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DE102013014480A1 - Method for operating an electric motor - Google Patents

Method for operating an electric motor Download PDF

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Publication number
DE102013014480A1
DE102013014480A1 DE102013014480.9A DE102013014480A DE102013014480A1 DE 102013014480 A1 DE102013014480 A1 DE 102013014480A1 DE 102013014480 A DE102013014480 A DE 102013014480A DE 102013014480 A1 DE102013014480 A1 DE 102013014480A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
pwm
phase
motor
voltage
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102013014480.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Mario Ruoff
Martin Winker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MinebeaMitsumi Inc
Original Assignee
Minebea Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Minebea Co Ltd filed Critical Minebea Co Ltd
Priority to DE102013014480.9A priority Critical patent/DE102013014480A1/en
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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors (2) an einer Betriebsgleichspannung (Vin) mittels einer vollgeschalteten Brückenschaltung (11) mit Halbleiterchaltern (Q). Das Verfahren weist vorzugsweise zwei Betriebsphasen auf, die nach jedem Einschalten des Motors (2) nacheinander durchlaufen werden. Eine Startphase (21), in der der Motor (2) aus dem Stillstand beschleunigt wird, und eine Laufphase (22), die sich an die Startphase (21) anschließt. Wenn die Betriebsgleichspannung (Vin) während der Startphase (21) kleiner als eine definierte Schwellenspannung (VTL) ist, erfolgt eine Stromregelung mittels einer Pulsweitenmodulation, wobei die PWM mit einer PWM-Frequenz F1 betrieben wird (16). Wenn in der Startphase (21) die Betriebsgleichspannung (Vin) größer oder gleich einer definierten Schwellenspannung (VTL) ist, wird die PWM-Frequenz auf eine Frequenz F2 reduziert (17), wobei die PWM-Frequenz F2 kleiner als die PWM-Frequenz F1 ist. Der Übergang von der Startphase (21) in die Laufphase (22) erfolgt aufgrund einer vorgegebenen Übergangsbedingung.The invention relates to a method for operating a brushless DC motor (2) on a DC operating voltage (Vin) by means of a fully connected bridge circuit (11) with semiconductor switches (Q). The method preferably has two operating phases, which are run through each time the motor (2) is switched on one after the other. A starting phase (21), in which the engine (2) is accelerated from standstill, and a running phase (22), which adjoins the starting phase (21). If the DC operating voltage (Vin) during the start phase (21) is less than a defined threshold voltage (VTL), a current control by means of a pulse width modulation, wherein the PWM is operated with a PWM frequency F1 (16). In the starting phase (21), when the DC operating voltage (Vin) is greater than or equal to a defined threshold voltage (VTL), the PWM frequency is reduced to a frequency F2 (17), the PWM frequency F2 being less than the PWM frequency F1 is. The transition from the start phase (21) into the running phase (22) takes place due to a predetermined transition condition.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors an einer Brückenschaltung mit Halbleiterschaltern.The invention describes a method for operating an electric motor on a bridge circuit with semiconductor switches.

Der Elektromotor kann insbesondere durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor gegeben sein. Alternativ kann ein DC-Motor mit Bürsten oder ein Synchronmotor, beispielsweise ein Schrittmotor der auch als bürstenloser Gleichstrommotor betrieben werden kann, vorgesehen sein. Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) sind im Stand der Technik vielfältig bekannt. Ein Vorteil von BLDC-Motoren ist, dass sie elektronisch kommutiert werden. Dabei wird das Wechselfeld zum Antreiben der einzelnen Motorphasen von einem elektronischen Wechselrichter erzeugt, wodurch die Motoren wesentlich weniger verschleißanfällig sind als Motoren mit Bürstenkommutatoren. Die Drehzahl des Motors kann dabei durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) der Betriebsspannungen an den Wicklungen nahezu unabhängig von der Betriebsgleichspannung konstant geregelt werden. Aus diesem Grund ist es möglich, BLDC-Motoren so auszulegen, dass sie über einen weiten Betriebsspannungsbereich verwendbar sind, beispielsweise von 6 VDC bis 24 VDC. Die Motorwicklungen können dabei so ausgelegt sein, dass die Nenndrehzahl bereits bei einer relativ kleinen Spannung, die beispielsweise im Bereich zwischen 6 VDC und 15 VDC liegt, erreicht wird. Bei höheren Spannungen wird die Drehzahl über eine PWM geregelt.The electric motor can be given in particular by a brushless DC motor. Alternatively, a DC motor with brushes or a synchronous motor, for example a stepper motor which can also be operated as a brushless DC motor, may be provided. Brushless DC motors (BLDC motors) are well known in the art. An advantage of BLDC motors is that they are commutated electronically. In this case, the alternating field for driving the individual motor phases is generated by an electronic inverter, whereby the motors are much less susceptible to wear than motors with brush commutators. The speed of the motor can be controlled by a pulse width modulation (PWM) of the operating voltages at the windings almost independent of the DC operating voltage. For this reason, it is possible to design BLDC motors to be usable over a wide operating voltage range, for example, from 6 VDC to 24 VDC. The motor windings can be designed so that the rated speed is already reached at a relatively low voltage, which is for example in the range between 6 VDC and 15 VDC. At higher voltages, the speed is controlled by a PWM.

Der Wechselrichter zum Umwandeln der Betriebsgleichspannung in die einzelnen Motorphasenspannungen kann beispielsweise als Brückenschaltung mit Halbleiterschaltern realisiert sein, insbesondere auch als Vollbrückenschaltung, die auch als B6C-Brücke bekannt ist. Daneben existieren noch zahlreiche andere Wechselrichterschaltungen, die dem Fachmann hinlänglich bekannt sind. Als Halbleiterschalter können insbesondere MOSFET-Schalter zur Verwendung kommen. Die Halbleiterschalter werden durch eine Steuerschaltung gesteuert, wobei die Steuerschaltung insbesondere einen Mikrocontroller aufweisen kann oder in diesem integriert sein kann. Die Brückenschaltung und entsprechende Steuerschaltungen sind im Stand der Technik vielzählig bekannt, weshalb hier nicht weiter auf Details eingegangen werden soll.The inverter for converting the operating DC voltage into the individual motor phase voltages can be realized for example as a bridge circuit with semiconductor switches, in particular as a full bridge circuit, which is also known as B6C bridge. In addition, there are numerous other inverter circuits that are well known to those skilled in the art. As a semiconductor switch in particular MOSFET switches can be used. The semiconductor switches are controlled by a control circuit, wherein the control circuit may in particular comprise a microcontroller or may be integrated in this. The bridge circuit and corresponding control circuits are widely known in the prior art, which is why details should not be discussed here.

Beispielsweise besitzen MOSFET-Schalter eine charakteristische Schaltzeit, die vergeht, bis nach dem Anlegen der Gatespannung die Drain-Source Strecke durchschaltet, das heißt ein Strom fließt. Die Einschaltzeit des MOSFET-Schalters liegt beispielsweise bei 4,5 μs. Diese Schaltzeit hängt unter anderem maßgeblich vom Innenwiderstand RDSon der Drain-Source-Strecke im eingeschalteten Zustand ab. In der Regel liegt dieser Widerstand in der Größenordnung von Milliohm. Durch Serienstreuung, insbesondere bei preisgünstigen MOSFETs kann dieser Widerstand durchaus größer sein, wodurch sich auch die Einschaltzeit verlängert.For example, MOSFET switches have a characteristic switching time, which elapses until after the application of the gate voltage, the drain-source path turns on, that is, a current flows. The turn-on time of the MOSFET switch is for example 4.5 μs. Among other things, this switching time depends largely on the internal resistance RDSon of the drain-source path in the switched-on state. In general, this resistance is on the order of milliohms. By series dispersion, especially in low-cost MOSFETs, this resistance can be quite larger, which also extends the turn-on time.

