DE102016102329A1

DE102016102329A1 - Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE102016102329A1
Application number: DE102016102329.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Schikorra
Original assignee: Eonas It-Beratung und Entw GmbH; eonas IT-Beratung und Entwicklung GmbH
Current assignee: Eonas It-Beratung und Entw GmbH; eonas IT-Beratung und Entwicklung GmbH
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2016-08-11
Also published as: CN107408907A; WO2016128468A1; US20170359007A1; CN107408907B; US10396692B2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1) wird durch Bestromen einer Mehrzahl von an einem Stator (10) angeordneter Ankerspulen (a–c), die eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator (10) umlaufenden Drehfelds ausbilden und drei Anschlüsse (U, V, W) aufweisen, ein Drehfeld erzeugt, um einen Rotor (11), der um eine Drehachse (110) zu dem Stator (10) drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole (N, S) aufweist, anzutreiben. Dabei ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Position des Rotors (11) relativ zum Stator (10) ein Messspannungssignal (V12, V23, V31) zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse (U, V, W) angelegt wird, an einem dritten der Anschlüsse (U, V, W) eine resultierende Spannung (VM) gemessen wird, anhand des zeitlichen Verlaufs der resultierenden Spannung (VM) ein die Steigung der resultierenden Spannung (VM) in einem Zeitintervall angebender Steigungswert bestimmt wird und der Steigungswert bei der Bestimmung der Position (Φ) des Rotors (11) berücksichtigt wird. Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors zur Verfügung gestellt, das in zuverlässiger Weise eine Bestimmung der Rotorposition bei Stillstand oder langsamen Drehgeschwindigkeiten ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen bürstenlosen Gleichstrommotor.
Bei einem derartigen Verfahren wird durch Bestromen einer Mehrzahl von an einem Stator angeordneten Ankerspulen ein Drehfeld erzeugt, um einen Rotor, der um eine Drehachse zu dem Stator drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole aufweist, anzutreiben. Die Ankerspulen bilden eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator umlaufenden Drehfelds aus und weisen dabei drei oder mehr Anschlüsse auf, über die die Ankerspulen bestromt werden.
Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren wird unterschieden zwischen einer sensorgesteuerten Kommutierung und einer sensorlosen Kommutierung. Generell wird bei bürstenlosen Gleichstrommotoren das am Stator erzeugte, umlaufende Ankerfeld elektronisch kommutiert in Abhängigkeit von der Rotorposition, der Rotordrehzahl und dem Drehmoment. Die elektronische Kommutierung kann hierbei zum Regeln des Betriebsverhaltens des Gleichstrommotors verwendet werden.
Bei der sensorgesteuerten Kommutierung (sogenannte sensorgesteuerte bürstenlose Gleichstrommotoren) befinden sich Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren zur Erfassung des magnetischen Flusses des Rotors oder optische Sensoren im Bereich des Stators. Die Sensoren liefern Informationen über die Rotorposition, die somit sensorisch erfasst wird. In Abhängigkeit von der sensorisch erfassten Rotorposition kann dann die elektronische Kommutierung eingestellt werden.
Bei der sensorlosen Kommutierung (sogenannte sensorlose bürstenlose Gleichstrommotoren) erfolgt die Erfassung der Rotorposition hingegen über die in den Ankerspulen des Stators induzierte Gegenspannung, die von der Steuereinrichtung zur Bestimmung der Rotorposition ausgewertet werden kann und auch als Gegen-EMK (EMK: induzierte elektromagnetische Kraft) bezeichnet wird.
Die Bestimmung dieser Gegenspannung ist jedoch erst ab einer Mindestdrehzahl des Rotors möglich, weil unterhalb dieser Mindestdrehzahl die induzierte Gegenspannung zu klein ist. Herkömmliche bürstenlose Gleichstrommotoren sahen daher ein Ausrichten des Rotors mit einem definiertem Schaltmuster und ein anschließendes blindes Schalten der Phasen für den Anlauf vor, bis eine Mindestdrehzahl erreicht ist und somit anhand der induzierten Gegenspannung die Winkellage des Rotors bestimmt werden kann.
Wünschenswert ist daher ein Verfahren, bei dem bei einem sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotor auch bei Stillstand oder niedriger Drehgeschwindigkeit des Rotors die Winkellage des Rotors bestimmt werden kann, um den Motor zuverlässig und effizient anzufahren.
Bei einem aus der WO 2009/053388 A2 bekannten sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotor ist zur Bestimmung der Rotorposition bei Stillstand vorgesehen, an zwei von drei Motoranschlüssen eine Messsequenz anzulegen und an dem jeweils dritten, unbestromten Motoranschluss eine Spannung zu messen. Diese Spannung wird mit einer Referenzspannung verglichen, und anhand des Vergleichs kann bestimmt werden, innerhalb welches Winkelsektors der Rotor sich gerade befindet.
Das Verfahren der WO 2009/053388 A2 macht es möglich zu ermitteln, in welchem von sechs möglichen Winkelsektoren sich ein Rotor gerade befindet. Dies erfolgt durch Anlegen von Messpulsen im Rahmen einer Messsequenz. Eine winkelgenaue Bestimmung der Rotorposition im Stilstand, bei Drehung des Rotors oder innerhalb der Blockkommutierung ist mit dem Verfahren der WO 2009/053388 A2 hingegen nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors sowie einen bürstenlosen Gleichstrommotor zur Verfügung zu stellen, die in zuverlässiger Weise eine Bestimmung der Rotorposition vom Stillstand bis zu mittleren Drehgeschwindigkeiten im fremdangetriebenen oder im blockkommutierten, eigenangetriebenen Betrieb ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass zur Bestimmung der Position des Rotors relativ zum Stator

– ein Messspannungssignal zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse angelegt wird,
– an einem dritten der Anschlüsse eine resultierende Spannung gemessen wird,
– anhand des zeitlichen Verlaufs der resultierenden Spannung ein die Steigung der resultierenden Spannung in einem Zeitintervall angebender Steigungswert bestimmt wird und
– der Steigungswert bei der Bestimmung der Position des Rotors berücksichtigt wird.

Dies geht davon aus, bei der Bestimmung der Position des Rotors die zeitliche Veränderung einer gemessenen, resultierenden Spannung zu berücksichtigen. Zur Bestimmung der Position des Rotors wird ein Messspannungssignal zwischen zwei der drei Anschlüsse eines (zu einem Dreieck oder Stern verschalteten) dreiphasigen Gleichstrommotors angelegt, und der dritte, nicht bestromte Anschluss wird zur Messung genutzt. An diesem dritten Anschluss stellt sich eine Spannung ein, die (in etwa) der Spannung an einem (virtuellen) Sternpunkt der zu einer Dreiecks- oder Stern-Schaltung verschalteten, dreiphasigen Ankerspulen entspricht. Die resultierende Spannung bestimmt sich hierbei durch einen Spannungsteiler der dem ersten Anschluss zugeordneten Induktivität der ersten Ankerspule und der dem zweiten Anschluss zugeordneten Induktivität der zweiten Ankerspule, wobei die Induktivitäten wiederum abhängig vom Magnetfeld des permanentmagneterregten Rotors sind.
Abhängig von der Winkellage des Rotors ist die Induktivität einer jeden Ankerspule veränderlich, was damit zusammenhängt, dass ein magnetischer Eisenkern der Ankerspule durch das Magnetfeld des permanenterregten Rotors magnetisiert wird. Die Magnetisierung ist hierbei abhängig von der Winkellage des Rotors, weil das Permanentmagnetfeld abhängig von der Winkellage des Rotors zu der Ankerspule ausgerichtet ist. Es ergibt sich, dass die Induktivität einer Ankerspule umso geringer ist, je stärker die Magnetisierung des Eisenkerns durch das Permanentmagnetfeld des Rotors ist.
