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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Motorsystem mit einem kommutierten Gleichstrommotor, der mit Hilfe eines pulsweitenmodulierten Signals angesteuert wird, insbesondere ein Motorsystem zum Betreiben einer elektrischen Schließvorrichtung an einem Kraftfahrzeug, wie z. B. einen elektrischen Fensterheber. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines solchen Motorsystems.
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Stand der Technik
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Herkömmliche Antriebssysteme für Schließvorrichtungen an einem Kraftfahrzeug sehen eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung eines Gleichstrommotors vor, um diesen in verschiedenen Leistungsstufen zu betreiben. Die pulsweitenmodulierte Ansteuerung sieht vor, im periodischen Wechsel eine Versorgungsspannung während einer ersten Zeitdauer an den Gleichstrommotor anzulegen und an den Gleichstrommotor während einer zweiten Zeitdauer keine Spannung anzulegen. Ein Tastverhältnis, d. h. die Länge der ersten Zeitdauer im Verhältnis zur gesamten Periodendauer des pulsweitenmodulierten Signal gibt die Leistungsstufe an, mit der der Gleichstrommotor betrieben werden soll.
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Der Gleichstrommotor ist mit einer das pulsweitenmodulierte Signal bereitstellenden Ansteuerschaltung über einen Umschalttreiber zum Umschalten der Polarität der Ansteuerung des Gleichstrommotors verbunden. Der Umschalttreiber weist in der Regel Freilaufdioden auf, z. B. in Form einer Schottky-Diode, einer Supressordiode und dergleichen, die jeweils abhängig von Schaltzuständen zwischen dem Gleichstrommotor und der ansteuernden Versorgungsspannung in Sperrrichtung gepolt sind. Die Freilaufdiode, dient in der Regel dazu, Überspannungen bei Schaltvorgängen aufgrund der induktiven Last einer Wicklung des Gleichstrommotors abzubauen. Liegt während der zweiten Zeitdauer keine Spannung an dem Gleichstrommotor an, so generiert der Gleichstrommotor aufgrund seiner Bewegung eine Generatorspannung, die bezüglich der Versorgungsspannung ein umgekehrtes Vorzeichen hat. Die Generatorspannung führt zu einem Stromfluss durch die mit den Anschlüssen des Gleichstrommotors verbundene Freilaufdiode und verhindert dadurch den Aufbau einer hohen Sperrspannung an Leistungshalbleiterschaltern der Ansteuerschaltung.
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Insbesondere soll die Freilaufdiode die Leistungstransistoren der Ansteuerschaltung vor dem Anlegen einer Durchbruchsspannung schützen. Findet nämlich kein weiterer Stromfluss zum Abbau der Generatorspannung statt, so steigt die über den Leistungshalbleiterschaltern in Sperrrichtung gepolte Generatorspannung an und kann zu einem so genannten Lawinendurchbruch führen. Dieser belastet die Leistungshalbleiterschalter erheblich aufgrund der damit verbundenen Wärmeentwicklung und kann zur Zerstörung der Leistungshalbleiterschalter führen.
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Bei Verwendung der Freilaufdiode rezirkuliert jedoch der Stromfluss durch die Freilaufdiode die Energie durch den Gleichstrommotor. Soll aufgrund eines Einklemmschutzes der Gleichstrommotor jedoch sehr schnell gestoppt bzw. reversiert werden, so muss diese Energie zunächst abgebaut werden, bevor der Gleichstrommotor durch Umschalten des Umschalttreibers in gegenläufiger Richtung angesteuert werden kann, um den Einklemmzustand zu beenden. Darüberhinaus hat der Stromfluss durch die Freilaufdiode zur Folge, dass dieser Strom nicht durch einen Stromsensor in der Zuleitung zu dem Gleichstrommotor fließt, so dass eine sensorlosem, auf einer Auswertung des Stromflusses basierende Positionserkennung des Gleichstrommotors nicht oder nur ungenau durchgeführt werden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Motorsystem mit einem Gleichstrommotor zur Verfügung zu stellen, das schnell abgeschaltet werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Motorsystems zur Verfügung zu stellen, mit dem gewährleistet ist, dass Energie des Gleichstrommotors vor einem Umpolen des Gleichstrommotors nicht in den Motorwicklungen rezirkuliert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Motorsystem gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt ist ein Motorsystem, insbesondere für eine elektrische Schließvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen. Das Motorsystem umfasst:
- – einen Gleichstrommotor;
- – eine Ansteuerschaltung, die einen Leistungshalbleiterschalter aufweist und ausgebildet ist, um eine Ansteuerspannung für den Gleichstrommotor abhängig von einem Steuersignal bereitzustellen;
- – eine Steuereinheit zum Bereitstellen des Steuersignals zum Ansteuern der Ansteuerschaltung gemäß einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung, wobei während einer ersten Zeitdauer einer Periodendauer die Versorgungsspannung an den Gleichstrommotor angelegt wird und während einer zweiten Zeitdauer der Periodendauer keine Spannung von der Ansteuerschaltung an den Gleichstrommotor bereitgestellt wird;
wobei die Ansteuerschaltung mit dem Gleichstrommotor so gekoppelt ist, dass ein während der zweiten Zeitdauer von dem Gleichstrommotor erzeugter Generatorstrom durch die Ansteuerschaltung abfließt.
