DE4310260C1 - Elektronische Steuervorrichtung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (EC-Motor) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuervorrichtung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (EC-Motor) nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Motor ist aus der DE 35 37 403 A1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart einen kollektorlosen Gleichstrommotor mit Lüfter oder zum Antrieb eines Lüfters mit einem permanentmagnetisch erregten Rotor im Feld einer Statorwicklung, welche über Halbleiterelemente gespeist wird, die über einen Teil des Regelbereichs als Schalter und über einen anderen Teil des Regelbereichs als analoge Verstärkerelemente arbeiten. Hierbei wird im unteren Drehzahlbereich des Motors die Drehzahl durch Variation der Einschaltdauer des Motorstromes während einer Kommutierungsphase und zusätzlich durch Variation der Amplitude des Motorstromes geregelt, während im Bereich der maximalen Drehzahl des Motors diese überwiegend allein durch Variation der Einschaltdauer des Motorstromes bestimmt ist.

Aus der DE 40 40 926 C1 ist weiterhin eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Synchronmotors mit einer mehrphasigen Ankerwicklung an einem Gleichspannungsnetz bekannt, welche eine elektronische Schaltvorrichtung zum sukzessiven Anschließen der Wicklungsphasen der Ankerwicklung an die Netzgleichspannung aufweist. Eine von Rotorstellungssignalen gesteuerte Kommutierungsvorrichtung sorgt dabei für das folgerichtige Ansteuern der Halbleiterschalter. Dabei ist für jeden Halbleiterschalter jeweils ein erster und ein zweiter analoger Differenzbildner vorgesehen, wobei dem zweiten Differenzbildner das Ausgangssignal des ersten Differenzbildners und ein aus dem Phasensummenstrom der Ankerwicklung abgeleitetes Differenzsignal zugeführt wird zur Erzeugung einer Folge von Steuersignalen für die einzelnen Wicklungsphasen der Ankerwicklung, welche einander zeitlich überlappen.

Bekannt ist beispielsweise ein elektronisch kommutierter Motor (EC-Motor) mit hochfrequenter Taktung. Diese Ansteuerung ist jedoch wenig interessant für Motoren kleiner Leistung, beispielsweise Servomotoren in Kraftfahrzeugen, wegen des hohen Schaltungsaufwandes und der nur schwierig zu beherrschenden Funkentstörproblematik.

Weiterhin ist ein EC-Motor mit linearer Ansteuerung bekannt. Die Drehzahleinstellung wird hier dadurch erreicht, daß man die in den Stromkreisen der Motorwicklungen geschalteten Leistungstransistoren im Verstärkerbereich betreibt. Der zusätzlich im Ankerkreis wirkende Transistorwiderstand bewirkt ein Kippen der Motorkennlinie um den Leerlaufpunkt. Dieses Verfahren entspricht im wesentlichen einer Vorwiderstandssteuerung. Die abgegebene Leistung ist hier proportional zur dritten Potenz der Drehzahl, während die aufgenommene Leistung proportional zum Quadrat der Drehzahl ist. Hieraus folgt, daß bei ²/₃ der Nennleistung die Verlustleistung am größten ist, und der Wirkungsgrad bei dieser Drehzahl maximal 66% des maximal möglichen Wirkungsgrades beträgt. Die Linearsteuerung führt daher also prinzipbedingt zu einem im Teilaussteuerungsbereich proportional zur Drehzahl reduzierten Wirkungsgrad. Neben dem geringen Wirkungsgrad tritt eine hohe Temperaturbelastung der Leistungselektronik im Teillastbetrieb auf, da die Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird.

Schließlich ist noch die Blocksteuerung bekannt, bei der die Drehzahleinstellung über die Veränderung des tatsächlich genutzten Stromflußwinkels gegenüber dem Kommutierungswinkel erfolgt. Die Transistoren werden voll durchgeschaltet, jedoch wird die Einschaltzeit variiert. Dabei kann der Stromflußwinkel zu einem festen Bezug am Anfang der Kommutierungszeit stehen. Es kann aber auch der Ausschaltzeitpunkt (Ende des Kommutierungswinkels) festgehalten und der Einschaltzeitpunkt variiert werden. Außerdem ist es möglich, symmetrisch zum Kommutierungswinkelmittelpunkt sowohl den Einschalt- als auch den Ausschaltzeitpunkt zu variieren. In jedem Fall werden die Transistoren im Schaltbetrieb, d. h. mit minimalem Durchgangswiderstand bei MOSFET bzw. minimaler Kollektor-Emitter-Spannung bei Bipolartransistoren, betrieben. Die Wirkungsweise ähnelt einem pulsweitenmodulierten Tiefsetzsteller. Nachteilig ist, daß bei geringer Motordrehzahl und demzufolge einer geringen induzierten Spannung der Strom während der Stromflußzeit sehr hohe Amplitudenwerte erreichen kann. Näherungsweise läßt sich aus folgender Gleichung der Zusammenhang erkennen.

