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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Motorsysteme und insbesondere Steuermodule für Antriebsmotoren, die Bauelemente zum Steuern und zur Erfassung einer Lage eines Läufers des Antriebsmotors in integrierter Weise umfassen.
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Stand der Technik
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Für einen kompakten Aufbau eines Motorsystems werden häufig Steuergeräte und Antriebsmotor in kompakter Weise zueinander angeordnet. Dies gilt insbesondere für elektronisch kommutierte Elektromotoren, da dort eine Logik zur Ansteuerung von Statorspulen vorgesehen und zudem häufig eine Erfassung einer Läuferlage realisiert werden muss.
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Um die Läuferlage zu detektieren, werden in der Regel Magnetfeldsensoren, wie z. B. Hallsensoren, verwendet, die eine Magnetfeldänderung aufgrund einer Bewegung des Läufers des Antriebsmotors detektieren. Beispielsweise kann bei einem rotatorischen Elektromotor die Läuferwelle mit einem Ringmagneten versehen sein, der sich an einem Magnetfeldsensor vorbei bewegt und dort entsprechend den durch die Bewegung bewirkten Magnetfeldänderungen ein elektrisches Signal hervorruft. Das so erhaltene Signal der Läuferlageerkennung kann darüber hinaus in einem externen Steuergerät zur Ermittlung der Geschwindigkeit des Läufers verwendet werden, um weitere Funktionen bereitzustellen, wie beispielsweise bei einer Verwendung als Fensterheberantrieb für einen Einklemmschutz.
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Der verwendete Magnetfeldsensor ist in der Regel gemeinsam mit weiteren Bauelementen auf einer Leiterplatte angeordnet, insbesondere mittels eines SMD-Reflow-Verfahrens gelötet. Durch die feste Integration der Magnetfeldsensoren auf der Leiterplatte des Steuergeräts ist die Anordnung der Leiterplatte bezüglich des Antriebsmotors fest vorgegeben. Dadurch sind die Freiheitsgrade bei der Konstruktion eines Motorsystems mit einem Antriebsmotor und einem entsprechenden Steuergerät mit Magnetfeldsensor eingeschränkt, da der Magnetfeldsensor in einer bestimmten Ausrichtung zum zu detektierenden Magnetfeld angeordnet sein muss.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, die eine höhere Flexibilität bei der Anordnung eines Steuergeräts in einem Motorsystem ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Steuergerät gemäß Anspruch 1 sowie durch das Motorsystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Steuergerät zum Betreiben eines Antriebsmotors vorgesehen, umfassend:
- – eine Leiterplatte mit einer Steuerelektronik;
- – einen Magnetfeldsensor zum Erfassen einer Magnetfeldänderung und zum Bereitstellen eines entsprechenden Sensorsignals,
wobei die Steuerelektronik ausgebildet ist, um eine Läuferlage eines Läufers des Antriebsmotors basierend auf dem Sensorsignal zu ermitteln,
wobei der Magnetfeldsensor ausgebildet ist, um eine Magnetfeldänderung in mehreren, insbesondere in drei Raumrichtungen zu erfassen.
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Eine Idee des obigen Steuergeräts besteht darin, dass im Gegensatz zu bisher verwendeten Steuergeräten mit darauf angeordneten einfachen Magnetfeldsensoren beim Vorsehen eines Steuergeräts mit einem Magnetfeldsensor, der Magnetfelder in mehr als einer Richtung detektieren kann, die Freiheitsgrade bei der Anordnung des Steuergeräts an dem Magnetfeldgeber des Antriebsmotors vergrößert sind. Während durch die aktuell verwendeten Hallsensoren die Positionierung der Leiterplatte des Steuergeräts bezüglich des Magnetfeldgebers des Antriebsmotors zwangsläufig vorgegeben ist, ist es bei Verwendung eines mehrdimensionalen Magnetfeldsensors möglich, Magnetfelder in mehreren Raumrichtungen zu detektieren, so dass die Leiterplatte des Steuergeräts in verschiedener Weise bezüglich des Magnetfeldgebers angeordnet werden kann.
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Dadurch wird erreicht, dass die Leiterplatte kostengünstig und flexibel angeordnet werden kann und beispielsweise eine zentrische Positionierung der Elektronik im Antriebsmotor möglich ist. Insgesamt ist es möglich, den zur Verfügung stehenden Bauraum optimal zu nutzen und die Ausrichtung der Leiterplatte entsprechend sonstigen Systemanforderungen vorzunehmen. Beispielsweise kann der Aufwand zum Bereitstellen einer Steckverbindung auf der Leiterplatte reduziert werden, wenn die Leiterplatte entsprechend der Steckrichtung der Steckverbindung ausgerichtet werden kann.
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Weiterhin kann der Magnetfeldsensor einen Hallsensor aufweisen.
