DE102012110271B4

DE102012110271B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102012110271B4
Application number: DE102012110271.6A
Authority: DE
Inventors: Robin Gruber
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2021-11-04
Anticipated expiration: 2032-10-27
Also published as: DE102012110271A1

Abstract

Steuervorrichtung (100, 200) zum Bremsen eines Elektromotors (101), der zumindest zwei Phasenanschlüsse (111, 112, 113) aufweist, welche jeweils mit einem Zwischenkreis (114) und/oder einem Masseanschluss (120, 121, 122) verbindbar sind, die Steuervorrichtung (100, 200) aufweisend:eine Ausfallerkennungseinrichtung (104);eine High-Side-Schalteinrichtung (105);eine Low-Side-Schalteinrichtung (106);eine Phasenstrombestimmungseinrichtung (107);wobei die Ausfallerkennungseinrichtung (104) eingerichtet ist, einen Ausfall eines Kommutierungssensors (102) des Elektromotors zu erkennen;wobei die High-Side-Schalteinrichtung (105) eingerichtet ist, bei Erkennen des Ausfalls des Kommutierungssensors (102) ein High-Side-Trennsignal zu generieren, um die zumindest zwei Phasenanschlüsse (111, 112, 113) des Elektromotors von dem Zwischenkreis (114) zu trennen;wobei die Low-Side-Schalteinrichtung (106) eingerichtet ist, bei Erkennen des Ausfalls des Kommutierungssensors (102) ein Low-Side-Verbindesignal zu generieren, um die zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors mit dem Masseanschluss zu verbinden;wobei die Phasenstrombestimmungseinrichtung (107) eingerichtet ist, nach dem Bereitstellen des High-Side-Trennsignals und des Low-Side-Verbindesignals die Richtung und den Wert eines Bremsstroms (IA, IB, IC) durch die Phasenanschlüsse (111, 112, 113) zu bestimmen und einen Phasenansschluss zu erkennen, in dem der Bremsstrom durch den Phasenanschluss in Richtung des Masseanschlusses (120, 121, 122) einen vorgebbaren maximalen Grenzwert (IGrenz) überschreitet;wobei der Bremsstrom (IA, IB, IC) durch Induktion hervorgerufen wird;wobei die High-Side-Schalteinrichtung (105) eingerichtet ist, ein High-Side-Verbindesignal zu generieren, um den einen Phasenanschluss der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Grenzwertüberschreitung des Bremsstromes (IA, IB, IC) aufgetreten ist, für eine vorgebbare Ausgleichszeit (THigh), mit dem Zwischenkreis (114) zu verbinden; undwobei die Low-Side-Schalteinrichtung (106) eingerichtet ist, ein Low-Side-Trennsignal zu generieren, um den einen Phasenanschluss der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Grenzwertüberschreitung des Bremsstromes (IA, IB, IC) aufgetreten ist, während der Ausgleichszeit (THigh) von dem Masseanschluss (120, 121, 122) zu trennen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerungs- und Regeltechnik. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuervorrichtung zum Bremsen eines Elektromotors, ein Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors, ein computerlesbares Speichermedium und ein Programmprodukt zum Ausführen eines entsprechenden Verfahrens.
Elektromotoren und insbesondere bürstenlose Elektromotoren werden heute in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt. Zum Betrieb, bei dem sie aus einer Gleichspannung gespeist werden, benötigen diese Motoren allerdings einen Wechselrichter, welcher die phasenversetzten sinusförmigen Spannungen erzeugt, mit denen üblicherweise die Phasenanschlüsse des Motors versorgt werden müssen. Oftmals weist ein Elektromotor drei Phasenanschlüsse auf. Um die vom Wechselrichter generierten Spannungen mit der passenden Phasenlage zu erzeugen, sodass sich eine gewünschte Drehung des Motors ergibt, wird ständig die Lage des Rotors gegenüber dem Stator ermittelt. Die Lage des Rotors kann prinzipiell auf zwei Arten ermittelt werden. Einerseits ist die Verwendung eines Kommutierungssensors möglich, welcher auf der Rotorachse angebracht ist und so fortwährend den Winkel zwischen Rotor und Stator misst. Anderseits gibt es Verfahren, welche ohne zusätzlichen Sensor auskommen und die Lage des Rotors beispielsweise durch die Messung der durch die Rotordrehung erzeugten Gegenspannung oder durch die Messung der Phaseninduktivitäten bestimmen, die sich aufgrund von Sättigungseffekten abhängig von der Rotorlage ändert.
Mit beiden Varianten ist sowohl eine definierte Beschleunigung als auch eine Bremsung des Motors möglich. Für Applikationen, bei denen vorwiegend niedrige Drehzahlen auftreten oder bei denen eine hohe Präzision erforderlich ist, wird derzeit meist die Variante mit Kommutierungssensor eingesetzt.
Mit dem Einsatz eines Kommutierungssensors, beispielsweise eines Hall-Sensors, wird ein zusätzliches Bauteil genutzt, so dass bei Ausfall des Kommutierungssensors im Wesentlichen weder eine Steuerung des Motors noch ein definiertes Bremsen mehr möglich ist. Bei einer entsprechenden Größe des Elektromotors kann ein nicht kontrollierbarer Motor erheblichen Schaden anrichten. Trotzdem wird meist von einem zusätzlichen Einsatz der Messung der Gegenspannung abgesehen, da er einen zusätzlichen Steueraufwand erfordert.
Die Druckschrift EP 0 742 637 A1 beschreibt ein Verfahren zum sicheren Abbremsen eines elektrischen Antriebs, bei dem die Möglichkeit zur Herstellung eines integrierten Ankerkurzschlusses geschaffen wird, indem eine Wechselrichter-Brücke in sicherer Technik gesperrt wird, während die andere Wechselrichter-Brücke durch getaktete Ansteuerung einen Kurzschluss der Phasen des elektrischen Antriebs herbeiführt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein einfaches Bremsen eines Elektromotors zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
In diesem Text wird die Bezeichnung Steuervorrichtung und Steuer- und Regelvorrichtung gleichbedeutend und nicht einschränkend verwendet. Das bedeutet, dass eine Steuervorrichtung auch Regelkomponenten aufweisen kann. Eine Steuervorrichtung kann folglich auch eine Feedbackschleife aufweisen, mit der Ergebnisse eines Steuervorgangs überprüft und beeinflusst werden können. Ebenso verhält es sich mit den Begriffen steuern und regeln.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Steuervorrichtung zum Bremsen eines Elektromotors geschaffen, wobei der Elektromotor zumindest zwei Phasenanschlüsse aufweist, welche jeweils mit einem Zwischenkreis und/oder einem Masseanschluss verbindbar sind. Die Steuervorrichtung weist eine Ausfallerkennungseinrichtung, eine High-Side-Schalteinrichtung, eine Low-Side-Schalteinrichtung und eine Phasenstrombestimmungseinrichtung auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Elektromotor drei Phasenanschlüsse auf.
Die Ausfallerkennungseinrichtung ist eingerichtet, einen Ausfall eines Kommutierungssensors des Elektromotors zu erkennen.
Die High-Side-Schalteinrichtung ist eingerichtet, ein High-Side-Trennsignal zu generieren, wenn der Ausfall des Kommutierungssensors erkannt wird. Mittels des High-Side-Trennsignals werden die zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors von dem Zwischenkreis getrennt.
Die Low-Side-Schalteinrichtung ist eingerichtet, bei Erkennen des Ausfalls des Kommutierungssensors, insbesondere im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Generieren des High-Side-Trennsignals, ein Low-Side-Verbindesignal zu generieren, um die zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors mit dem Masseanschluss zu verbinden.
Die Phasenstrombestimmungseinrichtung ist eingerichtet, nach dem Bereitstellen des High-Side-Trennsignals und des Low-Side-Verbindesignals die Richtung und den Wert eines Bremsstroms durch die Phasenanschlüsse zu bestimmen und einen Phasenanschluss zu erkennen, in dem der Bremsstrom durch den Phasenanschluss in Richtung des Masseanschlusses einen vorgebbaren maximalen Grenzwert überschreitet. Die Phasenstrombestimmungseinrichtung kann vorzugsweise zum Auswerten der Information über den erkannten Phasenanschluss und zum Ansteuern der High-Side-Schalteinrichtung und/oder zum Ansteuern der Low-Side-Schalteinrichtung ausgebildet sein. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Phasenstrombestimmungseinrichtung zum Kommunizieren der Information über den erkannten Phasenanschluss an die High-Side-Schalteinrichtung und/oder an die Low-Side-Schalteinrichtung eingerichtet sein, welche dann die Information über den erkannten Phasenanschluss auswerten können. Der Bremsstrom wird im Wesentlichen durch Induktion in den Spulen des aufgrund der Massenträgheit weiterdrehenden Elektromotors hervorgerufen.
Die High-Side-Schalteinrichtung ist ferner eingerichtet, ein High-Side-Verbindesignal zu generieren, um den einen Phasenanschluss der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Grenzwertüberschreitung des Bremsstromes aufgetreten ist, für eine vorgebbare Ausgleichszeit, mit dem Zwischenkreis zu verbinden. Die Low-Side-Schalteinrichtung ist ferner eingerichtet, ein Low-Side-Trennsignal zu generieren, um den einen Phasenanschluss der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Stromüberschreitung aufgetreten ist, während der Ausgleichszeit von dem Masseanschluss zu trennen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors beschrieben, der zumindest zwei Phasenanschlüsse aufweist, welche jeweils mit einem Zwischenkreis und/oder einem Masseanschluss verbindbar sind. Das Verfahren weist verschiedene Verfahrensschritte auf.
Zunächst erfolgt ein Erkennen eines Ausfalls eines Kommutierungssensors des Elektromotors. Beim Erkennen des Ausfalls des Kommutierungssensors, insbesondere im Wesentlichen unmittelbar nach dem Erkennen des Ausfalls, wird das Verfahren mit dem Trennen der zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors von dem Zwischenkreis fortfahren. Ebenfalls wird beim Erkennen des Ausfalls des Kommutierungssensors das Verfahren einen Schritt des Verbindens der zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors mit dem Masseanschluss anstoßen.
