DE10009780B4

DE10009780B4 - Device for driving an electronically commutated power motor

Info

Publication number: DE10009780B4
Application number: DE10009780A
Authority: DE
Inventors: Martin Retz; Karl-Heinrich Preis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: FR2805938A1; FR2805938B1; GB2362044A; GB2362044B; DE10009780A1; GB0105006D0

Abstract

Vorrichtung zum Ansteuern eines an Gleichspannung betriebenen, elektronisch kommutierten Leistungsmotors, mit einer eine Leistungsmasse (PGND) und eine Elektronikmasse (EGND) aufweisenden Ansteuerelektronik (12), deren Leistungsmasse (PGND) über einen niederohmigen Messshunt (22) zur Motorstrommessung mit einer dem Anschluss des Minuspotentials (Ubat–) der Gleichspannung dienenden Masseklemme (Kl. 31) verbunden ist, wobei die Elektronikmasse (EGND) unter Umgehung des Messshunts (22) direkt an der Masseklemme (Kl. 31) fliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (12) auf einer Leiterplatte (11) und die Masseklemme (Kl. 31) an einem zur Leiterplatte (11) führenden Stanzgitter (13) mit gestanzten Leiterbahnen (14) angeordnet ist, dass der Messshunt (22) in einer die Leistungsmasse (PGND) mit der Masseklemme (Kl. 31) verb13) angeordnet ist und zwei Shuntabgriffe (23, 24) aufweist, von denen der zur Leistungsmasse (PGND) hin liegende erste Shuntabgriff (23) über eine Mess-Leiterbahn (142) des Stanzgitters (13) mit einem ersten Messabgriff (25) auf der Leiterplatte (11) und der zur...Device for controlling an electronically commutated power motor operated with direct voltage, with a control electronics (12) having a power ground (PGND) and an electronic ground (EGND), whose power ground (PGND) via a low-impedance measuring shunt (22) for motor current measurement with a connection of the The negative potential (Ubat–) of the ground terminal (DC. 31) is connected, whereby the electronics ground (EGND) flies bypassing the measuring shunt (22) directly to the ground terminal (Terminal 31), characterized in that the control electronics (12) on a printed circuit board (11) and the ground terminal (terminal 31) on a lead frame (13) leading to the printed circuit board (11) with stamped conductor tracks (14) that the measuring shunt (22) has the power mass (PGND) with the Ground terminal (Kl. 31) verb13) is arranged and has two shunt taps (23, 24), of which the first shunt tap (23) lying towards the power ground (PGND) via a measurement s-conductor track (142) of the lead frame (13) with a first measuring tap (25) on the circuit board (11) and the ...

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Ansteuern eines an Gleichspannung betriebenen, elektronisch kommutierten Leistungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention is based on a device for driving a DC-operated, electronically commutated power motor according to the preamble of patent claim 1.

