DE3835030A1 - Verfahren zum kommutieren von buerstenlosen gleichstrommotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kommutieren von bürstenlosen Gleichstrommotoren, die jeweils einen permanentmagnetischen Rotor und als Drehfeldwicklung in Sternschaltung angeordnete Statorwicklungen aufweisen, die mit einer Gleichstromquelle über eine Brückenschaltung verbindbar sind, in der jeder Statorwicklung ein stromzuführender und ein stromabführender Transistor zugeordnet ist, die durch eine Steuerung angesteuert werden und denen jeweils eine Freilaufdiode parallelgeschaltet ist, wobei im Motorbetrieb zur Kommutierung aufeinanderfolgender Statorwicklungen der Stromfluß über die jeweils vorher stromführende erste Statorwicklung ausgeschaltet und über die jeweils folgende zweite Statorwicklung eingeschaltet wird.

Permanent erregte bürstenlose Gleichstrommotoren weisen einen permanentmagnetischen Rotor und einen Stator auf, der eine übliche Drehfeldwicklung erhält. Um mit dem Motor variable Drehzahlen fahren zu können, wird der Motor aus einem Leistungssteller versorgt. Der Leistungssteller weist einen Zwischenkreis, bestehend aus einem Netzgleichrichter und einem Kondensator, sowie elektronische Schalter auf, üblicherweise Transistoren, die meist in einer Brückenschaltung geschaltet sind. Die Statorwicklungen werden durch die Brückenschaltung so gesteuert, daß im Stator ein sich drehendes Magnetfeld entsteht. Der magnetisierte Rotor dreht sich synchron zum Statorfeld.

Bei aufwendigeren Antrieben werden die Ströme in den Statorwicklungen sinusförmig angesteuert. Diese Art der Ansteuerung führt zu einem Drehfeld, das sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht. Bei einfacheren Antrieben, z.B. Antriebsmotoren für Industrienähmaschinen, werden die Statorwicklungen nacheinander aus- und eingeschaltet. Dadurch springt das Statorfeld von einer Lage zur nächsten. Bei einem Rotor mit einem Magnetpolpaar ergeben sich dann für das Statorfeld 6 Stellungen, bei zwei Magnetpolpaaren 12 Stellungen usw.

Die Kommutierung, d.h. die Umschaltung der Statorwicklungen zur Bewegung des Statorfeldes zur nächsten Lage, erfolgt in Abhängigkeit von der Rotorlage. Die Rotorlage wird über einen Rotorlagegeber erfaßt; dessen Signale werden dann einer Steuerung zugeführt, die dann die Umschaltung der Statorwicklungen vornimmt. Dadurch wird sichergestellt, daß die magnetischen Kräfte zwischen dem Rotorfeld und Statorfeld aufrechterhalten bleiben, und somit der Motor ein möglichst konstantes Drehmoment erzeugt.

Die Geschwindigkeit des Rotors wird über den Motorstrom kontrolliert. Die Transistoren einer ersten Gruppe der Brückenschaltung dienen nur der Kommutierung der Statorwicklungen, während die Transistoren einer zweiten Gruppe zusätzlich noch mit einem Pulsweitenmodulations- Signal getaktet werden. Durch das Puls-Pausen-Verhältnis wird dann die Höhe der Ströme in den Statorwicklungen eingestellt.

Im Motorbetrieb sinkt der vom Motor aufgenommene maximale Strom mit steigender Drehzahl ab. Der Grund dafür ist die induzierte Gegenspannung (EMK) in den Spulen. Diese Spannung ist der Zwischenkreisspannung entgegengerichtet, so daß mit steigender Drehzahl die treibende Spannung, die Differenz der Zwischenkreisspannung und der EMK für die Motorinduktivitäten geringer wird. Diese geringe Spannung reicht dann nicht aus, in der kurzen Zeit zwischen zwei Kommutierungen den Strom auf den zulässigen maximalen Wert aufzubauen. Die Verhältnisse werden umso ungünstiger, je schneller sich der Motor dreht. Mit dem Motorstrom wird das dem Strom proportionale Moment kleiner.

Um den Motorstrom bei höheren Drehzahlen zu erhöhen und damit dem Drehmomentabfall entgegenzuwirken, wurde in einer nicht zum vorveröffentlichten Stand der Technik gehörigen Patentanmelung (P 38 19 064.8) der Anmelderin vorgeschlagen, den Kommutierungspunkt jeweils um einen vorgegebenen Zeitbetrag vorzuverlegen (Vorkommutierung). Beim vorverlegten Einschalten des Stroms ist die EMK der Statorwicklung niedrig. In der ersten Phase ist die treibende Spannung fast der Zwischenkreisspannung gleich. Die ansteigende EMK reduziert die Wirkung der Zwischenspannung. Durch die Vorkommutierung (Frühzündung) erreicht der Motorstrom höhere Werte als dies ohne diese Maßnahme der Fall wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung so abzuwandeln, daß das Drehmoment des Motors erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Ende des Kommutierungsvorgangs das Abschalten des stromzuführenden Transistors der ersten, vorher stromführenden Statorwicklung verzögert wird, während der stromzuführende Transistor der zweiten, folgenden Statorwicklung bereits eingeschaltet ist.

