DE102012102869A1

DE102012102869A1 - Method for controlling sensorless, brushless direct current (DC) electromotor used as actuator for air valve or in motor vehicle, involves dividing every commutation interval into driving and braking phases in braking operation

Info

Publication number: DE102012102869A1
Application number: DE201210102869
Authority: DE
Inventors: Martin Winker; Klaus Moosmann
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-02

Abstract

The method involves actuating brushless DC motor (3) via a bridge circuit (9), by pulse width modulation (PWM) with pre-commutation. Every commutation interval is divided into driving phase and braking phase in braking operation, such that a driving phase extends upto a zero crossing voltage from the beginning of commutation interval, during which motor is driven with the normal pulse width modulation (PWM), and a braking phase which extends from zero crossing voltage to next commutation point of time. An independent claim is included for brushless DC electromotor.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines sensorlosen, bürstenlosen Elektromotors, insbesondere zum Bremsen des Motors. The invention describes a method for operating a sensorless, brushless electric motor, in particular for braking the motor.

Die Erfindung geht von einem sensorlosen, bürstenlosen Elektromotor aus, der als Stellantrieb für Klappen, beispielsweise Luftklappen oder Spoiler, in einem Automobil eingesetzt ist. Bei diesem Stellantrieb ist es erwünscht, dass der Elektromotor mit konstanter Drehzahl betrieben wird. Vorzugsweise weist der Elektromotor dazu eine Regelung mit Pulsbreitenmodulation (PWM) auf. The invention is based on a sensorless, brushless electric motor, which is used as an actuator for flaps, such as louvers or spoilers, in an automobile. In this actuator, it is desirable that the electric motor is operated at a constant speed. For this purpose, the electric motor preferably has a regulation with pulse width modulation (PWM).

Je nach Stellung der Luftklappen ist es nun so, dass die Gewichtskraft, die auf die Luftklappen wirkt, die Bewegung des Motors unterstützt. Um eine gewünschte Drehzahl zu erreichen, ist dann ein geringerer Motorstrom notwendig. Es kann jedoch auch sein, dass allein die Gewichtskraft den Motor ohne Strom bereits über die gewünschte Drehzahl hinaus bewegt. In diesem Fall müsste der Motor aktiv gebremst werden, um auf die Nenndrehzahl zu gelangen. Dies kann erreicht werden, indem der Motor als Generator betrieben wird. Depending on the position of the louvers, it is now so that the weight acting on the louvers, supports the movement of the engine. To achieve a desired speed, then a smaller motor current is necessary. However, it may also be that only the weight force already moves the motor beyond the desired speed without power. In this case, the motor would have to be actively braked to get to the rated speed. This can be achieved by operating the motor as a generator.

Beim Bremsen ändern einige Messgößen des Motors ihr Vorzeichen und können darum beispielsweise von einer einfach gestalteten Elektronik nicht weiter erfasst werden, weshalb der Motor nicht mehr kontrolliert geregelt werden kann. Dadurch kann auch die integrierte Nulldurchgangserkennung gestört werden, die zur sensorlosen Kommutierung notwendig ist. Durch den Bremsbetrieb treten beispielsweise negative Phasenströme auf, die unerwünschte Störungen und Effekte haben können. Zudem müssen eventuell auftretende Schaltspikes gefiltert werden, was einen zusätzlichen Aufwand in der Ansteuerschaltung bedeutet. Der negative Strom kann in der vorhandenen Strommesseinrichtung nicht gemessen werden. Zusätzlich treten eventuell Überspannungen in der internen Versorgung auf, die Schäden bewirken können. Weiterhin muss verhindert werden, dass die im Generatorbetrieb erzeugte Bremsenergie in das Bordnetz zurückgespeist wird. Stattdessen muss sie abgebaut werden, wodurch zusätzlicher schaltungstechnischer Aufwand getrieben werden muss. Eine Drehzahlregelung im Bremsbetrieb ist daher nur durch zusätzliche Messtechnik notwendig, die unter Anderem negative Ströme verarbeiten kann, was jedoch aufwändig und teuer ist. When braking, some engine readings change their sign and therefore can not be detected, for example, by a simple design electronics, so the engine can not be controlled controlled. As a result, the integrated zero-crossing detection, which is necessary for sensorless commutation, can be disturbed. Due to the braking operation, negative phase currents occur, for example, which can have undesired interference and effects. In addition, any occurring switching spikes must be filtered, which means an additional effort in the drive circuit. The negative current can not be measured in the existing current measuring device. In addition, overvoltages may occur in the internal supply, which may cause damage. Furthermore, it must be prevented that the braking energy generated in the generator mode is fed back into the electrical system. Instead, it must be dismantled, which must be driven additional circuitry expense. A speed control in braking mode is therefore only necessary by additional measurement technique, which can process, among other negative currents, but this is costly and expensive.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Ansteuerung eines solchen Stellmotors zu schaffen, bei dem die vorgenannten Probleme nicht auftreten und der auch im Bremsbetrieb auf eine Nenndrehzahl regelbar ist. The object of the invention is to provide a method for controlling such a servomotor, in which the aforementioned problems do not occur and which can also be regulated in the braking mode to a rated speed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. This object is achieved by a method having the features mentioned in claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft nur den Bremsbetrieb, das heißt, wenn der Motor durch externe Kräfte schneller angetrieben wird und seine Drehzahl über der Nenndrehzahl liegt, so dass aktiv gebremst werden muss. The inventive method relates only to the braking operation, that is, when the engine is driven faster by external forces and its speed is above the rated speed, so that must be actively braked.

