DE102014016852B4

DE102014016852B4 - Steuersystem für einen Elektromotor basierend auf einem gepulsten Steuersignal

Info

Publication number: DE102014016852B4
Application number: DE102014016852.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Jelenowski; Martin Wucherer
Original assignee: HKR Seuffer Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: HKR Seuffer Automotive GmbH and Co KG
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2034-11-14
Also published as: CN104660150B; CN104660150A; DE102014016852A1; US9755570B2; US20150145456A1

Abstract

Steuervorrichtung (10) zum Steuern eines Elektromotors (30) mittels eines gepulsten Steuersignals, wobei die Steuervorrichtung (10) umfasst: – Auswahlmittel (12) zum Auswählen einer Betriebsart mit vorbestimmten Wertzuweisungen für einen Parametersatz zum Steuern des Elektromotors (30); und – Einstellungsmittel (14) zum Einstellen der Pulsfrequenz des Steuersignals entsprechend der gewählten Betriebsart, um dadurch dem Elektromotor (30) die gewählte Wertzuweisung für den Parametersatz zu signalisieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung, einen Motorregler und ein Steuerverfahren zum Steuern eines Elektromotors, insbesondere eines Lüftergebläses für Kraftfahrzeuge, mittels eines gepulsten Steuersignals.
Als neuer de-facto-Standard insbesondere für eine kostengünstige Kommunikation intelligenter Sensoren und Aktoren in Kraftfahrzeugen wurde der Standard „Local Interconnect Network” (LIN) als Spezifikation für ein serielles Kommunikationssystem entwickelt. LIN dient insbesondere der kostengünstigen Kommunikation und basiert auf einem Eindraht-Bus, der sich den Feldbussen zuordnen lässt. LIN setzt sich aus einem Master-Gerät und einem oder mehreren Slave-Geräten zusammen. Das Master-Gerät hat Kenntnis über die zeitliche Reihenfolge aller zu übertragenden Daten. Diese Daten werden von den entsprechenden Slave-Geräten dann übertragen, wenn sie vom Master-Gerät dazu aufgefordert werden. Dies geschieht durch Aussenden eines Nachrichtenkopfs (Header), der durch eine bestimmte Nachrichtenadresse gekennzeichnet ist. Im Anschluss verbindet das Slave-Gerät seinen Datenausgang mit dem Bus.
Der neue LIN-Standard ist auch zur Kommunikation zwischen Steuergeräten und Motorreglern für Elektromotoren in Kraftfahrzeugen vorgesehen. So werden beispielsweise Spannungen oder Ströme bei Kühler-Lüfter-Reglern und Innenraum-Gebläse-Reglern über verschiedene Schnittstellen, wie beispielsweise Puls-Weiten-Modulation (PWM) und LIN, mittels entsprechender Signale oder Nachrichten geregelt. Dabei weist eine LIN-Schnittstelle gegenüber eine PWM-Schnittstelle den Vorteil der größeren Flexibilität auf, da verschiedene Nachrichten übermittelt werden können, während die PWM-Schnittstelle lediglich eine Signalfrequenz und ein Tastverhältnis liefern kann. Bei der PWM-Schnittstelle konnte eine gewisse Flexibilität durch Variation des Tastverhältnisses, beispielsweise zwischen 0% und 100% erreicht werden.
2 zeigt ein schematisches Zeitdiagramm eines pulsförmigen PWM-Signals, wobei die Periodendauer T, die Pulsdauer t_PD und die Pulspause t_PP gezeigt sind. Die Frequenz des PWM-Signals ergibt sich dabei als Kehrwert der Periodendauer, d. h. f = 1/T.
Da viele Steuersysteme auf einer PWM-basierten Steuerung beruhen, besteht Bedarf an einer Rückwärtskompatibilität, so dass herkömmliche PWM-basierte Geräte mit neueren LIN-basierten Geräten kommunizieren können, d. h. dass die mittels LIN übertragbaren Informationen auch über eine PWM-Schnittstelle übertragbar sind.
Die DE 100 31 529 A1 zeigt ein Steuersystem für einen Elektromotor, bei dem für verschiedene Betriebsarten verschiedene Parametersätze eines Reglers aktiviert werden. Die Umschaltung zwischen den Parametersätzen erfolgt dabei zeitgesteuert innerhalb eines zyklischen Bearbeitungsvorgangs.
