DE19628585C2 - Verfahren zum Kommutieren eines bürstenlosen Motors und Speiseschaltung für einen bürstenlosen Motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kommutieren eines bürstenlosen Motors und eine Speiseschaltung für einen bürstenlosen Motor.

Bei wechselrichtergespeisten Motoren müssen die einzel­ nen Phasen zeitrichtig angesteuert werden. Diese An­ steuerung muß hierbei in Übereinstimmung mit der vom Rotor erzeugten Gegenspannung oder Gegen-EMK (Elektro­ motorische Kraft) erfolgen, damit der Motor nicht außer Tritt gerät, d. h. springt, oder sogar stehen bleibt. Dies ist insbesondere bei Motoren wichtig, deren Roto­ ren mit Permanentmagneten ausgerüstet sind, weil es hier keine Möglichkeit gibt, den vom Rotor erzeugten Fluß zu verändern. Es ist daher bekannt, die induzierte Gegen-EMK in den Wicklungen zu messen und diese zur Regelung der Geschwindigkeit und zur Entscheidung über den Zeitpunkt der Kommutierung zu verwenden. Man spart sich hierbei eine Messung der Rotorposition und Ge­ schwindigkeit. Diese fühlerlose Steuerung ist zwar lei­ stungsstark, für ihre Realisierung ist aber ein erheb­ licher Aufwand erforderlich. Es müssen normalerweise drei Spannungsmesser (oder eine der Zahl der Phasen entsprechende Anzahl) in den Motorzuleitungen montiert werden, was aufgrund der Vielzahl der Komponenten die Herstellung und den Betrieb eines derartigen Motors verteuert.

Man ist daher dazu übergegangen, die Positions- und Geschwindigkeitsrückmeldung ganz wegzulassen und statt dessen den Strom im Zwischenkreis zu messen. Auch mit Hilfe dieser Information kann der Motor gesteuert wer­ den. Dieses Prinzip kann sowohl bei Wechselstrom- oder Drehstromsynchronmotoren als auch bei bürstenlosen Gleichstrommotoren angewendet werden.

Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren ist es bekannt, den Kommutierungszeitpunkt als Funktion des Stromes im Zwi­ schenkreis dynamisch zu ändern. Hierzu wird der Strom gemessen und in eine verarbeitbare Größe gewandelt. Diese wird mit einer vorher bestimmten Bezugsgröße ver­ glichen. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs wird das Kommutierungsintervall entweder konstant ge­ halten oder verkürzt oder verlängert. Kommutierungsin­ tervall bedeutet hier die Zeit, die zwischen den ein­ zelnen Kommutierungen verstreicht.

US 5 420 492 A beschreibt eine Möglichkeit, bei der die Kommutierungsfrequenz, also die Häufigkeit der Kommu­ tierungen, in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf des Stromes, also in Abhängigkeit von einem Stromprofil, verändert wird. Dieses Stromprofil wird mit einem vor­ gegebenen Profil verglichen. Das Aussehen des Strompro­ fils hängt davon ab, ob der Kommutierungszeitpunkt richtig, zu früh oder zu spät war. Im Grunde genommen wird hierbei die Steigung des Stromes ermittelt. Wenn der Kommutierungszeitpunkt zu früh ist, also die Kom­ mutierung dem Rotor vorauseilt, ist die Steigung zu flach. Wenn die Kommutierung hinterhereilt, ist die Steigung zu steil. Wenn das Profil nicht stimmt, wird das Kommutierungsintervall entweder verkürzt oder ver­ längert und danach eine erneute Prüfung vorgenommen, bis das richtige Profil und damit auch das richtige Kommutierungsintervall eingestellt ist. Dies erfolgt über eine Veränderung der Kommutierungsfrequenz.

Allerdings ist es schwierig, das optimale Profil des Stromes, d. h. die optimale Steigung oder das optimale Verhältnis der beiden Stromwerte vorher zu bestimmen. Man kann diese Werte für den unbelasteten Motor empi­ risch bestimmen und dann während des Betriebes bei­ spielsweise aus einer Tabelle holen. Für einen belaste­ ten Motor ist diese Bestimmung jedoch relativ schwie­ rig, wenn die Belastungsart und -größe nicht bekannt sind. Bei dynamischen Systemen mit stark variierenden Belastungen wird man entsprechend viele verschiedene Bezugsgrößen haben.

Ein derartiger Fall tritt zum Beispiel dann auf, wenn der Motor einen Kompressor betreibt. In diesem Fall ist es mit dem bekannten Verfahren schwierig, eine optimale Steuerung des Betriebes zu erzielen.