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Eine Idee der Erfindung besteht darin, bei einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung während der zweiten Zeitdauer, bei der keine Spannung an den Gleichstrommotor angelegt ist, die durch die Bewegung eines Läufers des Gleichstrommotors erzeugte Generatorspannung über die Ansteuerschaltung auf die Versorgungsleitungen abzuführen. Dies erfolgt dadurch, dass die Ansteuerschaltung so dimensioniert ist, dass die Generatorspannung die Durchbruchsspannung einer intrinsischen Diode eines in der Ansteuerschaltung vorgesehenen Leistungshalbleiterschalters übersteigt und so einen Stromfluss in Sperrrichtung der Leistungshalbleiterschalter auf die Versorgungsspannungsleitung bewirkt. Das Überschreiten der Durchbruchsspannung führt zu einem Lawinendurchbruch über in Sperrrichtung gepolte pn-Übergänge in dem Leistungshalbleiterschalter, so dass die Energie in dem Gleichstrommotor langsam über den Leistungshalbleiterschalter abgeführt wird. Dies führt zu reduzierten Störungen auf den Versorgungsleitungen, so dass der Aufwand für etwaige EMV-Filter verringert werden kann.
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Bei einem solchen Motorsystem kann also die Motorgeschwindigkeit erheblich während der Ausschaltzeiten der pulsweitenmodulierten Ansteuerung reduziert werden, weil die mechanische Energie, die in dem Gleichstrommotor gespeichert ist, als Wärme über den Leistungshalbleiterschalter abgeführt wird. Weiterhin kann ein Stromsensor zur Ermittlung einer Positionsinformation durch eine Auswertung eines Stromverlaufs auf den Versorgungsleitungen verwendet werden, da die Positionsinformation nicht aufgrund eines rezirkulierten Stroms durch eine etwaige, mit den Motoranschlüssen verbundene Freilaufdiode verloren geht. D. h. das Motorsystem gewährleistet, dass der gesamte Strom, der durch den Gleichstrommotor fließt, auch über die Ansteuerschaltung fließt.
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Ein solches Motorsystem eignet sich sehr für die Verwendung bei elektrischen Schließvorrichtungen in einem Kraftfahrzeug, da besonders schnell ein möglicher Einklemmzustand beendet werden kann, indem bei Erkennen eines Einklemmzustands der Gleichstrommotor schnell angehalten wird und gegebenenfalls reversiert wird.
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Weiterhin kann eine Umschalteinheit zum Verbinden des Gleichstrommotors mit der Ansteuerspannung und zum Festlegen einer Polarität des Anlegens der Ansteuerspannung an den Gleichstrommotor vorgesehen sein. Die Umschalteinheit ermöglicht es, den Gleichstrommotor für beide Drehrichtungen anzusteuern.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Ansteuerschaltung einen Stromsensor, insbesondere einen Widerstand, aufweisen, um eine von einem Strom durch die Ansteuerschaltung abhängige elektrische Größe, insbesondere eine Meßspannung, zu generieren, wobei die Steuereinheit weiterhin ausgebildet ist, um eine Angabe über die elektrische Größe zu erfassen.
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Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um anhand der elektrischen Größe eine Rotorlageposition des Gleichstrommotors zu detektieren.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung einen Leistungshalbleiterschalter, insbesondere einen MOSFET, aufweist, wobei die Ansteuerspannung zwischen einem Anschluss des Leistungshalbleiterschalters und einem Versorgungspotenzial anliegt.
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Der Leistungshalbleiterschalter kann so dimensioniert sein, dass er eine Durchbruchspannung für einen Lawinendurchbruch aufweist, die kleiner ist eine von dem Gleichstrommotor generierbare Gleichspannung.
