DE19518991A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors, und Motor zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors; sie betrifft ferner einen Motor zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Wenn bei einem elektronisch kommutierten Motor die Betriebsspannung ausfällt oder unter einen vorgegebenen Wert absinkt, arbeitet die Elektronik des Motors nicht mehr, und dieser läuft unkontrolliert aus, wobei sich dieser Auslaufvorgang über viele Umdrehungen des Rotors hinziehen kann, besonders, wenn das axiale Trägheitsmoment der angetriebenen Last und damit die gespeicherte kinetische Energie groß ist. Da die Elektronik in diesem Fall nicht mehr mit Strom versorgt wird, kann sie auch keine aktive oder passive Bremsung des Motors mehr bewirken. (Unter einer aktiven Bremsung versteht man eine Bremsung durch Gegenstrom, und unter einer passiven Bremsung eine Bremsung durch Kurzschließen der Motorwicklungen).

Vielfach stört dies in der Praxis nicht, aber es gibt Anwendungen von Motoren, z. B. bei der Steuerung der Leerlaufklappe in einem Kraftfahrzeug, wo man möglichst genau wissen möchte, wieviele Umdrehungen ein Motor noch macht, nachdem seine Versorgungs­ spannung abgeschaltet wurde, und in diesem Fall ist ein kontrollierter Bremsvorgang erforderlich, der z. B. die Aussage zuläßt, daß der Motor nach dem Abschalten der Versorgungsspannung innerhalb von drei Umdrehungen zum Stillstand kommt, und daß dieser Wert von drei Umdrehungen auch mit geringen Abweichungen eingehalten wird. Dies gestattet dann die Aussage, daß sich die Leerlaufklappe nach dem Abschalten des Motors (zum Zeitpunkt X) anschließend - beim Stillstand des Motors - in der Stellung Y befinden wird.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Verfahren zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors, und einen Motor zur Durchführung eines solchen Verfahrens, bereitzustellen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors, mit folgenden Schritten: Die Betriebsspannung des Motors wird überwacht; wenn die Betriebsspannung einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet, wird der Motor in sich wiederholenden Zyklen umgeschaltet zwischen

• a) einer Kurzschlußbremsung und
• b) einem generatorischen Betrieb,

um insbesondere durch die beim Abschalten der Kurzschlußbremsung entstehenden Freilaufströme die Elektronik des Motors bis herunter zu niedrigen Drehzahlen des Motors mit Strom zu versorgen und einen raschen, kontrollierten Bremsvorgang zu ermöglichen. Jedesmal, wenn die Kurzschlußbremsung unterbrochen wird, fließt im Motor ein Kurzschlußstrom von beispielsweise 0,25 A. Nach dem Unterbrechen der Bremsung fließt dieser Strom - infolge der Induktivität der Wicklungen des Motors - zunächst weiter und versorgt dadurch die Elektronik des Motors mit der für ihren Betrieb erforderlichen elektrischen Energie, indem dieser Strom z. B. einen Speicherkondensator auflädt, aus dem die Elektronik mit Strom versorgt wird.

In vorteilhafter Weise liegt dabei die Wiederholfrequenz der Zyklen oberhalb des hörbaren Bereichs. Eine hohe Frequenz, bevorzugt zwischen 30 und 40 kHz, hat sich dabei als außerordentlich vorteilhaft erwiesen, um einen schnellen Bremsvorgang mit einer sicheren Stromversorgung der Elektronik in glücklicher Weise zu kombinieren.

Ferner geht man in vorteilhafter Weise so vor, daß innerhalb eines solchen Zyklus die Phase der Kurzschlußbremsung länger ist als die Phase des generatorischen Betriebs. Dies ermöglicht eine schnelle, kontrollierte Abbremsung des Motors innerhalb weniger Umdrehungen.

Bei einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird während des Bremsvorganges die Stromversorgung der Rotorstellungs­ sensoren des Motors unterbrochen. Dies gestattet es, die Stromversorgung der Elektronik bis herab zu niedrigen Drehzahlen aufrechtzuerhalten, da die Rotorstellungssensoren im Normalfall ziemlich viel Strom verbrauchen und ihre Signale bei einem Bremsvorgang nicht benötigt werden.

Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich durch einen Motor zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, mit einem Speicherkondensator am Eingang der zur Steuerung des Motors dienenden Elektronik, mit einer Spannungsüberwachung zum Überwachen der Spannung an diesem Speicherkondensator, und mit einer Umschaltvorrichtung zum Umschalten auf sich wiederholende Zyklen von Kurzschlußbremsung und generatorischem Betrieb, wenn die Spannung an diesem Speicherkondensator einen vorgegebenen Wert unterschreitet. In bevorzugter Weise hat dieser Motor mindestens einen Rotorstellungssensor und eine von der Spannungsüberwachung gesteuerte Abschaltvorrichtung zum Abschalten des mindestens einen Rotorstellungssensors, wenn die Spannung am Speicherkondensator einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispiel, sowie aus den übrigen Unteransprüchen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Übersichts-Blockschaltbild eines elektronisch kommutierten Motors,

Fig. 2A die logischen Gleichungen für die Erzeugung von Ansteuersignalen T1 etc. für die bei Fig. 1 verwendete und in fig. 2B dargestellte Vollbrückenschaltung,

Fig. 2B eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der bei Fig. 1 verwendeten Vollbrückenschaltung,

Fig. 3 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der beim Motor der Fig. 1 Im Betrieb erzeugten Hallsignale (Fig. 3a, b, c), deren logische Werte für verschiedene Rotorstellungen (Fig. 3d), und den Verlauf der Signale T1 etc. für die verschiedenen dargestellten Rotorstellungen (Fig. 3e),

Fig. 4 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Darstellung des bei Fig. 4 verwendeten Mikroprozessors PIC16CR57A der Firma MicroChip, und seiner Anschlüsse,

Fig. 6A, B, C ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Fig. 4,

Fig. 7 verschiedene Diagramme zur Erläuterung von Fig. 4 bis 6,

Fig. 8 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Einzelheit der Fig. 4, und

Fig. 9 Oszillogramme zur Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt als bevorzugte Anwendung einen dreisträngigen elektronisch kommutierten Motor 30. Dieser hat eine Statorwicklung mit drei Strängen 31, 32, 33, deren Anschlüsse mit L1, L2 und L3 bezeichnet sind. Diese drei Stränge, die man auch als Phasen bezeichnet, sind hier im Stern geschaltet, könnten aber ebensogut im Dreieck geschaltet sein. Der permanentmagnetische Rotor des Motors 30 ist symbolisch bei 35 angedeutet, und um ihn herum sind am Stator drei Rotorstellungssensoren 37, 38, 39 mit Abständen von 120° el. angeordnet. (Da der dargestellte Rotor 35 vierpolig ist, entsprechen 120° el. einem Winkel von 60° mech.) Diese Sensoren sind gewöhnlich Hall-IC′s, welche ein im wesentlichen digitales Ausgangssignal liefern, das also entweder den Wert "0" oder den Wert "1" hat. Sofern andere Sensoren verwendet werden, können deren Ausgangssignale in bekannter Weise digitalisiert werden.

Diese Sensoren 37, 38, 39 sind in Fig. 1 links nochmals dargestellt. Sie werden über einen gemeinsamen Vorwiderstand 40 und einen elektronischen Schalter 41 von einer Plusleitung 48 (+ U_B) mit Strom versorgt. An diese Plusleitung 48 ist auch ein Speicher­ kondensator 43 angeschlossen, der bei einem Stromausfall eine Kommutierungssteuerung 42 kurzzeitig weiterhin mit Strom versorgt. Diese Kommutierungssteuerung 42 erfaßt den Stromausfall dadurch, daß die Spannung am Kondensator 43 überwacht wird, und wenn diese unter einen vorgegebenen Wert sinkt, wird der elektronische Schalter 41 unterbrochen, so daß die Hall-IC′s 37, 38, 39 stromlos werden, und der Motor 30 wird durch nachfolgend beschriebene Maßnahmen schnell abgebremst.

