DE19919035A1

DE19919035A1 - Elektronisch kommutierbarer Motor

Info

Publication number: DE19919035A1
Application number: DE19919035A
Authority: DE
Inventors: Thomas Weigold; Johannes Pfetzer; Guenther Riehl; Matthias Schmitz; Gerta Rocklage; Torsten Heidrich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-11-02
Also published as: US6388409B1; EP1092263A1; WO2000065709A1; JP2002543747A; CN1302475A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierbaren Motor, dessen Erregerwicklungen des Stators zur Erzeugung eines Drehfeldes für den Dauermagnet-Rotor mit einer Kommutierungsfrequenz mit einer Versorgungsgleichspannung verbindbar und von dieser trennbar sind, wobei die Erregerwicklungen über Halbleiter-Endstufen schaltbar sind, die mittels Steuersignalen mit der Kommutierungsfrequenz einer Steuereinheit ansteuerbar sind und deren Betriebsbedingungen sich in Abhängigkeit eines vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwertes ändern. Die Nachteile von Motoren mit pulsweitenmodulierter Steuerung der Erregerwicklungen lassen sich mit vereinfachter Motorsteuerung dadurch vermeiden, dass die Versorgungsgleichspannung einem Gleichstrom-Wandler zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung für die Halbleiter-Endstufen mit den Erregerwicklungen sich in Abhängigkeit vom Sollwert ändert und dass die Steuereinheit unabhängig vom Sollwert die Halbleiter-Endstufen mit ungetakteten Steuersignalen mit der Kommutierungsfrequenz stets voll durchsteuert.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierbaren Motor, dessen Erreger wicklungen des Stators zur Erzeugung eines Drehfeldes für den Dauermagnet- Rotor mit einer Kommutierungsfrequenz mit einer Versorgungsgleichspannung verbindbar und von dieser trennbar sind, wobei die Erregerwicklungen über Halbleiter-Endstufen schaltbar sind, die mittels Steuersignalen mit der Kommu tierungsfrequenz einer Steuereinheit ansteuerbar sind und deren Betriebsbe dingungen sich in Abhängigkeit eines vorgegebenen oder vorgebbaren Soll wertes ändern.

Derartigen Motoren ist üblicherweise eine Steuereinheit zugeordnet, die mit puls weitenmodulierten Steuersignalen die Halbleiterschalter der Halbleiter-Endstufen ansteuert. Die Taktfrequenz der getakteten Steuersignale liegt daher im Hochfre quenzbereich, während die Kommutierungsfrequenz der Steuersignale abhängig vom Aufbau des Motors und der Drehzahl des Motors ist und dabei wesentlich niedriger ist. Die Halbleiter-Endstufen schalten dabei die angelegte Versorgungs gleichspannung, die z. B. beim Einsatz derartiger Motoren in einem Kraftfahrzeug von der Batterie des Fahrzeuges gebildet wird. Die Leistungs- und/oder Dreh zahlregelung bei diesen Motoren erfolgt durch Ändern der Pulsweite der Takt impulse der getakteten Steuersignale.

Bei diesen Motoren ergeben sich beim Einsatz verschiedene Probleme. In der Steuereinheit sind teuere Halbleiterschalter und Treiberschaltungen erforderlich und außerdem tritt in dieser eine hohe Verlustleistung auf. Dies zieht wiederum einen Aufwand zur Kühlung der Halbleiter in der Steuereinheit nach sich. Da die Steuereinheit direkt mit der Versorgungsgleichspannung, z. B. dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges, gekoppelt ist, entstehen große EMV-Störsignale, die aufwen dige Entstörschaltungen bedingen. Der Motor ist in verschiedenen Auslegungen bereit zu stellen, wenn unterschiedlich große Versorgungsgleichspannungen vor handen sind. Durch die aufwendige Schaltungstechnik und den zusätzlichen Kühlungsaufwand wird der Motor in der Herstellung kostenintensiv.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektronisch kommutierbaren Motor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der ohne erhöhten Steuerungs- und Küh lungsaufwand die Nachteile der bekannten pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Erregerwicklungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass die Versorgungs gleichspannung einem Gleichstrom-Wandler zugeführt ist, dessen Ausgangs spannung für die Halbleiter-Endstufen mit den Erregerwicklungen sich in Ab hängigkeit vom Sollwert ändert und dass die Steuereinheit unabhängig vom Sollwert die Halbleiter-Endstufen mit ungetakteten Steuersignalen mit der Kom mutierungsfrequenz stets voll durchsteuert.

