DE10050239A1

DE10050239A1 - Verfahren zur Bestimmung der Ist-Drehzahl bei sensorlosen Gleichstrommotoren

Info

Publication number: DE10050239A1
Application number: DE10050239A
Authority: DE
Inventors: Volker Lurk; Joerg Sutter; Wolfgang Schwenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2002-05-02
Also published as: WO2002031958A3; WO2002031958A2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Ist-Drehzahl (16) bei bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotoren (1), die eine Kommutierungserkennung (10) aufweisend, mit der aus der induzierten Spannung einer unbestromten Phasen (24) der korrekte Kommutierungszeitpunkt zur Erzeugung eines Drehfeldes in gewünschte Drehrichtung erzeugt wird. Durch Ausmessen der Flanken eines Kommutierungsgebers (11) über einen Zeitschalter (15) wird in einer Ist-Drehzahl-Erkennung (15) die Zeitdauer zwischen zwei Kommutierungsimpulsen (11) bestimmt.

Description

Technisches Gebiet

Bei bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotoren ist eine Ermittlung der Drehzahl notwendig, sei es, um eine Drehzahlbegrenzung zu realisieren oder sei es, um aus der Drehzahl andere Motorparameter indirekt abzuleiten. Kleinbauende, bürstenlose Gleichstrommotoren werden ohne Sensoren zur Drehzahlerfassung hergestellt, um die bauraumsparende und gewichtssparende Konstruktion solcher elektrischer Maschinen nicht zu beeinträchtigen. Auch bei solchen elektrischen Maschinen ist eine korrekte Erfassung der tatsächlichen Drehzahl erforderlich, die beispielsweise über eine Drehzahlregelung mit Hilfe der bestimmten Ist-Drehzahl erfolgen kann.

Stand der Technik

Bei elektrischen Maschinen, wie Drehstromgeneratoren, synchron und asynchron betriebene Elektromotoren, erfolgt die Ermittlung der tatsächlichen Ist-Drehzahl des Elektromotors oder Generators durch Auswerten von Inkrementalgeberimpulsen. Dazu ist an diesen elektrischen Maschinen zusätzlichen Bauraum beanspruchender Aufwand zu betreiben; neben der Ermittlung der Ist-Drehzahl aus der Auswertung von Inkrementalgeberimpulsen kann die Drehzahl solcher elektrischer Maschinen auch durch Auswertung von Absolutwinkel-Encodern erfolgen. Dabei werden auch Tachogeneratoren eingesetzt, um die Ist-Drehzahl einer elektrischen Maschine zu bestimmen.

Diesen aus dem Stande der Technik bekannt Lösungen zur Ermittlung der Ist-Drehzahl ist gemeinsam, daß sie neben zusätzlichem Verkabelungsaufwand an der elektrischen Maschine durch den Einsatz der Auswertungskomponenten mit zusätzlichem Kostenaufwand einhergehen. Bei kleinbauenden, bürstenlosen Gleichstrommotoren, die in Großserie hergestellt werden, kann zur Drehzahlerfassung erforderlicher zusätzlicher Kostenaufwand nur schwer toleriert werden. Eine Beanspruchung von Bauraum durch zusätzlich vorzusehende Bauteile schränkt die Einsatzvielfalt von bürsten- und sensorlosen Gleichstrommotoren sowie die bisherigen Kostenvorteile gegenüber anderen Bauformen von Elektromotoren erheblich ein.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung läßt sich eine ohnehin an bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotoren vorhandene Kommutierungserkennung zur Ermittlung der Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors einsetzen. Damit kann auf extern am bürstenlosen Gleichstrommotor vorzusehende Drehwinkelgeber oder Tachogeneratoren verzichtet werden, so daß die Kompaktbauweise solcher Elektromotoren nicht durch Zusatzeinrichtungen zu deren Drehzahlerfassung beeinträchtigt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann zusätzlicher Elektronikaufwand am bürsten- und sensorlosen Gleichstormmotor vermieden werden, da auf ohnehin zum Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors vorhandene Funktionsblöcke zurückgegriffen werden kann. Dies spart Kosten ein und erlaubt den Verzicht auf für die Anordnung von Zusatzkomponenten vorzuhaltenden Bauraum am Gleichstrommotor. Die in einer Kommutierungserkennungsschaltung erzeugten Kommutierungsimpulse, die kontinuierlich in enger zeitlicher Abfolge nacheinander erzeugt werden, können neben der Ist-Drehzahl- Ermittlung an einem bürstenlosen Gleichstrommotor auch zur Drehzahlbegrenzung herangezogen werden. Mittels einer Überlastbegrenzung bei Überschreiten einer zulässigen Höchstdrehzahl beispielsweise, oder einer Mindestdrehzahl abhängig vom anliegenden Lastmoment, kann in Weiterentwicklung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens das Leistungsteil des bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotors gesperrt werden.

