DE102018212991A1 - Method of operating a brushless DC motor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors, worin bei Anforderung einer Änderung einer Geschwindigkeit des bürstenlosen Gleichstrommotors eine elektrische Größe des bürstenlosen Gleichstrommotors ermittelt wird und eine Ausführung (35) der Anforderung (30) verzögert wird, bis ein Wert (I) und/oder ein Gradient (dI) der elektrischen Größe in einem vorgebaren Bereich liegt.A method of operating a brushless DC motor, wherein when a change in speed of the brushless DC motor is requested, an electrical quantity of the brushless DC motor is determined and execution (35) of the request (30) is delayed until a value (I) and / or a gradient (dI) the electrical quantity is in a predeterminable range.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.The present invention relates to a method for operating a brushless DC motor. Furthermore, the present invention relates to a computer program that executes every step of the method and a machine-readable storage medium that stores the computer program. Finally, the invention relates to an electronic control device which is set up to carry out the method.

Stand der TechnikState of the art

Bürstenlose Gleichstrommotoren (Brushless DC Motor; BLDC) werden im Automobilbereich beispielsweise eingesetzt, um Hubkolbenpumpen anzutreiben, die als Kraftstoffpumpen oder als Pumpen im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems (Selective Catalytic Reduction) dienen. Diese sind wie eine Drehstromsynchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete aufgebaut. Die Drehstromwicklung wird durch eine geeignete Schaltung so angesteuert, dass sie ein drehendes magnetisches Feld erzeugt, welches den permanent erregten Rotor mitzieht. Die Bestromung von Statorspulen erfolgt dabei üblicherweise mittels einer Brückenschaltung.Brushless DC motors (Brushless DC Motor; BLDC) are used in the automotive sector, for example, to drive reciprocating pumps that serve as fuel pumps or as pumps in the delivery module of an SCR (Selective Catalytic Reduction) catalyst system. These are constructed like a three-phase synchronous machine with permanent magnet excitation. The three-phase winding is controlled by a suitable circuit so that it generates a rotating magnetic field that pulls the permanently excited rotor. The stator coils are usually energized by means of a bridge circuit.

Hubkolbenpumpen bewirken eine variable Last auf die Motorwelle des bürstenlosen Gleichstrommotors. Da der Versorgungsstrom des Motors proportional zu seinem angeforderten Drehmoment ist, oszilliert der Stromverlauf bei einer derartigen Verwendung des bürstenlosen Gleichstrommotors.Reciprocating pumps cause a variable load on the motor shaft of the brushless DC motor. Since the supply current of the motor is proportional to its requested torque, the current curve oscillates when the brushless DC motor is used in this way.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

In dem Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors wird bei Anforderung einer Änderung einer Geschwindigkeit des bürstenlosen Gleichstrommotors eine elektrische Größe des bürstenlosen Gleichstrommotors ermittelt. Eine Ausführung der Anforderung wird so lange verzögert, bis ein Wert und/oder ein Gradient der elektrischen Größe in einem vorgebaren Bereich liegt.In the method for operating a brushless DC motor, an electrical variable of the brushless DC motor is determined when a change in the speed of the brushless DC motor is requested. Execution of the request is delayed until a value and / or a gradient of the electrical variable lies in a predeterminable range.

Bei der elektrischen Größe handelt es sich insbesondere um eine Größe, die proportional zum angeforderten Drehmoment des bürstenlosen Gleichstrommotors ist wie beispielsweise ein elektrischer Versorgungsstrom, ein elektrischer Phasenstrom, eine elektrische Versorgungsspannung oder eine elektrische Phasenspannung des bürstenlosen Gleichstrommotors.The electrical variable is in particular a variable that is proportional to the requested torque of the brushless DC motor, such as an electrical supply current, an electrical phase current, an electrical supply voltage or an electrical phase voltage of the brushless DC motor.

