DE102020105530A1

DE102020105530A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kommutierung eines elektrischen Motors

Info

Publication number: DE102020105530A1
Application number: DE102020105530.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Eisenring; Fabian Armbruster; Mathias Moser
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors sowie eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Bestimmen eines Stroms durch eine Phasenwicklung des bürstenlosen Gleichstrommotors während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor. Der Strom wird mit einem Triggerschwellenwert verglichen, um einen Triggerzeitpunkt zu bestimmen, zu dem der Strom den Triggerschwellenwert erreicht. Basierend auf dem Triggerzeitpunkt wird ein zweiter Kommutierungszeitpunkt für eine zweite Kommutierung des Antriebssignals bestimmt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektrotechnik und betrifft ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors sowie eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor.
HINTERGRUND
Elektrische Kleinmotoren wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) kommen unter anderem im Automobilbereich und in der Automatisierungstechnik zur Anwendung, zum Beispiel als Servomotor, Lüftermotor oder Antrieb für Klappensteller oder Ventile, beispielsweise Nadelventile. Zur Steuerung und Überwachung können solche bürstenlosen Gleichstrommotoren mit Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren ausgestattet sein, um Motorparameter wie die Rotorstellung oder die Rotordrehzahl zu bestimmen. Aus Kosten- oder Platzgründen kommt der Einbau von Sensoren für viele Anwendungen allerdings nicht in Frage. In diesen Fällen kommen daher sensorlose bürstenlosen Gleichstrommotoren zum Einsatz, die sich aufgrund ihrer kompakten Bauweise und ihrer hohen Effizienz gerade für derartige Anwendungen eignen.
Jedoch ist bei BLDC-Motoren ein sensorloser Betrieb nicht ohne weiteres zu realisieren, da diese Motoren eine auf die Rotorlage abgestimmte Kommutierung elektrischer Antriebsignale erfordern. Daher werden Verfahren benötigt, die indirekte Rückschlüsse auf die Rotorlage erlauben. Ein solches Verfahren basiert auf der Messung der Spannung, die durch die Rotorbewegung in einer Phasenwicklung des Motors im unbestromten Zustand induziert wird und häufig als back electromotive force (BEMF)/elektromotorische Kraft (EMK) bzw. BEMF-Spannung bezeichnet wird. Abhängig von der Motorgeometrie weist die BEMF-Spannung einen oder mehrere charakteristische Nulldurchgänge auf, wobei ein Nulldurchgang auftritt, wenn der Rotor eine bestimmte Stellung durchläuft. Anhand eines solchen Nulldurchgangs kann somit der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem sich ein bewegter Rotor in dieser Stellung befindet. Dies ermöglicht es, die Antriebssignale der Rotorlage entsprechend zu kommutieren.
Dieses Verfahren ist allerdings nur für Motoren mit hohen Drehzahlen geeignet, da die induzierte Spannung mit abnehmender Drehzahl kleiner wird. Es kann daher in der Regel unterhalb einer Drehzahl von etwa 800 1/min nicht mehr eingesetzt werden. Dies ist bei der Beschleunigung des Rotors aus dem Stillstand der Fall, aber auch im Regelbetrieb von niedrig drehenden bürstenlosen Gleichstrommotoren. Solche Motoren kommen häufig zum Einsatz, wenn eine präzise Bewegung eines Stellglieds, gegebenenfalls in Kombination mit einer großen Kraft, erforderlich ist, beispielsweise zur Steuerung von Nadelventilen. In diesen Situationen wird nach dem Stand der Technik die Kommutierung blind, d.h. unabhängig von der Rotorlage, durchgeführt. Die fehlende Synchronisation der Kommutierungen führt zu einer niedrigeren Effizienz des Motors und kann Vibrationen verursachen, die einen höheren Verschleiß nach sich ziehen und sensorlose BLDC-Motoren für bestimmte Anwendungen ungeeignet machen können.
ÜBERBLICK
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors und eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und einer entsprechenden Steuereinheit anzugeben, welche eine gezielte Ansteuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors über einen weiten Drehzahlbereich ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors vorgesehen, welches folgende Schritte umfasst: (1) Bestimmen eines Stroms durch eine Phasenwicklung des bürstenlosen Gleichstrommotors während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor; (2) Vergleichen des Stroms mit einem Triggerschwellenwert, um einen Triggerzeitpunkt zu bestimmen, zu dem der Strom den Triggerschwellenwert erreicht; und (3) Bestimmen eines zweiten Kommutierungszeitpunktes für eine zweite Kommutierung des Antriebssignals basierend auf dem Triggerzeitpunkt. Die Nummerierung der Schritte dient ausschließlich der Klarheit und impliziert keinesfalls eine bestimmte Abfolge, in der die Schritte ausgeführt werden. Soweit technisch möglich, können Schritte vertauscht werden und das Verfahren und sämtliche weiteren Ausgestaltungen in einer beliebigen Abfolge ausgeführt werden. Insbesondere können einige Schritte zumindest zum Teil gleichzeitig ausgeführt werden. Der bürstenlose Gleichstrommotor kann beispielsweise als dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor oder als zweiphasiger bürstenloser Schrittmotor ausgebildet sein.
Die Phasenwicklung kann beispielsweise eine Antriebsspule oder eine Reihen- und/oder Parallelschaltung mehrerer Antriebsspulen umfassen. Der Strom kann zum Beispiel durch eine direkte Messung in der Phasenwicklung selbst oder in einer zugehörigen Zuleitung bestimmt werden. In anderen Fällen kann eine zum Strom proportionale Größe bestimmt werden, etwa ein durch den Strom erzeugtes Magnetfeld oder ein Spannungsabfall über einen bekannten Widerstand. In manchen Ausführungsformen kann der gemessene Strom der Strom durch mehrere in Reihe geschaltete Phasenwicklungen des bürstenlosen Gleichstrommotors und insbesondere der Gesamtstrom durch den bürstenlosen Gleichstrommotor sein. Der Strom kann kontinuierlich während des gesamten Messzeitraums bestimmt werden oder zu einer Vielzahl von diskreten Messzeitpunkten während des Messzeitraums. Die Bestimmung des Stroms kann das Erzeugen eines analogen oder digitalen Messsignals umfassen, welches die Amplitude des Stroms als Funktion der Zeit charakterisiert. In manchen Ausführungsformen kann das Bestimmen des Stroms eine zeitliche Mittelwertbildung umfassen, beispielsweise um Fluktuationen zu glätten, und/oder eine Inter- oder Extrapolation zwischen diskreten Datenpunkten.
Das elektrische Antriebssignal kann zum Beispiel eine von einer Spannungsquelle bereitgestellte Antriebsspannung für eine oder mehrere Phasenwicklungen oder eine Vielzahl von Antriebsspannungen für jeweils eine Phasenwicklung sein. Die erste Kommutierung umfasst ein Umschalten des elektrischen Antriebssignals, beispielsweise einen Vorzeichenwechsel einer Antriebsspannung oder das Anlegen einer Antriebsspannung an eine Phasenwicklung und/oder das Trennen einer Antriebsspannung von einer Phasenwicklung.
Der Messzeitraum kann unmittelbar im Anschluss an die erste Kommutierung beginnen oder kann um ein vordefiniertes Zeitintervall gegenüber der ersten Kommutierung verschoben sein. Der Messzeitraum kann einen vordefinierten Endpunkt aufweisen, beispielsweise ein Kommutierungs-Timeout Δt nach der ersten Kommutierung, zu dem spätestens die nächste Kommutierung erfolgen soll.
Der Verlauf des Stroms wird mit dem Triggerschwellenwert verglichen, beispielsweise mittels einer analogen und/oder digitalen Komparatorschaltung oder einer mikroprozessorbasierten Datenverarbeitung. Anhand des Vergleichs wird der Triggerzeitpunkt bestimmt, zu dem der Strom dem Triggerschwellenwert entspricht. Der Triggerzeitpunkt kann beispielsweise der zeitlich erste Zeitpunkt innerhalb des Messzeitraums sein, zu dem der Strom den Triggerschwellenwert erreicht.
