DE102018132792A1

DE102018132792A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels Pulsweitenmodulation

Info

Publication number: DE102018132792A1
Application number: DE102018132792.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Bauer
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels Pulsweitenmodulation einer bestimmten Frequenz f, wobei die Motordrehzahl mittels einer Drehzahlregelung auf eine Nenndrehzahl ngeregelt wird, dadurch gekennzeichnet,dass die Frequenz f der Pulsweitenmodulation eine Funktion der Nenndrehzahl nist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels Pulsweitenmodulation nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, bürstenlose Gleichstrommotoren, wie z. B. Spindelmotoren zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, mittels Pulsweitenmodulation in der Drehzahl zu regeln.
Derartige bürstenlose Gleichstrommotoren können mit verschiedenen Drehzahlen betrieben werden. Beispielsweise sind Festplattenlaufwerke mit unterschiedlichen Nenndrehzahlen erhältlich, ferner Lüfter oder dergleichen, die durch bürstenlose Gleichstrommotoren bei unterschiedlichen Drehzahlen betrieben werden. Ebenso können Antriebsmotoren für LiDAR-Systeme/Laserscannersysteme mit unterschiedlichen Nenndrehzahlen angesteuert werden. Die Drehzahlregelung erfolgt durch Pulsweitenmodulation, wobei die Frequenz des Pulsweitensignals in der Regel unabhängig von der Drehzahl des Elektromotors ist. Gewöhnlich wird für kleinere Elektromotoren eine feste Pulsweitenfrequenz von einigen zehn Kilohertz verwendet.
Zur Drehzahlregelung wird die aktuelle Ist-Drehzahl des Motors ständig gemessen und zwar entweder mittels Hallsensoren oder sensorlos durch Messung der gegenelektromotorischen Spannung (auch gegenelektromotorische Kraft genannt, kurz Gegen-EMK) der jeweils unbestromten Phase der Motorwicklung. Die Ist-Drehzahl wird mit einer eingestellten Soll-Drehzahl (Nenndrehzahl) verglichen, und Abweichungen von der Nenndrehzahl durch die Motorsteuerung ausgeregelt.
Als sensorloses Messsignal für die Ist-Drehzahl des Motors wird der Nulldurchgang der in der Motorwicklung induzierten Gegen-EMK detektiert, bei einer Sternschaltung beispielsweise anhand eines Vergleichs der in einer Phasenwicklung induzierten Gegen-EMK mit dem elektrischen Potential im virtuellen Nullpunkt am Sternpunkt.
Durch Störungen und Asymmetrie des elektrischen Systems bzw. Störungen durch die Erregung mit dem pulsweitenmodulierten Strom kommt es z.B. zu Schwebungen des Potentials des Sternpunktes und damit zu Zeitabweichungen bei der Messung des Nulldurchgangs der Gegen-EMK. Dadurch wird bei jeder Umdrehung des Motors eine etwas andere Drehzahl gemessen, wobei die Drehzahlregelung ständig versucht, die gemessene Ist-Drehzahl auf die Soll-Drehzahl nachzuregeln.
Dadurch ergeben sich mehr oder weniger große Drehzahlschwankungen, die für manche Anwendungen nicht tolerierbar sind.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels Pulsweitenmodulation anzugeben, welches eine verbesserte Drehzahlregelung und Minimierung der Drehzahlschwankungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Erfindungsgemäß ist die Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation eine Funktion der Nenndrehzahl des Gleichstrommotors. Für verschiedene Drehzahlen des Elektromotors werden demnach unterschiedliche PWM-Frequenzen verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird als Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation ein ganzzahliges Vielfaches der Nenndrehzahl n_Nenn gewählt.
Durch die Erfindung werden zwar Verzerrungen oder andere Störgrößen der gemessenen Gegen-EMK, die unter anderem durch das PWM-Signal generiert werden, nicht verhindert, aber die Verzerrungen und Störungen ergeben sich immer an derselben Stelle des Phasenwinkels und mit derselben Magnitude und können bei der Wahl der Nenndrehzahl und PWM-Frequenz berücksichtigt werden.
Der Einfluss dieser Störgrößen auf die sensorlose Drehzahlmessung durch Auswertung der Gegen-EMK bzw. des Nulldurchganges der Gegen-EMK kann dadurch erheblich reduziert werden.
