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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Elektromotoren und insbesondere eine universelle Steuerungseinheit, die entweder einen Bürsten- oder einen bürstenlosen Gleichstrommotor antreiben kann.
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HINTERGRUND
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Es gibt viele verschiedene Arten von Elektromotoren einschließlich derjenigen, die Wechselstrom- oder Gleichstrommotoren mit oder ohne Bürsten und mit oder ohne Sensoren sind, und die Anwendungen mit einem offenen oder geschlossenen Regelkreis bedienen, um ein paar Beispiele aufzuzählen. Einige übliche Elektromotoranwendungen für Fahrzeuge umfassen Kraftstoffpumpen, Gebläse, Kühlventilatoren usw., aber Elektromotoren wurden im gesamten Fahrzeug auch bei anderen Anwendungen verwendet. Im Fall von Kraftstoffpumpen waren die meisten Kraftstoffpumpen-Elektromotoren herkömmlich Bürstengleichstrommotoren, jedoch gibt es gegenwärtig die Bemühung, von Bürsten- zu bürstenlosen Gleichstrommotoren zu wechseln. Die Algorithmen und die Schaltung, die einen Bürstengleichstrommotor steuern, unterscheiden sich ein wenig von denjenigen, die einen bürstenlosen Gleichstrommotor steuern, sodass gewöhnlich eine andere Software und Hardware benötigt werden, wenn von einem Motortyp zum anderen umgeschaltet wird.
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Es wäre wünschenswert, eine universelle Steuerungseinheit zu entwickeln, die entweder einen Bürsten- oder einen bürstenlosen Gleichstrommotor antreiben kann, sodass das System mit beiden Motortypen verwendet werden kann, wodurch Kosten verringert werden und die Wiederverwendbarkeit ermöglicht wird.
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Die Druckschrift
WO 2006/ 131 415 A1 offenbart eine elektronische Steuerungseinheit zur Ansteuerung externer Halbbrücken-Leistungsendstufen, bei der zwei vorkonfigurierte Steuerungsmodule und ein frei konfigurierbares Steuerungsmodul vorgesehen sind, um entweder einen Bürstenelektromotor oder einen bürstenlosen Elektromotor anzusteuern. Zur Ansteuerung des Bürstenelektromotors werden die zwei vorkonfigurierten Steuerungsmodule verwendet, und zur Ansteuerung des bürstenlosen Elektromotors werden alle drei Steuerungsmodule verwendet.
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In der Druckschrift
EP 1 934 485 B1 ist ein Kühlerlüftermodul für ein Kraftfahrzeug offenbart, das sowohl einen bürstenlosen Elektromotor als auch einen Bürstenelektromotor unter Verwendung lediglich einer Steuerungseinheit einsetzt. Die Steuerungseinheit steuert den bürstenlosen Elektromotor über drei Halbbrücken an und die dabei erzeugten dreiphasigen Drehströme werden durch Gleichrichter in einen Gleichstrom zur parallelen Ansteuerung des Bürstenelektromotors umgewandelt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine universelle Steuerungseinheit für entweder einen Bürsten- oder einen bürstenlosen Gleichstrommotor bereitgestellt, die eine Verarbeitungsvorrichtung und eine mit der Verarbeitungsvorrichtung gekoppelte Ausgangsstufe umfasst. Die Ausgangsstufe weist mehrere Ausgangsverbindungen auf, welche die universelle Steuerungseinheit entweder mit einem Bürsten- oder einem bürstenlosen Gleichstrommotor verbinden. Wenn sich die universelle Steuerungseinheit in einem Bürsten-Betriebsmodus befindet, dann ist die Verarbeitungsvorrichtung ausgestaltet, um einen Bürstenmotoralgorithmus für einen Bürstengleichstrommotor auszuführen und die Ausgangsverbindungen sind miteinander verbunden. Wenn sich die universelle Steuerungseinheit in einem bürstenlosen Betriebsmodus befindet, dann ist die Verarbeitungsvorrichtung ausgestaltet, um einen bürstenlosen Motoralgorithmus für einen bürstenlosen Gleichstrommotor auszuführen und die Ausgangsverbindungen sind nicht miteinander verbunden. Der Bürstenmotoralgorithmus veranlasst, dass abwechselnde Sequenzen von High-Side- und Low-Side-Schaltern in der Ausgangsstufe eingeschaltet werden und einen elektrischen Strom gemäß einer dreiphasigen verschachtelten Sequenz an die mehreren Ausgangsverbindungen liefern.