Das Problem, das der Erfindung zugrunde liegt, betrifft hauptsächlich Motoren, die für einen breiten Betriebsspannungsbereich ausgelegt sind. Da die Wicklung für die kleinste spezifizierte Spannung ausgelegt sein muss, muss bei höheren Spannungen der Motorstrom und/oder die Drehzahl beispielsweise durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) geregelt werden. Dabei definiert die Schaltzeit des MOSFET-Schalters die kürzest mögliche Einschalt-Zeit eines PWM-Taktes.The problem underlying the invention relates mainly to motors designed for a wide operating voltage range. Since the winding must be designed for the smallest specified voltage, the motor current and / or the speed must be controlled at higher voltages, for example by a pulse width modulation (PWM). In this case, the switching time of the MOSFET switch defines the shortest possible turn-on time of a PWM clock.

Es kann nun vorkommen, dass die Spannung so groß ist, dass der Motorstrom weit über dem Limit liegen würde oder eine geforderte Drehzahl überschritten wird. Um Drehzahl oder Strom auf das gewünschte Limit zu begrenzen und/oder zu regeln, wäre ein sehr kleines Tastverhältnis der PWM notwendig und damit eine sehr kurze Einschalt-Zeit des PWM-Taktes. Ist die notwendige Einschalt-Zeit des PWM-Taktes nun kürzer als die kürzestmögliche Schaltzeit des Halbleiterschalters, kann der Halbleiterschalter nicht mehr schalten und es fließt in diesem PWM-Takt kein Strom durch den Motor. In diesem Fall kann der Motor nicht gestartet werden.It may now happen that the voltage is so high that the motor current would be far above the limit or a required speed is exceeded. To limit speed and current to the desired limit and / or to regulate, a very small duty cycle of the PWM would be necessary and thus a very short turn-on time of the PWM clock. If the necessary switch-on time of the PWM clock is shorter than the shortest possible switching time of the semiconductor switch, the semiconductor switch can no longer switch and no current flows through the motor in this PWM cycle. In this case, the engine can not be started.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors zu schaffen, bei dem über einen weiten Betriebsspannungsbereich der Start und der geregelte Betrieb des Motors sichergestellt ist.The object of the invention is therefore to provide a method for operating an electric motor, in which over a wide operating voltage range of the start and the controlled operation of the engine is ensured.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst.This object is achieved by the method according to the main claim.

Der Betrieb des Motors ist dabei in mindestens zwei Betriebsphasen aufgeteilt, die nach jedem Einschalten des Motors nacheinander durchlaufen werden. Eine Startphase, in der der Motor aus dem Stillstand beschleunigt wird, und eine Laufphase, die sich an die Startphase anschließt.The operation of the engine is divided into at least two operating phases, which are run through each time the engine is turned on. A starting phase in which the engine is accelerated from standstill, and a running phase, which follows the starting phase.

In der Startphase, wenn die Betriebsgleichspannung kleiner als eine definierte Schwellenspannung ist, erfolgt eine Strombegrenzung und/oder eine Stromregelung mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM), wobei die PWM bevorzugt mit einer PWM-Frequenz F1 betrieben wird. Die PWM-Frequenz ist in der Regel größer als 16 kHz und liegt damit außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs, damit keine störenden Geräusche entstehen. Besonders bevorzugt ist die PWM-Frequenz größer als 20 kHz. Zur Begrenzung und/oder Regelung von Drehzahl und/oder Strom kann das Tastverhältnis der PWM geändert werden, wobei eine längere Einschalt-Zeit des PWM-Signals einen höheren Strom bzw. eine höhere Drehzahl mit sich bringt.In the starting phase, when the operating DC voltage is smaller than a defined threshold voltage, current limiting and / or current regulation takes place by means of a pulse width modulation (PWM), wherein the PWM is preferably operated with a PWM frequency F1. The PWM frequency is usually greater than 16 kHz and is thus outside the audible frequency range, so that no disturbing noises. Particularly preferably, the PWM frequency is greater than 20 kHz. To limit and / or regulate speed and / or current, the duty cycle of the PWM can be changed, wherein a longer turn-on time of the PWM signal brings a higher current or a higher speed with it.

Erfindungsgemäß erfolgt in der Startphase eine Strombegrenzung und/oder eine Stromregelung mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) zumindest dann, wenn die Betriebsgleichspannung (Vin) in der Startphase größer oder gleich einer definierten Schwellenspannung (VTL) ist, wobei die PWM bis zum Erreichen einer vorgegebenen Grenz-Drehzahl NG mit einer PWM-Frequenz F1 betrieben wird. Die Erfindung soll aber nicht drauf beschränkt sein, dass während der Startphase die Betriebsgleichspannung Vin > VTL ist, sondern kann auch unabhängig davon eingesetzt werden. Insbesondere kann das Umschalten der PWM-Frequenz in jedem Betriebspunkt abhängig von Vin und/oder Drehzahl des Motors erfolgen.According to the invention, current limiting and / or current regulation by means of pulse width modulation (PWM) takes place at least when the DC operating voltage (Vin) in the starting phase is greater than or equal to a defined threshold voltage (V TL ), the PWM until reaching a predetermined Limit speed N G is operated with a PWM frequency F1. The invention should not be limited to the fact that during the start phase, the DC operating voltage Vin> V TL , but can also be used independently. In particular, the switching of the PWM frequency in each operating point can be done depending on Vin and / or speed of the engine.

Die PWM-Frequenz ist vorzugsweise größer als 16 kHz und liegt damit außerhalb des hörbaren Frequenzbereichs, damit keine störenden Geräusche entstehen. Besonders bevorzugt ist die PWM-Frequenz größer als 20 kHz. Wenn die aktuelle Drehzahl beispielsweise unterhalb einer vorgegebenen Grenz-Drehzahl NG liegt, wird die PWM-Frequenz auf eine Frequenz F2 reduziert, wobei die PWM-Frequenz F2 kleiner als die PWM-Frequenz F1 ist.The PWM frequency is preferably greater than 16 kHz and is thus outside the audible frequency range, so that no disturbing noises. Particularly preferably, the PWM frequency is greater than 20 kHz. For example, if the current speed is below a predetermined limit speed N G , the PWM frequency is reduced to a frequency F2, where the PWM frequency F2 is less than the PWM frequency F1.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die PWM-Frequenz F1 jedoch nur dann ab dem Erfüllen einer Übergangsbedingung, beispielsweise ab dem Erreichen einer Grenz-Drehzahl NG, auf die Frequenz F2 reduziert, wenn die Betriebsgleichspannung (Vin) größer oder gleich einer definierten Schwellenspannung (VTL) ist.In a preferred embodiment of the method, however, the PWM frequency F1 is reduced to the frequency F2 only when a transition condition has been met, for example, when a limit speed N G has been reached , when the operating DC voltage (Vin) is greater than or equal to a defined threshold voltage (V TL ) is.

Bei einer kleineren PWM-Frequenz verlängert sich die Dauer eines PWM-Taktes. Die Begrenzung und/oder Regelung von Strom und/oder Drehzahl erfolgt nur nach dem Tastverhältnis der PWM, unabhängig von der PWM-Frequenz. Bei gleichem Tastverhältnis ist also die Einschalt-Zeit bei einer kleineren PWM-Frequenz länger als bei einer höheren PWM-Frequenz. Die Erfindung macht sich dies einfach zu Nutze, in dem die PWM-Frequenz so weit verringert wird, bis die Einschalt-Zeit des benötigten Tastverhältnisses größer als die Schaltzeit des MOSFET-Schalters ist.At a smaller PWM frequency, the duration of a PWM clock increases. The limitation and / or regulation of current and / or speed takes place only after the duty cycle of the PWM, regardless of the PWM frequency. At the same duty cycle, the turn-on time is longer with a smaller PWM frequency than with a higher PWM frequency. The invention makes this easy to use in that the PWM frequency is reduced until the turn-on time of the required duty cycle is greater than the switching time of the MOSFET switch.

Die PWM-Frequenz F2 kann praktisch beliebig reduziert werden, wobei es prinzipiell sinnvoll ist, wenn die PWM-Frequenz F2 trotz der Frequenz-Verringerung noch immer über dem hörbaren Frequenzbereich liegt.The PWM frequency F2 can be reduced practically arbitrarily, and it makes sense in principle, if the PWM frequency F2 despite the frequency reduction is still above the audible frequency range.

