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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Elektromotoreinrichtung mit einem Mikroprozessor, einem Arbeitsspeicher und einem elektronisch kommutierbaren Elektromotor, der mehrere Motorphasen aufweist, die jeweils mit einer von einer Pulsweitenmodulationseinrichtung in Modulationsperioden angesteuerten Stelleinrichtung verbunden sind, wobei die Pulsweitenmodulationseinrichtung die jeweilige Stelleinrichtung während jeder Modulationsperiode anhand eines der jeweiligen Motorphase zugeordneten Solltastverhältnisses ansteuert. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Elektromotoreinrichtung.
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Stand der Technik
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Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen zum Betreiben der Elektromotoreinrichtung, die über den Mikroprozessor, den Arbeitsspeicher und den Elektromotor verfügt. Der Elektromotor ist elektronisch kommutierbar, liegt also beispielsweise als bürstenloser Gleichstrommotor beziehungsweise BLDC-Motor (BLDC: brushless direct current) vor. Kostengünstige Elektromotoren dieser Art werden häufig mittels der sogenannten Block-Kommutierung angesteuert. Dabei wird ein Drehfeld für den Elektromotor beispielsweise alle 120° (für den Fall eines dreiphasigen Elektromotors) elektrisch hart umgeschaltet. Das bedeutet, dass jeweils zumindest eine Spule, die der jeweiligen Motorphase zugeordnet ist, entweder bestromt wird, während Spulen der anderen Motorphasen nicht bestromt werden. Dieses Verfahren ist robust und wenig rechenintensiv. Allerdings erzeugt das harte Umschalten zwischen den Motorphasen Drehmomentspitzen, die zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führen können. Auch wird der Lauf eines derart angesteuerten Elektromotors häufig als unrund empfunden.
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Aus diesem Grund werden inzwischen auch kostengünstige Elektromotoren mithilfe einer Pulsweitenmodulationseinrichtung angesteuert. Hierbei wird die Spannung, die an der jeweiligen Motorphase anliegt, nicht einfach beispielsweise alle 120° elektrisch auf die nächste Motorphase weitergeschaltet. Vielmehr wird die an der Motorphase anliegende effektive Spannung zunächst hoch- und anschließend wieder heruntergefahren, vorzugsweise stetig, während dies gleichzeitig – jedoch phasenversetzt – auch für die anderen Motorphasen durchgeführt wird. Dieses Hochfahren beziehungsweise Herunterfahren erfolgt schrittweise durch Variieren eines Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulationseinrichtung für jede Motorphase. Das während jeder Modulationsperiode eingestellte Tastverhältnis entspricht dem Solltastverhältnis, das für jede Modulationsperiode der Pulsweitenmodulationseinrichtung zugeführt wird. Das Tastverhältnis ist üblicherweise ein Wert zwischen Null und Eins.
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Während jeder Modulationsperiode wird also an jeder der Motorphasen durch die Pulsweitenmodulationseinrichtung für einen Zeitraum, der dem Produkt aus der Dauer der Modulationsperiode und dem Tastverhältnis entspricht, eine (konstante) Spannung angelegt. Dies erfolgt durch Ansteuern der der Motorphase jeweils zugeordneten Stelleinrichtung durch die Pulsweitenmodulationseinrichtung entsprechend des gewünschten Tastverhältnisses. Es wird mithin eine Variation des Tastverhältnisses der Halbbrücken, an welchen die Motorphasen angeschlossen sind, vorgenommen. Das vorzugsweise stetige Variieren der (effektiven) an der Motorphase anliegenden Spannung (die durch Mittelung der Spannung über die jeweilige Modulationsperiode bestimmt wird), bewirkt einen vorzugsweise ebenfalls stetigen Drehmomentverlauf des Elektromotors und eine entsprechend verringerte Geräuschentwicklung. Üblicherweise verläuft die effektive Spannung entlang eines vorab festgelegten Verlaufs, welcher einmalig auf den Motor und gegebenenfalls auf einen oder mehrere Lastfälle angepasst wird.
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Bei aktuellen Ausführungsformen des Verfahrens durchläuft eine auf dem Mikroprozessor ablaufende Softwareroutine eine beispielsweise in dem Arbeitsspeicher abgelegte Tabelle beziehungsweise Look-up-Tabelle (LuT) und liest diese aus. Die Tabelle umfasst dabei mehrere Vorgabetastverhältnisse, welche für die jeweilige Motorphase von dem Mikroprozessor ausgelesen und der Pulsweitenmodulationseinrichtung als Solltastverhältnis zugeführt wird. Dabei wird das der Motorphase entsprechende Vorgabetastverhältnis aus der Tabelle ausgelesen, mit einem Skalierungsfaktor multipliziert und anschließend in ein Eingangsregister der Pulsweitenmodulationseinrichtung geschrieben.