Die stromtreibende Spannung (Differenz aus Batterie- oder Versorgungsspannung U_B und induzierter Spannung des Motors) liegt an einer Reihenschaltung aus Wicklungsinduktivität L und Wicklungswiderstand R. Demzufolge ist die Stromamplitude durch den Widerstand R begrenzt und ergibt sich aus der induzierten Spannung und damit aus der Drehzahl zu

Lediglich die Veränderungen des Stromes di/dt werden von der Induktivität des Motors L gehemmt.

Daraus folgt, daß bei langsam drehendem Motor (u_i klein, f klein-Frequenz) sehr hohe Stromspitzen auftraten, die ihrerseits direkt mit dem Drehmoment verknüpft eine heftige Geräuschentwicklung durch Momentanpulsation verursachen. Darüber hinaus wirkt sich eine stark pulsierende Stromaufnahme negativ auf das gesamte Versorgungsnetz, z. B. im Fahrzeug, aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektronische Steuervorrichtung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor dahingehend zu verbessern, daß mit geringem schaltungstechnischem Aufwand die Vorteile der Blocksteuerung mit den Vorteilen der Linearsteuerung kombiniert werden können, wobei im oberen Drehzahlbereich die Blocksteuerung und im unteren Drehzahlbereich die Linearsteuerung dominieren soll.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß im oberen Drehzahlbereich die Blocksteuerung den für die Linearsteuerung typischen geringen Wirkungsgrad und die hohe Temperaturbelastung verhindert. Im oberen Drehzahlbereich wird daher der Wirkungsgrad bei einer Teilaussteuerung um bis zu 20% erhöht. Bei einer Drehzahlreduzierung setzt die Linearsteuerung sanft ein und ermöglicht das Zurückregeln der Drehzahl bis auf den Wert Null, ohne daß die für die Blocksteuerung typische starke Stromerhöhung und damit erhöhte Geräuschentwicklung im unteren Drehzahlbereich einsetzen. Somit ist bei insgesamt hohem Wirkungsgrad eine gute Regelbarkeit auch im sehr niedrigen Drehzahlbereich gewährleistet, wobei ein glatter Stromverlauf ohne Stromspitzen erreicht wird. Ist ein Tastverhältnis von 50% erreicht, dann wird zur weiteren Drehzahlverringerung die Amplitude abgesenkt, das heißt, hier setzt die Linearsteuerung ein.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß eine Regelvorrichtung für die Drehzahl und/oder Motorstrom vorgesehen ist, wobei die Reglerausgangsspannung zur Vorgabe der Länge und Amplitude der Steuersignale einer den Transistoren vorgeschalteten Funktionseinrichtung zugeführt wird. Die Kommutierungssignale werden dabei zweckmäßigerweise zur Bildung der Drehzahl-Istwert-Signale für die Drehzahl-Regelvorrichtung eingesetzt.

Die Funktionseinrichtung enthält in vorteilhafter Weise einen Funktionsgeber für die Steuersignallängen in Abhängigkeit der Drehzahl und einen Funktionsgenerator für die Steuersignal-Amplituden in Abhängigkeit der Drehzahl. Selbstverständlich kann auch ein einziger Funktionsgeber beide Funktionen beinhalten.

Diesem Funktionsgeber ist zweckmäßigerweise ein Verknüpfungskreis zur zeitlichen Triggerung der Steuersignale in Abhängigkeit der Kommutierungssignale nachgeschaltet. Die elektronische Steuervorrichtung eignet sich insbesondere für einen elektrisch kommutierten Gleichstrommotor (EC-Motor), der vorzugsweise drei in Sternschaltung geschaltete Motorwicklungen aufweist, die mit den Steuertransistoren jeweils verbunden sind, kann jedoch in Abwandlung auch für Motoren mit anderen Strangzahlen eingesetzt werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer elektronischen Steuervorrichtung für einen EC-Motor als Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Kommutierung und der Bildung der Steuersignale für die Steuertransistoren und

Fig. 3 Signaldiagramme zur Erläuterung der Bildung dieser Steuersignale anhand vorgegebener Funktionen.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein elektronisch kommutierter Motor, im folgenden EC-Motor 10 genannt, in Abhängigkeit eines vorgebbaren Drehzahl-Sollwerts n_soll auf die entsprechende Drehzahl eingestellt bzw. geregelt. Der EC-Motor 10 besitzt drei in Sternschaltung geschaltete Motorwicklungen 11-13 und einen dauermagnetisierten Rotor 14. Prinzipiell kann die dargestellte und im folgenden beschriebene Schaltung jedoch auch für andere Gleichstrommotoren eingesetzt werden.

