DE102004023713A1

DE102004023713A1 - Verwendung von unidirektionalen FET-Schaltern für elektrische Motor-Auskupplung

Info

Publication number: DE102004023713A1
Application number: DE102004023713A
Authority: DE
Inventors: Darrel A. Ypsilanti Recker; Ivana Ann Arbor Milosavijevic
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2004-12-09
Also published as: US20040228050A1

Abstract

Das System zum Auskuppeln eines Motors (118, 218) weist einen Motor (118, 218) mit einer Mehrzahl von Motorwicklungen (119, 120, 121; 219, 220, 221) und einer Mehrzahl von unidirektionalen Schaltern (154, 156, 158; 272, 274, 276) auf. Der Mehrzahl von unidirektionalen Schaltern (154, 156, 158; 272, 274, 276) entspricht eine in der Anzahl gleiche Zahl an Motorwicklungen (119, 120, 121; 219, 220, 221). Jede Motorwicklung (119, 120, 121; 219, 220, 221) ist in elektrischer Serienverbindung mit einem der unidirektionalen Schalter (154, 156, 158; 272, 274, 276). Eine Gate-Treiberschaltung (133, 212) ist in Verbindung mit jedem der unidirektionalen Schalter (154, 156, 158; 272, 274, 276). Eine Leistungsschaltung (114, 214) ist in Verbindung mit jedem der unidirektionalen Schalter (154, 156, 158; 272, 274, 276).