Für die gewünschte Nenndrehzahl des Motors wird eine Frequenz der Pulsweitenmodulation gesucht, bei der die Drehzahlschwankung möglichst klein ist. Die optimale Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation ist eine Funktion der Motordrehzahl. Für die PWM-Frequenz können ferner sinnvolle untere und obere Grenzwerte festgelegt werden. Sinnvolle untere und obere Grenzwerte der PWM-Frequenz werden z.B. anhand der Zeitkonstanten des Elektromotors und anderen Parametern bestimmt.
In manchen Ausgestaltungen umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

- Empfangen einer Nenndrehzahl durch eine Motorsteuerung des Gleichstrommotors,
- Berechnen einer PWM-Frequenz f_PWM als ein ganzzahliges Vielfaches der Nenndrehzahl n_Nenn oder als diejenige Frequenz aus einer Menge an möglichen Frequenzen, welche die kleinste Abweichung von der zur Nenndrehzahl n_Nenn gehörigen Drehfrequenz f_Nenn aufweist,
- Ansteuern des Gleichstrommotors mit der berechneten PWM-Frequenz f_PWM , und
- Beschleunigen des Gleichstrommotors auf die Nenndrehzahl n_Nenn .

Vorzugsweise wird der Gleichstrommotor bereits zu Beginn der Beschleunigung auf die Nenndrehzahl n_Nenn mit der PWM-Frequenz f_PWM angesteuert. Dadurch kann das Anpassen der PWM-Frequenz vergleichsweise robust erfolgen und gleichzeitig eine effiziente Ansteuerung des Gleichstrommotors, beispielsweise mit einer Drehzahlregelung, sichergestellt werden.
In manchen Ausgestaltungen der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Berechnung der Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation eine Minimierung einer mittleren Drehzahlabweichung n_Diff der Drehzahl n des Gleichstrommotors von der Nenndrehzahl n_Nenn umfasst. Es wird in solchen Ausgestaltungen die Frequenz f_PWM also derart bestimmt, dass die tatsächliche Drehzahl n des Gleichstrommotors eine möglichst kleine mittlere Abweichung n_Diff um die betrachtete Nenndrehzahl n_Nenn zeigt.
Ferner ist es vorteilhaft, die Frequenzen f_PWM der Pulsweitenmodulation innerhalb eines Frequenzbereiches fmin ≤ f_PWM ≤ f_max liegend zu wählen. Insbesondere können die Grenzfrequenzen f_min und f_max von der Nenndrehzahl abhängen. Somit kann in einem ersten Schritt ein der Nenndrehzahl n_Nenn angepasster Frequenzbereich, der prinzipiell einen effizienten Motorbetrieb bei dieser Drehzahl ermöglicht, festgelegt werden. In einem zweiten Schritt kann dann die Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation dann, innerhalb diesem Bereich liegend, als ein ganzzahliges Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn , bestimmt werden, wobei die Nenn-Drehfrequenz f_Nenn die Drehfrequenz bei der Nenndrehzahl n_Nenn bezeichnet.
Ferner kann es der Fall sein, dass Frequenzen f_i aus einer Menge an möglichen Frequenzen ausgewählt werden müssen, so dass diese nicht in jedem Fall als ein Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn bei der Nenndrehzahl n_Nenn gewählt werden können. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, die Frequenzen f_i als diejenigen Frequenzen festzulegen, welche die kleinste Abweichung zu einem ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz f_Nenn bei der Nenndrehzahl n_Nenn aufweisen. Die Berechnung der Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation kann somit das Bestimmen einer Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen von der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn für eine Vielzahl an Frequenzen f_i im Frequenzbereich f_min ≤ f_PWM ≤ f_max, umfassen, wobei die Abweichung jeweils in Bezug auf das nächstliegenden ganzzahlige Vielfache der Nenn-Drehfrequenz bestimmt wird. Die Frequenzen f_i werden dabei jeweils als ein ganzzahliges Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn gewählt.
Alternativ zu der Abweichung der Frequenzen f_i zu einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz kann analog auch die Drehzahlabweichung n_Diff der entsprechenden Drehzahlen zu einem ganzzahligen vielfachen der Nenndrehzahl n_Nenn betrachtet werden. Die Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation wird dann als diejenige der Frequenzen f_i festgelegt, bei welcher die der Frequenz f_i entsprechende Drehzahl die geringste Drehzahlabweichung n_Diff zur Nenndrehzahl n_Nenn aufweist.