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Die Schrittweite, mit welcher die Vorgabetastverhältnisse aus der Tabelle ausgelesen werden, ist von der Solldrehzahl des Elektromotors abhängig und muss nicht notwendigerweise ganzzahlig sein, kann also auch fraktionale Werte annehmen. Beispielsweise wird bei niedriger Geschwindigkeit (und mithin kleinerer Schrittweite) jedes der hintereinander in der Tabelle vorliegenden Vorgabetastverhältnisse ausgelesen beziehungsweise sogar mehrfach ausgelesen und der Pulsweitenmodulationseinrichtung zugeführt. Bei größeren Drehzahlen (und entsprechend größeren Schrittweiten) kann es dagegen vorkommen, dass ein oder mehrere Vorgabetastverhältnisse in der Tabelle bei dem Auslesen durch den Mikroprozessor übersprungen werden. Das Auslesen und Zuführen wird üblicherweise im Rahmen einer Unterbrechungsroutine beziehungsweise Interrupt-Serviceroutine (ISR) durchgeführt. Diese Unterbrechungsroutine wird beispielsweise für jede Modulationsperiode, also beispielsweise alle 50 bis 62 µs, ausgeführt. Die die Unterbrechungsroutine einleitenden Unterbrechungsanforderungen beziehungsweise Interrupts bedingen jedoch eine hohe Auslastung des Mikroprozessors, insbesondere weil dieser während dem Durchführen der Unterbrechungsroutine nicht für andere Aufgaben zur Verfügung steht. Entsprechend muss der Mikroprozessor über eine hohe Rechenleistung verfügen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Verfahren zum Betreiben einer Elektromotoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist dagegen den Vorteil auf, dass der Mikroprozessor entlastet wird, also auch für andere Aufgaben neben dem Bereitstellen der Solltastverhältnisse für die Pulsweitenmodulationseinrichtung zur Verfügung steht. Damit wird auch der Einsatz von Mikroprozessoren mit geringer Rechenleistung ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Mikroprozessor zumindest eine Tabelle mit mehreren aufeinanderfolgenden Vorgabetastverhältnissen in den Arbeitsspeicher schreibt, und indem für jede Motorphase periodisch mittels eines Speicherdirektzugriffs unter Umgehung des Mikroprozessors eines der Vorgabetastverhältnisse aus der Tabelle ausgelesen und der Pulsweitenmodulationseinrichtung als Solltastverhältnis zugeführt wird. Die Tabelle liegt bevorzugt in eindimensionaler Form, also als Liste, vor. Zunächst wird also zumindest einmalig die Tabelle in dem Arbeitsspeicher aufgebaut. Dies wird mithilfe des Mikroprozessors bewerkstelligt, welcher beispielsweise die in der Tabelle abzulegenden Vorgabetastverhältnisse aus einem nichtflüchtigen Speicher (ROM: read-only memory) ausliest und in den Arbeitsspeicher schreibt. Der Arbeitsspeicher ist dabei vorzugsweise als Direktzugriffsspeicher (RAM: random-access memory) ausgeführt.
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Nachdem die Tabelle in den Arbeitsspeicher geschrieben wurde, wird für jede Motorphase das Vorgabetastverhältnis über den Speicherdirektzugriff aus der Tabelle ausgelesen und anschließend der Pulsweitenmodulationseinrichtung beziehungsweise deren Eingangsregister als Solltastverhältnis zugeführt. Der Speicherdirektzugriff wird beispielsweise mithilfe einer Speicherdirektzugriffseinrichtung durchgeführt, welche zusätzlich zu dem Mikroprozessor vorliegt. Dabei wird der Mikroprozessor selbst umgangen, er nimmt also nicht an dem Speicherdirektzugriff auf den Arbeitsspeicher teil. Nichtsdestotrotz ist ebenso wie die Speicherdirektzugriffseinrichtung unmittelbar an den Arbeitsspeicher angeschlossen. Beispielsweise sind der Mikroprozessor und die Speicherdirektzugriffseinrichtung über denselben Bus an den Arbeitsspeicher angebunden. Soll der Speicherdirektzugriff durchgeführt werden, so kann der Mikroprozessor von dem Bus getrennt werden. Anschließend wird der Speicherdirektzugriff durchgeführt und nachfolgen die Verbindung zwischen dem Mikroprozessor und dem Bus wieder hergestellt. Auf diese Weise wird ein äußerst effizientes Betreiben der Elektromotoreinrichtung sichergestellt, weil der Mikroprozessor nicht mit dem Bereitstellen der Solltastverhältnisse für die Pulsweitenmodulationseinrichtung beschäftigt ist, sondern vielmehr für andere Anwendungen herangezogen werden kann.