Das Verfahren kann insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn der bürstenlose Gleichstrommotor mit einer variablen Last auf seine Motorwelle betrieben wird, beispielsweise weil er eine Hubkolbenpumpe antreibt. Diese variable Last führt zu einer Oszillation des elektrischen Versorgungsstroms des bürstenlosen Gleichstrommotors. Erfolgt die Ausführung der angeforderten Geschwindigkeitsänderung nun zu einem Zeitpunkt, zu dem sich der Strom seinem lokalen Maximum nähert oder sich bereits an diesem befindet, so wird zu der sowieso schon hohen Stromstärke noch der für die Geschwindigkeitserhöhung benötigte Strom addiert, so dass ein hoher Spitzenstrom auftritt. Das elektrische Versorgungssystem des bürstenlosen Gleichstrommotors muss darauf ausgelegt sein so hohe Spitzenströme zu tolerieren. Die Stromspitzen belasten aber nicht nur elektrische, sondern auch mechanische Komponenten des bürstenlosen Gleichstrommotors.The method can be used particularly advantageously if the brushless DC motor is operated with a variable load on its motor shaft, for example because it drives a reciprocating pump. This variable load causes the brushless DC motor electrical supply current to oscillate. If the requested speed change is carried out at a point in time at which the current is approaching its local maximum or is already at this point, the current required for increasing the speed is added to the current, which is already high, so that a high peak current occurs , The electrical supply system of the brushless DC motor must be designed to tolerate such high peak currents. The current peaks stress not only electrical, but also mechanical components of the brushless DC motor.

Das Verfahren ermöglicht nun eine schonendere Beschleunigung des bürstenlosen Gleichstrommotors, indem es die Geschwindigkeitsänderung nicht mehr unabhängig vom aktuell vorherrschenden Strom sofort ausführt, sondern vielmehr in Abhängigkeit von der elektrischen Größe so verzögert, dass das Auftreten hoher Spitzenströme verhindert werden kann.The method now enables the brushless DC motor to be accelerated more gently by no longer executing the speed change immediately regardless of the current prevailing current, but rather decelerating in dependence on the electrical quantity in such a way that the occurrence of high peak currents can be prevented.

Wenn der bürstenlose Gleichstrommotor in einem motorischen Betrieb betrieben wird, so wird die Ausführung der Anforderung vorzugsweise verzögert, bis der Wert einen ersten Schwellenwert unterschreitet und/oder bis der Gradient einen zweiten Schwellenwert unterschreitet. Durch den Vergleich des Werts mit dem ersten Schwellenwert wird sichergestellt, dass ein bereits hoher Absolutwert der elektrischen Größe durch die Ausführung der Anforderung nicht noch weiter erhöht wird. Durch Vergleich des Gradienten mit dem zweiten Schwellenwert wird sichergestellt, dass die Anforderung nicht ausgeführt wird, während der elektrische Versorgungsstrom ansteigt. Hierzu wird für den zweiten Schwellenwert insbesondere ein Wert gewählt, welcher kleiner oder gleich Null ist.If the brushless DC motor is operated in a motor mode, the execution of the request is preferably delayed until the value falls below a first threshold value and / or until the gradient falls below a second threshold value. The comparison of the value with the first threshold value ensures that an already high absolute value of the electrical variable is not increased further by the execution of the request. By comparing the gradient with the second threshold, it is ensured that the request is not carried out while the electrical supply current is increasing. For this purpose, a value that is less than or equal to zero is chosen in particular for the second threshold value.

Das Verfahren kann auch bei einem generatorischen Betreiben des bürstenlosen Gleichstrommotors eingesetzt werden. Auch hierbei verhindert es das Auftreten von Stromspitzen, deren Vorzeichen allerdings gegenüber dem motorischen Betrieb vertauscht ist. Deshalb ist es hierbei bevorzugt, dass die Ausführung der Anforderung verzögert wird, bis der Wert einen dritten Schwellenwert überschreitet und/oder der Gradient einen vierten Schwellenwert überschreitet. Der vierte Schwellenwert ist insbesondere größer oder gleich Null.The method can also be used when the brushless DC motor is operated as a generator. Here, too, it prevents the occurrence of current peaks, the sign of which is, however, reversed in relation to motor operation. It is therefore preferred here that the execution of the request is delayed until the value exceeds a third threshold value and / or the gradient exceeds a fourth threshold value. The fourth threshold is in particular greater than or equal to zero.

