DE10012084A1 - Verfahren zur Reduzierung der Schaltverluste - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines elektronischen kommutierten Gleichstrommotors mit einer Leistungselektronik, die pulsweitenmodulierte (PWM) Signale erzeugt, wobei neben der Weite auch die Frequenz der einer Statorwicklung zugeführten Pulse veränderbar ist, wobei am Motor und/oder am Leistungsteil eine Temperatur gemessen wird und wobei die Frequenz der in ihrer Weite modulierten Pulse in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur vorgegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektronischen kommutierten Gleichstrommotors insbesondere zum Antrieb einer Kreiselpumpe, der zur Erzeugung pulsweitenmodulierter (PWM) Signale eine Leistungselektronik aufweist, mit der neben der Weite auch die Frequenz der einer Statorwicklung zugeführten Pulse veränderbar ist.

Derartige sogenannte bürstenlosen ("brushless") Gleichstrom ("DC")-Motoren gewinnen parallel mit der Entwicklung billiger und zuverlässiger Leistungshalbleiterelemente an Bedeutung. Bei diesen Motoren erfolgt die Kommutierung der Spannung nicht wie bislang durch Bürstenkontakte sondern über das gezielte Schalten von Leistungshalbleitern. Solche brushless DC-Motoren werden neben vielen anderen Einsatzgebieten in letzter Zeit auch zum Antrieb von Kreiselpumpen verwendet.

Problematisch bei den bekannten Motoren ist, daß durch die zahlreichen Schaltvorgänge zwischen den PWM-Pulsen große Leistungsverluste verursacht werden. Diese Schaltverluste entstehen durch das langsame Abklingen des Stromes in den Leitungen und vorallem in den Wicklungen. Dabei wird die Zahl der Schaltvorgänge um so größer, je besser die Motorspannung an eine Wechselspannung mit weichen Übergängen, z. B. eine Sinusspannung, angepaßt wird. Eine solche Sinusspannung ist zu bevorzugen, da mit dem harmonischen Spannungsverlauf die Motorgeräusche reduziert werden. Allerdings führen die dabei entstehenden Schaltverluste zu einer starken Erwärmung des Motors oder der Schaltelektronik, so daß diese Komponenten Schaden nehmen können, wobei ein Totalausfall nicht ausgeschlossen ist. Die Ansteuerung des Motors über eine sogenannte Blockansteuerung, bei der verhältnismäßig wenige Schaltvorgänge stattfinden, hat den Nachteil einer starken Geräuscherzeugung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb von elektronischen kommutierten Gleichstrommotoren, insbesondere zum Antrieb von Kreiselpumpen zu schaffen, das es auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht, unter Optimierung der Laufruhe die Schaltverluste zu minimieren und damit eine hohe Betriebssicherheit des Motors zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung besteht darin, daß die Temperatur der empfindlichen Bauteile überwacht wird und insbesondere beim Anstieg der Temperatur eine Betriebsart mit geringerer Pulsfrequenz gewählt wird, die wegen der entsprechend geringeren Schaltverluste weniger die Bauteile belastende Abwärme erzeugt. Dabei wird eine vorübergehend stärkere Geräuscherzeugung hingenommen. Bei einem Sinken der Temperatur wird dann wieder auf die komfortablere leisere Betriebsart umgeschaltet. Das Verfahren wird so durchgeführt, daß am Motor und/oder am Leistungsteil eine Temperatur, insbesondere vermittels eines dort angebrachten Sensors, gemessen wird und daß die Frequenz der in ihrer Weite modulierbaren Pulse in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur vorgegeben wird. Die Verarbeitung der vom Sensor kommenden Temperatursignale übernimmt der für die Modulation der Pulsweite eingesetzte Mikroprozessor.

Die Vorteile der Erfindung liegen auf der Hand. So ist es mit dem Verfahren möglich, die Verlustleistung im Hinblick auf die Empfindlichkeit einzelner Bauteile zu beeinflussen. Der Motor paßt sich dabei bezüglich der Temperatur selbständig an die Gegebenheiten an. Mit diesem besonders einfach und kostengünstig zu realisierenden Verfahren läßt sich die Zuverlässigkeit des Motors drastisch erhöhen. Zudem zeichnet sich das Verfahren durch eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb aus. Es läßt sich mit den ohnehin in der Regelelektronik des Motors vorhandenen Komponenten bewerkstelligen und trägt somit zu einer Kostenreduzierung bei der Herstellung des Motors bei. Ein besonderer Vorteil ist, daß es sich flexibel bei vielen verschiedenen Motortypen einsetzen läßt.