Kolbenkompressoren werden beispielsweise in Kälteanla­ gen eingesetzt, wo sie ein Kältemittelgas durch einen Kreislauf treiben, der einen Kondensator und einen Ver­ dampfer aufweist. Hier variiert das Belastungsmoment über einen Zyklus, d. h. über einen Kolbenhub. Eine ty­ pische Belastungskurve beginnt im unteren Totpunkt mit einem kleinen Moment von annähernd 0 Nm. Je näher der Kolben den oberen Totpunkt kommt, desto stärker steigt das Moment an. Dieser Anstieg ist in den meisten Fällen nicht linear. Das Auslaßventil des Kompressors öffnet im Bereich des oberen Totpunkts oder etwas früher, bei­ spielsweise bei 150°. Das Belastungsmoment fällt dann sehr schnell und steil ab. Auch dieser Belastungs-Mo­ ment-Abfall ist in der Regel nicht linear.

Wenn man keine Drehzahlregelung verwendet, dann ändert sich die Motorgeschwindigkeit während der Belastungs­ änderungen. Dies beinhaltet die Gefahr, daß der Motor dann sehr ungleichmäßig läuft und der Rotor aus der Synchronisation mit dem vom Wechselrichter erzeugten Drehfeld fällt und stehen bleibt oder springt.

Aus P. S. Frederiksen et al. "Comparison of two energy optimizing techniques for PM-machines", Aalborg Univer­ sity 1994, ist es bekannt, die Größe des Zwischenkreis­ stromes zu messen und daraus Informationen zur Stabili­ sierung und Vermeidung von Oszillationen in der Drehge­ schwindigkeit zu gewinnen. Einem Kommutierungsintervall wird ein Korrekturwert hinzugefügt, der sich aus der Differenz des mit einem Bewertungsfaktor multiplizier­ ten aktuellen Wert des Zwischenkreisstroms und eines gefilterten Werts des Zwischenkreisstroms ergibt. Ein erster Vorschlag beruht hierbei darauf, daß der Mittelwert des Zwischenkreisstromes in einem stationären Betriebspunkt minimiert wird und die eingeprägte Statorspannung so eingestellt wird, daß sich ein Leistungsminimum ergibt. Der zweite Vorschlag steuert eine phasenmodulierte Maschine in Abhängigkeit von dem Profil des Zwischenkreisstromes, das von dem Leistungsfaktor abhängt. Auch hierbei wird die Ständerspannung der phasenmodulierten Maschine so eingestellt, daß sich ein optimaler Leistungsfaktor und Wirkungsgrad ergibt. Diese Lösung ist so ausgebildet, daß der gemessene Zwischenkreisstrom durch ein analoges Nieder-Frequenz-Filter geleitet wird, um die harmoni­ schen Komponente zu entfernen. Das bedeutet aber gleichzeitig, daß diese Lösungen nicht zum Antrieb ei­ nes Kompressors geeignet sind, da sich während eines Arbeitszyklus des Kompressors der Zwischenkreisstrom stark ändert und die abgetasteten Ströme somit nicht das wahre Bild der Belastung des Motors wiedergeben. Ferner tasten Frederiksen et al. den Zwischenkreisstrom mit fester Frequenz und unabhängig vom Phasenwinkel der Motorspannung ab.

DE 32 39 284 A1 beschreibt einen für den Antrieb eines Kältekompressors in Fahrzeugen geeigneten Drehstrom- Asynchron-Motor, bei dem die Drehstromfrequenz in Abhängigkeit von der Motorlast gewählt wird. So wird zum Anlaufen die Antriebsfrequenz abgesenkt, wodurch sich ein höheres Anlaufmoment ergibt. Hierzu wird der Laststrom über einen Shunt überwacht.

DE 34 44 220 C2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung von Schrittmotoren. Hier werden die Oszillationen des Lastwinkels um den nominellen Lastwinkel als Fehlerkorrektursignal verwendet. Man nutzt hierbei aus, daß der Lastwinkel in einer Be­ triebssituation, die kurz vor dem kritischen Punkt liegt, d. h. bevor der Motor aus der Synchronisation fällt, seinen Maximalwert besitzt.

EP 0 085 285 A1 zeigt ein Kompressorantriebssystem, bei dem der Motor über einen Frequenzwandler angetrieben ist. Der Frequenzwandler wird unter anderem über den Druck in einem Vorratsbehälter gesteuert. Zum Anlassen des Motors wird der Gegendruck abgesenkt.