Solange keine Notwendigkeit des Bremsens besteht, wird der Motor vorzugsweise normal kommutiert, das heißt nach bekannter Weise sensorlos kommutiert, wobei das Kommutierungssignal zusätzlich durch eine PWM überlagert werden kann. As long as there is no need for braking, the motor is preferably commutated normally, that is commutated in a known manner sensorless, the commutation signal can be additionally superimposed by a PWM.

Im Bremsbetrieb ist jedes Kommutierungsintervall erfindungsgemäß in zwei Phasen unterteilt. Ein Kommutierungsintervall dauert dabei jeweils von einem Kommutierungszeitpunkt bis zum nächsten Kommutierungszeitpunkt. Es ist dabei unerheblich, ob ein Motor mit Hallsensoren kommutiert wird, oder ein sensorloses Kommutierungsverfahren zum Einsatz kommt. Beispielhaft wird hier ein System mit sensorloser Kommutierung beschrieben, da hier die Einflüsse von beispielsweise negativen Phasenströmen auf die Kommutierung wesentlich größer sind. Eine erste Phase, die Antriebsphase, dauert vom Beginn eines Kommutierungsintervalls bis zum Nulldurchgang der gegenelektromotorischen Kraft (back electromotive force, BEMF). Diese BEMF-Spannung stellt eine durch den permanentmagnetischen Rotor induzierte Spannung dar, die bei einer Umdrehung des Rotors (also nicht im Stillstand) an den Statorphasen anliegt und an der jeweils unbestromten Phase gemessen werden kann. Eine Kommutierung erfolgt dabei in Abhängigkeit der Nulldurchgänge der BEMF. Die Art der Kommutierung spielt dabei keine Rolle. Vorzugsweise kann der Motor mit einer Vorkommutierung betrieben werden. Diese Vorkommutierung kann dynamisch sein oder eine festgelegte Vorkommutierungszeit aufweisen. Der Motor wird in der Antriebsphase vorzugsweise über eine PWM angesteuert. Dabei ist der Motorstrom positiv, so dass der Motor angetrieben wird. In dieser Phase ist die Nulldurchgangserkennung der BEMF-Spannung möglich, so dass die Kommutierungsinformationen jederzeit zur Verfügung stehen. Es gibt keine Störungen durch negative Ströme und die Stromregelung ist aktiv. In braking mode, each commutation interval is subdivided according to the invention into two phases. A commutation interval in each case lasts from one commutation time to the next commutation time. It is irrelevant whether a motor with Hall sensors is commutated, or a sensorless commutation is used. By way of example, a system with sensorless commutation is described here since the influences of, for example, negative phase currents on the commutation are considerably greater here. A first phase, the drive phase, lasts from the beginning of a commutation interval to the zero crossing of the back electromotive force (BEMF). This BEMF voltage represents a voltage induced by the permanent-magnetic rotor, which is applied to the stator phases during one revolution of the rotor (ie not at standstill) and can be measured on the respective current-depleted phase. A commutation takes place depending on the zero crossings of the BEMF. The type of commutation does not matter. Preferably, the engine can be operated with a pre-commutation. This pre-commutation can be dynamic or have a fixed pre-commutation time. The motor is preferably driven in the drive phase via a PWM. The motor current is positive, so that the motor is driven. In this phase, the zero-crossing detection of the BEMF voltage is possible, so that the commutation information is available at all times. There are no disturbances due to negative currents and the current regulation is active.

Die zweite Phase, die Bremsphase, dauert vom Nulldurchgang bis zum Ende des Kommutierungsintervalls. In dieser Phase werden für kurze Zeit mindestens zwei Motorphasen aktiv kurzgeschlossen. Durch den Kurzschluss erfolgt eine abrupte Bremsung des Motors. Beim anschließenden Lösen des Kurzschlusses wird der in der Induktivität der Motorphasen gespeicherte Kurzschlussstrom in die Versorgung zurückgespeist. Es wird somit mechanische Energie über den Kurzschluss und das Rückspeisen umgewandelt und somit abgebaut. Die Zeit für das Schalten des Kurzschlusses wird derart eingestellt, dass der resultierende Kurzschlussstrom in den Motorphasen nicht zu hoch wird. Durch mehrfaches Wiederholen dieses Vorganges während einer Bremsphase, kann ausreichend mechanische Energie abgebaut werden. Die Bremswirkung kann weiter erhöht werden, in dem alle drei Motorphasen kurzgeschlossen werden. Alternativ kann zeitweise oder kontinuierlich eine entsprechend gestaltete PWM angelegt werden die den Motor als Generator betreibt. Diese Einschalt- und Ausschaltzeiten der einzelnen Brücken werden derart gestaltet, dass die resultierende Spannung an den Motorphasen kleiner ist, als die BEMF-Spannung, das heißt der Motorstrom wird negativ und es wird Energie zurück gespeist. Während der oben genannten Ausschaltzeit sind mindestens zwei der drei unteren Schalter der Brücke geschlossen, wodurch der Motor kurzzeitig kurzgeschlossen und somit eine Induktivität von zwei der drei Phasenwicklungen U, V, W über die BEMF-Spannung mit Strom aufgeladen wird. Nach dem Umschalten der Brücke, während der Einschaltzeit, wird der in den betreffenden Phasenwicklungen gespeicherte Strom dann über den nun geschlossenen oberen Schalter des modulierten Zweigs der Brücke für den Antrieb des Motors bereitgestellt. Abhängig vom Verhältnis Einschaltzeit zu Ausschaltzeit wird sich ein größerer oder kleinerer resultierender Motorstrom einstellen. Beispielsweise stellt sich bei nominaler Drehzahl von 2000rpm und einem Verhältnis von 70% Einschaltzeit und 30% Ausschaltzeit ein positiver Motorstrom von 100mA ein, bei dem umgekehrten Verhältnis von 30% Einschaltzeit und 70% Ausschaltzeit würde sich bei gleicher Drehzahl ein negativer Motorstrom von –10mA mit entsprechender Bremswirkung einstellen. Diese Möglichkeit der Richtungsumkehrung des Motorstroms ist wesentlich für die Erfindung. The second phase, the braking phase, lasts from the zero crossing to the end of the commutation interval. In this phase, at least two motor phases are actively short-circuited for a short time. The short circuit causes an abrupt braking of the motor. During the subsequent release of the short circuit, the short-circuit current stored in the inductance of the motor phases is fed back into the supply. It is thus mechanical Energy is converted via the short circuit and the feedback and thus reduced. The time for switching the short circuit is set so that the resulting short circuit current in the motor phases is not too high. By repeatedly repeating this process during a braking phase, sufficient mechanical energy can be dissipated. The braking effect can be further increased by shorting all three motor phases. Alternatively, a suitably designed PWM can be applied temporarily or continuously, which operates the motor as a generator. These turn-on and turn-off times of the individual bridges are designed such that the resulting voltage at the motor phases is smaller than the BEMF voltage, that is, the motor current is negative and energy is fed back. During the aforementioned off-time, at least two of the three lower switches of the bridge are closed, causing the motor to short-circuit briefly, thus charging an inductance of two of the three phase windings U, V, W via the BEMF voltage. After switching the bridge, during the turn-on time, the current stored in the respective phase windings is then provided via the now closed upper switch of the modulated branch of the bridge for driving the motor. Depending on the ratio of the switch-on time to the switch-off time, a larger or smaller resulting motor current will set. For example, with a nominal speed of 2000rpm and a ratio of 70% on-time and 30% off-time, a positive motor current of 100mA occurs, with the inverse ratio of 30% on-time and 70% off-time would result in a negative motor current of -10mA at the same speed set appropriate braking effect. This possibility of reversing the direction of the motor current is essential to the invention.

