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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb
eines spannungsgesteuerten Elektromotors, wobei der Elektromotor
mit zumindest einer Ausgangsspannung eines Verstärkers beaufschlagt wird und
der Verstärker
mit einer Versorgungsspannung versorgt wird.
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Für den Betrieb
von Elektromotoren kommen prinzipiell zwei Verfahren in Betracht.
Zum einen kann der Elektromotor stromgeregelt betrieben werden.
Bei diesem Verfahren ist eine Strommessung in den Wicklungssträngen des
Elektromotors notwendig. Durch die Berücksichtigung der Wicklungsströme und den
Betrieb des Elektromotors in einer Regelschleife können die
gewünschten
Betriebsgrößen des
Elektromotors, wie z. B. Drehmoment oder Drehzahl, sehr genau eingestellt
werden. Nachteil sind dagegen die durch die Verwendung von Stromsensoren entstehenden
Kosten.
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Zum
anderen kann der Elektromotor spannungsgesteuert betrieben werden,
d. h. die Wicklungsströme
des Elektromotors werden nicht durch Stromsensoren erfasst und nicht
für die
Steuerung des Elektromotors berücksichtigt.
Durch den Verzicht auf Stromsensoren werden, im Vergleich zur Stromregelung,
Kosten gespart. Nachteilig ist dagegen, dass es zu Abweichungen
zwischen dem Ist-Drehmoment des Elektromotors und dem gewünschten Drehmoment
aufgrund veränderter
Randbedingungen, wie z. B. Versorgungsspannung und Temperatur, kommen
kann.
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Insbesondere
für Elektromotoren,
die in elektrischen Servolenkungen in Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden, sind diese Abweichungen unerwünscht. Servolenkungen sind
Einrichtungen zur Verstärkung
der Lenkkraft, die dafür
ausgelegt sind, eine von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs aufgebrachte
Lenkkraft zu verstärken.
Das Verstärken
der Kraft erfolgt elektromechanisch mittels eines Elektromotors.
Die Servolenkung umfasst vorzugsweise einen Drehmomentsensor, der
das vom Fahrer auf das Lenkrad übertragene
aktuelle Drehmoment erfasst. Das Drehmoment wird dann verstärkt, wobei
der Verstärkungsfaktor
abhängig
sein kann von verschiedenen Betriebsgrößen des Kraftfahrzeugs. Anschließend wird
der Elektromotor entsprechend angesteuert. Der Elektromotor ist
vorzugsweise mittels eines Getriebes mit der Lenkeinrichtung des
Kraftfahrzeugs gekoppelt. Ungleichförmigkeiten des von dem Elektromotor
abgegebenen Drehmoments, die bei der Spannungssteuerung auftreten
können,
werden von dem Fahrer als Ruckeln am Lenkrad wahrgenommen. Eine
Gleichförmigkeit
des Drehmoments ist somit wesentlich für einen hohen Fahrkomfort. Derartige
Ungleichförmigkeiten
des Drehmoments werden auch als Drehmomentenrippel bezeichnet.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Betrieb eines spannungsgesteuerten Elektromotors zu schaffen, derart,
dass die Abweichung zwischen dem Ist-Drehmoment und dem gewünschten
Drehmoment des Motors minimiert wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Versorgungsspannung durch ein Messmittel erfasst wird und zumindest
eine Ausgangsspannung des Verstärkers
in Abhängigkeit
von Betriebsgrößen des
Elektromotors und der erfassten Versorgungsspannung ermittelt wird.
