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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Gleichspannungs-Elektromotors mit
elektronischer Kommutierung.
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Derartige
Elektromotoren werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Antrieb
einer Wasserumwälzpumpe
eingesetzt. Der Elektromotor kann grundsätzlich ohne jede Regelung bzw.
Kontrolle der Ist-Drehzahl betrieben werden, jedoch besteht dann die
Gefahr, dass es zu Schrittfehlern und/oder zum unerwünschten
Motorstillstand kommen kann. Wenn der Elektromotor bei sich häufig ändernden
Randbedingungen eingesetzt wird, wie dies beispielsweise beim Antrieb
einer Wasserumwälzpumpe
in Kraftfahrzeugen der Fall ist, ist zur Vermeidung eines unerwünschten
Stillstands eine Steuerung bzw. Regelung der Motordrehzahl erforderlich.
Hierzu ist wiederum eine Rotor-Lageerkennung
erforderlich.
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Die
Rotor-Lageerkennung kann mit einem Sensor beispielsweise durch einen
Hall-Geber erfolgen, oder aber sensorlos durch die Detektion der
von dem Motorrotor in den Wicklungssträngen induzierten Induktionsspannung,
der sogenannten EMK-Spannung. Hierzu wird bei drei- oder mehrsträngigen Elektromotoren
jeweils an einem nicht bestromten Wicklungsstrang die von dem Motorrotor
induzierte Induktionsspannung gemessen und hieraus auf die Rotorlage
geschlossen. Bei einem einsträngigen
Elektromotor ist der eine Wicklungsstrang im Prinzip ständig bestromt,
so dass die von dem Rotor induzierte Induktionsspannung nicht überlagerungsfrei
gemessen werden kann. Auch bei zweisträngigen Elektromotoren kann
die von dem Rotor in den Wicklungssträngen induzierte Induktionsspannung nicht überlagerungsfrei
bestimmt werden, da die beiden Wicklungsstränge in der Regel durch das
Statoreisen elektromagnetisch derart gekoppelt sind, dass die durch
den Rotor in dem unbestromten Wicklungsstrang induzierte Induktionsspannung
von Störungen,
die von dem bestromten Wicklungsstrang stammen, überlagert wird. Daher wird
bei ein- oder zweisträngigen
Elektromotoren die Rotor-Lageerkennung
in der Regel durch einen Lagersensor, häufig in Form eines Hallsensors
vorgenommen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, ein
Verfahren zu Steuerung eines Gleichspannungs-Elektromotors mit elektronischer
Kommutierung zu schaffen, das ohne einen Rotor-Lagesensor auskommt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Patentsanspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der Erfindung
sind beim Betrieb des Elektromotors mit konstanter Nenndrehzahl
folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
- – Bestromung
des Wicklungsstrangs für
eine konstante Zeitdauer, nach Beendigung der Bestromung:
- – Bestimmung
der durch den Rotor in dem Wicklungsstrang induzierten Induktionsspannung,
- – Vergleich
der Induktionsspannung mit einem festgelegtem Induktions-Spannungswert, und
- – Starten
der folgenden Wicklungsstrang-Bestromung, sobald die Induktionsspannung
den festgelegten Spannungswert erreicht.
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Der
aktive bestromte Wicklungsstrang wird also jeweils mit Hilfe der
Versorgungs-Gleichspannung für
eine konstante Zeitdauer bestromt. Nach Ablauf der konstanten Zeitdauer
wird die Bestromung des betreffenden Wicklungsstranges beendet und der
Wicklungsstrang elektrisch isoliert. Der Rotor rotiert auf Grund
seiner Gesamtträgheit
weiter und induziert dadurch in dem abgeschalteten Wicklungsstrang
eine Induktionsspannung, auch EMK-Spannung genannt. Diese in dem abgeschalteten
Wicklungsstrang induzierte Induktionsspannung wird gemessen.