Einen Einfluss auf die Induktivität hat zudem der Stromfluss durch eine Ankerspule. So ist generell bei Anlegen eines Messspannungssignals zwischen zwei Anschlüssen der Stromfluss zunächst klein und steigt dann (allmählich) an. Der Stromfluss durch eine Ankerspule bewirkt ein lokales magnetisches Feld an der Ankerspule, das sich mit dem Permanentmagnetfeld des Rotors überlagert und zu einer Feldstärkung oder Feldschwächung des magnetischen Feldes an der Ankerspule führen kann. Der Stromfluss durch eine Ankerspule kann somit eine Zunahme (bei Feldstärkung) oder eine Reduzierung (bei Feldschwächung) der Magnetisierung des Eisenkerns bewirken, was zu einer Reduzierung bzw. Vergrößerung der Induktivität führt.
Da der Stromfluss sich bei Anlegen eines Messspannungssignals zeitlich ändert, ändert sich somit auch die Induktivität, während das Messspannungssignal an den Anschlüssen anliegt. Diese zeitliche Änderung kann ausgewertet werden und kann allein zur Bestimmung der Winkellage des Rotors dienen oder kann zumindest bei der Bestimmung der Rotorlage berücksichtigt werden.
Das Verfahren macht davon Gebrauch, dass an zwei Anschlüsse ein Messspannungssignal angelegt und an einem nicht bestromten, dritten Anschluss eine resultierende Spannung gemessen wird. Weil sich hierbei die zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss wirkenden Induktivitäten der Ankerspulen während des Messspannungssignals aufgrund des Stromflusses durch diese Ankerspulen ändern, ändert sich auch der Spannungsteiler der Ankerspulen, was Einfluss auf die gemessene resultierende Spannung hat. Die (positive oder negative) Steigung der resultierenden Spannung zeigt somit die zeitliche Änderung der Induktivitäten aufgrund des Stromflusses durch diese Induktivitäten in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors an. Aus der zeitlichen Änderung der resultierenden Spannung kann somit direkt oder indirekt auf die Winkellage des Rotors, also die Rotorposition, geschlossen werden.
Zum Anlegen des Messspannungssignals wird vorzugsweise an den ersten Anschluss das Potenzial einer Versorgungsspannung und an den zweiten Anschluss ein Massepotential angeschlossen. Der dritte Anschluss wird hingegen in einen hochimpedanten Zustand geschaltet, sodass an diesem dritten Anschluss die resultierende Spannung gemessen werden kann. Die resultierende Spannung gibt zumindest näherungsweise die Mittelpunktspannung der Schaltung eines Spannungsteilers aus zwei Ankerspulen an.
Das Messspannungssignal ist vorzugsweise durch einzelne Messpulse zusammengesetzt. Diese Messpulse weisen vorzugsweise unterschiedliche Vorzeichen auf, sodass – in einer Ausgestaltung – ein Stromfluss durch die Ankerspulen des ersten Anschlusses und des zweiten Anschlusses bewirkt wird, der sich im Integral gerade aufhebt. So bewirkt ein erster Messpuls, bei dem beispielsweise an den ersten Anschluss das Versorgungsspannungspotenzial und an den zweiten Anschluss das Massepotential angeschlossen wird, ein Stromfluss durch die dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zugeordneten Ankerspulen in eine erste Richtung. Der zweite Messpuls, der ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist und bei dem somit das Versorgungsspannungspotenzial an den zweiten Anschluss und das Massepotential an den ersten Anschluss angeschlossen wird, bewirkt hingegen ein Stromfluss durch die dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zugeordneten Ankerspulen in eine entgegengesetzte, zweite Richtung. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine elektromotorische Kraft, die durch den Stromfluss bewirkt wird, sich im Mittel gerade aufhebt, sodass der Rotor nicht in eine Drehbewegung versetzt wird.
Generell ist der Strom durch die Ankerspulen im Rahmen der Messspannungssignale so klein, dass der Rotor nicht angetrieben wird und insbesondere keine elektromotorische Kraft bewirkt wird, die das Rastmoment des Rotors übersteigt. Kommt es dennoch zu einer Bewegung des Rotors, wird diese Bewegung durch einen nachfolgenden Messpuls mit umgekehrtem Vorzeichen wieder gestoppt.
Die Messpulse haben vorzugsweise jeweils ein zumindest näherungsweise konstantes Spannungsplateau. Im Rahmen eines Messpulses wird beispielsweise an den ersten Anschluss die Versorgungsspannung mit konstanter Amplitude über einen vorbestimmten Zeitraum angelegt. Umgekehrt wird im Rahmen des zweiten Messpulses dann die Versorgungspannung mit konstanter Amplitude an den zweiten Anschluss angelegt, sodass sich ein Messpuls umgekehrten Vorzeichens ergibt.
An den zweiten Messpuls können weitere Messpulse anschließen, wobei das Integral der Messpulse sich vorteilhafterweise insgesamt gerade aufhebt. Ein dritter Messpuls kann hierbei das gleiche Vorzeichen wie der zweite Messpuls aufweisen, wobei dann aber der vierte Messpuls wieder ein hierzu umgekehrtes Vorzeichen hat.
Vorteilhafterweise werden während des ersten Messpulses und während des zweiten Messpulses jeweils Spannungswerte der resultierenden Spannung bestimmt. Es wird somit gemessen, welche Spannung sich während eines Messpulses an dem nicht bestromten, dritten Anschluss einstellt, wobei hierzu die resultierende Spannung über den Zeitraum eines jeden Messpulses in geeigneter Weise abgetastet und gemittelt werden kann.
Aus dem ersten resultierenden Spannungswert, erhalten während des ersten Messpulses, und dem zweiten resultierenden Spannungswerts, erhalten während des zweiten zum ersten invertierten Messpulses, kann sodann ein Differenzwert bestimmt werden. Durch Bildung der Differenz zwischen dem ersten resultierenden Spannungswert und dem zweiten resultierenden Spannungswert können Effekte, die die Messung überlagern, herausgerechnet werden. Beispielsweise kann sich bei Drehung des Rotors mit geringer Drehgeschwindigkeit eine induzierte Gegenspannung in den einzelnen Ankerspulen ergeben, welche die Mittelpunktspannung des Spannungsteilers überlagert. Durch Subtraktion der während der unterschiedlichen Messpulse erhaltenen Spannungswerte voneinander wird diese induzierte Gegenspannung herausgerechnet, sodass die Gegenspannung keinen Einfluss auf die ermittelte Größe des Spannungsteilers hat.
Aus den resultierenden Spannungswerten wird die Differenz, mit dem Spannungswert während des ersten Messpulses als Minuend und dem Spannungswert während des zweiten Messpulses als Subtrahend, gebildet. Eine zusätzliche konstante Spannung, welche während der Messung des Minuend und Subtrahend anliegt, subtrahiert sich dabei heraus und hat keinen Einfluss auf den Wert der Differenz. Ein vom Spannungsvektor abhängiger Spannungswert dagegen, z.B. die Verschiebung der Mittelpunktspannung durch das Verhältnis der Induktivitäten im Minuend und die invertierte Verschiebung der Mittelpunktspannung durch das invertierte Verhältnis der Induktivitäten im Subtrahend, bleibt in der Differenz als Unterschied erhalten.
