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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Starten eines bürstenlosen
Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bürstenlose
Gleichstrommotoren, sog. BLDC-Motoren, werden elektronisch kommutiert,
wobei die in Brückenschaltung
angeordneten Halbleiterschalter der Schaltvorrichtung nach einem
vorgegebenen Kommutierungsmuster zur folgerichtigen Bestromung der
einzelnen Wicklungsstränge
oder -phasen der Statorwicklung von einer Steuervorrichtung in Abhängigkeit
von der momentanen Drehlage des Rotors – im folgenden Rotorposition
genannt – durchgeschaltet
(geschlossen) oder gesperrt (geöffnet) werden.
Durch die Kommutierung wird sichergestellt, daß die Winkelbeziehung von 90° elektrisch
zwischen einem von der Statorwicklung erzeugten Statorflußvektor
und dem Rotordurchflutungsvektor aufrechterhalten bleibt, und somit
der Rotor von dem umlaufenden Statorfeld- oder Statorflußvektor
angetrieben wird.
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Zur
Bestimmung der Rotorposition werden z. B. Positionssensoren eingesetzt
(
DE 40 40 926 C1 ). Es
sind auch BLDC-Motoren bekannt, bei denen zur Bestimmung der Rotorposition
rotatorisch induzierte Spannungen ausgewertet werden (
DE 37 09 168 A1 ). Nachteilig
dabei ist, daß im
Motorstillstand keine Spannung induziert wird, die Rotorposition
daher nicht bekannt ist und sich damit der Motoran- oder -hochlauf
insbesondere bei stark veränderlichen
oder hohen Lasten schwierig gestaltet.
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Aus
der gattungsgemäßen
US 5 569 990 A und/oder
US 5 028 852 A ist
es bekannt, bei einem BLDC-Motor die Rotorposition im Stillstand
mit einer Genauigkeit von 180°/m
elektrisch zu bestimmen wobei m die Phasenzahl der Statorwicklung
ist, um mit dieser Kenntnis der Rotorposition den Motor durch Anlegen
eines auf die Rotorposition angepaßten Kommutierungsmusters der
Ansteuersignale für
die Schaltvorrichtung in die richtige Drehrichtung zu starten. Hierzu
werden an die Statorwicklung des stehenden Motors Stromimpulse gelegt,
die einerseits lang genug sind, um eine korrekte Messung zu ermöglichen
und andererseits kurz genug sind, damit der Rotor nicht dreht, also
seine Position beibehält.
Hierzu wird an jede Wicklungsphase oder jeden Wicklungsstrang der
Statorwicklung ein positiver und ein negativer Teststromimpuls gegeben,
die Stromanstiegszeit, d. h. die Zeit, die vergeht, bis der in der
Wicklungsphase fließende
Strom eine Stromschwelle erreicht, gemessen und die Zeitdifferenz zwischen
den beiden Stromanstiegszeiten bestimmt. Der aus den m Stromanstiegszeiten
bestehende Zeitvektor wird in eine Bestromungstabelle für die Statorwicklung
eingelesen, welche das zur Kommutierung erforderliche Bestromungsmuster
der m Wicklungsphasen enthält,
um den Rotor in die gewünschte
Drehrichtung umlaufen zu lassen. Die zu dem Zeitvektor zugehörige Kombination
der Phasenbestromung wird durch entsprechende Ansteuersignale realisiert,
die an die Steuereingänge
der Halbleiterschalter der Schaltvorrichtung angelegt werden. Die
Ansteuersignale werden dann in der durch das Kommutierungsmuster
vorgegebenen Weise variiert, so daß auf den Rotor ein entsprechendes
Drehmoment ausgeübt
wird und der Rotor hochdreht.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil der genaueren
Bestimmung der Rotorposition im Motorstillstand mit geringerem steuerungstechnischen
Aufwand. Der zur Verfügung
stehende Signalhub wird besser ausgenutzt, so daß die Prüf- oder Testströme in den
Wicklungsphasen oder -strängen
kleiner bzw. kürzer
gemacht werden können,
was durch dadurch mögliche
größere Bestromungszeiten
für die
Drehmomenterzeugung ein höheres
Antriebsmoment ermöglicht.
Insbesondere ist die Genauigkeit bei der Bestimmung der Rotorposition
unabhängig
von der Betriebsspannung des Gleichstrommotors, so daß das Verfahren
mit Vorteil bei Gleichstrommotoren in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt
werden kann, da die Bordnetzspannung von z. B. 14 V oder 42 V in Kraftfahrzeugen
doch beträchtlichen
Schwankungen unterliegt. Ist die Rotorposition bestimmt, so kann
gemäß weiteren Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit einer geringeren Anzahl von weiteren Teststromimpulsen das mögliche Antriebsmoment
sowohl bei aktiver als auch passiver Last weiter gesteigert werden.
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Bei
der erfindungsgemäße Vorgehensweise zur
Bestimmung der Rotorposition wird von der Erkenntnis ausgegangen,
daß die
Induktivität
der Wicklungsstränge
oder -phasen der Statorwicklung aufgrund des Sättigungsverhaltens des Gleichstrommotors
von der Rotordrehlage oder -position beeinflußt wird. Für einen konstanten Strang-
oder Phasenstrom ist die Induktivität des Wicklungstrangs proportional
zum Statorfluß,
der wiederum proportional zum Integral der flußerzeugenden Spannung ist.