Bei solchen Ansteuervorrichtungen weist die Ansteuerelektronik vorzugsweise als MOSFETs ausgebildete Transistor-Endstufen auf, die auf der Niederpotentialseite oder Low-Side der Motorwicklung angeordnet sind, so dass die Wicklungsphasen oder -stränge der Motorwicklung über je eine Transistor-Endstufe mit der Leistungsmasse, auch Powerground (PGND) genannt, der Ansteuerelektronik verbunden sind. Die Elektronikmasse der Ansteuerelektronik, d. h. die Summe aller übrigen Masseanschlüsse der Ansteuerelektronik, auch Electronieground (EGND) genannt, ist mit der Leistungsmasse verbunden. Die Leistungsmasse liegt über einen der Messung des Motorstroms dienenden Messshunt an einer Masseklemme für den Anschluss des Minuspotentials der Gleichspannung, also der Steckermasse des Anschlusssteckers. Während des Taktbetriebs der Transistoren, die mit einer Schaltfrequenz von ca. 23 kHz geschaltet werden, werden hohe Stromspitzen erzeugt, wie sie üblicherweise beim Schalten von Induktivitäten auftreten. Diese Stromspitzen erzeugen einen hochfrequenten Stromrippel auf der Leistungsmasse mit der Schaltfrequenz der Transistoren. Durch die galvanische Verbindung zwischen Leistungsmasse und Elektronikmasse koppelt der hochfrequente Stromrippel auf benachbarte Leiterbahnen bzw. Schaltungsteile über und wird über die Anschlussleitungen des Motors abgestrahlt. Die Störabstrahlung im Langwellen- und Mittelwellenfrequenzbereich ist dadurch unzulässig hoch.In such a drive devices, the control electronics preferably designed as MOSFETs transistor output stages, which are arranged on the low potential side or low-side of the motor winding, so that the winding phases or strands of the motor winding via a respective transistor output stage with the power ground, also Powerground ( PGND) called, the control electronics are connected. The electronics ground of the control electronics, d. H. the sum of all other ground connections of the control electronics, also called Electronieground (EGND), is connected to the power ground. The power ground is connected to a ground terminal for connecting the minus potential of the DC voltage, ie the plug ground of the connection plug, via a measuring shunt serving to measure the motor current. During clocking of the transistors, which are switched with a switching frequency of about 23 kHz, high current peaks are generated, as they usually occur when switching inductors. These current spikes generate a high frequency current ripple on the power ground with the switching frequency of the transistors. Due to the galvanic connection between the power ground and the electronic ground, the high-frequency current ripple couples to adjacent tracks or circuit parts and is radiated via the connecting lines of the motor. The disturbance radiation in the longwave and medium wave frequency range is therefore unacceptably high.

Aus der EP 0 332 057 A1 ist eine Vorrichtung gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 zum Ansteuern eines an Gleichspannung betriebenen, elektronisch kommutierten Leistungsmotors bekannt. Die Vorrichtung weist eine eine Leistungsmasse und eine Elektronikmasse aufweisenden Ansteuerelektronik auf, deren Leistungsmasse über einen niederohmigen Messshunt zur Motorstrommessung mit einer dem Anschluss des Minuspotentials der Gleichspannung dienenden Masseklemme verbunden ist, wobei die Elektronikmasse unter Umgehung des Messshunts direkt an der Masseklemme liegt.From the EP 0 332 057 A1 a device according to the preamble of claim 1 for driving a DC voltage operated, electronically commutated power motor is known. The device has a control unit having a power ground and an electronic ground, the power ground of which is connected via a low-impedance shunt for motor current measurement to a ground terminal serving to connect the minus potential of the DC voltage, the ground ground bypassing the shunt directly connected to the ground terminal.

Die DE 197 56 186 C1 und die DE 197 40 938 A1 betreffen überdies einen Stator für einen insbesondere bürstenlosen Elektromotor, welcher einen Statorkörper mit einer vorbestimmten Anzahl von Statorzähnen zur Aufnahme von Statorwicklungen aufweist, wobei der Statorkörper einen Grundkörper aus magnetisierbarem Material umfasst, welcher zumindest in den Bereichen der Statarzähne, in welchen die Statorwicklungen aufnehmbar oder aufgenommen sind, eine Isolierschicht aufweist. Jede Statorwicklung ist mit einem steuerbaren elektronischen Schalter verbunden, der beispielsweise als Leistungs-FET ausgebildet sein kann und der mit seinem Steuereingang mit einer Motorsteuereinheit verbunden ist. Die Motorsteuereinheit ist auf einer Platine angeordnet, die als Kombination eines umspritzten Stanzgitters (für hohe Stromstärken) und einer gedruckten Leiterplatte (für niedrige Stromstärken) ausgebildet ist.The DE 197 56 186 C1 and the DE 197 40 938 A1 further relate to a stator for a particular brushless electric motor having a stator body with a predetermined number of stator teeth for receiving stator windings, the stator body comprising a base body of magnetizable material, which at least in the areas of the stator teeth, in which the stator windings can be accommodated or received are, having an insulating layer. Each stator winding is connected to a controllable electronic switch, which may for example be designed as a power FET and which is connected to its control input to a motor control unit. The motor control unit is arranged on a board which is formed as a combination of an overmolded punched grid (for high currents) and a printed circuit board (for low currents).