Description

1.Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf bürstenlose Gleichstrom-Motoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein System und ein Verfahren zum elektrischen Auskuppeln bzw. Ausrücken bzw. Auslösen eines bürstenlosen Gleichstrom-Motors unter Verwendung von unidirektionalen Schaltern, um eine dynamische Bremsstromschleife zu verhindern.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei elektrischen leistungs- bzw. strom-unterstützten Lenk (Electric Power Assist Steering = EPAS)-Anwendungen ist es unerwünscht, den Motor elektrisch auszukuppeln bzw. auszurücken oder anderweitig abzutrennen, so dass unter bestimmten Fehler- bzw. Ausfallbedingungen eine dynamische Bremsstromschleife erzeugt wird, um hierdurch das Lenkrad zu verriegeln bzw. zu blockieren. Bei den meisten Motorsteuer- bzw. -regelanwendungen, einschließlich EPAS, befindet sich die Leistungsschaltung zur Stromversor gung des Motors in Verbindung mit sämtlichen der Motoranschlüsse. Um das Auskuppeln des Motors zu unterstützen, sind einige der Motoranschlüsse selektiv mit der Stromschaltung unter Verwendung mechanischer Relais verbunden.
In typischer Weise wird ein mechanisches Relais in Verbindung mit allen außer einem der Motoranschlüsse vorgesehen. Aufgrund der bidirektionalen Wirkung des mechanischen Relais ist das System gegenüber dynamischen Bremsstromschleifen geschützt, die durch einen Kurzschluss in der Stromschaltung verursacht sind. Jedoch, die Kosten, die Größe bzw. Abmessung, der Leistungsverbrauch und geringe Wärmeableitungs- bzw. Wärmeabstrahlungseigenschaften von mechanischen Relais kann zu höheren Ausfallraten führen, was diese Vorrichtungen unerwünscht macht.
Festkörperrelais können dazu verwendet werden, um mechanische Relais zu ersetzen. Bei der Festkörper-Konfiguration werden zwei unidirektionale Schalter mit entgegengesetzter Polarität in Serie bzw. Reihe verwendet, um die bidirektionalen Stromblockierung eines mechanischen Relais zu erhalten. Die Festkörper-Konfiguration erfordert 2·(N – 1) unidirektionale Schalter, wobei N die Anzahl der Motorwicklungen ist. Jedoch erfordert dies eine große Anzahl von Komponenten in der Schaltung, was die Kompliziertheit und Kosten erhöht.
Im Hinblick auf das Obige ist es offensichtlich, dass eine Notwendigkeit für ein System und ein Verfahren zum elektrischen Auskuppeln bzw. Ausrücken eines bürstenlosen Gleichstrom-Motors unter Verwendung einer weniger komplexen bzw. komplizierten Schaltung vorhanden ist. Vorzugsweise wird der Motor unter Verwendung einer Schaltung ausgekuppelt bzw. ausgerückt, welche weniger Komponenten aufweist, um hierdurch Raum, Kosten und Leistungsverbrauch zu reduzieren.
Demzufolge ist es Aufgabe der Erfindung, in einem servo-unterstützten Lenksystem dynamische Bremsstromschleifen sicher zu verhindern, wobei einfache Maßnahmen ergriffen werden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Um sowohl der obigen Notwendigkeit zu entsprechen, als auch die aufgezählten Nachteile und andere Beschränkungen des Standes der Technik zu überwinden, schafft die vorliegende Erfindung eine vereinfachte Schaltung zum Auskuppeln eines bürstenlosen Gleichstrom-Motors unter Verwendung unidirektionaler Schalter, um eine dynamische Bremsstromschleife zu verhindern. Im Spezifischen sieht die Erfindung eine Leistungs- bzw. Stromschaltung vor, eine Gate-Treiberschaltung und unidirektionale Schalter, die an jeder Motorwicklung angebracht sind, um dynamische Bremsstromschleifen zu verhindern. Unidirektionale Schalter, z.B. Feldeffekttransistoren (FETs), können eine Stromblockierung in nur einer Richtung vorsehen, wenn nicht leitend. Eine unidirektionale Blockierung entsprechend der Erfindung ist ausreichend, um die unerwünschten dynamischen Bremsstromschleifen zu verhindern.
Der Strom, der von einer der Motorwicklungen fließt, muss durch eine andere Motorwicklung zurückgeführt werden, um eine Bremsstromschleife zu erzeugen. Folglich, wenn Strom daran gehindert wird, in die Stromschaltung durch die unidirektionalen Schalter an jeder Wicklung einzutreten, verhindert dies notwendigerweise, dass irgendeine Stromschleife durch die Stromschaltung existiert. Diese Lösung erfordert N unidirektionale Schalter, wobei N die Anzahl der Motorwicklungen ist. Folglich können bei einem 3-Phasen-Motor drei unidirektionale Schalter anstelle der vier unidirektionalen Schalter verwendet werden, die erforderlich sind, um ein mechanisches Relais entsprechend den bekannten Technologien zu replizieren.
Das gleiche Prinzip kann angewendet werden, wenn diese Schalter innerhalb des Motors angeordnet werden, insbesondere, wenn der Motor Y-gewickelt mit einem zentralen bzw. mittleren Verbindungs- bzw. Anschlusspunkt ist. Die unidirektionalen Schalter können zwischen der Wicklung und dem mittleren Anschlusspunkt verbunden werden, um dynamische Strombremsschleifen bzw. Bremsstromschleifen zu verhindern. Weiterhin hindert diese Konfiguration Strombremsschleifen daran, als ein Ergebnis eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den Wicklungen erzeugt zu werden.