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine universelle Steuerungseinheit bereitgestellt, die eine Verarbeitungsvorrichtung und einen Hex-Brückentreiber umfasst. Die Verarbeitungsvorrichtung weist einen elektronischen Prozessor und einen elektronischen Speicher mit einem darin gespeicherten Bürstenmotoralgorithmus auf. Der Hex-Brückentreiber ist mit der Verarbeitungsvorrichtung gekoppelt und weist mehrere High-Side- und Low-Side-Schalter auf, die in einer mehrphasigen Konfiguration angeordnet sind, und mehrere Ausgangsverbindungen, die miteinander verbunden sind, sodass die universelle Steuerungseinheit über eine einzige Verbindung mit einem Bürstengleichstrommotor verbunden ist. Der Bürstenmotoralgorithmus veranlasst, dass abwechselnde Sequenzen der High-Side- und Low-Side-Schalter in der Ausgangsstufe eingeschaltet werden und einen elektrischen Strom gemäß einer dreiphasigen verschachtelten Sequenz an die mehreren Ausgangsverbindungen liefern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Bürstengleichstrommotors bereitgestellt. Das Verfahren kann die Schritte umfassen, dass: (a) eine Steuerungseinheit mit einer Verarbeitungsvorrichtung und einer Ausgangsstufe bereitgestellt wird, wobei die Ausgangsstufe mehrere High-Side- und Low-Side-Schalter aufweist, die in einer mehrphasigen Konfiguration angeordnet sind; (b) ein Bürstenmotoralgorithmus mit der Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt wird, der bewirkt, dass abwechselnde Folgen der High-Side- und Low-Side-Schalter in der Ausgangsstufe eingeschaltet werden und einen elektrischen Strom gemäß einer dreiphasigen verschachtelten Sequenz an mehrere Ausgangsverbindungen liefern; und (c) der Bürstengleichstrommotor mit dem elektrischen Strom gemäß der dreiphasigen verschachtelten Sequenz von den mehreren Ausgangsverbindungen in der Ausgangsstufe angetrieben wird, wobei die mehreren Ausgangsverbindungen miteinander verbunden sind.
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Figurenliste
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Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen werden hier nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
- 1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften universellen Steuerungseinheit ist, die verwendet werden kann, um entweder einen Bürsten- oder einen bürstenlosen Gleichstrommotor anzutreiben;
- 2a-c detailliertere schematische Ansichten der universellen Steuerungseinheit von 1 sind, wobei die Steuerungseinheit ausgestaltet ist, um einen Bürstengleichstrommotor gemäß mehrerer verschiedener beispielhafter Ausführungsformen anzutreiben;
- 3 eine detailliertere schematische Ansicht der universellen Steuerungseinheit von 1 ist, wobei die Steuerungseinheit ausgestaltet ist, um einen bürstenlosen Gleichstrommotor anzutreiben;
- 4 ein Zeitablaufdiagramm ist, das einen Bürstenbetriebsmodus darstellt, der mit der Konfiguration von 2a verwendet werden kann; und
- 5 ein Zeitablaufdiagramm ist, das einen bürstenlosen Betriebsmodus darstellt, der mit der Konfiguration in 3 verwendet werden kann.
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BESCHREIBUNG
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Die nachstehend beschriebene universelle Steuerungseinheit kann verwendet werden, um einen Bürsten- oder einen bürstenlosen Gleichstrommotor zu steuern, etwa von der Art, die gewöhnlich in einer Fahrzeugkraftstoffpumpe oder einer anderen Fahrzeuganwendung eingesetzt wird. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen, die in 2a und 3 gezeigt sind, enthält die universelle Steuerungseinheit 10 eine Verarbeitungsvorrichtung 12 und eine Ausgangsstufe 14 und ist entweder mit einem Bürsten- oder einem bürstenlosen Gleichstrommotor 16 (der sich außerhalb der universellen Steuerungseinheit befindet) auf eine Weise verbunden, welche die zwei verschiedenen Motortypen unterbringt, sodass ein gemeinsamer oder universeller Controller verwendet werden kann. Obwohl die folgende Beschreibung im Kontext von Bürsten- und bürstenlosen Gleichstrommotoren bereitgestellt ist, ist festzustellen, dass die hier beschriebene universelle Steuerungseinheit mit anderen Motortypen verwendet werden kann und nicht auf die nachstehend bereitgestellten speziellen Beispiele beschränkt ist.
