DE102021214720A1

DE102021214720A1 - Steuereinrichtung zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors unter Verwendung einer Totzeit-Kompensation

Info

Publication number: DE102021214720A1
Application number: DE102021214720.8A
Authority: DE
Inventors: Helmut Manck
Original assignee: Eonas It Beratung und Entw GmbH; eonas IT-Beratung und Entwicklung GmbH; Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Eonas It Beratung und Entw GmbH; eonas IT-Beratung und Entwicklung GmbH; Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Eine Steuereinrichtung (1) zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors (2) umfasst eine Ansteuerschaltung (15), die eine Mehrzahl von Schalteinheiten (150-155) aufweist, die zum Bestromen von Statorwicklungen (20-22) des Gleichstrommotors (2) schaltbar sind, eine Pulsweitenmodulations-Einheit (14) zum Ansteuern der Schalteinheiten (150-155) zum Einstellen einer Motorspannung anhand eines Motorspannungsstellwerts (Ud, Uq) und eine Überwachungseinheit (19) zum Ermitteln eines mit einer Rotorposition (θ) des Gleichstrommotors (2) korrelierten Kennwerts anhand einer durch den Gleichstrommotor (2) erzeugten Generatorspannung (UBEMF,d, UBEMF,q). Eine Totzeit-Kompensationseinheit (13) dient zum Kompensieren einer beim Schalten der Schalteinheiten (150-155) anfallenden Totzeit (TZ). Die Steuereinrichtung (1) ist ausgebildet ist, für einen Motoranlauf die Rotorposition (θ) des Gleichstrommotors (2) bei Stillstand zu ermitteln, bei Stillstand die Überwachungseinheit (19) zum Ermitteln der Rotorposition (θ) zu aktivieren und einen Strom zum Bestromen der Statorwicklungen (20-22) des Gleichstrommotors (2) durch Steuern der Pulsweitenmodulations-Einheit (14) zu steigern, um den Gleichstrommotor (2) zu beschleunigen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
Eine derartige Steuereinrichtung umfasst eine Ansteuerschaltung, die eine Mehrzahl von Schalteinheiten aufweist, die zum Bestromen von Statorwicklungen des Gleichstrommotors schaltbar sind. Eine Pulsweitenmodulations-Einheit dient zum Ansteuern der Schalteinheiten, um eine Motorspannung anhand eines Motorspannungsstellwerts einzustellen. Eine Überwachungseinheit ist dazu ausgebildet, einen mit einer Rotorposition des Gleichstrommotors korrelierten Kennwert anhand einer durch den Gleichstrommotor erzeugten Generatorspannung zu ermitteln.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor ist aufgebaut wie eine Drehstrom-Synchronmaschine und weist einen permanentmagneterregten Rotor auf. Ein umlaufendes Statorfeld wird durch elektronische Kommutation, in der Regel unter Verwendung einer dreisträngigen Drehstromwicklung, so erzeugt, dass der Rotor dem Statorfeld nachfolgt.
Generell wird bei bürstenlosen Gleichstrommotoren das am Stator erzeugte, umlaufende Ankerfeld elektronisch kommutiert in Abhängigkeit von der Rotorposition, der Rotordrehzahl und dem Drehmoment. Die elektronische Kommutierung kann hierbei zum Regeln des Betriebsverhaltens des Gleichstrommotors verwendet werden.
Bei der sensorgesteuerten Kommutierung (sogenannte sensorgesteuerte bürstenlose Gleichstrommotoren) befinden sich Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren zur Erfassung eines Signals eines magnetischen Dipols an der Rotorachse oder optische Sensoren im Bereich des Stators. Die Sensoren liefern Informationen über die Rotorposition, die somit sensorisch erfasst wird. In Abhängigkeit von der sensorisch erfassten Rotorposition kann dann die elektronische Kommutierung eingestellt werden.
Bei der sensorlosen Kommutierung (sogenannte sensorlose bürstenlose Gleichstrommotoren) erfolgt die Erfassung der Rotorposition hingegen über die in den Ankerspulen des Stators induzierte Gegenspannung, die von der Steuereinrichtung zur Bestimmung der Rotorposition ausgewertet werden kann und auch als Gegen-EMK (EMK: induzierte elektromagnetische Kraft) bezeichnet wird.
Es wird hierbei herkömmlich davon ausgegangen, dass die Bestimmung dieser Gegenspannung erst ab einer Mindestdrehzahl des Rotors möglich ist, weil unterhalb dieser Mindestdrehzahl die induzierte Gegenspannung zu klein ist. Herkömmliche bürstenlose Gleichstrommotoren sehen daher ein Ausrichten des Rotors mit einem definierten Schaltmuster und in einer anschließenden, sogenannten Open-Loop-Phase ein blindes Schalten der Phasen für den Anlauf vor, bis eine Mindestdrehzahl erreicht ist und somit anhand der induzierten Gegenspannung die Winkellage des Rotors überwacht werden kann.
Wünschenswert ist ein Verfahren, bei dem bei einem sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotor auch bei Stillstand oder niedriger Drehgeschwindigkeit des Rotors die Winkellage des Rotors bestimmt werden kann, um den Motor zuverlässig und effizient anzufahren.
Bei einem aus der WO 2009/053388 A2 bekannten sensorlosen bürstenlosen Gleichstrommotor ist zur Bestimmung der Rotorposition bei Stillstand vorgesehen, an zwei von drei Motoranschlüssen eine Messsequenz anzulegen und an dem jeweils dritten, unbestromten Motoranschluss eine Spannung zu messen. Diese Spannung wird mit einer Referenzspannung verglichen, und anhand des Vergleichs kann bestimmt werden, innerhalb welches Winkelsektors der Rotor sich gerade befindet.
Das Verfahren der WO 2009/053388 A2 macht es möglich zu ermitteln, in welchem von sechs möglichen Winkelsektoren sich ein Rotor gerade befindet. Dies erfolgt durch Anlegen von Messpulsen im Rahmen einer Messsequenz. Eine winkelgenaue Bestimmung der Rotorposition im Stilstand, bei Drehung des Rotors oder innerhalb der Blockkommutierung ist mit dem Verfahren der WO 2009/053388 A2 hingegen nicht oder nur eingeschränkt möglich.
Aus der WO 2016/128468 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors bekannt, bei dem die Position des Rotors dadurch bestimmt wird, dass bei Stillstand ein Messspannungssignal an zwei Phasen einer 3-phasigen Drehstromwicklung des Stators angeschlossen und an der verbleibenden, freien Phase eine resultierende Spannung gemessen wird, wobei eine Änderung in der Spannung während eines Messpulses zur Positionsbestimmung ausgewertet wird.
Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Motoranlauf unter Verwendung einer Open-Loop-Phase, bei der die Phasen des Motors zum Bestromen der Statorwicklungen blind, also ohne genaue Kenntnis über die Rotorposition, geschaltet werden, kann sich eine reduzierte Effizienz ergeben dadurch, dass vergleichsweise große Ströme verwendet werden müssen, um den Motor zuverlässig anzufahren. Hierdurch können ohmsche Verluste im Motor entstehen, die an sich vermieden werden könnten und mit einer thermischen Belastung an der Ansteuerschaltung einhergehen, insbesondere an den zum Beispiel durch MOSFET-Transistoren verwirklichten Schalteinheiten.