Es werden damit Effekte, die die Messung überlagern, herausgerechnet. Beispielsweise kann sich bei einer geringen Drehgeschwindigkeit des Rotors eine induzierte Gegenspannung im Messzweig und den Spulen des Spannungsteilers ergeben. Bei Drehung des Rotors entspricht der am Anschluss gemessene Spannungswert dann nicht mehr der Mittelpunktspannung des Spannungsteilers, sondern wird unter anderem durch die induzierte elektromotorische Spannung der Spule des Messzweiges verfälscht. Da die induzierte Gegenspannung innerhalb des Zeitintervalls der Messung jedoch annähernd konstant ist und ihr Vorzeichen beibehält, kann dieser Fehler durch die Subtraktion von zwei Messungen annähernd vollständig entfernt werden.
In den Spulen des Spannungsteilers wird in gleicher Weise durch die Rotation des Permanentmagneten Spannung induziert, sodass bereits die Mittelpunktspannung des Spannungsteilers durch eine induzierte Spannung verfälscht ist. Auch ein im Dreieck verschalteter Gleichstrommotor ist aus diesem Grund nicht frei von dem eingeprägten Fehler der induzierten Spannung, obwohl die Mittelpunktspannung direkt am Phasenanschluss gemessen werden kann. Der Fehler der im Spannungsteiler induzierten Spannung wird jedoch ebenfalls durch die Differenz zweier Messungen kompensiert.
Die Störgröße der induzierten elektromotorischen Spannung kann auch ohne das Anlegen einer Spannung zwischen zwei Anschlüssen im Rahmen eines Messpulses bestimmt werden. Dazu werden, bis auf den Messanschluss, alle weiteren Phasenanschlüsse auf ein Potential geschaltet, womit der Spannungsteiler aufgehoben wird und sich am Messanschluss eine Spannung einstellt, welche ausschließlich der induzierten elektromotorischen Spannung entspricht. Nach Abzug des (bei der Kompensationsmessung angelegten) Potentials ist das Ergebnis die induzierte elektromotorische Spannung, deren Wert zur Kompensation (der in einer einzelnen Mittelpunktspannungsmessung enthaltenen induzierten Spannung) genutzt werden kann.
Durch die Subtraktion der während der unterschiedlichen Messpulse erhaltenen Spannungswerte voneinander im Allgemeinen oder die Subtraktion mit einer zusätzlichen zeitlich angrenzenden Kompensationsmessung im Speziellen kann der systematische Fehler einer induzierten Spannung, die sich bei der Drehung des Rotors mit niedriger Drehgeschwindigkeit ergibt, herausgerechnet werden, um die relevante Größe der Mittelpunktspannung des Spannungsteilers ohne Verfälschung durch eine induzierte elektromotorische Spannung zu bestimmen.
Zur Bestimmung der Position des Rotors werden vorzugsweise sämtliche Anschlusskombinationen durchgemessen. So ergeben sich bei drei vorhandenen Anschlüssen drei Anschlusskombinationen, die jeweils mit Messpulsen unterschiedlichen Vorzeichens beaufschlagt werden. Hieraus resultieren sechs Spannungswerte, aus denen beispielsweise drei Differenzwerte bestimmt werden.
Im stromgeführten blockkommutierten Betrieb der Motorphasen sind dagegen mindestens zwei Phasenanschlüsse bestromt, damit ein Drehmoment erzeugen werden kann. Die Messung der Mittelpunktspannung erfordert jedoch einen Phasenanschluss ohne Stromfluss. Da diese Voraussetzung im blockkommutierten Fall nur für einen Phasenanschluss erfüllt ist, ist die Anzahl der möglichen sechs Messkombinationen auf zwei reduziert. Eine mehrdeutige Position kann dennoch aus der Differenz von zwei Messkombinationen bestimmt werden, sofern die maximale Amplitude der Induktivitätsdifferenzfunktion bekannt ist.
Mit der Kenntnis der Maximalamplitude der Induktivitätsdifferenz besteht zusätzlich die Option, die Position mit nur einem Messpuls bzw. einer Messkombination zu bestimmen. Für niedrige Drehgeschwindigkeiten kann die induzierte elektromotorische Spannung auch mit Hilfe einer zusätzlichen Messung der elektromotorischen Spannung kompensiert werden. Für eine solche Kompensationsmessung werden zwei Phasenanschlüsse zugleich an das Massepotential oder an die Versorgungsspannung angeschlossen, und die elektromotorische Spannung wird am dritten stromlosen Phasenanschluss gemessen. Diese Kompensationsmessung erfolgt zeitlich kurz vor oder nach dem Anlegen des einzelnen Messpulses, um den Einfluss einer zeitlichen Änderung der elektromotorischen Spannung möglichst gering zu halten. Durch Subtraktion der gemessenen elektromotorischen Spannung von der (beim Anlegen der Messpulse gemessenen) Phasenspannung, kann die Mittelpunktspannung frei von einer (für den Zeitraum konstanten) induzierten elektromotorischen Spannung, bestimmt werden. Mittels der bereinigten Mittelpunktspannung und der Kenntnis der Maximalamplitude der Induktivitätsdifferenz kann schlussendlich auf eine mehrdeutige Position des Rotors geschlossen werden.
Bei einer Umdrehung des Rotors um 360° (Bezug genommen wird auf den elektrischen Winkel) ändert sich die Induktivität einer Ankerspule abhängig von der Rotorlage vereinfacht wie folgt: L₁(Φ) = L₀·(1 – b·cos(2·Φ)
Hierbei ist L₁ die Induktivität einer Ankerspule, Φ der Rotorwinkel, L₀ ein Basiswert der Induktivität (um den der Induktivitätswert schwankt) und b der Änderungsfaktor. Beträgt b beispielsweise 50%, so ist der minimale Induktivitätswert z.B. bei einem Winkel von 0° 0,5L₀, der maximale Induktivitätswert bei einem Winkel von z.B. 90° hingegen 1,5L₀.
Die Induktivität der Ankerspule L₁ ist minimal, wenn der Erregerfeldvektor des permanentmagneterregten Rotors und der Ankerfeldvektor des sich drehenden Ankerfelds einen Winkel von 0° und 180° zueinander aufweisen. Bei 90° und 270° hingegen ist die Induktivität maximal. Hieraus ergibt sich, dass anhand der Induktivitätsänderung in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors nicht eindeutig auf die Winkellage des Rotors geschlossen werden kann, sondern bei Auswertung der sich für die unterschiedlichen Anschlusskombinationen anhand der Messpulse ergebenden Differenzwerte ergeben sich zwei um 180° zueinander versetzte Lösungen.
Um zu einer eindeutigen Lösung zu gelangen, können – bei einer Ausgestaltung des Verfahrens – die Steigungswerte der Spannung innerhalb des Zeitintervalls der Messpulse berücksichtigt werden. So wird anhand der Steigungswerte aus dem anhand der Differenzwerte ermittelten zweideutigen Ergebnis das richtige Ergebnis ermittelt. Dies erfolgt dadurch, dass für jede unterschiedliche Anschlusskombination ein Steigungswert bestimmt wird und anhand der unterschiedlichen Steigungswerte geprüft wird, welches Vorzeichen die Steigung für welche Anschlusskombination aufweist. Anhand des Vorzeichens der Steigung, also anhand der Information, ob eine positive Steigung oder eine negative Steigung für eine Anschlusskombination auftritt, kann darauf geschlossen werden, in welchem Winkelbereich sich der Rotor befindet und ob somit ein Winkelversatz von 180° zu der anhand der Differenzwerte ermittelten Winkelposition hinzuzuaddieren ist oder nicht.
