DE19734292A1 - Elektronische Steuerung für kommutatorlose unipolare Gleichstrommotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren zum elektroni­ schen Steuern von kommutatorlosen unipolaren mehrphasigen Gleichstrommotoren als auch eine elektronische Schaltungsan­ ordnung zum elektronischen Steuern von kommutatorlosen uni­ polaren mehrphasigen Gleichstrommotoren, mit jeweils einem extern ansteuerbaren Schalter und einem Freilaufstromkreis für jede Phase.

Bipolare und herkömmliche regelbare unipolare elektronische Steuerungen für kommutatorlose Gleichstrommotoren benötigen zwei reihen-geschaltete Halbleiter, um den Motor zu steuern. Bei den Anwendungen, wo die Spannung niedrig ist, z. B. im Automobil-Bereich, ist der dadurch entstehende Spannungsab­ fall sehr ungünstig. Der Motor muß dementsprechend anders dimensioniert werden, und die Energie-Verluste in der elek­ tronischen Steuerung sind höher.

Außerdem ist bei herkömmlichen unipolaren elektronischen Steuerungen die jeweils in der Eigeninduktivität der Wick­ lung der jeweiligen Phase vorhandene Magnetisierungsenergie verloren oder nur mit einem bestimmten Aufwand rekuperier­ bar.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbes­ sertes Verfahren und eine vereinfachte elektronische Schal­ tungsanordnung zum Steuern von kommutatorlosen unipolaren mehrphasigen Gleichstrommotoren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Steuerverfahren gelöst, bei dem jede Phase jeweils durch einen extern an­ steuerbaren Schalter gesteuert wird, wobei die Phase-Span­ nung oder der Strom an der Eigeninduktivität der Wicklung der jeweiligen Phase sowohl durch externes Ansteuern des Schalters als auch durch einen Freilaufstromkreis, wenn der Schalter extern nicht angesteuert wird, geregelt wird, und bei dem der Freilaufstromkreis mit einem weiteren, extern ansteuerbaren Schalter zumindest dann unterbrochen wird, wenn die in der jeweiligen Phase induzierte Spannung ihr Vorzeichen ändert bzw. bevor die in der jeweiligen Phase in­ duzierte Spannung durch den Freilaufstromkreis kurzgeschlos­ sen werden würde.

Der Freilaufstromkreis, der jeweils in Kombination mit dem (ersten) Schalter (Q₂) in einem Pulsbreite-Modulierung-Ver­ fahren oder einem ähnlichen Verfahren die Phase-Spannung oder den Strom in der jeweiligen Phase regelt, kann mit dem weiteren (zweiten) Schalter (Q₁) abgeschaltet werden. Dieser Freilaufstromkreis muß abgeschaltet werden, bevor er die in der jeweiligen Phase induzierte Spannung kurzschließt. In allen Phasen des Motors sind die Freilaufstromkreise jeweils abschaltbar.

Mit dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren läßt sich der Mo­ tor mit der gleichen Anzahl von (Halbleiter-)Schaltern steu­ ern (z. B. 6 Schalter für einen 3-phasigen Motor) wie bei bi­ polaren Steuerungen. Der Vorteil liegt darin, daß der Strom nur in einem (Halbleiter-)Schalter an einem gewissen Zeit­ punkt fließt. Der Spannungsabfall kann damit halbiert wer­ den, wenn gleiche Transistortypen verwendet werden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Steuerverfahrens gibt der weitere Schalter den Freilaufstromkreis so lange wie möglich frei, wodurch ein Teil der in der Eigenindukti­ vität vorhandenen Magnetisierungsenergie einfach rekuperiert werden kann. Bei extern angesteuertem, geschlossenen ersten Schalter und extern nichtangesteuertem, geöffneten zweiten Schalter kann während dieses Zeitintervalls so die in der Eigeninduktivität noch vorhandene Magnetisierungsenergie langsam abgebaut werden. Da während dieses Zeitintervalls die in der jeweiligen Phase induzierte Spannung immer noch negativ - gegenüber der Versorgungsspannung U⁺ - ist, ergibt sich mit dem langsam abnehmenden Strom ein motorisches Drehmoment, wodurch die Magnetisierungsenergie teilweise re­ kuperiert wird.

Wenn nach der Unterbrechung des Freilaufstromkreises durch den weiteren Schalter der extern nichtangesteuerte Schalter oder der extern nichtangesteuerte weitere Schalter vom Frei­ laufstromkreis intern angesteuert wird, kann die verbleiben­ de Magnetisierungsenergie in dem über eine Z-Diode (Zener-Diode) intern angesteuerten Schalter, der dadurch zu einem spannungsgesteuerten Widerstand umgewandelt wird, verbraucht werden. Der Vorteil des verzögerten Abschaltens des ersten Schalters gegenüber dem zweiten Schalter besteht darin, daß die Magnetisierungsenergie zum großen Teil ohne zusätzliche Bauteile rekuperiert werden kann. Dies führt zu einem besse­ ren Wirkungsgrad und zu weniger Verlusten.

