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Die
Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor
und auf ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Motors.
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Bürstenlose
Gleichstrommotoren weisen statorseitig Motorspulen auf. Das zum
Betrieb des Gleichstrommotors erforderliche Drehfeld für die Motorspulen
wird von einem Wechselrichter generiert, der für jede Motorspule die jeweiligen
Ansteuerungssignale erzeugt. Die Leistung des Gleichstrommotors wird über die
mittlere Spannung der jeweiligen Ansteuerungssignale für die Motorspulen
eingestellt.
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Der
Wechselrichter weist hierzu ein Pulsweiten-Modulator auf, der mit
hoher Frequenz von beispielsweise 20 kHz Spannungspulse generiert.
Je größer die
erforderliche Spannung ist, desto größer ist die Pulsweite bzw.
das Tastverhältnis,
die bzw. das der Quotient aus der Impulsdauer im Verhältnis zu der
Periodendauer des pulsweiten-modulierten Signales ist.
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Aufgrund
der elektrischen Zeitkonstante des Motors und der gespeicherten
elektrischen Energie in den Motorspulen entspricht der zeitliche
Mittelwert der anliegenden Spannung der geforderten mittleren Spulenspannung.
Durch Veränderung
der Pulsweite kann theoretisch eine beliebige Spannung zwischen 0
V und der Aussteuergrenze, das ist in der Regel die Höhe der Versorgungsspannung,
eingestellt werden. Hierdurch können
die Leistung und das Drehmoment des Gleichstrommotors geregelt werden. Übliche Formen
für die
Ansteuersignale sind Block, Trapez- und Sinus-Ansteuersignale. In 4 ist
gepunktet der zeitliche Verlauf der Pulsweite für verschieden große Pulsweitenhübe eines
trapezförmigen
Ansteuersignals nach dem Stand der Technik dargestellt.
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Durch
physikalische und technische Gegebenheiten weisen die Leistungshalbleiter
des Pulsweiten-Modulators gewisse Verzögerungen und Unsymmetrien beim
Ein- und Ausschalten auf. Dies führt
im Bereich kleiner Leistungen, bei denen die Pulsweite entsprechend
klein ist, dazu, dass sich sehr kleine mittlere Spulenspannungen
nicht generieren lassen. Bei der Dreieckschaltung führt dies, unabhängig von
der Verschaltungsart der Motorspulen, durch Spannungsverkettung
zu einer unsymmetrischen Generierung der Ansteuerungssignal-Kurvenform
und folglich zu einer unsymmetrischen Bestromung der Motorspulen,
wie in 2b dargestellt. Durch den direkten
Zusammenhang zwischen dem generierten Phasenstrom und der inneren
Drehmomentbildung führt
dieser Effekt zu Drehmomentpulsationen und zu einem schlechten Gleichlaufverhalten,
insbesondere bei geringer Leistung bzw. kleiner Drehzahl.
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Ferner
unterliegt das Schaltverhalten von Leistungshalbleitern Bauteilstreuungen
und hängt von äußeren Einflüssen ab,
wie beispielsweise der Umgebungstemperatur oder der Höhe und Qualität der Versorgungsspannung.
Diese ungünstigen
Effekte können
durch eine Begrenzung der minimal zulässigen Pulsweite des pulsweiten-modulierten-Signals vermieden
werden, wie in 2a dargestellt ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es dem gegenüber,
einen Gleichstrommotor bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrommotors
zu schaffen, der bzw. das verbesserte pulsweiten-modulierte Aussteuerungssignale
zur Verfügung
stellt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Gleichstrommotor bzw. einem Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrommotors
mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 7 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße bürstenlose
Gleichstrommotor weist einen Pulsweiten-Modulator auf, der als Symmetriebetrieb-Modulator
für eine
Symmetrie-Betriebsart
ausgebildet ist. Der Symmetriebetrieb-Modulator generiert pulsweiten-modulierte
Ansteuerungssignale für
die Schaltbrücke,
deren zeitlicher Pulsweiten-Verlauf stets symmetrisch zu einer konstanten
oder quasi-konstanten Pulsweiten-Symmetrielinie verläuft. Diese
Pulsweiten-Symmetrielinie liegt, bezogen auf den Pulsweitenhub der
jeweils zum betreffenden Zeitpunkt vorliegt, höher als der halbe Pulsweitenhub,
so dass der zeitliche Pulsweiten-Verlauf den kritischen Bereich
sehr kleiner Pulsweiten nicht berührt. Die Symmetrielinie kann
für alle möglichen
Pulsweitenhübe
konstant sein. Die Symmetrielinie kann aber auch abhängig vom
jeweils vorliegenden Pulsweitenhub wandern. Auf den zeitlichen Verlauf
der von der Schaltbrücke
in die Motorspulen eingespeisten Spannung hat der Symmetriebetrieb
den Effekt, dass auch der zeitliche Verlauf der eingespeisten Spannung
symmetrisch zu einer Spannungs-Symmetrielinie verläuft, die
höher liegt als
der halbe Spannungshub. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass
der kritische Bereich in der Nähe der
Spannung von 0 V bzw. unterhalb der minimalen Aussteuergrenze nicht
berührt
wird.