Werden also gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
mit der Schaltvorrichtung mehrere Teststromimpulse an die Statorwicklung
gelegt, die Statorflußvektoren
mit unterschiedlicher elektrischer Winkellage erzeugen, so kann
durch Vergleich der für
jeden Teststromimpuls ermittelten Integrationwerte der flußerzeugenden
Spannung die Rotorposition bestimmt werden; denn der kleinste ermittelte
Integrationswert steht für die
kleinste Stranginduktivität,
die dann erhalten wird, wenn eine maximale Verkettung von Rotordurchflutung
und Statorfluß vorliegt.
Dies ist aber dann der Fall, wenn der Rotor in dem durch den Winkelschritt begrenzen
Sektor steht, der durch den vom Teststromimpuls erzeugten Statorflußvektor
bestimmt ist. Damit gibt immer der kleinste Integrationswert der
flußerzeugenden
Spannung die Rotorposition oder Rotordrehlage mit einer Genauigkeit
an, die dem Winkelschritt 180°/m
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Statorflußvektoren entspricht, bei einer
dreiphasigen Statorwicklung also 60° elektrisch.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Verfahrens möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird die flußerzeugende
Spannung als Differenz der momentanen Betriebsspannung des Gleichstrommotors
und des mit dem Motorwiderstand multiplizierten, in der Statorwicklung
gemessenen Summenstroms berechnet. Der Motorwiderstand wird dabei
aus der Summe aller Widerstände
von Schaltvorrichtung und Statorwicklung berechnet und dabei vorteilhaft
als konstant angenommen.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
Erfindung wird als flußerzeugende
Spannung die momentane Betriebsspannung des Gleichstrommotors selbst
genommen und der in der Schaltvorrichtung und der Statorwicklung
auftretende Spannungsabfall vernachlässigt. Hierdurch wird der Aufwand
zur Durchführung
des Verfahrens reduziert, während
der bei der Bestimmung der Rotorposition gemachte Fehler relativ
klein ist und akzeptiert werden kann.
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Ist
die Rotorposition bestimmt, so wird nach einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ein Stromimpuls auf die Statorwicklung aufgeschaltet, der einen
drehmomentbildenden Statorflußvektor
erzeugt, dessen Phasenlage um 90° elektrisch
in einer als Kraftrichtung gewählten
Rotordrehrichtung gegenüber
der bestimmten Rotorposition versetzt ist. Nach einer Zeitspanne, die
konstant oder abhängig
von der Drehzahl des Motors gewählt
wird, wird zur Überprüfung der
Rotorposition eine geringere Anzahl von weiteren Teststromimpulsen
auf die Statorwicklung aufgeschaltet. Ist die Rotorposition unverändert, so
wird erneut durch Aufschalten eines Stromimpulses der drehmomentbildende
Statorflußvektor
erzeugt. Hat sich der Rotor gedreht, so wird mittels eines Stromimpulses
ein drehmomentbildender Statorflußvektor generiert, dessen Phasenlage
wiederum um 90° elektrisch
gegenüber
der neu bestimmten Rotorposition versetzt ist. Dieser Vorgang wird
fortgesetzt, bis eine ausreichende Rotordrehzahl erkannt wird, wonach
auf ein anderes bekanntes Verfahren zur sensorlosen Bestimmung der
Rotorposition umgeschaltet wird. Damit entfallen die zyklisch auftretenden
Teststromimpulse, und der Motor ist in seinem vollen Leistungsumfang
nutzbar.
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Die
Aufschaltung der weiteren Teststromimpulse kann in verschiedener
Weise durchgeführt
werden. Ist die Drehrichtung des Motors bekannt, so werden gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Teststromimpulse so aufgeschaltet, daß ein erster
weiterer Teststromimpuls einen ersten Statorflußvektor erzeugt, dessen Phasenlage
mit der bestimmten Rotorposition übereinstimmt, und ein zweiter
weiterer Teststromimpuls einen zweiten Statorflußvektor erzeugt, dessen Phasenlage
um einen elektrischen Winkelschritt in Kraftrichtung gegenüber dem
ersten Statorflußvektor
versetzt ist. Die Kraftrichtung ist dabei die bekannte Drehrichtung
des Rotors. Die den beiden Statorflußvektoren zugehörigen Integrationswerte
der Flußspannungen
werden miteinander verglichen, und die Phasenlage des Statorflußvektors
mit dem kleinsten Integrationswert wird als neue Rotorposition bestimmt.
Danach wird wiederum ein Stromimpuls auf die Statorwicklung aufgeschaltet,
der einen drehmomentbildenden Statorflußvektor erzeugt, dessen Phasenlage
um 90° elektrisch gegenüber der
neuen Rotorposition in Kraftrichtung versetzt ist.
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Ist
die Drehrichtung des Motors unbekannt, so werden gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung die weiteren Teststromimpulse so aufgeschaltet, daß ein erster
weiterer Teststromimpuls einen ersten Statorflußvektor erzeugt, der gegenüber der
Phasenlage des zuvor erzeugten drehmomentbildenden Statorflußvektors
um 90° elektrisch
zuzüglich
eines elektrischen Winkelschritts entgegen Kraftrichtung versetzt
ist, und ein zweiter weiterer und ein dritter weiterer Teststromimpuls
jeweils einen zweiten und dritten Statorflußvektor erzeugen, der um jeweils
einen elektrischen Winkelschritt in Kraftrichtung gegenüber dem
ersten bzw. zweiten Statorflußvektor
versetzt ist. Die den Statorflußvektoren
zugehörigen
Integrationswerte der Flußspannung
werden wiederum miteinander verglichen, und die Phasenlage des Statorflußvektors
mit dem kleinsten Integrationswert wird als neue Rotorposition bestimmt.