Dadurch kann der Motor bei nahezu beliebigen Betriebsgleichspannungen sicher gestartet werden. Strom und/oder Drehzahl können dabei jederzeit geregelt und/oder begrenzt werden.As a result, the motor can be safely started at almost any operating DC voltages. Current and / or speed can be regulated and / or limited at any time.

Die Stromaufnahme des Motors ist beim Anlaufen aus dem Stillstand am größten und nimmt mit zunehmender Umdrehungszahl rasch ab. Daher tritt das Problem der Erfindung in der Hauptsache während der Anlauf- bzw. Startphase auf, wenn das Tastverhältnis der PWM aufgrund des hohen Stroms so weit verringert werden müsste, dass die Einschalt-Zeit eines PWM-Taktes kürzer als die Schaltzeit der MOSFET-Schalters ist.The current consumption of the motor is greatest when starting from standstill and decreases rapidly with increasing number of revolutions. Therefore, the problem of the invention occurs mainly during the start-up phase when the duty cycle of the PWM due to the high current would have to be reduced so much that the turn-on time of a PWM clock is shorter than the switching time of the MOSFET switch is.

Sobald die Stromaufnahme so weit gesunken ist, dass eine Stromregelung durch die PWM aufgrund des größeren Tastverhältnisses wieder möglich ist, kann von der Startphase in die Laufphase des Motors gewechselt werden. Der Übergang von der Startphase in die Laufphase erfolgt daher aufgrund einer vorgegebenen Übergangsbedingung. Dazu wird vorzugsweise nach jeder Kommutierung geprüft, ob die Übergangsbedingung erfüllt ist. Falls ja, wird in die Laufphase gewechselt.As soon as the current consumption has dropped so much that a current control by the PWM is possible again due to the larger duty cycle, it is possible to switch from the starting phase to the running phase of the motor. The transition from the starting phase to the running phase therefore takes place on the basis of a predetermined transition condition. For this purpose, it is preferably checked after each commutation, whether the transition condition is met. If yes, it will switch to the running phase.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird in der Startphase, wenn die Betriebsgleichspannung größer oder gleich einer definierten Schwellenspannung ist und wenn eine Startbedingung erfüllt ist, die PWM-Frequenz noch innerhalb der Startphase von der reduzierten PWM-Frequenz F2 wieder auf die PWM-Frequenz F1 erhöht.In a development of the method, in the starting phase, when the operating DC voltage is greater than or equal to a defined threshold voltage and when a starting condition is met, the PWM frequency is increased again within the start phase from the reduced PWM frequency F2 to the PWM frequency F1 ,

Die Startbedingung kann beispielsweise das Erreichen einer bestimmten Anzahl an Kommutierungsschritten sein, oder insbesondere das Erreichen einer vordefinierten Drehzahl.The start condition may be, for example, the achievement of a certain number of commutation steps, or in particular the achievement of a predefined speed.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgt die Kommutierung des Motors sensorlos. Der Übergang von der Startphase in die Laufphase erfolgt dann, sobald die Übergangsbedingung erfüllt ist, etwa wenn eine vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der in den Phasenwicklungen infolge der sogenannten Gegenelektromotorischen Kraft (von „back electromotive force”, kurz BEMF) induzierten Spannung, zuverlässig erkannt werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass eine bestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Nulldurchgänge dieser BEMF-Spannung zuverlässig erkannt wurden.In an advantageous embodiment of the invention, the commutation of the motor is sensorless. The transition from the start phase to the run phase then takes place when the transition condition is met, for example when a predetermined number of successive zero crossings in the phase windings as a result of the so-called back electromotive force ("back electromotive force", BEMF) induced voltage can be reliably detected. For example, it may be provided that a certain number of consecutive zero crossings of this BEMF voltage have been reliably detected.

Allgemein kann die Übergangsbedingung auch durch einen Wechsel eines Betriebsmodus des Elektromotors gegeben sein, wobei die Betriebsmodi sich beispielsweise in der Art der Regelung unterscheiden. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Elektromotor ab dem Erreichen der Übergangsbedingung mittels einer Drehzahlregelung betrieben wird, wobei diese Drehzahlregelung einer Stromregelung überlagert sein kann. Es kann auch vorteilhaft sein, insbesondere bei Lüfter-Anwendungen, wenn in dieser Betriebsphase der Elektromotor so schnell wie möglich dreht, so dass in einem festgelegten Spannungs- und Drehzahlbereich nur eine Drehzahlregelung vorgesehen ist. Wenn ein vorgegebener Spannungswert überschritten wurde oder eine vorher festgelegte Drehzahl überschritten wurde, kann dann wieder eine Stromregelung überlagert werden.In general, the transition condition may also be given by a change of an operating mode of the electric motor, the operating modes differing, for example, in the type of regulation. In particular, it can be provided that the electric motor is operated by means of a speed control from reaching the transition condition, said speed control can be superimposed on a current control. It may also be advantageous, especially in fan applications, when in this phase of operation the electric motor rotates as fast as possible, so that only one speed control is provided in a fixed voltage and speed range. If a predefined voltage value has been exceeded or a previously defined speed has been exceeded, then a current control can be superimposed again.

Weist der Motor Lagesensoren auf, erfolgt die Kommutierung auch in der Startphase mit Hilfe dieser Lageinformationen.If the motor position sensors are on, the commutation also takes place in the starting phase with the aid of this position information.

Insbesondere bei sensorlosen Motoren stehen in der Startphase allerdings keine Lageinformationen zur Verfügung. Daher erfolgt in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung in der Startphase die Kommutierung nach einem fest vorgegebenen Kommutierungsmuster. Dazu können die Kommutierungszeitpunkte jedes Kommutierungsschrittes beispielsweise in einer Tabelle abgelegt sein. Die Kommutierungszeitpunkte können dabei so gewählt sein, dass eine vorzugsweise lineare Beschleunigung des Rotors erfolgt. Selbstverständlich können auch andere Beschleunigungscharakteristiken erzielt werden. Die Vorgabe der Kommutierungszeiten nach einem festen Kommutierungsmuster stellt in den meisten Fällen ein Starten des Motors in die gewünschte Drehrichtung sicher. Die Bestromung der Motorwicklungen kann somit mit einer steigenden Frequenz erfolgen, ohne dass die Position des Rotors bekannt sein muss. Somit wird ein Anlaufen im Synchronbetrieb des Motors erzielt, der Rotor also mittels einer Zwangskommutierung beschleunigt.Especially with sensorless motors, however, no position information is available in the starting phase. Therefore, in a preferred embodiment of the invention in the start phase, the commutation according to a fixed commutation pattern. For this purpose, the commutation times of each commutation step can be stored, for example, in a table. The commutation times can be chosen so that a preferably linear acceleration of the rotor takes place. Of course, other acceleration characteristics can also be achieved. The specification of the commutation times according to a fixed commutation pattern ensures in most cases a starting of the motor in the desired direction of rotation. The energization of the motor windings can thus be done with an increasing frequency, without the position of the rotor must be known. Thus, a start is achieved in synchronous operation of the motor, the rotor thus accelerated by means of a forced commutation.

Auch wenn die Kommutierung nach einem fest vorgegebenen Kommutierungsmuster bei sensorlosen Motoren sinnvoll ist, kann sie natürlich auch bei Motoren mit Lagesensoren verwendet werden.Although the commutation according to a fixed commutation pattern makes sense in sensorless motors, it can of course also be used in motors with position sensors.

