DE102016115056B3

DE102016115056B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung fehlerhafter Kommutierungen für einen bürstenlosen Motor

Info

Publication number: DE102016115056B3
Application number: DE102016115056.8A
Authority: DE
Inventors: Roman Reichel; Jörg Krupar
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2016-08-12
Filing date: 2016-08-12
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-08-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verhinderung fehlerhafter Kommutierungen innerhalb eines Verfahrens zur vollautomatischen Ermittlung des Kommutierungszeitpunktes eines bürstenlosen Gleichstrommotors (M) im Betrieb. Ein wesentlicher Schritt ist das integrierendes Erfassen der EMK zur Ermittlung des magnetischen Flusses an einem Motoranschluss (U) innerhalb eines oder mehrerer Freilaufintervalle. Es folgt das Ermitteln eines ersten Zeitpunktes (t1) nach Beginn eines dieser Freilaufintervalle auf Basis des erfassten Werts des magnetischen Flusses mittels eines ersten Teilverfahrens, das einen ersten Zeitpunkt (t1) in dem betreffenden Freilaufintervall ermittelt, der einem idealen Kommutierungszeitpunkt in dem betreffenden Freilaufintervall für einen idealen Motor in einem ungestörten Betrieb entsprechen würde. Außerdem erfolgt die Ermittlung eines zweiten Zeitpunktes (t2) in dem betreffenden Freilaufintervall der zeitlich nach dem Beginn des betreffenden Freilaufintervalls liegt durch ein zweites Teilverfahren, das von dem ersten Teilverfahren verschieden ist und das so gestaltet ist, dass der zweite Zeitpunkt (t2) in dem betreffenden Freilaufintervall in einem ungestörten Betrieb für einem idealen Motor gleichzeitig vor dem ersten Zeitpunkt (t1) in dem betreffenden Freilaufintervall liegen muss. Wird diese Reihenfolge der Zeitpunkte (t1, t2) nicht eingehalten, so erfolgt die Kommutierung zum zweiten Zeitpunkt (t2) als Notlaufmaßnahme, ansonsten zum ersten Zeitpunkt (t1).

Description

Einleitung
Die Erfindung betrifft eine Methode zur fehlerfreien Ansteuerung der Statorspulen eines bürstenlosen Motors mit einer Erregung, die auf einem im Rotor befindlichen Permanentmagneten basiert. Typischerweise kommt es bei der Bestimmung des Kommutierungszeitpunkts zu Fehlbestimmungen, die zu erheblichen Störungen des Motorbetriebes führen können. Die Erfindung befasst sich mit der Erkennung einer speziellen Fehlersituation bei der Bestimmung des Kommutierungszeitpunkts und dessen Behebung durch einen Notlauf-Modus.
Ein solcher bürstenloser Motor umfasst typischerweise einen Rotor, der selbst einen Permanentmagneten mit mindestens zwei Magnetpolen enthält. Dabei sollte die geradzahlige Zahl von Magnetpolen im Wesentlichen symmetrisch um die Rotationsachse des Motors verteilt sein, was in der Realität nur annähernd der Fall ist. Der Rotor ist dabei drehbar in einem durch Statorspulen außerhalb des Rotors erzeugten Magnetfeld gelagert. Auch das durch die Statorspulen erzeugte Magnetfeld weist in der Regel nur eine annähernde Rotationssymmetrie um die Rotorachse auf. Dieses Magnetfeld wird durch die Superposition der Felder der mehreren, verschiedenen Statorspulen erzeugt, die typischerweise symmetrisch um die Drehachse des besagten Rotors herumgruppiert werden, was in der Realität ebenfalls nur annähernd gelingt. Diese Statorspulen erzeugen bei geeigneter Ansteuerung ein magnetisches Drehfeld mit einer Magnetfeld bezogenen Rotationsachse, die wieder nur annähernd der mechanischen Rotationsachse des Rotors entspricht. Diesem rotierenden magnetischen Drehfeld folgt dann der Rotor aufgrund seiner permanenten Magnetisierung mit seinen Magnetpolen. Bei der Ansteuerung der Statorspulen solcher Elektromotoren mit Rotoren mit einem durch einen oder mehrere Permanentmagneten erregten Magnetfeld, den bereits erwähnten BLDC-Motoren, kann eine Blockkommutierung verwendet werden. Um ein fortschreitendes Magnetfeld zu erzeugen, sind vorzugsweise mindestens drei Statorspulen notwendig. Die Ansteuerung der mindestens drei Statorspulen erfolgt durch mindestens drei zugehörige Halbbrücken, die jeweils einen oberen und einen unteren Leistungsschalter, vorzugsweise jeweils einen Leistungstransistor, enthalten. Diese Ansteuerung der Leistungstransistoren erfolgt möglichst synchron zur Winkelposition des Rotors bezogen auf die Lage der Statorspulen, um den Wirkungsgrad zu maximieren. Die Rotorposition kann entsprechend dem Stand der Technik mit Hilfe von Sensoren detektiert werden oder auf Basis der in den Statorspulen des Motors induzierten elektromotorischen Kraft. Hierzu sei auf 1 bereits hier verwiesen, die ein solches System entsprechend dem Stand der Technik schematisch zeigt. Die Statorspulen eines solchen Motors (M) weisen vorzugsweise drei Motoranschlüsse, hier mit U, V und W bezeichnet, auf. Hierbei sei U der erste Motoranschluss, V der zweite Motoranschluss und W der dritte Motoranschluss. Ein Ansteuerblock (St) legt die Versorgungsspannungen in vorgegebenen Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2) an die jeweiligen Motoranschlüsse (U, V, W) oder lässt die Motoranschlüsse (U, V, W) in einigen der vorgegebenen Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2) gar unbestromt, wodurch an den betreffenden Motoranschlüssen (U, V, W) in den betreffenden Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2) die elektromotorische Kraft (EMK) einen messbaren Spannungsverlauf hervorruft. Wie bereits beschrieben, weist jede Halbbrücke einen oberen Schalter zur Verbindung des jeweiligen Motoranschlusses (U, V, W) gegen eine positive Versorgungsspannung und einen unteren Schalter zur Verbindung des jeweiligen Motoranschlusses (U, V, W) gegen eine negative Versorgungsspannung auf. Hierdurch kann eine nicht in 1 gezeichnete Steuerung, die typischerweise innerhalb des Ansteuerblocks (St) lokalisiert ist, den jeweiligen Motoranschluss (U, V, W) mit der oberen oder unteren Versorgungsspannung verbinden. Die oberen und unteren Schalter können nun unabhängig voneinander geschaltet werden. Dabei sind nur drei der vier möglichen Schaltzustände der oberen und unteren Schalter einer einzelnen Halbbrücke jeweils erlaubt.

• In einem ersten Zustand ist der obere Schalter geschlossen, wodurch der betreffende Motoranschluss mit der positiven Versorgungsspannung verbunden wird.
• In einem zweiten Zustand ist der untere Schalter geschlossen wodurch der betreffende Motoranschluss mit der unteren Versorgungsspannung verbunden wird.
• In einem dritten Zustand sind beide Schalter geöffnet, wodurch der zugeordnete Motoranschluss (U, V, W) nicht bestromt ist. Die betreffende Halbbrücke des Ansteuerblocks (St) ist passiv.
• Das gleichzeitige Schließen beider Schalter ist als vierter, nicht zulässiger Zustand verriegelt, um Querströme durch den oberen und unteren Schalter in Form eines Kurzschlusses auszuschließen.

Aufgrund des Ansteuerverfahrens, der Blockkommutierung, befindet sich eine der drei Halbbrücken zur Ansteuerung der betreffenden Motoranschlüsse immer im passiven Zustand, der dem beschriebenen dritten Zustand entspricht, in dem der betreffende Motoranschluss nicht aktiv bestromt wird. Während dieses dritten Zustands wird an dem betreffenden Motoranschluss (U, V, W) der Verlauf der EMK als Phasenspannung gegen ein Bezugspotenzial, beispielsweise Masse, sichtbar. Dieser dritte Zustand liegt bei Blockkommutierung immer an einem der drei Motoranschlüsse (U, V, W) während jeder der sechs zyklisch wiederholten Kommutierungsintervalle (Φ₁ bis Φ₆, 2) vor. Der erste Zustand liegt bei Blockkommutierung ebenso immer an einem der drei Motoranschlüsse (U, V, W) während jeder der sechs zyklisch wiederholten Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2) vor. Auch der zweite Zustand liegt bei Blockkommutierung immer an einem der drei Motoranschlüsse (U, V, W) während jeder der sechs zyklisch wiederholten Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2) vor. Die Phasenspannung an dem Motoranschluss (U, V, W), der sich in einem Kommutierungsintervall (Φ₁ bis Φ₆, 2) gerade im dritten hochohmigen Zustand von Seiten der ansteuernden Halbbrücke befindet, kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, für die Positionsbestimmung des Rotors genutzt werden. 2 zeigt die entsprechenden Spannungen an den drei Motoranschlüssen (U, V, W) in den sechs zyklisch wiederholten Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2).
Die folgende Tabelle gibt die Zustände (Zustände 1–3) der Halbbrücken in den verschiedenen Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2) in diesem Beispiel aus dem Stand der Technik wieder.

U V W

Φ₁ 1 3 2

Φ₂ 1 2 3

Φ₃ 3 2 1

Φ₄ 2 3 1

Φ₅ 2 1 3

Φ₆ 3 1 2
Somit kann im Stand der Technik die EMK bei einem beispielhaften Motor mit drei Phasen durch sechs verschiedene Messkonstellationen

• in dem ersten Kommutierungsintervall (Φ₁) am zweiten Motoranschluss (V) gemessen werden und
• in dem zweiten Kommutierungsintervall (Φ₂) am dritten Motoranschluss (W) gemessen werden und
• in dem dritten Kommutierungsintervall (Φ₃) am ersten Motoranschluss (U) gemessen werden und
• in dem vierten Kommutierungsintervall (Φ₄) am zweiten Motoranschluss (V) gemessen werden und
• in dem fünften Kommutierungsintervall (Φ₅) am dritten Motoranschluss (W) gemessen werden und
• in dem sechsten Kommutierungsintervall (Φ₆) am ersten Motoranschluss (U) gemessen werden.