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Die Verarbeitungseinheit 12 ist mit der Ausgangsstufe 14 gekoppelt und führt entweder einen Bürstenmotoralgorithmus oder einen bürstenlosen Motoralgorithmus aus, sodass beide Motortypen die gleiche universelle Steuerungseinheit verwenden können. Bei einem Beispiel enthält die Verarbeitungsvorrichtung 12 einen elektronischen Prozessor 20, einen elektronischen Speicher 22, elektronische Schnittstellen oder Ausgänge 24, 26 und/oder andere geeignete Komponenten und kann die Ausgangsstufe 14 in einem von zwei Betriebsmodi betreiben: in einem Bürstenbetriebsmodus, bei dem die Verarbeitungsvorrichtung einen Bürstenmotoralgorithmus ausführt, oder in einem bürstenlosen Betriebsmodus, bei dem die Verarbeitungsvorrichtung einen bürstenlosen Motoralgorithmus ausführt. Das Bereitstellen von Steuerungsschemata für eine Kommutierung mit Bürsten oder eine bürstenlose Kommutierung (die elektronischen Anweisungen für einen oder beide diese Algorithmen können im elektronischen Speicher 22 gespeichert sein) für die Verarbeitungsvorrichtung 12 ermöglicht, dass die universelle Steuerungseinheit 10 entweder in einer Bürstenanwendung oder einer bürstenlosen Anwendung verwendet wird, wodurch die Flexibilität bei ihrer Verwendung und Konstruktion erhöht wird. Es ist festzustellen, dass die Konfiguration oder Architektur der Verarbeitungsvorrichtung 12 sowie ihrer verschiedenen Teilkomponenten nicht auf die grundlegende und schematische Darstellung begrenzt ist, die in den Zeichnungen gezeigt ist, und dass die tatsächliche Konfiguration einer derartigen Vorrichtung von derjenigen abweichen kann, die hier gezeigt ist.
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Der elektronische Prozessor 20 wirkt als primäre Verarbeitungseinheit für die Verarbeitungsvorrichtung 12 und kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, Mikrocontroller, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und/oder eine beliebige andere in der Technik bekannte geeignete Vorrichtung umfassen. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist der elektronische Prozessor 20 entworfen, um elektronische Anweisungen durchzuführen oder auszuführen, die in der Form von Software, Firmware, Programmen, Algorithmen, Skripten usw. verkörpert sind, etwa diejenigen, die in den Bürsten- oder bürstenlosen Motoralgorithmen enthalten sind. Der elektronische Prozessor kann außerdem mit anderen Vorrichtungen, Modulen und/oder Systemen im Fahrzeug kommunizieren, etwa einem Kraftmaschinensteuerungsmodul (ECM), und kann entsprechende Anweisungen von derartigen Vorrichtungen ebenfalls ausführen.
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Der elektronische Speicher 22 wirkt als primäre Speicherquelle für die Verarbeitungsvorrichtung 12 und kann eine beliebige geeignete, in der Technik bekannte Form annehmen. Der Fachmann wird feststellen, dass der elektronische Speicher 22 eine einzige Speicherkomponente sein kann oder eine Ansammlung von Speicherkomponenten enthalten kann, und er kann auf dem gleichen Chip wie der elektronische Prozessor 20 oder nicht auf dem Chip angeordnet sein, um mehrere Möglichkeiten zu erwähnen. Der Bürstenmotoralgorithmus, der bürstenlose Motoralgorithmus oder beide Algorithmen können im elektronischen Speicher 22 gespeichert oder mitgeführt sein. Bei einem Beispiel werden sowohl der Bürsten- als auch der bürstenlose Motoralgorithmus in einem integrierten Softwarepaket bereitgestellt, das im elektronischen Speicher 22 gespeichert ist (z.B. bei der Herstellung permanent gespeichert), sodass eine einzige Teilenummer für die Verarbeitungsvorrichtung 12 unabhängig davon verwendet werden kann, ob sie für eine Bürsten- oder bürstenlose Anwendung eingerichtet wird. Wenn ein integriertes Softwarepaket mit sowohl Bürsten- als auch bürstenlosen Motoralgorithmen bereitgestellt wird, dann kann irgendeine Art von Einstellung, Merker oder eine andere Anzeigeart in der Software eingestellt werden, sodass der elektronische Prozessor 20 weiß, welchen Algorithmus er ausführen soll. Bei einem anderen Beispiel wird nur der Motoralgorithmus, der benötigt wird, um den angeschlossenen Motor zu betreiben, im elektronischen Speicher 22 gespeichert (im Fall der Ausführungsform von 2a würde nur der Bürstenmotoralgorithmus gespeichert).