Colby/Novotny: "An Efficiency-Optimizing Permanent- Magnet Synchronous Motor Drive", in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 24, No. 3, Seite 462-469 (1988) beschreibt eine Steuerschaltung für einen Permanentmagnet-Synchronmotor, der eine adaptive Regelung verwendet, um bei jeder Betriebsgeschwindig­ keit und -last den optimalen Betriebspunkt zu ermitteln. Hierzu wird eine Störung des Zwischenkreis­ stroms verwendet, die über einen Filter erster Ordnung aus dem Zwischenkreisstrom herausgefiltert wird, um den Umrichter im Sinne einer aktiven Dämpfung zu modulieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Motoren mit ungleichmäßiger Belastung ein stabiles Verhalten zu erreichen.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Damit nutzt man die in den beiden Stromwerten enthalte­ ne Information unmittelbar aus, um das Kommutierungs­ intervall zu verändern. Die Belastung des Motors äußert sich nämlich unmittelbar in einer Veränderung des Zwi­ schenkreisstromes. Wenn die Belastung steigt, steigt entsprechend auch der Zwischenkreisstrom. Gleichzeitig muß das Kommutierungsintervall verändert werden. Man hat nun festgestellt, daß die notwendige Veränderung des Kommutierungsintervalls in guter Nährung proportio­ nal zu der Differenz der beiden Stromwerte ist, sofern man nicht die Stromwerte unmittelbar verwendet, sondern zumindest für den zeitverzögerten, also vorher aufge­ tretenen Stromwert eine Filterung durchführt. Der Be­ griff "Filterung" kann auch durch eine Mittelwertbil­ dung erfüllt werden. Man beschränkt sich hierbei also nicht darauf, ein Stromprofil zu überwachen. Man wertet vielmehr den allgemeinen Stromanstieg oder -abfall, der sich bei Belastungsänderungen des Motors ergibt, aus, um das Kommutierungsintervall festzulegen. Da das Kom­ mutierungsintervall dem Grunde nach durch die Drehzahl des Motors, die vorgegeben werden kann, festgelegt ist, erreicht man mit dem vorgeschlagenen Verfahren, daß sich die Änderungen immer in der Umgebung dieses vor­ gegebenen Bezugswertes bewegen. Es ergeben sich also keine "wilden" Änderungen der Kommutierungsintervalle. Vielmehr wird lediglich das der Drehzahl entsprechende Kommutierungsintervall um einen kleinen Wert vergrößert oder verkleinert, je nachdem wie die Belastung es er­ fordert. Die Abtastung erfolgt also belastungsabhängig.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Bewer­ tungsfaktor drehzahlabhängig gewählt. Man kann hierbei davon ausgehen, daß der Bewertungsfaktor umgekehrt pro­ portional zu der Drehzahl ist, d. h. er ist umso klei­ ner, je höher die Drehzahl ist. Damit trägt man der Tatsache Rechnung, daß sich bei höheren Drehzahlen auch die Kommutierungsintervalle oder -zeiten entsprechend verkürzen. Die Drehzahl ist hierbei die gewünschte Drehzahl oder Referenzdrehzahl.

Vorzugsweise wird der aktuelle Wert des Zwischenkreis­ stromes mindestens einmal pro Kommutierungsintervall und frühestens in der Mitte des jeweiligen Kommutie­ rungsintervalls ermittelt. Der aktuelle Wert des Zwi­ schenkreisstromes wird keiner Filterung unterworfen. Er ändert sich also auch innerhalb eines Kommutierungsin­ tervalls relativ stark. Am Beginn eines Kommutierungs­ intervalls ist er klein und steigt dann erst an. Wenn man nun diesen Anstieg abwartet, der in der Mitte des Kommutierungsintervalls mit ausreichender Zuverlässig­ keit abgeschlossen ist, dann erhält man eine Aussage über den "eigentlichen" Stromwert in diesem Kommutie­ rungsintervall.

Vorzugsweise wird der Wechselrichter blockkommutiert. Die Blockkommutierung bedeutet, daß der Wechselrichter mit einem konstanten Tastverhältnis betrieben wird. Dann entspricht der Strom im Zwischenkreis mit sehr guter Nährung dem Strom durch die einzelnen Phasen, d. h. die einzelnen Phasen werden zwischenzeitlich nicht moduliert.