Wenn das Auftreten von Stromspitzen besonders zuverlässig vermieden werden soll, dann wird das Verfahren vorzugsweise so durchgeführt, dass die Anforderung so lange verzögert wird, bis sowohl der Wert als auch der Gradient in dem vorgebbaren Bereich liegen. Für einen motorischen Betrieb bedeutet dies, dass vorzugsweise der Wert den ersten Schwellenwert unterschreitet und der Gradient den zweiten Schwellenwert unterschreitet. Beim generatorischen Betreiben des bürstenlosen Gleichstrommotors ist es dann demnach bevorzugt, dass der Wert den dritten Schwellenwert überschreitet und der Gradient den vierten Schwellenwert überschreitet.If the occurrence of current peaks is to be avoided in a particularly reliable manner, the method is preferably carried out in such a way that the request is delayed until both the value and the gradient lie in the predeterminable range. For motorized operation this means that the value preferably falls below the first threshold value and the gradient falls below the second threshold value. When the brushless DC motor is operated as a generator, it is then preferred that the value exceeds the third threshold value and the gradient exceeds the fourth threshold value.

Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens in einem elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.The computer program is set up to carry out every step of the method, in particular if it runs on a computing device or an electronic control device. It enables different embodiments of the method to be implemented in an electronic control unit without having to make structural changes to it. For this purpose, it is stored on the machine-readable storage medium.

Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um einen bürstenlosen Gleichstrommotor mittels des Verfahrens zu betreiben.By loading the computer program onto a conventional electronic control device, the electronic control device is obtained which is set up to operate a brushless DC motor by means of the method.

Figurenlistelist of figures

  • 1 zeigt schematisch einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann. 1 shows schematically a brushless DC motor that can be operated by means of embodiments of the inventive method.
  • 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Drehmoments eines Versorgungsstroms und einer Motorgeschwindigkeit eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der in herkömmlicher Weise betrieben wird. 2 shows the time course of a torque of a supply current and a motor speed of a brushless DC motor, which is operated in a conventional manner.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 3 shows a flowchart of a method according to an embodiment of the invention.
  • 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des Drehmoments des Versorgungsstroms und der Motorgeschwindigkeit eines bürstenlosen Gleichstrommotors, der mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung betrieben wird. 4 shows the time course of the torque of the supply current and the motor speed of a brushless DC motor, which is operated by a method according to an embodiment of the invention.

Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt einen bürstenlosen Gleichstrommotor 10 mit dreisträngiger Drehstromwicklung, der eine Motorwelle 11 aufweist. Ein Geschwindigkeitssensor 12 ist vorgesehen, um seine Motorgeschwindigkeit zu messen. Der bürstenlose Gleichstrommotor 10 wird von einem elektronischen Steuergerät 20 mittels einer Brückenschaltung 21 gesteuert, in der eine elektrische Versorgungsspannung UMot anliegt und ein elektrischer Versorgungsstrom IMot fließt. Der bürstenlose Gleichstrommotor 10 treibt eine nicht dargestellte Hubkolbenmembranpumpe im Fördermodul eines SCR-Katalysatorsystems an. 1 shows a brushless DC motor 10 with three-phase three-phase winding, one motor shaft 11 having. A speed sensor 12 is intended to measure its engine speed. The brushless DC motor 10 is controlled by an electronic control unit 20 by means of a bridge circuit 21 controlled in which an electrical supply voltage U Mot is present and an electrical supply current I mot flows. The brushless DC motor 10 drives a reciprocating diaphragm pump, not shown, in the delivery module of an SCR catalyst system.

