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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 Signals ist.
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Aus
FR 2 848 741 A1 ist eine Motorsteuerung bekannt, bei der der eingeschaltete Gleichstrommotor stets mit einer niedrigen Vorspannung angesteuert wird, der einer Pulsweiten-Modulation aufgeprägt wird. Hierdurch wird das Anlaufverhalten des Elektromotors verbessert.
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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 pulsweiten-modulierten-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:
- 1 schematisch einen bürstenlosen Gleichstrommotor und ein als Symmetriebetrieb-Modulator ausgebildetes Pulsweiten-Modulator sowie ein Normalbetrieb-Modulator,
- 2a die Wechselrichter-Ausgangsspannung einer Phase eines Wechselrichters mit Pulsweiten-Modulator nach dem Stand der Technik,
- 2b der Spannungsverlauf an einer Motorspule, die mit der Wechselrichter-Spannung gemäß 2a gespeist wird,
- 3a der zeitliche Ausgangsspannungs-Verlauf eines Wechselrichters mit einem Symmetriebetrieb-Modulator,
- 3b der zeitliche Ausgangsspannungs-Verlauf an einer Motorspule eines Gleichstrommotors, der mit der Wechselrichter-Spannung gemäß 3a gespeist wird, und
- 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, hF = 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.