DE102018119729A1

DE102018119729A1 - Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und Elektromotor

Info

Publication number: DE102018119729A1
Application number: DE102018119729.2A
Authority: DE
Inventors: Fabian Armbruster; Jonas Kiefer; Martin Winker
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2020-02-20

Abstract

Ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors wird vorgeschlagen, welches umfasst: Berechnen theoretischer Kommutierungsschritte, einschließlich wenigstens eines ersten theoretischen Kommutierungsschritts und eines zweiten theoretischen Kommutierungsschritts, abhängig von einer gewünschten Beschleunigung des Elektromotors für eine Anlaufphase, und Wählen eines ersten Kommutierungsschritts, der kürzer ist als der berechnete erste theoretische Kommutierungsschritt, zur Ansteuerung des Elektromotors in der Anlaufphase.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und einen Elektromotor, insbesondere für einen Stellantrieb. Stellantriebe werden in unterschiedlichen Anwendungen, wie in Klappenstellern eines Kraftfahrzeugs oder in industriellen oder gebäudetechnischen Automatisierungssystemen verwendet.
Eine Anwendung eines Stellantriebes ist beispielsweise ein Rollo, das parallel zu einer zu verschließenden Öffnung verfahren werden kann, ein Lüftermotor oder ein Klappensteller in Automobilanwendungen, beispielsweise in einer Klimaanlage. Eine andere Anwendung betrifft einen Klappensteller in einem Kraftfahrzeug, der zum Verschließen eines Stellgliedes in Form einer Tankklappe oder einer Ladeklappe zum Laden einer Batterie eines Elektro-Fahrzeugs ausgebildet sein kann. Solche Klappen sind beispielsweise um eine Drehachse verschwenkbar ausgebildet.
Eine weitere Anwendung in der Automobiltechnik besteht zum Beispiel in dem Verschluss einer Öffnung zum Ansaugen von Außenluft durch eine mit Lamellen aufgebaute Lüftungsklappe, wobei die Lamellen ansteuerbar sind, um die Lüftungsklappe zwischen einem vollständig geschlossenen und einem vollständig geöffneten Zustand zu verstellen. Dadurch kann zum Beispiel die Motorraumtemperatur nach Bedarf beeinflusst werden. Dies ist auch von Bedeutung für Anwendungen in Elektrofahrzeugen, in denen die Temperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit, das Laden und Entladen der Batterien hat. Um zu verhindern, dass sich Lüftungsklappen aufgrund von äußeren Kräften, zum Beispiel Fahrtwind, verstellen, kann der Stellantrieb mit einem Getriebe mit hohem Untersetzungsverhältnis oder mit einem selbsthemmenden Getriebe ausgerüstet sein und/oder der Elektromotor kann im Stillstand mit einem Haltestroms beaufschlagt werden. Die Erfindung ist auf die genannten Anwendungen nicht beschränkt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und einen Elektromotor, insbesondere für einen Stellantrieb, anzugeben, der aus dem Stillstand möglichst effizient anläuft.
Diese Aufgabe wirklichen Verfahren nach Anspruch 1 und durch ein Elektromotor nach Anspruch 16 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors, umfasst: Berechnen theoretischer Kommutierungsschritte, einschließlich wenigstens eines ersten theoretischen Kommutierungsschritts und eines zweiten theoretischen Kommutierungsschritts, abhängig von einer gewünschten Beschleunigung des Elektromotors für eine Anlaufphase, und
Wählen eines ersten Kommutierungsschritts, der kürzer ist als der berechnete erste theoretische Kommutierungsschritt, zur Ansteuerung des Elektromotors in der Anlaufphase.
Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Rotor im Stillstand des Elektromotors vorausgerichtet ist und/oder die Rotorlage bekannt ist. Dann kann der erste Kommutierungsschritt in Abhängigkeit von der Rotorlage im Vergleich zu einem theoretischen Kommutierungsschritt verkürzt werden.
Vorzugsweise ist das Verfahren derart ausgebildet, dass die zeitliche Länge des ersten Kommutierungsschritts, der in der Anlaufphase gewählt wird, 50% oder etwa 50 % der zeitlichen Länge des ersten theoretischen Kommutierungsschritts beträgt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn ein zweiter Kommutierungsschritt, der in der Anlaufphase gewählt wird, gleich oder ungefähr gleich dem zweiten theoretischen Kommutierungsschritt ist. Der erste Kommutierungsschritt kann derart gewählt werden, dass der Rotor des Elektromotors derart relativ zu dem elektromagnetischen Statorfeld gedreht wird, dass ein zweiter theoretischer Kommutierungszeitpunkt im Betrieb ermittelt oder vorherbestimmt werden kann, so dass ein effizienter und schneller Anlauf möglich ist.
In manchen Ausgestaltungen ist es dabei vorgesehen, dass der erste Kommutierungsschritt und ein zweiter Kommutierungsschritt, die in der Anlaufphase gewählt werden, jeweils kürzer sind als die entsprechenden berechneten theoretischen Kommutierungsschritte.
Insbesondere kann es in dem Verfahren vorgesehen sein, dass die Anlaufphase eine synchrone Anlaufphase ist.
Während des Betriebs kann ein Phasenstrom in Phasenwicklungen des Elektromotors erzeugt und, aufgrund der Drehbewegung des Rotormagneten, eine Spannung in den Phasenwicklungen induziert werden, die sogenannte gegenelektromotorische Kraft (BEMF, oder Back-EMF) . Das Verfahren kann daher weiter umfassen:

Erfassen einer Kennlinie basierend auf der induzierten Spannung und/oder dem Phasenstrom und Ermitteln von Nulldurchgängen der Kennlinie,
abhängig von den ermittelten Nulldurchgängen der Kennlinie, Bestimmen eines nächsten Kommutierungszeitpunktes, der auf einen der ermittelten Nulldurchgänge folgt.

Ferner kann der nächste Kommutierungszeitpunkt aus einem Zeitintervall ΔtZC zwischen einem ersten und einem zweiten Nulldurchgang bestimmt werden. Insbesondere kann der nächste Kommutierungszeitpunkt dabei um eine Zeitspanne A' nach dem zweiten Nulldurchgang auftreten, mit A' = ΔtZC/n und mit 1,25 ≤ n ≤ 50.
Der Elektromotor kann in manchen Ausgestaltungen des Verfahrens ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor sein, wobei in dem ersten Kommutierungsschritt zwei von drei Phasenwicklungen des Elektromotors bis zu einem Vorkommutierung-Zeitpunkt bestromt werden, der vor dem berechneten Ende des theoretischen Kommutierungsschritts liegt. In anderen Ausgestaltungen kann das Verfahren einen Schrittmotor, beispielsweise einen zweiphasigen Schrittmotor betreffen. Hier können dann eine oder beider der Phasenwicklungen zum Ausrichten und/oder Halten des Rotors bestromt werden. Der Schrittmotor kann dann im ersten Kommutierungsschritt ebenso bis zu einem Vorkommutierung-Zeitpunkt erfolgen.
Vorzugsweise liegt die die Vorkommutierung 15° bis 30° elektrisch oder 3° bis 15° elektrisch vor dem nächsten theoretischen Kommutierungszeitpunkt.
Besonders bevorzugt wird für wenigstens zwei auf den ersten Kommutierungsschritt folgende Kommutierungsschritte der jeweilige den Kommutierungsschritt beendende Kommutierungszeitpunkt auf Basis der Nulldurchgänge der Kennlinie bestimmt. Insbesondere können dabei die beiden auf den ersten Kommutierungsschritt folgenden Kommutierungsschritte eine kleinere Vorkommutierung als der erste Kommutierungsschritt aufweisen und/oder die Kommutierungsschritte sukzessive den theoretischen Kommutierungsschritten angenähert werden. Insbesondere können die theoretischen Kommutierungsschritte ideale Kommutierungsschritte sein.
Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die idealen Kommutierungsschritte ausgehend von der erfassten Kennlinie berechnet werden, und die Kommutierungsschritte zum Ansteuern des Elektromotors in Abhängigkeit von diesen so bestimmten idealen Kommutierungsschritten bestimmt werden. Die Bestimmung kann dabei zusätzlich auch in Abhängigkeit der theoretischen Kommutierungsschritte und/oder wenigstens eines vorangegangen Kommutierungszeitpunktes erfolgen. Ausgehend von den so bestimmten idealen Kommutierungsschritten kann analog zu oben eine Vorkommutierung bestimmt werden. Die Vorkommutierung kann wiederum insbesondere für wenigstens die beiden auf den ersten Kommutierungsschritt folgenden Kommutierungsschritte bestimmt werden und der Elektromotor entsprechend kommutiert werden. Ebenso kann die auf diese Weise bestimmte Vorkommutierung sukzessive dem so bestimmten idealen Kommutierungszeitpunkt angenähert werden.
In manchen Ausgestaltungen des Verfahrens wird die Vorkommutierung derart bestimmt, dass jeweils ein Nulldurchgang der Kennlinie in der Mitte oder ungefähr in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungszeitpunkten liegt.
In manchen Weiterbildungen des Verfahrens wird die kleinere Vorkommutierung so gewählt, dass diese jeweils etwa 30 bis 15° elektrisch vor dem theoretischen Kommutierungszeitpunkt liegt.
Somit können die theoretischen Kommutierungszeitpunkte im Anlauf mittels optimierter nächster Kommutierungsschritte dynamisch angepasst werden. Die Kommutierungszeitpunkte können dabei zeitlich weiter nach vorne oder weiter nach hinten verschoben werden. Insbesondere können dadurch die Kommutierungszeitpunkte einer synchronen Anlaufphase dynamisch angepasst werden, wodurch ein Wechsel in eine sensorlose geregelte Betriebsphase schneller möglich ist. Die optimierten nächsten Kommutierungszeitpunkte können insbesondere in Abhängigkeit von der erfassten Kennlinie, und/oder der theoretischen Kommutierungszeiten, und/oder idealer Kommutierungszeiten, und/oder wenigstens eines vorausgegangenen Kommutierungszeitpunktes, erfolgen. Dabei kann im Vergleich zu idealen Kommutierungszeiten, eine Vorkommutierung berücksichtigt werden.
Das Verfahren kann insbesondere einen Elektromotor betreffen, der mit einer Blockkommutierung betrieben wird, wobei Phasenwicklungen mit einer konstanten Spannung versorgt werden, die von einer Pulsweitenmodulation überlagert sein kann.
In bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens umfasst dieses das Anlegen eines Haltestroms an den Elektromotor vor der Ausführung des ersten Kommutierungsschrittes. Dadurch kann der Rotor gehalten und/oder ausgerichtet werden. Somit kann auch sichergestellt werden, dass die Rotorlage bekannt ist und somit eine geeignete Vorkommutierung für den ersten Kommutierungsschritt gewählt werden kann. Die Vorkommutierung des ersten Kommutierungsschrittes kann vorherbestimmt sein, beispielsweise wenn die Rotorlage durch den Haltestrom eindeutig festgelegt wird. In anderen Fällen kann es vorgesehen sein, dass die Vorkommutierung im Betrieb bestimmt wird. Dies kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn der Rotor durch den Haltestrom in unterschiedliche Lagen gedreht werden kann.
In manchen Ausgestaltungen betrifft das Verfahren das Ansteuern eines als dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotors, wobei der Haltestrom derart angelegt wird, dass exakt zwei Phasenwicklungen des dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors bestromt werden.
Ferner betrifft die Erfindung einen Elektromotor umfassend Phasenwicklungen und eine Steuerschaltung, wobei die Steuerschaltung dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Solch ein Elektromotor, beziehungsweise solch eine Steuerschaltung, kann insbesondere einen Komparator und/oder einen Analog-Digital-Wandlers zur Erkennung von Nulldurchgängen einer Kennlinie, welche auf einer induzierten Spannung und/oder einem Phasenstrom des Elektromotors basiert, umfassen. Dem Komparator kann beispielsweise ein e Kennlinie, insbesondere eine Spannungsdifferenz, als Eingangssignal zugeführt werden, wobei der Komparator die Nulldurchgänge der Kennlinie erkennt.
Schließlich betrifft die Erfindung einen Stellantrieb mit einem Elektromotor, der dazu ausgebildet ist ein oben beschriebenes Verfahren auszuführen, wobei der Stellantrieb ein Untersetzungsgetriebe zwischen dem Elektromotor und einem Stellglied umfasst.
Figurenliste
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektromotors und einer zugehörigen Steuerschaltung gemäß einem Beispiel;
2A bis 2D zeigen schematische Darstellungen der Rotorposition in einem dreiphasigen Elektromotor bei 60° Blockkommutierung, gemäß einem Beispiel zur Erläuterung des Hintergrunds der Erfindung;
3A zeigt schematisch einen möglichen Steuersignalverlauf zur synchronen Anlauf-Kommutierung eines Elektromotors, gemäß einem Vergleichsbeispiel;
3B zeigt schematisch einen möglichen Verlauf des Motorstroms bei der synchronen Anlauf-Kommutierung des Vergleichsbeispiels der 3A;
3C zeigt schematisch einen möglichen Verlauf der induzierten Spannung bei der synchronen Anlauf-Kommutierung des Vergleichsbeispiels der 3A;
4A zeigt schematisch einen möglichen Steuersignalverlauf zur synchronen Anlauf-Kommutierung eines Elektromotors, gemäß einem Beispiel;
4B zeigt schematisch einen möglichen Verlauf des Motorstroms bei der synchronen Anlauf-Kommutierung des Beispiels der 4A;
4C zeigt schematisch einen möglichen Verlauf der induzierten Spannung bei der synchronen Anlauf-Kommutierung des Beispiels der 4A;
5A und 5B zeigen schematische Darstellungen von Komparatorsignalen zur Erkennung von Nulldurchgängen relativ zu Kommutierungszeitpunkten für die Anlauf-Kommutierungen der 3A bis 3C bzw. 4A bis 4C;
6 zeigt schematisch eine abgewandelte synchrone Anlauf-Kommutierung abhängig von erfassten Nulldurchgängen, gemäß einem weiteren Beispiel.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektromotors 10 mit einer Steuerschaltung 12 zur Ansteuerung des Elektromotors. In dem vorliegenden Beispiel ist der Elektromotor 10 als ein als dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet. In anderen Beispielen können Motoren mit anderer Phasenzahl, und anstelle von bürstenlosen Gleichstrommotoren auch Schrittmotoren, zum Einsatz kommen. Der Elektromotor weist grundsätzlich einen Stator und einen in dem Stator angeordneten Rotor auf. Eine Abtriebswelle des Elektromotors kann mit einem Getriebe gekoppelt sein, dessen Ausgang mit einem Stellglied verbunden ist.
In einem Beispiel ist der Elektromotor ein sensorloser bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor), der keine externen Lagesensoren, zum Beispiel Hallsensoren, zur Bestimmung der Motorposition verwendet. Die Steuerung der Kommutierung solcher Elektromotoren beruht in der Regel auf der Kenntnis der Lage des Rotors relativ zum Stator. Sind keine Lagesensoren vorhanden, kann im Betrieb die von dem Elektromotor durch die elektromotorische Kraft induzierte Spannung (BACK-EMF- oder BEMF-Spannung) ausgewertet werden.
Da im Stillstand des Motors keine BEMF-Spannung gemessen werden kann und somit keine Information über die Rotorposition vorliegt, kann für den Anlauf des Motors aus dem Stillstand ein synchroner Anlauf-Betrieb gewählt werden, indem erste Kommutierungsschritte ohne Positionsrückmeldung vorgegeben werden. Die ersten Kommutierungsschritte können, wie im Folgenden erläutert ist, aufgrund einer gewünschten Beschleunigung berechnet und fest eingestellt werden, um die Drehzahl des Elektromotors kontinuierlich zu erhöhen, bis eine minimale Drehzahl erreicht ist, bei der eine BEMF-Spannung erfasst werden kann. Wenn eine BEMF-Spannung ausreichend hoch ist, um hieraus die Rotorlage des Elektromotors sicher zu erkennen, kann auf einen sensorlosen Regelalgorithmus zur Ansteuerung des Elektromotors umgeschaltet werden.
