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WO2008006745A2 - Verfahren und schaltungsanordnung zur kontinuierlichen bestromung eines bürstenlosen elektromotors - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zur kontinuierlichen bestromung eines bürstenlosen elektromotors Download PDF

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WO2008006745A2
WO2008006745A2 PCT/EP2007/056711 EP2007056711W WO2008006745A2 WO 2008006745 A2 WO2008006745 A2 WO 2008006745A2 EP 2007056711 W EP2007056711 W EP 2007056711W WO 2008006745 A2 WO2008006745 A2 WO 2008006745A2
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WO
WIPO (PCT)
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terminal
potential
potentials
electric motor
generated
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/056711
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English (en)
French (fr)
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WO2008006745A3 (de
Inventor
Johannes Schwarzkopf
Original Assignee
Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kg, Würzburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kg, Würzburg filed Critical Brose Fahrzeugteile Gmbh & Co. Kg, Würzburg
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Priority to US12/309,266 priority patent/US20090230907A1/en
Priority to BRPI0714883-6A priority patent/BRPI0714883A2/pt
Publication of WO2008006745A2 publication Critical patent/WO2008006745A2/de
Publication of WO2008006745A3 publication Critical patent/WO2008006745A3/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
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    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation

Definitions

  • the invention relates to a method for continuously supplying power to a brushless electric motor having a plurality of winding phases, wherein the time profile Klemmenpo ⁇ potentials is generated in each case by clocked switching between a low and a high electric potential of, at least one of the terminal potential zeitab ⁇ sectionally variationslos by switching on one of the electrical potentials is generated constantly, and wherein the other terminal potentials are produced adjusted by changing the timing.
  • the invention further relates to a
  • Circuit arrangement which is designed for such energization of a brushless electric motor with a plurality of winding strands.
  • brushless electric motors are driven by alternately contacting the winding strands in such a way that a rotating magnetic field results, which causes a torque between the stator and the rotor of the electric motor.
  • such an electric motor contains at least two, often three winding strands which are mutually offset by an angle with respect to the rotor axis.
  • the coils and thus the rotating magnetic field are often associated with the stator of the electric motor, while the rotor comprises a permanent magnet.
  • each supply line to a terminal or to a winding strand of the electric motor is assigned a pair of switches, in particular transistors, for example MOSFETs, or high-power semiconductors, for example IGBTs, which permit switching between the two potentials of the DC voltage circuit Timing of the terminal potentials generated by clocked switching zwi ⁇ tween a low and a high electrical potential.
  • the first object is achieved according to the invention for a method of the type mentioned in the fact that in the zeitli ⁇ chen course, the terminal potentials depending on the size of the respective associated terminal current alternately constant he testify ⁇ .
  • the invention starts from the knowledge that switching losses occur during the control of the brushless electric motor in the converter. Will play as a MOSFET off at ⁇ , this is not abruptly but continuously into a high impedance state. Driven by inductances, the current continues to flow at an approximately constant level. The result is loss performance . Likewise, power loss occurs when the falling voltage increases so much that a current flows through a freewheeling diode. Overall, a loss energy is generated in the converter per Wegvor ⁇ gear, which is proportional to the current. At ⁇ the proportionality factor is essentially dependent on the switching speed and the DC link voltage . The switching losses have a reduction in efficiency and increased self-heating result. This is insbeson ⁇ particular disadvantageous when the brushless electric motor in a hot environment, as, for example, used in the engine compartment of a motor vehicle. In addition, the switching causes transients with high frequency components, which adversely affect the electromagnetic compatibility.
  • the invention is based on the consideration that the potential for the performance of the Elektromo ⁇ tors is not relevant.
  • the electric motor will provide the same power or rotational speed regardless of the set absolute potential, as long as the phase voltages o- and the potential differences between the terminals are maintained become. Remain unchanged phase voltages that are poured the same motor currents, so that the torque and we ⁇ ciency of the electric motor remains unchanged equal.
  • the terminal potentials can therefore be changed without affecting the motor parameters as long as the phase voltages or the potential differences between the terminals are maintained.
  • the invention further offers the advantage that the alternating current component in the DC voltage circuit is reduced.
  • An inserted for smoothing DC link capacitor can therefore be made smaller, which is inexpensive. Since the current ripple is reduced in the DC circuit, we ⁇ ken existing power baffles are no longer so strong.
  • the adaptation of the further terminal potentials can be made accordingly entspre ⁇ predetermined phase voltage waveforms or current waveforms predetermined terminal or strand.
  • the associated control potential is determined, and the con ⁇ stant terminal potential generated in each case switched to the potential closest to the corresponding control potential.
  • that potential is ver ⁇ stood under the control potential, which would set at a predetermined timing of the change between high and low potential of all terminal potentials according to a predetermined current waveform.
  • the terminal potential with the highest or lowest value of the corresponding control potential is generated constantly.
  • This refinement is based on the recognition that, in a first approximation, the largest motor current flows through that one motor winding, to which the greatest potential of the terminal is applied.
  • the GmbHverlus ⁇ te are thus minimized when the terminal potential is constantly generated on the basis of a variation of the timing of all the terminal potentials with the same time course of the phase voltages, which would be time-sections have the highest or lowest potential corresponding rule.
  • a reduction of the switching losses over the prior art is achieved without direct measurement of the terminal current.
  • the terminal potential is constantly generated, to which the highest actual terminal current is assigned.
  • the decision as to which terminal potential is constantly testifies he ⁇ it depends on the actual terminal current.
  • the power loss can be further reduced.