Je nach Anwendung des Motors kann es durchaus vorkommen, dass der Rotor durch externe Kräfte bewegt wird, beispielsweise bei einem Lüfter durch auf die Lüfterflügel einwirkenden Wind. Dabei kann diese externe Anregung auch eine Drehrichtung entgegen der gewünschten oder vorgesehenen Drehrichtung des Rotors bewirken. In extremen Fällen kann es dabei vorkommen, dass selbst bei der Kommutierung mit einem festen Kommutierungsmuster der Rotor in die falsche Richtung weiterläuft. Oder der Motorstrom steigt durch die notwendige Drehrichtungsumkehr über das Begrenzungslimit. In beiden Fällen tritt ein Fehler auf, der durch die Steuerschaltung erkannt wird und zum Ausschalten des Motors führt.Depending on the application of the motor, it may well happen that the rotor is moved by external forces, such as a fan by acting on the fan blades wind. In this case, this external excitation also cause a direction of rotation opposite to the desired or intended direction of rotation of the rotor. In extreme cases, it may happen that even during commutation with a fixed commutation pattern, the rotor continues to run in the wrong direction. Or the motor current increases through the necessary direction reversal over the limit limit. In both cases, an error occurs, which is detected by the control circuit and leads to switching off the motor.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher zeitlich vor der Startphase immer eine Haltephase durchlaufen, in der der Rotor an eine definierte Startposition bewegt und dort für eine vordefinierte Haltezeit gehalten wird. Dies erfolgt beispielsweise durch Beaufschlagen von zwei Motorwicklungen mit einem konstanten Strom. Alternativ kann auch eine feste Spannung oder ein vorgegebenes PWM-Muster, beispielsweise mit einer festen Einschalt-Zeit von 30%, an eine oder mehrere Motorwicklungen angelegt werden.In a development of the method according to the invention, therefore, a holding phase is always run through in time before the starting phase, in which the rotor is moved to a defined starting position and held there for a predefined holding time. This is done for example by applying two motor windings with a constant current. Alternatively, a fixed voltage or a predetermined PWM pattern, for example, with a fixed turn-on time of 30%, can be applied to one or more motor windings.

Das Halten des Rotors an der Halteposition stellt sicher, dass der Rotor vor dem Beginn der Startphase tatsächlich steht und sich nicht mehr bewegt. Dadurch kann der Motor nun in jedem Fall zuverlässig in die gewünschte Drehrichtung gestartet werden.Holding the rotor at the stop position ensures that the rotor actually stops and does not move before starting the starting phase. As a result, the engine can now be reliably started in the desired direction of rotation in any case.

Dies erleichtert das Starten des Motors in die richtige Drehrichtung insbesondere bei sensorlosen Motoren, wo zu Beginn noch keine Lageinformationen durch die gegenelektromotorische Kraft vorhanden sind.This facilitates the starting of the motor in the correct direction of rotation, in particular in sensorless motors, where at the beginning no position information by the counter electromotive force are available.

Vorteilhafterweise erfolgt das Umschalten der PWM Frequenz F1 auf F2 und umgekehrt schon vor und/oder während der Haltezeit, um beispielsweise eine möglichst genaue Stromregelung während der Haltephase zu erreichen.Advantageously, the switching of the PWM frequency F1 to F2 and vice versa takes place before and / or during the holding time in order, for example, to achieve the most accurate current regulation possible during the holding phase.

Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren in Kombination mit einer Kommutierung im Synchronbetrieb nach einem festen Kommutierungsmuster.This method is particularly advantageous in combination with a commutation in synchronous operation according to a fixed commutation pattern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. The method according to the invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings.

Es zeigt:It shows:

1 einen Querschnitt durch einen Lüfter mit einem Motor der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, 1 a cross section through a fan with a motor which is operated by a method according to the invention,

2 ein Schaltbild einer Steuerschaltung für den Lüfter der 1 mit einer Vollbrückenschaltung, 2 a circuit diagram of a control circuit for the fan of 1 with a full bridge circuit,

3 ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 3 a flowchart of a first embodiment of the method according to the invention,

4 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der 3 mit einer zusätzlichen Haltephase, 4 a flowchart of a second embodiment of the method according to the invention according to the 3 with an additional holding phase,

5 ein Ablaufdiagramm einer dritten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der 4, mit einer zusätzlichen Startbedingung in der Startphase. 5 a flowchart of a third embodiment of the method according to the invention according to the 4 , with an additional start condition in the starting phase.

Die 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Lüfter 1, an dem die Erfindung exemplarisch erläutert wird. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf den Einsatz bei einem Lüfter 1 beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung bei jedem bürstenlosen Elektromotor und jedem bürstenbehafteten DC-Motor eingesetzt werden.The 1 shows a cross section through a fan 1 in which the invention is explained by way of example. Of course, the invention is not for use with a fan 1 limited. Rather, the invention can be used in any brushless electric motor and brushed DC motor.

Der Lüfter im Ausführungsbeispiel weist einen dreiphasigen, bürstenlosen Elektromotor (BLDC-Motor) 2 auf, der sensorlos kommutiert wird. Zur Rotorlagebestimmung stehen daher keine Sensoren, insbesondere keine Hall-Sensoren zur Verfügung, sondern es werden die Nulldurchgänge der durch die gegenelektromotorischen Kraft induzierten Spannung detektiert. Der sensorlose Betrieb eines BLDC-Motors ist grundsätzlich bekannt, weshalb hier dessen Funktionsweise nicht weiter erläutert werden soll.The fan in the embodiment has a three-phase, brushless electric motor (BLDC motor) 2 on, which is commutated without a sensor. For rotor position determination, therefore, there are no sensors, in particular no Hall sensors, but the zero crossings of the voltage induced by the counter-electromotive force are detected. The sensorless operation of a BLDC motor is basically known, which is why its operation should not be further explained here.

Der Motor hat einen Stator 3 mit 12 Statorpolen 4 und einen Rotor 5 mit 9 Magnetpolen, die durch Permanentmagnete 7 gebildet sind. Die Polzahlen des Motors sind dabei nur beispielhaft und sind in keiner Weise entscheidend für die Erfindung. Am Rotor 5 ist ein Impeller 8 angeordnet, der mit einer Welle 6 verbunden ist und bei Drehung einen Luftstrom erzeugt. Der Motor 2 ist in einem Gehäuse 9 angeordnet, das den Luftstrom lenkt, den Stator trägt sowie die Welle mittels Kugellager lagert. Da der Lüfter 1 hier nur beispielhaft als eine mögliche Anwendung gezeigt ist, wird auf weitere Merkmale des Lüfters nicht näher eingegangen.The engine has a stator 3 with 12 stator poles 4 and a rotor 5 with 9 magnetic poles, passing through permanent magnets 7 are formed. The number of poles of the engine are exemplary only and are in no way critical to the invention. At the rotor 5 is an impeller 8th arranged with a wave 6 is connected and generates an air flow upon rotation. The motor 2 is in a housing 9 arranged, which directs the air flow, carries the stator and supports the shaft by means of ball bearings. Because the fan 1 Here, by way of example only, as a possible application is shown, will not be discussed further features of the fan.

Der Motor ist für einen Betriebsgleichspannungsbereich zwischen 6 VDC und 22 VDC ausgelegt. Zum Betreiben des dreiphasigen Motors 2 an einer Betriebsgleichspannung Vin ist ein Wechselrichter 11 notwendig. Ein solcher Wechselrichter 11 ist beispielhaft in 2 gezeigt. Die drei Motorwicklungen U, V, W des BLDC-Motors 2 sind in einer Sternschaltung miteinander verschaltet. Alternativ kann eine Dreieckschaltung verwendet werden. Im Beispiel ist der Wechselrichter 11 als Vollbrückenschaltung ausgebildet. Für jede Motorphase U, V, W weist der Wechselrichter 11 zwei Halbleiterschalter, etwa in Form von MOSFET-Schaltern Q auf, die in Serie zwischen der Betriebsgleichspannung Vin und Masse GND geschaltet sind. Die Motorphasen U, V, W sind jeweils an Verbindungspunkten zwischen den beiden Schaltern angeschlossen.The motor is designed for an operating DC voltage range between 6 VDC and 22 VDC. To operate the three-phase motor 2 at a DC operating voltage Vin is an inverter 11 necessary. Such an inverter 11 is exemplary in 2 shown. The three motor windings U, V, W of the BLDC motor 2 are interconnected in a star connection. Alternatively, a delta connection can be used. In the example is the inverter 11 designed as a full bridge circuit. For each motor phase U, V, W, the inverter indicates 11 two semiconductor switches, such as in the form of MOSFET switches Q, which are connected in series between the DC operating voltage Vin and ground GND. The motor phases U, V, W are each connected to connection points between the two switches.