Die oben genannte Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektronischen Schaltungsanordnung gelöst durch einen im Freilaufstromkreis vorgesehenen weiteren, extern ansteuerba­ ren Schalter, womit sich die bereits hinsichtlich des Steu­ erverfahrens genannten Vorteile ergeben.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin­ dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be­ liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf­ ten Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigt:

Fig. 1a die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für Pha­ se 1 eines Gleichstrommotors, wobei der Stromfluß durch die Phase 1 in einer ersten Ansteuerung zu einem Zeitpunkt t (z. B. t₁ < t < t₂) ebenfalls dargestellt ist;

Fig. 1b die Schaltungsanordnung der Fig. 1a mit dem Strom­ fluß durch die Schaltungsanordnung in einer zwei­ ten Ansteuerung zu einem Zeitpunkt t (z. B. t₃ < t < t₄);

Fig. 1c die Schaltungsanordnung der Fig. 1a mit dem Strom­ fluß in einer dritten Ansteuerung, nämlich zu ei­ nem Zeitpunkt t (t₄ < t < t₅); und

Fig. 2 schematisch den zeitlichen Stromverlauf an Transi­ storschaltern Q₂ (Kurve a)) und Q₁ (Kurve b)) so­ wie an der Eigeninduktivität L₁ (Kurve c)) in Pha­ se 1 des Gleichstrommotors und den zeitlichen Ver­ lauf der die Transistorschalter Q₁, Q₂ extern steuernden Steuersignale S₂ (Kurve d)) und S₁ (Kurve e)).

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung dient der An­ steuerung eines kommutatorlosen drei-phasigen unipolaren Gleichstrommotors M. Dazu weist die Schaltungsanordnung für jede Phase jeweils zwei als MOSFET-Transistoren ausgebildete Halbleiter-Schalter Q₁ und Q₂ auf, wobei in Fig. 1 lediglich die Ansteuerung für die Phase 1 dargestellt ist. Die An­ steuerung der Phasen 2 und 3 erfolgt mit entsprechenden Schaltungsanordnungen. Die Phasen 1, 2, 3 werden jeweils nacheinander für eine Dauer von T/3 (T: Periode der elektri­ schen Umdrehung oder elektrische Schaltperiode) bestromt, wodurch der Gleichstrommotor M läuft.

Der Gleichstrommotor M könnte auch n-phasig sein, und die Schalter Q₁ und Q₂ könnten auch mit anderen Technologien, z. B. bipolar oder IGBT, gestaltet sein. Die Eigeninduktivi­ täten der Wicklungen der Phasen 1, 2 und 3 sind mit L₁, L₂ und L₃ bezeichnet.

Die Eigeninduktivität L₁, der Schalter Q₁ sowie eine Frei­ laufdiode D₁ bilden, wie unten beschrieben, einen Freilauf­ stromkreis. Im folgenden wird die zeitliche Steuerung der Schalter Q₁ und Q₂ über jeweils an ihrem Gate anliegende ex­ terne Steuersignale S₁ bzw. S₂ sowie der resultierende Stromverlauf I_Q1, I_Q2 an den Schaltern Q₁, Q₂ bzw. I_L1 an der Eigeninduktivität L₁ anhand Fig. 2 für die Phase 1 zu verschiedenen Zeitpunkten erläutert:

