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Einleitung
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BLDC-Motoren werden üblicherweise mit Blockkommutierung angesteuert. 1 zeigt diese Art der Ansteuerung. Ein BLDC Motor verfügt typischerweise über drei Erregerspulen mit drei Motoranschlüssen (R, S, T). Dabei wird zu einem bestimmten Zeitpunkt, dem realen Kommutierungszeitpunkt (tk'), jeweils an einem ersten Motoranschluss der drei Motoranschlüsse (R, S, T) eine negative Spannung, an einen zweiten Motoranschluss der drei Motoranschlüsse (R, S, T) eine positive Spannung angelegt, während ein dritter Motoranschluss der drei Motoranschlüsse (R, S, T) zur gleichen Zeit typischerweise ab diesem Kommutierungszeitpunkt (tk) unangesteuert bleibt. Zu einem anderen Zeitpunkt, der hinter dem realen Kommutierungszeitpunkt (tk') liegt kommt es dann zur Stromkommutierung. An dem besagten dritten Motoranschluss der drei Motoranschlüsse (R, S, T) wird dann üblicherweise eine Motoranschlussspannung (UPH) zurückgemessen. Die Dauer (Δt) des Nulldurchgangszeitintervalls von der Aktivierung des oben beschriebenen Ansteuerzustands, also dem realen Kommutierungszeitpunkt (tk') bis zu dem Zeitpunkt zu dem die rückgemessene Motoranschlussspannung (UPH) an dem unangesteuert dritter Motoranschluss der drei Motoranschlüsse (R, S, T) einen Nulldurchgang erreicht hat, wird gemessen. Aus diesem Nulldurchgangszeitintervall wird die Dauer (t0) des gesamten Zeitintervalls, dem Ansteuerintervall, bis zum nächsten Umschalten, also dem nächsten realen Kommutierungszeitpunkt (tk'next), generiert. Im Idealfall geschieht dies durch Verdopplung des gemessenen Zeitintervalls (tk'next = tk' + 2Δt). Der Nulldurchgang liegt also in diesem Idealfall in der Mitte eines Ansteuerintervalls (Δt = t0/2). Die Dauer (Δt) des Nulldurchgangszeitintervalls beträgt somit im idealen Fall die Hälfte der Dauer (t0) des Ansteuerintervalls.
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Zu Beginn des Ansteuerintervalls, in dem die Messung erfolgt, tritt ein Freilaufpuls (5) auf. Während der Dauer (tFL) dieses Freilaufpulses (5), dem Freilaufintervall der Dauer (tFL), wird keine gültige Motoranschlussspannung (UPH) am jeweiligen Motoranschluss, der in diesem Ansteuerintervall unangesteuert ist, zurückgemessen. Deshalb wird dieses Freilaufintervall für den Zeitraum seiner Dauer (tFL) ausgeblendet. Nach dem Stand der Technik wird dazu eine Verlagerungszeit (tcomp) errechnet, die einem bestimmten Rotationswinkel des Rotors des anzusteuernden Motors entspricht. Da die tatsächliche Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) sowohl vom Motorstrom (14) als auch von der Differenz aus der Summe der angelegten Motoranschlussspannungen (VR, VS, VT) der zwei in diesem Ansteuerintervall angesteuerten Motoranschlüsse und der jeweiligen EMK abhängig ist, entspricht die errechnete Zeit, die Verlagerungszeit (tcomp), nicht der tatsächlichen Dauer (tFL) eines Freilaufpulses (5). Vielmehr muss diese Verlagerungszeit (tcomp) auf den schlimmsten Fall, die größte mögliche Dauer des Freilaufpulses so abgestimmt sein, dass sie immer größer als die tatsächliche Dauer (tFL) eines Freilaufpulses (5) ist.
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In 3 ist zusätzlich zu dem Spannungsverlauf (31) der Stromverlauf (14) an einem Motoranschluss dargestellt. Aufgrund der Streuinduktivität des Motors eilt der Stromverlauf (14) dem Spannungsverlauf (31) nach, wenn die oben genannte Verdopplung des gemessenen Zeitintervalls bis zum Nulldurchgang der EMK verwendet wird. Ziel der Ansteuerung ist jedoch, den Motorstrom möglichst exakt in Phase zur EMK zu halten, um die Stromaufnahme der Applikation zu minimieren und deren Wirkungsgrad zu maximieren.
