DE102016206773A1 - Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor - Google Patents

Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor Download PDF

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Oliver Krayl
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorsteuerelektronik (1) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (20), welcher einen Stator (22), einen Rotor (24) und eine mit dem Rotor (24) verbundene Motorwelle (26) umfasst, mit einer Auswerte- und Steuereinheit (5), welche mit der Motordrehung synchronisierte Ansteuersignale für den bürstenlosen Gleichstrommotor (20) erzeugt, und einer Sensoranordnung (10) zur berührungslosen Rotorlagenerfassung, welche einen mit der Motorwelle (26) mitdrehenden Messwertgeber und mindestens einen Messwertaufnehmer umfasst, welcher mit dem Messwertgeber zusammenwirkt und mindestens eine Information zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors (24) erzeugt. Hierbei ist der Messwertgeber als scheibenförmiges Target (12, 12A) mit mindestens einer Metallfläche ausgeführt, und der Messwertaufnehmer ist als Spulenanordnung (14, 14A) mit mindestens einer Detektionsspule ausgeführt, wobei die mindestens eine Metallfläche des Targets (12, 12A) durch Wirbelstromeffekte die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule in Abhängigkeit vom Überdeckungsgrad verändert, wobei eine Primärelektronik (16) der Sensoranordnung (10) die sich ändernde Induktivität der mindestens einen Detektionsspule in ein korrespondierendes Frequenzsignal umwandelt und der Auswerte- und Steuereinheit (5) zur Verfügung stellt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (5) aus dem mindestens einen Frequenzsignal den aktuellen Drehwinkel des Rotors (24) berechnet.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind Motorsteuerelektroniken für bürstenlose Gleichstrommotoren bekannt, welcher einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Motorwelle umfasst. Eine solche Motorsteuerelektronik erzeugt für die Ansteuerung einer Endstufe des Gleichstrommotors, die beispielsweise als B6-Brücke ausgeführt ist, ein mit der Motordrehung synchronisiertes Taktschema zur Puls-Weiten-Modulation (PWM) der Endstufe. Zu diesem Zweck werden die Motoren in der Regel mit einem Rotorlagesensor ausgerüstet. Typischer Weise wird dazu eine Sensoranordnung verwendet, welche einen am Ende einer Motorwelle montierten zweipoligen Magneten und einen gegenüberliegend angeordneten Magnetfeldsensor zur Erkennung der vektoriellen Orientierung des Magnetfeldes umfasst. Diese bekannte Lösung weist eine starke Empfindlichkeit gegenüber Motorströmen und externen Magnetfeldern auf und verursacht Zusatzkosten für den Magneten und den Magnetfeldsensor. Zudem ist zur Montage des Magneten zwingend ein freies Wellenende erforderlich.
  • Aus der EP 0856 720 A1 ist beispielsweise ein Lenkwinkelsensor zur Detektierung des Drehwinkels oder einer Drehwinkeländerung des Lenkrades eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei welchem mittels eines elektromechanischen Bauteils ein vom Drehwinkel oder einer Drehwinkeländerung abhängiges elektrisches Signal erzeugbar ist. Ein berührungsfreier Lenkwinkelsensor besteht aus einem, am Ende einer Lenkspindel angebrachten Dauermagneten, dessen Magnetisierungsachse senkrecht zur Achse der Lenkspindel liegt. Im Bereich des Dauermagneten befindet sich ein magnetfeldempfindlicher Sensor, der vorzugsweise aus Hallelementen in diskreter oder integrierter Form besteht.
  • Zudem ist aus dem Stand der Technik die Verwendung von induktiven Sensoren zur berührungslosen Rotorlagenerfassung bekannt.