Durch die einzelnen Pumpenhübe wirkt eine variable Last M bzw. ein variables Drehmoment auf die Motorwelle 11. Wie in 2 dargestellt ist, ändert sich die Last M mit dem Rotationswinkel ω der Motorwelle 11, wobei 2Π jeweils einer Drehung um 360° entspricht. Es ist ein Oszillieren der Last M zu beobachten. Der elektrische Versorgungsstrom IMot oszilliert synchron zur aktuellen Last M mit der Zeit t. Wenn zu einem Zeitpunkt t1 angefordert wird eine bis dahin konstante Motorgeschwindigkeit v auf einen höheren Wert zu beschleunigen, so kann dies nur durch einen sprunghaften Anstieg des elektrischen Versorgungsstroms IMot realisiert werden. Falls der Zeitpunkt t1 an einem lokalen Maximum des elektrischen Versorgungsstroms IMot liegt, führt dies in der dargestellten Weise zu einer Stromspitze.Due to the individual pump strokes, a variable load M or a variable torque acts on the motor shaft 11 , As in 2 the load changes M with the rotation angle ω of the motor shaft 11 , in which 2Π corresponds to a rotation of 360 °. It is an oscillation of the load M to observe. The electrical supply current I mot oscillates in sync with the current load M with time t. If a previously constant motor speed v is to be accelerated to a higher value at a time t 1 , this can only be achieved by a sudden increase in the electrical supply current I mot will be realized. If the time t 1 at a local maximum of the electrical supply current I mot lies, this leads to a current peak in the manner shown.

3 stellt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens für einen motorischen Betrieb des bürstenlosen Gleichstrommotors 10 dar. Das Verfahren wird mit der Anforderung 30 einer Erhöhung der Geschwindigkeit v des bürstenlosen Gleichstrommotors 10 zum Zeitpunkt t1 gestartet. Im elektronischen Steuergerät 20 erfolgt eine Erfassung 31 eines aktuellen Werts IMot des elektrischen Versorgungsstroms. Dieser wird in einem ersten Vergleich 32 mit einem ersten Schwellenwert S1 verglichen. Wenn der Wert IMot den ersten Schwellenwert S1 nicht unterschreitet, dann wird so lange gewartet bis diese Bedingung erfüllt ist. Anschließend erfolgt eine Erfassung 33 des Gradienten dIMot des elektrischen Versorgungsstroms. Dieser wird in einem zweiten Vergleich 34 mit einem zweiten Schwellenwert S2 verglichen. Wenn der Gradient dIMot den zweiten Schwellenwert S2 nicht unterschreitet, so wird ebenfalls gewartet bis auch diese Bedingung erfüllt ist. Erst dann wenn beide Bedingungen erfüllt sind, erfolgt eine Ausführung 35 der Geschwindigkeitsänderung und das Verfahren wird in einem letzten Schritt 36 beendet. 3 represents an embodiment of the method according to the invention for a motor operation of the brushless DC motor 10 The procedure comes with the requirement 30 an increase in the speed v of the brushless DC motor 10 started at time t 1 . In the electronic control unit 20 there is a recording 31 a current value I mot of the electrical supply current. This is in a first comparison 32 with a first threshold S 1 compared. If the value I mot the first threshold S 1 does not fall below, then it waits until this condition is met. Then there is a recording 33 of the gradient dI Mot of the electrical supply current. This is done in a second comparison 34 with a second threshold S 2 compared. If the gradient dI Mot the second threshold S 2 does not fall below, it is also waited until this condition is also met. Only when both conditions are met, is an execution 35 the speed change and the procedure is in a final step 36 completed.