  • the timing of the Klemmenpo ⁇ potentials is generated in each case by means of pulse width modulation.
  • pulse width modulation abbreviated to PWM
  • the on and off time of a square wave signal is varied at a fixed fundamental frequency. Over the duration of the on the applied in the medium voltage can be varied for ei ⁇ nen inductive load.
  • the consumer sees on average only half of the voltage applied during the on-time.
  • the different switching states of a corresponding switching means for switching between the low and the high electrical potential of the DC voltage circuit are maintained for different lengths during a PWM clock.
  • the electric motor can be used, for example, ei ⁇ nen PMW inverter.
  • the required inverter in a übli ⁇ chen control for each of the three leads each have two switches or transistors, which alternately switch the supply line between the two potentials of a DC circuit. Since at least one of the terminal potentials for a period of time is kept constant over time, the terminal potentials can be a microcontroller Retired ⁇ resorted to dently ⁇ tion of the PWM inverter, which has fewer PWM outputs.
  • a microcontroller which has at least three PWM outputs. If the electric motor is driven as described above, only one microcontroller is required, which has two PWM outputs. Overall, this reduces the cost of the required components.
  • the invention is not restricted to specific Zeitver ⁇ runs the terminal potentials.
  • the zeitli ⁇ chen courses of the terminal potentials can also be trapezoidal or three eckförmig.
  • the terminal potentials are each generated sinusoidally over time. This allows an optimization of the efficiency of a brushless electric motor.
  • the sinusoidal terminal potentials are each phase-shifted by 120 °. This generates the required magnetic rotating field.
  • the second object is achieved by a Wegungsanord ⁇ tion, which a DC voltage intermediate circuit and connected in the DC voltage intermediate circuit between a supply line and a return line, respectively to the terminals of the
  • Winding strands of the electric motor connectable, Umschalte ⁇ medium containing feed circuit includes, the Um ⁇ switching means are provided for clocked switching of the terminals between supply and return, according to the invention solved in that a control unit for controlling the switching means according to the aforementioned method is formed from ⁇ .
  • the supply circuit is designed for pulse width modulation of the terminal potentials.
  • FIG. 1 schematically shows a circuit arrangement for controlling a brushless electric motor
  • the circuit arrangement 1 shows schematically a circuit arrangement 1 for driving a brushless electric motor with three winding phases.
  • the circuit arrangement 1 comprises a DC voltage intermediate circuit 3, for example fed by a capacitor, with a supply line 5 and with a return line 6.
  • the supply line 5 is at a high potential (HIGH) and the return line 6 is at a low potential (LOW), namely ground.
  • a capacitor 7 and an in ⁇ ductility 8 is switched on in the DC voltage intermediate circuit 3.
  • an inverter 10 is connected for clocked switching between the low and the high electrical potential.
  • the converter 10 in each case has pairs of switches IIa, IIb and 12a, 12b and 13a, 13b designed as transistors, in particular as MOSFETs. Each individual one of these switches 111, IIb, 12a, 12b, 13a, 13b is bridged with freewheeling diodes 15 directed counter to the direction of the current. Between the pairs of switches IIa, IIb and 12a, 12b and 13a, 13b respectively a first supply line 16, a second Zulei ⁇ tion 17 and a third supply line 18 are turned on. These supply lines 16, 17, 18 are connected in operation to the terminals of the electric motor.
  • the windings of the Elektromo ⁇ tors in this respect are connected in a star configuration.
  • the switches IIa, IIb and 12a, 12b and 13a, 13b alternately geöff ⁇ net and connected. If the switches IIa, ge included ⁇ 12a and 13a, the corresponding motor terminals are located on the supply lines 16,17 and 18 at the high potential of the feed line 5. In this case, the switches IIb, 12b and 13b are opened.
  • Clamping of the electric motor is either at the high or at the low potential. In six of these circuit states, one of the terminals of the motor is at a different potential than the other two terminals.
  • a control unit 19 is used in the form of a microcontroller having PWM outputs, the output as a PWM signal, the respective desired duty cycle between ⁇ rule on and off time representing signal ⁇ ben.
  • the switches IIa, IIb, 12a, 12b, 13a and 13b are applied to generate the desired time profile of the terminal potentials within a predetermined PWM clock.
  • FIG. 2 shows a star connection 20 for a electric motor with three winding phases 21, 22 and 23 is shown schematically.
  • the electric motor consequently has a first, second and third terminal 25, 26 and 27, respectively, to which a respective terminal potential is applied for activation.
  • the motor windings 21, 22 and 23 of a so-called three-phase electric motor are generally also designated by the letters U, V and W. Accordingly, the terminal potentials Uu, Uv and Uw abut the Klem ⁇ men 25,26 and 27th In the star point, the so-called star voltage Us arises. At the individual winding phases 21, 22 and 23, as the difference between the potential of the neutral point and the respective terminals 25, 26 and 27, respectively, a line voltage Usu, Usv or Usw drops. Between the terminals 25,26 and 27 results as a difference of the terminal potentials each have a difference ⁇ voltage Uvu, Uwv or Uuw.
  • the differential voltages Uvu, Uwv and Uuw also represent a measure for the respective phase voltages Usu, Usv or Usw. In other words, by subtracting the terminal potentials Uu, Uv and Uw, it is also possible to deduce the phase voltages Usu, Usv or Usw.
  • FIG. 3 shows the time profile of the terminal potentials Uv, Uu and Uw for the terminals of a three-phase brushless electric motor.
