CN111313675A - 用于操控用于车辆的马达的控制器、具有控制器的控制系统和用于运行控制器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操控用于车辆的马达的控制器。所述控制器具有用于为所述控制器提供供电电压的第一供电接头和第二供电接头、用于为所述马达提供运行电压的至少第一运行接头和第二运行接头、输出级、中间电路电容器、主开关和信号发生器。所述中间电路电容器被连接在第一输出级触点和第二输出级触点之间。所述主开关具有第一主开关触点、第二主开关触点和用于接收开关信号的第三主开关触点，其中所述第一主开关触点与所述第一供电接头连接并且所述第二主开关触点与所述第一输出级触点连接。所述信号发生器构造用于接收激活信号并且在所述中间电路电容器的充电状态的期间在使用所述激活信号的情况下作为脉冲的开关信号来输出开关信号。

Description

用于操控用于车辆的马达的控制器、具有控制器的控制系统 和用于运行控制器的方法

技术领域

本方案涉及根据独立权利要求所述类型的一种装置或一种方法。

背景技术

在操控电动马达的电子控制器中，通常实现所谓的中间电路，该中间电路提供控制器的输出级的能量供给。在接通控制器时，中间电路的中间电路电容器被充电到供电电压。为此能够使用特殊的预充电路径，该预充电路径首先被激活并且通过电流限制装置（通常是电阻）给电容器充电。一旦中间电路电压被充电到最终值（或略低于最终值），就激活功率开关，该功率开关建立与控制器供电装置的低欧的连接。

发明内容

面对这种背景，用在这里所介绍的方案提出根据独立权利要求所述的、一种用于操控用于车辆的马达的控制器、此外一种具有控制器的控制系统以及最后一种用于运行控制器的方法。通过在从属权利要求中所列举的措施，能够实现在独立权利要求中所说明的装置的有利的拓展方案和改进方案。

用所提出的方案能够实现的优点在于，提供一种成本低廉的控制器，该控制器将在控制器的主开关中的升温保持在允许的界限内。

介绍一种用于操控用于车辆的马达的控制器。控制器具有用于为控制器提供供电电压的第一供电接头和第二供电接头、用于为马达提供运行电压的至少第一运行接头和第二运行接头、输出级、中间电路电容器、主开关和信号发生器。输出级构造用于将供电电压转换为运行电压，其中输出级具有第一输出级触点和第二输出级触点，所述第二输出级触点与第二供电接头连接。中间电路电容器被连接在第一输出级触点与第二输出级触点之间。主开关具有第一主开关触点、第二主开关触点和用于接收开关信号的第三主开关触点，其中第一主开关触点与第一供电接头连接，并且第二主开关触点与第一输出级触点连接。信号发生器构造用于接收激活信号并且在中间电路电容器的充电状态的期间在使用激活信号的情况下作为脉冲的开关信号来输出所述开关信号。

车辆能够是用于进行人员运送的车辆或者是载重汽车。作为替代方案，控制器也能够用在其他机器或设备中。马达能够是电动马达。通过供电接头能够从合适的能量源、例如电池处接收供电电压。输出级能够是已知的转换器。例如，输出级构造用于将作为直流电压来构成的供电电压转换为作为交流电压来构成的运行电压。脉冲的开关信号能够适合用于将主开关交替地断开和闭合。以这种方式，供电电压能够交替地被加载到中间电路电容器上并且与中间电路电容器分开。所述充电状态能够表示中间电路电容器的一种状态，在该状态的期间中间电路电容器还没有完全充电到供电电压的数值。

这里所提出的控制器有利地构造用于在激活控制器之后能够通过主开关实现对于中间电路电容器的充电。因此，能够有利地节省用于中间电路电容器的附加的预充电路径。然而，因为为了给中间电路电容器充电而连续地闭合主开关这一点导致非常高的脉冲能量，所述脉冲能量会使主开关的内部温度快速升高，所以快速地达到或者甚至超过主开关的毁坏界限。出于这个原因，信号发生器有利地构造用于在中间电路电容器的充电状态的期间作为脉冲的开关信号来输出所述开关信号，以用于将主开关的发热降低到最低限度。作为脉冲的开关信号，是指施加到主开关上的信号，该信号构造用于交替地至少在一段持续时间的范围内引起主开关的闭合并且而后在一段持续时间的范围内引起主开关的断开，例如直至中间电路电容器的电容饱和。因此，在主开关断开的期间，能够实现主开关的内部温度的下降并且因此能够防止主开关的过热。