Basierend auf dem Triggerzeitpunkt wird anschließend der zweite Kommutierungszeitpunkt bestimmt, zu dem eine zweite Kommentierung des Antriebsignals durchgeführt werden soll. Damit stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine einfach zu implementierende und kostengünstige Lösung dar, Kommutierungszeitpunkte für einen bürstenlosen Gleichstrommotor ohne Sensoren zur Messung der Motorlage zu bestimmen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die oben beschriebenen Anwendungen mit strikten Anforderungen an Kosten, Komplexität und Größe des Motors wünschenswert. Viele bürstenlose Gleichstrommotoren sind bereits dazu eingerichtet, den Strom durch eine Phasenwicklung zu bestimmen, beispielsweise über eine Spannungsmessung an einem Shunt-Widerstand. Zudem kann ein Vergleich des gemessenen Stroms mit einem Schwellenwert mit Hilfe eines Mikrocontrollers implementiert werden und erfordert nur eine geringe Rechenleistung. Ein Mikrocontroller ist bei vielen Motoren bereits in der zugehörigen Steuereinheit verbaut, so dass für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vielfach nur eine entsprechende Modifikation der Steuereinheit nötig ist. Zudem kann das erfindungsgemäß Verfahren über einen weiten Drehzahlbereich zuverlässig eingesetzt werden und insbesondere bereits bei sehr geringen Drehzahlen, z.B. auch bei einer Drehzahl von weniger als 50 1/min.
Der Triggerschwellenwert kann beispielsweise basierend auf einem idealen Verlauf des Stroms durch die Phasenwicklung bestimmt werden. Der ideale Verlauf kann z.B. der Stromverlauf sein, bei dem der bürstenlose Gleichstrommotor im Mittel das höchste Drehmoment generiert und/oder die höchste Energieeffizienz aufweist. Der ideale Verlauf kann im Voraus für die jeweilige Motorengeometrie beispielsweise anhand eines physikalischen Modells berechnet oder empirisch bestimmt werden.
Der Triggerschwellenwert kann abhängig von einem Sollstromwert für die Phasenwicklung bestimmt werden. Der Sollstromwert kann beispielsweise dem Strom durch die Phasenwicklung entsprechen, der sich beim Anlegen einer konstanten Versorgungsspannung an den bürstenlosen Gleichstrommotor im Gleichgewicht einstellt. Die Versorgungsspannung kann z.B. basierend auf einem zu generierenden Solldrehmoment und/oder einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand der Phasenwicklung und/oder des bürstenlosen Gleichstrommotors berechnet werden. Der Triggerschwellenwert kann beispielsweise dem Sollstromwert entsprechen oder um einen vordefinierten relativen oder absoluten Offset von diesem abweichen. Der Triggerschwellenwert kann insbesondere der Differenz aus dem Sollstromwert und einem Vorkommutierungs-Offset entsprechen. Der Vorkommutierungs-Offset kann beispielsweise ein vordefinierter Anteil des Sollstroms sein, zum Beispiel zwischen 0% und 25 % des Sollstroms.
In manchen Ausführungsformen kann der Vorkommutierungs-Offset als Funktion der Zeit variieren. Der Vorkommutierungs-Offset kann abhängig von einem Zustand des bürstenlosen Gleichstrommotors gewählt werden, zum Beispiel abhängig von einer Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotor und/oder abhängig davon ob sich der bürstenlose Gleichstrommotor in einer Startphase befindet, in der der bürstenlose Gleichstrommotor aus dem Stillstand angefahren wird, oder in einer auf die Startphase folgenden Anlaufphase, in der der bürstenlose Gleichstrommotor beispielsweise auf eine Solldrehzahl beschleunigt wird, oder in einer auf die Anlaufphase folgenden Dauerbetriebsphase befindet, in der der bürstenlose Gleichstrommotor z.B. die Solldrehzahl erreicht hat.
Der Vorkommutierungs-Offset wird in vorteilhaften Ausgestaltungen so gewählt, dass der Motor zu jedem Zeitpunkt im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Dies kann generell dazu führen, dass der Vorkommutierungs-Offset während einer Beschleunigungsphase des BLDC-Motors im Wesentlichen konstant bleibt, oder vergrößert oder verringert wird.
Der Vorkommutierungs-Offset kann zum Beispiel während der Anlaufphase von einem Anlauf-Offsetwert auf einen Betriebs-Offsetwert reduziert werden. Der Anlauf-Offsetwert kann zum Beispiel zwischen 10% und 25% des Sollstroms betragen, in einem Beispiel zwischen 15 % und 20 %. Der Betriebs-Offsetwert kann zum Beispiel zwischen 0% und 4% des Sollstroms betragen, in einem Beispiel zwischen 1% und 3%. Der Anlauf-Offsetwert und/oder der Betriebs-Offsetwert können beispielsweise abhängig von einer Last des bürstenlosen Gleichstrommotors, einer Stellung eines mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor gekoppelten Stellungsglied und/oder einer gewünschten Beschleunigung gewählt werden. Der Vorkommutierungs-Offset kann beispielsweise linear von dem Anlauf-Offsetwert auf den Betriebs-Offsetwert reduziert werden, d.h. um einen gleichbleibenden Betrag in jeder Kommutierungsphase. Alternativ kann der Vorkommutierungs-Offset einen nicht-linearen Verlauf aufweisen, beispielsweise basierend auf einer vorgegebenen Beschleunigungskurve. Der Vorkommutierungs-Offset kann zudem während einer Abbremsphase wieder erhöht werden, beispielsweise gegenläufig zur Reduktion während Anlaufphase.
Die erste Kommutierung kann beispielsweise eine Zwangskommutierung zu einem vordefinierten ersten Kommutierungszeitpunkt sein, d. h. eine Kommutierung, die unabhängig von der Rotorlage durchgeführt wird. Alternativ kann die erste Kommutierung eine abhängig von der Rotorlage durchgeführte Kommutierung und/oder eine Kommutierung sein, die zu einem zu mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Kommutierungszeitpunkt durchgeführt wird.
In manchen Ausführungsformen kann der bürstenlose Gleichstrommotor beispielsweise in der Startphase durch Zwangskommutierungen aus dem Stillstand beschleunigt werden und anschließend während der Anlaufphase das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden, um die Kommutierungszeitpunkte zu bestimmen. In manchen Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in der Dauerbetriebsphase eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können in der Anlauf- und/oder Dauerbetriebsphase die Kommutierungszeitpunkte auch anhand der BEMF-Spannung und/oder anhand charakteristischer Kurvenpunkte des Stromverlaufs bestimmt werden, beispielsweise wie im Folgenden beschrieben. In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens kann die zur Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte verwendete Methode abhängig von einer Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors gewählt werden. Beispielsweise können die Kommutierungszeitpunkte unterhalb einer ersten Mindestdrehzahl von z.B. 800 1/min anhand des Triggerschwellenwerts bestimmt werden und anhand der BEMF-Spannung oberhalb der ersten Mindestdrehzahl und/oder anhand des Triggerschwellenwerts unterhalb einer zweiten Mindestdrehzahl von z.B. 50 1/min und anhand charakteristischer Kurvenpunkte oberhalb der zweiten Mindestdrehzahl.
Der zweite Kommutierungszeitpunkt kann dem Triggerzeitpunkt entsprechen, d. h. die zweite Kommutierung kann z.B. unmittelbar durchgeführt werden, sobald der Strom den Triggerschwellenwert erreicht. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Kommutierungszeitpunkt gegenüber dem Triggerzeitpunkt um eine vordefinierte Zeitverzögerung verschoben sein. Die Zeitverzögerung kann ähnlich wie der Vorkommutierungs-Offset als Funktion der Zeit variieren, beispielsweise abhängig vom Zustand des bürstenlosen Gleichstrommotors.