Häufig wird während dieser Messung der sogenannte Nulldurchgang der EMK genutzt, bei dem diese ihr Vorzeichen bezogen auf ein Bezugspotenzial wechselt. Die interne Zeitbasis für die Durchführung der Kommutierung wird dabei so geregelt, dass dieser Nulldurchgang genau in die Mitte des Kommutierungsintervalls an demjenigen Motoranschluss (U, V, W) erfolgt, der sich gerade im dritten Zustand befindet.
Hier sei kurz erwähnt, dass die Spannung am Motoranschluss (U, V, W) auch als Phasenspannung bezeichnet wird.
Alternativ kann im dritten Zustand der Verlauf der EMK selbst, also der Verlauf der Spannung am Motoranschluss (U, V, W), für die Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes genutzt werden. Da die Geschwindigkeit des Rotors lediglich die Amplitude der EMK beeinflusst, diese im Übrigen aber eine Funktion des Verlaufs des magnetischen Flusses über die Winkelposition ist, stellt das Integral der EMK über die Zeit vom Nulldurchgang bis zum folgenden Kommutierungszeitpunkt eine Motorkonstante dar. Durch Vorgabe einer oberen Grenze für das Integral lässt sich umgekehrt so ein Kommutierungszeitpunkt mit einem festen Winkelabstand zum Nulldurchgang direkt, d. h. ohne den Umweg über eine Zeitbasis, festlegen.
Diese Messung der EMK erfolgt dabei durch eine EMK-Auswertevorrichtung (EMKA), die in 1 eingezeichnet ist. Diese misst in den sechs Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2) entsprechend der jeweiligen dem aktuellen Kommutierungsintervall (Φ₁ bis Φ₆, 2) zugehörigen Messkonstellation die EMK und erzeugt hieraus für jeden der Motoranschlüsse (U, V, W) jeweils ein separates Kommutierungssignal (A₁, A₂, A₃). Die Kommutierungssignale (A₁, A₂, A₃) sind in 2 grob eingezeichnet. Ebenso ist die Rotorposition als Parameter der X-Achse aufgetragen.
Mit jedem Flankenwechsel auf einem Kommutierungssignal (A₁, A₂, A₃) ändert eine Steuerungslogik innerhalb des Ansteuerblocks (St) ihren Zustand. Alternativ ist es möglich, entsprechend 2 das Kommutierungsintervall (Φ₁ bis Φ₆) durch eine statische Logik aus den Kommutierungssignalen (A₁, A₂, A₃) abzuleiten. Beispielsweise lässt sich die erste Phase als Und-Verknüpfung des negierten ersten Kommutierungssignals (A₁) mit dem negierten zweiten Kommutierungssignal (A₂) und dem dritten Kommutierungssignal (A₃) darstellen. Analog können die anderen Phasen ermittelt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass vorzugsweise zwischen den Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆) kurzzeitig und asynchron nach jedem Kommutierungsintervall (Φ_i mit 0 < i < 7) ein diesem Kommutierungsintervall (Φ_i mit 0 < i < 7) zugehöriges Kommutierungszwischenintervall (Φ_i' mit 0 < i < 7) eingefügt wird, in dem die Schalter der Halbbrücken, die ihren Schaltungszustand ändern, abgeschaltet sind, um Querströme sicher auszuschließen. Insofern ist es sinnvoll, wenn die Gesamtzahl der wirklich durchlaufenen Zustände eines endlichen Automaten im Steuerblock (St) zwölf statt sechs beträgt.
3 zeigt eine beispielhafte Teilvorrichtung aus dem Stand der Technik zur Ermittlung des ersten Kommutierungssignals (A₁) für die Kommutierung am ersten Motoranschluss (U). Diese ist Teil der EMK-Auswertevorrichtung (EMKA). Im Folgenden wird schwerpunktmäßig auf diesen ersten Zweig in der Beschreibung fokussiert. Dem Fachmann wird es aber ein Leichtes sein, das Geschriebene auf die beiden korrespondierenden Zweige für den zweiten Motoranschluss (V) mit dem zugehörigen zweiten Kommutierungssignal (A₂) und für den dritten Motoranschluss (W) mit dem zugehörigen dritten Kommutierungssignal (A₃), die parallel angeordnet sind, zu übertragen. In einer ersten Stufe wird mittels einer Sternschaltung aus drei Spannungsteilern (SpT₁, SpT₂, SpT₃) aus den drei Spannungen der drei Motoranschlüsse (U, V, W) ein virtuelles Sternpunktsignal (SpS) erzeugt. Dieses repräsentiert den Mittelwert der Spannungen an den drei Motoranschlüssen (U, V, W) und wird daher von der Spannung am ersten Motoranschluss (U) mittels eines zweiten Summierers (SU_2U) abgezogen. Das so erhaltene korrigierte Spannungssignal (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) ist die Differenz aus der Phasenspannung U und dem Mittelwert der drei Phasenspannungen und wird in einem ersten Integrator (Int_1U) integriert. Ggf. kann der Integrator auch als Filter ausgelegt werden. Man erhält das erste Schwellwertsignal (S_1U). Ein Vergleicher, genauer ein erster Komparator (CMP_1U), vergleicht dieses erste Schwellwertsignal (S_1U) mit einem ersten Vorgabewert (V_refU) für die Kommutierung und erzeugt hieraus das erste Kommutierungssignal (A₁), das wie beschrieben in dem besagten Ansteuerblock (St) für die winkelgerechte Kommutierung der ersten Halbbrücke, die den ersten Motoranschluss (U) bestromt, genutzt wird.
Beispielsweise aus der DE 10 2008 025 442 A1 , der US 2007 0 282 461 A1 und der US 2014 0 062 364 A1 sind Vorrichtungen bekannt, die die elektromotorische Kraft (EMK) in Form der Phasenspannungen während der Freilaufintervalle bei der Kommutierung nutzen und diese für die Regelung der Kommutierung selbst nutzen. Dese technischen Lehren nutzen nicht das Integral der EMK und damit nicht einen Werteverlauf des magnetischen Flusses. Solche Verfahren haben den Nachteil der Drehzahlabhängigkeit.
Aus der DE 100 54 594 A1 ist beispielsweise ein System zur optimalen Kommutierung bekannt. In der 3 der DE 100 54 594 A1 sind drei Regelungszweige gezeichnet, die im Wesentlichen der 3 dieser Offenbarung entsprechen. Der erste Vorgabewert (V_refU), der zweite Vorgabewert (V_refV) und der dritte Vorgabewert (V_refW), die ggf. übereinstimmen können, sind nicht eingezeichnet, aber für den Fachmann durch die Bezeichnung „Komparator” in der DE 100 54 594 A1 implizit erkennbar.
Aus der DE 100 54 594 A1 ist bekannt, die Sternpunktspannung (Bezugszeichen V_AN der DE 100 54 594 A1) mittels einer Widerstandssternschaltung (siehe 5 der DE 100 54 594 A1) zu bestimmen, anschließend zu integrieren und mit einem gefilterten Signal, dass dem Strompegel (Bezugszeichen IA der DE 100 54 594 A1 in 5 der DE 100 54 594 A1) in einer der Motorphasen (Bezugszeichen PHASE A der DE 100 54 594 A1) entspricht, durch Subtraktion zu kombinieren und aus dem so erhaltenen Zwischensignal mittels zweier Vergleichseinheiten eine Mehrzahl von Steuersignalen (Bezugszeichen S1, S2, S3 der DE 100 54 594 A1, siehe 5 der DE 100 54 594 A1) zu erzeugen und in einem Positionssignalrechner (siehe 5 der DE 100 54 594 A1) zu einem Signal (Bezugszeichen S4 der DE 100 54 594 A1) zu kombinieren. Die Regelung der DE 100 54 594 A1 beruht somit auf dem erfassten Nulldurchgang des Phasenstromes einer Phase (hier der Phase A der DE 100 54 594 A1 in deren 5) in Kombination mit der Sternspannung der drei Phasen (Bezugszeichen VA der DE 100 54 594 A1). In der Technik der DE 100 54 594 A1 ist hierfür ein Shunt-Widerstand nötig. Die in der DE 100 54 594 A1 offenbarte technische Lehre befasst sich mit der Ermittlung einer einzelnen Rotorposition innerhalb jeder der jeweils 60° Drehwinkel umfassenden zeitlichen Kommutierungsintervalle der Ansteuerung eines BLDC-Motors. Im realen Betrieb ist ein solcher Motor aber Störungen ausgesetzt. Daher kann es bei Anwendung der in der DE 100 54 594 A1 offenbarten Technik zu Störungen durch fehlerhaft zu früh detektierte Rotorpositionen, also zu klein gemessene Rotorwinkel und damit zu frühen Kommutierungen kommen.
Auch aus der DE 100 64 486 A1 ist die Bestimmung von Werten zu verschiedenen Zeitpunkten für die Steuerung eines BLDC-Motors bekannt. Auch hier findet keine Erkennung einer fehlerhaften, zu frühen Kommutierung und damit auch kein Notlauf statt.
Aus der DE 10 2009 019 414 A1 ist eine Ansteuerschaltung bekannt, die den kompletten Ausfall einzelner Phasenschaltungen erfassen kann. Eine vereinzelte Störung einzelner Rotorlagemessungen beispielsweise durch elektromagnetische Einstrahlung mit der Folge zu früh ermittelter Kommutierungszeitpunkte oder mit der Folge von zusätzlichen Kommutierungszeitpunkten innerhalb eines Kommutierungsintervalls wird nicht erfasst oder kompensiert.
Aus der US 2008 0 252 240 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die einen optimierten Kommutierungszeitpunkt durch Auswertung der EMK ermittelt. 5 der US 2008 0 252 240 A1 zeigt im oberen Teil den zeitlichen Verlauf einer Phasenspannung (Bezugszeichen Vu der US 2008 0 252 240 A1). Diese Phasenspannung (Bezugszeichen Vu der US 2008 0 252 240 A1) zeigt immer dann die EMK (Bezugszeichen Vu' der US 2008 0 252 240 A1), wenn der zugehörige Treiber hochohmig ist. In dem unteren Teil der 3 der US 2008 0 252 240 A1 ist die Bestromung der beiden anderen Phasen zeitlich dargestellt, wobei die Bestromung der betrachteten Phase immer dann erfolgt, wenn das Signal (Bezugszeichen Spwm der US 2008 0 252 240 A1) auf dem unteren Wert ist. Ist die betrachtete Phase hochohmig, so werden die beiden anderen Phasen bestromt und die EMK ist an der betrachteten Phase messbar.
Die EMK ist an der betrachteten Phasenspannung (Bezugszeichen Vu der US 2008 0 252 240 A1) also immer nur dann messbar, wenn die beiden anderen Phasen bestromt sind.
In einer Vorrichtung oder einem Verfahren gemäß der US 2008 0 252 240 A1 wird nun, wie zuvor beschrieben, nach dem Nulldurchgang der EMK gesucht, um daraus den optimalen Kommutierungszeitpunkt zu bestimmen. Diese Bestimmung des Kommutierungszeitpunktes geschieht, falls dieser sich zeitlich nicht in einer hochohmigen Zeitperiode des Treibers befindet, durch lineare Interpolation von einem ersten Zeitpunkt aus durch eine geeignete zeitliche Verzögerung. Die Offenbarung der US 2008 0 252 240 A1 beschreibt die Bestimmung dieser zeitlichen Verzögerung.
Wenn der Nulldurchgang im nicht bestromten Zeitabschnitt liegt, zu dem die Phasenspannung (Bezugszeichen Vu der US 2008 0 252 240 A1 ) nicht auf der EMK-Linie (Bezugszeichen Vu' der US 2008 0 252 240 A1 in 3 der US 2008 0 252 240 A1) liegt, kann der Nulldurchgang nur geschätzt werden. Diese Situation zeigt 5 der US 2008 0 252 240 A1. Dies wird in der Technik der US 2008 0 252 240 A1 wie folgt durchgeführt:
Gemäß der US 2008 0 252 240 A1 wird zu beobachtbaren Zeitpunkten immer eine Messung der interessierenden Phasenspannung (Bezugszeichen Vu der US 2008 0 252 240 A1) genommen. Dadurch entsteht ein stufenförmiges Signal (Bezugszeichen Sdiff der US 2008 0 252 240 A1 in 5 der US 2008 0 252 240 A1). Gleichzeitig wird die zeitliche Steigung der Phasenspannung (Bezugszeichen Vu der US 2008 0 252 240 A1) zu diesen Messzeitpunkten auf der Basis zweier vergangener Messungen erfasst und eine Sägezahnkurve (Bezugszeichen Sramp der US 2008 0 252 240 A1) mit dieser Steigung erzeugt. Hierdurch kann der Nulldurchgang durch einfache vorzeichenrichtige Addition dieser Signale (Bezugszeichen Sdiff und Sramp der US 2008 0 252 240 A1) linear in den Zeitraum hinein interpoliert werden, zu dem die EMK am interessierenden Phasenanschluss nicht messbar ist, da dieser bestromt wird.
Es handelt sich also um ein Verfahren, das den Nulldurchgang der EMK direkt bewertet und den Nulldurchgang durch zeitliche lineare Interpolation ermittelt. Dies hat folgende Nachteile.

1. Das Verfahren der US 2008 0 252 240 A1 ist störanfällig, weil Störungen auf der EMK, also der interessierenden Phasenspannung (Bezugszeichen Vu der US 2008 0 252 240 A1) zu Ungenauigkeiten in der Berechnung des Nulldurchgangs führen. Damit ist das Verfahren der US 2008 0 252 240 A1 insbesondere bei niedrigen Drehzahlen mit geringer EMK besonders anfällig gegen Störungen, wie beispielsweise EMV.
2. Der eigentliche Kommutierungszeitpunkt muss durch Addition einer linear interpolierten Zeitspanne ermittelt werden. Die Linearität beruht auf der Bildung der ersten zeitlichen Ableitung in Form des Sägezahnsignals (Bezugszeichen Sramp der US 2008 0 252 240 A1). Diese lineare Interpolation setzt einen nicht beschleunigten Motor voraus. Somit funktioniert das Verfahren der US 2008 0 252 240 A1 nur bei geringen Beschleunigungen. Eine solche Regelung, wie die der US 2008 0 252 240 A1, ist daher nicht geeignet, hohe Lastdynamiken abzufangen.
3. Im Falle von Störungen werden auf Grund der Störungen zeitlich zu früh in einem betreffenden Kommutierungsintervall ermittelte Kommutierungszeitpunkte nicht als solche erkannt. Auch sind mehr als zwei Kommutierungen in einem Intervall aufgrund von Störungen möglich, was den endlichen Automaten der Kommutierungssteuerung empfindlich stören kann.