Zudem kann sich eine vergleichsweise große Anlaufdauer ergeben. In der Open-Loop-Phase ist die Beschleunigung begrenzt, bedingt dadurch, dass generell nur die Differenz zwischen dem Drehmoment, das durch einen sogenannten Alignment-Strom erzeugt wird, und dem Gegenmoment an der Motorwelle zum Aufbau kinetischer Energie am Rotor zur Verfügung steht. Weil zudem beim Ausrichten des Rotors in einer Alignment-Phase zu Beginn der Open-Loop-Phase der Rotor von seiner gerade eingenommenen Position in eine durch die Ausrichtung festgelegte Position schwingt und dieses Schwingen nur durch mechanische Reibung am Rotor gedämpft wird, muss die Alignment-Phase hinreichend lang gewählt werden, um zu gewährleisten, dass der Rotor am Ende der Alignment-Phase sich auch tatsächlich an der gewünschten, durch das Alignment festgelegten Position befindet und dort zur Ruhe gekommen ist.
In der Open-Loop-Phase eilt der Rotor dem durch den Stromfluss in den Statorwicklungen bewirkten, umlaufenden Statorfeld nach. Hierbei stellt sich ein Schleppwinkel zwischen dem Strom und dem Rotor ein, der sich je nach Gegenmoment an der Rotorwelle unterschiedlich einstellen kann. Ändert sich das Gegenmoment, kann sich auch der Schleppwinkel ändern, was zu einer ungewünschten Akustik beim Anlaufen führen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuereinrichtung sowie ein Verfahren zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors zur Verfügung zu stellen, die ein einfaches, zuverlässige, schnelles Anlaufen des bürstenlosen Gleichstrommotors ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach weist die Steuereinrichtung eine Totzeit-Kompensationseinheit zum Kompensieren einer beim Schalten der Schalteinheit anfallenden Totzeit auf. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet, für einen Motoranlauf die Rotorposition des Gleichstrommotors bei Stillstand zu ermitteln, bei Stillstand die Überwachungseinheit zum Ermitteln der Rotorposition zu aktivieren und einen Strom zum Bestromen der Statorwicklungen des Gleichstrommotors durch Steuern der Pulsweitenmodulations-Einheit zu steigern, um den Gleichstrommotor zu beschleunigen. Die Überwachungseinheit ist ausgebildet, bei Beschleunigung des Gleichstrommotors aus dem Stillstand den Kennwert anhand der durch den Gleichstrommotor erzeugten Generatorspannung zu ermitteln, wobei die Totzeit-Kompensationseinheit ausgebildet ist, zum Kompensieren der Totzeit beim Schalten der Schalteinheiten ein Stellsignal der Pulsweitenmodulations-Einheit zum Ansteuern der Schalteinheiten oder einen Wert des Motorspannungsstellwerts für die Ermittlung des Kennwerts durch die Überwachungseinheit anzupassen.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Gedanken, die Rotorposition des Gleichstrommotors anhand der durch den Gleichstrommotor erzeugten Generatorspannung (auch bezeichnet als Gegen-EMK oder Back-EMF - EMK bzw. EMF steht für Elektromotorische Kraft (englisch Electromotive Force)) zu bestimmen. Während üblicherweise davon ausgegangen wird, dass eine solche Positionsbestimmung durch Verwendung der Generatorspannung erst möglich ist, wenn sich der Rotor des Gleichstrommotors mit hinreichender Geschwindigkeit dreht, ist vorliegend vorgesehen, die Überwachungseinheit zur Bestimmung der Rotorposition eben unter Verwendung der Generatorspannung bereits bei Stillstand zu aktivieren und die Rotorbestimmung bei Anlauf aus dem Stillstand einzusetzen.
Zur Bestimmung der Rotorposition anhand der Generatorspannung, also anhand der bei Drehung des Rotors generatorisch am Motor erzeugten Gegenspannung, ist erforderlich, dass ein sich ergebener Stromfluss, aus der die Generatorspannung berechnet wird, mit hinreichender Genauigkeit gemessen werden kann. Zur Bestimmung der Generatorspannung ist dabei jedoch auch erforderlich, dass der gemessene Strom mit hinreichender Genauigkeit in Beziehung gesetzt wird zu dem Motorspannungsstellwert, der unter Verwendung der Pulsweitenmodulations-Einheit eingestellt werden soll und der somit einem Sollwert für die Motorspannung entspricht.
Generell kann der Strom im Motor, der sich aufgrund der generatorisch erzeugten Generatorspannung einstellt, mit großer Genauigkeit gemessen werden, beispielsweise mit einer Messgenauigkeit von einem Prozent. Es ist jedoch erkannt worden, dass ein Genauigkeitsproblem bei der Berechnung der Generatorspannung bei kleinen Geschwindigkeiten in der Genauigkeit des Motorspannungsstellwerts besteht, weil beim Anlaufen die Motorspannung kontinuierlich gesteigert wird und somit insbesondere eingangs im Rahmen der Pulsweitenmodulation kurze Spannungspulse zum Einstellen der Motorspannung anhand des effektiven Mittelwerts der Spannungspulse vorliegen. Je kürzer die Spannungspulse, desto größer ist jedoch ein Einfluss von anderen Faktoren, insbesondere einer sogenannten Totzeit, die beim Schalten der Schalteinheiten der Ansteuerschaltung eingehalten werden muss, um zu verhindern, dass es zu einem Kurzschluss in der Ansteuerschaltung aufgrund eines Durchschaltens zweier Schalteinheiten eines Brückenpfads der zum Beispiel als Dreiphasen-Brückenschaltung ausgebildeten Ansteuerschaltung kommt.
Generell wird in einem Brückenpfad einer Brückenschaltung zum Ansteuern einer Phase des Gleichstrommotors im Rahmen der Pulsweitenmodulation nach Abschalten einer Schalteinheit eine andere Schalteinheit erst nach einer vorbestimmten Totzeit eingeschaltet, um zu verhindern, dass Schalteinheiten eines Brückenpfads gemeinsam leitend geschaltet sind. Bei kurzen Pulsen, beispielsweise in der Größenordnung von 1 µs, kann die Totzeit, die beispielsweise einige 100 ns, zum Beispiel 400 ns, lang sein kann, zu einer vergleichsgroßen Verfälschung der durch die Pulsweitenmodulation eingestellten Motorspannung führen. Die tatsächliche Motorspannung unterscheidet sich somit von der an sich gewünschten, durch den Motorspannungsstellwert vorgegebenen Soll-Spannung. Wird die Generatorspannung zum Schätzen der Rotorposition anhand des Motorspannungsstellwerts und des gemessenen Stroms berechnet, kann dies zu einer erheblichen Ungenauigkeit führen, die verhindert, dass bei kleinen Drehgeschwindigkeiten die Rotorposition anhand der Generatorspannung mit hinreichender Genauigkeit geschätzt werden kann.
