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Die
Erfindung betrifft bürstenlose
Gleichstrommaschinen wie etwa Motoren und Generatoren und spezieller
ein Verfahren und ein System zur Bestimmung von Kommutierungspositionen
in bürstenlosen
Gleichstrommaschinen unabhängig
von der Positionierung eines Rotorlagesensors.
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Gleichstrommaschinen,
zu denen Gleichstromgeneratoren und Gleichstrommotoren gehören, sind
bekannt. Ein Typ von Gleichstrommaschinen sind bürstenlose Gleichstrommotoren.
Bürstenlose Gleichstrommotoren
werden manchmal als bürstenlose
Dauermagnetmotoren, Synchron-Dauermagnetmotoren oder elektronisch
kommutierte Gleichstrommotoren bezeichnet. Bürstenlose Gleichstrommotoren
werden für
viele Anwendungen verwendet, darunter für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik.
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Ein
bürstenloser
Gleichstrommotor weist einen Rotor mit Dauermagneten und einen Ständer mit Wicklungen
auf. In bürstenlosen
Gleichstrommotoren wird die Kommutierung der Ständerwicklungen elektronisch
auf Basis der Rotorposition durchgeführt. Daher sind keine Bürsten und
kein mechanischer Kommutator vorhanden, und stattdessen wird eine Steuerelektronik
verwendet, um die Ständerwicklungen
synchron zu erregen. Die Ständerwicklungen werden
der Reihe nach ein- und
ausgeschaltet, um ein magnetisches Drehfeld um den Ständer herum
zu erzeugen, das ein Drehmoment erzeugt, durch das der Rotor gezogen
und in Rotation versetzt wird.
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Bürstenlose
Maschinen haben gegenüber Maschinen
mit Bürsten
verschiedene Vorteile – es sind
keine Funken von einer Bürste
vorhanden, und Probleme, die mit der Bürstenstandzeit, Bürsten-Rückständen oder
mit Lärm
zusammenhängen, sind
entweder nicht vorhanden oder weniger stark ausgeprägt. Bürstenlose
Gleichstrommaschinen können
schneller, effizienter, zuverlässiger
und leiser als Gleichstrommaschinen mit Bürsten sein. Bürstenlose
Gleichstrommaschinen erfordern jedoch eine elektronische Kommutierungssteuerung,
um die einzelnen Ständerwicklungen
jeweils zum richtigen Zeitpunkt zu erregen.
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Um
die Erregung der Ständerwicklungen richtig
zu steuern, werden mit dem Rotor gekoppelte Sensoren verwendet,
die elektronische Signale zur Ansteuerung von Schaltelementen erzeugen.
Die Sensoren erfassen die Rotorposition bezüglich der einzelnen Ständerwicklungen.
Der Strom in den Ständerwicklungen
wird hinsichtlich Frequenz und Phasenwinkel so gesteuert, dass eine
konstante Winkelverschiebung zwischen den Polen des Ständerdrehfeldes
und den Polen des Rotorfeldes aufrechterhalten wird. Eine solche
konstante Winkelverschiebung ist auch bei vielen anderen Gleichstrommaschinen
wie etwa Gleichstromgeneratoren vorhanden.
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Der
Ständerstrom
kann entweder bipolar oder unipolar sein. Bei einem bipolaren Strom
kann es sich um umkehrbare Rechteckwellen oder sinusförmigen Strom
handeln; ein unipolarer Strom ist gewöhnlich eine Rechteckwelle ohne
Stromrichtungsumkehr.
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Die
Steuerelektronik, welche die Ständerwicklungen
erregt, muss die momentane Rotorposition bezüglich jeder Ständerwicklung
kennen. Wie oben erwähnt,
wird dies mit Sensoren realisiert. Eine Bestimmung der relativen
Position zwischen einem Rotorpol und einem Ständerpol kann jedoch nur dann erfolgen,
wenn die ursprüngliche
Montageposition der Rotorsensoren relativ zu jeder Ständerwicklung bekannt
ist. Folglich ist die Genauigkeit der Positionierung der Sensoren
bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor
ein entscheidender Aspekt. Diese Positionierung beeinflusst den
durch die Ständerwicklungen
fließenden
Strom, das im Motor erzeugte Drehmoment, die Verluste, den Wirkungsgrad
und die Beanspruchung von Leistungselektronik-Bauelementen.
