leitungen an die übergeordnete Steuereinheit geführt ist und eine Synchronisierung der Position in der übergeordneten Steuereinheit ausgeführt wird.
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Die Information über die Stromrichtung in den Phasenanschlüssen kann anstelle über separate Leitungen über die bereits existierende Schnittstelle von der Auswerteeinheit zur übergeordneten Steuereinheit übertragen werden.
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Die Auswerteeinheit kann in ein herkömmliches System zur Ansteuerung von BLDC-Motoren und von permanentmagneterregten Synchronmaschinen integriert sein, wobei der Ausgang der Auswerteeinheit über eine Leitung mit der übergeordneten Steuereinheit verbunden ist und ihr die Information über die Stromflussrichtung in den Phasenanschlüssen zur Verfügung stellt.
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Bei extrem niedrigem Laststrom kann die Stromänderung in der Messinduktivität an den Schaltflanken nicht ausreichen, um die Komparatoren sicher auszulösen, wobei das Ausgangssignal „valid” auf niedrigen Pegel wechselt und eine andere Möglichkeit der Feststellung des Vorzeichens sign(I) des Stroms IMOT(t) oder eine andere Art der Detektion von Positionen eines Rotors auslöst.
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Die Auswerteeinheit zur Erkennung der Stromflussrichtung kann in einer herkömmlichen Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern in einer Leistungsschalteranordnung mit induktiver Last oder in einer herkömmlichen Vorrichtung zur Regelung der Kommutierungsgeschwindigkeit zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern mit induktiver Last eingebracht sein und die dort bereits vorhandene Messeinrichtung zur Detektion der Stromkommutierung vom Beginn der Kommutierung und Ende der Kommutierung zur Gewinnung der Information über die Stromflussrichtung mitnutzen.
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Die Funktionsweise besteht darin, dass die Generierung der Ansteuersignale für die elektrische Maschine so erfolgt, dass die Umkehr der Stromflussrichtung in mindestens einer Phase zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb der Generierung der ausgegebenen mittleren Phasenspannung UPH erfolgt.
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Der Zielzeitpunkt für die Umkehr der Stromflussrichtung kann der Vorzeichenwechsel ±sign(I) der mittleren Ansteuerspannung der betreffenden Phase oder das Erreichen der mittleren Ansteuerspannung von der halben positiven Versorgungsspannung sein.
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Der Zielzeitpunkt für die Umkehr der Stromflussrichtung kann eine konstante Zeit vor dem Nulldurchgang oder hinter dem Nulldurchgang der mittleren Phasenspannung oder dem Erreichen der mittleren Phasenspannung UPH der halben positiven Versorgungsspannung sein.
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Der Zielzeitpunkt für die Umkehr der Stromflussrichtung kann durch eine konstante Phasenverschiebung gegenüber dem Nulldurchgang der mittleren Phasenspannung oder dem Erreichen der mittleren Phasenspannung UPH der halben positiven Versorgungsspannung gegeben sein.
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Die Phasenverschiebung oder die Zeitdifferenz können abhängig von der detektierten Position des Rotors variiert werden, um geometrische Ungenauigkeiten der Maschine zu kompensieren.
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Zur Positionsdetektion wird das Vorzeichen des Stromes IMOT(t) an wenigstens eine Phase des Rotors der Maschine (2) überwacht und der Vorzeichenwechsel wird mit dem Zeitverlauf der generierten Phasenspannung UPH(t) synchronisiert.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mittels mehrerer Zeichnungen erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Aufbau einer Einrichtung zur Steuerung einer elektrischen Maschine, z. B. für bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) oder permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) oder Synchronmaschinen im Allgemeinen nach dem Stand der Technik,
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2 eine Anordnung zur Reduzierung der Störabstrahlung in einer Vorrichtung zur direkten Kommutierung zwischen in Reihe geschalteten leistungselektronischen Stellgliedern nach dem Stand der Technik,
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3 Zeitverläufe von Phasenspannung und EMK (3a) sowie Phasenstrom (3b) in einer Phase des Motorsteuerungssystems,
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4 eine Ausgabe der Stromrichtung bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung,
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5 eine Anordnung zur Detektion von Beginn einer Kommutierung und Ende einer Kommutierung der leistungselektronischen Stellglieder nach dem Stand der Technik,
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6 eine Anordnung zur Erkennung der Stromflussrichtung in der Phase,
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7 eine erweiterte erfindungsgemäße Anordnung zum störarmen Schalten und zum gleichzeitigen Ansteuern eines BLDC-Motors oder einer permanentmagneterregten Synchronmaschine,
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8 eine erfindungsgemäße Anordnung zum Ansteuern von BLDC-Motoren oder von permanentmagneterregten Synchronmaschinen.