  • the time t is plotted on the ordinate and the value of the potential U in Pro ⁇ center of the high potential of the DC voltage intermediate circuit 3 of Figure 1 on the abscissa.
  • the three terminal potentials Uv, Uu and Uw each have a sinusoidal time course, and are each phase-shifted by 120 ° to each other. Such a control results in a continuous sinusoidal current in the motor windings.
  • the neutral point potential is lowered to 40%. This is done by correspondingly changed timing of the switches IIa, IIb, 12, 12b, 13a and 13b of the inverter 10 ge ⁇ according to FIG 1.
  • the engine parameters are not changed thereby, since the strand voltages, in particular from a difference of the terminal potentials Uv, Uu and Uw can be determined, remain unchanged.
  • FIG. 4 the time profile of the terminal potentials Uv, Uu and Uw is shown, with the respective lowest of the terminal potentials Uv, Uu and Uw being set to zero or grounded in relation to the curve according to FIG.
  • the corresponding switch IIb, 12b or 13b of the converter 10 remains constant as shown in FIG. So that the winding currents or the winding voltages do not change, the other terminal potentials are adjusted accordingly by a changed timing. This results in the apparent from FIG 4 temporal course. Overall, this reduces the switching operations for driving the electric motor.
  • the difference between the individual Terminal potentials Uv, Uu and Uw remain unchanged with respect to the time profile shown in FIG. Consequently, by controlling the electric motor according to FIG. 4, the engine parameters are not changed. However, the star point potential no longer remains constant over time.
  • the terminal potential Uv is pulled to the low potential, in the time interval t 4 the terminal potential Uw to the high, in the time period t 5 the terminal potential Uu to the low and in the time period t 6 the terminal potential Uv to the high potential or connected.
  • the respective other terminal potentials are adapted by changing the timing, so that the time profile of the phase voltages or the differences of the terminal potentials Uv, Uu and Uw remains unchanged.
  • the terminal potentials Uu, Uv and Uw further reduces the current ripple in the DC intermediate circuit. Consequently, the DC link capacitor can be dimensioned smaller.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

Es werden ein Verfahren zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors mit mehreren Wicklungssträngen (21,22,23) sowie eine hierfür geeignete Schaltungsanordnung (1) angegeben. Da¬ bei wird der zeitliche Verlauf der Klemmenpotentiale (Uu, Uv, Uw) jeweils durch getaktetes Schalten zwischen einem niedrigen und einem hohen elektrischen Potential erzeugt, wobei mindestens eines der Klemmenpotentiale (Uu, Uv, Uw) zeitabschnittsweise variationslos durch Schalten auf eines der elektrischen Potentiale konstant erzeugt wird, und wobei die weiteren Klemmenpotentiale (Uu, Uv, Uw) durch Änderung der Taktung angepasst erzeugt werden. Dabei ist vorgesehen, dass im zeitlichen Verlauf die Klemmenpotentiale (Uu, Uv, Uw) abhängig von der Größe des jeweils zugeordneten Klemmenstoms abwechselnd konstant erzeugt werden. Dadurch werden Schaltverluste verringert.

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen Bestromung eines bürstenlosen Elektromotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestromung eines bürstenlosen Elektromotors mit mehreren Wicklungssträngen, wobei der zeitliche Verlauf der Klemmenpo¬ tentiale jeweils durch getaktetes Schalten zwischen einem niedrigen und einem hohen elektrischen Potential erzeugt wird, wobei mindestens eines der Klemmenpotential zeitab¬ schnittsweise variationslos durch Schalten auf eines der e- lektrischen Potentiale konstant erzeugt wird, und wobei die weiteren Klemmenpotentiale durch Änderung der Taktung ange- passt erzeugt werden. Die Erfindung betrifft weiter eine
Schaltungsanordnung, die für eine derartige Bestromung eines bürstenlosen Elektromotors mit mehreren Wicklungssträngen ausgebildet ist.
Bekanntermaßen werden bürstenlose Elektromotoren durch wechselweises Beschälten der Wicklungsstränge derart angesteuert, dass sich ein rotierendes magnetisches Feld ergibt, welches ein Drehmoment zwischen dem Stator und dem Rotor des Elektromotors hervorruft. Hierzu enthält ein derartiger Elektromotor mindestens zwei, häufig drei Wicklungsstränge, die zueinander um einen Winkel versetzt bezüglich der Rotorachse angeordnet sind. Die Spulen und damit das rotierende magnetische Feld sind häufig dem Stator des Elektromotors zugeordnet, während der Rotor einen Permanentmagneten umfasst.
Zur Erzeugung des rotierenden magnetischen Feldes ist ein bestimmter zeitlicher Verlauf der an den Klemmen der Wicklungsstränge anliegenden Klemmenpotentiale erforderlich. Hierfür werden Umrichter verwendet, die intelligent zwischen einem niedrigen und einem hohen elektrischen Potential eines
Gleichspannungskreises oder Zwischenkreises schalten, wodurch die gewünschten Klemmenpotentiale und die zum Antrieb des E- lektromotors notwendigen Ströme in den Wicklungssträngen erzeugt werden. Dabei ist jeder Zuleitung zu einer Klemme bzw. zu einem Wicklungsstrang des Elektromotors ein Paar von Schaltern, insbesondere Transistoren z.B. MOSFET 's, oder Hochleistungshalbleitern z.B. IGBT" s zugeordnet, die ein Umschalten zwischen den beiden Potentialen des Gleichspannungskreises erlauben. Auf diese Weise wird der zeitliche Verlauf der Klemmenpotentiale jeweils durch getaktetes Schalten zwi¬ schen einem niedrigen und einem hohen elektrischen Potential erzeugt.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art zur kontinuierlichen Bestromung eines bürstenlosen Elektromotors mit mehreren Wicklungssträngen ist aus der Dissertation „Mikrorechner für die vollständig digitale Regelung von Permanentmagnet- Synchronservomotoren", Hans-Christian Reuss, Technische Universität Berlin, 1989, bekannt. Dort wird, ausgehend von ei¬ ner kontinuierlichen sinusförmigen Bestromung, für einen bürstenlosen Elektromotor mit drei Wicklungssträngen in Sternschaltung ein Verfahren beschrieben, bei dem unter Variation des Sternpunktpotentials jeweils das Klemmenpotential mit dem jeweils geringsten Wert dem Nullpotential zugeordnet wird.