Anschließend
wird ein Stromimpuls auf die Statorwicklung aufgeschaltet, der einen
drehmomentbildenden Statorflußvektor
erzeugt, dessen Phasenlage um 90° elektrisch
gegenüber
der neuen Rotorposition in Kraftrichtung versetzt ist.
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In
beiden Fällen
hat die vorstehend beschriebene Festlegung der Abfolge des Anlegens
der weiteren Teststromimpulse folgende Vorteile: Vor dem Anlegen
eines Teststromimpulses ist es notwendig, daß die in den Wicklungsphasen
von dem vorhergehenden Teststromimpuls erzeugten Phasenströme abgeklungen
sind. Dadurch wird sichergestellt, daß die mit den einzelnen Teststromimpulsen
erhaltenen Meßergebnisse
nicht durch einen bereits existierenden Phasenstrom verfälscht werden.
Nachdem der letzte Teststromimpuls aufgeschaltet worden ist und damit
die aktuelle Rotorposition bekannt ist, kann direkt der Stromimpuls
zur Erzeugung des drehmomentbildenden Statorflußvektors aufgeschaltet werden.
Ein Abklingen der Phasenströme
in der Statorwicklung ist in diesem Fall nicht mehr notwendig. Durch
die vorstehend beschriebene Festlegung der Abfolge der Teststromimpulse
liegt der von dem letzten Teststromimpuls erzeugte Statorflußvektor
immer um 30° elektrisch – wenn die
Rotorposition bestätigt wurde – und 90° elektrisch – wenn eine
neue Rotorposition erkannt worden ist – neben dem Statorflußvektor,
der für
die anschließende
Drehmomenterzeugung zum Weiterbewegen des Rotors erforderlich ist. Liegt
der vom letzten Teststromimpuls erzeugte Statorflußvektor
nur 30° elektrisch
neben dem drehmomentbildenden Statorflußvektor so braucht zur Erzeugung
des drehmomentbildenden Statorflußvektors nur eine der durch
den letzten Teststromimpuls bestromten Wicklungsphasen der Statorwicklung nicht
mehr bestromt zu werden. Ist der Abstand der Statorflußvektoren
90° elektrisch,
kann zur Erzeugung des drehmomentbildenden Statorflußvektors immerhin
eine der durch den letzten Teststromimpuls bestromten Wicklungsphasen
für die
Erzeugung des drehmomentbildenden Statorflußvektors gleich bestromt bleiben.
Durch diese Integration des letzten Teststromimpulses mit dem Stromimpuls
für die
Momentenerzeugung wird eine deutliche Drehmomenterhöhung im Hochlauf
erzielt, da das Verhältnis
der Zeiten für
die Teststromimpulse und der Zeiten für die Momentenerzeugung verbessert
ist, ohne daß die Zeit
für die
Momentenerzeugung verlängert
wurde.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung werden zur Bestimmung des die Rotorposition bestimmenden
Statorflußvektors
die Phasenlagen und die zugeordneten Integrationswerte der flußerzeugenden
Spannung aufeinanderfolgender Statorflußvektoren gespeichert und dabei
die Speicherwerte des vorherigen Statorflußvektors mit denen des nachfolgenden
Statorflußvektors überschrieben,
wenn der dem nachfolgenden Statorflußvektor zugehörige Integrationswert
der flußerzeugenden
Spannung kleiner ist, als der dem vorherigen Statorflußsektor
zugehörigen
Integrationswert. Durch diese Verfahrensvariante müssen nicht
die Integrationswerte und zugeordneten Phasenlagen aller Statorflußvektoren
abgespeichert werden. Es genügt, wenn
jeweils für
zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Teststromimpulse die Integrationswerte
und die Phasenlagen gespeichert werden, so daß sich der Speicherbedarf auf
nur zwei Speicher beschränkt.
In den ersten Speicher werden dabei immer der jeweils aktuelle Integrationswert
der flußerzeugenden
Spannung und die aktuelle Phasenlage des gerade die flußerzeugenden
Spannung erzeugenden Statorflußvektors
eingeschrieben, und eine in der vorstehend beschriebenen Weise arbeitende
Vergleichslogik sorgt dafür,
daß im
zweiten Speicher immer die Phasenlage des Statorflußvektors
abgespeichert ist, dem der kleinste Integrationswert zugehörig ist.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen
Gleichstrommotors an einem Gleichspannungsnetz,
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2 ein
Schaltbild der Schaltvorrichtung in der Vorrichtung gemäß 1,
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3 ein
in der Steuervorrichtung der Vorrichtung gemäß 1 abgelegtes
Kommutierungsmuster,
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4 bis 10 Darstellungen
von im Stator erzeugten Statorflußvektoren zur Erläuterung
des Verfahrens zum Starten des Gleichstrommotors.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
im Blockschaltbild eine Vorrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen
Gleichstrommotors 10 an einem Gleichspannungsnetz mit der Netzgleichspannung
UB dargestellt. Der Gleichstrommotor 10 weist
in bekannter Weise einen Stator 11 mit einer im Ausführungsbeispiel
dreiphasigen Statorwicklung 12 (2) und einen
permanentmagneterregten Rotor 13 auf. Mittels einer Schaltvorrichtung 14,
die von einer Steuervorrichtung 15 gesteuert wird, werden
die drei Wicklungsphasen oder -stränge 121, 122, 123 der
dreiphasigen Statorwicklung 12 folgerichtig so bestromt,
daß im
Stator ein Statorfeld umläuft,
das dem Durchflutungsvektor des Rotors 13 um 90° elektrisch
in Drehrichtung vorauseilt. Hierzu ist es erforderlich, die momentane
Drehstellung oder Drehlage des Rotors 13 – im folgenden
Rotorposition genannt – zu überwachen
und die Schaltvorrichtung 14 entsprechend anzusteuern.