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Weiterhin kann parallel zu dem Leistungshalbleiterschalter eine Diode, insbesondere eine Zener-Diode, mit einer vorbestimmten Durchbruchsspannung, insbesondere einer Zener-Durchbruchsspannung, angeordnet sein, so dass bei Überschreiten der Durchbruchsspannung während der zweiten Zeitdauer ein Generatorstrom durch die Ansteuerschaltung fließt. Durch Vorsehen der Diode kann der Leistungshalbleiterschalter gegenüber dem Stromfluss während des Lawinendurchbruchs geschützt werden, da der Strom ganz oder teilweise durch die Diode fließt.
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Insbesondere kann die Durchbruchspannung gleich oder kleiner sein als die Durchbruchspannung für einen Lawinendurchbruch der Leistungshalbleiterschalter.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Motorsystem zum Betreiben eines Gleichstrommotors gemäß einer Ausführungsform;
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2 ein modifiziertes Motorsystem zum Betreiben eines Gleichstrommotors gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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3 ein Diagramm zur schematischen Darstellung des Stroms durch den Leistungshalbleiterschalter und einer Spannung über einem Widerstand zur Verdeutlichung des Lawinendurchbruchs.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Gleichstrommotor 2, der über einen Umschalttreiber 3 mit einer Ansteuerschaltung 4 elektrisch angesteuert wird. Der Gleichstrommotor 2 ist ein mechanisch kommutierter Gleichstrommotor mit einer Wicklung, die bestromt wird, um ein Drehmoment bereitzustellen.
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Die Ansteuerschaltung 4 umfasst einen Leistungshalbleiterschalter 5 und einen Widerstand 6, mit dessen Hilfe einerseits der Stromfluss durch den Leistungshalbleiterschalter 5 und durch den Gleichstrommotor 2 begrenzt werden kann und der andererseits als Messwiderstand dient, um den Strom durch die Ansteuerschaltung zu messen. Im Detail ist ein erster Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 mit dem Umschalttreiber 3 und ein zweiter Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 mit einem ersten Anschluss des Widerstands 6 verbunden. Ein zweiter Anschluss des elektrischen Widerstands 6 ist mit einem niedrigen Versorgungspotential VL, insbesondere einem Massepotential, verbunden.
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Der Umschalttreiber 3 weist einen Umschalter 7 auf, der beispielsweise als ein mechanisches oder elektronisches Relais ausgebildet sein kann. Der Umschalter 7 verbindet in einer ersten Schaltstellung einen ersten Motoranschluss A des Gleichstrommotors 2 mit dem ersten Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 und einen zweiten Motoranschluss B mit einem hohen Versorgungspotential VH. In einer zweiten Schaltstellung verbindet der Umschalter 7 den zweiten Motoranschluss B mit dem ersten Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 und den ersten Motoranschluss A mit dem hohen Versorgungspotential VH.
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Der Leistungshalbleiterschalter 5 kann beispielsweise als MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor) oder als Thyristor, IGBT und dergleichen ausgebildet sein. MOSFETs sind im Wesentlichen durch zwei voneinander durch einen Kanalbereich getrennte Halbleiterbereiche (Source, Drain) ausgebildet, wobei die Halbleiterbereiche mit einem Dotierstoff dotiert sind, der entweder einen Ladungsträgerüberschuss oder einen Ladungsträgermangel aufweist, während der Kanalbereich entsprechend entgegengesetzt dotiert ist. Nahe dem Kanalbereich ist eine Steuerelektrode (Gate) isoliert angeordnet, wobei durch Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode Ladungsträger in den Kanalbereich gezogen oder aus diesem entfernt werden, so dass sich die Leitfähigkeit zwischen den Halbleiterbereichen ändert. Zwischen dem Kanalbereich und jedem der Halbleiterbereiche besteht somit ein PN-Übergang, der intrinsische Diode genannt wird. Die intrinsischen Dioden haben die Eigenschaft, dass bei einer über den Halbleiterbereichen anliegenden Spannung, die eine bestimmte Höhe übersteigt, ein Durchbruch erfolgt, bei dem ein hoher Strom in Sperrrichtung des PN-Übergangs fließt. Dieser Effekt wird auch Lawinendurchbruch genannt. Die Durchbruchsspannung, ab der dieser Lawineneffekt auftritt, kann durch geeignete Dimensionierung des MOSFETs in bekannter Weise eingestellt werden.