Alternativ dazu ist eine Pulsbreitenmodulation (PWM) des Wechselrichters möglich. Hierbei ist aber eine Syn­ chronisation zwischen den Gleichstrom-Abtastungen und den Einschalt-Zeitpunkten der einzelnen Schalter im Wechselrichter notwendig.

Mit Vorteil wird als Motor ein bürstenloser Gleich­ strommotor verwendet. Ein derartiger Motor hat bei­ spielsweise einen Rotor mit Magneten an der Oberfläche, die eine trapezförmige Gegen-EMK erzeugen.

In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß als Motor ein geschalteter Reluktanzmotor verwendet wird. Dieser Motor-Typ kann in derselben Wei­ se wie der bürstenlose Gleichstrom-Motor gesteuert wer­ den, da der Strom im Zwischenkreis ein Ausdruck für die Wellenbelastung ist. Die im Zwischenkreis gemessenen Ströme können dann als Leitwerte für die Kommutierungs­ zeiten dienen. Bei Verwendung z. B. in einem Kompressor weist der Reluktanzmotor einen robusten Charakter auf, insbesondere in Bezug auf Temperatureinflüsse.

Die Aufgabe wird schaltungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Mit dieser Speiseschaltung wird auf einfache Art und Weise erreicht, daß man den gemittelten oder gefilter­ ten und zeitverzögerten Zwischenkreisstrom von dem ak­ tuellen Zwischenkreisstrom abziehen kann und die so gebildete Differenz mit einem Bewertungsfaktor multi­ plizieren kann. Mit dem Invertieren des Stromes wird der negative Wert des Stromes gebildet, so daß man an dem Summationspunkt die Differenz erhält. Die so ent­ standene Größe kann verwendet werden, um das Kommutie­ rungsintervall zu verändern. Deswegen kann diese Größe auch unmittelbar dem Wechselrichter zugeführt werden, ohne daß weitere umständliche Bearbeitungen oder Be­ rechnungen notwendig sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schaltung mit Motor,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Belastungsver­ laufs,

Fig. 3 eine Steuereinrichtung im Detail,

Fig. 4 den Drehzahlverlauf über der Zeit,

Fig. 5 die Länge der Kommutierungsintervalle über der Zeit und

Fig. 6 den Zwischenkreisstrom und einen Phasenstrom über der Zeit.

Fig. 1 zeigt eine Speiseschaltung 1 für eine Motor-Kom­ pressoreinheit 2, die aus einem bürstenlosen Gleich­ strommotor 3 und einem Kompressor 4 besteht. Der Kom­ pressor ist Bestandteil eines nicht näher dargestellten Kältesystems in einem Fahrzeug, das zum Betrieb einer Klimaanlage notwendig ist.

Die Speiseschaltung 1 weist eine Spannungsquelle 5 auf, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie, die über einen Gleichstromsteller 6, d. h. einen Gleichspannung/Gleich­ spannungs-Umsetzer, mit einem Gleichstromzwischenkreis 7 verbunden ist. Der Gleichstromzwischenkreis 7 seiner­ seits ist wiederum mit einem Wechselrichter 8 verbun­ den.

Der Gleichstromsteller 6 ist steuerbar, er dient also als steuerbare Gleichspannungsquelle. Wenn die Span­ nungsquelle 5 eine Wechselspannungsquelle ist, kann man den Gleichstromsteller 6 auch durch einen gesteuerten Gleichrichter ersetzen.

Die vom Gleichstromsteller 6 in den Zwischenkreis 7 eingespeiste Gleichspannung wird über einen Abgriff 9 abgenommen und in einen Eingang U_DC einer Steuerein­ richtung 10 eingespeist. Der Gleichstrom durch den Zwi­ schenkreis wird über einen Widerstand 11 ermittelt und über einen Eingang I_DC ebenfalls in die Steuereinrich­ tung 10 eingespeist. Zum Zwecke der Spannungsermittlung kann auch noch ein Kondensator 12 parallel zum Ausgang des Gleichstromstellers 6 angeordnet sein.

Die Steuereinrichtung 10 steuert den Gleichstromsteller 6 beispielsweise so, daß die Leistung im Gleichstrom­ zwischenkreis 7, d. h. das Produkt aus Zwischenkreis­ strom I_DC und Zwischenkreisspannung U_DC, minimiert wird.