Neben der Überlastbegrenzung kann über die Auswertung von Flanken von zeitlich aufeinanderfolgender Kommutierungsimpulsen die Drehzahlregelung in Abstimmung auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl erfolgen, ohne daß hierfür zusätzlicher Hardwareaufwand an bürstemlosen Gleichstrommotor vorzuhalten wäre.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.

Die einzige Figur zeigt die Komponenten der Kommutierungserkennungslogik sowie der Phasenselektion am einem Gleichstrommotor mit einem sechs Einzelstränge umfassenden Phasenstrang.

Ausführungsvarianten

Aus der Darstellung gemäß Fig. 1 geht eine in ihrer Einzelkomponente aufgezeigte Kommutierungsanordnung für eine elektrische Maschine 1 hervor, die beispielsweise als bürstenloser, sensorloser Gleichstrommotor ausgeführt sein kann.

Der sensorlose, bürstenlose Gleichstrommotor 1 in Kompaktbauweise umfaßt einen Phasenstrang 2, der in der Konfiguration gemäß Fig. 1 in sechs Einzelphasenstränge unterteilbar ist, was durch den die Leitungen kreuzenden, geneigt zu den Leitungsverläufen angebrachten Querstrich dargestellt ist. An einer ersten Verzweigung im sechsfachen Phasenstrang verzweigt sich dieser zu einem Leistungsteil 3 sowie über eine Verzweigung 5 zu einem der elektrischen Maschine 1 nachgeordneten Phasenselektor.

Der Phasenselektor 6, enthält sechs Eingänge, hier gekennzeichnet durch die Einzelphaseneingänge 9, an denen die sechs Einzelphasenstränge des Phasenstranges 2 separat anliegen. Innerhalb des Phasenselektors 6 ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, mit der die jeweils zu selektierende Phase ansteuerbar ist. Am Phasenselektor 6 ist ein Freigabeport 8 vorgesehen, welcher die Weiterschaltung zwischen den Einzelphaseneingängen 9 entsprechend der Selektion der zu kommutierenden Einzelphasenstränge vornimmt. Über den Phasenselektor 6 ist sichergestellt, daß jeweils nur eine Einzelphase des sechsfachen Phasenstranges 2 mit der Kommutierungserkennung 10, die dem Phasenselektor 6 nachgeordnet ist, verbunden ist.

Dem Phasenselektor 6 ist die Kommutierungserkennung 10 nachgeordnet, wobei sichergestellt ist, daß jeweils zu einer Zeit nur ein Einzelphasenstrang mit der Kommutierungserkennung 10 verbunden ist. Die Kommutierungserkennung 10 umfaßt eingangsseitig einen Eingang 12, an dem das Ist-Drehzahl-Signal 16 anliegt. Abhängig vom anliegenden Ist-Drehzahl-Signal 16 wird eine Referenzspannung innerhalb der Kommutierunslogik 10 erzeugt. Ausgangsseitig liefert die Kommutierungserkennung 10 in Blockform vorliegende Kommutierungsimpulse 11, die jeweils eine ansteigende Flanke, ein parallel verlaufendes Plateau sowie eine abfallende Flanke umfassen. Die von der Kommutierungserkennung 10 erzeugten Kommutierungsimpulse 11 werden parallel an den Eingang eines Phasendiskriminators 24 angelegt und liegen gleichzeitig am Eingang 14 eines Zeitschalters 13 an.