Es ist dadurch möglich die Bremskraft nach Bedarf hinreichend zu dosieren. Die rückgespeiste Energie wird in der Regel im System verbraucht, beispielsweise vom Mikrocontroller. Damit möglichst viel der rückgespeisten Energie verbraucht wird, ist der Wirkungsgrad der Schaltung im Bremsbetrieb absichtlich niedrig gehalten. Es wird dadurch möglichst viel Bremsenergie in der Ansteuerschaltung verbraucht und gleichzeitig wird die Erwärmung durch den Verbrauch der Bremsenergie gleichmäßig auf möglichst viele Bauteile verteilt. Nicht verbrauchte Energie in die Versorgung zurückgespeist oder, wenn dies nicht möglich ist, führt zu einer Erhöhung der internen Versorgungsspannung. Vorzugsweise weist darum die Brückenschaltung einen Kondensator auf, in den überschüssige Energie eingespeist werden kann. Dadurch wird die Erhöhung der Versorgungsspannung begrenzt, bis die überschüssige Energie verbraucht wird. Das heißt, dass in jedem Kommutierungsintervall die Drehzahl nicht nur bekannt ist, sondern auch auf den Nennwert geregelt wird, da alle zur Drehzahlregelung notwendigen Information in jedem Kommutierungsintervall jeweils in der Antriebsphase zur Verfügung stehen. Es ist daher möglich, den Motor auf einer vorgegebenen Nenndrehzahl zu halten, unabhängig davon ob der Motor durch eine externe Last gebremst oder angetrieben wird. Die Steuerung kann den Motor dabei nach Bedarf schnell zwischen der Bremsphase und der Antriebsphase umschalten und so die Drehzahl konstant halten. Dabei arbeitet der Motor während der Antriebsphase vorzugsweise mit der Last. Der Motor kann aber auch so ausgestaltet sein, dass er in der Bremsphase gegen die Last arbeitet so dass diese noch stärker abgebremst wird. It is thereby possible to adequately dose the braking force as needed. The returned energy is usually consumed in the system, for example by the microcontroller. So that as much of the energy fed back is consumed, the efficiency of the circuit during braking operation is deliberately kept low. It is consumed as much braking energy in the drive circuit and at the same time the heating is distributed by the consumption of braking energy evenly on as many components. Unconsumed energy is fed back into the supply or, if this is not possible, leads to an increase in the internal supply voltage. Preferably, therefore, the bridge circuit has a capacitor into which excess energy can be fed. This limits the increase in the supply voltage until the excess energy is consumed. This means that in each commutation interval the speed is not only known, but also regulated to the nominal value, since all information necessary for speed control is available in each commutation interval in the drive phase. It is therefore possible to keep the engine at a predetermined rated speed, regardless of whether the engine is being braked or driven by an external load. The controller can quickly switch the engine as needed between the braking phase and the drive phase and thus keep the speed constant. In this case, the motor preferably works with the load during the drive phase. The engine can also be designed so that it works in the braking phase against the load so that it is even more braked.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird die im Kondensator gespeicherte Energie in der Antriebsphase zum Antreiben des Motors verwendet. Dadurch wird die Energie im Kondensator in jedem Kommutierungsintervall wieder abgebaut, so dass durch langes Bremsen keine unzulässig überhöhten Spannungen auftreten können. In a further development of the invention, the energy stored in the capacitor is used in the drive phase for driving the motor. As a result, the energy in the capacitor is reduced again in each commutation, so that excessive braking can not occur due to long brakes.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. The invention is explained below with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings.