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In den 3a und 3b wird der Verlauf der generierten Phasenspannung UPH(t) und der EMK – UEMK(t) des Motors (3a) sowie der Verlauf des zugehörigen Phasenstroms IMOT(t) (3b) jeweils über der Zeit t dargestellt.
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Es wird das Vorzeichen sign(I) des Phasenstroms IPH(t) ausgewertet und der Zeitpunkt tW des Vorzeichenwechsels ±sign(I) des Phasenstroms IMOT(t) in Übereinstimmung mit dem Zeitverlauf der Phasenspannung UPH(t) gebracht. Dazu ist eine Information über das Vorzeichen sign(I) des Phasenstroms IMOT(t) nötig. Diese Information des Vorzeichens sign(I) ist in 4 dargestellt.
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Es ist das Ziel, den Vorzeichenwechsel von +sign(I) in –sign(I) oder umgekehrt, entspricht im Folgenden ±sign(I), des Stroms IMOT(t) mit der ausgegebenen Phasenspannung UPH(t) zu synchronisieren. Dazu kann entweder
- – das Vorzeichen sign(I) des Stroms IMOT(t) zu einem bestimmten Zeitpunkt t abgefragt werden und eine entsprechende Generierung eines Korrektursignals erfolgen oder
- – der Zeitpunkt tW (in 4) des Vorzeichenwechsels ±sign(I) des Phasenstroms IMOT(t) abgefragt und je nach Lage innerhalb der Generierung der Phasenspannung UPH(t) auch dort ein korrigierender Eingriff in die Generierung der Phasenspannung UPH(t) vorgenommen werden.
Dazu wird die Frequenz der generierten Phasenspannung UPH(t) entweder verringert oder erhöht, so dass im stationären Zustand der Vorzeichenwechsel ±sign(I) des Phasenstroms IMOT(t) vorzugsweise gleichzeitig mit dem Vorzeichenwechsel ±sign(I) der Phasenspannung UPH(t) auftritt. Die Messung kann z. B. einmal pro einer elektrischen Umdrehung des Rotors oder bis zu sechsmal pro einer elektrischen Umdrehung des Rotors oder noch seltener durchgeführt werden. Je häufiger die Auswertung des Vorzeichenwechsels ±sign(I) stattfindet, desto schneller kann das Verfahren auf Drehzahländerungen oder Laständerungen des Rotors reagieren. Je seltener die Auswertung stattfindet, desto geringer ist die Anforderung an die Prozessierungsgeschwindigkeit der Einrichtung 1 zur Steuerung für den Motor 2.
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Zur parametrischen Anpassung an die Zeitkonstanten des Motors 2 kann das Verfahren auch auf eine zeitliche Verschiebung der Nulldurchgänge von Phasenstrom IMOT(t) und generierter Phasenspannung UPH(t) regeln. Die zeitliche Verschiebung kann z. B. abhängig von Parametern des Motors 2 wie Induktivität aber auch von Lastverhältnissen und Amplitude des Motorstroms IMOT(t) generiert werden.