Nach dem Trennen der zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors oder aller Phasenanschlüsse des Elektromotors von dem Zwischenkreis und nach dem Verbinden der zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors mit dem Masseanschluss wird das Verfahren die Richtung und den Wert eines Bremsstroms durch die Phasenanschlüsse bestimmen. Mit dem bestimmten Wert und der bestimmten Richtung kann das Verfahren einen solchen Phasenanschluss erkennen, in dem der Bremsstrom durch den Phasenanschluss in Richtung des Masseanschlusses einen vorgebbaren maximalen Grenzwert überschreitet. Die Information über den erkannten Phasenanschluss kann ausgewertet werden. Das Auswerten kann vorzugsweise das Ermitteln eines Ortes des Phasenanschlusses oder einer Nummer des Phasenanschlusses aufweisen, in welchem die Grenzwertüberschreitung stattgefunden hat. Das Auswerten erfolgt vorzugsweise in einer Auswerteeinrichtung, welche vorzugsweise als eine High-Side-Schalteinrichtung und/oder als eine Low-Side-Schalteinrichtung ausgeführt sein kann. Der Bremsstrom wird durch Induktion hervorgerufen.
Das Verfahren sieht ferner das Verbinden des einen Phasenanschlusses der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Grenzwertüberschreitung des Bremsstromes aufgetreten ist, mit dem Zwischenkreis vor. Für die Dauer des Verbindens mit dem Zwischenkreis ist eine vorgebbare Ausgleichszeit oder ein Ausgleichszeitintervall vorgesehen. Im Wesentlichen während der Dauer der Ausgleichszeit wird der eine Phasenanschluss der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Stromüberschreitung aufgetreten ist, von dem Masseanschluss getrennt. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird zunächst der Phasenanschluss von dem Masseanschluss getrennt und darauf wird für eine kurze Zeitspanne der Phasenanschluss mit dem Zwischenkreis verbunden. Nachdem der Phasenanschluss wieder von dem Zwischenkreis getrennt worden ist, wird der Phasenanschluss wieder mit dem Masseanschluss verbunden. Vorzugsweise wird bei dieser Weiterbildung sichergestellt, dass der Phasenanschluss nicht gleichzeitig mit dem Zwischenkreis und dem Masseanschluss verbunden wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird auch ein computerlesbares Speichermedium beschrieben, auf dem ein Programmcode zum Bremsen eines Elektromotors gespeichert ist, der, wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren zum Bremsen des Elektromotors ausführt.
Vorzugsweise ist ein computerlesbares Speichermedium eine Floppy Disk, eine Festplatte, ein USB (Universal Serial Bus) Speichergerät, ein RAM (Random Access Memory), ein ROM (Read Only Memory) oder ein EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory). Als ein computerlesbares Speichermedium kann auch ein Kommunikationsnetz angesehen werden, wie z.B. das Internet, welches das Herunterladen eines Programm Codes zulässt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird auch ein Programmelement zum Bremsen eines Elektromotors beschrieben, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren zum Bremsen des Elektromotors ausführt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuervorrichtung als FPGA (Field Programmable Gate Array) oder ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) oder als IC (Integrated Circuit) realisiert. Vorzugsweise ist das Verfahren, insbesondere das Programmelement, als ein Softwarepatch realisiert, der eine bestehende Steuersoftware für eine Elektromotorsteuerung so ergänzt und/oder modifiziert, dass Sie zum Bremsen des Elektromotors genutzt werden kann. So kann eine im Wesentlichen nicht sensorlos bremsfähige Steuervorrichtung zu einer sensorlos bremsfähigen Steuervorrichtung umgewandelt werden, ohne zusätzliche Komponenten für die Lagebestimmung des Rotors eines Elektromotors vorsehen zu müssen.
Ein Elektromotor weist im Wesentlichen einen Stator und einen Rotor auf. In dem Stator sind Spulen integriert, die Phasenanschlüsse aufweisen. An die Phasenanschlüsse werden in einem normalen Betrieb des Elektromotors in einem bestimmten Rhythmus Spannungen angelegt, die einen Stromfluss in den Spulen und ein induziertes Magnetfeld hervorrufen, das den Rotor im Wesentlichen mit sich zieht und so zum Drehen veranlasst. Dieses Magnetfeld wird als vorauseilendes Magnetfeld bezeichnet. Umgekehrt kann zum Bremsen des Elektromotors ein in im Wesentlichen nacheilendes Magnetfeld generiert werden, mit dem der Elektromotor kontrolliert zum Stehen gebracht werden kann.
Unter einem kontrollierten Bremsen wird im Wesentlichen verstanden, dass Randparameter für den Elektromotor eingehalten werden. Vorteilhaft wird darauf geachtet, dass ein Strom, der sich aufgrund des Weiterlaufens des Elektromotors durch die Massenträgheit in den Phasenanschlüssen aufbaut, nicht die maximal zulässigen Stromgrenzwerte für Bauteile überschreitet, durch die dieser Strom fließt. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird darauf geachtet, dass die maximalen Belastungswerte für ein an dem Motor angeschlossenes Getriebe nicht überschritten werden. In dem sich drehenden Elektromotor ist eine kinetische Energie gespeichert, die beim Bremsen in einen Induktionsstrom umgewandelt wird. Die durch Reibung abgebaute Energie soll gegenüber der durch Induktion abgebauten Energie vernachlässigbar sein.
Von dem sich ergebenden Induktionsstrom oder Bremsstrom könnten Bauteile von mit den Phasenanschlüssen verbundenen Komponenten betroffen sein, wie ein Wechselrichter oder die Steuerung oder die Steuervorrichtung selbst.
Für ein kontrolliertes Abbremsen führt die Steuerung oder die Steuervorrichtung vorzugsweise ein Verfahren aus, bei dem mittels eines Kommutierungssensors die Lage des Rotors relativ zum Stator bewertet wird, um das Bremsfeld in korrekter nacheilender Lage zu generieren.
Alternativ könnte die Lage mittels einer Auswerteroutine ermittelt werden, die die aufgrund der Induktion erzeugten Gegenspannungen in den Spulen auswertet und so ein nacheilendes Bremsfeld erzeugt. Solch eine Auswertung ist jedoch komplex und deshalb meist in den Steuerungen nicht vorgesehen, die in Kombination mit Kommutierungssensoren verwendet werden. Um dennoch bei einem Ausfall des Kommutierungssensors ein kontrolliertes Bremsen zu ermöglichen kann bevorzugt mittels Komponenten, die für den Antrieb des Elektromotors genutzt werden, nach Schaltmustern gesucht werden, die sich aufgrund der Tatsache des weiterlaufenden Motors ergeben und die einen ungefähren Rückschluss auf die Situation in dem Motor geben können. Vorteilhaft kann mit diesen Schaltmustern ohne eine genaue Angabe über die Lage des Rotors sozusagen „blind“ ein kontrolliertes Bremsen ermöglicht werden.
Eine maximale Bremswirkung könnte erzielt werden, wenn die Phasenanschlüsse derjenigen Spulen, in denen ein Magnetfeld induziert wird kurzgeschlossen würden. Durch das Kurzschließen und die hohe in der Drehbewegung des Motors gespeicherte kinetische Energie könnte der Strom bei einem Kurzschluss so stark ansteigen, dass Bauteiltoleranzen, der Belastungsstrom oder der Belastungswert für einen Strom durch ein Bauteil oder den Motor überschritten werden könnten. Aus dem Belastungsstrom kann sich der Grenzwert für die Vorgabe des maximal zulässigen Bremsstromes ableiten.
Bevorzugt werden solche Situationen ermittelt und durch kurzzeitiges „Entlasten“ vermieden, in denen der induzierte Strom droht einen vorgegebenen Grenzwert zu übersteigen. Bei dem Entlasten wird ein Kurzschluss der Phasen getrennt und eine Phase wird mit einem Zwischenkreis verbunden. Das Verbinden mit dem Zwischenkreis dient dazu, kurzzeitig das Spannungsniveau in dem Phasenanschluss zu erhöhen und Energie abzubauen, indem der Induktionsstrom gegen dieses erhöhte Spannungsniveau arbeiten muss.
Durch das Reagieren auf unterschiedliche Schaltmuster lässt sich das Bremsen vorteilhaft verfeinern und unterschiedlich effektiv gestalten.
Eine zusätzliche Steuerkomponente, die den Motor mittels eines nacheilenden Feldes bremst, kann so im Wesentlichen vermieden werden. Oder in anderen Worten wird sozusagen blind ein nacheilendes Magnetfeld in den Statorwicklungen erzeugt, um eine Bremswirkung zu erzielen. Somit kann eine Steuervorrichtung baulich einfach aufgebaut werden und kann, insbesondere bei einer Realisierung mit Logikbausteinen, mit wenigen zusätzlichen Komponenten aufgebaut werden verglichen mit der Anzahl der Komponenten einer Steuerung, die für den Antrieb genutzt wird. In vorteilhafter Art und Weise lässt sich somit Gewicht einsparen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Steuervorrichtung eine Stromvorgabeeinrichtung auf, welche eingerichtet ist, den Grenzwert für den Bremsstrom fest und/oder dynamisch vorzugeben.
Die Stromvorgabeeinrichtung speichert den Grenzwert für den Bremsstrom. In einer bevorzugten Weiterbildung empfängt sie den Wert für den maximal zulässigen Bremsstrom oder den Grenzwert, den sie speichert von einer anderen Vorrichtung, beispielsweise von einer globalen Steuerung. Das Empfangen kann während des Betriebs erfolgen, so dass der Grenzwert variabel an die aktuell vorherrschende Situation angepasst werden kann. Der Grenzwert kann aber auch fest eingestellt werden. Vorzugsweise kann der Grenzwert bei der Herstellung der Steuervorrichtung oder vor der Inbetriebnahme der Steuervorrichtung eingestellt werden. Zum Eingeben des Grenzwerts kann die Stromvorgabeeinrichtung in einem Beispiel eine Eingabeeinrichtung, wie eine Tastatur, einen Jumper oder einen Dip-Schalter aufweisen. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Stromvorgabeeinrichtung eine Netzwerkschnittstelle auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Grenzwert für den Bremsstrom zumindest ein Wert, der aus einer Gruppe von Werten ausgewählt ist. Die Gruppe von Werten besteht aus dem halben Wert des maximal zulässigen Strom, der sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten ergibt und/oder der sich aus dem maximalen Belastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe ergibt, aus dem Wert des maximal zulässigen Stroms, der sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten ergibt und/oder der sich aus dem maximalen Strombelastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe ergibt und aus einem zwischen dem halben maximal zulässigen und dem maximal zulässigen Strombelastungswert dynamisch anpassbaren Wert.
Der maximal zulässige Strom, der sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten ergibt und/oder der sich aus dem maximalen Belastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe ergibt, wird als Belastungsstrom bezeichnet. Folglich kann der Grenzwert für den Bremsstrom bevorzugt als halber Wert des Belastungsstroms, als voller Wert des Belastungsstroms und/oder als ein aus dem Belastungsstrom dynamisch abgeleiteter Wert gewählt werden.
