-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
eines bürstenlosen
Gleichstrommotors.
-
Bürstenlose
Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) sind Maschinen mit Permanentmagneten
im Rotor. Der Rotor erzeugt das Erregerfeld. Der Stator des BLDC-Motors
besitzt eine Drehstromwicklung und wird von einem Wechselrichter
gespeist, der Drehstrom zur Verfügung
stellt. BLDC-Motoren sind selbstgeführte Maschinen und benötigen einen
Drehwinkellagegeber zum Betrieb. Der Ankerstrom bildet zusammen
mit dem Feld des Permanentmagneten ein zeitlich möglichst
konstantes Drehmoment. Die Weiterschaltung des Statorfeldes erfolgt
mit Hilfe des Wechselrichters rotorstellungsabhängig beziehungsweise polradlageabhängig so,
dass sich zwischen der Statordrehdurchflutung und dem Rotorfeld
ein konstanter Winkel von π/2
elektrisch einstellt. Die Polradlage wird vorzugsweise über Sensoren
erfasst oder aus Klemmenspannungen und/oder Klemmenströmen abgeleitet. Das
Betriebsverhalten entspricht weitgehend dem des Gleichstrommotors.
BLDC-Motoren haben eine sehr gute Dynamik und können einfach gesteuert werden.
Die bürstenlose
Technik ist verschleiß-
und wartungsfrei.
-
BLDC-Motoren
werden insbesondere für Servolenkungen
in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Servolenkungen sind Einrichtungen
zur Verstärkung
der Lenkkraft, die dafür
ausgelegt sind, eine von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs aufgebrachte
Lenkkraft zu verstärken.
Das Verstärken
der Kraft erfolgt elektromechanisch mittels des BLDC-Motors. Die
Servolenkung umfasst vorzugswei se einen Drehmomentsensor, der das
vom Fahrer auf das Lenkrad übertragene aktuelle
Drehmoment erfasst. Das Drehmoment wird dann verstärkt, wobei
der Verstärkungsfaktor
abhängig
sein kann von verschiedenen Betriebsgrößen des Kraftfahrzeugs. Anschließend wird
der BLDC-Motor entsprechend angesteuert. Der BLDC-Motor ist vorzugsweise
mittels eines Getriebes mit der Lenkreinrichtung des Kraftfahrzeugs
gekoppelt. Ungleichförmigkeiten
des Drehmoments, das von dem BLDC-Motor abgegeben wird, werden von
dem Fahrer als Ruckeln am Lenkrad wahrgenommen. Eine Gleichförmigkeit
des Drehmoments ist somit wesentlich für einen hohen Fahrkomfort.
Derartige Ungleichförmigkeiten
des Drehmoments werden auch als Drehmomentrippel bezeichnet.
-
Aus
der
DE 199 38 678
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines
BLDC-Motors bekannt, der mit Blockkommutierung der Spannung betrieben
wird. Der Gleichstrommotor wird so angesteuert, dass die angelegte
Spannung von den für
die Blockkommutierung vorgesehenen Spannungen in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Motors und dessen Stromaufnahme abweicht. Dazu
ist eine Tabelle vorgesehen aus der geänderte Pulsweiten beim Umschalten
der Wicklungen des Gleichstrommotors abhängig von der Drehzahl N und
Stromwerten ausgelesen werden und entsprechend angesteuert werden.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Steuern eines BLDC-Motors zu schaffen, derart dass der BLDC-Motor über einen
weiten Drehzahlbereich mit einem geringen Drehmoment-Ruckeln betreibbar
ist.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine entsprechende
Vorrichtung zum Steuern des BLDC-Motors, bei dem unterhalb eines vorgegebenen
Schwellenwertes der Drehzahl dem BLDC-Motor ein sinus- oder trapezförmiger Strom
in seinen Strängen
eingeprägt
wird. Dies hat den Vorteil, dass unterhalb des vorgegebenen Schwellenwertes
ein Drehmoment-Ruckeln sehr wirksam durch die Stromform verringert
wird.