Durch die Berücksichtigung
der Versorgungsspannung wird die Abweichung zwischen dem Ist-Drehmoment und dem
gewünschten
Drehmoment des Motors und damit auch der Drehmomentenrippel minimiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
somit eine hohe Stellgenauigkeit des vom Elektromotor abgegebenen
Drehmomentes, ohne den Einsatz von Stromsensoren. Durch den Verzicht
auf Stromsensoren kann das Verfahren kostengünstig realisiert werden. Als
Beispiele für
Verstärker
zur Speisung (Ansteuerung) des Elektromotors können Linearverstärker, Schaltverstärker, PWM- Verstärker und
Wechselrichter genannt werden. Üblicherweise
beinhalten diese Verstärker
zumindest eine Brückenschaltung
zur Erzeugung zumindest einer Ausgangsspannung mit welcher zumindest
ein Strang des Elektromotors beaufschlagt wird. Ferner sind als
Verstärker
auch Schaltmittel, wie z. B. Leistungstransistoren, zu verstehen
die zwischen der Versorgungsspannung und zumindest einem Strang
des Elektromotors geschaltet sind, mit denen zumindest eine Ausgangsspannung
verändert
werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden für eine Versorgungsspannung
(Uv0) Kennlinien ermittelt und in einem Speicher hinterlegt, anhand
derer Puls/Pausen-Verhältnisse
(PPV0) der Ausgangsspannung des Verstärkers in Abhängigkeit von
Betriebsgrößen des
Elektromotors ermittelt werden. Durch die Ermittlung und Abspeicherung
der Kennlinien stehen diese als Referenzwerte für spätere Ermittlungen der Puls/Pausen-Verhältnisse
(PPV) zur Verfügung.
Somit wird eine effektive Ermittlung der Puls/Pausen-Verhältnisse
ermöglicht.
Insbesondere Schaltverstärker
erzeugen Ausgangsspannungen, die nur zwei Werte annehmen können. Entweder
den Wert der Versorgungsspannung des Verstärkers (Puls) oder den Wert
0 V (Pause). Durch das Verhältnis
zwischen Puls und Pause wird der Effektivwert der Ausgangsspannung
eingestellt.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Puls/Pausen-Verhältnisse
der Ausgangsspannung des Verstärkers
in Abhängigkeit
von Betriebsgrößen des
Elektromotors, der erfassten Versorgungsspannung und der in dem
Speicher abgelegten Kennlinien ermittelt werden. Hierdurch wird eine
effektive Ermittlung der Puls/Pausen-Verhältnisse ermöglicht.
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In
diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Puls/Pausen-Verhältnisse
PPV anhand des Verhältnisses
ermittelt werden. Hierdurch
wird eine besonders einfache und effektive Ermittlung der Puls/Pausen-Verhältnisse
ermöglicht.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden als Betriebsgröße des Elektromotors
das von dem Elektromotor zu erzeugende Drehmoment und/oder die von
dem Elektromotor zu erzeugende Drehzahl verwendet.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführung
der Erfindung wird der Elektromotor in einer elektrischen Servolenkung
eines Kraftfahrzeugs eingesetzt. Durch die Erfindung besitzt das
Drehmoment eine besonders große
Gleichförmigkeit
wodurch das Ruckeln am Lenkrad minimiert und der Fahrkomfort erhöht wird.
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Des
Weiteren beinhaltet die Erfindung eine Vorrichtung zum Betrieb eines
spannungsgesteuerten Elektromotors, welche den Elektromotor mit
zumindest einer Ausgangsspannung eines Verstärkers beaufschlagt und den
Verstärker
mit einer Versorgungsspannung versorgt, welche ein Messmittel aufweist,
das die Versorgungsspannung erfasst, und welche zumindest eine Ausgangsspannung
des Verstärkers
in Abhängigkeit
von Betriebsgrößen des Elektromotors
und der erfassten Versorgungsspannung verändert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verstärker als
Schaltverstärker
ausgeführt.
Schaltverstärker
weisen einen besonders hohen Wirkungsgrad auf.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Elektromotor
als bürstenloser
Gleichstrommotor (BLDC-Motor) ausgeführt. BLDC-Motoren sind Maschinen
mit Permanentmagneten im Rotor. Der Rotor erzeugt das Erregerfeld.
Der Stator des BLDC-Motors besitzt eine Drehstromwicklung und wird
von einem Wechselrichter (Verstärker)
gespeist, der Drehstrom zur Verfügung
stellt. BLDC-Motoren sind selbstgeführte Maschinen und benötigen einen Drehwinkellagegeber
zum Betrieb. Der Ankerstrom bildet zusammen mit dem Feld des Permanentmagneten
ein zeitlich möglichst
konstantes Drehmoment. Die Weiterschaltung des Statorfeldes erfolgt
mit Hilfe des Wechselrichters rotorstellungsabhängig beziehungsweise polradlageabhängig so,
dass sich zwischen der Statordrehdurchflutung und dem Rotorfeld ein
konstanter Winkel von π/2
elektrisch einstellt. Die Polradlage wird vorzugsweise über Sensoren
erfasst oder aus Klemmenspannungen und/oder Klemmenströmen abgeleitet.