  • Die EP 2 533 019 A2 offenbart beispielsweise einen induktiven Winkelsensor für einen Elektromotor. Der induktive Winkelsensor umfasst eine erste Induktionsspule, welche mitdrehend an einer Rotorwelle des Elektromotors befestigt ist, und eine beabstandet zur ersten Induktionsspule ortsfest angeordnete zweite Induktionsspule. Eine Auswerteschaltung ist mit der zweiten Induktionsspule verbunden und bestimmt durch Auswertung eines zwischen der ersten und der zweiten Induktionsspule induzierten Magnetfelds einen aktuellen Drehwinkel der Rotorwelle des Elektromotors. Der induktive Winkelsensor erfordert jedoch eine komplexe Auswerteschaltung, um die Kopplungsfaktoren zwischen den beiden Induktionsspulen zu bestimmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Erkennung der Rotorlage bzw. die Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors unter Verwendung einer auf dem Wirbelstromprinzip beruhenden Sensoranordnung erfolgt. Die Sensoranordnung umfasst mindestens eine Detektionsspule und eine Primärelektronik, welche die Signalerfassung und Signalverarbeitung innerhalb der Motorsteuerelektronik ausführen, welche auch den bürstenlosen Gleichstrommotor ansteuert.
  • Der Kern der Erfindung besteht in der Doppelverwendung eines Teils der Motorsteuerelektronik, welche elektrische und/oder elektronische Schaltungen und eine Auswerte- und Steuereinheit zur Motorsteuerung beinhaltet, durch Verlagerung der Berechnung des aktuellen Drehwinkels des Rotors in die Auswerte- und Steuereinheit der Motorsteuerung, um auf besonders kostengünstige Weise die Rotorlage zu bestimmen. In sicherheitskritischen Systemen vereinfacht sich zudem das Sicherheitskonzept deutlich durch diese Verlagerung der Berechnung in die ohnehin gut abgesicherte Auswerte- und Steuereinheit der Motorsteuerelektronik.
  • Unter der Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend ein elektrisches Gerät, wie beispielsweise ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, verstanden werden, welches erfasste Sensorsignale verarbeitet bzw. auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Auswerte- und Steuereinheit beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von der Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt wird.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor zur Verfügung, welcher einen Stator, einen Rotor und eine mit dem Rotor verbundene Motorwelle umfasst. Die Motorsteuerelektronik weist eine Auswerte- und Steuereinheit, welche mit der Motordrehung synchronisierte Ansteuersignale für den bürstenlosen Gleichstrommotor erzeugt, und eine Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung auf, welche einen mit der Motorwelle mitdrehenden Messwertgeber und mindestens einen Messwertaufnehmer umfasst, welcher mit dem Messwertgeber zusammenwirkt und mindestens eine Information zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors erzeugt. Hierbei ist der Messwertgeber als scheibenförmiges Target mit mindestens einer Metallfläche ausgeführt, und der Messwertaufnehmer ist als Spulenanordnung mit mindestens einer Detektionsspule ausgeführt, wobei die mindestens eine Metallfläche des Targets durch Wirbelstromeffekte die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule in Abhängigkeit vom Überdeckungsgrad verändert. Eine Primärelektronik der Sensoranordnung wandelt die sich ändernde Induktivität der mindestens einen Detektionsspule in ein korrespondierendes Frequenzsignal um und stellt diese der Auswerte- und Steuereinheit zur Verfügung. Die Auswerte- und Steuereinheit berechnet aus dem mindestens einen Frequenzsignal den aktuellen Drehwinkel des Rotors.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Motorsteuerelektronik für einen bürstenlosen Gleichstrommotor möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass die Primärelektronik, die Spulenanordnung und die Auswerte- und Steuereinheit auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet werden können. Zudem kann die Auswerte- und Steuereinheit die Ansteuersignale über eine Endstufe und mindestens eine Zuleitung an den Gleichstrommotor anlegen, wobei die Endstufe auch auf der gemeinsamen Leiterplatte angeordnet werden kann. In der Regel ist die Endstufe über mehrere Zuleitungen mit dem Gleichstrommotor verbunden, um diesen zu betreiben. Dadurch können die Spulenanordnung und die Primärelektronik in vorteilhafter Weise in das Platinendesign der Leiterplatte der Motorsteuerelektronik integriert und so positioniert werden, dass die mindestens eine Detektionsspule dem Target gegenüberliegend angeordnet ist. Die Bauelemente der Primärelektronik können beispielsweise auf der Rückseite des Sensoranordnungsdesigns positioniert werden. Die zum Betrieb des Gleichstrommotors eingesetzte, vorzugsweise als B6-Brücke ausgeführte Endstufe kann ebenso in das Platinendesign der Leiterplatine der Motorsteuerelektronik integriert werden. Die Auswerte- und Steuereinheit kann die Transistoren der Endstufe ansteuern, die Frequenzsignale der Primärelektronik empfangen und anhand der Frequenzsignale die Rotorlage bzw. den aktuellen Drehwinkel des Rotors berechnen.