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Dokumentenidentifikation DE69932202T2 14.06.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000955722
Titel Verfahren zum PWM Antrieb eines bürstenlosen Motors mit digital gespeicherten Spannungsprofilen und reduzierten Verlusten
Anmelder STMicroelectronics S.r.l., Agrate Brianza, Mailand/Milano, IT
Erfinder Galbiati, Ezio, 26020 Agnadello, IT;
Boscolo, Michele, 30019 Sottomarina, IT;
Viti, Marco, 20099 Sesto San Giovanni, IT
Vertreter Boeters & Lieck, 80331 München
DE-Aktenzeichen 69932202
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.02.1999
EP-Aktenzeichen 992004655
EP-Offenlegungsdatum 10.11.1999
EP date of grant 05.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.06.2007
IPC-Hauptklasse H02P 6/08(2006.01)A, F, I, 20051224, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H02P 6/14(2006.01)A, L, I, 20051224, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Anwendung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Techniken zum Betreiben eines elektronisch geschalteten Gleichstrommotors, der üblicherweise als bürstenloser Motor bekannt ist.

Hintergrund der Erfindung

Üblicherweise wird dieser Typ Motor betrieben, indem die Phasenwicklungen des Motors synchron mit der augenblicklichen Position des Rotors erregt werden. Genauer gesagt geschieht dies, indem sequentiell zwei der Wicklungen des Motors mit positiven bzw. negativen Spannungen erregt werden, wobei die dritte Phasenwicklung in einem hochohmigen Zustand gelassen wird. Wenn ein „sensorloser" bürstenloser Motor betrieben wird, wird die nicht erregte Phasenwicklung zur Ermittlung der Position des Rotors genutzt.

Gemäß einer neuartigen Antriebstechnik, die in der europäischen Patentanmeldung Nr. 96830180.4, beschrieben und dargestellt wird, die am 29. März 1996 im Namen desselben Anmelders eingereicht wurde, werden an die Phasenwicklungen des Motors sequentiell Erregerspannungen oder Ströme angelegt oder erzwungen. Anstatt einen bestimmten im wesentlichen konstanten Pegel während jeder Umschaltphase aufzuweisen, weisen diese Ströme oder Spannungen vielmehr ein bestimmtes Profil auf, (das heißt sie haben keinen konstanten Wert) das vordefiniert, digitalisiert und in einem Festwertspeicher gespeichert sein kann, wie zum Beispiel einem EPROM oder EEPROM.

Das vordefinierte periodische oder alternierende Profil kann sinusförmig oder allgemeiner das Resultat einer Fourier-Summe von Oberschwingungen einer Grundfrequenz sein.

In der Praxis ermöglicht es diese innovative Antriebstechnik, die Drehmomenteigenschaften des Motors zu optimieren, indem die Festlegung der am besten geeigneten periodischen Wellenform der Erregerspannung oder des Stroms ermöglicht wird, die an die Phasenwicklungen des Motors angelegt oder in ihnen erzwungen wird.

Während jeder Umschaltphase entspricht der Antriebsstrom oder die Spannung keinem bestimmten konstanten Wert, wie es in den herkömmlicheren Antriebssystemen üblich war, sondern entspricht stattdessen einem bestimmten Profil, das mit (einem Abschnitt) der gesamten vordefinierten periodischen oder alternierenden Wellenform übereinstimmt. Mit anderen Worten folgt während jeder Umschaltphase der Antriebssignalpegel der Wicklung präzise einem Segment der vordefinierten Wellenform.

Eine zweite europäische Patentanmeldung Nr. 96830190.3, die am 4. April 1996 im Namen desselben Anmelders eingereicht wurde, beschreibt eine besonders effiziente Technik zum Synchronisieren der Reihenfolge der Erregerphasen bezüglich der Istposition des Rotors, um die Drehmomenteigenschaft eines Antriebssystems zu optimieren, wie jenem der früheren Patentanmeldung Nr. 96830180.4.