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Nach dem Stand der Technik wird dazu ein sogenannter Phasenvorlauf in Form einer Verlagerungszeit (tcomp) verwendet, um den Nachlauf des Stromverlaufs (14) gegenüber dem Spannungsverlauf (31) zu korrigieren. Dieser wird drehzahlabhängig so generiert, dass mit steigender Drehzahl ein zunehmender Phasenvorlauf in Form einer zunehmenden Verlagerungszeit (tcomp) generiert wird. Das Verfahren nach dem Stand der Technik hat im Wesentlichen zwei Nachteile:
- • Die drehzahlabhängige Generierung des Phasenvorlaufs in Form einer Verlagerungszeit (tcomp) erfasst nicht die Lastabhängigkeit des Stromnachlaufs, also die lastabhängige Verschiebung der realen Stromkommutierung gegenüber der von außen durch die Ansteuerung eingeprägte Spannungskommutierung. Somit kann mit diesem Verfahren keine exakte Korrektur des Stromnachlaufs erfolgen. Dies hat negative Auswirkungen auf den Wirkungsgrad.
- • Die Implementierung der Drehzahlabhängigkeit des Phasenvorlaufs, also der Verlagerungszeit (tcomp), und die benötigte Umrechnung des Winkels in die Zeitdomäne kostet Rechenleistung und bindet somit wertvolle Prozessorressourcen, die dann nicht mehr anderweitig genutzt werden können.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile mit möglichst einfachen Mitteln zu vermeiden, um den Implementierungsaufwand zu minimieren.
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Hierzu soll der Phasenvorlauf sowohl drehzahlabhängig sein als auch die Lastabhängigkeit des Stromnachlaufs mit erfassen. Dies ermöglicht dann die gewünschte exakte Korrektur des Stromnachlaufs und einen verbesserten Wirkungsgrad. Außerdem entfallen damit die rechentechnische Implementierung einer Drehzahlabhängigkeit des Phasenvorlaufs und damit die benötigte Umrechnung des Winkels in die Zeitdomäne.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Ansteuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren. Sie erlaubt eine automatische Korrektur des Stromnachlaufs des Motors. Durch Anwendung der Erfindung kann der Wirkungsgrad der Applikation erhöht werden, Prozessorressourcen, die nach dem Stand der Technik benötigt würden, werden freigegeben, eine Vereinfachung der Parametrierung an verschiedene Applikationen kann somit erfolgen.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Motoranschlussspannungen (VR, VS, VT) der drei Motoranschlüsse (R, S, T).
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2 zeigt die Komparatorschaltung zur Messung der Dauer (tFL) der Freilaufpulse (5).
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3 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf (31) (also eine der Motoranschlussspannungen (VR, VS, VT) an einem Motoranschluss der Motoranschlüsse (R, S, T) und den zugehörigen zeitlichen Stromverlauf (14) an diesem Motoranschluss.
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4 zeigt das zeitliche Schema zur Generierung der Verlagerungszeit (tcomp).
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5 zeigt das Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäße Verfahrens zur automatischen Generierung des Phasenvorlaufs in Form der Verlagerungszeit (tcomp).
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1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Motoranschlussspannungen (VR, VS, VT) an den Motoranschlüssen (R, S, T) beim Ansteuern des BLDC-Motors nach dem Stand der Technik. Das Intervall (1) wird als eine elektrische Umdrehung (1) bezeichnet. Eine elektrische Umdrehung (1) gliedert sich in sechs Ansteuerintervalle (A bis F). Während einer vollständigen elektrischen Umdrehung finden sechs Kommutierungsvorgänge (2) zwischen den Ansteuerintervallen (A bis F) statt. Diese finden jeweils zu Kommutierungszeitpunkten statt. Der reale Motor weist eine Induktivität auf, die den Stromaufbau gegenüber dem Spannungsaufbau verzögert. Die Stromkommutierung folgt also der Spannungskommutierung nach. Daher wird die Spannungskommutierung zu einem vorgezogenen realen Kommutierungszeitpunkt (tk') durchgeführt. Die Stromkommutierung verhält sich dadurch so, als ob der Motor keine Induktivität aufweisen würde. Die zugehörigen Kommutierungszeitpunkte sind die idealen Kommutierungszeitpunkte (tk). Diese werden beispielsweise mittels Sensoren oder Systemen, die die echte Rotorlage bestimmen, relativ zur Systemzeit des Reglers bestimmt. Zu jedem Zeitpunkt innerhalb einer elektrischen Umdrehung (1) ist im Betrieb ein Motoranschluss zu einer mittleren negativen Spannung (6), ein Motoranschluss zu einer positiven mittleren Spannung (7) und ein Motoranschluss hochohmig (3) geschaltet. Der Mittelwert zwischen der mittleren negativen Spannung (6), und der positiven mittleren Spannung (7) wird dabei typischerweise als Null-Volt-Spannung (V0) für die Definition der im Folgenden beschriebenen Nulldurchgänge benutzt. Die positive mittlere Spannung (7) kann z. B. durch periodisches und/oder zeitweises längeres Schließen und Öffnen eines Schalters zu einer oberen Versorgungsspannung (VBat) oder einer unteren Versorgungsspannung (GND) beispielsweise mittels einer PWM erzeugt werden. Gleiches gilt für die mittlere negative Spannung (6).
