DE102016107928A1

DE102016107928A1 - Method for driving an electric motor and drive circuit for this method

Info

Publication number: DE102016107928A1
Application number: DE102016107928.6A
Authority: DE
Inventors: Francesco Flögel; Thomas Ternieden
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Ansteuerschaltung (1) zum Betreiben eines Elektromotors an einer primären Betriebsgleichspannung (VIN), mit einer Steuereinheit (4; U1), und mit einer mit der Steuereinheit (4; U1) verbundenen Leistungseinheit (3), die mit den Motorwicklungen eines Elektromotors (2) verbindbar ist. Die Ansteuerschaltung (1) weist eine Spannungsüberwachungseinrichtung (6) auf, mit der ein Absinken der primären Betriebsgleichspannung (VIN) unter einen vorgegebenen Schwellwert feststellbar ist und eine Trenneinrichtung (7), mit der die Steuereinheit (4) von der primären Betriebsgleichspannung (VIN) trennbar ist. Die Spannungsüberwachungseinrichtung (6) ist so eingerichtet, dass sie mittels der Trenneinrichtung (7) die Steuereinheit (4) von der primären Betriebsgleichspannung (VIN) trennt, sobald die primäre Betriebsgleichspannung (VIN) unter den Schwellwert absinkt. Zusätzlich weist die Ansteuerschaltung (1) einen Energiespeicher (9) auf, der bei getrennter primärer Betriebsgleichspannung (VIN), zumindest die Steuereinheit (4) mit Energie versorgt bis eine Betriebsspannung wieder zur Verfügung steht. The invention relates to a drive circuit (1) for operating an electric motor on a primary DC operating voltage (VIN), with a control unit (4; U1), and with a power unit (3) connected to the control unit (4; U1) connected to the motor windings an electric motor (2) is connectable. The drive circuit (1) has a voltage monitoring device (6) with which a decrease in the primary DC operating voltage (VIN) below a predetermined threshold can be determined and a separator (7), with the control unit (4) of the primary DC operating voltage (VIN) is separable. The voltage monitoring device (6) is set up so that it disconnects the control unit (4) from the primary DC operating voltage (VIN) by means of the isolating device (7) as soon as the primary DC operating voltage (VIN) drops below the threshold value. In addition, the drive circuit (1) has an energy store (9) which, with separate primary DC operating voltage (VIN), supplies at least the control unit (4) with energy until an operating voltage is available again.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors und eine Ansteuerschaltung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention describes a method for driving an electric motor and a drive circuit for carrying out this method.

In Kraftfahrzeugen werden heutzutage viele Funktionen mit Elektromotoren gesteuert. Dazu zählen beispielsweise die Leuchtweitenregulierung der Scheinwerfer, die Betätigung eines Schiebedachs, der Antrieb eines Cabrioverdecks, die Sitzverstellung, der Antrieb der Heckklappe und unzählige mehr.In motor vehicles many functions are controlled with electric motors today. These include, for example, the headlamp leveling of the headlights, the operation of a sunroof, the drive of a convertible top, the seat adjustment, the drive of the tailgate and countless more.

Viele dieser Funktionen, wie das Öffnen und Schließen der Heckklappe, bewegen sich zwischen zwei Endanschlägen, so dass die Steuerung absolut unkritisch ist. Der Motor wird dabei einfach bis zum Endanschlag bewegt und dann gestoppt.Many of these functions, such as opening and closing the tailgate, move between two end stops, so the controls are absolutely uncritical. The motor is simply moved to the end stop and then stopped.

Bei anderen Anwendungen, beispielsweise der Leuchtweitenregulierung, ist es notwendig, dass eine Zwischenposition angefahren und gehalten werden kann. Bei diesen Anwendungen ist es daher wichtig, dass die aktuelle Position des Motors immer bekannt ist. Insbesondere bei einem Kraftfahrzeug kann es beispielsweise durch Vibrationen und andere Erschütterungen oder durch Schrittverluste dazu kommen, dass die tatsächliche Position des Motors nicht mehr mit der in der Motorsteuerung gespeicherten theoretischen Position übereinstimmt. In other applications, such as headlamp leveling, it is necessary that an intermediate position can be approached and held. It is therefore important in these applications that the current position of the engine is always known. In the case of a motor vehicle, for example, vibrations and other shocks or step losses may cause the actual position of the motor to no longer coincide with the theoretical position stored in the engine control.

Daher wird der Motor beispielsweise beim Einschalten des Fahrzeugs zunächst in eine Referenzposition an einem Endanschlag gefahren und von dort aus an die gewünschte Position gefahren.For this reason, when the vehicle is switched on, for example, the engine is first moved to a reference position on an end stop and, from there, moved to the desired position.

Dadurch wird zumindest bei jedem Neustart des Fahrzeugs sichergestellt, dass die reale Position des Motors mit der in der Steuerung gespeicherten Position übereinstimmt.This ensures, at least every time the vehicle is restarted, that the real position of the engine coincides with the position stored in the control.

Nun gibt es zahlreiche Anwendungen bei der eine solche Referenzfahrt nicht möglich ist, beispielsweise bei einem Sitzversteller. Meistens befindet sich der Fahrer des Fahrzeugs beim Starten des Motors bereits auf dem Fahrersitz. Eine Referenzfahrt des Fahrersitzes in eine Endposition wäre einem Fahrer nicht zumutbar. Bei einem Elektromotor zur Sitzverstellung ist es daher wichtig, dass die Motorsteuerung zu jeder Zeit die absolut korrekte und aktuelle Position des Sitzes kennt, ohne Referenzfahrten.Now there are numerous applications in which such a reference travel is not possible, for example, in a Sitzversteller. Mostly, the driver of the vehicle is already in the driver's seat when starting the engine. A reference travel of the driver's seat into an end position would not be reasonable for a driver. With an electric motor for seat adjustment, it is therefore important that the engine control knows at all times the absolutely correct and current position of the seat, without homing.

Gerade bei der Sitzverstellung ist die Gefahr eines Schrittverlustes aber besonders groß. Oft werden Sitze bereits vor und noch während dem Starten des Motors verstellt. Insbesondere bei Fahrzeugen, die die Sitzposition nach Fahrer speichern und diese automatisch beim Starten oder Einsteigen herstellen. Beim Starten des Motors benötigt der Anlasser soviel Strom, dass die Bordspannung in der Regel kurzzeitig stark absinkt und nicht mehr zur Versorgung aller anderen elektrischen Verbraucher ausreicht. Das bedeutet auch, dass die Motorsteuerung der Sitzverstellung zumindest kurzzeitig ohne Spannung ist.Especially with the seat adjustment, the risk of loss of pace but especially large. Often, seats are adjusted before and even while the engine is starting. Especially for vehicles that store the seating position after the driver and make them automatically when starting or getting in. When starting the engine, the starter needs so much power that the on-board voltage usually drops sharply for a short time and is no longer sufficient to supply all other electrical consumers. This also means that the engine control of the seat adjustment is at least temporarily without tension.