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Die elektronischen Schnittstellen 24, 26 dienen als Ausgänge zum Koppeln der Verarbeitungsvorrichtung 12 mit der Ausgangsstufe 14. Bei der beispielhaften Anordnung, die in 2a und 3 gezeigt ist, ist die elektronische Schnittstelle 24 eine I/O-Komponente, die sich auf dem gleichen Chip wie der elektronische Prozessor 20 befindet und den Chip mit einer Reihe von Ausgangsverbindungen 30 verbindet, sodass Anweisungen von einem Bürstenmotoralgorithmus an die Ausgangsstufe 14 geliefert werden können. Die elektronische Schnittstelle 26 hingegen ist eine I/O-Komponente, die Anweisungen oder Befehle an die Ausgangsstufe 14 über Verbindungen 32 liefert, wenn ein bürstenloser Motoralgorithmus laufen gelassen wird. Auf diese Weise kann eine einzige Verarbeitungsvorrichtung 12 Anweisungen oder Befehle zum Antreiben entweder eines Bürsten- oder eines bürstenlosen Gleichstrommotors bereitstellen, wobei Bürstenmotorbefehle mithilfe der elektronischen Schnittstelle 24 und der Verbindungen 30 ausgegeben werden und bürstenlose Motorbefehle mithilfe der elektronischen Schnittstelle 26 und der Verbindungen 32 bereitgestellt werden. Wie dargestellt, können die Verbindungen 30 und 32 miteinander verbunden oder verknüpft sein, sodass ein gemeinsamer Satz von Verbindungen 34 zur Verbindung mit der Ausgangsstufe 14 verwendet wird. Es ist festzustellen, dass es nicht notwendig ist, dass die elektronischen Schnittstellen 24, 26 separate I/O-Komponenten sind, da sie integriert oder miteinander gebündelt oder in einer anderen geeigneten Form bereitgestellt sein können.
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Ein Positionssensor 38 (nur in 3 gezeigt) ist optional und kann verwendet werden, um die Verarbeitungsvorrichtung 12 mit einer Rückmeldung hinsichtlich der Position, der Geschwindigkeit, der Richtung usw. eines bürstenlosen Gleichstrommotors zu versorgen. Der Positionssensor 38 kann Komponenten zu Erfassung der tatsächlichen Position, etwa Halleffekt-Sensoren, enthalten, die mit dem bürstenlosen Gleichstrommotor 16 gekoppelt sind und die Verarbeitungsvorrichtung 12 mit einem Positionssignal versorgen, das die Motorposition darstellt. Bei einer anderen Ausführungsform berechnet die Verarbeitungsvorrichtung 12 die Position des Motors durch Software (separate Positionssensoren 38 werden nicht benötigt) oder leitet diese her, indem sie die Wellenformen im Motor untersucht, welche Gegen- oder Rück-EMK-Wellen aufgrund der Trägheit des Stroms, der durch die Spulen im Motor fließt, umfassen. Aus dieser Untersuchung der Wellenformen kann die Drehposition des bürstenlosen Gleichstrommotors bestimmt werden. Es können auch andere Verfahren und Techniken zum Bestimmen der Motorposition, Geschwindigkeit, Richtung usw. verwendet werden.
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Wiederum wurde die Verarbeitungsvorrichtung 12 in 2a und 3 nur bereitgestellt, um eine mögliche Ausführungsform zu veranschaulichen, und ist nicht dazu gedacht, die Konfiguration, Anordnung und/oder Architektur dieser Vorrichtung zu begrenzen. Die Verarbeitungsvorrichtung sowie ihre verschiedenen Komponenten können gemäß einer beliebigen Anzahl verschiedener Ausführungsformen bereitgestellt sein, welche diejenigen umfassen, die von der hier gezeigten erheblich abweichen. Gemäß einigen Beispielen ohne Einschränkung können geeignete Verarbeitungsvorrichtungen von Hella Electronics, Omron und Continental Corporations in der Form von Kraftstoffpumpencontrollern verfügbar sein.
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Die Ausgangsstufe 14, die auch als Hex-Brückentreiber bezeichnet wird, ist mit der Verarbeitungsvorrichtung 12 und entweder dem Bürsten- oder dem bürstenlosen Gleichstrommotor 16 gekoppelt und wird verwendet, um die Kommutierungsschemata zu implementieren, die in den Motoralgorithmen ausgeführt sind. Der in 2a und 3 gezeigte Hex-Brückentreiber weist eine mehrphasige Konfiguration auf und enthält drei Phasen oder Schenkel der Brücke 40-44, sechs separate Schalter 50-60 (z.B. MOSFETs oder andere geeignete Schaltvorrichtungen), drei Ausgangsknoten 62-66, Leistung 70 und Masse 72. In 2a ist die Ausgangsstufe für einen Bürstengleichstrommotor konstruiert und weist Ausgangsverbindungen 80-84 auf, die sich bei der Spleißung oder Kreuzung 90 verbinden, sodass eine einzige Verbindung Strom an den Motor liefert, der dann eine mechanische Kommutierung verwendet, um die geeigneten Spulen selektiv zu erregen. In 3 ist die Ausgangsstufe für einen bürstenlosen Gleichstrommotor konstruiert und enthält Ausgangsverbindungen 80'-84', die bei 90' separat gehalten sind (d.h. die Ausgangsverbindungen sind nicht miteinander verspleißt oder zusammengefügt), sodass der Motor über drei separate Verbindungen mit Strom versorgt wird. Bürstenlose Gleichstrommotoren wie dieser stützen sich auf eine elektronische Kommutierung, um die geeigneten Spulen im Motor selektiv zu erregen, wie der Fachmann feststellt. Indem bestimmte Veränderungen an der Weise, in der die Ausgangsstufe 14 mit dem Gleichstrommotor 16 verbunden wird, durchgeführt werden, sowie der geeignete Motoralgorithmus bei der Verarbeitungsvorrichtung 12 ausgeführt wird, kann die universelle Steuerungseinheit 10 zur Verwendung entweder mit einem Bürsten- oder einem bürstenlosen Gleichstrommotor angepasst werden, wobei dennoch die gleiche Grundhardware verwendet wird. Eine detailliertere Erläuterung dessen, wie die Verarbeitungsvorrichtung die Ausgangsstufe verwaltet und wie die Ausgangsstufe den Gleichstrommotor antreibt, ist nachstehend bereitgestellt.