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Die
in dem Wicklungsstrang induzierte Induktionsspannung ist u.a. abhängig von
der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit und von der Lage des Rotors
im Verhältnis
zu dem betreffenden Wicklungsstrang. Je weniger sich der oder die
betreffenden Rotor-Polarme überdecken
mit dem oder den von dem Wicklungsstrang erfassten Stator-Polarmen,
desto schwächer
kann beispielsweise die in dem betreffenden Wicklungsstrang von
dem Motorrotor induzierte Induktionsspannung werden. Zur Rotor-Lageerkennung
wird eine Rotorlage gewählt,
bei der die in dem betreffenden Wicklungsstrang induzierte Induktionsspannung
einen Wert einnimmt, der möglichst
eindeutig ist bezüglich
der Rotorlage. Dies kann, muss aber nicht, ein Nulldurchgang sein.
Die betreffende Induktionsspannung bei dieser Rotorlage entspricht dem
festgelegten Induktions-Spannungswert. Sobald die gemessene Induktionsspannung
mit dem festgelegtem Induktions-Spannungswert übereinstimmt, bzw. diesen über- bzw.
unterschreitet, wird die Wicklungsstrang-Bestromung des folgenden
Wicklungsstranges mit keiner oder mit einer festgelegten Verzögerung ausgelöst. Die
zeitlich folgende Wicklungsstrang-Bestromung kann denselben Wicklungsstrang mit
umgekehrter Polarisierung oder aber einen weiteren Wicklungsstrang
betreffen.
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Die
Bestromung des Wicklungsstranges erfolgt für eine quasi-konstante Zeitdauer,
während
die Nichtbestromungs-Dauer nicht konstant ist, sondern so lange
andauert, bis die gemessene Induktionsspannung den festgelegten Induktions-Spannungswert
erreicht, d.h. der Motorrotor einen bestimmten rotatorischen Punkt
bzw. (Dreh-) Winkel am Stator passiert. Bei Anstieg des Motor-Lastmomentes über einen
Nennwert sinkt die Drehzahl des Motors ab, so dass die Zeitdauer
der Nichtbestromung länger
wird. Hierdurch werden Schrittfehler, die zum Stillstand des Elektromotors
führen
könnten,
vermieden. Bei einer Verringerung des Motor-Lastmomentes steigt
die Elektromotor-Drehzahl
zwar geringfügig
an, kann sich jedoch über
eine maximale Nenndrehzahl hinaus nicht wesentlich erhöhen, da
die Bestromungs-Zeitdauer auf einen konstanten Wert begrenzt ist,
was – eine
konstante bzw. nicht ansteigende Versorgungsspannung angenommen – eine immanente
Leistungsbegrenzung darstellt. Im Betrieb bei Nenndrehzahl ist der
auf diese Weise gesteuerte Elektromotor daher sehr störungsunanfällig.
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Bei
entsprechender technischer Auslegung ist die beschriebene Steuerung
kaum bemerkbar, da die Pausenzeiten so kurz bemessen sind, dass
sie im Bereich der ohnehin vorhandenen Umkommutierungs-Pause liegen.
Um die Nenndrehzahl herum verhält
sich der Elektromotor daher ähnlich
wie ein herkömmlicher
und mit einem Hall-Sensor ausgestatteter Elektromotor.
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Vorzugsweise
ist die quasi-konstante Bestromungs-Zeitdauer abhängig von
der Versorgungsspannung. Wenn die Versorgungsspannung von der Nennspannung
auf eine Unterspannung abfällt,
wird die konstante Bestromungs-Zeitdauer möglichst proportional verlängert, um
den durch den Spannungsabfall bedingten Leistungsverlust zu kompensieren. Das
gleiche erfolgt entsprechend bei Überspannung, die durch eine
Verkürzung
der Bestromungs-Zeitdauer kompensiert wird.