Die MOSFET-Schalter Q werden einzeln durch die Steuerschaltung 12 angesteuert, wobei die Steuerschaltung 12 beispielsweise durch einen Mikrocontroller gegeben ist. Im Beispiel werden die Gate-Eingänge der MOSFET-Schalter Q durch die Signale BHn durch die Steuerschaltung 12 geschaltet.The MOSFET switches Q are individually through the control circuit 12 controlled, the control circuit 12 for example, is given by a microcontroller. In the example, the gate inputs of the MOSFET switches Q through the signals BHn through the control circuit 12 connected.

Der dargestellte Wechselrichter 11 ist im Stand der Technik beispielsweise als B6C-Schaltung hinlänglich bekannt, weshalb hier schaltungstechnische Details nicht weiter erläutert werden.The illustrated inverter 11 is well known in the art, for example, as a B6C circuit, which is why circuit details are not further explained here.

Der Wechselrichter 11 weist weiterhin eine Messschaltung 13 zur Messung der Betriebsgleichspannung (Vin) auf, die einerseits mit Messwiderständen RSHUNT und andererseits mit einem Analog-Digital-Wandler-Eingang (ADC) der Steuerschaltung 12 verbunden ist.The inverter 11 also has a measuring circuit 13 for measuring the operating DC voltage (Vin), on the one hand with measuring resistors R SHUNT and on the other hand with an analog-to-digital converter input (ADC) of the control circuit 12 connected is.

Ferner ist ein virtueller Sternpunkt MTC vorgesehen, der aus einem Widerstands-Netzwerk besteht, welches jeweils mit den Zuleitungen der drei Motorphase verbunden ist. Der virtuelle Sternpunkt dient der Ermittlung des Spannungsniveaus, das als Nulldurchgang für die BEMF-Spannung dient.Furthermore, a virtual star point MTC is provided which consists of a resistance network, which is connected to the supply lines of the three motor phase. The virtual star point is used to determine the voltage level, which serves as a zero crossing for the BEMF voltage.

Im Beispiel umfasst die Steuerschaltung 12 den Wechselrichter 11, den virtuellen Sternpunkt sowie die Messschaltung 13 und ist auf einer Leiterplatte 10 im Motorgehäuse 9 angeordnet. Alternativ können zumindest Teile der obigen Schaltungen außerhalb der Steuerschaltung extern angeordnet sein. In the example, the control circuit comprises 12 the inverter 11 , the virtual star point and the measurement circuit 13 and is on a circuit board 10 in the motor housing 9 arranged. Alternatively, at least parts of the above circuits may be externally located outside the control circuit.

Der BLDC-Motor 2 im Beispiel wird mit einer Stromregelung betrieben. Dabei ist ein festes Stromlimit vorgegeben, beispielsweise durch die maximale Strombelastbarkeit der MOSFET-Schalter oder der Motorwicklungen. Die Stromregelung ist durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) realisiert, bei der die MOSFET-Schalter Q innerhalb eines Kommutierungsschrittes zusätzlich mit einer PWM-Frequenz geschaltet werden. Zur Stromregelung wird der Motorstrom gemessen und das Tastverhältnis der PWM so angepasst, dass bei der aktuellen Betriebsgleichspannung Vin der Strom unterhalb des Stromlimits liegt. Ein Tastverhältnis von 100% bedeutet in diesem Kontext, dass die Spannung während eines PWM-Taktes durchgehend eingeschaltet ist. Bei einem Tastverhältnis von 0% wäre die Spannung stets ausgeschaltet. Bei einem Tastverhältnis von 50% ist die Einschalt-Zeit und die Ausschalt-Zeit jeweils ein halber PWM-Takt. Zusätzlich zur Stromregelung ist vorzugsweise eine Strombegrenzung vorhanden, die beispielsweise beim Blockieren des Rotors verhindert, dass der Strom über das maximale Stromlimit hinaus ansteigt.The BLDC motor 2 in the example is operated with a current control. In this case, a fixed current limit is predetermined, for example by the maximum current carrying capacity of the MOSFET switches or the motor windings. The current regulation is realized by a pulse width modulation (PWM), in which the MOSFET switches Q are additionally switched within a commutation step with a PWM frequency. To control the current, the motor current is measured and the duty cycle of the PWM adjusted so that at the current operating DC voltage Vin, the current is below the current limit. A duty cycle of 100% in this context means that the voltage is continuously on during a PWM cycle. At a duty cycle of 0%, the voltage would always be off. At 50% duty cycle, the turn-on time and turn-off time are each half a PWM cycle. In addition to the current regulation, there is preferably a current limitation which prevents, for example, when blocking the rotor, that the current increases beyond the maximum current limit.

Anstelle der Stromregelung kann auch eine Drehzahlregelung oder ein anderer Betriebsparameter geregelt werden, wobei die Regelung stets durch die PWM erfolgt.Instead of the current control, it is also possible to regulate a speed control or another operating parameter, the control always being effected by the PWM.

Damit eine Stromregelung möglich ist, muss die PWM-Frequenz wesentlich größer sein als die Kommutierungsfrequenz, so dass zumindest einige PWM-Zyklen innerhalb eines Kommutierungsschrittes erfolgen. Die PWM-Frequenz liegt vorzugsweise über 16 kHz, damit keine hörbaren Schaltgeräusche entstehen. Im Beispiel liegen die PWM-Frequenz bei 23 kHz und die Kommutierungsfrequenz bei 630 Hz. Beides hängt jedoch unter Anderem wesentlich von der Polanzahl des Motors und der Nenndrehzahl ab, weshalb die genannten Betriebsparameter in keiner Weise beschränkend sind.For current regulation to be possible, the PWM frequency must be substantially greater than the commutation frequency, so that at least some PWM cycles occur within a commutation step. The PWM frequency is preferably above 16 kHz, so that no audible switching noise. In the example, the PWM frequency at 23 kHz and the commutation frequency at 630 Hz. Both, however, depends inter alia substantially on the number of poles of the motor and the rated speed, which is why the above operating parameters are in any way limiting.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht nun darin, dass bei großen Betriebsgleichspannungen Vin die Schaltzeit der MOSFET-Schalter größer ist, als die für die Stromregelung notwendige, kurze Einschalt-Zeit der PWM. In diesem Fall kann der MOSFET nicht einschalten, bevor die PWM bereits wieder ausgeschaltet ist, was dazu führt, dass der Motor nicht startet.The problem underlying the invention is that the switching time of the MOSFET switches is greater for large operating DC voltages Vin than the short turn-on time of the PWM necessary for the current regulation. In this case, the MOSFET can not turn on before the PWM is already off again, causing the motor to not start.

Dieses Problem wird nun durch das im Ablaufdiagramm der 3 gezeigte, erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst. Durch Anlegen der Betriebsgleichspannung Vin wird der Motor gestartet 14. Bei jedem Motorstart wird das erfindungsgemäße Verfahren erneut durchlaufen.This problem will now be explained by the in the flow chart of 3 shown, solved inventive method. By applying the DC operating voltage Vin, the engine is started 14. At each engine start, the inventive method is run through again.

Der Betrieb des Motors 2 ist erfindungsgemäß in zwei Betriebsphasen unterteilt. Unmittelbar nach dem Einschalten der Betriebsgleichspannung Vin beginnt die Startphase 21 des Motors. Darin wird zuerst in einem optionalen Schritt die Betriebsgleichspannung Vin mit einer vorgegebenen Schwellenspannung VTL verglichen 15. Im Beispiel liegt diese Schwellenspannung VTL bei 6,4 VDC.The operation of the engine 2 is divided according to the invention in two phases of operation. Immediately after switching on the DC operating voltage Vin, the starting phase begins 21 of the motor. Therein, first in an optional step, the DC operating voltage Vin is compared with a predetermined threshold voltage V TL 15. In the example, this threshold voltage V TL is 6.4 VDC.

Ist die Betriebsgleichspannung Vin kleiner als die Schwellenspannung VTL, wird der Motor 2 mit einer Stromregelung durch Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer PWM-Frequenz F1 betrieben, wie oben beschrieben 16. Die PWM-Frequenz F1 beträgt beispielsweise 23 kHz.If the DC operating voltage Vin is smaller than the threshold voltage V TL , the motor becomes 2 operated with a current control by pulse width modulation (PWM) with a PWM frequency F1, as described above 16. The PWM frequency F1 is for example 23 kHz.