4 zeigt entsprechend dem Stand der Technik die Spannung am ersten Motoranschluss (U) bei einer optimalen Kommutierung für eine geringe, eine mittlere und eine hohe Winkelgeschwindigkeit. Das dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnete erste Schwellwertsignal (S_1U), das entsprechend der vorausgehenden Beschreibung und der 3 erzeugt wird, steigt im Wesentlichen quadratisch an, bis es gleich dem ersten Vorgabewert (V_refU) für die Kommutierung ist. Daraufhin schaltet das nicht gezeichnete, erste Kommutierungssignal (A₁) und die Halbbrücke, die dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet ist, wird kommutiert. Hierbei ist es vollkommen irrelevant, ob die Winkelgeschwindigkeit hoch oder niedrig ist.
5 zeigt die Spannung am ersten Motoranschluss (U) entsprechend dem Stand der Technik bei einer zu frühen Kommutierung, einer zu späten Kommutierung und einer optimalen Kommutierung. Das dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnete erste Schwellwertsignal (S_1U) steigt wieder im Wesentlichen quadratisch an, bis es gleich dem ersten Vorgabewert (V_refU) für die Kommutierung ist. Daraufhin schaltet das nicht gezeichnete erste Kommutierungssignal (A₁) und die Halbbrücke, die dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet ist, wird kommutiert. Dies geschieht in der linken Teilfigur der 5 zu früh, in der mittleren Teilfigur zu spät und in der rechten Teilfigur zu einem optimalen Zeitpunkt. Es soll deutlich werden, dass eine Lage des Nulldurchgangs in der Mitte des jeweiligen Kommutierungsintervalls optimal ist.
Neben dem bis hierhin beschrieben Zweig innerhalb der EMK-Auswertung (EMKA) für den ersten Motoranschluss (U) existieren typischerweise ein zweiter Zweig für den zweiten Motoranschluss (V) mit zugehörigen individuellen Elementen (SU_2V, INT_1V, CMP_1V) und Signalen (V_korr, S_1V , V_refV) und ein dritter Zweig für den dritten Motoranschluss (W) mit zugehörigen individuellen Elementen (SU_2W, INT_1W, CMP_1W) und Signalen (W_korr, S_1W, V_refW).
Um nun bei unterschiedlichen Motoren eine Kommutierung zur gleichen Winkelposition des Rotors zu erzielen, müssen die jeweiligen Vorgabewerte (V_refU, V_refV, V_refW) der jeweiligen Motoranschlüsse (UVW) jeweils angepasst werden. Da der Verlauf des magnetischen Flusses in Beziehung zur Winkelposition des Rotors meist jedoch nicht bekannt und auch aus dem Datenblatt des Motors nicht bestimmt werden kann, müssen die jeweiligen Vorgabewerte (Vref_U, Vref_V, Vref_W) im Stand der Technik zunächst experimentell bestimmt werden. Dabei müssen die jeweiligen Vorgabewerte (V_refU, V_refV, V_refW) im laufenden Betrieb so lange variiert werden, bis die Kommutierung zum gewünschten Zeitpunkt durchgeführt wird. Typischerweise sind die Vorgabewerte jedoch gleich (V_refU = V_refV = V_refW = V_ref). Dem Fachmann ist dabei klar, dass die zuvor im Raummultiplex beschriebene Vorrichtung auch im Zeitmultiplex genutzt werden kann, dass also nur ein Zweig in der EMK-Auswertung (EMKA) realisiert werden muss, wenn die Werte eines Motoranschlusses (U, V, W) in den Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2), in denen die zugehörige Halbbrücke sich in den Zuständen eins oder zwei befindet, zwischengespeichert werden können und die Werte in den entsprechenden Zweig geladen werden können, die dem Motoranschluss (U, V, W) zugeordnet sind, der in den Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆, 2) eine zugehörige Halbbrücke aufweist, die sich in dem betreffenden Kommutierungsintervall (Φ₁ bis Φ₆, 2) gerade im dritten Zustand befindet. Daher ist es sinnvoll, wenn Teile der Vorrichtung in ihrer Funktion mittels eines Mikrokontrollers oder Signalprozessors oder anderen Rechners realisiert werden. Insofern können die verschiedenen zuvor beschriebenen Elemente auch zu einem oder wenigen Elementen zusammengefasst werden.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Störungserkennung bei der automatischen Ermittlung des Kommutierungszeitpunkts für die jeweiligen Motoranschlüsse (U, V, W) und einen Notlauf bei Vorliegen einer Störung der Ermittlung des Kommutierungszeitpunkts zu ermöglichen. Hierbei sollen die im Stand der Technik, erkannten Mängel, insbesondere die der DE 100 54 594 A1 , vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 5 gelöst.
Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäße vollautomatische Ermittlung des Kommutierungszeitpunkts (S_2U) erfolgt mittels Integration der EMK in den Freilaufintervallen. Aus dem Stand der Technik ist dem Fachmann damit bekannt, dass es sich hierdurch um ein auf dem magnetischen Fluss basiertes Verfahren handelt, das damit unabhängig von der Drehzahl und damit auch unabhängig von der Beschleunigung ist.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Verhinderung fehlerhafter Kommutierungen und/oder Kommutierungszeitpunkte innerhalb eines Verfahrens zur vollautomatischen sensorlosen Ermittlung des Kommutierungszeitpunktes des besagten bürstenlosen Gleichstrommotors. Im Gegensatz zur Offenbarung der DE 100 54 594 A1 wird hier auch die zeitliche Sequenz mehrerer Zeitpunktsignale ausgewertet, die erfindungsgemäß auf unterschiedliche Weisen zu Redundanzzwecken erzeugt werden. Hierdurch wird im Gegensatz zur DE 100 54 594 A1 eine zusätzliche Robustheit geschaffen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst daher das Kommutieren und Bestromen der mindestens drei Phasen (U, V, W) in Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆) durch einen Ansteuerblock (St), das Bestromen der ersten Phase (U) in einer Teilmenge der Kommutierungsintervalle (Φ₁, Φ₂, Φ₄, Φ₅) durch den Ansteuerblock (St) und das Nicht-Bestromen der ersten Phase (U) in den anderen Kommutierungsintervallen (Φ₃, Φ₆) durch den Ansteuerblock (St). Es folgen das integrierende Erfassen der EMK zur Ermittlung des magnetischen Flusses an der ersten Phase (U) innerhalb eines oder mehrerer Freilaufintervalle, die eines oder mehrere der Kommutierungsintervalle (Φ₃, Φ₆) sind, in denen der erste Motoranschluss (U) durch den Ansteuerblock (St) nicht bestromt wird, sowie das Erzeugen eines virtuelles Sternpunktsignals (SpS) aus den elektrischen Potenzialverläufen mindestens dreier Phasen (U, V, W) durch eine erste Teilvorrichtung (SpT₁, SpT₂, SpT₃, SU_1U) und die Bildung eines korrigierten Spannungssignals (U_korr) als Differenz zwischen dem elektrischen Potenzialverlauf der ersten Phase (U) und dem virtuellen Sternpunktsignal (SpS). Wie in der DE 100 54 594 folgt die Integration des korrigierten Spannungssignals (U_korr) zur Erfassung des magnetischen Flusses während der besagten Freilaufintervalle zu einem vierten Schwellwertsignal (S_2U) durch einen vierten Integrator (Int_2U). Im Gegensatz zur DE 100 54 594 A1 folgen nun jedoch zusätzlich und erfindungsgemäß das Ermitteln eines ersten Zeitpunktes (t₁) nach Beginn des betreffenden Freilaufintervalls auf Basis des ermittelten Flusses mittels eines ersten Teilverfahrens, das einen ersten Zeitpunkt (t₁) ermittelt, der einem idealen Kommutierungszeitpunkt in einem idealen Motor in einem ungestörten Betrieb entsprechen würde und gleichzeitig – und das ist der erfindungsgemäße Unterschied zur DE 100 54 594 A1 das Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes (t₂), der aufgrund eines technisch abweichenden, zweiten Ermittlungsteilverfahrens zeitlich nach dem Beginn des betreffenden Freilaufintervalls liegt. Das zweite Ermittlungsverfahren zur Bestimmung dieses zweiten Zeitpunkts (t₂) ist dabei so gestaltet, dass bei einem ungestörten Betrieb bei einem idealen Motor dieser zweite Zeitpunkt (t₂) vor dem ersten Zeitpunkt (t₁) liegen sollte. Dass dies möglich ist, wurde erfindungsgemäß erkannt und für eine Fehlererkennung erfindungsgemäß genutzt. Gleichzeitig wird in dieser Schrift vorgeschlagen, einen Notbetrieb durch Verwendung des zweiten Zeitpunkts (t₂) an Stelle des ersten Zeitpunkts (t₁) für die Kommutierung zu verwenden. Ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher die Unterdrückung einer Kommutierung in einem realen Betriebsfall zum ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁), wenn der zweite ermittelte Zeitpunkt (t₂) zeitlich nach dem ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) liegt und die ersatzweise Kommutierung zum zweiten Zweitpunkt (t₂) in diesem Fall. Liegt kein Fehler vor, so erfolgt erfindungsgemäß die Kommutierung in einem realen Betriebsfall zum ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁), wenn der zweite ermittelte Zeitpunkt (t₂) zeitlich vor dem ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) liegt. Der erste Zeitpunkt (t₁) ist also der reguläre Kommutierungszeitpunkt und der zweite Zeitpunkt (t₂) der Ersatzkommutierungszeitpunkt für den Notlauf.
Die zuvor genannten Teilvorrichtungen führen somit, wie zuvor bereits beschrieben, folgende Schritte aus: Zur Ermittlung des ersten Zeitpunkts (t₁) erfolgt ein Vergleichen des vierten Schwellwertsignals (S_2U) mit einem Bezugspotenzial (0) und/oder einer Bezugsgröße (0) mittels eines ersten Vergleichers (CMP_1U) und das Erzeugen eines ersten Kommutierungsereignissignals (A₁'), insbesondere als Trigger-Signal (TS) für die Kommutierung, das den ersten Zeitpunkt (t₁) markiert. Dies erfolgt in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs.
Zur Ermittlung des zweiten Zeitpunkts (t₂) erfolgt ein Vergleichen des vierten Schwellwertsignals (S_2U) mit einem Referenzpotenzial (V_Ref2) und/oder mit einem Referenzwert (V_Ref2) mittels eines vierten Vergleichers (CMP_2U) zur Erzeugung eines ersten Setzsignals (S_U), das den zweiten Zeitpunkt (t₂) markiert. Dies erfolgt in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches durch den vierten Vergleicher (CMP_2U).
Die zuvor beschriebene Fehlererkennung und -korrektur geschieht durch das Setzen des ersten Speicherausgangs (EN_U) eines ersten Speichers (RSFF_U) in Abhängigkeit vom ersten Setzsignal (S_U) auf einen Status mit der Eigenschaft „freigegeben” und das Erzeugen eines Kommutierungssignals (A₁) für die Kommutierung durch eine logische Verknüpfung (AND_U), wenn der erste Speicherausgangs (EN_U) in einem Status mit der Eigenschaft „freigegeben” ist und wenn der Wert des vierten Schwellwertsignals (S_2U) den Wert des Referenzsignals (V_Ref2) erreicht und/oder wertemäßig kreuzt sowie das Zurücksetzen des ersten Speicherausgangs (EN_U) des ersten Speichers (RSFF_U) mit oder nach der Signalisierung einer Kommutierung durch das Kommutierungssignal (A₁) auf einen zweiten Status, der die Eigenschaft „freigegeben” nicht aufweist. Im Gegensatz zur DE 100 54 594 A1 wird also nicht eine Rotorposition bestimmt, sondern erfindungsgemäß statt dessen in Abhängigkeit von einer zeitlichen Abfolge des ersten Zeitpunkts (t₁) und des zweiten Zeitpunkts (t₂) der Kommutierungszeitpunkt bestimmt. Diese zeitliche Abfolge wird aber in der DE 100 54 594 A1 eben nicht ausgewertet, weshalb eine Vorrichtung entsprechend der DE 100 54 594 A1 zu einer Fehlererkennung und Korrektur nicht in der Lage ist.
In einer Variante des Verfahrens ersetzt das Erzeugen eines ersten Vorzeichensignals (Sig_U) mittels einer ersten Vorzeicheneinheit (Sgn_U) aus dem korrigierten Spannungssignal (U_korr), das das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (U_korr) angibt, und die nachfolgende Integration dieses ersten Vorzeichensignals (Sig_U) zur integrierenden Erfassung der EMK in den Freilaufintervallen zu einem vierten Schwellwertsignal (S_2U) durch einen vierten Integrator (Int_2U) als Gesamtheit auf der einen Seite die zuvor beschriebene Integration des korrigierten Spannungssignals (U_korr) zur Erfassung des magnetischen Flusses während der besagten Freilaufintervalle zu einem vierten Schwellwertsignal (S_2U) durch einen vierten Integrator (Int_2U) auf der anderen Seite.