Gemäß der Patentanmeldung Nr. 96830295.0 werden in jedem Moment die drei BJT- oder MOS-Halbbrücken, die mit den jeweiligen drei Phasenwicklungen des Motors gekoppelt sind, in einer PWM-Betriebsart betrieben. Wenn der Motor in einer Sternkonfiguration geschaltet ist, wobei CT die Sternmitte und Vcc die Versorgungsspannung ist, nimmt überdies die CT eine Spannung an, die gleich Vcc/2 ist, und daher ist der maximale Spannungshub, der an jeder Wicklung des Motors zur Verfügung steht, auf ±Vcc/2 begrenzt. Gleichzeitig ist der Spannungsdifferenzhub (Phase-Phase) auf begrenzt.

Gegenstand und Zusammenfassung der Erfindung

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Antriebssystem für bürstenlose Mehrphasenmotore, das während allen Umschaltphasen zyklisch eine geeignete Spannung an eine Anzahl von Phasenwicklungen des Motors gemäß einer PWM-Modulation anlegt, während mindestens eine Phasenwicklung entweder in einem Zustand niedriger oder hoher Sättigung gehalten wird (das heißt mit einem Tastverhältnis von jeweils 0% oder 100%).

In einem solchen Antriebssystem, in dem das PWM-Antriebssignal jeweils nur an eine reduzierte Anzahl von Wicklungen angelegt wird, während mindestens eine Wicklung auf einem stabilen Sättigungszustand gehalten wird, ist es eine direkte Folge, daß die Schaltverluste verglichen mit einer Lösung reduziert werden, wo alle Wicklungen gleichzeitig mit einem im wesentlichen von null verschiedenen Spannungssignal betrieben werden. Überdies wird das Antriebssystem als ganzes vereinfacht.

Zusätzlich ermöglicht dieses System einen erhöhten maximalen Spannungshub an den Anschlüssen der Wicklungen.

Erfindungsgemäß wird das effektivste Profil der Antriebswellenform bestimmt, die zur Erzeugung der erforderlichen Spannungsdifferenz an allen Phasenwicklungen an die Anschlüsse der Wicklungen des Motors zyklisch angelegt werden soll.

Während es tatsächlich eine unendliche Anzahl möglicher Funktionen f(t) für die Antriebs- oder Leitungsspannungen (das Signal, das zwischen jedem Anschluß des Motors und Masse angelegt wird) gibt, um eine erwünschte Spannungsdifferenz (Phase-Phase) zu erzeugen, gibt es nur eine Funktion, die die Leistung hinsichtlich der Verlustleistung und des Spannungshubs optimiert.

Es wird im folgenden die Berechnung für den Fall eines Dreiphasenmotors (N = 3) beschrieben, jedoch ist sie auch auf jeden anderen Mehrphasenmotor anwendbar.

In einem solchen einfachen Fall müssen die drei Spannungen, deren Profil jeweils durch f(t) beschrieben wird, mit einer relativen Phasenverschiebung von 120° an die jeweiligen Motorwicklungen angelegt werden, wodurch folglich drei Profile fi(t) gebildet werden, wobei i = 1, 2, 3.

In jedem Moment gibt es immer eines der drei Profile f(t), i = 1, 2, 3, das eine Spannung präsentiert, die in bezug auf Masse niedriger ist als die anderen beiden. Es kann eine Funktion p(t) definiert werden, so daß sie in jedem Moment den niedrigsten der Werte der drei Funktionen fi(i) zu diesem spezifischen Moment annimmt: p(t) = min{f1(t); f2(t); f3(t)}.

Das zyklische Spannungsprofil, das in bezug auf das Massepotential an jeden Phasenwicklungsanschluß angelegt werden soll, ist gegeben durch: gi(t) = fi(t) – p(t) (i = 1, 2, 3)

Entsprechend ist es möglich, eine Funktion p'(t) zu definieren, so daß p'(t) = max{f1(t); f2(t); f3(t)}, aus der neue Profile: g'i(t): g'i(t) = M – p'(t) + fi(t) definiert werden können, wobei M des absolute Maximalwert von f(t) der gesamten Periode ist.

