DE102013201241A1 - Method and device for determining the position of the rotor in a brushless DC motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Rotors (1) bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, welche sensortechnisch ermittelt und durch eine elektronische Steuereinheit (2) zur zeitlich versetzten Ansteuerung von dem Rotor (1) zugeordneten und gehäuseseitig um diesen herum angeordneten elektrischen Spulen (3) signalverarbeitet wird, um ein Drehfeld zur Bewegung des Rotors (1) zu erzeugen, wobei das Positionssignal eines Hall-Sensors (4) mit dem Positionssignal eines Inkrementalgebers (5) zur Berechnung der Position des Rotors (1) durch die elektronische Steuereinheit (2) verknüpft wird.The invention relates to a method for determining the position of the rotor (1) in a brushless direct current motor, which is determined by sensor technology and used by an electronic control unit (2) for the temporally offset control of electrical coils (1) assigned to the rotor (1) and arranged around it on the housing side 3) is signal-processed in order to generate a rotating field for the movement of the rotor (1), the position signal of a Hall sensor (4) being combined with the position signal of an incremental encoder (5) for calculating the position of the rotor (1) by the electronic control unit ( 2) is linked.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Rotors bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, welche sensortechnisch ermittelt und durch eine elektronische Steuereinheit zur zeitlich versetzten Ansteuerung von dem Rotor zugeordneten und gehäuseseitig um diesen herum angeordneten elektrischen Spulen signalverarbeitet wird, um ein Drehfeld zur Bewegung des Rotors zu erzeugen. Die Erfindung betrifft ferner auch eine sensortechnische Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sowie auch einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer solchen Einrichtung.The invention relates to a method for determining the position of the rotor in a brushless DC motor, which is determined by sensor technology and signal processed by an electronic control unit for staggered control of the rotor associated with the housing side and arranged around this electrical coils to a rotating field for movement of the rotor to create. The invention further relates to a sensor device for carrying out this method as well as a brushless DC motor with such a device.
Ein bürstenloser Gleichstrommotor, der auch als BLDC-, BL-, oder EC-Motor bezeichnet wird, kann im Allgemeinen als eine Bauform des Gleichstrommotors verstanden werden, bei dem der sonst übliche mechanische Kommutator mit Bürsten zur Stromwendung durch eine elektronische Schaltung ersetzt ist. Vom mechanischen Aufbau des Motors sind bürstenlose Gleichstrommotoren identisch mit ungedämpften Synchronmotoren, weisen jedoch in Kombination mit der elektronischen Steuereinheit weitergehende Steuermöglichkeiten auf. Einsatzgebiete derartiger Motoren liegen im Bereich von kleinen Antrieben von Ventilatoren und dergleichen über Kompressoren und anderen Aggregaten in Kraftfahrzeugen bis hin zu Stelleinrichtungen in Form von Servomotoren oder Antriebssystemen für Werkzeugmaschinen.A brushless DC motor, which is also referred to as BLDC, BL, or EC motor, can be generally understood as a type of DC motor in which the usual mechanical commutator is replaced with brushes for current application by an electronic circuit. From the mechanical design of the motor brushless DC motors are identical to undamped synchronous motors, but have in combination with the electronic control unit further control options. Applications of such engines are in the range of small drives of fans and the like on compressors and other units in motor vehicles to actuators in the form of servomotors or drive systems for machine tools.
