DE102013201241A1

DE102013201241A1 - Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Position des Rotors bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE102013201241A1
Application number: DE201310201241
Authority: DE
Inventors: Ralf-Rainer Henke
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Rotors (1) bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, welche sensortechnisch ermittelt und durch eine elektronische Steuereinheit (2) zur zeitlich versetzten Ansteuerung von dem Rotor (1) zugeordneten und gehäuseseitig um diesen herum angeordneten elektrischen Spulen (3) signalverarbeitet wird, um ein Drehfeld zur Bewegung des Rotors (1) zu erzeugen, wobei das Positionssignal eines Hall-Sensors (4) mit dem Positionssignal eines Inkrementalgebers (5) zur Berechnung der Position des Rotors (1) durch die elektronische Steuereinheit (2) verknüpft wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Rotors bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, welche sensortechnisch ermittelt und durch eine elektronische Steuereinheit zur zeitlich versetzten Ansteuerung von dem Rotor zugeordneten und gehäuseseitig um diesen herum angeordneten elektrischen Spulen signalverarbeitet wird, um ein Drehfeld zur Bewegung des Rotors zu erzeugen. Die Erfindung betrifft ferner auch eine sensortechnische Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie auch einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer solchen Einrichtung.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor, der auch als BLDC-, BL-, oder EC-Motor bezeichnet wird, kann im Allgemeinen als eine Bauform des Gleichstrommotors verstanden werden, bei dem der sonst übliche mechanische Kommutator mit Bürsten zur Stromwendung durch eine elektronische Schaltung ersetzt ist. Vom mechanischen Aufbau des Motors sind bürstenlose Gleichstrommotoren identisch mit ungedämpften Synchronmotoren, weisen jedoch in Kombination mit der elektronischen Steuereinheit weitergehende Steuermöglichkeiten auf. Einsatzgebiete derartiger Motoren liegen im Bereich von kleinen Antrieben von Ventilatoren und dergleichen über Kompressoren und anderen Aggregaten in Kraftfahrzeugen bis hin zu Stelleinrichtungen in Form von Servomotoren oder Antriebssystemen für Werkzeugmaschinen.
Üblicherweise ist bei bürstenlosen Gleichstrommotoren der Rotor mit einem Permanentmagneten als sogenannter permanent-erregter Synchronmotor realisiert, kann aber auch ein sogenannter Reluktanzmotor sein. Der feststehende Stator umfasst dagegen die elektrischen Spulen, welche um den Stator herum angeordnet sind und von der elektronischen Steuereinheit zeitlich versetzt angesteuert werden, um ein Drehfeld für den Rotor entstehen zu lassen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht. Erfolgt die Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors unabhängig von der Position, Drehzahl und Momentenbelastung des Rotors, liegt im Prinzip nur ein herkömmlicher Synchronmotor vor. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren besteht als Wesentlicher Unterschied hierzu die Möglichkeit, die elektronische Kommutierung von der Rotorposition, der Rotordrehzahl und dem Drehmoment abhängig zu machen. Das stellt eine Form der direkten Rückkopplung dar, womit die Frequenz und bei insbesondere den hier interessierenden Systemen auch die Amplitude in Abhängigkeit von der Position und Drehzahl des Rotors verändert werden. Die elektronische Kommutierung wird damit zu einem Regler, und die Art der Erzeugung des Drehfeldes bestimmt damit wesentlich die Charakteristik des bürstenlosen Gleichstrommotors.
Im Unterschied zur Blockkommutierung kann durch besondere Ansteuerung der Spulen als Funktion des Rotorwinkels erreicht werden, dass sich das Magnetfeld kontinuierlich dreht. Dadurch werden mechanische Belastungen und Störgeräusche verringert, sowie die Verlustleistung reduziert. Für die deshalb entsprechend feinere Ansteuerung der Spulen ist eine genauere Messung der Rotorposition notwendig.