Durch das spätere Ausschalten der Statorwicklung wird der Stromflußwinkel erhöht. Dadurch kann der Strom wesentlich höhere Werte erreichen als dies beim konstanten Stromflußwinkel der Fall wäre. Da der Strom später ausgeschaltet wird, wird der gerade Teil der EMK für die Drehmomentbildung besser ausgenutzt.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß der stromzuführende Transistor der ersten, vorher stromdurchflossenen Statorwicklung eingeschaltet bleibt, bis ein Abfall der EMK in dieser Statorwicklung beginnt. Dieser Zeitpunkt ist im Steuerungsablauf ohnehin vorgegeben und kann daher in sehr einfacher Weise für das Abschalten des Transistors verwendet werden.

Stattdessen ist es aber auch möglich, den Transistor noch etwas später auszuschalten, um den Stromverlauf noch günstiger zu gestalten.

Besonders vorteilhaft ist die Kombination der erfindungsgemäßen Maßnahmen mit der bereits vorgeschlagenen Vorkommutierung. Dadurch läßt sich eine Drehmomentsteigerung in der Größenordnung von 40-60% erzielen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines bürstenlosen Gleichstrommotors und

Fig. 2 den Motorstrom, den Verlauf der EMK in einer Stätorwicklung und die Schaltzustände der wichtigsten Transistoren und Dioden der Schaltung nach Fig. 1, jeweils über der Zeit aufgetragen, bei einer Kommutation nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Der bürstenlose Gleichstrommotor, dessen Schaltbild in Fig. 1 dargestellt ist, weist einen permanentmagnetischen Rotor 1 auf, der sich in einem Stator mit drei in Sternschaltung geschalteten Statorwicklungen R, S und T dreht. Die Statorwicklungen R, S und T bilden eine Drehfeldwicklung und werden so kommutiert, daß im Stator ein sich drehendes Magnetfeld entsteht, in dem sich der Rotor 1 dreht.

Die Stromversorgung des Gleichstrommotors erfolgt über einen Leistungssteller, der aus einem Zwischenkreis 2 und einer Brückenschaltung 3 besteht, die von einer Steuerung 4 gesteuert wird.

Der Zwischenkreis 2 besteht aus einem Netzgleichrichter 5, der aus der von einem Netz gelieferten Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, und einem Kondensator 6, der diese Gleichspannung glättet.

In der Brückenschaltung 3 sind jeder Statorwicklung R, S und T jeweils ein stromzuführender Transistor T 1, T 3 bzw. T 5 und jeweils ein stromabführender Transistor T 2, T 4 bzw. T 6 zugeordnet. Jeweils zwischen dem stromzuführenden Transistor und dem stromabführenden Transistor liegt der Abgriff der Statorwicklung R, S bzw. T. Jedem der Transistoren T 1- T 6 ist eine Freilaufdiode D 1- D 6 parallelgeschaltet.

An einem an den Zwischenkreis 2 angeschlossenen Meßwiderstand 7 wird eine Meßspannung abgegriffen, die an die Steuerung 4 eine Information über den jeweils im Zwischenkreis 2 fließenden Motorstrom liefert.

Ein mit dem Rotor 1 verbundener Rotorlagegeber 8 liefert an die Steuerung 4 der Rotorwinkellage entsprechende Signale; abhängig von diesen erfolgt die Kommutierung der Statorwicklungen P, S und T.

Durch diese Kommutierung in Abhängigkeit von der Rotorwinkellage wird bewirkt, daß die magnetischen Kräfte zwischen dem magnetischen Feld des Rotors 1 und dem Drehfeld des Stators aufrechterhalten bleiben, wobei die Kommutierung so durchgeführt wird, daß der Motor ein möglichst konstantes Drehmoment erzeugt.

Die Geschwindigkeit des Rotors 1 wird über den Motorstrom gesteuert. Die oberen Transistoren T 1, T 3 und T 5 der Brückenschaltung 3 dienen nur der Kommutierung der Statorwicklungen R, S und T, während die unteren Transistoren T 2, T 4 und T 6 zusätzlich noch mit einem Pulsweitenmodulations-Signal getaktet werden. Durch das Puls-Pausen-Verhältnis dieses Signals wird die Höhe der Ströme in den Statorwicklungen eingestellt.