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Die in 7 und 8 dargestellte Einrichtung für eine elektrische Maschine 2 mit Rotor und Stator, z. B. einen BLDC-Motor oder eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, umfasst gemäß dem Stand der Technik zumindest
- – einen Leistungsteil 3 mit leistungselektronischen Stellgliedern,
- – eine Anordnung 50 zum Ansteuern der leistungselektronischen Stellglieder,
- – eine Messeinrichtung 55, die mit einer Messinduktivität 54 verbunden ist und die ausgangsseitig Signale 56 zur Verfügung stellt,
- – eine übergeordnete Steuereinheit 5 zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 2, z. B. des BLDC-Motors oder der permanentmagneterregten Synchronmaschine.
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Die meisten der genannten Einheiten sind bereits in bekannten Einrichtungen zur Ansteuerung enthalten, die aber keine Detektion von Positionen eines Rotors enthalten. Erfindungsgemäß sind zur Ansteuerung zu ergänzen:
- – die Messeinrichtung 55, die mit einer Messinduktivität 54 verbunden ist und ein Signal zur Verfügung stellt, an dem die Flussrichtung des Stromes IMOT(t) festgestellt werden kann, und
- – die Auswerteeinheit 9 zur Erkennung/Feststellung der Stromflussrichtung.
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Besonders interessant ist die Verwendung der hier vorgeschlagenen Einrichtung, wenn eine der Vorrichtungen, die in der Druckschrift
DE 10 2008 026 499 A1 oder in der Druckschrift
DE 10 2008 026 500 A1 beschrieben sind, zum Einsatz kommt, da diese die Messeinrichtung
55, die ein Signal
56 zur Verfügung stellt, an dem die Stromflussrichtung festgestellt werden kann, bereits enthält. Somit ist dort nur noch die Auswerteeinheit zur Erkennung/Feststellung der Stromflussrichtung zu ergänzen. Da diese rein digital realisierbar ist, fallen in modernen Applikationssystemen, die eine hohe Integrationsdichte besitzen, praktisch keine zusätzlichen Kosten an.
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Eine vorzugsweise Ausführungsform der Messeinrichtung 55, die ein Signal zur Verfügung stellt, an dem die Stromflussrichtung festgestellt werden kann, ist in 2 und 5 dargestellt.
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Eine (oft bereits im Aufbau enthaltene parasitäre) Induktivität 54, wie in 2 gezeigt ist, wird genutzt, um an jeder Schaltflanke die Stromänderung im leistungselektronischen Stellglied 51, 52 zur negativen Versorgungsspannung messbar werden zu lassen. Dazu sind zwei Komparatoren 7 und 8 eingesetzt, wie in 5 gezeigt. Der erste Komparator 7 vergleicht die Spannung am oberen Messpunkt MP mit einer positiven Referenzspannung +Vref und der parallel geschaltete zweite Komparator 8 vergleicht die Spannung am oberen Messpunkt MP mit einer negativen Referenzspannung –Vref. Das Ausgangssignal didt_p des ersten Komparators 7 indikatiert eine positive Stromänderung und das Ausgangssignal didt_n des zweiten Komparators 8 indikatiert eine negative Stromänderung an der betreffenden Schaltflanke.
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Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit 9 zur Erkennung/Feststellung der Stromflussrichtung wertet die von den Komparatoren 7 und 8 übermittelten Ausgangssignale didt_p und didt_n gemeinsam mit dem steuernden Pulsweitenmodulations-(PWM)-Signal, das von der übergeordneten Programmier- und Steuereinheit 5 über die Leitung 20 bereitgestellt wird, aus. Eine bevorzugte Ausführungsform der Auswerteeinheit 9 ist in 6 dargestellt.