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Es ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die den Leistungshalbleiterschalter 5 über einen entsprechenden Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 ansteuert. Die Ansteuerung kann in Form einer Pulsweitenmodulation erfolgen, bei der eine im Wesentlichen periodische Schaltabfolge vorgesehen ist. Die Periodendauer einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung ist im Wesentlichen konstant und sieht vor, dass an den Gleichstrommotor 2 während einer ersten Zeitdauer eine Versorgungsspannung UV, die zwischen dem hohen Versorgungspotenzial VH und dem niedrigen Versorgungspotenzial VL anliegt, angelegt wird und dass während einer zweiten Zeitdauer, die der restlichen Zeitdauer bis zum Ablauf der Periodendauer entspricht, keine Spannung an den Gleichstrommotor 2 angelegt wird, d. h. der Ausgangsknoten der Ansteuerschaltung 4, der dem ersten Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 entspricht, ist weder mit dem hohen Versorgungspotential VH noch mit dem niedrigen Versorgungspotential VL verbunden. Man nennt diesen Zustand des mit dem entsprechenden Motoranschluss verbundenen Anschlusses der Ansteuerschaltung 4 dann auch floatend.
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Zum Betreiben des Gleichstrommotors 2 in einer Bewegungsrichtung (Drehrichtung) wird eine Schaltstellung des Umschalttreibers 3 ausgewählt und der Leistungshalbleiterschalter 5 mit Hilfe der Steuereinheit 10 mit einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung angesteuert. Die pulsweitenmodulierte Ansteuerung ermöglicht es, durch Wählen des Tastverhältnisses den Gleichstrommotor 2 mit einer bestimmten Leistung anzusteuern. Eine Angabe zur bestimmten Leistung kann entweder extern oder durch die Steuereinheit 10 vorgegeben werden. Die Steuereinheit 10 ermittelt weiterhin das der bestimmten Leistung entsprechende Tastverhältnis.
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Der Widerstand 6 kann zur Messung des Motorstroms verwendet werden, beispielsweise um anhand des Stromflusses auf die Position eines Läufers (Rotors) des Gleichstrommotors 2 zu schließen. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem Stromripple eines durch den Widerstand 6 fließenden Stroms ausgewertet werden. Um aus dem Stromverlauf durch den Widerstand 6 auf die Position des Rotors des Gleichstrommotors 2 zu schließen, ist es notwendig, dass im Wesentlichen der größte Teil des durch den Gleichstrommotor 2 fließenden Stroms durch den Messwiderstand 6 fließt.
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Bei bisherigen Lösungen ist zwischen den Motoranschlüssen A und B jeweils eine Freilaufdiode vorgesehen, um während den zweiten Zeitdauern der pulsweitenmodulierten Ansteuerung einen durch die Drehung des Gleichstrommotors 2 bewirkten Generatorstrom abzuleiten. Dieser Strom wird somit durch den Gleichstrommotor 2 zirkuliert und fließt nicht über den Widerstand 6. Dadurch wird eine Positionserfassung einer Position des Rotors des Gleichstrommotors 2 erschwert bzw. entsprechend ungenau.
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Es ist daher alternativ vorgesehen, dass der während den zweiten Zeitdauern der pulsweitenmodulierten Ansteuerung generierte Generatorstrom durch den Widerstand 6 fließt. Dazu ist vorgesehen, dass zwischen dem mit der Ansteuerschaltung verbundenen Motoranschluss A, B (je nach Schaltzustand) und dem hohen Versorgungspotential VH kein weiteres stromführendes Element vorgesehen ist, durch das ein von dem Gleichstrommotor 2 generierter Generatorstrom so abgeleitet werden kann, dass dieser nicht durch den Widerstand 6 fließt. Vorzugsweise ist parallel zu dem Leistungshalbleiterschalter 5 in dieser Ausführungsform kein weiteres Bauelement geschaltet. Stattdessen ist der Leistungshalbleiterschalter 5 so dimensioniert, dass eine Generatorspannung, die sich während der zweiten Zeitdauer aufgrund der Bewegung des Rotors des Gleichstrommotors 2 aufbaut, die Durchbruchsspannung in Sperrrichtung übersteigt und dadurch einen Stromfluss durch den Leistungshalbleiterschalter 5 bewirkt, durch den die Generatorspannung des Gleichstrommotors 2 langsam abgebaut wird und ein entsprechender Strom durch den Widerstand 6 fließt.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform des Motorsystems 1 dargestellt. Bei dem Motorsystem der 1 wird die während der zweiten Zeitdauer vom Gleichstrommotor bereitgestellte Energie über den Leistungshalbleiterschalter 5 abgeleitet. Dies kann zu einer starken Wärmeentwicklung führen. Um die Wärmeentwicklung in dem Leistungshalbleiterschalter 5 zu reduzieren, kann alternativ vorgesehen sein, dem Leistungshalbleiterschalter 5 eine Zenerdiode 11 parallel zu schalten, die eine in Sperrrichtung anliegende Spannung durch den Widerstand 6 ableiten kann. Im Detail sind der erste Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 mit einem Kathodenanschluss der Zenerdiode 11 und der zweite Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 mit einem Anodenanschluss der Zenerdiode 11 verbunden. Dadurch kann der Leistungshalbleiterschalter 5 entlastet werden und insbesondere die darin erzeugte Wärme reduziert werden, da ein Teil des während des Lawinendurchbruchs durch den Leistungshalbleiterschalter 5 fließenden Stroms durch die Zenerdiode 11 abgeleitet wird. Die Sperrspannung bzw. Durchbruchsspannung der Zenerdiode 11 ist vorzugsweise so gewählt, dass sie gleich oder geringer ist als die Durchbruchsspannung des zugehörigen Leistungshalbleiterschalters 5.