Üblicherweise ist bei bürstenlosen Gleichstrommotoren der Rotor mit einem Permanentmagneten als sogenannter permanent-erregter Synchronmotor realisiert, kann aber auch ein sogenannter Reluktanzmotor sein. Der feststehende Stator umfasst dagegen die elektrischen Spulen, welche um den Stator herum angeordnet sind und von der elektronischen Steuereinheit zeitlich versetzt angesteuert werden, um ein Drehfeld für den Rotor entstehen zu lassen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht. Erfolgt die Kommutierung des bürstenlosen Gleichstrommotors unabhängig von der Position, Drehzahl und Momentenbelastung des Rotors, liegt im Prinzip nur ein herkömmlicher Synchronmotor vor. Bei bürstenlosen Gleichstrommotoren besteht als Wesentlicher Unterschied hierzu die Möglichkeit, die elektronische Kommutierung von der Rotorposition, der Rotordrehzahl und dem Drehmoment abhängig zu machen. Das stellt eine Form der direkten Rückkopplung dar, womit die Frequenz und bei insbesondere den hier interessierenden Systemen auch die Amplitude in Abhängigkeit von der Position und Drehzahl des Rotors verändert werden. Die elektronische Kommutierung wird damit zu einem Regler, und die Art der Erzeugung des Drehfeldes bestimmt damit wesentlich die Charakteristik des bürstenlosen Gleichstrommotors.Usually, in brushless DC motors, the rotor is realized with a permanent magnet as a so-called permanently excited synchronous motor, but may also be a so-called reluctance motor. The fixed stator, in contrast, comprises the electric coils which are arranged around the stator and are actuated offset in time by the electronic control unit in order to produce a rotating field for the rotor which causes a torque on the permanently excited rotor. If the commutation of the brushless DC motor is independent of the position, speed and torque load of the rotor, in principle there is only a conventional synchronous motor. For brushless DC motors, the essential difference is the possibility to make the electronic commutation dependent on the rotor position, the rotor speed and the torque. This represents a form of direct feedback, whereby the frequency and, in particular, the systems of interest here, the amplitude as a function of the position and speed of the rotor are changed. The electronic commutation thus becomes a regulator, and the manner of generating the rotating field thus substantially determines the characteristics of the brushless DC motor.
Im Unterschied zur Blockkommutierung kann durch besondere Ansteuerung der Spulen als Funktion des Rotorwinkels erreicht werden, dass sich das Magnetfeld kontinuierlich dreht. Dadurch werden mechanische Belastungen und Störgeräusche verringert, sowie die Verlustleistung reduziert. Für die deshalb entsprechend feinere Ansteuerung der Spulen ist eine genauere Messung der Rotorposition notwendig.In contrast to block commutation can be achieved by special control of the coils as a function of the rotor angle that the magnetic field rotates continuously. This reduces mechanical stress and noise and reduces power dissipation. For the correspondingly finer control of the coils, a more accurate measurement of the rotor position is necessary.
Zur Erfassung der Position des Rotors und der Drehzahl kommt vornehmlich eine sensorgesteuerte Kommutierung zum Einsatz. In diesem Fall befinden sich Sensoren – insbesondere Hall-Sensoren – zur Erfassung des magnetischen Flusses des Rotors im Bereich des Stators. Entsprechend dieser Stellungsinformation werden über geeignete Leistungstreiber von der Steuerelektronik die Wicklungen angesteuert, die im Rotor ein Drehmoment erzeugen. Diese sensorgesteuerte Kommutierung funktioniert auch bei sehr geringen Drehzahlen bzw. im Stand. Gewöhnlich werden bei dieser Kommutierung bei drei oder mehr Phasen nicht alle Phasen zugleich bestromt, sondern zumindest eine Phase ist zu jeden Zeitpunkt stromlos.To detect the position of the rotor and the speed is primarily a sensor-controlled commutation is used. In this case, there are sensors - in particular Hall sensors - for detecting the magnetic flux of the rotor in the region of the stator. According to this position information, the windings are controlled by suitable power drivers of the control electronics, which generate a torque in the rotor. This sensor-controlled commutation works even at very low speeds or in the state. Usually, in this commutation in three or more phases not all phases are energized at the same time, but at least one phase is de-energized at any time.