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung für elektronisch kommutierte Leistungsmotoren hat den Vorteil, dass die Ansteuerelektronik auf einer Leiterplatte und die Masseklemme an einem zur Leiterplatte führenden Stanzgitter mit gestanzten Leiterbahnen angeordnet sind. Der Messshunt ist in einer die Leistungsmasse mit der Masseklemme verbindenden Masse-Leiterbahn angeordnet und weist zwei Shuntabgriffe auf, von denen der zur Leistungsmasse hin liegende Shuntabgriff über eine Mess-Leiterbahn mit einem ersten Messabgriff auf der Leiterplatte und der zur Masseklemme hin liegende zweite Shuntabgriff über eine zweite Mess-Lelterbahn mit einem zweiten Messabgriff auf der Leiterplatte verbunden ist, der direkt auf die Elektronikmasse der Ansteuerlektronik kontaktiert ist. Durch diese konstruktive Ausgestaltung der Erfindung wird der zur Motorstrommessung vorhandene zweite Messabgriff, der über die Mess-Leiterbahn mit der Masseklemme verbunden ist, als niederohmige Masseversorgungsleitung für die Elektronikmasse der Ansteuerelektronik mitbenutzt, so dass letztere direkt mit der Steckermasse des Anschlusssteckers verbunden ist. Die Direktverbindung zur Masseklemme, in der Fahrzeugelektrik üblicherweise mit Kl. 31 bezeichnet, erfordert somit keinen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand und vermeidet höhere Fertigungskosten und zusätzlichen Bauraumbedarf.The drive device according to the invention for electronically commutated power motors has the advantage that the control electronics are arranged on a printed circuit board and the ground terminal on a punched grid leading to the printed circuit board with punched tracks. The measuring shunt is arranged in a mass interconnect connecting the power ground to the ground terminal and has two shunt taps, of which the shunt tapped toward the power ground via a measuring trace with a first Meßabgriff on the circuit board and lying to the ground terminal second shunt over a second measuring Lelterbahn is connected to a second Meßabgriff on the circuit board, which is contacted directly to the electronics ground of the Ansteuerlektronik. With this constructive embodiment of the invention, the second measuring tap for motor current measurement, which is connected to the ground terminal via the measuring strip, is shared as a low-impedance ground supply line for the electronic ground of the control electronics, so that the latter is connected directly to the plug ground of the plug connector. The direct connection to the ground terminal, in the vehicle electrics usually with Kl. 31 referred, thus requires no additional wiring and avoids higher manufacturing costs and additional space requirements.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.The measures listed in the further claims advantageous refinements and improvements of the device specified in claim 1 are possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Leistungsmasse auf zwei auf der Leiterplatte angeordnete Kontaktpunkte aufgeteilt, die über eine Leiterbahn des Stanzgitters miteinander verbunden sind. Die miteinander verbundenen Anschlüsse eines jeden Paars von Transistoren sind an einem der beiden Kontaktpunkte angeschlossen. Durch diese schaltungstechnische Maßnahme ist die auf der Leiterplatte vorhandene Leistungsmasse auf zwei örtlich sehr kleine Kontaktpunkte beschränkt, so dass von diesen Kontaktpunkten kaum Störstrahlungen auf die anderen elektronischen Bauteile oder elektrischen Verbindungsbahnen auf der Leiterplatte ausgehen.According to an advantageous embodiment of the invention, the power ground is divided into two arranged on the circuit board contact points, which are connected to each other via a conductor track of the stamped grid. The interconnected terminals of each pair of transistors are connected at one of the two contact points. As a result of this circuitry measure, the power ground present on the printed circuit board is limited to two locally very small contact points, so that hardly any interfering radiation emanates from these contact points on the other electronic components or electrical connecting tracks on the printed circuit board.