Dieses Verfahren kann selbstverständlich in einer geeigneten allgemeinen Vorrichtung zur Verhinderung fehlerhafter Kommutierungen und/oder Kommutierungszeitpunkte innerhalb einer Vorrichtung zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (M) zu einem vollautomatisch sensorlos bestimmten Kommutierungszeitpunkt realisiert werden. Diese Vorrichtung umfasst als Erstes einen Ansteuerblock (St), der die mindestens drei Phasen (U, V, W) in Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆) kommutiert und bestromt bzw. nicht bestromt, wobei er die erste Phase (U) in zugeordneten Kommutierungsintervallen (Φ₁, Φ₂, Φ₄, Φ₅) bestromt und in anderen zugeordneten Kommutierungsintervallen (Φ₃, Φ₆), den Freilaufintervallen, nicht bestromt, und als Zweites eine erste Teilvorrichtung (SpT₁, SpT₂, SpT₃, SU_1U), die ein virtuelles Sternpunktsignal (SpS) aus den elektrischen Potenzialverläufen der mindestens drei Phasen (U, V, W) erzeugt. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine zweite Teilvorrichtung (SU_2U), die ein korrigiertes Spannungssignal (U_korr) als Differenz zwischen dem elektrischen Potenzialverlauf der ersten Phase (U) und dem virtuellen Sternpunktsignal (SpS) erzeugt, und eine dritte Teilvorrichtung zur Ermittlung des Werts des Pegels des magnetischen Flusses während der besagten Freilaufintervalle auf Basis des korrigierten Spannungssignals (U_korr) in Form eines vierten Schwellwertsignals (S_2U). Eine vierte Teilvorrichtung ist ebenfalls Teil der Vorrichtung. Diese vierte Teilvorrichtung dient dem Ermitteln eines ersten Zeitpunktes in Form einer Flanke eines ersten Kommutierungsereignissignals (A₁'), nach Beginn eines dieser Freilaufintervalle innerhalb des betreffenden Freilaufintervalls auf Basis des ermittelten Werts des Pegels des magnetischen Flusses mittels eines durch die vierte Teilvorrichtung durchgeführten Teilverfahrens, das einen ersten Zeitpunkt (t₁) ermittelt, der einem idealen Kommutierungszeitpunkt in einem idealen Motor in einem ungestörten Betrieb entsprechen würde. Eine fünfte Teilvorrichtung dient dem Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes (t₂) in Form einer Flanke eines Setzsignals (S_U), der zeitlich nach dem Beginn des betreffenden Freilaufintervalls innerhalb des betreffenden Freilaufintervalls liegt durch ein zweites, durch die fünfte Teilvorrichtung durchgeführtes Teilverfahren. Das zweite Teilverfahren ist dabei so gestaltet, dass der zweite Zeitpunkt (t₂) in einem ungestörten Betrieb bei einem idealen Motor gleichzeitig vor dem ersten Zeitpunkt (t₁) liegen muss. Eine sechste Teilvorrichtung unterdrückt daher erfindungsgemäß eine Kommutierung auf Basis des ersten Kommutierungsereignissignals (A₁') in einem realen Betriebsfall, wenn der zweite ermittelte Zeitpunkt (t₂) zeitlich nach dem ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) liegt und führt eine ersatzweise Kommutierung zum zweiten Zweitpunkt (t₂) in diesem Fall für den erfindungsgemäßen Notlauf durch. Diese sechste Teilvorrichtung kommutiert die Ansteuerung des Motors zum ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) in Form einer Flanke des ersten Kommutierungsereignissignals (A₁'), wenn der zweite ermittelte zweite Zeitpunkt (t₂) in Form einer Flanke des Setzsignals (SU), zeitlich vor dem ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) liegt. Dies stellt sicher, dass nicht plausible Störungen im Gegensatz zur DE 100 54 594 A1 erkannt und sinnvoll abgefangen werden können.
Zur Durchführung der erfindungsgemäßen Teilverfahren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung weitere Teilvorrichtungen in speziellen Ausprägungen auf. Beispielsweise kann die dritte Teilvorrichtung mittels eines vierten Integrators (Int_2U), der das korrigierte Spannungssignal (U_korr) während der besagten Freilaufintervalle zu einem vierten Schwellwertsignal (S_2U) integriert und/oder filtert, realisiert werden. Die vierte Teilvorrichtung kann durch einen ersten Komparator (CMP_1U), der das vierte Schwellwertsignal (S_2U) mit einem Bezugspotenzial (0) und/oder einer Bezugsgröße (0) vergleicht und ein erstes Kommutierungsereignissignal (A₁'), insbesondere als Trigger-Signal (TS), für die Kommutierung, in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs erzeugt, realisiert werden. Die fünfte Teilvorrichtung kann durch einen vierten Komparator (CMP_2U), der das vierte Schwellwertsignal (S_2U) mit einem Referenzpotenzial (V_Ref2) und/oder einem Referenzwert (V_Ref2) vergleicht und ein Setzsignal (S_U) erzeugt, realisiert werden. Die sechste Teilvorrichtung umfasst vorzugsweise einen ersten Speicher (RSFF_U) mit einem ersten Speicherausgang (EN_U), der mittels des ersten Setzsignals (S_U) durch den vierten Komparator (CMP_2U) in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs auf einen Status mit der Eigenschaft „freigegeben” setzt oder nicht setzt, und wobei der erste Speicherausgang (EN_U) mit oder nach der Signalisierung einer Kommutierung durch das Kommutierungssignal (A₁) auf einen zweiten Status, der die Eigenschaft „freigegeben” nicht aufweist; zurückgesetzt wird. Eine logische Verknüpfungsvorrichtung innerhalb der sechsten Teilvorrichtung, insbesondere ein UND-Gatter (AND_U), die eine logische Verknüpfung zwischen dem ersten Speicherausgang (EN_U) des ersten Speichers (RSFF_U) und dem ersten Kommutierungsereignissignal (A₁') durchführt und das Kommutierungssignal (A₁) als Ergebnis dieser Verknüpfung erzeugt, wenn der erste Speicherausgang (EN_U) in einem Status mit der Eigenschaft „freigegeben” ist und wenn das vierte Schwellwertsignal (S_2U) das Bezugspotenzial (0) und/oder die Bezugsgröße (0) erreicht und/oder wertemäßig kreuzt, ist ebenfalls Teil der sechsten Teilvorrichtung.
Im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung wurde, wie bereits beschrieben, erkannt, dass die Verarbeitung des Vorzeichens ausreichend sein kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst daher in einer speziellen Ausprägung eine erste Vorzeicheneinheit (Sgn_U), die ein erstes Vorzeichensignal (Sig_U) aus dem korrigierten Spannungssignal (U_korr), das das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (U_korr) angibt, erzeugt. In dieser Ausprägung der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung jedoch eine dritte Teilvorrichtung zur Ermittlung des Wertes des magnetischen Flusses auf Basis des zusätzlichen ersten Vorzeichensignals (Sig_U) statt wie zuvor beschrieben auf Basis des korrigierten Spannungssignals (U_korr);
Beschreibung der Figuren
1 zeigt eine schematische Verschaltung einer Ansteuerungseinrichtung aus dem Stand der Technik und wurde bereits in der Einleitung als dem Stand der Technik zugehörig beschrieben.
2 zeigt die beispielhaften drei Kommutierungssignale (A₁, A₂, A₃) und die zugehörigen Spannungsverläufe an den Motoranschlüssen (U, V, W) in schematischer Weise für mehrere Kommutierungsintervalle (Φ₁ bis Φ₆) und wurde bereits in der Einleitung als dem Stand der Technik zugehörig beschrieben.
3 zeigt einen beispielhaften Zweig innerhalb der EMK-Auswertung (EMKA) für den ersten Motoranschluss (U) zur Erzeugung des dem ersten Motoranschluss (U) zugeordneten ersten Kommutierungssignals (A₁) und wurde bereits in der Einleitung als dem Stand der Technik zugehörig beschrieben.
4 zeigt den quadratischen Anstieg des ersten Schwellwertsignals (S_1U) und die Spannung am ersten Motoranschluss (U), wenn die zugehörige Halbbrücke des Ansteuerblockes (St) sich im hochohmigen dritten Zustand befindet, für verschiedene Winkelgeschwindigkeiten und wurde bereits in der Einleitung als dem Stand der Technik zugehörig beschrieben.
5 zeigt die Spannung am ersten Motoranschluss (U), wenn die zugehörige Halbbrücke des Ansteuerblockes (St) sich im hochohmigen dritten Zustand befindet, für verschiedene Werte des erfindungsgemäßen ersten Vorgabewertes (V_u), sowie den Spannungsverlauf des ersten Schwellwertsignals (S_1U) und wurde bereits in der Einleitung als dem Stand der Technik zugehörig beschrieben.
6 zeigt eine Realisierung des Integrationsverfahrens, bei dem ein zusätzlicher Integrator (Int₂) hinzugefügt wurde. Die Zeichnung stellt noch keine Lösung der Aufgabe dar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist umfangreicher.
7 zeigt den Signalverlauf für das korrigierte Spannungssignal (U_korr), das erste Schwellwertsignal (S_1U) und das vierte Schwellwertsignal (S_2U) für typische Betriebsfälle, das Potenzial des Referenzsignals (V_ref2) und den ersten Zeitpunkt (t₁) zu dem die Kommutierung erfolgen soll und den zweiten Zeitpunkt (t₂) zu dem die Kommutierung für den Rest des jeweiligen Kommutierungsintervalls (Φ₁ bis Φ₆) zugelassen wird.
8 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung für den ersten Motoranschluss (U).
9 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend 8 für den ersten Motoranschluss (U) mit dem Unterschied, dass nur das Vorzeichen (Sig_U) des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) integriert wird.
10 zeigt 1 mit den drei Zweigen (ZW₁, ZW₂, ZW₃).
11 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung für den zweiten Motoranschluss (V).
12 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend 11 für den zweiten Motoranschluss (V) mit dem Unterschied, dass nur das Vorzeichen (Sig_V) des korrigierten Spannungssignals (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) integriert wird.
13 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung für den dritten Motoranschluss (W).
14 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend 13 für den dritten Motoranschluss (W) mit dem Unterschied, dass nur das Vorzeichen (Sig_W) des korrigierten Spannungssignals (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W) integriert wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren ab der 5 einschließlich, die nicht dem Stand der Technik entsprechen, näher erläutert.
6 zeigt eine beispielhafte erfindungsgemäße Teilvorrichtung zur Ermittlung des ersten Kommutierungssignals (A₁) für die Kommutierung am ersten Motoranschluss (U). Es handelt sich dabei um einen ersten Zweig (ZW₁) der EMK-Auswertung (EMKA) der 1 und 10. Insofern wird die in 3 beschriebene Teilvorrichtung durch diese neue erfindungsgemäße Teilvorrichtung in zumindest einem Zweig der EMK-Auswertung (EMKA), die ja typischerweise für jeden Motoranschluss (U, V, W) je einen solchen Zweig enthält, ersetzt. In einer ersten Stufe der erfindungsgemäßen Teilvorrichtung wird wieder mittels der bereits bekannten und unveränderten Sternschaltung aus drei Spannungsteilern (SpT₁, SpT₂, SpT₃) aus den drei Spannungen der drei Motoranschlüsse (U, V, W) ein virtuelles Sternpunktsignal (SpS) erzeugt. Diese virtuelle Sternpunktspannung (SpS) wird wieder, wie zuvor, von der Spannung am ersten Motoranschluss (U) mittels des bekannten zweiten Summierers (SU_2U) abgezogen. Das so wieder erhaltene korrigierte Spannungssignal (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) wird in einem ersten Integrator (Int_1U) wieder zu einem ersten Schwellwertsignal (S_1U) integriert. Ggf. kann in einer speziellen Ausprägung der Erfindung der erste Integrator (Int_1U) auch hier als Filter ausgelegt werden. Bevorzugt integriert dabei der erste Integrator (Int_1U) nur positive Werte des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) in den Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆), in denen die zugehörige Halbbrücke des ersten Motoranschlusses (U) hochohmig ist. Dies sind in dem hier beschrieben Beispiel das dritte Kommutierungsintervall (Φ₃) und das sechste Kommutierungsintervall (Φ₆). Der erste Integrator (Int_1U) wird typischerweise unmittelbar vor oder zu Beginn eines solchen Kommutierungsintervalls (Φ₃, Φ₆) beispielsweise durch den Ansteuerungsblock (St) oder eine andere Steuerung zurückgesetzt. Um nur die positiven Werte des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) aufzuintegrieren bestehen beispielsweise zwei Möglichkeiten: Zum Ersten ist es möglich, mit Hilfe eines ersten Begrenzers (B_U) nur positive Signalanteile des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) zum ersten Integrator (Int_1U) als begrenztes, korrigiertes Spannungssignal (U_korr') des ersten Motoranschlusses (U) durchzuschalten und ansonsten dem ersten Integrator (Int_1U) durch den ersten Begrenzer (B_U) einen Null-Wert liefern zu lassen. Dies ist in 6 dargestellt.