In manchen Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin einen Schritt umfassen, in dem bestimmt wird, ob der Strom während des Messzeitraums einen charakteristischen Kurvenpunkt aufweist sowie gegebenenfalls zusätzlich ein Referenzzeitpunkt bestimmt werden, zu dem der charakteristische Kurvenpunkts auftritt. Ein charakteristischer Kurvenpunkts kann beispielsweise ein Extremum, d.h. ein Minimum oder Maximum, ein Sattelpunkt und/oder ein Wendepunkt sein. Solche charakteristischen Kurvenpunkte können Rückschlüsse auf die Lage eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors ermöglichen und es somit ebenfalls erlauben, einen dynamischen Kommutierungszeitpunkt ohne Rotorlagesensor zu bestimmen.
In manchen Ausführungsformen kann daher der zweite Kommutierungszeitpunkt basierend auf dem Triggerzeitpunkt und dem Referenzzeitpunkt bestimmt werden. In einem Beispiel kann ein erster potentieller Kommutierungszeitpunkt auf Basis des Triggerzeitpunkt bestimmt werden, z.B. wie oben beschrieben, und zusätzlich ein zweiter potentieller Kommutierungszeitpunkt auf Basis des Referenzzeitpunkts bestimmt werden. Der erste und der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt können insbesondere unabhängig vom Referenzzeitpunkt bzw. Triggerzeitpunkt bestimmt werden. In manchen Ausführungsformen kann der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt beispielsweise der Summe aus dem Referenzzeitpunkt und der Differenz zwischen dem Referenzzeitpunkt und dem ersten Kommutierungszeitpunkt entsprechen. Die Bestimmung des zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkts kann zudem das Addieren oder Subtrahieren eines Zeitoffset umfassen.
Der zweite Kommutierungszeitpunkt kann auf Basis des ersten und des zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkts bestimmt werden. In manchen Ausführungsformen wird für den zweiten Kommutierungszeitpunkt der erste potentielle Kommutierungszeitpunkt gewählt, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt mehr als eine vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkts liegt oder kein charakteristische Kurvenpunkt während des Messzeitraums auftritt. Liegt der zweite Kommutierungszeitpunkt weniger als die vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkts, wird der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt für den zweiten Kommutierungszeitpunkt gewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann es somit ermöglichen, eine Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkt basierend auf dem charakteristischen Kurvenpunkt zu verbessern, indem der anhand des Triggerschwellenwerts bestimmte erste potentielle Kommutierungszeitpunkt als „Timeout“ verwendet wird, um eine Kommutierung zu erzwingen, falls kein charakteristischer Kurvenpunkt rechtzeitig erkannt wird. Die Bestimmung des zweiten Kommutierungszeitpunkt anhand des Triggerschwellenwerts kann insbesondere bei sehr niedrigen Drehzahlen, beispielsweise weniger als 50 1/min, und/oder einer hohen Motorlast zuverlässiger als die Bestimmung anhand des charakteristischen Kurvenpunkts sein. In diesem Drehzahlbereich kann die induzierte Spannung, welche den charakteristischen Kurvenpunkt hervorrufen kann, zu gering sein, um eine zuverlässige Bestimmung des charakteristischen Kurvenpunkt zu ermöglichen, beispielsweise sobald die induzierte Spannung weniger als 0,2 V oder weniger als 0,1 V beträgt
In manchen Ausführungsformen kann das erfindungsgemäße Verfahren mehrfach wiederholt werden, beispielsweise für jede einer Vielzahl von Kommutierungsphasen. Der zweite Kommutierungszeitpunkt kann basierend auf dem Triggerzeitpunkt und einem oder mehreren vorangegangenen Kommutierungszeitpunkten bestimmt werden. Beispielsweise kann der zweite Kommutierungszeitpunkt einem gewichteten Mittelwert der vorangegangenen Kommutierungszeitpunkte und eines auf Basis des Triggerzeitpunkt bestimmten potentiellen Kommutierungszeitpunkts entsprechen. Damit kann etwa in der Dauerbetriebsphase eine ungünstige Kommutierung aufgrund einer kurzfristigen Stromspitze verhindert werden.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, der mindestens eine Phasenwicklung aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren zur Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors wie oben beschrieben auszuführen, um einen zweiten Kommutierungszeitpunkt zu bestimmen. Die Steuereinheit ist weiterhin dazu eingerichtet, eine Kommutierung eines elektrischen Antriebsignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor zum zweiten Kommutierungszeitpunkt durchzuführen.
Die Vorrichtung kann eine Spannungsquelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine Antriebsspannung als Antriebssignal für den bürstenlosen Gleichstrommotor bereitzustellen. In manchen Ausführungsformen kann die Spannungsquelle eine pulsweitenmodulierte (PWM) Antriebsspannung ausgeben. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Spannungsquelle zu steuern, insbesondere eine Amplitude und/oder ein PWM-Tastverhältnis der Antriebsspannung. Die Vorrichtung kann weiterhin eine Kommutierungsschaltung wie beispielsweise eine Brückenschaltung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Antriebsspannung zu kommutieren, z.B. auf Basis eines von der Steuereinheit generierten Trigger- oder Steuersignals.
In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung einen Shunt-Widerstand umfassen, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Strom durch Messung eines Stroms über den Shunt-Widerstand zu bestimmen. Der Shunt-Widerstand kann sich beispielsweise in einer Zuleitung für den bürstenlosen Gleichstrommotor und/oder für die Phasenwicklung oder innerhalb der Brückenschaltung befinden. Der Shunt-Widerstand kann insbesondere zwischen der Phasenwicklung und einem Erdungskontakt angeordnet sein. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine am Shunt-Widerstand abfallende Spannung zu messen und anhand eines bekannten Widerstands des Shunt-Widerstands den Strom über den Shunt-Widerstand zu berechnen. In manchen Ausgestaltungen kann die Vorrichtung mehrere Shunt-Widerstände aufweisen, zum Beispiel je einen Shunt-Widerstand in der Zuleitung jeder Phasenwicklung beziehungsweise jeweils zwischen einer Phasenwicklung und Masse. Entsprechend kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, den Strom durch jeden dieser Shunt-Widerstände zu messen. In anderen Ausgestaltungen kann die Strommessung auch mittels einer in der Brückenschaltung angeordneten Stromspiegelschaltung erfolgen.
Die Steuereinheit kann als Hardware und/oder Software implementiert sein. Die Steuereinheit kann beispielsweise einen Mikrocontroller aufweisen, der einen Prozessor und ein Speichermedium umfasst, wobei das Speichermedium Programmbefehle enthält, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit analoge oder digitale elektronische Schaltungen umfassen.
In manchen Ausführungsformen weist die Steuereinheit einen Analog-Digital-Wandler auf, der dazu eingerichtet ist, ein analoges Signal des Verlaufs des Stroms in ein digitales Signal umzuwandeln. Der Analog-Digital-Wandler kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine elektrische Spannung, die die Amplitude des Stroms charakterisiert, in ein digitales Signal umzuwandeln. Der Mikrocontroller kann dazu eingerichtet sein, anhand des digitalen Signals den Strom mit dem Triggerschwellenwert zu vergleichen, um den Triggerzeitpunkt zu bestimmen, z.B. wie oben beschrieben. In anderen Ausführungsformen kann die Steuereinheit eine analoge oder digitale Komparatorschaltung umfassen, die dazu eingerichtet ist, den Strom durch die Phasenwicklung mit dem Triggerschwellenwert zu vergleichen. Die Komparatorschaltung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, ein Triggersignal zu erzeugen, sobald der Strom den Triggerschwellenwert erreicht.