Zur Erfassung der Position des Rotors und der Drehzahl kommt vornehmlich eine sensorgesteuerte Kommutierung zum Einsatz. In diesem Fall befinden sich Sensoren – insbesondere Hall-Sensoren – zur Erfassung des magnetischen Flusses des Rotors im Bereich des Stators. Entsprechend dieser Stellungsinformation werden über geeignete Leistungstreiber von der Steuerelektronik die Wicklungen angesteuert, die im Rotor ein Drehmoment erzeugen. Diese sensorgesteuerte Kommutierung funktioniert auch bei sehr geringen Drehzahlen bzw. im Stand. Gewöhnlich werden bei dieser Kommutierung bei drei oder mehr Phasen nicht alle Phasen zugleich bestromt, sondern zumindest eine Phase ist zu jeden Zeitpunkt stromlos.
Stand der Technik
Aus der DE 101 36 482 A1 geht ein kommutierender Gleichstrommotor hervor, welcher als Permanentmagnetrotor oder Reluktanzmotor, einen mit einer Reglerwicklung bewickelten Stator, zumindest einen Hallsensor zur Erfassung der Rotorposition und eine Kommutierungselektronik umfasst. Der Hallsensor wird von den Magnetfeldern zumindest eines rotorfesten Permanentmagneten und einer statorfesten Spule beeinflusst. Der wirksame Bereich des Hallsensors ist außerhalb eines Streuflussbereichs der Spule angeordnet, wobei der Hallsensor mit der Kommutierungselektronik elektrisch verbunden ist. Hierdurch ist eine relativ einfache Umsetzung der Ansteuerung der Spulen in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors möglich.
Nachteilhaft bei der Verwendung von Hall-Sensoren zur Bestimmung der Position des Rotors erweist sich jedoch die Tatsache, dass nur recht geringe Auflösungen möglich sind, welche nur für Blockkommutierung ausreichend ist. Eine genauere Auflösung lässt sich durch die Verwendung von Resolvern erzielen, welche jedoch aufwendig und störanfällig sind, da es sich hier um Analogtechnik handelt. Bei Verwendung von Inkrementalgebern ohne Nullpunkt-Ausgang ist zwar eine Drehzahlbestimmung möglich, die Position des Rotors kann jedoch nicht absolut sondern nur relativ zur letzten Position ermittelt werden. Somit müsste die Lage des Sensors auf den Motor abgestimmt werden, und zwar mittels eines aufwendigen mechanischen Nullpunktabgleichs.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung mit einfachen technischen Mitteln eine absolute Position des Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors genau bestimmen zu können.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Hinsichtlich einer sensortechnischen Einrichtung wird die Aufgabe durch Anspruch 8 gelöst. Der Anspruch 9 gibt einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer derartigen Einrichtung an.
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnischer Lehre ein, dass zur Bestimmung der Position des Rotors bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, welche sensortechnisch ermittelt und durch eine elektronische Steuereinheit zu zeitlich versetzten Ansteuerung von dem Rotor zugeordneten und gehäuseseitig um diesen herum angeordneten elektrischen Spulensignal verarbeitet wird, um ein Drehfeld zur Bewegung des Rotors zu erzeugen, das Positionssignal eines Hall-Sensors mit dem Positionssignal eines Inkrementalgebers zur Berechnung der Position des Rotors durch die elektronische Steuereinheit verknüpft wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass sich die elektrische Position des Rotors durch einen geringen sensortechnischen Mehraufwand absolut und genau ermitteln lässt. Die elektrische Position wird verwendet zur elektrischen Kommutierung.
Vorzugsweise wird die Position des Rotors nach dem Kaltstart des Gleichstrommotors zunächst nur von dem Hall-Sensor ermittelt, ehe eine Verknüpfung mit dem Positionssignal eines Inkrementalgebers durchgeführt wird. Dies ist zunächst ausreichend, um den Rotor zu drehen.