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik kann die Primärelektronik mindestens einen aktivierbaren Oszillator umfassen, welcher mindestens einen Kondensator und eine Messinduktivität umfasst, welche mindestens eine Detektionsspule repräsentiert. Hierbei kann ein aktivierter Oszillator das Frequenzsignal für die korrespondierende Messinduktivität erzeugen und ausgeben. Vorzugsweise weist die Primärelektronik für jede der Detektionsspulen einen solchen aktivierbaren Oszillator auf, so dass die Messinduktivität jeweils eine Detektionsspule repräsentiert. Die Auswerte- und Steuereinheit kann den mindestens einen Oszillator über entsprechende Steuersignale aktivieren. So können mehrere Oszillatoren in vorgegebenen Zeitfenstern hintereinander aktiviert werden. Es ist aber auch ein Parallelbetrieb der Oszillatoren möglich, wenn für einen ausreichenden Abstand der Oszillatorfrequenzen gesorgt wird. Die Frequenzsignale können der Auswerte- und Steuereinheit über entsprechenden Zählereingänge zugeführt werden. Ein Zählerbaustein zählt dann die Perioden der Frequenzsignale innerhalb einer definierten Zeitspanne. Die Anzahl der Perioden ist proportional der Frequenz des zugehörigen Oszillators. Zudem können auch andere geeignete Verfahren eingesetzt werden, um die Frequenzsignale bzw. Messsignale auszuwerten. So kann beispielsweise auch mit einem Oszillator mit höherer Frequenz die Periodendauer des Frequenzsignals bzw. Messsignals bestimmt werden. Die Periode des Frequenzsignals bzw. Messsignals entspricht dann der definierten Zeitspanne. Es sind auch kombinierte Auswerteverfahren möglich. Das Frequenzsignal bzw. Messsignal kann beispielsweise durch einen Zähler geteilt und dann mit einem anderen Oszillator vermessen werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik kann das Target am Ende der Motorwelle angeflanscht werden, so dass das Target bei dieser Ausführungsform so angeordnet ist, dass es die mindestens eine Detektionsspule der Spulenanordnung zumindest teilweise überdeckt. Alternativ kann das Target eine Öffnung aufweisen und so auf die Motorwelle aufgeschoben und festgelegt werden, dass es die mindestens eine Detektionsspule der Spulenanordnung zumindest teilweise überdeckt. Bei dieser alternativen Ausführungsform kann die Motorwelle durch ein Loch der Leiterplatte hindurch weitergeführt werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik können die mindestens eine Detektionsspule und/oder die mindestens eine Metallfläche jeweils als gleichförmige Kreissegmente und/oder Kreisringsegmente mit einem vorgegebenen Öffnungswinkel ausgeführt werden. So kann die Spulenanordnung beispielsweise sechs flächige Detektionsspulen umfassen, welche gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Das Target kann beispielsweise vier gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnete Metallflächen aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinheit kann aus den durch die Rotationsbewegung des Targets bewirkten Induktivitätsänderungen der sechs Detektionsspulen drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale erzeugen und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 90° auswerten.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik kann die Primärelektronik jeweils zwei Detektionsspulen in einer elektrischen Reihenschaltung zur Messinduktivität zusammenfassen und das korrespondierende Frequenzsignal ausgeben, wobei die zwei zusammengefassten Detektionsspulen einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen und einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet sind. Die Auswerte- und Steuereinheit kann dann aus den durch die Rotationsbewegung des Targets bewirkten Induktivitätsänderungen der drei zusammengefassten Messinduktivitäten drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale erzeugen und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 90° auswerten. Alternativ kann die Auswerte- und Steuereinheit alle Detektionsspulen individuell auswerten und anschließend die drei phasenverschobenen im Wesentlichen sinusförmigen Spulensignale jeweils durch eine Mittwertbildung von Frequenzsignalen von zwei Detektionsspulen erzeugen, welche einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet sind. Durch beide Lösungen kann über eine Mittelwertbildung der Frequenzsignale von gegenüberliegenden Detektionsspulen eine nicht ideale Ausrichtung des Targets und der Spulenanordnung, welche beispielsweise durch eine Verkippung um eine Achse in der Darstellungsebene verursacht wird, in erster Näherung kompensiert werden. Durch die elektrisch in Reihe geschalteten, gegenüberliegenden Detektionsspulen kann die Anzahl der Bauelemente in vorteilhafter Weise weiter reduziert werden. Zudem kann durch die gegensinnige Wicklung der zusammengefassten Detektionsspulen die Einkopplung von externen Störsignalen reduziert werden.