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Bei
jedem Ein- und Ausschaltvorgang der Leistungshalbleiter der Schaltbrücke muss
der sogenannte lineare Bereich des betreffenden Leistungshalbleiters
durchfahren werden. Dies ist unvermeidlich und wird als Schaltzeit
bezeichnet. Der zeitliche Anteil der Schaltzeit bezogen auf eine
Periodendauer des pulsweiten-modulierten Signals ist bei kleiner Pulsweite
groß und
bei großer
Pulsweite klein. So beträgt
der Schaltkreis-Anteil bei einer Pulsweite von 0,1 (10%) ungefähr 40%,
bei einer angenommen Betriebsspannung von 12 V. Der Schaltzeit-Anteil
verringert sich auf 8% bei einer Pulsweite von 0,5 (50%). Bei einer
Pulsweite von 1,0 (100%) beträgt
der Schaltzeit-Anteil nur noch 4%.
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Durch
den Symmetriebetrieb wird der zeitliche Pulsweiten-Verlauf erheblich
angehoben, so dass die durchschnittliche Pulsweite erheblich vergrößert wird.
Hierdurch reduziert sich der mittlere Schaltzeit-Anteil in gleichem
Maße.
Im Ergebnis führt dies
zu einem idealeren Verlauf der von der Schaltbrücke in die Motorspulen eingespeisten
Spannung. Auch der zeitliche Verlauf der eingespeisten Spannung
verläuft
symmetrisch zu einer Spannungs- Symmetrielinie,
so dass niedrige Spannungswerte in der Nähe von 0 V vermieden werden.
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Zwischen
dem von dem Pulsweiten-Modulator generierten pulsweitenmodulierten-Ansteuersignalen
für die
Schaltbrücke
und der von der Schaltbrücke
in die Motorspulen eingespeisten Spannung bzw. dem auf diese Weise
in die Motorspulen eingespeisten Strom besteht nunmehr ein linearer
Zusammenhang, und zwar insbesondere auch bei einer niedrigen eingespeisten
elektrischen Leistung. Hierdurch kann insbesondere bei niedriger
Motordrehzahl und geringer Motorleistung der Gleichlauf des Gleichstrommotors
erheblich verbessert werden. Insbesondere bei sensorlosen Regelungen
wird die Regelung des Gleichstrommotors robuster gemacht in Bezug auf äußere Störungen.
Die Störungs-Empfindlichkeit wird
verringert. Das Anlaufen des Gleichstrommotors wird insbesondere
bei noch niedrigeren Drehzahlen zuverlässiger.
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Vorzugsweise
generiert der Symmetriebetrieb-Modulator ein pulsweitenmoduliertes-Signal, das
eine Pulsweite von mindestens 0,02, besonders bevorzugt von 0,05,
aufweist. Im Ergebnis wird hierdurch sichergestellt, dass die von
der Schaltbrücke generierte
Spannung mindestens 2% der maximalen Ausgangsspannung bzw. mindestens
2% der Versorgungsspannung, besonders bevorzugt jeweils mindestens
5% beträgt.
Auf diese Weise wird der ungünstige
Bereich der sogenannten Aussteuergrenze ausgeblendet, solange die
Größe des gewünschten Ansteuerungssignals
dies zulässt.
Unter einer konstanten Pulsweiten-Symmetrielinie ist keine konstante
Linie im engeren Sinne zu verstehen. Selbstverständlich kann die Symmetrielinie
auch über
mehrere Bestromungszyklen nach unten oder oben verschoben werden.