Zeichnungdrawing

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail in the following description with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:

1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Ansteuern eines elektronisch kommutierten Leistungsmotors, 1 a circuit diagram of a device for driving an electronically commutated power motor,

2 eine schematisierte Darstellung der geometrischen Ausführung der Ansteuervorrichtung in 1. 2 a schematic representation of the geometric design of the drive device in 1 ,

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

Die in 1 im Schaltbild und in 2 schematisiert in ihrer geometrischen Ausführungsform dargestellte Vorrichtung zum Ansteuern eines an Gleichspannung betriebenen, elektronisch kommutierten Leistungsmotors umfasst eine Leiterplatte 11, auf der eine Ansteuerelektronik 12 untergebracht ist, und ein zur Leiterplatte 11 führendes Stanzgitter 13 mit gestanzten Leiterbahnen 14, an dem eine Mehrzahl von Anschlussklemmen 15 ausgebildet ist, die über die Leiterbahnen 14 auf die Leiterplatte 11 geführt und dort von der Ansteuerelektronik 12 kontaktiert sind. Die Anschlussklemmen 15 für den Anschluss- oder Motorstecker, in der Fahrzeugelektrik üblicherweise mit Kl. 30 und Kl. 31 bezeichnet, werden mit dem Pluspotential (U_bat+) bzw. mit dem Minuspotential (U_bat–) der Gleichspannung belegt. Die Anschlussklemme PWM ist ein Steuereingang, über die der Leistungsmotor in seiner Drehzahl stufenlos geregelt wird. An der Anschlussklemme Kl. 15 liegt die Zündung.In the 1 in the diagram and in 2 Schematically illustrated in its geometric embodiment device for driving a DC-powered, electronically commutated power motor comprises a circuit board 11 , on which a control electronics 12 is housed, and one to the circuit board 11 leading punched grid 13 with punched tracks 14 to which a plurality of terminals 15 is formed, which over the conductor tracks 14 on the circuit board 11 guided and there by the control electronics 12 are contacted. The terminals 15 for the connection or motor plug, in the vehicle electrics usually with Kl. 30 and Kl. 31 are designated, with the positive potential (U _{bat +} ) or with the negative potential (U _bat- ) of the DC voltage occupied. The PWM connection terminal is a control input which controls the speed of the power motor. At the terminal Kl. 15 is the ignition.

Von dem mit der Vorrichtung gesteuerten Leistungsmotor ist lediglich die Motor- oder Ankerwicklung 16 dargestellt, die auf ihrer Niederpotentialseite (Low-Side) auf Anschlussklemmen 17 der Leiterplatte 11 kontaktiert ist. An jeder Anschlussklemme 17 ist ein als Low-Side-Schalter ausgebildeter Transistor 20, hier als MOSFET ausgeführt, mit seinem einen Anschluss 201 (Drain) angeschlossen. Die anderen Anschlüsse 202 (Source) der Transistoren 20 sind miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt über eine später noch beschriebene Leiterbahn 141 des Stanzgitters 13. Die Transistoren 20 verbinden damit die einzelnen Wicklungsstränge 19 bzw. Motorinduktivitäten mit der sog. Leistungsmasse PGND (Powerground). Die Transistoren 20 werden von einem Steuermodul 21 gesteuert, so dass die einzelnen Wicklungsstränge 19 der Motorwicklung 16 nacheinander geschaltet werden. Das Steuermodul 21 ist mit dem Steuereingang (Klemme PWM) am Stanzgitter 13 verbunden. Sowohl das Steuermodul 21 als auch weitere, hier nicht dargestellte Elektronikbausteine der Ansteuerelektronik 12 besitzen Masseanschlüsse, die in ihrer Gesamtheit die sog. Elektronikmasse EGND (Electronicground) bilden.Of the device controlled with the power motor is only the motor or armature winding 16 shown on their low-potential side (low-side) on terminals 17 the circuit board 11 is contacted. At each terminal 17 is designed as a low-side switch transistor 20 , here designed as a MOSFET, with its one connection 201 (Drain) connected. The other connections 202 (Source) of the transistors 20 are connected. The connection is made via a later described track 141 of the stamped grid 13 , The transistors 20 connect the individual winding strands with it 19 or motor inductances with the so-called power mass PGND (Powerground). The transistors 20 be from a control module 21 controlled so that the individual winding strands 19 the motor winding 16 be switched one after the other. The control module 21 is connected to the control input (terminal PWM) on the punched grid 13 connected. Both the control module 21 as well as further, not shown here electronic components of the control electronics 12 have ground connections, which in their entirety constitute the so-called electronic ground EGND (Electronic Ground).