Das Betriebsverhalten entspricht weitgehend dem des Gleichstrommotors.
BLDC-Motoren haben eine sehr gute Dynamik und können einfach gesteuert werden.
Die bürstenlose
Technik ist verschleiß-
und wartungsfrei.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Messmittel
als Spannungsteiler ausgeführt.
Durch einen Spannungsteiler kann die Versorgungsspannung kostengünstige erfasst
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
BLDC-Motor und eine Vorrichtung zum Betrieb (Steuern) des BLDC-Motors
für den Einsatz
in einer elektrischen Servolenkung und
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2 ein
Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Steuerung des BLDC-Motors gemäß 1.
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Elemente
gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Der
BLDC-Motor 1 umfasst einen permanent erregten Rotor 12 und
einen Stator, der vorzugsweise drei Stränge 13, 14, 15 aufweist,
wobei die an diesen Strängen
anliegende Last jeweils durch eine Induktivität 17 und einen Widerstand 18 darstellbar
ist. Die drei Stränge 13–15 sind
vorzugsweise in Sternschaltung geschaltet. Auf dem Rotor 12 ist
ein oder sind mehrere Permanentmagnete 12a angeordnet.
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Eine
Vorrichtung 2 zum Steuern des BLDC-Motors 1 weist
ein Steuergerät 21 mit
einem Speicher 22 und einen Verstärker 23, der als PWM-Verstärker ausgeführt ist,
auf. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 2 zum Steuern
des BLDC-Motors 1 einen Kondensator 24 zur Pufferung einer
Versorgungsspannung Uv des Verstärkers 23. Die
Versorgungsspannung Uv wird von einem Bordnetz BN eines Fahrzeuges,
in dem der BLDC-Motor 1 bevorzugt eingebaut ist, zur Verfügung gestellt. Üblicherweise
wird die Versorgungsspannung Uv mittels eines Generators (Lichtmaschine)
und einer Fahrzeugbatterie erzeugt. Durch unterschiedliche Betriebszustände des
Fahrzeugs können
Schwankungen der Versorgungsspannung Uv auftreten. Diese Schwankungen
können
Ungleichförmigkeiten
eines von dem BLDC-Motor 1 abgegebenen Drehmoments hervorrufen.
Weiterhin weist die Vorrichtung 2 zum Steuern des BLDC-Motors 1 ein
Messmittel 25 zur Erfassung der Versorgungsspannung Uv
auf. Das Messmittel 25 kann z. B. durch einen Spannungsteiler
mittels Widerstände
realisiert werden.
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In
dem Steuergerät 21 werden
abhängig
von den zugeführten
Betriebsgrößen, wie
beispielsweise einer Drehzahl N, mit der der BLDC-Motor 1 betrieben
werden soll, oder auch eines Drehmoments M, das von dem BLDC-Motor
abgegeben werden soll, und in Abhängigkeit der durch das Messmittel 25 erfassten
Versorgungsspannung Uv des Verstärkers 23 Ausgangspannungen
Ua1, Ua2, Ua3 des Verstärkers 23 ermittelt
und diese als Spannungssignale an den Verstärker 23 übertragen.
Der Steuereinheit 2 ist dafür ein Drehmomentsensor 7 zugeordnet,
welcher das von einem Fahrer des Fahrzeugs erzeugte Drehmoment an
einer mit einem Lenkrad gekoppelten Stange erfasst. Abhängig von
diesem Drehmoment und ggf. weiteren Betriebsgrößen des Fahrzeugs wird dann
das durch den BLDC-Motor aufzubringende Drehmoment M ermittelt.
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Der
Vorrichtung 2 zum Steuern des BLDC-Motors 1 ist
ferner ein Lagesensor 3 zugeordnet, der die Winkelstellung
des Rotors 12 erfasst. Abhängig von dem zeitlichen Verlauf
der erfassten Winkelstellung wird die Drehzahl N ermittelt. Der
Lagesensor 3 kann als Hallsensor, als magnetoresistiver Sensor,
als optischer Sensor oder als ein so genannter Resolver ausgebildet
sein.