Bei dieser Ausgestaltung des Motors wird die Kommutierung und die Leistungs- oder Drehzahlveränderung aufgeteilt und getrennt vorgenommen. Die Steuerein heit übernimmt nur noch die Kommutierung, während die Leistungs- oder Drehzahlverstellung von einem Gleichstrom-Wandler übernommen wird, dessen Ausgangsspannung sich in Abhängigkeit von einem vorgegebenen oder vorgeb baren Sollwert ändert. Die Halbleiter-Endstufen mit den Erregerwicklungen werden von der Steuereinheit stets maximal durchgesteuert, so dass die Aus gangsspannung des Gleichstrom-Wandlers für die Leistungs- oder Drehzahlände rung verantwortlich ist.

Dadurch ergeben sich für den elektronisch kommutierbaren Motor nach der Erfindung eine Vielzahl von Vorteilen. Das hochfrequente, pulsweitenmodu lierte Takten der Steuersignale für die Halbleiter-Endstufen entfällt. Es können langsamere Halbleiterschalter und einfachere Treiberschaltungen verwendet wer den. Durch Hochsetzen der Bordnetzspannung über den Gleichstrom-Wandler er gibt sich bei gegebener Motorleistung eine Reduzierung des Motorstromes und damit der Verlustleistung in den Halbleiterschaltern. Die Halbleiterschalter können daher ohne aufwendige Kühlung betrieben werden. Da die Steuereinheit über den Gleichstrom-Wandler vom Bordnetz, d. h. der Versorgungsgleich spannung, entkoppelt ist und kein hochfrequentes Takten in der Steuereinheit mehr erforderlich ist, resultiert daraus ein niedriger EMV-Störpegel, so dass ein geringerer Entstöraufwand erforderlich wird. Die Steuereinheit ist durch die Reduzierung auf die Funktion der Kommutierung ohne Mikrocomputer realisier bar, sie ist daher auch bei höheren Temperaturen einsetzbar. Die Steuerung des Gleichstrom-Wandlers ist ohne Mikrocomputer ausführbar, es wird lediglich der elektronische Schalter mit eventuellem Treiber und einer einfach aufzubauenden Regelschaltung im Gleichstrom-Wandler erforderlich.

Nach einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Gleichstrom-Wandler mit einer Speicherdrossel, einem Glättungskondensator, einer Entkopplungsdiode und einem elektronischen Schalter in bekannter Weise aufgebaut ist, wobei der Schalter mit einer Taktfrequenz geschaltet wird und die Pulsweite der Schalt impulse sich in Abhängigkeit des Sollwertes ändert. Selbstverständlich können auch anders aufgebaute und anders steuerbare Gleichstrom-Wandler eingesetzt werden. Die Regelung kann dabei so erfolgen, dass dem Gleichstrom-Wandler ein Regler zur Ableitung der Pulsweite der Schaltimpulse für den elektronischen Schalter zugeordnet ist, dem der Sollwert und die Ausgangsspannung des Gleichstrom-Wandlers zugeführt sind.

Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Gleichstrom-Wandlers vom Soll wert kann dabei so ausgeführt sein, dass mit zunehmendem oder abnehmendem Sollwert die Pulsweite der Schaltimpulse des elektronischen Schalters und damit die Ausgangsspannung des Gleichstrom-Wandlers zunimmt oder abnimmt.

Mit der sich ändernden Ausgangsspannung des Gleichstrom-Wandlers verändert sich die Leistung und/oder die Drehzahl des Motors.

Nach einer weiteren Ausgestaltung bietet der Gleichstrom-Wandler dadurch weitere Variationsmöglichkeiten, dass die Ausgangsspannung größer oder kleiner ist als die Versorgungsgleichspannung und dass die Zunahme oder Abnahme der Ausgangsspannung des Gleichstrom-Wandlers von der Zunahme oder der Abnahme des Sollwertes abhängig ist.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs beispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Motors mit Gleichstrom-Wandler und einfacher Steuereinheit und

Fig. 2 im schematischen Stromlauf ein Ausführungsbeispiel des Motors nach Fig. 1.

Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, speist die Versorgungsgleichspannung U_batt, z. B. die Batterie eines Kraftfahrzeuges, einen Gleichstrom-Wandler DC/DC-W, der von einem Regler RG in Abhängigkeit von einem vorgegebenen oder vorgeb baren Sollwert U_soll eine Ausgangsspannung U_m abgibt. Dabei kann mit zunehmendem oder abnehmendem Sollwert U_soll die Ausgangsspannung U_m zunehmen oder abnehmen. Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung U_m vom Sollwert U_soll kann beliebig gewählt und durch die Reglercharakteristik festgelegt sein. Die sich ändernde Ausgangsspannung U_m dient als Versorgungsgleich spannung für die Halbleiter-Endstufen EST mit den Erregerwicklungen des Motors M. Die Halbleiter-Endstufen EST des Motors werden während des Betriebes von einer Steuereinheit STE stets voll durchgesteuert, damit die Verluste in den Halbleiterschaltern der Halbleiter-Endstufen EST klein gehalten werden können. Die Steuersignale der Steuereinheit STE sind nicht mehr ge taktet und werden nur mit der Kommutierungsfrequenz den Halbleiter-Endstufen EST zugeführt. Die Steuereinheit STE ist daher einfach im Aufbau und erfordert keinen Mikrocomputer wie bei bekannten, elektronisch kommutierbaren Motoren mit pulsweitenmodulierten Steuersignalen.

Anhand der Fig. 2 wird ein Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei umfaßt der Gleichstrom-Wandler DC/DC-W eine Speicherdrossel L, einen Glättungskon densator C, eine Entkopplungsdiode D und einen elektronischen Schalter S. Die prinzipielle Funktion eines derartigen DC-/DC-Wandlers ist bekannt. Die Takt frequenz für den elektronischen Schalter S kann z. B. 100 kHz betragen. Mittels des Reglers RG wird das Pulsweitenverhältnis des Steuersignals für den Schalter S abhängig vom Sollwert U_soll und der Ausgangsspannung U_m des Gleichstrom- Wandlers DC/DC-W so nachgeführt, dass die Ausgangsspannung U_m ein Viel faches des Sollwertes U_soll ist. Dabei kann U_m größer oder kleiner als U_batt gewählt werden. Weitere Eingangsgrößen für den Regler RG können die Spannung U_batt oder der Strom aus der Spannung U_batt oder der Strom aus der Spannung U_m sein. Mittels des Reglers RG wird sicher gestellt, dass aus der Versorgungsgleichspannung U_batt des Bordnetzes eine vom Sollwert U_soll ab hängige variable Ausgangsspannung U_m abgeleitet wird, die den Halbleiter- Endstufen EST mit ihren Halbleiterschaltern T₁ bis T₂ (die als Schalter vereinfacht dargestellt sind) und Erregerwicklungen U, V und W als variable Versorgungs spannung U_m zugeführt wird. Über diese variable Betriebsspannung für den Motor erfolgt die Leistungs- oder Drehzahlverstellung. Die erforderlichen Freilaufdioden für die Erregerwicklungen U, V und W sind der Einfachheit halber in Fig. 2 nicht dargestellt. Die hochfrequente, getaktete Ansteuerung der Halbleiterschalter T₁bis T₆ entfällt, da die Steuersignale der Steuereinheit STE mit der Kommutierungsfrequenz die Ansteuerung der Halbleiterschalter T₁ bis T₂ übernehmen.

Wird, wie beim Ausführungsbeispiel, die Versorgungsgleichspannung U_batt von z. B. 12 V auf eine Betriebsspannung U_m von z. B. 12 V bis 42 V hochgesetzt, dann kann bei gleicher Motorleistung der zu schaltende Strom für die Erreger wicklungen U, V und W reduziert werden. Dies bietet die Möglichkeit, einfa chere, kostengünstigere Halbleiter in den Halbleiter-Endstufen EST einzusetzen. Da die Steuersignale für die Halbleiter-Endstufen EST auch nicht mehr mit hoher Schaltfrequenz getaktet werden, lassen sich auch Halbleiterschalter mit größeren Schaltzeiten einsetzen. Der Gleichstrom-Wandler DC/DC-W entkoppelt zudem den Motor M von der Versorgungsgleichspannung U_batt und es entsteht darauf ein wesentlich geringerer EMV-Störpegel.