Der Verknüpfungspunkt der drei Motorwicklungen 11-13 ist an den positiven Anschluß einer Versorgungsspannungsquelle Uv angeschlossen, während die entgegengesetzten Anschlüsse der Motorwicklungen 11-13 zur Steuerung der Wicklungsströme mit drei FET-Transistoren 15-17 verbunden sind, deren Kanäle jeweils die Motorwicklungen 11-13 jeweils mit einem Shunt-Widerstand 18 verbinden, der an Masse liegt.

Die drei Motorwicklungen 11-13 sind weiterhin mit einer Kommutierungs-Signal-Aufbereitungsstufe 19 verbunden, in der die induzierten Spannungen der Motorwicklungen 11-13 in Kommutierungssignale weiterverarbeitet werden. Weiterhin wird in der Aufbereitungsstufe 19 aus diesen Signalen ein der Ist-Drehzahl entsprechendes Signal generiert und einer Umformerstufe 20 zugeführt, wo es in ein drehzahlproportionales Gleichspannungssignal umgewandelt wird.

Das drehzahlproportionale Gleichspannungssignal wird in einer Vergleichsstelle 21 mit dem Drehzahl-Sollwert n_soll verglichen und die Abweichung einem Drehzahlregler 22 zugeführt. Dieser gibt an seinem Ausgang einen Strom-Sollwert ab, der in einer zweiten Vergleichsstelle 23 mit einem Drehzahl-Istwert verglichen wird. Zur Bildung dieses Drehzahl-Istwerts wird die am Widerstand 18 abfallende stromproportionale Spannung einer Aufbereitungsschaltung 34 zugeführt, um diesen Drehzahl-Istwert den Erfordernissen der Vergleichsstelle 23 anzupassen. Die Abweichung wird einem Stromregler 25 zugeführt.

Die Regler-Ausgangsspannung des Stromreglers 25 wird parallel zwei Funktionsgebern 26, 27 zugeführt. Der Funktionsgeber 26 legt abhängig von seiner Eingangsspannung die Stromflußzeit bzw. Blocklänge der Steuersignale für die Transistoren 15-17, also die jeweilige Stromflußzeit, in den Motorwicklungen 11-13 fest. Diese Blocklänge wird im wesentlichen zwischen 50 und 100% der maximalen Stromflußzeit festgelegt, das heißt, die Steuersignalfolgen für die Transistoren 15-17 weisen ein Tastverhältnis zwischen 0,5 und 1 auf.

Der zweite Funktionsgeber 27 begrenzt die Amplitude dieser Steuersignale während der Stromflußzeit in Abhängigkeit des Ausgangssignals des Stromreglers 25.

Die Ausgangssignale der Funktionsgeber 26, 27 werden einem Verknüpfungskreis 28 zugeführt, wo die Blocklängen- und Amplitudensignale mit den drei Kommutierungssignalen der Aufbereitungsstufe 19 verknüpft und als Steuersignale einer nachgeschalteten Treiberschaltung 29 zugeführt werden. Diese Treiberschaltung steuert dann mit ihren drei Ausgängen die drei Transistoren 15-17.

Gemäß Fig. 3 liegt am Ausgang des Stromreglers 25 ein stromgeregeltes, drehzahlproportionales Signal U25 an. Im Funktionsgeber 27 wird daraus gemäß dem mittleren Diagramm eine Amplitudenfunktion in Abhängigkeit der Drehzahl gebildet. Entsprechend wird im Funktionsgeber 26 die im unteren Diagramm dargestellte Blocklängenfunktion in Abhängigkeit der Drehzahl gebildet. Diese Diagramme stellen selbstverständlich nur Beispiele dar, und es können prinzipiell beliebige gewünschte Funktionen realisiert werden.