Aus diesem Grund ist vorliegend vorgesehen, unter Verwendung einer Totzeit-Kompensationseinheit eine Kompensation durchzuführen, die den Effekt der Totzeit bei der Bestimmung der Rotorposition anhand der Generatorspannung reduziert.
Die Totzeit-Kompensation kann insbesondere ein Stellsignal der Pulsweitenmodulations-Einheit kompensieren derart, dass die Motorspannung auf (zumindest näherungsweise) den Motorspannungsstellwert eingestellt wird.
Alternativ kann die Totzeit-Kompensationseinheit den Wert des Motorspannungsstellwerts so anpassen, dass der Motorspannungsstellwert bei Berücksichtigung für die Schätzung der Rotorposition anhand der Generatorspannung zumindest näherungsweise der Motorspannung entspricht, wie sie durch die Pulsweitenmodulations-Einheit eingestellt worden ist.
Es ist festgestellt worden, dass bei Anwendung der Totzeit-Kompensation die Bestimmung der Rotorposition durch die Überwachungseinheit (bezeichnet auch als Observer) anhand der Generatorspannung mit einer so großen Genauigkeit durchgeführt werden kann, dass die Überwachungseinheit bereits bei Stillstand des Rotors aktiviert werden kann, um bereits bei kleinster Bewegung des Rotors anhand einer erzeugten Generatorspannung die Rotorposition zu schätzen.
Dies ermöglicht, auf eine Open-Loop-Phase zu Beginn eines Motoranlaufs zu verzichten. Stattdessen kann unmittelbar bei Stillstand die Überwachungseinheit aktiviert werden, um bereits zu Beginn des Anlaufs die Rotorposition durch die Überwachungseinheit zu ermitteln.
Weil auf eine Open-Loop-Phase verzichtet werden kann, kann sich ein schnelles Anlaufen mit kurzer Anlaufdauer ergeben. Zudem können die Effizienz und die Akustik verbessert sein, weil ohmsche Verluste reduziert und zudem eine Geräuschentwicklung in der (kurzen) Anlaufphase vermindert ist.
Zum Anlaufen des Motors ist vorgesehen, dass initial die Rotorposition bei Stillstand ermittelt wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass die tatsächliche Position des Rotors bei Stillstand ermittelt wird, beispielsweise unter Verwendung eines Verfahrens, wie es in der WO 2016/128468 A1 beschrieben ist.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass initial der Rotor auf eine bestimmte Position festgelegt wird, indem der Rotor durch Erzeugen eines starken Magnetfeldes an den Statorspulen in eine (vor-)bestimmte Position gezwungen wird (sogenanntes Alignment).
Ist die Rotorposition ermittelt (und gegebenenfalls zusätzlich der Rotor in eine gewünschte, vorbestimmte Position festgelegt) worden, so wird die Überwachungseinheit zum Ermitteln der Rotorposition aktiviert und der Motorstrom gesteigert, um den Rotor zu beschleunigen. Bei Beschleunigung wird von Beginn an mittels der Überwachungseinheit die Rotorposition geschätzt, wobei aufgrund der Totzeit-Kompensation diese Schätzung mit hinreichender Genauigkeit vorgenommen werden kann, sodass sich bereits bei sehr kleinen Drehgeschwindigkeiten des Rotors die Rotorposition zuverlässig überwachen lässt.
Auf eine Open-Loop-Phase kann somit verzichtet werden. Die Überwachungseinheit wird bereits unmittelbar zu Beginn des Anlaufens aktiviert, sodass bereits von Anfang an die Rotorposition geschätzt wird und somit in keiner Phase ein blindes Anlaufen ohne Vorliegen einer geschätzten Rotorposition erfolgt.
In einer Ausgestaltung ist die Ansteuerschaltung durch eine Dreiphasen-Brückenschaltung verwirklicht. Der Gleichstrommotor kann insbesondere eine dreiphasige Drehstromwicklung aufweisen, über die die am Stator angeordneten Ankerspulen bestromt werden. Ein jeder Anschluss der Drehstromwicklung ist an einen Brückenpfad der Dreiphasen-Brückenschaltung angeschlossen und kann über Schalteinheiten - konkret je eine High-Side-Schalteinheit und eine Low-Side-Schalteinheit, insbesondere in Form je eines Transistors, beispielsweise eines MOSFET-Transistors - bestromt werden.
Im Rahmen der Pulsweitenmodulation werden die Schalteinheiten eines Brückenpfads abwechselnd geschaltet, wobei nach dem Abschalten einer Schalteinheit die andere Schalteinheit des Brückenpfads erst nach einer vorbestimmten Totzeit leitend geschaltet (durchgeschaltet) wird. Diese Totzeit wird durch die Totzeit-Kompensationseinheit kompensiert, insbesondere um bei der Schätzung der Rotorposition eine hinreichende Genauigkeit zu erreichen.
Ist die Totzeit-Kompensationseinheit dazu ausgestaltet, ein Stellsignal der Pulsweitenmodulations-Einheit anzupassen, um die Motorspannung mit hinreichender Genauigkeit entsprechend des Motorspannungsstellwerts einzustellen, so ist die Totzeit-Kompensationseinheit vorzugsweise dazu ausgebildet, Schaltzeiten des Stellsignals zum Ansteuern der Schalteinheiten der Ansteuerschaltung anzupassen. Die Schaltzeiten können durch die Totzeit-Kompensationseinheit hierbei insbesondere derart angepasst werden, dass die durch die Pulsweitenmodulations-Einheit eingestellte Motorspannung dem Motorspannungsstellwert zumindest näherungsweise entspricht. Ein Effekt der Totzeit, der zu einer Abweichung der Motorspannung vom Motorspannungsstellwert führt, kann auf diese Weise kompensiert werden, insbesondere indem Pulslängen verlängert werden und somit der Mittelwert der Pulse zum effektiven Einstellen der Motorspannung vergrößert wird.
In einer Ausgestaltung ist die Überwachungseinheit dazu ausgebildet, Komponenten der Generatorspannung anhand der nachfolgenden Gleichungen zu bestimmen: $U_{B E M F, d} = U_{d} - R I_{d} + ω L_{q} I_{q}$
$U_{B E M F, q} = U_{q} - R I_{q} + ω L_{d} I_{d}$
Hierbei bezeichnen U_BEMF,d, U_BEMF,q die Komponenten der Generatorspannung, U_d und U_q Komponenten des Motorspannungsstellwerts, R einen ohmschen Widerstandswert des Gleichstrommotors, L_q, L_d Induktivitätswerte des Gleichstrommotors und ω die Motorgeschwindigkeit. Die Gleichungen dienen zum Bestimmen der Generatorspannung anhand der jeweiligen Komponente des Motorspannungsstellwerts und des gemessenen Motorstroms (I_d, I_q). Aufgrund der Totzeit-Kompensation ist die Totzeit vorteilhafterweise so kompensiert, dass die Motorspannung zumindest näherungsweise dem Motorspannungsstellwert entspricht, sodass sowohl der gemessene Motorstrom als auch der Motorspannungsstellwert mit hinreichender Genauigkeit in die Gleichungen zur Bestimmung der Komponenten der Generatorspannung eingehen.