Die Ausgangssignale der Sensoren 37, 38, 39 sind mit H1, H2 und H3 bezeichnet und werden der Kommutierungssteuerung 42 zugeführt, welche Signale T1, B1, T2, B2, T3, B3 abgibt, die einer Vollbrückenschaltung 44 zugeführt werden, an welche die Anschlüsse L1, L2 und L3 der Wicklungen 31, 32, 33 angeschlossen sind. Der Strom i durch diese Vollbrückenschaltung 44 wird bevorzugt mittels eines Meßwiderstands 40 erfaßt, und das Stromsignal wird, wie dargestellt, ebenfalls der Kommutierungssteuerung 42 zugeführt.

Fig. 2B zeigt in prinzipieller Darstellung den Aufbau der Brückenschaltung 44 mit bipolaren Transistoren. Naturgemäß können hier in gleicher Weise MOSFETs, Darlingtontransistoren etc. verwendet werden. Eine Plusleitung mit dem Potential +U_B (z. B. + 40 V) ist mit 48 bezeichnet, und eine Minusleitung mit dem Potential OV (GND) ist mit 50 bezeichnet. Die drei oberen Brückentransistoren 52, 54 und 56 sind pnp-Transistoren, und zu jedem von ihnen ist in der dargestellten Weise eine Freilaufdiode 52′, 54′ bzw. 56′ antiparallel geschaltet. Der Emitter ist jeweils mit der Plusleitung 48 verbunden, der Kollektor mit den Ausgängen L1 bzw. L2 bzw. L3. An der Basis erhalten diese drei oberen Transistoren die Signale T1, T2 und T3, wie sie sich aus Fig. 2A ergeben. Hat z. B. der Hall-IC 37 das Ausgangssignal H1 = 1, und der Hall-IC 38 das Ausgangssignal H2/=0, so ist der Transistor 52 leitend, und die Transistoren 54 und 56 sind gesperrt.

Die unteren Brückentransistoren 60, 62 und 64 sind npn-Transistoren; ihre Emitter sind über den gemeinsamen Strommeßwiderstand 40 mit der Minusleitung 50 verbunden, ihre Kollektoren mit den Ausgängen L1, L2, L3, und zu jedem ist eine Freilaufdiode 60′, 62′, 64′ antiparallel geschaltet. An der Basis erhalten diese unteren Transistoren die Signale B1, B2 bzw. B3, wie sie sich aus Fig. 2A ergeben. Fig. 2A bedarf im übrigen keiner näheren Erläuterung.

Es braucht nicht betont zu werden, daß dies nur ein Ausführungsbeispiel ist, und daß sich die Erfindung z. B. in gleicher Weise für Gleichstrom- Kollektormotoren eignet, oder für elektronisch kommutierte Motoren mit anderen Strangzahlen und anderem Aufbau.

Die Fig. 3a, 3b und 3c zeigen die drei Sensorsignale H1, H2, H3, die jeweils um 120° el. gegeneinander versetzt sind. Die Bezifferung ist so gewählt, daß H1 beim Winkel 0° el. von "0" auf "1" geht, bei 180° el. von "1" auf "0", und bei 360° el. wiederum von "0" auf "1", d. h. wenn sich der Rotor 35 um 360° el. dreht, so ergeben sich die Signale gemäß Fig. 3a, 3b und 3c. Die Funktion dieser Signale ist, der Kommutierungssteuerung 42 die Informationen zu liefern, in welcher Drehstellung sich der Rotor 35 im Augenblick befindet, damit die richtigen Transistoren in der Vollbrückenschaltung eingeschaltet werden.

Für den Drehstellungsbereich 0° el. bis 60° el. liefern z. B. die drei Sensoren die Signalkombination H1, H2, H3 = 101, wie in Fig. 3d dargestellt, und diese Signalkombination bewirkt gemäß Fig. 3e, daß die Signale T1 und B2 hoch werden, d. h. daß in der Brückenschaltung 44 die Transistoren 52 und 62 eingeschaltet werden, so daß von der Plusleitung 48 über den Transistor 52, die Stränge 31 und 32, und den Transistor 62, ein Strom zur Minusleitung 50 fließt.

Im anschließenden Drehwinkelbereich von 61° bis 120° el. lautet die Rotorstellungsinformation H1, H2, H3 = 100, und sie bewirkt, daß die Signale T1 und B3 hoch werden, wodurch die Transistoren 52 und 64 eingeschaltet werden und ein Strom über den Strang 31 und den Strang 33 von der Plusleitung zur Minusleitung fließt.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Motoranordnung 70. Der eigentliche Motor 30 ist derselbe dreisträngige, sechspulsige Motor wie in Fig. 1. Er ist aus Platzgründen in Fig. 4 nicht nochmals dargestellt; er wird an die Anschlüsse L1, L2, L3 rechts in Fig. 4 angeschlossen.

Die Anordnung 70 nach Fig. 4 verwendet einen Mikroprozessor (µP) 72, der in Fig. 5 vergrößert dargestellt ist. Fig. 5 zeigt die Anschlüsse 1 bis 28 dieses µP 72 und deren vom Hersteller (MicroChip) gewählte Bezeichnungen, und der Leser wird zur Information hierauf, und auf die zugehörigen Datenblätter, verwiesen. Der µP 72 enthält auch ein ROM, in welchem sich das verwendete Programm zur Steuerung des µP 72 verwendet, und ein RAM zur Speicherung von flüchtigen Daten, z. B. von Grenzwerten für einen Zähler, etc. Bei diesem µP 72 handelt es sich um einen RISC-Prozessor. Naturgemäß können hier vielerlei Mikroprozessoren angewendet werden, wobei das Hauptziel ist, einen preiswerten µP mit niedrigem Stromverbrauch zu verwenden, der den Temperaturen in einem Elektromotor gewachsen ist. (Der µP 72 wird gewöhnlich direkt in das Gehäuse des Motors eingebaut und bildet einen Bestandteil desselben.)

Zur Stromversorgung des µP 72, ausgehend von der Plusleitung 48, dient eine geregelte Stromversorgung 75, die an ihrem Ausgang 76 eine Spannung +US von z. B. + 5 V liefert. Die Minusleitung 50 ist teilweise auch mit GND bezeichnet. Der Eingang 2 des µP 72 ist direkt mit diesem Ausgang 76 verbunden, und der Eingang 28 über einen Widerstand 80. An die Eingänge 26 und 27 ist, wie dargestellt, ein Schwingquarz 82 (z. B. 4 MHz) angeschlossen, der als Taktgenerator für den µP 72 dient. Der Eingang 4 ist direkt mit der Minusleitung 50 verbunden, der Eingang 1 über einen Widerstand 84, z. B. 100 kOhm. Der Ausgang des Hall-IC 37 ist mit dem Eingang 6 verbunden und führt diesem das Signal H1 zu. Der Ausgang des Hall-IC 38 ist mit dem Eingang 7 verbunden und führt diesem das Signal H2 zu. Der Ausgang des Hall-IC 39 ist mit dem Eingang 8 verbunden und führt diesem das Signal H3 zu.