Durch die Möglichkeit unterschiedliche Werte für den Grenzwert vorzugeben können verschiedene Szenarien der Motorbremsung berücksichtigt werden. Es kann vorzugsweise auch in Abhängigkeit von der Anzahl vorhandener Phasenanschlüsse zu unterschiedlichen Grenzwertvorgaben kommen. In einer Weiterbildung der Erfindung, bei der der Elektromotor nur zwei Phasenanschlüsse aufweist, kann der Belastungsstrom als Grenzwert vorgebbar sein, während in einer Weiterbildung der Erfindung mit drei Phasenanschlüssen lediglich der halbe Belastungsstrom als einzuhaltender Grenzwert für den Bremsstrom vorgebbar ist. Auch der Ort der Strommessung, der in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in einem Phasenanschluss oder der in einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in einem Fußpunkt liegen kann, kann zu unterschiedlich festgelegten Grenzwertvorgaben führen. Darüber hinaus kann durch unterschiedliche Grenzwertvorgaben die Bremsbelastung und/oder die Zeit bis zum Stillstand beeinflusst werden.
Der Grenzwert kann auch von einer übergeordneten Steuerung oder von einer globalen Steuerung vorgegeben werden, um eine Bahntreue beim Bremsen einhalten zu können. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der Elektromotor ein Teil eines Industrieroboters sein, der mehrere Gelenke mit Elektromotoren aufweist und bei Ausfall des Elektromotors kann der Roboter bahntreu in eine Endposition gefahren werden, koordiniert mit den übrigen Elektromotoren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ergibt sich die Ausgleichszeit oder die High-Side-Zeit aus dem Produkt des maximal zulässigen Stromrippels für den Elektromotor und der Motorinduktivität zwischen zwei Phasenanschlüssen des Elektromotors geteilt durch die halbe Zwischenkreisspannung. Diese Vorgabe gehorcht der Formel $T_{H i g h} = Δ I_{p p} \cdot \frac{L_{K l e m m e}}{(\frac{U_{Z w i s c h e n k e i s}}{2})}$
In dieser Formel (1) beschreibt T_High die Ausgleichszeit oder das Intervall während dessen ein Phasenanschluss mit dem Zwischenkreis verbunden wird. L_Klemme steht für die Motorinduktivität zwischen zwei Phasenanschlüssen und U_{Zwischenkreis} bezeichnet die Zwischenkreisspannung, also die Spannung zwischen einem Zwischenkreis und dem Masseanschluss. Der Zwischenkreis kann die Spannung oder Spannungsquelle aufweisen, die für den Antrieb des Elektromotors verantwortlich ist. ΔI_pp bezeichnet den Spitze-Spitze-Wert des maximal erlaubten Stromrippels im Motor. Der Stromrippel hängt von der Schaltgeschwindigkeit des Wechselrichters und der Motorinduktivität ab. In einer vorteilhaften Betriebsart eines Normalbetriebs wird man ihn im Bereich bis 10% des Nennstroms des Motors wählen, um die Ummagnetisierungsverluste im Eisen klein zu halten. In einer weiteren vorteilhaften Betriebsart im reinen Bremsen können auch höhere Werte gewählt werden. Jedoch kann in einem bevorzugten Betriebsmodus das Verfahren bei Erreichen eines gewissen Stromniveaus umschalten, wodurch sich ein mittlerer Strom ergibt, der umso kleiner ist, je größer der vorgegebene Rippelstrom ist. Der Stromrippel tritt zwischen mindestens zwei Motorphasen auf.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die High-Side-Schalteinrichtung für jeden Phasenanschluss des Elektromotors ein High-Side-Schaltelement auf, welches mit dem Zwischenkreis und dem jeweiligen Phasenanschluss des Elektromotors verbunden ist und einen Eingang für den Empfang des High-Side-Trennsignals und/oder des High-Side-Verbindesignals aufweist.
Das Schaltelement kann ein Transistor oder ein anderer elektronischer Schalter sein, der mittels eines Signals aus der High-Side-Schalteinrichtung oder aus der Low-Side-Schalteinrichtung einen leitenden oder einen sperrenden Zustand einnimmt. Das Schaltelement kann in einem Wechselrichter vorhanden sein, der zum Betreiben des Elektromotors genutzt wird. Die Schalteinrichtungen sind Teil von einer Brückenschaltung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Phasenstrombestimmungseinrichtung für eine Fußpunkt-Phasenstrommessung zwischen dem Low-Side-Schaltelement und dem Masseanschluss eingerichtet.
Wechselrichter für Elektromotoren können einen Anschluss für eine Fußpunkt-Phasenstrommessung aufweisen. Bei dem Verwenden von Informationen, die aus einem Sensor für die Phasenstrommessung abgeleitet werden, müssen im Wesentlichen keine mechanischen Anpassungen vorgenommen werden, um das kontrollierte Bremsen zu ermöglichen.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Phasenstrombestimmungseinrichtung für eine Strommessung in dem jeweiligen Phasenanschluss des Elektromotors eingerichtet.
Bei einer Messung des Phasenstroms in einem Phasenanschluss des Elektromotors bleibt der Phasenstrom auch während der Ausgleichszeit sichtbar. Der Bremsstrom kann gemessen werden, wenn er durch das High-Side-Schaltelement fließt aber auch, wenn er durch das Low-Side-Schaltelement fließt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die vorgebbare Ausgleichszeit durch das Absinken des Stromes in dem jeweiligen Phasenanschluss vorgegeben.
Durch das Reagieren auf das Absinken eines Stromes in dem jeweiligen Phasenanschluss kann statt eines fest vorgegebenen Intervalls für das Verbinden des Phasenanschlusses mit dem Zwischenkreis, insbesondere für die Zeit während der das High-Side-Schaltelement leitend ist, eine Abhängigkeit von dem Phasenstrom hergestellt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Absinken des betreffenden Phasenstroms als Abschaltkriterium für das High-Side-Schaltelement verwendet werden, nachdem das High-Side-Schaltelement eingeschaltet worden ist und der Phasenanschluss mit dem Zwischenkreis verbunden worden ist. Die Nutzung einer Hysterese kann bei dem Erkennen einer Abschaltbedingung vorteilhaft sein, da sich sonst sehr hohe Umschaltfrequenzen ergeben könnten.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die vorgebbare Ausgleichszeit aus einem Bereich von 100ns bis 100µs wählbar.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die High-Side-Schalteinrichtung und die Low-Side-Schalteinrichtung zum Trennen und/oder zum Verbinden von zumindest drei Phasenanschlüssen des Elektromotors eingerichtet.
Bei dem Verwenden von mindestens drei Phasenanschlüssen kann es vorzugsweise zu einem Schaltmuster kommen, bei dem sich ein Bremsstrom, der in den Masseanschluss fließt oder aus dem Masseanschluss heraus fließt, auf mehrere Zweige aufteilt. In dem Fall der Verwendung von zumindest drei Phasen ist die Phasenstrombestimmungseinrichtung ferner eingerichtet, einen Phasenanschluss zu erkennen, in welchem der Bremsstrom durch den Phasenanschluss aus dem Masseanschluss heraus den Wert des maximal zulässigen Stroms überschreitet. Der maximal zulässige Strom ergibt sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten und/oder aus dem maximalen Belastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe.
Die Phasenstrombestimmungseinrichtung ist ferner eingerichtet, beim Erkennen der Tatsache, dass der Bremsstrom aus dem Masseanschluss heraus den vorgebbaren maximalen Grenzwert überschreitet, den vorgebbaren maximalen Grenzwert für den Bremsstrom in Richtung des Masseanschluss in einem anderen Phasenanschluss auf den halben Wert des maximal zulässigen Stroms zu begrenzen, der sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten ergibt und/oder der sich aus dem maximalen Belastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe ergibt.
In anderen Worten kann in einem Fall, in dem zumindest drei Phasenanschlüsse vorhanden sind, der maximale Grenzwert als der Belastungsstrom oder Belastungswert vorgegeben werden. In diesem Fall ist die Phasenstrombestimmungseinrichtung eingerichtet, den Phasenanschluss oder die Phase zu erkennen und zu identifizieren, in der der Bremsstrom aus dem Masseanschluss heraus den vorgebbaren maximalen Grenzwert, also den Belastungsstrom, überschreitet, und den vorgebbaren maximalen Grenzwert für den Bremsstrom in Richtung des Masseanschlusses, d.h. den maximalen Grenzwert für einen anderen Phasenanschluss, von dem vollen Belastungswert auf den halben Belastungswert herab zu setzen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Elektromotor angegeben, der die Steuervorrichtung aufweist, d.h. der mit der Steuervorrichtung verbunden ist.
So kann ein Elektromotor mit einer integrierten Steuervorrichtung verkauft werden.
Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Steuersystem beschrieben, welches die Steuervorrichtung und eine globale Steuereinrichtung oder eine globale Steuerung aufweist. Die Steuervorrichtung ist mit der globalen Steuereinrichtung verbunden und die globale Steuereinrichtung ist eingerichtet, den maximalen Grenzwert für den Bremsstrom vorzugeben. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Steuersystem auch noch zumindest einen Elektromotor aufweisen. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die globale Steuereinrichtung ein bahntreues Bremsen eines Systems ermöglichen, indem Sie eine Vielzahl einzelner Elektromotore steuert und/oder regelt und so ein kontrolliertes Bremsen ermöglicht.
Die globale Steuereinrichtung kann vorzugsweise eine externe Steuerung sein, beispielsweise eine Robotersteuerung. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die globale Steuereinrichtung den Wert für den maximal zulässigen Strom oder die Stromvorgabe variieren und so den Grenzwert beeinflussen. Der maximal zulässige Strom kann durch die Belastungsgrenzen der Bauteile vorgegeben sein, durch die der Bremsstrom fließt. Diesen Wert für den maximal zulässigen Strom kann die globale Steuereinrichtung zwischen dem Wert 0 und dem für die Bauteile maximal zulässigen Wert variieren, sodass ein System, beispielsweise ein Roboter, in dem das Steuersystem eingesetzt wird, eine bahntreue Bremsung durchführen kann. Diese Stromvorgabe kann über eine Stromvorgabeeinrichtung an die Steuervorrichtung weitergegeben werden.