Aus den entlang der d- und q-Achsen vorliegenden Komponenten der Generatorspannung (im üblichen d/q-Koordinatensystem des Rotors) kann der Winkel des Rotors und somit die Rotorposition relativ zum Statorfeld bestimmt werden.
In einer Ausgestaltung ist die Überwachungseinheit dazu ausgebildet, als Ausgabe die Rotorgeschwindigkeit bereitzustellen. Aus der Rotorgeschwindigkeit kann hierbei beispielsweise durch Integration die Rotorposition (in Form des Winkels in dem d/q-Koordinatensystem des Motors zu dem dreiphasige UVW-Koordinatensystem des Stators) errechnet werden.
Unter Verwendung der Überwachungseinheit erfolgt der Anlauf aus dem Stillstand in einem Closed-Loop-Betrieb, also bei fortdauernder Überwachung der Rotorposition. Nach der Anlaufphase kann in einen Regelbetrieb geschaltet werden, in dem die Motorgeschwindigkeit zum Beispiel auf einen vorgegebenen Drehzahlwert oder ein Drehmoment geregelt wird, in dem also eine übliche Regelung im Betrieb erfolgt.
Das Umschalten aus der Anlaufphase in den Regelbetrieb kann hierbei in Abhängigkeit von der Rotorgeschwindigkeit erfolgen. Beispielsweise kann in den Regelbetrieb geschaltet werden, wenn die durch die Überwachungseinheit ermittelte Rotorgeschwindigkeit größer oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert ist. Wird erkannt, dass die Rotorgeschwindigkeit größer wird als der Grenzwert, so wird von einem erfolgreichen Anlaufen ausgegangen, und es kann in den üblichen Regelbetrieb geschaltet werden, in dem eine Motorregelung anhand vorbestimmter Regelkenngrößen erfolgt.
Um einen Fehler beim Anlaufen zu identifizieren, kann vorgesehen sein, die Dauer der Anlaufphase zu überwachen. So kann die Steuereinrichtung beispielsweise dazu ausgebildet sein, einen Fehler zu identifizieren, wenn eine vorbestimmte Maximalzeit für die Anlaufphase überschritten ist, ohne dass die durch die Überwachungseinheit ermittelte Rotorgeschwindigkeit den vorbestimmten Grenzwert erreicht hat. Beschleunigt der Rotor somit nicht hinreichend und erreicht der Rotor damit nicht die vorbestimmte Grenzgeschwindigkeit, so wird davon ausgegangen, dass ein Fehler vorliegt, beispielsweise weil der Rotor blockiert ist oder ein sonstiger Fehler aufgetreten ist.
Die Erfindung wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors bei dem: Statorwicklungen des Gleichstrommotors durch eine Ansteuerschaltung, die eine Mehrzahl von Schalteinheit aufweisen, bestromt werden; die Schalteinheiten durch eine Pulsweitenmodulations-Einheit zum Einstellen einer Motorspannung anhand eines Motorspannungsstellwerts angesteuert werden; und ein mit einer Rotorposition des Gleichstrommotors korrigierter Kennwert durch eine Überwachungseinheit einer durch den Gleichstrommotor erzeugten Generatorspannung ermittelt wird. Dabei ist vorgesehen, dass für einen Motoranlauf die Rotorposition des Gleichstrommotors bei Stillstand ermittelt wird, bei Stillstand die Überwachungseinheit zum Ermitteln der Rotorposition aktiviert wird und ein Strom zum Bestromen der Statorwicklungen des Gleichstrommotors durch Steuern der Pulsweitenmodulations-Einheit gesteigert wird, um den Gleichstrommotor zu beschleunigen. Die Überwachungseinheit ermittelt bei Beschleunigung des Gleichstrommotors aus dem Stillstand den Kennwert der durch den Gleichstrommotor erzeugten Generatorspannung. Eine Totzeit-Kompensationseinheit passt zum Kompensieren einer beim Schalten der Schalteinheiten anfallenden Totzeit ein Stellsignal der Pulsweitenmodulations-Einheit zum Ansteuern der Schalteinheiten oder einen Wert des Motorspannungsstellwerts für die Ermittlung des Kennwerts durch die Überwachungseinheit an.
Die vorangehend für die Steuereinrichtung beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen finden analog auch auf das Verfahren Anwendung, sodass auf das vorangehend Erläuterte verwiesen werden soll.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Steuereinrichtung zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors;
2 eine schematische Ansicht einer Ansteuerschaltung zum Ansteuern des bürstenlosen Gleichstrommotors;
3 eine schematische Ansicht einer Überwachungseinheit zum Schätzen der Rotorposition;
4 eine Ansicht eines Brückenpfads der als Dreiphasen-Brückenschaltung ausgebildeten Ansteuerschaltung;
5 Ansichten von Stellsignalen zum Steuern einer Pulsweitenmodulation in einer Pulsweitenmodulations-Einheit;
6 eine Ansicht eines Stroms bei der anhand der Stellsignale gemäß 4 eingestellten Pulsweitenmodulation;
7 eine Ansicht einer sich ergebenden Motorspannung; und
8 ein Ablaufdiagramm zum Steuern eines Gleichstrommotors zum Anlaufen.

1 zeigt ein schematisches Prinzipschaltbild einer Steuereinrichtung 1 zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors 2, der einen Stator 23 mit daran angeordneten, Statorwicklungen tragenden Polen und einem zum Stator 23 drehbaren, permanentmagneterregten Rotor 24 aufweist.
Bei einem solchen permanenterregten Gleichstrommotor 2 werden die Statorwicklungen in drei Phasen bestromt, wie dies in 2 dargestellt ist. Mit den drei Phasen U, V, W des Gleichstrommotors 2 ist eine Ansteuerschaltung 15 in Form einer Dreiphasen-Brückenschaltung (auch bezeichnet als B6-Brücke) verbunden, die Schalteinheiten 150-155 in Form von Transistoren, insbesondere MOSFET-Transistoren, aufweist, die in Brückenpfaden angeordnet und jeweils paarweise mit einem Knoten K1, K2, K3 zur Ansteuerung einer jeweils zugeordneten Phase U, V, W des Dreiphasen-Gleichstrommotors 2 verbunden sind. Angesteuert über die Ansteuerschaltung 15 werden Statorwicklungen 20, 21, 22 in den drei Phasen U, V, W des Gleichstrommotors 2 bestromt, um auf diese Weise ein (umlaufendes) Statorfeld am Stator 23 zu erzeugen, dem der permanentmagneterregte Rotor 24 im Betrieb nachfolgt.