Der Zeitschalter (auch als Capture-Timer bezeichnet) ist einer Ist-Drehzahl-Erkennung 15 vorgelagert. In der Ist-Drehzahl-Erkennung wird die Ermittlung der tatsächlichen Ist- Drehzahl der elektrischen Maschine aus dem Ausmessen der Flanken des bereits vorhandenen Kommutierungsimpulses 11 mittels des Capture-Timers 13, so daß bei Mikrocontroller gesteuerten Antrieben auf einfachste Art und Weise die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungsimpulsen 11 bestimmt werden kann. Die Anzahl der Kommutierungsimpulse 11, welche zu einer vollen mechanischen Umdrehung führen, hängt dabei von der Strang- und Polpaarzahl der elektrischen Maschine ab. Im vorliegenden Fall eines bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotors ist für die reine Motorfunktionalität (mit Drehzahlsteuerung 17) keine Ist-Drehzahl- Rückmeldung erforderlich. Die mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung gegebene Möglichkeit auf einfachste Weise die Ist-Drehzahl eines bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotors zu erfassen, geht mit dem enormen Vorteil einher, daß auf bereits zur Funktion des bürstenlosen Gleichstrommotors 1 notwendige Funktionsblöcke zurückgegriffen werden kann und daher kein zusätzlicher Hardwarekomponentenaufwand zu betreiben ist. Dies tangiert einerseits die kompakte Bauform von bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotoren nicht, andererseits lassen sich an den bereits vorhandenen Funktionsblöcken weitere Zusatzfunktionen implementieren.

Daß am Ausgang 20 der Ist-Drehzahl-Erkennung 15 anliegende Ist-Drehzahl-Signal 16 wird parallel als Eingangssignal sowohl der Kommutierungserkennung 10, als auch einer als Zusatzfunktion zu implementierenden Überlastregelung 18, sowie ebenfalls einer eine Zusatzfunktion darstellenden Drehzahlregelung 17 aufgeschaltet. Neben dem tatsächlichen Ist-Drehzahl-Signal 16, welches eingangsseitig am Drehzahlregelungsbaustein 17 anliegt, ist dieser ebenfalls eingangsseitig mit einem Soll-Drehzahl-Signal 21 beaufschlagt, welches parallel zur Drehzahlregelung 17 auch der Überlasterkennung 18 aufgegeben werden kann. Die Überlastregelung 18 sowie die Drehzahlregelung 17 lassen sich parallel sowohl durch das Soll-Drehzahl-Signal 22, als auch durch das Ist-Drehzahl-Signal 16 n_Isc beaufschlagen.

Über ein Freigabesignal 23, welches ausgangsseitig am Überlastbaustein 18 anliegt und mit dem Freigabeport 4 des Leistungsteiles 3 der elektrischen Maschine 1 verbunden ist, kann abhängig vom Vergleich der Soll-Drehzahl-Signale 22 und dem Ist-Drehzahl-Signal 16, bzw. abhängig von deren Differenz die Freigabe oder Sperrung des Leistungsteiles 3 erfolgen.

Neben der Beaufschlagung des Eingangs 14 des Zeitschalters 13 durch Kommutierungssignal bzw. durch schneller Folge aufeinanderfolgende Kommutierungssignale 11, liegt das Kommutierungssignal 11 auch am Eingang 25 des Phasendiskriminators 24 an. Im Phasendiskriminator 24 wird der sechs Einzelstränge führende Phasenstrang 2 in seine Einzelphasen 24.1, 24.2, 24.3, 24.4, 24.5 sowie 24.6 unterteilt. Aus der Darstellung gemäß Fig. 1 geht hervor, daß die Einzelphasen 24.1- 24.6 zueinander um exakt einen Kommutierungsimpuls 11 verschoben sind. Ausgangsseitig steht der Phasendiskriminator 24 mit dem Eingang einer Kommutierungslogik 26 in Verbindung, die wiederum ausgangsseitig mit dem Eingang des Leistungsteiles 3 für die elektrische Maschine 1 verbunden ist. Die Kommutierungslogik 26 enthält in analoger Weise zum vorgeschalteten Phasendiskriminator 24 sechs Einzelphasenverläufe 26.1, 26.2, 26,3, 26.4, 26.5 sowie 26.6. Die Kommutierungslogik 24 steuert das Leistungsteil 3 entsprechend der Vorgabe durch den Phasendiskriminator 24 und den dort niedergelegten Einzelkommutierungszeitpunkten derart an, daß durch die digitalen Impulse die Phasenkommutierung in ein Drehfeld an der elektrischen Maschine 1 resultiert, welches in die gewünschte Drehrichtung weist. Dabei ist sichergestellt, daß dieser Vorgang kontinuierlich erfolgt, so daß eine kontinuierliche Erzeugung eines Drehfeldes am bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotor 1 gewährleistet ist.