Der Sitz ist aber durch den Fahrer belastet und hat somit eine hohe Trägheit, so dass er sich auch ohne Spannung noch weiter bewegt. Die Motorsteuerung hat durch den Spannungseinbruch jedoch keine Versorgungsspannung mehr, so dass sie die fortwährende Bewegung des Sitzes nicht mehr registrieren kann. Die Folge ist eine Abweichung der tatsächlichen Position des Sitzes von der in der Motorsteuerung zuletzt registrierten Position. Die Abweichung der Positionen kann dabei durchaus signifikant sein und bis zu sechs Motorumdrehungen betragen. Bei aufeinanderfolgenden solcher Vorgänge kumulieren sich die Abweichungen gegebenenfalls, wodurch der Fehler immer größer wird. However, the seat is loaded by the driver and thus has a high inertia, so that it moves even without tension on. However, due to the voltage dip, the motor control no longer has any supply voltage so that it can no longer register the continuous movement of the seat. The result is a deviation of the actual position of the seat from the position last registered in the engine control. The deviation of the positions can be quite significant and be up to six engine revolutions. In successive such operations, the deviations accumulate if necessary, thereby increasing the error.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Ansteuerschaltung für Elektromotoren zu schaffen, bei der zu jeder Zeit die tatsächliche Motorposition mit der in der Steuerung registrierten übereinstimmt.The object of the invention is therefore to provide a drive circuit for electric motors in which coincides at any time the actual motor position with the registered in the controller.

Diese Aufgabe wird durch eine Ansteuerschaltung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.This object is achieved by a drive circuit having the features of the main claim.

Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung weist eine Spannungsüberwachungseinrichtung auf, mit der ein Absinken der primären Betriebsgleichspannung unter einen vorgegebenen Schwellwert feststellbar ist. Dadurch können die Spannungseinbrüche zunächst erkannt werden. Der Schwellwert kann beispielsweise im Bereich von 3V bis 20V liegen, insbesondere im Bereich von 4V bis 12V.The drive circuit according to the invention has a voltage monitoring device, with which a drop in the primary DC operating voltage below a predetermined threshold can be determined. As a result, the voltage drops can be detected first. The threshold value can be, for example, in the range of 3V to 20V, in particular in the range of 4V to 12V.

Weiterhin weist die Ansteuerschaltung eine mit der Spannungsüberwachungseinrichtung verbundene Trenneinrichtung auf, mit der die Steuereinheit von der primären Betriebsgleichspannung trennbar ist.Furthermore, the drive circuit has a separation device connected to the voltage monitoring device, with which the control unit can be separated from the primary DC operating voltage.

Und die Ansteuerschaltung weist einen Energiespeicher auf, der bei getrennter primärer Betriebsgleichspannung, zumindest die Steuereinheit mit Energie versorgt bis eine Betriebsgleichspannung wieder zur Verfügung steht.And the drive circuit has an energy storage, which is supplied with separate primary DC operating voltage, at least the control unit with energy until a DC operating voltage is available again.

Die Spannungsüberwachungseinrichtung ist nun so eingerichtet, dass sie mittels der Trenneinrichtung die Steuereinheit von der primären Betriebsgleichspannung trennt, sobald die primäre Betriebsgleichspannung unter den Schwellwert absinkt. Der Schwellwert ist vorzugsweise so gewählt, dass darüber eine Spannungsversorgung der Steuereinheit möglich ist. The voltage monitoring device is now set up so that it disconnects the control unit from the primary DC operating voltage by means of the isolating device as soon as the primary DC operating voltage drops below the threshold value. The threshold value is preferably chosen such that a voltage supply of the control unit is possible via it.

Nach der Trennung der Betriebsgleichspannung wird die Steuereinheit aus dem Energiespeicher weiterhin mit Energie versorgt. Dadurch kann die Steuereinheit insbesondere die Lage des Elektromotors weiterhin überwachen. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass trotz fehlender Betriebsgleichspannung ein Nachlaufen des Motors nicht zu einer Positionsabweichung zwischen der realen Motorposition und der in der Steuereinheit registrierten Position führt. After the separation of the operating DC voltage, the control unit from the energy storage continues to be supplied with energy. As a result, the control unit can in particular continue to monitor the position of the electric motor. The advantage over the prior art is that, despite the lack of operating DC voltage, running the motor does not lead to a positional deviation between the real motor position and the position registered in the control unit.

Im besten Fall steht die Betriebsgleichspannung wieder zur Verfügung bevor die Energie im Energiespeicher aufgebraucht ist oder der Elektromotor zum Stillstand gekommen ist. In the best case, the DC operating voltage is available again before the energy in the energy storage is used up or the electric motor has come to a standstill.

Da der Energiespeicher aus Kostengründen oder anderen Gründen nicht beliebig dimensioniert sein kann, ist dies nicht immer gewährleistet.Since the energy storage for cost reasons or other reasons can not be arbitrarily dimensioned, this is not always guaranteed.

Um dennoch eine Abweichung der Positionen zu verhindern, sieht eine Weiterbildung der Erfindung eine sekundäre Betriebsgleichspannung vor, die nach der Trennung der primären Betriebsgleichspannung zur Spannungsversorgung der Steuereinheit dient. In order nevertheless to prevent a deviation of the positions, a development of the invention provides for a secondary DC operating voltage, which serves for the voltage supply of the control unit after the separation of the primary DC operating voltage.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführung der Erfindung, stellt bei getrennter primärer Betriebsgleichspannung die Leistungseinheit die in den Motorwicklungen induzierte Spannung als sekundäre Betriebsgleichspannung für die Steuereinheit bereit. In a particularly advantageous embodiment of the invention, with separate primary DC operating voltage, the power unit provides the voltage induced in the motor windings as a secondary DC operating voltage for the control unit.

Ein eventuell nachlaufender Elektromotor induziert eine Spannung in seinen Motorwicklungen. Diese Spannung wird erfindungsgemäß nun dazu benutzt, die Steuereinheit weiterhin mit Energie zu versorgen. Der Energiespeicher ist dabei nur zur Überbrückung der Umschaltzeit auf den Generatorbetrieb notwendig. A possibly trailing electric motor induces a voltage in its motor windings. This voltage is now used according to the invention to continue to supply the control unit with energy. The energy storage is only necessary for bridging the switching time to the generator operation.

Ein weiterer Vorteil bei dieser Ausführung besteht darin, dass durch den Energieverbrauch der Steuereinheit der Elektromotor zusätzlich gebremst wird und somit schneller zum Stillstand gelangt.Another advantage of this design is that is additionally braked by the power consumption of the control unit of the electric motor and thus reaches a faster standstill.

Sobald auch die induzierte sekundäre Betriebsgleichspannung nicht mehr ausreicht um die Steuereinheit zu versorgen, greift wieder der Energiespeicher, der vorzugsweise durch die induzierte Spannung aufgeladen wird.As soon as the induced secondary DC operating voltage is no longer sufficient to supply the control unit, engages again the energy storage, which is preferably charged by the induced voltage.

Diese erfindungsgemäße Anordnung ist auf jeden Fall ausreichend, die Position des Elektromotors bis zu seinem Stillstand fortwährend zu überwachen und zu registrieren. Eine Abweichung der Positionen zwischen Steuereinheit und der realen Motorposition ist daher praktisch nicht mehr möglich.In any case, this arrangement according to the invention is sufficient to continuously monitor and register the position of the electric motor until it is at a standstill. A deviation of the positions between the control unit and the real motor position is therefore practically no longer possible.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Elektromotor ein elektronisch kommutierter Elektromotor und die Leistungseinheit ist als Wechselrichter ausgebildet, der die Betriebsgleichspannung in eine Wechselspannung zum Betreiben des Elektromotors wandelt und einen schaltbaren Gleichrichter zur Umwandlung einer induzierten Spannung in eine sekundäre Betriebsgleichspannung aufweist. Der Elektromotor kann insbesondere ein dreiphasiger bürstenloser Gleichstrommotor sein. In a preferred embodiment of the invention, the electric motor is an electronically commutated electric motor and the power unit is designed as an inverter, which converts the DC operating voltage into an AC voltage for operating the electric motor and has a switchable rectifier for converting an induced voltage into a secondary DC operating voltage. The electric motor may in particular be a three-phase brushless DC motor.