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Am jeweils hochohmigen Motoranschluss der typischerweis drei Motoranschlüsse (R, S, T) wird der jeweilige Spannungsverlauf (3a, 3b) gemessen. Zusätzlich zur Zeit vom Beginn des hochohmigen Ansteuerintervalls, welcher mit der realen Spannungskommutierung synchron ist, mit dem realen aktuellen Kommutierungszeitpunkt (tk') bis zum Nulldurchgang (4) der Spannung in dem jeweiligen Ansteuerintervall am hochohmigen Motoranschluss wird die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) gemessen, um daraus die neue zeitliche Position für den nötigen neuen, korrigierten realen Spannungskommutierungszeitpunkt (tk') zu bestimmen. Die Messung der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) geht also immer vom realen Spannungskommutierungszeitpunkt (tk') aus und bestimmt dann auf der Basis dieser Messung den nächsten folgenden Spannungskommutierungszeitpunkt (tk').
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Wird ein Motoranschluss zum idealen Kommutierungszeitpunkt (tk) von einer Spannung (7 oder 6) auf den Zustand hochohmig (3) geschaltet, tritt ein sogenannter Freilaufpuls (5) auf. Während der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) wird der Strom in der soeben hochohmig (3) geschalteten Motorwicklung abgebaut. In dieser Zeit kann die Spannung am hochohmigen Anschluss nicht zur Auswertung des Nulldurchgangs (4) verwendet werden. Nach dem Stand der Technik wird die Messung nach jedem Kommutierungsvorgang (2) für eine bestimmte Zeit ausgeblendet.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik lässt sich erfindungsgemäß diese Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) jedoch messen. Dazu kann eine einfache Komparatorschaltung wie beispielsweise nach 2 genutzt werden.
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Ein erster Komparator (8) vergleicht die Motoranschlussspannung (UPH) am jeweiligen Motoranschluss (R, S, T) mit der oberen Versorgungsspannung (Ubat). Wenn die Bedingung UPH > UBat gilt, liegt ein Freilaufpuls zur oberen Versorgungsspannung (UBat) vor und das Signal FR_O wird aktiviert.
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Ein zweiter Komparator (9) vergleicht die Motoranschlussspannung (UPH) mit der unteren Versorgungsspannung (GND). Wenn UPH < 0 liegt ein Freilaufpuls (5) zur unteren Versorgungsspannung (GND) vor und das Signal FR_U wird aktiviert. Für die Dauer (tFL) eines Freilaufpulses (5) ist somit eines dieser beiden Signale (FR_U, FR_O) aktiv. Somit kann durch Messung der Aktivierungsdauer der beiden Signale die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) bestimmt werden.
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Die genaue Kenntnis der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) erlaubt es erfindungsgemäß nun, daraus den korrigierten Zeitpunkt (tk') für die nächste Spannungskommutierung zu bestimmen, so dass der Stromverlauf mit dem Verlauf der EMK in Phase gebracht werden kann. Speziell bei Motoren mit größerer Streuinduktivität lässt sich dadurch die erreichbare Grenzdrehzahl unter Last zu erhöhen.
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3 zeigt den Spannungsverlauf (31) an einem Motoranschluss zusammen mit dem entsprechenden Stromverlauf (14). Durch die Streuinduktivität des Motors wird der Motorstrom (14) an dem eingeschalteten Motoranschluss nicht sofort aufgebaut sondern benötigt eine gewisse Zeit (15) für den Aufbau. Während dieser Zeit ist das resultierende Drehmoment verringert, was sich im Wesentlichen in einer Welligkeit des Drehmoments und in einer entsprechenden Geräuschbildung äußert.
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Ziel ist die Minimierung dieser Drehmomentenwelligkeit. Dazu ist die Anstiegsdauer des Motorstroms (14) durch einen entsprechenden früheren realen Kommutierungszeitpunkt (tk') zu kompensieren. Die Anstiegsdauer hängt von der Differenz aus angelegter mittlerer Spannung und EMK, dem Motorstrom (14) und der Phasendifferenz zwischen angelegter mittlerer Spannung und EMK ab. Speziell die ersten beiden Abhängigkeiten existieren auch für die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5). Die Ausprägung der dritten Abhängigkeit ist bei geringen zu generierenden Kompensationen in Form kleiner Verlagerungszeiten (tcomp) eher vernachlässigbar und bei größeren Kompensationsdauern in Form größerer Verlagerungszeiten (tcomp) vom Verlauf der EMK und der Art der Ansteuerung abhängig. Sie wird im Folgenden vorerst vernachlässigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in 4 dargestellt. Es misst die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) und verlagert den nächsten Kommutierungsvorgang um eine von dieser Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) abhängige Verlagerungszeit (tcomp) gegenüber dem idealen Kommutierungszeitpunkt (tk) zu früheren Zeitpunkten hin. Dadurch ergibt sich ein vorgelagerter neuer realer Kommutierungszeitpunkt (tk'). Im einfachsten Fall wird der nächste Kommutierungsvorgang genau um die gemessene Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) nach vorn verlagert. In diesem Fall entspricht die Verlagerungszeit (tcomp) vorzugsweise der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5). Dies bedeutet in Formeln: tk' = tk – tcomp und tcomp = tFL. Dies ist für die Applikation besonders ressourcenschonend, da dann von der Ansteuerung keinerlei rechenintensive Operationen wie Multiplikationen oder gar Divisionen durchgeführt werden müssen. Zur Berechnung des neuen nächsten realen Kommutierungszeitpunkts (tk') ist lediglich eine Subtraktion nötig.