Für drei Messspannungssignale bestehend aus jeweils zwei Anschlusskombinationen (wenn ein Messspannungssignal unterschiedliche, zueinander invertierte Messpulse aufweist) ergeben sich sechs Steigungswerte, welche vorzugsweise für jedes Messspannungssignal zu insgesamt drei Steigungswerten gemittelt werden, welche wiederum gesondert oder gemeinsam ausgewertet werden können, um darauf zu schließen, ob ein Winkelversatz bei der Bestimmung der Rotorposition hinzuzuaddieren ist oder nicht. Es wird für die Betrachtung dieser Entscheidung z.B. die stärkste gemessene Steigung der drei gemittelten Steigungswerte genutzt, welche auftritt, wenn der Messzweig beziehungsweise Phasenanschluss in die Richtung eines Permanentmagnetpols ausgerichtet ist. Die Auswahl des relevanten Steigungswertes erfolgt z.B. anhand der sich aus den Differenzwerten ergebenden, beiden möglichen, um 180° zueinander versetzten Lösungen. Es kann aber auch ein gemeinsamer Entscheidungswert aus allen drei Steigungswerten gebildet werden, indem abhängig vom Winkelbereich der beiden um 180° zueinander versetzten Lösungen die einzelnen Werte zu einem gemeinsamen Wert subtrahiert oder addiert werden.
Hinzuweisen ist an dieser Stelle darauf, dass grundsätzlich auch allein anhand der Steigungswerte eine Bestimmung der Rotorposition möglich ist. So ändert sich die Steigung in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors sinusförmig. Durch Auswertung der drei gemittelten Steigungswerte kann grundsätzlich bereits eindeutig auf die absolute Position des Rotors geschlossen werden.
Das beschriebene Verfahren ist vorteilhaft bei Stillstand des Rotors zur Bestimmung der Position des Rotors einsetzbar. Zudem ist das Verfahren durch die Kompensation der Gegenspannung bei fremdangetrieben Rotation bis zu mittleren Drehgeschwindigkeiten sowie bei eigenangetrieben Rotation im blockförmig bestromten Betrieb vom Stillstand bis zu mittleren Drehgeschwindigkeiten verwendbar.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor, mit

– einem Stator, an dem eine Mehrzahl von Ankerspulen angeordnet ist, die eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator umlaufenden Drehfelds ausbilden und drei Anschlüsse aufweisen,
– einem Rotor, der um eine Drehachse zu dem Stator drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole aufweist, und
– einer Steuereinrichtung zum Bestromen der Ankerspulen zum Erzeugen des Drehfelds.

Dabei ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, zur Bestimmung der Position des Rotors relativ zum Stator

– zumindest ein Messspannungssignal zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse anzulegen,
– an einem dritten der Anschlüsse eine resultierende Spannung zu messen,
– aus dem zeitlichen Verlauf der resultierenden Spannung einen die Steigung der resultierenden Spannung in einem Zeitintervall angebenden Steigungswert zu bestimmen und
– den Steigungswert bei der Bestimmung der Position des Rotors zu berücksichtigen.

Die vorangehend für das Verfahren beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen finden analog auch auf den bürstenlosen Gleichstrommotor Anwendung, sodass hierzu auf das oben Ausgeführte verwiesen werden soll.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotors;
2A eine schematische Schaltungsansicht der Verschaltung der Ankerspulen zu einer Sternschaltung;
2B eine schematische Schaltungsansicht der Verschaltung der Ankerspulen zu einer Dreiecksschaltung;
3A die Ansicht gemäß 2A, bei einer Rotorposition des Rotors, darstellend mögliche Anschlusskombinationen zum Anlegen von Messspannungssignalen zum Bestimmen der Rotorposition;
3B die Ansicht gemäß 2B, bei einer Rotorposition des Rotors, darstellend mögliche Anschlusskombinationen zum Anlegen von Messspannungssignalen zum Bestimmen der Rotorposition;
3C eine zeitliche Darstellung von Messpulsen eines Messspannungssignals;
4A eine grafische Ansicht der Induktivitäten der Ankerspulen über den Winkel des Rotors für die Sternschaltung aus 2A;
4B eine grafische Ansicht der Induktivitäten der Ankerspulen über den Winkel des Rotors für die Dreiecksschaltung aus 2B;
5A eine grafische Ansicht der Differenzen zwischen zwei Induktivitäten in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors für die Sternschaltung aus 2A;
5B eine grafische Ansicht der Differenzen zwischen zwei Induktivitäten in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors für die Dreiecksschaltung aus 2B;
6A eine schematische Ansicht der Schaltung der Ankerspulen bei Überlagerung des Permanentmagnetfeldes des Rotors mit lokal an den Ankerspulen aufgrund eines Stromflusses erzeugten Magnetfeldern für die Sternschaltung aus 2A;
6B eine schematische Ansicht der Schaltung der Ankerspulen bei Überlagerung des Permanentmagnetfeldes des Rotors mit lokal an den Ankerspulen aufgrund eines Stromflusses erzeugten Magnetfeldern für die Dreiecksschaltung aus 2B;
6C eine Ansicht einer Hysteresekurve der Magnetisierung eines Eisenkerns einer Ankerspule;
7 eine schematische Ansicht von zwischen zwei Anschlüssen anzulegenden Messpulsen und von einer sich an einem dritten Anschluss ergebenden resultierenden Spannung für eine Stern- und Dreieckschaltung; und
8 eine grafische Ansicht der Steigung der resultierenden Spannung für die unterschiedlichen Anschlusskombinationen einer Stern- oder Dreieckschaltung in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotor 1, der einen Stator 10 und einen um eine Drehachse 110 drehbaren Rotor 11 aufweist. Am Stator 10 sind eine Mehrzahl von Ankerspulen a–c mit an dem Stator 10 angebrachten Leitern a1, a2, b1, b2, c1, c2 angeordnet, die über Anschlüsse U, V, W bestromt werden können. Der Rotor 11 ist permanentmagneterregt und weist eine Mehrzahl von (paarweise) ungleichnamigen Magnetpolen N, S auf, die mit dem Feld der Ankerspulen a–c zusammenwirken und im Betrieb eine Drehbewegung D des Rotors 11 bewirken.
Im Betrieb wird der Gleichstrommotor 1 über eine Steuereinrichtung 12 bestromt, indem ein dreiphasiger Drehstrom in die Anschlüsse U, V, W eingeleitet und dadurch ein am Stator 10 umlaufendes Drehfeld erzeugt wird. Diesem Drehfeld folgt der Rotor 11 nach, sodass der Rotor 11 in eine Drehbewegung versetzt wird.
Zum Erzeugen des Drehfelds am Stator 10 wird der in die Anschlüsse U, V, W eingespeiste Strom elektronisch kommutiert. Der Zeitpunkt der Kommutierung ist hierbei abhängig von der Rotorposition, was eine Steuerung des Gleichstrommotors 1 in Abhängigkeit von der Rotorposition erforderlich macht.
Bei einer sensorlosen Kommutierung erfolgt die Erfassung der Rotorposition im Betrieb des Gleichstrommotors 1 über eine in den Ankerspulen a–c induzierte Gegenspannung, die über die Steuereinrichtung 12 ausgewertet werden kann. Dies ist möglich, wenn der Rotor 11 sich mit einer Drehgeschwindigkeit größer als eine vorbestimmte Mindestdrehgeschwindigkeit dreht und demzufolge die induzierte Gegenspannung hinreichend groß ist.
Bei Stillstand des Rotors 11 oder bei einer kleinen Drehgeschwindigkeit ist eine Steuerung über die induzierte Gegenspannung hingegen nicht ohne weiteres möglich, sodass insbesondere bei einem Anlaufen des Motors 1 die Rotorposition in anderer Weise zu bestimmen ist.
Anzumerken ist, dass das Verfahren auch anwendbar ist, wenn es sich um einen Aufbau als Außenläufer anstatt eines Innenläufers handelt und wenn Rotor und Stator getauscht sind, sodass der Rotor aus Ankerspulen und der Stator aus Permanentmagneten besteht.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Rotorposition bei Stillstand oder bei kleinen Drehgeschwindigkeiten soll nachfolgend beschrieben werden.