In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführung wird der Wechselrichter im Generatorbetrieb mit einer Pulsbreitenmodulation betrieben, so dass die induzierte Spannung auf einen festen Wert begrenzt werden kann.In an advantageous development of this embodiment, the inverter is operated in the generator mode with a pulse width modulation, so that the induced voltage can be limited to a fixed value.

Die Positionsüberwachung kann mittels Magneten und Hallsensoren oder auch sensorlos erfolgen. The position monitoring can be done by means of magnets and Hall sensors or sensorless.

Vorzugsweise umfasst die Trenneinrichtung einen oder mehrere Halbleiterschalter. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Halbleiterschalter als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Beispielsweise werden als Feldeffekttransistoren Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) verwendet. Feldeffekttransistoren und insbesondere MOSFETs weisen eine Body-Diode auf, über welche auch im nicht-leitenden Zustand des Feldeffekttransistors ein Strom in Durchlassrichtung fließen kann. Manche bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung machen sich diese Eigenschaft zu nutze, so dass eine von der primären Betriebsgleichspannung getrennte Steuereinrichtung über den mindestens einen nicht-leitenden Halbleiterschalter mit Strom versorgt werden kann. In solchen Ausführungen sind also als Halbleiterschalter Feldeffekttransistoren verbaut und derart angeordnet, dass Die Anode ihrer Body-Diode auf der Seite der Betriebsspannung und ihre Kathode auf der Seite der Steuereinrichtung angeordnet ist. Solch eine Ausführung ist insbesondere beim Neustart eines Elektromotors vorteilhaft, nachdem die Steuereinrichtung von der Betriebsspannung getrennt wurde und der Elektromotor zum Stillstand gebracht wurde. Problematisch ist nun der Fall, wenn auch der Energiespeicher nicht genügend Energie bereitstellt, beziehungsweise nur eine zu geringe Spannung zum Betreiben der Steuereinrichtung aufweist. Dann kann nun über die Body-Diode des Feldeffekttransistors trotzdem genügend Energie aus der Betriebsspannungsquelle zum Betreiben der Steuereinrichtung bereitgestellt werden. Die Steuereinrichtung kann daraufhin die Trenneinrichtung derart ansteuern, dass die Steuereinrichtung wieder mit der Betriebsspannung verbunden wird. Insbesondere kann dies dadurch erreicht werden, dass ein oder mehrere Feldeffekttransistoren leitend geschaltet werden. Somit steht auch wieder genügend Energie zum Antreiben des Elektromotors zur Verfügung. Die Verwendung von mehreren, parallel angeordneten Halbleiterschaltern hat den Vorteil, dass auch relativ große Ströme mit vergleichsweise geringen Verlusten durch die Trenneinrichtung fließen können. Vorzugsweise umfasst die Trenneinrichtung daher zwei Halbleiterschalter, die beispielsweise als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Preferably, the separator comprises one or more semiconductor switches. It is particularly preferred if the semiconductor switches are designed as field effect transistors. For example, metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFET) are used as field effect transistors. Field effect transistors and in particular MOSFETs have a body diode, via which a current can flow in the forward direction even in the non-conducting state of the field effect transistor. Some preferred embodiments of the invention take advantage of this feature, so that a separate from the primary DC operating voltage control device via the at least one non-conductive semiconductor switch can be powered. In embodiments of this type, field effect transistors are installed as semiconductor switches and arranged such that the anode of its body diode is arranged on the side of the operating voltage and its cathode on the side of the control device. Such an embodiment is particularly advantageous when restarting an electric motor, after the control device has been disconnected from the operating voltage and the electric motor has been brought to a standstill. The problem now is the case, even if the energy storage does not provide enough energy, or only has too low a voltage for operating the control device. Then, sufficient energy can now be provided from the operating voltage source to operate the control device via the body diode of the field effect transistor. The control device can then control the separating device in such a way that the control device is again connected to the operating voltage. In particular, this can be achieved in that one or more field effect transistors are turned on. Thus, enough energy is again available to drive the electric motor. The The use of a plurality of semiconductor switches arranged in parallel has the advantage that even relatively large currents with relatively low losses can flow through the separator. Preferably, the separator therefore comprises two semiconductor switches, which are formed for example as field effect transistors.

Vorzugsweise ist der mindestens eine Halbleiterschalter auf einer ersten Seite mit der primären Betriebsgleichspannung (VIN) und auf einer zweiten Seite mit dem Energiespeicher, beispielsweise mit einem Kondensator, und mit einem Spannungseingang der Steuereinheit gekoppelt. Dabei ist es in manchen besonders bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen, dass die Kopplung des mindestens einen Halbleiterschalters mit dem Energiespeicher und/oder mit dem Spannungseingang der Steuereinheit über eine Induktivität erfolgt. Preferably, the at least one semiconductor switch is coupled on a first side with the primary DC operating voltage (VIN) and on a second side with the energy store, for example with a capacitor, and with a voltage input of the control unit. It is provided in some particularly preferred embodiments of the invention that the coupling of the at least one semiconductor switch with the energy storage and / or with the voltage input of the control unit via an inductance.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung. Das Verfahren umfasst die die Betriebsgleichspannung in einer Spannungsüberwachungseinrichtung mit einem Schwellwert verglichen wird, dass sobald die Betriebsgleichspannung unter den Schwellwert abfällt, die Steuereinheit von der Betriebsgleichspannung getrennt wird, dass der Elektromotor als Generator geschaltet wird, der die Steuereinheit und die Lageerkennung mit einer sekundären Betriebsgleichspannung versorgt. The invention also includes a method for operating an electric motor, in particular with a drive circuit according to the invention. The method comprises comparing the DC operating voltage in a voltage monitoring device with a threshold value, that as soon as the DC operating voltage drops below the threshold value, the control unit is disconnected from the DC operating voltage, the electric motor is switched as a generator, the control unit and the position detection with a secondary DC operating voltage provided.

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

Es zeigt:It shows:

1: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung für einen dreiphasigen Elektromotor, 1 FIG. 2 is a block diagram of a drive circuit for a three-phase electric motor according to the invention, FIG.

2: das Blockschaltbild der 1 im Generatorbetrieb, 2 : the block diagram of the 1 in generator mode,

3: ein Schaltbild der Spannungsüberwachungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, 3 FIG. 2 is a circuit diagram of the voltage monitoring device of a drive circuit according to the invention, FIG.

4: ein Schaltbild der Trenneinrichtung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, 4 a circuit diagram of the separation device of a drive circuit according to the invention,

5: ein Schaltbild des die Trenneinrichtung umfassenden Schaltungsteils einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, 5 FIG. 2 is a circuit diagram of the circuit part of the circuit part of the invention comprising a control circuit, FIG.

6: ein Schaltbild einer Ladungspumpe einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, 6 FIG. 2: a circuit diagram of a charge pump of a drive circuit according to the invention, FIG.

7: ein Schaltbild der Spannungsversorgung der Steuereinheit einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, 7 a circuit diagram of the power supply of the control unit of a drive circuit according to the invention,

8: ein Schaltbild der Motoransteuerung der Steuereinheit einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, 8th a circuit diagram of the motor control of the control unit of a drive circuit according to the invention,

9: ein Schaltbild einer Lageerkennung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, 9 a circuit diagram of a position detection of a drive circuit according to the invention,

10: ein Schaltbild eines Wechselrichters einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung und 10 a circuit diagram of an inverter of a drive circuit according to the invention and

Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Ansteuerschaltung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (BLDC) beispielsweise als Stellmotor für einen Sitz in einem Automobil. The embodiment shows a drive circuit for an electronically commutated DC motor (BLDC), for example, as a servomotor for a seat in an automobile.