Ferner offenbart die DE 10 2008 001 782 A1 einen Elektromotor mit mehreren Temperatursensoren, wobei die Daten dieser Sensoren mittels eines PWM-Signals an ein Steuergerät übertragen werden.
Schließlich zeigt die DE 10 2010 017 549 A1 den Einsatz eines LIN-Kommunikationssystems bei Elektromotoren in einem Kfz.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein PWM-basiertes Steuersystem dahingehend zu verbessern, dass ein Einsatz in Verbindung mit neueren Steuerkomponenten, die LIN-spezifische Informationen erwarten, möglich ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Steuervorrichtung nach Anspruch 1, einen Motorregler nach Anspruch 7 und ein Steuerverfahren nach Anspruch 11.
Dementsprechend wird ein Parametersatz zum Steuern des Elektromotors durch eine Betriebsart definiert, welche wiederum mit der Pulsfrequenz des gepulsten Steuersignals verknüpft ist, so dass dem Elektromotor die gewählte Wertzuweisung für den Parametersatz mittels des gepulsten Steuersignals signalisiert werden kann. Die signalisierte Pulsfrequenz des Steuersignals wird dem Motorregler des Elektromotors übermittelt und dort erfasst, wobei der Parametersatz für den Betrieb des Elektromotors in Abhängigkeit der erfassten Pulsfrequenz bestimmt wird.
Es können auch verschiedene Frequenzen oder Frequenzbereiche (Frequenzfenster) für mehrere Betriebsarten vorgesehen sein, so dass Parameterwerte wie beispielsweise Überstromschwellen, Überspannungsschwellen, Lüfterschaltfrequenzen, Stromanstiegs- und Abfallbegrenzungen usw. signalisiert werden können.
Ein Umschalten auf einen anderen Parametersatz ist damit durch einfaches Verändern der Frequenz des Steuersignals möglich.
Des Weiteren kann die vorgeschlagene Signalisierungsart auch zum Auswählen zwischen einem Normalbetrieb und einem Testbetrieb verwendet werden. Das Einstellen der Pulsfrequenz kann direkt über ein frequenzbestimmendes Element oder eine frequenzbestimmende Schaltung oder durch Veränderungen der Periodendauer mittels eines geeigneten zeitbestimmenden Elements oder einer geeigneten zeitbestimmenden Schaltung erfolgen.
Die Festlegung des Parametersatzes entsprechend der Betriebsart kann auch in Abhängigkeit eines vorbestimmten Motorherstellers erfolgen, so dass das Steuersystem an verschiedene Hersteller von Elektromotoren, wie beispielsweise Lüftergebläse oder dergleichen, angepasst werden kann.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Steuersystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
2 ein Zeitdiagramm eines PWM-Steuersignals;
3 eine Tabelle mit einer ersten Zuordnungsvorschrift zwischen Frequenzen und parameterbestimmenden Betriebsarten; und
4 eine zweite Tabelle mit Zuordnungsvorschriften zwischen Frequenzen und Parametern.