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Entsprechend läuft das Bereitstellen der Solltastverhältnisse im Wesentlichen im Hintergrund ohne Beteiligung des Mikroprozessors ab. Dabei ist jedoch zu beachten, dass mithilfe des Speicherdirektzugriffs lediglich Vorgabetastverhältnisse aus der Tabelle kopiert und der Pulsweitenmodulationseinrichtung zur Verfügung gestellt werden können. Es ist also nicht möglich, beispielsweise eine Multiplikation mit dem Skalierungsfaktor durchzuführen. Auch ist die Schrittweite, mit welcher das Auslesen der Vorgabetastverhältnisse aus der Tabelle beziehungsweise dem Arbeitsspeicher erfolgt, stets gleich Eins. Es kann also nicht mehrfach dasselbe Vorgabetastverhältnis ausgelesen werden oder bei dem Auslesen zumindest ein Vorgabetastverhältnis übersprungen werden, wie dies mithilfe des Mikroprozessors möglich ist. Diese Einschränkungen sind bei dem Schreiben der Tabelle in den Arbeitsspeicher durch den Mikroprozessor zu berücksichtigen und die in der Tabelle enthaltenen Vorgabetastverhältnisse entsprechend zu wählen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zum Zuführen des Vorgabetastverhältnisses das jeweilige Vorgabetastverhältnis in ein entsprechendes Eingangsregister der Pulsweitenmodulationseinrichtung geschrieben wird. Das Vorgabetastverhältnis wird also aus der Tabelle ausgelesen und durch das Schreiben in das Eingangsregister der Pulsweitenmodulationseinrichtung in Form des Solltastverhältnisses zugeführt. Selbstverständlich werden dabei entsprechend der Anzahl der Motorphasen mehrere Vorgabetastverhältnisse aus der wenigstens einen Tabelle ausgelesen und entsprechenden Eingangsregistern der Pulsweitenmodulationseinrichtung zugeführt, wobei jedes Eingangsregister einer der Motorphasen zugeordnet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zum Ansteuern der Stelleinrichtung das Solltastverhältnis für die jeweilige Motorphase aus einem Arbeitsregister der Pulsweitenmodulationseinrichtung ausgelesen wird, das in jeder Modulationsperiode mit dem Inhalt des Eingangsregisters beschrieben wird. Üblicherweise liegen ebenso viele Arbeitsregister wie Eingangsregister vor. Beispielsweise entspricht die Anzahl der Arbeitsregister und der Eingangsregister der Anzahl der Motorphasen des Elektromotors. Wie bereits eingangs erläutert, wird die Motorphase mittels der ihr zugeordneten Stelleinrichtung entsprechend des jeweiligen Solltastverhältnisses bestromt, also mit Spannung beaufschlagt. Das Solltastverhältnis wird dabei aus dem Arbeitsregister ausgelesen, dessen Inhalt lediglich einmal pro Modulationsperiode verändert wird.
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Zu diesem Zweck wird der Inhalt des Eingangsregisters ausgelesen und in das Arbeitsregister geschrieben. Das Arbeitsregister ist also im Sinne einer Doppelpufferung von dem Eingangsregister entkoppelt. Das Beschreiben des Arbeitsregisters erfolgt beispielsweise nur zu Beginn oder nur am Ende jeder Modulationsperiode. Wird also nach dem Beschreiben des Arbeitsregisters der Inhalt des Eingangsregisters verändert, beispielsweise gemäß den vorstehenden Ausführungen durch das Zuführen des Vorgabetastverhältnisses als Solltastverhältnis, so wird der Inhalt des Arbeitsregisters selbst nicht verändert, bleibt also konstant. Entsprechendes gilt, wenn das Eingangsregister während jeder Modulationsperiode mehrfach beschrieben wird. In diesem Fall wird lediglich der Wert des Eingangsregisters in das Arbeitsregister übertragen, welcher zum Zeitpunkt des Übertragens vorliegt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das periodische Zuführen des Vorgabetastverhältnisses mit einer Vorgabefrequenz erfolgt, die insbesondere unabhängig von einer der Dauer der Modulationsperiode entsprechenden Modulationsfrequenz oder gleich der Modulationsfrequenz gewählt wird. Der Speicherdirektzugriff, mittels welchem das periodische Zuführen des Vorgabetastverhältnisses als Solltastverhältnis erfolgt, wird entsprechend in bestimmten Intervallen ausgeführt. Zu diesem Zweck ist beispielsweise ein Zeitgeber vorgesehen, welcher den Speicherdirektzugriff, beispielsweise durch entsprechendes Ansteuern der Speicherdirektzugriffseinrichtung, veranlasst. Der Zeitgeber ist dabei auf die Vorgabefrequenz eingestellt, das periodische Zuführen erfolgt also mit dieser. Die Vorgabefrequenz entspricht beispielsweise der Modulationsfrequenz, welche gleich dem Kehrwert der Dauer der Modulationsperiode ist. Das Auslesen des Vorgabetastverhältnisses wird also durch den Zeitgeber für jede Modulationsperiode genau einmal veranlasst.
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Selbstverständlich kann alternativ die Vorgabefrequenz während des Betreibens der Elektromotoreinrichtung variabel gewählt werden und ist dazu beispielsweise mithilfe des Mikroprozessors einstellbar. Dabei wird die Vorgabefrequenz vorzugsweise unabhängig von der Modulationsfrequenz gewählt, kann also insbesondere von dieser abweichen. Ist die Vorgabefrequenz kleiner als die Modulationsfrequenz, so kann unter Umständen das in dem Eingangsregister der Pulsweitenmodulationseinrichtung vorliegende Solltastverhältnis unverändert bleiben, wenn in der jeweiligen Modulationsperiode der Speicherdirektzugriff nicht durchgeführt wird. Ist dagegen die Vorgabefrequenz höher als die Modulationsfrequenz, so kann der Fall auftreten, dass der Pulsweitenmodulationseinrichtung beziehungsweise ihrem Eingangsregister mehrfach pro Modulationsperiode das Solltastverhältnis zugeführt wird.
