DE3819062C3 - Verfahren zur Steuerung von bürstenlosen Elektromotoren sowie Steuerschaltung hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von bürstenlosen Elektromotoren, insbesondere bürstenlosen Gleichstrommotoren, bei dem von einem Rotorlagegeber abgeleitete Ansteuersignale zur Ansteuerung von Transistoren in einer die Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen versorgenden Transistorbrückenschaltung dienen, wobei der Kommutierungspunkt der Ansteuerung der Transistoren veränderbar ist.

Bei bürstenlosen Elektromotoren, insbesondere Gleichstrommotoren, weist der Rotor Permanentmagnete und der Stator eine üblicherweise dreiphasige, in Sternschaltung liegende Drehstromwicklung auf. Die Anschlußklemmen dieser Wicklung werden durch eine dreiphasige Transistorbrückenschaltung wahlweise mit der positiven oder negativen Schiene der Zwischenkreis- Gleichspannung verbunden. Die Magnetisierung der Permanentmagnete und die Gestaltung der Drehstromwicklung sind so gewählt, daß jede der in den drei Phasen induzierten Spannungen einen näherungsweise trapezförmigen Verlauf weist. Der günstigste Drehmomentenverlauf des Motors ist dann gegeben, wenn die Phasenströme blockförmig mit einer Blocklänge von 120° sind und genau in Phase mit den induzierten Spannungen liegen.

Hierzu werden jeweils zwei der sechs Transistoren angesteuert, so daß jeweils zwei der drei Teilwicklungen bestromt sind und die dritte Teilwicklung stromfrei bleibt. Zur Entscheidung, welche der sechs Transistoren dabei jeweils stromführend sein müssen, wird die jeweilige Winkellage des Rotors über einen Rotorlagegeber erfaßt.

In der Praxis zeigt sich jedoch eine erhebliche Abweichung von dem idealen Stromverlauf. Bedingt durch die Induktivitäten der drei Teilwicklungen erfolgt der Stromaufbau und Stromabbau nicht schlagartig, sondern in erster Näherung gemäß einer e-Funktion. Daraus ergibt sich eine Phasenverschiebung des Stromblocks gegenüber der induzierten Spannung und somit eine Verschlechterung der Drehmomentbildung. Der Winkelbetrag dieser Phasenverschiebung ist drehzahlabhängig, da zum einen der Betrag der induzierten Spannung mit steigender Drehzahl größer wird und somit dem Stromaufbau entgegenwirkt, und da zum anderen der Zeitbedarf des Stromaufbaus, bezogen auf die Periodendauer, immer größer wird.

Ein bekanntes Verfahren, mit dem dieser Phasenverschiebung entgegengewirkt werden kann, besteht darin, den Kommutierungspunkt vorzuverlegen, d. h., die jeweiligen Transistoren bereits zu einem früheren Zeitpunkt aufzusteuern. Einerseits hat damit der Strom mehr Zeit, sich aufzubauen und wieder abzubauen; andererseits ist die induzierte Spannung im Augenblick des Stromaufbaus noch geringer.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Gattung (DE-OS 25 27 744) erfolgt diese Vorverlegung des Kommutierungspunktes dadurch, daß die Sensoren des Polrad- Rotorlagegebers entgegen der Motordrehrichtung mechanisch verdreht werden. Nachdem diese Verdrehung erfolgt ist, bleibt die Lage der Sensoren fest.

Außerdem ist es bekannt (DE-OS 26 29 269), in einer Steuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor in der Ansteuerung für die einzelnen Transistoren feste Widerstände anzuordnen, die so dimensioniert werden, daß der Einschaltzeitpunkt der jeweils zugeordneten Phase verschoben, d. h., die Einschaltdauer kleiner oder größer als 120° gewählt wird. Dadurch sollen die jeweils gewünschten Motor- und Drehzahlcharakteristiken realisierbar sein. Im wesentlichen wird damit eine überlappungsfreie Kommutierung der drei Phasen mit geringem Aufwand realisierbar.

Den beiden bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß die Verschiebung des Kommutierungspunktes mechanisch oder elektrisch nur um einen fest vorgegebenen Wert für den gesamten Drehzahlbereich erfolgen kann. Dieser Wert ist beim mechanischen Verfahren durch einen festen Drehwinkelbetrag und beim elektrischen Verfahren durch einen festen elektrischen Phasenwinkelbetrag bestimmt.

Es hat sich aber gezeigt, daß der optimale Wert einer Verschiebung des Kommutierungspunktes drehzahlabhängig ist, d. h., bei niedrigen Drehzahlen nahe 0° liegt und bei höheren Drehzahlen beispielsweise Werte bis über 60° annimmt. Bei den genannten Verfahren mit fester Vorgabe der Verschiebung des Kommutierungspunktes ist jeweils nur ein Kompromiß möglich, der, strenggenommen, nur für eine bestimmte Drehzahl optimale Verhältnisse ergibt.