Durch die parallele Beaufschlagung durch das Kommutierungssignal 11, welches ausgangsseitig an der Kommutierungserkennung 10 anliegt, sind sowohl der Phasendiskriminator 24 mit den Kommutierungszeitpunkten der Einzelphasen 24.1-24.6, als auch die Ist-Drehzahl-Erkennung 15 mit vorgeschaltetem Zeitschalter 13 mit den digitalen Ausgangssignalen der Kommutierungserkennung 10 beaufschlagt. Parallel zur Aufgabe der Kommutierungssignale 11 auf den Eingang 25 des Phasendiskriminators 24 und die damit festliegende Reihenfolge der Kommutierungszeitpunkte der Einzelphasen 24.1-24.6 des sechsfachen Phasenstranges 2, wird das Kommutierungssignal 11 bzw. dessen absteigende bzw. aufsteigende Flanken zur Bestimmung der jeweils aktuellen Drehzahl 16 der elektrischen Maschine 1 ausgewertet, ohne daß die Phasenkommutierung in der Kommutierungslogik 26 negativ beeinflußt würde. Neben der parallel zu der Phasenkommutierung und der damit verbundenen Erzeugung des Drehfeldes an der elektrischen Maschine 1 erfolgenden Bestimmung der Ist-Drehzahl n_Ist (Bezugszeichen 16) können die zum Betrieb des bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotors 1 bereits vorhandenen Elemente die Leistungsteil 3 oder die Kommutierungserkennung 10 zur Ermittlung der tatsächlichen Ist-Drehzahl 16 der elektrischen Maschine 1 herangezogen werden. Neben der tatsächlichen Drehzahl-Erkennung der elektrischen Maschine 1 kann aus den Kommutierungsimpulsen 11 und des daraus gewonnenen Ausgangssignales 16 der Ist-Drehzahl-Erkennung 15 auf einfache Art und Weise eine Überlastsicherung 18, die das Leistungsteil 3 am Freigabeport 4 über das Freigabesignal 23 steuert, geschaffen werden. Ferner ist die leichte Implementierung einer Drehzahlregelung 17 möglich, welche die Ist- Drehzahl-Signale 16 bzw. das Soll-Drehzahl-Signal 21 berücksichtigt. Daneben kann über die bereits an der bürstenlosen Gleichstrommaschine 1 vorgesehenen Hardwarekomponenten auch eine Schwergängigkeitserkennung durchgeführt werden, wozu in einfacher Weise die Differenz zwischen der tatsächlich sich einstellenden Ist- Drehzahl der elektrischen Maschine n_Ist, die vorgegebene Soll-Drehzahl 22 verglichen werden. Wird die Differenz zwischen diesen beiden Größen zu groß, so liegt eine Schwergängigkeit der elektrischen Maschine 1 vor, welche zu einer zu starken Erwärmung der elektrischen Maschine führen kann, so daß eine Abschaltung derselben angezeigt sein kann.

Neben einer Schwergängigkeitserkennung einem bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotor kann über die Bestimmung der tatsächlichen Drehzahl n_Ist, Bezugszeichen 16 aus den Kommutierungsimpulsen 11 eine drehzahlabhängige Kommutierungsverschiebung abgeleitet werden. Diese spielt insbesondere bei bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotoren eine Rolle, die mit höheren und höchsten Drehzahlen betrieben werden. Zur Erzeugung höchster Drehzahlen an bürstenlosen, sensorlosen Gleichstrommotoren 1 ist eine Drehfelderzeugung in die gewünschte Drehrichtung erforderlich. Die Drehfelderzeugung erfolgt durch die Kommutierungslogik 26 durch Kommutierung der Einzelphasen 26.1-26.6 eines Mehrfachphasenstranges 2 einer elektrischen Maschine 1. Neben den in der Darstellung gemäß Fig. 1 lediglich als sechs Einzelphasen umfassenden Phasenstrang 2 der elektrischen Maschine 1, können im Phasenstrang 2 durchaus auch mehrere Einzelphasenstränge untergebracht sein, deren Kommutierung durch Kommutierungslogik 16 bei entsprechend erhöhtem Aufwand ebenfalls für die Erzeugung eines in der gewünschten Drehrichtung drehenden Drehfeldes an der Gleichstrommaschine 1 sorgt. Die Kommutierungslogik 26 ist bei höheren Drehzahlen so anzusteuern, daß eine Kommutierungsverschiebung in Abhängigkeit von der tatsächlichen Drehzahl n_Ist (Bezugszeichen 16) der elektrischen Maschine 1 erfolgen kann, so daß bei höheren Drehzahlen sich einstellende Magnetisierungs- bzw. Hystereseeffekte an einer Gleichstrommaschine Rechnung getragen werden kann und dies bei den Kommutierungszeitpunkten und den Kommutierungszeitspannen Berücksichtigung finden kann.