Vorzugsweise wird bei Erreichen des nächsten Hall-Strichsegments des Hall-Strichsensors die Position des Rotors errechnet, und zwar aus der absoluten Position der letzten Hallsegment-Grenze und der Anzahl der durch den Inkrementalgeber ermittelten Inkrementalschritt seit Überschreitung dieser Grenze. Als Hallsegment-Grenze versteht man einen Winkel, bei dem sich der digitale Wert für einen der Hall-Geber des Hall-Sensors ändert. Bei beispielsweise bei 3 Hall-Gebern wäre das alle 60° elektrisch.
Nachfolgend kann bei Erreichen des nächsten Polpaares die Position des Rotors errechnet werden aus der absoluten Position der letzten Polpaar-Grenze und der Anzahl der durch den Inkrementalgeber ermittelten Inkrementalschritte seit Überschreitung dieser Grenze.
Nach einer vollen mechanischen Umdrehung des Rotors kann dann in den nächstfolgenden Modus geschaltet werden. Da nun alle Polpaare mit allen Hall-Segmenten durchschritten sind, erfolgt die Positionsermittlung jetzt immer unter Verwendung des Absolutwertes des Beginns des ersten Polpaares. Dies ist stets mechanisch das Gleiche, wodurch der Einfluss von Ungenauigkeiten oder Jitter der anderen Hall-Segmenten oder Polpaar-Grenzen ausgeschlossen ist.
Als weiter verbessernde Maßnahmen und Bestandteil der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Ermittlung oder Plausibilitätsprüfung (Anpassung) der Inkremental-Auflösung durchgeführt werden kann.
Dies bedeutet entweder, dass die die Inkrementalauflösung vordefiniert wird, oder, dass die Auflösung von der Signalverarbeitung erst ermittelt wird.
Gemäß der ersten Alternative weicht der gezählte Inkrementalwert bei einer Hallsegment- oder Polpaar-Grenze oder bei einer vollen mechanischen Umdrehung zu stark vom erwarteten Wert gemäß der Vordefinition ab, wird dies von der Plausibilitätsprüfung erkannt und die entsprechend geeignete Kompensationsmaßnahme eingeleitet. Hierdurch kann schneller eine genauere Position des Rotors ermittelt werden als der nachfolgenden zweiten Alternative.
Gemäß der zweiten Alternative ist die Inkrementalauflösung andererseits zunächst unbekannt, so wird der gezählte Inkrementalwert von einer Hallsegment- oder Polpaar-Grenze oder vollen mechanischen Umdrehung zur jeweils nächsten zunächst nur verwendet, um die Inkrementalauflösung zu ermitteln, abzuspeichern und gegebenenfalls nochmal zu prüfen, im Sinne von sukkzessiv annähernd gleichen Werten. Ist die Inkrementalauflösung dann sicher bekannt, wird damit wie oben beschrieben die Position des Rotors berechnet. Dieses Verfahren hat gegenüber der ersten Alternative den Vorteil, dass die Inkrementalauflösung nicht bekannt oder definiert sein muss. Damit ist es möglich, verschiedene Inkrementalsensoren zu verwenden, ohne die Notwendigkeit, die des Steueralgorithmus anzupassen.
Außerdem ist eine Nachfilterung der Position des Rotors möglich. Dies bedeutet mit anderen Worten: Wenn die gezählten Inkrementalwerte von einer Grenze zur jeweils nächsten für eine mechanische Umdrehung abgespeichert werden, lässt sich ein Muster für den Jitter dieser Grenzen ermitteln. Dieses wiederum kann verwendet werden, um die Positionsberechnung für die Berechnung pro Hallsegment bzw. pro Polpaar zu verbessern.