Ist die Betriebsgleichspannung Vin jedoch größer oder gleich der Schwellenspannung VTL, wird die PWM-Frequenz auf eine PWM-Frequenz F2 reduziert 17. Im Beispiel beträgt die reduzierte PWM-Frequenz F2 etwa 19 kHz. Je nach Anwendung kann die PWM-Frequenz F2 aber auch kleiner gewählt werden, beispielsweise 10 kHz.However, if the DC operating voltage Vin is greater than or equal to the threshold voltage V TL , the PWM frequency is reduced to a PWM frequency F2 17. In the example, the reduced PWM frequency F2 is about 19 kHz. Depending on the application, the PWM frequency F2 can also be selected smaller, for example 10 kHz.

Die Regelung des Stromes erfolgt dabei über das Tastverhältnis der PWM und ist unabhängig von der PWM-Frequenz. Bei einer hohen Betriebsgleichspannung Vin muss das Tastverhältnis sehr klein sein, wodurch auch die Einschalt-Zeit des PWM-Taktes kurz ist. Wenn die Einschalt-Zeit kürzer als die Schaltzeit der MOSFET-Schalter wäre, könnte der Motor nicht starten.The regulation of the current takes place via the duty cycle of the PWM and is independent of the PWM frequency. At a high operating DC voltage Vin, the duty cycle must be very small, whereby the turn-on time of the PWM clock is short. If the turn-on time were shorter than the switching time of the MOSFET switches, the motor could not start.

Bei einer geringeren PWM-Frequenz F2 ist bei gleichem Tastverhältnis die Einschalt-Zeit länger als bei einer höheren PWM-Frequenz F1. Dadurch kann das Tastverhältnis gegenüber der höheren PWM-Frequenz kleiner gewählt werden. Der Strom kann auch bei höheren Betriebsgleichspannungen Vin noch geregelt werden. Der Motor kann mit diesem Verfahren auch bei hohen Betriebsgleichspannungen Vin sicher gestartet werden.At a lower PWM frequency F2, the switch-on time is longer with the same duty cycle than with a higher PWM frequency F1. As a result, the duty cycle can be selected smaller than the higher PWM frequency. The current can still be regulated even at higher operating DC voltages Vin. The motor can be started safely with this method even at high operating DC voltages Vin.

Wie oben bereits erläutert, treten hohe Ströme insbesondere beim Beschleunigen aus dem Stillstand auf. Mit zunehmender Drehzahl sinkt der Motorstrom in der Regel schnell ab. As already explained above, high currents occur in particular during acceleration from standstill. As the speed increases, the motor current generally drops rapidly.

Mit kleiner werdendem Strom wird auch das Tastverhältnis der PWM wieder größer. Sobald der Motorstrom nun so weit gesunken ist, dass eine Stromregelung durch die PWM aufgrund des größeren Tastverhältnisses auch mit der normalen PWM-Frequenz F1 wieder möglich wäre, kann in die Laufphase 22 gewechselt werden. Dazu wird beispielsweise nach jeder Kommutierung geprüft, ob eine Übergangsbedingung erfüllt ist 18, die den Übergang in die Laufphase 22 signalisiert.As the current decreases, so does the duty cycle of the PWM. As soon as the motor current has dropped so far that a current control by the PWM due to the larger duty cycle would also be possible again with the normal PWM frequency F1, can in the running phase 22 change. For this purpose, for example, it is checked after each commutation whether a transition condition is fulfilled 18, which is the transition to the running phase 22 signaled.

Die Übergangsbedingung zum Umschalten von der Startphase in den Normalbetrieb bzw. die Laufphase kann beispielsweise erfüllt sein, wenn eine vorbestimmte Drehzahl überschritten ist, ein vorbestimmter Motorstrom unterschritten ist oder eine vorbestimmte Anzahl an Kommutierungsschritten durchlaufen wurde. Die Übergangsbedingung aber kann insbesondere auch durch ein sicheres Erkennen der Nulldurchgänge der BEMF-Spannung gegeben sein, die in den Motorwicklungen generiert wird. Beispielsweise kann nach dem erfolgreichen Erkennen einiger, beispielsweise zwischen 4 und 20, aufeinanderfolgender erwarteter Nulldurchgänge der BEMF-Spannung in die Laufphase des Motors gewechselt werden.The transition condition for switching from the start phase to the normal mode or the running phase can be met, for example, if a predetermined speed is exceeded, a predetermined motor current is exceeded or a predetermined number of commutation steps has been passed. The transition condition, however, can also be given in particular by a reliable detection of the zero crossings of the BEMF voltage which is generated in the motor windings. For example, after successfully recognizing some, for example, between 4 and 20, consecutive expected zero crossings of the BEMF voltage may be switched to the running phase of the motor.

Im Beispiel ist der Motor sensorlos betrieben und die Übergangsbedingung erfüllt, wenn fünf aufeinanderfolgende Nulldurchgänge der durch die gegenelektromotorische Kraft induzierte BEMF-Spannung detektiert wurden. Dies ist in der Regel nach etwa 20 Kommutierungsschritten der Fall. Wird die Übergangsbedingung hingegen bis zu einer Toleranzzeit nicht erfüllt, liegt wahrscheinlich ein Fehler vor, beispielsweise eine Blockierung, so dass der Motor nicht starten kann. In einem solchen Fall stoppt die Steuerschaltung den Motor und gibt eine Fehlermeldung aus.In the example, the motor is sensorless and the transient condition is satisfied when five consecutive zero crossings of the counter electromotive force induced BEMF voltage are detected. This is usually the case after about 20 commutation steps. On the other hand, if the transition condition is not met up to a tolerance time, there is probably an error, such as a stall, so that the engine can not start. In such a case, the control circuit stops the engine and outputs an error message.

Der Normalbetrieb 19 in der Laufphase kann beispielsweise eine Stromregelung mit PWM wie oben beschrieben beinhalten oder eine Drehzahlregelung. Insbesondere beträgt die PWM-Frequenz während der Laufphase 22 F1 mit F1 > F2.Normal operation 19 in the running phase may include, for example, a current control with PWM as described above or a speed control. In particular, the PWM frequency during the running phase 22 F1 with F1> F2.

Die 4 zeigt eine Weiterbildung des Verfahrens der 3, die auch in solchen Fällen ein sicheres Starten in die gewünschte Drehrichtung gewährleistet, in denen der Rotor des Lüfters durch externe Kräfte bereits bewegt wird oder sich in einer Position zwischen zwei Statorpolen befindet. Das Verfahren entspricht im Wesentlichen dem in 3 gezeigten Verfahren. Zusätzlich weist dieses Verfahren eine Haltephase 20 auf, die bei jedem Start vor der Startphase 21 durchlaufen wird.The 4 shows a development of the method of 3 which ensures safe starting in the desired direction of rotation even in such cases, in which the rotor of the fan is already moved by external forces or is in a position between two stator poles. The procedure is essentially the same as in 3 shown method. In addition, this method has a holding phase 20 on, which at every start before the start phase 21 is going through.

In der Haltephase 20 wird der Rotor 5 an eine definierte Startposition bewegt 23 und dort für eine vordefinierte Haltezeit TH gehalten. Im Beispiel beträgt die Haltezeit TH eine Sekunde. Sie kann jedoch auch länger oder kürzer sein. Dazu werden zwei Motorwicklungen mit einem konstanten Strom beaufschlagt. Dadurch bewegt sich der Rotor 5 in eine definierte Startposition. Bei einer sensorlosen Kommutierung liegen im Stillstand durch das Fehlen von Rotorlagesensoren normalerweise keine Lageinformation vor. Da der Rotor nun an einer bekannten Startposition steht, kann die Kommutierung an dieser Startposition beginnen. Dadurch wird das Starten des Motors wesentlich erleichtert bzw. erst ermöglicht.In the holding phase 20 becomes the rotor 5 moved to a defined starting position 23 and held there for a predefined holding time T H. In the example, the hold time T H is one second. However, it can be longer or shorter. For this purpose, two motor windings are subjected to a constant current. This causes the rotor to move 5 in a defined starting position. In the case of sensorless commutation, there is normally no position information at standstill due to the lack of rotor position sensors. Since the rotor is now at a known starting position, the commutation can begin at this starting position. As a result, starting the engine is much easier or only possible.