控制器能够具有用于提供激活信号的激活接头。因此，激活信号能够由控制器之外的装置来接收。但是激活信号也能够由控制器的装置来提供或发送。信号发生器例如能够是矩形发生器。中间电路电容器能够是高电容的电解电容器。主开关能够是功率开关如晶体管、例如MOSFET、也就是金属氧化物半导体场效应晶体管。

此外，信号发生器能够构造用于在中间电路电容器的饱和状态的期间在使用激活信号的情况下作为连续的开关信号来输出所述开关信号。例如，连续的开关信号能够构造用于将主开关持久地闭合，以用于为马达提供运行电压。饱和状态能够表示中间电路电容器的以下状态，在该状态中中间电路电容器除了在运行中在控制器运行时常见的波动之外具有供电电压的数值。在中间电路电容器的充电状态中，当脉冲能量低时，主开关的连续的闭合是不用担心的。

脉冲的开关信号能够交替地在适合用于闭合主开关的第一信号状态和适合用于断开主开关的第二信号状态之间变换，其中第一信号状态的持续时间能够小于第二信号状态的持续时间。第一信号状态的持续时间例如也能够小于第二信号状态的持续时间的一半。根据一种实施方式，第一信号状态的持续时间具有脉冲的开关信号的周期持续时间的百分之十，并且第二信号状态的持续时间具有周期持续时间的百分之90。换句话说，脉冲的开关信号引起主开关的断开时间是主开关的闭合时间的九倍。这允许用于主开关的特别长的冷却阶段。

此外有利的是，控制器具有电平转换器，所述电平转换器被连接在主开关和信号发生器之间，并且所述电平转换器被构造用于对用于主开关的开关信号的电压电平进行调整。这样的电平转换器用英语也被称为"Level Shifter（电平位移器）" 。

控制器也能够具有用于为马达提供运行电压的第三运行接头，其中第三运行接头能够与输出级连接。因此，通过控制器能够实现对于三相马达的操控。

“信号发生器或控制器”在此能够是指电气设备，其处理传感器信号并且据此输出控制信号和/或数据信号。该装置能够具有接口，所述接口能够按照硬件和/或软件方式来构造。在按照硬件方式的构造中，接口例如能够是所谓的系统ASIC的一部分，系统ASIC包含装置的各种功能。然而也可能的是，接口是自身的集成电路或者至少部分地由离散的结构元件所构成。在按照软件方式的构造中，接口能够是软件模块，除其他软件模块之外，所述软件模块例如存在于微控制器上。

控制系统具有在前面所描述的变型方案之一中构成的控制器。此外，控制系统具有用于提供供电电压的电池和马达，所述马达被连接到至少第一运行接头和第二运行接头上。第一供电接头与电池的第一电池触点连接并且/或者第二供电接头与电池的第二电池触点连接并且/或者控制系统具有激活开关和/或接地接头，所述激活开关被连接在激活接头与第一电池触点之间，所述接地接头被连接在第二供电接头与第二电池触点之间。所述电池能够是车辆电池。马达能够电动马达、例如两相或三相马达。这里所介绍的控制系统适合于在车辆中使用、例如用作变速器控制系统。

一种用于运行前面介绍的控制器之一的方法包括脉冲的断开和闭合的步骤以及连续的闭合的步骤。在脉冲的断开和闭合的步骤中，以脉冲的方式断开和闭合主开关，以用于达到中间电路电容器的饱和状态。在连续的闭合的步骤中，在饱和状态的期间连续地闭合主开关，以用于为马达提供运行电压。这种方法例如能够以软件或硬件的形式或者以由软件和硬件构成的混合形式在控制器中来实现。

所述方法能够具有接收的步骤，在该接收的步骤中接收激活信号，在使用该激活信号的情况下执行脉冲的断开和闭合的步骤和/或连续的闭合的步骤。

附图说明

在附图中示出了这里所介绍的方案的实施例并且在下面的说明中对其进行详细解释。其中：

图1示出了按照一种实施例的具有用于操控马达的控制器的控制系统的方框图；

图2示出了按照一种实施例的控制器的主开关的操控顺序的图表；并且

图3示出了按照一种实施例的用于运行控制器的方法的流程图。

在本方案的有利的实施例的以下描述中，对于在不同的附图中示出的并且类似地起作用的元件来说使用相同的或类似的附图标记，其中放弃对于这些元件的重复描述。

具体实施方式

图1示出了按照一种实施例的具有用于操控马达M的控制器102的控制系统100的方框图。控制系统100仅仅示范性地布置在车辆103中。

控制器102构造用于操控马达M。为此，控制器102具有用于为控制器102提供供电电压的第一供电接头105和第二供电接头110、用于为马达M提供运行电压的至少第一运行接头115和第二运行接头120、输出级125、中间电路电容器130、主开关135和信号发生器140。因此，供电接头105、110是控制器102的输入接头并且运行接头115、120是控制器102的输出接头。控制器102能够被自身的壳体包围。