Es soll angemerkt werden, dass unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Gegenstände beschrieben wurden. Insbesondere wurden einige Ausführungsformen mit Bezug auf Vorrichtungsansprüche beschrieben, wohingegen andere Ausführungsformen in Bezug auf Verfahrensansprüche beschrieben wurden. Ein Fachmann kann jedoch der vorangehenden Beschreibung und der folgenden Beschreibung entnehmen, dass, außer es wird anders beschrieben, zusätzlich zu jeder Kombination von Merkmalen, die zu einer Kategorie von Gegenständen gehört, auch jede Kombination zwischen Merkmalen als von diesem Text offenbart angesehen wird, die sich auf unterschiedliche Kategorien von Gegenständen bezieht. Insbesondere sollen Kombinationen zwischen Merkmalen von Vorrichtungsansprüchen und Merkmalen von Verfahrensansprüchen offenbart sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1: eine Steuervorrichtung zum Bremsen eines Elektromotors in einer Konfiguration mit Fußpunktmessung zur Bremsstrombestimmung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2: eine Steuervorrichtung zum Bremsen eines Elektromotors in einer Konfiguration der Bremsstrombestimmung in einer Phase gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3: ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4: ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors mit dynamischer Grenzwertanpassung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5: ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors mit dynamischer Grenzwertanpassung bei dem eine Phasenmessung durchgeführt wird gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ohne Einschränkung der Allgemeinheit werden in den folgenden Figuren Elektromotoren mit drei Phasen und folglich mit drei Phasenanschlüssen beschrieben. Ein Elektromotor kann jedoch auch mindestens zwei Phasen oder eine beliebige Anzahl an Phasen aufweisen.
Die 1 zeigt eine Steuervorrichtung 100 mit einem Elektromotor 101 mit dem ersten Phasenanschluss 111, dem zweiten Phasenanschluss 112 und dem dritten Phasenanschluss 113. Die Phasenanschlüsse 111, 112, 113 sind jeweils mit einer Spule des Stators des Elektromotors 101 verbunden. Der Stator und die Spulen sind in 1 nicht dargestellt. Es sollen im folgenden Text L₁₂ die Spule bezeichnen, die zwischen der ersten Phase 111 und der zweiten Phase 112 angeordnet ist, L₁₃ die Spule bezeichnen, die zwischen der ersten Phase 111 und der dritten Phase 113 angeordnet ist und L₂₃ die Spule bezeichnen, die zwischen der zweiten Phase 112 und der dritten Phase 113 angeordnet ist. Allgemein soll der Wert der Motorinduktivität zwischen zwei Phasenanschlüssen als L_Klemme bezeichnet werden. Der Elektromotor 101 weist den Kommutierungssensor 102 auf, der über die Kommutierungssensor-Anschlussleitung 103 mit der Ausfallerkennungseinrichtung 104 der Steuervorrichtung 100 oder Steuerung 100 verbunden ist. Die Steuervorrichtung 100 weist neben der Ausfallerkennungseinrichtung 104 die High-Side-Schalteinrichtung 105, die Low-Side-Schalteinrichtung 106 und die Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 auf, die miteinander verbunden sind.
Die High-Side-Schalteinrichtung 105 kann über den ersten High-Side-Anschluss 108 ein erstes High-Side-Trennsignal oder ein erstes High-Side-Verbindesignal für das erste High-Side-Schaltelement SH1 bereitstellen. Die High-Side-Schalteinrichtung 105 kann über den zweiten High-Side-Anschluss 109 ein zweites High-Side-Trennsignal oder ein zweites High-Side-Verbindesignal für das zweite High-Side-Schaltelement SH2 bereitstellen. Die High-Side-Schalteinrichtung 105 kann über den dritten High-Side-Anschluss 110 ein drittes High-Side-Trennsignal oder ein drittes High-Side-Verbindesignal für das dritte High-Side-Schaltelement SH3 bereitstellen.
Mit einem Trennsignal kann eine Schalteinrichtung in einen gesperrten oder getrennten Zustand gebracht werden. Mit einem Verbindesignal kann eine Schalteinrichtung in einen verbundenen oder leitenden Zustand gebracht werden.
Das erste High-Side-Schaltelement SH1 ist mit dem ersten Phasenanschluss 111 des Elektromotors 101 und dem Zwischenkreis 114 verbunden. Das zweite High-Side-Schaltelement SH2 ist mit dem zweiten Phasenanschluss 112 des Elektromotors 101 und dem Zwischenkreis 114 verbunden. Entsprechend ist das dritte High-Side-Schaltelement SH3 mit dem dritten Phasenanschluss 111 des Elektromotors 101 und dem Zwischenkreis 114.
Wegen des im Wesentlichen gleichen Aufbaues einer High-Side-Phasenansteuerungseinrichtung, gilt alles was für eine Phase 111, 112, 113 beschrieben wird entsprechend für die anderen Phasen. Die High-Side-Phasenansteuerungseinrichtung weist im Wesentlichen das High-Side-Schaltelement SH1, SH2, SH3, den High-Side-Anschluss 108, 109, 110 und den Phasenanschluss 111, 112, 113 auf.
Die Low-Side-Schalteinrichtung 106 kann über den ersten Low-Side-Anschluss 128 ein erstes Low-Side-Trennsignal oder ein erstes Low-Side-Verbindesignal für das erste Low-Side-Schaltelement SL1 bereitstellen. Die Low-Side-Schalteinrichtung 106 kann über den zweiten Low-Side-Anschluss 129 ein zweites Low-Side-Trennsignal oder ein zweites Low-Side-Verbindesignal für das zweite Low-Side-Schaltelement SL2 bereitstellen. Die Low-Side-Schalteinrichtung 106 kann über den dritten Low-Side-Anschluss 130 ein drittes Low-Side-Trennsignal oder ein drittes Low-Side-Verbindesignal für das dritte Low-Side-Schaltelement SL3 bereitstellen.
Das erste Low-Side-Schaltelement SL1 ist mit dem ersten Phasenanschluss 111 des Elektromotors 101 und dem ersten Masseanschluss 120 verbunden. Das zweite Low-Side-Schaltelement SL2 ist mit dem zweiten Phasenanschluss 112 des Elektromotors 101 und dem zweiten Masseanschluss 121 verbunden. Entsprechend ist das dritte Low-Side-Schaltelement SL3 mit dem dritten Phasenanschluss 113 des Elektromotors 101 und dem dritten Masseanschluss 122 verbunden. Die Masseanschlüsse 120, 121, 122 liegen im Wesentlichen auf dem gleichen Potential.
Die High-Side-Schaltelemente SH1, SH2, SH3 und die Low-Side-Schaltelemente SL1, SL2, SL3 sind in dem Wechselrichter 123 zu einer Einheit zusammengefasst. Bei den High-Side-Schaltelementen SH1, SH2, SH3 und den Low-Side-Schaltelementen SL1, SL2, SL3 kann es sich um verschiedene Ausführungsformen, wie um ein digitales Schaltelement, um einen Schalter und/oder um einen Transistor handeln. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit, wird im Folgenden im Wesentlichen davon ausgegangen, dass als Schaltelemente SH1, SH2, SH3, SL1, SL2, SL3 Transistoren zum Einsatz kommen.
Entsprechend dieser Annahme wird die Verbindung des High-Side-Schaltelements SH1, SH2, SH3 mit dem High-Side-Anschluss 108, 109, 110 als Gate bezeichnet. Der Anschluss, mit dem das High-Side-Schaltelement SH1, SH2, SH3 mit dem Zwischenkreis 114 verbunden ist, wird als Drain bezeichnet. Der Anschluss, mit dem das High-Side-Schaltelement SH1, SH2, SH3 mit dem Phasenanschluss 111, 112, 113 des Elektromotors 101 verbunden ist, wird als Source bezeichnet.
Entsprechend wird die Verbindung des Low-Side-Schaltelements SL1, SL2, SL3 mit dem Low-Side-Anschluss 128, 129, 130 als Gate bezeichnet. Der Anschluss, mit dem das Low-Side-Schaltelement SL1, SL2, SL3 mit dem Phasenanschluss 111, 112, 113 des Elektromotors 101 verbunden ist, wird als Drain bezeichnet werden. Der Anschluss, mit dem das Low-Side-Schaltelement SL1, SL2, SL3 mit dem Masseanschluss 120, 121, 122 verbunden ist, wird als Source bezeichnet.
Der Phasenanschluss 111, 112, 113 des Elektromotors 101 ist mit dem Source-Anschluss des entsprechenden High-Side-Schaltelements SH1, SH2, SH3 verbunden und gleichzeitig auch mit dem Drain-Anschluss des entsprechenden Low-Side-Schaltelements SL1, SL2, SL3.
In 1 ist ein Wechselrichter 123 mit einer Fußpunkt-Phasenstrommessung dargestellt. In dieser Konfiguration ist die Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 mit jeweils einer Drain oder mit einem Drain-Anschluss des zugehörigen Low-Side-Schaltelements SL1, SL2, SL3 und einem Strommesswiderstand RA, RB, RC verbunden, der zwischen Drain und Masseanschluss 120, 121, 122 angeordnet ist. Mittels des ersten Strommesswiderstandes RA kann der Wert des Stromes I_A in der ersten Phase zwischen dem Phasenanschluss 111, 112, 113 und dem Masseanschluss 120, 121, 122 und die Richtung dieses Stromes ermittelt und der entsprechenden Phase zugeordnet werden. Entsprechendes gilt für den Strom I_B in der zweiten Phase 112 und für den Strom I_C in der dritten Phase 113. Die Verbindung zwischen der Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 und dem Strommesswiderstand RA, RB, RC erfolgt über die erste Messleitung 131, über die zweite Messleitung 132 oder die dritte Messleitung 133. Die Messleitungen 131, 132, 133 sind zur Unterscheidung der Messleitungen und der von den Messleitungen geführten Signalen mit unterschiedlichen Ports der Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 verbunden.
In der 1 ist durch Pfeile eine Richtung für den ersten Phasenstrom I_A, für den zweiten Phasenstrom I_B und für den dritten Phasenstrom I_C angegeben. Über diese Richtungsangabe wird ein Strom von einem Phasenanschluss in einen Masseanschluss hinein mit einem positiven Vorzeichen gekennzeichnet. Umgekehrt wird bei dieser Stromrichtungsvorgabe ein Strom aus der Masse in Richtung Phasenanschluss 111, 112, 113 mit einem negativen Vorzeichen gekennzeichnet. Jede andere Definition der Richtungsangabe des Stromes ist denkbar.
Die Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 ist innerhalb der Steuervorrichtung 100 mit der High-Side-Schalteinrichtung 105 und der Low-Side-Schalteinrichtung 106 verbunden, um diesen Schalteinrichtungen eine Rückmeldung über die ermittelte Größe des gemessenen Stroms, die Richtung und die Lage anzugeben, wobei mit der Lage des gemessenen Stroms die Phase bezeichnet wird, in der der entsprechende Strom gemessen worden ist.