Die Steuereinrichtung 10 erzeugt darüber hinaus die Steuerimpulse für die Schalter des Wechselrichters 8. Der Wechselrichter 8 kann hierbei blockkommutiert wer­ den, d. h. er besteht in herkömmlicher Weise aus sechs Schaltern und sechs Dioden. Die Schalter im Wechsel­ richter 8 sind während einer Kommutierung paarweise aktiv, so daß der Strom vom Zwischenkreis durch einen ersten Schalter hineinfließt, dann durch eine erste Motorwicklung einer ersten Phase, weiter durch eine zweite Motorwicklung einer zweiten Phase und dann durch einen weiteren Schalter hinaustritt. Jeder Schalter ist für 120° geschlossen und danach für 240° geöffnet (elektrische Grade). Im hier beschriebenen Beispiel erfolgt eine vollständige Blockkommutierung des Wech­ selrichters 8 ohne jegliche Modulierung, d. h. der Wech­ selrichter 8 gibt Spannungsblöcke aus, die vom Betrag her der Zwischenkreisspannung U_DC entsprechen.

Da der Motor 3 einen Kompressor 4 antreibt, hat er über eine Periode ein sehr ungleichmäßiges Belastungsverhal­ ten, was aus Fig. 2 hervorgeht.

Der Kolben des Kompressors 4 startet im unteren Tot­ punkt (0°) und bewegt sich auf den oberen Totpunkt (180°) zu, wobei das Belastungsmoment schnell und nicht linear ansteigt. Der Anstieg setzt sich fort, bis das Druckventil öffnet, was in der Regel etwas vor dem obe­ ren Totpunkt der Fall ist, beispielsweise bei etwa 150°. Danach fällt das Belastungsmoment bei der Ab­ wärtsbewegung des Kolbens wieder auf den Wert Null. Da der Motor 3 ohne Regelung betrieben wird, also eine Geschwindigkeits- oder Positionsrückmeldung entfällt, fällt die Motorgeschwindigkeit während der Belastung ab, was aus Fig. 4 ersichtlich ist, die die Motorge­ schwindigkeit mit dem gleichen zeitlichen Maßstab zeigt, wie er in Fig. 2 angegeben ist. Es ist also er­ sichtlich, daß der Rotor seine Winkelgeschwindigkeit in einer Umdrehung ändert. Er läuft manchmal schneller und manchmal langsamer als die an und für sich vorgegebene Drehzahl von 2.000 U/min.

Der Wechselrichter hingegen erzeugt normalerweise ein mit konstanter Winkelgeschwindigkeit umlaufendes Dreh­ feld, das dementsprechend dem Rotor teilweise voraus­ eilt und teilweise nachläuft. Hierbei besteht die Ge­ fahr, daß der Rotor nicht mehr synchron mit dem Dreh­ feld umlaufen kann und stehen bleibt oder springt. Bei­ des ist unerwünscht.

Um diesem Problem abzuhelfen, steuert die Steuerein­ richtung 10 den Wechselstromsteller 8 so, daß sich die Kommutierungsintervalle innerhalb einer Umdrehung än­ dern.

Die Steuereinrichtung 10 ist in Fig. 3 im Detail darge­ stellt. Sie weist zwei Zweige 19, 20 auf. Der Zweig 20 wird zur Steuerung der Kommutierungszeitpunkte des Wechselrichter 8 verwendet. Der im Widerstand 11 gemes­ sene Augenblickstrom I_DC wird durch den Zweig 20 geleitet, der ein digitales Filter 13 enthält. Der Zweig 20 endet an einem Signalgeber 18, der die Kommutierungs­ signale für die Schalter des Wechselrichters 8 liefert. Das digitale Filter 13 besteht aus den Faktoren H, J und K. Die Werte in diesem Ausführungsbeispiel sind 0,1, 0,9 bzw. 0,38 (ms/A). Der gemessene Strom I_DC wird mit dem Faktor H (0,1) multipliziert und in einem Sum­ mationspunkt 14 zu einem Wert I_DC,filt addiert. Dieser Wert I_DC,filt wird in einem Verzögerungsglied 21 verzögert und mit dem Faktor J (0,9) gewichtet. Dieser Summenwert I_DC,filt = 0,9 × I_DC,filt + 0,1 I_DC wird in einem Summations­ punkt 15 vom zuletzt gemessenen Wert des Zwischenkreis­ stromes I_DC abgezogen. Diese Differenz wird mit dem Faktor K (0,38) multipliziert. In einem weiteren Sum­ mationspunkt 17 wird der Korrekturbeitrag K × (I_DC - I_DC,filt) zu einem Kommutierungsintervall-Bezugswert t_kom0 addiert, der in einem Umformer 16 aus dem Geschwindig­ keitsbezugswert n_ref in ein Kommutierungsintervall umge­ setzt worden ist. Die Summe, die im Summationspunkt 17 gebildet wird, ergibt den endgültigen Kommutierungs­ zeitpunkt, der die Grundlage für die Steuerung des Wechselrichters 8 bildet.