Die so erhaltenen Profile gi(t) und g'i(t) sind die Profile, die erfindungsgemäß an die beiden Phasenwicklungen angelegt werden müssen, die in dieser besonderen Umschaltphase betrieben werden müssen.

Die folgende Beschreibung beschreibt den Fall eines Antriebssystems in der Schaltbetriebsart für einen sterngeschalteten Dreiphasenmotor, wobei f(t) sinusförmig [f(t) = sin(t)] ist. Überdies wird zur Speicherung der digitalisierten Profile beispielhaft die Verwendung von 8 Bit breiten Speicherregistern vorausgesetzt, ungeachtet dessen, daß das System leicht auf die gewünschte Dimensionierung erweitert werden kann.

Im allgemeinen ist die vorliegende Erfindung auf jeden Motor unabhängig von seiner elektrischen Konfiguration anwendbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die verschiedenen Aspekte und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der Architektur und der Arbeitsweise eines Systems der Erfindung gemäß einer Ausführungsform davon und durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch deutlicher, wobei vorausgesetzt wird, daß die Erfindung auf den Fall eines Dreiphasenmotors angewendet wird.

1a stellt einen in Sternkonfiguration geschalteten Dreiphasenmotor dar, der durch die Spannungen Va, Vb, Vc, Vline betrieben wird. In derselben Figur werden außerdem die Phase-Phase-Spannungsdifferenzen (Vca, Vcb, Vba) dargestellt.

1b stellt einen in Delta-Konfiguration geschalteten Dreiphasenmotor dar, der durch die Spannungen Va, Vb, Vc, Vline betrieben wird. In derselben Figur werden außerdem die Phase-Phase-Spannungsdifferenzen (Vca, Vcb, Vba) dargestellt

2 stellt die drei sinusförmigen Leitungsspannungsprofile dar, (wobei sich die Leitungsspannung auf Masse bezieht) die zyklisch an die Dreiphasenwicklungen eines bürstenlosen Motors gemäß des Antriebsverfahrens angelegt werden, das in der früheren Patentanmeldung Nr. 96830295.0 beschrieben wird;

3a stellt drei Spannungsleitungsprofile dar, (wobei sich die Spannung auf Masse bezieht) die zyklisch an die Dreiphasenwicklungen eines bürstenlosen Motors angelegt werden, der erfindungsgemäß betrieben wird, wobei eine der drei Wicklungen in einem Zustand niedriger Sättigung gehalten wird;

3b zeigt die sinusförmige Wellenform der Spannung am Anschluß der Motorphasenwicklung A, die von der Differenz zwischen der Spannungen herrührt, die an diese Wicklung und an die CT angelegt werden, wenn die Profile der 3a an die Dreiphasenwicklungen des in Sternkonfiguration geschalteten Motors angelegt werden.

3c zeigt die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen A und B, die von der Differenz zwischen den Spannungen herrührt, die an die Wicklung A und die Wicklung B angelegt werden, wenn das Profil der 3a an die Dreiphasenwicklungen des Motors angelegt wird.

4a, 4b und 4c stellen die Spannungsprofile der 3 dar, die mit einem Faktor skaliert sind, um die verfügbare Dynamik von 0 bis 255 vollständig auszunutzen, wenn 8-Bit-Speicherregister verwendet werden;

5a und 5b stellen die drei Spannungsprofile, die zyklisch an die Dreiphasenwicklungen eines erfindungsgemäßen bürstenlosen Motors angelegt werden, um eine der drei Wicklungen in einem Zustand hoher Sättigung zu halten, und die sinusförmige Form der Spannungswellenform am Anschluß der Phasenwicklung A des Motors dar, die von der Differenz zwischen den Spannungen herrührt, die an diese Wicklung und die CT des Motors angelegt werden, wenn die drei Profile angelegt werden;

5c zeigt die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen A und B, die von der Differenz zwischen den Spannungen herrührt, die an die Wicklung A und die Wicklung B angelegt werden, wenn die Profile der 5a an die Dreiphasenwicklungen des Motors angelegt werden.