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Die Spleißung 90 ist eine elektrische Kreuzung, welche die Ausgänge der verschiedenen Phasen oder Schenkel 40-44 zusammenführt, sodass die Ausgangsstufe 14 den Bürstengleichstrommotor mit einer einzigen Phase versorgen kann, wenn die universelle Steuerungseinheit in einem Bürstenbetriebsmodus (2a) betrieben wird. Die genaue Konfiguration und Anordnung der Spleißung 90 kann in Abhängigkeit von den Bedürfnissen der Anwendung variieren. Beispielsweise ist es möglich, dass die Spleißung oder Kreuzung mithilfe von gelöteten oberflächenmontierten Null-Ohm-Brücken implementiert wird, sodass sie ein Teil der internen Schaltung der universellen Steuerungseinheit ist. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Spleißung 90 außerhalb der universellen Steuerungseinheit in einem Kabelbaum oder dergleichen implementiert. Wenn die universelle Steuerungseinheit in einem bürstenlosen Betriebsmodus betrieben wird, wird die Spleißung 90 entfernt, sodass die Verbindungen 80'-84' individuell mit den Wicklungsanschlüssen des bürstenlosen Motors gemäß einer Dreiphasenkonfiguration verbunden sind (3); dies ermöglicht, dass die Ausgangsstufe den bürstenlosen Gleichstrommotor mit der benötigten elektronischen dreiphasigen Kommutierung versorgt.
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Einige alternative Konstruktionen für die Ausgangsstufe 14 sind in 2b und 2c gezeigt, wobei die primären Unterschiede zwischen diesen Konstruktionen und der von 2a die Ausgangsverbindungen 80-84 und/oder die Spleißung 90 betreffen. Die anderen Komponenten der universellen Steuerungseinheit können die gleichen wie in den vorherigen Ausführungsformen sein. Bei dem Beispiel von 2b wird die Spleißung 90 bewerkstelligt, indem Dioden D1, D2 und D3 bei jeder der Ausgangsverbindungen 80-84 eingesetzt werden. Die Phase 1 ist mit dem Bürstengleichstrommotor 16 über einen Knoten 62, die Ausgangsverbindung 80 (welche die Diode D 1 enthält) und die Spleißung 90 verbunden; die Phase 2 ist mit dem Bürstengleichstrommotor über einen Knoten 64, die Ausgangsverbindung 82 (welche die Diode D2 enthält) und die Spleißung 90 verbunden; und die Phase 3 ist mit dem Bürstengleichstrommotor über einen Knoten 66, die Ausgangsverbindung 84 (welche die Diode D3 enthält) und die Spleißung 90 verbunden. Bei der beispielhaften Anordnung von 2c wird die Spleißung 90 durch die Verwendung von elektronisch gesteuerten Schaltern S1, S2 und S3 (z.B. MOSFETs usw.) bewerkstelligt, die jeweils zwischen einen entsprechenden Knoten 80, 82, 84 und die Spleißung 90 verbunden sind. Mit diesen Konstruktionen können sowohl Bürsten- als auch bürstenlose Gleichstrommotoren mit einer einzigen Hardwarevariante gesteuert werden. Zudem kann der Bedarf für die externe Spleißung in dem Kabelbaum beseitigt werden.
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Die Ausgangsstufe 14 wurde in 2a und 3 nur bereitgestellt, um eine mögliche Ausführungsform zu zeigen, und ist nicht dazu gedacht, ihre Konfiguration, Anordnung und/oder Architektur einzuschränken. Die Ausgangsstufe sowie ihre verschiedenen Komponenten können gemäß einer beliebigen Anzahl verschiedener Ausführungsformen bereitgestellt sein, einschließlich derjenigen, die von der hier gezeigten erheblich abweichen. Es ist möglich, dass die Ausgangsstufe 14 und die Verarbeitungsvorrichtung 12 auf dem gleichen Chip hergestellt werden, sodass sie ein integriertes Paket oder eine integrierte Einheit bilden, oder sie können getrennt bereitgestellt sein. Darüber hinaus können andere mehrphasige Konfigurationen für den Hex-Brückentreiber verwendet werden, einschließlich derjenigen, die eine Halbbrücke und/oder eine Vollbrücke sind.