Das Kommutierungsintervall t_kom0 läßt sich unmittelbar aus der Drehzahl errechnen. Bei einer geforderten Dreh­ zahl von beispielsweise 2.000 Umdrehungen pro Minute und einem vierpoligen Motor ergibt sich eine Grundfre­ quenz von 66,7 Hz. Bei zwölf Kommutierungen pro Umdre­ hung ergibt dies eine Kommutierungszeit t_kom0 von 2,5 ms pro Kommutierung.

Wenn nun die Belastung ansteigt, weil, wie im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel, der Kolben einen Kompres­ sionshub durchführt, fällt die Geschwindigkeit des Ro­ tors und der Rotor ist nach 2,5 ms noch nicht so weit, daß eine entsprechende Weiterdrehung des Feldes im Sta­ tor gerechtfertigt wäre. Wenn das Feld dem Rotor zu stark vorauseilt, besteht die Gefahr, daß der Rotor nicht mehr folgen kann und stehen bleibt.

Um dies zu vermeiden, wird der Geschwindigkeitsverlust durch das Addieren des oben genannten Korrekturbeitrags zu dem Grund-Kommutierungsintervall t_kom0 verlängert. Hierbei wird, wie oben im Text erwähnt, die folgende Formel angewandt

t_kom = t_kom0 + K × (I_DC - I_DC,filt) (1)

Diese Formel stellt sicher, daß die Kommutierungsinter­ valle im Takt mit der Änderung der Motorbelastung und damit auch des Stromes im Zwischenkreis geändert wer­ den. Die Kommutierung erfolgt dann immer mit dem rich­ tigen Winkel zwischen dem Rotor und der aktiven Motor­ phase. Der Strom I_DC ist der zuletzt gemessene Wert des Zwischenkreisstromes, wogegen I_DC,filt der gefilterte Wert des Zwischenkreisstromes aus einem früheren Zeitpunkt ist.

Fig. 5 zeigt, wie sich die Längen der Kommutierungsin­ tervalle bei der Drehung des Rotors verändern. Fig. 5 hat den gleichen Zeitmaßstab wie die Fig. 2 und 4. Es ist klar ersichtlich, daß das Kommutierungsintervall bei der höchsten Belastung, also wenn der Kolben bei 150° steht, auch die längste Ausdehnung hat. Hingegen ist das Kommutierungsintervall am kürzesten, wenn der Motor unbelastet ist.

Der Faktor K ist geschwindigkeitsabhängig. Im vorlie­ genden Fall hat er bei einer Geschwindigkeit von 2.000 U/min den Wert von 0,38 ms/A. Bei 4.000 U/min wäre er 0,19 ms/A. Dadurch wird die Dynamik der Stabi­ lisierung bei allen Geschwindigkeiten gesichert.

Im hier gezeigten Beispiel ist der Strom I_DC,filt durch ein digitales Filter gefiltert worden. Es ist aber auch möglich, eine laufende arithmetische Mittelwertbildung des Stromes als Filterung anzuwenden.

Die Messung des Stromes im Zwischenkreis erfolgt vor­ zugsweise in der zweiten Hälfte einer Kommutierungspe­ riode, d. h. frühestens mitten in einer Kommutierungs­ periode und spätestens kurz vor deren Ende. Versuche haben gezeigt, daß dies das zuverlässigste Ergebnis ergibt.

Fig. 6 zeigt in der Kurve a den Zwischenkreisstrom I_DC bei belastetem Motor. Kurve b zeigt den Strom in einer der Motorwicklungen. Wie aus der Kurve a hervorgeht, erreicht der Strom I_DC im Zwischenkreis erst einige Zeit nach der Kommutierung sein Maximum. Die Zeit, die der Strom benötigt, um sein Maximum zu erreichen, hängt unter anderem davon ab, wann die Kommutierung erfolgt, d. h. ob sie zu früh oder zu spät erfolgt. Wenn die Kom­ mutierung erst dann erfolgt, wenn der Rotor die betref­ fende Statorwicklung passiert hat, d. h. bei einer zu späten Kommutierung, steigt der Strom sehr viel langsa­ mer an. Es ist deshalb wichtig, erst dann zu messen, wenn der Strom seinen Maximalwert zumindest angenähert erreicht hat.