Es folgt eine Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand einer Steuerung eines Lüftergebläsemotors in einem Kraftfahrzeug.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Steuersystems, bei dem ein Motorregler 20 (hier: Lüfterregler) für einen Elektromotor (hier: Lüftermotor (M)) 30 über ein in einem Steuergerät 10 bereitgestelltes PWM-Signal gesteuert wird. Die allgemeine Regelung des Lüftermotors 30 erfolgt über ein Steuereingangssignal 200, das einer PWM-Steuereinheit (PS) 16 zugeführt wird, wobei die PWM-Steuereinheit 16 ein PWM-Signal erzeugt, dessen Pulsdauer oder Tastverhältnis in Abhängigkeit des Steuersignals 20 verändert wird. Das PWM-Steuersignal wird einer Lüftersteuerung (LS) 29 in dem Lüfterregler 20 zugeführt, die dann den Lüftermotor 30 entsprechend des Steuereingangsignals 200 steuert. Bei dem Steuereingangssignal 200 kann es sich auch um ein in Abhängigkeit eines rückgekoppelten Signals des Lüftermotors 30 generiertes Steuersignal 200 handeln, so dass ein geschlossener Regelkreis zur Regelung des Lüftermotors 30 gebildet wird.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist das Steuergerät einen zusätzlichen Eingang zur Auswahl einer Betriebsart bzw. eines Parametersatzes auf, über den ein Parametersteuersignal 100 eingegeben werden kann. Das Parametersteuersignal 100 kann manuell von einem Benutzer eingegeben werden oder durch das Steuersystem automatisch in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen und/oder sonstigen systemrelevanten Eigenschaften generiert werden. Das Steuergerät 10 umfasst eine Auswahleinheit (A) 12, die das Parametersteuersignal 100 empfängt und auswertet und in Abhängigkeit des Parametersteuersignals 100 eine zugeordnete Betriebsart und/oder einen zugeordneten Parametersatz auswählt. Dies kann in Abhängigkeit einer Speichertabelle, eines Adressenspeichers oder sonstiger Verknüpfungs- oder Logikschaltungen geschehen. Die Auswahl der Betriebsart oder des Parametersatzes wird einer Frequenzauswahleinheit (F) 14 zugeführt, die der Pulssteuereinheit 16 ein entsprechendes Steuersignal zur Festlegung der Frequenz des PWM-Steuersignals zuführt. Auch diese Umsetzung der Betriebsart bzw. des Parametersatzes in eine Frequenz des Steuersignals kann anhand einer Speichertabelle, eines adressierbaren Speichers, einer Auswahlschaltung oder einer Logikschaltung geschehen. Die Umsetzung des Parametersteuersignals 100 in das Frequenzauswahlsignal der Frequenzauswahleinheit 14 kann auch durch eine einmalige Umsetzung in einer einzelnen Speichertabelle, einem einzelnen adressierbaren Speicher, einer einzelnen Auswahlschaltung oder einer einzelnen Auswahllogik realisiert sein.
Wie in 1 erkennbar ist, kann somit neben der Pulsweiten- bzw. Tastverhältnisinformation des PWM-Steuersignals eine zusätzliche Information hinsichtlich der Betriebsart bzw. des Parametersatzes durch die Frequenz des PWM-Steuersignals zum Lüfterregler 20 übertragen werden. Wie in 1 dargestellt ist, wird zunächst eine Betriebsart B1 mit einer niedrigeren Frequenz des PWM-Signals übertragen und später eine zweite Betriebsart B2 mit einer höheren Frequenz des PWM-Signals.
Am Lüfterregler 20 wird das PWM-Signal einer Schnittstelle (SS) 22 zugeführt, die das PWM-Steuersignal der Lüftersteuerung 29 zuführt. Des Weiteren wird das PWM-Signal oder zumindest ein der Frequenz des PWM-Steuersignals entsprechendes Signal an eine Erfassungseinheit (E) 24 weitergeleitet, die die Frequenz des PWM-Steuersignals erfasst und das Erfassungsergebnis einer Stelleinheit (S) 26 zuführt. Die Stelleinheit 26 führt eine entsprechende Parametereinstellung in Abhängigkeit des signalisierten Parametersatzes bzw. der signalisierten Betriebsart durch und speichert den signalisierten Parametersatz in einem Parameterspeicher (P) 28. Die zugehörigen Parameterwerte für die Parametereinstellungen der möglichen Betriebsarten bzw. Parametersätze sind dabei in einem in dem Lüfterregler 20 (bspw. in der Stelleinheit 26) bereitgestellten oder durch diesen kontaktierbaren nichtflüchtigen Speicher (nicht gezeigt) gespeichert. Dabei kann es sich um einen beschreibbaren oder wiederbeschreibbaren nichtflüchtigen Speicher handeln, auf den die Stelleinheit 26 zugreifen kann. Der nichtflüchtige Speicher wird vorzugsweise vorab entsprechend den gewünschten auswählbaren Betriebsarten bzw. Parametersätzen programmiert.
Die Lüftersteuerung 29 kann somit auf den Parameterspeicher 28 zugreifen und erhält den für die aktuelle Betriebsart bzw. die aktuelle Parameterwahl gewünschten Parametersatz zur Steuerung des Lüftermotors 30.
Die in 1 angegebenen Blöcke des Steuergeräts 10 und des Lüfterreglers 20 können als diskrete Hardwareschaltungen, logische Digitalschaltungen, Gate-Arrays oder programmierbare Logikschaltungen (PLDs) oder softwaregesteuerte Prozessoren realisiert sein.