Während des synchronen Anlauf-Betriebs kann beispielsweise eine synchrone Rampe so gewählt werden, dass aufeinanderfolgende Kommutierungsschritte jeweils verkürzt werden, um einen gewünschten Drehzahlanstieg zu erreichen. Je nach Motor, Algorithmus, Last und möglicherweise weiteren Anforderungen kann die Drehzahl linear, exponentiell oder schlichtweg so schnell wie möglich erhöht werden.
Die Steuerschaltung 12 des Elektromotors 10 ist dazu eingerichtet, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen. Die Steuerschaltung 12 umfasst in diesem Beispiel eine B6-Brückenschaltung mit sechs Halbleiterschalter B1 bis B6, die beispielsweise als MOSFET-Schalter ausgebildet sein können. Die Halbleiterschalter B1 bis B6 können durch Freilaufdioden überbrückt sein (nicht gezeigt). Die Halbleiterschalter B1 bis B6 werden durch eine Steuereinrichtung 14, zum Beispiel einen Mikrocontroller, angesteuert. Durch Schließen (leitend Schalten) und Öffnen (Sperren) jeweils eines oberen Brückenschalter B1, B3, B5 und eines unteren Brückenschalter B2, B4, B6 können Phasenwicklungen U, V, W des von der Steuerschaltung 12 angesteuerten Elektromotors 10 bestromt, beziehungsweise von der Stromquelle getrennt werden, so dass der Elektromotor entsprechend kommutiert werden kann. Die Stromquelle ist in 1 schematisch durch eine Batteriespannung VBAT und Erde GND illustriert. In dem Beispiel wird angenommen, dass der Elektromotor im Automobilbereich eingesetzt und durch eine Batterie gespeist wird.
Beispielsweise kann eine Sechs-Schritt-Blockkommutierung umgesetzt sein, in welcher jeweils zwei der drei Phasenwicklungen U, V, W bestromt sind und jeder Kommutierungsschritt, also die Zeitspanne zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten, einer Drehung des Rotors von 60° elektrisch entspricht. Die Halbleiterschalter B1 bis B6 können zusätzlich mit einer überlagerten Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert werden. Typischerweise wird für die PWM eine Frequenz im Bereich 1 bis 100 kHz, insbesondere im Bereich 10 bis 25 kHz gewählt. Über das Tastverhältnis der PWM kann das von dem Elektromotor 3 bewirkte Drehmoment und/oder eine Drehgeschwindigkeit des Rotors, beziehungsweise die Stellgeschwindigkeit eines damit gekoppelten Stellgliedes, eingestellt werden. Die Kommutierungsschritte können dann jeweils in einem Abstand von circa 60° elektrisch erfolgen. Der ideale Kommutierungszeitpunkt liegt dann jeweils 30° elektrisch entfernt in der Mitte zwischen zwei Nulldurchgängen der BEMF. In anderen Ausgestaltungen kann auch eine 12-Schritt-Kommutierung, in welcher abwechselnd jeweils zwei oder drei Phasen U, V, W des Elektromotors bestromt werden, vorgesehen sein.
Die B6-Brückenschaltung wird über einen Pufferkondensator C aus einer Spannungsquelle mit der Eingangsspannung VBAT versorgt. Ferner ist die B6-Brückenschaltung über einen Widerstand R mit Erde GND verbunden.
In der Figur ist auch eine beispielhafte Verschaltung eines Spannungskomparators 16 gezeigt, welcher drei Eingänge zum Verbinden mit jeweils einer Phasenwicklung, U, V, oder W, sowie einen Eingang zum Verbinden mit einem Fußpunkt der Brückenschaltung aufweist. Als Eingangssignal des Spannungskomparators 16 kann eine Kennlinie dienen, welche der induzierten Spannung und/oder dem Phasenstrom in den Phasenwicklung des Elektromotors entspricht. Ein Ausgang des Spannungskomparators 16 ist mit einem Eingang des Mikrocontrollers 14 der Steuerschaltung 12 verbunden. Anstelle eines Komparators können drei separate Spannungskomparatoren mit jeweils zwei Eingängen vorgesehen sein, wobei jeweils ein Eingang mit einer Phasenwicklung U, V oder W gekoppelt ist. Prinzipiell können die Phasenwicklungen U, V, W des dreiphasigen BLDC-Motors in einer Sternschaltung oder einer Dreiecksschaltung miteinander verschaltet sein. Der zweite Eingang der Spannungskomparatoren 16 kann somit, wie dargestellt, mit dem Fußpunkt oder mit einer zweiten Phasenwicklung oder mit einem Sternpunkt beziehungsweise einem virtuellen Sternpunkt der Phasenwicklungen gekoppelt sein.
Zusätzlich oder alternativ kann die Steuerschaltung einen Analog-Digital-Wandler zum Detektieren der induzierten Spannung oder eines Phasenstroms umfassen. In anderen Ausgestaltungen kann der Phasenstrom auch mittels einer in der Brückenschaltung realisierten Strom-Spiegelschaltung erfasst werden.
Grundsätzlich ist der Elektromotor zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Das Verfahren kann als Teil eines Computerprogramms, beispielsweise eines Betriebsprogramms/einer Firmware der Steuerschaltung ausgeführt werden. Insbesondere kann solch ein Programm in einem nicht-flüchtigen Speicher eines Mikrocontrollers der Steuerschaltung gespeichert und von dem Mikrocontroller aufgerufen werden. Zum Ansteuern des Elektromotors kann der Mikrocontroller über Steuerausgänge mit Halbleiterschaltern einer oder mehrerer Brückenschaltungen gekoppelt sein. Im Falle eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors kann beispielsweise die B6-Brückenschaltung vorgesehen sein. Wird das Verfahren hingegen zum Betreiben eines zweiphasigen Schrittmotors verwendet, können beispielsweise zwei Brückenschaltungen mit jeweils vier Halbleiterschaltern vorgesehen sein.
Der Elektromotor kann Teil eines Stellantriebs sein, insbesondere eines Klappenstellers. Stellantriebe, welche beispielsweise zum Verstellen einer Klappe, einer Jalousie, oder eines linear verstellbares Stellglied ausgebildet sind, sind in unterschiedlichen Anwendungen zu finden. Beispielsweise können derartige Stellantriebe zum Verstellen einer Klappe oder einer Jalousie an einem Kraftfahrzeug oder in einer Industrieanwendung oder in gebäudetechnischen Verstellsystemen verwendet werden. Typischerweise umfassen solche Stellantriebe Elektromotoren, welche ein Drehmoment im Bereich von 0,1 Nm bis 20 Nm bereitstellen können. Ein Klappensteller eines Kraftfahrzeugs kann beispielsweise ein Nenndrehmoment im Bereich von 0,4 Nm bis 4 Nm bereitstellen. Der Stellantrieb kann dabei auch Teilnehmer eines Feldbusses sein, beispielsweise Teil eines LIN-Busses (Local Interconnect Network). Es kann daher auch vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung Befehle oder Informationen des Bus-Systems empfangen und in der Ausführung des Verfahrens berücksichtigen kann.
Der Stellantrieb kann insbesondere auch ein Untersetzungsgetriebe umfassen. Ein derartiges Getriebe kann mehrere Getriebestufen umfassen und zum Beispiel eine Untersetzungsverhältnis zwischen dem Abtrieb des Elektromotors und dem Abtrieb des Stellantriebes im Bereich von 1:20 bis 1:2000, insbesondere im Bereich von 1:100 bis 1:1000, aufweisen. Der Elektromotor kann beispielsweise mit Drehzahlen Bereich von 500 min^-1 bis 20.000 min^-1 betrieben werden. Das Stellglied kann beispielsweise auf eine Drehzahl des Abtriebes des Stellantriebes im Bereich von 1 min^-1 bis 100 min^-1, insbesondere im Bereich von 2 min^-1 bis 30 min^-1, ausgelegt sein. Zum Erkennen der induzierten Spannungen kann beispielsweise eine Drehzahl des Elektromotors im Bereich von 200 min^-1 bis 800 min^-1 notwendig sein. Anderenfalls ist die Amplitude der induzierten Spannung zu gering, so dass diese, oder der entsprechende Phasenstrom, nicht sicher detektiert werden kann. Daher kann das Verfahren insbesondere bei Stellantrieben, deren Stellglied über ein Untersetzungsgetriebe von dem Elektromotor angetrieben wird, gut angewendet werden. In solchen Elektromotoren bewirkt eine vergleichsweise hohe Drehzahl des Elektromotors nur eine relativ geringe Drehzahl am Abtrieb. Somit kann schnell eine hohe Drehzahl des Rotormagneten erreicht werden, wodurch relativ schnell die zur Erfassung der induzierten Spannung und/oder des Phasenstroms notwendigen Drehzahlen erreicht sind.