In manchen Ausgestaltungen ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, eine Last des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmen. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, mittels der Spannungsquelle Lageerkennungspulse für ein induktives Element des bürstenlosen Gleichstrommotors wie beispielsweise eine Phasenwicklung zu erzeugen, um die Induktivität des induktiven Elements und damit eine Stillstandslage eines Rotors des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmen. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, mittels der Spannungsquelle ein Lastabschätzungs-Antriebsignal für den bürstenlosen Gleichstrommotor zu erzeugen und die Stillstandslage des Rotors vor und nach dem Lastabschätzungs-Antriebsignal zu ermitteln, um die Last zu bestimmen. In einer anderen Ausführungsform kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Last des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmen, indem ein Strom durch ein induktives Element des bürstenlosen Gleichstrommotors gemessen wird während der Rotor um eine Gleichgewichtslage schwingt und die Amplitude einer daraus resultierenden Oszillation des Stroms bestimmt wird. Eine solche Schwingung um eine Gleichgewichtslage kann beispielsweise während einer Zwangskommutierungsphase auftreten.
Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, den Triggerschwellenwert an die Last anzupassen. Die Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, den Vorkommutierungs-Offset abhängig von der Last zu wählen, beispielsweise einen großen Vorkommutierungs-Offset bei einer geringen Last und einen kleinen Vorkommutierungs-Offset bei einer hohen Last. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, den Anlauf-Offsetwert und/oder den Betriebs-Offsetwert abhängig von der Last zu wählen. Ferner kann die Steuereinheit beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Dauer der Anlaufphase an die Last anzupassen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, Kommutierungszeitpunkte für das Antriebsignal abhängig von einem Zustand des bürstenlosen Gleichstrommotors zu bestimmen, beispielsweise abhängig von einer Drehzahl des bürstenlosen Gleichstrommotors und/oder der Phase, in der sich der bürstenlose Gleichstrommotor befindet. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, in einer Startphase eine Zwangskommutierungen des Antriebsignals zu vordefinierten Kommutierungszeitpunkten durchzuführen, um den bürstenlosen Gleichstrommotor aus dem Stillstand anzufahren. Die Startphase kann eine vordefinierte Anzahl von Zwangskommutierungen umfassen, beispielsweise zwischen 2 und 30 Zwangskommutierungen. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, in einer auf die Startphase folgenden Anlaufphase eine Kommutierung des Antriebsignals zu Kommutierungszeitpunkten durchzuführen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wurden. In manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein während der Anlaufphase und/oder einer Dauerbetriebsphase nach der Anlaufphase ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte zu verwenden, beispielsweise basierend auf charakteristischen Kurvenpunkten und/oder der BEMF-Spannung.
In manchen Ausführungsformen kann der bürstenlose Gleichstrommotor mit einem Stellglied, beispielsweise einem Ventil, insbesondere einem Nadelventil, gekoppelt sein. Die Steuereinheit ist bevorzugt dazu eingerichtet, die Anzahl der Zwangskommutierungen in der Startphase abhängig von einer Anfangsstellung des Stellglieds und/oder einer Last des bürstenlosen Gleichstrommotors zu wählen. In manchen Ausführungsformen kann eine Last des bürstenlosen Gleichstrommotors abhängig von der Stellung des Stellglieds sein und beispielsweise in der Nähe eines Endanschlages höher sein als in anderen Bereichen des Verfahrbereichs des Stellglieds. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, den Triggerschwellenwert abhängig von der Stellung des Stellglieds zu wählen, beispielsweise durch eine entsprechende Anpassung des Vorkommutierungs-Offsets.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen in schematischer Darstellung

1: eine Vorrichtung mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß einem Beispiel;
2: ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß einem Beispiel;
3a: ein Beispiel für einen Stromverlauf durch einen Shunt-Widerstand eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors im Betrieb;
3b: ein Beispiel für einen Stromverlauf durch einen Shunt-Widerstand eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit Anpassung eines Vorkommutierungs-Offsets;
4a: ein Beispiel für einen Verlauf des Stroms durch eine Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit geringer Last und Kommutierung basierend auf einem Wendepunkt des Stromverlaufs;
4b: ein Beispiel für einen Verlauf des Stroms durch eine Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit hoher Last und Kommutierung basierend auf einem Wendepunkt des Stromverlaufs; und
4c: ein Beispiel für einen Verlauf des Stroms durch eine Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit Kommutierung basierend auf einem Triggerschwellenwert.

BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine Vorrichtung 100 gemäß einem Beispiel, mit der das erfindungsgemäße Verfahren implementiert werden kann. Die Vorrichtung 100 umfasst einen als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotor 102, der aus einem äußeren Stator 104 und einem beweglich gelagerten inneren Rotor 106 besteht. Der Rotor 106 umfasst einen oder mehrere Permanentmagnete 108 und kann mit anderen beweglichen Elementen (nicht gezeigt) mechanisch gekoppelt sein, zum Beispiel mit einem Stellglied wie einem Kolben eines Nadelventils. Der Stator 104 weist mehrere Phasenwicklungen 110 auf, von denen jeweils ein Ende über einen Sternpunkt 112 mit den anderen Phasenwicklungen 110 verbunden ist. In anderen Ausgestaltungen der Vorrichtung 100 können die Phasenwicklungen 110 auch über eine Dreiecksschaltung verbunden sein oder einzeln ansteuerbar sein.
Zur Steuerung des Motors umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit 114, eine Spannungsquelle 116 und eine Brückenschaltung 118. Die Steuereinheit 114 ist dazu eingerichtet, die Ströme durch die Phasenwicklungen 110 mittels der Spannungsquelle 116 und/oder der Brückenschaltung 118 so zu regeln, dass ein zeitabhängiges Magnetfeld erzeugt wird, welches den Rotor 106 in Bewegung versetzen kann. Durch Regelung der Ströme kann die Motorbewegung kontrolliert werden. Die Spannungsquelle kann dazu eingerichtet sein, mittels Pulsweitenmodulation (PWM) elektrische Spannungspulse mit einem variablen Tastverhältnis als Antriebsignale für die Phasenwicklungen zu erzeugen. In einem anderen Beispiel kann die Steuereinheit 114 eine regelbare Gleichspannungsquelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere variable Gleichspannungen als Antriebsignale bereitzustellen.
Die Spannungsquelle 116 ist über die Brückenschaltung 118 mit den Phasenwicklungen 110 verbunden, wobei die Brückenschaltung dazu eingerichtet ist, das von der Spannungsquelle 116 bereitgestellte elektrische Antriebsignal zu kommutieren, beispielsweise auf Basis eines von der Steuereinheit 114 erzeugten Trigger- oder Steuersignal. Ein Ausgang der Spannungsquelle 116 ist mit einem Eingang 120 der Brückenschaltung 118 verbunden, um eine Versorgungsspannung anzulegen, zum Beispiel PWM-Spannungspulse. Ein Ausgang 122 der Brückenschaltung 118 ist mit einem Erdungskontakt 124 verbunden. Über eine Reihe von Eingangsschaltern 126 kann der Eingang 120 jeweils mit demjenigen Ende einer Phasenwicklung 110 verbunden werden, welches nicht mit dem Sternpunkt 112 verbunden ist. In gleicher Weise kann das entsprechende Ende mittels einer Reihe von Ausgangsschaltern 128 an den Ausgang 122 gekoppelt werden. Die Steuereinheit 114 ist dazu eingerichtet sein, die Eingangsschalter 126 und die Ausgangsschalter 128 geeignet anzusteuern, um die am Eingang 120 anliegende Versorgungsspannung zu kommutieren. Dafür können zum Beispiel die Phasenwicklungen 110 sukzessive paarweise mit dem Eingang 120 bzw. Ausgang 122 verbunden werden, so dass jeweils ein Phasenwicklungspaar über den Sternpunkt 112 in Reihe zwischen den Eingang 120 und den Ausgang 122 geschaltet ist und bei jeder Kommutierung auf ein anderes Phasenwicklungspaar umgeschaltet wird.