In 1 wird somit eine Steuervorrichtung 100 beschrieben, die zur Ausführung eines Verfahrens zum Bremsen eines Elektromotors 101 angepasst ist, wenn ein Wechselrichter 123 mit einer Fußpunkt-Phasenstrommessung zum Ansteuern des Elektromotors zum Einsatz kommt. Wie in 2 dargestellt ist, lässt sich das Verfahren zum Bremsen und insbesondere die Steuervorrichtung 100 so modifizieren, dass es auch in Kombination mit Wechselrichtern eingesetzt werden kann, die eine Strommessung in der Phase 111, 112, 113 ausführen. Bei den Schaltelementen SH1, SH2, SH3, SL1, SL2, SL3 des Wechselrichters kann es sich insbesondere um MOSFET-Transistoren handeln. Wie bereits beschrieben kann eine beliebige Vielzahl von Phasen 111, 112, 113 genutzt werden. Bei Motorwechselrichtern 123 kann die Messung des Phasenstromes zum Stellen des gewünschten Moments in dem Motor genutzt werden. Ob diese Messung im Fußpunkt mit einem Strommesswiderstand RA, RB, RC oder in der Phase mit einem Stromsensor durchführt wird hängt von den technischen Randbedingungen ab. Die Messung im Fußpunkt kann oftmals kompakter und billiger zu realisieren sein als eine Messung des Phasenstroms. Jedoch kann eine Messung des Phasenstroms in der Phase oft genauer durchführbar sein, da der Strom nicht nur während des kurzen Moments gemessen wird, zu dem der Strom durch den Low-Side-Transistor fließt, sondern kontinuierlich. Der Vorteil einer genauen Messung kann insbesondere bei Drehzahlen erreicht werden, die nahe bei der Maximaldrehzahl liegen.
Im Betrieb wird der Elektromotor durch eine Schaltfolge der Schaltelement SH1, SH2, SH3, SL1, SL2, SL3 abwechselnd mit der Spannung des Zwischenkreises 114 und den Masseanschlüssen 120, 121, 122 verbunden, wodurch in dem Elektromotor 101 ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, das den Motor, insbesondere den Rotor des Motors 101, zum Drehen bringt. Zur gezielten Ansteuerung der Schaltelemente wird regelmäßig mit dem Kommutierungssensor 102 die Position des Rotors bestimmt. Bei dem Elektromotor kann es sich um einen bürstenlosen Elektromotor 101 oder um einen Gleichstrommotor 101 handeln.
Fällt nun während des Betriebs des bürstenlosen Motors 101 an dem Wechselrichter 123 der Kommutierungssensor 102 aus, so schaltet die Steuerung 100 in den Bremsmodus um. Das Erkennen des Ausfalls erfolgt mit der Ausfallerkennungseinrichtung 104.
Nach einem Ausfall des Kommutierungssensors 102 besteht die Gefahr, dass der Motor 101 unkontrolliert weiterdreht. Zwar könnte ein sehr schnelles Bremsen erreicht werden, wenn mittels eines Kurzschließens der Motorinduktivitäten oder der Motorspulen L_Klemme , beispielsweise L₁₂ , L₁₃ oder L₂₃ , der Effekt des durch das Kurzschließen erzeugten Induktionsstroms zum Bremsen genutzt wird. Jedoch kann durch den Kurzschluss ein sehr hoher Strom entstehen, der die Strombelastung für einzelne Bauteile übersteigt, durch die dieser Strom fließt. Das Übersteigen kann zu einer Zerstörung der Bauteile führen. Außerdem kann die Bremswirkung beim Kurzschließen der Phasenanschlüsse so stark sein, dass ein Getriebe, das an dem Elektromotor 101 angeschlossen ist so stark belastet wird, dass es zerstört wird.
Der Bremsvorgang sollte vorzugsweise zur Vermeidung von Zerstörungen in einem gewissen Rahmen kontrolliert werden. Für ein kontrolliertes Bremsen soll vorzugsweise im Wesentlichen sichergestellt werden, dass ein induzierter Strom in den Phasen, ein Phasenstrom oder ein Bremsstrom I_A, I_B, I_C vorgebbare Grenzwerte nicht übersteigt. Diese vorgebbare Grenzwerte für den Bremsstrom können in der Steuerung 100 oder der Steuervorrichtung 100 fest abgelegt sein. In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Grenzwertvorgabe für den Bremsstrom auch dynamisch von einer übergeordneten Regelung oder von einer globalen Steuerung (nicht in 1 dargestellt) vorgegeben werden. Die Vorgabe kann sich also während des Bremsvorgangs dynamisch ändern. Die dynamische Vorgabe bietet beispielsweise die Möglichkeit bei einem Robotersystem eine bahntreue Bremsung zu ermöglichen. Zur Vorgabe der Grenzwerte kann die Vorgabeeinrichtung 140 oder Stromvorgabeeinrichtung 140 genutzt werden. Zur bahntreuen Abbremsung kann die Steuervorrichtung 100 über diese Stromvorgabeeinrichtung 140 eine Vorgabe von der übergeordneten Regelung erhalten.
Die 2 zeigt eine Steuervorrichtung 200 zum Bremsen eines Elektromotors in einer Konfiguration, bei der die Bremsstrombestimmung mittels einer Messung in einer Phase erfolgt, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dieser Konfiguration wird mit den im Wesentlichen gleichen Komponenten, die auch in 1 dargestellt sind, nämlich der High-Side-Schalteinrichtung 105, der Low-Side-Schalteinrichtung 106, der Ausfallerkennungseinrichtung 104 und der Phasenstrombestimmungseinrichtung 107, der Bremsstrom direkt in den Phasen 111, 112, 113 ermittelt. Die Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 erfasst mittels des ersten Stromsensors 201, mittels der zweiten Stromsensors 202 und des dritten Stromsensors 203 den Strom I_A, I_B und I_C in den Phasenanschlüssen 111, 112, 113. Die Stromsensoren 201, 202, 203 sind mit dem Source-Anschluss des jeweiligen High-Side-Schaltelements SH1, SH2, SH3 und mit dem Drain-Anschluss des jeweiligen Low-Side-Schaltelements SL1, SL2, SL3 verbunden. Außerdem sind die Stromsensoren 201, 202, 203 mit der Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 über die erste Messleitung 204, die zweite Messleitung 205 bzw. die dritte Messleitung 206 verbunden.
Die Verfahren, die in den Figuren 3 bis 5 beschrieben werden, beziehen sich auf eine Fußpunktmessung des Phasenstroms gemäß 1. Jedoch können die Verfahren auch unter der Zuhilfenahme einer Phasenstrommessung gemäß 2 durchgeführt werden. Der prinzipielle Ablauf der Verfahren bleibt im Wesentlichen unverändert wenn eine Strommessung in der Phase durchgeführt wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann bei dem Einsatz einer Phasenstrommessung auf das Warten einer vordefinierten Zeit verzichtet werden, bis ein einmal leitend gemachter High-Side-Schalter wieder sperrt. Wird eine Phasenstrommessung eingesetzt kann auch in dieser Situation der Strom weiter gemessen werden und man kann nach dem Absinken auf ein definiertes Niveau wieder ausschalten.
Die 3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Verfahren wird ein maximaler Grenzwert für den Bremsstrom vorgegeben, der höchstens halb so groß sein darf, wie der für ein einzelnes Schaltelement zulässige Maximalstrom. Das Verfahren achtet drauf, dass der Bremsstrom diesen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet. Als Bremsstrom I_A, I_B, I_C mag der Strom bezeichnet werden, der in den Phasenanschlüssen 111, 112, 113 induziert wird, wenn zumindest zwei Phasen 111, 112, 113 miteinander verbunden werden, so dass durch die zwischen ihnen vorhandenen Spulen L₁₂, L₁₃, L₂₃ ein Strom fließen kann. Der Grenzwert kann alternativ zu dem maximal zulässigen Strom, der sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten ergibt, auch durch den maximalen Belastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe vorgegeben werden. Der maximal zulässige Strom mag als I_max bezeichnet werden. Der maximale Grenzwert kann dann als I_Grenz = ½ I_max oder I_Grenz = I_max festgelegt werden.
Das Verfahren in 3 startet in Schritt S100, in dem eine normale Kommutierung mit funktionierendem Kommutierungssensor 102 statt findet. In einer Schleife wird regelmäßig in Schritt S101 geprüft, ob der Kommutierungssensor 102 ausgefallen ist. Wird ein Ausfall des Kommutierungssensors 102 von der Ausfallerkennungseinrichtung 104 erkannt, wird in Schritt S102 gesprungen, um den Bremsvorgang einzuleiten.
Beim Bremsvorgang werden zunächst alle Low-Side-Schaltelemente SL1, SL2, SL3 mittels eines Verbinde-Signals in einen leitenden Zustand versetzt, so dass die Phasenanschlüsse 111, 112, 113 mit den Masseanschlüssen 120, 121, 122 verbunden werden. In anderen Worten, werden die Low-Side-Schaltelemente SL1, SL2, SL3 leitend gemacht. Im Wesentlichen gleichzeitig werden alle High-Side-Schaltelemente SH1, SH2, SH3 mittels eines Trennsignals in einen gesperrten Zustand versetzt, so dass die Phasenanschlüsse 111, 112, 113 von dem Zwischenkreis 114 getrennt werden. Durch diese Einstellung der Schaltelemente SH1, SH2, SH3, SL1, SL2, SL3 kann ein Induktionsstrom in zumindest zwei Phasenanschlüssen 111, 112, 113 fließen. Dieser Induktionsstrom bremst die Drehbewegung des Motors, indem kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt wird.
In regelmäßigen Abständen wird der momentan induzierte Strom oder Bremsstrom durch alle Fußpunktwiderstände RA, RB, RC von der Steuerung 100 mit Hilfe der Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 gemessen. Bei der Strommessung ermittelt die Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 zu jedem Phasenanschluss oder zu jedem Port der Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 den Wert des Stromes und die Richtung des Stromes. Der momentane Strom oder Bremsstrom soll mit Ix bezeichnet werden, wobei x als ein Index für die Phase zu verstehen ist. In dem Beispiel nach 1 und 2 kann x die Bezeichnungen A, B, C annehmen, wobei A die erste Phase 111, B die zweite Phase 112 und C die dritte Phase 113 repräsentieren soll.
In Schritt S103 erfolgt die Prüfung, ob der gemessene Bremsstrom Ix den maximalen Grenzwert I_Grenz = ½ I_max überschreitet. Hierzu wird die Bedingung $Ix > \frac{1}{2} I_{max}$
geprüft. Solange die Bedingung nicht erfüllt wird und der Bremsstrom unter dem Grenzstrom liegt wird mit Schritt S102 fortgefahren.