2A bis 2D zeigen schematisch drei Spulen 22, 24, 26 entsprechend der drei Phasen U, V und W eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors zur Illustration des Drehverhaltens eines Rotors, der schematisch durch einen Permanentmagneten 20 dargestellt ist, abhängig von der Bestromung der Phasen U, V und W. Das Beispiel zeigt in vereinfachter Darstellung einen synchronen Anlaufbetrieb ausgehend von einer Situation, in der ein Haltestrom an dem Motor anliegt und der Rotor sich in einer Position befindet, die zu jeweils einem entsprechenden statischen Feld ausgerichtet ist. In einem synchronen Anlaufbetrieb können abhängig von einer gewünschten Beschleunigung des Motors feste Kommutierungszeitpunkte bzw. Kommutierungsschritte vorgegeben werden. Die Kommutierungsschritte werden so berechnet, dass sie der gewünschten Beschleunigung entsprechen. In einem vereinfachten Beispiel können die ersten Kommutierungsschritte zum Beispiel 8 ms, 6 ms, 5 ms und 4 ms entsprechen.
In 2A sind nur die Phasen V und W mit einem konstanten Haltestrom bestromt, und der Rotor 20 ist entsprechend zu den Spulen 24, 26 der Phasen V und W ausgerichtet. Die beiden Phasen V und W erzeugen ein statisches Feld, an dem sich der Rotor 20 ausrichtet, wobei die Phasen V und W zwei gleich starke Pole erzeugen. Die Rotorlage ist somit bekannt.
In 2B erfolgt ein erster Kommutierungsschritt, wobei der Strom auf die Phasen U und V umgeschaltet wird. Die sich hieraus ergebende Kommutierungsposition ist in 2B dargestellt. Da der Rotor 20 aufgrund des Haltestroms vorausgerichtet war, muss er bis zum Erreichen der neuen Kommutierungsposition nur um 30° elektrisch drehen, anstelle von 60° elektrisch, wie bei einer üblichen Sechs-Schritt-Kommutierung oder 60°-BlockKommutierung im stationären Betrieb. Der Rotor 20 nimmt also die neue Kommutierungsposition schon nach 50% der hierfür vorgesehenen Zeit ein.
In 2C erfolgt ein nächster Kommutierungsschritt, wobei der Strom auf die Phasen W und U umgeschaltet wird. Die sich hieraus ergebende Kommutierungsposition ist in 2C dargestellt. Da der Rotor 20 in diesem Fall nicht aus einer statischen Position heraus angesteuert wird, sondern bereits angelaufen ist, durchläuft er nun eine Drehung von 60° elektrisch von der vorhergehenden in die nächste Kommutierungsposition, wie bei einer üblichen Sechs-Schritt-Kommutierung oder 60°-Bloclε-Kommutierung im stationären Betrieb. Der Rotor 20 nimmt also die neue Kommutierungsposition innerhalb der hierfür vorgesehenen Zeit ein. Danach folgen weitere Kommutierungsschritte.
2D illustriert nochmals die Bewegung des Rotors 20:

a. von der Rotorposition bei Anliegen des Haltestroms in den Phasen U, V, der bis zum Zeitpunkt t1 gilt,
b. mit einem ersten Kommutierungsschritt zum Zeitpunkt t1, um den Rotor von der statischen Halteposition zur ersten Rotorposition aufgrund der ersten Kommutierung auf die Phasen V, W zu drehen,
c. einem zweiten Kommutierungsschritt zum Zeitpunkt t2 von der ersten Rotorposition zur zweiten Rotorposition aufgrund der zweiten Kommutierung auf die Phasen W, U und
d. mit einem dritten Kommutierungsschritt zum Zeitpunkt t3 von der zweiten Rotorposition zur dritten Rotorposition aufgrund der dritten Kommutierung auf die Phasen U, V, wobei der dritte Kommutierungsschritt zum Zeitpunkt t4 endet.

Während der Haltephase a., bis zum Zeitpunkt t1, ist die induzierte Spannung in den Motorphasen null. Der Rotor ist gemäß dem Stator Feld der Haltephase ausgerichtet und steht still. Aufgrund der Haltephase ist der Rotor zum Zeitpunkt t1 zu Beginn des ersten Kommutierungsschritts bereits zu 30° elektrisch ausgerichtet. Aufgrund der Ausrichtung des Rotors durch den Haltestrom, muss der erste Schritt daher nur 30° elektrisch durchlaufen, während der zweite und alle weiteren Schritte 60° elektrisch durchlaufen. Der erste Kommutierungsschritt übt aber bei einer Kommutierung gemäß dem Stand der Technik zum Zeitpunkt t1 ein Drehmoment auf den Rotor aus, welches den Rotor um 60° elektrisch weiter bewegt. Wird daher der erste Kommutierungsschritt so lang wie die nachfolgenden Kommutierungsschritte oder länger gewählt, kann dies zu einem starken Rotorschwingen führen, das sich auf die im Motor induzierten Phasenströme modulieren kann. Dies ist mit Bezug auf die 3A bis 3D weiter erläutert.
Die Erfinder haben festgestellt, dass dieses Rotorschwingen besonders ausgeprägt während der ersten Kommutierungsschritte im synchronen Anlauf auftreten kann. Aufgrund des Rotorschwingens, das abhängig sein kann von der Trägheit des Systems, der Last und der eingespeiste elektrischen Leistung, geht die Synchronität zwischen der Rotorposition und der Kommutierung verloren. Es ist nicht mehr zwingend (deterministisch), zu welcher Rotorposition nachfolgende Kommutierungen erfolgen. Das Rotorschwingen kann sogar dazu führen, dass der Motor sich bis zur Ausführung der nächsten Kommutierung in die falsche Richtung dreht und somit einen gewünschten Anlauf verhindert, weil der Rotor nicht mehr dem angelegten Drehfeld folgt.
Auch die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) kann unter diesem Verhalten leiden. Die Schwingungen des Rotors und die insgesamt nicht deterministische Kommutierung während des Anlaufs können die Phasenströme in dem Motor erhöhen. Hieraus ergibt sich ein erhöhter Stromverbrauch und eine schlechtere EMV bzw. höhere Kosten für die Auslegung der EMV-relevanten Komponenten.
Die 3A, 3B und 3C illustrieren ein solches Szenario der synchronen Anlauf-Kommutierung mit vorgegebenen Kommutierungsschritten abhängig von einer gewünschten Beschleunigung. 3A zeigt beispielhafte Kommutierungszeitpunkte; 3B illustriert schematisch einen möglichen Verlauf des Motorstroms; und 3C illustriert schematisch die in den Motorphasen angelegten und induzierten Spannungen.
Ein erster Kommutierungszeitpunkt K1 tritt zum Zeitpunkt t1 auf, ein zweiter Kommutierungszeitpunkt K2 zum Zeitpunkt t2, ein dritter Kommutierungszeitpunkt K3 zum Zeitpunkt t3, ein vierter Kommutierungszeitpunkt K4 zum Zeitpunkt t4 und ein fünfter Kommutierungszeitpunkt K5 zum Zeitpunkt t5. Der erste Kommutierungsschritt liegt zwischen t1 und t2, der zweite Kommutierungsschritt liegt zwischen t2 und t3, etc. In einem vereinfachten Beispiel können die ersten vier Kommutierungsschritte K1-K2, K2-K3, K3-K4, K4-K5 zum Beispiel 8 ms, 6 ms, 5 ms und 4 ms betragen. Zu jeweils einem Kommutierungszeitpunkt K1, K2, K3, K4, K5 wird die Bestromung der Phasen jeweils umgeschaltet, wie mit Bezug auf die 2A bis 2C erläutert.