Für die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Vorrichtung 100 einen Analog-Digital-Wandler 130 und einen Mikrocontroller 132 auf, welcher dazu eingerichtet ist, die im Folgenden in Bezug auf 2 beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen. Der Analog-Digital-Wandler 130 ist dazu eingerichtet, ein analoges Eingangssignal in ein digitales Signal umzuwandeln, zum Beispiel ein analoges Messsignal eines Messgeräts 136 oder eine Spannung, die proportional zu einer zu messenden Stromstärke ist. Hierzu kann der Analog-Digital-Wandler 130 eine Sample-and-Hold-Schaltung aufweisen. In einem Beispiel kann der Analog-Digital-Wandler 130 eine Auflösung von 12 Bit aufweisen. Die Steuereinheit 114 kann ferner eine Verstärkerschaltung (nicht gezeigt) umfassen, um das analoge Eingangssignal vor der Umwandlung zu verstärken. Der Mikrocontroller 132 ist dazu eingerichtet, das von dem Analog-Digital-Wandler 130 ausgegebene digitale Signal dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend zu verarbeiten. Der Mikrocontroller 132 kann ferner dazu eingerichtet sein, Steuersignale für die Spannungsquelle 114 und/oder die Brückenschaltung 118 zu erzeugen, beispielsweise um eine Kommutierung wie oben beschrieben durchzuführen.
Die Vorrichtung 100 weist zudem einen Shunt-Widerstand 134 auf, der sich zwischen dem Ausgang 122 der Brückenschaltung 118 und dem Erdungskontakt 124 befindet. Mittels eines Messgerätes 136 kann die über den Shunt-Widerstand 134 abfallende Spannung gemessen werden, um den zwischen Ausgang 122 und Erdungskontakt 124 fließenden Strom zu ermitteln („DC-link“-Messung). Ist der Ausgang 122 über die Ausgangsschalter 128 mit genau einer der Phasenwicklungen 110 verbunden, entspricht der über den Shunt-Widerstand 134 gemessene Strom dem durch die entsprechende Phasenwicklung 110 fließenden Strom. Die Steuereinheit 114 ist mit dem Messgerät 136 verbunden, um den über den Shunt-Widerstand 134 fließenden Strom zu bestimmen. In einem anderen Beispiel kann das Messgerät 136 ein Strommessgerät sein, welches sich direkt in der Leitung zwischen dem Ausgang 122 und dem Erdungskontakt 124 befindet.
In anderen Ausführungsformen kann der Shunt-Widerstand 134 und/oder das Messgerät 136 an anderer Stelle angeordnet sein, beispielsweise zwischen der Spannungsquelle 116 und dem Eingang 120 der Brückenschaltung 118. In manchen Ausgestaltungen kann die Vorrichtung 100 auch mehrere Shunt-Widerstände aufweisen, die beispielsweise jeweils zwischen einem der Ausgangsschalter 128 und dem Ausgang 122 eingebracht sind („low-side“-Messung) oder zwischen dem Eingang 120 und einem der Eingangsschalter 126 („high-side“-Messung). Alternativ können die Shunt-Widerstände auch in den Zuleitungen zwischen der Brückenschaltung 118 und den Phasenwicklungen 112 angeordnet sein („in line“-Messung).
Neben dem in 1 dargestellten Beispiel 100 können zahlreiche weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisiert werden. Die Steuereinheit 114 kann zum Beispiel mit der Spannungsquelle 116 und/oder dem Messgerät 136 in einer gemeinsamen Einheit zusammengefasst sein, welche die entsprechenden Aufgaben wahrnimmt. Des Weiteren kann die Steuereinheit 114 auch eine analoge oder digitale Komparatorschaltung umfassen, um den vom Messgerät 136 gemessenen Strom mit einem Triggerschwellenwert wie unten beschrieben zu vergleichen. In manchen Ausgestaltungen kann die Vorrichtung 100 das Messgerät 136 nicht aufweisen und der Analog-Digital-Wandler 130 dazu eingerichtet sein, die an dem Shunt-Widerstand 134 abfallende Spannung direkt in ein digitales Signal umzuwandeln, welches den durch die Phasenwicklungen 110 fließenden Strom charakterisiert. Daneben kann die Anzahl und/oder Verschaltung der Phasenwicklungen 110 variieren. Diese können beispielsweise nicht miteinander verbunden sein, sondern einzeln angesteuert werden. Zudem kann die Vorrichtung 100 dazu eingerichtet sein, den Strom durch jede der Phasenwicklungen 110 einzeln zu messen. Des Weiteren können andere Elektromotor-Bauformen zu Einsatz kommen.
In 2 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 200 zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors gemäß einem Beispiel dargestellt. Dieses Verfahren wird im Folgenden am Beispiel der Vorrichtung 100 beschrieben, deren Steuereinheit 114 in manchen Ausgestaltungen dazu eingerichtet sein kann, das Verfahren 200 wie beschrieben auszuführen.
In Schritt 202 wird zunächst der Strom durch eine Phasenwicklung 110 des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor 102 bestimmt. Dies kann wie oben beschrieben zum Beispiel durch Messung des durch den Shunt-Widerstand 134 fließenden Stroms erfolgen, so dass bei paarweiser Kommutierung der Phasenwicklungen 110 der Strom durch das jeweils in Reihe geschalteten Phasenwicklungspaar gemessen wird. In einem anderen Beispiel können die Phasenwicklungen 110 einzeln angesteuert werden und entsprechend der Strom durch eine der Phasenwicklungen 110 bestimmt werden.
In 3a ist beispielhaft für einen wie in 1 gezeigten BLDC-Motor der durch den Shunt-Widerstand 134 fließende Strom I(t) 300 als Funktion der Zeit t dargestellt. Das Umschalten zwischen verschiedenen Konfigurationen der Phasenwicklungen 110 während der Kommutierungen führt zu kurzzeitigen Einbrüchen 302A-302D im Stromverlauf 300. Innerhalb eines Kommutierungsschritts zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen weist der Strom 300 einen kontinuierlichen Verlauf auf, der unter anderem von den Induktivitäten der Phasenwicklungen 110 und den durch die Bewegung des Rotors 106 in den Phasenwicklungen 110 induzierten Spannungen beeinflusst wird. Wird bei einer der Kommutierungen 302A-302D jeweils ein Phasenwicklungspaar in Reihe mit einer Versorgungsspannung geschaltet, entspricht der Stromverlauf 300 zwischen zwei Kommutierungen dem durch die beiden Phasenwicklungen fließenden Strom. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Strom während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung, beispielsweise der Kommutierung 302A, bestimmt. Der Messzeitraum kann unmittelbar nach der ersten Kommutierung 302A beginnen oder ein vordefiniertes Zeitintervall nach der ersten Kommutierung 302A, z.B. nach dem mit der Kommutierung verknüpften kurzzeitigen Einbruch des Stroms.
In der Regel weist der Stromverlauf 300 kurzzeitige Fluktuationen auf, die beispielsweise durch eine fluktuierende Versorgungsspannung und/oder die Messung des Stroms hervorgerufen werden können. Um diese zu unterdrücken, kann die Steuereinheit 114 dazu eingerichtet sein, den Stromverlauf 300 geeignet zu mitteln, zum Beispiel durch Bilden eines gleitenden zeitlichen Mittelwerts oder durch Mitteln der Messwerte innerhalb gewisser Zeitintervalle. Wird die Versorgungsspannung durch Pulsweitenmodulation oder ähnliche Verfahren moduliert, kann die Strommessung geeignet angepasst werden, beispielsweise durch Synchronisierung mit der Modulation, um den Stromverlauf 300 zu glätten und eine Beeinflussung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch gegebenenfalls von einer solchen Modulation hervorgerufene Stromschwankungen zu vermeiden. Dies kann durch eine entsprechende Ansteuerung des Messgerätes 136 oder durch eine nachgeschaltete Datenverarbeitung durch den Mikrocontroller 132 erfolgen. Die nachgeschaltete Datenverarbeitung kann zudem eine Interpolation und/oder Extrapolation diskreter Messwerte umfassen.