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Vorzugsweise
liegt die Symmetrielinie zwischen 30% und 70% der Aussteuergrenze
bzw. der maximalen Pulsweite bzw. Pulsperiode von 1,0, besonders
bevorzugt zwischen 30% und 70% Idealerweise liegt die Symmetrielinie
ungefähr
auf halber Höhe
des nutzbaren Bereiches, also bevorzugt bei ungefähr 52,5%
der maximalen Aussteuerungsgrenze, wenn der untere Bereich von 5%
der maximalen Aussteuerungsgrenze ausgeblendet wird. Hierdurch wird
jeweils sichergestellt, dass das generierte pulsweiten-modulierte Ansteuerungssignal
eine möglichst
große
Pulsweite einnehmen kann, ohne die Aussteuerungsgrenze zu berühren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist zusätzlich ein Normalbetrieb-Modulator vorgesehen, der
pulsweiten-modulierte-Signale generiert, deren zeitlicher Verlauf
auf einer konstanten Basislinie steht, also auf herkömmliche
Weise generiert wird. Die Basislinie liegt bevorzugt bei 0,0. Mit
Hilfe eines entsprechenden Umschaltmodules kann zwischen dem Symmetriebetrieb-Modulator bei niedriger
Motor-Leistung und dem Normalbetrieb-Modulator bei hoher Motorleistung
hin und her geschaltet werden. Da im Symmetriebetrieb die Pulsweite
bzw. die Spannungsamplitude auf maximal 95% begrenzt ist, kann auch
nur 95% der an sich verfügbaren
Leistung generiert werden. Durch das Normalbetrieb-Modul, das ausschließlich bei
höheren
Motor-Leistungen die pulsweiten-modulierten Ansteuerungssignale
generiert, kann der Gleichstrommotor statt mit 95% nun mit 100%
der maximal zur Verfügung
stehenden elektrischen Leistung betrieben werden. Die Höhe der maximalen
Aussteuerungsgrenze ist in erster Linie technologisch von der Auswahl
der Schaltbrücke bzw.
dem Ansteuerkonzept ihrer Leistungs-Halbleiter abhängig.
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Bei
hohen Motor-Leistungen ist das unsymmetrische Verhalten der Leistungshalbleiter
praktisch unerheblich, da es nur zu Beginn und zum Ende eines langen
Spannungspulses auftritt.
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Gemäß dem Verfahrensanspruch
7 ist ein Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Gleichstrommotors
mit Motorspulen und einem Pulsweiten-Modulator zur Generierung von pulsweiten-modulierten
Ansteuerungssignalen für
die Motorspulen, gekennzeichnet durch:
Generieren von pulsweiten-modulierten
Ansteuerungssignalen, deren zeitlicher Pulsweiten-Verlauf symmetrisch
zu einer konstanten Pulsweiten-Symmetrielinie verläuft, die
höher liegt
als der halbe Pulsweitenhub, so dass der zeitliche Verlauf der in
die Motorspulen eingespeisten Spannung symmetrisch zu einer Spannungs-Symmetrielinie
verläuft,
die höher
liegt, als der halbe Spannungshub.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
einen bürstenlosen Gleichstrommotor
und ein als Symmetriebetrieb-Modulator ausgebildetes Pulsweiten-Modulator
sowie ein Normalbetrieb-Modulator,
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2a die
Wechselrichter-Ausgangsspannung einer Phase eines Wechselrichters
mit Pulsweiten-Modulator nach dem Stand der Technik,
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2b der
Spannungsverlauf an einer Motorspule, die mit der Wechselrichter-Spannung gemäß 2a gespeist
wird,
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3a der
zeitliche Ausgangsspannungs-Verlauf eines Wechselrichters mit einem
Symmetriebetrieb-Modulator,
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3b der
zeitliche Ausgangsspannungs-Verlauf an einer Motorspule eines Gleichstrommotors,
der mit der Wechselrichter-Spannung gemäß 3a gespeist
wird, und
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4 der
Verlauf der Pulsweite für
Normalbetrieb bzw. nach dem Stand der Technik (gepunktet) und für Symmetriebetrieb
(durchgezogen) für
verschieden große
Pulsweitenhübe
hA–hF für
jeweils einen Bestromungszyklus A–F von jeweils 0°–360°.
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In
der 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßer bürstenloser
Gleichstrommotor 10 dargestellt, der aus einem Motorgehäuse 12 mit
einem permanent erregten Rotor und drei statorseitigen Motorspulen 26,
die in Dreiecksschaltung angeordnet sind, sowie einem Wechselrichter 14 besteht,
der pulsweiten-modulierte Ansteuerungssignale für die Motorspulen 26 erzeugt.
Es handelt sich also um einen elektrisch kommutierten Gleichstrommotor 10.
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Der
Wechselrichter 14 weist zwei Pulsweiten-Modulatoren 16, 18 eine
Wechselrichtersteuerung 20, ein Umschaltmodul 19 und
eine Schaltbrücke 24 auf.
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Der
eine Pulsweiten-Modulator ist ein Symmetriebetrieb-Modulator 16 für eine Symmetrie-Betriebsart.
Der andere Pulsweiten-Modulator ist ein Normalbetrieb-Modul 18,
das pulsweiten-modulierte Ansteuerungssignale generiert, die auf
einer konstanten Basislinie von T = 0 stehen. Ferner ist das Umschaltmodul 19 Bestandteil
des Wechselrichters 14, durch das entweder der Symmetriebetriebs-Modulator 16 oder
der Normalbetrieb-Modulator 18 auf die Schaltbrücke 24 durchgeschaltet
wird.