Zur Motorsteuerung ist die Messung des Motorstroms erforderlich, wozu ein Messshunt 22 in der die Leistungsmasse PGND mit der Masseklemme Kl. 31 verbindenden Masse-Leiterbahn 141 angeordnet ist. Der Messshunt 22 weist zwei Shuntabgriffe 23 und 24 auf, die über je eine Mess-Leiterbahn 142 mit je einem auf der Leiterplatte 11 angeordneten Messabgriff 25 bzw. 26 verbunden sind. In 1 ist die Mess-Leiterbahn 142, die von dem zur Leistungsmasse PGND hin liegenden Shuntabgriff 23 zu dem ersten Messabgriff 25 führt, mit U_shunt1 bezeichnet und die Mess-Leiterbahn 142, die von dem zur Masseklemme Kl. 31 hin liegenden Shuntabgriff 24 zu dem zweiten Messabgriff 26 führt, mit U_shunt2 bezeichnet.For motor control, the measurement of the motor current is required, including a measuring shunt 22 in which the power ground PGND with the ground terminal Kl. 31 connecting ground trace 141 is arranged. The measuring shunt 22 has two shunt taps 23 and 24 on, each with a measuring trace 142 with one each on the circuit board 11 arranged measuring tap 25 respectively. 26 are connected. In 1 is the measuring trace 142 from the shunt tap towards the power ground PGND 23 to the first measuring tap 25 leads, _labeled U _shunt1 and the measuring trace 142 that from the to the ground terminal Kl. 31 lying shunt tap 24 to the second measuring tap 26 leads, _denoted U _shunt2 .

Um zu vermeiden, dass der von den Transistoren 20 erzeugte hochfrequente Stromrippei, der auf der Leistungsmasse PGND liegt, auf benachbarte Schaltungsteile der Ansteuerelektronik 12 abstrahlt, ist die Elektronikmasse EGND der Ansteuerelektronik 12 unter Umgehung des Messshunts 22 direkt mit der Masseklemme Kl. 31 am Stanzgitter 13 verbunden. Um zusätzlichen Aufwand zu vermeiden wird die Elektronikmasse EGND direkt auf den zweiten Messabgriff 26 kontaktiert und so die Mess-Leiterbahn 142 U_shunt2 zum Shuntabgriff 24 und damit zur Masseklemme Kl. 31 als niederohmige Masseversorgungs-leitung für die Elektronikmasse EGND mitbenutzt.To avoid that from the transistors 20 generated high-frequency Stromrippei, which is located on the power ground PGND, on adjacent circuit parts of the control electronics 12 radiates, the electronic ground EGND of the control electronics 12 bypassing the measuring shunt 22 directly with the ground terminal Kl. 31 at the punched grid 13 connected. To avoid additional effort, the electronic ground EGND is directly connected to the second measuring tap 26 contacted and so the measuring trace 142 U _shunt2 to the shunt tap 24 and thus to the ground terminal Kl. 31 as low-impedance ground supply line for the electronic ground EGND shared.