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Insbesondere kann der Magnetfeldsensor an einem Rand der Leiterplatte angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuerelektronik basierend auf der Läuferlage eine Kommutierung des Antriebsmotors durchführen.
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Weiterhin kann der Magnetfeldsensor ausgebildet sein, um in Abhängigkeit von einem Magnetfeld mindestens zwei Detektionssignale, insbesondere analoge Messspannungen, zu erzeugen, wobei eine Recheneinheit, insbesondere eine Mikrocontroller vorgesehen ist, um Zeitpunkte von Schnittpunkten der Verläufe der Detektionssignale zu ermitteln und um die Stellungsangabe aus den ermittelten Zeitpunkten der Schnittpunkte der Verläufe der Detektionssignale zu bestimmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen. Das Motorsystem umfasst:
- – einen Antriebsmotor, insbesondere eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine, wobei ein Läufer des Antriebsmotors mit einem Magnetfeldgeber versehen ist, der sich bei einer Bewegung des Läufers bewegt und so ein generiertes Magnetfeld ändert;
- – das obige Steuergerät, das so angeordnet ist, dass sich der Magnetfeldsensor nahe des Magnetfeldgebers befindet, um das Sensorsignal basierend auf dem durch den Magnetfeldgeber bereitgestellten Magnetfeld zu detektieren.
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Weiterhin kann die Leiterplatte mit der Steuerelektronik an einem Ende einer Welle des Antriebsmotors so angeordnet sein, dass sich die Leiterplatte parallel zur Achsrichtung der Läuferwelle erstreckt, wobei insbesondere der Magnetfeldsensor axial versetzt zu dem Magnetfeldgeber angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Verwendung eines Magnetfeldsensors in einem Steuergerät zum Betreiben eines Antriebsmotors vorgesehen, wobei der Magnetfeldsensor ausgebildet ist, um eine Magnetfeldänderung in mehreren, insbesondere in drei Raumrichtungen zu erfassen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einem Antriebsmotor und einem entsprechenden Steuergerät;
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2 eine schematische Darstellung eines weiteren Motorsystems mit einem Antriebsmotor und einem Steuergerät; und
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3a–d weitere Darstellungen von Möglichkeiten zur Anordnung einer Leiterplatte des Steuergeräts an einem Magnetfeldgeber des Antriebsmotors.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Antriebsmotor 2 und einem Steuergerät 3, das eine Leiterplatte 4 und darauf angeordnete Bauelemente, wie beispielsweise einen Mikrocontroller 5 und dergleichen, aufweist. Der Mikrocontroller 5 kann als ein SMD-Bauelement ausgebildet sein, das eine einfache Herstellung des Steuergeräts erlaubt.
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Der Antriebsmotor 2 kann beispielsweise als Elektromotor ausgebildet sein, insbesondere als elektronisch kommutierter Elektromotor, bei dem zur Ansteuerung von Statorspulen (nicht gezeigt) die Lage bzw. Stellung einer Läuferwelle 6 erfasst werden muss, um eine Ansteuerung des Antriebsmotors 2 in geeigneter Weise durchführen zu können. Mithilfe einer Läuferlageangabe kann der Mikrocontroller 5 des Steuergeräts 3 eine geeignete Kommutierung für die Statorspulen vorsehen, d. h. die Statorspulen zu jedem Zeitpunkt in geeigneter Weise bestromen.
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Eine gängige Vorgehensweise zur Erfassung der Läuferlage besteht darin, an der Läuferwelle 6 einen Magnetfeldgeber 7 anzubringen, der ein in radialer Richtung verlaufendes Magnetfeld bereitstellt. Der Magnetfeldgeber 7 ist vorzugsweise als Magnetring ausgebildet, der abwechselnd Bereiche verschiedener Polarität aufweist. Durch Drehung der Läuferwelle 6 ändern sich Stärke und Richtung des Magnetfelds in der Umgebung des Magnetfeldgebers 7.
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Die Leiterplatte 4 weist weiterhin einen Magnetfeldsensor 8 auf, der beispielsweise als Hallsensor, GMR-Sensor, elektrische Spule oder dergleichen ausgebildet sein kann. Der Magnetfeldsensor 8 stellt eine analoge Spannung, wie z.B. eine Hall-Spannung, bereit, deren Höhe die Stärke des Magnetfelds angibt. Weiterhin weist die Leiterplatte 4 eine Steckverbindung 9 auf, um eine elektrische Verbindung zur Statorwicklung des Antriebsmotors 2 und der Leiterplatte 4 herzustellen. Zur einfachen Herstellung des Steuergeräts 3 ist der Magnetfeldsensor 8 ebenfalls als SMD-Bauelement ausgebildet.