Die Stromeingänge der Hall-IC′s 37, 38 und 39 sind miteinander und mit dem Ausgang 76 des Spannungsreglers 75 verbunden. Alternativ können diese Hall-IC′s 37, 38, 39 auch von einem Ausgang des Mikroprozessors 72 mit Strom versorgt werden, z. B. mit Stromimpulsen einer Dauer von wenigen Mikrosekunden und einem zeitlichen Abstand von z. B. 50 bis 150 µs. Durch solche Stromimpulse werden die Hall- IC′s 37, 38 und 39 immer nur kurzzeitig eingeschaltet und liefern dann kurzzeitig die Signale H1, H2 und H3, die im µP 72 bis zum nächsten Stromimpuls gespeichert und beim nächsten Stromimpuls durch die dann entstehenden neuen Signale H1, H2, H3 ersetzt werden. Diese Art der Abfrage ist Gegenstand der deutschen Patentanmeldung 195 15 944.6 vom 2. Mai 1995, auf deren Inhalt verwiesen wird. Über Widerstände 88, 89, 90 (z. B. je 22 kOhm), die als Pullup-Widerstände bezeichnet werden, sind die Eingänge 6, 7 und 8 mit dem Ausgang 76 des Spannungsreglers 75 verbunden.

Der Ausgang 25 des µP 72 liefert im Betrieb das Signal T1, der Ausgang 24 das Signal B1, der Ausgang 23 das Signal T2, der Ausgang 22 das Signal B2, der Ausgang 21 das Signal T3, und der Ausgang 20 das Signal B3, wie in Fig. 4 dargestellt. Diese Signale dienen, wie bei Fig. 2B, zur Steuerung einer Vollbrückenschaltung 94, deren prinzipieller Aufbau Fig. 2B entspricht, d. h. die Signale T1, B1 etc. werden in genau derselben Weise aus den Signalen H1, H2 und H3 berechnet, wie das anhand der Fig. 1 bis 3 bereits ausführlich beschrieben wurde.

Die Vollbrückenschaltung nach Fig. 4 hat denselben prinzipiellen Aufbau wie die Vollbrückenschaltung 44 der Fig. 2B. Deshalb werden für gleiche oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet und diese Teile werden gewöhnlich nicht nochmals beschrieben.

Wie Fig. 4 zeigt, enthält die Brückenschaltung 94 drei Teile 100, 101 und 102 mit identischem Aufbau. Deshalb wird im folgenden nur der Teil 100 beschrieben. Die entsprechenden Bauteile des Teils 101 erhalten dasselbe Bezugszeichen mit einem nachgestellten Apostroph, diejenigen des Teils 102 mit zwei nachgestellten Apostrophen.

Das Signal T1 wird über einen Widerstand 104 der Basis eines npn- Transistors 106 zugeführt, dessen Emitter mit der Minusleitung 50 (GND) und dessen Kollektor über einen Widerstand 108 mit der Basis des pnp-Transistors 52 verbunden ist, dessen Emitter über einen Widerstand 110 und einen dazu parallelgeschalteten Kondensator 112 (z. B. 4,7 kOhm und 1 nF) mit der Basis verbunden ist. Der Widerstand 110 und den Kondensator 112 bilden ein RC-Glied und verlangsamen die Schaltvorgänge des Transistors 52, um Abschaltspitzen und Funkstörungen zu reduzieren.

In gleicher Weise wird das Signal T2 über den Widerstand 104′ der Basis des Transistors 106′ und das Signal T3 über den Widerstand 104′′ der Basis des Transistors 106′ zugeführt.

Wenn das Signal T1 am Ausgang 25 des Mikroprozessors 72 den logischen Wert "1" annimmt, wird der Transistor 106 leitend und bewirkt einen Basisstrom im oberen Brückentransistor 52, so daß auch dieser leitend wird. Wird umgekehrt das Signal T1 niedrig, nimmt also den logischen Wert "0" an, so werden die Transistoren 106 und 52 gesperrt.

Dasselbe gilt analog für das Signal T2 am Ausgang 23, bzw. das Signal T3 am Ausgang 21 des Mikroprozessors 72.

Das Signal B1 vom µP 72 wird über einen Widerstand 116 (z. B. 4,7 kOhm) direkt der Basis des Transistors 60 zugeführt. Diese ist ihrerseits über einen Widerstand 118 (z. B. 4,7 kOhm) mit der Minusleitung 50 verbunden.

Wenn also das Signal B1 am Ausgang 24 des µP 72 den logischen Wert "1" annimmt, wird der Transistor 60 leitend, und wenn es den Wert "0" annimmt, wird dieser Transistor gesperrt. Analoges gilt für die Signale B2 und B3, was keiner Erläuterung bedarf, da die Anordnungen im Aufbau übereinstimmen.

Bei kleinen Motorleistungen können für die Brückentransistoren sehr preiswerte Typen verwendet werden, z. B. BC807-40 für die oberen Brückentransistoren 52, 54 und 56, und BC817-40 für die unteren Brückentransistoren 60, 62 und 64.

Der Eingang 10 (RB0) des µP 72 kann über einen Umschalter 120 entweder - wie dargestellt - über einen Widerstand 122 mit der Minusleitung 50 verbunden werden, oder umgekehrt über einen Widerstand 124 mit der geregelten Plusspannung 76. Auf diese Weise kann der Eingang 10 entweder den logischen Wert "0" oder den logischen Wert "1" annehmen.

Die dargestellte Stellung des Schalters 120 (RB0 = 0) hat zur Folge, daß der Motor 30 beim Blockieren, d. h. dann, wenn der Rotor 35 an einer Drehung gehindert wird, den Motorstrom ausschaltet, und ggf. innerhalb vorgegebener Intervalle neue Startversuche durch kurzzeitiges Einschalten des Motorstroms gemacht werden.

Die andere Stellung des Schalters 120 (Signal RB0 = 1) hat zur Folge, daß der Motor 30 beim Blockieren auf einen niedrigeren Strom umgeschaltet wird, d. h. der Motor erhält, wenn er eingeschaltet wird, aber steht, einen niedrigeren Strom zugeführt wird, als wenn er eingeschaltet ist, aber sich z. B. während des Hochlaufs dreht. Dadurch erzeugt der Motor auch im Stillstand ein Drehmoment, das aber relativ niedrig ist. Dies kann bei manchen Antrieben von Vorteil sein, um ein konstantes Drehmoment an der Motorwelle aufrechtzuerhalten.

Ferner kann gemäß Fig. 5 der Anschluß 19 (RC1) des µP 72 durch einen internen Schalter 126 mit der Minusleitung 50 verbunden werden, entsprechend dem Signal RC1 = 0. Wird dieser Schalter 126 geöffnet, so wird RC1 hochohmig. Die Verwendung dieses Umschaltvorgangs wird nachfolgend erläutert. Beim Anlauf ist RC1 = 0, d. h. der interne Schalter 126 ist dann geschlossen. (Dieser interne Schalter ist naturgemäß ein Transistor des µP 72).

Der Strommeßwiderstand 40 ist in Fig. 4 gebildet von zwei parallelgeschalteten Widerständen 40′ und 40′′ von z. B. je 6,8 Ohm. Diese liegen zwischen der Minusleitung 50 und einer Leitung 50′, die zu den Emittern der Transistoren 60, 62 und 64 führt.

Die Leitung 50′ ist über einen Widerstand 130 (z. B. 1,6 kOhm) mit der Basis eines npn-Transistors 132 (z. B. BC847C) verbunden, dessen Emitter mit der Minusleitung 50 und dessen Kollektor über einen Widerstand 134 mit der geregelten Spannung 76 verbunden ist. Zwischen der Basis des Transistors 132 und dessen Emitter liegt ein Kondensator 138 (z. B. 1 nF).

Der Kollektor des Transistors 132 ist über einen Widerstand 140 mit der Basis eines pnp-Transistors 142 verbunden, dessen Emitter mit der geregelten Spannung 76 und dessen Kollektor über einen Widerstand 144 (z. B. 22 kOhm) mit der Minusleitung 50 und über einen Widerstand 146 (z. B. 22 kOhm) mit dem Anschluß 18 (RC0) des µP 72 verbunden ist. - Die Basis des Transistors 132 ist über einen Widerstand 148 (z. B. 1 kOhm) mit dem Anschluß 19 (RC1) des µp 72 verbunden. Dieser Anschluß RC1 ist, wie bereits erläutert, über den internen Schalter 126 umschaltbar. - Eine Spannungsüberwachungsschaltung 230 überwacht die Spannung U_B am Speicherkondensator 43. Ihr Ausgangssignal 51 wird dem Eingang RB6 des Mikroprozessors 72 zugeführt.