-
Die
Erfindung zeichnet sich weiter dadurch aus, dass oberhalb des vorgegebenen
Schwellenwertes der Drehzahl der Motor mittels einer Blockkommutierung
betrieben wird. Dies hat den Vorteil, dass auch bei einem Betrieb
des BLDC-Motors über einen
weiten Drehzahlbereich und einen großen Leistungsbereich lediglich
ein geringer Bauraum benötigt
wird, da der BLDC-Motor
bei Blockkommutierung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad betrieben werden
kann. Der Wirkungsgrad liegt bis zu 25% höher als bei dem Betrieb mit
Einprägung
eines sinus- oder trapezförmigen
Stroms.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt der Schwellenwert
der Drehzahl bei etwa der halben Leerlaufdrehzahl des BLDC-Motors. Dies
hat den Vorteil, dass oberhalb dieser Drehzahl das auftretende Drehmomentrippeln
zunehmend durch die Massenträgheit
des Rotors des BLDC-Motors geglättet
wird.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
oberhalb eines ersten Schwellenwertes der Drehzahl bis hin zu einem
zweiten Schwellenwert der Drehzahl ein gleitender Übergang von
dem sinus- oder trapezförmigen
Einprägen
des Stroms hin zur Blockkommutierung. Der Schwellenwert liegt zwischen
dem ersten und zweiten Schwellenwert. Dies hat den Vorteil, dass
bereits ab dem ersten Schwellenwert der Dreh zahl der Wirkungsgrad
gesteigert werden kann und bei Drehzahlen oberhalb des zweiten Schwellenwertes
nahezu keine Drehmomentungleichförmigkeiten
bei Blockkommutierung auftreten aufgrund der Massenträgheit des Rotors.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste Schwellenwert
der Drehzahl in etwa 1/3 der Leerlaufdrehzahl des BLDC-Motors und
der zweite Schwellenwert der Drehzahl in etwa 2/3 der Leerlaufdrehzahl
des BLDC-Motors entspricht.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein
Spannungsverlauf, mit dem die Stränge (13–15) des BLDC-Motors beaufschlagt werden,
mittels eines Modells des Gleichstrommotors abhängig von dem einzuprägenden sinus-
oder trapezförmigen
Stromverlauf ermittelt und dieser Spannungsverlauf gesteuert. Dies
hat den Vorteil, dass der Strom auch ohne Stromsensor genau einstellbar
ist.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
erläutert.
Es zeigen:
-
1 einen BLDC-Motor 1 und
eine Vorrichtung 2 zum Steuern des BLDC-Motors,
-
2 ein Ablaufdiagramm eines
Programms zum Steuern des BLDC-Motors gemäß 1.
-
Elemente
gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
-
Der
BLDC-Motor 1 umfasst einen permanent erregten Rotor 12 und
einen Stator, der vorzugsweise drei Stränge 13, 14, 15 aufweist,
wobei die an diesen Strängen
anliegende Last jeweils durch eine Induktivität 17 und einen Widerstand 18 dar stellbar
ist. Die drei Stränge 13–15 sind
vorzugsweise in Sternschaltung geschaltet.
-
Eine
Vorrichtung 2 zum Steuern des BLDC-Motors 1 hat
eine Entscheidungseinheit 21, erste bis dritte Steuereinheiten 22 bis 24 und
einen Pulsweitenmodulations-Generator 25.
-
Die
Entscheidungseinheit 21 entscheidet abhängig von ihr zugeführten Betriebsgrößen, wie
beispielsweise der Drehzahl N, mit der der BLDC-Motor 1 betrieben
werden soll, oder auch des Drehmoments TQ, das von dem BLDC-Motor
abgegeben werden soll, in welchem Steuermodus CTRL der BLDC-Motor
betrieben werden soll. Der Steuereinheit 2 kann dafür beispielsweise
ein Drehmomentsensor 7 zugeordnet sein, welcher das von
einem Fahrer des Kraftfahrzeugs, in dem der BLDC-Motor bevorzugt
eingebaut ist, erzeugte Drehmoment an einer mit dem Lenkrad gekoppelten
Stange erfasst. Abhängig
von diesem Drehmoment und ggf. weiteren Betriebsgrößen des
Kraftfahrzeugs wird dann das durch den BLDC-Motor aufzubringende
Drehmoment TQ ermittelt.
-
Der
Vorrichtung 2 zum Steuern des BLDC-Motors 1 ist
ferner ein Lagesensor 3 zugeordnet, der die Winkelstellung
des Rotors 12 erfasst. Abhängig von dem zeitlichen Verlauf
der erfassten Winkelstellung kann dann auch die Drehzahl N ermittelt werden.
Der Lagesensor 3 kann als Hallsensor, als magnetoresistiver
Sensor, als optischer Sensor oder als ein so genannte Resolver ausgebildet
sein.
-
Die
Entscheidungseinheit 21 entscheidet, welche der Steuereinheiten 22 bis 24 ein
Stellsignal für
einen Pulsweitenmodulationsgenerator 25 erzeugen. Diese
Entscheidung erfolgt abhängig
von dem zu steuernden Steuermodus CTRL. Ist der Steuermodus CTRL
der des Einprägens
eines sinus- oder trapezför migen
Stroms SINTRAP, so erzeugt die erste Steuereinheit 22 das
Stellsignal. Ist hingegen der Steuermodus CTRL der Übergangsbetrieb
TRANS, so erzeugt die zweite Steuereinheit 23 das Stellsignal.