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In komplizierteren Fällen kann die Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen angelegter mittlerer Spannung und EMK auch durch eine Abhängigkeit in Form einer Formel tcomp = f(tFL) berücksichtigt und im Verfahren implementiert werden.
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Zur Erhöhung der Robustheit des Verfahrens kann die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) auch über mehrere Kommutierungsvorgänge (2) gemessen und gefiltert werden (z. B. durch Mittelwertbildung). Die Verlagerungszeit (tcomp) des nächsten realen Kommutierungszeitpunkts (tk') gegenüber dem idealen Kommutierungszeitpunkt (tk) kann dann anhand der gefilterten Werte ermittelt werden.
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Es ist auch möglich, die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) nicht nach jedem Kommutierungsvorgang sondern seltener zu messen.
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Zur Reduzierung des Hardwareaufwands ist es auch möglich, weniger Komparatoren zur Ermittlung der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) zu verwenden. Im einfachsten Fall reicht ein einzelner Komparator (z. B. 9) an einem einzelnen Motoranschluss dazu aus. Dann würde die Messung der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) nur einmal je elektrischer Umdrehung (1) stattfinden.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Durchführung der Kommutierung. Für die Kommutierung gehört es zum Stand der Technik, dass jeder Motoranschluss – typischerweise sind es drei – mit jeweils einer Halbbrücke bestehend aus einem High-Side-Schalter und einem Low-Side-Schalter, die typischerweise Transistoren sind, angesteuert wird. Typischerweise sind immer zwei der drei Halbbrücken aktiv, während eine Halbbrücke inaktiv ist. Bei einer inaktiven Halbbrücke ist keiner der Schalter dieser Halbbrücke geschlossen bzw. keiner der Transistoren leitend. Bei einer aktiven Halbbrücke ist immer ein Schalter zumindest zeitweise geschlossen bzw. ein Transistor zumindest zeitweise leitend. Die Kommutierungsmöglichkeiten, die auch Generierungsschemata genannt werden, unterscheiden sich in der Reihenfolge der Ansteuerung der einzelnen Schalter der jeweiligen Halbbrücken, d. h. welcher Schalter der jeweiligen Halbbrücke getaktet wird und welcher durchgeschaltet wird. Weitere Generierungsschemata sind denkbar. Vom Generierungsschema ist die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) typischerweise abhängig. Es gibt auch Generierungsschemata, bei denen jeweils ein kürzerer und ein längerer Freilaufpuls (5) auftreten. Wechselt man das Generierungsschema, ändert sich bei gleichem Motor und gleicher Drehzahl somit ggf. die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5). Abhängig vom Generierungsschema können auch unterschiedliche Phasenvorläufe in Form unterschiedlicher Verlagerungszeiten (tcomp) nötig sein, um die Dauer des unterschiedlichen Stromaufbaus zu kompensieren. Also sollte neben der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) selbst auch das Generierungsschema berücksichtigt werden, wenn der Phasenvorlauf in Form der Verlagerungszeit (tcomp) generiert wird. So kann es z. B. sinnvoll sein, bei einem Generierungsschema die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) als Phasenvorlauf in Form der Verlagerungszeit (tcomp) zu nutzen, während man bei einem anderen Generierungsschema z. B. nur die halbe Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) als Phasenvorlauf in Form der Verlagerungszeit (tcomp) nutzt. Bei einem dritten Generierungsschema mit unterschiedlich langen Freilaufpulsen (5) bietet es sich z. B. an, den Phasenvorlauf in Form der Verlagerungszeit (tcomp) aus der Dauer (tFL) eines langen Freilaufpulses (5) mit einer anderen Gewichtung zu generieren als aus der Dauer (tFL) eines kurzen Freilaufpulses (5). Es ist somit sinnvoll die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) mit einem Generierungsschema spezifischen Faktor (αG) zu multiplizieren, um aus der so erhaltenen korrigierten Freilaufpulsdauer (tFLk) den Phasenvorlauf in Form der Verlagerungszeit (tcomp) zu bestimmen.