6 ist ein Beispiel eines Blockdiagramms des Systems der Erfindung.

Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung

2 stellt die Spannungsprofile dar, die zum Beispiel gemäß des Antriebssystems, das in der früheren Patentanmeldung Nr. 96830295.0 desselben Anmelders dargestellt wird, zyklisch an die drei Phasenwicklungen (A, B, C) angelegt werden. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird auf sinusförmige Antriebsprofile bezug genommen, obwohl die folgenden Betrachtungen offensichtlich für den allgemeinen Fall von Profilen gültig bleiben, die sich aus einer Fourier-Summe von Oberschwingungen einer Grundphasenschaltfrequenz ergeben.

Die drei digitalisierten Profile werden numerisch durch Abtastwerte dargestellt, deren Wert in der Form eines 8-Bit-Wortes ausgedrückt werden; wobei die Nullspannung der Zahl 127 entspricht, während der positive Spitzenwert und der negative Spitzenwert 255 bzw. 0 entsprechen.

Die Figur zeigt außerdem die Intervalle (X-Y-Z), deren Dauer gleich 120 elektrischen Grad ist, während derer eines der drei Profile niedriger als die anderen beiden ist.

In jedem Moment ist es möglich, eine Phasenwicklung zu ermitteln, an der eine Spannung vorhanden ist, die niedriger als die Spannung ist, die an den anderen beiden vorhanden ist.

Genauer gesagt sind gemäß 2 die Phasen mit einer niedrigeren Spannung während der Intervalle X, Y, Z (jeweils mit einer Dauer, die gleich 120 elektrischen Grad ist), die Phasen C, A bzw. B.

Gemäß des grundlegenden Aspekts der vorliegenden Erfindung wird sich während jeder Umschaltphase mindestens eine Wicklung zyklisch in einem Zustand vollständig niedriger oder hoher Sättigung befinden, während an die anderen N – 1 Wicklungen bestimmte neuberechnete Spannungsprofile angelegt werden, die imstande sind, den Motor effizient zu betreiben. Im dargestellten Beispiel, das sich auf den Fall eines bürstenlosen Dreiphasenmotors bezieht, wird während des X-Intervalls die Phasenwicklung, die sich in einem stabilen Sättigungszustand befindet, die C Wicklung sein, während des Y-Intervalls wird es die A-Wicklung sein, und während des Z-Intervalls wird es die B-Wicklung sein.

Im Fall eines Dreiphasenmotors und unter der Voraussetzung, daß die Phasenwicklungen effektiv mit einer sinusförmigen Wellenform (f(t) = sin(t)) betrieben werden, wird das entsprechend modifizierte Spannungsprofil, das gemäß einer Steuerung in der PWM-Betriebsart an die Anschlüsse der beiden erregten Phasenwicklungen (das heißt zwischen einem Anschluß der Wicklung und Masse) angelegt werden muß, gemäß der folgenden Ausdrücke adäquat neuberechnet: Intervall X: C' = ∅; B' = sin(B) – sin(C); A' = sin(A) – sin(C)(1) Intervall Y: A' = ∅; B' = sin(B) – sin(A); C' = sin(C) – sin(A)(2) Intervall Z: B' = ∅; A' = sin(A) – sin(B); C' = sin(C) – sin(B)(3)

Wenn der Fall eines bürstenlosen Dreiphasenmotors und ein sinusförmiger Typ des effektiven Antriebs (2) betrachtet wird, kann festgestellt werden, daß drei Intervalle vorhanden sind, wobei eine der Spannungen niedriger als die anderen beiden ist.