Hierdurch werden die notwenigen Schaltwechsel zwischen dem hohen und dem niedrigen Potential des Gleichspannungskreises reduziert, da in dem Wicklungsstrang mit dem jeweils nied¬ rigsten Klemmenpotential die Schaltvorgänge entfallen. Auf diese Weise können gegenüber einer herkömmlichen Steuerung mit einem symmetrischen Verlauf der Klemmenpotentiale höhere Strangspannungen, das heißt über einem Wicklungsstrang abfallende Spannungen, aus der Potentialdifferenz des Gleichspannungskreises generiert werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestromung eines bürstenlosen Elektromotors der eingangs genannten Art derart weiter zu entwickeln, dass die Schalt- Verluste vermindert werden können. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geeignete Schaltungsanordnung anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im zeitli¬ chen Verlauf die Klemmenpotentiale abhängig von der Größe des jeweils zugeordneten Klemmenstroms abwechselnd konstant er¬ zeugt werden.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Erkenntnis aus, dass während der Steuerung des bürstenlosen E- lektromotors im Umrichter Schaltverluste auftreten. Wird bei¬ spielsweise ein MOSFET ausgeschaltet, so geht dieser nicht schlagartig, sondern kontinuierlich in einen hochohmigen Zustand über. Durch Induktivitäten getrieben fließt der Strom in annähernd konstanter Höhe weiter. Es entsteht Verlustleis¬ tung. Ebenso entsteht Verlustleistung, wenn die abfallende Spannung so weit ansteigt, dass ein Strom über eine Freilauf- diode fließt. Insgesamt entsteht im Umrichter pro Schaltvor¬ gang eine Verlustenergie, die proportional zum Strom ist. Da¬ bei ist der Proportionalitätsfaktor im Wesentlichen abhängig von der Schaltgeschwindigkeit und der Zwischenkreisspannung. Die Schaltverluste haben eine Verringerung des Wirkungsgrades und eine erhöhte Eigenerwärmung zur Folge. Dies ist insbeson¬ dere dann von Nachteil, wenn der bürstenlose Elektromotor in einer heißen Umgebung, wie beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, eingesetzt ist. Zudem verursacht das Schalten Transienten mit hohen Frequenzanteilen, die sich negativ auf die elektromagnetische Verträglichkeit auswirken.
In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass das Potential für die Leistung des Elektromo¬ tors nicht relevant ist. Der Elektromotor wird unabhängig von dem eingestellten absoluten Potential dieselbe Leistung oder Drehgeschwindigkeit bringen, solange die Strangspannungen o- der die Potentialdifferenzen zwischen den Klemmen beibehalten werden. Bleiben die Strangspannungen unverändert, so fließen die gleichen Motorströme, so dass das Drehmoment und der Wir¬ kungsgrad des Elektromotors unverändert gleich bleibt. Die Klemmenpotentiale können daher ohne Beeinflussung auf die Mo- torkenngrößen verändert werden, solange die Strangspannungen oder die Potentialdifferenzen zwischen den Klemmen beibehalten werden.
Durch die gezielte Auswahl des konstant zu erzeugenden Klem- menpotentials in Abhängigkeit von dem zugeordneten Klemmenstrom, d.h. demjenigen Strom, der durch die entsprechende Motorklemme fließt, wird somit ohne Beeinflussung der Kenngrö¬ ßen des Elektromotors eine weitere Verringerung der Schalt¬ verluste ermöglicht. Es wird jeweils dasjenige Klemmenpoten- tial konstant erzeugt, dem der jeweils größte Klemmenstrom zugeordnet ist. Da die durch Schaltvorgänge verursachte Ver¬ lustenergie proportional zum Strom ist, wird hierdurch eine Minimierung der Verlustenergie insgesamt erzielt. Dabei kann der Klemmenstrom entweder gemessen, aus anderen elektrischen Größen, wie beispielsweise der Strangspannung, abgeleitet o- der theoretisch vermutet werden.
Neben der Möglichkeit zur Verringerung der Verlustleistung bietet die Erfindung weiter den Vorteil, dass sich der Wech- selstromanteil im Gleichspannungskreis verringert. Ein zur Glättung eingesetzter Zwischenkreiskondensator kann daher kleiner dimensioniert werden, was kostengünstig ist. Da die Stromwelligkeit im Gleichspannungskreis verringert ist, wir¬ ken sich auch vorhandene Leistungsstörer nicht mehr so stark aus.