Die Vorteile der Verwendung unidirektionaler Schalter entsprechend der vorliegenden Erfindung sind u.a. höhere Zuverlässigkeit, geringere Größe bzw. Abmessung, einfacher Zusammenbau, geringer Leistungsverbrauch und potentiell geringere Kosten.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden für Fachleute aus der nachfolgenden Beschreibung leicht offensichtlich, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Ansprüche, welche beigefügt sind und einen Teil dieser Patentschrift bilden. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Systems nach dem Stand der Technik unter Verwendung mechanischer Relais, um den Motor auszukuppeln;
2 eine schematische Darstellung eines Systems nach dem Stand der Technik unter Verwendung einer 3-Phasen- bzw. Drehstrombrücke, um den Motor auszukoppeln;
3 eine schematische Darstellung eines Systems unter Verwendung unidirektionaler Schalter, um den Motor entsprechend der vorliegenden Erfindung auszukuppeln; und
4 eine schematisches Darstellung eines alternativen Systems, wel ches die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert und unidirektionale Schalter verwendet, die innerhalb des Motors angeordnet sind.
Wenn nunmehr auf 1 Bezug genommen wird, so wird erläutert, dass der Stand der Technik ein System zum Auskuppeln eines elektrischen Motors 18 unter Verwendung einer Steuer- bzw. Regelschaltung 12, einer Leistungs- bzw. Stromschaltung 14 und zweier mechanischer Relais 16, 17 zeigt. Die Stromschaltung 14 ist mit den Motoranschlüssen 28, 32 durch die mechanischen Relais 16, 17 über Leitungen 13 und 15 selektiv verbunden. Die Stromschaltung 14 ist unmittelbar mit einem dritten Motoranschluss 30 durch die Leitung 29 verbunden. Beruhend auf einem Signal von der Steuerschaltung 12 werden die mechanischen Relais 16, 17 die Stromschaltung 14 mit den Motoranschlüssen 28, 32 verbinden. Unter Auskuppeln wird jede Art von Trennen wie z.B. Ausrücken verstanden.
Die mechanischen Relais 16, 17 haben jeweils eine Spule 26, einen normalerweise offenen Kontakt 24 und einen seitlichen Kontakt 22. Die Steuerschaltung 12 kuppelt den Motor 18 durch Erregen der Spulen 26 der Relais 16, 17 ein, um hierdurch die Stromschaltung 14 mit dem normalerweise offenen Kontakt 24 zu verbinden. Wenn auf diese Weise verbunden, fließt über den normalerweise offenen Kontakt 24 der Relais 16, 17 Strom für die Wicklungen 19, 20 durch die Motoranschlüsse 28, 32.
Die Steuerschaltung 12 kuppelt den Motor 18 dadurch aus, dass die Spulen 26 der mechanischen Relais 16, 17 von der Stromversorgung getrennt werden, wodurch die Stromschaltung 14 dazu veranlasst wird, mit dem seitlichen Kontakt 22 verbunden zu werden. Wenn die Stromschaltung 14 mit dem seitlichen Kontakt 22 der Relais 16 und 17 verbunden ist, kann kein Strom zwischen der Stromschaltung 14 und den Wicklungen 19, 21 fließen, um eine Strombremsschleife durch die Stromschaltung 14 zu bilden. Selbst wenn der Motoranschluss 30 und die Wicklung 20 noch mit der Stromschaltung 14 entlang der Leitung 29 verbunden sind, kann die Bremsstromschleife aufgrund des offenen Zustands der anderen Motoranschlüsse 28, 32 nicht erzeugt werden, welche mit den Wicklungen 19, 21 verbunden sind. Bei keinem Rückkehrpfad, um eine Strombremsschleife durch die Wicklung 19 oder die Wicklung 21 zu vervollständigen, wird das System den Motor auskuppeln, ohne eine Bremsstromschleife zu erzeugen.
Wenn nunmehr auf 2 Bezug genommen wird, so wird erläutert, dass der Stand der Technik ebenfalls ein Ersetzen der mechanischen Relais 16, 17 nach 1 durch Festkörper-Relais 42, 44 kennt. Bei dieser Konfiguration ist ein Festkörper-Relais 42 zwischen der Stromschaltung 14 und dem Motoranschluss 28 vorgesehen. In ähnlicher Weise ist ein zweites Festkörper-Relais 44 zwischen der Leistungs- bzw. Stromschaltung 14 und dem Motoranschluss 32 vorhanden. Eine Gate-Treiberschaltung 33 erregt den Motor 18 mit Strom dadurch, dass ein Signal zu den Festkörper-Relais 42, 44 geschickt wird, welcher die Festkörper-Relais dazu veranlasst, jeweils durch die Leitungen 13 und 15 zwischen der Stromschaltung 14 und den Motoranschlüssen 28 und 32 zu leiten.
Das Festkörper-Relais 42 weist ein Paar Feldeffekttransistoren 34, 36 auf, die in entgegengesetzter Polarität verbunden sind. In ähnlicher Weise weist das Festkörper-Relais 44 ebenfalls ein Paar Feldeffekttransistoren 38, 40 auf, die in entgegengesetzter Polarität verbunden sind. Wenn der Feldeffekttransistor 34 nicht leitend ist, blockiert die Diode 46 des Feldeffekttransistors 34 den Strom, er kann nicht durch die Wicklung 19 zu der Stromschaltung 14 fließen. Umgekehrt, wenn der FET 36 nicht leitend ist, hindert die Diode 48 irgendeinen Strom am Fließen von der Stromschaltung 14 zu der Wicklung 19. Die Kooperation der Diode 46 und der Diode 48 erzeugt eine bidirektionale Blockierung des Stromflusses, wenn die FETs 34 und 36 nicht leitend sind. In ähnlicher Weise hindert die Diode 50 des Feldeffekttransis tors 38 irgendeinen Strom daran, von der Wicklung 21 zu der Stromschaltung 14 zu fließen, wenn die FETs 38 und 40 nicht leitend sind, während die Diode 52 des Feldeffekttransistors 40 irgendeinen Strom daran hindert, von der Stromschaltung 14 zu der Wicklung 21 zu fließen. Daher wirken die Feldeffekttransistor-Paare 34, 36 und 38, 40 als bidirektionale Schalter, welche die gleiche Wirkung wie mechanische Relais ergeben, um dynamische Bremsstromschleifen zu verhindern.