Besonders vorteilhaft lassen sich Kreiselpumpen, deren Elektromotor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert wird, im Kühlsystem von Kraftfahrzeugen einsetzen. Gerade in diesem Einsatzgebiet spielen die möglichen Laufgeräusche eine untergeordnete Rolle, während die Wärmebelastung für die Bauteile mitunter besonders hoch sein kann. Zudem ist hier die Zuverlässigkeit der Pumpe von hervorragender Bedeutung, da ihr Ausfall zur Zerstörung des Kraftfahrzeugmotor und zu einer erheblichen Gefährdung der Fahrzeuginsassen führen kann.

Die Ansteuerung des Motors erfolgt vorteilhafterweise derart, daß eine Temperatur gemessen wird und im Falle einer normalen Betriebstemperatur in den Wicklungen ein nahezu sinusförmiger Stromverlauf durch Modulation der Pulsweite bei fester Frequenz erzeugt wird. Dieser Betriebsmodus erzeugt die geringsten Laufgeräusche und bietet damit dem Nutzer den größt möglichen Komfort. Sollte die Temperatur beispielsweise wegen der steigenden Belastung des Motors oder wegen eines Problems bei der Kühlung steigen, so wird erfindungsgemäß die Frequenz der Pulse reduziert. Die idealerweise sinusförmige Spannung wird nunmehr durch weniger aber dennoch in ihrer Weite modulierte Pulse angenähert, so daß der harmonische Verlauf lediglich grob angenähert wird. Wegen der abrupten Sprünge im Spannungsverlauf nimmt die Geräuschentwicklung zu.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Steuerung eine Maximaltemperatur vorgegeben. Diese Maximaltemperatur liegt etwas unterhalb der höchst möglichen Belastung für die Bauteile. Sie wird bestimmt durch die Empfindlichkeit der Isolation der Wicklungen oder der elektronischen Komponenten. Liegt die maximale Belastung bei etwa 140°C so wird die Maximaltemperatur auf etwa 120° festgelegt. Bei Erreichen der Maximaltemperatur wird der Motor dann in der Betriebsart angesteuert, durch die die geringsten Schaltverluste erzeugt werden. Diese Betriebsart ist eine Blockansteuerung, bei der von den Leistungshalbleitern lediglich einzelne Treiberpulse auf die Wicklungen geschaltet werden, wobei ein Treiberpuls für die Dauer einer Halbwelle Strom in einer Wicklung generiert. Im einfachsten Falle wird zur Generation der Treiberpulse lediglich die Eingangsspannung für kurze Zeiten durchgeschaltet. Diese Betriebsart erzeugt wegen des Minimums an Schaltvorgängen die geringsten Schaltverluste. Allerdings werden durch die starken Beschleunigungen des Rotors starke Laufgeräusche erzeugt. Der Motor fängt mit der Frequenz der Signale an zu brummen. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Spannung der Treiberpulse verändert werden, so daß verschiedene Leistungsstufen einstellbar sind. Mit dieser Möglichkeit kann die Erzeugung der Abwärme weiter reduziert werden.

Vorteilhafter Weise setzt die Ansteuerung des Motors mit den Treiberpulsen nach einem Überschreiten der Maximaltemperatur bis zur Abkühlung auf oder unter die Maximaltemperatur aus. Dabei wird der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen erhöht und somit die Frequenz stark reduziert. Der Motor schaltet jedoch nicht vollständig ab, wie es bislang bei den bekannten Temperaturüberwachungen geschah. Statt dessen wird der Motor in einen temperaturkontrollierten Schrittbetrieb überführt, bei dem eine Vollkreisdrehung des Rotors von einer Abfolge unterscheidbarer Einzelschritte gebildet wird. Ein derartiger Schritt wird durch einen Treiberpuls generiert und zeichnet sich im Extremfall dadurch aus, daß der Rotor vom Stillstand beschleunigt und vor dem nächsten durch einen Treiberpuls generierten Schritt vollständig abgebremst wird. Zwischen den Schritten wird die Temperatur gemessen. Der nächste Einzelschritt wird somit erst nach Unterschreiten einer vorgegebenen Temperatur zugelassen.

Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erklärt.

Die Figur zeigt drei unterschiedliche Arten der Ansteuerung. Es ist jeweils der zeitliche Verlauf t der an eine Wicklung zu legenden Spannung U gezeigt. In der Darstellung a) wird die klassische Pulsweitenmodulation gezeigt, bei der durch in ihrer Weite 1 veränderte Pulse 2 durch Mittelung der Spannung die Halbwelle 3 einer Sinusspannung erzeugen. Nach der Umkehrung des Vorzeichens der Spannung U wird ebenfalls durch Variation der Pulsweite die entsprechend negative Halbwelle der Sinusspannung erzeugt. In diesem Beispiel wird eine Halbwelle (symbolisch) durch fünf unterschiedlich lange Pulse 2 angenähert. Diese Betriebsart a) erzeugt die geringsten Laufgeräusche geht jedoch mit der höchsten Abwärme einher. Sie wird bei normaler Betriebstemperatur des Motors und der Elektronik eingesetzt.

Nachdem durch Messung festgestellt wurde, daß die Temperatur steigt, wird die Betriebsart auf eine Ansteuerung nach b) gewechselt. Dabei wird die Frequenz der Pulse 2 reduziert. In diesem Beispiel wird die an die Wicklungen zu legende Spannung 4 nur noch durch drei Pulse 2 variierender Länge generiert. Deutlich zu erkennen ist, daß der Spannungsverlauf wesentlich "eckiger" ist und damit entsprechend stärkere Laufgeräusche erzeugt.

Steigt die gemessene Temperatur gegen die Maximaltemperatur, so wird auf die Betriebsart mit einzelnen Treiberpulsen 5 umgestellt (Blocksansteuerung). Innerhalb eines Phasenwinkels von 180° - einer Halbwelle - wird von der Elektronik ein Puls 5 an eine Wicklung gelegt. Dabei sind die Treiberpulse 5 im Vergleich zu den Pulsen 2 vergleichsweise lang und nehmen etwa einen Phasenwinkel von 70° ein. Die Treiberpulse 5 sind in ihrer Spannung Höhe U variierbar. Bei einem kontrollierten Schrittbetrieb wird im Intervall 6 zwischen den Pulsen 5 die Temperatur gemessen und über die Generation des nächsten Pulses 5' entschieden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb eines elektronischen kommutierten Gleichstrommotors mit einer Leistungselektronik, die pulsweitenmodulierte (PWM) Signale erzeugt, wobei neben der Weite auch die Frequenz der einer Statorwicklung zugeführten Pulse veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Motor und/oder am Leistungsteil eine Temperatur gemessen wird und daß die Frequenz der in ihrer Weite modulierbaren Pulse in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur vorgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei normaler Betriebstemperatur durch Modulation der Pulsweite bei fester Frequenz ein nahezu sinusförmiger Stromverlauf in den Wicklungen erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei steigender Temperatur die Frequenz der Pulse reduziert wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maximaltemperatur vorgegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der Maximaltemperatur der Motor in einer Blockansteuerung mit einzelnen Treiberpulsen betrieben wird, wobei ein Treiberpuls für die Dauer einer Halbwelle Strom in einer Wicklung generiert.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Überschreiten der Maximaltemperatur die Ansteuerung aussetzt, bis nach einer Abkühlung die Maximaltemperatur erreicht oder unterschritten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen kontrollierten Schrittbetrieb, in dem eine Vollkreisdrehung des Rotors von einer Abfolge unterscheidbarer Einzelschritte gebildet wird, wobei der Rotor durch einen Treiberpuls beschleunigt wird und vor dem nächsten Treiberpuls abgebremst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem temperaturkontrollierten Schrittbetrieb vor jedem Einzelschritt die Temperatur gemessen wird.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Motor eine Kreiselpumpe eines Heiz- oder Kühlsystems betrieben wird.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Temperatur einem der Schaltelektronik zugeordneten Mikroprozessor zugeführt wird, der die Frequenz der Signale regelt.