Überschreitet jedoch der Wert eines gemessenen Stroms Ix durch einen Widerstand RA, RB, RC den vorgegebenen maximalen Grenzwert I_Grenz und wird die Flussrichtung dieses Stromes als in die Richtung der Masse 120, 121, 123 weisend festgestellt, dann wird in Schritt S104 das zu diesem Widerstand RA, RB, RC oder zu der Motorphase 111, 112, 113 gehörende Schaltelement SL1, SL2, SL3 der Low-Side gesperrt. Das High-Side-Schaltelement SH1, SH2, SH3, das zu der gleichen ermittelten Motorphase 111, 112, 113 gehört, in der die Überschreitung stattgefunden hat, wird ermittelt und für eine kurze Zeitspanne T_High oder für die Ausgleichszeit T_Higk in einen leitenden Zustand versetzt S105, Um das High-Side-Schaltelement SH1, SH2, SH3 in den leitenden Zustand zu versetzen, kann das entsprechende Element SH1, SH2, SH3 ein Verbindesignal von der High-Side-Schalteinrichtung 105 erhalten. Die Ausgleichszeit T_High kann je nach Induktivität der Spule L₁₂ , L₁₃ , L₂₃ des angeschlossenen Motors im Bereich von 100ns bis 100µs liegen, wobei die Induktivitäten der Spulen L₁₂ , L₁₃ , L₂₃ in einem Motor im Wesentlichen gleich sind. Eine Formel für die Berechnung der Ausgleichszeit T_High ist in der Gleichung (1) angegeben.
Nach dem Ablauf der Ausgleichszeit wird das Low-Side-Schaltelement SL1, SL2, SL3 wieder in einen leitenden Zustand versetzt. Um das Schaltelement leitend zu machen, kann die High-Side-Schalteinrichtung ein Verbindesignal an das entsprechende Schaltelement senden. Auf diese Weise findet ein Hochsetzen der Phasenspannung mit Hilfe der Motorinduktivität auf das Spannungsniveau des Zwischenkreises statt.
Die Flussrichtung und Größe des induzierten Bremsstromes hängt von der Lage des Rotors des Elektromotors 101 ab. Die Größe des sich ergebenden Stroms wird auch zusätzlich zu der Lage des Rotors von dem durch das Bremsen gestellte Schaltmuster beeinflusst. So ergeben sich zeitabhängige Momentanbilder von der Stromverteilung in den einzelnen Phasen 111, 112, 113. Diese Momentanbilder können als Schaltmuster bezeichnet werden. Da sich bei bestimmten Rotorpositionen wegen der Einhaltung der Stromgesetze ein Schaltmuster ergeben kann, bei dem zwei Fußpunktwiderstände Strom führen, der in die Masse 120, 121, 122 fließt und dieser Strom jeweils auf den eingestellten Grenzwert I_Grenz begrenzt wird, fließt dann ein Strom durch das dritte Schaltelement aus der Masse heraus, der der Summe der beiden in die Masse fließenden Ströme entspricht. Oder in anderen Worten muss das Verfahren, bei dem der Grenzwert für die einen Phasen aufgrund des Stromes in einer anderen Phase nicht angepasst wird, als Grenzwert den halben Wert des für die Bauteile zulässigen Maximalstrom verwenden, um sicherzustellen, dass nicht durch die dritte Phase mehr als der zulässige Maximalstrom fließt. In der dritten Phase wird jedoch der Stromfluss in die andere Richtung als in der ersten und zweiten Phase betrachtet.
Geht man davon aus, dass die beiden Ströme aus der Masse heraus dem Grenzwert I_Grenz entsprechen, dann beträgt der in die Masse fließende Strom 2×I_Grenz. In einer bevorzugten Ausführungsform mit drei Phasen 111, 112, 113 sei zu einem Zeitpunkt der Strom I_A, I_B durch die Widerstände RA und RB kleiner als I_Grenz jedoch in Richtung der Masse 120, 121 gerichtet. Dann beträgt der Wert des Stromes aus der Masse 122 heraus durch RC 2×I_Grenz. Diese Aussage gilt entsprechend für die Stromsensoren 201, 202, 203.
Die 4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors mit dynamischer Grenzwertanpassung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schritte S100, S101, S102 entsprechen dem Verhalten des in 3 dargestellten Verfahrens, wobei bei der Feststellung des Ausfalles des Kommutierungssensors 104 für alle Phasenanschlüsse 111, 112, 113 die zugehörigen High-Side-Schaltelemente SH1, SH2, SH3 mittels der High-Side-Steuervorrichtung 105 in einen leitenden Zustand versetzt werden und die zugehörigen Low-Side-Schaltelemente SL1, SL2, SL3 gesperrt werden.
Bei dem in 3 dargestellten Verfahren wird ein Strom gesucht, der aus der Masse 120, 121, 122 herausfließt und die zugehörige Phase ermittelt. Im Unterschied zu 3 wird bei dem in 4 betrachteten Verfahren der Strom aufgefunden, der in einer Momentdarstellung während der Drehbewegung des Motors 101 in einen Masseanschluss 120, 121, 122 hineinfließt und die zugehörige Phase 111, 112, 113 ermittelt. Die ermittelte Phase kann als Nummer der Phase, als Portnummer der Phasenstrombestimmungseinrichtung 107 oder als Ort der Phase für eine Weiterverarbeitung abgebildet werden.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des Verfahrens kann es nicht zu dem Effekt kommen, dass anzunehmen ist, dass in einem parallelen Stromkreis ein Strom in der selben Höhe fließt und somit nur der halbe maximal zulässige Belastungsstrom als Grenzwert vorgegeben werden kann. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform kann die Stromvorgabe im Wesentlichen exakt bis zur maximalen Stromtragfähigkeit I_max der Schaltelemente gewählt werden, da der Strom durch den jeweils dritten Fußpunktwiderstand berücksichtigt wird. Dabei kann auch der Fall vorkommen, dass aus zwei Phasen der Strom aus der Masse heraus fließt. Dieser Fall ist jedoch unproblematisch, da dann zuerst der Strom der dritten Phase, welcher in die Masse hinein fließt den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, da er sich ja aus der Summe, insbesondere aus der negativen Summe, der beiden anderen zusammensetzt.
Es wird festgestellt, ob in einer Phase 111, 112, 113 ein Strom aus der Phase heraus den vorgegebenen Grenzwert I_Grenz überschreitet. Dieser maximale Grenzwert wird in dem Beispiel nach 4 als I_Grenz = I_max vorgegeben. Da es sich bei dem gesuchten Strom um einen Strom handelt, der aus der Masse 120, 121, 122 herausfließt, wird gemäß der in 1 angenommenen Strompfeilrichtungen ein Strom mit einem negativen Vorzeichen gesucht und betrachtet. Es werden in Schritt S200 die Bedingungen I_A < -I_Grenz, I_B < -I_Genz oder I_C < -I_Grenz überprüft. Mit dieser Überprüfung wird festgestellt, ob der Summenstrom aller in die Masse 120, 121, 122 hineinfließender Ströme zu einer Überschreitung der maximalen Strombelastung der beteiligten Komponenten führt.
Aus den Bedingungen, die in einer Phase vorherrschen, in der der Bremsstrom I_A, I_B, I_C aus der Masse heraus fließt, wird der Grenzwert I_Grenz für in die Masse fließenden Strom, bei dem ein Einschalten des jeweiligen High-Side-Schaltelements SH1, SH2, SH3 erfolgen soll, dynamisch in zwei Stufen angepasst. Der zu überwachende Grenzwert für Phasen, bei denen der Strom aus der Masse herausfließt, wird zwischen I_Grenz = I_max und I_Grenz = ½ I_max umgeschaltet. Diese Grenzwertfestlegung betrifft nicht den in Schritt S200 überwachten Strom der Phase 111, 112, 113, in der der Strom aus der Phase herausfließt. In dieser Phase, in der der Strom aus der Masse herausfließt, wird immer nur überwacht, ob der maximal zulässige Wert überschritten wird, also ob die Bedingungen I_A < -I_Grenz, I_B < - I_Genz oder I_C < -I_Grenz erfüllt sind. Mit der Bedingung I_Grenz = I_max für die Phase, in der der Strom aus der Masse 120, 121, 122 heraus fließt, wird dort also immer die Bedingung I_A < -I_max, I_B < -I_max oder I_C < -I_max überwacht.
In anderen Worten bedeutet das, dass, solange der induzierte Bremstrom I_A , I_B , I_C , welcher durch einen Fußpunktwiderstand RA, RB, RC aus der Masse in Richtung Motor 101 fließt, den vorgegebenen maximal durch die Bauteiltoleranzen vorgegebenen Wert I_max nicht überschreitet, die Stromvorgabe I_Grenz für das Aktivieren des High-Side-Schaltelements für in die Masse fließenden Strom auf die Bremsstromvorgabe des maximal zulässigen Strom I_Grenz = I _max gesetzt wird. In Schritt S201 erfolgt dann die Überwachung der Einhaltung der Vorgabe, dass I_max nicht von einem aus der Masse 120, 121, 122 herausfließenden Strom überschritten wird.
Wird jedoch in Schritt S200 festgestellt, dass der Strom in mindestens einem der Fußpunktwiderstände RA, RB, RC, welcher aus der Masse 120, 121, 122 heraus fließt größer als die Bremsstromvorgabe ist, so wird in Schritt S202, solange dieser Zustand anhält, der Schwellwert zum Einschalten der High-Side-Schaltelemente SH1, SH2, SH3 für in die Masse 120, 121, 122 fließenden Strom auf die halbe Bremsstromvorgabe herabgesetzt, I_Grenz = ½ I_max.
In Schritt S203 erfolgt wie in Schritt S104 das Sperren des Low-Side-Schaltelements SL1, SL2, SL3 in dessen zugehöriger Phase die Überschreitung festgestellt wurde. Und gleichzeitig wird das zugehörige High-Side-Schaltelement SH1, SH2, SH3 leitend gemacht. Dieser Zustand wird in Schritt S204 für die Zeitdauer T_High aufrecht erhalten, wobei die Zeitdauer T_High nach den Vorgaben ermittelt werden kann, die bereits in der Beschreibung zu 3 angegeben wurden. Danach wird in den Schritt S102 gesprungen, in dem das Low-Side-Schaltelement SL1, SL2, SL3 wieder leitend gemacht wird und das High-Side-Schaltelement SH1, SH2, SH3 gesperrt wird.
Die 5 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors mit dynamischer Grenzwertanpassung, bei dem eine Phasenmessung durchgeführt wird, gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schritte S100, S101, S102 entsprechen dem Verhalten des in 3 und 4 dargestellten Verfahrens, wobei bei der Feststellung des Ausfalles des Kommutierungssensors 104 für alle Phasenanschlüsse 111, 112, 113 die zugehörigen High-Side-Schaltelemente SH1, SH2, SH3 mittels der High-Side-Steuervorrichtung 105 in einen leitenden Zustand versetzt werden und die zugehörigen Low-Side-Schaltelemente SL1, SL2, SL3 gesperrt werden.