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Nachteilhaft bei der Verwendung von Hall-Sensoren zur Bestimmung der Position des Rotors erweist sich jedoch die Tatsache, dass nur recht geringe Auflösungen möglich sind, welche nur für Blockkommutierung ausreichend ist. Eine genauere Auflösung lässt sich durch die Verwendung von Resolvern erzielen, welche jedoch aufwendig und störanfällig sind, da es sich hier um Analogtechnik handelt. Bei Verwendung von Inkrementalgebern ohne Nullpunkt-Ausgang ist zwar eine Drehzahlbestimmung möglich, die Position des Rotors kann jedoch nicht absolut sondern nur relativ zur letzten Position ermittelt werden. Somit müsste die Lage des Sensors auf den Motor abgestimmt werden, und zwar mittels eines aufwendigen mechanischen Nullpunktabgleichs.A disadvantage of using Hall sensors to determine the position of the rotor, however, proves the fact that only very low resolutions are possible, which is sufficient only for block commutation. A more accurate resolution can be achieved by the use of resolvers, which are complex and prone to failure, since this is analog technology. When using incremental encoders without zero-point output, although a speed determination is possible, the position of the rotor can not be determined absolutely but only relative to the last position. Thus, the position of the sensor on the Engine are tuned, by means of a complex mechanical zero point adjustment.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung mit einfachen technischen Mitteln eine absolute Position des Rotors eines bürstenlosen Gleichstrommotors genau bestimmen zu können.It is therefore the object of the present invention with simple technical means to be able to accurately determine an absolute position of the rotor of a brushless DC motor.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Hinsichtlich einer sensortechnischen Einrichtung wird die Aufgabe durch Anspruch 8 gelöst. Der Anspruch 9 gibt einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer derartigen Einrichtung an.The object is achieved on the basis of a method according to the preamble of
Die Erfindung schließt die verfahrenstechnischer Lehre ein, dass zur Bestimmung der Position des Rotors bei einem bürstenlosen Gleichstrommotor, welche sensortechnisch ermittelt und durch eine elektronische Steuereinheit zu zeitlich versetzten Ansteuerung von dem Rotor zugeordneten und gehäuseseitig um diesen herum angeordneten elektrischen Spulensignal verarbeitet wird, um ein Drehfeld zur Bewegung des Rotors zu erzeugen, das Positionssignal eines Hall-Sensors mit dem Positionssignal eines Inkrementalgebers zur Berechnung der Position des Rotors durch die elektronische Steuereinheit verknüpft wird.The invention includes the procedural teaching that for determining the position of the rotor in a brushless DC motor, which is determined by sensor technology and processed by an electronic control unit to time-offset control of the rotor and the housing side arranged around this electrical coil signal, a rotating field to generate movement of the rotor, the position signal of a Hall sensor is linked to the position signal of an incremental encoder for calculating the position of the rotor by the electronic control unit.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass sich die elektrische Position des Rotors durch einen geringen sensortechnischen Mehraufwand absolut und genau ermitteln lässt. Die elektrische Position wird verwendet zur elektrischen Kommutierung.The advantage of the solution according to the invention is, in particular, that the electrical position of the rotor can be absolutely and accurately determined by a low additional sensor-related expenditure. The electrical position is used for electrical commutation.
Vorzugsweise wird die Position des Rotors nach dem Kaltstart des Gleichstrommotors zunächst nur von dem Hall-Sensor ermittelt, ehe eine Verknüpfung mit dem Positionssignal eines Inkrementalgebers durchgeführt wird. Dies ist zunächst ausreichend, um den Rotor zu drehen.Preferably, the position of the rotor after the cold start of the DC motor is initially determined only by the Hall sensor before a link with the position signal of an incremental encoder is performed. This is sufficient to turn the rotor.
Vorzugsweise wird bei Erreichen des nächsten Hall-Strichsegments des Hall-Strichsensors die Position des Rotors errechnet, und zwar aus der absoluten Position der letzten Hallsegment-Grenze und der Anzahl der durch den Inkrementalgeber ermittelten Inkrementalschritt seit Überschreitung dieser Grenze. Als Hallsegment-Grenze versteht man einen Winkel, bei dem sich der digitale Wert für einen der Hall-Geber des Hall-Sensors ändert. Bei beispielsweise bei 3 Hall-Gebern wäre das alle 60° elektrisch.Preferably, when the next Hall bar segment of the Hall bar sensor is reached, the position of the rotor is calculated, namely from the absolute position of the last Hall segment boundary and the number of incremental steps determined by the incremental encoder since this limit has been exceeded. A Hall segment boundary is an angle at which the digital value for one of the Hall sensors of the Hall sensor changes. For example, with 3 Hall sensors that would be every 60 ° electrical.