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Die Auswertereinheit 9 umfasst zumindest
- – eingangsseitig vier Flip-Flops 10, 11, 12, 13,
- – zwei den Flip-Flops 10, 11, 12, 13 nachgeordnete ODER-Glieder 21, 22 und
- – ausgangsseitig ein den ODER-Gliedern 21, 22 nachgeschaltetes XOR-Glied 27,
die derart miteinander verschaltet sind,
dass
von den Ausgangsleitungen 14, 15 der Anordnung zur Detektion vom Beginn der Kommutierung und Ende der Kommutierung (Messeinrichtung 55) aus an das erste Flip-Flop 10 und das zweite Flip-Flop 11 die Ausgangsleitungen 14 geführt, während an das dritte Flip-Flop 12 und das vierte Flip-Flop 13 die Ausgangsleitung 15 geführt ist,
wobei an die RESET-Eingänge R der vier Flip-Flops 10, 11, 12, 13 Leitungen 16, 17, 18, 19 geführt sind, die mit der PWM-Signale führenden Ausgangsleitung 20 in Verbindung stehen und die mit diesem PWM-Signal von Seiten der übergeordneten Steuereinheit 5 bedient werden,
wobei dem ersten Flip-Flop 10 und dem vierten Flip-Flop 13 das ODER-Glied 21 nachgeschaltet ist und
dem zweiten Flip-Flop 11 und dem dritten Flip-Flop 13 das zweite ODER-Glied 22 nachgeschaltet ist,
wobei vom Ausgang Q des ersten Flip-Flops 10 eine Signalleitung 23 an einen der Eingänge des ersten ODER-Gliedes 21 zur Übertragung des Freilaufsignals FRW_LS_H geführt ist,
wobei vom Ausgang Q des vierten Flip-Flops 13 eine Signalleitung 24 an den anderen Eingang des ersten ODER-Gliedes 21 zur Übertragung des Freilaufsignals FRW_LS_L geführt ist,
wobei vom Ausgang Q des zweiten Flip-Flops 11 eine Signalleitung 25 an einen der Eingänge des zweiten ODER-Gliedes 22 zur Übertragung des Freilaufsignals FRW_HS_L geführt ist,
wobei vom Ausgang Q des dritten Flip-Flops 12 eine Signalleitung 26 an den zweiten Eingang des zweiten ODER-Gliedes 22 zur Übertragung des Freilaufsignals FRW_HS_H geführt ist,
wobei vom Ausgang des ersten ODER-Gliedes 21 eine Signalleitung 28 zur übergeordneten Steuereinheit 5, auf der das Freilaufsignal FRW_LS übertragen wird, und vom Ausgang des zweiten ODER-Gliedes 22 eine Signalleitung 29 zur übergeordneten Steuereinheit 5, auf der das Freilaufsignals FRW_HS übertragen wird, geführt sind,
wobei eine erste Abzweigleitung 30 der Signalleitung 28 an den ersten Eingang des XOR-Gliedes 27 geführt und eine zweite Abzweigleitung 31 der Signalleitung 29 an den zweiten Eingang des XOR-Gliedes 27 geführt sind,
wobei vom XOR-Glied 27 eine Signalleitung 32 an die übergeordnete Signalleitung 5 geführt ist, auf der das Bestätigungssignal „valid” übertragen wird.
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Der Aufbau ist so verschaltet, dass, wenn gültiges Signal didt_p bzw. didt_n zur Verfügung steht, immer genau eines der Flip-Flops ein ,1'-Signal ausgibt. Im Zeitintervall PWM = '1' gibt das Flip-Flop 10 eine ,1' aus, wenn didt_p = '1' oder Flip-Flop 12 gibt eine ,1' aus, wenn didt_n = '1'. Im Zeitintervall PWM = '0' gibt das Flip-Flop 11 eine ,1' aus, wenn didt_p = '1' oder Flip-Flop 13 gibt eine ,1' aus, wenn didt_n = '1'. Die beiden ODER-Gatter fassen jeweils ein Signalpaar für PWM = '1' und PWM = '0' zu einem Ausgangssignal FRW_LS bzw. FRW_HS zusammen. Das XOR-Glied überwacht, dass stets genau eines der beiden Signals FRW_LS bzw. FRW_HS ,1' ist. Dann ist das Ausgangssignal ein gültiges Signal und das Signal ,valid' wird aktiviert. Anderenfalls ist das Ausgangssignal nicht gültig und valid = '0' wird ausgegeben.
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Das Ausgangssignal FRW_LS indikatiert, dass die Stromflussrichtung vom Rotor des Motors 2 in den Phasenanschluss des Leistungsteils 3 gerichtet ist. Das Ausgangssignal FRW_HS indikatiert, dass die Stromflussrichtung vom Leistungsteil 3 in den Rotor des Motors 2 gerichtet ist. Das Ausgangssignal „valid” zeigt an, dass die Ausgabe der Auswerteeinheit 9 korrekt ist.