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Um
die Rotorposition zu bestimmen, wurden verschiedene Typen von Sensoren
verwendet, wie etwa Absolutpositions-Sensoren, Ein-Bit-Positionssensoren
oder Sensoren, die den Nulldurchgangspunkt der Gegen-EMK (elektromotorische
Kraft) der Ständerwicklung
messen, oder Kombinationen davon. Wenn die Gegen-EMK einer Ständerwicklung erfasst
werden soll, kann die Wicklung, die gemessen wird, nicht erregt
werden. Dies bedeutet, dass bei einem Drehstrommotor, bei dem für diesen
Zweck die Gegen-EMK verwendet wird, zu einem beliebigen gegebenen
Zeitpunkt nur zwei Phasen von Strom durchflossen werden.
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Absolutpositions-Sensoren
sind teurer als Ein-Bit-Positionssensoren
und im Vergleich zu diesen wenig wünschenswert. Ein-Bit-Positionssensoren
können
magnetische Sensoren (wie etwa Hallsensoren) oder optische Sensoren
(wie etwa ein optischer Drehimpulsgeber) sein, sind oft weniger
teuer als Absolutpositions-Sensoren und sind zuverlässiger als
Gegen-EMK-Sensoren, da Gegen-EMK-Sensoren bei Drehzahlen, die nahe
bei null liegen, nicht funktionieren.
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Ein
Ein-Bit-Positionssensor muss jedoch in einer bezüglich der Ständerwicklungen
genau ausgerichteten Position angebracht werden. Die genaue Ausrichtung
eines Ein-Bit-Positionssensors erfordert spezialisierte Produktionseinrichtungen
und Arbeitsaufwand, was die Produktionskosten erhöht. Die Ausrichtung
kann durch solche Faktoren beeinträchtigt werden wie mechanischer
Verschleiß der
Produktionseinrichtungen, Abweichungen von Einstellungen usw.
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Um
die Nachteile eines Ein-Bit-Positionssensors zu verringern, wird
ein neues Verfahren vorgestellt, das automatisch den Montagepositionsfehler eines
Ein-Bit-Positionssensors
korrigieren kann.
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Dementsprechend
besteht Bedarf an einem Verfahren und einem System zur Korrektur
des Montagefehlers eines Rotorsensors in bürstenlosen Gleichstrommaschinen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung werden Rotorlagesensoren und Schaltungsanordnungen
zur Messung der Gegen-EMK verwendet, um die Kommutierung zu bestimmen.
Insbesondere wird die Zeitdifferenz zwischen dem Signal vom Positionssensor und
vom Gegen-EMK-Sensor erfasst und verwendet, um die Kommutierungsposition
zu bestimmen, indem diese Differenz als eine Verzögerung zum
Signal des Positionssensors addiert wird. Daher wird der Montagefehler
des Positionssensors korrigiert, und was die Montage des Positionssensors
betrifft, ist die Ausrichtung bei der Produktion nicht entscheidend.
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Durch
die Erfindung werden ein Verfahren und ein System zur Bestimmung
der Kommutierungsposition in einer bürstenlosen Gleichstrommaschine
bereitgestellt, bei denen ein Ein-Bit-Rotorsensor und das Gegen-EMK-Signal
von einer Ständerwicklung
verwendet werden. Ein Verzögerungswert, der
gleich der zwischen der Erfassung des Positionssignals und des Gegen-EMK-Signals vergangenen Zeit
ist, wird gemessen, und die Kommutierung erfolgt nach Ablauf eines
Zeitintervalls, das gleich dem Verzögerungswert ist, nach der Erkennung
des jeweiligen Positionssignals.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und charakteristische Eigenschaften der Erfindung
sowie die Wirkungsweisen und die Funktionen der zugehörigen Elemente
der Konstruktion, die Kombination von Teilen und wirtschaftliche
Aspekte der Fertigung werden beim Studium der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und der beigefügten
Ansprüche
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, wobei all dies Bestandteile der vorliegenden Patentbeschreibung
sind, noch besser ersichtlich.
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Die
Erfindung wird beim Studium der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen derselben besser
verständlich,
die in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen gegeben wird, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile
bezeichnen und wobei:
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1 ein
Blockschaltbild eines Steuerungssystems eines bürstenlosen Gleichstrommotors
gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 die
verschiedenen Wellenformen zeigt (Gegen-EMK, Positionssignal, Zähler, Kommutierungsposition),
die gemäß der Erfindung
verwendet werden, um den Montagefehler eines Positionssensors zu
korrigieren; und
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3 ein
Flussdiagramm ist, das den in 2 dargestellten
Korrekturprozess gemäß der Erfindung
zeigt.