Die Anpassung der weiteren Klemmenpotentiale kann entspre¬ chend vorgegebener Strangspannungsverläufe oder vorgegebener Klemmen- oder Strangstromverläufe vorgenommen werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird, ausgehend von einer Variation der Taktung aller Klemmenpotentiale, jeweils das zugeordnete Regelpotential bestimmt, und das kon¬ stant erzeugte Klemmenpotential jeweils auf das dem entspre- chenden Regelpotential nächstliegende Potential geschaltet. Dabei wird unter dem Regelpotential dasjenige Potential ver¬ standen, welches bei vorgegebener Taktung des Wechsels zwischen hohem und niedrigem Potential aller Klemmenpotentiale entsprechend einem vorgegebenen Stromverlauf einzustellen wä- re . Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die übrigen Klemmenpotentiale bei optimaler Ausnutzung der Zwischenkreis- spannung durch veränderte Taktung zum Erhalt der Strangspannungen erzeugt werden können.
Zweckmäßigerweise wird jeweils das Klemmenpotential mit dem höchsten oder niedrigsten Wert des entsprechenden Regelpotentials konstant erzeugt. Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass in erster Näherung durch diejenige Motorwicklung der größte Motorstrom fließt, an welcher das be- tragsmäßig größte Klemmenpotential anliegt. Die Schaltverlus¬ te werden daher dann minimiert, wenn ausgehend von einer Variation der Taktung aller Klemmenpotentiale mit gleichem zeitlichen Verlauf der Strangspannungen das Klemmenpotential konstant erzeugt wird, welches zeitabschnittsweise das größte oder niedrigste entsprechende Regelpotential aufweisen würde. Hierdurch wird ohne direkte Messung des Klemmenstroms eine Verringerung der Schaltverluste gegenüber dem Stand der Technik erzielt .
Vorteilhaft wird, ausgehend von dem zugeordneten höchsten o- der niedrigsten Regelpotential, das Klemmenpotential konstant erzeugt, dem der höchste tatsächliche Klemmenstrom zugeordnet ist. Die Entscheidung, welches Klemmenpotential konstant er¬ zeugt wird, hängt dabei von dem tatsächlichen Klemmenstrom ab. Insofern kann die Verlustleistung weiter reduziert werden . Vorteilhafterweise wird der zeitliche Verlauf der Klemmenpo¬ tentiale jeweils mittels Pulsweitenmodulation erzeugt. Bei der Pulsweitenmodulation (abgekürzt: PWM) wird die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei fester Grundfrequenz variiert. Über die Dauer der Einschaltzeit kann dabei für ei¬ nen induktiven Verbraucher die im Mittel anliegende Spannung variiert werden. Ist das Rechtecksignal beispielsweise nur die Hälfte der gesamt zur Verfügung stehenden Zeit einge¬ schaltet, so sieht der Verbraucher im Mittel nur die Hälfte der während der Einschaltzeit anliegenden Spannung. Zur Erzeugung des zeitlichen Verlaufs der Klemmenpotentiale werden während eines PWM-Taktes die unterschiedlichen Schaltzustände eines entsprechenden Umschaltemittels zum Schalten zwischen dem niedrigen und dem hohen elektrischen Potential des Gleichspannungskreises unterschiedlich lange beibehalten.
Zur Ansteuerung des Elektromotors kann beispielsweise auf ei¬ nen PMW-Umrichter zurückgegriffen werden. Im Falle der Ansteuerung eines üblichen, drei Wicklungsstränge aufweisenden Elektromotors weist der benötigte Umrichter bei einer übli¬ chen Steuerung für jede der drei Zuleitungen jeweils zwei Schalter oder Transistoren auf, die die Zuleitung abwechselnd zwischen den beiden Potentialen eines Gleichspannungskreises hin- und herschalten. Da im zeitlichen Verlauf der Klemmenpo- tentiale jeweils mindestens eines der Klemmenpotentiale für einen Zeitabschnitt konstant gehalten wird, kann zur Ansteue¬ rung des PWM-Umrichters auf einen Mikrokontroller zurückge¬ griffen werden, der weniger PWM-Ausgänge aufweist. So ist beispielsweise für einen drei Wicklungsstränge aufweisenden Elektromotor bei einer herkömmlichen Ansteuerung ein Mikrokontroller erforderlich, der wenigstens drei PWM-Ausgänge aufweist. Wird der Elektromotor wie vorbeschrieben angesteuert, so wird nur ein Mikrokontroller benötigt, der zwei PWM- Ausgänge aufweist. Insgesamt werden hierdurch die Kosten für die benötigten Bauteile gesenkt. Die Erfindung ist nicht eingeschränkt auf bestimmte Zeitver¬ läufe der Klemmenpotentiale. Insbesondere können die zeitli¬ chen Verläufe der Klemmenpotentiale auch trapez- oder drei- eckförmig sein. Vorteilhafterweise sind die Klemmenpotentiale über der Zeit jedoch jeweils sinusförmig erzeugt. Dies erlaubt eine Optimierung des Wirkungsgrades eines bürstenlosen Elektromotors. Bei einem drei Wicklungsstränge aufweisenden Elektromotor sind dabei die sinusförmigen Klemmenpotentiale jeweils um 120° phasenverschoben. Hierdurch wird das benötig- te magnetische Drehfeld erzeugt.
Die zweitgenannte Aufgabe wird durch eine Schaltungsanord¬ nung, die einen Gleichspannungszwischenkreis und eine in den Gleichspannungszwischenkreis zwischen einer Zuleitung und ei- ner Rückleitung geschalteten, jeweils an die Klemmen der
Wicklungsstränge des Elektromotors anschließbare, Umschalte¬ mittel enthaltende Speiseschaltung umfasst, wobei die Um¬ schaltemittel zur getakteten Schaltung der Klemmen zwischen Zuleitung und Rückleitung vorgesehen sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Umschaltemittel entsprechend dem vorgenannten Verfahren aus¬ gebildet ist.