Aufgrund der vorgegebenen Taktfrequenzen üblicher Steuerschaltungen, ist die Wahl einer Drehzahlabweichung, die exakt einem ganzzahligen Vielfachen der Nenndrehzahl entspricht, nicht immer möglich. Beispielsweise weisen übliche Mikroprozessoren einer Steuerschaltung eine Prozessortaktfrequenz f_µc im Bereich von 10 MHz bis 10 GHz auf. Mögliche PWM-Frequenzen f_i können dann beispielsweise als f_i = f_µc / r_i bestimmt werden, wobei die r_i natürliche Zahlen N = {1; 2; 3; ...} sind. Von den berechneten f_i werden dann diejenigen Frequenzen bestimmt, welche möglichst exakt einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn entsprechen.
Dazu können, wie bereits erwähnt, die PWM-Frequenzen f_i als Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn ausgedrückt werden. Es gilt dann f_i = k_i · f_Nenn, wobei k_i ein Proportionalitätsfaktor ist. Durch auflösen nach k_i und berechnen der Abweichung von k_i von der nächstliegenden ganzen Zahl, kann ein Maß M_Diff für die Drehzahlabweichung n_Diff von der Nenndrehzahl n_Nenn gefunden werden. Beispielsweise kann M_Diff zu M_Diff = 1/2 - |(k_i mod 1) - 1/2| bestimmt werden, wobei „mod“ den Modulo-Operator bezeichnet, wonach (a mod b) den Rest der Divsion alb auf den realen Zahlenraum bezogen angibt. Die Drehzahlabweichung ergibt sich folglich aus n_Diff = M_Diff · f_Nenn. Typischerweise ist es von Vorteil, die Frequenzen f_i deutlich kleiner als die Prozessortaktfrequenz f_µc zu wählen, so dass f_i << f_µc gilt.
Im Falle, dass mehrere gleichwertige Frequenzen berechnet wurden, bei denen also ungefähr gleich große Drehzahlabweichungen n_Diff bestimmt wurden (für diese Werte sind ungefähr gleich große mittlere Drehzahlschwankungen zu erwarten), kann es vorteilhaft sein, die Frequenz f_PWM auf die größte der gefundenen Frequenzen festzulegen.
In manchen Ausgestaltungen der Erfindungen legt die Motorsteuerung einen Tastgrad der PWM in Abhängigkeit von der berechneten PWM-Frequenz f_PWM und/oder in Abhängigkeit von der Nenndrehzahl n_Nenn , beziehungsweise Nenn-Drehfrequenz f_Nenn , fest. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass der Tastgrad der PWM durch eine Drehzahlregelung und/oder eine Stromregelung des Gleichstrommotors bestimmt wird, und der Gleichstrommotor mittels einer geeigneten Wahl des Tastgrades beschleunigt wird. Die Änderung der PWM-Frequenz bewirkt eine Änderung des Phasenstroms, so dass eine entsprechende Anpassung der Steuergrößen notwendig ist und der Gleichstrommotor beschleunigt werden kann. In manchen Ausgestaltungen kann dazu die Versorgungsspannung zum Bestromen der Phasenwicklungen erhöht werden. In vielen Anwendungen ist die Versorgungsspannung jedoch fest vorgegeben, so dass eine Anpassung des Phasenstroms über die Variation des Tastgrades vorteilhaft ist. Der Phasenstrom kann in solchen Ausgestaltungen des Verfahrens durch eine Erhöhung des Tastgrades der PWM erhöht werden.
Der Regelalgorithmus der Drehzahlregelung und/oder der Stromregelung ist vorzugsweise ein PID (Proportional-Integral-Differential)-Regler oder ein PI-Regler. Dadurch kann auch bei einer Änderung der PWM-Frequenz eine zuverlässige Regelung erfolgen und der Gleichstrommotor effizient auf die Nenndrehzahl n_Nenn beschleunigt werden.
Ferner kann die Regelung auch eine Vektorregelung (auch feldorientierte Regelung genannt) umfassen. Auch in Verbindung mit einer derartigen Regelung kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft sein, da die Vektorregelung auch eine Integration umfasst, zu der immer gleich viele PWM-Takte beitragen.