Hinzu kommt noch, daß die angestrebte Vorverlegung des Kommutierungspunktes drehrichtungsabhängig ist. Ein Motor, bei dem der Kommutierungspunkt um einen festen Betrag und nur in einer vorgegebenen Richtung vorverlegt wurde, wird deshalb in der entgegengesetzten Drehrichtung eine äußerst schlechte Motorcharakteristik aufweisen oder überhaupt nicht funktionsfähig sein. Die bekannten Verfahren sind daher für Motoren mit Drehrichtungsumkehr ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß mit besonders einfachen Mitteln und auf rein elektronische Weise eine wirksame Verlagerung des Kommutierungspunktes und damit eine wesentliche Verbesserung der Motorcharakteristik und insbesondere Drehmomentcharakteristik erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kommutierungspunkt oberhalb einer vorgegebenen Grenze einer Betriebskenngröße um einen festen Winkelbetrag, vorzugsweise 60°, elektronisch vorverlegt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es mit sehr geringem Schaltungsaufwand verwirklicht werden kann und gleichwohl eine erhebliche Leistungssteigerung des Elektromotors mit sich bringt, nämlich eine wesentliche Erhöhung des Drehmomentes im oberen Drehzahlbereich und eine wesentliche Erhöhung der erreichbaren Höchstdrehzahl.

Bei der Betriebskenngröße, von der der Befehl für das Einschalten der Vorkommutierung abgeleitet wird, handelt es sich vorzugsweise um die Drehzahl, weil die Notwendigkeit oder Zweckmäßigkeit einer Vorkommutierung in erster Linie von der Drehzahl abhängig ist, indem nämlich im unteren Drehzahlbereich die Wirkung einer Vorkommutierung gering, im oberen Drehzahlbereich jedoch sehr wesentlich ist. Statt dessen kann als Betriebskenngröße aber beipielsweise auch das Drehmoment verwendet werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung, bei dem die Ansteuerung der die Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen versorgenden Transistoren in festen Drehwinkelschritten erfolgt, erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Vorkommutierung durch Änderung der Zuordnung des Rotorlagesignals zum Ansteuersignal für die Transistoren derart erfolgt, daß jeweils diejenige Transistorkombination angeschaltet wird, die ohne Vorkommutierung als übernächste Transistorkombination an die Reihe kommen würde.

Die Vorverlegung des Kommutierungspunktes geschieht dabei in sehr einfacher Weise dadurch, daß - verglichen mit dem Verfahrensablauf ohne Vorkommutierung im unteren Drehzahlbereich - nunmehr im oberen Drehzahlbereich nur eine Änderung der Zuordnung zwischen den Rotorlagesignalen und den daraus abgeleiteten Ansteuerungssignalen für die Transistoren erfolgt. Es wird jetzt diejenige Transistorkombination angesteuert, die - ohne Vorkommutierung - beispielsweise erst als übernächste Transistorkombination an der Reihe wäre. Sonstige Schaltungsmaßnahmen sind nicht erforderlich, so daß hierfür auch keine Rechnerkapazität zur Verfügung stehen muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn die Kommutierung der Transistoren allein von einer Hardwaresteuerung übernommen wird; hierdurch lassen sich Ausführungen mit sehr geringem Bauaufwand und damit kostengünstig realisieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat noch den besonderen Vorteil, daß es ohne Einschränkung auch bei solchen bürstenlosen Elektromotoren einsetzbar ist, in deren Steuerschaltung kein der Rotordrehung ständig entsprechender Signalverlauf zur Verfügung steht, aus dem ein Signal für eine gewünschte Vorkommutierung in einfacher Weise dadurch abgeleitet werden könnte, daß die Auslöseschwelle gegenüber der Nullage nach oben oder unten verschoben wird.

Die Erfindung betrifft auch eine Steuerschaltung für bürstenlose Elektromotoren, insbesondere Gleichstrommotoren, zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Rotorlagegeber, einer Zuordnungslogik und einer die Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen versorgenden Transistorenschaltung mit Transistoren, deren Ansteuerungseingänge mit der Zuordnungslogik gegebenenfalls über Pulsweitenmodulatoren verbunden sind, und mit einer Vorrichtung zur Änderung des Kommutierungspunktes der Ansteuerung der Transistoren.

Diese erfindungsgemäße Steuerschaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Änderung des Kommutierungspunktes eine Umschalteinrichtung ist, die einen Eingang für eine Betriebskenngröße, einen Vergleicher und einen Ausgang für ein Vorkommutierungssignal aufweist, das einem Eingang der Zuordnungslogik als Umschaltsignal für die Zuordnung der Rotorlagesignale zu den daraus abgeleiteten Ansteuersignalen für die Transistoren zugeführt wird.