In einem der Tabelle gemäß 3 entsprechenden ersten Praxisbeispiel des Ausführungsbeispiels kann beispielsweise über die Frequenz des PWM-Steuersignals zwischen einer Testbetriebsart und einem Normalbetrieb gewählt werden. So kann beispielsweise bei einer Frequenz f = 50 Hz ein Normalbetrieb B_N des Lüfterreglers 20 eingestellt werden, während bei einer Frequenz f = 120 Hz des PWM-Steuersignals der Lüfterregler 20 in eine Testbetriebsart B_T versetzt wird. Als weitere Frequenzen bzw. Frequenzfenster mit zusätzlichen Betriebsarten können vorbestimmten Parametern konkrete Werte zugewiesen werden, wobei es sich bei den Parametern beispielsweise um Überstromschwellen, Überspannungsschwellen, Lüfterschaltfrequenzen, Stromanstiegs- und Stromabfallsbegrenzungen, usw., handeln kann.
Gemäß 3 wird beispielsweise zusätzlich zur normalen Betriebsart und Testbetriebsart bei einer Frequenz f = 300 Hz des PWM-Steuersignals eine Betriebsart B_25-16 eingestellt, wobei die Überstromschwelle 25 A, die Lüfterschattfrequenz 16 kHz, der Stromanstieg maximal 7 A/s und der Stromabfall maximal 20 A/s betragen. Ferner wird durch eine Frequenz f = 400 Hz des PWM-Steuersignals eine Betriebsart B_32-20 signalisiert, wobei dann die Überstromschwelle 32 A, die Lüfterschaltfrequenz 20 kHz, der Stromanstieg maximal 10 A/s und der Stromabfall maximal 30 A/s betragen
Durch Umschalten zwischen verschiedenen Frequenzen des PWM-Signals können dann auch verschiedene Betriebsarten bzw. Parameter übertragen werden. So könnte beispielsweise nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer (z. B. eine Sekunde) eine andere Frequenz (und damit ein anderer Parametersatz und damit eine andere Betriebsart) signalisiert werden. Anstelle einer Festlegung der Frequenz kann selbstverständlich auch die Periodendauer des PWM-Steuersignals eingeprägt werden.
Zur Verringerung der Toleranz der Frequenz- oder Periodenmessung kann auch eine Referenzfrequenz (oder -periode) verwendet werden. So kann beispielsweise eine Frequenz f = 500 Hz als Festfrequenz übertragen werden, während alle anderen Frequenzen proportional hierzu festgelegt sein können. Als weiteres Praxisbeispiel können verschiedene Frequenzen des PWM-Signals auch zur Signalisierung jeweiliger Anwender oder Hersteller und entsprechend vorgegebener geforderter Verhalten des Steuersystems signalisiert werden, wobei verschiedenen Anwendern oder Herstellern eine andere Frequenz des PWM-Steuersignals zugeordnet ist.
4 zeigt eine Tabelle eines weiteren Praxisbeispiels, bei dem eine bereichsabhängige lineare Steuerung des maximalen Stroms des Lüfterreglers 20 bzw. der Schaltfrequenz des Lüfterreglers 20 signalisiert werden kann. Gemäß 4 wird in einem Frequenzbereich von f = 50 Hz bis f = 150 Hz linear oder sukzessiv von einem maximalen Strom I_max = 10 A bis zu einem maximalen Strom von I_max = 30 A gesteuert, während von einer Frequenz f = 170 Hz bis zu einer Frequenz f = 250 Hz des PWM-Steuersignals eine Schaltfrequenz von 17 kHz bis 25 kHz signalisiert werden kann. Damit ist eine kontinuierliche oder sukzessive Strombegrenzung auf 10 A (bei f = 50 Hz) bis 30 A bei (f = 150 Hz) und eine kontinuierliche oder sukzessive Regelung der Schaltfrequenz des Lüfterreglers 20 möglich.