Die Erfindung ist selbstverständlich in keiner Weise auf diese automobile Anwendung beschränkt. Sie kann vielmehr ohne weiteres auf andere Anwendungen übertragen werden.Of course, the invention is in no way limited to this automotive application. It can be easily transferred to other applications.

Die 1 zeigt eine im Ganzen mit 1 bezeichnete erfindungsgemäße Ansteuerschaltung in normaler Betriebsstellung. Die primäre Betriebsgleichspannung VIN ist im Beispiel die 12 V Bordspannung des Automobils. Bei anderen Anwendungen kann die Betriebsgleichspannung auch beliebige andere Werte annehmen.The 1 shows one as a whole 1 designated drive circuit according to the invention in normal operating position. The primary DC operating voltage VIN in the example is the 12 V on-board voltage of the automobile. In other applications, the DC operating voltage can also assume any other values.

Der Elektromotor 2 ist im Beispiel ein dreiphasiger, elektronisch kommutierter Elektromotor mit drei Phasen U, V, W. Für die Erfindung spielt es keine Rolle, ob die Phasenwicklungen in einer Stern- oder Dreiecksanordnung gewickelt sind.The electric motor 2 is in the example a three-phase, electronically commutated electric motor with three phases U, V, W. For the invention, it does not matter if the phase windings are wound in a star or triangular arrangement.

Die Phasenwicklungen sind mit einem Wechselrichter 3 als Leistungseinheit verbunden, der die primäre Betriebsgleichspannung VIN in eine für den Betrieb notwendige dreiphasige Wechselspannung umwandelt.The phase windings are with an inverter 3 connected as a power unit, which converts the primary DC operating voltage VIN into a three-phase AC voltage required for operation.

Der Wechselrichter 3 ist mit einer Steuereinheit 4 verbunden, die die für die Kommutierung notwendigen Steuersignale an den Wechselrichter 3 leitet. Für die Kommutierung des Elektromotors 2 ist es notwendig, die Rotorlage jederzeit zu kennen. Der Elektromotor 2 ist daher mit einer Vorrichtung zur Lageerkennung 5 ausgestattet. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise drei Hallsensoren umfassen. Diese drei Hallsensoren können in einem Winkelabstand voneinander entlang eines Kreisbogens am Elektromotor 2 angeordnet sein.The inverter 3 is with a control unit 4 connected to the necessary for the commutation control signals to the inverter 3 passes. For the commutation of the electric motor 2 it is necessary to know the rotor position at any time. The electric motor 2 is therefore with a device for position detection 5 fitted. Such a device may for example comprise three Hall sensors. These three Hall sensors can be at an angular distance from each other along a circular arc on the electric motor 2 be arranged.

Für die Erfindung spielt die Art der Lageerkennung jedoch keine Rolle. Die Erfindung ist daher auch ohne Einschränkungen beispielsweise mit einer sensorlosen Lageerkennung anwendbar.However, the type of position detection does not matter for the invention. The invention is therefore applicable without restrictions, for example, with a sensorless position detection.

Die Ansteuerschaltung 1 weist erfindungsgemäß eine Spannungsüberwachungseinrichtung 6 auf, die mit der Betriebsgleichspannung VIN verbunden ist. Weiterhin ist die Spannungsüberwachungseinrichtung 6 mit einer Trenneinrichtung 7 verbunden, die nach der Spannungsüberwachungseinrichtung 6 den Rest der Ansteuerschaltung von der Betriebsgleichspannung VIN trennen kann. The drive circuit 1 according to the invention has a voltage monitoring device 6 on, which is connected to the DC operating voltage VIN. Furthermore, the voltage monitoring device 6 with a separator 7 connected to the voltage monitor 6 can separate the rest of the drive circuit from the DC operating voltage VIN.

Da die Betriebsspannung der Steuereinheit 4 von der Betriebsgleichspannung VIN abweichen kann, weist die Ansteuerschaltung 1 einen die Trenneinrichtung 7 umfassenden Schaltungsteil 8 auf, der der Steuereinheit 4 vorgeschaltet ist. Zusätzlich weist die Ansteuerschaltung 1 einen Energiespeicher 9 auf, der im Beispiel zwischen dem Schaltungsteil 8 und der Steuereinheit 4 angeordnet ist. Der Energiespeicher 9 kann jedoch auch an einer anderen Stelle in der Ansteuerschaltung 1 angeordnet sein.As the operating voltage of the control unit 4 may deviate from the DC operating voltage VIN, the drive circuit 1 one the separator 7 comprehensive circuit part 8th on, the control unit 4 upstream. In addition, the drive circuit 1 an energy store 9 on, in the example between the circuit part 8th and the control unit 4 is arranged. The energy storage 9 However, it can also be located elsewhere in the drive circuit 1 be arranged.

Die primäre Betriebsgleichspannung VIN beträgt im Beispiel 12V des Bordnetzes eines Automobils. Diese Spannung wird für den Betrieb des Elektromotors 2 verwendet. Die Steuereinheit 5 weist in der Regel einen Mikrocontroller und weitere Elektronik auf, die in der Regel mit 5V betrieben wird. Ein Spannungsregler, der beispielsweise im Mikrocontroller integriert ist, wandelt daher die 12V Betriebsgleichspannung VIN in die Betriebsspannung Vcc der Steuereinheit. Damit der Spannungsregler eine 5V Spannung erzeugen kann, benötigt er eine Mindesteingangsspannung von etwa 7V. Diese Spannung dient vorzugsweise als Schwellwert für die Spannungsüberwachungseinrichtung 6. The primary DC operating voltage VIN is in the example 12V of the electrical system of an automobile. This voltage is used for the operation of the electric motor 2 used. The control unit 5 usually has a microcontroller and other electronics, which is usually operated with 5V. A voltage regulator, which is for example integrated in the microcontroller, therefore converts the 12V DC operating voltage VIN into the operating voltage Vcc of the control unit. For the voltage regulator to generate a 5V voltage, it needs a minimum input voltage of about 7V. This voltage is preferably used as a threshold value for the voltage monitoring device 6 ,

Sobald die Betriebsgleichspannung VIN unter diesen Schwellwert von beispielsweise 7V absinkt, steuert die Spannungsüberwachungseinrichtung 6 die Trenneinrichtung 7 an, so dass die restlichen Schaltungsteile von der Betriebsgleichspannung VIN getrennt werden.As soon as the operating DC voltage VIN drops below this threshold of, for example, 7V, the voltage monitoring device controls 6 the separator 7 so that the remaining circuit parts are disconnected from the DC operating voltage VIN.

In 2 ist das Blockschaltbild der Ansteuerschaltung im getrennten Zustand gezeigt.In 2 the block diagram of the drive circuit is shown in the disconnected state.

Der Elektromotor 2 ist in diesem Zustand von der Betriebsgleichspannung VIN getrennt und wird nicht mehr angetrieben. Die Steuereinheit 4 wird in diesem Zustand kurzzeitig aus dem Energiespeicher 9 mit Energie versorgt. In dieser Zeit wird die Leistungseinheit 3 auf Generatorbetrieb umgeschaltet.The electric motor 2 is disconnected from the DC operating voltage VIN in this state and is no longer driven. The control unit 4 is in this state for a short time from the energy storage 9 energized. In this time, the power unit 3 switched to generator mode.

Durch den Drehimpuls dreht sich der Motor 2 nach dem Abschalten der Betriebsgleichspannung VIN noch weiter, wodurch in seinen Wicklungen eine Spannung induziert wird.By the angular momentum the engine rotates 2 after switching off the operating DC voltage VIN still further, whereby a voltage is induced in its windings.