Ist der Steuermoduls CTRL die Blockkommutierung BLOCK, so erzeugt
die dritte Steuereinheit 24 das Stellsignal.
-
Der
Pulsweitenmodulations-Generator 25 erzeugt Spannungssignale,
die mittels einer dem Pulsweitenmodulations-Generator 25 zugeordneten
Brückenschaltung
den jeweiligen Strängen 13, 14, 15 des
BLDC-Motors 1 eingeprägt
werden.
-
Es
ist vorteilhaft, wenn mindestens zwei Stromsensoren 6, 8 vorgesehen
sind, welche jeweils den Strom in einem Strang 13 bis 15 erfassen.
-
Ein
Programm zum Steuern des BLDC-Motors 1 ist in der Vorrichtung 2 zum
Steuern des BLDC-Motors 1 gespeichert und wird während des Betriebs
des BLDC-Motors 1 abgearbeitet. Das Programm (2) wird in einem Schritt
S1 gestartet, in dem gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
-
In
einem Schritt S2 wird geprüft,
ob die Drehzahl N, mit der der BLDC-Motor 1 betrieben werden soll,
größer ist
als ein erster Schwellenwert SW1. Der erste Schwellenwert SW1 wird
vorzugsweise in etwa entsprechend 1/3 der Leerlaufdrehzahl des BLDC-Motors 1 gewählt. Ist
die Bedingung des Schrittes S2 nicht erfüllt, so wird in einem Schritt
S3 der Betriebsmodus CTRL des Einprägens des sinus- oder trapezförmigen Stroms
SINTRAP gesteuert.
-
In
einem Schritt S7 wird dann ein Stellsignal PWM für den Pulsweitenmodulations-Generator 25 erzeugt.
Dies erfolgt ab hängig
von einem Sollwert I_SP des Stroms in dem jeweiligen Strang 13 bis 15. Der
Sollwert I_SP des Stroms wird abhängig von dem Drehmoment, das
der BLDC-Motor 1 abgeben soll und gegebenenfalls zusätzlich abhängig von
der Drehzahl N, mit der der BLDC-Motor 1 betrieben werden
soll, ermittelt. Bevorzugt ist ein Modell des BLDC-Motors vorhanden,
mittels dessen abhängig von
dem Sollwert I_SP des Stroms oder dessen sinus- oder trapezförmigen Verlaufs das Stellsignal PWM
ermittelt wird.
-
Durch
das Einprägen
des sinus- oder trapezförmigen
Stroms in den Strängen 13 bis 15 wird
bei niedrigeren Drehzahlen N, also Drehzahlen N, die niedriger sind
als der erste Schwellenwert SW1 ein besonders gleichförmiges Drehmoment
von dem BLDC-Motor 1 erzeugt.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann der Strom auch geregelt werden, wenn entsprechende Stromsensoren 6, 8 vorgesehen
sind. In diesem Fall wird dann das Stellsignal PWM für den Pulsweitenmodulations-Generator 25 abhängig von
der Differenz des Sollwertes I_SP und eines Istwertes I_AV des Stroms in
den jeweiligen Strängen 13–15 ermittelt.
Dadurch kann der Stromverlauf in den Strängen 13–15 noch präziser eingestellt
werden, wenn die Stromsensoren den Istwert I_AV des Stroms genau
erfassen.
-
Ist
die Bedingung des Schrittes S2 hingegen erfüllt, d.h. die Drehzahl N, mit
der der BLDC-Motor 1 betrieben werden soll, ist größer als
der erste Schwellenwert SW1, so wird in einem Schritt S4 geprüft, ob die
Drehzahl N, mit der der BLDC-Motor 1 betrieben werden soll,
größer ist
als ein zweiter Schwellenwert SW2.
-
Ist
die Bedingung des Schrittes S4 erfüllt, so wird in einem Schritt
S6 als Steuermodus CTRL der Betrieb mit Blockkommutierung BLOCK
der Spannung vorgegeben.
-
In
einem Schritt S9 wird das Stellsignal PWM für den Pulsweitenmodulations-Generator 25 abhängig von
der Drehzahl N und/oder dem Drehmoment TQ erzeugt, das von dem BLDC-Motor 1 abgegeben werden
soll. Es wird eine Blockkommutierung BLOCK gesteuert. Im Rahmen
der Blockkommutierung BLOCK können
den jeweiligen Strängen 13–15 Spannungsblöcke von
120 Grad mit 60 Grad Lücke oder
Spannungsblöcke
von 180 Grad eingeprägt werden
abhängig
von der Drehzahl N, mit der der BLDC-Motor 1 betrieben
werden soll, oder dem Drehmoment TQ, mit dem der BLDC-Motor 1 betrieben werden
soll.