Vorzugsweise wird der bürstenlose Gleichstrommotor sensorlos betrieben. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass zur Regelung des bürstenlosen Gleichstrommotors dessen Drehzahl erfasst wird und die Drehzahlerfassung auf Basis der Nulldurchgänge der gegenelektromotorischen Spannung erfolgt.
Die Nulldurchgänge der gegenelektromotorischen Spannung können mittels wenigstens eines Spannungskomparators erfasst werden. Bei einem dreiphasigen Gleichstrommotor können beispielsweise drei Spannungskomparatoren vorgesehen sein. Die Spannungskomparatoren können dabei jeweils mit zwei Phasenwicklungen, oder jeweils mit einer Phasenwicklung und einem Sternpunkt, beziehungsweise einem virtuellen Sternpunkt, verbunden sein. Ein Ausgang der Spannungskomparatoren kann beispielsweise mit einem Mikrocontroller einer Motorsteuerung verbunden sein. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Spannung mittels eines Analog-Digital-Wandlers erfasst und durch den Motorcontroller ausgewertet wird.
Ferner betrifft die Erfindung einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Steuereinheit, welche dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Solch ein bürstenloser Gleichstrommotor kann beispielsweise in einem Festplattenantrieb, einem Antriebsmotor eines LiDAR(Light Detection And Ranging)-Systems oder eines Laserscanners, einem Lüfterantrieb oder einem Stellmotor verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

1 zeigt die Beträge der Drehzahlabweichung eines Spindelmotors aufgetragen über die Drehzahl bei verschiedenen PWM-Frequenzen.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von 1 im Bereich der Drehzahlen 7175 bis 7260 U/min.
3 zeigt ein Ablaufdiagram einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt ein Ablaufdiagram einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
5 zeigt ein Ablaufdiagram einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Für einen Spindelmotor soll für eine gewünschte Nenndrehzahl von n_Nenn = 7200 U/min diejenige PWM-Frequenz f_PWM ermittelt werden, bei der die geringsten Drehzahlschwankungen auftreten.
Um nun die optimale PWM-Frequenz f_PWM für diesen Spindelmotor und der gegebenen Nenndrehzahl zu finden, kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Für die PWM-Frequenzen werden vorzugsweise ganzzahlige Vielfache der Nenndrehzahl n_Nenn des Spindelmotors verwendet.
Zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in einer Messreihe die Drehzahlabweichungen n_Diff für eine Vielzahl von Drehzahlen n innerhalb eines Drehzahlbereichs [n_Nenn - x; n_Nenn + y] um eine gewünschte Nenndrehzahl n_Nenn vorzugsweise für mehrere unterschiedliche PWM-Frequenzen (f1, f2, f3, f4) gemessen. Der Drehzahlbereich erstreckt sich beispielsweise in einem Bereich von kleiner oder gleich +/- 1% um die gewünschte Drehzahl, also beispielsweise bei n_Nenn = 7200 U/min zwischen 7025 U/min und 7425 U/min. Für den Wert x wurde somit 175 U/min und für y = 225 U/min gewählt.
Ausgehend von dem unteren Drehzahlwert von 7025 U/min wurde der Betrag der Drehzahlabweichung gemittelt über 250 Umdrehungen erfasst. Danach wurde die Drehzahl n in Schritten von jeweils 0,5 U/min erhöht. Für jede eingestellte Drehzahl n wurde der Betrag der Drehzahlabweichung gemittelt über 250 Umdrehungen erfasst. Es ergibt sich ein Drehzahldiagramm gemäß 1.
1 zeigt die Beträge der gemessenen Drehzahlabweichungen in U/min des Spindelmotors aufgetragen über die Drehzahl n bei verschiedenen PWM-Frequenzen (f1, f2, f3, f4).
Die Kurve f4 für die PWM-Frequenz f_PWM = 6250 Hz zeigt, dass die Drehzahlabweichung periodisch über einen großen Bereich schwankt und zwar innerhalb eines Betrags von 2 U/min und 12 U/min. Bei der gewünschten Nenndrehzahl n_Nenn von 7200 U/min beträgt die mittlere Drehzahlabweichung etwa 5,5 U/min. Die Periode der Drehzahlabweichung ist abhängig von der PWM-Frequenz.