Die positiven Halbwellen der induzierten Spannung werden durch geeignetes Schalten der Brückenschalter Q100-A, Q100-B, Q200-A, Q200-B und Q300-A, Q300-B der Spannung VCC zugeführt, so dass der Kondensator C10 geladen wird. Zusätzlich wird über die Spule L1 die Spannung VCC_SW gespeist, so dass über die Schottky-Diode D3 auch die Kondensatoren C6, C16, C29 und C30 geladen werden. Die Schottky-Diode verhindert, dass sich diese Kondensatoren wieder in Richtung VCC_SW entladen. Die an den Kondensatoren C6, C16, C29 und C30 anliegende Spannung VCC_IC ist über einen Widerstand R17 mit einem Eingang B0.5 des Mikrocontrollers U1 (Funktionseinheit U1-A) verbunden, so dass die Spannung VCC_IC überwacht werden kann. Im Falle, dass die Spannung VCC_IC die maximale Spannung des Mikrocontrollers U1 erreicht, kann ein weiteres Rückspeisen vom Motor in die Spannungsversorgung des Mikrocontrollers U1 gestoppt werden. Über die Einschaltzeit der PWM, die der Steuerung oder Regelung der Brückenschalter Q100-A bis Q300-B überlagert sein kann, kann die zurückgespeiste Energiemenge geregelt werden. Die negativen Halbwellen der induzierten Spannung werden ebenfalls durch geeignetes Schalten der Brückenschalter, insbesondere durch das Öffnen der unteren Brückenschalter Q100-B, Q200-B und Q300-B über einen Widerstand R1 dem Masseanschluss GND zugeführt. Wird nicht die vollständige, generierte Energie benötigt, können die Brückenschalter Q100-A bis Q300-B derart geschaltet werden, dass ein Freilaufstrom über eine oder mehrere Body-Dioden der Brückenschalter Q100-A bis Q300-B fließt, so dass die überschüssige Energie aufgrund der ohmschen Verluste abgebaut wird. The positive half waves of the induced voltage are supplied to the voltage VCC by appropriately switching the bridge switches Q100-A, Q100-B, Q200-A, Q200-B and Q300-A, Q300-B, so that the capacitor C10 is charged. In addition, the voltage VCC_SW is fed via the coil L1, so that the capacitors C6, C16, C29 and C30 are charged via the Schottky diode D3. The Schottky diode prevents these capacitors from discharging back towards VCC_SW. The voltage VCC_IC applied to the capacitors C6, C16, C29 and C30 is connected via a resistor R17 to an input B0.5 of the microcontroller U1 (functional unit U1-A), so that the voltage VCC_IC can be monitored. In the event that the voltage VCC_IC reaches the maximum voltage of the microcontroller U1, further feedback from the motor to the power supply of the microcontroller U1 can be stopped. Over the switch-on time of the PWM, which can be superimposed on the control or regulation of the bridge switches Q100-A to Q300-B, the amount of energy fed back can be regulated. The negative half-waves of the induced voltage are also supplied to the ground terminal GND through appropriate switching of the bridge switches, in particular by opening the lower bridge switches Q100-B, Q200-B and Q300-B via a resistor R1. If the full, generated energy is not required, the bridge switches Q100-A to Q300-B can be switched so that a freewheeling current flows through one or more body diodes of the bridge switches Q100-A to Q300-B, so that the excess energy due the ohmic losses are reduced.

Dadurch, dass die Schalter Q1-A und Q1-B im Generatorbetrieb geöffnet sind, wird ein Rückspeisen in die Eingangsspannung VIN verhindert. As a result of the fact that the switches Q1-A and Q1-B are open in the generator mode, feeding back into the input voltage VIN is prevented.

Diese Induktionsspannung wird nun als sekundäre Betriebsgleichspannung für die Steuereinheit 4 bereitgestellt und in einem Energiespeicher 9 gespeichert. Im Beispiel ist der Energiespeicher 9 durch einen Kondensator, beispielsweise einen Superkondensator (Supercap), gegeben. Durch diese erfindungsgemäße Ansteuerschaltung ist eine unterbrechungsfreie Überwachung der Position des Rotors des Elektromotors möglich. Die Steuereinheit kennt somit jederzeit die korrekte absolute Position des Elektromotors 2. Eine Abweichung der Position in der Steuereinheit 4 und der realen Motorposition wie im Stand der Technik ist auch bei sehr ausgeprägtem Nachlauf von mehreren Rotorumdrehungen nicht möglich.This induction voltage is now used as a secondary DC operating voltage for the control unit 4 provided and in an energy store 9 saved. In the example is the energy storage 9 through a capacitor, for example a supercapacitor (Supercap). By means of this drive circuit according to the invention, uninterrupted monitoring of the position of the rotor of the electric motor is possible. The control unit thus always knows the correct absolute position of the electric motor 2 , A deviation of the position in the control unit 4 and the real motor position as in the prior art is not possible even with very pronounced caster of several rotor revolutions.

Darüber hinaus bewirkt der Stromverbrauch der Steuereinheit 4 ein zusätzliches Abbremsen des Elektromotors 2, so dass der Elektromotor 2 insgesamt einen geringeren Nachlauf aufweist. In addition, the power consumption of the control unit 4 an additional braking of the electric motor 2 so that the electric motor 2 overall has a lower caster.

Nachfolgend ist eine beispielhafte Realisierung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung beschrieben. Das Schaltbild dieser Ansteuerschaltung ist zur besseren Übersicht in einzelne Funktionsblöcke geteilt, die in den 3 bis 10 gezeigt sind.Below is an exemplary implementation of a drive circuit according to the invention described. The circuit diagram of this drive circuit is divided for clarity in individual function blocks that in the 3 to 10 are shown.

Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung weist einen Mikrocontroller U1 als zentrale Steuereinheit 4 auf. Der Mikrocontroller besitzt zahlreiche Funktionen, die als Funktionseinheiten U1-A bis U1-E den einzelnen Funktionsblöcken zugeordnet sind. The drive circuit according to the invention has a microcontroller U1 as a central control unit 4 on. The microcontroller has numerous functions which are assigned to the individual function blocks as functional units U1-A to U1-E.

Ein solcher Mikrocontroller U1 wird in der Regel mit einer Spannung von 5V oder geringer betrieben. Im Beispiel des Automobils beträgt die primäre Betriebsgleichspannung VIN = 12V. Die Ansteuerschaltung 1 weist daher einen Spannungsregler auf, der die Betriebsgleichspannung VIN von 12V auf die Betriebsspannung VCC_SW des Mikrocontrollers U1 reduziert. Im Beispiel ist der Spannungsregler im Mikrocontroller U1 integriert. Such a microcontroller U1 is usually operated with a voltage of 5V or less. In the example of the automobile, the primary DC operating voltage VIN = 12V. The drive circuit 1 Therefore, it has a voltage regulator which reduces the DC operating voltage VIN from 12V to the operating voltage VCC_SW of the microcontroller U1. In the example, the voltage regulator is integrated in the microcontroller U1.

5 zeigt eine Ausgestaltung eines Schaltungsteils 8 mit einer Ausgestaltung der Trenneinrichtung 7 und dem Energiespeicher 9. Da die Betriebsgleichspannung VIN bereits eine Gleichspannung ist, besitzt der Schaltungsteil 8 an seinem Spannungseingang keinen Gleichrichter. 5 shows an embodiment of a circuit part 8th with an embodiment of the separating device 7 and the energy storage 9 , Since the DC operating voltage VIN is already a DC voltage, the circuit part has 8th no rectifier at its voltage input.