Es zeigt: It shows:

1 eine schematische Darstellung eines Stellmotors zum Ansteuern von Luftklappen in einem Automobil, 1 a schematic representation of a servomotor for driving air dampers in an automobile,

2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Mikrocontrollers, 2 a block diagram of a microcontroller according to the invention,

3 ein Schaltbild der Brückenschaltung und des Motortreibers als Teil des Mikrocontrollers und 3 a circuit diagram of the bridge circuit and the motor driver as part of the microcontroller and

4 ein Kommutierungsdiagramm, 4 a commutation diagram,

5 eine Skizze des Prinzips der PWM-gesteuerten Schalterstellungen während der Bremsphase. 5 a sketch of the principle of the PWM-controlled switch positions during the braking phase.

Die Erfindung ist am Beispiel eines Stellmotors 1, der zum Ansteuern von Luftklappen 2 in einem Automobil dient, erläutert (3). Selbstverständlich ist die Erfindung in keiner Weise auf diese Anwendung beschränkt und ohne weitere Änderung für viele weitere Anwendungen einsetzbar. The invention is based on the example of a servomotor 1 , which is used to control air dampers 2 in an automobile, explains ( 3 ). Of course, the invention is in no way limited to this application and can be used without further modification for many other applications.

Der Stellmotor 1 ist eine vollständig integrierte Lösung, bei der ein Antriebsmotor 3, ein Getriebe 4 und die Ansteuerelektronik 5 mit einem Mikrocontroller 6 in einem wasser- und staubdichten Gehäuse 7 angeordnet sind. Durch die Anwendung in einem Automobil unterliegt der Stellmotor 1 einer Reihe von Anforderungen, die nur durch diese integrierte Bauweise erfüllt werden können. The servomotor 1 is a completely integrated solution where a drive motor 3 , a gearbox 4 and the control electronics 5 with a microcontroller 6 in a waterproof and dustproof housing 7 are arranged. The actuator is subject to application in an automobile 1 a series of Requirements that can only be met by this integrated design.

Der Antriebsmotor 3 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor, der über einen Motortreiber 8 mit einer Schaltbrücke 9 angesteuert wird. Der Motortreiber 8 ist Teil des Mikrocontrollers. Die Ansteuerung der Schaltbrücke 9 erfolgt durch den Mikrocontroller 6. Der Motor hat beispielsweise 6 oder 12 Magnetpole und 9 Statorslots. Durch die verteilte Geometrie werden die harmonischen Frequenzen im EMV-Spektrum gesenkt. The drive motor 3 is a brushless DC motor that has a motor driver 8th with a jumper 9 is controlled. The motor driver 8th is part of the microcontroller. The activation of the switching bridge 9 done by the microcontroller 6 , The engine has, for example 6 or 12 Magnetic poles and 9 Statorslots. The distributed geometry reduces the harmonic frequencies in the EMC spectrum.

Der Mikrocontroller 6 (2) enthält das Betriebsprogramm, das zur Ansteuerung des Motors notwendig ist. Zusätzlich ist es für den Betrieb im Automobil vorgeschrieben, dass der Mikrocontroller Fehlerzustände erkennt und protokolliert. Das Betriebsprogramm und die Fehlerdaten werden im Datenspeicher 10 des Mikrocontrollers 6 gespeichert. Der Mikrocontroller 6 ist so ausgelegt, dass er an beliebigen Spannungen bis 19 V DC direkt betrieben werden kann, so dass keine zusätzlichen Spannungswandler notwendig sind. Der Mikrocontroller 6 ist auch dafür ausgelegt bei kurzzeitigen Spannungsspitzen bis zu 45 V betrieben zu werden und mit den in der ISO 7637-2 genormten Spannungsimpulsen umzugehen, so dass er in Automobilanwendungen direkt am Bordnetz betrieben werden kann. Weiterhin sind alle für den Betrieb notwendigen Bausteine in der Ansteuerschaltung integriert, unter anderem eine LIN-Schnittstelle 11, weitere Schnittstellen 12, der Motortreiber 8, ROM, Flash-Speicher, EEPROM, PWM-Schnittstelle 13 und Digital-IO-Schnittstelle. Der Stellmotor 1 weist insbesondere eine LIN-Bus Schnittstelle 11 auf, wie sie im Automobilbau verwendet wird. Über diesen Bus kann die Ansteuerschaltung konfiguriert und eventuelle Fehler ausgelesen werden. The microcontroller 6 ( 2 ) contains the operating program necessary to control the motor. Additionally, for automotive operation, it is required that the microcontroller detect and log fault conditions. The operating program and the error data are stored in the data memory 10 of the microcontroller 6 saved. The microcontroller 6 is designed so that it can be operated directly at any voltage up to 19 V DC, so that no additional voltage transformers are necessary. The microcontroller 6 is also designed to be operated at short - term voltage spikes up to 45 V and with the in the ISO 7637-2 standardized voltage pulses, so that it can be operated in automotive applications directly on the electrical system. Furthermore, all components necessary for operation are integrated in the drive circuit, including a LIN interface 11 , other interfaces 12 , the motor driver 8th , ROM, flash memory, EEPROM, PWM interface 13 and digital IO interface. The servomotor 1 In particular, it has a LIN bus interface 11 on how it is used in the automotive industry. This bus can be used to configure the control circuit and to read any faults.