Das Verfahren, das in 5 dargestellt wird, bezieht sich auf eine Schaltung mit Phasenstrommessung gemäß 2. Entsprechend sind die Stromrichtungen gemäß 2 vorgegeben.
Steht statt der Fußpunktstrommessung der 1 eine Phasenstrommessung, wie in 2 dargestellt, zur Verfügung, so kann statt des vorgegebenen Intervalls T_High für das Einschalten der High-Side-Schalter auch das Absinken des betreffenden Phasenstroms I_A , I_B , I_C als Abschaltkriterium für die High-Side-Schalter SH1, SH2, SH3 verwendet werden. Die Nutzung einer Hysterese kann verhindern, dass sich sehr hohe Umschaltfrequenzen ergeben.
Es wird festgestellt, ob in einer Phase 111, 112, 113 ein Strom aus der Masse 120, 121, 122 heraus den vorgegebenen Grenzwert I_Grenz überschreitet. Dieser maximale Grenzwert wird in dem Beispiel nach 5 als eine Summe aus dem maximal aufgrund der Bauteiltoleranzen zulässigen Strom und einem Hysteresestrom I_H als I_Grenz = I_max + I_H vorgegeben. Da es sich um einen aus der Masse 120, 121, 122 heraus fließenden Strom handelt, der aufgesucht wird, wird gemäß der in 2 angenommenen Strompfeifrichtungen ein Strom mit einem negativen Vorzeichen betrachtet. Es werden in Schritt S300 die Bedingungen I_A < -I_Grenz-I_H, I_B < -I_Genz-I_H oder I_C < -I_Grenz-I_H überprüft. Mit dieser Überprüfung wird festgestellt, ob der Summenstrom aller in die Masse 120, 121, 122 hinein fließender Ströme zu einer Überschreitung der maximalen Strombelastung einschließlich Hysterese der beteiligten Komponenten führt.
Aus den Bedingungen, die in einer Phase vorherrschen, in der der Bremsstrom I_A , I_B , I_C aus der Masse heraus fließt, wird der Grenzwert I_Grenz für in die Masse fließenden Strom, bei dem ein Einschalten des jeweiligen High-Side-Schaltelements SH1, SH2, SH3 erfolgen soll, dynamisch in zwei Stufen angepasst. Der zu überwachende Grenzwert für Phasen, bei denen der Strom aus der Masse herausfließt, wird zwischen 1_Grenz = I_max+I_H und I_Grenz = ½ (I_max +I_H) umgeschaltet. Diese Grenzwertfestlegung betrifft nicht den in Schritt S300 überwachten Strom der Phase 111, 112, 113, in der der Strom aus der Masse heraus fließt. Dort wird immer nur überwacht, ob der maximal zulässige Wert überschritten wird, also ob die Bedingungen I_A < -I_Grenz-I_H, I_B < -I_Genz-I_H oder I_C < -I_Grenz-I_H erfüllt sind. Mit I_Grenz = I_max für die Phase, in der der Strom aus der Masse 120, 121, 122 heraus fließt, wird also immer die Bedingung Bedingungen I_A< -I_max-I_H, I_B < -I_max-I_H oder I_C < - I_max-I_H überwacht. Diese Überwachung des aus der Masse 120, 121, 122 heraus fließenden Stromes ist also von der dynamischen Grenzwertanpassung nicht betroffen.
In anderen Worten bedeutet das, dass solange der induzierte Bremsstrom I_A, I_B, I_C, welcher durch einen der Stromsensoren 201, 202, 203 aus der Masse in Richtung Motor 101 fließt, den vorgegebenen maximal durch die Bauteiltoleranzen vorgegebenen Wert I_max mit der Hysterese I_H nicht überschreitet, die Stromvorgabe I_Grenz für das Aktivieren des High-Side-Schaltelements für in die Masse fließenden Strom auf die Bremsstromvorgabe gesetzt wird, d.h. auf den maximal zulässigen Strom I_Grenz = I_max +I_H. In Schritt S301 erfolgt dann die Überwachung der Einhaltung der Vorgabe, dass der Summenwert I_max+I_H nicht von einem aus der Masse 120, 121, 122 heraus fließenden Strom überschritten wird (prüfen der Bedingung I_X > I_max+I_H).
Wird jedoch in Schritt S300 festgestellt, dass der Strom in mindestens einem der Stromsensoren 201, 202, 203, welcher aus der Masse 120, 121, 122 fließt, größer als die Bremsstromvorgabe ist, so wird in Schritt S302, solange dieser Zustand anhält, der Schwellwert zum Einschalten der High-Side-Schaltelemente SH1, SH2, SH3 für in die Masse 120, 121, 122 fließenden Strom auf die halbe Bremsstromvorgabe mit Hysterese herabgesetzt, I_Grenz = ½ (I_max+I_H). Es wird in S302 die Bedingung I_X > ½ (I_max+I_H) überwacht.
In Schritt S303 erfolgt, wie in Schritt S104, zum Ausgleich des Stromanstieges über den Grenzwert, das Sperren des Low-Side-Schaltelements SL1, SL2, SL3 in dessen zugehöriger Phase die Überschreitung festgestellt wurde. Und gleichzeitig wird das zugehörige High-Side-Schaltelement SH1, SH2, SH3 leitend gemacht.
Statt wie in 3 oder 4 in S105 oder S204 diesen Zustand für eine vorgegebene Zeit aufrecht zu erhalten, kann ebenfalls eine Hysterese und ein Absinken des Stromes berücksichtigt werden, um eine Umschaltbedingung zu definieren. Der Zustand, in dem die Low-Side-Schaltelemente SL1, SL2, SL3 gesperrt und die High-Side-Schaltelemente SH1, SH2, SH3 leitend sind, wird solange aufrechterhalten, bis in Schritt S304 festgestellt wird, dass die Bedingungen I_A > -_Grenz+I_H,I_B > -I_Genz+I_H oder I_C > -I_Grenz ⁺I_H erfüllt sind. Mit I_Grenz = I_max für die Phase, in der der Strom aus der Masse 120, 121, 122 heraus fließt, wird dort also immer die Bedingung I_A > -I_max+I_H, I_B > -I_max+I_H oder I_C > -I_max+I_H überwacht.
Wird eine dieser Bedingungen erfüllt, erfolgt im Schritt S305 die Überwachung, wann in einer der Phasen, in der der Bremsstrom I_A, I_B, I_C in die Masse hinein fließt, unter den Grenzwert ½ (I_max - I_H) fällt (I_x < ½ (I_max - I_H))- Wird der Grenzwert unterschritten, dann wird in Schritt S102 gesprungen. Ansonsten wird das Absinken des Stromes in Schritt S304 mit dem Wert ½ (I_max - I_H) weiter beobachtet.
Wird eine der Bedingungen im Schritt S304 nicht erfüllt, so wird der Grenzwert für das Absinken des Stromes in Schritt S306 auf den Wert (I_max - I_H) erhöht und der Wert des Stromes in eine Masse hinein entsprechend diesem Grenzwert überwacht (I_x< (I_max - I_H). Fällt ein Wert eines Stromes in einer Phase 111, 112, 113 in eine Masse 120, 121, 122 hinein unter den Grenzwert (I_max-I_H), dann wird ebenfalls in Schritt S102 gesprungen, wo die Low-Side-Schaltelemente SL1, SL2, SL3 leitend gemacht werden und die High-Side-Schaltelemente SH1, SH2, SH3 sperren oder trennen. Ansonsten wird das Absinken des Stromes weiter mit dem Wert (I_max - I_H) überwacht.
Die Steuervorrichtung und das Verfahren zum Bremsen kann nicht nur zum Bremsen von Antriebsmotoren 101, sondern auch zum Bremsen von Lastmaschinen und zum effizienten Gleichrichten von mehrphasigen Generatoren verwendet werden. Das effiziente Gleichrichten von mehrphasigen Generatoren schließt z.B. Windgeneratoren niedriger und mittlerer Leistung und ggf. auch Windgeneratoren mit Maximum Powerpoint Tracking ein. Als Maximum Powerpoint Tracking (MPP-Tracking) wird ein Verfahren bezeichnet, mit welchem der optimale Arbeitspunkt eines Generators gefunden werden kann. Beispielsweise werden solche Verfahren bei Photovoltaikanlagen verwendet. Entnimmt man einer Solarzelle keinen Strom liegt eine hohe Spannung an, aber man entnimmt keine Leistung. Schließt man sie kurz, entnimmt man einen hohen Strom, aber keine Spannung fällt ab und damit ist die Leistung ebenfalls null. Es gibt dazwischen ein Optimum für den entnommenen Strom, bei dem die entnommene Leistung maximal wird. Da dieser optimale Arbeitspunkt von verschiedenen Umgebungsbedingungen abhängt, kann er nur schwer von vornherein bestimmt werden. Stattdessen wird er im Betrieb kontinuierlich nachgeführt, wozu MPP-Tracker genutzt werden.
Ein Schaltmuster soll eine Momentaufnahme einer Stromverteilung in einer Schaltung bezeichnen. Aus dem Schaltmuster mag hervorgehen, in welcher Phase 111, 112, 113 ein Strom in die Masse 120, 121,122 hinein fließt und in welcher Phase 111, 112, 113 ein Strom aus der Masse 120, 121, 122 heraus fließt. Zur Ansteuerung der Schaltelemente kann über die sich ergebenden Phasenspannungen zwischen Phasenanschluss 111, 112, 113 und Masse, sofern eine entsprechende Messeinrichtung im Wechselrichter vorgesehen ist, oder über die Schaltmuster eine Tiefpassfilterung durchgeführt werden, so dass sich daraus ein Maß für die im Motor durch die Bewegung induzierte Spannung ablesen lässt, wodurch man Rückschlüsse auf die Rotorlage und Rotordrehzahl erhalten kann. Das bedeutet, dass ein Verfahren zum Bremsen während des Bremsvorgangs durch Schalten der High-Side- und Low-Side-Schaltelemente ein gewisses Pulsmuster an den Phasenanschlüssen 111, 112, 113 des Motors 101 erzeugt, das mit einer Spannungsmesseinrichtung gemessen werden kann. Die tatsächlich mit einer Spannungsmesseinrichtung gemessenen Spannungen können mittels einer Tiefpassfilterung verarbeitet werden. Bei dieser Tiefpassfilterung liegt in einer bevorzugten Ausführungsform die Eckfrequenz der Filterung deutlich unterhalb der Widerholrate des Pulsmusters. Als Ergebnis erhält man einen Spannungsverlauf, der im Wesentlichen mit der tatsächlich vom Motor induzierten Spannung übereinstimmt. Dieser Spannungsverlauf ist üblicherweise annähernd sinusförmig.
