DE102010003527A1

DE102010003527A1 - Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102010003527A1
Application number: DE201010003527
Authority: DE
Inventors: Thomas Wagner; Dieter Thoss; Andreas Merker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06
Also published as: CN102812630A; EP2553801A2; US20130088178A1; CN102812630B; WO2011120816A3; WO2011120816A2; US9030138B2; JP2013524750A

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und eine Schaltungsanordnung (100) zum Ansteuern eines Elektromotors beschrieben. Dabei sind in einem Signalauswertemodul (110) eine Anzahl von Ausgabemustern (130) abgelegt, wobei ein Eingabemuster (125) vorgegeben wird und in Abhängigkeit des Eingabemusters (125) eines der Ausgabemuster (130) ausgegeben wird, mit dem der Elektromotor angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
In der Fahrzeugtechnik werden immer häufiger Elektromotoren für verschiedene Aggregate, wie bspw. Kraftstoffpumpen oder Ölpumpen, eingesetzt. Für diese Antriebe werden üblicherweise sogenannte BLDC-Motoren (Brushless DC: bürstenlose Gleichstrommaschinen) eingesetzt. Diese Motoren sind robust und arbeiten nahezu verschleißfrei.
Es gibt unterschiedliche Varianten bei BLDC-Motoren, so sind bspw. Motoren mit einer sogenannten Blockkommutierung-Ansteuerung bekannt. Für die Ansteuerung der Motoren ist dabei eine 3-Phasen-Wechselspannung erforderlich. Es ist zu beachten, dass in heutigen Systemen entweder ein zusätzlicher Ansteuerbaustein erforderlich ist oder im Mikrocontroller spezielle Zeitgeber- bzw. Timereinheiten vorgesehen sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors gemäß Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Ansteuerung für die Elektromotoren benutzt die vorhandenen Ein- und Ausgabe- bzw. Ausgangsmodule von Zeitgebermodulen. So kann ein Zeitgebereingabemodul, das üblicherweise dafür verantwortlich ist, Eingabesignale zu erfassen und zu filtern, ein Zeitgeberausgabemodul, das zur Ausgabe von PWM-Signalen über mehrere Ausgabekanäle vorgesehen ist, und ein Signalauswertemodul, das zur Auswertung von Sensoreingaben, bspw. von Hallsensoren, vorgesehen ist, verwendet werden. Das Signalauswertemodul unterstützt zusammen mit dem Zeitgeberausgabemodul das Ansteuern von Elektromotoren, bspw. von BLDC-Motoren.
Weiterhin ist zu beachten, dass ein großer Teil der erforderlichen Hardware nicht nur für den BLDC-Betrieb nutzbar ist, sondern auch für andere Funktionen verwendet werden kann, wenn kein BLDC-Betrieb erfolgt, wie bspw. die PWM-Ausgabe oder das Vermessen von Eingangssignalen.
Die vorgestellte Schaltungsanordnung ist somit flexibel konfigurierbar. Am Eingang kann ein Muster von Hallsensoren anliegen. Der Ausgang wiederum kann zur Ansteuerung von Endstufen eingesetzt werden. Zudem kann die gesamte Konfiguration während der Laufzeit geändert werden, um z. B. zwischen zwei Motorbetriebsarten umzuschalten.
Die beschriebene Schaltungsanordnung ermöglicht den Betrieb eines BLDC-Motors, ohne dass ein Software-Eingriff erforderlich ist. Es liegt ein geschlossener Kreis von der Erfassung der Sensordaten bis zur Erzeugung der Ausgangssignale, d. h. vom Eingang bis zum Ausgang, vor.
Der Zeitpunkt, zu dem ein neues Ansteuerungsmuster an den Ausgängen angelegt wird, kann frei konfiguriert werden. Entweder kann eine Aktualisierung bzw. ein Update synchron zu Änderungen an den Eingangssignalen (Sensorsignalen) oder asynchron zu den Eingangssignalen aber synchron zu Ereignissen an den Ausgangssignalen, wie z. B. bei einer steigenden oder fallenden Flanke am Ausgang, erfolgen. Die Kommutierung, d. h. das Weiterschalten der nächsten Ausgabe, kann synchron zum Eingangssignal vorgenommen werden.