Natürlich wird es mit einer anderen Anzahl von Phasen des Motors und/oder Antriebsprofilen eine andere Anzahl von Intervallen geben, während derer eine oder mehrere Phasenwicklungen eine Spannung aufweisen, die niedriger als alle anderen ist.

Da die Antriebsspannungsprofile vorzugsweise in einem Speicher gespeichert werden sollten, ist es notwendig, sie in Abfolgen digitaler numerischer Abtastwerte umzuwandeln (Bytes, wenn ein 8-bit-Speicher eingesetzt wird, wie im betrachteten Beispiel) indem sie mit einem Faktor 2n-1 skaliert werden, wobei n die Anzahl der Bits der Daten ist, die im Speicher gespeichert werden sollen.

Natürlich ist die Anzahl der Abtastwerte, um das Spannungsprofil zu digitalisieren, beliebig.

3a bezieht sich auf ein sinusförmiges Dreiphasenantriebssystem und stellt graphisch die erfindungsgemäßen modifizierten Profile in Form ihres digitalen numerischen Werts (Byte) dar. Es ist offensichtlich, daß es immer eine Phase mit niedriger Sättigung (0) gibt, die alle 120 elektrischen Grade gemäß der Abfolge C-A-B umschaltet. Es sollte betont werden, daß alle drei Phasenwicklungen periodisch einen solchen Zustand niedriger Sättigung (0) annehmen, obwohl sich in jedem Moment nur eine von ihnen in diesem Zustand befindet.

Indem diese modifizierten Profile an die Anschlüsse der sternkonfigurierten Wicklungen des bürstenlosen Dreiphasenmotors aller drei Wicklungen zyklisch angelegt werden, der ein symmetrisches System ist, wird das CT-Spannungsprofil statt auf einem konstanten Pegel (Vcc/2) zu bleiben, wie im Fall eines herkömmlichen sinusförmigen Antriebssystems, wie in der Patentanmeldung Nr. 96830295.0 beschrieben, gemäß der Wellenform moduliert, die in 3a dargestellt wird. Die Wellenform der CT entspricht in einem symmetrischen sternkonfigurierten Dreiphasensystem einem Drittel der Summe der drei Spannungen, die an die drei Anschlüsse der Wicklungen des Motors angelegt werden.

Aufgrund einer solchen CT-Spannungsmodulation wird es trotz der Tatsache, daß jede der drei Phasenwicklungen aller drei Wicklungen des Motors zyklisch für 120 elektrische Grad in einem festen Sättigungszustand gehalten wird, (das heißt zwischen dem Wicklungsanschluß und der CT) immer drei sinusförmige Spannungsprofile geben, die um 120 elektrische Grad zueinander phasenverschoben sind.

Was in 3b in Beziehung auf die Spannungsdifferenz zwischen dem Phasenanschluß A und der CT gezeigt wird, trifft auch für die Spannungsdifferenz zwischen der Phase B und der CT und für die Spannungsdifferenz zwischen C und CT zu.

Auch die Spannungsdifferenzen zwischen den drei Anschlüssen des Motors (Phase-Phase) sind sinusförmig, und auch diese drei sinusförmigen Profile sind zueinander um 120 elektrische Grad phasenverschoben, wie in 3c gezeigt.

Wenn man daher die sternkonfigurierten Wicklungen betrachtet, ist der resultierende Spannungshub an der einzelnen Phasenwicklung gleich 256 (±128) (3b). Diese digital ausgedrückte Dynamik ist, wenn sie durch einen Byte-PWM-Wandler in eine analoge Dynamik umgewandelt wird und an eine Halbbrückenausgangsstufe angelegt wird, die mit einer Stromversorgung von 12V arbeitet, einer Dynamik von ±6V äquivalent. Dies ist gleich dem, was mit dem Antriebssystem erhalten wird, das in der früheren Patentanmeldung Nr. 96830295.0 desselben Anmelders definiert wird. Während jedoch im bekannten System eine solche Dynamik durch drei digitale Profile erhalten wird, die von 0 bis 255 reichen, wird gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung dieselbe Dynamik mit digitalen Profilen erhalten, die von 0 bis 222 reichen (3a), wobei immer die Profile betrachtet werden, die in 8-bit-Registern gespeichert sind.