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In 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichen des Verlaufs zwischen dem Spannungsabfall U über dem Widerstand 6 und dem Motorstrom I durch die Ansteuerschaltung über der Zeit t dargestellt. Das Diagramm zeigt während einer Periodendauer schematisch die Verläufe während der ersten Zeitdauer Z1 und während der zweiten Zeitdauer Z2. Der Anstieg der Spannung U über dem Messwiderstand während der zweiten Zeitdauer Z2 ist auf die Verringerung des Widerstands des Leistungshalbleiterschalters 5 im Zustand des Lawinendurchbruchs zurückzuführen.
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Durch das Weglassen eines stromführenden Elements zwischen den Motoranschlüssen A, B und einem der Versorgungspotentiale VH, VL kann die Motordrehzahl erheblich reduziert werden, weil die in dem Gleichstrommotor 2 gespeicherte mechanische Energie als Wärme über den Leistungshalbleiterschalter 5 bzw. über die entsprechende Zener-Diode 11 abgeleitet wird. Dabei fließt der Motorstrom I auch während der zweiten Zeitdauer der Pulsweitenmodulation durch den Widerstand 6. Dadurch wird gewährleistet, dass die in dem Stromverlauf enthaltene Positionsinformation des Gleichstrommotors 2 nicht verloren geht.
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Bei einer erheblich reduzierten Drehzahl des Gleichstrommotors 2 wird der Gleichstrommotor 2 mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert, die ein geringeres Tastverhältnis aufweist. Die Drehzahl wird reduziert, z. B. wenn festgestellt werden soll, ob ein Einklemmzustand vorliegt. Wenn die Drehzahl des Gleichstrommotors 2 reduziert ist, kann das Tastverhältnis weiter reduziert werden. Die reduzierte Drehzahl in Verbindung mit dem niedrigeren Tastverhältnis reduziert das durch den Gleichstrommotor 2 bereitgestellte Drehmoment, indem die Zeit, während der Wicklungen bestromt werden, begrenzt wird.
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Insbesondere bei einer Anwendung bei elektrischen Fensterhebern ist die Reduzierung des Drehmoments gefordert, während festgestellt werden soll, ob ein vermuteter Einklemmfall, bei dem ein Objekt zwischen einem Schließelement (Fensterscheibe) und einer Kante (Fensterrahmen) während einer Schließbewegung eingeklemmt wird, vorliegt oder nicht. Der Einklemmfall kann beispielsweise vermutet werden, wenn ein Anstieg des Motorstroms festgestellt wird oder wenn festgestellt wird, dass sich die Drehzahl des Gleichstrommotors 2 verringert hat. Um sicherzustellen, dass ein Einklemmfall tatsächlich vorliegt, kann durch das verringerte Tastverhältnis, wodurch die zweite Zeitdauer größer ist, die für das Detektieren der Position des Gleichstrommotors 2 zur Verfügung stehende Zeit erhöht werden.
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Allgemein ergibt sich bei obigem Motorsystem somit eine deutlich größere Zeitspanne für die Steuereinheit 10 zum Sensieren der Position des Gleichstrommotors 2 durch Auswerten des Stromflusses über den Widerstand 6. Weiterhin ist eine deutliche Reduzierung der elektromagnetischen Störstrahlung über die Zuleitungen des Motorsystems erreichbar.