Die Messung des Stromes I_DC sollte deshalb frühestens in der Mitte einer Kommutierungsperiode t_p erfolgen, was im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 1,25 ms nach einer erfolgten Kommutierung bedeutet. Dies ist in Fig. 6 durch Punkte in zwei Perioden dargestellt.

Das Meßprinzip ist hier mit einer einzigen Messung pro Periode dargestellt. Mit einer höheren Anzahl von Mes­ sungen kann man eine verbesserte Auflösung und mehr Informationen über den Stromverlauf erhalten. Bei voller Blockkommutierung ist einer der Phasenströme zum Motor gleich dem Zwischenkreisstrom I_DC, wenn man von kurzen Entladeverläufen beim Abschalten des Stromes zu einer Phasenwicklung absieht. Die Form der Stromimpulse hängt unter anderem von der Beschaffenheit des verwen­ deten Rotors ab. Im vorliegenden Beispiel hat der Rotor oberflächenmontierte Permanentmagnete, die eine tra­ pezförmige Gegen-EMK erzeugen.

Das hier beschriebene Verfahren zur Kommutierung eines bürstenlosen Gleichstrommotors hat den Vorteil, daß die Steuerung des Motors trotz eines sehr ungleichmäßigen Belastungsmomentverlaufs stabil ist. Der Motor bleibt nicht stehen und springt nicht. Die Steuerung erlaubt damit einen Betrieb mit einer verbesserten Sicherheit. Darüber hinaus ist sie relativ kostengünstig, weil nur im Zwischenkreis eine Strommessung vorgenommen werden muß. Informationen über Rotorgeschwindigkeit und -posi­ tion sind nicht erforderlich.

Im Zweig 19 wird der Leistungsminimierungsalgorithmus ausgeführt. Der gemessene Zwischenkreisstrom I_DC wird in einem analogen Filter 24 gefiltert und zusammen mit der Zwischenkreisspannung U_DC in einer Recheneinheit 22 geleitet, in der die augenblickliche Leistungsaufnahme im Zwischenkreis aufgrund des Produkts I_DC × U_DC berech­ net wird. In Steuerungen mit fester Zwischenkreisspan­ nung wäre es nicht notwendig, die Leistung zu berech­ nen. Hier würde es genügen, den Zwischenkreisstrom zu messen und den Leistungsminimierungsalgorithmus auf der Grundlage eines Stromwertes arbeiten zu lassen. Dies ist hier allerdings nicht möglich, weil auch die Zwi­ schenkreisspannung U_DC variiert. In einer Vergleicher­ einheit 23 wird die aktuelle Leistungsaufnahme mit ei­ ner früher gemessenen Leistungsaufnahme verglichen und das Ausgangssignal ist eine Spannung U_reg, die entweder positiv oder negativ sein kann. U_reg ist die Summe des früheren U_reg und eines Regelungsbeitrags dU_reg, der im vorliegenden Fall fest auf 0,25 V eingestellt ist. Mit Hilfe des Beitrags dU_reg wird stufenweise eine Span­ nungsänderung durchgeführt, und zwar solange, bis man ein Leistungsminimum erhalten hat.

Die Spannung U_reg wird einem Summationspunkt 27 zuge­ führt, dem weiterhin ein belastungsabhängiger Span­ nungsbeitrag zugeführt wird, der in einer Einheit 25 gebildet wird. Dieser belastungsabhängige Beitrag wird aus dem Produkt zweimal R_f × I_DCF ermittelt, wobei das F im Index des Stromes dafür steht, daß dieser Strom be­ reits das analoge Filter 24 durchlaufen hat. Dieser Beitrag trägt zu einer schnelleren Regelung bei und beträgt typischerweise 10 bis 20% des Ausgangswerts des Summationspunkts 27. In weniger zeitkritischen An­ wendungen kann dieser Beitrag weggelassen werden.

Dem Summationspunkt 27 wird ferner ein Geschwindig­ keitsbezugswert zugeführt, der in einer Einheit 26 aus dem Drehzahlbezugswert n_ref gebildet wird. Die hieraus ermittelte Spannung kann aufgrund einer Motorkonstanten K_e berechnet werden. Die in der Einheit 26 ermittelte Spannung entspricht der elektromotorischen Gegenspan­ nung des Motors 3.

Am Ausgang des Summationspunkts 27 ergibt sich dann eine Spannung U_DC,ref, die einem Pulsbreitenmodulator 28 zugeführt wird, der den Gleichstromsteller 6 spannungs­ regelt.