  • In alternativer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik kann die Spulenanordnung drei flächige Detektionsspulen umfassen, welche gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind, und das Target kann zwei gegenüberliegend am Umfang eines Kreises angeordnete Metallflächen aufweisen. Die Auswerte- und Steuereinheit kann aus den durch die Rotationsbewegung des Targets bewirkten Induktivitätsänderungen der drei Detektionsspulen drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale erzeugen und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 180° auswerten.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit einem Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Motorsteuerelektronik.
  • 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines aktivierbaren Oszillators für die erfindungsgemäße Motorsteuerelektronik aus 1.
  • 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung für die erfindungsgemäße Motorsteuerelektronik aus 1.
  • 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung für die erfindungsgemäße Motorsteuerelektronik aus 1.
  • 5 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung aus 4 ohne Metallflächen.
  • 6 zeigt ein Kennliniendiagramm von Spulensignalen, welche die Auswerte- und Steuereinheit aus den von der Sensoranordnung zur berührungslosen Rotorlagenerfassung ausgegebenen Frequenzsignalen erzeugt hat.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Wie aus 1 bis 5 ersichtlich ist, umfasst eine Motorsteuerelektronik 1 für einen bürstenlosen Gleichstrommotor 20, welcher einen Stator 22, einen Rotor 24 und eine mit dem Rotor 24 verbundene Motorwelle 26 umfasst, eine Auswerte- und Steuereinheit 5, welche mit der Motordrehung synchronisierte Ansteuersignale für den bürstenlosen Gleichstrommotor 20 erzeugt, und eine Sensoranordnung 10 zur berührungslosen Rotorlagenerfassung, welche einen mit der Motorwelle 26 mitdrehenden Messwertgeber und mindestens einen Messwertaufnehmer umfasst, welcher mit dem Messwertgeber zusammenwirkt und mindestens eine Information zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors 24 erzeugt. Hierbei ist der Messwertgeber als scheibenförmiges Target 12, 12A mit mindestens einer Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 ausgeführt, und der Messwertaufnehmer ist als Spulenanordnung 14, 14A mit mindestens einer Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 ausgeführt. Die mindestens eine Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 des Targets 12, 12A verändert durch Wirbelstromeffekte die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 in Abhängigkeit vom Überdeckungsgrad der mindestens einen Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 des Targets 12, 12A und der mindestens einen Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6. Eine Primärelektronik 16 der Sensoranordnung 10 wandelt die sich ändernde Induktivität der mindestens einen Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 in ein korrespondierendes Frequenzsignal O1, O2, O3, O4, O5, O6 um und stellt es der Auswerte- und Steuereinheit 5 zur Verfügung. Die Auswerte- und Steuereinheit 5 berechnet aus dem mindestens einen Frequenzsignal O1, O2, O3, O4, O5, O6 den aktuellen Drehwinkel des Rotors 24.