In dem gezeigten Beispiel wird wieder davon ausgegangen, dass die erste Kommutierung zu dem Kommutierungszeitpunkt K1 erfolgt, nachdem ein Haltestrom an dem Motor angelegt war und der Rotor sich in einer statischen Rotorposition befindet, die sich durch die Ausrichtung des Rotors an das durch den Haltestrom erzeugte Magnetfeld ergibt. Der Rotor liegt also nicht dort, wo er sich während des stationären Betriebs zu einem Kommutierungszeitpunkt befinden würde, sondern einer Position, welche der Mitte zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten entspricht. Durch den relativ langen ersten Kommutierungsschritt K1-K2, der aufgrund einer gewünschten Beschleunigung berechnet wurde, kann es daher zu einem Überschwingen oder sogar zur Erzeugung eines gegenläufigen Drehmomentes des Rotors vor der nächsten Kommutierung und in Folge zu einem Rotorschwingen kommen.
3B zeigt zunächst den Haltestrom I_H , der vor dem ersten Kommutierungszeitpunkt K1 anliegt, und anschließend den Motorstrom während der Kommutierungsschritte K1-K2, K2-K3, etc. Man erkennt einen insgesamt sehr hohen Motorstrom und ein starkes Überschwingen des Motorstroms, mit starken Stromspitzen jeweils am Ende eines Kommutierungsschritts, der sich aus dem Rotorschwingen ergibt. Dadurch steigt der Stromverbrauch des Motors unnötig und die EMV verschlechtert sich.
3C illustriert schematisch die in den Phasen 20, 24, 26, U, V, W, des Motors angelegten und induzierten Spannungen ausgehend von einem Nullwert, der während des Anliegens des Haltestroms I_H vor dem ersten Kommutierungszeitpunkt K1 angenommen wird. Der Haltestrom liegt in den Phasen V und W an. Die Spannung in der Phase V ist während dieser Zeit null. Ferner wird ausgegangen von einer sogenannten „Vollblock“-Ansteuerung, bei der das Tastverhältnis einer PWM 100% beträgt. U+ bezeichnet die positive Versorgungsspannung, U-bezeichnet Erde, und U_Diode bezeichnet eine gekappt induzierte Spannung aufgrund einer Diode im Phasenstrang. Die induzierten Spannungen können insbesondere eine sehr geringe Amplitude aufweisen, so dass eine zuverlässige Detektion nur schwer möglich ist.
Zunächst sieht man ihn 3C, dass der Spannungsverlauf in allen drei Phasen U, V und W keine stark ausgeprägte Beschleunigungsrampe aufweist und somit Nulldurchgänge der induzierten Spannungen nur schwer erkannt werden können. Während des ersten Kommutierungsschritts, zwischen t1 und t2, lässt sich kein Nulldurchgang einer induzierten Spannung ermitteln. Sofern Nulldurchgänge ermittelt oder „erahnt“ werden können, liegen diese nicht mittig zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten, sondern sie treten deutlich zu früh auf, wobei in 3C Nulldurchgänge mit ZC (zero crossing) gekennzeichnet sind. Die induzierte Spannung zeigt, dass der Rotor nicht dem Drehfeld folgt. Da die erste Kommutierung zu lange dauert, tritt der erste erfasste Nulldurchgang ZC1 nicht in der Mitte, sondern schon zu Anfang des zweiten Kommutierungsschritts K2-K3 auf. Ähnliches gilt für den nächsten Nulldurchgang ZC2. Ferner können die Amplituden der Spannungsverläufe deutlich kleiner als dargestellt sein, so dass beispielsweise ein zuverlässiges Erfassen von Nulldurchgängen auch aus diesem Grund kaum möglich ist.
Grundsätzlich gilt für eine ideale oder theoretische Kommutierung, dass ein Nulldurchgang der induzierten Spannung jeweils mittig zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungszeitpunkten auftreten sollte. Hiervon ist die Kommutierungssteuerung des Standes der Technik, die in den 3A bis 3C beispielhaft illustriert ist, weit entfernt.
Von dem synchronen Anlauf-Betrieb auf einen sensorlosen asynchronen Betrieb kann umgeschaltet werden, wenn beispielsweise eine vorgegebene Anzahl, zum Beispiel drei Nulldurchgänge der induzierten Spannung zuverlässig erkannt wurden oder wenn eine vorgegebene Anzahl von Kommutierungsschritten ausgeführt wurde oder wenn eine vorgegebene Drehzahl erfasst wurde. Mit steigender Drehzahl steigt auch die Rampe der induzierten Spannung, sodass Nulldurchgänge besser erkannt werden können. Ein möglicher Zeitpunkt für das Umschalten in den sensorlosen Betrieb ist in 3B beispielhaft bei S gezeigt. Aufgrund des Rotorschwingens ist, wie dargelegt, der Stromverbrauch erhöht und die EMV verschlechtert. Zusätzlich verzögert sich der Zeitpunkt S des Umschaltens auf den sensorlosen Betrieb.
Die 4A, 4B und 4C illustrieren eine synchrone Anlauf-Kommutierung mit vorgegebenen Kommutierungsschritten abhängig von einer gewünschten Beschleunigung, wobei das erste Intervall modifiziert ist. 4A zeigt beispielhafte Kommutierungszeitpunkte; 4B illustriert schematisch einen möglichen Verlauf des Motorstroms; und 4C illustriert schematisch die in den Motorphasen induzierten Spannungen.
Ein erster Kommutierungszeitpunkt K1 tritt zum Zeitpunkt t1 auf, ein zweiter Kommutierungszeitpunkt K2' zum Zeitpunkt t2', ein dritter Kommutierungszeitpunkt K3' zum Zeitpunkt t3', und ein vierter Kommutierungszeitpunkt K4' zum Zeitpunkt t4' etc. Der erste Kommutierungsschritt liegt zwischen t1 und t2', der zweite Kommutierungsschritt liegt zwischen t2' und t3', etc. In diesem Beispiel ist angenommen, dass die ersten vier Kommutierungsschritte K1-K2', K2'-K3', K3'-K4', rechnerisch 8 ms, 6 ms, 5 ms und 4 ms betragen würden, wenn eine gewünschte Beschleunigung erreicht werden soll. Erfindungsgemäß wird jedoch der erste Kommutierungsschritt Ki-K2' um 50% auf 4 ms verkürzt, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass der Rotor aufgrund eines zuvor anliegenden Haltestroms vorausgerichtet ist, wie mit Bezug auf die 2A bis 2D erläutert wurde. Wie mit Bezug auf 2D illustriert, sollte bei dem dort angenommenen Fall der erste Kommutierungsschritt für eine ideale Ansteuerung schon nach 30° elektrisch zum Zeitpunkt t2 beendet werden. Wird dieser Zusammenhang nicht beachtet, kann der Rotor über seine ideale Ausrichtung gegenüber dem angelegten Drehfeld überschwingen und steht asynchronen zum Zeitpunkt der darauffolgenden Kommutierungen K2, K3, K4, ... Der zweite Kommutierungszeitpunkt K2' erfolgt also im einfachsten Fall mit einer Vorkommutierung von 50% der rechnerischen Dauer des entsprechenden Kommutierungsschritts. Zu jeweils den Kommutierungszeitpunkten K2', K3', K4', K5' wird die Bestromung der Phasen somit früher als in dem Vergleichsbeispiel umgeschaltet.
Es hat sich gezeigt, dass allein durch eine Verkürzung des ersten Kommutierungsschritts auf die Hälfte, selbst ohne weitere Anpassungen oder Vorkommutierung, die im Folgenden noch erläutert sind, eine deutliche Verbesserung des Anfahrverhaltens des Elektromotors erreichbar ist.