Vorteilhafterweise ist hierbei die Speiseschaltung zur PuIs- weitenmodulation der Klemmenpotentiale ausgelegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 schematisch eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors,
FIG 2 schematisch eine Sternschaltung von drei Wicklungssträngen eines Elektromotors,
FIG 3 einen sinusförmigen Verlauf der Klemmenpotentiale eines Elektromotors mit drei Wicklungssträngen,
FIG 4 einen Verlauf der Klemmenpotentiale für einen E- lektromotor mit drei Wicklungssträngen, wobei je- weils eines der Klemmenpotentiale auf niedriges Po¬ tential gezogen ist und FIG 5 einen Verlauf der Klemmenpotentiale für einen E- lektromotor mit drei Wicklungssträngen, wobei die Klemmenpotentiale jeweils abwechselnd für einen vorgegebenen Zeitabschnitt auf das niedrige oder das hohe Potential eines Gleichspannungszwischenkreises konstant gelegt sind.
In FIG 1 ist schematisch eine Schaltungsanordnung 1 zur Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors mit drei Wicklungssträngen dargestellt. Die Schaltungsanordnung 1 umfasst einen beispielsweise von einem Kondensator gespeisten Gleichspannungszwischenkreis 3 mit einer Zuleitung 5 und mit einer Rückleitung 6. Dabei liegt die Zuleitung 5 auf einem hohen Potential (HIGH) und die Rückleitung 6 auf einem niedrigen Potential (LOW), nämlich Masse. Um die Stromwelligkeit in der Zuleitung 5 möglichst gering und die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises 3 möglichst konstant zu halten, ist im Gleichspannungszwischenkreis 3 ein Kondensator 7 und eine In¬ duktivität 8 eingeschaltet. Zwischen die Zuleitung 5 und die Rückleitung 6 des Gleichspannungszwischenkreises 3 ist ein Umrichter 10 zum getakteten Schalten zwischen dem niedrigen und dem hohen elektrischen Potential geschaltet.
Zum Erzeugen der Klemmenpotentiale für die Wicklungsstränge des Elektromotors weist der Umrichter 10 jeweils Paare von als Transistoren, insbesondere als MOSFET' s, ausgebildeten Schaltern IIa, IIb sowie 12a, 12b und 13a, 13b auf. Jeder ein- zelne dieser Schalter 111, IIb, 12a, 12b, 13a, 13b ist mit gegen die Stromrichtung gerichteten Freilaufdioden 15 überbrückt. Zwischen den Schalterpaaren IIa, IIb sowie 12a, 12b und 13a, 13b sind jeweils eine erste Zuleitung 16, eine zweite Zulei¬ tung 17 bzw. eine dritte Zuleitung 18 eingeschaltet. Diese Zuleitungen 16,17,18 sind im Betrieb mit den Klemmen des E- lektromotors verbunden. Die Wicklungsstränge des Elektromo¬ tors sind hierbei insbesondere sternförmig geschaltet. Zum getakteten Schalten der Klemmen zwischen Zuleitung 5 und Rückleitung 6 und somit zwischen dem hohen und dem niedrigen Potential des Gleichspannungszwischenkreises 3 werden die Schalter IIa, IIb sowie 12a, 12b und 13a, 13b abwechselnd geöff¬ net und geschaltet. Sind die Schalter IIa, 12a und 13a ge¬ schlossen, so liegen die entsprechenden Motorklemmen über die Zuleitungen 16,17 bzw. 18 auf dem hohen Potential der Zuleitung 5. Dabei sind die Schalter IIb, 12b und 13b geöffnet. Sind umgekehrt die Schalter IIb, 12b und 13b geschlossen und die Schalter IIa, 12a und 13a geöffnet, so liegen die Motor¬ klemmen über die entsprechenden Zuleitungen 16,17 bzw. 18 auf dem niedrigen Potential der Rückleitung 6. Mit den insgesamt sechs Schaltern IIa, IIb, 12a, 12b, 13a und 13b lassen sich ins- gesamt acht Schaltungszustände erreichen, in denen jede der
Klemmen des Elektromotors entweder auf dem hohen oder auf dem niedrigen Potential liegt. Bei sechs dieser Schaltungszustände liegt jeweils eine der Klemmen des Motors gegenüber den anderen beiden Klemmen auf anderem Potential.
Durch eine getaktete Variation der Schaltungszustände kann der gewünschte zeitliche Verlauf der Klemmenpotentiale zur Ansteuerung des Elektromotors erzeugt werden, so dass sich der Rotor des Elektromotors dreht. Für die Ansteuerung des Umrichters 10 wird eine Steuereinheit 19 in Gestalt eines Mikrokontrollers verwendet, der PWM-Ausgänge aufweist, die als PWM-Signal ein das jeweils gewünschte Tastverhältnis zwi¬ schen Ein- und Ausschaltzeit repräsentierendes Signal ausge¬ ben. Mit diesem PWM-Signal werden innerhalb eines vorgegebe- nen PWM-Taktes jeweils die Schalter IIa, IIb, 12a, 12b, 13a und 13b zur Erzeugung des gewünschten zeitlichen Verlaufes der Klemmenpotentiale beaufschlagt. Bei geschickter Ausnutzung der PWM-Ausgänge des Mikrokontrollers wird zur Ansteuerung eines Elektromotors mit n Wicklungssträngen mindestens ein Mikrokontroller benötigt, der n PWM-Ausgänge aufweist. Bei Ansteuerung gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren kann ein PWM-Ausgang für den Mikrokontroller entfallen. So ist bei- spielsweise für einen Elektromotor mit drei Wicklungssträngen nur ein Mikrokontroller erforderlich, der zwei PWM-Ausgänge aufweist. Dies liegt daran, dass während einer Umdrehung des Rotors des Elektromotors stets eines der Klemmenpotentiale für einen gewissen Zeitabschnitt konstant gehalten ist. Während dieses Zeitabschnittes ist keine PWM-Ansteuerung erfor¬ derlich .