Nachfolgend kann bei Erreichen des nächsten Polpaares die Position des Rotors errechnet werden aus der absoluten Position der letzten Polpaar-Grenze und der Anzahl der durch den Inkrementalgeber ermittelten Inkrementalschritte seit Überschreitung dieser Grenze.Subsequently, when the next pole pair is reached, the position of the rotor can be calculated from the absolute position of the last pole pair limit and the number of incremental steps determined by the incremental encoder since this limit has been exceeded.
Nach einer vollen mechanischen Umdrehung des Rotors kann dann in den nächstfolgenden Modus geschaltet werden. Da nun alle Polpaare mit allen Hall-Segmenten durchschritten sind, erfolgt die Positionsermittlung jetzt immer unter Verwendung des Absolutwertes des Beginns des ersten Polpaares. Dies ist stets mechanisch das Gleiche, wodurch der Einfluss von Ungenauigkeiten oder Jitter der anderen Hall-Segmenten oder Polpaar-Grenzen ausgeschlossen ist.After a full mechanical revolution of the rotor can then be switched to the next following mode. Since all pole pairs are now passed through with all Hall segments, the position determination is now always carried out using the absolute value of the beginning of the first pole pair. This is always mechanically the same, eliminating the influence of inaccuracies or jitter of the other Hall segments or pole pair boundaries.
Als weiter verbessernde Maßnahmen und Bestandteil der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Ermittlung oder Plausibilitätsprüfung (Anpassung) der Inkremental-Auflösung durchgeführt werden kann.As further improvement measures and part of the invention, it is proposed that a determination or plausibility check (adaptation) of the incremental resolution can be carried out.
Dies bedeutet entweder, dass die die Inkrementalauflösung vordefiniert wird, oder, dass die Auflösung von der Signalverarbeitung erst ermittelt wird.This means either that the incremental resolution is predefined or that the resolution is first determined by the signal processing.
Gemäß der ersten Alternative weicht der gezählte Inkrementalwert bei einer Hallsegment- oder Polpaar-Grenze oder bei einer vollen mechanischen Umdrehung zu stark vom erwarteten Wert gemäß der Vordefinition ab, wird dies von der Plausibilitätsprüfung erkannt und die entsprechend geeignete Kompensationsmaßnahme eingeleitet. Hierdurch kann schneller eine genauere Position des Rotors ermittelt werden als der nachfolgenden zweiten Alternative.According to the first alternative, the counted incremental value for a Hall segment or pole pair limit or for a full mechanical revolution deviates too much from the expected value according to the predefinition, this is recognized by the plausibility check and the appropriate appropriate compensation measure initiated. As a result, a more accurate position of the rotor can be determined faster than the subsequent second alternative.
Gemäß der zweiten Alternative ist die Inkrementalauflösung andererseits zunächst unbekannt, so wird der gezählte Inkrementalwert von einer Hallsegment- oder Polpaar-Grenze oder vollen mechanischen Umdrehung zur jeweils nächsten zunächst nur verwendet, um die Inkrementalauflösung zu ermitteln, abzuspeichern und gegebenenfalls nochmal zu prüfen, im Sinne von sukkzessiv annähernd gleichen Werten. Ist die Inkrementalauflösung dann sicher bekannt, wird damit wie oben beschrieben die Position des Rotors berechnet. Dieses Verfahren hat gegenüber der ersten Alternative den Vorteil, dass die Inkrementalauflösung nicht bekannt oder definiert sein muss. Damit ist es möglich, verschiedene Inkrementalsensoren zu verwenden, ohne die Notwendigkeit, die des Steueralgorithmus anzupassen.According to the second alternative, the incremental resolution, on the other hand, is initially unknown, so the counted incremental value from one Hall segment or pole pair boundary or full mechanical revolution to the next one is initially only used to determine the incremental resolution, to save it and, if necessary, to check again in the sense of successively approximately the same values. If the incremental resolution is then known, the position of the rotor is calculated as described above. This method has the advantage over the first alternative that the incremental resolution need not be known or defined. This makes it possible to use different incremental sensors without the need to match that of the control algorithm.