In dem gezeigten Beispiel wird wieder davon ausgegangen, dass die erste Kommutierung zu dem Kommutierungszeitpunkt K1 = t1 erfolgt, nachdem ein Haltestrom an dem Motor angelegt war und der Rotor sich in einer statischen Rotorposition befindet, die sich durch die Ausrichtung des Rotors an das durch den Haltestrom erzeugte Magnetfeld ergibt. Der Rotor liegt also nicht dort, wo er sich während des stationären Betriebs zu einem Kommutierungszeitpunkt befinden würde, sondern an einer Position, die der Mitte zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten entspricht. Die Erfindung verkürzt den ersten Kommutierungsschritt K1-K2, der aufgrund einer gewünschten Beschleunigung berechnet wurde, um ein Überschwingen des Rotors vor der nächsten Kommutierung zu vermeiden. In dem Beispiel wird der Kommutierungsschritt um 50% gegenüber dem rechnerischen Wert verkürzt, um eine Drehung des Rotors von ungefähr 30° elektrisch, anstelle von 60° elektrisch zu bewirken. Dies kann auch als Vorkommutierung bezeichnet werden. Dadurch liegt der Rotor am Ende des ersten Kommutierungsschritts K1-K2' dort oder ungefähr dort, wo er im Betrieb liegen sollte, wie in 2B gezeigt.
4B zeigt zunächst den Haltestrom I_H , der vor dem ersten Kommutierungszeitpunkt K1 anliegt, und anschließend den Motorstrom während der Kommutierungsschritte K1-K2', K2'-K3', etc. Man erkennt einen insgesamt niedrigeren Motorstrom und ein deutlich geringeres Überschwingen des Motorstroms als in dem Szenario der 3A, mit keinen oder deutlich geringeren Stromspitzen jeweils am Ende eines Kommutierungsschritts. Dies kann erreicht werden, weil das Rotorschwingen weitgehend oder vollständig vermieden wird. Dadurch ist der Stromverbrauch des Motors verringert und die EMV verbessert.
4C zeigt schematisch die in den Phasen 20, 24, 26, U, V, W, des Motors induzierten Spannungen ausgehend von einem Nullwert, der während des Anliegens des Haltestroms I_H vor dem ersten Kommutierungszeitpunkt K1 angenommen wird. Der Haltestrom liegt auch in diesem Beispiel in den Phasen V und W an. Die Spannung in der Phase V ist während dieser Zeit null. Ferner wird wieder von einer sogenannten „Vollblock“-Ansteuerung ausgegangen.
Zunächst sieht man ihn 4C, insbesondere im Vergleich zur 3C, eine stärker ausgeprägte Beschleunigungsrampe in allen drei Phasen U, V und W, die es erlaubt, schon nach der zweiten Kommutierung K2' Nulldurchgänge der induzierten Spannungen zuverlässig zu erfassen. Ferner liegen die Nulldurchgänge weitgehend mittig zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten. Die induzierte Spannung zeigt somit, dass der Rotor dem Drehfeld folgt. Die Kommutierung liegt somit bei oder nahe bei der theoretischen oder idealen Kommutierung. Aufgrund der höheren Beschleunigung sind ferner die Amplituden der induzierten Spannungen schnell groß genug, so dass diese zuverlässig detektiert werden können.
In manchen Ausgestaltungen kann dadurch bereits der erste Nulldurchgang zuverlässig detektiert werden.
In der Praxis ist die Beschleunigung und Ausrichtung des Rotors abhängig von äußeren Einflüssen, wie eine an dem Motor anliegenden Last. In einer Abwandlung kann daher der erste verkürzte Kommutierungsschritt auch parametrierbar sein, wobei es zum Beispiel ohne Last weiter verkürzt und mit Last weniger stark verkürzt werden kann. Auch eine Aufteilung der Verkürzung auf mehrere aufeinanderfolgende Kommutierungsschritte ist möglich. Dadurch kann der Anlauf des Motors aus dem Stillstand für verschiedene Anwendungen optimiert werden.
5A und 5B zeigen schematische Darstellungen von Komparatorsignalen zur Erkennung von Nulldurchgängen relativ zu Kommutierungszeitpunkten für die Anlauf-Kommutierungen der 3A bis 3C bzw. 4A bis 4C. Die Nulldurchgänge ZC (zero crossing) der induzierten Spannung lassen sich mittels des in 1 gezeigten Spannungskomparators 16 bestimmen. Als Eingangssignal des Spannungskomparators 16 kann eine Kennlinie dienen, welche der induzierten Spannung und/oder dem Phasenstrom in den Phasenwicklung des Elektromotors entspricht. Die Ausgangssignale des Spannungskomparators 16 können beispielsweise über IO-Eingänge des Mikrocontrollers 14, der zum Ausführen des Verfahrens eingerichtet ist, ausgewertet werden. Der Mikrocontroller 14 kann aus den Komparatorsignalen entsprechende Interrupts generieren, welche zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors 10 verwendet werden können. Die 5A und 5B zeigen Komparatorsignale in Form eines Pulses, dessen Amplitude Ucomp ein hohes oder ein niedriges Spannungsniveau annehmen kann. Wird ein Nulldurchgang durch einen Spannungskomparator 17 erfasst, kann z.B. über die steigende Flanke des Komparatorsignals ein Zeitpunkt t_ZC eines Nulldurchgang ZC1, ZC2, ... erfasst werden.
6 zeigt schematisch eine abgewandelte synchrone Anlauf-Kommutierung abhängig von erfassten Nulldurchgängen ZC, gemäß einem weiteren Beispiel, das mit den zuvor beschriebenen Beispielen kombinierbar ist. Die in 6 gezeigte Abwandlung basiert auf der synchronen Anlauf-Kommutierung, die in den 3A bis 3C und 5A dargestellt ist. Entsprechend sind in 6 die Kommutierungszeitpunkte mit K1 bis K5 bezeichnet. Die Abwandlung könnte entsprechend auch auf die Anlauf-Kommutierung der 4A bis 4C und 5B angewandt werden.
Ferner zeigt 6 beispielhaft Nulldurchgänge ZC1, ZC2, ZC3, die sich bei dieser Kommutierung ergeben können. Im stationären Betrieb liegt ein Kommutierungszeitpunkt K1, K2, etc. jeweils mittig zwischen zwei Nulldurchgängen der induzierten Spannung, die aufgrund der gegenelektromotorischen Kraft (BEMF; back electromotive force) entsteht. Während die induzierte Spannung in allen Phasen des Motors erzeugt wird, ist es ausreichend, sie jeweils in der aktuell unbestimmten Phase zu erfassen. Im Idealfall könnte also zum Beispiel der Kommutierungszeitpunkt K2 mittig zwischen einem Nulldurchgang der U-Phase und einem Nulldurchgang der W-Phase liegen.
Ausgehend von den berechneten Kommutierungszeitpunkten K1 bis K5 sind in 6 die die theoretischen Kommutierungszeitpunkte definierenden Nulldurchgänge mit EZC1 bis EZC4 (EZC = expected zero crossing) bezeichnet. Tatsächlich erfasste Nulldurchgänge sind in 6 beispielhaft mit ZC1 bis ZC3 bezeichnet. Insbesondere können die tatsächlichen Nulldurchgänge ZC1 bis ZC3, wie oben erläutert, früher als die erwarteten Nulldurchgänge EZC1 bis EZC3 auftreten, d. h. nicht mittig zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten, sondern schon jeweils zu einem früheren Zeitpunkt. Abhängig von der Anwendung und beispielsweise eine anliegenden Last können die tatsächlichen Nulldurchgänge auch später als die erwarteten Nulldurchgänge auftreten. Ferner können die Kommutierungszeitpunkte abhängig von den erfassten Nulldurchgängen angepasst werden, um optimierte Kommutierungszeitpunkte zu ermitteln, welche an die theoretische bzw. ideale Kommutierung zumindest angenähert sind.
In dem Beispiel der 6 ist der zeitliche Abstand zwischen den ersten Nulldurchgängen ZC1 und ZC2 mit A bezeichnet. Geht man von einem stationären Betrieb aus, so liegt ein Kommutierungszeitpunkt mittig zwischen zwei Nulldurchgängen der induzierten Spannung bzw. ein Nulldurchgang liegt mittig zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten. Somit müsste im stationären Betrieb der nächste Kommutierungszeitpunkt K3, nach dem zweiten erfassten Nulldurchgang ZC2, in einem zeitlichen Abstand von A/n nach dem erfassten zweiten Kommutierungszeitpunkt ZC2 auftreten, wobei n = 2. Dies ist in 6 als MK3 (MK = modifizierter Kommutierungszeitpunkt) dargestellt. Berücksichtigt man zusätzlich, dass sich der Motor in einer Anlauf- oder Beschleunigungsphase und nicht im stationären Betrieb befindet, so könnte der modifizierte Kommutierungszeitpunkt MK3 sogar noch früher erfolgen.