In FIG 2 ist schematisch eine Sternschaltung 20 für einen E- lektromotor mit drei Wicklungssträngen 21,22 und 23 dargestellt. Durch die Sternschaltung weist der Elektromotor folglich eine erste, zweite und dritte Klemme 25,26 bzw. 27 auf, an welche zur Ansteuerung jeweils ein Klemmenpotential an¬ liegt .
Die Motorwicklungen 21,22 und 23 eines so genannten dreiphasigen Elektromotors werden allgemein auch mit den Buchstaben U, V und W bezeichnet. Entsprechend liegen an den Klem¬ men 25,26 und 27 die Klemmenpotentiale Uu, Uv bzw. Uw an. Im Sternpunkt entsteht die so genannte Sternspannung Us. An den einzelnen Wicklungssträngen 21,22 und 23 fällt als Differenz zwischen dem Potential des Sternpunkts und der jeweiligen Klemmen 25,26 bzw. 27 jeweils eine Strangspannung Usu, Usv bzw. Usw ab. Zwischen den Klemmen 25,26 und 27 ergibt sich als Differenz der Klemmenpotentiale jeweils eine Differenz¬ spannung Uvu, Uwv bzw. Uuw . Die Differenzspannungen Uvu,Uwv und Uuw stellen auch ein Maß für die jeweiligen Strangspannungen Usu, Usv bzw. Usw dar. Mit anderen Worten kann durch Differenzbildung aus den Klemmenpotentialen Uu, Uv und Uw auch auf die Strangspannungen Usu, Usv bzw. Usw geschlossen werden.
In FIG 3 ist der zeitliche Verlauf der Klemmenpotentiale Uv, Uu und Uw für die Klemmen eines dreiphasigen bürstenlosen Elektromotors dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate der Wert des Potentials U in Pro¬ zent des hohen Potentials des Gleichspannungszwischenkreises 3 gemäß FIG 1 aufgetragen. Die drei Klemmenpotentiale Uv, Uu und Uw weisen jeweils einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf auf, und sind jeweils um 120° zueinander phasenversetzt. Durch eine derartige Ansteue- rung ergibt sich in den Motorwicklungen jeweils ein kontinuierlicher sinusförmiger Strom.
Bei einer regulären Ansteuerung eines dreiphasigen Elektromotors bewegen sich die Amplituden der Klemmenpotentiale Uv, Uu und Uw um einen Wert von 50% des hohen Potentials. Mit ande¬ ren Worten wird sich bei einer herkömmlichen Ansteuerung in einem Elektromotor mit einer Sternschaltung gemäß FIG 2 im Sternpunkt ein mittleres Potential von 50% des hohen Potenti¬ als bzw. gegenüber Masse eine entsprechende Spannung einstel- len. Das Sternpunktpotential bleibt hierbei über die Zeit konstant .
Im dargestellten Fall ist das Sternpunktpotential auf 40% ab¬ gesenkt. Dies geschieht durch entsprechend geänderte Taktung der Schalter IIa, IIb, 12, 12b, 13a und 13b des Umrichters 10 ge¬ mäß FIG 1. Die Motorkenngrößen werden hierdurch nicht verändert, da die Strangspannungen, die sich insbesondere auch aus einer Differenz der Klemmenpotentiale Uv, Uu und Uw ermitteln lassen, unverändert bleiben.
In FIG 4 ist der zeitliche Verlauf der Klemmenpotentiale Uv, Uu und Uw dargestellt, wobei gegenüber dem Verlauf gemäß FIG 3 das jeweils niedrigste der Klemmenpotentiale Uv, Uu und Uw auf das Potential null bzw. auf Masse gelegt ist. Hierbei bleibt der entsprechende Schalter IIb, 12b bzw. 13b des Umrichters 10 gemäß FIG 1 konstant geschlossen. Damit sich die Wicklungsströme bzw. die Wicklungsspannungen nicht ändern, sind die jeweils anderen Klemmenpotentiale durch eine geänderte Taktung entsprechend angepasst. Hierdurch ergibt sich der aus FIG 4 ersichtliche zeitliche Verlauf. Insgesamt werden hierdurch die Schaltvorgänge zur Ansteuerung des E- lektromotors verringert. Die Differenz zwischen den einzelnen Klemmenpotentialen Uv, Uu und Uw bleiben gegenüber dem in FIG 3 dargestellten zeitlichen Verlauf unverändert. Folglich werden durch eine Ansteuerung des Elektromotors gemäß FIG 4 die Motorkenngrößen nicht verändert. Allerdings bleibt das Stern- punktpotential zeitlich nicht mehr konstant.