Die momentane Rotorposition wird mit Hilfe der rotatorisch induzierten Spannung
in den Wicklungsphasen 121–123 der Statorwicklung 12 bestimmt,
was durch die in 1 strichliniert eingezeichnete
Spannungsmeßleitung 27 angedeutet
ist.
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Die
Schaltvorrichtung 14 umfaßt eine Mehrzahl von Halbleiterschaltern,
die im Ausführungsbeispiel
als MOS-FETs ausgebildet und in einer Zweiweg-Brückenschaltung zusammengefaßt sind.
Bei der gewählten
Dreiphasenwicklung sind in der Schaltvorrichtung 14 sechs
Halbleiterschalter T1–T6 vorhanden,
deren Steuereingänge
an der Steuervorrichtung 15 angeschlossen sind. In der
Steuervorrichtung 15 werden entsprechend eines vorgegebenen
Kommutierungsmusters Ansteuersignale generiert (in 3 linker
Tabellenteil) die an die einzelnen Halbleiterschalter T1–T6 gelegt
werden und dadurch eine Bestromung der Wicklungsphasen 121–123 der Statorwicklung 12 bewirken,
wie sie in 3 im rechten Teil der Tabelle
dargestellt ist. Das Pluszeichen bedeutet hierbei eine positive
Bestromung in Richtung Pfeil 16 in 2, ein Minuszeichen
eine entgegengerichtete Bestromung. Ein nicht ausgefülltes Kästchen steht
für eine
stromlose Wicklungsphase. Werden beispielsweise die Halbleiterschalter
T1, T4 und T6 angesteuert, so schalten diese durch, und ein Strom
fließt
in der Wicklungsphase 121 in Richtung Pfeil 16 und
in den Wicklungsphasen 122 und 123 entgegen Pfeil 16.
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Im
Motorstillstand besteht das Problem, daß bei Drehzahl Null keine Spannung
in der Statorwicklung 12 induziert wird, so daß das sensorlose
Verfahren zur Rotorlagenbestimmung durch Auswertung der Strang-
oder Phasenspannungen des Motors 10 nicht eingesetzt werden
kann. Um einen geregelten Motoranlauf aus dem Stillstand zu gewährleisten, sind
weitere Komponenten für
einen geregelten sensorlosen Hochlauf vorgesehen. Diese umfassen
einen vom Summenstrom der Statorwicklung 12 durchflossenen
Meßshunt 17,
einen Verstärker 18,
einen Komparator 19, an dessen einem Eingang eine Referenzspannung
Uref liegt, einen Rechner 28 zur
Berechnung der flußerzeugenden
Spannung (im folgenden kurz Flußspannung
UFluss, genannt), einen Integrator 20 zur
Integration der Flußspannung
UFluss über
eine vorgegebene Zeit tmax, zwei Speicher 21, 22,
eine Vergleichslogik 23 zum Vergleich der Speicherinhalte
der beiden Speicher 21, 22 und eine von der Vergleichslogik 23 gesteuerte
Torschaltung 24, die bei geöffnetem Tor das Einschreiben
der Speicherwerte aus dem Speicher 21 in den Speicher 22 zuläßt. Der
Rechner 28 ist eingangsseitig einerseits über eine
Leitung 29 an dem an Betriebsspannung UB liegenden
Eingang der Schaltvorrichtung 14 und andererseits über eine
Leitung 30 an dem Meßshunt 17 angeschlossen.
Anstelle des Rechners 28 kann auch ein analoger Differenzbildner
eingesetzt werden.
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Mit
diesen Komponenten für
den geregelten Hochlauf des Motors 10 wird folgendes Verfahren zum
Starten des bürstenlosen
Gleichstrommotors 10 durchgeführt:
Im Stillstand des
Rotors 13 werden auf die dreiphasige Statorwicklung 12 sechs
Teststromimpulse aufgeschaltet, die im Stator Statorflußvektoren
erzeugen, die um 60° elektrisch gegeneinander
versetzt sind. Hierzu werden die Halbleiterschalter T1–T6 der Schaltvorrichtung 14 nacheinander
mit den im linken Teil der Tabelle gemäß 3 angegebenen
Schaltsignalen angesteuert. Die Ordnungszahl der Impulse In mit n = 1, 2 ... 6 ist in 3 in
der linken Spalte eingetragen. In dem linken Teil der Tabelle sind
die erforderlichen Ansteuersignale der Halbleiterschalter T1–T6 dargestellt.
Eine ”1” bedeutet
dabei einen geschlossenen Halbleiterschalter, also einen durchgeschalteten
MOS-FET, eine ”0” steht
für einen
gesperrten MOS-FET, also einen offenen Halbleiterschalter T1–T6. Die
Teststromimpulse sind dabei von einer solch kurzen Dauer, daß die im
Motor erzeugten Drehmomente so klein sind, daß sich der Rotor 13 aufgrund
seines Trägheitsmoments
und der Reibung nicht bewegt. Bei jedem Teststromimpuls In werden die Wicklungsphasen 121, 122 und 123 der
Statorwicklung 12 in der im rechten Teil der Tabelle der 3 angegebenen
Weise bestromt, wobei im Stator ein Statorflußvektor generiert wird, dessen
Phasenlage α in
der mittleren Spalte der Tabelle in 3 eingetragen
ist. Beim ersten Teststromimpuls I1 werden z.