  • Wie insbesondere aus 1 weiter ersichtlich ist, sind die Primärelektronik 16, die Spulenanordnung 14, 14A und die Auswerte- und Steuereinheit 5 auf einer gemeinsamen Leiterplatte 3 angeordnet. Des Weiteren legt die Auswerte- und Steuereinheit 5 die Ansteuersignale über eine Endstufe 7 und mindestens eine Zuleitung 9 an den Gleichstrommotor 20 an. Die Endstufe 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als B6-Brücke ausgebildet und ebenfalls auf der gemeinsamen Leiterplatte 3 angeordnet.
  • Die Primärelektronik 16 umfasst mindestens einen aktivierbaren Oszillator 16.1. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, umfasst ein solcher aktivierbarer Oszillator mindestens einen Kondensator C1, C2 und eine Messinduktivität LM, welche mindestens eine der Detektionsspulen 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 repräsentiert. Ein aktivierter Oszillator 16.1 erzeugt das Frequenzsignal O1, O2, O3, O4, O5, O6 für die korrespondierende Messinduktivität LM und gibt es aus. Die Auswerte- und Steuereinheit 5 aktiviert den mindestens einen Oszillator 16.1 über entsprechende Steuersignale S1, S2, S3. Der Oszillator 16.1 besteht somit für jede Messinduktivität aus zwei NAND-Gattern NAND1, NAND2, von denen ein erstes NAND-Gatter NAND1 als Torschaltung wirkt, wenn ein entsprechendes Steuersignal S1, S2, S3, S4, S5, S6 anliegt, zwei Kondensatoren C1, C2 und einem ohmschen Widerstand R und kann sehr kostengünstig umgesetzt werden. Ein zweites NAND-Gatter NAND2 wirkt als Inverter für das Frequenzsignal O1, O2, O3, O4, O5, O6, an dessen Freigabeeingang eine Betriebsspannung UB angelegt ist.
  • Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist das Target 12, 12A im dargestellten Ausführungsbeispiel am Ende der Motorwelle 26 angeflanscht. Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsspiel kann das Target 12, 12A eine Öffnung aufweisen und auf die Motorwelle 26 aufgeschoben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Motorwelle 26 durch ein Loch in der Leiterplatte 3 hindurch nach links weitergeführt werden. Bei beiden Ausführungsbeispielen ist die Spulenanordnung 14, 14A und das Target 12, 12A so positioniert, dass sich die mindestens eine Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 und die mindestens eine Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 zumindest teilweise überdecken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Primärelektronik 16 auf der Rückseite der Spulenanordnung 14, 14A und der Leiterplatte 3 angeordnet.
  • Wie aus 3 bis 5 weiter ersichtlich ist, sind die mindestens eine Detektionsspule 14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6 und/oder die mindestens eine Metallfläche 12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4 jeweils als gleichförmige Kreissegmente und/oder Kreisringsegmente mit einem vorgegebenen Öffnungswinkel ausgeführt.
  • Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die Spulenanordnung 14 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sechs flächige Detektionsspulen 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6, welche jeweils als gleichförmige Kreisringsegmente mit einem Öffnungswinkel von ca. 60° ausgeführt und gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Das teildurchsichtig dargestellte Target 12 weist vier teildurchsichtig dargestellte Metallflächen 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 auf, welche als gleichförmige Kreisringsegmente mit einem Öffnungswinkel von ca. 60° ausgeführt und gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Je nach Überdeckungsgrad der einzelnen Detektionsspule 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 mit den Metallflächen 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 verändert sich die Induktivität der zugehörigen Detektionsspule 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6. Durch die Verwendung des in 2 dargestellten Oszillators 16.1 wird die Induktivität der zugehörigen Detektionsspule 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 in ein korrespondierendes Frequenzsignal O1, O2, O3, O4, O5, O6 umgewandelt. Selbstverständlich sind auch noch andere Öffnungswinkel und Formen für die Detektionsspulen 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 und Metallflächen 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 möglich.