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In 2a ist
der mittlere normierte Spannungsverlauf eines Wechselrichters nach
dem Stand der Technik über
die Zeit dargestellt. Auf der Ordinate ist die normierte mittlere
Spannung angegeben, also die effektive Spannung Ueff im
Verhältnis
zu der maximalen Spannung Umax bzw. der
Versorgungsspannung. Die auf der Ordinate angegebenen Werte entsprechen
ungefähr
der Pulsweite der durch den betreffenden Pulsweiten-Modulator generierten
Signale. Wie deutlich zu erkennen ist, ist im Bereich zwischen 0
und 5% der maximalen Spannung Umax der zeitliche
Verlauf der mittleren Spannung nicht, wie gewünscht, trapezförmig, sondern
steigt zunächst senkrecht
auf ein Plateau von 5% an, um anschließend waagerecht unverändert bis
zum Auftreffen auf dem gewünschten
trapezförmigen
Verlauf zu verbleiben. Entsprechend ist das Verhalten am Trapezende. Bei
entsprechender Ansteuerung von beispielsweise drei Motorspulen wird
in einer Motorspule eine Motorspannung gemäß 2b generiert.
Da die Motorspulen in Reihe bzw. im Kreis geschaltet sind, beeinflussen
die in 2a dargestellten Störungen den Verlauf
der Spulenspannung an mehreren Punkten.
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In
den 3a und 3b sind
die zeitlichen Spannungsverläufe
bei Betrieb des Symmetriebetrieb-Modulators 16 dargestellt.
Der Symmetriebetrieb-Modulator 16 generiert die pulsweiten-modulierten
Ansteuerungssignale für
die Schaltbrücke 24 derart,
dass die Ansteuerungssignale symmetrisch um eine konstante Symmetrielinie 23 schwingen,
wie in 4 für
verschiedene Pulsweitenhübe
hA–hF mit durchgezogener Linie dargestellt. Die
Symmetrielinie 23 liegt idealer Weise konstant bei ungefähr 52,5% der
maximalen Pulsweite bzw. Pulsperiode von T = 1,0. Der Bereich von
0–0,05
wird auf diese Weise für Pulsweitenhübe unter
h = 0,95 nicht erreicht. Die Nicht-Linearitäten im Bereich unterhalb von
T = 0,05 werden auf diese Weise ausgeblendet. Hierdurch wiederum
werden unerwünschte
Deformationen des zeitlichen Verlaufes der normierten mittleren
Ausgangsspannung der Schaltbrücke 24 vermieden.
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In
der 3b ist exemplarisch der sich hieraus ergebende
Verlauf der Spannung an einer Motorspule 26 dargestellt.
Der zeitliche Verlauf der Motorspulen-Spannung weist keinerlei unerwünschte Deformationen
auf. Diese theoretische Darstellung konnte in praktischen Versuchen
bestätigt
werden.
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Der
Normalbetrieb-Modulator generiert über die Schaltbrücke 24 einen
normierten mittleren Spannungsverlauf, wie in der 2a dargestellt
ist. Der Normalbetrieb hat den Vorteil, dass hiermit eine normierte
mittlere Spannung von über
0,95 generiert werden kann, da ein Bereich von 0–0,05% nicht ausgeblendet wird.
Da die durch die fehlende Ausblendung des vorgenannten Bereichs
ergebenden Störungen
gerade bei großen
Motorleistungen praktisch nicht ins Gewicht fallen, ergibt sich
hierdurch keine signifikante Verschlechterung des Laufverhaltens
des Gleichstrommotors 10. Wichtig ist vielmehr, dass bei niedrigen
Motorleistungen der Motor im Symmetriebetrieb betrieben wird, da
er bei niedrigen Motorleistungen sehr empfindlich in Bezug auf die
in den 2a und 2b dargestellten
Deformationen reagiert.
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Das
Umschaltmodul 19 schaltet, gesteuert durch das Steuermodul 20,
zwischen dem Symmetriebetrieb-Modulator 16 bei einer normierten
mittleren Spannung bzw. einem maximalen Pulsweitenhub h von 0,7
und weniger und dem Normalbetrieb-Modulator bei einer normierten
mittleren Spannung bzw. einem maximalen Pulsweitenhub h von mehr
als 0,7 hin und her. Um ein flatterndes Hin- und Herschalten zu
vermeiden, können
die Schaltpunkte einer Hysterese folgen.
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Im
Normalbetrieb folgt der Pulsweiten-Verlauf also den gepunkteten
Bestromungszyklen D, E und F der 4 für Pulsweitenhübe von hD = 0,8, hE = 0,9
und hF = 1,0, während der Pulsweiten-Verlauf im
Symmetriebetrieb den durchgezogenen Bestromungszyklen A, B und C
für Pulsweitenhübe von hA = 0,2, hB = 0,4
und hC = 0,6 folgt.