Die starke Drehzahlschwankung gemäß Kurve f4 ergibt sich einerseits aufgrund von Störungen des Magnetsystems des Motors durch die PWM-Frequenz und zum anderen auf Grund der relativ niedrigen PWM-Frequenz f4 von nur etwas über 6 kHz. Diese PWM-Frequenz f4 ermöglicht daher keine ausreichend genaue Drehzahlregelung bei der gewünschten Nenndrehzahl n_Nenn = 7200 U/min.
Die anderen Kurven f1, f2 und f3 zeigen die Drehzahlabweichungen innerhalb des betrachteten Drehzahlbereichs bei PWM-Frequenzen f1 = 32787 Hz, f2 = 32653 Hz und f3 = 32520 Hz, was etwa dem Fünffachen der PWM-Frequenz f4 entspricht.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht von 1 in einem relevanten Drehzahlbereich von etwa 7175 bis 7265 U/min.
Man erkennt, dass bei den Kurven f1, f2 und f3 der PWM-Frequenzen die periodischen Drehzahlschwankungen insgesamt wesentlich geringer und höherfrequenter sind als bei Kurve f4 und etwa zwischen 1 U/min und 6,5 U/min schwanken.
Die eingerahmten Bereiche 1, 2, 3 in 2 zeigen jeweils Minima der Drehzahlschwankungen für die PWM-Frequenzen f1, f2, f3, f4.
Die geringste Drehzahlabweichung von etwa 1 U/min ergibt sich bei der PWM-Frequenz f2 = 32653 Hz bei einer Drehzahl von 7190 U/min, siehe eingerahmter Bereich 1. Für die PWM-Frequenzen f1 und f3 sind die Drehzahlabweichungen im Bereich 1 etwas größer.
Für den Bereich 2 bei einer Drehzahl von 7210 U/min ergibt sich für die PWM-Frequenz f3 = 32520 Hz eine minimale mittlere Drehzahlabweichung von etwa 1,5 U/min. Hier zeigen die Kurven für die PWM-Frequenzen f2 und f4 etwas größere Drehzahlabweichungen und die Kurve für PWM-Frequenz f1 eine deutlich größere Drehzahlabweichung.
Im Bereich 3 bei einer Motordrehzahl von etwa 7250 U/min ergibt sich für die PWM-Frequenz f1 = 32787 eine minimale Drehzahlschwankung von etwa 2 U/min und für die PWM-Frequenzen f2 und f3 etwas größere Werte.
In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die tatsächliche PWM-Frequenz f_PWM für einen gegebene Nenndrehzahl auf diejenige Frequenz f1, f2, f3, f4 eingestellt, bei denen die gemessene Drehzahlabweichung n_Diff ein Minimum, vorzugsweise das kleinste Minimum, aufweist.
Gemäß 2 ist das das kleinste Minimum der Drehzahlabweichung von 1 U/min bei der PWM-Frequenz f2 = 32653 Hz bei einer Drehzahl von 7190 U/min im eingerahmten Bereich 1 zu finden. Der Spindelmotor kann daher vorzugsweise mit diesen Parametern betrieben werden.
Es könnten als Motorparameter für diesen Spindelmotor aber auch das Minimum der Drehzahlabweichung bei der PWM-Frequenz f3 = 32520 Hz und eine Drehzahl von 7210 U/min im eingerahmten Bereich 2 gewählt werden.
Analog zu der Auswertung der oben erläuterten Messergebnisse, kann das Verfahren auch durch ein Computerprogramm ausgeführt werden. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einer Steuereinheit, beispielsweise einem Mikrocontroller, implementiert sein und diejenige der möglichen PWM-Frequenzen bestimmen, die bei einer vorgegebenen Nenndrehzahl die kleinste Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn aufweist, beziehungsweise die kleinste mittlere Drehzahlabweichung zeigt. Derartige Ausgestaltungen sind im Folgenden beispielhaft erläutert.