In 2 ist die räumliche Anordnung von Leiterplatte 11 und Stanzgitter 13 sowie dessen Kontaktierung auf der Leiterplatte 11 schematisch dargestellt. Jeweils ein Paar Transistoren 20 ist auf der linken und rechen Seite der Leiterplatte 11 angeordnet, und die Leistungsmasse PGND ist auf zwei auf der Leiterplatte 11 angeordnete Kontaktpunkte 28 und 29 aufgeteilt, die über eine Leiterbahn 143 des Stanzgitters 14 miteinander verbunden sind. In 2 ist die von der Leiterplatte 11 abgedeckte und daher nicht sichtbare Leiterbahn 143 des Stanzgitters 14 strichliniert eingezeichnet. Durch diese schaltungstechnische Maßnahme ist die auf der Leiterplatte 11 vorhandene Leistungsmasse PGND auf zwei örtlich sehr kleine Kontaktpunkte 28, 29 beschränkt. Zusätzlich sind noch zwei Elektrolytkondensatoren (Elko) 27 dargestellt, die jeweils die Anschlussklemme Kl. 30 mit den 40 Kontaktpunkten 28 und 29 der Leistungsmasse PGND verbinden.In 2 is the spatial arrangement of printed circuit board 11 and punched grid 13 and its contact on the circuit board 11 shown schematically. In each case a pair of transistors 20 is on the left and right side of the circuit board 11 arranged, and the power ground PGND is on two on the circuit board 11 arranged contact points 28 and 29 split that over a conductor track 143 of the stamped grid 14 connected to each other. In 2 is that of the circuit board 11 Covered and therefore not visible trace 143 of the stamped grid 14 drawn in dashed lines. By this circuit engineering measure is on the circuit board 11 existing power ground PGND on two locally very small contact points 28 . 29 limited. In addition there are two electrolytic capacitors (Elko) 27 shown, each of the terminal Kl. 30 with the 40 contact points 28 and 29 connect the power ground PGND.

Claims

Device for driving a DC-powered, electronically commutated power motor, with a power mass (PGND) and an electronics ground (EGND) having control electronics ( 12 ), their power (PGND) via a low-impedance measuring shunt ( 22 ) for the motor current measurement with a connection of the negative potential (U _bat ) of the DC voltage serving _{ground terminal} (Cl. 31 ), the electronic ground (EGND) bypassing the measuring shunt ( 22 ) directly at the ground terminal (Kl. 31 ) flies, characterized in that the control electronics ( 12 ) on a printed circuit board ( 11 ) and the ground terminal (Kl. 31 ) on one to the circuit board ( 11 ) leading punched grid ( 13 ) with punched conductor tracks ( 14 ) is arranged, that the measuring shunt ( 22 ) in one of the power ground (PGND) with the ground terminal (Cl. 31 ) interconnecting ground trace ( 141 ) of the stamped grid ( 13 ) and two shunt taps ( 23 . 24 ), of which the power shunt (PGND) lying first shunt tap ( 23 ) via a measuring track ( 142 ) of the stamped grid ( 13 ) with a first measuring tap ( 25 ) on the circuit board ( 11 ) and to the ground terminal (Kl. 31 ) second shunt tap ( 24 ) via a measuring track ( 142 ) of the stamped grid ( 13 ) with a second measuring tap ( 26 ) on the circuit board ( 11 ) and that the electronic ground (EGND) is directly connected to the second measuring tap ( 26 ) is contacted.

Device according to Claim 1, characterized in that the drive electronics ( 12 ) on the low-potential side (low-side) of the motor winding ( 16 ) arranged transistors ( 20 ), preferably MOSFETs, whose one terminals ( 201 ) each with a winding strand ( 19 ) of the motor winding ( 16 ) and their other connections ( 202 ) and that the power ground (PGND) of the interconnected terminals (PGND) 202 ) of the transistors ( 20 ) and the electronic ground (EGND) of the sum of all other ground connections of the control electronics ( 12 ) is formed.

Apparatus according to claim 2, characterized in that the power ground (PGND) on two on the circuit board ( 11 ) arranged contact points ( 28 . 29 ), which has a conductor track ( 143 ) of the stamped grid ( 14 ) and that in each case the interconnected connections ( 202 ) of a pair of transistors ( 20 ) at one of the contact points ( 28 . 29 ) are connected.