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Als Generierungsschemata kommen für das Schalten einer Halbbrücke beispielsweise in Frage:
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A) Die Unipolare Ansteuerung mit Synchrongleichrichtung
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Satt nur den High-Side-Transistor einer Halbbrücke zu schalten, wird die Halbbrücke zum Anlegen einer positiven Spannung per Synchrongleichrichtung betrieben. Sowohl der Low-Side-Schalter als auch der High-Side-Schalter werden in einem aktiven Ansteuerintervall (A–F) wechselseitig eingeschaltet. Zum Anlegen einer negativen Spannung wird die Brücke hingegen konstant aktiviert. Der Freilaufstrom während des inaktiven Ansteuerintervalls fließt hier dann nicht mehr über eine untere Freilaufdiode des Low-Side-Transistors, sondern durch den Low-Side-Transistor selbst.
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B) Beidseitiges Schalten, PWM zuerst
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Bei diesem Verfahren werden sowohl der High-Side- als auch der Low-Side-Transistor der entsprechenden Halbbrücke per PWM angesteuert, allerdings nicht, wie bei einer Synchrongleichrichtung gleichzeitig. Stattdessen wird beispielsweise der High-Side-Transistor während seiner beiden aufeinander folgenden aktiven Ansteuerungsintervalle zunächst ein Ansteuerungsintervall lang per PWM angesteuert. Im zweiten aktiven Ansteuerungsintervall wird der High-Side-Transistor in diesem Beispiel hingegen konstant aktiviert. Im zweiten aktiven Ansteuerungsintervall wird statt des High-Side-Transistors der Low-Side-Transistor der korrespondierenden aktiven Halbbrücke per PWM geschaltet, währen dieser Low-Side-Transistor im ersten aktiven Ansteuerungsintervall permanent eingeschaltet ist. Somit wird während jedes Ansteuerungsintervalls der Ansteuerungsintervalle (A–F) immer nur einer der sechs Halbbrückentransistoren einer Schaltung mit drei Halbbrücken zur Ansteuerung eines BLDC-Motors mit drei Motoranschlüssen (R, S, T) per PWM angesteuert, währen der korrespondierende andere aktive Transistor während des betreffenden Ansteuerintervalls permanent eingeschaltet ist.
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C) Beidseitiges Schalten mit Synchrongleichrichtung, PWM zuerst
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Diese Technik erweitert das beidseitige Schalten um eine Synchrongleichrichtung.
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D) Beidseitiges Schalten, PWM zuletzt
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Hier wird die Reihenfolge von PWM-gesteuertem Schalten und konstanten Schaltintervallen gegenüber den vorher erwähnten Generierungsschemata vertauscht.
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E) Bipolares Schalten oder auch Vier Quadranten-Ansteuerung
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Bei der Vier-Quadranten-Ansteuerung werden alle vier Transistoren der beiden aktiven Halbrücken mittels PWM angesteuert.
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Bei der Regelung mittels der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) ist ein negatives Vorzeichen nicht von Vorteil. Der Strom benötigt immer eine positive Zeit, um in der Induktivität aufgebaut zu werden. Es gilt, diese Zeit durch einen Phasenvorlauf, also einen geeigneten Wert einer Verlagerungszeit (tcomp) zu kompensieren.
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Der Startpunkt für die Verlagerungszeit (tcomp) für die Ausregelung kann sehr einfach und pragmatisch bestimmt werden: Zunächst wird kein Phasenvorlauf erzeugt. Dies entspricht einer Verlagerungszeit (tcomp) von 0 s. Sodann wird die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) gemessen. Diese gemessene Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) ist konstruktionsbedingt immer größer als 0 s. Aus dieser gemessene Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) wird dann für die Berechnung der zukünftigen realen Kommutierungszeitpunkte (tk') die Verlagerungszeit (tcomp) generiert und für den Rest der Betriebsdauer typischerweise beibehalten. Alternativ kann auch dieser Prozess nach einem vorgegebenen Zeitraum wiederholt werden.
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Oszillationen dieser Regelung sind nicht ausgeschlossen, da die gemessene der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) ebenfalls wieder eine Abhängigkeit von der Verlagerungszeit (tcomp) besitzt.
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Das einfachste Verfahren zur Unterdrückung von Oszillationen des Systems sieht vor, wie zuvor erwähnt, von Zeit zu Zeit in typischerweise vorbestimmten Zeitabständen, eine Kommutierung ohne Vorlauf zu generieren, also die Verlagerungszeit (tcomp) auf 0 s zu setzen, um die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) zu messen und danach auf Basis dieser Messung eine Generierung der Verlagerungszeit (tcomp) neu durchzuführen. Da sich aber die Last dynamisch ändern kann, ist diese Methode nicht immer zielführend. Als Abhilfe können derartig gewonnene zeitdiskrete Abtastwerte der Verlagerungszeit (tcomp) bzw. der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) durch Filterung zu einem gemeinsamen Abtastwert zusammengefasst werden. Man kann sich beispielsweise als Abhilfe PID-Reglerstrukturen oder anderer Regelprinzipien nach dem Stand der Technik für die Filterung zur Erzeugung der Verlagerungszeit (tcomp) oder einer oder mehrerer Zwischengrößen, aus denen diese erzeugt wird, bedienen.