3 zeigt ein Ablaufdiagram einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren kann beispielsweise auf einer Steuereinheit zum Ansteuern des Gleichstrommotors ausgeführt werden. Die Steuereinheit kann insbesondere einen Mikrocontroller umfassen, auf dem ein Computerprogramm implementiert ist, welches das Verfahren ausführt. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird eine Nenndrehzahl n_Nenn empfangen. Die Nenndrehzahl n_Nenn kann beispielsweise von einem anderen Computerprogramm oder einer anderen Routine desselben Programms ausgegeben und von dem das Verfahren ausführenden Programm oder Programmteil empfangen werden. In einem zweiten Schritt S3 wird daraufhin eine Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation bestimmt, sodass die Frequenz f_PWM ein ganzzahliges Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn ist, oder sodass die Differenz zwischen der Frequenz f_PWM und dem nächstgelegenen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn minimal ist. Es gilt also f_PWM = k * f_Nenn, wobei k eine natürliche Zahl ist. Falls diese Relation mit den möglichen PWM-Frequenzen nicht erfüllt werden kann, wird also die PWM-Frequenz f_PWM so bestimmt, dass der Differenzbetrag |f_PWM - k * f_Nenn| minimal ist.
Optional kann hier ein weiterer Verfahrensschritt S5 ausgeführt werden, in welchem ein Tastgrad der Pulsweitenmodulation festgelegt wird. Der Tastgrad kann insbesondere in Abhängigkeit der bestimmten PWM-Frequenz, und/oder der Nenndrehzahl n_Nenn , und/oder der gewünschten Beschleunigung erfolgen. In einem nächsten Schritt S7 wird der Gleichstrommotor mit der im Schritt S3 festgelegten Frequenz f_PWM angesteuert. Im Schritt S9 wird der Gleichstrommotor schließlich auf die Nenndrehzahl n_Nenn beschleunigt. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die aktuelle Frequenz der Pulsweitenmodulation schrittweise oder kontinuierlich auf die festgelegte Frequenz f_PWM eingestellt wird. Dies kann aber zu Nachteilen im Regelverhalten oder bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit führen, weshalb in den meisten Anwendungen ein sprunghaftes Einstellen der Frequenz f_PWM vorteilhaft ist.
In der 4 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines im Vergleich zur 3 leicht abgewandelten Ablaufdiagramms illustriert. Zusätzlich zu den in der 3 beschriebenen Verfahrensschritten ist hier nach dem Empfangen der Nenndrehzahl n_Nenn im Schritt S1 ein Schritt S2 angegeben, während dessen ein Frequenzbereich mit einer unteren Grenzfrequenz fmin und einer oberen Grenzfrequenz f_max festgelegt wird. Die untere Grenzfrequenz f_min und die obere Grenzfrequenz f_max können in Abhängigkeit von der Nenndrehzahl n_Nenn oder in Abhängigkeit von den Fähigkeiten des Mikrocontrollers festgelegt werden. Der Frequenzbereich wird so gewählt, dass ein effizienter Motorbetrieb gewährleistet ist und gleichzeitig die Steuerelektronik möglichst wenig beansprucht wird. So kann die untere Grenze fmin in Abhängigkeit von Puffer- und/oder Glättungskondensatoren der Motorsteuerung gewählt werden, wobei die untere Grenzfrequenz fmin groß genug gewählt wird, dass die Ladungsmenge der entsprechenden Kapazitäten gering gehalten wird. Die obere Grenze kann insbesondere in Abhängigkeit von den Spezifikationen von Halbleiterschaltern einer Brückenschaltung zum Ansteuern des Gleichstrommotors bestimmt werden. Der Frequenzbereich kann beispielsweise einen Bereich von 5 kHz bis 100 kHz, insbesondere von 10 kHz bis 40 kHz umspannen. Beispielsweise kann ein Frequenzbereich mit unterer Grenzfrequenz fmin im Bereich von 10 kHz bis 20 kHz und oberer Grenzfrequenz f_max im Bereich von 30 kHz bis 50 kHz gewählt werden. Die obere Grenzfrequenz f_max kann jedoch auch bei deutlich höheren Frequenzen, beispielsweise bei 150 kHz, liegen.
Zum Ansteuern eines dreiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotors kann eine B6-Brückenschaltung mit sechs Halbleiterschaltern vorgesehen sein. Die Brückenschalter können beispielsweise als bipolare Transistoren, MOSFETs oder JFETs ausgebildet sein. Die obere Grenzfrequenz f_max kann nun so gewählt werden, dass die Schaltverluste beim Schalten der Brückenschalter nicht zu groß werden und beispielsweise einen vorherbestimmten Grenzwert nicht überschreiten.