输出级125根据这种实施例与第一运行接头115和第二运行接头120连接。输出级125构造用于将供电电压转换为运行电压并且提供给运行接头115、120。在输入侧，输出级125具有第一输出级触点142和第二输出级触点145，所述第二输出级触点与第二供电接头110连接。根据这种实施例，输出级125构造用于将直流电压的形式的供电电压转换为用于马达M的交流电压的形式的运行电压。

中间电路电容器130被连接在输出级125的第一输出级触点142与第二输出级接触145之间。根据这种实施例，中间电路电容器130为此具有第一中间电路触点和第二中间电路触点，其中第一中间电路触点被连接在主开关135的第二主开关触点150和第一输出级触点142之间，并且第二中间电路触点被连接在第二供电接头110和第二输出级触点145之间。

主开关135具有第一主开关触点155、第二主开关触点150和用于接收开关信号165的第三主开关触点160，其中第一主开关触点155与第一供电接头105连接，并且第二主开关触点150与第一输出级触点142连接。所述主开关135构造用于根据加载在第三主开关触点160上的开关信号165的电压值来断开和/或闭合第一主开关触点155和第二主开关触点150之间的电流路径。

信号发生器140构造用于接收激活信号170并且在中间电路电容器130的充电状态的期间在使用激活信号170的情况下作为脉冲的开关信号165将开关信号165输出给主开关135，以用于断开和闭合主开关135。根据这种实施例，信号发生器140具有用于接收激活信号170的第一发生器触点和用于输出开关信号165的第二发生器触点。根据不同的实施例，激活信号170在控制器102的内部生成或者从外部来接收。

根据这种实施例，信号发生器140构造用于输出脉冲的开关信号165，该脉冲的开关信号交替地在适合用于闭合主开关135的第一信号状态和适合用于断开主开关135的第二信号状态之间变换，其中第一信号状态的持续时间小于第二信号状态的持续时间。根据一种实施例，第一信号状态的持续时间小于第二信号状态的持续时间的一半。根据一种实施例，第一信号状态的持续时间具有脉冲的开关信号165的周期的周期持续时间的百分之十并且第二信号状态的持续时间具有周期持续时间的百分之90。

根据这种实施例，信号发生器140此外构造用于在中间电路电容器130的饱和状态的期间在使用激活信号170的情况下作为连续的开关信号165来输出开关信号165。根据一种实施例，信号发生器140输出连续的开关信号165，该开关信号引起主开关135的持久闭合。

根据不同的实施例，控制器102此外具有可选的激活接头172和/或可选的电平转换器175和/或第三运行接头180。激活接头172构造用于提供或者接收用于控制器102的激活信号170。根据所示出的实施例，电平转换器175被连接在主开关135和信号发生器140之间并且构造用于使开关信号165的电压电平与适合于主开关135的电压值相匹配。电平转换器175也能够被称为“电平位移器”。根据所示出的实施例，马达M构造为三相电动马达，使得第三运行接头180构造用于提供用于马达M的运行电压的第三相位。为此，第三运行接头180根据这种实施例和其他已经提到的运行接头115、120一样与输出级125连接。

也能够被称为电路的控制系统100具有前面所介绍的控制器102、用于提供供电电压的电池182和马达M，该马达就两相马达而言被连接到第一运行接头115和第二运行接头120上并且就所示出的三相马达而言也被连接到第三运行接头180上。第一供电接头105与电池182的第一电池触点连接并且第二供电接头110与电池182的第二电池触点连接。此外，根据这种实施例，控制系统100具有激活开关185，该激活开关被连接在激活接头172和第一电池触点之间。通过激活开关185的闭合向信号发生器140供给供电电压，使得供电电压作为激活信号170起作用。

控制系统100的接地接头190与第二供电接头110和第二电池触点耦合。根据这种实施例，电池182是车辆电池。马达M被构造为电动马达，根据这种实施例构造为三相马达。这里所介绍的控制系统100构造用于在车辆中使用，例如构造为变速器控制系统。

这里所提出的控制器102能够实现中间电路电容器130的脉冲的充电。因此，实现了以装置的形式构成的控制器102，该装置将主开关135中的升温保持在允许的界限内。

因此，在尤其成本敏感的应用中、例如在这里所介绍的控制器102中，能够有利地取消备选可能的并联的、用于中间电路电容器130的预充电路径。不同于并联的预充电路径，在这里所介绍的控制器102中主开关135承担中间电路电容器130的充电。因为主开关135在中间电路电容器130的充电状态的期间有利地以脉冲的方式被操控，所以主开关135的内部温度绝不会上升直到或者超过构件的毁坏极限，而是始终保持在最大允许的极限之下。由此实现了一种控制器102，该控制器将主开关135中的升温保持在允许的界限内。