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Vorzugsweise
ist zur Steuerung des Elektromotors ein Steuerungsmodul vorgesehen,
das zur Taktung einen RC-Oszillator aufweist, der an die Elektromotor-Versorgungsspannung
angeschlossen ist. Die Taktfrequenz des RC-Oszillators ist spannungsabhängig. Sie
steigt mit höher
werdender Versorgungsspannung und fällt mit niedrig werdender Versorgungsspannung proportional.
Hierdurch ändert
sich ebenfalls annähernd
proportional die Bestromungs-Zeitdauer für die Bestromung des Wicklungsstranges,
da diese in dem digitalen Steuerungsmodul als ein Vielfaches des
Oszillator-Taktes festgelegt ist. Die Bestromungs-Zeitdauer ist
also annähernd
umgekehrt proportional zur Versorgungsspannung ausgelegt. Als positiver
Nebeneffekt ergeben sich entsprechende versorgungsspannungsabhängige Einflüsse auch
für die
Ausrichtphase und die Hochlaufphase des Elektromotors, die ebenfalls durch
das Steuermodul gesteuert werden. Dies führt zu einem sicheren Betrieb
des Elektromotors, auch wenn die Versorgungsspannung unter- oder
oberhalb der Nennspannung liegt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung wird die Drehzahl überwacht und bei Überschreitung oder
Unterschreitung einer jeweiligen Grenzdrehzahl die Bestromung bzw.
die quasi-konstante Bestromungs-Zeitdauer entsprechend geändert. Neben
der immanenten Selbstregelung bietet eine echte separate Drehzahl-Überwachung
eine erhöhte
Betriebssicherheit vor unerwünschten
Zuständen,
was bei einer Kraftfahrzeug-Kühlmittelpumpe
von großer
Bedeutung ist.
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Vorzugsweise
ist die Bestromungs-Zeitdauer zur Einstellung des konstanten Nenndrehzahl-Bereiches
einstellbar. Die Drehzahleinstellung erfolgt durch Änderung
der Bestromungs-Zeitdauer. Durch Verringerung der Bestromungs-Zeitdauer wird die Drehzahl
erhöht,
durch Verlängerung
der Bestromungs-Zeitdauer
wird der Nenndrehzahlbereich verringert.
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Vorzugsweise
erfolgen während
der Bestromungs-Zeitdauer zur Einstellung der Nenndrehzahl Austastungen
der Bestromung mit einstellbarer Häufigkeit und Dauer. Zum Einstellen
der Nenndrehzahl wird nicht die Brutto-Bestromungs-Zeitdauer verändert, sondern
wird während
der gesamten Phase der Bestromung die Bestromung einmal oder mehrfach unterbrochen.
Auf diese Weise wird ein gleichmäßigerer
Lauf des Elektromotors erreicht, da die bestromungsfreien Phasen
relativ kurz gehalten werden können.
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Im
folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Eine schematische Darstellung eines einsträngigen Gleichspannungs-Elektromotors
im Querschnitt,
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2:
ein schematisches Schaltbild des Elektromotors der 1,
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3:
ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes des elektrischen Stroms und
der elektrischen Spannung des Elektromotors der 1 und 2,
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4:
eine schematische Darstellung eines zweisträngigen Gleichspannungs-Elektromotors, und
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5:
eine schematische Darstellung des Schaltbildes des Elektromotors
der 4.
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In
den 1 und 2 ist ein einsträngiger elektronisch
kommutierter Gleichspannungs-Elektromotor 10 mit einem
Außen-Rotor 12 und
einem Innen-Stator 14 schematisch im Querschnitt dargestellt.
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Der
Elektromotor 10 dient beispielsweise zum Antrieb einer
Wasserumwälzpumpe
in einem Kraftfahrzeug und wird bei einer Nenndrehzahl un = 3000 U/min betrieben. Der Elektromotor 10 kann
jedoch auch zum Antrieb anderer Kfz-Aggregate verwendet werden,
die typischer Weise mit einer konstanten Nenndrehzahl betrieben
werden, beispielsweise Kühlergebläse oder
Strömungspumpen.
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Der
Rotor 12 ist permanent erregt und vierpolig ausgebildet.