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Entsprechend ergeben sich zwei bevorzugte Ausführungsformen, welche die Besonderheiten des Speicherdirektzugriffs berücksichtigen, insbesondere die konstant bei Eins liegende Schrittweite. Wird die Vorgabefrequenz unabhängig von der Modulationsfrequenz gewählt, kann die Drehzahl des Elektromotors zumindest bereichsweise allein über die Vorgabefrequenz bestimmt werden. Lediglich ein eventuell notwendiges Skalieren der Vorgabetastverhältnisse muss mithilfe des Mikroprozessors durchgeführt werden. Zu diesem Zweck schreibt der Mikroprozessor die Tabelle mit den Vorgabetastverhältnissen erneut in den Arbeitsspeicher, wobei die Skalierung vorgenommen wird. Bei dem Auslesen mittels des Speicherdirektzugriffs wird nun die Vorgabefrequenz derart gewählt, dass zu dem Zeitpunkt, bei welchem der Inhalt des Eingangsregisters in das Arbeitsregister der Pulsweitenmodulationseinrichtung kopiert wird, das gewünschte Solltastverhältnis in dem Eingangsregister vorliegt.
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Ist dagegen die Vorgabefrequenz gleich der Modulationsfrequenz, kann als Zeitgeber beispielsweise ein Zeitgeber der Pulsweitenmodulationseinrichtung verwendet werden. Sowohl das Skalieren als auch das gezielte Auswählen der Vorgabetastverhältnisse muss nun durch den Mikroprozessor erfolgen, wobei dieser die Tabelle mit den ausgewählten Vorgabetastverhältnissen in den Arbeitsspeicher schreibt. Dabei kann zusätzlich die Skalierung vorgenommen werden.
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Es wird deutlich, dass insbesondere für die erstgenannte Ausführungsform des Verfahrens eine deutliche Reduzierung der Rechenlast des Mikroprozessors vorliegt, weil lediglich das Skalieren mit seiner Hilfe vorgenommen wird. Auch bei der zweiten Ausführungsform ist die Reduzierung jedoch signifikant, weil das Schreiben der Tabelle in den Arbeitsspeicher mit den neuen Vorgabetastverhältnissen lediglich bei einer Veränderung der Betriebsparameter des Elektromotors vorgenommen werden muss. Ist dagegen ein konstanter Betrieb vorgesehen, so steht auch hier der Mikroprozessor für andere Aufgaben zur Verfügung.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Mikroprozessor bei dem Schreiben der Tabelle eine Skalierung der Vorgabetastverhältnisse entsprechend eines vorgegebenen Skalierungsfaktors und/oder eine Anpassung entsprechend eines Betriebsparameters des Elektromotors, insbesondere der Solldrehzahl, durchführt. Wie bereits vorstehend ausgeführt, wird das Schreiben zumindest einmalig zu Beginn des Betriebs der Elektromotoreinrichtung durchgeführt. Ein erneutes Schreiben ist üblicherweise nur notwendig, wenn sich der Betriebsparameter des Elektromotors verändert. In diesem Fall wird die Tabelle neu in den Arbeitsspeicher geschrieben, wobei die zuvor darin beschriebene Tabelle üblicherweise überschrieben wird. Beispielsweise liest der Mikroprozessor die Vorgabetastverhältnisse aus einem nichtflüchtigen Speicher aus und schreibt sie anschließend, nach der Skalierung und der Anpassung beziehungsweise Auswahl, in den Arbeitsspeicher. Die Skalierung erfolgt durch Multiplikation des jeweiligen Vorgabetastverhältnisses mit dem Skalierungsfaktor und Schreiben des Ergebnisses in die Tabelle. Die Anpassung erfolgt beispielsweise durch mehrfaches Einschreiben desselben aus dem nichtflüchtigen Speicher ausgelesenen Vorgabetastverhältnisses in die Tabelle oder Auslassen bestimmter Vorgabetastverhältnisse.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Mikroprozessor die Vorgabetastverhältnisse vor dem Schreiben in die Tabelle aus einem weiteren Speicher, insbesondere einem nichtflüchtigen Speicher, ausliest. Darauf wurde bereits vorstehend eingegangen. Neben dem Arbeitsspeicher liegt also der weitere Speicher vor, welcher besonders bevorzugt als nichtflüchtiger Speicher ausgebildet ist. Entsprechend kann der Arbeitsspeicher ein flüchtiger Speicher sein, welcher bei Inbetriebnahme der Elektromotoreinrichtung keine oder zumindest keine definierten Werte aufweist. Vor dem ersten Auslesen der Tabelle durch den Speicherdirektzugriff muss mithin die Tabelle initialisiert beziehungsweise in den Arbeitsspeicher geschrieben werden. Zu diesem Zweck liest der Mikroprozessor die Vorgabetastverhältnisse, insbesondere lediglich bestimmte Vorgabetastverhältnisse, aus dem weiteren Speicher aus und schreibt sie in die in dem Arbeitsspeicher vorliegende Tabelle.