Wenn ein Motor-Wechselrichter 123, der für die Nutzung mit einem Kommutierungssensor 102 vorgesehen ist, nicht über eine Spannungsmesseinrichtung verfügt, ist es ebenfalls möglich, nur die Breite der Pulsmuster zu betrachten, welche der Wechselrichter 123 beim Bremsen erzeugt. Beim Betrachten der Pulsmuster wird das Leiten der Low-Side SL1, SL2, SL3 in einer vorteilhaften Weiterbildung mit dem Wert -1 und das Leiten der High-Side SH1, SH2, SH3 mit dem Wert 1 bewertet, auf den so ermittelten Signalverlauf eine Tiefpassfilterung angewendet, der gemeinsame Mittelwert der drei Größen jeweils von jeder Größe abgezogen und die erhaltenen Werte als Spannung interpretiert. Durch dieses Vorgehen ist eine Abschätzung der aktuell im Motor Induzierten Spannungen möglich. Andere Bewertungen als mit den Werten +1 und -1 der Zustände „Leiten der Low-Side“ und „Leiten der High-Side“ sind möglich.
Aus den so ermittelten Spannungen kann wiederum die aktuelle Drehzahl des Motors und die Lage des Stators abgeleitet werden.
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Steuervorrichtung 100, 200 und ein Verfahren für das Bremsen eine Elektromotors 101, welches eine Überlastsituation in den Phasenanschlüssen 111, 112, 113 des Elektromotors 101 nach einem Ausfall eines Kommutierungssensors 102 erkennt und diese Überlastsituation durch Schalten von Schaltelementen SH1, SH2, SH3, SL1, SL2, SL3 mindert. So kann ein definiertes Abbremsen eines Motors 101 möglich sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung handelt es sich um einen bürstenlosen Motor 101.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Steuervorrichtung (100, 200) zum Bremsen eines Elektromotors (101), der zumindest zwei Phasenanschlüsse (111, 112, 113) aufweist, welche jeweils mit einem Zwischenkreis (114) und/oder einem Masseanschluss (120, 121, 122) verbindbar sind, die Steuervorrichtung (100, 200) aufweisend: eine Ausfallerkennungseinrichtung (104); eine High-Side-Schalteinrichtung (105); eine Low-Side-Schalteinrichtung (106); eine Phasenstrombestimmungseinrichtung (107); wobei die Ausfallerkennungseinrichtung (104) eingerichtet ist, einen Ausfall eines Kommutierungssensors (102) des Elektromotors zu erkennen; wobei die High-Side-Schalteinrichtung (105) eingerichtet ist, bei Erkennen des Ausfalls des Kommutierungssensors (102) ein High-Side-Trennsignal zu generieren, um die zumindest zwei Phasenanschlüsse (111, 112, 113) des Elektromotors von dem Zwischenkreis (114) zu trennen; wobei die Low-Side-Schalteinrichtung (106) eingerichtet ist, bei Erkennen des Ausfalls des Kommutierungssensors (102) ein Low-Side-Verbindesignal zu generieren, um die zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors mit dem Masseanschluss zu verbinden; wobei die Phasenstrombestimmungseinrichtung (107) eingerichtet ist, nach dem Bereitstellen des High-Side-Trennsignals und des Low-Side-Verbindesignals die Richtung und den Wert eines Bremsstroms (I_A, I_B, I_C) durch die Phasenanschlüsse (111, 112, 113) zu bestimmen und einen Phasenansschluss zu erkennen, in dem der Bremsstrom durch den Phasenanschluss in Richtung des Masseanschlusses (120, 121, 122) einen vorgebbaren maximalen Grenzwert (I_Grenz) überschreitet; wobei der Bremsstrom (I_A, I_B, I_C) durch Induktion hervorgerufen wird; wobei die High-Side-Schalteinrichtung (105) eingerichtet ist, ein High-Side-Verbindesignal zu generieren, um den einen Phasenanschluss der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Grenzwertüberschreitung des Bremsstromes (I_A, I_B, I_C) aufgetreten ist, für eine vorgebbare Ausgleichszeit (T_High), mit dem Zwischenkreis (114) zu verbinden; und wobei die Low-Side-Schalteinrichtung (106) eingerichtet ist, ein Low-Side-Trennsignal zu generieren, um den einen Phasenanschluss der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Grenzwertüberschreitung des Bremsstromes (I_A, I_B, I_C) aufgetreten ist, während der Ausgleichszeit (T_High) von dem Masseanschluss (120, 121, 122) zu trennen.
Steuervorrichtung (100, 200) nach Anspruch 1, weiter aufweisend: eine Stromvorgabeeinrichtung (140); wobei die Stromvorgabeeinrichtung (140) eingerichtet ist, den Grenzwert (I_Grenz) für den Bremsstrom fest und/oder dynamisch vorzugeben.
Steuervorrichtung (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Grenzwert (I_Grenz) für den Bremsstrom (I_A, I_B, I_C) zumindest ein Wert ist, ausgewählt aus der Gruppe von Werten bestehend aus: dem halben Wert des maximal zulässigen Strom (I_max), der sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten ergibt und/oder der sich aus dem maximalen Belastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe ergibt; dem Wert des maximal zulässigen Strom (I_max), der sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten ergibt und/oder der sich aus dem maximalen Belastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe ergibt; und einem zwischen dem halben maximal zulässigen und dem maximal zulässigen Strombelastungswert dynamisch anpassbaren Wert.
Steuervorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Ausgleichszeit aus dem Produkt des maximal zulässigen Stromrippels für den Elektromotor und der Motorinduktivität zwischen zwei Phasenanschlüssen des Elektromotors geteilt durch die halbe Zwischenkreisspannung ergibt.
Steuervorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die High-Side-Schalteinrichtung für jeden Phasenanschluss (111, 112, 113) des Elektromotors (101) ein High-Side-Schaltelement (SH1, SH2, SH3) aufweist, welches mit dem Zwischenkreis (114) und dem jeweiligen Phasenanschluss des Elektromotors verbunden ist und einen Eingang für den Empfang des High-Side-Trennsignals und/oder des High-Side-Verbindesignals aufweist.
Steuervorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Low-Side-Schalteinrichtung (106) für jeden Phasenanschluss des Elektromotors ein Low-Side-Schaltelement (SL1, SL2, SL3) aufweist, welches mit dem jeweiligen Phasenanschluss (111, 112, 113) des Elektromotors und dem Masseanschluss (120, 121, 122) verbunden ist und einen Eingang für den Empfang des Low-Side-Verbindesignals und/oder des Low-Side-Trennsignals aufweist.
Steuervorrichtung (100, 200) nach Anspruch 6, wobei die Phasenstrombestimmungseinrichtung (107) für eine Fußpunkt-Phasenstrommessung zwischen dem Low-Side-Schaltelement und dem Masseanschluss eingerichtet ist.
Steuervorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Phasenstrombestimmungseinrichtung (107) für eine Strommessung in dem jeweiligen Phasenanschluss des Elektromotors eingerichtet ist.
Steuervorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die vorgebbare Ausgleichszeit (T_High) durch das Absinken des Stromes in dem jeweiligen Phasenanschluss vorgegeben ist.
Steuervorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die vorgebbare Ausgleichszeit (T_High) aus einem Bereich von 100ns bis 100µs wählbar ist.
Steuervorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die High-Side-Schalteinrichtung und die Low-Side-Schalteinrichtung zum Trennen und/oder zum Verbinden von zumindest drei Phasenanschlüssen (111, 112, 113) des Elektromotors (101) eingerichtet ist; wobei die Phasenstrombestimmungseinrichtung (107) ferner eingerichtet ist, einen Phasenanschluss zu erkennen, in dem der Bremsstrom (I_A, I_B, I_C) durch den Phasenanschluss aus dem Masseanschluss (120, 121, 122) heraus den Wert des maximal zulässigen Stroms (I_max) überschreitet, der sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten ergibt und/oder der sich aus dem maximalen Belastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe ergibt; und wobei die Phasenstrombestimmungseinrichtung (107) eingerichtet ist, beim Erkennen des Überschreitens den vorgebbaren maximalen Grenzwert (I_Grenz) für den Bremsstrom in Richtung des Masseanschluss in einem anderen Phasenanschluss auf den halben Wert des maximal zulässigen Stroms (I_max) zu begrenzen, der sich aus dem geringsten maximal zulässigen Strombelastungswert der beteiligten Komponenten ergibt und/oder der sich aus dem maximalen Belastungswert für ein an dem Elektromotor angeschlossenes Getriebe ergibt.
Elektromotor (101) mit einer Steuervorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Steuersystem aufweisend: eine Steuervorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11; eine globale Steuereinrichtung; wobei die Steuervorrichtung (100, 200) mit der globalen Steuereinrichtung verbunden ist; wobei die globale Steuereinrichtung eingerichtet ist, den maximalen Grenzwert (I_Grenz) für den Bremsstrom (I_A, I_B, I_C) vorzugeben.
Verfahren zum Bremsen eines Elektromotors (101), der zumindest zwei Phasenanschlüsse aufweist, welche jeweils mit einem Zwischenkreis und/oder einem Masseanschluss verbindbar sind, das Verfahren aufweisend: Erkennen eines Ausfalls eines Kommutierungssensors des Elektromotors; Trennen beim Erkennen des Ausfalls des Kommutierungssensors der zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors von dem Zwischenkreis ; Verbinden beim Erkennen des Ausfalls des Kommutierungssensors der zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors mit dem Masseanschluss ; Bestimmen der Richtung und des Wertes eines Bremsstroms durch die Phasenanschlüsse nach dem Trennen der zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors von dem Zwischenkreis und nach dem Verbinden der zumindest zwei Phasenanschlüsse des Elektromotors mit dem Masseanschluss, Erkennen eines Phasenanschlusses, in dem der Bremsstrom durch den Phasenanschluss in Richtung des Masseanschlusses einen vorgebbaren maximalen Grenzwert überschreitet; wobei der Bremsstrom durch Induktion entsteht; Verbinden des einen Phasenanschlusses der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Grenzwertüberschreitung des Bremsstroms aufgetreten ist, für eine vorgebbare Ausgleichszeit, mit dem Zwischenkreis; Trennen des einen Phasenanschlusses der zumindest zwei Phasenanschlüsse, in dem die Stromüberschreitung aufgetreten ist, während der Ausgleichszeit von dem Masseanschluss.
Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Programmcode zum Bremsen eines Elektromotors gespeichert ist, der, wenn er von einem Prozessor ausgeführt wird, das Verfahren nach Anspruch 14 ausführt.