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In der Praxis ist es zweckmäßig, zum Einbau des Motorsystems 1 in ein Gesamtsystem eine höhere Flexibilität bei der relativen Anordnung der Leiterplatte 4 des Steuergeräts 3 bezüglich des Antriebsmotors 2 zur Verfügung zu haben.
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Bisherige Magnetfeldsensoren 8 sehen jedoch nur die Detektion einer Magnetfeldänderung in einer Raumrichtung vor. Es ist daher vorgesehen, als Magnetfeldsensor 8 einen Sensor mit einer Empfindlichkeit in mehreren Raumrichtungen vorzusehen. Insbesondere können Hallsensoren mit dreidimensionaler Empfindlichkeit vorgesehen werden, die als Standardbauteile, insbesondere als SMD-Bauelemente, bereits verfügbar sind.
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In 2 ist eine Anordnung der Leiterplatte 4 bezüglich der mit dem Magnetfeldgeber 7 versehenen Läuferwelle 6 des Antriebsmotors 2 bzw. dem an der Läuferwelle 6 des Antriebsmotors 2 angeordneten Magnetfeldgeber 7 dargestellt. Dabei wirkt bei der Drehung der Läuferwelle 6 die Magnetfeldänderung aus unterschiedlichen Raumrichtungen auf den Magnetfeldsensor 8 ein. Die Leiterplatte 4 ist mit einer Erstreckungsrichtung achsparallel zur Läuferwelle 6 angeordnet. Das durch die Leiterplatte 4 und den Antriebsmotor 2 gebildete Motorsystem 1 weist dadurch eine längliche Bauform auf, wobei die Breite des Motorsystems 1 nicht länger durch die Leiterplatte 4 und den Magnetfeldgeber 7 bestimmt wird.
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Die Leiterplatte 4 kann weiterhin mit einem elektrischen Verbinder 10, insbesondere einem Steckverbinder ausgestattet sein, um eine elektrische Kontaktierung der Leiterplatte 4 insbesondere zum Bereitstellen elektrischer Energie zu ermöglichen. Der elektrische Verbinder 10 erlaubt eine elektrische Verbindung in achsparalleler Richtung, so dass über den elektrischen Verbinder 10 angeschlossene Anschlusskabel (nicht gezeigt) ebenfalls in achsparalleler Richtung von der Leiterplatte 4 weg verlaufen. Der elektrische Verbinder 10 ist vorzugsweise bezüglich des Magnetfeldsensors 8 an einem gegenüberliegenden Ende der Leiterplatte 4 angeordnet. Im Falle eines Steckverbinders 10 können sich dazu Kontaktstifte 11 des elektrischen Verbinders 10 in Richtung der Leiterplatte 4 bzw. in Richtung der Läuferwelle 6 erstrecken.
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Eine solche Anordnung ermöglicht es, auf Finger zum Führen des Magnetfelds zu dem Magnetfeldsensor 8 zu verzichten. Weiterhin kann das Motorsystem 1 in einer schmalen Bauform bereitgestellt werden, da die Breite des Motorsystems nicht durch eine seitlich des Antriebsmotors 2 angeordnete Leiterplatte 4 vergrößert wird. Vorzugsweise ist dazu die Breite der Leiterplatte 4 in Querrichtung zur Erstreckungsrichtung der Läuferwelle 6 gleich oder kleiner als die Breite des Antriebsmotors 2 vorgesehen.
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Weiterhin sind in alternativen Ausführungsformen weitere in den 3a bis 3d beispielhaft gezeigte Anordnungen der Leiterplatte 4 an dem Antriebsmotor 2 bzw. an der mit dem Magnetfeldgeber 7 versehenen Läuferwelle 6 des Antriebsmotors 2 bzw. an dem an der Läuferwelle 6 des Antriebsmotors 2 angeordneten Magnetfeldgeber 7 vorgesehen. Die 3a bis 3d zeigen vier zueinander orthogonale Anordnungen des Magnetfeldsensors 8 bezüglich der von dem Magnetfeldgeber 7 bereitgestellten Magnetfeldrichtungen. Der Magnetfeldsensor 8 ist dazu seitlich der Läuferwelle 6 angeordnet, so dass sich beim Drehen der Läuferwelle 6 die Magnetpole des Magnetfeldgebers 7 an dem Magnetfeldsensor 8 vorbeibewegen. Dabei wirken auf den Magnetfeldsensor 8 die Magnetfeldänderungen aus unterschiedlichen Raumrichtungen ein. Es ist jedoch auch möglich, spitze oder stumpfe Winkel zwischen den Hauptdetektionsrichtungen des Magnetfeldsensors 8 und dem von dem Magnetfeldgeber 7 erzeugten Magnetfeld als Überlagerung von zwei Hauptdetektionsrichtungen des Magnetfeldsensors 8 zu erfassen.