Betrieb der Strommeßschaltung mit den Transistoren 132 und 142

Im Betrieb des Motors 70 entsteht durch den Motorstrom i, der durch die Widerstände 40′ und 40′′ fließt, ein Spannungsabfall.

Beim Anlauf ist, wie bereits beschrieben, der interne Schalter 126 geschlossen. Dies bedeutet, daß an der Basis des Transistors 132 nur etwa die Hälfte der Spannung liegt, die durch den Motorstrom i an den Widerständen 40′, 40′′ erzeugt wird (unter der Voraussetzung, daß die Widerstände 130 und 148 etwa gleich groß sind). Dies bedeutet, daß die Strombegrenzung erst bei einem relativ hohen Motorstrom i wirksam wird, z. B. erst beim Überschreiten von 350 mA, d. h. erst in diesem Fall wird der Transistor 132 leitend. Hierbei wird dann - über den Widerstand 140 - der Transistor 142 ebenfalls leitend. Dies bewirkt, daß der Anschluß RC0 des µP 72, der bisher über die Widerstände 144, 146 mit der Minusleitung 50 verbunden war und deshalb deren Potential hatte, nun durch den leitenden Transistor 142 mit der geregelten Plusspannung am Anschluß 76 verbunden wird. Dies stellt für den µP 72 das Signal dar, daß die Stromgrenze (z. B. 350 mA) überschritten ist, und es bewirkt entsprechende Vorgänge, wie nachfolgend anhand des Flußdiagramms der Fig. 6 ausführlich beschrieben.

Wird der interne Schalter 126 geöffnet, so wird der Anschluß RC1 hochohmig. Dadurch liegt an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 132 die gesamte Spannung an den Widerständen 40′, 40′′. In diesem Fall genügt ein kleinerer Strom i, z. B. von 150 mA, um die Transistoren 132 und 142 zum Einschalten zu bringen, so daß das Signal RC0 = "1" wird, und der Strom folglich auf diesen niedrigeren Wert begrenzt wird.

Die Fig. 6A, B, C zeigen das zugehörige Flußdiagramm. Beim Schritt S160 (Reset) erfolgt ein POWER UP RESET des µP 72 beim Einschalten.

Beim Schritt S162 wird ein Kommutierungszähler KZ im µP 72, der in Fig. 5 symbolisch angedeutet ist, auf KZ = 0 gesetzt. Ebenso wird ein Schleifenzähler SZ (ebenfalls in Fig. 5 symbolisch angedeutet) auf SZ = 0 gesetzt. Ebenso wird ein Blockierungs- Flagsignal auf 0 gesetzt. (Ist der Motor blockiert, so wird dieses Flagsignal nach einiger Zeit auf "1" gesetzt). - Beim Schritt S163 wird abgefragt, ob das Signal S1 (vgl. die nachfolgende Fig. 8) am Eingang RB6 des µP 72 gleich "1" ist. Falls nicht, geht das Programm zum Schritt S164.

Beim Schritt S164 wird abgefragt, ob das Blockierungsflag = "0" ist. Falls dies der Fall ist, wird im Schritt S166 RC1 durch Schließen des Schalters 126 (Fig. 5) auf "0" gesetzt, und im Schritt S168 wird zu einem Zeitpunkt t1 (Fig. 6A, rechts außen) der Strom i im Motor 30 eingeschaltet. Dies erfolgt gemäß Fig. 3, d. h. wenn sich z. B. der Rotor 35 in der Stellung zwischen 0° und 60° el. befindet, werden die Signale T1 und B2 zu "1" gemacht, und es werden folglich die Transistoren 52 und 62 eingeschaltet, wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben. In diesem Schritt S168 erfolgt also eine Auswertung der drei Hallsignale H1, H2 und H3, um den Motor in der richtigen Weise einzuschalten.

Im Schritt S170 wird der Kommutierungszähler KZ abgefragt, ob bereits 25 Kommutierungen stattgefunden haben, d. h. ob sich der Rotor 35 bereits um zwei Umdrehungen gedreht hat. Ist dies der Fall, so setzt erstmals die Strombegrenzung ein, und im Schritt S172 wird der Kommutierungszähler auf dem Wert KZ = 25 festgehalten, damit er nicht ständig weiterzählt.

Im Schritt S173 wird durch NOP-Befehle eine geringe zeitliche Verzögerung bewirkt. Anschließend wird im Schritt S174 geprüft, ob der Motorstrom i die eingestellte Stromgrenze überschritten hat, d. h. ob RCO = "1" ist. Falls ja, werden im Schritt S176 zum Zeitpunkt t₂ (Fig. 6A, außen rechts) die Signale B1, B2 und B3 = "0" gemacht, d. h. die unteren Brückentransistoren 60, 62 und 64 werden ausgeschaltet.

Durch die Schritte S170, S172, S173 und S174 liegt zwischen dem Schritt S178 und dem Schritt S176 eine Zeitspanne tau von z. B. 10 µs, d. h. wenn der Strom i im Schritt S176 abgeschaltet wird, ist er mindestens während dieser Zeit tau geflossen.

Wird beim Schritt S174 festgestellt, daß die Stromgrenze nicht überschritten ist, so wird der Motorstrom nicht unterbrochen, und das Programm geht zum Schritt S180. Dieser bewirkt eine zeitliche Verzögerung und kann z. B. aus mehreren NOP-Befehlen bestehen.

Im Schritt S182 wird erneut überprüft, ob die Stromgrenze überschritten ist, falls ja, wird jetzt im Schritt S184 der Motorstrom i unterbrochen, indem die unteren Brückentransistoren 60, 62 und 64 zum Zeitpunkt t3 nichtleitend gemacht werden.

Anschließend geht das Programm zum Schritt 186, der ebenso wie der Schritt S180 eine Verzögerungszeit bewirkt und aus NOP-Befehlen aufgebaut sein kann. (Naturgemäß können im Schritt S180 auch Berechnungen für Regelvorgänge etc. stattfinden, was ebenfalls Zeit beansprucht.) An den Schritt S186 schließt sich der Schritt S188 an, wo erneut geprüft wird, ob die Stromgrenze überschritten ist (ebenso wie in den Schritten S174 und S182). Falls die Stromgrenze erst jetzt überschritten wurde, wird im Schritt S190 der Motorstrom i dadurch unterbrochen, daß die unteren Brückentransistoren 60, 62 und 64 zum Zeitpunkt t₄ nichtleitend gemacht werden.

Es schließt sich ein Schritt S194 an, in welchem wieder (analog den Schritten S180 und S186) eine Programmlaufzeit erzeugt wird, also eine Verzögerung, z. B. durch NOP-Befehle.

Keine Strombegrenzung direkt nach Anlauf

Bei einer bevorzugten Variante, die aber nicht notwendig angewendet werden muß, geht man wie folgt vor: Wird im Schritt S170 festgestellt, daß der Zählerstand des Kommutierungszählers KZ kleiner als 25 ist, so verzweigt das Programm zum Schritt S196, wo ggf. eine entsprechende Verzögerungszeit durch NOP-Befehle erzeugt werden kann, und das Programm geht anschließend direkt zum Ausgang des Schrittes S194, überspringt also alle Schritte mit Strombegrenzung, so daß direkt nach dem Anlauf das maximal mögliche Drehmoment des Motors 30 erzeugt und der Strom nicht begrenzt wird. Nach dem Ablauf von zwei Umdrehungen wird dann automatisch auf Strombegrenzung umgeschaltet.