Indem folglich die digitalen Profile der vorliegenden Erfindung mit einem Faktor von etwa 1,14 = 255/222 skaliert werden, ist es möglich, die gesamte verfügbare Dynamik (0-255) auszunutzen, wodurch folglich erreicht wird, daß die äquivalente Differenz zwischen den digitalen Profilen, die an einen Phasenwicklungsanschluß und der CT angelegt werden, gleich ±146 ist. Die Umwandlung dieses digitalen Wertes in den äquivalenten analogen Spannungswert ergibt mit derselben Versorgungsspannung von 12V ±6,84V.

Dieser wird erhalten, da mit den neuen Profilen, die erfindungsgemäß definiert werden, die CT nicht auf einem bestimmten Potential fixiert bleibt, sondern ihr Potential moduliert wird, wie vorhergehend dargestellt.

Die 4a und 4b stellen graphisch dar, was gerade beschrieben wurde. Die neuen Profile werden gespeichert, die die gesamte Dynamik von 0 bis 255 ausnutzen, die durch die 8-Bit-Speicherregister ermöglicht werden, die im gezeigten Beispiel verwendet werden.

Folglich entspricht das gespeicherte Profil dem maximalen Spannungshub, der an die Phasenwicklungen angelegt werden kann.

Was oben erläutert wird, bezieht sich auf einen sternkonfigurierten Dreiphasenmotor, ist jedoch auf jeden anderen Motor anwendbar. Tatsächlich liefert das Spannungsprofil auch hinsichtlich des Spannungsdifferenzhubs die beste Lösung.

Tatsächlich ist der (Phase-Phase) Spannungsdifferenzhub gleich ±6·√3 V, wenn die Lösung verwendet wird, die in der früheren Patentanmeldung Nr. 96830295.0 desselben Anmelders verwendet wird, während sie erfindungsgemäß ±12 V wird.

Sollten die Spannungen moduliert werden, um die Drehzahl des Motors zu steuern, wird es natürlich notwendig sein, die Spannungen zum Beispiel durch einen digitalen Multiplizierer um einen bestimmten Kval-Faktor zu reduzieren, bevor die so skalierten digitalen Werte den Byte-PWM-Wandlern zugeführt werden.

Was bis jetzt für den Fall beschrieben worden ist, in dem eine der drei Phasen während der jeweiligen Intervalle von jeweils 120° in einem Zustand niedriger Sättigung (0) gehalten werden muß, ist auch perfekt auf den Fall anwendbar, in dem eine der drei Phasen in einem Zustand hoher Sättigung (255) gehalten werden muß. Natürlich wird dieser Sättigungszustand der Phasenwicklung auferlegt, die im betreffenden Intervall verglichen mit den anderen beiden Phasenwicklungen die höchste Spannung aufweist.

Diese alternative Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird in den 5a, 5b und 5c graphisch gezeigt, in denen die Profile schon reduziert gezeigt werden, um den oben erläuterten Dynamikzuwachs zu erhalten.

Die Wahl eines Profils mit entweder einer niedrigen oder hohen festen Sättigung kann von der Tatsache abhängen, daß im ersten Fall der Strom in der unteren Vorrichtung der betreffenden Halbbrückenstufe für eine längere Zeitspanne fließt, wohingegen im zweiten Fall der Strom in der oberen Vorrichtung für eine längere Zeitspanne fließt.