Der Elektromotor 3 wird sensorlos angesteuert, wodurch im Wesentlichen auf Lagesensoren verzichtet werden kann. Die Ansteuerschaltung 5 weist vorzugsweise lediglich einen einzigen Hall-Sensor 14 auf, mit dem festgestellt werden kann, ob sich der Motor 3 dreht und der darüber hinaus zur Schrittverlusterkennung verwendet werden kann. Beispielsweise findet für einen Motor 3 mit nur einem Hall-Sensor und 6 Rotormagnetpolen ein Wechsel des Hall-Signales alle 60° mechanisch statt. The electric motor 3 is controlled sensorless, which essentially can be dispensed with position sensors. The drive circuit 5 preferably has only a single Hall sensor 14 on, with which it can be determined whether the engine 3 rotates and which can also be used for step loss detection. For example, find for an engine 3 with only one Hall sensor and 6 rotor magnetic poles a change of the Hall signal takes place mechanically every 60 °.

Die Ansteuerschaltung des Stellmotors 1 ist so auf einer Leiterplatte angeordnet, dass alle Bauteile auf einer Leiterplattenseite angeordnet sind. Insbesondere ist die Leiterplatte so dicht am Antriebsmotor 3 angeordnet, dass der Hall-Sensor 14 ebenfalls auf der Leiterplatte der Ansteuerelektronik 5 angeordnet sein kann. Dadurch kann die Rückseite der Leiterplatte als zusätzliche Kühlfläche und als elektrische Abschirmung dienen. The drive circuit of the servomotor 1 is arranged on a circuit board, that all components are arranged on a printed circuit board side. In particular, the circuit board is so close to the drive motor 3 arranged that the Hall sensor 14 also on the circuit board of the control electronics 5 can be arranged. As a result, the back of the circuit board can serve as an additional cooling surface and as an electrical shield.

Die Ansteuerelektronik 5 weist umfassende Kontroll- und Diagnosefunktionen auf. Sie kann elektrische Fehler und Abweichungen von Betriebsparametern, wie beispielsweise Unter- oder Überspannungen, Temperatur, Überstrom sowie Abweichungen im Verhalten des Aktuators, eigenständig erkennen, auswerten und sich bei Bedarf schützen sowie auf Anforderung von einem Bus-Master Fehlerzustände mitteilen. Dazu kann sie weitere Sensoren enthalten, oder weitere Sensoren können über die Schnittstelle 12 angesteuert werden. The control electronics 5 has comprehensive control and diagnostic functions. It can independently detect and evaluate electrical faults and deviations from operating parameters, such as under- or overvoltages, temperature, overcurrent and deviations in the behavior of the actuator, protect itself as required and report fault conditions to a bus master on request. For this purpose, it can contain other sensors, or other sensors can via the interface 12 be controlled.

Für die beschriebene Anwendung im Automobil ist es wichtig, dass der Stellmotor 1 eine konstante Drehzahl aufweist, unabhängig von der Belastungssituation des Motors 3. For the described application in the automobile, it is important that the servomotor 1 has a constant speed, regardless of the load situation of the engine 3 ,

Die 3 zeigt die Brückenschaltung 9 zur Ansteuerung der drei Motorphasen U, V, W. Jede Motorphase hat einen oberen UH, VH, WH und einen unteren UL, VL, WL Leistungsschalter, die vom Motortreiber 8 im Mikrocontroller 6 angesteuert sind. Zur Strommessung ist ein Serienwiderstand Rs zu allen Motorphasen geschaltet, so dass stets der komplette Motorstrom gemessen wird. Der Serienwiderstand Rs ist über einen Operationsverstärker 15 mit einem Analog-Digital-Wandler 23 im Mikrocontroller 6 verbunden. Somit kann der Motorstrom über die Pulsbreitenmodulation PWM der Motorphasen geregelt werden. The 3 shows the bridge circuit 9 for driving the three motor phases U, V, W. Each motor phase has an upper UH, VH, WH and a lower UL, VL, WL circuit breaker, that of the motor driver 8th in the microcontroller 6 are controlled. For current measurement, a series resistor Rs is connected to all motor phases, so that the complete motor current is always measured. The series resistance Rs is via an operational amplifier 15 with an analog-to-digital converter 23 in the microcontroller 6 connected. Thus, the motor current can be regulated via the pulse width modulation PWM of the motor phases.

Am Spannungseingang VDC ist eine Diode D1 angeordnet, die verhindert, dass Bremsenergie aus dem Motor 3 zurück in die Spannungsversorgung gespeist wird. An der Kathode der Diode D1 ist ein Kondensator C1 angeordnet, der diese Bremsenergie aufnimmt und zwischenspeichert. At the voltage input VDC, a diode D1 is arranged, which prevents braking energy from the motor 3 fed back into the power supply. At the cathode of the diode D1, a capacitor C1 is arranged, which receives and temporarily stores this braking energy.

Die 4 zeigt ein Kommutierungsdiagramm mit den Spannungsverläufen der drei Motorwicklungen U, V, W mit mehreren Kommutierungszeitpunkten 17 und dem Kreuzungspunkt des Sternpunktes CT mit der BEMF-Spannung, auch genannt Nulldurchgang der BEMF-Spannung 21, womit auch die Kommutierungsintervalle 18 definiert sind. Jedes Kommutierungsintervall 18 ist im Bremsbetrieb erfindungsgemäß in zwei Phasen unterteilt. In eine Antriebsphase 19 und eine Bremsphase 20. The 4 shows a commutation diagram with the voltage curves of the three motor windings U, V, W with multiple commutation times 17 and the crossing point of the star point CT with the BEMF voltage, also called zero crossing of the BEMF voltage 21 , wherewith the commutation intervals 18 are defined. Each commutation interval 18 is divided according to the invention in braking operation in two phases. In a drive phase 19 and a braking phase 20 ,