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Es
wird auf 1 Bezug genommen; ein gemäß der Erfindung
bereitgestelltes Steuerungssystem eines bürstenlosen Gleichstrommotors
ist allgemein mit 10 bezeichnet. Das System 10 umfasst eine
bürstenlose
Gleichstrommaschine (in diesem Fall einen Motor 12), die
drei Phasen, fünf
Phasen usw. aufweisen kann.
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Wie
in 1 dargestellt, ist mit dem Motor 12 ein
Wechselrichter 18 gekoppelt. Der Wechselrichter verwendet Gleichstromleistung,
z. B. von einer Autobatterie, und erregt die Ständerwicklungen in einer bestimmten
Reihenfolge. Die elektrischen Variablen wie etwa Strom, Spannung,
Gegen-EMK usw. werden von elektronischen Sensoren 21 gemessen, deren
Funktion weiter unten erläutert
wird. Die Messergebnisse von den Sensoren 21 werden einem
Mikrocontroller 22 zugeführt, der die Steuerung des Systems
realisiert (Strom, Drehzahl oder beides). Der Mikrocontroller korrigiert
den „Fehler" der Montageposition
des Rotorlagesensors und steuert die Kommutierung zur Erregung der
Ständerwicklungen. Die
Steuersignale werden zu einer Treiber- und Schutzvorrichtung 20 gesendet,
die eine Treiber- und Schutz-Schaltungsanordnung für den Wechselrichter 18 umfasst.
Der Wechselrichter 18, der Mikrocontroller 22 und
die elektronischen Sensoren 21 werden nachfolgend ausführlicher
beschrieben.
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Der
Wechselrichter 18 kann unter Verwendung von Leistungselektronik-Schaltelementen
hergestellt sein, wie etwa von bipolaren Transistoren mit isoliertem
Gate (IGBTs, Insulated Gate Bipolar Transistors), Feldeffekttransistoren
mit Metalloxid-Halbleiter-Aufbau (MOSFETs, Metal Oxide Semiconductor
Field Effect Transistors) oder anderen geeigneten Schaltelementen.
Der Mikrocontroller 22 kann Softwareprogramme ausführen, um
den Betrieb des Motors 12 zu steuern.
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Zu
den elektronischen Sensoren 21 gehören ein Stromsensor, ein Motorspannungssensor
und eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Gegen-EMK. Ein Ein-Bit-Positionssensor 14 ist
auf eine ein Zusammenwirken ermöglichende
Art und Weise mit einem Rotor 16 des Motors 12 gekoppelt
und kommuniziert mit den Sensoren 21, um die momentane
Position des Rotors 16 bezüglich der Ständerwicklungen
zu bestimmen. Der Sensor 14 kann ein optischer Sensor (wie
etwa ein optischer Drehimpulsgeber), ein magnetischer Sensor (wie
etwa ein Hallsensor) oder ein Sensor eines beliebigen anderen Typs
sein, der zur Erfassung der Rotorposition verwendet wird. Der Rotorlagesensor
erzeugt ein Signal (in Form einer Rechteckwelle), das dem Mikrocontroller 22 zugeführt wird,
um zum geeigneten Zeitpunkt den Transistorschalter zu aktivieren.
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Die
Rotation des Rotors erzeugt eine Gegen-EMK in den Ständerwicklungen
des Motors 12. Die Nulldurchgangspunkte der Gegen-EMK in
einer der Phasenwicklungen werden mit Hilfe der Erfassungs-Schaltungsanordnung
der Sensoren 21 erfasst. Die Zeitdifferenz zwischen dem
Signal vom Positionssensor 14 und der erfassten Gegen-EMK
wird bestimmt und verwendet, um die Kommutierungsposition zu bestimmen,
indem diese Differenz als eine Verzögerung zum Signal des Positionssensors
addiert wird. Daher wird der Montagefehler des Positionssensors
korrigiert und die Ausrichtung des Positionssensors ist bei der
Produktion nicht entscheidend.