Zum Zweiten ist es möglich, mit Hilfe eines vierten Integrators (Int_2U) das korrigierte Spannungssignal (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) zu einem vierten Schwellwertsignal (S_2U) zu integrieren.
Ansonsten stimmt die 6 mit der 3 überein.
Versuche haben gezeigt, dass die Verwendung des ersten Begrenzers (B_U) besonders zu bevorzugen ist.
7 zeigt die Verläufe des korrigierten Spannungssignals (U_korr), des ersten Schwellwertsignals (S_1U) am Ausgang des ersten Integrators (Int_1U), sowie des vierten Schwellwertsignals (S_2U) am Ausgang des vierten Integrators (Int_2U) der 6 für eine zu frühe Kommutierung (a), eine zu späte Kommutierung (b) sowie eine korrekte Kommutierung (c) des angeschlossenen Motors (M).
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei korrekter Kommutierung das vierte Schwellwertsignal (S_2U) am Ausgang des vierten Integrators (Int_2U) zu einem ersten Zeitpunkt (t₁), der im Idealfall eines idealen Betriebs und idealen Motors dem optimalen Kommutierungszeitpunkt entspricht, seinen Nulldurchgang erreicht. Ebenso wurde erfindungsgemäß erkannt, dass es sinnvoll ist, diesen Nulldurchgang des vierten Schwellwertsignals (S_2U) zum ersten Zeitpunkt (t₁) am Ausgang des vierten Integrators (Int_2U) auch zur entstörten Kommutierung des Motors (M) zu benutzen. Um einen Störfall erkennen zu können, wird mittels der Spannung eines Referenzsignals (V_Ref2) in diesem Beispiel ein zweiter Zeitpunkt (t₂) bestimmt, der aufgrund dieser abweichenden Extraktionsmethodik immer vor dem ersten Zeitpunkt (t₁) innerhalb des betreffenden Kommutierungsintervalls (Φ₁ bis Φ₆) und nach dessen zeitlichen Beginn liegt. Erfindungsgemäß wird dieser zweite Zeitpunkt (t₂) zur Freigabe der Kommutierung zum ermittelten ersten Zeitpunkt (t₁) verwendet. Hierzu wird detektiert, wann der Spannungsverlauf des Schwellwertsignals (S_2U) die Spannung des Referenzsignals (V_Ref2) kreuzt. Dieser Zeitpunkt markiert den besagten zweiten Zeitpunkt (t₂). Das Kreuzen der beiden Spannungsverläufe wird für den Rest des betreffenden Kommutierungsintervalls in einem Speicher (RSFF_U) aufgezeichnet, der für den Rest des betreffenden Kommutierungsintervalls oder bis zur ersten erfolgten Kommutierung innerhalb des betreffenden Kommutierungsintervalls die Kommutierung zu einem ersten Zeitpunkt (t₁) ermöglicht. Erst am Ende des Kommutierungsintervalls oder besser mit der Kommutierung wird dieser Speicher zurückgesetzt und eine Kommutierung durch weitere, in Folge von Störungen fehlerhaft ermittelte erste Zeitpunkte (t₁) wird für den Rest des betreffenden Kommutierungsintervalls sicher unterbunden. Im Fehlerfall, wenn der erste Zeitpunkt (t₁) vor dem zweiten Zeitpunkt (t₂) stattfindet, wird die Kommutierung erst durch das Setzen des Speichers zum zweiten Zeitpunkt (t₂) ausgelöst.
Eine mögliche Realisierung ist in 8 dargestellt. Sie stimmt bis zum Ausgang des vierten Integrators (Int_2U), dem vierten Schwellwertsignal (S_2U), mit dem unteren Zweig von 6 überein. Ein erster Komparator (CMP_1U) vergleicht dieses vierte Schwellwertsignal (S_2U) mit Null, also typischerweise dem Bezugspotenzial, und erzeugt damit zum ersten Zeitpunkt (t₁) des Nulldurchgangs des vierten Schwellwertsignals (S_2U) des zweiten Integrators (Int_2U) das erste Kommutierungsereignissignal (A1'). Zusätzlich weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung noch einen weiteren Zweig auf, der aus einem vierten Komparator (CMP_2U), der das vierte Schwellwertsignal (S_2U) mit einem Referenzsignal (V_Ref2) vergleicht, einem ersten Speicher (RSFF_U), dessen erster Speicherausgang (EN_U) durch den vierten Komparator (CMP_2U) zum zweiten Zeitpunkt (t₂) gesetzt und von einem äußeren ersten Rücksetzsignal (R_U), das typischerweise mit dem Ende des jeweiligen Freilaufintervalls oder bevorzugt mit dem Kommutierungszeitpunkt korreliert, zurückgesetzt wird, sowie einer ersten UND-Verknüpfung (AND_U) besteht. Dieser Zweig hat folgende Funktion: Aus 7 ist ersichtlich, dass das vierte Schwellwertsignal (S_2U) des vierten Integrators (Int_2U) zu Beginn des Kommutierungsintervalls nahe bei Null liegt. In diesem Zeitraum unmittelbar zu Beginn der Kommutierung wäre es möglich, dass überlagerte Störungen zu einer unerwünschten Kommutierung führen. Um dies zu verhindern, wird erfindungsgemäß der vierte Komparator (CMP_2U) eingefügt. Er schaltet, wenn zu einem zweiten Zeitpunkt (t₂) das vierte Schwellwertsignal (S_2U) des vierten Integrators (Int_2U) die Schwelle in Form des Referenzsignals (V_Ref2) überschritten hat. Das Referenzsignal (V_Ref2) dient dabei als Störschwelle. Alle Signale unterhalb dieser Schwelle werden als Störungen betrachtet. Damit kann das Referenzsignal (V_Ref2) als grobe globale Schwelle eingestellt werden und muss nicht an verschiedene Applikationen oder Motoren angepasst werden. Wurde die Schwelle in Form des besagten Referenzsignals (V_Ref2) überschritten, wird der erste Speicher (RSFF_U) durch das erste Setzsignal (S_U), das vom vierten Komparator (CMP_2U) erzeugt wird, zum zweiten Zeitpunkt (t₂) gesetzt. In Verbindung mit der ersten UND-Verknüpfung (AND_U) wird zu diesem zweiten Zeitpunkt (t₂) die Kommutierung freigegeben, so dass ab dann ein Signalwechsel des ersten Komparators (CMP_1U) an seinem Ausgang, dem Kommutierungsereignissignal (A₁'), zu einer Kommutierung in Form eines ersten Kommutierungssignals (A₁) zu einem ersten Zeitpunkt (t₁) führen würde. Vorzugsweise zeitsynchron mit dieser Kommutierung in Form eines ersten Kommutierungssignals (A₁) wird der erste Speicher (RSFF_U) über das erste Rücksetzsignal (R_U) wieder zurückgesetzt. Das erste Rücksetzsignal (R_U) hängt also typischerweise u. a. von dem ersten Kommutierungssignal (A₁) ab.
Eine weitere bevorzugte Realisierung der Vorrichtung ist in 9 dargestellt. Diese Realisierung integriert nicht über die rückgemessene EMK, sondern über deren Vorzeichen. In der sonstigen Funktion ist diese Ausführungsform identisch mit der aus 8. Die Vorrichtung der 9 zeichnet sich also gegenüber der in 8 dadurch aus, dass der vierte Integrator (Int_2U) nicht das korrigierte Spannungssignal (U_korr) zum vierten Schwellwertsignal (S_2U) integriert, sondern dass dem vierten Integrator (Int_2U) eine erste Vorzeicheneinheit (Sgn_U) vorgeschaltet ist, die ein erstes Vorzeichensignal (Sig_U) erzeugt, das anstelle des korrigierten Spannungssignals (U_korr) für die Integration durch den vierten Integrator (Int_2U) verwendet wird.
Die 8 und 9 stellen mögliche Realisierungen für einen ersten Zweig (ZW₁) innerhalb der EMK-Auswertung (EMKA) dar, der sich auf die erste Motorphase (U) bezieht.
10 zeigt 1 mit den drei Zweigen (ZW₁, ZW₂, ZW₃). Der Ansteuerblock (St) oder eine andere Steuerung aktivieren dabei die Integration in den Integratoren des Zweiges, dessen zugehörige Halbbrücke am zugehörigen Motoranschluss (U, V, W) sich in dem betreffenden Kommutierungsintervall (Φ₁ bis Φ₆) jeweils gerade in der hochohmigen Phase befindet. Wie zuvor erläutert, spiegeln die Zustände der Kommutierungssignale (A₁, A₂, A₃) dabei das aktuelle Kommutierungsintervall (Φ₁ bis Φ₆) in Form eines binären logischen Vektors wieder.
Die 11 und 12 beziehen sich auf die zweite Motorphase (V). Sie entsprechen in Funktion und Struktur den 8 und 9. Die 11 und 12 stellen mögliche Realisierungen für einen zweiten Zweig (ZW₂) innerhalb der EMK-Auswertung (EMKA) dar, der sich auf die zweite Motorphase (V) bezieht. Da die Funktion der einzelnen Komponenten analog zu der der Komponenten in den 8 und 9 ist, wird diese Beschreibung hier nicht extra wiederholt.
Die 13 und 14 beziehen sich auf die dritte Motorphase (W). Sie entsprechen in Funktion und Struktur den 8 und 9 bzw. den 11 und 12. Die 13 und 14 stellen mögliche Realisierungen für einen dritten Zweig (ZW₃) innerhalb der EMK-Auswertung (EMKA) dar, der sich auf die dritte Motorphase (W) bezieht. Da die Funktion der einzelnen Komponenten analog zu der der Komponenten in den 8 und 9 bzw. 11 und 12 ist, wird diese Beschreibung hier nicht extra wiederholt.
Vorteile der Erfindung
Durch die Erfindung wird eine experimentelle Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte durch Integration der EMK zur Ermittlung eines Wertes für den Pegel des magnetischen Flusses vermieden. Das Verfahren ist somit in der Lage, sich selbst an verschiedene Motoren anzupassen. Dies ermöglicht auch eine automatisierte Einstellung des Parameters bei der Herstellung von darauf aufbauenden Produkten.
Das Verfahren justiert sich in jeder Kommutierung erneut so ein, dass sich der rechte Fall in 7 ergibt. Es verwendet das untere Signal der Kurven in 7. Damit gibt es hier weder einen Einschwingvorgang noch einen Parameter, der langsam sich einem Zielwert nähert. Es gibt auch keinen Abgleichvorgang. Das Verfahren läuft somit direkt von Anfang an korrekt ohne Einschwing- und Einregelvorgänge.
So können beispielsweise Serienstreuungen beim zu verwendenden Motor ausgeglichen werden. Auch eine Realisierung unterschiedlicher Produkte, die sich nur bezüglich des verwendeten Motors unterscheiden, ist ohne zusätzlichen Einstellungsaufwand möglich.
Die Erfindung ist sonst für die Ansteuerung von BLDC-Motoren mittels Blockkommutierung im sensorlosen Betrieb auf Basis der Auswertung des magnetischen Flusses sehr gut verwendbar. Bei der Verwendung des magnetischen Flusses als Integral der EMK entfällt im Gegensatz zur Kommutierung auf Basis der Nulldurchgänge der EMK der Abgleich zwischen Winkelposition und interner Zeitbasis. Eine Zeitbasis ist somit nicht mehr nötig. Vielmehr erfolgt eine Kommutierung hier ohne weitere Berechnungsschritte direkt auf Basis des Verlaufs der EMK. Das Verfahren bietet damit eine höhere Stabilität und eine bessere Reaktion auf dynamische Änderungen der Winkelgeschwindigkeit des Rotors. Im Gegensatz zur DE 100 54 594 A1 wertet die hier offenbarte Technik mehrere Zeitpunkte (t₁, t₂) innerhalb eines Kommutierungsintervalls aus und prüft diese auf Plausibilität. Hierdurch werden fehlerhafte Zustände erkannt und werden im Gegensatz zur Technik der DE 100 54 594 A1 im Fehlerfall nicht zur Ermittlung des Kommutierungszeitpunktes herangezogen. Darüber hinaus wird ein Notlauf in diesen Fehlerfällen ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: erster Prozessschritt
2: zweiter Prozessschritt
3: dritter Prozessschritt
4: vierter Prozessschritt
5: fünfter Prozessschritt
7: siebter Prozessschritt
8: achter Prozessschritt
9: neunter Prozessschritt
11: elfter Prozessschritt