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5 zeigt den typischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu Beginn des Verfahrens zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp) startet das System typischerweise nach dem Einschalten von einem Startpunkt (100) aus. Es geht dann in einen Initialisierungszustand (101). Dort kommt es zur Initialisierung des Verfahrens zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp). Zu diesem Zeitpunkt wird typischerweise die Verlagerungszeit (tcomp) durch die Systemsteuerung auf 0 s gesetzt, womit der reale Kommutierungszeitpunkt (tk') für die Spannungskommutierung mit dem idealen Kommutierungszeitpunkt (tk), zu dem die Stromkommutierung idealer Weise stattfinden sollte, zusammenfällt. Die Stromkommutierung läuft dann aber um den Zeitraum (15) der Spannungskommutierung nach und findet nicht zum idealen Kommutierungszeitpunkt (tk) statt. Hiernach folgt der zweite Schritt (102) in dem Verfahren zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp). Typischerweise wird die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) bestimmt. Hier sei auf die vorausgehende Beschreibung verwiesen. Es folgt ein dritter, optionaler Schritt in dem Verfahren zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp). Dieser Schritt ist dann notwendig, wenn die Qualität einzelner Messwerte der Dauer (tFL) der Freilaufpulse (5) unzureichend ist und diese Messwerte aufbereitet werden müssen. Dies kann durch ein Signalverarbeitungsverfahren in einer Signalverarbeitungseinheit geschehen. Sofern notwendig, wird dann der Messwert der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) dort weiterverarbeitet. Es können beispielsweise Mittelwerte, gewichtete Mittelwerte etc. durch die Signalverarbeitungseinheit gebildet werden. Auch ist es denkbar, die Messwerte in dieser Signalverarbeitungseinheit zu Filtern und für Regelalgorithmen – z. B. PD, PI und PID-Regelalgorithmen – zur Nachstellung der Verlagerungszeit (tcomp) mittels dieser Signalverarbeitungseinheit zu benutzen. Hierauf folgt ein vierter Schritt in dem Verfahren zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp). Die so bestimmte korrigierte und/oder gefilterte und oder gemittelte Dauer des Freilaufpulses (5) wird als nunmehr bestimmte Verlagerungszeit (tcomp) für folgende Kommutierungen zu realen Kommutierungszeitpunkten (tk') eingestellt. Auf diese Weise reduziert sich die zeitliche Distanz zwischen dem idealen Kommutierungszeitpunkt (tk) und dem Zeitpunkt der Stromkommutierung. Im Idealfall wird dieser zeitliche Abstand 0 s. Es folgt ein letzter Zustand (105), der das System in einem definierten Zustand hält. In diesem Zustand verbleibt das System mit eingestellter Verlagerungszeit (tcomp) ohne diese zu ändern bis ein vorbestimmtes Ereignis eintritt. Dies ist typischerweise der Ablauf einer vorbestimmten Zeit. Dann wird das Verfahren neu gestartet. Der Systemzustand (105) hat also einen Übergang (106) auf sich selbst. Dieser zwingt das System dazu, typischerweise eine vorbestimmte Zeit oder bis zu einem vorbestimmten Ereignis abzuwarten. Tritt das Ereignis ein oder läuft die vorbestimmte Zeit ab, so wechselt das System über einen letzten Übergang (107) wieder in den Zustand zur Initialisierung des Verfahrens (101).
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik werden folgende Vorteile erzielt:
- • Eine exakte Kompensation des Stromnachlaufs ist möglich. Damit kann der Wirkungsgrad der Applikation unabhängig vom Lastmoment maximiert werden.
- • Eine einfache ressourcenminimierende Implementierung ist möglich. Diese erlaubt die Freigabe von Prozessorressourcen, so dass die Ansteuerung mit einfachen Prozessorkernen erfolgen kann.
- • Eine Vereinfachung der Parametrierung der Ansteuerung des Motors ist möglich. Während die Verlagerungszeit (tcomp) nach dem Stand der Technik abhängig von der Applikation und dem verwendeten Motor individuell parametriert werden muss, reicht mit dem vorgestellten Verfahren die Parametrierung auf die verwendete Art der Ansteuerung aus. Ist diese erfolgt, können verschiedene Motoren bei verschiedenen Lasten ohne Neuparametrierung mit diesem Verfahren bedient werden.
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Bezugszeichenliste
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- αG
- Generierungsschema spezifischer Faktor zur Korrektur der Abhängigkeit der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) durch Multiplikation der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) mit diesem Generierungsschema spezifischen Faktor (αG) zu einer korrigierten Dauer (tFLk) des Freilaufpulses (5) oder zu einem Summensignal, aus dem dann durch somit gewichtete Summenbildung ersatzweise die besagte korrigierte Dauer (tFLk) des Freilaufpulses (5) gebildet werden kann.