Bei der vorgestellten Schaltungsanordnung, die bspw. zur Ansteuerung von BLDC-Motoren dient, ist das Ausgabemuster bzw. sind die Ausgabeparameter in einer Tabelle in dem Signalauswertemodul abgelegt und kann bzw. können flexibel jederzeit von einer zentralen Recheneinheit (CPU) konfiguriert werden. Insbesondere ist die Schaltungsanordnung, mindestens in einigen der Ausführungen, mit PWM-Generatoren ausgestattet, die auch für andere PWM-Funktionen nutzbar sind, besonders wenn die BLDC-Funktionalität nicht aktiviert ist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einem Blockschaltbild die Ansteuerung eines Elektromotors.
2 zeigt Signalverläufe bei der Ansteuerung des Elektromotors.
3 zeigt in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform der beschriebenen Schaltungsanordnung.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
In 1 ist in einem Blockschaltbild die Ansteuerung eines Elektromotors, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist, verdeutlich. Dieser umfasst drei Phasen, nämlich eine Phase U 12, eine Phase V 14 und eine Phase W 16. Zur Ansteuerung sind ein Transistor HU (high, Phase U) 20, ein Transistor LU (low, Phase U) 22, ein Transistor HV 24, ein Transistor LV 26, ein Transistor HW 28 und ein Transistor LW 30 vorgesehen.
In 2 sind Signalverläufe dargestellt. Ein erster Verlauf 50 zeigt ein erstes Eingabe- bzw. Eingangssignal, bspw. von einem Hallsensor, an dem Zeitgebereingabemodul, ein zweiter Verlauf 52 ein zweites Eingangssignal am Zeitgebereingabemodul und ein dritter Verlauf 54 ein drittes Eingangssignal am Zeitgebereingabemodul. Diese Eingabesignale 50, 52 und 54 stellen ein Eingabemuster 56 dar.
Weiterhin ist ein Ausgabemuster 60 an einem Zeitgeberausgabemodul dargestellt, nämlich ein erstes Ausgabesignal 62, ein zweites Ausgabesignal 64, ein drittes Ausgabesignal 66, ein viertes Ausgabesignal 68, ein fünftes Ausgabesignal 70 und ein sechstes Ausgabesignal 72.
In 3 ist in einem Blockschaltbild eine Ausführungsform der beschriebenen Schaltungsanordnung wiedergegeben, die insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. Die Schaltungsanordnung umfasst ein Zeitgebereingabemodul 102, ein Zeitgeberausgabemodul 104 mit zwei PWM-Generatoren 106 und 108 und ein Signalauswertemodul 110.
Es werden drei Eingabesignale 120, 122 und 124 in das Zeitgebereingabemodul 102 eingegeben. Diese bilden das Eingabemuster 125. Zusammen mit einem Gültigkeitsbit werden diese in das Signalauswertemodul 110 gegeben. Von diesem Signalauswertemodul 110 können acht Ausgabemuster 130 in Abhängigkeit des Eingabemusters 125 ausgegeben werden.
Das Zeitgeberausgabemodul 104 gibt entsprechend dem ausgewählten Ausgabemuster 130 acht Ausgabesignalen aus, von denen in dieser Darstellung das erste Ausgabesignal 132 (Kanal 0) und das achte Ausgabesignal 134 (Kanal 7) dargestellt sind.
Die Eingabesignale 120, 122 und 124 am Zeitgebereingabemodul 102 kommen von einem BLDC-Motor und zeigen die aktuelle Motorlage. Es handelt sich typischerweise um drei Sensorsignale. Das Eingabemuster bzw. Signalmuster 125, das an den Eingängen erwartet wird, wurde zuvor von der Software in dem Signalauswertemodul 110 gespeichert. Zu jedem Eingabemuster 125 ist ein frei konfigurierbares Ausgabemuster 130 verknüpft. Die Ausgabemuster 130 sind in dem Signalauswertemodul 110 abgelegt und können jederzeit von der Software geändert werden. Somit ist es möglich, während der Laufzeit den Motorbetrieb umzuschalten.
Abhängig von dem Eingabemuster 125 wird entweder unmittelbar nachdem ein neues Muster erkannt wird das entsprechende Ausgangsmuster an die Ausgänge des Zeitgeberausgabemoduls 104 geschaltet oder verzögert bspw. synchron zu einer Flanke des Ausgangssignals. Es können bis zu acht Ein- und Ausgabemuster konfiguriert werden. Die PWM für eine Phase wird immer am selben PWM-Generator erzeugt (Kanal 0 des Zeitgeberausgabemoduls 104) und dann abhängig vom programmierten Ausgabemuster 130 auf die entsprechenden Ausgänge geschaltet.