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Der Elektromotor 16 kann entweder ein Bürsten- oder ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Einige Anwendungsbeispiele für den Elektromotor 16 im Kontext von Fahrzeuganwendungen umfassen Kraftstoffpumpen, Gebläse und Kühlventilatoren sowie Motoren, die verwendet werden, um automatische Türverriegelungen, elektrische Fensterheber, Benzintankabdeckungen oder Klappen, eine Abgasrückführungssteuerung (AGR-Steuerung), automatisch eingestellte Absorber (ATK), Systeme mit selektiver katalytischer Reduktion für Dieselfahrzeuge und elektrische Parkbremsen anzutreiben, um nur ein paar zu nennen. In 1 ist der Elektromotor 16 mit zwei verschiedenen Motoren gezeigt: einem Bürstengleichstrommotor und einem bürstenlosen Gleichstrommotor, jedoch ist dies nur gedacht, um die Tatsache zu veranschaulichen, dass die universelle Steuerungseinheit verwendet werden kann, um beide Motortypen anzutreiben. Bei einer Fahrzeuganwendung beispielsweise würde die universelle Steuerungseinheit 10 wahrscheinlich mit dem einen Motortyp oder dem anderen verbunden sein, aber nicht mit beiden. Eine beliebige Anzahl geeigneter Elektromotoren kann verwendet werden, die verschiedene Bürsten- und bürstenlose Gleichstrommotoren umfassen, die von Continental, Coavis, Bosch und Delphi Corporations vertrieben werden. Da die allgemeine Struktur und Arbeitsweise sowohl von Bürsten- als auch bürstenlosen Gleichstrommotoren in der Technik gut bekannt ist und da eine beliebige Anzahl geeigneter Motortypen mit der hier gezeigten universellen Steuerungseinheit verwendet werden kann, wurde eine detaillierte Erläuterung derartiger Motoren weggelassen. Andere Ausführungsformen von Elektromotoren als diejenigen, die vorstehend aufgeführt sind, können ebenfalls verwendet werden, welche bürstenlose Motoren umfassen, die mehr oder weniger als drei Phasen aufweisen (z.B. einen zweiphasigen bürstenlosen Gleichstrommotor), einen Innenläufer, einen Außenläufer oder andere Arten bekannter Anordnungen aufweisen, oder eine Delta-, Ypsilon- bzw. Stern- oder andere Arten bekannter Verdrahtungskonfigurationen oder Topologien aufweisen.
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Wenn man sich nun der Arbeitsweise der universellen Steuerungseinheit zuwendet, ist 4 auf einen Bürstenbetriebsmodus gerichtet und 5 ist auf einen bürstenlosen Betriebsmodus gerichtet. Es gibt eine Anzahl möglicher Wege für die Steuerungseinheit, um festzustellen, welcher Betriebsmodus geeignet ist. Zum Beispiel können zum Zeitpunkt der Herstellung Software- und/oder Hardwareeinstellungen, Merker oder andere Anzeiger gesetzt werden, welche die Verarbeitungsvorrichtung 12 anweisen, welchen Motoralgorithmus sie ablaufen lassen soll - etwa in dem Fall, bei dem beide Motoralgorithmen im elektronischen Speicher 22 gespeichert sind. Wenn nur einer der Motoralgorithmen im Speicher gespeichert ist, können derartige Einstellungen unnötig sein. Bei einem anderen Beispiel bestimmt die Verarbeitungsvorrichtung 12 automatisch, mit welchem Motortyp die universelle Steuerungseinheit verbunden ist, und wählt dem geeigneten Motoralgorithmus entsprechend. Selbstverständlich können andere Techniken verwendet werden.