A₁' erstes Kommutierungsereignissignal
A₁ erstes Kommutierungssignal für den Ansteuerblock (St). Das erste Kommutierungssignal wird durch die EMK-Auswertung (EMKA) erzeugt.
Das erste Kommutierungssignal legt den Zeitpunkt der nächsten Spannungskommutierung durch den Ansteuerblock (St) fest. Die Spannungskommutierung betrifft dabei die Halbbrücke des Ansteuerblocks, deren oberer und unterer Schalter mit dem ersten Motoranschluss (U) verbunden sind. Das Signal ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet. Das erste Kommutierungssignal wird nur dann mittels der ersten UND-Verknüpfung (AND_U) aus dem ersten Kommutierungsereignissignal (A₁') erzeugt, wenn der erste Speicherausgang (EN_U) des ersten Speichers (RSFF_V) gesetzt ist.
A₂' zweites Kommutierungsereignissignal
A₂ zweites Kommutierungssignal für den Ansteuerblock (St). Das zweite Kommutierungssignal wird durch die EMK-Auswertung (EMKA) erzeugt. Das zweite Kommutierungssignal legt den Zeitpunkt der nächsten Spannungskommutierung durch den Ansteuerblock (St) fest. Die Spannungskommutierung betrifft dabei die Halbbrücke des Ansteuerblocks, deren oberer und unterer Schalter mit dem zweiten Motoranschluss (V) verbunden sind. Das Signal ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet. Das zweite Kommutierungssignal wird nur dann mittels der zweiten UND-Verknüpfung (AND_V) aus dem zweiten Kommutierungsereignissignal (A₂') erzeugt, wenn der zweite Speicherausgang (EN_V) des zweiten Speichers (RSFF_V) gesetzt ist.
A₃' drittes Kommutierungsereignissignal
A₃ drittes Kommutierungssignal für den Ansteuerblock (St). Das dritte Kommutierungssignal wird durch die EMK-Auswertung (EMKA) erzeugt. Das dritte Kommutierungssignal legt den Zeitpunkt der nächsten Spannungskommutierung durch den Ansteuerblock (St) fest. Die Spannungskommutierung betrifft dabei die Halbbrücke des Ansteuerblocks, deren oberer und unterer Schalter mit dem dritten Motoranschluss (W) verbunden sind. Das Signal ist dem dritten Motoranschluss (V) zugeordnet. Das dritte Kommutierungssignal wird nur dann mittels der dritten UND-Verknüpfung (AND_W) aus dem drittes Kommutierungsereignissignal (A₃') erzeugt, wenn der dritte Speicherausgang (EN_W) des dritten Speichers (RSFF_W) gesetzt ist.
AND_U erste UND-Verknüpfung. Die erste UND-Verknüpfung erzeugt das erste Kommutierungssignal (A₁) aus dem ersten Kommutierungsereignissignal (A₁'), wenn der erste Speicherausgang (EN_U) des ersten Speichers (RSFF_U) gesetzt ist und das erste Kommutierungsereignissignal (A₁') einen Kommutierungszeitpunkt signalisiert.
AND_V zweite UND-Verknüpfung. Die zweite UND-Verknüpfung erzeugt das zweite Kommutierungssignal (A₂) aus dem zweiten Kommutierungsereignissignal (A₂'), wenn der zweite Speicherausgang (EN_V) des zweiten Speichers (RSFF_V) gesetzt ist und das zweite Kommutierungsereignissignal (A₂') einen Kommutierungszeitpunkt signalisiert.
AND_W dritte UND-Verknüpfung. Die dritte UND-Verknüpfung erzeugt das dritte Kommutierungssignal (A₃) aus dem dritten Kommutierungsereignissignal (A₃'), wenn der dritte Speicherausgang (EN_W) des dritten Speichers (RSFF_W) gesetzt ist und das dritte Kommutierungsereignissignal (A₃') einen Kommutierungszeitpunkt signalisiert.
B_U erster Begrenzer. Der erste Begrenzer erzeugt das begrenzte korrigierte Spannungssignal (U'_korr) des ersten Motoranschlusses (U) aus dem korrigierten Spannungssignal (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U). Dabei setzt er das begrenzte korrigierte Spannungssignal (U'_korr) des ersten Motoranschlusses (U) zu Null, wenn das korrigierte Spannungssignal (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) negativ ist. Diese Begrenzung kann bei geeigneter Vorzeichenwahl aller Komponenten des Systems auch invertiert erfolgen. Wesentlich ist daher, dass der Begrenzer nur eine Polarität des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) passieren lässt und die andere Polarität zu Null abbildet. Dieser Vorrichtungsteil ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
B_V zweiter Begrenzer. Der zweite Begrenzer erzeugt das begrenzte korrigierte Spannungssignal (V'_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) aus dem korrigierten Spannungssignal (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V). Dabei setzt er das begrenzte korrigierte Spannungssignal (V'_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) zu Null, wenn das korrigierte Spannungssignal (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) negativ ist. Diese Begrenzung kann bei geeigneter Vorzeichenwahl aller Komponenten des Systems auch invertiert erfolgen. Wesentlich ist daher, dass der zweite Begrenzer nur eine Polarität des korrigierten Spannungssignals (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) passieren lässt und die andere Polarität zu Null abbildet. Dieser Vorrichtungsteil ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
B_W dritter Begrenzer. Der dritte Begrenzer erzeugt das begrenzte korrigierte Spannungssignal (W'_korr) des dritten Motoranschlusses (W) aus dem korrigierten Spannungssignal (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W). Dabei setzt er das begrenzte korrigierte Spannungssignal (W'_korr) des dritten Motoranschlusses (W) zu Null, wenn das korrigierte Spannungssignal (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W) negativ ist. Diese Begrenzung kann bei geeigneter Vorzeichenwahl aller Komponenten des Systems auch invertiert erfolgen. Wesentlich ist daher, dass der dritte Begrenzer nur eine Polarität des korrigierten Spannungssignals (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W) passieren lässt und die andere Polarität zu Null abbildet. Dieser Vorrichtungsteil ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
CMP_1U Der erste Komparator vergleicht das erste Schwellwertsignal (S_1U) mit einem Bezugspotenzial (0) für die Kommutierung und erzeugt hieraus ein erstes Kommutierungsereignissignal (A₁'), das die Kommutierung der Halbbrücke des Ansteuerungsblocks (St) steuert, die mit dem ersten Motoranschluss (U) verbunden ist. Dieser Vorrichtungsteil ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
CMP_1V Der zweite Komparator vergleicht das zweite Schwellwertsignal (S_1V) mit einem Bezugspotenzial (0) für die Kommutierung und erzeugt hieraus ein zweites Kommutierungsereignissignal (A₂'), das die Kommutierung der Halbbrücke des Ansteuerungsblocks (St) steuert, die mit dem zweiten Motoranschluss (V) verbunden ist. Dieser Vorrichtungsteil ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
CMP_1W Der dritte Komparator vergleicht das dritte Schwellwertsignal (S_1W) mit einem Bezugspotenzial (0) für die Kommutierung und erzeugt hieraus ein drittes Kommutierungsereignissignal (A₃'), das die Kommutierung der Halbbrücke des Ansteuerungsblocks (St) steuert, die mit dem dritten Motoranschluss (W) verbunden ist. Dieser Vorrichtungsteil ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
CMP_2U Der vierte Komparator vergleicht das vierte Schwellwertsignal (S_2W) mit dem Referenzsignal (V_Ref2) für die Kommutierung und erzeugt hieraus das erste Setzsignal (S_U). Dieser Vorrichtungsteil ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
CMP_2V Der fünfte Komparator vergleicht das fünfte Schwellwertsignal (S_2V) mit dem Referenzsignal (V_Ref2) für die Kommutierung und erzeugt hieraus das zweite Setzsignal (S_V). Dieser Vorrichtungsteil ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
CMP_2W Der sechste Komparator vergleicht das sechste Schwellwertsignal (S_2W) mit dem Referenzsignal (V_Ref2) für die Kommutierung und erzeugt hieraus das dritte Setzsignal (S_W). Dieser Vorrichtungsteil ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
EN_U erster Speicherausgang des ersten Speichers (RSFF_U)
EN_V zweiter Speicherausgang des zweiten Speichers (RSFF_V)
EN_W dritter Speicherausgang des dritten Speichers (RSFF_W)
F_U erster konstanter Faktor (F_U) zur Einstellung des Einschwingverhaltens des ersten Zweiges (ZW₁) durch einen im vierten Integrator (Int_2U) enthaltenen Multiplizierer. Der Faktor ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
F_V zweiter konstanter Faktor (F_V) zur Einstellung des Einschwingverhaltens des zweiten Zweiges (ZW₂) durch einen im fünften Integrator (Int_2V) enthaltenen Multiplizierer. Der Faktor ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
F_W dritter konstanter Faktor (F_W) zur Einstellung des Einschwingverhaltens des dritten Zweiges (ZW₃) durch einen im sechsten Integrator (Int_2W) enthaltenen Multiplizierer. Der Faktor ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
EMK elektromotorische Kraft. Die EMK ist in den Freilaufintervallen an den freilaufenden Motoranschlüssen als Spannungsverlauf messbar.
EMKA EMK-Auswertung. Die EMK-Auswertung erzeugt die Kommutierungssignale (A₁, A₂, A₃) für die Steuerung des Kommutierungszeitpunktes der Halbbrücken der Ansteuerschaltung (St). Diese Erzeugung der Kommutierungssignale (A₁, A₂, A₃) erfolgt in Abhängigkeit von den Spannungen an den Motoranschlüssen (U, V, W) und den Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆). Das erste Kommutierungssignal (A₁) wird dabei in Abhängigkeit von der Anschlussspannung am ersten Motoranschluss (U) im dritten Kommutierungsintervall (Φ₃) und/oder im sechsten Kommutierungsintervall (Φ₆) erzeugt. Das zweite Kommutierungssignal (A₂) wird dabei in Abhängigkeit von der Anschlussspannung am zweiten Motoranschluss (V) im ersten Kommutierungsintervall (Φ₁) und/oder im vierten Kommutierungsintervall (Φ₄) erzeugt. Das dritte Kommutierungssignal (A₃) wird dabei in Abhängigkeit von der Anschlussspannung am dritten Motoranschluss (W) im zweiten Kommutierungsintervall (Φ₂) und/oder im fünften Kommutierungsintervall (Φ₅) erzeugt.
Int_1U erster Integrator. Der erste Integrator bildet im Stand der Technik durch Integration des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) bzw. durch Integration des begrenzten korrigierten Spannungssignals (U'_korr) des ersten Motoranschlusses (U) ein zugehöriges erstes Schwellwertsignal (S_1U). Dieser Vorrichtungsteil ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
Int_1V zweiter Integrator. Der zweite Integrator bildet im Stand der Technik durch Integration des korrigierten Spannungssignals (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) bzw. durch Integration des begrenzten korrigierten Spannungssignals (V'_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) ein zugehöriges zweites Schwellwertsignal (S_1V). Dieser Vorrichtungsteil ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
Int_1W dritter Integrator. Der dritte Integrator bildet im Stand der Technik durch Integration des korrigierten Spannungssignals (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W) bzw. durch Integration des begrenzten korrigierten Spannungssignals (W'_korr) des dritten Motoranschlusses (W) ein zugehöriges drittes Schwellwertsignal (S_1W). Dieser Vorrichtungsteil ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
Int_2U vierter Integrator. Der vierte erfindungsgemäße Integrator bildet durch Integration des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) das vierte Schwellwertsignal (S_2U). Der Wert der Integration kann vor der Ausgabe mit einem ersten konstanten Faktor (Eu) zur Einstellung des Einschwingverhaltens durch einen im vierten Integrator (Int_2U) enthaltenen Multiplizierer angepasst werden. Dieser Vorrichtungsteil ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
Int₂ _V fünfter Integrator. Der fünfte erfindungsgemäße Integrator bildet durch Integration des korrigierten Spannungssignals (V_korr) des ersten Motoranschlusses (V) das fünfte Schwellwertsignal (S_2V). Der Wert der Integration kann vor der Ausgabe mit einem ersten konstanten Faktor (F_V) zur Einstellung des Einschwingverhaltens durch einen im fünften Integrator (Int_2V) enthaltenen Multiplizierer angepasst werden. Dieser Vorrichtungsteil ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
Int_2W sechster Integrator. Der sechste erfindungsgemäße Integrator bildet durch Integration des korrigierten Spannungssignals (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W) das sechste Schwellwertsignal (S_2W). Der Wert der Integration kann vor der Ausgabe mit einem ersten konstanten Faktor (F_W) zur Einstellung des Einschwingverhaltens durch einen im sechsten Integrator (Int_2W) enthaltenen Multiplizierer angepasst werden. Dieser Vorrichtungsteil ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
M beispielhafter BLDC-Motor
Φ₁ erstes Kommutierungsintervall. In diesem Kommutierungsintervall ist der obere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem ersten Motoranschluss (U) auf der einen Seite und der oberen Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Gleichzeitig ist in diesem Kommutierungsintervall der untere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem dritten Motoranschluss (W) auf der einen Seite und der unteren Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Außerdem sind beide Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, die mit dem zweiten Motoranschluss (V) verbunden sind, geöffnet. Daher ist am zweiten Motoranschluss (V) in diesem Kommutierungsintervall die elektromotorische Kraft (EMK) als Phasenspannung messbar.
Φ₂ zweites Kommutierungsintervall. In diesem Kommutierungsintervall ist der obere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem ersten Motoranschluss (U) auf der einen Seite und der oberen Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Gleichzeitig ist in diesem Kommutierungsintervall der untere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem zweiten Motoranschluss (V) auf der einen Seite und der unteren Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Außerdem sind beide Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, die mit dem dritten Motoranschluss (W) verbunden sind, geöffnet. Daher ist am dritten Motoranschluss (W) in diesem Kommutierungsintervall die elektromotorische Kraft (EMK) als Phasenspannung messbar.
Φ₃ drittes Kommutierungsintervall. In diesem Kommutierungsintervall ist der obere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem dritten Motoranschluss (W) auf der einen Seite und der oberen Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Gleichzeitig ist in diesem Kommutierungsintervall der untere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem zweiten Motoranschluss (W) auf der einen Seite und der unteren Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Außerdem sind beide Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, die mit dem ersten Motoranschluss (U) verbunden sind, geöffnet. Daher ist am ersten Motoranschluss (U) in diesem Kommutierungsintervall die elektromotorische Kraft (EMK) als Phasenspannung messbar.
Φ₄ viertes Kommutierungsintervall. In diesem Kommutierungsintervall ist der obere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem dritten Motoranschluss (W) auf der einen Seite und der oberen Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Gleichzeitig ist in diesem Kommutierungsintervall der untere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem ersten Motoranschluss (U) auf der einen Seite und der unteren Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Außerdem sind beide Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, die mit dem zweiten Motoranschluss (V) verbunden sind, geöffnet. Daher ist am zweiten Motoranschluss (V) in diesem Kommutierungsintervall die elektromotorische Kraft (EMK) als Phasenspannung messbar.
Φ₅ fünftes Kommutierungsintervall. In diesem Kommutierungsintervall ist der obere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem zweiten Motoranschluss (V) auf der einen Seite und der oberen Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Gleichzeitig ist in diesem Kommutierungsintervall der untere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem ersten Motoranschluss (U) auf der einen Seite und der unteren Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Außerdem sind beide Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, die mit dem dritten Motoranschluss (W) verbunden sind, geöffnet. Daher ist am dritten Motoranschluss (W) in diesem Kommutierungsintervall die elektromotorische Kraft (EMK) als Phasenspannung messbar.
Φ₆ sechstes Kommutierungsintervall. In diesem Kommutierungsintervall ist der obere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem zweiten Motoranschluss (V) auf der einen Seite und der oberen Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Gleichzeitig ist in diesem Kommutierungsintervall der untere Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, der mit dem dritten Motoranschluss (W) auf der einen Seite und der unteren Versorgungsspannung auf der anderen Seite verbunden ist, geschlossen. Außerdem sind beide Schalter der Halbbrücke innerhalb der Ansteuerschaltung, die mit dem ersten Motoranschluss (U) verbunden sind, geöffnet. Daher ist am ersten Motoranschluss (U) in diesem Kommutierungsintervall die elektromotorische Kraft (EMK) als Phasenspannung messbar.