Daher ist es möglich zu wählen, welche Vorrichtungen der Antriebshalbbrücken stärker arbeiten sollten. Wenn zum Beispiel die Halbbrücken mit einem PMOS- und NMOS-Paar integriert sind (wobei der PMOS die obere Vorrichtung und NMOS die untere Vorrichtung ist), weist für dieselbe Siliziumintegrationsfläche der PMOS einen Rdson auf, der größer als jener des NMOS ist, daher wird durch Auswahl eines Profils mit niedriger fester Sättigung die untere Vorrichtung der Halbbrücke mehr arbeiten, die aus einem NMOS mit niedrigem Kanalwiderstand hergestellt ist, wodurch die Nettoleistung reduziert wird, die in der integrierten Schaltung verbraucht wird, wobei die verbrauchte Leistung vom MOS-Transistorwiderstand und vom Quadrat des Stroms abhängt.

6 zeigt ein Beispiel eines vollständigen Blockdiagramms eines Antriebssystems eines bürstenlosen Motors, das die vorliegende Erfindung ausführt.

Der Block MEMOR repräsentiert einen Speicher (RAM, ROM, EPROM, ...), in dem gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung die Abtastwerte der digitalen Profile gespeichert werden.

Der Block MUL repräsentiert einen digitalen Multiplizierer, der für die Reduzierung jedes der drei Abtastwerte (Bytes), die aus dem Speicher gelesen werden, um einen Faktor sorgt, der im Register Kval enthalten ist.

Der Block BYTE-to-PWM führt eine PWM-Umwandlung der drei Abtastwerte durch, die durch den vorhergehenden Block geeignet skaliert werden. Die drei Ausgangs-PWM-Signale dieses Blocks werden den Eingängen der drei Halbrückenstufen zugeführt, die aus dem Leistungs-BJT oder MOS (Q1, ..., Q6) bestehen, die für die notwendige Leistungsverstärkung sorgen.

Jeder Ausgangsknoten der drei Halbbrücken ist mit dem Anschluß einer jeweiligen Phasenwicklung des betriebenen bürstenlosen Motors verbunden.

Während einer Umschaltphase wird einer der drei digitalen Werte am Eingang des Wandlerblocks gleich „0" sein, und das entsprechende PWM-Ausgangssignal wird ein Tastverhältnis von 0% aufweisen, wobei ein Zustand niedriger Sättigung der jeweiligen Halbbrücke ausgeführt wird.

Alternativ wird während einer Umschaltphase einer der drei digitalen Werte am Eingang des Wandlerblocks gleich „255" sein, und das entsprechende PWM-Ausgangssignal wird ein Tastverhältnis von 100% aufweisen, wobei ein Zustand hoher Sättigung der jeweiligen Halbbrücke ausgeführt wird.

Der Block BEMF DET ermittelt die augenblickliche Position des Rotors, was eine korrekte Synchronisation zwischen den Umschaltungen der Spannung, die an die drei Phasen angelegt wird, mit der Position des Rotors ermöglicht.

Der Block FREQ MUL multipliziert die Frequenz, die aus dem Block BEMF DET herrührt, mit einem Faktor, der gleich der Anzahl der Abtastwerte ist, mit denen das im Speicher enthaltende Spannungsprofil digitalisiert wird. Eine solche multiplizierte Frequenz wird als der Takt zum Abfragen der Speicherregister verwendet.

Das Register TORQUE OPTIM enthält die Startadresse, an der das Abfragen des Profils, das im Speicher gespeichert ist, bei der nächsten Nulldurchgangaussage der gegenelektromotorischen Kraft (BEMF) starten muß.

Der Inhalt der Register TORQUE OPTIM und Kval kann durch einen seriellen Anschluß geladen werden, wie in der Figur durch den Block SERIAL PORT schematisch dargestellt wird.