Wenn nunmehr auf 3 Bezug genommen wird, so wird hierin eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Ein System 100 entsprechend der vorliegenden Erfindung sieht eine Stromschaltung 114, eine Gate-Treiberschaltung 133 und unidirektionale Schalter 154, 156, 158 jeweils in Serien- bzw. Reihenverbindung mit jeder der Motorwicklungen 119. 120. 121 vor. Die Gate-Treiberschaltung 133 erregt den Motor 118 bzw. versorgt den Motor 118 mit Strom dadurch, dass ein Signal zu den unidirektionalen Schaltern 154, 156, 158 geliefert wird, wodurch diese dazu veranlasst werden, zwischen der Stromschaltung 114 und den Motoranschlüssen 128, 130, 132 zu leiten. Dies führt zu der Stromversorgung der Wicklungen 119, 120, 121. Um den Motor 118 auszukuppeln, liefert die Gate-Treiberschaltung 133 ein Signal zu den unidirektionalen Schaltern 154, 156, 158, um die unidirektionalen Schalter 154, 156, 158 dazu zu veranlassen, nicht mehr zu leiten. Die unidirektionalen Schalter 154, 156, 158 sind sämtlich in der gleichen Polarität relativ zu den Motorwicklungen 119, 120, 121 orientiert.
Wie ein Fachmann erkennen wird, sind Variationen bzw. Änderungen der Stromschaltung 114 und der Gate-Treiberschaltung 133 im allgemeinen für EPAS-Systeme verfügbar. Die Stromschaltung 114 kann beispielsweise unter Verwendung einer bekannten 3-Phasen-Brücke oder eines Strominverters ausgeführt werden. In ähnlicher Weise kann die Gate-Treiberschaltung 133 unter Verwendung von im Handel erhältlichen, integrierten Schaltungen ausgeführt werden.
Bei der Konfiguration dieser Erfindung sind die unidirektionalen Schalter 154, 156, 158 ausreichend, um eine dynamische Bremsstromschleife zu verhindern. Für eine dynamische Bremsstromschleife ist es notwendig, dass der von einer der Motorwicklungen fließende Strom durch eine andere Motorwicklung zurückkehren kann. Folglich, wenn Strom daran gehindert wird, in die Stromschaltung 114 durch die unidirektionalen Schalter 154, 156, 158 an jeder Wicklung 119, 120, 121 einzutreten, verhindert dies notwendigerweise, dass irgendeine Stromschleife durch die Stromschaltung 114 existiert. Diese Lösung erfordert N unidirektionale Schalter, wobei N die Anzahl der Motorwicklungen bzw. -leitungszweige ist. Folglich müssen bei einem 3-Phasen-Motor nur drei unidirektionale Schalter (anstelle der vier unidirektionalen Schalter, die erforderlich sind, um ein mechanisches Relais zu replizieren) verwendet werden.
Die unidirektionalen Schalter 154, 156, 158 sind so veranschaulicht, dass sie Feldeffekttransistoren 160, 162, 164 aufweisen. Wenn die Feldeffekttransistoren nicht leitend sind, verhindert die Diode 166 des Feldeffekttransistors 160, dass irgendein Strom von der Wicklung 119 zu der Stromschaltung 114 entlang der Leitung 113 fließt. In ähnlicher Weise verhindert die Diode 168 des Feldeffekttransistors 162, dass irgendein Strom von der Wicklung 120 zu der Stromschaltung 114 fließt, während die Diode 170 des Feldeffekttransistors 164 verhindert, dass irgendein Strom von der Wicklung 121 zu der Stromschaltung 114 entlang der Leitung 115 fließt. Da es keinem Strom erlaubt wird, von irgendeiner der Wicklungen 119, 120, 121 zu der Stromschaltung 114 zu fließen, kann eine dynamische Bremsstromschleife durch die Stromschaltung 114 nicht gebildet werden.
Eine zusätzliche Ausführungsform eines Systems 200 entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in 4 veranschaulicht. Bei diesem System 200 können unidirektionale Schalter 272, 274, 276 zwischen den Wicklungen 219, 220, 221 und einem Mittelanschluss 278 eines 3-Phasen-Y-gewickelten Motors 218 verbunden sein. Die unidirektionalen Schalter 272, 274, 276 weisen sämtlich die gleiche Polarität relativ zu den Wicklungen 219, 220, 221 auf. Bei dieser Konfiguration verhindern die unidirektionalen Schalter 272, 274, 276 eine dynamische Bremsstromschleife dadurch, dass kein Strom von den Wicklungen 219, 220, 221 zu dem mittleren Kontakt 278 fließen kann. Das Verbinden der Feldeffekttransistoren 274, 272, 276 zwischen den Wicklungen 219, 220, 221 weist ebenfalls den Vorteil auf, zu verhindern, dass eine Bremsstromschleife gebildet wird, wenn ein elektrischer Kurzschluss zwischen zwei der Wicklungen 219, 220, 221 auftritt.
Die obigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können zusätzliche Ausbildungen annehmen, z.B. können die Feldeffekttransistoren durch andere unidirektionale Schalter ersetzt werden. In ähnlicher Weise kann die Polarität sämtlicher der unidirektionalen Schalter umgekehrt werden, um zu verhindern, dass irgendein Strom in einer Richtung entgegengesetzt zu der oben beschriebenen Richtung fließt.
Wie ein Fachmann leicht erkennen wird, bedeutet die obige Beschreibung eine Veranschaulichung bzw. Erläuterung einer Ausführung der Prinzipien dieser Erfindung. Diese Beschreibung besitzt nicht die Absicht, den Umfang oder die Anwendung dieser Erfindung zu beschränken, insofern, als die Erfindung für Modifikation, Variation und Änderung empfänglich ist, ohne von dem Gedanken dieser Erfindung abzuweichen, wie in den folgenden Ansprüchen definiert.