Da es direkt nach dem Anlauf des Motors nicht erforderlich ist, daß der Schleifenzähler SZ genaue Werte zählt, da diese Werte für die Drehzahlregelung nicht erforderlich sind (der Motor ist ohnedies zu langsam), kann man in diesem Fall den Schritt S196, d. h. die Erzeugung einer Verzögerung durch NOP-Befehle, weglassen, ohne daß sich an der Funktion des Motors etwas ändert. In diesem Fall verkürzt sich die Zeit für einen Schleifendurchlauf, da ja die Befehle von S170 bis S194 nicht ausgeführt werden, und der Schleifenzähler SZ zeigt dann zu hohe Werte an.

Es ist auch darauf hinzuweisen, daß durch den Zahlenwert in der Abfrage S170 festgelegt werden kann, ob z. B. die Strombegrenzung bereits nach einer halben Umdrehung des Motors einsetzt, oder nach einer ganzen Umdrehung, nach zwei Umdrehungen etc. Dies hängt davon ab, welche Antriebsaufgabe der Motor hat. Treibt der Motor 30 über ein Getriebe ein Gerät an, so daß z. B. 200 Umdrehungen des Motors einer einzigen Umdrehung am Ausgang des Getriebes entsprechen, so wird man die Strombegrenzung, wie in Fig. 6 dargestellt, z. B. während zwei Umdrehungen des Motors (nach dem Einschalten) unterbrechen, damit der Motor sicher anlaufen kann.

Im Schritt S198 wird der Schleifenzähler SZ um den Wert 1 hinaufgezählt. Der Schleifenzähler SZ zählt, wie oft die in Fig. 6 mit S200 bezeichnete Schleife zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen durchlaufen wird, also z. B. in Fig. 3 zwischen den Winkelstellungen 0° el. und 60° el., oder zwischen 60° el. und 120° el., oder zwischen 120° el. und 180° el., etc. Der Inhalt des Schleifenzählers SZ stellt also ein Maß für die Zeit dar, die der Rotor 35 für eine Drehung von 60° el. benötigt. Um dies zu erreichen, werden durch entsprechende NOP-Befehle alle Schleifendurchläufe, egal auf welchem Weg, etwa auf dieselbe Zeit eingestellt, z. B. einheitlich auf 54 µs. (Man versucht bei der Erfindung, diese Zykluszeit oder Schleifenzeit möglichst kurz zu machen, damit sich eine hohe Frequenz ergibt. Eine Zykluszeit von 50 µs entspricht z. B. einer Frequenz von 20 kHz, die für das menschliche Ohr nicht mehr wahrnehmbar ist.)

In bestimmten Fällen können aber Ausnahmen von dieser Grundregel einheitlicher Schleifenzeit gemacht werden, z. B. dann, wenn im Augenblick keine Strombegrenzung erforderlich ist, weil der Strom ohnedies abgeschaltet ist, oder weil keine Strombegrenzung durchgeführt wird.

Im Schritt S206 wird geprüft, ob sich eines der Signale H1, H2 oder H3 geändert hat. Eine solche Änderung bedeutet, daß der Rotor 35 gegenüber der vorhergehenden Änderung eines dieser Signale einen Winkelweg von 60° el. zurückgelegt hat, daß folglich die Ströme durch die Statorwicklungen 31, 32, 33 entsprechend der neuen Rotorstellung geändert werden müssen, d. h. daß ein Umschaltvorgang in der Vollbrückenschaltung 94 stattfinden muß. Einen solchen Umschaltvorgang bezeichnet man im Elektromaschinenbau als "Kommutierung".

Sofern also eine Änderung eines der Signale H1, H2, H3 aufgetreten ist, ist das ein sicheres Zeichen dafür, daß der Motor 70 läuft, und deshalb wird im Schritt S208 der Schleifenzähler SZ auf 0 zurückgestellt, beginnt also, ab diesem Kommutierungszeitpunkt neu zu zählen. Da eine Kommutierung stattgefunden hat, wird der Kommutierungszähler KZ um den Wert 1 erhöht (sofern er nicht bereits den Wert 25 erreicht hat, auf dem er festgehalten wird). Auch finden im Schritt S208 ggf. Regelvorgänge und Berechnungen für die Kommutierung statt. Dies ist im zugehörigen Hauptpatent P 44 41 372.6 in großer Ausführlichkeit beschrieben, und deshalb wird hierauf in vollem Umfange verwiesen.

Hier ist darauf hinzuweisen, daß die Rechenvorgänge im Schritt S208 eine relativ lange Zeit beanspruchen können, z. B. 150 µs, während ein schleifendurchlauf S200 sonst - wenn der Schritt S208 nicht durchlaufen wird - bei der Strombegrenzung nur eine exakt festgelegte Zeit T_C dauert, die im Normalfall wesentlich kürzer ist als 150 µs.

Da die Vorgänge im Schritt S208 immer dann auftreten, wenn eine Kommutierung stattfinden soll, stört diese längere Rechenzeit nicht, denn sie bewirkt in der Praxis eine - erwünschte - kleine Stromlücke im Bereich der Kommutierung, wie im zugehörigen Hauptpatent P 44 41 372.6 beschrieben. (Durch einen Drehzahlregler (sofern vorhanden) wird der Strom regelmäßig schon vor der Kommutierung unterbrochen, vgl. das Hauptpatent.)

Das Durchlaufen der Schleifen S200 mit normaler Dauer, und damit die beschriebene Zeitmessung zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten mittels des Schleifenzählers SZ, beginnt also wegen dieser Berechnungen im Schritt S208 nicht direkt zum Zeitpunkt einer Kommutierung, sondern mit einer geringen zeitlichen Verzögerung, also etwas später, wie im Hauptpatent P 44 41 372.6 ausführlich beschrieben. Der Inhalt des Schleifenzählers SZ ist also durch diesen Umstand geringfügig kleiner als der zeitliche Abstand zwischen zwei Kommutierungszeitpunkten, was jedoch in der Praxis nicht stört und keinen Einfluß hat. Hierauf wird besonders auch deshalb hingewiesen, weil der Schleifendurchlauf über den Schritt S208 wesentlich länger dauert als ein "normaler" Schleifendurchlauf mit Strombegrenzung, der, z. B. durch verschiedene NOP-Befehle, hinsichtlich seiner Zeitdauer exakt festgelegt ist, z. B. auf 54 µs.

Wird im Schritt S206 festgestellt, daß keine Kommutierung stattgefunden hat, so geht das Programm zum Schritt S210 und prüft, ob der Schleifenzähler SZ eine Zeit von einer Sekunde erreicht hat. Wenn z. B. die Zeit für eine Schleife S200 50 µs beträgt, so bedeutet dies, daß über 20.000 Schleifen S200 durchlaufen worden sind, ohne daß sich die Kommutierung geändert hat, d. h. daraus ist zu schließen, daß der Rotor 35 blockiert ist und sich nicht drehen kann. Deshalb wird in diesem fall im Schritt S212 das Blockierungsflag (vgl. Schritt S164) auf "1" gesetzt, was der Programmlogik anzeigt, daß der Motor blockiert ist. Anschließend an den Schritt S212 geht das Programm (über die Schleife S200) zurück zum Schritt S164. Dort wird, wenn das Blockierungsflag = 1 ist, zu einem Schritt S214 verzweigt, wo geprüft wird, ob RB0 = "0" ist. (RB0 ist der Anschluß 10 des µP 72, der über den Umschalter 120 entweder auf "0" oder auf "1" gelegt werden kann.)

Ist RB0 = 0, so werden im anschließenden Schritt S216 die unteren Brückentransistoren 60, 62 und 64 ausgeschaltet, indem B1, B2 und B3 = 0 gesetzt werden. Der Motor ist dann stromlos, aber es werden periodisch Versuche gemacht, ob er starten kann, vgl. die nachfolgende Beschreibung. - Im Anschluß an den Programmschritt S216 geht das Programm zum Schritt S170, d. h. der Schritt S168 wird hier nicht durchlaufen, und der Notorstrom wird nicht eingeschaltet.