Der Spannungsbeitrag U_reg, der dem Summationspunkt 27 zugeführt wird, kann die Spannung U_DC,ref entweder erhöhen oder vermindern. Wenn die aktuelle Leistungsaufnahme nach einer Reduzierung der Zwischenkreisspannung klei­ ner als die früher gemessene Leistungsaufnahme ist, wird das Vorzeichen des Regelungsbeitrages dU_reg beibehalten, d. h. die Zwischenkreisspannung wird um noch eine Stufe reduziert, und diese Schleife wird solange durchlaufen, bis ein Anstieg der Leistungsaufnahme er­ folgt. Dann wird der Regelungsbeitrag dU_reg das Vorzei­ chen wechseln.

Die Referenzspannung für den Zwischenkreis errechnet sich somit nach folgender Formel (2):

U_DC,ref = 2 × Rf × I_DCF + n_ref × K_e + U_reg (2)

wobei
U_DC,ref der Bezugswert der Zwischenkreisspannung ist,
R_f der Wicklungswiderstand pro Phase,
I_DCF der gefilterte Zwischenkreisstrom,
n_ref die gewünschte Drehgeschwindigkeit des Motors,
K_e die EMK-Konstante des Motors und
U_reg der berechnete Spannungsbeitrag.

Wenn die Spannungsversorgung durch eine 12 V-Batterie gebildet wird, beispielsweise in einem Fahrzeug, kann der Gleichstromsteller 6 als ein Boost-Umformer mit einem einzelnen Schalter, der pulsbreitenmoduliert wird, ausgebildet sein. Da im Verhältnis zur Pulsbrei­ tenmodulierung der sechs Schalter im Wechselschalter 8 im Gleichstromsteller nur ein Schalter pulsbreitenmodu­ liert wird, werden die Schalterverluste erheblich redu­ ziert. Darüber hinaus wird die Wärmeentwicklung und damit der Kühlbedarf reduziert.

Claims (8)

1. Verfahren zum Kommutieren eines bürstenlosen Mo­ tors, der über einen mehrphasigen Wechselrichter aus einem Gleichstromzwischenkreis mit elektrischer Energie versorgt wird, bei dem Stromwerte ermittelt werden und die Länge eines Kommutierungsintervalls in Abhängigkeit von den Stromwerten eingestellt wird, wobei einem vorgegebenen, von der Drehzahl des Motors bestimmten Kommutierungsintervall ein Korrekturwert hinzugefügt wird, der sich aus der Differenz des aktuellen Werts des Zwischenkreis­ stroms und eines gefilterten, zeitverzögerten Wer­ tes des Zwischenkreisstromes zu einem früheren Zeitpunkt ergibt, und der mit einem Bewertungs­ faktor multipliziert wird, und wobei der aktuelle Wert des Zwischenkreisstromes zu einem in Abhängig­ keit von der Belastung gewählten Zeitpunkt in­ nerhalb des Kommutierungsintervalls erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Bewer­ tungsfaktor drehzahlabhängig gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der aktuelle Wert des Zwischenkreisstromes mindestens einmal pro Kommutierungsintervall und frühestens in der Mitte des jeweiligen Kommutierungsintervalls ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Wechselrichter blockkommutiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Wechselrichter pulsbreitenmoduliert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Motor ein geschalteter Reluktanzmotor verwendet wird.

8. Speiseschaltung für einen bürstenlosen Motor, der über einen mehrphasigen Wechselrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis verbunden ist, mit einer Steuereinrichtung, die einen mit dem Gleichstrom­ zwischenkreis verbundenen Eingang aufweist, wobei die Steuereinrichtung (10) eine Filteranordnung (13), die den Zwischenkreisstrom filtert, zeitlich verzögert und invertiert, einen Summationspunkt (15), der die Differenz zwischen dem gefilterten und zeitverzögerten Zwischenkreisstrom (I_DC,filt) zu einem belastungabhängig gewählten Zeitpunkt und dem aktuellen Zwischenkreisstrom (I_DC) bildet, einen Multiplizierer, der die Differenz mit einem Be­ wertungsfaktor (K) multipliziert und einen weiteren Summationspunkt (17), an dem das so erhaltene Produkt als Korrekturwert einem drehzahlabhängigen Kommutierungsintervall (T_com0) hinzugefügt wird, aufweist, und wobei der Ausgang des letzten Summa­ tionspunkts (17) mit dem Wechselrichter (8) verbun­ den ist.