B. – wie
in 3 ausgewiesen ist – die Halbleiterschalter T1,
T4 und T6 angesteuert. In der Wicklungsphase 121 fließt ein zeitlich
zunehmender Phasenstrom in Richtung Pfeil 16, der über die
Wicklungsphasen 122, 123 entgegen Pfeil 16 und über den
Meßshunt 17 fließt. Der über den
Meßshunt 17 fließende Summenstrom
ergibt eine Meßspannung, die
als Maß für den Summenstrom
I dem Rechner 28 (bzw. dem Differenzbildner) und über den
Verstärker 18 dem
Komparator 19 zugeführt
wird. In dem Rechner 28 (bzw. dem Differenzbildner) wird
die Flußspannung
UFluss als Differenz berechnet, die sich
aus der aktuellen Betriebsspannung UB und
dem gemessenen und mit dem Gesamtwiderstand R von Schaltvorrichtung 14 und
Motor 10 multiplizierten Summenstrom I ergibt, gemäß UFluss = UB – I·R (1), wobei der
Gesamtwiderstand R als konstant angenommen wird. Die Flußspannung
UFluss steht am Integrator 20 an.
Mit Auslösen
eines jeden Teststromimpulses durch die Steuervorrichtung 15 wird
von der Steuervorrichtung 15 auch der Integrator 20 gestartet,
der über
eine Integrationszeit t0 bis tmax die
Flußspannung
UFluss aufintegriert. Als Integrationszeit
wird diejenige Zeit bestimmt, in der der in der Statorwicklung 12 vom
Aufschalten eines Teststromimpules an fließende Summenstrom einen Vorgabewert
erreicht hat. Hierzu wird der Integrator 20 mit jedem Teststromimpuls
gestartet und dessen Integrationsvorgang von einem Stoppsignal des
Komparator 19 beendet. Dieses Stoppsignal tritt auf, wenn
die am Meßshunt 17 abgegebene
Meßspannung
die Referenzspannung Uref übersteigt
und dadurch der Komparator 19 seinen Signalzustand am Ausgang ändert. Das Stoppsignal
wird gleichzeitig der Steuervorrichtung 15 zugeführt, die
die Ansteuerung der Halbleiterschalter beendet. Der Integrationswert
der im Integrator 20 integrierten Flußspannung UFluss wird
zusammen mit der Phasenlage α1 des von dem Teststromimpuls I1 erzeugten
Statorflußvektors
gespeichert. Der gleiche Vorgang wiederholt sich beim Aufschalten
des zweiten Teststromimpuls I2 durch Ansteuerung
der Halbleiterschalter T1, T3 und T6 und beim Aufschalten der übrigen Teststromimpulse
I3 bis I6.
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Nach
Aufschalten aller Teststromimpulse In mit
n = 1 bis 6 sind nacheinander die in 4 dargestellten
sechs Statorflußvektoren 25 erzeugt
worden, und zu jedem Statorflußvektor 25 sind
der Integrationswert der Flußspannung
und die Phasenlage an abgespeichert worden. Nunmehr werden die Integrationswerte
miteinander verglichen, und die Phasenlage des Statorflußvektors,
dem der kleinste Integrationswert zugehörig ist, wird als Rotorposition
bestimmt. Diese Rotorposition definiert einen Sektor 26 von
60° elektrisch,
dessen Symmetrieachse durch die Phasenlage an des Stromflußvektors 25 bestimmt
ist. In 4 sind die sechs Stromflußvektoren 25 und
die zugehörigen
Sektoren 26 dargestellt. Bei einer m-phasigen Statorwicklung
mit m > 2 werden durch
insgesamt 2 m Teststromimpulse 2 m Statorflußvektoren 25 erzeugt,
die um 180°/m
elektrisch zueinander versetzt sind und 2 m Sektoren 26 mit
einer Winkelbreite von 180°/m
elektrisch definieren.
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Um
nicht alle Integrationswerte und die zugeordneten Phasenlagen αn mit
n = 1 bis 6 der Statorflußvektoren 25 abspeichern
zu müssen
und den Speicherbedarf auf die beiden Speicher 21, 22 reduzieren
zu können,
wird immer der jeweils vom Integrator 20 ermittelte Integrationswert
in den Speicher 21 geschrieben und dort der Phasenlage
an des aktuellen Statorflußvektors 25 zugeordnet.
Nach dem ersten Teststromimpuls I1 wird
der im ersten Speicher 21 abgelegte Integrationswert und
die dazugehörige Phasenlage α1 des
vom Testimpuls I1 erzeugten Statorflußvektors 25 in
den zweiten Speicher 22 eingeschrieben. Mit Anlegen des
zweiten Teststromimpulses I2 wird in gleicher
Weise der Integrationswert ermittelt und dieser zusammen mit der zugehörigen Phasenlage α2 des
Statorflußvektors 25 in
den Speicher 21 eingeschrieben. Die Vergleichslogik 23 vergleicht
nunmehr den im zweiten Speicher 22 enthaltenen Integrationswert
mit dem in den ersten Speicher 21 eingeschriebenen Integrationswert.
Ist der Integrationswert im ersten Speicher 21 kleiner
als der Integrationswert im zweiten Speicher 22 steuert
die Vergleichslogik 23 die Torschaltung 24 auf,
und der Speicherinhalt des zweiten Speichers 22 wird von dem
Speicherinhalt des ersten Speichers 21 überschrieben. Ist der Integrationswert
im zweiten Speicher 22 größer als der Integrationswert
im ersten Speicher 21, so bleibt die Torschaltung 24 geschlossen,
und beim nächsten
Testimpuls I3 wird der Speicherinhalt des
Speichers 21 mit dem Integrationswert und der Phasenlage α3 des
von dem dritten Teststromimpuls I3 erzeugten
Statorflußvektors 25 überschrieben.