Ist RB0 = "1", d. h. der Umschalter 120 ist in seiner oberen Stellung, so geht das Programm zum Schritt S220, d. h. der Schalter 126 im µP 72 (vgl. Fig. 5) wird durch das Programm geöffnet, so daß der Anschluß 19 (RC1) hochohmig wird. Dies hat, wie bereits beschrieben, zur Folge, daß der obere Grenzwert des Stromes für die Strombegrenzung abgesenkt wird, z. B. von 350 auf 150 mA. In diesem Fall wird also bei einer Blockierung des Rotors 35 ein Strom aufrechterhalten, z. B. 150 mA, so daß der Motor auch im Stillstand ständig ein Drehmoment erzeugt, dabei aber nicht überhitzt wird. Ein solches Drehmoment ist für manche Anwendungen erforderlich, z. B. für die Verstellung von Klappen.

Im Anschluß an den Schritt S220 geht das Programm zum Schritt S168, wo also der Strom im Motor wieder eingeschaltet wird, sofern er zuvor an einem der Zeitpunkte t₂, t₃ oder t₄ unterbrochen wurde.

Zurück zu Fig. 6B. Sofern im Schritt S210 festgestellt wird, daß der Schleifenzähler SZ nicht den Wert 1 Sekunde enthält, geht das Programm zum Schritt S224 und prüft dort, ob der Schleifenzähler SZ den Wert 10 Sekunden enthält, d. h. ob der Motor bereits seit 10 Sekunden stillsteht. Falls dies der Fall ist, geht das Programm zum Schritt S226. Dort wird das Blockierungsflag auf "0" gesetzt, ebenso der Schleifenzähler SZ, so daß der Motor einen neuen Startversuch mit vollem Strom macht.

Der Zeitwert im Schritt S224 kann naturgemäß in ganz weiten Grenzen variiert werden. Sofern RB0 = "1" ist, also der Motor auch im Stillstand ständig ein Drehmoment erzeugt, genügt es, wenn ein Startversuch mit vollem Motorstrom z. B. nur jede volle Stunde oder nur jede zweite Stunde durchgeführt wird, und der Abfragewert im Schritt S244 wird dann z. B. auf 3600 Sekunden oder 7200 Sekunden eingestellt.

Im Anschluß an die Schritte S212 oder S226 geht das Programm über die Schleife S200 zurück zum Schritt S164, d. h. die Schleife wird erneut durchlaufen.

Sofern die Strombegrenzung bereits direkt ab dem Start des Motors wirken soll, wird der Schritt S170 weggelassen.

Fig. 7a zeigt den Stromverlauf dann, wenn der Motorstrom hoch ist, d. h. zum Zeitpunkt t₁ wird der Strom i eingeschaltet, und da er bereits zum Zeitpunkt t₂, also bei der Abfrage im Schritt S174, den vorgegebenen Wert überschritten hat, wird er bereits nach der Zeitspanne tau, z. B. 10 µs, zum Zeitpunkt t₂ abgeschaltet.

Die Schleife S200 mit der gesamten Zeitdauer T_C (z. B. 54 µs) wird nun durchlaufen, und erst zu Beginn des nächsten Schleifendurchlaufs wird im Schritt S168 der Strom i wieder eingeschaltet.

Man erhält also hier kurze Stromimpulse mit einem Tastverhältnis TV von z. B. 16,7% und - bei einer Schleifendauer von 60 µs - mit einer Frequenz von 16,6 kHz.

Fig. 7b zeigt den Fall, daß der Strom im Motor weniger hoch ist und - nach dem Einschalten zum Zeitpunkt t₁ - erst zum Zeitpunkt t₃, also vor oder bei der Abfrage im Schritt S182, den vorgegebenen Grenzwert überschreitet. In diesem fall fließt z. B. der Strom während einer Zeit von 2×tau (z. B. 20 µs), und es schließt sich dann eine stromlose Periode von 4×tau an, also z. B. von 40 µs, so daß das Tastverhältnis TV hier z. B. 33% beträgt.

Fig. 7c zeigt den Fall, daß der Strom im Motor noch weniger stark ansteigt und, nach dem Einschalten zum Zeitpunkt t₁, erst zum Zeitpunkt t₄, also vor oder bei der Abfrage im Schritt S188, den vorgegebenen Wert überschritten hat und deshalb abgeschaltet wird.

Hier ergibt sich bei diesem Beispiel ein Tastverhältnis von 50 %, d. h. der Strom fließt nur während der Hälfte der Gesamtzeit. Auch hier beträgt die Frequenz 16,6 kHz, da sich an der Zykluszeit T_C, die für den Durchlauf einer Schleife S200 benötigt wird, nichts ändert.

Fig. 7d zeigt den Fall, daß der Motorstrom i nach dem Einschalten zum Zeitpunkt t₁ zu keinem Zeitpunkt den vorgegebenen Grenzwert überschreitet und deshalb ständig eingeschaltet bleibt, d. h. das Tastverhältnis TV beträgt in diesem Fall 100%.

Man erhält also hier eine PWM-Strombegrenzung, also eine Strombegrenzung mit Impulsbreitenmodulation, wobei das Tastverhältnis aber nicht kontinuierlich variabel ist, sondern in Sprüngen.

Läßt man z. B. die Schritte S188 und S190 weg, so erhält man nur die Tastverhältnisse gemäß Fig. 7a, 7b und 7d, wobei man in diesem Fall die Zeit tau im Verhältnis zu T_C größer machen kann. Die Bemessung der Werte für tau und T_C wird naturgemäß von demjenigen festgelegt, der den Motor für einen bestimmten Verwendungszweck auslegt.

Durch Hinzufugen weiterer Abfragen kann man noch weitere Tastverhältnisse erzeugen, doch findet dies in der Praxis seine Grenze darin, daß dann der Wert für T_C zu hoch wird, d. h. die Frequenz der Stromimpulse wird dann zu niedrig, und diese werden für das menschliche Ohr hörbar, was nicht erwünscht ist.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit dem Drehzahlregler, wie er im zugehörigen Hauptpatent P 44 41 372.6 ausführlich beschrieben ist. Bei einem solchen Regler wird die Drehzahl dadurch geregelt, daß der Strom durch eine Motorwicklung erst in einem zeitlichen Abstand nach einem Kommutierungszeitpunkt eingeschaltet wird. Wenn der Motor zu langsam ist, wird dieser zeitliche Abstand klein, und wenn er zu schnell ist, wird er groß. Man erhält deshalb bei der Nenndrehzahl nur relativ kurze Stromimpulse. Durch die Strombegrenzung kann man diese kurzen Stromimpulse "auseinanderziehen".

Man kann auch eine solche Motorstrom-Impulsverlängerung automatisch dann anwenden, wenn sonst die Motorstromimpulse sehr kurz würden, was auch deshalb ungünstig wäre, weil dann der Motorstrom nicht mehr in den Zeitbereichen fließen würde, in denen die induzierte Spannung ihr Maximum hat. (Der sich drehende Rotor 35 induziert in den Statorsträngen 31, 32, 33 eine Spannung, die als "induzierte Spannung" oder "Gegen-EMK" bezeichnet wird. Diese hat bei modernen Motoren gewöhnlich Trapezform. Der Motorstrom sollte in diesem Fall nur eingeschaltet werden, wenn sich diese induzierte Spannung im Strang, der eingeschaltet werden soll, im Bereich ihres Maximums befindet, da sonst der Wirkungsgrad des Motors schlecht wird. Deshalb verbessert die Erfindung gerade bei Motoren mit solchen Drehzahlreglern den Wirkungsgrad erheblich und reduziert auch die Geräuschbildung, da die Welligkeit des Drehmoments kleiner wird.