In Fig. 2 sind die in den Motorwicklungen 11-13 induzierten Spannungen U11-U13 dargestellt. Die daraus in der Aufbereitungsstufe 19 gebildeten Kommutierungssignale U19 sind darunter dargestellt. Zur Vereinfachung wurden nur diejenigen Kommutierungssignale U19 dargestellt, die dem mit einer dickeren Linie dargestellten induzierten Signale U12 der Motorwicklung 12 entsprechen. Die anderen Kommutierungssignale sind jeweils um 120° versetzt. Aus den Ausgangssignalen der Funktionsgeber 26 und 27 wird ein Steuersignal gebildet, dessen Blocklänge B und dessen Amplitude A gemäß Fig. 3 festgelegt ist. Dieses Signal wird durch die Kommutierungssignale U19 getriggert, so daß die Ausgangssignale U28 am Ausgang des Verknüpfungskreises 28 gebildet werden. Auch hier ist zur Vereinfachung wiederum nur das Steuersignal für den mittleren Transistor 16 dargestellt, der die Motorwicklung 12 steuert. Die Signale U28 für die übrigen Transistoren 15 bis 17 sind wiederum jeweils um 120° versetzt.

Bei niedriger Drehzahl und beim Startvorgang ist zunächst nur der Linearbetrieb aktiv, und es erfolgt eine Drehzahlsteuerung über die Stromamplitude U27. Die Blocksteuerung ist auf 100% Blocklänge U26 festgehalten. Beim Erreichen der halben Maximaldrehzahl nimmt die Amplitudensteuerung U27 überproportional gegenüber dem Drehzahlanstieg U25 zu, während gleichzeitig die Blocklänge U26 kontinuierlich auf 50% reduziert wird, so daß ein unverändert gleichmäßiger Drehzahlanstieg erfolgt. In dem Drehzahlbereich von etwa 75% der Maximaldrehzahl (kann über die Funktionsgeber 26, 27 den Erfordernissen angepaßt werden) wird die Maximalamplitude erreicht, und die Drehzahlsteuerung erfolgt ausschließlich über die Blocklänge.

In einer einfacheren Version kann der der Drehzahlregelung überlagerte Stromregler 25 auch entfallen, wobei in einer einfachsten Version die Steuerung der Blocklänge direkt mit dem Drehzahlsignal erfolgen kann.

Claims (9)

1. Elektronische Steuervorrichtung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (EC-Motor), dessen Motorwicklungen zum Steuern des Wicklungsstroms jeweils in Reihe mit Steuertransistoren geschaltet sind, deren Steueranschlüsse von rotorstellungsabhängig kommutierungssignalgetriggerten Steuersignalen derart beaufschlagbar sind, daß die Steuertransistoren mit einem durch eine Länge der Steuersignale vorgebbaren Stromflußwinkel innerhalb des Kommutierungswinkels (Blocksteuerung) und im eine Amplitude der Steuersignale bestimmenden Verstärkerbetrieb betreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem unteren Drehzahlbereich bei einem Stromflußwinkel mit einem Ansteuergrad von 100% des Kommutierungswinkels die Amplitude der Steuersignale mit zunehmender Drehzahl bis zur ersten Drehzahl erhöht wird, daß ab der ersten Drehzahl in einem mittleren Drehzahlbereich mit zunehmender Drehzahl bis zu einer zweiten Drehzahl die Amplitude der Steuersignale bis zu einer Maximalamplitude weiter erhöht und der Ansteuergrad des Stromflußwinkels von 100% auf einen kleineren Wert verringert wird, und daß ab der zweiten Drehzahl in einem oberen Drehzahlbereich mit zunehmender Drehzahl bis zu einer Maximaldrehzahl bei der Maximalamplitude der Steuersignale der Ansteuergrad vom kleineren Wert bis auf 100% erhöht wird.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Wert des Aussteuergrades 50% des Maximalwerts beträgt.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung (22, 25) für die Drehzahl und/oder den Motorstrom vorgesehen ist, wobei die Reglerausgangsspannung zur Vorgabe der Länge und Amplitude der Steuersignale einer den Transistoren (15-17) vorgeschalteten Funktionseinrichtung (26-28) zugeführt wird.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (19) zur Bildung der Drehzahl-Istwert-Signale aus den Kommutierungssignalen vorgesehen sind.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung aus einer Drehzahl-Regelvorrichtung (22) und einer nachgeschalteten Motorstrom-Regeleinrichtung (25) besteht.

6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionseinrichtung (26-28) einen Funktionsgeber (26) für die Steuersignallängen in Abhängigkeit der Drehzahl und einen Funktionsgeber (27) für die Steuersignalamplituden in Abhängigkeit der Drehzahl aufweist.

7. Steuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Funktionsgebern (26, 27) ein Verknüpfungskreis (28) zur zeitlichen Triggerung der Steuersignale in Abhängigkeit der Kommutierungssignale nachgeschaltet ist.

8. Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß drei Motorwicklungen (11-13) in Sternschaltung mit drei Steuertransistoren (15-17) verbunden sind.

9. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuertransistoren (15-17) als FET-Transistoren ausgebildet sind.