Die Vergleichslogik 23 vergleicht wiederum die in den beiden
Speichern 21, 22 abgelegten Integrationswerte
und steuert wie vorstehend beschrieben die Torschaltung 24 auf
oder nicht. Sind alle sechs Teststromimpulse In an die Statorwicklung 12 gelegt
worden, so sind im zweiten Speicher 22 der kleinste Integrationswert
und die Phasenlage α des zugehörigen Statorflußvektors 25 abgespeichert. Diese
Phasenlage bestimmt den Sektor 26, in welchem die maximale
Verkettung zwischen Rotorfluß und
Statorfluß auftritt,
und definiert damit den Sektor 26, in dem sich der Rotor 13 momentan
befindet. Angemerkt sei, daß die
Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Teststromimpulsen so gewählt wird, daß die von
einem Teststromimpuls erzeugten Phasenströme in der Statorwicklung 12 vor
Aufschalten des nächsten
Teststromimpulses abgeklungen sind. Dadurch wird sichergestellt,
daß die
beim Aufschalten der einzelnen Teststromimpulse erhaltenen Integrationswerte
nicht durch einen bereits existierenden Phasen- oder Strangstrom
verfälscht
werden.
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Damit
der Rotor 13 nach dem Ende der Positionsbestimmung ein
Drehmoment abgibt, wird nunmehr ein Stromimpuls auf die Statorwicklung 12 aufgeschaltet,
der einen drehmomentbildenden Statorflußvektor erzeugt, dessen Phasenlage
um 90° elektrisch
in einer als Kraftrichtung gewählten
Rotordrehrichtung gegenüber
der bestimmten Rotorposition versetzt ist. Die Statorflußvektoren 25' für die Drehmomenterzeugung
sind in 5 dargestellt. Ist beispielsweise
der Sektor 26 der Rotorposition durch die Phasenlage α = 120° des von
einem Teststromimpuls hervorgerufenen Statorflußvektors 25 festgelegt (6),
so besitzt der drehmomentbildende Statorflußvektor 25' die Phasenlage α = 210°. Nach Ablauf einer
Zeit, die fest oder z. B. in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Motors gewählt
wird, wird durch Aufschalten weiterer Teststromimpulse auf die Statorwicklung 12 die
Rotorposition überprüft, d. h.
nachgeprüft,
ob aufgrund des aufgeschalteten Stromimpulses zur Drehmomentbildung
der Rotor 13 seine zuvor bestimmte Position beibehalten
oder verändert
hat, um das Antriebsmoment beizubehalten.
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Ist
die Drehrichtung des Motors bekannt, so werden – wie dies in 7 und 8 dargestellt
ist – die
weiteren Teststromimpulse so aufgeschaltet, daß ein erster weiterer Teststromimpuls
einen ersten Statorflußvektor 251 erzeugt,
dessen Phasenlage α um
einen halben elektrischen Winkelschritt, im Ausführungsbeispiel der dreiphasigen
Statorwicklung 12 also um 30° elektrisch, gegenüber der
Phasenlage α =
210° des
drehmomentbildenden Statorflußvektors 25' (8)
entgegen Kraftrichtung, die mit der Drehrichtung zusammenfällt, versetzt
ist. Dabei wird, wie eingangs beschrieben, der Integrationswert
ermittelt. Anschließend
wird ein zweiter weiterer Teststromimpuls auf die Statorwicklung 12 aufgeschaltet,
der einen zweiten Statorflußvektor 252 erzeugt,
dessen Phasenlage α um
einen elektrischen Winkelschritt, im Ausführungsbeispiel also 60° elektrisch,
gegenüber
dem ersten Statorflußvektor 251 entgegen
Kraftrichtung versetzt ist. Auch der diesem Statorflußvektor 252 zugehörige Integrationswert
wird ermittelt. Nunmehr werden wiederum die beiden Integrationswerte
miteinander verglichen und die Phasenlage α des Statorflußvektors 251 bzw. 252 mit
dem kleinsten Integrationswert als neue Rotorposition bestimmt. Hierzu
werden – wie
zuvor beschrieben – die
Phasenlagen α der
von den Teststromimpulsen erzeugten Statorflußvektoren 251, 252 und
die zugehörigen Integrationswerte
wieder in die Speicher 21, 22 eingeschrieben und
durch die Vergleichslogik 23 miteinander verglichen. Die
Phasenlage α des
Stromflußvektors
mit dem kleinsten Integrationswert wird als neue Rotorposition an
die Steuervorrichtung 15 übertragen. Nunmehr wird wie
vorstehend beschrieben ein Stromimpuls auf die Statorwicklung 12 aufgeschaltet,
der einen drehmomentbildenden Statorflußvektor 25' erzeugt, dessen
Phasenlage um 90° elektrisch
gegenüber
der neuen Rotorposition in Kraftrichtung versetzt ist (8).
Der Vorgang der Aufschaltung der beiden weiteren Teststromimpulse
und des Stromimpulses zur Drehmomenterzeugung wird solange fortgesetzt,
bis die Steuervorrichtung 15 eine ausreichende Rotordrehzahl
erkennt. Dann wird von der Ansteuervorrichtung 15 auf die
z. B. EMK-basierte sensorlose Rotorpositionsbestimmung umgeschaltet.