Somit wird nun beispielsweise der Kommutierungszeitpunkt K3 in Abhängigkeit von den Zeitpunkten, zu denen die Nulldurchgänge ZC1 und ZC2 erfasst wurden, angepasst. Der modifizierte Kommutierungszeitpunkt MK3, der auf der Basis von A berechnet wird, liegt dann bei MK3 = ZC2 + A/n, mit n = 2, und wird somit vorverlegt. Wenn zusätzlich noch für die Anlauf- bzw. Beschleunigungsphase eine Vorkommutierung berücksichtigt wird, kann der Kommutierungszeitpunkt MK3 weiter vorverlegt werden, beispielsweise um bis zu 30° elektrisch. Dadurch ergibt sich ein nochmals modifizierter Kommutierungszeitpunkt MK3PC (PC = pre-commutation).
Eine entsprechende Anpassung des nächsten Kommutierungszeitpunkts kann ausgehend von dem zeitlichen Abstand B zwischen dem zweiten und dem dritten Nulldurchgang ZC2 und ZC3 erfolgen. Hierfür wird der Kommutierungszeitpunkt K4 in Abhängigkeit von den Zeitpunkten, zu denen die Nulldurchgänge ZC2 und ZC3 erfasst wurden, angepasst. Der modifizierte Kommutierungszeitpunkt MK4, der auf der Basis von B berechnet wird, kann dann bei MK4 = ZC5 + B/n, mit n = 2, liegen und wird somit relativ zu dem ursprünglich berechneten Zeitpunkt K4 vorverlegt. Wenn zusätzlich noch für die Anlauf- bzw. Beschleunigungsphase eine Vorkommutierung berücksichtigt wird, kann der Kommutierungszeitpunkt MK4 weiter vorverlegt werden, beispielsweise um bis zu 30° elektrisch oder bis zu 15° elektrisch. Dadurch ergibt sich ein nochmals modifizierter Kommutierungszeitpunkt MK4PC.
Das obige Beispiel beruht auf der Annahme einer 60°-Blokkommutierung, bei der im Verlauf einer elektrischen Umdrehung immer zwei der drei Phasen bestromt werden, sodass der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen jeweils 60° elektrisch beträgt, weil sechs verschiedene Kombinationen aus bestromten Phasen möglich sind und durchlaufen werden. Bei sensorlosem Motorbetrieb kann die Vorkommutierung zu Beginn der Anlaufphase beispielsweise bei 15° bis 30° elektrisch liegen, wobei 30° zum Beispiel dem Abstand zwischen einem Nulldurchgang und dem nächsten Kommutierungszeitpunkt entspricht. Nach dem ersten sensorlosen Kommutierungsschritt kann die Vorkommutierung auf 0-15° elektrisch reduziert werden. In verschiedenen Ausgestaltungen kann ein konstanter Vorkommutierungswinkel oder ein sich allmählich Null annähernder Vorkommutierungswinkel gewählt werden. Die Vorkommutierung eines nachfolgenden Kommutierungsschritts kann jeweils kleiner sein als die Vorkommutierung des vorhergehenden Kommutierungsschritts. Die Vorkommutierung kann beispielsweise bis zu 0,5Δtzc betragen, wobei Δtzc das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen ist, in den obigen Beispielen entspricht Δtzc zum Beispiel A oder B.
Allgemeiner gesagt kann der Zeitpunkt der Vorkommutierung proportional zu einem zeitlichen Abstand ΔtZC zwischen zwei zuvor detektierten, aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen bestimmt werden. So kann es vorgesehen sein, dass der Kommutierungszeitpunkt um einen Bruchteil des zeitlichen Abstandes ΔtZC, z.B. A oder B, vor dem idealen Kommutierungszeitpunkt erfolgt. Beispielsweise kann der Kommutierungszeitpunkt des ersten Kommutierungsschrittes um 0,03 ΔtZC bis 0,25 ΔtZC, insbesondere circa 0,125 ΔtZC vor dem idealen Kommutierungszeitpunkt liegen. Dadurch können die elektromagnetischen Felder des Stators und des Rotors des Elektromotors mittels der Vorkommutierung relativ zueinander ausgerichtet und der Elektromotor effizient und zuverlässig betrieben werden.
In weiteren Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass auf den ersten Kommutierungsschritt folgende zweite Kommutierungsschritte derart durch die Steuerschaltung bestimmt werden, dass diese eine kürzere Vorkommutierungszeit aufweisen, als der erste Kommutierungsschritt. Beispielsweise kann der Zeitpunkt der Vorkommutierung wiederum proportional zu einem zeitlichen Abstand ΔtZC2, z.B. B, zwischen zwei zuvor detektierten, aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen bestimmt werden. Beispielsweise können die Kommutierungszeitpunkte der zweiten Kommutierungsschritte um 0,015 ΔtZC2 bis 0,125 ΔtZC2, insbesondere circa 0,0625 ΔtZC2 vor dem idealen Kommutierungszeitpunkt liegen.
Sofern erfasst wird, dass Nulldurchgänge später auftreten als erwartet, können Kommutierungszeitpunkte auch durch Verschieben der Zeitpunkte hinter die berechneten Werte angepasst werden.
In dem in Bezug auf 6 beschriebenen Beispiel wurden die Kommutierungszeitpunkte, die auf den zweiten Kommutierungszeitpunkt K2 folgen, nur aufgrund des zeitlichen Abstandes, z.B. A oder B, von zwei vorhergehenden Nulldurchgängen bestimmt. In einer Abwandlung können bei der Berechnung der modifizierten Kommutierungszeitpunkte MK3 und MK4 auch die ursprünglich berechneten Kommutierungsschritte berücksichtigt werden und/oder eine Gewichtung vorgenommen werden. Beispielsweise könnte ein Mittelwert gebildet werden aus einem ursprünglich berechneten Kommutierungsschritt und einem aufgrund des Abstands der Nulldurchgänge berechneten Kommutierungsschritt. In einem weiteren Beispiel können die aufgrund des Abstands der Nulldurchgänge berechneten Kommutierungsschritte mit einem konstanten Faktor oder mit einem abhängig von dem jeweiligen Kommutierungsschritt zunehmenden oder abnehmenden Faktor gewichtet werden. Dies ist insbesondere zweckmäßig, weil die Beschleunigung und Ausrichtung des Rotors von äußeren Einflüssen abhängig sein kann, wie einer an dem Motor anliegenden Last. Dem kann durch ein Parametrieren oder Gewichten der Kommutierungsschritte Rechnung getragen werden.
In noch einer weiteren Ausgestaltung, die mit den zuvor beschriebenen Varianten kombinierbar ist, kann auch bereits der zweite Kommutierungszeitpunkt K2 auf der Basis eines ersten erfassten Nulldurchgangs ZC1 angepasst werden. Es kann zum Beispiel der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Kommutierungszeitpunkt K1 und dem ersten Nulldurchgang ZC1 ermittelt werden, wobei angenommen wird, dass dieser Abstand a/n, mit n = 2, etwa einem halben Kommutierungsschritt entspricht. Hieraus kann ein angepasster zweiter Kommutierungszeitpunkt K2α berechnet werden, der um eine Zeitspanne α nach dem ersten Kommutierungszeitpunkt K1 liegt.
Wenn zusätzlich noch für die Anlauf- bzw. Beschleunigungsphase eine Vorkommutierung berücksichtigt wird, kann der Kommutierungszeitpunkt K2α noch weiter vorverlegt werden, beispielsweise um bis zu 30° elektrisch. Dadurch ergibt sich ein nochmals modifizierter Kommutierungszeitpunkt, der in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist.
Schließlich ist in 6 noch beispielhaft dargestellt, wie ausgehend von dem modifizierten Kommutierungszeitpunkt MK3PC ein nächster modifizierter Kommutierungszeitpunkt MK4PC ermittelt werden kann. Hierfür wird das Zeitintervall β zwischen dem modifizierten Kommutierungszeitpunkt MK3PC und dem nächsten Nulldurchgang ZC3PC (in diesem Fall ein nächster Nulldurchgang bei Vorsehen einer Vorkommutierung) bestimmt, und der nächste modifizierte Kommutierungszeitpunkt wird auf MK4PC = ZC3PC + β/n festgelegt, mit n = 2.