Das Halten des Rotors in der Startposition stellt sicher, dass der Rotor steht und sich nicht bereits dreht, insbesondere womöglich in die entgegengesetzte Drehrichtung. So kann immer sichergestellt werden, dass der Motor in die richtige Drehrichtung startet.Holding the rotor in the starting position ensures that the rotor is stationary and not already rotating, especially possibly in the opposite direction of rotation. This always ensures that the engine starts in the right direction of rotation.

Weiterhin erfolgt eine Zwangs-Kommutierung im Beispiel nach einem festen Kommutierungsmuster im Synchronbetrieb. Da die Rotorlage durch die in der Haltephase 20 eingenommene Startposition bekannt ist, kann das Kommutierungsmuster aus genau dieser Startposition beginnen. Auch dadurch wird ein sicheres Starten des Rotors 5 in die richtige Drehrichtung begünstigt. Durch das Kommutierungsmuster sind nun auch die nachfolgenden Kommutierungszeitpunkte bekannt.Furthermore, a forced commutation in the example follows a fixed commutation pattern in synchronous operation. Because the rotor position by the in the holding phase 20 If the starting position is known, the commutation pattern can start from exactly this starting position. This also ensures a safe starting of the rotor 5 favored in the right direction of rotation. Due to the commutation pattern, the subsequent commutation times are now known.

Das Kommutierungsmuster kann beispielsweise in einer Tabelle in der Steuerschaltung 12 hinterlegt sein. Wie bereits oben erwähnt, wird die Übergangsbedingung in der Regel nach etwa 20 Kommutierungsschritten erfüllt. Zur Sicherheit enthält die Tabelle die Kommutierungszeiten von vorzugsweise 50 bis 200 Kommutierungsschritten. Ist nach Abarbeitung der vollständigen Tabelle des Kommutierungsmusters die Übergangsbedingung noch nicht erfüllt, liegt wahrscheinlich ein Fehler vor und der Motor wird gestoppt und/oder ein Fehler wird signalisiert.The commutation pattern may be, for example, in a table in the control circuit 12 be deposited. As already mentioned above, the transition condition is usually met after about 20 commutation steps. For safety, the table contains the commutation times of preferably 50 to 200 commutation steps. If, after completion of the complete commutation pattern table, the transition condition has not yet been met, there is probably an error and the motor is stopped and / or an error is signaled.

Das Kommutierungsmuster sieht eine vorzugsweise lineare Beschleunigung des Rotors 5 vor, weshalb die Kommutierungstakte rasch kürzer werden. Weiterhin kann erkannt werden, dass mit zunehmender Drehzahl, der Motorstrom schnell sinkt. Die Kommutierungszeiten des Kommutierungsmusters können jedoch alternativ gemäß einer anderen Beschleunigungscharakteristik gewählt werden. The commutation pattern provides a preferably linear acceleration of the rotor 5 why the commutation strokes are getting shorter quickly. Furthermore, it can be recognized that with increasing speed, the motor current drops rapidly. However, the commutation times of the commutation pattern may alternatively be selected according to another acceleration characteristic.

Der Übergang von der Startphase 21 in die Laufphase 22 erfolgt nach dem Detektieren von beispielsweise fünf aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der durch die gegenelektromotorische Kraft induzierten BEMF-Spannung. In der Laufphase erfolgt eine Drehzahlregelung und/oder eine Stromregelung, weshalb der Motorstrom hier ebenfalls nahezu konstant gehalten werden kann.The transition from the starting phase 21 in the running phase 22 For example, after detecting, for example, five consecutive zero crossings, the BEMF voltage induced by the counterelectromotive force occurs. In the running phase, a speed control and / or a current control, which is why the motor current can also be kept almost constant here.

Die 5 zeigt ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das im Wesentlichen dem in 4 gezeigten Verfahren entspricht. In der Startphase 21, wenn die Betriebsgleichspannung über der Schwellenspannung liegt, wird hier jedoch geprüft, ob eine Startbedingung erfüllt ist 24. Falls ja, wird noch während der Startphase 21 wieder auf die höhere PWM-Frequenz F1 gewechselt 16. Im Beispiel ist die Startbedingung erfüllt, wenn die Drehzahl N des Rotors eine Grenzdrehzahl NG überschritten hat. Da bei höheren Drehzahlen der Strom in der Regel geringer ist, ist eine kürzere Einschalt-Zeit des PWM-Taktes kein Problem mehr und daher möglich. Im Beispiel liegt die Grenzdrehzahl NG bei 2800 U/min. Bei anderen Anwendungen kann diese Grenzdrehzahl jedoch höher oder niedriger liegen. Nach dem Umschalten auf die Frequenz F1 während der Startphase kann wieder die Übergangsbedingung zum Übergang zur Laufphase abgefragt werden, insbesondere das erfolgreiche Erkennen mehrerer aufeinanderfolgender, erwarteter Nulldurchgänge der BEMF-Spannung.The 5 shows a flow diagram of a preferred embodiment of the method according to the invention, which is essentially the in 4 corresponds to the method shown. In the starting phase 21 However, if the DC operating voltage is above the threshold voltage, it is checked here, whether a start condition is met 24 , If yes, it will be during the launch phase 21 In the example, the start condition is met when the speed N of the rotor has exceeded a limit speed N G. Since at higher speeds the current is usually lower, a shorter turn-on time of the PWM clock is no longer a problem and therefore possible. In the example, the limit speed N G is 2800 U / min. In other applications, however, this limit speed may be higher or lower. After switching to the frequency F1 during the start phase, the transition condition to the transition to the running phase can again be interrogated, in particular the successful recognition of several successive, expected zero crossings of the BEMF voltage.

Selbstverständlich kann die zusätzliche Startbedingung auch ohne die Haltephase 20 im Verfahren der 3 vorhanden sein.Of course, the additional starting condition can also without the holding phase 20 in the process of 3 to be available.

Dieses Verfahren ist in der nachfolgenden Tabelle nochmals beispielhaft zusammengefasst. Vin ≤ VTL Vin > VTL Vin > VT N ≤ NG N > NG Haltephase Stromregelung Stromregelung Stromregelung 150 mA 150 mA 150 mA PWM < 100% PWM < 100% PWM < 100% Startphase Stromregelung Stromregelung Stromregelung PWM < 100% PWM < 100% PWM < 100% F1 = 23 kHz F2 = 19 kHz F1 = 23 kHz Laufphase Stromregelung Stromregelung Stromregelung PWM < 100% PWM < 100% PWM < 100% This process is summarized by way of example in the table below. Vin ≤ V TL Vin> V TL Vin> V T N ≤ N G N> N G holding phase current control current control current control 150 mA 150 mA 150 mA PWM <100% PWM <100% PWM <100% start-up phase current control current control current control PWM <100% PWM <100% PWM <100% F1 = 23 kHz F2 = 19 kHz F1 = 23 kHz up phase current control current control current control PWM <100% PWM <100% PWM <100%

In einigen Ausgestaltungen der Erfindung kann es auch während der Laufphase vorgesehen sein, dass das Tastverhältnis der PWM auch für den Fall Vin > VTL Werte von kleiner als 100% annehmen kann. Dadurch kann insbesondere auch eine Drehzahlregelung während der Laufphase vorgenommen werden.In some embodiments of the invention, it can also be provided during the running phase that the duty cycle of the PWM can also assume values of less than 100% for the case Vin> V TL . As a result, in particular, a speed control during the running phase can be made.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