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Von
einer bekannten Drehrichtung kann ausgegangen werden, wenn das mögliche Lastmoment nicht
größer ist
als das verfügbare
Motormoment, d. h. daß der
Motor bei Aufschalten der drehmomentbildenden Stromimpulse sich
nicht unbedingt drehen muß,
allerdings auch nicht von der Last entgegen der gewünschten
Drehrichtung bewegt wird. Ist die Drehrichtung unbekannt, so wird – wie dies
in 9 und 10 dargestellt ist – zusätzlich zu
den beiden weiteren Teststromimpulsen noch ein dritter weiterer Teststromimpuls
auf die Statorwicklung 12 aufgeschaltet, der einen Statorflußvektor
erzeugt, dessen Phasenlage α um
einen elektrischen Winkelschritt, also im Ausführungsbeispiel um 60° elektrisch,
gegenüber
dem vom zweiten Teststromimpuls erzeugten Statorflußvektor 252 entgegen
Kraftrichtung versetzt ist. Auch hier wird wiederum der Integrationswert
ermittelt, und die Phasenlage α des
Statorflußvektors
mit dem kleinsten Integrationswert bestimmt die neue Rotorposition.
Zur nachfolgenden Drehmomenterzeugung wird in gleicher Weise wiederum
ein Stromimpuls an die Statorwicklung 12 gelegt, der einen
drehmomentbildenden Statorflußvektor 25' mit einer gegenüber der
neu bestimmten Rotorposition um 90° elektrisch in Kraftrichtung
vorauseilenden Phasenlage erzeugt (10).
-
Während es
vor dem Anlegen eines jeden Teststromimpulses notwendig ist, daß in den
Wicklungsphasen 121–123 die
Phasenströme
vollständig abgeklungen
sind, kann der Stromimpuls zur Erzeugung eines drehmomentbildenden
Statorflußvektors unmittelbar
dem letzten Teststromimpuls folgen. Ein Abklingen der Phasen- oder
Strangströme
ist in diesem Fall nicht notwendig. Um das Verhältnis von Zeit für die Teststromimpulse
und Zeit für
den Stromimpuls für
die Momenterzeugung zu verbessern, ohne daß die Zeit für die Momentenerzeugung
verlängert wird,
wird bei dem vorstehend beschriebenen Aufschalten der weiteren Teststromimpulse
zur Nachprüfung
der Rotorposition und zum Steigern des Antriebsmoments für den Rotor 13 in
einer modifizierten Weise vorgegangen:
Bei bekannter Drehrichtung
des Rotors (7 und 8) werden
die weiteren Teststromimpulse so aufgeschaltet, daß ein erster
weiterer Teststromimpuls einen ersten Statorflußvektor 251a erzeugt,
dessen Phasenlage α mit
der Rotorposition übereinstimmt, wie
sie durch Anlegen der ersten sechs Teststromimpulse bestimmt wurde.
Nachfolgend wird ein zweiter weiterer Teststromimpuls auf die Statorwicklung 12 aufgeschaltet,
der einen zweiten Statorflußvektor 252a erzeugt,
dessen Phasenlage um einen elektrischen Winkelschritt, also 60° elektrisch,
in Kraftrichtung, die hier wiederum mit der Drehrichtung zusammenfällt, gegenüber dem
ersten Statorflußvektor 251a versetzt
ist. Die Bezugszeichen für
diese beiden Statorflußvektoren
sind in 7 in Klammern gesetzt. Für beide
Teststromimpulse werden die Integrationswerte wie beschrieben bestimmt
und die Phasenlage desjenigen Statorflußvektors, dem der kleinste
Integrationswert zugehörig
ist, wird als neue Rotorposition bestimmt. Anschließend wird
wiederum ein Stromimpuls zur Drehmomenterzeugung auf die Statorwicklung 12 aufgeschaltet.
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Der
von diesem Stromimpuls erzeugte drehmomentbildende Statorflußvektor 25' (8)
ist um 90° elektrisch
gegenüber
der neu bestimmten Rotorposition in Kraftrichtung verschoben. Stimmt
die neu bestimmte Rotorposition mit der zuvor bestimmten Rotorposition überein,
beträgt
also im in 7 und 8 angenommenen
Beispiel 120° elektrisch,
so liegt der mit dem zuletzt angelegten Teststromimpuls erzeugte
Statorflußvektor 252a um
einen halben elektrischen Winkelschritt (hier 30°) elektrisch neben dem drehmomentbildenden
Statorflußvektor 25' so daß zur Generierung
des Stromimpulses für
den drehmomentbildenden Statorflußvektor 25' mit der Phasenlage α = 210° lediglich
die Wicklungsphase 122 nicht mehr bestromt zu werden braucht,
wie dies aus dem Bestromungsschema im rechten Teil der Tabelle gemäß 3 hervorgeht.
Weicht dagegen die neu bestimmte Rotorposition von der zuvor bestimmten
Rotorposition ab, hat also im Beispiel der 7 die Phasenlage α = 180° elektrisch,
so liegt der mit dem zuletzt angelegten Teststromimpuls erzeugte Stromflußvektor 25 um
90° elektrisch
neben dem zur Drehmomentenbildung erforderlichen Statorflußvektor 25' (in 8 strichliniert
eingezeichnet) und zum Anlegen des um 90° in der Phasenlage vorauseilenden
drehmomentbildenden Statorflußvektors 25' kann eine Wicklungsphase
gleich bestromt bleiben. Im in 7 und 8 vorgestellten
Beispiel ist dies bei einer Phasenlage α = 270° des Statorflußvektors 25' die Wicklungsphase 123 der
Statorwicklung 12, die durch den letzten Teststromimpuls
zusammen mit den Wicklungsphasen 121 und 122 bestromt
wurde. In beiden Fällen
wird damit der letzte Teststromimpuls mit dem Stromimpuls für die Erzeugung
des drehmomentbildenden Statorflußvektors integriert, wodurch
eine deutliche Drehmomenterhöhung
im Hochlauf erzielt wird.