-
Die
Höhe der
Spannung, mit der die einzelnen Stränge 13–15 im Steuermodus CTRL
der Blockkommutierung BLOCK beaufschlagt werden, kann zudem mittels
der Pulsweitenmodulation abhängig von
der Drehzahl N und/oder dem Drehmoment TQ eingestellt werden, das
der BLDC-Motor 1 erzeugen soll.
-
Im
Steuermodus CTRL der Blockkommutierung BLOCK wird der BLDC-Motor 1 mit
einem hohen Wirkungsgrad betrieben, der bis cirka 25% höher ist,
als der im Steuermodus CTRL des Einprägens eines sinus- oder trapezförmigen Stroms
SINTRAP. So kann auch ein kompakt ausgebildeter BLDC-Motor 1 auch
bei hohen Drehzahlen N und hohen Drehmomenten TQ betrieben werden.
Dadurch, dass der Steuermodus CTRL der Blockkommutierung BLOCK lediglich
eingenommen wird, wenn die Drehzahl N größer ist als der zweiten Schwellenwert
SW2, der bevorzugt bei 2/3 der Leerlaufdrehzahl N des BLDC-Motors 1 liegt,
ist gewährleistet,
dass während des
Steuermodus CTRL der Blockkommutierung BLOCK die Drehmomentungleichförmigkeit
sehr gering ist. Dies ist der Fall, da bei hohen Drehzahlen N, die über 2/3
der Leerlaufdrehzahl liegen, die bei Blockkommutierung BLOCK generell
auftretenden Drehmomentungleichförmigkeiten
durch die Massenträgheit
des Rotors 12 sehr stark verringert werden.
-
In
einem Schritt S10 wird das Programm dann beendet. Das Programm gemäß 2 wird vorzugsweise nach
einer vorgebbaren Zeitdauer erneut abgearbeitet.
-
Ist
die Bedingung des Schrittes S4 nicht erfüllt, so wird ein Steuermodus
CTRL des Übergangsbetriebs
TRANS gesteuert.
-
In
einem Schritt S8 wird das Stellsignal PWM für den Pulsweitenmodulations-Generator 25 abhängig von
der Drehzahl N, mit der der BLDC-Motor 1 betrieben werden
soll, und dem Drehmoment TQ, das von dem BLDC-Motor 1 erzeugt
werden soll, und abhängig
von dem Sollwert I_SP und gegebenenfalls dem Istwert I_AV des Stroms
in dem jeweiligen Strang 13 bis 15 eingestellt.
Mit steigender Drehzahl erfolgt hier gleitend ein Übergang
von dem Einprägen des
sinus- oder trapezförmigen
Stroms SINTRAP hin zu der Blockkommutierung BLOCK der Spannung. Die
Ansteuerung in dem Übergangsbereich
erfolgt dabei abhängig
von abgelegten Informationen, die durch Versuche mit dem BLDC-Motor
vorab ermittelt wurden.
-
In
einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung wird entweder
der Steuermodus CTRL der Regelung SIN auf sinusförmigen Strom oder der Blockkommutierung
BLOCK eingenommen. Die Entscheidung welcher Steuermodus CTRL eingenommen
werden soll erfolgt dann abhängig
von nur einem Schwellenwert der Drehzahl N, der dann bevorzugt in
etwa bei der halben Leerlaufdrehzahl liegt.
-
- 1
- BLDC-Motor
- 12
- Rotor
- 13–15
- Strang
- 17
- Induktivität
- 18
- Widerstand
- 2
- Vorrichtung
zum Steuern BLDC
- 21
- Entscheidungseinheit
- 22
- erste
Steuereinheit
- 23
- zweite
Steuereinheit
- 24
- dritte
Steuereinheit
- 25
- Pulsweitenmodulations-Generator
- 3
- Lagegeber
- 6,8
- Stromsensor
- 7
- Drehmomentsensor
- N
- Drehzahl
- SW1
- erster
Schwellenwert
- SW2
- zweiter
Schwellenwert
- CTRL
- Steuermodus
- SIN
- Einprägen eines
sinus- oder trapezförmigen
Stroms
- TRANS
- Übergangsbetrieb
- BLOCK
- Blockkommutierung
- PWM
- Stellsignal
Pulsweitenmodulation
- I_SP
- Sollwert
des Stroms in dem jeweiligen Strang
- I_AV
- Istwert
des Stroms in dem jeweiligen Strang
- TQ
- Drehmoment
- S1–S9
- Schritte