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für das Auslesen des Vorgabetastverhältnisses aus der wenigstens einen Tabelle für jede Motorphase ein auf das jeweilige Vorgabetastverhältnis weisender Zeiger vorliegt. Üblicherweise sollen in einer der Modulationsperioden für die mehreren Motorphasen jeweils unterschiedliche Solltastverhältnisse beziehungsweise Vorgabetastverhältnisse verwendet werden. Entsprechend liegt für jede Motorphase ein Zeiger vor, welcher auf verschiedene Stellen des Arbeitsspeichers beziehungsweise der wenigstens einen Tabelle zeigt. Bei jedem Auslesen eines Vorgabetastverhältnisses aus der Tabelle durch den Speicherdirektzugriff wird der Zeiger so angepasst, dass er auf das nachfolgende Vorgabetastverhältnis weist, insbesondere um Eins erhöht.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Mikroprozessor die Zeiger verändern, also beispielsweise auf ein bestimmtes Vorgabetastverhältnis setzen kann. Dies kann auf Grundlage eines mittels eines Sensors gemessenen Werts vorgesehen sein, insbesondere wenn anhand von diesem ein BEMF-Ereignis (BEMF: back electro-magnetic force) festgestellt wird, also eine (zu große) elektromagnetische Kraft, die der Drehbewegung des Elektromotors entgegenwirkt. Alternativ kann anstelle der Veränderung des oder der Zeiger bei Auftreten eines solchen BEMF-Ereignisses auch die Vorgabefrequenz schrittweise verringert oder vergrößert werden.
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Zweckmäßigerweise ist es dabei vorgesehen, dass das Auslesen aus einer einzigen Tabelle erfolgt oder für jede Motorphase eine separate Tabelle vorliegt. Die erstere Ausführungsform beansprucht sehr wenig Speicherplatz in dem Arbeitsspeicher, weil lediglich die einzige Tabelle vorliegen muss. Sie setzt jedoch voraus, dass die Speicherdirektzugriffseinrichtung es zulässt, dass die den Motorphasen zugeordneten Zeiger auf beziehungsweise in dieselbe Tabelle weisen. Insbesondere wenn dies nicht der Fall ist, kann auch für jede Motorphase eine separate Tabelle vorgesehen sein. Entsprechend weist jeder Zeiger der Speicherdirektzugriffseinrichtung auf genau eine dieser separaten Tabellen.
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Bevorzugt kann es dabei vorgesehen sein, dass der Zeiger überläuft, wenn er das Ende der Tabelle erreicht. Unter Überlaufen ist dabei zu verstehen, dass der Zeiger automatisch auf den Beginn der Tabelle gesetzt wird, wenn er an deren Ende angelangt ist. Entsprechend muss kein Rücksetzen der Speicherdirektzugriffseinrichtung oder ein Neusetzen des jeweiligen Zeigers mithilfe des Mikroprozessors vorgenommen werden, wenn der Zeiger das Ende der Tabelle erreicht hat. Bei einer derartigen Ausführungsform ist also ein vollständig autarkes Betreiben des Elektromotors allein mithilfe des Speicherdirektzugriffs beziehungsweise der Speicherdirektzugriffseinrichtung möglich, zumindest solange keine Änderung des Betriebsparameters des Elektromotors vorgenommen werden soll. Gemäß den vorstehenden Ausführungen ist in diesem Fall ein Neuschreiben der Tabelle beziehungsweise der Tabellen mit Skalierung und/oder Anpassung beziehungsweise Auswahl der Vorgabetastverhältnisse vorgesehen.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Elektromotoreinrichtung, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wobei die Elektromotoreinrichtung über einen Mikroprozessor, über einen Arbeitsspeicher und über einen elektronisch kommutierbaren Elektromotor verfügt, der mehrere Motorphasen aufweist, die jeweils mit einer von einer Pulsweitenmodulationseinrichtung in Modulationsperioden angesteuerten Stelleinrichtung verbunden sind, wobei die Pulsweitenmodulationseinrichtung dazu vorgesehen ist, die jeweilige Stelleinrichtung während jeder Modulationsperiode anhand eines der jeweiligen Motorphase zugeordneten Solltastverhältnisses anzusteuern. Dabei ist vorgesehen, dass der Mikroprozessor dazu ausgebildet ist, zumindest eine Tabelle mit mehreren aufeinanderfolgenden Vorgabetastverhältnissen in den Arbeitsspeicher zu schreiben, und dass die Elektromotoreinrichtung dazu ausgebildet ist, für jede Motorphase periodisch mittels eines Speicherdirektzugriffs unter Umgehung des Mikroprozessors eines der Vorgabetastverhältnisse aus der Tabelle auszulesen und der Pulsweitenmodulationseinrichtung als Solltastverhältnis zuzuführen. Auf die sich daraus ergebenden Vorteile wurde bereits eingegangen. Selbstverständlich kann die Elektromotoreinrichtung beziehungsweise das Verfahren gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein.