Um zu vermeiden, dass im Umschaltmoment kurze Schaltimpulse entstehen, kann das Umschalten entweder synchron zur PWM erfolgen oder über einen weiteren PWM-Kanal (Kanal 2 des Zeitgeberausgabemoduls 104) getriggert werden. Welcher Trigger verwendet wird ist frei wählbar, da dies von den Motorparametern, wie z. B. der Drehzahl oder dem Motortyp, abhängt.
Wird ein neues Eingabemuster 125 erkannt, meldet das Signalauswertemodul 110 die entsprechende Drehrichtung des Motors. Wird ein Eingabemuster 125 erkannt, das nicht programmiert ist, oder ein Eingabemuster 125 wird übersprungen, signalisiert das Signalauswertemodul 110 dies mit einem Interrupt an die CPU.
Erfolgt die Positionserfassung ohne Sensoren (Back-EMF), ist ein Auswertebaustein notwendig. Die Auswertebausteine signalisieren aber nicht den Kommutierungswechsel (wie z. B. die Hallsensoren), sondern den Nulldurchgang der Back-EMF-Spannung. Dieser Nulldurchgang ist 30° (elektrischer Winkel) früher als die nächste Kommutierung. Deshalb ist es bei diesem Verfahren notwendig, die Kommutierung um 30° zu verzögern.
Erkennt das Signalauswertemodul 110 ein neues Eingabemuster 125, wird mit einem sogenannten NIPD-Signal der Kanal 2 des Zeitgeberausgabemoduls 104 getriggert.
Der Kanal 2 des Zeitgeberausgabemoduls 104 gibt einen Impuls (OneShot) aus und triggert somit die nächste Kommutierung.
Die CPU muss die 30° Verzögerung berechnen und in den Kanal 2 des Zeitgeberausgabemoduls 104 schreiben.
Die PWM, die immer an einem der Ausgänge anliegt, wird im Kanal 0 des Zeitgeberausgabemoduls 104 erzeugt. Am Kanal 1 des Zeitgeberausgabemoduls 104 kann zusätzlich eine invertiertes PWM-Signal erzeugt werden, um z. B. High- und Low-Schalter (z. B. HU + LU) gleichzeitig anzusteuern. Diese Funktion ist in manchen Motorbetriebsarten erforderlich. Hierbei dürfen HU + LU nie gleichzeitig eingeschaltet sein. Um eine sichere Verzugszeit zu bekommen, kann der vorhandene Triggermechanismus im Kanal des Zeitgeberausgabemoduls 104 verwendet werden.
Das Signalauswertemodul 110, das Zeitgebereingabemodul 102 und das Zeitgeberausgabemodul 106 erzeugen die 3-Phasenwechselspannung für die BLDC Ansteuerung. In Abhängigkeit eines Endstufentreibers müssen die Ausgangssignale an drei oder sechs Zeitgeberausgänge ausgegeben werden. Die Ausgabe der Signale ist abhängig von dem Eingangsmuster, das von dem Motor zurückgegeben wird. Zwei der drei Phasen für die Ansteuerung werden in der Regel statisch geschaltet, die dritte Phase gibt ein PWM-Signal aus und bestimmt damit das Drehmoment.

Claims

Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors (10), bei dem in einem Signalauswertemodul (110) eine Anzahl von Ausgabemustern (60, 130) abgelegt sind, wobei ein Eingabemuster (56, 125) vorgegeben wird und in Abhängigkeit des Eingabemusters (56, 125) eines der Ausgabemuster (60, 130) ausgegeben wird, mit dem der Elektromotor (10) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein BLDC-Motor angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Ausgabemuster (60, 130) zumindest ein PWM-Signal umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Eingabemuster (56, 125) von dem Elektromotor ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Zuordnung von Eingabemuster (56, 125) zu Ausgabemuster (60, 130) frei konfigurierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Ausgabemuster (60, 130) unverzögert ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Ausgabemuster (60, 130) verzögert ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein Umschalten zwischen Ausgabemustern (60, 130) getriggert erfolgt.
Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Elektromotors (10), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Zeitgebereingabemodul (102), einem Zeitgeberausgabemodul (104) und einem Signalauswertemodul (110), in dem eine Anzahl von Ausgabemustern (60, 130) zur Ansteuerung des Elektromotors (10) abgelegt sind, die Eingabemustern (56, 125) zuzuordnen sind, wobei die Schaltungsanordnung (100) ausgebildet ist, ein Ausgabemuster (60, 130) auszugeben.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, die derart ausgebildet ist, dass in dem Ausgabemuster (60, 130) mindestens ein PWM-Signal umfasst ist.