Im Schritt S3 wird in dieser Ausgestaltung nun diejenige Frequenz im Bereich f_min bis f_max berechnet, bei der die kleinsten mittleren Drehzahlschwankungen bei der Nenndrehzahl n_Nenn zu erwarten sind. Die niedrigsten Drehzahlschwankungen sind bei Frequenzen zu erwarten, die eine möglichst geringe Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn aufweisen. Im Schritt S3 wird die PWM-Frequenz f_PWM daher vorzugsweise derart bestimmt, dass die Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn minimal ist, wobei die PWM-Frequenz f_PWM im Frequenzbereich von f_min bis f_max liegt.
Die Menge der möglichen PWM-Frequenzen kann beispielsweise durch ein Verfahren zur Bestimmung der PWM-Frequenzen, welches auf einer Prozessortaktfrequenz f_µc einer Steuerschaltung basiert, limitiert sein. Aufgrund der vorgegebenen Taktfrequenzen üblicher Steuerschaltungen ist die Wahl einer Frequenz, die exakt einem ganzzahligen Vielfachen der Nenndrehzahl entspricht, nicht immer möglich. Mögliche PWM-Frequenzen f_i können dann in Abhängigkeit von der Prozessortaktfrequenz f_µc , beispielsweise zu f_i = f_µc / r_i bestimmt werden, wobei die r_i natürliche Zahlen sind. Von den berechneten f_i werden dann diejenigen Frequenzen bestimmt, welche möglichst exakt einem ganzzahligen Vielfachen der Nenndrehzahl n_Nenn , beziehungsweise der zugehörigen Drehfrequenz f_Nenn , entsprechen. Dazu können die PWM-Frequenzen f_i als Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn ausgedrückt werden, so dass f_i = k_i · f_Nenn gilt, wobei k_i ein Proportionalitätsfaktor ist. Durch auflösen nach k_i und berechnen der Abweichung von k_i von der nächstliegenden ganzen Zahl, kann ein Maß M_Diff für die Drehzahlabweichung n_Diff gefunden werden. Beispielsweise kann M_Diff zu M_Diff = 1/2 - |(k_i mod 1) - 1/2] bestimmt werden. Die Drehzahlabweichung ergibt sich folglich aus n_Diff = M_Diff · f_Nenn.
Im Falle, dass mehrere gleichwertige Frequenzen berechnet wurden, bei denen also ungefähr gleich große Drehzahlabweichungen n_Diff bestimmt wurden, kann es vorteilhaft sein, die Frequenz f_PWM auf die größte der gefundenen Frequenzen festzulegen. Optional kann auch hier ein Verfahrensschritt S5 ausgeführt werden, in welchem ein Tastgrad der Pulsweitenmodulation festgelegt wird. Im Schritt S7 wird der Gleichstrommotor wieder mit der Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation angesteuert und im Schritt S9 auf die Nenndrehzahl n_Nenn beschleunigt. Ferner kann es in manchen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass die PWM-Frequenz zwischen zwei oder mehreren gleichwertigen Frequenzen alternierend gewählt wird. Der Wechsel zwischen den gleichwertigen Frequenzen kann insbesondere sprunghaft erfolgen.
Die 5 zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In dieser Variante wird in einem Schritt S3a diejenige Frequenz im Bereich fmin bis f_max berechnet, bei der die kleinsten mittleren Drehzahlschwankungen bei der Nenndrehzahl n_Nenn zu erwarten sind. Es werden dazu für eine Vielzahl an Frequenzen f_i des im Schritt S2 festgelegten Frequenzbereichs fmin ≤ f ≤ f_max die Abweichungen von dem jeweils nächsten ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn berechnet. Vorzugsweise gelten alle PWM-Frequenzen, die als ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz f_Nenn realisiert werden können, bezüglich der Drehzahlabweichung als gleichwertig. Die Menge der realisierbaren PWM-Frequenzen kann insbesondere durch die Steuerschaltung, beziehungsweise den Mikrocontroller und dessen Taktfrequenz f_µc, eingeschränkt sein. Im Schritt S3b wird dann diejenige der Frequenzen f_i ausgewählt, für welche die kleinste Abweichung von der Nenn-Drehfrequenz berechnet wurde. Schließlich wird die Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation auf diese Frequenz f_i festgelegt.