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Ist
wiederum die Drehrichtung des Motors unbekannt, so werden zur Erzielung
des gleichen wie vorstehend beschriebenen Vorteils die insgesamt drei
weiteren Teststromimpulse so auf die Statorwicklung 12 aufgeschaltet,
daß – wie in 9 dargestellt ist – ein erster
weiterer Teststromimpuls einen Statorflußvektor 251b erzeugt,
der gegenüber
der Phasenlage des drehmomentbildenden Statorflußvektors 25' um 90° elektrisch
zuzüglich
eines elektrischen Winkelschritts, also 60° elektrisch, entgegen Kraftrichtung
versetzt ist. Der zugehörige
Integrationswert der Flußspannung
wird bestimmt und gespeichert. Im angenommen Beispiel der 9 und 10 hat
dieser Statorflußvektor 251b eine
Phasenlage von α =
60°, ist
also gegenüber
dem drehmomentbildenden Statorflußvektor 25' um 150° elektrisch
entgegen Kraftrichtung versetzt. Danach wird ein zweiter weiterer Teststromimpuls
aufgeschaltet, der einen Statorflußvektor 252b generiert,
der gegenüber
dem ersten Statorflußvektor 251b um
einen elektrischen Winkelschritt, also 60° elektrisch, in Kraftrichtung
versetzt ist. Auch hier wird der zugehörige Integrationswert bestimmt.
Ein dritter weiterer Teststromimpuls wird aufgeschaltet, der einen
dritten Statorflußvektor 253b generiert,
dessen Phasenlage wiederum um eine elektrischen Winkelschritt, also
um 60° elektrisch,
in Kraftrichtung gegenüber
dem zweiten Statorflußvektor 252b versetzt
ist. Der zugehörige
Integrationswert wird wiederum gemessen. Nunmehr wird derjenige
der drei Statorflußvektoren 251b, 252b und 253b bestimmt,
dessen zugehörige
Integrationswert der kleinste ist. Die Phasenlage α dieses Statorflußvektors
definiert die neue Rotorposition. Auch hier liegt der Statorflußvektor 253b,
der von dem zuletzt auf die Statorwicklung 12 aufgeschalteten
Teststromimpuls erzeugt wurde, um 30° elektrisch neben dem zur Drehmomentenbildung
erforderlichen Statorflußvektor 25', wenn die gleiche
Rotorposition wie zuvor erkannt wird, und um 90° elektrisch neben dem Statorflußvektor 25', der für die anschließende Drehmomenterzeugung
benötigt
wird, wenn sich die Rotorposition verändert hat. Wie vorstehend schon
hervorgehoben wurde, braucht im ersten Fall (gleiche Rotorposition)
für die
Drehmomenterzeugung nur eine Phase nicht mehr bestromt zu werden.
Im zweiten Falle der veränderten
Rotorposition ist ein Stromflußvektor
zu generieren, der um 90° elektrisch
der neu bestimmten Rotorposition in Kraftrichtung vorauseilt. Wie
das Bestromungsmuster der Wicklungsphasen in dem rechten Tabellenteil der 3 zeigt,
kann hierzu eine gleiche Wicklungsphase bestromt bleiben, die auch
durch den zuletzt aufgeschalteten Teststromimpuls bestromt wurde. Der
Vergleich der bei den drei Teststromimpulse ermittelten Integrationswerte
erfolgt auch hier wiederum durch die Vergleichslogik 23,
und die Phasenlage α des
zuletzt in den zweiten Speicher 22 eingeschriebenen Statorflußvektors,
die den Sektor 26 bestimmt, in welchem sich der Rotor 13 befindet,
wird der Steuervorrichtung 15 zugeführt. Auch hier werden die drei Teststromimpulse
und der Stromimpuls zur Drehmomenterzeugung nach Ablauf einer bestimmten
Zeit wiederholt angelegt und die gleiche Prozedur solange durchgeführt, bis
die Steuervorrichtung 15 eine ausreichende Drehzahl des
Rotors 13 erkennt.
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In
einer vereinfachten Version des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der
Bestimmung der flußerzeugenden
Spannung der Spannungsverfall auf der Statorseite des Gleichstrommotors (Schaltvorrichtung 14 und
Statorwicklung 12) vernachlässigt und als flußerzeugende
Spannung die Betriebsspannung UB unmittelbar
verwendet. Dies ist in 1 symbolisch durch den Schalter 31 verdeutlicht,
der dann geöffnet
ist und den Rechner 28 (bzw. Differenzbildner) von dem
Meßshunt 17 trennt.
In der Rechenvorschrift gemäß G1. (1)
wird dann I = 0, so daß im
Integrator 20 die am Eingang der Schaltvorrichtung 14 abgegriffene
Betriebsspannung UB über die Vorgabezeit t0 (Anlegen des Teststromimpules) bis tmax (Übersteigen
der Referenzspannung Uref am Komparator 19)
integriert wird. Eine Nachrechnung hat ergeben, daß der hierbei
gemachte Fehler bei der Bestimmung der Rotorposition die Funktionsfähigkeit des
vorgestellten Verfahrens nicht beeinträchtigt. Selbstverständlich wird
bei der beschriebenen Vereinfachung in Realität nicht der Schalter 31 geöffnet, sondern
auf Leitung 30 und Rechner 28 (bzw. Differenzbildner)
verzichtet und die Leitung 29 direkt an dem Integrator 20 angeschlossen.