In FIG 5 ist nun wiederum der zeitliche Verlauf der Klemmenpotentiale Uu, Uw und Uv dargestellt, wobei zur Minimierung der Schaltverluste im zeitlichen Verlauf jeweils dasjenige Klemmenpotential auf das niedrige oder das hohe elektrische Potential des Gleichspannungszwischenkreises gemäß FIG 1 ge¬ schaltet wird, welches bei einer Variation der Taktung aller Klemmenpotentiale Uu, Uv und Uw mit gleichem zeitlichen Verlauf der Strangspannungen das jeweils höchste oder niedrigste Regelpotential aufweist, welches den Klemmenpotentialen Uu, Uv, Uw gemäß FIG 3 entnommen werden kann.
Im wirklichkeitsnahen Fall liegt an demjenigen Wicklungsstrang mit dem betragsmäßig größten Wicklungsstrom entweder das höchste oder das niedrigste Klemmenpotential an. Theore¬ tisch ergibt sich bei einer Ansteuerung des Elektromotors ge¬ mäß FIG 5 eine Verringerung der Schaltverluste gegenüber ei¬ ner herkömmlichen Ansteuerung um 50%. Im ungünstigsten Fall einer Stromverteilung ergibt sich eine Verringerung der Schaltverluste um mindestens 25% gegenüber einer herkömmli¬ chen Ansteuerung.
Vergleicht man FIG 5 mit FIG 3, so wird der in FIG 5 darge¬ stellte zeitliche Verlauf der Klemmenpotentiale Uu, Uv und Uw ersichtlich. Im Zeitabschnitt ti hat das Regelpotential Uw entsprechend FIG 3 den geringsten Wert. Das nächstliegende Potential ist das niedrige Potential Masse. Folglich wird hier das Klemmenpotential Uw auf das niedrige Potential Masse gezogen. Im Zeitabschnitt t2 hat das Regelpotential Uu gemäß FIG 3 den höchsten Wert. Das nächstliegende Potential ist das hohe Potential. Folglich wird das Klemmenpotential Uu für den Zeitabschnitt t2 auf das hohe Potential geschaltet. Entspre- chend wird in dem Zeitabschnitt t3 das Klemmenpotential Uv auf das niedrige, im Zeitabschnitt t4 das Klemmenpotential Uw auf das hohe, im Zeitabschnitt t5 das Klemmenpotential Uu auf das niedrige und im Zeitabschnitt t6 das Klemmenpotential Uv auf das hohe Potential gezogen bzw. geschaltet. Die jeweils anderen Klemmenpotentiale werden durch geänderte Taktung an- gepasst, so dass der zeitliche Verlauf der Strangspannungen bzw. der Differenzen der Klemmenpotentiale Uv, Uu und Uw unverändert bleibt.
Bei einer Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors mit drei Wicklungssträngen mit dem in FIG 5 dargestellten zeitlichen Verlauf der Klemmenpotentiale Uu, Uv und Uw verringert sich weiter die Stromwelligkeit im Gleichspannungszwischen- kreis. Folglich kann der Zwischenkreiskondensator geringer dimensioniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur kontinuierlichen Bestromung eines bürstenlosen Elektromotors mit mehreren Wicklungssträngen (21,22,23), wobei der zeitliche Verlauf der Klemmenpotentiale (Uu, Uv, Uw) jeweils durch getaktetes Schalten zwischen einem niedrigen und einem hohen elektrischen Potential erzeugt wird, wobei mindestens eines der Klemmenpotentiale (Uu, Uv, Uw) zeitabschnittsweise variationslos durch Schalten auf eines der elektrischen Potentiale konstant erzeugt wird, und wobei die weiteren Klemmenpotentiale (Uu, Uv, Uw) durch Änderung der Taktung angepasst erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass im zeitlichen Verlauf die Klem¬ menpotentiale (Uu, Uv, Uw) abhängig von der Größe des jeweils zugeordneten Klemmenstroms abwechselnd konstant erzeugt wer¬ den, und dass jeweils dasjenige Klemmenpotential (Uu, Uv, Uw) konstant erzeugt wird, dem der jeweils größte Klemmenstrom zugeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einer Variation der Taktung aller Klemmenpotentiale (Uu, Uv, Uw) jeweils das Regelpotential bestimmt wird, und dass das konstant erzeugte Klemmenpotential (Uu, Uv, Uw) jeweils auf das dem entsprechen- den Regelpotential nächstliegende Potential geschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils das Klemmenpotential (Uu, Uv, Uw) mit dem höchsten oder niedrigsten Wert des ent- sprechenden Regelpotentials konstant erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem zugeordneten höchsten oder niedrigsten Regelpotential das Klemmenpotential (Uu, Uv, Uw) konstant erzeugt wird, dem der höchste Klemmen¬ strom zugeordnet ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Klem¬ menpotentiale (Uu, Uv, Uw) jeweils mittels Pulsweitenmodulati¬ on erzeugt wird.
6. Schaltungsanordnung (1) zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors mit mehreren Wicklungssträngen (21, 22, 23), mit einem Gleichspannungszwischenkreis (3) und mit einer in den Gleichspannungszwischenkreis (3) zwischen einer Zuleitung (5) und einer Rückleitung (6) geschalteten, jeweils an die
Klemmen (25,26,27) der Wicklungsstränge (21,22,23) des Elekt¬ romotors anschließbaren, Umschaltemittel enthaltenden Speise¬ schaltung, wobei die Umschaltemittel zur getakteten Schaltung der Klemmen (25,26,27) zwischen Zuleitung (5) und Rückleitung (6) vorgesehen sind, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (19) zur Ansteuerung der Umschaltemittel entsprechend dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
7. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseschaltung zur Pulswei¬ tenmodulation der Klemmenpotentiale ausgelegt ist.
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