Bei der Ansteuerschaltung 15 gemäß 2 ist in jedem Brückenpfad eine sogenannte High-Side-Schalteinheit 150, 152, 154 mit einer Versorgungsspannung Uv und dem zugeordneten Knoten K1, K2, K3 verbunden. Eine Low-Side-Schalteinheit 151, 153, 155 ist zwischen dem jeweils zugeordneten Knoten K1, K2, K3 und einem Massepotential angeordnet. Mit dem Knoten K1, K2, K3 ist die jeweils zugeordnete Phase U, V, W verbunden, sodass über die Brückenpfade die Phasen U, V, W bestromt werden können.
Zum Ansteuern der Ansteuerschaltung 15 dient eine Pulsweitenmodulation-Einheit 14, die ein Stellsignal an die Schalteinheiten 150-155 abgibt und darüber die Schalteinheiten 150-155 zwischen einem leitenden Ein-Zustand und einem sperrenden Aus-Zustand schaltet.
Bezugnehmend wiederum auf das Prinzipschaltbild gemäß 1 dient die Steuereinrichtung 1 zum geregelten Betreiben des Gleichstrommotors 2. Die Steuereinrichtung 1 weist hierzu eine Regelstufe 10 mit Reglereinheiten in Form zum Beispiel von PI-Reglern 100, 101 auf, denen ein Sollwert I_d,soll, I_q,soll zum Beispiel für eine Stromregelung des Gleichstrommotors 2 zugeführt wird. Die Reglereinheiten 100, 101 erzeugen hieraus Spannungsstellwerte U_d, U_q, die einer Umsetzeinheit 11 zugeführt werden, die die auf das übliche d/q-Koordinatensystem des Motors 2 bezogenen Spannungsstellwerte U_d, U_q umsetzen in das dreiphasige UVW-Koordinatensystem des Stators 23. Eine Modulationseinheit 12 erzeugt anhand der nunmehr in das UVW-Koordinatensystem umgerechneten Spannungsstellwerte Vorgaben für eine Pulsweitenmodulation, nämlich die erforderlichen Pulsweitenverhältnisse (bezeichnet als Duty Cycle). Eine Ausgabe der Modulationseinheit wird an eine Totzeit-Kompensationseinheit 13 geleitet, die die Vorgaben anpasst und einer Pulsweitenmodulations-Einheit 14 zum Durchführen der Pulsweitenmodulation unter Verwendung der Ansteuerschaltung 15 zuführt.
Im Regelbetrieb wird der Motorstrom in den drei Phasen U, V, W des Gleichstrommotors 2 gemessen und über eine Verstärkereinheit 16 in Form eines Operationsverstärkers einem Analog-Digital-Wandler 17 zur Wandlung der analogen Messwerte in digitale Signale zugeführt. Als Ausgabe der Wandlereinheit 17 liegen Strommesswerte in den drei Phasen U, V, W des Gleichstrommotors 2 in digitalisierter Form vor. Diese werden einer Umsetzeinheit 18 zum Wandeln der Strommesswerte aus dem UVW-Koordinatensystem des Stators in das d/q-Koordinatensystem des Rotors 24 zugeführt, die Strommesswerte I_d, I_q nunmehr bezogen auf das d/q-Koordinatensystem ausgibt.
Die so erhaltenen Strohmesswerte I_d, I_q werden zum einen den Reglereinheiten 100, 101 der Regelstufe 10 zugeführt. Zudem werden die Strohmesswerte I_d, I_q einer Überwachungseinheit 19 (auch bezeichnet als Observer) zugeführt, die anhand der Strommesswerte die Motorgeschwindigkeit in Form der Winkelgeschwindigkeit ω bestimmt und über einen Integrator 190 die Rotorposition in Form eines Winkels θ ermittelt. Der Winkel θ beschreibt den Winkel zwischen dem d/q-Koordinatensystem des Rotors 24 und dem dreiphasigen UVW-Koordinatensystem des Stators 23 und stellt somit einen Kennwert für die Rotorposition dar.
Konkret ermittelt die Überwachungseinheit 19 den Winkel θ und die Winkelgeschwindigkeit ω des magnetischen Felds. Wenn der Rotor 24 über mehr als ein magnetisches Polpaar, nämlich N Polpaare (N > 1), verfügt, ergibt sich die physikalische Rotorgeschwindigkeit zu ω_mech = ω / N. D. h. in den Spulen- und Phasenströmen ergeben sich N Sinus-Perioden während einer mechanischen Umdrehung des Rotors 24, sodass der elektrische Winkel schneller umläuft als der mechanische Winkel. Die Überwachungseinheit 19 ermittelt somit die Position und Geschwindigkeit des magnetischen Feldes als Kenngrößen für die Rotorposition und die Rotorgeschwindigkeit, nicht aber die (absolute) mechanische Position und Geschwindigkeit des Rotors 24. Der Winkel θ und die Winkelgeschwindigkeit ω des magnetischen Felds werden zur Steuerung verwendet und entsprechend der Umsetzeinheit 11 zugeführt.
Ein solcher Regelbetrieb dient im normalen Betrieb zum Regeln des Gleichstrommotors 2, zum Beispiel zum Einstellen und Regeln der Geschwindigkeit oder des Drehmoments des Gleichstrommotors 2. Im Regelbetrieb wird hierbei die Rotorposition unter Verwendung der Überwachungseinheit 19 fortlaufend überwacht, um die Rotorposition im Rahmen der Drehzahl oder Drehmomentregelung einzustellen.
Bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor 2 wird ein Drehmoment dadurch erzeugt, dass der permanentmagneterregte Rotor 24 dem umlaufenden, durch die Statorwicklungen 20, 21, 22 erzeugten magnetischen Feld des Stators 23 nachfolgt. Das von den Statorspulen 20, 21, 22 erzeugte Magnetfeld ist hierbei auf die Position des Rotors 24 auszurichten, was durch Verwendung der Überwachungseinheit 19 überwacht wird.
Die Überwachungseinheit 19 ist in einem schematischen Prinzipschaltbild in 3 dargestellt. Die Überwachung der Motorgeschwindigkeit (in Form der Winkelgeschwindigkeit ω) basiert auf der Messung der vom Gleichstrommotor 2 bei Bewegung induzierten Generatorspannung, auch bezeichnet als Gegen-EMK oder Back-EMF (kurz BEMF), die anhand der Motorspannungsgleichungen bestimmt werden kann.
Die Motorspannungsgleichungen können wie folgt formuliert werden: $U_{d} = R I_{d} + L_{d} + L_{d} \frac{d I_{d}}{d t} - ω L_{q} I_{q} + \underset{U_{B E M F, d}}{\underset{︸}{0}}$
$U_{q} = R I_{q} + L_{q} + L_{d} \frac{d I_{d}}{d t} - ω L_{d} I_{d} + \underset{U_{B E M F, q}}{\underset{︸}{ω Ψ}}$
U_d, U_q bezeichnen hierbei die Komponenten der Motorspannung, bezogen auf das d/q-Koordinatensystem des Rotors 24. R bezeichnet einen ohmschen Widerstand des Gleichstrommotors 2. L_d, L_q sind Induktivitätskomponenten. I_d, I_q sind die Motorstromkomponenten. Der jeweils letzte Term in den Gleichungen gibt die induzierte Generatorspannung an, wobei die physikalische Gegenspannung am Rotor (idealerweise) einen Winkel von 90° zur d-Achse aufweist und somit in der Spannungsgleichung für die auf die d-Achse bezogene Motorspannungskomponente U_d einen Wert von 0 annimmt. Die Generatorspannung bezogen auf die q-Achse berechnet sich physikalisch anhand des Erregerflusses Ψ.