- A
- erstes Ansteuerintervall. In diesem Ansteuerintervall wird der erste Motoranschluss (R) mit einer positiven Motoranschlussspannung (VR) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt, der zweite Motoranschluss (S) ist hochohmig angeschlossen und wird nicht bestromt – an ihm ist die EMK messbar – und der dritte Motoranschluss (T) wird mit einer negativen Motoranschlussspannung (VT) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt.
- B
- zweites Ansteuerintervall. In diesem Ansteuerintervall wird der erste Motoranschluss (R) mit einer positiven Motoranschlussspannung (VR) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt, und der zweite Motoranschluss (S) wird mit einer negativen Motoranschlussspannung (VS) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt und der dritte Motoranschluss (T) ist hochohmig angeschlossen und wird nicht bestromt – an ihm ist die EMK messbar –.
- C
- drittes Ansteuerintervall. In diesem Ansteuerintervall ist der erste Motoranschluss (R) hochohmig angeschlossen und wird nicht bestromt – an ihm ist die EMK messbar, und der zweite Motoranschluss (S) wird mit einer negativen Motoranschlussspannung (VS) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt und der dritte Motoranschluss (T) wird mit einer positiven Motoranschlussspannung (VT) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt.
- D
- viertes Ansteuerintervall. In diesem Ansteuerintervall wird der erste Motoranschluss (R) mit einer negativen Motoranschlussspannung (VR) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt und der zweite Motoranschluss (S) ist hochohmig angeschlossen und wird nicht bestromt – an ihm ist die EMK messbar – und der dritte Motoranschluss (T) wird mit einer positiven Motoranschlussspannung (VT) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt.
- E
- fünftes Ansteuerintervall. In diesem Ansteuerintervall wird der erste Motoranschluss (R) mit einer negativen Motoranschlussspannung (VR) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt und der zweite Motoranschluss (S) wird mit einer positiven Motoranschlussspannung (VS) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt und der dritte Motoranschluss (T) ist hochohmig angeschlossen und wird nicht bestromt – an ihm ist die EMK messbar –.
- F
- sechstes Ansteuerintervall. In diesem Ansteuerintervall ist der erste Motoranschluss (R) ist hochohmig angeschlossen und wird nicht bestromt – an ihm ist die EMK messbar –, und der zweite Motoranschluss (S) wird mit einer positiven Motoranschlussspannung (VS) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt und der dritte Motoranschluss (T) wird mit einer negativen Motoranschlussspannung (V) durch die zugehörige Halbbrücke beaufschlagt.
- FR_O
- Signal, das den Freilauf zur oberen Versorgungsspannung (VBat) signalisiert. (erstes Komparatorausgangssignal)
- FR_U
- Signal, das den Freilauf zur unteren Versorgungsspannung (GND) signalisiert. (zweites Komparatorausgangssignal)
- GND
- untere Versorgungsspannung
- R
- erster Motoranschluss
- S
- zweiter Motoranschluss
- T
- dritter Motoranschluss
- tcomp
- Verlagerungszeit um die der nächste reale Kommutierungszeitpunkt (tk') gegenüber dem idealen Kommutierungszeitpunkt (tk) nach vorn verlagert wird. tk' = tk – tcomp. Diese Verlagerungszeit ist von der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) abhängig. Im Idealfall kompensiert die Verlagerungszeit das Nachlaufen der Stromkommutierung gegenüber der eingeprägten Spannungskommutierung infolge der von Null verschiedenen Motorinduktivität.
- tFL
- Dauer des Freilaufpulses (5)
- tFLk
- korrigierte Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5)
- tFLF
- gefilterte Dauer des Freilaufpulses (5)
- tFLFk
- gefilterte und korrigierte Dauer des Freilaufpulses (5)
- tk
- idealer Kommutierungszeitpunkt innerhalb eines Ansteuerintervalls der Ansteuerintervalle (A–F), wenn die Dauer (tFL) des Kommutierungspulses (5) 0 s wäre. Dies wäre bei einem induktivitätsfreien Motor der Fall. Eine Stromkommutierung zu diesem Zeitpunkt maximiert den Wirkungsgrad.
- tk'
- realer Kommutierungszeitpunkt innerhalb eines Ansteuerintervalls der Ansteuerintervalle (A-F). Es gilt tk' = tk – tcomp. Es handelt sich um den Zeitpunkt der Spannungskommutierung der von außen durch die Steuerung eingeprägten Motoranschlussspannungen (VR, VS, VT).