根据物理情况，在主开关135中所转换的能量大约刚好与被充电的中间电路电容器130中的能量一样大。对此，主开关135的更快的或更慢的接通也不会改变什么。用于限制内部温度的解决方案是有针对性地缓慢地接通主开关135，使得能量在大的时间段范围内均匀地分布并且因此将损耗功率在脉冲期间从主开关135中引出。由于主开关135的构件公差、根据这种实施例也就是在以MOSFET形式构成的主开关135中的栅极阈值电压的公差，一定会如此缓慢地控制边沿，从而会需要不期望地长的充电时间。作为替代方案，在这里所介绍的控制器102中将损耗能量划分为多个离散的能量包。这通过以时钟驱动地接通并且断开主开关135的方式来实现。根据这种实施例，占空比或者占空度被选择得如此之低，使得每个能量包引起主开关的允许的低的自发热并且然后能够进行热恢复。根据这种实施例，占空比为10% 。

信号发生器140根据这种实施例作为矩形发生器来实现，该矩形发生器首先以时钟驱动方式（getaktet）来接通主开关135。在达到充电最终电压时，而后主开关135持久地被接通。这种控制器102相对于构件公差是稳健的，因为主开关135的公差、尤其是栅极阈值电压的公差由于硬接通和断开而不重要。

这里所介绍的控制器102能够在所有以下电路中使用，在所述电路中应该以小的成本如此给中间电路电容器130充电，使得主开关135不过载。控制器102或整个控制系统100在机动车中特别适合于操控电负载。

根据一种实施例，控制器102构造用于以变速器控制器的形式来使用。

根据一种实施例，信号发生器140构造用于在接收到激活信号170之后针对预先确定的持续时间作为的脉冲的信号来提供开关信号165并且在预先确定的持续时间期满之后作为连续的信号来提供开关信号。如果预先已知充电状态的持续时间、即为了给中间电路电容器130充电所需要的持续时间，则这是有意义的。预先确定的持续时间能够在信号发生器140中调节。根据一种实施例，信号发生器140构造用于检测中间电路电容器130的充电状态并且在接收到激活信号170之后如此长时间地作为脉冲的信号来输出开关信号165，直至中间电路电容器130充满电或者一直充电到预先确定的数值。

根据一种实施例，预先确定了作为脉冲的信号来输出的开关信号165的脉冲频率和/或占空度。作为替代方案，脉冲频率和/或占空度能够进行调节。

图2示出了按照一种实施例的控制器的主开关的操控顺序200的图表。所述控制器能够是借助图1所描述的控制器。

关于时间215分别示出了代表着主开关的开关状态的主开关状态202、用于开关主开关的开关信号165、流经主开关并且用于给中间电路电容器充电的充电电流205的变化曲线以及主开关的内部温度210的温度变化曲线。

主开关状态202在接通状态220和断开状态225之间变换，在接通状态中主开关闭合，从而允许电流流过主开关，在断开状态中主开关断开。如果将控制器投入运行，则主开关闭合。在中间电路电容器的充电状态230的期间，主开关在接通状态220和断开状态225之间变换，在所述充电状态中中间电路电容器还没有充满电或者还没有一直充电到预先确定的数值。在中间电路电容器的饱和状态235的期间，主开关连续地处于接通状态220中。这些主开关状态220、225通过开关信号165所引起，该开关信号在中间电路电容器的充电状态230的期间作为脉冲的开关信号240并且在中间电路电容器的饱和状态235的期间作为连续的开关信号245由信号发生器来输出。根据这种实施例，脉冲的开关信号240的占空度为10% 。在加载脉冲的开关信号240的期间，各个脉冲或能量包的充电电流205随着时间越来越小，因为中间电路电容器被越来越进一步地充电。主开关的内部温度210在主开关的接通状态220中上升并且在主开关的断开状态225中重又下降。总的来说，主开关的内部温度210永远不会上升直到或超过主开关的最大允许的温度极限250。如果不是如在这里示出的一样以脉冲的方式而是立即恒定地接通主开关，则会在最短的时间之内超过温度极限250。