Claims

System zum Auskuppeln eines Motors (118, 218), wobei das System (100, 200) aufweist: – einen Motor (118, 218) mit einer Mehrzahl von Motorwicklungen (119, 120, 121; 219, 220, 221); – eine Mehrzahl von unidirektionalen Schaltern (154, 156, 158; 272, 274, 276), wobei die Mehrzahl von unidirektionalen Schaltern (154, 156, 158; 272, 274, 276) in der Anzahl gleich der Anzahl der Motorwicklungen (119, 120, 121; 219, 220, 221) ist und wobei sich jede Motorwicklung (119, 120, 121; 219, 220, 221) in elektrischer Serienverbindung mit einem der unidirektionalen Schalter (154, 156, 158; 272, 274, 276) befindet; – eine Gate-Treiberschaltung (133, 212) in Verbindung mit jedem der unidirektionalen Schalter (154, 156, 158; 272, 274, 276); und – eine Leistungsschaltung (114, 214) in Verbindung mit jedem der unidirektionalen Schalter (154, 156, 158; 272, 274, 276).
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der unidirektionalen Schalter (154, 156, 158; 272, 274, 276) so gerichtet ist, dass er Strom daran hindert, aus jeder der Motorwicklungen (119, 120, 121; 219, 220, 221) zu fließen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der unidirektionalen Schalter (154, 156, 158; 272, 274, 276) so gerichtet ist, dass er Strom daran hindert, in jede der Motorwicklungen (119, 120, 121; 219, 220, 221) zu fließen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder unidirektionalen Schalter (154, 156, 158; 272, 274, 276) einen Feldeffekttransistor (160, 162, 164; 272, 274, 276) aufweist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor (160, 162, 164) eines jeden aus der Mehrzahl der unidirektionalen Schalter (154, 156, 158) ein Gate, eine Source und einen Drain aufweist, wobei das Gate in Verbindung mit der Gate-Treiberschaltung (133) ist, die Source in Verbindung mit der Leistungsschaltung (114) ist und der Drain in Verbindung mit einer der Motorwicklungen von der Mehrzahl der Motorwicklungen (119, 120, 121) ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (118, 218) einen Mittelanschluss (278) aufweist, und dass jeder der unidirektionalen Schalter (272, 274, 276) zwischen einer Motorwicklung von der Mehrzahl der Motorwicklungen (219, 220, 221) und dem Mittelanschluss (278) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (118, 218) ein bürstenloser Elektromotor ist und/oder dass das System ein elektrisch Servo unterstütztes Lenksystem (EPAS) ist.
System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor (272, 274, 276) eines jeden von der Mehrzahl der unidirektionalen Schalter (272, 274, 276) ein Gate, eine Source und einen Drain aufweist, wobei das Gate in Verbindung mit der Gate-Treiberschaltung (212) ist, die Source in Verbindung mit dem Mittelanschluss (278) ist und der Drain in Verbindung mit einer Motorwicklung von der Mehrzahl von Motorwicklungen (219, 220, 221) ist.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor eines jeden von der Mehrzahl der unidirektionalen Schalter (272, 274, 276) ein Gate, eine Source und einen Drain aufweist, wobei das Gate in Verbindung mit der Gate-Treiberschaltung (212) ist, die Source in Verbindung mit einer Motorwicklung von der Mehrzahl von Motorwicklungen (219, 220, 221) ist und der Drain in Verbindung mit dem Mittelanschluss (278) ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldeffekttransistoren (160, 162, 164; 272, 274, 276) jeweils eine Diode (166, 168, 170) aufweisen, insbesondere dass deren Kathode mit einer Motorwicklung (119, 120, 121; 219, 220, 221) direkt verbunden ist.