Der Innenstator 14 ist ebenfalls vierpolig ausgebildet
und weist vier Polarme 16 auf. Die vier Polarme 16 tragen
jeweils eine Polwicklung 18. Jede Polwicklung 18 wird
von einem einzigen fortlaufenden Wicklungsstrang 20 gebildet.
Die Polarisierung der Polwicklungen 18 ist abwechselnd,
so dass gegensinnig gewickelte Polwicklungen 18 jeweils
benachbart zueinander angeordnet sind. Bei einer Bestromung des
Wicklungsstranges 20 werden alle Polwicklungen 18 gleichzeitig
bestromt. Zum Erzeugen eines zirkulierenden elektromagnetischen Wanderfeldes
wird der Wicklungsstrang 20 mit alternierender Stromrichtung
bestromt.
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In
der 2 ist eine Steuervorrichtung 30 zum Steuern
des Elektromotors 10 dargestellt. Der Wicklungsstrang 20 wird über vier
Leistungs-Halbleiter 32 aus einer Versorgungsspannung UV mit alternierender Polarität bestromt.
Die vier Leistungs-Halbleiter 32 bilden gemeinsam eine
sogenannte H-Brücke 34.
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An
beiden Enden des Wicklungsstranges 20 wird über elektrische
Leitungen von einem EMK-Sensormodul 36 während der
Bestromungs-Pausen eine durch den rotierenden Rotor 12 in
dem Wicklungsstrang 20 induzierte Induktionsspannung UI gemessen, die auch EMK-Spannung genannt
wird.
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Die
Steuerung und Regelung des Elektromotors 10 erfolgt durch
ein Steuerungsmodul 38, dass beispielsweise als ein Einplatinencomputer
oder als ein sog. ASIC ausgebildet sein kann.
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Bei
Betrieb des Elektromotors 10 mit Nenndrehzahl wird der
Wicklungsstrang 20 für
eine konstante Zeitdauer tB bestromt, was
in der 3 als Bestromungsphase 40 dargestellt
ist. Nach der konstanten Zeitdauer tB wird
die Bestromung des Wicklungsstranges 20 beendet und der
Wicklungsstrang 20 durch die Leistungs-Halbleiter 32 elektrisch
isoliert. Der auf Grund seiner Massenträgheit weiter rotierende Rotor 12 induziert über die
Stator-Polarme 16 und die Polwicklungen 18 in
dem Wicklungsstrang 20 eine Induktionsspannung UI, die in ihrer Höhe u.a. von der Drehzahl und
insbesondere der Lage des Rotors 12 zum Stator 14 abhängt. Diese
Phase ist in 3 als Induktionsphase 42 dargestellt.
Die Induktionsspannung UI erreicht bzw.
durchschreitet bei einer bestimmten rotartorischen Position des
Rotors 12 zu dem Stator 14 einen festgelegten
Induktions-Spannungswert U1, beispielsweise
0 Volt. Sobald die von dem EMK-Sensormodul 36 gemessene und
bestimmte Induktionsspannung UI den festgelegten
Induktions-Spannungswert
U1 erreicht, löst das Steuerungsmodul 38 die
folgende Bestromungsphase 40' aus.
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In
dem Diagramm der 3 ist oben der Stromverlauf
und unten der Spannungsverlauf über die
Zeit dargestellt.
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Der
Punkt, bei dem die Induktionsspannung UI den
Induktions-Spannungswert U1 = 0 Volt erreicht,
bzw. durchschreitet, ist als Schaltpunkt 41, 41' gekennzeichnet.
Während
der reinen Induktionsphasen 42, 42', 42'' ist
die Induktionsspannung UI alleine „sichtbar". Während der
Bestromungsphase 40, 40' ist die eigentliche Induktionsspannung
UI überlagert durch
die Spannung, die zur Erzeugung eines Drehmomentes in den Wicklungsstrang 20 eingespeist wird.