- tk'next
- nächster realer Kommutierungszeitpunkt
- UPH
- Motoranschlussspannung
- VBat
- obere Versorgungsspannung
- VR
- Motoranschlussspannung am ersten Motoranschluss (R)
- VS
- Motoranschlussspannung am zweiten Motoranschluss (S)
- VT
- Motoranschlussspannung am dritten Motoranschluss (T)
- V0
- Mittlere Spannung zwischen oberer Versorgungsspannung (VBat) und unterer Versorgungsspannung (GND). (Null-Volt-Spannung) Diese Spannung definiert die Spannung für den Nulldurchgang im Sinne dieser Offenbarung. Von einem Nulldurchgang einer betrachteten Spannung im Sinne dieser Offenbarung wird gesprochen, wenn sie gleich dieser Spannung ist.
- 1
- Das Intervall wird als eine elektrische Umdrehung bezeichnet und gliedert sich in die Ansteuerintervalle A bis F.
- 2
- Schaltvorgang (Kommutierung) zwischen je zwei aufeinander folgenden Ansteuerintervallen (A–F) zum realen Kommutierungszeitpunkt (tk')
- 3a
- Spannungsverlauf, wenn der Motoranschluss in dem Ansteuerintervall zuvor an eine negative mittlere Spannung (6) gelegt war und dann hochohmig geschaltet wird und nicht mehr bestromt wird. Die Spannung steigt in dem Beispiel an.
- 3b
- Spannungsverlauf, wenn der Motoranschluss in dem Ansteuerintervall zuvor an die positive mittlere Spannung (7) gelegt war und dann hochohmig geschaltet wird und nicht mehr bestromt wird. Die Spannung fällt in dem Beispiel ab.
- 4
- Nulldurchgang der Spannung am hochohmigen Motoranschluss
- 5
- Freilaufpuls
- 6
- negative mittlere Spannung
- 7
- positive mittlere Spannung
- 8
- erster Komparator
- 9
- zweiter Komparator
- tk'
- realer, in der Regel vorgelagerter Kommutierungszeitpunkt innerhalb eines Ansteuerintervalls (A–F)
- 14
- beispielhafter Stromverlauf an einem Motoranschluss der Motoranschlüsse (R, S, T) nach dem Übergang von einem hochohmigen Ansteuerintervall des betreffenden Motoranschlusses zu einem niederohmigen Ansteuerintervall mit Anschluss an die obere Versorgungsspannung (VBat) oder untere Versorgungsspannung (GND).
- 15
- Zeit für den Aufbau des Motorstromes nach dem Übergang von einem hochohmigen Ansteuerintervall des betreffenden Motoranschlusses zu einem niederohmigen Ansteuerintervall mit Anschluss an die obere Versorgungsspannung (VBat) oder untere Versorgungsspannung (GND). Diese Zeit ist gleich der Dauer (tFL) des Kommutierungspulses (5).
- 31
- Spannungsverlauf der Motoranschlussspannung (UPH) an einem Motoranschluss der Motoranschlüsse (R, S, T)
- 100
- Beginn des Verfahrens zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp).
- 101
- Initialisierung des Verfahrens zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp). Zu diesem Zeitpunkt wird typischerweise die Verlagerungszeit (tcomp) auf 0 s. gesetzt womit der reale Kommutierungszeitpunkt (tk') für die Spannungskommutierung mit dem idealen Kommutierungszeitpunkt (tk), zu dem die Stromkommutierung idealer Weise stattfinden sollte, zusammenfällt. Die Stromkommutierung läuft dann um den Zeitraum (15) der Spannungskommutierung nach.
- 102
- zweiter Schritt in dem Verfahren zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp). Typischerweise wird die Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) bestimmt.
- 103
- dritter und optionaler Schritt in dem Verfahren zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp). Ggf. wird der Messwert der Dauer (tFL) des Freilaufpulses (5) weiterverarbeitet. Es können beispielsweise Mittelwerte, gewichtetet Mittelwerte etc. gebildet werden. Auch ist es denkbar, die Messwerte zu Filtern und für Regelalgorithmen – z. B. PD, PI und PID-Regelalgorithmen – zur Nachstellung der Verlagerungszeit (tcomp) zu benutzen.
- 104
- vierter Schritt in dem Verfahren zur Bestimmung der Verlagerungszeit (tcomp). Die so bestimmte korrigierte und/oder gefilterte und/oder gemittelte Dauer des Freilaufpulses (5) wird als Verlagerungszeit (tcomp) für folgende Kommutierungen zu realen Kommutierungszeitpunkten (tk') eingestellt.
- 105
- in diesem Zustand verbleibt das System mit eingestellter Verlagerungszeit (tcomp) bis ein vorbestimmtes Ereignis eintritt. Dies ist typischerweise der Ablauf einer vorbestimmten Zeit. Dann wird das Verfahren neu gestartet. (107)
- 106
- Das System wartet typischerweise eine vorbestimmte Zeit oder bis zu einem vorbestimmten Ereignis ab, bis das Verfahren erneut durchgeführt wird.
- 107
- Das System wechselt typischerweise bei Eintritt eines vorbestimmten Ereignisses oder nach einer vorbestimmten Zeit wieder in den Zustand zur Initialisierung des Verfahrens (101).