VinVin
BetriebsgleichspannungReverse Standoff
VTL V TL
Schwellenspannungthreshold voltage
VHL V HL
obere Schwellenspannungupper threshold voltage
QQ
MOSFET-SchalterMOSFET switch
U, V, WAND MANY MORE
Motorphasenmotor phases
ADCADC
Analog-Digital-Wandler-EingangAnalog-to-digital converter input
BHnBHN
Gate-Signale der MOSFET-SchalterGate signals of the MOSFET switches
11
LüfterFan
22
BLDC-MotorBLDC motor
33
Statorstator
44
Statorpolstator
55
Rotorrotor
66
Wellewave
77
Permanentmagnetpermanent magnet
88th
Impellerimpeller
99
Gehäusecasing
1010
Leiterplattecircuit board
1111
Wechselrichterinverter
1212
Steuerschaltungcontrol circuit
1313
Messschaltungmeasuring circuit
14–1914-19
Verfahrensschrittesteps
2020
Haltephaseholding phase
2121
Startphasestart-up phase
2222
Laufphaseup phase
23–2423-24
Verfahrensschrittesteps

Claims (15)

Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors (2) mit einer Drehzahl (N) an einer Betriebsgleichspannung (Vin) mittels einer Brückenschaltung (11) mit Halbleiterschaltern (Q), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Pulsweitenmodulation (PWM) umfasst, wobei die PWM mit einer PWM-Frequenz F2 betrieben wird (16), und wobei die PWM-Frequenz auf eine Frequenz F1 mit F1 > F2 erhöht wird (17), wenn die Drehzahl (N) des Elektromotors größer als eine vorgegebene Grenz-Drehzahl (NG) ist.Method for operating an electric motor ( 2 ) at a speed (N) at a DC operating voltage (Vin) by means of a bridge circuit ( 11 ) with semiconductor switches (Q), characterized in that the method comprises a pulse width modulation (PWM), wherein the PWM is operated with a PWM frequency F2 ( 16 ), and wherein the PWM frequency is increased to a frequency F1 with F1> F2 ( 17 ) when the rotational speed (N) of the electric motor is greater than a predetermined limit rotational speed (N G ). Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors (2) mit einer Drehzahl (N) an einer Betriebsgleichspannung (Vin) mittels einer Brückenschaltung (11) mit Halbleiterschaltern (Q), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Pulsweitenmodulation (PWM) umfasst, wobei die PWM mit einer PWM-Frequenz F1 betrieben wird (16), falls die Betriebsgleichspannung (Vin) kleiner ist als eine definierte Schwellenspannung (VTL), und wobei die PWM-Frequenz mit einer Frequenz F2 mit F2 < F1 betrieben wird (17), falls die Betriebsgleichspannung (Vin) größer oder gleich einer definierten Schwellenspannung (VTL) ist.Method for operating an electric motor ( 2 ) at a speed (N) at a DC operating voltage (Vin) by means of a bridge circuit ( 11 ) with semiconductor switches (Q), characterized in that the method comprises a pulse width modulation (PWM), wherein the PWM is operated with a PWM frequency F1 ( 16 ), if the operating DC voltage (Vin) is less than a defined threshold voltage (V TL ), and wherein the PWM frequency with a frequency F2 with F2 <F1 is operated ( 17 ), if the DC operating voltage (Vin) is greater than or equal to a defined threshold voltage (V TL ). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, falls die Betriebsgleichspannung (Vin) größer oder gleich einer definierten Schwellenspannung (VTL) ist, die PWM mit der Frequenz F1 betrieben wird, wenn die Drehzahl (N) des Elektromotors größer als eine vorgegebene Grenz-Drehzahl NG ist.A method according to claim 2, characterized in that, if the DC operating voltage (Vin) is greater than or equal to a defined threshold voltage (V TL ), the PWM is operated at the frequency F1, if the rotational speed (N) of the electric motor is greater than a predetermined limit Speed N G is. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Einschalten des Motors (2) zumindest zwei Betriebsphasen nacheinander durchlaufen werden, eine Startphase (21), in der der Motor (2) aus dem Stillstand beschleunigt wird, und eine Laufphase (22), die sich an die Startphase (21) anschließt, wobei die PWM-Frequenz in der Startphase (21) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche betrieben wird und in der Laufphase mit der Frequenz F1 betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that after each switching on of the engine ( 2 ) are passed through at least two operating phases in succession, a start phase ( 21 ), in which the engine ( 2 ) is accelerated from standstill, and a running phase ( 22 ), which are in the starting phase ( 21 ), with the PWM frequency in the start phase ( 21 ) is operated according to one of the preceding claims and is operated in the running phase with the frequency F1. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der Startphase (21) in die Laufphase (22) aufgrund einer vorgegebenen Übergangsbedingung erfolgt.Method according to claim 4, characterized in that the transition from the starting phase ( 21 ) into the running phase ( 22 ) due to a given transition condition. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsbedingung genau dann erfüllt ist, wenn eine vorbestimmte Drehzahl (Ng) überschritten ist und/oder wenn ein vorbestimmter Motorstrom unterschritten ist und/oder wenn eine vorbestimmte Anzahl an Zwangskommutierungs-Schritten durchlaufen wurde und/oder wenn eine vorbestimmte Anzahl an aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der induzierten BEMF-Spannung detektiert wurden.A method according to claim 5, characterized in that the transition condition is met exactly when a predetermined speed (N g ) is exceeded and / or when a predetermined motor current is exceeded and / or when a predetermined number of Zwangsskommutierungs steps has been passed through / and or when a predetermined number of consecutive zero crossings of the induced BEMF voltage have been detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Startphase eine Stromregelung mittels einer Pulsweitenmodulation erfolgt.Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that in the starting phase current regulation takes place by means of a pulse width modulation. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Startphase (21) die Kommutierung des Motors (2) durch eine Zwangskommutierung nach einer fest vorgegebenen Abfolge von Kommutierungszeitpunkten erfolgt.Method according to one of claims 4 to 7, characterized in that in the starting phase ( 21 ) the commutation of the motor ( 2 ) is performed by a forced commutation after a fixed sequence of Kommutierungszeitpunkten. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die fest vorgegebenen Abfolge von Kommutierungszeitpunkten so gewählt ist, dass der Motor (2) eine lineare Beschleunigung ausführt.Method according to one of claims 4 to 8, characterized in that the fixed predetermined sequence of Kommutierungszeitpunkten is selected so that the engine ( 2 ) performs a linear acceleration. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierung des Motors in der Laufphase sensorlos erfolgt und dass die Übergangsbedingung für den Übergang von der Startphase (21) in die Laufphase (22) dadurch gegeben ist, dass eine vorgegebene Anzahl an aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der durch die Gegenelektromotorischen Kraft induzierten Spannung registriert wurden.Method according to one of claims 4 to 9, characterized in that the commutation of the motor in the running phase is sensorless and that the transition condition for the transition from the Starting phase ( 21 ) into the running phase ( 22 ) is given by registering a predetermined number of consecutive zero crossings of the voltage induced by the counterelectromotive force. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Startphase (21) immer eine Haltephase (20) durchlaufen wird, in welcher der Rotor (2) an eine definierte Startposition bewegt wird und dort für eine vordefinierte Haltezeit (TH) gehalten wird (23).Method according to one of claims 4 to 10, characterized in that before the start phase ( 21 ) always a holding phase ( 20 ), in which the rotor ( 2 ) is moved to a defined start position and held there for a predefined hold time (T H ) ( 23 ). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) die Startposition dadurch einnimmt, dass mindestens zwei Motorphasen mit einem konstanten Strom beaufschlagt werden.Method according to claim 11, characterized in that the rotor ( 2 ) assumes the starting position by applying a constant current to at least two motor phases. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) die Startposition dadurch einnimmt, dass zwei oder mehr Motorphasen mit einer konstanten Spannung beaufschlagt werden.Method according to claim 11, characterized in that the rotor ( 2 ) assumes the starting position by applying a constant voltage to two or more motor phases. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) die Startposition dadurch einnimmt, dass zwei oder mehr Motorphasen mit einem vorgegebenen PWM-Muster beaufschlagt werden.Method according to claim 11, characterized in that the rotor ( 2 ) assumes the starting position by applying a predetermined PWM pattern to two or more motor phases. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.Method according to one of claims 1 to 14, characterized in that the electric motor ( 2 ) is a brushless DC motor.
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