  • Die Anordnung der Detektionsspulen 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 und der Metallflächen 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 gemäß 3 führt bei exakt zentrierter Orientierung zwischen dem Target 12 und der Spulenanordnung 14 zu einem gleichartigen Signalverlauf von gegenüberliegend angeordneten Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6. Bei nicht idealer Ausrichtung, die beispielsweise durch eine Verkippung um eine Achse in der Darstellungsebene verursacht wird, kann der Einfluss durch Mittelwertbildung der Frequenzsignale O1, O4; O2, O5; O3, O6 der gegenüberliegend angeordneten Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 kompensiert werden. Die Mittelwertbildung der Frequenzsignale O1, O4; O2, O5; O3, O6 der gegenüberliegend angeordneten Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 kann beispielsweise durch die Auswerte- und Steuereinheit 10 erfolgen, welche die Frequenzsignale O1, O2, O3, O4, O5, O6 aller Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 empfängt und individuell auswertet. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 bildet dann aus den Frequenzsignalen O1, O4; O2, O5; O3, O6 der gegenüberliegend angeordneten Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 jeweils den Mittelwert. Alternativ kann die Primärelektronik 16 jeweils zwei Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 in einer elektrischen Reihenschaltung zu einer Messinduktivität LM zusammenfassen und die korrespondierenden Frequenzsignale O1, O2, O3 ausgeben.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine erste und eine vierte Detektionsspule 14.1, 14.4 und eine zweite und eine fünfte Detektionsspule 14.2, 14.5 sowie eine dritte und eine sechste Detektionsspule 14.3, 14.6 jeweils zu einer Messinduktivität LM zusammengefasst. Daher werden nur drei Oszillatoren 16.1 eingesetzt, um die drei korrespondierenden Frequenzsignale O1, O2, O3 zu erzeugen und an die Auswerte- und Steuereinheit 10 auszugeben. Die zwei jeweils zu einer Messinduktivität LM zusammengefassten Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 weisen einen entgegengesetzten Wicklungssinn auf und sind einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der Bauelemente durch die Reduzierung der Messinduktivitäten LM weiter reduziert werden kann. Des Weiteren kann die Einkopplung externer Störsignale reduziert werden. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 erzeugt aus den durch die Rotationsbewegung des Targets 12 bewirkten Induktivitätsänderungen der sechs Detektionsspulen 14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6 bzw. der drei Messinduktivitäten LM drei in 6 dargestellte, phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmigen Spulensignale L1, L2, L3 und wertet diese zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 90° aus. Das Kennliniendiagramm gemäß 6 zeigt den Verlauf der Frequenz f der Spulensignale L1, L2, L3 über dem Rotorwinkel RW.
  • Wie aus dem zugehörigen Kennliniendiagramm gemäß 6 ersichtlich ist, verlaufen die drei erzeugten phasenverschobenen Spulensignale L1, L2, L3 nahezu sinusförmig, wobei die Auswerte- und Steuereinheit 10 ein erstes Spulensignal L1 aus dem Frequenzsignal O1 der aus der ersten und vierten Detektionsspule 12.1, 12.4 zusammengefassten Messinduktivität LM erzeugt, ein zweites Spulensignal 12 aus dem Frequenzsignal O2 der aus der zweiten und fünften Detektionsspule 12.2, 12.5 zusammengefassten Messinduktivität LM erzeugt und ein drittes Spulensignal 13 aus dem Frequenzsignal O3 der aus der dritten und sechsten Detektionsspule 12.3, 12.6 zusammengefassten Messinduktivität LM erzeugt.
  • Alternativ zur Gestaltung der Spulenanordnung 14 und des Targets 12 gemäß 3 ist ein in 4 und 5 dargestelltes zweites Ausführungsbeispiel mit drei Detektionsspulen 14.1A, 14.2A, 14.3A und zwei Metallflächen 12.1A, 12.2A möglich. Der Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels ist die Eindeutigkeit des Messbereichs über 180°. Dies ist für die Steuerung von Gleichstrommotoren mit zwei Polpaaren vorteilhaft.
  • Wie aus 4 und 5 weiter ersichtlich ist, umfasst die Spulenanordnung 14A im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel drei flächige Detektionsspulen 14.1A, 14.2A, 14.3A, welche jeweils als gleichförmige Kreisringsegmente mit einem Öffnungswinkel von ca. 110° ausgeführt und gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Das Target 12A weist zwei Metallflächen 12.1A, 12.2A auf, welche als gleichförmige Kreisringsegmente mit einem Öffnungswinkel von ca. 104° ausgeführt und einander gegenüberliegend am Umfang eines Kreises angeordnet sind. Je nach Überdeckungsgrad der einzelnen Detektionsspule 14.1A, 14.2A, 14.3A mit den Metallflächen 12.1A, 12.2A verändert sich die Induktivität der zugehörigen Detektionsspule 14.1A, 14.2A, 14.3A. Selbstverständlich sind auch noch andere Öffnungswinkel und Formen für die Detektionsspulen 14.1A, 14.2A, 14.3A und Metallflächen 12.1A, 12.2A möglich.