Der Schaltungsaufwand für diese Umschalteinrichtung ist sehr gering, die beispielsweise im wesentlichen nur aus einem einfachen Vergleicher besteht, der feststellt, ob die vorgegebene Grenze der Betriebskenngröße, beispielsweise eine bestimmte Drehzahl, überschritten ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild der Steuerschaltung für einen bürstenlosen Gleichstrommotor,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Mikroprozessorsteuerung in Fig. 1 bei einem herkömmlichen Verfahren ohne Vorkommutierung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Mikroprozessorsteuerung in Fig. 1 zur Vorkommutierung und

Fig. 4 die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien des bürstenlosen Gleichstrommotors nach Fig. 1 mit und ohne Vorkommutierung.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte bürstenlose Gleichstrommotor 1 weist einen Rotor 2 auf, an dem ein Rotorlagegeber 3, vorzugsweise ein dreiphasiger Polrad- Rotorlagegeber angeordnet ist. Der Stator 4 des Motors 1 weist in seiner Wicklung 5 drei in Sternschaltung gelegte Teilwicklungen 5a, 5b und 5c auf.

Die Leistungselektronik der Steuerschaltung nach Fig. 1 weist eine Transistorenbrückenschaltung 6 auf, deren sechs Transistoren 7 eine Vollbrückenschaltung bilden. In einer herkömmlichen Gleichrichterbrückenschaltung 8 wird aus einer Wechselstromquelle 9 ein Gleichstrom gewonnen, der einer positiven Stromschiene 10 und einer negativen Stromschiene 11 zugeführt wird, an denen die Transistoren 7 liegen. Durch eine Mikroprozessorsteuerung 12 werden die Transistoren 7 so angesteuert, daß die Anschlußklemmen Wicklung 5 wahlweise mit der positiven Schiene 10 bzw. der negativen Schiene 11 in der Weise verbunden werden, daß jeweils zwei der drei Teilwicklungen 5a, 5b und 5c bestromt sind und die dritte Teilwicklung stromfrei bleibt.

Fig. 2 zeigt eine Steuerschaltung der Mikroprozessorsteuerung 12 ohne Vorkommutierung.

In einer Zuordnungslogik 13 wird aus den zugeführten drei Signalen des Rotorlagegebers 3 ermittelt, welche beiden Transistoren 7 jeweils anzusteuern sind. Außerdem wird der Zuordnungslogik 13 über einen Eingang 14 noch ein Steuersignal "sign(M)" zugeführt, das angibt, welches Vorzeichen das Drehmoment haben soll. Dieses Signal wird von einer Drehzahlregelung 15 geliefert. Mit diesem Signal kann die Zuordnungslogik 13 zwischen zwei verschiedenen Zuordnungen der Rotorlage zur Transistorenansteuerung auswählen. Die daraus gebildeten beiden Signale werden zwei Pulsweitenmodulatoren 16 und 17 zugeführt und dort jeweils mit einem von der Drehzahlregelung 15 gelieferten Pulsweitensignal verknüpft. Die beiden Pulsweitenmodulatoren 16 und 17 geben dann die gepulsten Ansteuersignale an die oberen drei Transistoren 7 über einen oberen Ausgang 18 und an die unteren drei Transistoren 7 über einen unteren Ausgang 19 ab.

Um zur Verbesserung der Motorcharakteristik und insbesondere des Drehmomentenverlaufs eine Vorkommutierung, d. h. eine Vorverlagerung des Kommutierungspunktes für die drei Teilwicklungen 5a, 5b und 5c der Statorwicklung 5 des Motors 1 zu erreichen, wird die beschriebene Mikroprozessorsteuerung 12 der Schaltung nach Fig. 1 durch die Mikroprozessorsteuerung 12′ gemäß Fig. 3 ersetzt.

Eine Umschalteinrichtung 20 für die Vorkommutierung gibt beim Überschreiten einer Grenze einer Betriebskenngröße, beispielsweise einer Drehzahlgrenze oder einer Leistungsgrenze, über eine Leitung 21 ein Vorkommutierungssignal an einen Eingang 22 der Zuordnungslogik 13′. Das Vorkommutierungssignal löst in der Zuordnungslogik 13′ eine Änderung der Zuordnung der vom Rotorlagegeber 3 erhaltenen Rotorlagesignale zu den an die Pulsweitenmodulatoren 16 und 17 und weiter an die Transistoren 7 gegebenen Ansteuersignale aus. Die Zuordnung wird so geändert, daß immer diejenige Transistorkombination angeschaltet wird, die - bei Betrieb ohne Vorkommutierung im unteren Drehzahlbereich - als übernächste Transistorkombination an die Reihe kommen würde. Dadurch wird eine Vorverlegung des Kommutierungspunktes der Transistoren 7 um 90° erreicht.