Das Wandlerprinzip des DC/DC-Wandlers kann auch anders sein, und der Motor M kann mit anderen Strom- und Spannungswerten betrieben werden. Der Gleichstrom-Wandler DC/DC-W kann die Versorgungsgleichspannung U_batt von z. B. 42 V auch auf eine Betriebsspannung U_m von 12 V bis 42 V herabsetzen. Die Schaltfrequenz für den elektronischen Schalter S des Gleichstrom-Wandlers DC/DC-W kann auch variabel sein.

Die Erfindung ist durch entsprechende Anpassung des Gleichstrom-Wandlers DC/DC-W mit dem Regler RG und der Steuereinheit STE mit den Halbleiter- Endstufen EST auf verschiedene Bauarten des Motors M mit unterschiedlicher Anzahl von Erregerwicklungen auslegbar, wobei durch Dimensionierung der Bauteile auch unterschiedliche Betriebsdaten des Motors M erreicht werden können.

Claims

1. Elektronisch kommutierbarer Motor, dessen Erregerwicklungen des Stators zur Erzeugung eines Drehfeldes für den Dauermagnet-Rotor mit einer Kommutierungsfrequenz mit einer Versorgungsgleichspannung ver bindbar und von dieser trennbar sind, wobei die Erregerwicklungen über Halbleiter-Endstufen schaltbar sind, die mittels Steuersignalen mit der Kommutierungsfrequenz einer Steuereinheit ansteuerbar sind und deren Betriebsbedingungen sich in Abhängigkeit eines vorgegebenen oder vorgebbaren Sollwertes ändern, dadurch gekennzeichnet,
dass die Versorgungsgleichspannung (U_batt) einem Gleichstrom-Wandler (DC/ DC-W) zugeführt ist, dessen Ausgangsspannung (U_m) für die Halbleiter-Endstufen (EST) mit den Erregerwicklungen (U, V, W) sich in Abhängigkeit vom Sollwert (U_soll) ändert und
dass die Steuereinheit (STE) unabhängig vom Sollwert (U_soll) die Halbleiter- Endstufen (EST) mit ungetakteten Steuersignalen mit der Kommutierungs frequenz stets voll durchsteuert.

2. Elektronisch kommutierbarer Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom-Wandler (DC/DC-W) mit einer Speicherdrossel (L), einem Glättungskondensator (C), einer Entkopplungsdiode (D) und einem elektronischen Schalter (S) in bekannter Weise aufgebaut ist, wobei der Schalter (S) mit einer Taktfrequenz (z. B. 100 kHz) geschaltet wird und die Pulsweite der Schaftimpulse sich in Abhängigkeit des Sollwertes (U_soll) ändert.

3. Elektronisch kommutierbarer Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmendem oder abnehmendem Sollwert (U_soll) die Pulsweite der Schaltimpulse des elektronischen Schalters (S) und damit die Aus gangsspannung (U_m) des Gleichstrom-Wandlers (DC/DC-W) zunimmt oder abnimmt.

4. Elektronisch kommutierbarer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gleichstrom-Wandler (DC/DC-W) ein Regler (RG) zur Ableitung der Pulsweite der Schaltimpulse für den elektronischen Schalter (S) zuge ordnet ist, dem der Sollwert (U_soll) und die Ausgangsspannung (U_m) des Gleichstrom-Wandlers (DC/DC-W) zugeführt sind.

5. Elektronisch kommutierbarer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit der sich ändernden Ausgangsspannung (U_m) des Gleichstrom- Wandlers (DC/DC-W) die Leistung und/oder die Drehzahl des Motors (M) veränderbar ist.

6. Elektronisch kommutierbarer Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausgangsspannung (U_m) größer oder kleiner ist als die Versor gungsgleichspannung (U_batt) und
dass die Zunahme oder Abnahme der Ausgangsspannung (U_m) des Gleich strom-Wandlers (DC/DC-W) von der Zunahme oder der Abnahme des Soll wertes (U_soll) abhängig ist.

7. Elektronisch kommutierbarer Motor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfrequenz für den elektronischen Schalter (S) des Gleich strom-Wandlers (DC/DC-W) variabel ist.