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Die Erfindung betrifft zudem ein Steuergerät zum Ansteuern einer Stelleinrichtung eines Elektromotors, das einen Mikroprozessor und einen Arbeitsspeicher aufweist. Das Steuergerät dient insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens und kann gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Elektromotoreinrichtung,
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2 eine schematische Ansicht eines Steuergeräts der Elektromotoreinrichtung, das einen Mikroprozessor, einen Arbeitsspeicher, eine Speicherdirektzugriffseinrichtung und eine Pulsweitenmodulationseinrichtung aufweist,
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3 eine schematische Darstellung des zum Betreiben der Elektromotoreinrichtung verwendeten Verfahrens, und
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4 eine schematische Darstellung des verwendeten Verfahrens in einer alternativen Ausführungsform.
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Elektromotoreinrichtung 1 mit einem elektronisch kommutierbaren Elektromotor 2 mit drei Motorphasen 3, 4 und 5, welche jeweils wenigstens eine Spule 6 aufweisen. Die Spule 6 ist üblicherweise einem Stator des Elektromotors 2 zugeordnet, während ein bezüglich des Stators drehbar gelagerter Rotor (nicht gezeigt) einen Permanentmagnet aufweist. Selbstverständlich können auch andere Ausführungsformen des Elektromotors 2, insbesondere mit einer beliebigen Anzahl an Motorphasen, die zudem beliebig verschaltet sein können, herangezogen werden.
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Jede der Motorphasen 3, 4 und 5 ist an eine Stelleinrichtung 7, 8 beziehungsweise 9 angeschlossen. Jede der Stelleinrichtungen 7, 8 und 9 verfügt über einen ersten Schalter 10, insbesondere High-Side-Schalter, und einen zweiten Schalter 11, insbesondere Low-Side-Schalter. Anschlüsse 12, über welche die Motorphasen 3, 4 und 5 an die Stelleinrichtungen 7, 8 und 9 angeschlossen sind, sind elektrisch zwischen den Schaltern 10 und 11 vorgesehen. Auf ihrer dem Anschluss 12 abgewandten Seite sind die ersten Schalter 10 an einen ersten Pol 13, beispielsweise einen Pluspol, einer Spannungsquelle angeschlossen, während die zweiten Schalter 11 auf ihrer dem Anschluss 12 abgewandten Seite an einen zweiten Pol 14, beispielsweise einen Minuspol, derselben Spannungsquelle angeschlossen sind. Die Schalter 10 und 11 sind bevorzugt als elektronische Schalter, beispielsweise als Halbleiterschalter, insbesondere als Transistoren, ausgebildet. Sie sind einzeln mithilfe eines Steuergeräts 15 ansteuerbar. Somit kann jede der Motorphasen 3, 4 und 5 durch Ansteuerung der Schalter 10 und 11 der Stelleinrichtungen 7, 8 und 9 gezielt bestromt beziehungsweise mit Spannung beaufschlagt werden. Entsprechend kann ein mithilfe der Spulen 6 erzeugtes Drehfeld derart gesteuert werden, dass der Rotor des Elektromotors 2 in Drehbewegung versetzt wird.
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Die 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Bereichs des Steuergeräts 15. Dieses weist zumindest einen Mikroprozessor 16, einen Arbeitsspeicher 17, eine Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 und eine Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 auf. Der Mikroprozessor 16 ist über einen Bus 20 mit dem Arbeitsspeicher 17 verbunden. Auch die Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 ist über einen Bus 21 an den Arbeitsspeicher 17 angeschlossen. Selbstverständlich können der Bus 20 und der Bus 21 auch als gemeinsamer Bus vorliegen, sodass also der Mikroprozessor 16 und die Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 über denselben Bus an den Arbeitsspeicher 17 angebunden sind. Wie durch die entsprechenden Pfeile angedeutet, ist durch den Mikroprozessor 16 sowohl ein schreibender als auch ein lesender Zugriff auf den Arbeitsspeicher 17 vorgesehen, wohingegen die Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 lediglich aus dem Arbeitsspeicher 17 lesen soll. Selbstverständlich kann jedoch auch hier ein Schreiben vorgesehen sein. Wie durch den Pfeil 22 angedeutet, kann der Mikroprozessor 16 die Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 ansteuern. Dies ist jedoch rein optional vorgesehen. Ebenso kann, wie durch den Pfeil 23 angedeutet, ein Steuern der Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 durch die Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 vorgesehen sein.
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Die Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 verfügt über mehrere Eingangsregister 24 und mehrere Arbeitsregister 25. Beispielsweise entspricht die Anzahl der Eingangsregister 24 und die Anzahl der Arbeitsregister 25 jeweils der Anzahl der Motorphasen 3, 4 und 5. Für die vorliegende Ausführungsform der Elektromotoreinrichtung 1 beträgt sie also drei. Selbstverständlich kann auch eine größere Anzahl an Eingangsregistern 24 und an Arbeitsregistern 25 vorgesehen sein, wobei jedoch lediglich eine der Anzahl der Motorphasen 3, 4 und 5 entsprechende Anzahl tatsächlich verwendet wird.