Der Schaltungsteil 8 weist am Eingang eine symmetrische Spannungsbegrenzung mit zwei gegeneinander geschalteten Zenerdioden D1, D2 auf, als Schutz vor Überspannungen. Weiter finden sich zwei Eingangskondensatoren C18 und C28 zur Spannungsglättung. Zwei n-Kanal Anreicherungs-MOSFET-Transistoren Q1-A, Q1-B sind parallel geschaltet, wobei der Source-Anschluss jeweils mit der Betriebsgleichspannung VIN verbunden ist, der Drain-Anschluss jeweils mit dem Spannungsausgang. Durch diese Anordnung sind die Body-Dioden in Durchlassrichtung mit der Betriebsgleichspannung VIN verbunden. Liegt keine Gate-Spannung an, so dass die MOSFETs Q1-A, Q1-B nicht leitend sind, fließt dennoch ein Diodenstrom durch die MOSFET-Transistoren, der zum Aktivieren des Mikrocontrollers U1 ausreicht. The circuit part 8th has at the input a symmetrical voltage limitation with two Zener diodes D1, D2 connected against each other, as protection against overvoltages. Next there are two input capacitors C18 and C28 for voltage smoothing. Two n-channel enhancement MOSFET transistors Q1-A, Q1-B are connected in parallel, wherein the source terminal is connected to the DC operating voltage VIN, the drain terminal to the voltage output. By this arrangement, the body diodes are connected in the forward direction to the DC operating voltage VIN. If no gate voltage is applied, so that the MOSFETs Q1-A, Q1-B are nonconductive, yet a diode current flows through the MOSFET transistors, which is sufficient to activate the microcontroller U1.

Der Gate-Anschluss ist mit einem Schaltausgang des Mikrocontrollers U1 verbunden. Sobald der Mikrocontroller U1 in Betrieb geht, schaltet er diesen Steuerausgang ein. Die Gate-Spannung zum Schalten der MOSFETs Q1-A und Q1-B muss größer als deren Ausgangsspannung VCC sein. Aus diesem Grund ist der Schaltausgang des Mikrocontrollers 4 mit einer Schaltanordnung 10 (4) verbunden, die eine Gate-Spannung VCC_H aus einer Ladungspumpe 11 (6) bezieht und diese an die Gate-Anschlüsse der MOSFETs Q1-A und Q1-B leitet. Die Ladungspumpe 11 verdoppelt etwa die Betriebsgleichspannung VIN. Das heißt, wird der Mikrocontroller aktiv, wird die Gate-Spannung SWITCH_Q1 an die Gate-Anschlüsse der MOSFETs Q1-A und Q1-B gelegt, so dass diese komplett niederohmig werden und die primäre Betriebsgleichspannung VIN leiten, so dass der Motor 2 und der Mikrocontroller U1 mit der primären Spannung versorgt werden.The gate terminal is connected to a switching output of the microcontroller U1. As soon as the microcontroller U1 goes into operation, it switches on this control output. The gate voltage for switching the MOSFETs Q1-A and Q1-B must be greater than their output voltage VCC. For this reason, the switching output of the microcontroller 4 with a switching arrangement 10 ( 4 ), which has a gate voltage VCC_H from a charge pump 11 ( 6 ) and conducts them to the gate terminals of the MOSFETs Q1-A and Q1-B. The charge pump 11 approximately doubles the DC operating voltage VIN. That is, when the microcontroller becomes active, the gate voltage SWITCH_Q1 is applied to the gates of the MOSFETs Q1-A and Q1-B so that they become completely low-ohmic and conduct the primary DC operating voltage VIN, causing the motor 2 and the microcontroller U1 are supplied with the primary voltage.

Die dritte Zenerdiode D4 stellt eine Spannungsbegrenzung für die Gleichspannung VCC_SW für den Mikrocontroller dar. Die Spannungsversorgung des Mikrocontrollers 4 mit der Spannung VCC_SW ist in 7 gezeigt.The third zener diode D4 represents a voltage limitation for the DC voltage VCC_SW for the microcontroller. The voltage supply of the microcontroller 4 with the voltage VCC_SW is in 7 shown.

Ein Kondensator C10 ist als Ausgangsglättungskondensator geschaltet. Gleichzeitig dient der Kondensator C10 als Energiespeicher, der die Steuereinheit kurzzeitig während dem Umschaltvorgang mit Energie versorgt. In vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung hat der Kondensator C10 eine Kapazität im Bereich von 50 µF bis 1000 µF, insbesondere im Bereich von 100 µF bis 500 µF. A capacitor C10 is connected as an output smoothing capacitor. At the same time, the capacitor C10 serves as an energy store, which supplies the control unit with energy for a short time during the switching process. In advantageous embodiments of the invention, the capacitor C10 has a capacitance in the range of 50 μF to 1000 μF, in particular in the range of 100 μF to 500 μF.

Die Ausgangsspannung VCC wird für den Antrieb des Motors 2 verwendet. Zum Filtern und Glätten der Ausgangsspannung VCC sind zwei weitere Kondensatoren C8 und C34 sowie eine Induktivität L1 angeordnet. Dabei sorgt die Induktivität L1 dafür, dass der von der Schaltung verbrauchte Strom eine geringe Welligkeit in der Stromversorgung des Spannungseingangs VIN hervorruft und die elektromagnetische Verträglichkeit der Schaltung gewährleistet ist. Die einzelnen Motorphasen des Elektromotors werden in einer Vollbrückenschaltung 3 (10) angesteuert. Die Betriebsspannung VCC wird dabei über die als Leistungs-MOSFETs ausgebildeten Brückenschalter Q100-A, Q100-B, Q200-A, Q200-B und Q300-A, Q300-B mit den Wicklungen verbunden oder getrennt. Die Vollbrückenschaltung 3 wird durch die Funktionseinheit U1-C des Mikrocontrollers U1 angesteuert, wie in 8 gezeigt. Zum Durchschalten der Leistungs-MOSFET-Transistoren Q100-A bis Q300B wird ebenfalls die hohe Spannung VCC_H aus der Ladungspumpe 11 verwendet. Wie in 8 gezeigt, wird an einem Eingang BA0.0 der Einheit U1-B des Mikrocontrollers U1 der Motorstrom I_MOTOR überwacht. The output voltage VCC is used to drive the motor 2 used. For filtering and smoothing the output voltage VCC two more capacitors C8 and C34 and an inductance L1 are arranged. In this case, the inductance L1 ensures that the current consumed by the circuit causes a slight ripple in the power supply of the voltage input VIN and the electromagnetic compatibility of the circuit is ensured. The individual motor phases of the electric motor are in a full bridge circuit 3 ( 10 ). The operating voltage VCC is thereby connected or disconnected to the windings via the bridge switches Q100-A, Q100-B, Q200-A, Q200-B and Q300-A, Q300-B which are designed as power MOSFETs. The full bridge circuit 3 is driven by the functional unit U1-C of the microcontroller U1, as in 8th shown. For switching on the power MOSFET transistors Q100-A to Q300B also the high voltage VCC_H from the charge pump 11 used. As in 8th 1, the motor current I_MOTOR is monitored at an input BA0.0 of the unit U1-B of the microcontroller U1.