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2 zeigt
die verschiedenen Wellenformen (Gegen-EMK, Positionssignal, Zähler, Kommutierungsposition),
die gemäß der Erfindung
verwendet werden, um den Montagefehler eines Positionssensors zu
korrigieren. Der Zweck des Prozesses besteht darin, die Kommutierungspositionen
anhand des Signals von dem nicht ausgerichteten Ein-Bit-Positionssensor 14 mit
Hilfe der erfassten Gegen-EMK zu bestimmen. Die Eingangssignale
sind folglich die Signale vom Positionssensor und von der Erfassung der
Gegen-EMK. Um die Analyse zu vereinfachen, wurde angenommen, dass
es sich bei der Wellenform des Positionssensors und beim Signal
der Gegen-EMK um Rechteckwellen handelt. Diese Annahme ist sinnvoll,
wenn das Funktionsprinzip bürstenloser
Gleichstrommotoren betrachtet wird. Natürlich müssen bei einer Funktion gemäß den Prinzipien der Erfindung
die Wellenform des Positionssensors und das Signal der Gegen-EMK
nicht unbedingt Rechteckwellen sein.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das den in 2 dargestellten
Korrekturprozess zeigt. Wie in 2 und 3 dargestellt,
hat das Signal der Gegen-EMK H-Pegel, wenn die Gegen-EMK der Wicklung
positiv ist, und nimmt L-Pegel an, wenn sie negativ ist.
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Im
Mikrocontroller 22 ist ein Zähler 23 enthalten.
Der Zähler 23 wird
verwendet, um die Zeitdifferenz zwischen dem Signal der Gegen-EMK
und dem Positionssignal zu messen. In 3 besteht
der Schritt 100 darin, den Zähler 23 zu starten.
Jedes Mal, wenn eine Anstiegsflanke des Positionssignals erkannt
wird (wie in Schritt 110 bestimmt), wird der Zähler 23 auf
null zurückgestellt
(wie in Schritt 115 dargestellt). Wie in 2 dargestellt,
erhöht
sich der Wert des Zählers
linear, bis eine weitere Anstiegsflanke des Positionssignals erkannt
wird. Wenn in Schritt 120 eine Anstiegsflanke des Gegen-EMK-Signals
erkannt wird, wird in Schritt 125 der momentane Wert des
Zählers
als Verzögerungswert
gespeichert. Folglich ist der Verzögerungswert die Zeit, die zwischen
dem Beginn des Positions- und des Gegen-EMK-Signals vergangen ist.
Wenn es gewünscht wird,
kann gemäß dem obigen
Prozess der Verzögerungswert
jedes Mal gemessen werden, wenn eine Anstiegsflanke des Gegen-EMK-Signals
erkannt wird.
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Der
Verzögerungswert
wird verwendet, um die Kommutierungsposition zu bestimmen, die festlegt,
wann die einzelnen Ständerwicklungen
erregt werden müssen.
Um die Kommutierungsposition zu bestimmen, wird im Schritt 130 bestimmt,
wann der Zählerwert
den Verzögerungswert
erreicht. Wenn der Zählerwert
gleich dem Verzögerungswert
ist, erfolgt die Kommutierung 135. Danach wird der Zählerwert zurückgestellt,
sobald im Schritt 110, wie oben beschrieben, eine Anstiegsflanke
eines Rotorpositionssignals erkannt wird, und die anderen sich anschließenden Schritte,
die oben beschrieben wurden und in 3 dargestellt
sind, werden dann wiederholt, um die nächste Kommutierungsposition
zu bestimmen.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Bestimmung der Kommutierungsposition
einer bürstenlosen Gleichstrommaschine
zum Gegenstand, die bereits gestartet wurde. Es gibt verschiedene
bekannte Methoden, um eine bürstenlose
Gleichstrommaschine zu starten. Zwei herkömmliche Schemata der Inbetriebnahme,
die ohne Absolutpositions-Sensoren verwendet werden, sind zum Beispiel
folgende: (1) Bremsen des Rotors, so dass er sich in einer bekannten
Position befindet, und danach Ingangsetzung des Motors von dieser
Position aus, oder (2) Erregen der Motorwicklungen in einem rückführungslosen
Ablauf von Steuerungsvorgängen,
um den Motor auf eine gewisse Drehzahl zu bringen, und danach Umschalten
zu Kommutierung mit geschlossenem Regelkreis. Natürlich existieren
noch weitere Methoden zum Starten einer bürstenlosen Gleichstrommaschine,
die in Verbindung mit der Erfindung angewendet werden können.
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Die
vorstehend genannten bevorzugten Ausführungsformen wurden für die Zwecke
der Veranschaulichung der Konstruktions- und Funktionsprinzipien der vorliegenden
Erfindung dargestellt und beschrieben, sowie um die Verfahren der
Anwendung der bevorzugten Ausführungsformen
darzustellen, und sie können
geändert
werden, ohne dass von diesen Prinzipien abgewichen wird. Deshalb
schließt diese
Erfindung alle Modifikationen ein, auf welche die Formulierung der
nachfolgenden Ansprüche
zutrifft.