Mit unterbrochener Linie ist die reine Induktionsspannung UI während
der Betromungsphasen 40, 40', dargestellt.
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Die
Bestromungs-Zeitdauer wird in Anhängigkeit von der Versorgungsspannung
UV eingestellt. Dies wird dadurch realisiert,
dass das Steuerungsmodul 38 extern durch einen RC-Oszillator 48 getaktet
wird, der an die Elektromotor-Versorgungsspannung UV angeschlossen
ist. Die Taktfrequenz des RC-Oszillator 48 ist auf diese
Weise annähernd
proportional abhängig
von der Versorgungsspannung UV. Bei niedriger
Versorgungsspannung UV ist die Bestromungsphase 40 entsprechend
verlängert,
bei hoher Versorgungsspannung UV ist die
Bestromungphase 40 entsprechend verringert. Auf diese Weise wird
die dem Wicklungsstrang 20 zugeführte elektrische Leistung versorgungsspannungsunabhängig auf
einen konstanten Betrag begrenzt, was eine immanente Drehzahlbegrenzung
darstellt.
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Das
Steuerungsmodul 38 nimmt ferner eine Überwachungsfunktion ein, indem
es die Drehzahl des Elektromotors 10 anhand der zeitbezogenen
Anzahl der Bestromungsphasen 40 ermittelt und kontrolliert.
Bei wesentlicher Über-
oder Unterschreitung der Nenndrehzahl wird durch das Steuerungsmodul 38 in
die Motorsteuerung unmittelbar eingegriffen und der Elektromotor
ggf. angehalten.
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Der
Elektromotor 10 dreht durch die immanente Leistungsbegrenzung
bei konstanter Drehmomentlast mit einer konstanten Drehzahl bzw.
in einem konstanten engen Drehzahl-Bereich. Durch Änderung
der Bestromungs-Zeitdauer
und/oder durch Änderung
der Häufigkeit
und Dauer von Austastungen der Bestromung während der Bestromungsphase kann
die Nenndrehzahl bzw. der Nenndrehzahl-Bereich eingestellt werden.
Auf diese Weise kann innerhalb bestimmter Grenzen die Nenndrehzahl
dauerhaft eingestellt werden, bzw. auch bedarfsabhängig geändert werden.
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In
den 4 und 5 sind ein zweisträngiger Elektromotor 10' und die Steuerschaltung 30' hierfür dargestellt.
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Die
Polwicklungen 18' 18'' des Stators 14 werden
durch zwei Wicklungsstränge 50, 51 gebildet, die
jeweils die beiden einander gegenüber liegenden Polwicklungen 18, 18'' bilden, und alternierend bestromt
werden.
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Wie
in 5 dargestellt, ist die Leistungselektronik in
Form zweier Leistungs-Halbleiter 32 einfacher
als bei dem einsträngigen
Elektromotor 10 der 1 und 2 ausgebildet,
da eine Umpolung der Wicklungsstränge 50, 51 entfällt. Das
EMK-Sensormodul 36 ermittelt und bestimmt die von dem Rotor 12 in
dem Stator 14' induzierte
Induktionsspannung UI jeweils gegen die
Versorgungsspannung UV oder gegen Masse.
Die Funktion des Sensormoduls 36 ist im übrigen jedoch
grundsätzlich
die gleiche wie bei dem einsträngigen
Motor der 1 und 2.
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Durch
die Bestromung des Wicklungsstranges 20 bzw. der Wicklungsstränge 50, 51 mit
einer konstanten Zeitdauer und der Rotor-Lagebestimmung, durch Beobachten
der induzierten EMK-Induktionsspannung, sowie durch Auslösen der
folgenden Wicklungsstrang-Bestromung sobald die gemessene Induktionsspannung
einen festgelegten Induktionsspannungswert erreicht, wird zum einen
eine hohe Betriebssicherheit und durch den Verzicht auf einen Rotor-Lagesensor
zum anderen ein einfacher und preiswerter Aufbau realisiert.