RSFF_U erster Speicher. Der erste Speicher ist typischerweise ein RS-Flip-Flop, das gesetzt wird, wenn das vierte Schwellwertsignal (S_2U) jenseits eines Referenzsignals (V_Ref2) liegt. Der erste Speicher wird durch das erste Setzsignal (S_U) auf einen ersten logischen Wert gesetzt und durch das erste Rücksetzsignal (R_U) auf einen zweiten logischen Wert zurückgesetzt. Das Referenzsignal (V_Ref2) kann spezifisch für den ersten Speicher sein oder aber gleich mit den Referenzsignalen anderer Speicher. Das RS-Flip-Flop des ersten Speichers wird typischerweise gelöscht, wenn die Kommutierung mittels des ersten Kommutierungssignals (A₁) durchgeführt wird oder wenn das zeitliche Ende des jeweiligen Freilaufintervalls erreicht ist. Bevorzugt ist die Löschung synchron mit dem Kommutierungszeitpunkt innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls, da dies weitere fehlerhafte Kommutierungen innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls verhindert.
RSFF_V zweiter Speicher. Der zweite Speicher ist typischerweise ein RS-Flip-Flop, das gesetzt wird, wenn das fünfte Schwellwertsignal (S_2V) jenseits eines Referenzsignals (V_Ref2) liegt. Der zweite Speicher wird durch das zweite Setzsignal (S_V) auf einen ersten logischen Wert gesetzt und durch das zweite Rücksetzsignal (R) auf einen zweiten logischen Wert zurückgesetzt. Das Referenzsignal (V_Ref2) kann spezifisch für den zweiten Speicher sein oder aber gleich mit den Referenzsignalen anderer Speicher. Das RS-Flip-Flop des zweiten Speichers wird typischerweise gelöscht, wenn die Kommutierung mittels des zweiten Kommutierungssignals (A₂) durchgeführt wird oder wenn das zeitliche Ende des jeweiligen Freilaufintervalls erreicht ist. Bevorzugt ist die Löschung synchron mit dem Kommutierungszeitpunkt innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls, da dies weitere fehlerhafte Kommutierungen innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls verhindert.
RSFF_W dritter Speicher. Der dritte Speicher ist typischerweise ein RS-Flip-Flop, das gesetzt wird, wenn das sechste Schwellwertsignal (S_2W) jenseits eines Referenzsignals (V_Ref2) liegt. Der dritte Speicher wird durch das dritte Setzsignal (S_W) auf einen ersten logischen Wert gesetzt und durch das dritte Rücksetzsignal (R_W) auf einen zweiten logischen Wert zurückgesetzt. Das Referenzsignal (V_Ref2) kann spezifisch für den dritten Speicher sein oder aber gleich mit den Referenzsignalen anderer Speicher. Das RS-Flip-Flop des dritten Speichers wird typischerweise gelöscht, wenn die Kommutierung mittels des dritten Kommutierungssignals (A₃) durchgeführt wird oder wenn das zeitliche Ende des jeweiligen Freilaufintervalls erreicht ist. Bevorzugt ist die Löschung synchron mit dem Kommutierungszeitpunkt innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls, da dies weitere fehlerhafte Kommutierungen innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls verhindert.
R_U erstes Rücksetzsignal. Das erste Rücksetzsignal setzt den ersten Speicher (RSFF_U) auf einen Initialwert, einen zweiten logischen Wert, zurück. Vorzugsweise korreliert das erste Rücksetzsignal mit dem Kommutierungszeitpunkt innerhalb des jeweiligen Freilauintervalls oder dem Ende des Freilaufintervalls. Bevorzugt ist die Korrelation mit dem Kommutierungszeitpunkt.
R_V zweites Rücksetzsignal. Das zweite Rücksetzsignal setzt den zweiten Speicher (RSFF_V) auf einen Initialwert, einen zweiten logischen Wert, zurück. Vorzugsweise korreliert das zweite Rücksetzsignal mit dem Kommutierungszeitpunkt innerhalb des jeweiligen Freilauintervalls oder dem Ende des Freilaufintervalls. Bevorzugt ist die Korrelation mit dem Kommutierungszeitpunkt.
R_W drittes Rücksetzsignal. Das dritte Rücksetzsignal setzt den dritten Speicher (RSFF_W) auf einen Initialwert, einen zweiten logischen Wert, zurück. Vorzugsweise korreliert das dritte Rücksetzsignal mit dem Kommutierungszeitpunkt innerhalb des jeweiligen Freilauintervalls oder dem Ende des Freilaufintervalls. Bevorzugt ist die Korrelation mit dem Kommutierungszeitpunkt.
S_1U erstes Schwellwertsignal. Das erste Schwellwertsignal wird durch Integration des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) im ersten Integrator (Int_1U) erzeugt. Das Signal ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
S_1V zweites Schwellwertsignal. Das zweite Schwellwertsignal wird durch Integration des korrigierten Spannungssignals (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) im zweiten Integrator (Int_1V) erzeugt. Das Signal ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
S_1W drittes Schwellwertsignal. Das dritte Schwellwertsignal wird durch Integration des korrigierten Spannungssignals (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W) im dritten Integrator (Int_1W) erzeugt. Das Signal ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
S_2U viertes Schwellwertsignal. Das vierte Schwellwertsignal wird durch Integration des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) im vierten Integrator (Int_2U) erzeugt. Das Signal ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
S_2V fünftes Schwellwertsignal. Das fünfte Schwellwertsignal wird durch Integration des korrigierten Spannungssignals (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) im fünften Integrator (Int_2V) erzeugt. Das Signal ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
S_2W sechstes Schwellwertsignal. Das sechste Schwellwertsignal wird durch Integration des korrigierten Spannungssignals (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W) im sechsten Integrator (Int_2W) erzeugt. Das Signal ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
Sgn_U erste Vorzeicheneinheit. Die erfindungsgemäße erste Vorzeicheneinheit ermittelt das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U). Sie gibt das erste Vorzeichensignal (Sig_U) aus. Dieser Vorrichtungsteil ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
Sgn_V zweite Vorzeicheneinheit. Die erfindungsgemäße zweite Vorzeicheneinheit ermittelt das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V). Sie gibt das zweite Vorzeichensignal (Sig_V) aus. Dieser Vorrichtungsteil ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
Sgn_W dritte Vorzeicheneinheit. Die erfindungsgemäße dritte Vorzeicheneinheit ermittelt das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W). Sie gibt das dritte Vorzeichensignal (Sig_W) aus. Dieser Vorrichtungsteil ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
Sig_U erstes Vorzeichensignal. Das erste Vorzeichensignal repräsentiert das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U). Das Signal ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
Sig_V zweites Vorzeichensignal. Das zweite Vorzeichensignal repräsentiert das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V). Das Signal ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
Sig_W drittes Vorzeichensignal. Das dritte Vorzeichensignal repräsentiert das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W). Das Signal ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
SdT Markierung der betreffenden Figur als Stand der Technik
SpS virtuelles Sternpunktsignal. Das virtuelle Sternpunktsignal ist vorzugsweise die Summe des ersten, zweiten und dritten reduzierten Klemmensignals (U_r, V_r, W_r) und wird im ersten Summierer (SU₁) gebildet. Das Signal ist allen Motoranschlüssen (U, V, W) zugeordnet.
SpT₁ erster Spannungsteiler. Der erste Spannungsteiler reduziert die Spannung am ersten Motoranschluss (U) um einen Faktor 1/3 zum reduzierten ersten Klemmensignal (U_r). Dieser Vorrichtungsteil ist allen Motoranschlüssen (U, V, W) zugeordnet.
SpT₂ zweiter Spannungsteiler. Der zweite Spannungsteiler reduziert die Spannung am zweiten Motoranschluss (V) um einen Faktor 1/3 zum reduzierten zweiten Klemmensignal (V_r). Dieser Vorrichtungsteil ist allen Motoranschlüssen (U, V, W) zugeordnet.
SpT₃ dritter Spannungsteiler. Der dritte Spannungsteiler reduziert die Spannung am dritten Motoranschluss (W) um einen Faktor 1/3 zum reduzierten dritten Klemmensignal (W_r). Dieser Vorrichtungsteil ist allen Motoranschlüssen (U, V, W) zugeordnet.
SSt Systemsteuerung Es handelt sich typischerweise um einen endlichen Automaten als Ablaufsteuerung und/oder einen Mikroprozessor mit Speicher. Die Systemsteuerung umfasst in einer besonderen Ausprägung der Erfindung insbesondere typischerweise einen oder mehrere Analog-zu-Digital-Wandlern und ggf. weitere Speicher, die ggf. Initialwerte für den vierten Integrator (Int_2U), den fünften Integrator (Int_2V) und/oder den sechsten Integrator (Int_2W) sichern. Dieser Initialwert (V₀) kann ggf. auch in Form von drei separaten Initialwerten spezifisch für den jeweiligen Zweig (ZW₁, ZW₂, ZW₃) erzeugt werden. Nach dem Abschalten der Versorgungsspannung würde das System jedoch den jeweiligen erfindungsgemäßen Initialwert verlieren und müsste beim nächsten Wiedereinschalten wieder eine erneute Parametrierung durchführen. Es ist daher sinnvoll, wenn der jeweilige erfindungsgemäße Initialwert in einem nicht flüchtigen, vorzugsweise digitalen Speicher vorzugsweise innerhalb der Systemsteuerung (SSt) gesichert wird und als jeweiliger zugeordneter spezifischer Initialwert beim Neustart des Systems in den vierten Integrator (Int_2U) bzw. in den fünften Integrator (Int_2V) bzw. in den sechsten Integrator (Int_2W) geladen wird. Dieser Vorrichtungsteil ist typischerweise allen Motoranschlüssen (U, V, W) zugeordnet.
St Ansteuerblock. Der Ansteuerblock erzeugt die Signale für die drei Motoranschlüsse (U, V, W) aus den Kommutierungssignalen A₁, A₂, A₃. Diese Ansteuerschaltung zur Blockkommutierung weist typischerweise drei nicht gezeichnete Halbbrücken auf. Eine erste Halbbrücke ist dabei mit ihrem Ausgang mit dem ersten Motoranschluss (U) verbunden. Eine zweite Halbbrücke ist dabei mit ihrem Ausgang mit dem zweiten Motoranschluss (V) verbunden. Eine dritte Habbrücke ist dabei mit ihrem Ausgang mit dem dritten Motoranschluss (W) verbunden. Jeder der Habbrücken weist typischerweise einen oberen Schalter auf, der den Ausgang der betreffenden Halbbrücke mit einer oberen Versorgungsspannung verbinden kann und einen unteren Schalter, der den Ausgang der betreffenden Halbbrücke mit einer unteren Versorgungsspannung verbinden kann. Ein gleichzeitiges Verbinden von oberer und unterer Versorgungsspannung mit dem jeweiligen Ausgang einer Halbbrücke ist durch eine Verriegelungsschaltung innerhalb der Ansteuerschaltung zur Blockkommutierung unterbunden. Darüber hinaus weist die Ansteuerschaltung zur Blockkommutierung eine Logik auf, die mindestens sechs Zustände einnehmen kann. Diese sechs Zustände korrespondieren mit den sechs Kommutierungsintervalle (Φ₁ bis Φ₆). Mit einer vorgegebenen Flanke eines Kommutierungssignals (A₁, A₂, A₃), die fallend und/oder steigend sein kann, wechselt die Ansteuerschaltung ihren Zustand. Hierbei kann es zu einer Asynchronizität der Kommutierungssignale (A₁, A₂, A₃) kommen.
S_U erstes Setzsignal. Das erste Setzsignal wird durch den vierten Komparator (CMP_2U) erzeugt und setzt den ersten Speicher (RSFF_U) auf einen ersten logischen Wert.
SU₁ erster Summierer. Der erste Summierer bildet aus dem ersten, zweiten und dritten reduzierten Klemmensignal (U_r, V_r, W_r) ein virtuelles Sternpunktsignal (SpS). Dieser Vorrichtungsteil ist typischerweise allen Motoranschlüssen (U, V, W) zugeordnet.
SU_2U zweiter Summierer für den ersten Motoranschluss (U). Der zweite Summierer für den ersten Motoranschluss (U) subtrahiert das virtuelle Sternpunktsignal (SpS) vom Spannungssignal des ersten Motoranschlusses (U) und bildet dadurch das korrigierte Spannungssignal (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U). Dieser Vorrichtungsteil ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
SU_2V zweiter Summierer für den zweiten Motoranschluss (V). Der zweite Summierer für den zweiten Motoranschluss (V) subtrahiert das virtuelle Sternpunktsignal (SpS) vom Spannungssignal des zweiten Motoranschlusses (V) und bildet dadurch das korrigierte Spannungssignal (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V). Dieser Vorrichtungsteil ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
SU_2W zweiter Summierer für den dritten Motoranschluss (W). Der zweite Summierer für den dritten Motoranschluss (V) subtrahiert das virtuelle Sternpunktsignal (SpS) vom Spannungssignal des dritten Motoranschlusses (W) und bildet dadurch das korrigierte Spannungssignal (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W). Dieser Vorrichtungsteil ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
S_V zweites Setzsignal. Das zweite Setzsignal wird durch den fünften Komparator (CMP_2V) erzeugt und setzt den zweiten Speicher (RSFF_V) auf einen ersten logischen Wert.
S_W drittes Setzsignal. Das dritte Setzsignal wird durch den sechsten Komparator (CMP_2W) erzeugt und setzt den dritten Speicher (RSFF_W) auf einen ersten logischen Wert.
t₁ erster Zeitpunkt. Der erste Zeitpunkt liegt innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls und zeitlich nach dem zweiten Zeitpunkt (t₂) innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls, sofern die Ermittlung des ersten Zeitpunkts nicht gestört ist. Mit dem zweiten Zeitpunkt (t₂) wird die Kommutierung für das jeweilige Freilaufintervall synchron zum ersten Zeitpunkt ermöglicht. Sofern der erste Zeitpunkt (t₁) vor dem zweiten Zeitpunkt (t₂) zeitlich innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls liegt, erfolgt die Kommutierung zum zweiten Zeitpunkt (t₂), ansonsten typischerweise zum ersten Zeitpunkt (t₁) innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls.
t₂ zweiter Zeitpunkt. Der zweite Zeitpunkt liegt nach dem Beginn des jeweiligen Freilaufintervalls und zeitlich vor dem ersten Zeitpunkt (t₁) innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls, sofern die Ermittlung des ersten Zeitpunkts (t₁) nicht gestört ist. Mit dem zweiten Zeitpunkt wird die Kommutierung für das jeweilige Freilaufintervall ermöglicht. Sofern der erste Zeitpunkt (t₁) vor dem zweiten Zeitpunkt zeitlich innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls liegt, erfolgt die Kommutierung zum zweiten Zeitpunkt (t₂), ansonsten typischerweise zum ersten Zeitpunkt (t₁) innerhalb des jeweiligen Freilaufintervalls.
U erster Motoranschluss des beispielhaften BLDC Motors
U_r reduziertes erstes Klemmensignal. Der Spannungspegel liegt vorzugsweise um den Faktor 1/3 niedriger als die Spannung am ersten Motoranschluss (U). Das Signal ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
U_korr korrigiertes Spannungssignal (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U). Das korrigierte Spannungssignal (U_korr) des ersten Motoranschlusses (U) wird im zugehörigen zweiten Summierer (SU_2U) durch Subtraktion des virtuellen Sternpunktsignals (SpS) vom Spannungssignal des ersten Motoranschlusses (U) erzeugt. Das Signal ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
U'_korr begrenztes korrigiertes Spannungssignal (U'_korr) des ersten Motoranschlusses (U). Das Signal ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
V zweiter Motoranschluss des beispielhaften BLDC Motors
V_r reduziertes zweites Klemmensignal. Der Spannungspegel liegt vorzugsweise um den Faktor 1/3 niedriger als die Spannung am zweiten Motoranschluss (V). Das Signal ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
V_Ref2 Referenzsignal
V_U Referenzspannung für die erste Motorphase (U)
V_V Referenzspannung für die zweite Motorphase (V)
V_W Referenzspannung für die dritte Motorphase (W)
V_korr korrigiertes Spannungssignal (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V). Das korrigierte Spannungssignal (V_korr) des zweiten Motoranschlusses (V) wird im zugehörigen zweiten Summierer (SU_2V) durch Subtraktion des virtuellen Sternpunktsignals (SpS) vom Spannungssignal des zweiten Motoranschlusses (V) erzeugt. Das Signal ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
V'_korr begrenztes korrigiertes Spannungssignal (V'_korr) des zweiten Motoranschlusses (V). Das Signal ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
W dritter Motoranschluss des beispielhaften BLDC Motors
W_r reduziertes drittes Klemmensignal. Der Spannungspegel liegt vorzugsweise um den Faktor 1/3 niedriger als die Spannung am dritten Motoranschluss (W). Das Signal ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
W_korr korrigiertes Spannungssignal (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W). Das korrigierte Spannungssignal (W_korr) des dritten Motoranschlusses (W) wird im zugehörigen zweiten Summierer (SU_2W) durch Subtraktion des virtuellen Sternpunktsignals (SpS) vom Spannungssignal des dritten Motoranschlusses (W) erzeugt. Das Signal ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
W'_korr begrenztes korrigiertes Spannungssignal (W'_korr) des dritten Motoranschlusses (W). Das Signal ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.
ZW₁ erster Zweig innerhalb der EMK-Auswertung (EMKA) zur Erzeugung des ersten Kommutierungssignals (A₁) aus der EMK am ersten Motoranschluss (U) während des dritten Kommutierungsintervalls (Φ₃) und während des sechsten Kommutierungsintervalls (Φ₆). Dieser Vorrichtungsteil ist dem ersten Motoranschluss (U) zugeordnet.
ZW₂ zweiter Zweig innerhalb der EMK-Auswertung (EMKA) zur Erzeugung des zweiten Kommutierungssignals (A₂) aus der EMK am zweiten Motoranschluss (V) während des ersten Kommutierungsintervalls (Φ₁) und während des vierten Kommutierungsintervalls (Φ₄). Dieser Vorrichtungsteil ist dem zweiten Motoranschluss (V) zugeordnet.
ZW₃ dritter Zweig innerhalb der EMK-Auswertung (EMKA) zur Erzeugung des dritten Kommutierungssignals (A₃) aus der EMK am dritten Motoranschluss (W) während des zweiten Kommutierungsintervalls (Φ₂) und während des fünften Kommutierungsintervalls (Φ₅). Dieser Vorrichtungsteil ist dem dritten Motoranschluss (W) zugeordnet.