Die Ankerspulen a–c können zu einer Sternschaltung oder zu einer Dreiecksschaltung miteinander verschaltet sein. Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist grundsätzlich auf beide Verschaltungsarten anwendbar. In einer Sternschaltung befindet sich ein Spannungsteiler aus Ankerspulen, dessen Mittelpunktspannung über den dritten, unbestromten Messzweig (bzw. dessen Ankerspule) gemessen werden kann. In einer Dreiecksschaltung ergibt sich ein Spannungsteiler, dessen Mittelpunktspannung direkt am unbestromten Phasenanschluss gemessen werden kann. Im Folgenden wird zuerst auf die Sternschaltung eingegangen.
2A zeigt die zu einer Sternschaltung miteinander verschalteten Ankerspulen a–c, die jeweils mit einem Anschluss U, V, W verbunden sind und einen gemeinsamen Sternpunkt M aufweisen. Jede Ankerspule a–c weist eine Induktivität L1, L2, L3 auf, deren Wert z.B. von der Windungsanzahl der Ankerspulen a–c sowie von der Beschaffenheit des Eisenkerns und auch von externen Einflüssen wie dem Magnetfeld des Rotors 11 abhängt, wie nachfolgend noch erläutert werden soll.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass 1 und 2A lediglich ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel eines bürstenlosen Gleichstrommotors 1 zeigen. Grundsätzlich können am Stator mehr als drei Ankerspulen, beispielsweise sechs oder neun Ankerspulen, angeordnet sein, und am Rotor 11 können mehr als zwei Pole N, S, beispielsweise vier, sechs oder acht Pole angeordnet sein.
In einem Ausführungsbeispiel kann der Gleichstrommotor 1 beispielsweise neun Ankerspulen am Stator 10 und sechs Magnetpole am Rotor 11 aufweist.
An den Ankerspulen a–c wird im Betrieb des Gleichstrommotors 1 ein umlaufendes Drehfeld erzeugt, das mit dem permanenterregten Rotorfeld zusammenwirkt und zu einer elektromotorischen Kraft am Rotor 11 führt. Dies erfolgt dadurch, dass die Anschlüsse U, V, W in elektronisch kommutierter Weise bestromt werden und somit ein dreiphasiger Drehstrom in die Ankerspulen a–c eingeleitet wird. Während im normalen Betrieb des Gleichstrommotors 1 die Bestimmung der Rotorposition zur Steuerung der Kommutierung anhand der induzierten Gegenspannung in den Zweigen der Ankerspulen a–c ohne weiteres möglich ist, ist dies bei Stillstand des Rotors 11 oder bei kleinen Drehgeschwindigkeiten nicht möglich. Aus diesem Grunde wird vorliegend ein Verfahren verwendet, bei dem, wie schematisch in 3A dargestellt, Messspannungssignale V12, V23, V31 zwischen den Anschlüssen U, V, W angelegt werden, um anhand dieser Messspannungssignale V12, V23, V31 eine resultierende Spannung am Sternpunkt M auszuwerten und daraus auf die Rotorposition zu schließen.
Zur Messung der resultierenden Spannung am Sternpunkt M wird hierbei zwischen zwei Anschlüssen U, V, W ein Messspannungssignal V12, V23, V31 angelegt, und am dritten, nicht bestromten Anschluss U, V, W wird die sich ergebende, resultierende Spannung gemessen. Dieser dritte Anschluss ist hierbei in einen hochimpedanten Zustand geschaltet, sodass die Spannung an diesem dritten Anschluss (in etwa) der Spannung am Sternpunkt M entspricht (weil aufgrund des hochimpedanten Zustands durch den Zweig des dritten Anschlusses U, V, W kein Strom fließt, wirkt die Ankerspule a–c in diesem dritten Zweig näherungsweise als einfacher Leiter, der keinen Einfluss auf die gemessene Spannung hat). Das zwischen zwei Anschlüssen U, V, W angelegte Messspannungssignal ist hierbei durch Messpulse P1–P4 zusammengesetzt, wie schematisch in 3C dargestellt.
Die an einer Ankerspule a–c wirkende Induktivität L1–L3 hängt ab von der Position des Rotors 11. Bei der in 3A dargestellten Lage des Rotors 11 ist das durch die Permanentmagnetpole N, S bewirkte Magnetfeld entlang der Ankerspulen a gerichtet, was dazu führt, dass ein Eisenkern dieser Ankerspule a zumindest weitestgehend magnetisiert ist. Eine solche große Magnetisierung hat zur Folge, dass die Induktivität L1 an dieser Ankerspule a vergleichsweise klein ist, weil sich der Eisenkern dieser Ankerspule a (zumindest weitestgehend) in der magnetischen Sättigung befindet. An den anderen beiden Ankerspulen b, c ist die Induktivität L2, L3 demgegenüber vergrößert, weil das Permanentmagnetfeld des Rotors 11 nicht kollinear zu diesen Ankerspulen b, c ist und demzufolge die Eisenkerne dieser Ankerspulen b, c nicht gesättigt sind.
Der Verlauf der Induktivitäten L1–L3 in Abhängigkeit vom Winkel Φ des Rotors 11 ist in 4 dargestellt. Die Induktivitäten L1–L3 weisen jeweils einen sinusförmigen Verlauf auf und lassen sich (am Beispiel der Induktivität L1) durch folgende Gleichung beschreiben: L₁(Φ) = L₀·(1 – b·cos(2·Φ)
Hierbei ist L₁ die Induktivität der Ankerspule a, Φ der Rotorwinkel, L₀ ein Basiswert der Induktivität (um den der Induktivitätswert schwankt) und b der Änderungsfaktor. Beträgt b beispielsweise 50%, so ist der minimale Induktivitätswert z.B. bei einem Winkel von 0° 0,5L₀, der maximale Induktivitätswert bei einem Winkel von z.B. 90° hingegen 1,5L₀.
Aus 4A ist ersichtlich, dass die Induktivitäten L1–L3 über den Winkel Φ des Rotors 11 eine Periode von 180° aufweisen. Bei einer Drehung von 360° des Rotors 11 (Bezug genommen wird auf den elektrischen Winkel, der nicht notwendigerweise mit dem mechanischen Winkel übereinstimmt) weist jede Induktivität L1–L3 zwei Maxima und zwei Minima auf.
Anhand der pulsförmigen Messspannungssignale V12, V23, V31 kann die Position (der Winkel Φ) des Rotors 11 bestimmt werden, wobei sich – aufgrund der Periodizität gemäß 4A – im Winkelbereich zwischen 0° und 360° zwei Lösungen ergeben und somit die Rotorposition nicht eindeutig bestimmt werden kann.
Zur Bestimmung der Rotorposition wird für jede Anschlusskombination ein Messspannungssignal beispielsweise in Form der in 3C dargestellten Pulsfolge zwischen zwei Anschlüssen U, V, W angelegt. Beispielsweise wird zunächst zwischen den Anschlüssen U, V ein Messspannungssignal V12 angelegt, bei dem zunächst ein erster Messpuls P1, dann ein zweiter Messpuls P2, dann ein dritter Messpuls P3 und schließlich eine vierter Messpuls P4 auf die Anschlüsse U, V geschaltet wird. Im Rahmen des ersten Messpulses P1 wird beispielsweise an den Anschluss U das Potenzial einer Versorgungsspannung VS angelegt, während der andere, zweite Anschluss V auf ein Massepotential geschaltet wird. Beim zweiten Messpuls P2 erfolgt dies genau umgekehrt, es wird also das Versorgungsspannungspotenzial VS auf den zweiten Anschluss V und das Massepotential auf den ersten Anschluss U geschaltet. Der dritte Messpuls P3 ist dem zweiten Messpuls identisch, und der vierte Messpuls P4 weist wiederum ein umgekehrtes Vorzeichen zum dritten Messpuls P3 auf.