In Schritt 204 wird der in Schritt 202 bestimmt Strom 300 mit einem Triggerschwellenwert I_k verglichen, der in 3a durch eine horizontale gepunktete Linie angedeutet ist. Bevorzugt wird der Schritt 204 gleichzeitig mit dem Schritt 202 ausgeführt, d.h. der am Shunt-Widerstand 134 gemessene Strom 300 wird von der Steuereinheit 114 kontinuierlich mit dem Triggerschwellenwert I_k verglichen. Anhand des Vergleichs wird ein Triggerzeitpunkt t_k ermittelt, zu dem der Strom 300 dem Triggerschwellenwert I_k entspricht. Der Triggerzeitpunkt t_k kann insbesondere der Zeitpunkt sein, an dem der Strom 300 innerhalb des Messzeitraums zum ersten Mal den Triggerschwellenwert I_k erreicht.
Anschließend wird in Schritt 206 basierend auf dem Triggerzeitpunkt t_k ein zweiter Kommutierungszeitpunkt t_B bestimmt, zu dem eine zweite Kommutierung 302B des Antriebssignals durchgeführt werden soll. Bevorzugt ist die Steuereinheit 114 zudem dazu eingerichtet, ein entsprechendes Steuersignal an die Brückenschaltung 118 auszugeben, um mittels der Eingangs- und Ausgangsschalter 126, 128 die zweite Kommutierung 302B zum zweiten Kommutierungspunkt t_B durchzuführen wie in 3a gezeigt. Der zweite Kommutierungszeitpunkt t_B kann dem Triggerzeitpunkt t_k entsprechen wie in dem Beispiel von 3a, d.h. die Steuereinheit 114 kann die zweite Kommutierung 302B durchführen unmittelbar nachdem der Strom 300 den Triggerschwellenwert I_k erreicht. In anderen Ausgestaltungen kann die zweite Kommutierung 302B um eine vordefinierte Zeitverzögerung nach dem Triggerzeitpunkt t_k erfolgen, beispielsweise 0.1 ms bis 1 ms nach t_k .
Nach der zweiten Kommutierung 302B kann die Steuereinheit 114 das Verfahren 200 erneut ausführen, um einen dritten Kommutierungszeitpunkt für eine dritte Kommutierung 302C zu bestimmen. Durch wiederholte Ausführung des Verfahrens 200 kann die Steuereinheit so ein geeignet kommutiertes Antriebssignal für den bürstenlosen Gleichstrommotor 102 erzeugen.
Der Triggerschwellenwert I_k wird bevorzugt abhängig von einem Sollstromwert I_s bestimmt, welcher in 3a durch eine horizontale gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Sollstromwert kann beispielsweise von der Steuereinheit 114 basierend auf einem vorgegebenen Solldrehmoment ermittelt werden, welches der bürstenlose Gleichstrommotor 102 bereitstellen soll. Die Steuereinheit 114 kann basierend auf dem Solldrehmoment sowie einem elektrischen Widerstand der Phasenwicklungen 110 eine von der Spannungsquelle 116 auszugebende Versorgungsspannung ermitteln, bei der sich im Gleichgewichtszustand, d.h. wenn die entsprechende Spannung dauerhaft an ein Phasenwicklungspaar angelegt ist, der gewünscht Sollstrom I_s ergibt. In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 114 hierzu unter anderem auch eine Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands berücksichtigen. Die Steuereinheit 114 kann ein entsprechendes Steuersignal an die Spannungsquelle 116 ausgeben, um eine Amplitude und/oder ein Tastverhältnis der Versorgungsspannung geeignet anzupassen.
Der Triggerschwellenwert I_k kann insbesondere der Differenz aus dem Sollstromwert I_s und einem Vorkommutierungs-Offset δ1 entsprechen, d.h. um den Vorkommutierungs-Offset δI kleiner als der Sollstromwert I_s sein, so dass die zweite Kommutierung 302B vor Erreichen des Sollstromwerts I_s erfolgt. Der Vorkommutierungs-Offset δI kann ein absoluter Wert sein, beispielsweise zwischen 10 mA und 100 mA, oder ein relativer Wert, insbesondere ein Bruchteil des Sollstromwerts I_s . Der Vorkommutierungs-Offset δI kann beispielsweise zwischen 0% und 25% von I_s betragen, in einem Beispiel 2%. Ein Vorkommutierungs-Offset kann vorteilhaft sein, um eine zu späte Kommutierung, beispielsweise aufgrund von Fluktuationen des Stroms 300 zu vermeiden, insbesondere da eine zu späte Kommutierung für die Effizienz und das Laufverhalten des bürstenlosen Gleichstrommotors nachteiliger sein kann als eine zu frühe Kommutierung.
Die Steuereinrichtung 114 kann zudem dazu eingerichtet sein, den Vorkommutierungs-Offset δ1 als Funktion der Zeit zu ändern, beispielsweise während eines Beschleunigungs- oder Abbremsvorgangs des Rotors 106. Dies ist beispielshaft in 3b illustriert. 3b zeigt ähnlich wie 3a einen durch den Shunt-Widerstand 134 fließenden Strom I(t) 302. Der in 3b gezeigt Ausschnitt kann beispielsweise einer Anlaufphase des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 entsprechen, in der der Rotor 106 nach einer anfänglichen, von einem stillstehenden Rotor 106 ausgehenden Startphase beschleunigt wird, z.B. auf eine vorgegebene Solldrehzahl.
Zu Beginn der Anlaufphase entspricht der Vorkommutierungs-Offset δ1 einem Anlauf-Offset, der beispielsweise ein konstanter, vordefinierter Wert sein kann oder von der Steuereinheit 114 in Abhängigkeit einer Last des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 und/oder der Stellung eines mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor 102 gekoppelten Stellglieds ermittelt worden sein kann. Der Anlauf-Offsetwert kann z.B. zwischen 10% und 25% des Sollstroms I_s betragen, in einem Beispiel 20%.
Während der Anlaufphase wird der Vorkommutierungs-Offset δI kontinuierlich auf einen Betriebs-Offsetwert reduziert, d.h. die Kommutierung wird sukzessive immer später durchgeführt. Der Betriebs-Offsetwert kann z.B. ein in einer auf die Anlaufphase folgenden Dauerbetriebsphase verwendeter Wert für den Vorkommutierungs-Offset δI sein, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor 102 in der Dauerbetriebsphase beispielsweise mit einer konstanten Drehzahl betrieben werden kann. Der Betriebs-Offsetwert kann ebenfalls ein konstanter, vordefinierter Wert sein oder von der Steuereinheit 114 in Abhängigkeit einer Last des bürstenlosen Gleichstrommotors 102, der Stellung eines mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor 102 gekoppelten Stellglieds und/oder einer Solldrehzahl ermittelt worden sein. Der Betriebs-Offsetwert kann z.B. zwischen 0% und 4% des Sollstroms I_s betragen, in einem Beispiel 2%. Ein Verringern des Vorkommutierungs-Offset δI kann beispielsweise vorteilhaft sein, um die Effizienz und Laufruhe des Rotors 106 während der Anlaufphase zu erhöhen.
In ähnlicher Weise kann die Steuereinheit 114 dazu eingerichtet sein, bei einem Abbremsvorgang den Vorkommutierungs-Offset δI sukzessive wieder zu erhöhen, z.B. auf den Anlauf-Offsetwert, oder bei weiteren Beschleunigungsvorgängen den Vorkommutierungs-Offset δI zunächst sprunghaft zu erhöhen, z.B. auf den Anlauf-Offsetwert, und anschließend sukzessive wieder zu verringern, z.B. auf den Betriebs-Offsetwert.