Die Antriebsphase 19 dauert vom Kommutierungszeitpunkt 17 bis zum Nulldurchgang 21. In der Antriebsphase 19 wird der Motor angetrieben und die PWM ist so gestaltet, dass der Motorstrom positiv ist, so dass Energie im Motor verbraucht wird 5. Diese Gestaltung der PWM wird anhand der in 6 gezeigten Bremsphase 20 detailliert erläutert. Dabei stellen 5 und 6 einen Ausschnitt der in 3 gezeigten Brückenschaltung dar, der lediglich vier der sechs Leistungsschalter zeigt, welche zwei der drei Phasen zugeordnet sind. The drive phase 19 takes from commutation time 17 to the zero crossing 21 , In the drive phase 19 the motor is driven and the PWM is designed so that the motor current is positive, so that energy is consumed in the engine 5 , This design of the PWM is based on the in 6 shown braking phase 20 explained in detail. Ask 5 and 6 a section of in 3 shown bridge circuit showing only four of the six power switches, which are associated with two of the three phases.

Die Bremsphase 20 dauert vom Nulldurchgang 21 bis zum Kommutierungszeitpunk 17. Wie in der 6 anhand von jeweils zwei als MOSFET ausgestalteten Schaltern im oberen und im unteren Brückenzweig gezeigt, wird in der Bremsphase 20 die PWM so eingestellt, dass der Motorstrom negativ ist und Energie zurückgespeist wird. Dies kann erreicht werden, indem bei mindestens einer oder mehreren Brücken immer abwechselnd die oberen und die unteren Leistungsschalter in der Art aktiviert werden, dass die resultierende Spannung dadurch kleiner wird als die BEMF-Spannung des Motors, wodurch idealerweise ein negativer Phasenstrom entsteht und der Motor in den Generatorbetrieb übergeht. Der stromleitende Pfad ist in den 5 und 6 jeweils strichliniert dargestellt und eine Induktivität L zweier der drei Phasenwicklungen explizit dargestellt. Die Einschalt- und Ausschaltzeiten der einzelnen Brücken werden derart gestaltet, dass die resultierende Spannung an den Motorphasen U, V, W kleiner ist, als die BEMF-Spannung, das heißt der Motorstrom wird negativ und es wird Energie zurück gespeist. The braking phase 20 takes from the zero crossing 21 until commutation time 17 , Like in the 6 shown in the upper and in the lower bridge branch in each case two switches designed as a MOSFET, is in the braking phase 20 the PWM is set so that the motor current is negative and energy is fed back. This can be achieved by alternately activating at at least one or more bridges alternately the upper and lower circuit breakers in such a way that the resulting voltage is thereby smaller than the BEMF voltage of the motor, which ideally produces a negative phase current and the motor goes into generator mode. The current conducting path is in the 5 and 6 each shown in dashed lines and an inductance L of two of the three phase windings explicitly shown. The turn-on and turn-off times of the individual bridges are designed such that the resulting voltage at the motor phases U, V, W is less than the BEMF voltage, ie the motor current is negative and energy is fed back.

Während der oben genannten Ausschaltzeit (6c) sind dazu mindestens zwei der drei unteren Schalter der Brücke geschlossen, wodurch der Motor kurzzeitig kurzgeschlossen und somit die Induktivität L über die BEMF mit Strom aufgeladen wird. Nach dem Umschalten der Brücke, während der Einschaltzeit (6a), wird der in der Induktivität L gespeicherte Strom dann über den nun geschlossenen oberen Schalter des modulierten Zweigs der Brücke geführt und abhängig vom Verhältnis Einschaltzeit (6a), während der der Motor bestromt und damit angetrieben wird, zu Ausschaltzeit (6c), während der der Motor als Generator betrieben wird, stellt sich ein größerer oder kleinerer resultierender Motorstrom ein. During the above-mentioned switch-off time ( 6c ) are closed to at least two of the three lower switches of the bridge, causing the motor short-circuited for a short time and thus the inductance L is charged via the BEMF with electricity. After switching the bridge, during the switch-on time ( 6a ), the current stored in the inductance L is then conducted via the now closed upper switch of the modulated branch of the bridge and, depending on the ratio on-time ( 6a ), during which the motor is energized and thus driven, at OFF time ( 6c ), during which the motor is operated as a generator, sets a larger or smaller resulting motor current.

Beispielsweise stellt sich bei nominaler Drehzahl von 2000 rpm und einem Verhältnis von 70% Einschaltzeit und 30% Ausschaltzeit ein positiver Motorstrom von 100 mA ein, bei dem umgekehrten Verhältnis von 30% Einschaltzeit und 70% Ausschaltzeit würde sich bei gleicher Drehzahl ein negativer Motorstrom von –10 mA mit entsprechender Bremswirkung einstellen. For example, with a nominal speed of 2000 rpm and a ratio of 70% turn-on time and 30% turn-off time, a positive motor current of 100 mA occurs, with the inverse ratio of 30% turn-on time and 70% turn-off time at the same speed, a negative motor current of - Set 10 mA with appropriate braking effect.