图3示出了按照一种实施例的用于运行控制器的方法300的流程图。在此，可能涉及一种方法300，该方法能够由借助于前面的附图之一所描述的控制器来执行。

方法300包括脉冲的断开和闭合的步骤305以及连续的闭合的步骤310。在脉冲的断开和闭合的步骤305中，以脉冲的方式断开和闭合主开关，以用于达到中间电路电容器的饱和状态。在连续的闭合的步骤310中，则在饱和状态的期间将主开关连续闭合，以用于为马达提供运行电压。

根据这种实施例，方法300此外包括可选的接收的步骤315，在该步骤中接收激活信号，在使用该激活信号的情况下执行脉冲的断开和闭合的步骤305和/或连续的闭合的步骤310。例如，激活信号显示出控制器的投入运行并且中间电路电容的充电紧接在控制器的投入运行之后开始。

如果实施例在第一特征和第二特征之间包括“与/或”关联，那么这可以解读为，该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，并且根据另一种实施方式要么仅仅具有第一特征要么仅仅具有第二特征。

Claims (12)

1.用于操控用于车辆（103）的马达（M）的控制器（102），其中所述控制器（102）具有以下特征：

用于为所述控制器（102）提供供电电压的第一供电接头（105）和第二供电接头（110）；

用于为所述马达（M）提供运行电压的至少第一运行接头（115）和第二运行接头（120）；

用于将所述供电电压转换为所述运行电压的输出级（125），其中所述输出级（125）具有第一输出级触点（142）和第二输出级触点（145），所述第二输出级触点与所述第二供电接头（110）连接；

中间电路电容器（130），该中间电路电容器被连接在所述第一输出级触点（142）和所述第二输出级触点（145）之间；

主开关（135），该主开关具有第一主开关触点（155）、第二主开关触点（150）和用于接收开关信号（165）的第三主开关触点（160），其中所述第一主开关触点（155）与所述第一供电接头（105）连接，并且所述第二主开关触点（150）与所述第一输出级触点（142）连接；以及

信号发生器（140），该信号发生器构造用于接收激活信号（170）并且在所述中间电路电容器（130）的充电状态（230）的期间在使用所述激活信号（170）的情况下作为脉冲的开关信号（240）来输出所述开关信号（165）。

2.根据权利要求1所述的控制器（102），其中所述信号发生器（140）构造用于在所述中间电路电容器（130）的饱和状态（235）的期间在使用所述激活信号（170）的情况下作为连续的开关信号（245）来输出所述开关信号（165）。

3.根据前述权利要求中任一项所述的控制器（102），具有用于提供所述激活信号（170）的激活接头（172）。

4.根据前述权利要求中任一项所述的控制器（102），其中所述信号发生器（140）是矩形发生器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的控制器（102），其中所述脉冲的开关信号（240）交替地在适合用于闭合所述主开关（135）的第一信号状态和适合用于断开所述主开关（135）的第二信号状态之间变换，其中所述第一信号状态的持续时间小于所述第二信号状态的持续时间。

6.根据权利要求5所述的控制器（102），其中所述第一信号状态的持续时间小于所述第二信号状态的持续时间的一半。

7.根据前述权利要求中任一项所述的控制器（102），具有被连接在所述主开关（135）和所述信号发生器（140）之间的电平转换器（175），该电平转换器构造用于对用于所述主开关（135）的开关信号（165）的电压电平进行调整。

8.根据前述权利要求中任一项所述的控制器（102），其中所述中间电路电容器（130）是高电容的电解电容器。

9.根据前述权利要求中任一项所述的控制器（102），具有用于为所述马达（M）提供运行电压的第三运行接头（180），其中所述第三运行接头（180）与所述输出级（125）连接。

10.根据前述权利要求中任一项所述的控制器（102），其中所述主开关（135）是晶体管。

11.控制系统（100），具有根据权利要求2至10中任一项所述的控制器（102）和用于提供供电电压的电池（182）以及被连接到至少所述第一运行接头（115）和所述第二运行接头（120）上的马达（M），其中所述第一供电接头（105）与所述电池的第一电池触点连接并且/或者所述第二供电接头（110）与所述电池（182）的第二电池触点连接，并且/或者具有激活开关（185），所述激活开关被连接在所述激活接头（172）和所述第一电池触点之间，并且/或者其中接地接头（190）被连接在所述第二供电接头（110）和所述第二电池触点之间。

12. 用于运行根据权利要求1至10中任一项所述的控制器（102）的方法（300），其中所述方法（300）包括以下步骤：

-脉冲地断开和闭合（305）所述主开关（135），以用于实现所述中间电路电容器（130）的饱和状态；并且

-在所述饱和状态（235）的期间连续地闭合（310）所述主开关（135），以用于为所述马达（M）提供运行电压。

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