Weil grundsätzlich von einer langsamen Änderung der Ströme ausgegangen werden kann, können die die zeitliche Ableitung der gemessenen Ströme einbeziehenden Terme vernachlässigt werden. Hieraus ergibt sich, dass die Generatorspannungskomponenten aus den Motorspannungsgleichungen wie folgt berechnet werden können: $U_{B E M F, d} = U_{d} - R I_{d} + ω L_{q} I_{q}$
$U_{B E M F, q} = U_{q} - R I_{q} + ω L_{d} I_{d}$
Dies bezieht sich auf den realen Fall, in dem die in den Statorwicklungen induzierte Generatorspannung einen Winkel von ungleich 90° zum Rotor 24 aufweist und somit die auf die d-Achse bezogene Motorspannungskomponente U_d ungleich Null ist.
Dieses Gleichungssystem ist in Verknüpfungseinheiten 191, 192 der Überwachungseinheit 19 umgesetzt. Die Verknüpfungseinheiten 191, 192 verwenden die gemessenen Motorstromkomponenten I_d, I_q als Input und geben die geschätzten Generatorspannungskomponenten U_BEMF,d, U_BEMF,q aus.
In einer Umrechnungseinheit 193 wird (durch eine mathematische Arkustangens-Operation) aus den Generatorspannungskomponenten U_BEMF,d, U_BEMF,q eine Winkelinformation erzeugt und einer Regeleinheit 194 in Form eines PI-Reglers zugeführt, die die Motorgeschwindigkeit in Form der Winkelgeschwindigkeit ω ausgibt.
Herkömmlich wird davon ausgegangen, dass die Verwendung einer solchen Überwachungseinheit 19 erst bei Bewegung des Rotors 24 sinnvoll ist. Für einen Motoranlauf aus dem Stillstand, bei dem (zunächst) keine Bewegung vorliegt, ist die Generatorspannung klein und ermöglicht nicht ohne weiteres eine Steuerung zum Anlaufen des Gleichstrommotors 2 aus dem Stillstand.
Herkömmlich erfolgt ein Motoranlauf für einen bürstenlosen Gleichstrommotor bei sensorloser Steuerung daher, indem zunächst die Position des Rotors bestimmt und/oder durch ein sogenanntes Alignment auf eine vorbestimmte Position festgelegt wird. Anschließend wird in einer sogenannten Open-Loop-Phase der Rotor langsam beschleunigt, wobei bei dieser Open-Loop-Phase die Position des Rotors nicht überwacht wird. Erst ab einer Motorgeschwindigkeit, bei der die induzierte Generatorspannung ein hinreichendes Signal-zu-Rauschverhältnis aufweist, erfolgt eine Positionsschätzung des Rotors 24 unter Verwendung der Überwachungseinheit 19.
Vorliegend wird vorgeschlagen, anstelle dieses üblichen Vorgehens zum Motoranlauf die Überwachungseinheit 19 zur Schätzung der Rotorposition unter Verwendung der induzierten Generatorspannung bereits ab Stillstand zu aktivieren, um bei Motoranlauf die Rotorposition fortlaufend zu überwachen. Auf eine Open-Loop-Phase, die gegebenenfalls die Effizienz des Anlaufs reduziert und die Anlaufdauer erhöht, kann dann verzichtet werden.
Hierzu ist erkannt worden, dass eine Verwendung der Überwachungseinheit 19 bei kleinen Drehgeschwindigkeiten nicht durch die Genauigkeit der Messung der Motorströme I_d, I_q limitiert ist, sondern durch die Genauigkeit der Vorgaben für die Pulsweitenmodulations-Steuerung.
Die Pulsweitenmodulations-Steuerung erfolgt über die Ansteuerschaltung 15, wie sie in einem Ausführungsbeispiel in 2 dargestellt ist. Die Schalteinheiten 150-155 werden hierzu in abgestimmter Weise geschaltet, sodass die Versorgungsspannung im Rahmen der Pulsweitenmodulation in gepulster Weise an die Phasen U, V, W zum Erzeugen eines umlaufenden Drehfelds am Stator 23 angelegt wird.
Die Schalteinheiten 150-155 eines Brückenpfads werden hierbei abwechselnd zum gepulsten Bestromen der Phasen geschaltet. Hierbei ist zu beachten, dass die Schalteinheiten 150-155 eines Brückenpfads nie gleichzeitig leitend sein dürfen, um einen Kurzschluss zwischen der Versorgungspannung Uv und dem Massepotential zu verhindern. Hierzu ist eine Totzeit zwischen dem Ausschalten zum Beispiel der Schalteinheit 150 in dem dem Knotenpunkt K1 zugeordneten Brückenpfad und dem anschließenden Einschalten der Schalteinheit 151 vorgesehen, sodass die Schalteinheit 151 erst nach Ablauf der Totzeit eingeschaltet wird und somit ein zeitlicher Abstand zwischen dem Ausschalten der einen Schalteinheit 150, 151 und dem anschließenden Einschalten der anderen Schalteinheit 151, 150 besteht.
Dies soll anhand von 4 bis 7 veranschaulicht werden.
4 zeigt beispielhaft einen Brückenpfad der Ansteuerschaltung 15 mit zugeordneten Schalteinheiten 150, 151.
5 zeigt oben ein Stellsignal s(t) in Abhängigkeit der Zeit, das die Pulsweitenmodulation angibt und Pulsweiten P0, P1 von Pulsen einstellt, deren Verhältnis den sogenannten Duty Cycle der Pulsweitenmodulation bestimmen soll. 5 zeigt mittig und unten zudem Stellsignale s1(t) und s2(t), mit denen die einzelnen Schalteinheiten 150, 151 eines Brückenpfads angesteuert werden, wie dies in Zusammenschau mit 4 ersichtlich ist.
Ersichtlich ist hierbei aus den Stellsignalen s1 (t) und s2(t), das zwischen dem Abschalten der einen Schalteinheit 150 zum Beispiel zum Zeitpunkt T1 und dem Einschalten der anderen Schalteinheit 151 zum Zeitpunkt T2 ein zeitlicher Abstand besteht, der der Totzeit TZ entspricht.