Wie in 6c und 6d gezeigt, fließt der Strom beim Öffnen eines der zuvor geschlossenen MOSFET-Schalter während dieser Leerlaufzeit (6d) durch die Bodydioden weiter und weist dabei höhere Leitungsverluste auf als bei geschlossenem MOSFET-Schalter. Der gleiche Effekt ist während der in 6b dargestellten Leerlaufzeit beim Ausschalten eines Schalters nach einer Einschaltzeit gemäß 6a dargestellt. Während dieser in den 6b und 6d dargestellten Leerlaufzeiten, kann die in der Induktivität L der Phasenwicklungen gespeicherte Energie in den Kondensator C1 entladen werden. As in 6c and 6d shown, the current flows when opening one of the previously closed MOSFET switches during this idle time ( 6d ) continues through the body diodes and has higher conduction losses than when the MOSFET switch is closed. The same effect is during the in 6b shown idle time when turning off a switch after a switch-on according to 6a shown. While this in the 6b and 6d shown idle times, the energy stored in the inductance L of the phase windings can be discharged into the capacitor C1.

Wie in den 5a bis 5d erkennbar ist, ist der Motorstrom während der Antriebsphase positiv, also seine Flussrichtung umgekehrt, so dass Energie im Motor verbraucht wird. In 5b und 5d ist wiederum die Leerlaufzeit gezeigt, in welcher nun im Gegensatz zur Bremsphase der Strom zwischen oberer und unterer Brückenseite in Durchlassrichtung der Bodydioden fließt. As in the 5a to 5d can be seen, the motor current during the drive phase is positive, so its direction of flow reversed, so that energy is consumed in the engine. In 5b and 5d In turn, the idling time is shown in which, in contrast to the braking phase, the current flows between the upper and lower bridge side in the forward direction of the body diodes.

Alternativ werden mindestens zwei Motorwicklungen definiert für eine kurze Zeit kurzgeschlossen, wodurch der Motor 3 gebremst wird. Dies erfolgt durch Einschalten von mindestens zwei Leistungsschaltern, beispielsweise der unteren Leistungsschalter UL, VL, WL, die vorzugsweise als MOSFET-Schalter ausgestaltet sind. Gleichzeitig arbeitet der Motor 3 beim Lösen des Kurzschlusses als Generator, wodurch Energie in das System zurück gespeist wird. Diese Bremsenergie wird im Wesentlichen im Mikrocontroller 6 verbraucht. Zusätzlich fließt der Bremsstrom beim Schalten der Leistungsschalter durch die Body-Dioden der MOSFET-Schalter, wodurch der Wirkungsgrad der Schaltung zusätzlich verschlechtert und dadurch zusätzliche Energie verbraucht wird. Die überschüssige Bremsenergie kann aufgrund der Diode D1 nicht in die Versorgungsspannung VDC zurückgespeist werden und wird daher im Kondensator C1 gespeichert. Während der Bremsphase 20 steigt daher die interne Spannung 22 im Motortreiber 8 über die Versorgungsspannung VDC an. Diese überschüssige Energie aus dem Kondensator C1 wird in der Antriebsphase 19 wieder für den Antrieb des Motors 3 verbraucht, so dass die interne Spannung 22 wieder auf das Niveau der externen Spannungsversorgung VDC absinkt. Dadurch wird verhindert, dass die interne Spannung 22 im Kondensator C1 unbegrenzt ansteigt. Alternatively, at least two motor windings are defined short-circuited for a short time, whereby the motor 3 is slowed down. This is done by switching on at least two circuit breakers, for example, the lower power switch UL, VL, WL, which are preferably designed as a MOSFET switch. At the same time the engine works 3 when releasing the short circuit as a generator, which energy is fed back into the system. This braking energy is essentially in the microcontroller 6 consumed. In addition, the braking current flows when switching the power switch through the body diodes of the MOSFET switch, whereby the efficiency of the circuit additionally deteriorates and thereby additional energy is consumed. The excess braking energy can not be fed back into the supply voltage VDC due to the diode D1 and is therefore stored in the capacitor C1. During the braking phase 20 Therefore, the internal voltage increases 22 in the motor driver 8th via the supply voltage VDC. This excess energy from the capacitor C1 is in the drive phase 19 again for the drive of the engine 3 consumed, so the internal voltage 22 again drops to the level of the external power supply VDC. This will prevent the internal voltage 22 in the capacitor C1 increases indefinitely.

Darüber hinaus unterliegt der Motor in der Antriebsphase 19 vollständig allen Regel- und Steuermechanismen, die im normalen Betrieb, das heißt ohne Bremsen, vorhanden sind. Der Motor kann daher auch im Bremsbetrieb sehr genau auf die Nenndrehzahl geregelt werden. Liegt die aktuelle Drehzahl über der Nenndrehzahl, wird dies jeweils in der Antriebsphase 19 festgestellt. Der Antrieb erfolgt daher mit dem durch die PWM bereitgestellten Strom. In der Anschließenden Bremsphase 20 erfolgt eine hinreichend starke Bremsung. Dies erfolgt solange bis die Nenndrehzahl erreicht ist. Danach wird die Drehzahl, wenn in der Bremsphase 20 die Nenndrehzahl unterschritten wird, in der oder den folgenden Antriebsphasen 19 nachgeregelt. In addition, the engine is subject to the drive phase 19 Completely all control and regulating mechanisms, which are in normal operation, that is without brakes, are available. The engine can therefore be controlled very accurately to the rated speed even in braking operation. If the current speed is above the rated speed, this will be in the drive phase 19 detected. The drive therefore takes place with the power provided by the PWM. In the subsequent braking phase 20 there is a sufficiently strong braking. This takes place until the rated speed is reached. Thereafter, the speed is when in the braking phase 20 the rated speed is fallen below, in the following or the following drive phases 19 readjusted.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist dazu keinerlei zusätzliche Messtechnik notwendig, mit der beispielsweise negative Ströme gemessen werden könnten. Auch weitere Schutzbeschaltungen für die durch die Rückspeisung verursachten Überspannungen sind nicht notwendig. Der erfindungsgemäße Elektromotor mit diesem Verfahren ist daher wesentlich kostengünstiger herstellbar. The method according to the invention does not require any additional measuring technology with which, for example, negative currents are measured could become. Further protective circuits for the overvoltages caused by the feedback are not necessary. The electric motor according to the invention with this method is therefore much cheaper to produce.