Die Messpulse P1–P4 sind vorteilhafterweise alle gleich lang und so gestaltet, dass sich ihr Integral gerade aufhebt. Dies hat zur Folge, dass ein an den Ankerspulen a, b der Anschlüsse U, V bewirkter Stromfluss I sich im Mittel in etwa aufhebt und somit nicht zu einem Antreiben des Rotors 11 führt.
Während zwischen zwei Anschlüssen U, V ein Messspannungssignal V12 der in 3C dargestellten Form angelegt wird, wird der dritte Anschluss W in einen hochimpedanten Zustand versetzt und zur Messung einer resultierenden Spannung VM an diesem Anschluss W genutzt. Diese Spannung VM entspricht in etwa der Spannung am Sternpunkt M und ist bestimmt durch den Spannungsteiler zwischen den Induktivitäten L1, L2 in den Anschlüssen U, V zugeordneten Zweigen (dies stimmt zumindest näherungsweise, weil die ohmsche Widerstände der Ankerspulen a–c klein sind):
V_B3 bezeichnet hier eine induzierte elektromotorische Spannung, die sich bei einer Drehung des Rotors 11 am Anschluss W ergibt. Während des zweiten Messpulses P2 hingegen ergibt sich die resultierende Spannung VM am dritten Anschluss W zu
Während der Messpulse P1–P4 wird die resultierende Spannung VM am dritten Anschluss W gemessen, und es wird die Differenz zwischen Spannungswerten bestimmt, die sich bei Messpulsen P1–P4 unterschiedlichen Vorzeichens ergeben. Der sich ergebende Differenzwert ist proportional zu der Differenz zwischen den Induktivitäten L1, L2 der den Anschlüssen U, V zugeordneten Ankerspulen a, b:
∆₁₂ bezeichnet hierbei den sich ergebenden Differenzwert zwischen den Spannungswerten der resultierenden Spannung VM bei dem ersten Messpuls (V_M,P1) und dem zweiten Messpuls (V_M,P2) bei Anlegen des Messspannungssignals V12 an die Anschlüsse U, V. Die induzierte Spannung V_B3 am dritten Anschluss W fällt im Differenzwert ∆12 heraus.
Dies wird wiederholt für sämtliche Anschlusskombinationen, indem jeweils an zwei Anschlüsse U, V, W ein Messspannungssignal V12, V23, V31 angelegt wird und am dritten Anschluss U, V, W die resultierende Spannung VM gemessen wird. Es ergeben sich drei Differenzwerte, die jeweils proportional sind zu der Differenz der in den zugeordneten Zweigen liegenden Induktivitäten L1, L2, L3.
Analog der Abhängigkeit der Induktivitäten L1, L2, L3 von der Winkellage des Rotors 11 sind auch die Differenzen L1–L2, L2–L3, L3–L1 abhängig vom Winkel Φ des Rotors 11, wie dies in 5A dargestellt ist. Anhand der drei Differenzwerte kann mit dem Arkustangens aus der Division der nach der Clarke-Transformation erhaltenen Vektoren (α, β) die Winkellage Φ des Rotors 11 bestimmt werden, wobei sich zwei Lösungen im Winkelbereich zwischen 0° und 360° ergeben, eine erste im Bereich zwischen 0° und 180° und eine zweite im Bereich zwischen 180° und 360°, dadurch bedingt, dass die Kurven eine Periodizität von 180° aufweisen.
Um zu bestimmen, welche Lösung die richtige ist, wird in einem weiteren Schritt die Steigung der am dritten Anschluss U, V, W gemessenen Spannung VM während der Messspannungssignale V12, V23, V31 ausgewertet. Diesem liegt zugrunde, dass sich die Induktivitäten L1–L3 abhängig davon ändern, was für ein Strom durch die jeweiligen Ankerspulen a–c fließt.
Wird beispielsweise, wie schematisch in 6A dargestellt, ein Messspannungssignal V23 zwischen den Anschlüssen V, W angelegt, so fließt zunächst bei Anlegen des ersten Messpulses P1 näherungsweise kein Strom durch die zugeordneten Induktivitäten L2, L3, weil sich der Strom in diesen Induktivitäten L2, L3 erst allmählich aufbaut. Steigt der Strom I in den Induktivitäten L2, L3 an, so kommt es an den Induktivitäten L2, L3 zum Aufbau eines Magnetfeldes H2, H3, das sich mit dem Permanentmagnetfeld H0 des Rotors 11 überlagert und lokal an den Induktivitäten L2, L3 zu einer Stärkung bzw. Schwächung des resultierenden Gesamtfeldes führt.
Bei dem in 6A dargestellten Beispiel kommt es an der Induktivität L2 zu einem lokalen Feld H2, bedingt durch den Stromfluss I durch die Induktivität L2. Dieses Magnetfeld H2 ist mit einer Vektorkomponente dem Magnetfeld H0 des Rotors 11 gleichgerichtet, sodass es an der Induktivität L2 zu einer Stärkung des lokalen Magnetfeldes kommt, was zu einer Reduzierung des Werts der Induktivität L2 führt.
Umgekehrt ist das an der Induktivität L3 lokal erzeugte Magnetfeld H3 mit einer Vektorkomponente dem Permanentmagnetfeld H0 des Rotors 11 entgegengerichtet, sodass es lokal an der Induktivität L3 zu einer Schwächung des Magnetfeldes H0 kommt. Dies führt zu einer Vergrößerung des Werts der Induktivität L3.
Dies ist dadurch bedingt, dass, wie schematisch in 6C dargestellt, aufgrund der Hysterese des Eisenkerns der Ankerspulen b, c es bei Stärkung oder Schwächung des lokalen Magnetfeldes es zu einem Herauslaufen aus einem Arbeitspunkt AP kommt. Kommt es zu einer Stärkung des Magnetfeldes, läuft die Magnetisierung des Eisenkerns der Sättigung entgegen, was zu einer Reduzierung der Induktivität führt. Kommt es hingegen zu einer Schwächung des Magnetfeldes, so reduziert sich die Magnetisierung und läuft, bei dem in 6C dargestellten Beispiel, nach unten, was zu einer Vergrößerung der Induktivität führt.
Je größer der Stromfluss I, desto stärker ist die Änderung der Induktivitätswerte an den Induktivitäten L2, L3. Bei allmählichem Aufbau des Stroms kommt es somit zu einer Änderung der Induktivitätswerte, die auch zu einer Änderung des Spannungsteilers führt und somit unmittelbar an der zeitlichen Änderung der am Sternpunkt M über den dritten Anschluss U gemessenen resultierenden Spannung VM sichtbar ist.
Dies ist schematisch in 7 dargestellt. Es ergibt sich bei Anlegen des Messspannungssignals V23 während der einzelnen Messpulse P1–P4 ein zeitlicher Verlauf der am dritten Anschluss U gemessenen resultierenden Spannung VM, der ein Steigungswert zugeordnet werden kann.
Die Steigung hat ein positives oder negatives Vorzeichen, und anhand der Steigung kann bestimmt werden, ob die Rotorposition im Winkelbereich zwischen 90° und 270° oder im Winkelbereich zwischen 270° und 90° liegt.
So weist die Steigung grundsätzlich ebenfalls einen von der Rotorposition abhängigen sinusförmigen Verlauf auf, wie dies in 8 dargestellt ist. Die Steigung für das Messspannungssignal V23 zwischen den Anschlüssen V, W ist beispielsweise bei 0° minimal und bei 180° maximal und weist eine Periodizität von 360° auf.