6 zeigt beispielhaft den sich einstellenden Strom i(t) in der zugeordneten Motorphase U. Der Strom ergibt sich aus Stromflüssen i1, i2, i3, die in 4 eingezeichnet sind. Bei eingeschalteter Schalteinheit 150 stellt sich ein Stromfluss i1 über den leitend geschalteten Transistor der Schalteinheit 150 ein. In der Totzeit TZ zwischen den Zeitpunkten T1, T2 gemäß 5 ergibt sich aufgrund der generatorischen Wirkung des sich drehenden Motors ein Stromfluss i2 über eine Freilaufdiode D des Transistors der Schalteinheit 151. Nach dem Einschalten der Schalteinheit 151 zum Zeitpunkt T2 fließt der Strom dann über den üblichen Leitungsweg des Transistors der Schalteinheit 151 (Stromfluss i3).
7 veranschaulicht die sich ergebende Motorspannung u(t) in Abhängigkeit der Zeit. Es ist ersichtlich, dass aufgrund der Totzeit TZ sich eine Abweichung E zwischen der sich einstellenden Motorspannung u(t) und dem Stellwert s(t) der Pulsweitenmodulation ( 5 oben) ergibt, sodass die tatsächliche Motorspannung von dem pulsweitenmodulierten Stellsignal s(t) abweicht. Entsprechend ergibt sich eine effektive, gemittelte Motorspannung im Rahmen der Pulsweitenmodulation, die von einem zugeordneten Motorspannungsstellwert U_d, U_q abweicht.
Diese Abweichung hat einen vergleichsweise großen Einfluss auf die Bestimmung der Rotorgeschwindigkeit durch die Überwachungseinheit 19 insbesondere bei kleinen Geschwindigkeiten, bei denen das Verhältnis der Totzeit TZ zur Einschalt-Pulslänge bei der Pulsweitenmodulation nicht vernachlässigbar klein ist. Dies ist dadurch bedingt, dass die Motorspannungsstellwerte U_d, U_q in die Berechnung der Generatorspannungskomponenten U_BEMF,d, U_BEMF,q unmittelbar eingehen. Stimmen diese jedoch nicht mit den tatsächlich sich ergebenden Motorspannungswerten überein, ist die Berechnung der Generatorspannungskomponenten U_BEMF,d, U_BEMF,q mit einem Fehler behaftet.
Aus diesem Grunde wird vorliegend mittels der Totzeitkompensationseinheit 13 das Stellsignal s(t) so angepasst und somit vorkompensiert, dass an dem dreiphasigen Gleichstrommotor 2 die Motorspannung u(t) so eingestellt wird, dass sie zumindest näherungsweise den zugeordneten Motorspannungsstellwerten U_d, U_q entspricht. Es erfolgt somit eine Kompensation der Totzeit TZ dadurch, dass die Pulsweitenmodulation angepasst wird.
Daraus ergibt sich eine erhöhte Genauigkeit in der Bestimmung der Generatorspannungen U_BEMF,d, U_BEMF,q und somit der Motorgeschwindigkeit ω. Dies ermöglicht, die Überwachungseinheit 3 für einen Motoranlauf bereits bei Stillstand zu aktivieren, um während des Motoranlaufs die Rotorposition dauerhaft zu überwachen. Dies ermöglicht einen deutlich schnelleren Motoranlauf, bei zudem gegebenenfalls erhöhter Effizienz, weil ohmsche Verluste reduziert werden können.
Ein Verfahren für einen Motoranlauf ist in dem Ablaufdiagramm gemäß 8 dargestellt.
Im Rahmen des Motoranlaufs wird zunächst die Rotorposition bestimmt und/oder durch ein sogenanntes Alignment festgelegt (Schritt A1). Zur Bestimmung der Rotorposition kann beispielsweise ein Verfahren verwendet werden, wie dies in der WO 2016/128468 A1 beschrieben ist.
Sodann wird die Rotorposition im Rahmen der Anlaufsteuerung für die Felderzeugung am Stator 23 auf den geschätzten Wert der Rotorposition initialisiert (Schritt A2).
Die Überwachungseinheit 19 wird aktiviert (Schritt A3). Dies erfolgt bereits bei Anlauf aus dem Stillstand, sodass die Rotorposition unter Verwendung der Überwachungseinheit 19 fortlaufend aus dem Stillstand heraus überwacht wird.
In Schritt A4 wird der Motorstrom in der gewünschten Drehrichtung gesteigert, sodass der Rotor 24 in die gewünschte Drehrichtung beschleunigt wird. Dies erfolgt grundsätzlich bis hin zum Nennstrom des Motors.
Wird im Rahmen des Anlaufs festgestellt, dass die durch die Überwachungseinheit 19 fortlaufend überwachte Motorgeschwindigkeit ω einen vorab bestimmten Grenzwert ω_Min überschreitet, so wird die Anlaufphase beendet und in einen üblichen Regelbetrieb zum Beispiel zur Regelung des Stroms und des Drehmoments des Motors 2 geschaltet. Erreicht die Motorgeschwindigkeit ω hingegen den Grenzwert ω_Min innerhalb einer vorbestimmten Maximalzeit T_max nicht, so wird von einem Fehlerfall ausgegangen und der Anlauf abgebrochen.
Dadurch, dass die Überwachungseinheit 19 bereits vom Stillstand an zur Überwachung der Rotorposition verwendet wird, kann auf eine Open-Loop-Phase für den Anlauf des Gleichstrommotors 2 im Rahmen einer sensorlosen Steuerung verzichtet werden. Es ergibt sich eine Anlaufphase, die kurz sein kann und zudem eine erhöhte Effizienz dadurch ermöglicht, dass ohmsche Verluste und eine thermische Belastung der Schalteinheiten 150-155 der Ansteuerschaltung 15 reduziert werden können. Zudem kann sich eine vorteilhafte Akustik schon dadurch ergeben, dass die Anlaufphase kurz ist.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke ist nicht auf die vorangehend geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern lässt sich auch in anderer Weise verwirklichen.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor der beschriebenen Art kann insbesondere in einem Fahrzeug, zum Beispiel zum Verdichten eines Kühlmittels (sogenannter Kühlmittelverdichter), Verwendung finden.