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Die Messung der Stromflussrichtung mit der Induktivität benötigt in der Applikation einen Mindeststrom, um korrekt zu funktionieren. In einigen Spezialfällen bei extrem niedrigem Laststrom kann es nötig sein, dass die Stromänderung in der Induktivität an den Schaltflanken nicht ausreicht, um die Komparatoren 7 und 8 aus 5 sicher auszulösen. In diesem Fall kann das Ausgangssignal „valid” auf niedrigen Pegel wechseln und eine andere Möglichkeit der Feststellung des Vorzeichens sign(I) des Stroms oder eine andere Art der Detektion von Positionen eines Rotors ist nötig.
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Eine bevorzugte Form der Implementierung der vorgestellten Einrichtung in ein System zur Motoransteuerung ist in
7 dargestellt. Es besteht aus der Anordnung, die in der Druckschrift
DE 10 2008 026 499 A1 beschrieben ist. Zusätzlich wird in den Block „Zentrale Steuereinheit”
53 die Auswerteeinheit
9 aus
6 eingefügt. Der Ausgang der Auswerteeinheit
9 wird über eine oder mehrere separate Leitungen
28,
29,
32 an die übergeordnete Steuereinheit
5 geführt.
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Die Synchronisierung der Position des Rotors des Motors 2 wird in der übergeordneten Steuereinheit 5 ausgeführt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Information über die Stromrichtung in den Phasenanschlüssen anstelle über separate Leitungen über die bereits existierende Schnittstelle 57 von der Auswerteeinheit 9 zur übergeordneten Steuereinheit 5 übertragen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung ist in 8 dargestellt. In dieser Ausführungsform wird keine Vorrichtung zum störarmen Schalten genutzt. Die Anordnungen 4 und 9 nach 5 und 6 sind in ein herkömmliches System zur Ansteuerung von BLDC-Motoren und von permanentmagneterregten Synchronmaschinen 2 nach dem Stand der Technik integriert. Der Ausgang der Auswerteeinheit 9 ist über eine Leitung mit der übergeordneten Steuereinheit 5 verbunden und stellt ihr die Information über die Stromflussrichtung in den Phasenanschlüssen zur Verfügung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einrichtung
- 2
- Maschine
- 3
- Leistungsteil
- 4
- Messeinrichtung nach dem Stand der Technik
- 5
- Regelungseinrichtung/übergeordnete Steuereinheit
- 6
- Spannungsversorgungseinheit
- 7
- Erster Komparator
- 8
- Zweiter Komparator
- 9
- Auswerteeinheit
- 10
- Erstes Flip-Flop
- 11
- Zweites Flip-Flop
- 12
- Drittes Flip-Flop
- 13
- Viertes Flip-Flop
- 14
- Ausgangsleitung
- 15
- Ausgangsleitung
- 16
- Leitung
- 17
- Leitung
- 18
- Leitung
- 19
- Leitung
- 20
- Ausgangsleitung
- 21
- Erstes ODER-Glied
- 22
- Zweites ODER-Glied
- 23
- Signalleitung
- 24
- Signalleitung
- 25
- Signalleitung
- 26
- Signalleitung
- 27
- XOR-Glied
- 28
- Signalleitung
- 29
- Signalleitung
- 30
- Erste Abzweigleitung
- 31
- Zweite Abzweigleitung
- 32
- Signalleitung
- 50
- Anordnung zum Ansteuern von leistungselektronischen Stellgliedern
- 51
- erstes Stellglied
- 52
- zweites Stellglied
- 53
- zentrale Steuereinheit
- 54
- Messinduktivität
- 55
- Messeinrichtung zur Detektion der Stromkommutierung
- 56
- Leitung
- 57
- Schnittstelle/Interfaceleitungen
- UPH(t)
- Phasenspannung
- IMOT(t)
- Phasenstrom
- Vref
- Referenzspannung