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Beginnend mit dem Bürstenbetriebsmodus 100, der in 4 dargestellt ist, sind der Betriebszustand der sechs beispielhaften Schalter 50-60 in der Ausgangsstufe 14 sowie der elektrische Strom, der an einen Bürstengleichstrommotor 16 gesendet wird, gezeigt. Im Bürstenbetriebsmodus 100 führt die Verarbeitungsvorrichtung 12 einen Bürstenmotoralgorithmus aus, der High-Side- und Low-Side-Schalter verschachtelt steuert (Phasen 110-114), um einen elektrischen Strom (Kurve 120) an einen Bürstengleichstrommotor zu liefern. Während eines Anfangsabschnitts der ersten Phase 110 (von Zeitpunkt t0 bis t1) ist der High-Side-Schalter 50 eingeschaltet, während der Rest der Schalter 52-60 ausgeschaltet ist, sodass der Strom von der Leistungsquelle 70 weg und durch den Schalter 50, den Knoten 62, die Ausgangsverbindung 80, die Spleißung 90 und zu den Wicklungen im Bürstengleichstrommotor 16 fließt. Während eines Rückführungsabschnitts der ersten Phase 110 (von Zeitpunkt t1 bis t2) ist der High-Side-Schalter 50 ausgeschaltet, während der Low-Side-Schalter 52 eingeschaltet ist, sodass das Fließen des Stroms im Motor mithilfe des Rückführungspfads unter Verwendung von Energie, die in der Motorinduktivität gespeichert ist, fortgesetzt wird. Dieser Pfad umfasst vom Motor 16 zurück durch die Masse 72, den Low-Side-Schalter 52, den Knoten 62, die Ausgangsverbindung 80, die Spleißung 90 und zurück zu den Wicklungen des Motors.
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Im Anschluss an die erste Phase 110 beginnt ein Anfangsabschnitt einer zweiten Phase 112 (von Zeitpunkt t2 bis t3) mit einem eingeschalteten High-Side-Schalter 54, während der Rest der Schalter ausgeschaltet ist. Wie bei der vorherigen Phase bewirkt dies, dass ein Strom von der Leistungsquelle 70 aus durch den Schalter 54, den Knoten 64, die Ausgangsverbindung 82, die Spleißung 90 und die Wicklungen des Bürstengleichstrommotors fließt. Wieder steigt der Betriebsstrom an den Elektromotor 16 während dieser Anfangs- oder Nicht-Rückführungsperiode der zweiten Phase 112 an. Bei Zeitpunkt t3 wird der High-Side-Schalter 54 ausgeschaltet und der Low-Side-Schalter 56 wird eingeschaltet, sodass das Fließen des Stroms im Motor über den Rückführungspfad unter Verwendung von Energie, die in der Motorinduktivität gespeichert ist, fortgesetzt wird. Dieser Pfad umfasst den Motor 16, zurück durch die Masse 72, den Low-Side-Schalter 56, den Knoten 64, die Ausgangsverbindung 82, die Spleißung 90 und den Motor. Eine ähnliche Abfolge von Ereignissen tritt hinsichtlich der Anfangs- und Rückführungsabschnitte der dritten Phase 114 auf (von Zeitpunkt t4 bis t5 bzw. von Zeitpunkt t5 bis t6), nur dass der Strom durch die High-Side- und Low-Side-Schalter 58 bzw. 60 fließt. Wie eben erläutert wurde, ist zu einem Zeitpunkt nur einer der Schalter 50-60 in der Ausgangsstufe 14 eingeschaltet oder aktiv; die anderen Schalter sind typischerweise ausgeschaltet.
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Ein vollständiger Zyklus der beispielhaften dreiphasigen verschachtelten Sequenz enthält alle drei separaten Phasen 110-114 und reicht vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t6, wobei an diesem Punkt die Sequenz wieder neu startet. Veränderungen am Tastverhältnis können unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulation (PWM) oder anderer Techniken, die dem Fachmann bekannt sind, durchgeführt werden, um die Leistungsmenge zu variieren, die an den Elektromotor geliefert wird. Die an den Bürstengleichstrommotor 16 gelieferte Gesamtleistung ist die Summe aus den drei Teilleistungen, die in jeder der drei Betriebsphasen 110-114 durch High-Side- und Low-Side-Schalter geliefert werden. Die Schaltfrequenz wird allgemein durch die Anforderungen oder Spezifikationen des Elektromotors vorgegeben. Der Fachmann wird feststellen, dass das vorstehend beschriebene verschachtelte Verfahren eine Stromwellenform (Kurve 120) erzeugt, die ähnlich zu demjenigen ist, welche von herkömmlichen Bürstengleichstrommotoren erreicht werden, dies aber unter Verwendung einer modifizierten bürstenlosen Konfiguration durchführt. Für den Bürstengleichstrommotor wird ein Rotorpositions-Detektionsalgorithmus nicht benötigt, da dies im Bürstenmotor mechanisch durchgeführt wird.