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Die Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 dient der Ansteuerung der Schalter 10 und 11 der Stelleinrichtungen 7, 8 und 9. Sie stellt dabei die Schalter 10 und 11 derart ein, dass während jeder Modulationsperiode die jeweilige Motorphase 3, 4 oder 5 entsprechend eines ihr zugeordneten Solltastverhältnisses angesteuert wird. Das jeweils zugeordnete Solltastverhältnis ist jeweils in dem Arbeitsregister 25 abgelegt. Eines der Arbeitsregister 25 enthält also das Solltastverhältnis für die Motorphase 3, ein weiteres für die Motorphase 4 und ein letztes für die Motorphase 5. Während jeder Modulationsperiode, insbesondere zu Beginn oder am Ende der Modulationsperiode, wird ein Inhalt der Eingangsregister 24 in die Arbeitsregister 25 eingeschrieben. Dabei gilt auch hier, dass jeder der Motorphasen 3, 4 und 5 genau ein Eingansregister 24 zugeordnet ist. Das Kopieren des Inhalts von dem Eingangsregister 24 in das jeweilige Arbeitsregister 25 erfolgt also vorzugsweise genau einmal pro Modulationsperiode. Die Modulationsperioden folgen mit einer Modulationsfrequenz aufeinander, wobei diese einem Kehrwert der Dauer einer der Modulationsperioden entspricht. Die Modulationsfrequenz ist vorzugsweise konstant.
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Die Eingangsregister 24 werden von der Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 mit einem der jeweiligen Motorphase 3, 4 und 5 zugeordneten Solltastverhältnis beschrieben. Zu diesem Zweck liest die Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 über den Bus 21 eines von mehreren Vorgabetastverhältnissen 26 aus einer Tabelle 27 aus, welche zuvor von dem Mikroprozessor 16 über den Bus 20 in den Arbeitsspeicher 17 geschrieben wurde. Das Auslesen des Vorgabetastverhältnisses 26 erfolgt dabei mittels eines Speicherdirektzugriffs, also unter Umgehung des Mikroprozessors 16. Das ausgelesene Vorgabetastverhältnis 26 wird nun als Solltastverhältnis in das der jeweiligen Motorphase 3, 4 beziehungsweise 5 zugeordnete Eingangsregister 24 geschrieben. Dies erfolgt beispielsweise periodisch mit einer Vorgabefrequenz, welche von einem hier nicht dargestellten Zeitgeber vorgegeben wird.
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Alternativ kann das Auslesen des Vorgabetastverhältnisses 26 und das Zuführen des Vorgabetastverhältnisses 26 als Solltastverhältnis in die Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 beziehungsweise das Eingangsregister 24 auch mit einer Vorgabefrequenz erfolgen, welche der Modulationsfrequenz entspricht. In diesem Fall kann ein ebenfalls nicht dargestellter Zeitgeber der Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 das entsprechende Ansteuern der Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 (wie durch den Pfeil 23 angedeutet) übernehmen.
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Die 3 zeigt schematisch die Funktion der Speicherdirektzugriffseinrichtung 18. Diese verfügt über drei Zeiger 28, 29 und 30, die jeweils einer der Motorphasen 3, 4 und 5 zugeordnet sind. Grundsätzlich sind stets mindestens ebenso viele Zeiger 28, 29 und 30 wie Motorphasen 3, 4 und 5 vorgesehen. Die mit den durchgezogenen Linien angedeuteten Zeiger 28, 29 und 30 deuten jeweils auf das Vorgabetastverhältnis 26, welches für die momentane Modulationsperiode als Solltastverhältnis der Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 zum Ansteuern der Stelleinrichtungen 7, 8 und 9 zugeführt werden soll. Die gestrichelte und die strichpunktierten Linien zeigen die Zeiger 28, 29 und 30 in einer zukünftigen Modulationsperiode. Die Vorgabetastverhältnisse 26 sind mit den Buchstaben a bis r näher gekennzeichnet. Es wird deutlich, dass der Zeiger 28 in der momentanen Modulationsperiode auf das Vorgabetastverhältnis 26a, der Zeiger 29 auf das Vorgabetastverhältnis 26e und der Zeiger 30 auf das Vorgabetastverhältnis 26i weist. Die Vorgabetastverhältnisse 26a, 26e und 26i werden von der Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 mittels Speicherdirektzugriff, also unter Umgehung des Mikroprozessors 16, unmittelbar aus dem Arbeitsspeicher 17 beziehungsweise der Tabelle 27 ausgelesen und der Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 beziehungsweise den Eingangsregistern 24 zugeführt. Von dort werden sie für jede Modulationsperiode einmal, also mit der Modulationsfrequenz, in die Arbeitsregister 25 kopiert.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich eine einzige Tabelle 27 für alle Motorphasen 3, 4 und 5 vorgesehen. Die Zeiger 28, 29 und 30 werden nach jedem Auslesen eines der Vorgabetastverhältnisse 26 um Eins inkrementiert, sodass sie auf das jeweils nachfolgende Vorgabetastverhältnis 26 weisen. Erreicht einer der Zeiger 28, 29 und 30 das Ende der Tabelle 27 beziehungsweise überschreitet dieses, so wird er bevorzugt automatisch auf ihren Anfang, also das erste Vorgabetastverhältnis 26a, gesetzt. Die Zeiger 28, 29 und 30 laufen also über, wenn das Ende der Tabelle 27 erreicht ist.