Die Nenndrehzahl des Elektromotors wird über den Strom durch die Phasenwicklungen bestimmt und wird vorzugsweise durch die PWM geregelt. Der Arbeitszyklus (duty cycle) der PWM beträgt dabei beispielsweise mindestens 5 Prozent, damit genügend Zeit vorhanden ist, um die im Kondensator gespeicherte Energie während der Antriebsphase abbauen zu können. Die PWM ist für das erfindungsgemäße Verfahren aber nicht in allen Ausführungen notwendig, weshalb die Erfindung keineswegs auf eine Ansteuerung des Elektromotors mit PWM beschränkt ist. The rated speed of the electric motor is determined by the current through the phase windings and is preferably controlled by the PWM. For example, the duty cycle of the PWM is at least 5 percent to allow enough time to dissipate the energy stored in the capacitor during the drive phase. However, the PWM is not necessary for the method according to the invention in all embodiments, which is why the invention is by no means limited to a control of the electric motor with PWM.

Neben der hier gezeigten Anwendung in einem Klappenantrieb kann das erfindungsgemäße Verfahren in jedem beliebigen elektronisch kommutierten Elektromotor verwendet werden, so dass die Erfindung in keiner Weise auf einen Klappenantrieb beschränkt ist. In addition to the application shown here in a damper drive method of the invention can be used in any electronically commutated electric motor, so that the invention is in no way limited to a damper drive.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Stellmotor servomotor
2 2: Luftklappen louver
3 3: Antriebsmotor drive motor
4 4: Getriebe transmission
5 5: Ansteuerelektronik control electronics
6 6: Mikrocontroller microcontroller
7 7: Gehäuse casing
8 8th: Motortreiber motor driver
9 9: Brückenschaltung bridge circuit
10 10: Datenspeicher data storage
11 11: LIN-Bus Schnittstelle LIN bus interface
12 12: Sensor-Schnittstelle Sensor interface
13 13: PWM-Schnittstelle PWM interface
14 14: Hall-Sensor Hall sensor
15 15: Operationsverstärker operational amplifiers
17 17: Kommutierungszeitpunkt commutation
18 18: Kommutierungsintervall commutation
19 19: Antriebsphase driving phase
20 20: Bremsphase braking phase
21 21: Nulldurchgang der BEMF-Spannung Zero crossing of the BEMF voltage
22 22: interne Spannung internal voltage
VDCVDC: Versorgungsspannung supply voltage
D1 D1: Diode diode
C1 C1: Kondensator capacitor
L L: Phaseninduktivität phase inductance
Rs Rs: Serienwiderstand series resistance
U, V, W AND MANY MORE: Motorphasen motor phases
UH, VH, WHUH, VH, WH: obere Leistungsschalter upper circuit breaker
UL, VL, WLUL, VL, WL: untere Leistungsschalter lower circuit breaker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

ISO 7637-2 [0023]

Claims

Method for controlling a brushless DC motor ( 3 ), which via a bridge circuit ( 9 ), characterized in that in braking operation each commutation interval ( 18 ) is divided into two phases, a drive phase ( 19 ), from the beginning of the commutation ( 17 ) to the zero crossing of the BEMF voltage ( 21 ) and a braking phase ( 20 ) from the zero crossing ( 21 ) until the next commutation time ( 17 ) lasts.

Method for controlling a brushless DC motor ( 3 ) according to claim 1, characterized in that the engine ( 3 ) is commutated without a sensor.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the DC motor ( 3 ) is operated by means of pulse width modulation (PWM).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the braking phase ( 20 ) mechanical energy in the engine ( 3 ) is reduced by shorting at least two motor phases (U, V, W).

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the braking phase ( 20 ) of mechanical energy in the engine ( 3 ) by switching on at least two switches (U _H , V _H , W _H , U _L , V _L , W _L ) of a bridge side of the bridge circuit ( 9 ) an inductance (L) consisting of at least two of the three phase windings (U, V, W), is charged via the BEMF with power and that by subsequently turning off a switch (U _H , V _H , W _H , U _L , V _L , W _L ) of the same bridge side and then switching on a switch of the other bridge side of the bridge circuit ( 9 ) Energy from one of the phase windings (U, V, W) for driving the motor ( 3 ) provided.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the bridge circuit ( 9 ) MOSFET switch.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the braking energy is stored in at least one capacitor (C1).

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the braking phase ( 20 ) stored in the capacitor (C1) energy in the drive phase ( 19 ) for driving the engine ( 3 ) is used.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the DC motor ( 3 ) a drive circuit ( 5 ) with only a single Hall sensor ( 14 ) having.

Brushless electric motor ( 3 ), with a drive circuit ( 5 ), which is a bridge circuit ( 9 ) and a motor driver ( 8th ), characterized in that the electric motor ( 3 ) is operated according to a method according to any one of the preceding claims.

Brushless electric motor ( 3 ), with a drive circuit ( 5 ), which is a bridge circuit ( 9 ) and a motor driver ( 8th ), characterized in that at the supply voltage input (VDC) a diode (D1) is arranged, which prevents a return of braking energy into the power supply (VDC) and that the drive circuit ( 5 ) has a capacitor (C1) for storing the braking energy.