Wenn die Betriebskenngröße, von der die Vorkommutierung abgeleitet wird, die Drehzahl ist, ist der Eingang der Umschalteinrichtung 20 für diese Betriebsgröße mit einem Ausgang der Drehzahlregeleinrichtung 15 verbunden, an dem ein drehzahlabhängiges Signal ansteht. Der in der Umschalteinrichtung 20 enthaltene Vergleicher vergleicht das erhaltene drehzahlabhängige Signal mit dem jeweils vorgegebenen Grenzwert und liefert über die Leitung 21 ein 60°-Vorkommutierungssignal an die Zuordnungslogik 13′, solange der Grenzwert überschritten ist.

In den beiden Pulsweitenmodulatoren 16 und 17 erfolgt sodann in gleicher Weise wie bei Fig. 2 beschrieben die Verknüpfung der Signale mit den von der Drehzahlregelung 15 gelieferten Pulsweitensignalen, bevor die oberen bzw. unteren Transistoren 7 angesteuert werden.

In Fig. 4 ist das Drehmoment M des Elektromotors 1 über der Drehzahl n aufgetragen. Unterhalb einer Drehzahlgrenze n1 findet keine Vorkommutierung statt. Würde die Vorkommutierung auch oberhalb der Drehzahl n1 unterbleiben, so hätte die Drehmomentkennlinie den gestrichelt angedeuteten Verlauf, d. h., das Drehmoment würde oberhalb der Drehzahl n1 stark abfallen.

Durch die oberhalb der Drehzahlgrenze n1 erfolgende Vorkommutierung um 60° wird zum einen das Drehmoment im oberen Drehzahlbereich wesentlich angehoben; zum anderen wird die erzielbare Höchstdrehzahl erheblich gesteigert.

Ausgehend von dem beschriebenen Verfahren kann auch vorgesehen werden, an mehreren vorgegebenen Grenzen von Betriebskenngrößen, beispielsweise der Drehzahl, die Vorkommutierung um jeweils unterschiedliche feste Winkelbeträge vorzunehmen, beispielsweise mit zunehmender Drehzahl um zunehmend größere Winkelbeträge.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung von bürstenlosen Elektromotoren, insbesondere bürstenlosen Gleichstrommotoren, bei dem von einem Rotorlagegeber abgeleitete Ansteuersignale zur Ansteuerung von Transistoren in einer die Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen versorgenden Transistorbrückenschaltung dienen, wobei der Kommutierungspunkt der Ansteuerung der Transistoren veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungspunkt oberhalb einer vorgegebenen Grenze einer Betriebskenngröße um einen festen Winkelbetrag elektronisch vorverlegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungspunkt jeweils um 60° vorverlegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebskenngröße eine Drehzahl ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebskenngröße ein Drehmoment ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ansteuerung der die Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen versorgenden Transistoren in festen Drehwinkelschritten erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkommutierung durch Änderung der Zuordnung des Rotorlagesignals zum Ansteuersignal für die Transistoren derart erfolgt, daß jeweils diejenige Transistorkombination angeschaltet wird, die ohne Vorkommutierung als übernächste Transistorkombination an die Reihe kommen würde.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungspunkt an mehreren vorgegebenen Grenzen von Betriebskenngrößen um jeweils unterschiedliche feste Winkelbeträge vorverlegt wird.

7. Steuerschaltung für bürstenlose Elektromotoren, insbesondere Gleichstrommotoren zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Rotorlagegeber, einer Zuordnungslogik und einer die Wicklungen des Elektromotors mit Stromimpulsen versorgenden Transistorbrückenschaltung mit Transistoren, deren Ansteuerungseingänge mit der Zuordnungslogik gegebenenfalls über Pulsweitenmodulatoren verbunden sind, und mit einer Vorrichtung zur Änderung des Kommutierungspunktes der Ansteuerung der Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Änderung des Kommutierungspunktes eine Umschalteinrichtung (20) ist, die einen Eingang für eine Betriebskenngröße, einen Vergleicher und einen Ausgang für ein Vorkommutierungssignal aufweist, das einem Eingang (22) der Zuordnungslogik (13′) als Umschaltsignal für die Zuordnung der Rotorlagesignale zu den daraus abgeleiteten Ansteuersignalen für die Transistoren (7) zugeführt wird.

8. Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang der Umschalteinrichtung (20) für die Betriebsgröße mit einem Ausgang einer Drehzahlregeleinrichtung (15) verbunden ist, an dem ein drehabhängiges Signal ansteht.