Die 3 zeigt die Spannungsüberwachungseinrichtung 6 der Ansteuerschaltung. Darin ist die Betriebsgleichspannung VIN über einen Vorwiderstand R9 mit einem Analogeingang MON des Mikrocontrollers U1 verbunden. Die eigentliche Spannungsüberwachung erfolgt dann im Betriebsprogramm des Mikrocontrollers. Parallel zur Verbindung mit dem Analogeingang MON ist der Widerstand R9 über einen Kondensator C25 als Tiefpass mit Masse GND verbunden. Mit den Ausgängen MOUT0, MOUT1 und MOUT2 verbundene Widerstände R36, R37 und R38 bezeichnen die Widerstände der drei Phasen U, V, W der Motorwicklung und sind über die Anschlüsse MOT_U, MOT_V und MOT_W mit dem jeweiligen Zweig der in 10 gezeigten Brückenschaltung verbunden. The 3 shows the voltage monitor 6 the drive circuit. Therein, the DC operating voltage VIN is connected via a series resistor R9 to an analog input MON of the microcontroller U1. The actual voltage monitoring then takes place in the operating program of the microcontroller. Parallel to the connection to the analog input MON, the resistor R9 is connected via a capacitor C25 as a low-pass to ground GND. Resistors R36, R37 and R38 connected to the outputs MOUT0, MOUT1 and MOUT2 denote the resistances of the three phases U, V, W of the motor winding and are connected via the terminals MOT_U, MOT_V and MOT_W with the respective branch of in 10 connected bridge circuit connected.

Drei weitere Analogeingänge sind als Eingänge für Hall-Sensoren zur Lageerkennung 5 konfiguriert. Die Lageerkennung 5 mit den Hall-Sensoren U100, U200, U300 ist in der 9 gezeigt. Jeweils ein Hall-Sensor überwacht eine Motorphase und ist dazu in bekannter Weise am Motor 2 angeordnet. Die Hall-Sensoren sind jeweils mit dem Mikrocontroller U1 verbunden (HU, HV, HW). Somit kann die Drehzahl des Motors zusätzlich oder alternativ zu einer sensorlosen Regelung auch mit Hilfe der Hall-Sensoren U100, U200, U300 überwacht werden.Three additional analog inputs are available as inputs for Hall sensors for position detection 5 configured. The position detection 5 with the Hall sensors U100, U200, U300 is in the 9 shown. In each case, a Hall sensor monitors a motor phase and is in a known manner to the engine 2 arranged. The Hall sensors are each connected to the microcontroller U1 (HU, HV, HW). Thus, in addition to or as an alternative to sensorless control, the speed of the motor can also be monitored with the help of Hall sensors U100, U200, U300.

Die weiteren dargestellten Eingänge des Mikrocontrollers sind ebenfalls Analogeingänge, die für andere Zwecke verwendet werden, die für die Erfindung keine Rolle spielen. The other illustrated inputs of the microcontroller are also analog inputs used for other purposes that are not relevant to the invention.

Wird im Betriebsprogramm am Überwachungseingang ein Spannungsabfall erkannt, steuert der Mikrocontroller U1 die Schaltanordnung 10 so an, dass die Gate-Spannung SWITCH_Q1 ausgeschaltet wird. Dadurch sperren die MOSFET-Transistoren. Da in diesem Fall keine Betriebsgleichspannung VIN vorhanden ist fließt kein Strom durch die Body-Dioden. Der Mikrocontroller und der Motor sind von der Betriebsgleichspannung VIN getrennt.If a voltage drop is detected in the operating program at the monitoring input, the microcontroller U1 controls the switching arrangement 10 so that the gate voltage SWITCH_Q1 is turned off. This locks the MOSFET transistors. Since no DC operating voltage VIN is present in this case, no current flows through the body diodes. The microcontroller and the motor are disconnected from the DC operating voltage VIN.

Erfindungsgemäß wird im Beispiel die Betriebsspannung VCC_SW für den Mikrocontroller U1 und die Lageerkennung 5 kurzzeitig aus dem Energiespeicher C10 zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig wird die Vollbrückenschaltung 3 in den Generatorbetrieb geschaltet. Der Drehimpuls des Rotors bewirkt ein Nachlaufen des Motors. Durch die Drehung des Rotors wird in den Statorwicklungen eine Induktionsspannung VCC_IC induziert. Die MOSFET-Transistoren sind in dieser Generatorbetriebsart in Sperrrichtung geschaltet, so dass die induzierte Spannung nicht in das Bordnetz zurückfließen kann. Die Induktionsspannung versorgt den Mikrocontroller U1 mit der sekundären Betriebsspannung VCC_IC.According to the invention, the operating voltage VCC_SW for the microcontroller U1 and the position detection in the example 5 briefly made available from the energy storage C10. At the same time the full bridge circuit 3 switched to generator mode. The angular momentum of the rotor causes the motor to run after it. The rotation of the rotor induces an induction voltage VCC_IC in the stator windings. The MOSFET transistors are reversed in this generator mode, so that the induced voltage can not flow back into the electrical system. The induction voltage supplies the microcontroller U1 with the secondary operating voltage VCC_IC.

Die induzierte Spannung wird durch die Vollbrückenschaltung 3 gleichgerichtet. Dabei wird die Induktionsspannung durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) der Brückenschaltung 3 im Betrag gesteuert und begrenzt. Auf diese Weise kann eine Überspannung durch zu schnelle Drehung verhindert werden. Im Beispiel wird die Induktionsspannung auf 15V begrenzt.The induced voltage is through the full bridge circuit 3 rectified. In this case, the induction voltage by a pulse width modulation (PWM) of the bridge circuit 3 Controlled and limited in amount. In this way, an overvoltage can be prevented by too fast rotation. In the example, the induction voltage is limited to 15V.

Die Induktionsspannung wird ebenfalls permanent im Mikrocontroller U1 überwacht (4), so dass erkannt werden kann, wann die Stromversorgung durch die Induktionsspannung endet. Nach dem Erreichen des Stillstands des Elektromotors wird dessen Position in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert. Der Stillstand des Elektromotors kann beispielsweise dadurch erkannt werden, dass trotz maximaler PWM kein weiterer Anstieg der induzierten Spannung detektiert wird. Um sicherzustellen, dass der Motor still steht, kann er beispielsweise durch Kurzschließen der Wicklungen abrupt angehalten werden. Da der Motor in diesem Fall bereits sehr langsam ist, kann dies ohne negative Auswirkungen erfolgen. Das Rückspeisen der im Generatorbetrieb erzeugten Energie kann nach dem Unterschreiten einer vorgegebenen Minimaldrehzahl beendet und der Motor dann aktiv abgebremst werden. Beispielsweise wird das Rückspeisen der im Generatorbetrieb erzeugten Energie in einem Drehzahlbereich des Elektromotors von 100 Umdrehungen pro Minute bis 1000 Umdrehungen pro Minute beendet. Bei solchen relativ niedrigen Drehzahlen ist die mechanische Belastung aufgrund eines abrupten Anhaltens klein genug, so dass mechanische Bauteile, beispielsweise mit dem Elektromotor gekoppelte Getrieberäder, nur wenig beansprucht werden. Das vollständige Anhalten des Motors kann durch das Bestromen mindestens einer Wicklung oder durch das Erzeugen eines Kurzschlusses in den Wicklungen umgesetzt sein. The induction voltage is also permanently monitored in the microcontroller U1 ( 4 ), so that it can be recognized when the power supply ends by the induction voltage. After reaching the standstill of the electric motor whose position is stored in a non-volatile memory. The stoppage of the electric motor can be detected, for example, by the fact that, despite maximum PWM, no further increase in the induced voltage is detected. To ensure that the engine is stationary, it can be stopped abruptly, for example by short-circuiting the windings. Since the engine is already very slow in this case, this can be done without negative effects. The recovery of the energy generated in the generator mode can be terminated after falling below a predetermined minimum speed and then actively braked the motor. For example, the regeneration of the energy generated in the generator mode in a speed range of the electric motor from 100 revolutions per minute to 1000 revolutions per minute is terminated. At such relatively low speeds, the mechanical load due to an abrupt stop is small enough, so that mechanical components, such as gear wheels coupled to the electric motor, are only slightly stressed. The complete stopping of the motor can be implemented by energizing at least one winding or by generating a short circuit in the windings.