• - 1. Zeitintervall (t₁ < t < t₂):
  Wenn die Phase 1 bestromt werden soll, d. h. zum Zeitpunkt t₁, wird Q₁ durch das externe Steuersignal S₁ (Fig. 2e) dau­ ernd angesteuert. Damit ist die elektrische Verbindung der Kathode der Freilauf-Diode D₁ zur Versorgungsspannung U⁺ (z. B. 12 V) gewährleistet. Gleichzeitig wird Q₂ durch ein externes Steuersignal S₂ (Fig. 2d) angesteuert. Es fließt ein Strom von U⁺ über L₁ und Q₂ nach U⁻ (Fig. 1a). Der über Q₂ fließende Strom I_Q2 (Fig. 2a) und damit der Strom I_L1 an der Eigeninduktivität L₁ (Fig. 2c) steigen entsprechend der Eigen-Induktivität L₁ zwischen t₁ und t₂ an, in Abhängigkeit der Eingangsspannung, der in der Phase 1 induzierten Span­ nung - d. h. der Drehzahl -, und den in den anderen Phasen fließenden Strömen durch induktive Gegenkopplung.
• - 2. Zeitintervall (t₂ < t < t₃):
  Wenn Q₂ zum Zeitpunkt t₂ nicht mehr angesteuert wird, fließt über Q₁ ein Strom I_Q1 entsprechend dem in L₁ weiterfließen­ den Induktionsstrom. Dadurch wird die in L₁ enthaltene Ma­ gnetisierung abgebaut. Entsprechend fällt zum Zeitpunkt t₂ der Strom I_L1 von seinem Wert zum Zeitpunkt t₂ ab, bis durch erneutes Ansteuern von Q₂ durch das Signal S₂ I_Q1 abgeschal­ tet wird und I_Q2 bzw. I_L1 erneut ansteigen. Dieser Vorgang wiederholt sich fortwährend im 2. Zeitintervall, so daß diese Ansteuerung von Q₂ durch S₂ zu dem in Fig. 2c gezeigten Stromverlauf I_L1 führt. Durch die Pulsbreite (Taktfrequenz) des Signals S₂ können so in Abhängigkeit der Eigeninduktivi­ tät L₁ der Phase 1 der maximale Strom I_L1 und die Dauer des 2. Zeitintervalls, d. h. die Drehzahl des Gleichstrommotors M, geregelt werden. Zur Vereinfachung der Elektronik ist es auch möglich, die Pulsbreite-Modulierung ab t₁ (statt t₂) zu starten. Der Nachteil ist, daß der Strom I_Q1 langsamer steigen wird.
• - 3. Zeitintervall (t₃ < t < t₄):
  Zwischen t₃ und t₄, wenn Q₂ extern nicht mehr angesteuert wird, baut sich die in L₁ vorhandene Magnetisierung allein in dem durch L₁, D₁, Q₁ gebildeten geschlossenen Freilauf­ stromkreis (Fig. 1b) langsam ab, und I_L1 nimmt ab (Fig. 2c).
• - 4. Zeitintervall (t₄ < t < t₅):
  Zum Zeitpunkt t₄, also zeitverzögert gegenüber dem Abschalt­ zeitpunkt t₃ von Q₂, wird auch der Transistor Q₁ extern nicht mehr angesteuert, so daß es nach dem Zeitpunkt t₄ kei­ nen Weg mehr für den in L₁ noch vorhandenen restlichen Strom gibt. Wenn es nach dem Zeitpunkt t₄ noch einen Strom gibt, steigt die Spannung an dem Drain von Q₁ bzw. Q₂ an. Über­ steigt diese Spannung die Durchbruchspannung (z. B. 24 V bzw. 30 V) der Z-Diode (Zener-Diode) D₂ bzw. D₃, die den Frei­ laufstromkreis mit dem Gate von Q₁ bzw. Q₂ verbindet, so wird der Schalter Q₁ bzw. Q₂ nun intern teilweise wieder an­ gesteuert. Q₁ funktioniert dann als ein spannungsgesteuerter Widerstand, über den sich die in L₁ noch vorhandene Energie entlädt (Fig. 1c). An Q₁ fällt - im Gegensatz zum reinen Freilaufstrom nach Fig. 1b) - eine größere Spannung, z. B. 9 V, ab, weil Q₁ nun die Spannung an der Z-Diode D₂ regelt. Über Q₂ kann ein entsprechender Strom I_Q2, wie in Fig. 2a im 4. Zeitintervall angedeutet ist, über U⁻ abfließen (Fig. 1c). Eine zu t₄ noch in L₁ vorhandene Magnetisierung und damit I_L1 bauen sich entsprechend schneller als im 3. Zeitintervall ab. Bei t₅ ist L₁ vollständig abmagnetisiert, d. h., es fließt kein Strom I_L1 mehr (I_L1 = 0).
• - 5. Zeitintervall (t₅ < t < t₆):
  Bevor die in der Phase 1 induzierte Spannung positiv wird, d. h. vor t₆, muß die Verbindung der Phase 1 zur Spannung U⁺ durch D₁ und Q₁ unterbrochen werden, da es sonst praktisch einen Kurzschluß gibt.

Claims (4)

1. Verfahren zum elektronischen Steuern von kommutatorlo­ sen unipolaren mehrphasigen Gleichstrommotoren,
bei dem jede Phase (1, 2, 3) jeweils durch einen extern ansteuerbaren Schalter (Q₂) gesteuert wird, wobei die Phase-Spannung oder der Strom (I_L1) an der Eigeninduk­ tivität (L₁) der Wicklung der jeweiligen Phase (1, 2, 3) sowohl durch externes Ansteuern des Schalters (Q₂) als auch durch einen Freilaufstromkreis, wenn der Schalter (Q₂) extern nicht angesteuert wird, geregelt wird, und
bei dem der Freilaufstromkreis mit einem weiteren, ex­ tern ansteuerbaren Schalter (Q₁) zumindest dann unter­ brochen wird, wenn die in der jeweiligen Phase indu­ zierte Spannung ihr Vorzeichen ändert.

2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der weitere Schalter (Q₁) den Freilaufstrom­ kreis so lange wie möglich frei gibt.

3. Steuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach der Unterbrechung des Freilaufstrom­ kreises durch den weiteren Schalter (Q₁) der extern nichtangesteuerte Schalter (Q₂) oder der extern nicht­ angesteuerte weitere Schalter (Q₁) vom Freilaufstrom­ kreis intern angesteuert wird.

4. Elektronische Schaltungsanordnung zum elektronischen Steuern von kommutatorlosen unipolaren mehrphasigen Gleichstrommotoren, mit jeweils einem extern ansteuer­ baren Schalter (Q₂) und einem Freilaufstromkreis für jede Phase (1, 2, 3), insbesondere zum Durchführen des Steuerverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen im Freilaufstromkreis vorge­ sehenen weiteren, extern ansteuerbaren Schalter (Q₁).