Naturgemäß sind vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich. So ist es z. B. nicht notwendig, daß in Fig. 7 für die Impulslängen gerade Vielfache der Zeit tau verwendet werden, sondern in Fig. 7a könnte die Impulslänge tau betragen, in Fig. 7b 2,5 tau, und in Fig. 7c 3,8 tau.

Z. B. treten im normalen Betrieb eines Motors, d. h. nach dem Hochlauf, praktisch nur noch die Impulsformen gemäß Fig. 7a und 7b auf, so daß in diesem Fall die Schritte S188 und S190 des Flußdiagramms (für die dritte Abfrage des Motorstroms) nicht nötig sind. Man kann deshalb im normalen Betrieb, also dann, wenn der Motor mit seiner vorgegebenen Drehzahl, also z. B. seiner geregelten Drehzahl, läuft, statt der Schritte S188 und S190 andere Berechnungen ausführen, z. B. die synthetische Berechnung eines Sensorsignals, wie in der Anmeldung 195 17 665.0 vom 13. Mai 1995 beschrieben.

Dagegen treten bei blockiertem Motor (und reduziertem Sollwert des Motorstroms durch Umschaltung von RC1 auf hochohmig) auch die Impulsformen gemäß Fig. 7c auf, und deshalb sind hier die Schritte S188 und S190 zweckmäßig, während umgekehrt dort die "synthetische" Berechnung eines Sensorsignals entfallen kann. Man kann also je nach Betriebszustand anstelle der Schritte S188, S190 (für die dritte Abfrage des Motorstroms) andere Programmschritte ausführen, um auf diese Weise die Zykluszeit T_C möglichst kurz und damit die Frequenz der Strombegrenzung möglichst hoch zu halten.

Fig. 8 zeigt die Schaltung der Vorrichtung 230 (Fig. 4) zur Überwachung der Spannung U_B. Die Basis eines pnp-Transistors 232 ist über einen Widerstand 234 mit der Plusleitung 48, also der Spannung + U_B am Speicherkondensator 43, verbunden, und über einen Widerstand 236 mit der Minusleitung 50. Der Kollektor des Transistors 232 ist über einen Widerstand 238 mit der Leitung 76 verbunden, also der geregelten Spannung + US, und er ist ferner über einen Widerstand 240 mit dem Eingang RB6 des µP 72 verbunden.

Arbeitsweise von Fig. 8

Wenn z. B. die normale Betriebsspannung 24 V beträgt, ist der Spannungsteiler aus den Widerständen 234, 236 so eingestellt, daß bei U_B = 15 V der Transistor 232 sperrt. Bei 24 V ist der Transistor 232 leitend, und das Signal 51 an seinem Ausgang hat, solange der Transistor 232 leitend ist, den logischen Wert "0". Folglich wird dem µP 72 in diesem Fall (U_B größer als 15 V) die Information vermittelt, daß die Betriebsspannung U_B in Ordnung ist.

Wird aber die Betriebsspannung U_B unterbrochen, so sinkt die Spannung am Speicherkondensator 43 langsam ab. Unterschreitet sie den Wert 15 V, so schaltet der Transistor 232 ab, so daß das Signal S1 an seinem Ausgang den logischen Wert "1" annimmt, also hoch wird. Dadurch erhält der µP 72 die Information, daß die Betriebsspannung U_B ausgefallen oder zu niedrig ist, und daß deshalb der Motor 30 passiv gebremst werden muß.

Da der µP 72 noch bei einer Spannung von ca. 5 V arbeitet, verbleibt noch Zeit für eine entsprechende Reaktion, um zu verhindern, daß die Betriebsspannung am Kondensator 43 zu niedrig wird. Diese Reaktion ist im Flußdiagramm der Fig. 6C dargestellt.

Wie bereits beschrieben, wird im Schritt S163 abgefragt, ob das Signal S1 am Eingang des µP 72 den logischen Wert "1" hat. Ist dies der Fall, so verzweigt das Programm zum Schritt S250. Dort wird der interne Watchdog Timer des µP 72 zurückgestellt, und die drei Hall-IC′s 37, 38, 39 werden stromlos gemacht, indem der Ausgang RA3 des µP 72 so gesteuert wird, daß der Schalter 41 öffnet. Der Leser wird hierzu auch verwiesen auf die zugehörige deutsche Patentanmeldung 195 15 944.6 vom 2. Mai 1995, wo eine bevorzugte Weiterbildung dieses Gedankens beschrieben ist.

Der "Watchdog Timer" ist ein internes Überwachungsprogramm im µP 72, das verhindert, daß sich der µP 72 durch irgendwelche elektronische Störungen "aufhängt", also zu arbeiten aufhört. Dieser Timer ist vergleichbar einer "Tote-Mann-Schaltung" bei einer Lokomotive, die immer wieder betätigt werden muß, und dies geschieht also im Schritt S250.

Im Schritt S252 werden die oberen Brückentransistoren 52, 54 und 56 ausgeschaltet, und die unteren Brückentransistoren 60, 62, 64 werden eingeschaltet. Dadurch werden die Wicklungen 31, 32, 33 im Kurzschluß betrieben, und der rotierende permanentmagnetische Rotor 35 bewirkt in diesen Wicklungen einen Kurzschlußstrom von z. B. 0,25 A. Die Signale T1, T2, T3 sind also hier gleich "0", und die Signale B1, B2, B3 sind hier gleich "1".

Im Schritt S254 wird durch NOP-Befehle eine Verzögerung erzeugt, um diesen Kurzschlußstrom während einiger µs fließen zu lassen und so die hohe Bremswirkung durch die (passive) Kurzschlußbremsung aufrechtzuerhalten und den Rotor 35 rasch abzubremsen.

Im Schritt S256 werden alle Endstufentransistoren 52, 54, 56, 60, 62, 64 ausgeschaltet, indem alle Signale T1, T2, T3, B1, B2, B3 zu Null gemacht werden. Der Motor 30 arbeitet nun - kurzzeitig - als Drehstromgenerator, und die Freilaufdioden 52′, 54′, 56′, 60′, 62′, 64′ wirken als Brückengleichrichter wie im Drehstromgenerator eines Automobils, so daß an der Leitung 48 eine positive Spannung erzeugt wird. Da aber die Drehzahl in diesem Fall bereits recht niedrig ist, reicht diese Spannung gewöhnlich nicht aus, um den Speicherkondensator 43 wesentlich aufzuladen.

Vielmehr besteht der Haupteffekt in diesem Fall darin, daß durch das Unterbrechen des relativ hohen Kurzschlußstromes von z. B. 0,25 A beim Abschalten der unteren Brückentransistoren 60, 62, 64 induktiv eine hohe Spannung in den Motorwicklungen 31, 32, 33 erzeugt wird, welche das Bestreben hat, diesen (abgeschalteten) Strom von 0,25 A weiterhin aufrechtzuerhalten.

Dieser Abschaltstrom (von z. B. 0,25 A) fließt deshalb jetzt über die oberen Freilaufdioden 52′, 54′, 56′, die bei solchen Brückenschaltungen regelmäßig vorgesehen werden, in Form eines Stromimpulses 260 (Fig. 1 und 9a) zurück zum Speicherkondensator 43, lädt diesen wieder etwas auf, und liefert so Energie für den Betrieb des Mikroprozessors 72.

Im Schritt S262 wird wiederum durch NOP-Befehle eine kurze Verzögerung erzeugt, damit dieser Stromimpuls 260 genügend lange Zeit hat, um abzuklingen und dabei den Speicherkondensator 43 aufzuladen.

Fig. 9b zeigt, daß die Schritte S2S2 und S254 zusammen eine relativ lange Zeit t₁₀ benötigen, und daß die Schritte S256 und S262 zusammen nur eine wesentlich kürzere Zeit t₁₁ benötigen, und daß sich diese Schritte anschließend periodisch wiederholen.