4 zeigt in analoger Darstellung zur 2 die Auswirkung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn die Ausführung 35 bis zu einem Zeitpunkt t2 verzögert wird, zu dem der Wert IMot des elektrischen Versorgungsstroms sich auf einem lokalen Minimum befindet und der Gradient dIMot demnach Null beträgt. Auch hier findet zwar ein sprunghafter Anstieg des Versorgungsstroms statt, die dabei erreichte maximale Stromstärke liegt jedoch nur unwesentlich über den im Rahmen der Oszillation sowieso erreichten Maxima der Stromstärke. 4 shows in an analogous representation 2 the effect of this embodiment of the method according to the invention when the execution 35 up to a point in time t 2 is delayed at which the value I mot of the electrical supply current is at a local minimum and the gradient dI Mot therefore is zero. Here, too, there is a sudden increase in the supply current, but the maximum current intensity achieved is only insignificantly above the maximum current intensity which is reached in the course of the oscillation.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, in dem der bürstenlose Gleichstrommotor 10 generativ betrieben wird, wird der Verfahrensablauf gemäß 3 dahin gehend abgewandelt, dass im Schritt 32 ein Vergleich erfolgt, ob der Wert IMot einen dritten Schwellenwert überschreitet und im Schritt 34 ein Vergleich erfolgt, ob der Gradient dIMot einen vierten Schwellenwert überschreitet. In gleicher Weise wie beim motorischen Betrieb verhindert das erfindungsgemäße Verfahren hier das Auftreten von Stromspitzen, wobei diese im generatorischen Betrieb jedoch ein negatives Vorzeichen hätten.In a further embodiment of the method according to the invention, in which the brushless DC motor 10 is operated generatively, the procedure is according to 3 modified to the step 32 a comparison is made as to whether the value I mot exceeds a third threshold and in step 34 a comparison is made as to whether the gradient dI Mot exceeds a fourth threshold. In the same way as in motor operation, the method according to the invention prevents the occurrence of current peaks, but these would have a negative sign in generator operation.

Claims (8)

Verfahren zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors (10), worin bei Anforderung (30) einer Änderung einer Geschwindigkeit (v) des bürstenlosen Gleichstrommotors (10) eine elektrische Größe des bürstenlosen Gleichstrommotors (10) ermittelt wird und eine Ausführung (35) der Anforderung (30) verzögert wird, bis ein Wert (IMot) und/oder ein Gradient (dIMot) der elektrischen Größe in einem vorgebaren Bereich liegt.Method for operating a brushless DC motor (10), wherein upon request (30) a change in a speed (v) of the brushless DC motor (10) an electrical quantity of the brushless DC motor (10) is determined and an execution (35) of the request (30 ) is delayed until a value (I Mot ) and / or a gradient (dI Mot ) of the electrical variable is in a predeterminable range. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe ein elektrischer Versorgungsstrom, ein elektrischer Phasenstrom, eine elektrische Versorgungsspannung oder eine elektrische Phasenspannung des bürstenlosen Gleichstrommotors ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the electrical variable is an electrical supply current, an electrical phase current, an electrical supply voltage or an electrical phase voltage of the brushless DC motor. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bürstenlose Gleichstrommotor (10) mit einer variablen Last (M) auf seine Motorwelle (11) betrieben wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the brushless DC motor (10) is operated with a variable load (M) on its motor shaft (11). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem motorischen Betreiben des bürstenlosen Gleichstrommotors (10) die Ausführung (35) der Anforderung (30) verzögert wird, bis der Wert (IMot) einen ersten Schwellenwert (S1) unterschreitet und/oder der Gradient (dIMot) einen zweiten Schwellenwert (S2) unterschreitet.Procedure according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that when the brushless DC motor (10) is operated by motor, the execution (35) of the request (30) is delayed until the value (I Mot ) falls below a first threshold value (S 1 ) and / or the gradient (dI Mot ) falls below a second threshold (S 2 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem generatorischen Betreiben des bürstenlosen Gleichstrommotors (10) die Ausführung (35) der Anforderung (30) verzögert wird, bis der Wert (IMot) einen dritten Schwellenwert überschreitet und/oder der Gradient (dIMot) einen vierten Schwellenwert überschreitet.Procedure according to one of the Claims 1 to 4 , characterized in that when the brushless DC motor (10) is operated as a generator, the execution (35) of the request (30) is delayed until the value (I Mot ) exceeds a third threshold and / or the gradient (dI Mot ) a fourth Threshold exceeded. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen.Computer program, which is set up each step of the method according to one of the Claims 1 to 5 perform. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 6 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which a computer program Claim 6 is saved. Elektronisches Steuergerät (20), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 einen bürstenlosen Gleichstrommotor zu betreiben.Electronic control device (20), which is set up to use a method according to one of the Claims 1 to 5 to operate a brushless DC motor.
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