4a-4c illustriert beispielhaft den Verlauf der Ströme 400, 402 und 404 durch eine Phasenwicklung 110 des bürstenlosen Gleichstrommotors 102. Die Stromverläufe 400-404 können beispielsweise durch Messung des Stroms in der jeweiligen Zuleitung zu einer Phasenwicklung 110 bestimmt werden. Für einen BLDC-Motor mit drei Phasenwicklungen wie dem in 1 dargestellten Elektromotor 102 müssen die Antriebsignale sechsmal pro Umdrehung des Rotors 106 kommutiert werden. An eine gegebene Phasenwicklung wird in zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten eine positive Versorgungsspannung angelegt und in zwei weiteren aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten eine negative Versorgungsspannung. Dazwischen befindet sich jeweils ein Kommutierungsschritt, in dem die Phasenwicklung unbestromt bleibt. Daher weisen die Stromverläufe 400-404 für eine Phasenwicklung beispielsweise eine wiederholte Abfolge von zunächst zwei Kommutierungsschritten mit positiven Stromwerten auf (zwei von einem kurzzeitigen Einbruch getrennte Maxima), anschließend einem unbestromten Kommutierungsschritt, bevor das Vorzeichen des Stroms wechselt und zwei Kommutierungsschritte mit negativen Stromwerten folgen (zwei von einem kurzzeitigen Einbruch getrennte negative Minima). Nach einem weiteren unbestromten Kommutierungsschritt hat der Rotor 106 eine Umdrehung abgeschlossen und der Zyklus beginnt von neuem.
In gleicher Weise kann der Strom zusätzlich für eine zweite Phasenwicklung bestimmt werden (nicht dargestellt). Der Verlauf des Stroms durch die zweite Phasenwicklung ähnelt den Verläufen 400-404, ist aber um zwei Kommutierungsschritte verschoben. Folglich fließt durch die zweite Phasenwicklung auch in den Kommutierungsschritten ein Strom, in denen die erste Phasenwicklung unbestromt bleibt. Somit kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein nächster Kommutierungszeitpunkt während jedes Kommutierungsschritts ermittelt werden. Wird das Verfahren für mehrere Phasenwicklungen in einem Kommutierungsschritt gleichzeitig durchgeführt, können die ermittelten Kommutierungszeitpunkte z.B. kombiniert werden, um die Genauigkeit zu erhöhen.
Die 4a-4c zeigen Stromverläufe 400-404 durch eine Phasenwicklung 110 wie sie beispielsweise während einer Anlaufphase des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 direkt im Anschluss an eine Startphase auftreten können, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor 102 in der Startphase durch Zwangskommutierungen aus dem Stillstand beschleunigt wird. Die Zwangskommutierungen erfolgen unabhängig von der Rotorlage „blind“ zu vordefinierten Kommutierungszeitpunkten, wobei jede Kommutierungsphase z.B. eine Dauer zwischen 10 ms und 50 ms, in einem Beispiel 30 ms, aufweist. Die Startphase kann eine feste Anzahl von Kommutierungsschritten umfassen, z.B. zwischen 2 und 50 Kommutierungsschritte. In manchen Ausgestaltungen kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Anzahl der Kommutierungsschritte an die Last des bürstenlosen Gleichstrommotors und/oder die Stellung eines mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor gekoppelten Stellglieds, z.B. einem Nadelventil, anzupassen.
4a und 4b zeigen Beispiele für den Verlauf des Stroms 400, bei denen die Kommutierung nicht mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird, sondern basierend auf charakteristischen Punkten im Stromverlauf, beispielsweise Wendepunkten wie sie etwa in den 3a, 3b nach der halben Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Kommutierungen zu sehen sind, z.B. zum Zeitpunkt t_R zwischen der ersten und der zweiten Kommutierung 302A, 302B. Im Beispiel von 4a treibt der bürstenlose Gleichstrommotor 102 eine geringe Last an, während im Beispiel von 4b eine hohe Last angetrieben wird. Eine hohe Last kann sich beispielsweise bei einem Stellglied wie einem Nadelventil daraus ergeben, dass sich das Stellglied an oder in der Nähe eines Endanschlags befindet, während eine niedrige Last in einer Mittelstellung zwischen zwei Endanschlägen auftreten kann.
In beiden Fällen ist unmittelbar nach dem Ende der Zwangskommutierung ein Einbruch der Ströme 400, 402 zu beobachten, d.h. die Kommutierung erfolgt jeweils vor Erreichen des Triggerschwellenwerts und damit unterhalb des Sollstromwerts. In 4a-4c ist der positive und negative Triggerschwellenwert wie in 3a durch gepunktete Linien angedeutet. Der Einbruch der Ströme 400, 402 ist lastabhängig und bei höherer Last stärker ausgeprägt als bei niedrigerer Last. Insbesondere bei geringen Drehzahlen kann die vom Rotor 106 in der Phasenwicklung 110 induzierte Spannung klein sein, so dass der in 3a deutlich zu erkennende Wendepunkt nicht oder nur schwach ausgeprägt sein kann. Folglich kann die Bestimmung der Kommutierungszeitpunkte anhand des Wendepunkts unzuverlässig sein. Dadurch kann die Effizienz und das Laufverhalten des bürstenlosen Gleichstrommotors 102 beeinträchtigt werden und der bürstenlose Gleichstrommotor 102 eine längere Zeit benötigen, um ruhig zu laufen und die Solldrehzahl zu erreichen.
4c zeigt ein Beispiel für den Verlauf des Strom 404, bei dem die Kommutierungszeitpunkte nach dem Ende der Startphase mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden. In diesem Beispiel ist kein Einbruch des Stroms 404 zu beobachten. Die Kommutierung erfolgt immer bei Erreichen des Triggerschwellenwerts und der bürstenlose Gleichstrommotor läuft bereits nach wenigen Kommutierungen gleichmäßig. Während des in 4c gezeigten Zeitraums kann zusätzlich der Triggerschwellenwert variiert werden, z.B. wie oben in Bezug auf 3b beschrieben.
Die Kommutierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch nach Ende der Anlaufphase in einer Dauerbetriebsphase weitergeführt werden. In anderen Beispielen können in der Dauerbetriebsphase die Kommutierungszeitpunkte zusätzlich oder alternativ mit anderen Methoden bestimmt werden, z.B. anhand von charakteristischen Kurvenpunkten und/oder anhand der BEMK-Spannung in einer unbestromten Phasenwicklung 110.
In einem Beispiel kann das Verfahren 200 hierzu einen zusätzlichen Schritt umfassen, in dem bestimmt wird, ob der Strom während des Messzeitraums einen Wendepunkt aufweist und falls ja, zu welchen Zeitpunkt dieser Wendepunkt auftritt. Dieser Zeitpunkt wird im Folgenden als Referenzzeitpunkt t_R bezeichnet (vgl. 3a). Ein erster potentieller Kommutierungszeitpunkts wird auf Basis des Triggerzeitpunkts t_k ermittelt ohne den Referenzzeitpunkt t_R zu verwenden, z.B. wie voranstehend beschrieben. Zusätzlich wird ein zweiter potentieller Kommutierungszeitpunkt auf Basis des Referenzzeitpunkts ermittelt ohne den Triggerzeitpunkts t_k zu verwenden. Der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt kann insbesondere der Summe aus dem Referenzzeitpunkt t_R und der Differenz zwischen dem Referenzzeitpunkt t_R und dem ersten Kommutierungszeitpunkt t_A entsprechen, d.h. t_R + (t_R - t_A), so dass der Referenzzeitpunkt t_R in der Mitte zwischen dem ersten Kommutierungszeitpunkt t_A und dem zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt liegt.