Im Schritt S264 wird abgefragt, ob das Signal S1 (Fig. 8) am Eingang RB6 des µP 72 wieder zu "0" geworden ist, d. h. ob die Betriebsspannung U_B nach einer kurzen Unterbrechung wieder vorhanden ist.

Ist dies nicht der Fall, so geht das Programm über die Schleife S266 zurück zum Schritt S250. Auf diese Weise wird die Schleife S266 bei Spannungsausfall zyklisch immer wieder durchlaufen, z. B. 35.000 Mal pro Sekunde, wobei also eine Schleife S266 z. B. 28,5 µs dauert. Wie aus Fig. 9b hervorgeht, liegt das dortige Tastverhältnis t₁₀ : (t₁₀ + t₁₁) bei ca. 25%, d. h. während etwa 75% eines solchen Schleifenzyklus S266 wird gebremst, und während etwa 25% wird Strom in den Speicherkondensator 43 rückgespeist, was ebenfalls eine Bremsung bewirkt, die aber wesentlich schwächer ist als eine Kurzschlußbremsung.

Naturgemäß müssen diese Anteile von z. B. 75% und 25% für den jeweiligen Anwendungsfall optimiert werden, z. B. durch Einfügen oder Entfernen von NOP-Befehlen in den Schritten S254 und S262, und durch Festlegen der Gesamtdauer einer Schleife S266, wobei die Frequenz oberhalb des vom menschlichen Ohr hörbaren Frequenzbereichs liegen sollte.

Wird im Schritt S264 festgestellt, daß das Signal S1 am Eingang RB6 des µP 72 wieder gleich "0" ist, d. h., daß die Spannung U_B wieder eingeschaltet ist, so werden im Schritt S268 die Hall-IC′s 37, 38, 39 wieder eingeschaltet, und das Programm springt zurück zum Ausgang des Schrittes S163 und durchläuft dann erneut das Hauptprogramm, wie es aus den Fig. 6A und 6B hervorgeht und vorstehend in allen Einzelheiten beschrieben wurde. Dieses Hauptprogramm ist in Fig. 6C symbolisch mit 270 bezeichnet und kann aus vielen Schritten bestehen, wie in Fig. 6A und B dargestellt.

Ggf. kann der Schritt S268 auch erst innerhalb des Hauptprogramms 270 erfolgen, und zwar erst dann, wenn die Signale H1, H2, H3 vom Programm benötigt werden. Da nämlich in diesem Fall Strom gespart werden muß, ist es zweckmäßig, die Hall-IC′s möglichst spät wieder einzuschalten.

Durch die Erfindung erfolgt eine rasche und kontrollierte, passive Abbremsung des Motors 30, da die Elektronik dieses Motors bis hin zu sehr niedrigen Drehzahlen, durch Umwandlung der im rotierenden Rotor 35 gespeicherten kinetischen Energie in elektrische Energie, mit Strom versorgt wird und deshalb weiterarbeitet, auch wenn eine Stromzufuhr von außen unterbrochen wird. Man kann deshalb durch die Erfindung erreichen, daß der Abbremsvorgang reproduzierbar wird, auch wenn von außen dem Motor keine elektrische Energie mehr zugeführt wird. Dies erweist sich besonders dann als vorteilhaft, wenn an diesen Motor ein entsprechendes Schwungmoment (GD²) angeschlossen ist, da dann der Abbremsvorgang erheblich beschleunigbar ist und in reproduzierbarer Weise abläuft.

Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen möglich, wie das teilweise bereits in der vorstehenden Beschreibung beispielhaft angegeben wurde.

Bezugszeichenliste

S160 RESET
S162 Kommutierungszähler KZ = 0
Schleifenzähler SZ = 0
Blockierungsflag = 0
S163 Signal an RB6 =
S164 Blockierungsflag = 0?
S166 RC1 auf Low ("0") setzen
S168 Strom ein
S170 Kommutierungszähler KZ < 24 ?,
S172 Kommutierungszähler KZ auf 25 festhalten
S173 NOP - Laufzeit
S174 Stromgrenze überschritten?
S176 Untere Brückentransistoren 60, 62, 64 aus
S180 NOP - Laufzeit
S182 Stromgrenze überschritten?
S184 Untere Brückentransistoren 60, 62, 64 aus
S186 NOP - Laufzeit
S188 Stromgrenze überschritten?
S190 Untere Brückentransistoren 60, 62, 64 aus
S194 NOP - Laufzeit
S196 NOP - Laufzeit
S198 Schleifenzähler SZ +1
S200 (Deutet symbolisch die Schleife an.)
S206 H1, H2, H3 geändert?
S208 Schleifenzähler SZ=0
Kommutierungszähler KZ +1
Regler (Drehzahl)
Kommutierung
S210 Schleifenzähler SZ = 1 Sekunde?
S212 Blockierungsflag = "1"
S214 RB0 = "0"
S216 Untere Brückentransistoren 60, 62, 64 aus
S220 RC1 hochohmig » Stromabsenkung
S224 Schleifenzähler SZ = 10 Sekunden?
S226 Blockierungsflag = "0"
Schleifenzähler SZ = 0
S250 Watchdog Timer wird rückgestellt (Reset); die Hall-ICs 37,38,39 werden (durch Öffnen von Schalter 41) stromlos gemacht
S252 Die oberen Brückentransistoren 52, 54, 56 werden abgeschaltet (T1, T2, T3 = "0"); die unteren Brückentransistoren 60, 62, 64 werden eingeschaltet (B1, B2, B3 = "1")
S254 NOP - Laufzeit
S256 Alle Brückentransistoren 52, 54, 56, 60, 62, 64 werden ausgeschaltet (T1, T2, T3, B1, B2, B3 = "0")
S262 NOP - Laufzeit
S264 Signal an RB6 = "0"?
S266 (Deutet symbolisch die Schleife an.)
270 (Deutet symbolisch das Hauptprogramm gemäß Fig. 6A und 6B an.)

Claims (6)

1. Verfahren zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Motors, insbesondere nach P 44 41 372.6 und/oder 195 15 944.6, mit folgenden Schritten:
Die Betriebsspannung der Elektronik des Motors wird überwacht; wenn die Betriebsspannung einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet, wird der Motor in sich wiederholenden Zyklen umgeschaltet zwischen

• a) einer Kurzschlußbremsung, und
• b) einem generatorischen Betrieb, um insbesondere durch die beim Abschalten der Kurzschlußbremsung entstehenden Freilaufströme die Elektronik des Motors bis herunter zu niedrigen Drehzahlen mit Strom zu versorgen und einen raschen, kontrollierten Bremsvorgang zu ermöglichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Wiederholfrequenz der Zyklen oberhalb des hörbaren Bereichs liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem innerhalb eines Zyklus die Phase der Kurzschlußbremsung länger ist als die Phase des generatorischen Betriebs.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem während des Bremsvorganges die Stromversorgung der Rotorstellungssensoren des Motors unterbrochen wird.

5. Motor zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
mit einem Speicherkondensator am Eingang der zur Steuerung des Motors dienenden Elektronik,
mit einer Spannungsüberwachung zum Überwachen der Spannung an diesem Speicherkondensator,
und mit einer Umschaltvorrichtung zum Umschalten auf sich wiederholende Zyklen von Kurzschlußbremsung und generatorischer Bremsung, wenn die Spannung an diesem Speicherkondensator einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

6. Motor nach Anspruch 5, mit mindestens einem Rotorstellungs­ sensor, und mit einer von der Spannungsüberwachung gesteuerten Abschaltvorrichtung zum Abschalten des mindestens einen Rotorstellungs­ sensors, wenn die Spannung am Speicherkondensator einen vorgegebenen Wert unterschreitet.