Wird die Steigung der resultierenden Spannung VM für sämtliche Anschlusskombinationen gemessen, so ergeben sich drei nicht redundante Steigungswerte, die in Kombination ausgewertet werden können, um darauf zu schließen, in welchem Winkelbereich die Rotorposition liegt.
Weist beispielsweise die Steigung für das Messspannungssignal V12 ein negatives Vorzeichen auf und weist die Steigungen für das Messspannungssignale V31 ein positives Vorzeichen auf, so ist dadurch eindeutig bestimmt, dass der Rotor 11 sich im Winkelbereich zwischen 180° und 360° befindet, was bei der Berechnung der Rotorposition anhand der Differenzwerte (5) berücksichtigt werden kann, um aus den zwei möglichen Lösungen die richtige auszuwählen.
Ein Steigungswert für ein Steuersignal V12, V23, V31 kann hierbei dadurch bestimmt werden, dass während eines Messpulses P1–P4 die Steigung bestimmt wird oder indem über die Steigung bei den unterschiedlichen Messpulsen P1–P4 gemittelt wird.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass grundsätzlich auch möglich ist, allein anhand der Steigungen auf die absolute Rotorposition zu schließen. Sie weisen die Steigungen, wie aus 8 ersichtlich, einen vom Winkel Φ abhängigen sinusförmigen Verlauf mit einer Periodizität von 360° auf, was eine eindeutige Berechnung der Rotorposition allein aus den drei Steigungswerten ermöglicht. Da die Stärke des überlagerten Magnetfelds jedoch geringer als die des Permanentmagneten ist, ist auch die Messgröße der Steigung im Vergleich zum Differenzwert geringer und damit rauschanfälliger, sodass für eine genauere Positionsschätzung vorteilhaft das zweideutige Ergebnis aus den Differenzwerten berücksichtigt wird.
Das beschriebene Verfahren lässt sich identisch für eine in Dreiecksschaltung beschaltete Anordnung anwenden. 2B zeigt schematisch, wie die Ankerspulen a–c aus der 1 zu einer Dreieckschaltung verbunden sind. Die geometrische Ausrichtung der Ankerspulen a–c zum Permanentmagneten 11 in 2B entspricht der in 2A, sofern der Rotor um 90° gedreht wird. Die Induktivitäten L23, L12, L31 der Ankerspulen a–c aus 2B sind über eine Rotation des Permanentmagneten 11 für einen Winkelbereich von 360° in 4B graphisch dargestellt. Im Vergleich von 4A zu 4B zeigt sich, wie in 2A und 2B ebenfalls ersichtlich, dass die Induktivitätswerte der Ankerspulen a–c um einen Winkel von 90° verschoben sind.
Die Messspannungen aus den Signalen V12, V23, V31 in 3B fallen mit invertiertem Vorzeichen an den Ankerspulen a–c mit der gleichen Bezeichnung wie in 3A ab. Beispielsweise fällt das Messspannungssignal V12 in 3B an den Ankerspulen b, a ab, während es in 3A an den Ankerspulen a, b abfällt. In 5B wurden wie in 5A dieselben Induktivitätsdifferenzen von den Ankerspulen a–c aus dem Ergebnis der Messspannungssignale V12, V23, V31 gebildet. Für das Messspannungssignal V12 bestehend aus den Messpulsen P1–P4 wird beispielsweise für eine Dreiecksschaltung die Differenz ∆₁₂ aus den resultierenden Mittelpunktspannungen des Spannungsteilers der Induktivitäten L₂₃, L₃₁ am Anschluss W wie folgt gebildet.
Der Vergleich der Induktivitätsdifferenzen aus 5A und 5B zeigt, dass das Ergebnis der Differenz aus den Messspannungssignalen V12, V23, V31 unabhängig von einer Stern- bzw. Dreiecksschaltung ist. Ebenso führt ein durch die Messspannungssignale ansteigender Stromfluss in den Spulen der Dreiecksschaltung zu einem überlagerten Magnetfeld und damit zu einer zeitlichen Änderung der Mittelpunktspannung des Spannungsteilers, welche die gleichen (in 7 und 8 für die Sternschaltung dargestellten) Steigungen innerhalb eines Messpulses erzeugt. Das Verfahren ist daher identisch für eine im Dreieck verschaltete Ankerspulenanordnung anwendbar.
Ist die Rotorposition bestimmt worden, kann die Steuerung des Gleichstrommotors 1 in Abhängigkeit von der Rotorposition erfolgen. So kann die Kommutierung zur Einspeisung des Drehfelds in die Anschlüsse in Abhängigkeit von der bestimmten Rotorposition erfolgen.
Die Messpulse P1–P4 eines Messspannungssignals V12, V23, V31 haben vorzugsweise eine einheitliche Dauer damit in die Ankerspulen in Summe kein Strom eingeprägt wird, können jedoch auch eine beliebig unterschiedliche Dauer aufweisen, um vorzugsweise im Blockbetrieb z.B. einen drehmomentbildenden Strom in die Ankerspulen einzuprägen. Die Bestimmung der Rotorposition kann vor dem Anlaufen (eindeutig bei Stillstand des Rotors) oder mehrdeutig und fortlaufend im Blockbetrieb erfolgen.
Im stromgeführten Blockbetrieb des Motors werden die Messpulse P1–P2 nur eines Messspannungssignals V12 oder V23 oder V31 je nach Position angelegt, und deren resultierende Mittelpunktspannung wird gemessen. Damit kann im Blockbetrieb abschnittsweise genau eine Induktivitätsdifferenz aus den in 5A und 5B dargestellten Induktivitätsdifferenzen bestimmt werden. Mit einem Vergleich der aktuellen Amplitude und der Kenntnis der maximalen Induktivitätsdifferenz kann auf vier mögliche Positionen geschlossen werden. Anhand einer initialen, vor dem Blockbetrieb erfolgten, eindeutigen Positionsbestimmung und einer Messsignalrate deutlich größer der elektrischen Rotationsfrequenz kann davon ausgegangen werden, dass die richtige Lösung jene Position ist, welche näher an der vorhergegangen eindeutigen Position liegt. Da, wie in 7 dargestellt, mit steigendem Strom das eingeprägte Magnetfeld der Ankerspulen das Permanentmagnetfeld beeinflussen wird, wodurch sich die Mittelpunktspannung verschiebt und auch der Spannungsabfall an dem Widerstand der Ankerspulen nicht mehr vernachlässigbar klein ist, kann es bei einem höherem Phasenstrom notwendig sein, die berechnete abschnittsweise Funktion je nach Blocksegment und Stromamplitude mittels Skalierung und Verschiebung aufzuarbeiten. Der Magnetpol kann anhand dieser Verschiebung plausibilisiert werden, da die Mittelpunktspannung eines anliegenden Blocksegmentes vom Strom invertiert beeinflusst wird und sich nach dem Umschalten des Messspannungssignals ein positiver oder negativer Sprung in den Messdaten ergibt.