Bezugszeichenliste

1

elektrische Maschine

2

Phasenstrang sechsfach

3

Leistungsteil

4

Freigabeport

5

Verzweigung Phasenselektor

6

Phasenselektor

7

Phasenwähler

8

Freigabeport

9

Einzelphase

10

Kommutierungserkennung

11

Kommutierungsimpuls

12

Referenzspannung U_ref

= f(n_Ist

)

13

Zeitschalter

14

Eingang

15

Ist-Drehzahl-Erkennung

16

n_Ist

17

Drehzahlregelung

18

Überlastschaltung

19

Verzweigung Drehzahlregelung

20

Ist-Drehzahlausgang

21

Soll-Drehzahleingang

22

Soll.-Drehzahl

23

Freigabesignal Leistungsteil

24

Diagnoseflag zur Auslösung einer Schutzfunktion für Leistungsteile

24.1

Phase

1

24.2

Phase

2

24.3

Phase

3

24.4

Phase

4

24.5

Phase

5

24.6

Phase

6

25

Eingang

26

Kommutierungslogik

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Ist-Drehzahl 16 bei sensorlosen Gleichstrommotoren (1), die eine Kommutierungserkennung (10) aufweisen, mit der aus der induzierten Spannung einer unbestromten Phase (24) der korrekte Kommutierungszeitpunkt zur Erzeugung eines Drehfeldes in gewünschter Drehrichtung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausmessen der Flanken des Kommutierungsimpulses (12), über einen Zeitschalter (15) in einer Ist- Drehzahl-Erkennung (15) die Zeitdauer zwischen zwei Kommutierungsimpulsen (11) bestimmt wir d.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Kommutierungserkennung (10) erzeugten Kommutierungsimpulse (11) einem der Ist-Drehzahl-Erkennung (15) n = k/T vorgelagerten Zeitschalter (13) zugeführt werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ist-Drehzahl- Signal n_Ist (16) parallel der Kommutierungseinrichtung (10), einer Überlastschaltung (18) sowie einer Drehzahlregelung (17) zugeführt wird.

4. Verfahren gemäß der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ist- Drehzahl (16) sowie die Solldrehzahl (22) Eingangsgrößen der Überlastschaltung (18) sind, die ein Diagnoseflag (23) zur Auflösung einer Schutzfunktion für das Leistungsteil (3) der elektrischen Maschine (1) generiert.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungsimpulse (11) parallel der Ist-Drehzahl-Erkennung (15) mit vorgeschaltetem Zeitschalter (13) und einem Phasendiskriminator (24) zugeführt werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der elektrischen Maschine (1) und Kommutierungserkennung (10) ein Phasenselektor (6) vorgesehen ist, welche die zu kommutierende Einzelphase (24.1-24.6) des Phasenstranges (2) zur Kommutierung selektiert.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, mittels einer Kommutierungslogik (26) die Kommutierung der Einzelphasen (24.1-24.6) zur Erzeugung eines Drehfeldes kontinuierlich weitergeschaltet wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ist-Drehzahl- Signal (16) n_Ist der Kommutierungserkennung (10) eingangsseitig aufgeschaltet ist und dort eine Ist-Drehzahl abhängige Spannung U_ref erzeugt.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ist-Drehzahl- Signal (16) n_Ist zur Schwergängigkeitsdetekion an der elektrischen Maschine (1) ausgewertet wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ist-Drehzahl- Signal (16) n_Ist zur drehzahlabhängigen Kommutierungsverschiebung herangezogen wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Ist- Drehzahl-Erkennung (15) ermittelte Ist-Drehzahl zur Drehzahlregelung herangezogen wird.