Während der Dauerbetriebsphase kann in einigen Beispielen die Kommutierung zum zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt erfolgen. Alternativ kann der erste potentielle Kommutierungszeitpunkt als „Timeout“ verwendet werden, falls ein Wendepunkt nicht oder erst spät erkannt wird. Hierzu kann die Kommutierung zum zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt erfolgen, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt weniger als die vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkt liegt. Ist dies nicht der Fall oder wird kein Wendepunkt erkannt, kann die Kommutierung stattdessen zum ersten potentiellen Kommutierungspunkt erfolgen.
In manchen Ausgestaltungen kann der erste potentielle Kommutierungszeitpunkt auch verwendet werden, um eine zu frühe Kommutierung zu verhindern. Beispielsweise kann eine Kommutierung zum zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt nur dann erfolgen, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls relativ zum ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkt liegt, z.B. vor dem ersten Kommutierungszeitpunkt, innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls um den zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt und/oder innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls nach dem zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt.
Die beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen und die Figuren dienen nur zur rein beispielhaften Illustration. Die Erfindung kann in ihrer Gestalt variieren, ohne dass sich das zugrundeliegende Funktionsprinzip ändert. Der Schutzumfang des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich allein aus den folgenden Ansprüchen.
Bezugszeichenliste

100 -: Vorrichtung mit bürstenlosem Gleichstrommotor
102 -: Bürstenloser Gleichstrommotor
104 -: Stator
106 -: Rotor
108 -: Permanentmagnet
110 -: Phasenwicklungen
112 -: Sternpunkt
114 -: Steuereinheit
116 -: Pulsweitenmodulations-Modul
118 -: Brückenschaltung
120 -: Eingang der Brückenschaltung
122 -: Ausgang der Brückenschaltung
124 -: Erdungskontakt
126 -: Eingangsschalter
128 -: Ausgangsschalter
130 -: Analog-Digital-Wandler
132 -: Mikrocontroller
134 -: Shunt-Widerstand
136 -: Messgerät
200 -: Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors
202 -: Bestimmung des Stroms
204 -: Vergleich mit Triggerschwellenwert
206 -: Bestimmen des zweiten Kommutierungszeitpunkts
300: - Stromverlauf durch Shunt-Widerstand
302: - Kommutierungen
Is -: Sollstromwert
Ik -: Triggerschwellenwert
δ1 -: Vorkommutierungs-Offset
tA -: erster Kommutierungszeitpunkt
tB -: zweiter Kommutierungszeitpunkt
tk -: Triggerzeitpunkt
tR -: Referenzzeitpunkt
400 -: Stromverlauf durch Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit geringer Last und Kommutierung basierend auf einem Wendepunkt des Stromverlaufs
402 -: Stromverlauf durch Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors mit hoher Last und Kommutierung basierend auf einem Wendepunkt des Stromverlaufs
404 -: Stromverlauf durch Phasenwicklung eines kommutierenden bürstenlosen Gleichstrommotors Kommutierung basierend auf einem Triggerschwellenwert

Claims

Verfahren (200) zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors (102) mit folgenden Schritten: Bestimmen eines Stroms (300) durch eine Phasenwicklung (110) des bürstenlosen Gleichstrommotors (102) während eines Messzeitraums nach einer ersten Kommutierung (302A) eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor (102); Vergleichen des Stroms (300) mit einem Triggerschwellenwert I_k, um einen Triggerzeitpunkt t_k zu bestimmen, zu dem der Strom (300) den Triggerschwellenwert I_k erreicht; und Bestimmen eines zweiten Kommutierungszeitpunktes t_B für eine zweite Kommutierung (302B) des Antriebssignals basierend auf dem Triggerzeitpunkt t_k.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei der Triggerschwellenwert I_k abhängig von einem Sollstromwert I_s für die Phasenwicklung (110) bestimmt wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 2, wobei der Triggerschwellenwert I_k die Differenz aus dem Sollstromwert I_s und einem Vorkommutierungs-Offset δ1 ist.
Verfahren (200) nach Anspruch 3, wobei der Vorkommutierungs-Offset δI während einer Anlaufphase des bürstenlosen Gleichstrommotors (102) von einem Anlauf-Offsetwert auf einen Betriebs-Offsetwert reduziert wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 4, wobei der Anlauf-Offsetwert zwischen 10% und 25% des Sollstroms I_s beträgt und der Betriebs-Offsetwert zwischen 0% und 4% des Sollstroms I_s beträgt.
Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Kommutierung (302A) eine Zwangskommutierung zu einem vordefinierten ersten Kommutierungszeitpunkt t_A ist.
Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Kommutierungszeitpunkt t_B dem Triggerzeitpunkt t_k entspricht oder um eine vordefinierte Zeitverzögerung gegenüber dem Triggerzeitpunkt t_k verschoben ist.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: Bestimmen, ob der Strom während des Messzeitraums einen Wendepunkt aufweist, um einen Referenzzeitpunkt t_R zu bestimmen, zu dem der Wendepunkt auftritt, wobei der zweite Kommutierungszeitpunkt t_B basierend auf dem Triggerzeitpunkt t_k und dem Referenzzeitpunkt t_R bestimmt wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 8, ferner umfassend Bestimmen eines ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkts auf Basis des Triggerzeitpunkts t_k; und Bestimmen eines zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkts auf Basis des Referenzzeitpunkts t_R; wobei der zweite Kommutierungszeitpunkt t_B dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkt entspricht, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt mehr als eine vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentielle Kommutierungszeitpunkt liegt oder kein Wendepunkt auftritt; und dem zweiten potentiellen Kommutierungszeitpunkt entspricht, wenn der zweite potentielle Kommutierungszeitpunkt weniger als die vordefinierte Zeitdifferenz hinter dem ersten potentiellen Kommutierungszeitpunkt liegt.
Vorrichtung (100) mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor (102), wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (102) mindestens eine Phasenwicklung (110) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Steuereinheit (114) umfasst, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren (200) zur Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, um einen zweiten Kommutierungszeitpunkt t_B zu bestimmen; und eine Kommutierung (302B) eines elektrischen Antriebssignals für den bürstenlosen Gleichstrommotor (102) zum zweiten Kommutierungszeitpunkt t_B durchzuführen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, welche einen Shunt-Widerstand (134) umfasst, wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, den Strom durch Messung eines Stroms über den Shunt-Widerstand (134) zu bestimmen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Steuereinheit (114) einen Analog-Digital-Wandler (130) und einen Mikrocontroller (132) aufweist, wobei der Analog-Digital-Wandler (130) dazu eingerichtet ist, ein analoges Signal des Verlaufs des Stroms in ein digitales Signal umzuwandeln, und wobei der Mikrocontroller (132) dazu eingerichtet ist, anhand des digitalen Signals den Strom mit dem Triggerschwellenwert I_k zu vergleichen, um den Triggerzeitpunkt t_k zu bestimmen.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet, eine Last des bürstenlosen Gleichstrommotors (102) zu bestimmen und den Triggerschwellenwert I_k an die Last anzupassen.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, in einer Startphase eine Zwangskommutierung des Antriebssignals zu vordefinierten Kommutierungszeitpunkten durchzuführen; und in einer auf die Startphase folgenden Anlaufphase eine Kommutierung des Antriebssignals zu Kommutierungszeitpunkten durchzuführen, die mittels des Verfahrens (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bestimmt wurden.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei die Startphase eine vordefinierte Anzahl von Zwangskommutierungen umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 15, wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (102) mit einem Stellglied, insbesondere einem Nadelventil gekoppelt ist und die Steuereinheit (114) dazu eingerichtet ist, die Anzahl der Zwangskommutierungen abhängig von einer Anfangsstellung des Stellglieds zu wählen.