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Anhand der gestrichelten Linie für die Zeiger 28, 29 und 30 soll nun der Fall erläutert werden, für welchen die Vorgabefrequenz der Modulationsfrequenz entspricht. Die Vorgabefrequenz ist dabei diejenige Frequenz, mit welcher die Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 die Vorgabetastverhältnisse 26 aus der Tabelle 27 ausliest und der Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 zuführt. Es wird deutlich, dass die gestrichelt dargestellten Zeiger 28, 29 und 30 im Vergleich mit den durchgezogen dargestellten Zeigern 28, 29 und 30 auf das jeweils nächste Vorgabetastverhältnis 26 weisen, also die Vorgabetastverhältnis 26d, 26f und 26j. Diese Vorgabetastverhältnisse 26b, 26f und 26j werden also der Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 zugeführt und gelangen dort aus dem Eingangsregister 24 in das Arbeitsregister 25.
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Es kann nun jedoch vorgesehen sein, dass die Vorgabefrequenz von der Modulationsfrequenz verschieden ist. Beispielsweise ist sie höher, was anhand der strichpunktierten Linien für die Zeiger 28, 29 und 30 erläutert wird, wobei die Vorgabefrequenz rein beispielhaft doppelt so hoch ist wie die Modulationsfrequenz. In diesem Fall wird im Falle des Zeigers 28 sowohl das Vorgabetastverhältnis 26b als auch das Vorgabetastverhältnis 26c aus der Tabelle 27 ausgelesen und dem Eingangsregister 24 beziehungsweise der Pulsweitenmodulationseinrichtung 19 zugeführt. Weil jedoch das Kopieren aus dem Eingangsregister 24 in das Arbeitsregister 25 lediglich mit der Modulationsfrequenz beziehungsweise einmal pro Modulationsperiode erfolgt, gelangt das Vorgabetastverhältnis 26b nicht in das Arbeitsregister 25. Vielmehr folgt in dem Arbeitsregister 25 auf das Vorgabetastverhältnis 26a unmittelbar das Vorgabetastverhältnis 26c, während in dem Eingangsregister 24 die drei Vorgaberegister 26a, 26b und 26c in Form des Solltastverhältnisses nacheinander vorliegen. Durch entsprechende Wahl der Vorgabefrequenz kann also die Pulsweitenmodulation der Stelleinrichtungen 7, 8 und 9 gezielt beeinflusst und mithin die Drehzahl des Elektromotors 2 beeinflusst werden.
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Soll während des Betreibens der Elektromotoreinrichtung 1 ein Betriebsparameter des Elektromotors 2, beispielsweise dessen Drehzahl verändert werden, so müssen jedoch häufig die Vorgabetastverhältnisse 26 skaliert werden. Dies erfolgt mithilfe des Mikroprozessors 16. Zu diesem Zweck liest er beispielsweise aus einem hier nicht dargestellten weiteren Speicher, insbesondere nichtflüchtigen Speicher, Vorgabetastverhältnisse aus, skaliert sie und schreibt sie nacheinander in die Tabelle 27.
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In einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Vorgabefrequenz stets gleich der Modulationsfrequenz ist. In diesem Fall kann die Drehzahl des Elektromotors 2 nicht einfach über die Wahl der Vorgabefrequenz erfolgen. Mithin ist es notwendig, die in der Tabelle 27 vorliegenden Vorgabetastverhältnisse 26 derart anzupassen beziehungsweise auszuwählen, dass dennoch stets das gewünschte Vorgabetastverhältnis 26 beziehungsweise Solltastverhältnis in das Arbeitsregister 25 gelangt. Zu diesem Zweck wird mithilfe des Mikroprozessors 16 eine entsprechende Anpassung beziehungsweise Auswahl der Vorgabetastverhältnisse 26 vorgenommen. Beispielsweise wird eine in dem weiteren Speicher vorliegende weitere Tabelle mit Vorgabetastverhältnissen 26 mit einer bestimmten Schrittweite ausgelesen, skaliert und die ausgelesenen sowie skalierten Vorgabetastverhältnisse 26 in die Tabelle 27 unmittelbar hintereinander geschrieben.
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens. Der einzige Unterschied zu der anhand der 3 beschriebenen liegt darin, dass nun für jede Motorphase 3, 4 und 5 eine separate Tabelle 27’, 27’’ und 27’’’ mit Vorgabetastverhältnissen 26’, 26’’ und 26’’’ vorgesehen sind. Der Zeiger 28 zeigt mithin ausschließlich auf die Tabelle 27’, der Zeiger 29 ausschließlich auf die Tabelle 27’’ und der Zeiger 30 auf die Tabelle 27’’’. Dies ist insbesondere notwendig, wenn die Speicherdirektzugriffseinrichtung 18 keine Zeiger 28, 29 und 30 zulässt, welche auf dieselbe Tabelle 27 beziehungsweise auf denselben Speicherbereich des Arbeitsspeichers 17 weisen. Die weiteren vorstehenden Ausführungen sind für die nun vorliegende Ausführungsform analog heranzuziehen.