Bei der Positionsberechnung für die Berechnung pro mechanischer Umdrehung des Rotors gibt es keine systematischen Fehler, die auf mechanische Ungleichmäßigkeiten zurückzuführen sind, da sich alle Inkermentalwerte hier auf ein und dieselbe Hallsegment-Grenze beziehen. Es können aber Fehler aufgrund von Störungen oder mechanischem Spiel auftreten, daran erkennbar, dass die gezählten Inkrementalwerte pro mechanischer Umdrehung nicht exakt gleich sind. Durch geeignete Filterung, beispielsweise Tiefpassfilterung, lässt sich die Genauigkeit der Positionsberechnung verbessern.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer sensortechnischen Einrichtung zur Bestimmung der Position des Rotors bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor,
2 eine schematische Darstellung der Erfassungsbereiche eines Hall-Sensors in Kombination mit einem Inkremental-Sensor zur Bestimmung der Position des Rotors,
3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung von den einzelnen Verfahrensschritten zur Bestimmung der Position des Rotors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Gemäß 1 weist ein – hier nicht weiter dargestellter – bürstenloser Gleichstrommotor zur Bestimmung der Position eines Rotors 1 eine elektronische Steuereinheit 2 auf, welche der zeitlich versetzten Ansteuerung von dem Rotor 1 zugeordneten und um diesen herum angeordneten elektrischen Spulen 3 dient. Die Spulen 3 sind zur Erzeugung eines magnetischen Drehfelds zur Bewegung des Rotors 1 vorgesehen.
Die aktuelle Position des Rotors 1 wird erfindungsgemäß zum einen mit einem Hall-Sensor 4 und zum anderen mit einem Inkrementalgeber 5 ermittelt. Beide Positionssignale werden durch die elektronische Steuereinheit 2 zur Bestimmung der Position des Rotors 1 signalverarbeitungstechnisch verknüpft. Dabei sorgt ein Zeitgeber 6 für die Zeitbasis, um unter Umständen sofort die Drehzahl zu berechnen. Zur genauen Positionsbestimmung ist zwar kein Zeitgeber erforderlich. Gegebenenfalls sollte und kann aus der Position gleich die Drehzahl ermittelt werden. Hierfür ist eine Zeitbasis notwendig.
Die elektronische Steuereinheit 2 gibt als Information für die Position des Rotors 1 den elektrischen Winkel des Rotors 1 aus und dessen Drehzahl.
Damit sich der Motor nur aufgrund der Hall-Signale drehen kann, ist es erforderlich, mit den Hall-Sensoren genauer als bis zum Polpaar aufzulösen. Üblicherweise werden bei 3-Phasen-Motoren drei jeweils elektrisch um 120° versetzte Hall-Sensoren verwendet. Damit lässt sich die Position um 60° elektrisch genau ermitteln, sowie die Drehrichtung bestimmen.
Die 2 veranschaulicht die verschiedenen über den Umfang des Rotors verteilten Spulenbereiche des Motors und Erfassungsbereiche der Sensoren. In diesem Fall sind gemäß innerer Ring zwei Motor-Polpaare 8 vorhanden. Der mittlere Ring symbolisiert die Hall-Segmente 6 des Hall-Sensors. Üblicherweise hat ein Motor drei Phasen; normale bürstenlose Gleichstrommotoren werden mit je einem Hall-Geber pro Phase aufgebaut, also hier drei Hall-Geber. Diese sind elektrisch um je 120° versetzt, das ergibt eine Auflösung von 60°. Die mechanische Auflösung ist damit bei zwei Polpaaren hier 30°. Ein äußerer Inkremental-Sensorring 7 weist bei diesem Ausführungsbeispiel insgesamt 60 Inkrements auf und damit eine weit höhere Auflösung gegenüber den Hall-Segmenten 6.
Hinsichtlich der Darstellung der Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte nach 3 wird die Position des Rotors nach dem Kaltstart des Gleichstrommotors zunächst allein von dem Hall-Sensor ermittelt gemäß Schritt I. Nachfolgend wird nach Schritt II eine Verknüpfung mit dem Positionssignal des Inkrementalgebers durchgeführt, indem bei Erreichen des nächsten Hall-Segments des Hall-Sensors die Position des Rotors errechnet wird. Die Berechnung erfolgt unter Zugrundelegung der absoluten Position der letzten Hallsegment- Grenze und der Anzahl der durch den Inkrementalgeber ermittelten Inkrementalschritte seit Überschreitung dieser Grenze. Bei Erreichen des nächsten die Position des Rotors kennzeichnenden Polpaares nach Schritt III, die vom Hall-Sensor ermittelt wird, wird die Position errechnet aus der absoluten Position der letzten Polpaar-Grenze und der Anzahl der durch den Inkrementalgeber ermittelten Inkrementalschritte seit Überschreitung dieser Grenze. Nach einer vollen Umdrehung des Rotors und Durchschreiten aller Polpaare mit allen Hall-Segmenten wird nach Schritt IV die weitere Position des Rotors unter Verwendung des Absolutwerts des Beginns des ersten Polpaares durchgeführt.