Analog zu den 4 und 5 erfolgt daraufhin wieder eine optionale Anpassung des Tastgrades der PWM in einem Verfahrensschritt S5, das Ansteuern des Gleichstrommotors mit der Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation im Schritt S7 und schließlich im Schritt S9 die Beschleunigung auf die Nenndrehzahl n_Nenn .

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mittels Pulsweitenmodulation einer bestimmten PWM-Frequenz f_PWM, wobei die Motordrehzahl n mittels einer Drehzahlregelung auf eine Nenndrehzahl n_Nenn geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation eine Funktion der Nenndrehzahl n_Nenn ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation ein ganzzahliges Vielfaches einer Nenn-Drehfrequenz f_Nenn gewählt wird, wobei die Nenn-Drehfrequenz f_Nenn die Drehfrequenz bei der Nenndrehzahl n_Nenn bezeichnet, oder diejenige Frequenz aus einer Menge an möglichen Frequenzen f_i als Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation ausgewählt wird, welche die kleinste Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen zur Nenn-Drehfrequenz f_Nenn aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Empfangen einer Nenndrehzahl n_Nenn durch eine Motorsteuerung des Gleichstrommotors, - Berechnen der PWM-Frequenz f_PWM als ein ganzzahliges Vielfaches der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn oder als diejenige Frequenz aus einer Menge an möglichen Frequenzen, welche die kleinste Abweichung von einem ganzzahliges Vielfaches zur Nenn-Drehfrequenz f_Nenn aufweist, - Ansteuern des Gleichstrommotors mit der berechneten PWM-Frequenz f_PWM, und - Beschleunigen des Gleichstrommotors auf die Nenndrehzahl n_Nenn.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrommotor bereits zu Beginn der Beschleunigung auf die Nenndrehzahl n_Nenn mit der PWM-Frequenz f_PWM angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung einen Tastgrad der PWM in Abhängigkeit von der berechneten PWM-Frequenz f_PWM und/oder in Abhängigkeit von der Nenndrehzahl n_Nenn festlegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad der PWM durch eine Drehzahlregelung und/oder eine Stromregelung des Gleichstrommotors bestimmt wird, und der Gleichstrommotor mit einem geeignet gewählten Tastgrad beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelalgorithmus der Drehzahlregelung und/ oder der Stromregelung ein PID(Proportional-Integral-Differential)-Regler oder ein PI-Regler verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation eine Minimierung einer mittleren Drehzahlabweichung n_Diff der Drehzahl n des Gleichstrommotors von der Nenndrehzahl n_Nenn umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation innerhalb eines Frequenzbereiches fmin ≤ f_PWM ≤ f_max liegend gewählt wird, wobei fmin eine untere Grenzfrequenz und f_max eine obere Grenzfrequenz definieren und jeweils in Abhängigkeit von der Nenndrehzahl n_Nenn oder in Abhängigkeit von den Fähigkeiten eines Mikrocontrollers, oder von den Kennwerten der Komponenten einer Steuerelektronik, oder einer Prozessortaktfrequenz f_µc des Mikrocontrollers bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation als ganzzahliges Vielfaches der Prozessortaktfrequenz f_µc festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Frequenz f_PWM die Berechnung der Abweichung von einem ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn für eine Vielzahl von Frequenzen f_i im Frequenzbereich f_min ≤ f_PWM ≤ f_max umfasst, wobei die Abweichung jeweils relativ zu dem zur betrachteten Frequenz f_i nächstliegenden ganzzahligen Vielfachen der Nenn-Drehfrequenz f_Nenn bestimmt wird, und wobei die Frequenz f_PWM der Pulsweitenmodulation als diejenige Frequenz f_i festgelegt wird, welche die geringste Abweichung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der bürstenlose Gleichstrommotor sensorlos betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung des bürstenlosen Gleichstrommotors dessen Drehzahl n erfasst wird, wobei die Drehzahlerfassung auf Basis der Nulldurchgänge der in Phasenwicklungen des Gleichstrommotors induzierten gegenelektromotorischen Spannung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Nulldurchgänge der gegenelektromotorischen Spannung mittels wenigstens eines Spannungskomparators erfolgt.
Bürstenloser Gleichstrommotor mit einer Steuereinrichtung zum Regeln des Gleichstrommotors, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.