Um den Drehmomentfehler durch ein Messspannungssignal entgegengesetzt zur Stromrichtung gering zu halten, kann die Anzahl der Messpulse P1–P4 auf einen einzelnen Messpuls (in Form eines Messpulses P1 oder eines Messpulses P2, siehe 3C) reduziert werden. Dafür muss jedoch eine zusätzliche Kompensationsmessung ohne Einprägen eines Spannungsabfalls an den Ankerspulen a–c durchgeführt werden, um die überlagerte induzierte elektromotorische Spannung am dritten Anschluss die eine Störgröße für die Messung der Mittelpunktspannung des Spannungsteilers darstellt, zu bestimmen. Die Störgröße der induzierten elektromotorischen Spannung am dritten Anschluss wird hierfür einzeln unmittelbar vor oder nach dem Anlegen des Messpulses gemessen. Für die Kompensationsmessung werden die Anschlüsse (z.B. V und W in 6A), zwischen denen der Messpuls angelegt worden ist bzw. werden soll, auf das Massepotential oder das Potential der Versorgungsspannung gesetzt, sodass keine Spannung zwischen den Anschlüssen des Motors anliegt und die Mittelpunktspannung dem Potential an den Anschlüssen (V, W) (entsprechend dem Massepotential oder der Versorgungsspannung) entspricht. Am dritten Anschluss (U) kann dann die induzierte elektromotorische Spannung mit dem Potential der angelegten Spannung als Referenz direkt gemessen werden.
In der Praxis wird einer der beiden Spannungswerte des Spannungsvektors auf einen Wert nahe der Anschlussspannung begrenzt, sodass die Kompensationsgröße der Gegenspannung in nur einer Messung enthalten ist.
Experimente haben ergeben, dass mit dem beschriebenen Verfahren eine Bestimmung der Rotorposition im Stillstand mit einer Genauigkeit von +/–3°, unter Umständen sogar +/–1°, möglich ist.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich grundsätzlich auch bei gänzlich anders gearteten Ausführungsformen verwirklichen.
Das Abtasten der gemessenen, resultierenden Spannung kann grundsätzlich in beliebiger Weise, beispielsweise unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers zur digitalen Auswertung, erfolgen. Während eines Messpulses können hierbei eine beliebige Anzahl von Abtastwerten werden genommen werden, um anhand der Abtastwerte einen Wert der resultierenden Spannung und/oder deren Steigung zu bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Bürstenloser Gleichstrommotor
10: Stator
11: Rotor
110: Drehachse
12: Steuereinrichtung
a–c: Ankerspule
a1, a2, b1, b2, c1, c2: Leiter
AP: Arbeitspunkt
D: Drehbewegung
I: Stromfluss
L0: Mittlerer Induktivitätswert
L1–L3: Induktivität
M: Sternpunkt
N, S: Permanentmagnetpol
P1–P4: Messpuls
t: Zeit
U, V, W: Anschluss
V12, V23, V31: Spannungsvektor
VM: Resultierende Spannung
VS: Versorgungsspannung
Φ: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/053388 A2 [0008, 0009, 0009]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1), bei dem durch Bestromen einer Mehrzahl von an einem Stator (10) angeordneter Ankerspulen (a–c), die eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator (10) umlaufenden Drehfelds ausbilden und drei Anschlüsse (U, V, W) aufweisen, ein Drehfeld erzeugt wird, um einen Rotor (11), der um eine Drehachse (110) zu dem Stator (10) drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole (N, S) aufweist, anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Position des Rotors (11) relativ zum Stator (10) – ein Messspannungssignal (V12, V23, V31) zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse (U, V, W) angelegt wird, – an einem dritten der Anschlüsse (U, V, W) eine resultierende Spannung (VM) gemessen wird, – anhand des zeitlichen Verlaufs der resultierenden Spannung (VM) ein die Steigung der resultierenden Spannung (VM) in einem Zeitintervall angebender Steigungswert bestimmt wird und – der Steigungswert bei der Bestimmung der Position (Φ) des Rotors (11) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anlegen des Messspannungssignals (V12, V23, V31) an den ersten Anschluss das Potential einer Versorgungsspannung (VS) und an den zweiten Anschluss ein Massepotential oder umgekehrt angeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anschluss zum Messen in einen hochimpedanten Zustand geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messspannungssignal (V12, V23, V31) aus zumindest einem Messpuls (P1–P4) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messspannungssignal (V12, V23, V31) aus zumindest einem ersten Messpuls (P1) und einem zweiten Messpuls (P2), die ein unterschiedliches Vorzeichen aufweisen, ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des ersten Messpulses (P1) ein erster resultierender Spannungswert (VM) und während des zweiten Messpulses (P2) ein zweiter resultierender Spannungswert (VM) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Subtraktion des ersten resultierenden Spannungswerts (VM) und des zweiten resultierenden Spannungswerts (VM) voneinander ein Differenzwert bestimmt und anhand des Differenzwerts die Position des Rotors (11) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während jedes Messpulses (P1–P4) ein Wert für die Steigung in einem Zeitintervall ermittelt und aus den einzelnen Werten durch Mittelwertbildung ein Steigungswert bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messspannungssignal (V12, V23, V31) aus einem Messpuls (P1, P2) ausgebildet ist und während des Messpulses (P1, P2) ein Wert der resultierenden Spannung (VM) ermittelt wird, wobei vor Anlegen des Messpulses (P1, P2) oder nach Anlegen des Messpulses (P1, P2) eine Kompensationsmessung zur Bestimmung einer induzierten elektromotorischen Spannung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kompensationsmessung an den ersten Anschluss und an den zweiten Anschluss das gleiche Potential, insbesondere ein Massepotential oder das Potential einer Versorgungsspannung, angelegt wird und am dritten Anschluss eine sich ergebende Spannung gemessen wird, um aus der sich ergebenden Spannung die induzierte elektromotorische Spannung zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der resultierenden Spannung (VM) mit der bei der Kompensationsmessung bestimmten induzierten elektromotorischen Spannung korrigiert wird und aus der korrigierten elektromotorische Spannung die Position des Rotors (11) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass paarweise zwischen zwei der drei Anschlüsse (U, V, W) ein Messspannungssignal (V12, V23, V31) angelegt und an dem dritten Anschluss eine resultierende Spannung (VM) gemessen wird, wobei diese Messung für zumindest einen Teil, vorzugsweise für sämtliche der möglichen Anschlusskombinationen wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Rotors (11) anhand der unterschiedlichen Messungen für die unterschiedlichen Anschlusskombinationen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die unterschiedlichen Anschlusskombinationen jeweils zumindest ein Steigungswert bestimmt wird und anhand der unterschiedlichen Steigungswerte der Anschlusskombinationen festgelegt wird, ob ein vorbestimmter Winkelversatz, insbesondere 180°, zur bestimmten Position des Rotors (11) hinzugerechnet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Rotors (11) bei Stillstand oder einer langsamen Drehgeschwindigkeit bestimmt wird.
Bürstenloser Gleichstrommotor (1), mit – einem Stator (10), an dem eine Mehrzahl von Ankerspulen (a–c) angeordnet ist, die eine dreiphasige Drehstromwicklung zum Erzeugen eines an dem Stator (10) umlaufenden Drehfelds ausbilden und drei Anschlüsse (U, V, W) aufweisen, – einem Rotor (11), der um eine Drehachse (110) zu dem Stator (10) drehbar ist und zumindest zwei ungleichnamige Permanentmagnetpole (N, S) aufweist, – einer Steuereinrichtung (12) zum Bestromen der Ankerspulen (a–c) zum Erzeugen des Drehfelds, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (12) ausgebildet ist, zur Bestimmung der Position des Rotors (11) relativ zum Stator (10) – zumindest ein Messspannungssignal (V12, V23, V31) zwischen einem ersten und einem zweiten der Anschlüsse (U, V, W) anzulegen, – an einem dritten der Anschlüsse (U, V, W) eine resultierende Spannung (VM) zu messen, – aus dem zeitlichen Verlauf der resultierenden Spannung (VM) einen die Steigung der resultierenden Spannung (VM) in einem Zeitintervall angebenden Steigungswert zu bestimmen und – den Steigungswert bei der Bestimmung der Position (Φ) des Rotors (11) zu berücksichtigen.