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Die vorstehende Beschreibung der universellen Steuerungseinheit unterscheidet sich von herkömmlichen Modi zum Betreiben von Bürstenmotoren, bei denen der Strom durch einen einzigen Schaltersatz in der Ausgangsstufe fließt (eine Phase) und nicht wie vorstehend beschrieben zwischen verschiedenen Phasen verschachtelt wird. Bei einer anderen Ausführungsform werden zwei oder mehr der High-Side-Schalter 50, 54, 58 gleichzeitig eingeschaltet, statt exklusiv zwischen diesen abzuwechseln, sodass während eines Anfangsabschnitts der Phasen ein Strom parallel durch mehrere Schalter, Knoten und Ausgangsverbindungen an die Spleißung 90 fließt und während eines Rückführungsabschnitts ein Strom gleichzeitig durch mehrere Low-Side-Schalter und Ausgangsverbindungen an die Spleißung 90 fließt. Beispielsweise können alle drei High-Side-Schalter gleichzeitig eingeschaltet sein, ebenso wie alle drei Low-Side-Schalter. Bei einer anderen Ausführungsform weist die Ausgangsstufe 14 nur zwei Phasen auf (anstelle von drei) und das in 4 gezeigte Verfahren wechselt zwischen diesen zwei Phasen mit den verschachtelten oder nicht verschachtelten Weisen, die vorstehend beschrieben sind, ab.
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5 veranschaulicht einen bürstenlosen Betriebsmodus 200, bei dem High-Side- und Low-Side-Schalter 50-60 durch den bürstenlosen Motoralgorithmus gesteuert werden, welcher allgemein durch die Wicklungstopologie des bürstenlosen Gleichstrommotors 16 vorgegeben ist. Der Fachmann wird feststellen, dass eine beliebige Anzahl verschiedener Kommutierungsalgorithmen verwendet werden kann, um einen bürstenlosen Gleichstrommotor zu treiben, einschließlich desjenigen, der hier gezeigt ist. Bei diesem speziellen Beispiel sind während eines Anfangsabschnitts einer ersten Phase 210 (von Zeitpunkt t0 bis t1) der High-Side-Schalter 50 und der Low-Side-Schalter 56 eingeschaltet, während die verbleibenden Schalter ausgeschaltet sind. Während eines anschließenden Abschnitts der ersten Phase 210 bleibt der gleiche High-Side-Schalter 50 eingeschaltet, während der Low-Side-Schalter 56 ausgeschaltet wird und der Low-Side-Schalter 60 aktiviert wird. Diese Art von Schaltsequenz wird in der zweiten und dritten Phase 212 und 214 fortgesetzt und es ist wichtig, eine Situation zu vermeiden, bei der die gleichen High-Side- und Low-Side-Schalter (z.B. die Schalter 50, 52 in der Phase 40) gleichzeitig eingeschaltet sind, da dies einen Kurzschluss zwischen Leistung 70 und Masse 72 erzeugen würde. Die mittlere Spannung über den bürstenlosen Gleichstrommotor und damit die Motordrehzahl kann variiert werden, indem Pulsbreitenmodulationstechniken (PWM-Techniken) mit den High-Side-Schaltern oder Treibern verwendet werden, wie der Fachmann versteht.
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Folglich ist die universelle Steuerungseinheit 10 in der Lage, entweder einen Bürsten- oder einen bürstenlosen Gleichstrommotor anzutreiben oder anderweitig zu steuern, indem der geeignete Motoralgorithmus gewählt wird und bestimmte Hardwaremodifikationen am System durchgeführt werden, ohne dass Kosten für die Entwicklung und Fertigung eines separaten Motorcontrollers auflaufen. Herkömmlich würden zwei separate Motorcontroller benötigt; einer für Bürstenmotoren und einer für bürstenlose Motoren.
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Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die speziellen hier offenbarten Ausführungsformen begrenzt, sondern stattdessen nur durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Darüber hinaus betreffen die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen spezielle Ausführungsformen und sollen nicht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition von Begriffen, die in den Ansprüchen verwendet sind, aufgefasst werden, außer dort, wo ein Begriff oder ein Ausdruck vorstehend explizit definiert ist. Dem Fachmann werden sich verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Veränderungen und Modifikationen an den offenbarten Ausführungsformen ergeben. Zum Beispiel ist die spezielle Kombination und Reihenfolge von Schritten nur eine Möglichkeit, da das vorliegende Verfahren eine Kombination von Schritten enthalten kann, die weniger, mehr oder andere Schritte als die hier gezeigten aufweist. Alle derartigen anderen Ausführungsformen, Veränderungen und Modifikationen sollen im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.
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So, wie die Begriffe „zum Beispiel“, „z.B.“, „beispielsweise“, „wie etwa“ und „wie“ und die Verben „umfassend“, „aufweisend“, „enthaltend“ und ihre anderen Verbformen in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, sollen sie jeweils, wenn sie in Verbindung mit einer Aufzählung aus einer oder mehreren Komponenten oder anderen Gegenstände verwendet werden, als offen aufgefasst werden, was bedeutet, dass die Aufzählung nicht so aufgefasst werden darf, dass sie andere, zusätzliche Komponenten oder Gegenstände ausschließt. Andere Begriffe müssen unter Verwendung ihrer weitesten vernünftigen Bedeutung aufgefasst werden, sofern sie nicht in einem Kontext verwendet werden, der eine andere Interpretation erfordert.