Das hierin beschriebene System beruht auf der Tatsache, daß wenn entschieden wird, die Wicklungen effektiv mit sinusförmigen Spannungsprofilen zu betreiben, alle 120 elektrische Grad eine der drei Phasenwicklungen abwechselnd entweder in einem Zustand mit einer niedrigen oder einer hohen Sättigung vorgespannt wird. Dies bedeutet, daß wenn aus der Speicherabfrage eine Abtastwertabfolge hervorgeht, die einen Abschnitt des neuberechneten zyklischen Profils entspricht, das einer niedrigen oder hohen Sättigung entspricht (falls hoch, wird der Profilabschnitt Abtastwerte mit einem konstanten Wert von „255" aufweisen, wohingegen falls niedrig, der Profilabschnitt Abtastwerte mit einem konstanten Wert von „0" aufweisen wird, für den Fall eines 8-Bit-Speichers), in der Halbbrücke, die die besondere Phasenwicklung steuert, der untere oder obere Transistor eingeschaltet gelassen wird (für eine niedrige bzw. eine hohe Sättigung), und der komplementäre Transistor derselben Halbbrücke ausgeschaltet gelassen wird. Gleichzeitig schalten die anderen beiden Halbbrücken mit der PWM-Frequenz mit einem Tastverhältnis, das dem Wert der Abtastwerte entspricht, die sequentiell aus dem Speicher gelesen werden, nachdem sie mit dem Kval-Faktor skaliert werden.

Für den Fall eines festen Zustands niedriger Sättigung:

  • • wenn sich Phase A in dem Sättigungszustand befindet, wird der Transistor Q2 eingeschaltet gelassen und Q1 ist aus, während Q3, Q4, Q5 und Q6 kontinuierlich zwischen 0 und Vcc umschalten.
  • • wenn sich Phase B in dem Sättigungszustand befindet, wird der Transistor Q4 eingeschaltet gelassen und Q3 ist aus, während Q1, Q2, Q5 und Q6 kontinuierlich zwischen 0 und Vcc umschalten.
  • • wenn sich Phase C in dem Sättigungszustand befindet, wird der Transistor Q6 eingeschaltet gelassen und Q5 ist aus, während Q1, Q2, Q3 und Q4 kontinuierlich zwischen 0 und Vcc umschalten.


Anspruch[de]
Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Mehrphasenmotors mit N Wicklungen, wobei alle N Wicklungen gemäß eines bestimmten periodischen Spannungsprofils betrieben werden, das als die Spannung vorgesehen ist, die an jeder Wicklung vorhanden ist, gekennzeichnet durch:

zyklisches Halten für ein bestimmtes Zeitintervall mindestens einer der N Wicklungen in einem festen Zustand niedriger oder hoher Sättigung, während an die anderen Phasenwicklungen momentan Spannungen gemäß eines vordefinierten periodischen Profils angelegt werden, das sich von dem bestimmten periodischen Spannungsprofil unterscheidet, und so daß die Spannung, die tatsächlich an jeder der N Wicklungen vorhanden ist, einen Wert aufweist, der mit dem bestimmten periodischen Spannungsprofil kohärent ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Intervalle in einer vollständigen elektrischen Periode, in der der feste Zustand niedriger oder hoher Sättigung mindestens einer Wicklung erzeugt wird, von dem vordefinierten Betriebsprofil und von der Anzahl N der Wicklungen des Motors abhängt. Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Mehrphasenmotors in einer PWM-Betriebsart nach Anspruch 1 durch N Halbbrücken-Ausgangsstufen, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Augenblick mindestens eine der N Halbrückenstufen in einem festen Sättigungszustand gehalten wird, niedrig oder hoch, während die anderen Halbrückenstufen mit der PWM Frequenz umschalten, mit einem variierenden Tastverhältnis, als Funktion einer bestimmten Skalierung digitaler Abtastwerte des vordefinierten periodischen Spannungsprofils. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die N Wicklungen in einer Sternkonfiguration geschaltet sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die N Wicklungen in einer Polygonkonfiguration geschaltet sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das bestimmte periodische Spannungsprofil sinusförmig ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das vordefinierte unterschiedliche periodische Profil mit einer Anzahl von Abtastwerten digitalisiert ist, die in einem Speicher gespeichert sind, und das Verfahren eine Umwandlung eines modulierten Digitalwerts in einen Tastverhältnisprozentwert eines PWM-Treibersignals umfaßt.






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