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Die
Ermittlung der Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3 des Verstärkers 23 erfolgt
anhand von in dem Speicher 22 des Steuergerätes 21 hinterlegten
Kennlinien und der erfassten Versorgungsspannung Uv. Die Kennlinien
werden vorzugsweise vor dem Einsatz des BLDC-Motors 1 in
dem Fahrzeug bei einer konstanten Versorgungsspannung Uv0 durch
Versuche oder Simulationen ermittelt. Anhand der Kennlinien ergeben
sich die Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3 in Abhängigkeit des abzugebenden Drehmoments
M und/oder der Drehzahl N des BLDC-Motors 1.
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Die
von dem Steuergerät 21 an
den Verstärker 23 übertragenen
Spannungssignale werden in dem Verstärker 23 in drei Ausgangsspannungen Ua1,
Ua2, Ua3 umgeformt, mit denen jeweils die drei Stränge 13–15 des
BLDC-Motors beaufschlagt werden. Das von dem BLDC-Motor 1 abzugebende Drehmoment
M und/oder die Drehzahl N des BLDC-Motors 1 werden über die
drei Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3 des Verstärkers 23 gesteuert.
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Der
Verstärker 23 ist
als Schaltverstärker (PWM-Verstärker) ausgeführt und
erzeugt pulsweitenmodulierte Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3. Die
Effektivwerte der Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3 werden durch
die jeweiligen Puls/Pausen-Verhältnisse
der Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3 eingestellt. Durch die Vorrichtung 2 werden die
drei Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3 des Verstärkers 23 in Abhängigkeit
von Betriebsgrößen des
Elektromotors 1 und der erfassten Versorgungsspannung Uv
verändert.
Hierdurch werden Abweichungen zwischen dem Ist-Drehmoment und dem gewünschten
Drehmoment M des BLDC-Motors 1 und somit auch Ungleichförmigkeiten
des Ist-Drehmoments minimiert.
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In
2 wird
ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Steuerung des BLDC-Motors
1 gemäß
1 gezeigt.
In einem Schritt S1 wird in dem Steuergerät
21 anhand der Signale
des Drehmomentsensors
7 und ggf. weiterer Betriebsgrößen des
Fahrzeugs das von dem BLDC-Motor
1 aufzubringende Drehmoment
M ermittelt. In einem Schritt S2 werden mittels der in dem Speicher
22 hinterlegten
Kennlinien, die bei der Versorgungsspannung Uv0 ermittelt wurden,
Puls/Pausen-Verhältnisse
PPVO der Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3 des Verstärkers
23 bestimmt.
In einem Schritt S3 wird durch das Messmittel
25 der aktuelle
Wert der Versorgungsspannung Uv des Verstärkers
23 erfasst.
In einem Schritt S4 werden die Puls/Pausen-Verhältnisse PPV der Ausgangsspannungen
Ua1, Ua2, Ua3 des Verstärkers
23 unter
Berücksichtigung
der aktuellen Versorgungsspannung Uv nach der Formel
bestimmt. Durch den Verstärker
23 werden
schließlich
die Stränge
13–
15 des
BLDC-Motors
1 mit den anhand der vorherigen Formel ermittelten
Ausgangsspannungen Ua1, Ua2, Ua3 beaufschlagt.
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- 1
- BLDC-Motor
- 12
- Rotor
- 12a
- Permanentmagnet
- 13–15
- Strang
- 17
- Induktivität
- 18
- Widerstand
- 2
- Vorrichtung
zum Betrieb des BLDC-Motors
- 21
- Steuergerät
- 22
- Speicher
- 23
- Verstärker
- 24
- Kondensator
- 25
- Messmittel
- 3
- Lagegeber
- 7
- Drehmomentsensor
- BN
- Bordnetz
- M
- Drehmoment
- N
- Drehzahl
- PPV
- Puls/Pausen-Verhältnisse
der Ausgangsspannung
- PPV0
- Puls/Pausen-Verhältnisse
der Ausgangsspannung bei Uv0
- Ua1–Ua3
- Ausgangsspannungen
des Verstärkers
- Uv
- Versorgungsspannung
- Uv0
- Versorgungsspannung
bei Aufnahme der Kennlinien.
- S1–S4
- Schritte