Außerdem ist eine Nachfilterung der Position des Rotors möglich. Dies bedeutet mit anderen Worten: Wenn die gezählten Inkrementalwerte von einer Grenze zur jeweils nächsten für eine mechanische Umdrehung abgespeichert werden, lässt sich ein Muster für den Jitter dieser Grenzen ermitteln. Dieses wiederum kann verwendet werden, um die Positionsberechnung für die Berechnung pro Hallsegment bzw. pro Polpaar zu verbessern.In addition, a post-filtering of the position of the rotor is possible. In other words, if the counted incremental values are from one boundary to the next for one mechanical rotation can be stored, a pattern for the jitter of these limits can be determined. This in turn can be used to improve the position calculation for the calculation per Hall segment or per pole pair.
Bei der Positionsberechnung für die Berechnung pro mechanischer Umdrehung des Rotors gibt es keine systematischen Fehler, die auf mechanische Ungleichmäßigkeiten zurückzuführen sind, da sich alle Inkermentalwerte hier auf ein und dieselbe Hallsegment-Grenze beziehen. Es können aber Fehler aufgrund von Störungen oder mechanischem Spiel auftreten, daran erkennbar, dass die gezählten Inkrementalwerte pro mechanischer Umdrehung nicht exakt gleich sind. Durch geeignete Filterung, beispielsweise Tiefpassfilterung, lässt sich die Genauigkeit der Positionsberechnung verbessern.In the position calculation for the calculation per mechanical revolution of the rotor, there are no systematic errors that are due to mechanical irregularities, since all Inkermentalwerte here refer to the same Hall segment boundary. However, errors due to disturbances or mechanical play can occur, as can be seen from the fact that the incremental values counted per mechanical revolution are not exactly the same. Appropriate filtering, such as low-pass filtering, can improve the accuracy of the position calculation.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. These show:
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Gemäß
Die aktuelle Position des Rotors
Die elektronische Steuereinheit
Damit sich der Motor nur aufgrund der Hall-Signale drehen kann, ist es erforderlich, mit den Hall-Sensoren genauer als bis zum Polpaar aufzulösen. Üblicherweise werden bei 3-Phasen-Motoren drei jeweils elektrisch um 120° versetzte Hall-Sensoren verwendet. Damit lässt sich die Position um 60° elektrisch genau ermitteln, sowie die Drehrichtung bestimmen.In order for the motor to rotate only due to the Hall signals, it is necessary to resolve with the Hall sensors more accurately than to the pole pair. Usually three three-phase motors are used in each case electrically offset by 120 ° Hall sensors. This makes it possible to determine the position electrically by 60 ° and determine the direction of rotation.
Die
Hinsichtlich der Darstellung der Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte nach
Von jedem der vorstehend in den Schritten II. bis IV. beschriebenen Zuständen aus ist ein Übergang in den Zustand gemäß Schritt I. möglich. Dies erfolgt immer dann, wenn ein Plausibilitätscheck einen Fehler erkannt hat, beispielsweise einen Ausfall des Inkrementalgebers.From each of the states described above in steps II. To IV Transition to the state according to step I. possible. This always occurs when a plausibility check has detected an error, for example a failure of the incremental encoder.
Eine Anpassung der vom Inkrementalsensor erzeugten Inkrementalauflösung kann nach der vollen Umdrehung des Rotors durchgeführt werden. Ebenfalls ist es möglich, eine Nachfilterung der berechneten Position des Rotors durchzuführen.An adaptation of the incremental resolution generated by the incremental sensor can be carried out after the full revolution of the rotor. It is also possible to perform a post-filtering of the calculated position of the rotor.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Rotorrotor
- 22
- elektronische Steuereinheitelectronic control unit
- 33
- elektrische Spulenelectric coils
- 44
- Hall-SensorHall sensor
- 55
- Inkrementalgeberincremental
- 66
- Hall-SegmenteHall segments
- 77
- Inkremental-SensorringIncremental sensor ring
- 88th
- Motor-PolpaareMotor pole pairs
- αα
- Drehwinkelangle of rotation
- nn
- Drehzahlrotation speed
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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