Bezugszeichenliste

1: Steuereinrichtung
10: Regelstufe
100, 101: PI-Regler
11: Umsetzeinheit
12: Modulationseinheit
13: Totzeit-Kompensationseinheit
14: PWM-Einheit
15: Ansteuerschaltung (Brückenschaltung)
150-155: Schalteinheit (Transistor (MOSFET))
16: Verstärkereinheit (Operationsverstärker)
17: Wandler (ADC)
18: Umsetzeinheit
19: Überwachungseinheit
190: Integrator
191, 192: Verknüpfungseinheit
193: Umrechnungseinheit
194: Reglereinheit (PI-Regler)
2: Synchronmotor
20-22: Statorwicklung
23: Stator
24: Rotor
D: Freilaufdiode
E: Fehlerinterval
i1, i2, i3: Strom
Id, Iq: Strom
Id,soll, Iq,soll: Sollwert
K1-K3: Knoten
P0, P1; P0', P1': Pulslänge
s, s1, s2: Stellsignal
θ: Winkel
T1-T4: Schaltzeit
TZ: Totzeit
UBEMF,d, UBEMF,q: Generatorspannung (BEMF)
Ud, Uq: Spannung
Uv: Versorgungsspannung
ω: Geschwindigkeit (Drehzahl)
ωMin: Grenzwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/053388 A2 [0009, 0010]
WO 2016/128468 A1 [0011, 0028, 0077]

Claims

Steuereinrichtung (1) zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors (2), mit einer Ansteuerschaltung (15), die eine Mehrzahl von Schalteinheiten (150-155) aufweist, die zum Bestromen von Statorwicklungen (20-22) des Gleichstrommotors (2) schaltbar sind, einer Pulsweitenmodulations-Einheit (14) zum Ansteuern der Schalteinheiten (150-155) zum Einstellen einer Motorspannung anhand eines Motorspannungsstellwerts (U_d, U_q) und einer Überwachungseinheit (19) zum Ermitteln eines mit einer Rotorposition (θ) des Gleichstrommotors (2) korrelierten Kennwerts anhand einer durch den Gleichstrommotor (2) erzeugten Generatorspannung (U_BEMF,d, U_BEMF,q), gekennzeichnet durch eine Totzeit-Kompensationseinheit (13) zum Kompensieren einer beim Schalten der Schalteinheiten (150-155) anfallenden Totzeit (TZ), wobei die Steuereinrichtung (1) ausgebildet ist, für einen Motoranlauf die Rotorposition (θ) des Gleichstrommotors (2) bei Stillstand zu ermitteln, bei Stillstand die Überwachungseinheit (19) zum Ermitteln der Rotorposition (θ) zu aktivieren und einen Strom zum Bestromen der Statorwicklungen (20-22) des Gleichstrommotors (2) durch Steuern der Pulsweitenmodulations-Einheit (14) zu steigern, um den Gleichstrommotor (2) zu beschleunigen, wobei die Überwachungseinheit (19) ausgebildet ist, bei Beschleunigung des Gleichstrommotors (2) aus dem Stillstand den Kennwert anhand der durch den Gleichstrommotor (2) erzeugten Generatorspannung (U_BEMF,d, U_BEMF,q) zu ermitteln, wobei die Totzeit-Kompensationseinheit (13) ausgebildet ist, zum Kompensieren der Totzeit (TZ) beim Schalten der Schalteinheiten (150-155) ein Stellsignal (s) der Pulsweitenmodulations-Einheit (14) zum Ansteuern der Schalteinheiten (150-155) oder einen Wert des Motorspannungsstellwerts (U_d, U_q) für die Ermittlung des Kennwerts durch die Überwachungseinheit (19) anzupassen.
Steuereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (1) ausgebildet ist, für den Motoranlauf keine Open-Loop-Phase ohne Ermittlung des Kennwerts durch die Überwachungseinheit (19) zu verwenden.
Steuereinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (15) eine Dreiphasen-Brückenschaltung ist.
Steuereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit-Kompensationseinheit (13) ausgebildet ist, Schaltzeiten (T1-T4) des Stellsignals (s) zum Ansteuern der Schalteinheiten (150-155) anzupassen.
Steuereinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Totzeit-Kompensationseinheit (13) ausgebildet ist, die Schaltzeiten (T1-T4) des Stellsignals (s) zum Steuern der Pulsweitenmodulations-Einheit (14) so anzupassen, dass eine durch die Pulsweitenmodulations-Einheit (14) eingestellte Motorspannung dem Motorspannungsstellwert entspricht.
Steuereinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (19) ausgebildet ist, Komponenten der Generatorspannung (U_BEMF,d, U_BEMF,q) anhand folgender Gleichungen zu bestimmen: $U_{B E M F, d} = U_{d} - R I_{d} + ω L_{q} I_{q}$
$U_{B E M F, q} = U_{q} - R I_{q} + ω L_{d} I_{d}$
wobei U_BEMF,d, U_BEMF,q die Komponenten der Generatorspannung, U_d und U_q Komponenten des Motorspannungsstellwerts, R ein ohmscher Widerstandswert des Gleichstrommotors (2), L_q, L_d Induktivitätswerte des Gleichstrommotors (2) und ω die Motorgeschwindigkeit ist.
Steuereinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (19) ausgebildet ist, die Rotorgeschwindigkeit (ω) zu ermitteln.
Steuereinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (19) ausgebildet ist, die Rotorposition (θ) durch Integration der Rotorgeschwindigkeit (ω) zu ermitteln.
Steuereinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (1) ausgebildet ist, in einen Regelbetrieb zu schalten, wenn die durch die Überwachungseinheit (19) ermittelte Rotorgeschwindigkeit (ω) größer oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert (ω_Mίn) ist.
Steuereinrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (1) ausgebildet ist, einen Fehler zu identifizieren, wenn eine vorbestimmte Maximalzeit überschritten ist, ohne dass die durch die Überwachungseinheit (19) ermittelte Rotorgeschwindigkeit (ω) den vorbestimmten Grenzwert (ω_Mίn) erreicht hat.
Verfahren zum Steuern eines bürstenlosen Gleichstrommotors (2), mit Bestromen von Statorwicklungen (20-22) des Gleichstrommotors (2) durch eine Ansteuerschaltung (15), die eine Mehrzahl von Schalteinheiten (150-155) aufweist, Ansteuern der Schalteinheiten (150-155) durch eine Pulsweitenmodulations-Einheit (14) zum Einstellen einer Motorspannung anhand eines Motorspannungsstellwerts (U_d, U_q) und Ermitteln eines mit einer Rotorposition (θ) des Gleichstrommotors (2) korrelierten Kennwerts durch eine Überwachungseinheit (19) einer durch den Gleichstrommotor (2) erzeugten Generatorspannung (U_BEMF,d, U_BEMF,q), dadurch gekennzeichnet, dass für einen Motoranlauf die Rotorposition (θ) des Gleichstrommotors (2) bei Stillstand ermittelt wird, bei Stillstand die Überwachungseinheit (19) zum Ermitteln der Rotorposition (θ) aktiviert wird und ein Strom zum Bestromen der Statorwicklungen (20-22) des Gleichstrommotors (2) durch Steuern der Pulsweitenmodulations-Einheit (14) gesteigert wird, um den Gleichstrommotor (2) zu beschleunigen, wobei die Überwachungseinheit (19) bei Beschleunigung des Gleichstrommotors (2) aus dem Stillstand den Kennwert der durch den Gleichstrommotor (2) erzeugten Generatorspannung (U_BEMF,d, U_BEMF,q) ermittelt und eine Totzeit-Kompensationseinheit (13) zum Kompensieren einer beim Schalten der Schalteinheiten (150-155) anfallenden Totzeit (TZ) ein Stellsignal (s, s1, s2) der Pulsweitenmodulations-Einheit (14) zum Ansteuern der Schalteinheiten (150-155) oder einen Wert des Motorspannungsstellwerts (U_d, U_q) für die Ermittlung des Kennwerts durch die Überwachungseinheit (19) anpasst.