Erfindungsgemäß wird der Mikrocontroller unterbrechungsfrei mit Strom versorgt, so dass die Position des Elektromotors permanent überwacht werden kann. Dadurch ist eine Differenz zwischen tatsächlicher Position des Elektromotors und der im Mikrocontroller gespeicherten Position praktisch ausgeschlossen.According to the microcontroller is supplied without interruption with power, so that the position of the electric motor can be permanently monitored. As a result, a difference between the actual position of the electric motor and the position stored in the microcontroller is virtually eliminated.

Darüber hinaus bewirkt die Stromaufnahme des Mikrocontrollers ein zusätzliches Abbremsen des Elektromotors, so dass der Nachlauf des Elektromotors bereits geringer ist.In addition, the power consumption of the microcontroller causes an additional braking of the electric motor, so that the wake of the electric motor is already lower.

Insgesamt sorgt die Erfindung so für einen sicheren Betrieb eines Stellantriebs ohne die Gefahr einer Positionsabweichung. Wie am Ausführungsbeispiel gezeigt, benötigt die Erfindung nur unwesentlich mehr Bauteile als eine Ansteuerschaltung gemäß dem Stand der Technik, da viele bereits vorhandene Bauteile mit zusätzlicher Funktion ausgestattet werden können. So dient zum Beispiel der Glättungskondensator C10 als Energiespeicher zur Überbrückung der Spannungsversorgung. Dadurch wird die Realisierung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung einfach und kostengünstig.Overall, the invention thus ensures safe operation of an actuator without the risk of positional deviation. As shown in the embodiment, the invention requires only slightly more components than a drive circuit according to the prior art, since many existing components can be equipped with additional function. For example, the smoothing capacitor C10 serves as an energy store for bridging the power supply. As a result, the realization of a drive circuit according to the invention is simple and inexpensive.

Insbesondere die gezeigte Ansteuerschaltung ist lediglich eine mögliche Realisierung der Erfindung. Selbstverständlich können die einzelnen Schaltungsteile im Detail anders ausgebildet sein oder ganz entfallen, solange die grundlegende erfindungsgemäße Funktion erhalten bleibt. In particular, the drive circuit shown is merely one possible implementation of the invention. Of course, the individual circuit parts may be designed differently in detail or omitted entirely, as long as the basic function of the invention is maintained.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Ansteuerschaltung drive circuit
22: Motor engine
33: Wechselrichter inverter
44: Steuereinheit control unit
55: Lageerkennung situational awareness
66: Spannungsüberwachungseinrichtung Voltage monitoring device
77: Trenneinrichtung separator
88th: Schaltungsteil circuit part
99: Energiespeicher energy storage
1010: Schaltanordnung switching arrangement
1111: Ladungspumpe charge pump
C8, C10, C18, C28, C34C8, C10, C18, C28, C34: Kondensatoren capacitors
U, V, WAND MANY MORE: Motorwicklungen motor windings
VINVIN: primäre Betriebsgleichspannung primary DC operating voltage
VCC_SWVCC_SW: Betriebsspannung Mikrocontroller Operating voltage microcontroller
VCCVCC: Betriebsspannung Elektromotor Operating voltage electric motor
VCC_ICVCC_IC: Induktionsspannung induction voltage
U1U1: Mikrocontroller microcontroller
U1-A bis U1-EU1-A to U1-E: Funktionseinheiten des Mikrocontrollers U1 Function units of the microcontroller U1
D1, D2, D4D1, D2, D4: Zenerdioden Zener diodes
C10C10: Energiespeicher energy storage
Q1-A, Q1-BQ1-A, Q1-B: MOSFET-Transistoren MOSFET transistors
Q100-A, Q100-B, Q200-A, Q200-B, Q300-A, Q300-BQ100-A, Q100-B, Q200-A, Q200-B, Q300-A, Q300-B: Brückenschalter bridge switch
R36, R37, R38R36, R37, R38: Widerstände resistors
U100U100: Hall-Sensor Hall sensor
U200U200: Hall-Sensor Hall sensor
U300U300: Hall-Sensor Hall sensor
MOT_U, MOT_V und MOT_WMOT_U, MOT_V and MOT_W: Anschlüsse der Motorwicklung Connections of the motor winding

Claims

Drive circuit for operating an electric motor on a primary DC operating voltage (VIN), with a control unit ( 4 ; U1), and one with the control unit ( 4 ; U1) ( 3 ) connected to the motor windings of an electric motor ( 2 ) is connectable, characterized in that the drive circuit ( 1 ) a voltage monitoring device ( 6 ), with which a drop in the primary DC operating voltage (VIN) is detectable below a predetermined threshold, that the drive circuit ( 1 ) a separating device ( 7 ), with which the control unit ( 4 ) is separable from the primary DC operating voltage (VIN), that the voltage monitoring device is set up so that it can be disconnected by means of the isolating device ( 7 ) the control unit ( 4 ) disconnects from the primary DC operating voltage (VIN) as soon as the primary DC operating voltage (VIN) drops below the threshold, that the drive circuit ( 1 ) an energy store ( 9 ), which, when the primary DC operating voltage (VIN) is separate, at least the control unit ( 4 ) is supplied with energy until an operating voltage is available again.

Control circuit according to Claim 1, characterized in that, when the primary DC operating voltage (VIN) is separate, the power unit ( 3 ) the voltage induced in the motor windings as a secondary DC operating voltage for the control unit ( 4 ).

Drive circuit according to Claim 2, characterized in that the voltage induced in the motor windings for charging at least one capacitor (C10, C8, C34) as an energy store ( 9 ), wherein the at least one capacitor (C10, C8, C34) for providing the secondary DC operating voltage for supplying the control unit ( 4 ) is used.

Drive circuit according to claim 2 or 3, characterized in that the electric motor ( 2 ) is an electronically commutated electric motor and the power unit is designed as an inverter, which converts the DC operating voltage into an AC voltage for operating the electric motor and that the inverter has a switchable rectifier for converting an induced voltage into a secondary DC operating voltage.

Drive circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the drive circuit at least one semiconductor switch for disconnecting the control unit ( 4 ) from the primary DC operating voltage (VIN).

Drive circuit according to claim 5, characterized in that the drive circuit comprises two semiconductor switches for disconnecting the control unit ( 4 ) from the primary DC operating voltage (VIN).

Drive circuit according to one of claims 3 to 6, characterized in that the at least one semiconductor switch on a first side with the primary DC operating voltage (VIN) and on a second side with the capacitor (C10) and a voltage input of the control unit ( 4 ) is coupled.

Drive circuit according to claim 7, characterized in that the at least one semiconductor switch via an inductance L1 with the capacitor (C10) and the voltage input of the control unit ( 4 ) is coupled.

Drive circuit according to one of claims 5 to 8, characterized in that the at least one semiconductor switch is a metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET).

Method for operating an electric motor on a primary operating DC voltage (VIN), characterized in that the operating DC voltage (VIN) is compared in a voltage monitoring device with a threshold value, that as soon as the DC operating voltage drops below the threshold value, the control unit is disconnected from the DC operating voltage that the Electric motor is connected as a generator that supplies the control unit with a secondary DC operating voltage.