Die oben erläuterten verschiedenen Ansätze zur Anpassung der Kommutierungszeitpunkte, mit oder ohne Vorkommutierung, können kombiniert und in entsprechender Weise auf das bereits optimierte synchrone Anlaufverfahren, das mit Bezug auf die 3 bis 3C und 5B erläutert wurde, angepasst werden. Die Vorkommutierung kann durch Einstellen eines elektrischen Vorkommutierungs-Winkels vor einem nächsten theoretischen Kommutierungszeitpunkt, beispielsweise von 15° bis 30° elektrisch oder 3° bis 15° elektrisch, eingestellt werden. In einer Abwandlung kann die Vorkommutierung durch Anwenden eines Faktors auf das jeweils berechnete Kommutierungs-Zeitintervall eingestellt werden, indem n ungleich 2 gewählt wird, z.B. 1,25 ≤ n ≤ 5. Der jeweils nächste Kommutierungszeitpunkt kann somit in Bezug auf den vorhergehenden Nulldurchgang so bestimmt werden, dass er nicht genau um die Hälfte des vorhergehenden Zeitintervalls zwischen zwei Nulldurchgängen versetzt wird, sondern um eine etwas kleinere oder größere Zeitspanne, je nach gewünschter Beschleunigung, Last oder anderen Betriebsbedingungen.
In einer weiteren Abwandlung kann auch eine Regel aufgestellt werden, nach der ein erfasster Nulldurchgang nur dann berücksichtigt wird, wenn er einen Mindestabstand von einem vorausgegangenen Kommutierungszeitpunkt hat, oder dass immer ein minimaler Mindestabstand angenommen wird, um eine zu hohe Schaltfrequenz der Kommutierung zu vermeiden. Das Verfahren setzt voraus, dass aufgrund der induzierten Spannung und/oder des Phasenstroms des Elektromotors eine Kennlinie ermittelt werden kann, die die Bestimmung von Nulldurchgängen erlaubt. Dies ist, wie oben dargelegt, aufgrund der Modifikation der Kommutierungs-Steuerung mit einem verkürzten ersten Kommutierungsschritt möglich.
Lassen sich während der ersten Kommutierungsschritt keine Nulldurchgänge ermitteln oder erscheint die Ermittlung der Lage der Nulldurchgänge nicht zuverlässig, können für die ersten Kommutierungsschritt die berechneten Kommutierungszeitpunkte oder der oben angesprochene Mindestabstand herangezogen werden.
Auf diese Weise können aufeinanderfolgende Kommutierungszeitpunkte bestimmt werden, bis eine Bedingung zum Umschalten auf den sensorlosen Synchronbetrieb erfüllt ist. Diese Bedingung kann beispielsweise das Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Kommutierungsschritt, das Erfassen einer vorgegebenen Anzahl von Nulldurchgängen, das Erreichen einer Solldrehzahl, das Erreichen einer Zielposition eines Stellgliedes etc. sein. Während der Anlaufphase kann der Elektromotor zum Beispiel Drehzahl geregelt betrieben Die Drehzahlregelung kann beispielsweise mittels der Modulation eines Tastgrades einer PWM erfolgen. werden. Zusätzlich kann eine Strombegrenzung vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

10: Elektromotor
12: Steuerschaltung
14: Steuereinrichtung
16: Spannungskomparator
20: Rotor
22, 24, 26: Spulen
C: Kondensator
R: Widerstand
FP: Fußpunkt

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors (10), umfassend: Berechnen theoretischer Kommutierungsschritte, einschließlich wenigstens eines ersten theoretischen Kommutierungsschritts und eines zweiten theoretischen Kommutierungsschritts, abhängig von einer gewünschten Beschleunigung des Elektromotors (10) für eine Anlaufphase, und Wählen eines ersten Kommutierungsschritts, der kürzer ist als der berechnete erste theoretische Kommutierungsschritt, zur Ansteuerung des Elektromotors (10) in der Anlaufphase.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zeitliche Länge des ersten Kommutierungsschritts, der in der Anlaufphase gewählt wird, 50% oder etwa 50 % der zeitlichen Länge des ersten theoretischen Kommutierungsschritts beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zweiter Kommutierungsschritt, der in der Anlaufphase gewählt wird, gleich oder ungefähr gleich dem zweiten theoretischen Kommutierungsschritt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Kommutierungsschritt und ein zweiter Kommutierungsschritt, die in der Anlaufphase gewählt werden, jeweils kürzer sind als die entsprechenden berechneten theoretischen Kommutierungsschritte.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anlaufphase eine synchrone Anlaufphase ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während des Betriebs eine induzierte Spannung und ein Phasenstrom in Phasenwicklungen des Elektromotors (10) erzeugt werden, das Verfahren weiter umfassend: Erfassen einer Kennlinie basierend auf der induzierten Spannung und/oder dem Phasenstrom und Ermitteln von Nulldurchgängen der Kennlinie, abhängig von den ermittelten Nulldurchgängen der Kennlinie, Bestimmen eines nächsten Kommutierungszeitpunktes, der auf einen der ermittelten Nulldurchgänge folgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der nächste Kommutierungszeitpunkt bestimmt wird aus einem Zeitintervall ΔtZC zwischen einem ersten und einem zweiten Nulldurchgang und um eine Zeitspanne A' nach dem zweiten Nulldurchgang auftritt, die ein Bruchteil des Zeitintervalls ΔtZC ist, mit A' = ΔtZC/n, wobei 1,25 ≤ n 5 50.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor ist und wobei in dem ersten Kommutierungsschritt zwei von drei Phasenwicklungen des Elektromotors (10) bis zu einem Vorkommutierung-Zeitpunkt bestromt werden, der vor dem berechneten Ende des theoretischen Kommutierungsschritts liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Vorkommutierung 15° bis 30° elektrisch oder 3° bis 15° elektrisch vor dem nächsten theoretischen Kommutierungszeitpunkt liegt.
Verfahren nach Anspruch 6 und Anspruch 8 oder 9, wobei für wenigstens zwei auf den ersten Kommutierungsschritt folgende Kommutierungsschritte der jeweilige den Kommutierungsschritt beendende Kommutierungszeitpunkt auf Basis der Nulldurchgänge der Kennlinie bestimmt wird, wobei die beiden auf den ersten Kommutierungsschritt folgenden Kommutierungsschritte eine kleinere Vorkommutierung als der erste Kommutierungsschritt aufweisen und/oder wobei die Kommutierungsschritte sukzessive den theoretischen Kommutierungsschritten angenähert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Vorkommutierung derart bestimmt wird, dass jeweils ein Nulldurchgang der Kennlinie in der Mitte oder ungefähr in der Mitte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungszeitpunkten liegt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die kleinere Vorkommutierung jeweils etwa 3° bis 15° elektrisch vor dem theoretischen Kommutierungszeitpunkt liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Elektromotor mit einer Blockkommutierung betrieben wird, wobei Phasenwicklungen mit einer konstanten Spannung versorgt werden, die von einer Pulsweitenmodulation überlagert sein kann.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter umfassend: Anlegen eines Haltestroms an den Elektromotor vor der Ausführung des ersten Kommutierungsschrittes.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Elektromotor ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor ist und wobei der Haltestrom derart angelegt wird, dass exakt zwei Phasenwicklungen des dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors bestromt werden.
Elektromotor umfassend Phasenwicklungen (22, 24, 26) und eine Steuerschaltung (12,14), wobei die Steuerschaltung (12, 14) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche auszuführen.
Elektromotor nach Anspruch 16, ferner umfassend einen Komparator (16) und/oder einen Analog-Digital-Wandlers zur Erkennung von Nulldurchgänge einer Kennlinie, welche auf einer induzierten Spannung und/oder einem Phasenstrom des Elektromotors (10) basiert.
Stellantrieb mit einem Elektromotor nach Anspruch 16 oder 17 und mit einem Untersetzungsgetriebe zwischen dem Elektromotor (10) und einem Stellglied.