Beispielsweise wird angenommen, daß der Strom durch die Statorwicklungen R und S fließen soll. Hierfür wird der Transistor T 1 durchgeschaltet, während der Transistor T 4 entsprechend der Pulsweitenmodulation getaktet wird. Wenn der Transistor T 4 leitend ist, fließt der Motorstrom I über die Transistoren T 1 und T 4. Solange der Transistor T 4 leitend bleibt, steigt der Motorstrom I an. Wenn der Transistor T 4 abgeschaltet wird, fließt der Motorstrom I weiter, bedingt durch die Induktivitäten der Statorwicklungen R und S. Der Strompfad läuft hierbei über T 1-R-S-D 3. Der Motorstrom I fließt also über die Freilaufdiode D 3 und entregt dabei. In dieser Zeit wird aus dem Zwischenkreis 2 keine Leistung entnommen.

Bei der Kommutierung von der Statorwicklung R zur folgenden Statorwicklung T kann so vorgegangen werden, daß der Transistor T 1 weiterhin leitend bleibt, der Transistor T 4 abgeschaltet und der Transistor T 6 eingeschaltet wird. Die zweite Möglichkeit, die nachfolgend beispielsweise näher beschrieben wird, besteht darin, daß der stromabführende Transistor T 4 der Statorwicklung S weiterhin leitend bleibt, der stromzuführende Transistor T 1 der Statorwicklung R abgeschaltet und der stromzuführende Transistor T 5 der folgenden Statorwicklung T eingeschaltet wird.

Nach der Kommutierung wird der Strom durch die Statorwicklung R und über den Strompfad D 2-R-S-T 4 entregt, während der Strom durch die Statorwicklung T ansteigt. In der Statorwicklung S erfolgt die Überlagerung beider Ströme.

Die Kommutierung soll in der Schaltung nach Fig. 1 in der Weise geschehen, daß der Transistor T 1 abgeschaltet und der Transistor T 5 eingeschaltet wird; somit erfolgt die Umschaltung von der Statorwicklung R zur Statorwicklung T. Der Transistor T 5 wird mit Frühzündung zum Zeitpunkt t 3′ eingeschaltet, während der Transistor T 1 eingeschaltet bleibt. Nun fließen gleichzeitig durch die Statorwicklungen R und T Ströme, die sich in der Statorwicklung S überlagern. Der Transistor T 1 bleibt bis zum normalen Kommutierungspunkt t 3 eingeschaltet. Der Stromverlauf dieser Betriebsart ist in Fig. 2 wiedergegeben. Es ist aber auch möglich, das Abschalten des Transistors T 1 noch weiter zu verzögern, um ein noch höheres Drehmoment zu erreichen. Der Zeitpunkt t 3 ist als Abschaltzeitpunkt steuerungstechnisch besonders einfach als Abschaltzeitpunkt einzuhalten.

Durch späteres Ausschalten der Statorwicklung R wird der Stromflußwinkel erhöht. Dadurch kann der Strom wesentlich höhere Werte erreichen, als dies beim konstanten Stromflußwinkel der Fall ist. Da der Strom später ausgeschaltet wird, wird der gerade Teil der EMK zwischen den Zeitpunkten t 3′ und t 3 für die Drehmomentbildung besser ausgenutzt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Kommutieren von bürstenlosen Gleichstrommotoren, die jeweils einen permanentmagnetischen Rotor und als Drehfeldwicklung in Sternschaltung angeordnete Statorwicklungen aufweisen, die mit einer Gleichstromquelle über eine Brückenschaltung verbindbar sind, in der jeder Statorwicklung ein stromzuführender und ein stromabführender Transistor zugeordnet ist, die durch eine Steuerung angesteuert werden und denen jeweils eine Freilaufdiode parallelgeschaltet ist, wobei im Motorbetrieb zur Kommutierung aufeinanderfolgender Statorwicklungen der Stromfluß über die jeweils vorher stromführende erste Statorwicklung ausgeschaltet und über die jeweils folgende zweite Statorwicklung eingeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Kommutierungsvorgangs das Abschalten des stromzuführenden Transistors (T 1) der ersten, vorher stromführenden Statorwicklung (R) verzögert wird, während der stromzuführende Transistor (T 5) der zweiten, folgenden Statorwicklung (T) bereits eingeschaltet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stromzuführende Transistor (T 1) der ersten, vorher stromdurchflossenen Statorwicklung (R) eingeschaltet bleibt, bis ein Abfall der EMK in dieser Statorwicklung (R) beginnt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stromzuführende Transistor (T 1) der ersten, vorher stromdurchflossenen Statorwicklung (R) bis zu einem nach dem Beginn des Abfalls der EMK in dieser Statorwicklung (R) liegenden Zeitpunkt eingeschaltet bleibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stromabführende Transistor (T 4) der jeweils dritten Statorwicklung (S) während des Kommutierungsvorgangs eingeschaltet bleibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschaltzeitpunkt des stromzuführenden Transistors (T 5) der zweiten, folgenden Statorwicklung (T) um einen vorgegebenen Zeitbetrag oder einen vorgegebenen Winkel vorverlegt wird.