Liste der zitierten Schriften

Claims

Vorrichtung zur Verhinderung fehlerhafter Kommutierungen und/oder Kommutierungszeitpunkte innerhalb einer Vorrichtung zur Kommutierung zu einem vollautomatisch sensorlos bestimmten Kommutierungszeitpunkt eines bürstenlosen Gleichstrommotors (M) mit mindestens drei Motoranschlüssen (U, V, W), wobei der hier als erster Motoranschluss (U) bezeichnete Motoranschluss ein beliebiger, exemplarischer Motoranschluss dieser mindestens drei Motoranschlüsse (U, V, W) ist, mit a. einem Ansteuerblock (St) der die mindestens drei Motoranschlüsse (U, V, W) in Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆) kommutiert und bestromt bzw. nicht bestromt, wobei er den ersten Motoranschluss (U) in zugeordneten Kommutierungsintervallen (Φ₁, Φ₂, Φ₄, Φ₅) bestromt und in anderen zugeordneten Kommutierungsintervallen (Φ₃, Φ₆), den Freilaufintervallen, nicht bestromt, und b. einer ersten Teilvorrichtung (SpT₁, SpT₂, SpT₃, SU_1U), i. die ein virtuelles Sternpunktsignal (SpS) aus den elektrischen Potenzialverläufen der mindestens drei Motoranschlüsse (U, V, W) erzeugt und ii. einen ersten Spannungsteiler (SpT₁) umfasst und iii. einen zweiten Spannungsteiler (SpT₂) umfasst und iv. einen dritten Spannungsteiler (SpT₃) umfasst und v. einem ersten Summierer (SU_1U) umfasst, und c. einem zweiten Summierer (SU_2U), der ein korrigiertes Spannungssignal (U_korr) als Differenz zwischen dem elektrischen Potenzialverlauf des ersten Motoranschlusses (U) und dem virtuellen Sternpunktsignal (SpS) erzeugt, und d. einer dritten Teilvorrichtung zur Ermittlung des Wertes des magnetischen Flusses während des jeweiligen Freilaufintervalls auf Basis des korrigierten Spannungssignals (U_korr) in Form eines vierten Schwellwertsignals (S_2U) und e. einer vierten Teilvorrichtung zum Ermitteln eines ersten Zeitpunktes (t₁) in dem jeweiligen Freilaufintervall in Form einer Flanke eines ersten Kommutierungsereignissignals (A₁'), nach Beginn eines dieser Freilaufintervalle (Φ₃, Φ₆) innerhalb des betreffenden Freilaufintervalls auf Basis des ermittelten Wertes des magnetischen Flusses mittels eines durch die vierte Teilvorrichtung durchgeführten ersten Teilverfahrens, das einen ersten Zeitpunkt (t₁) in dem jeweiligen Freilaufintervall ermittelt, der einem idealen Kommutierungszeitpunkt in dem jeweiligen Freilaufintervall in einem idealen Motor in einem ungestörten Betrieb entsprechen würde und f. einer fünften Teilvorrichtung zum Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes (t₂) in dem jeweiligen Freilaufintervall in Form einer Flanke eines Setzsignals (S_U), die zeitlich nach dem Beginn des Freilaufintervalls innerhalb des betreffenden Freilaufintervalls liegt, durch ein zweites, durch die fünfte Teilvorrichtung durchgeführtes zweites Teilverfahren, das sich von dem ersten durch die vierte Teilvorrichtung durchgeführten Teilverfahren unterscheidet und das so gestaltet ist, dass der zweite Zeitpunkt (t₂) in dem jeweiligen Freilaufintervall in einem ungestörten Betrieb bei einem idealen Motor gleichzeitig vor dem ersten Zeitpunkt (t₂) und zeitlich nach dem Beginn des jeweiligen Freilaufintervalls liegen muss und g. einer sechsten Teilvorrichtung, die eine Kommutierung auf Basis des ersten Kommutierungsereignissignals (A₁') in einem realen Betriebsfall unterdrückt, wenn der zweite ermittelte Zeitpunkt (t₂) zeitlich in dem jeweiligen Freilaufintervall nach dem ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) liegt, und eine ersatzweise Kommutierung zum zweiten Zweitpunkt (t₂) in dem jeweiligen Freilaufintervall in diesem Fall durchführt, wobei die sechste Teilvorrichtung die Kommutierung in einem realen Betriebsfall zum ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) in dem jeweiligen Freilaufintervall durchführt, wenn der zweite ermittelte Zeitpunkt (t₂) in Form der Flanke des Setzsignals (S_U), zeitlich vor dem ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) in dem jeweiligen Freilaufintervall in Form der Flanke des ersten Kommutierungsereignissignals (A₁') liegt, und h. wobei die dritte Teilvorrichtung einen vierten Integrator (Int_2U) umfasst, der das korrigierte Spannungssignal (U_korr) während des jeweiligen Freilaufintervalls zu einem vierten Schwellwertsignal (S_2U) als Signal für den Wert des magnetischen Flusses integriert und/oder filtert, und i. wobei die vierte Teilvorrichtung einen ersten Komparator (CMP_1U) umfasst, der das vierte Schwellwertsignal (S_2U) mit einem Bezugspotenzial (0) und/oder einer Bezugsgröße (0) vergleicht und ein erstes Kommutierungsereignissignal (A₁') für die Kommutierung, in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs erzeugt, und j. wobei die fünfte Teilvorrichtung einen vierten Komparator (CMP_2U) umfasst, der das vierte Schwellwertsignal (S_2U) mit einem Referenzpotenzial (V_Ref2) und/oder einem Referenzwert (V_Ref2) vergleicht und ein Setzsignal (S_U) erzeugt, und k. wobei die sechste Teilvorrichtung einen ersten Speicher (RSFF_U) mit einem ersten Speicherausgang (EN_U) umfasst, der mittels des ersten Setzsignals (S_U) durch den vierten Komparator (CMP_2U) in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs auf einen Status mit der Eigenschaft „freigegeben” setzt oder nicht setzt, und l. wobei der erste Speicherausgang (EN_U) mit oder nach der Signalisierung einer Kommutierung durch das Kommutierungssignal (A₁) oder am Ende des jeweiligen Freilaufintervalls auf einen zweiten Status, der die Eigenschaft „freigegeben” nicht aufweist zurückgesetzt wird, und m. wobei eine logische Verknüpfungsvorrichtung (AND_U) dazu vorgesehen ist, eine logische Verknüpfung zwischen dem ersten Speicherausgang (EN_U) des ersten Speichers (RSFF_U) und dem ersten Kommutierungsereignissignal (A₁') durchzuführen und das Kommutierungssignal (A₁) als Ergebnis dieser Verknüpfung zu erzeugen, wenn der ersten Speicherausgang (EN_U) in einem Status mit der Eigenschaft „freigegeben” ist und wenn das vierte Schwellwertsignal (S_2U) das Bezugspotenzial (0) und/oder die Bezugsgröße (0) erreicht und/oder wertemäßig kreuzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit a. einer ersten Vorzeicheneinheit (Sgn_U), die ein erstes Vorzeichensignal (Sig_U) aus dem korrigierten Spannungssignal (U_korr), das das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (U_korr) angibt, erzeugt, und b. einer dritten Teilvorrichtung zur Ermittlung des Wertes des magnetischen Flusses in Form des vierten Schwellwertsignals (S_2U) während der besagten Freilaufintervalle auf Basis des zusätzlichen ersten Vorzeichensignals (Sgn_U), statt wie in Anspruch 1 auf Basis des korrigierten Spannungssignals (U_korr).
Verfahren zur Durchführung mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und zur Verhinderung fehlerhafter Kommutierungen und/oder Kommutierungszeitpunkte innerhalb eines Verfahrens zur Ermittlung des Kommutierungszeitpunktes eines bürstenlosen Gleichstrommotors (M) mit mindestens drei Motoranschlüssen (U, V, W), das den magnetischen Fluss bewertet, wobei der hier mit erstem Motoranschluss (U) bezeichnete Motoranschluss ein beliebiger, exemplarischer Motoranschluss dieser mindestens drei Motoranschlüsse (U, V, W) ist, umfasend die Schritte a. Kommutieren und Bestromen der mindestens drei Motoranschlüsse (U, V, W) in Kommutierungsintervallen (Φ₁ bis Φ₆) durch einen Ansteuerblock (St); b. Bestromen des ersten Motoranschlusses (U) in einer Teilmenge der Kommutierungsintervalle (Φ₁, Φ₂, Φ₄, Φ₅) durch den Ansteuerblock (St); c. Nicht-Bestromen des ersten Motoranschlusses (U) in den anderen Kommutierungsintervallen (Φ₃, Φ₆), den Freilaufintervallen, durch den Ansteuerblock (St); d. integrierendes Erfassen der EMK zur Ermittlung des magnetischen Flusses an dem ersten Motoranschluss (U) innerhalb eines oder mehrerer Freilaufintervalle, die eines oder mehrere der Kommutierungsintervalle (Φ₃, Φ₆) sind, in denen der erste Motoranschluss (U) durch den Ansteuerblock (St) nicht bestromt wird; e. Erzeugen eines Sternpunktsignals (SpS) aus den elektrischen Potenzialverläufen mindestens dreier Motoranschlüsse (U, V, W) durch eine erste Teilvorrichtung (SpT₁, SpT₂, SpT₃, SU_1U); f. Bildung eines korrigierten Spannungssignals (U_korr) als Differenz zwischen dem elektrischen Potenzialverlauf des ersten Motoranschlusses (U) und dem virtuellen Sternpunktsignal (SpS); g. Integration des korrigierten Spannungssignals (U_korr) zur Erfassung des Wertes des magnetischen Flusses während eines betreffenden Freilaufintervalls zu einem vierten Schwellwertsignal (S_2U) durch einen vierten Integrator (Int_2u); h. Ermitteln eines ersten Zeitpunktes (t₁) nach Beginn eines dieser Freilaufintervalle (Φ₃, Φ₆) als dem betreffenden Freilaufintervall auf Basis des erfassten Wertes des magnetischen Flusses mittels eines ersten Teilverfahrens, das einen ersten Zeitpunkt (t₁) in dem betreffenden Freilaufintervall ermittelt, der einem idealen Kommutierungszeitpunkt in dem betreffenden Freilaufintervall für einen idealen Motor in einem ungestörten Betrieb entsprechen würde, i. wobei das erste Teilverfahren das Vergleichen des vierten Schwellwertsignals (S_2U) mit einem Bezugspotenzial (0) und/oder einer Bezugsgröße (0) mittels eines ersten Vergleichers (CMP_1U) und das Erzeugen eines ersten Kommutierungsereignissignals (A₁'), das den ersten Zeitpunkt (t₁) in dem betreffenden Freilaufintervall markiert, in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs umfasst; j. Ermitteln eines zweiten Zeitpunktes (t₂) in dem betreffenden Freilaufintervall der zeitlich nach dem Beginn des betreffenden Freilaufintervalls liegt durch ein zweites Teilverfahren, das von dem ersten Teilverfahren verschieden ist und das so gestaltet ist, dass der zweite Zeitpunkt (t₂) in dem betreffenden Freilaufintervall in einem ungestörten Betrieb für einen idealen Motor gleichzeitig vor dem ersten Zeitpunkt (t₁) in dem betreffenden Freilaufintervall liegen muss, k. wobei das zweite Teilverfahren das Vergleichen des vierten Schwellwertsignals (S_2U) mit einem Referenzpotenzial (V_Ref2) und/oder mit einem Referenzwert (V_Ref2) mittels eines vierten Vergleichers (CMP_2U) und die Erzeugung eines ersten Setzsignals (S_U) in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs durch den vierten Vergleicher (CMP_2U) umfasst und. l. wobei das ersten Setzsignals (S_U) den zweiten Zeitpunkt (t₂) in dem betreffenden Freilaufintervall markiert; m. Unterdrückung einer Kommutierung in dem betreffenden Freilaufintervall in einem realen Betriebsfall zum ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) in dem betreffenden Freilaufintervall, wenn der zweite ermittelte Zeitpunkt (t₂) zeitlich nach dem ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) in dem betreffenden Freilaufintervall liegt und ersatzweise Kommutierung zum zweiten Zweitpunkt (t₂) in dem betreffenden Freilaufintervall in diesem Fall durch Kommutierung in dem betreffenden Freilaufintervall in einem realen Betriebsfall zum ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) in dem betreffenden Freilaufintervall, wenn der zweite ermittelte Zeitpunkt (t₂) in dem betreffenden Freilaufintervall zeitlich vor dem ersten ermittelten Zeitpunkt (t₁) in dem betreffenden Freilaufintervall liegt.
Verfahren nach Anspruch 3 umfassend die folgenden Schritte zur Unterdrückung und Auslösung der Kommutierung in dem betreffenden Freilaufintervall: a. Setzen des ersten Speicherausgangs (EN_U) eines ersten Speichers (RSFF_U) in Abhängigkeit vom ersten Setzsignal (S_U) auf einen Status mit der Eigenschaft „freigegeben”; b. Erzeugen eines Kommutierungssignals (A₁) für die Kommutierung durch eine logische Verknüpfung (AND_U), wenn der erste Speicherausgangs (EN_U) in einem Status mit der Eigenschaft „freigegeben” ist und wenn der Wert des vierten Schwellwertsignals (S_2U) den Wert des Referenzsignals (V_Ref2) erreicht und/oder wertemäßig kreuzt; c. Zurücksetzen des ersten Speicherausgangs (EN_U) des ersten Speichers (RSFF_U) mit oder nach der Signalisierung einer Kommutierung durch das Kommutierungssignal (A₁) auf einen zweiten Status, der die Eigenschaft „freigegeben” nicht aufweist oder spätestens am Ende des betreffenden Freilaufintervalls.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 4 umfassend die Schritte a. des Erzeugens eines ersten Vorzeichensignals (Sig_U) mittels einer ersten Vorzeicheneinheit (Sgn_U) aus dem korrigierten Spannungssignal (U_korr), das das Vorzeichen des korrigierten Spannungssignals (U_korr) angibt und b. der Integration des ersten Vorzeichensignals (Sig_U) zur integrierenden Erfassung der EMK in den Freilaufintervallen zu einem vierten Schwellwertsignal (S_2U) durch einen vierten Integrator (Int_2U); statt des Schritts c. Integration des korrigierten Spannungssignals (U_korr) zur Erfassung des magnetischen Flusses während der besagten Freilaufintervalle zu einem vierten Schwellwertsignal (S_2U) durch einen vierten Integrator (Int_2U).