Von jedem der vorstehend in den Schritten II. bis IV. beschriebenen Zuständen aus ist ein Übergang in den Zustand gemäß Schritt I. möglich. Dies erfolgt immer dann, wenn ein Plausibilitätscheck einen Fehler erkannt hat, beispielsweise einen Ausfall des Inkrementalgebers.
Eine Anpassung der vom Inkrementalsensor erzeugten Inkrementalauflösung kann nach der vollen Umdrehung des Rotors durchgeführt werden. Ebenfalls ist es möglich, eine Nachfilterung der berechneten Position des Rotors durchzuführen.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: elektronische Steuereinheit
3: elektrische Spulen
4: Hall-Sensor
5: Inkrementalgeber
6: Hall-Segmente
7: Inkremental-Sensorring
8: Motor-Polpaare
α: Drehwinkel
n: Drehzahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10136482 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Position des Rotors (1) bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, welche sensortechnisch ermittelt und durch eine elektronische Steuereinheit (2) zur zeitlich versetzten Ansteuerung von dem Rotor (1) zugeordneten und gehäuseseitig um diesen herum angeordneten elektrischen Spulen (3) signalverarbeitet wird, um ein Drehfeld zur Bewegung des Rotors (1) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionssignal eines Hall-Sensors (4) mit dem Positionssignal eines Inkrementalgebers (5) zur Berechnung der Position des Rotors (1) durch die elektronische Steuereinheit (2) verknüpft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Rotors (1) nach dem Start des Gleichstrommotors zunächst von dem Hall-Sensor (4) ermittelt wird, ehe eine Verknüpfung mit dem Positionssignal eines Inkrementalgebers (5) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des nächsten Hall-Segments des Hall-Sensors (4) die Position des Rotors (1) errechnet wird aus der absoluten Position der letzten Hallsegment-Grenze und der Anzahl der durch den Inkrementalgeber (5) ermittelten Inkrementalschritte seit Überschreitung dieser Grenze.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen des nächsten Polpaares die Position des Rotors (1) errechnet wird aus der absoluten Position der letzten Polpaar-Grenze und der Anzahl der durch den Inkrementalgeber (5) ermittelten Inkrementalschritte seit Überschreitung dieser Grenze.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vollen Umdrehung des Rotors (1) und Durchschreiten aller Polpaare mit allen Hall-Segmenten die weitere Berechnung der Position des Rotors (1) unter Verwendung des Absolutwerts des Beginns des ersten Polpaares erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung oder Anpassung der vom Inkrementalgeber (5) erzeugten Inkrementalauflösung nach einer vollen Umdrehung des Rotors (1) oder bei einer vollen Durchfahrung eines Hallsegmentes oder Polpaares durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elektronische Steuereinheit (2) eine Nachfilterung der berechneten Position des Rotors (1) durchgeführt wird.
Sensortechnische Einrichtung zur Bestimmung der Position des Rotors (1) bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, welche eine elektronische Steuereinheit (2) zur zeitlich versetzten Ansteuerung von dem Rotor (1) zugeordneten und gehäuseseitig um diesen herum angeordneten elektrischen Spulen (3) signalverarbeitet, um ein Drehfeld zur Bewegung des Rotors (1) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (2) das Positionssignal eines Hall-Sensors (4) mit dem Positionssignal eines Inkrementalgebers () zur Berechnung der Position des Rotors (1) verknüpft.
Bürstenloser Gleichstrommotor mit einer sensortechnischen Einrichtung zur Bestimmung der Position des Rotors (1) nach Anspruch 8.