Selbstverständlich sind beliebige andere Verknüpfungen zwischen der Frequenz des PWM-Steuersignals und vorbestimmten Parametern, Betriebsarten oder Parametersätzen ohne weiteres vorstellbar und für den Fachmann nachvollziehbar. So können auch verschiedene Lüftermotortypen bzw. Gebläsetypen gleicher oder unterschiedlicher Hersteller durch unterschiedliche Frequenzen des PWM-Steuersignals signalisiert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Lüftermotorsteuerung gemäß dem vorgenannten Ausführungsbeispiel beschränkt sondern kann für verschiedenste Motorsteuerungen und -regelungen in Abhängigkeit gepulster Steuersignale verwendet werden, um dadurch zusätzlich zur Pulsweitensteuerung auch eine Übertragung von Betriebsarten bzw. Parametersätzen zu ermöglichen. Der in 1 gezeigte Lüfterregler 20 kann vom Lüftermotor 30 getrennt oder in diesem integriert vorgesehen sein.

Claims

Steuervorrichtung (10) zum Steuern eines Elektromotors (30) mittels eines gepulsten Steuersignals, wobei die Steuervorrichtung (10) umfasst: – Auswahlmittel (12) zum Auswählen einer Betriebsart mit vorbestimmten Wertzuweisungen für einen Parametersatz zum Steuern des Elektromotors (30); und – Einstellungsmittel (14) zum Einstellen der Pulsfrequenz des Steuersignals entsprechend der gewählten Betriebsart, um dadurch dem Elektromotor (30) die gewählte Wertzuweisung für den Parametersatz zu signalisieren.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswahlmittel (12) ausgestaltet sind zum Auswählen der Betriebsart aus einer Vielzahl von Betriebsarten verschiedener Hersteller oder Anwender.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswahlmittel (12) ausgestaltet sind zum Auswählen der Betriebsart aus einer Vielzahl von Betriebsarten mit unterschiedlichen Strombegrenzungswerten, Lüfterschaltfrequenzen, Stromanstiegsraten und/oder Stromabfallraten.
Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswahlmittel (12) ausgestaltet sind zum Auswählen zwischen einem Normalbetrieb und einem Testbetrieb.
Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einstellungsmittel (14) ausgestaltet sind zum Einstellen der Pulsfrequenz durch Veränderung der Periodendauer des Steuersignals.
Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung ausgestaltet ist zum Steuern eines Elektromotors für ein Lüftergebläse eines Kraftfahrzeugs.
Motorregler (20) mit: – einer Schnittstelle (22) zum Empfangen eines gepulsten Steuersignals zum Steuern eines Elektromotors (30); – Erfassungsmitteln (24) zum Erfassen einer Pulsfrequenz des Steuersignals; und – Stellmittel (26) zum Einstellen eines Parametersatzes für den Betrieb des Elektromotors (30) in Abhängigkeit einer durch die erfasste Pulsfrequenz bestimmten Betriebsart.
Motorregler nach Anspruch 7, wobei die Stellmittel (26) ausgestaltet sind zum Einstellen des Parametersatzes eines bestimmten Motorherstellers.
Motorregler nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Stellmittel (26) ausgestaltet sind zum Einstellen eines Strombegrenzungswerts, einer Lüfterschaltfrequenz, einer Stromanstiegsrate und/oder einer Stromabfallrate.
Motorregler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Parametersatz dem Normalbetrieb oder einem Testbetrieb entspricht.
Motorregler nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Erfassungsmittel (24) ausgestaltet sind zum Erfassen der Pulsfrequenz durch Messung der Periodendauer des Steuersignals.
Verfahren zum Steuern eines Elektromotors (30) mittels eines gepulsten Steuersignals, mit den Schritten: – Auswählen einer Betriebsart mit vorbestimmten Wertzuweisungen für einen Parametersatz zum Steuern des Elektromotors (30); – Einstellen der Pulsfrequenz des Steuersignals entsprechend der gewählten Betriebsart, um dadurch dem Elektromotor (30) die gewählten Wertzuweisungen für den Parametersatz zu signalisieren; – Erfassen der Pulsfrequenz des Steuersignals an dem Motorregler (20); und – Einstellen des Parametersatzes für den Betrieb des Elektromotors (30) in Abhängigkeit der durch die erfasste Pulsfrequenz bestimmten Betriebsart.
Steuersystem mit einer Steuervorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 und einem durch die Steuervorrichtung (10) gesteuerten Motorregler (20) nach Anspruch 7 zur Steuerung eines Elektromotors (30).
Steuersystem nach Anspruch 13, wobei das Steuersystem zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestaltet ist.