  • Im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel werden drei Oszillatoren 16.1 eingesetzt, um die drei korrespondierenden Frequenzsignale O1, O2, O3 zu erzeugen und an die Auswerte- und Steuereinheit 10 auszugeben, wobei die Messinduktivität LM des jeweiligen Oszillators 16.1 eine zugehörige Detektionsspule 14.1A, 14.2A, 14.3A repräsentiert. Die Auswerte- und Steuereinheit 10 erzeugt aus den durch die Rotationsbewegung des Targets 12A bewirkten Induktivitätsänderungen der drei Detektionsspulen 14.1A, 14.2A, 14.3A bzw. der drei Messinduktivitäten LM drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmigen Spulensignale. Der Signalverlauf dieser Spulensignale ist den in 6 dargestellten Spulensignalen L1, L2, L3 sehr ähnlich. Der Unterschied betrifft lediglich die Skalierung der x-Achse, welche in diesem Fall von 0° bis 180° verläuft.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Motorsteuerelektronik 1 mit drei aus jeweils zwei Detektionsspulen 14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6 zusammengefassten Messinduktivitäten LM aktiviert die Auswerte- und Steuereinheit 10 über entsprechenden Steuerleitungen und die Steuersignale S1 bis S3 die drei Oszillatoren 16.1 der Primärelektronik 16. Die Steuersignale S1 bis S3 wirken als Freigabesignal am ersten NAND-Gatter NAND1 des korrespondierenden Oszillators 16.1. Die Oszillatoren 16.1 können in vorgegebenen Zeitfenstern nacheinander aktiviert werden. Ein Parallelbetrieb der Oszillatoren 16.1 ist ebenso möglich, wenn für einen ausreichenden Abstand der Oszillatorresonanzfrequenzen gesorgt wird. Die Frequenzsignale O1, O2, O3 werden der Auswerte- und Steuereinheit 10 an entsprechenden Zählereingängen zugeführt. Ein Zählerbaustein zählt die Perioden der Frequenzsignale O1, O2, O3 innerhalb einer definierten Zeitspanne von beispielsweise 0,5 ms. Die Anzahl der Perioden ist proportional der Frequenz des Oszillators 16.1. Die in 6 dargestellten phasenverschobenen Spulensignale L1, L2, L3 können durch übliche Berechnungsverfahren in ein sin/cos-Signal überführt werden. Die Berechnung des Rotorlagewinkels erfolgt dann durch Anwendung der Arcus-Tangens-Funktion. Die Berechnungen werden in der Auswerte- und Steuereinheit 10 der Motorsteuerelektronik 1 ausgeführt.
  • Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise die Doppelverwendung eines Teils der Motorsteuerelektronik, welche elektrische und/oder elektronische Schaltungen und eine Auswerte- und Steuereinheit zur Motorsteuerung beinhaltet, durch Verlagerung der Berechnung des aktuellen Drehwinkels des Rotors in die Auswerte- und Steuereinheit der Motorsteuerung, um auf besonders kostengünstige Weise die Rotorlage zu bestimmen. In sicherheitskritischen Systemen vereinfacht sich zudem das Sicherheitskonzept deutlich durch diese Verlagerung der Berechnung in die ohnehin gut abgesicherte Auswerte- und Steuereinheit der Motorsteuerelektronik.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0856720 A1 [0003]
    • EP 2533019 A2 [0005]

Claims (12)

  1. Motorsteuerelektronik (1) für einen bürstenlosen Gleichstrommotor (20), welcher einen Stator (22), einen Rotor (24) und eine mit dem Rotor (24) verbundene Motorwelle (26) umfasst, mit einer Auswerte- und Steuereinheit (5), welche mit der Motordrehung synchronisierte Ansteuersignale für den bürstenlosen Gleichstrommotor (20) erzeugt, und einer Sensoranordnung (10) zur berührungslosen Rotorlagenerfassung, welche einen mit der Motorwelle (26) mitdrehenden Messwertgeber und mindestens einen Messwertaufnehmer umfasst, welcher mit dem Messwertgeber zusammenwirkt und mindestens eine Information zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels des Rotors (24) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertgeber als scheibenförmiges Target (12, 12A) mit mindestens einer Metallfläche (12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4) ausgeführt ist, und der Messwertaufnehmer als Spulenanordnung (14, 14A) mit mindestens einer Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) ausgeführt ist, wobei die mindestens eine Metallfläche (12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4) des Targets (12, 12A) durch Wirbelstromeffekte die Induktivität der mindestens einen Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) in Abhängigkeit vom Überdeckungsgrad verändert, wobei eine Primärelektronik (16) der Sensoranordnung (10) die sich ändernde Induktivität der mindestens einen Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) in ein korrespondierendes Frequenzsignal (O1, O2, O3, O4, O5, O6) umwandelt und der Auswerte- und Steuereinheit (5) zur Verfügung stellt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (5) aus dem mindestens einen Frequenzsignal (O1, O2, O3, O4, O5, O6) den aktuellen Drehwinkel des Rotors (24) berechnet.
  2. Motorsteuerelektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektronik (16), die Spulenanordnung (14, 14A) und die Auswerte- und Steuereinheit (5) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (3) angeordnet sind.
  3. Motorsteuerelektronik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (5) die Ansteuersignale über eine Endstufe (7) und mindestens eine Zuleitung (9) an den Gleichstrommotor (20) anlegt, wobei die Endstufe (7) auf der gemeinsamen Leiterplatte (3) angeordnet ist.
  4. Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektronik (16) mindestens einen aktivierbaren Oszillator (16.1) umfasst, welcher mindestens einen Kondensator (C1, C2) und eine Messinduktivität (LM) umfasst, welche mindestens eine Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) repräsentiert, wobei ein aktivierter Oszillator (16.1) das Frequenzsignal (O1, O2, O3, O4, O5, O6) für die korrespondierende Messinduktivität (LM) erzeugt und ausgibt, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit (5) den mindestens einen Oszillator (16.1) über entsprechende Steuersignale (S1, S2, S3) aktiviert.
  5. Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (12, 12A) am Ende der Motorwelle (26) angeflanscht oder auf die Motorwelle (26) aufgeschoben ist.
  6. Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Detektionsspule (14.1, 14.1A, 14.2, 14.2A, 14.3, 14.3A, 14.4, 14.5, 14.6) und/oder die mindestens eine Metallfläche (12.1, 12.1A, 12.2, 12.2A, 12.3, 12.4) jeweils als gleichförmige Kreissegmente und/oder Kreisringsegmente mit einem vorgegebenen Öffnungswinkel ausgeführt sind.
  7. Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (14) sechs flächige Detektionsspulen (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6) umfasst, welche gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind, und das Target (12) vier gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnete Metallflächen (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) aufweist.
  8. Motorsteuerelektronik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) aus den durch die Rotationsbewegung des Targets (12) bewirkten Induktivitätsänderungen der sechs Detektionsspulen (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6) drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale (L1, L2, L3) erzeugt und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 90° auswertet.
  9. Motorsteuerelektronik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärelektronik (16) jeweils zwei Detektionsspulen (14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6) in einer elektrischen Reihenschaltung zu einer Messinduktivität (LM) zusammenfasst und das korrespondierende Frequenzsignal (O1, O2, O3) ausgibt, wobei die zwei zusammengefassten Detektionsspulen (14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6) einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen und einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet sind.
  10. Motorsteuerelektronik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (5) die drei phasenverschobenen im Wesentlichen sinusförmigen Spulensignale (L1, L2, L3) jeweils durch eine Mittwertbildung von Signalen von zwei Detektionsspulen (14.1, 14.4; 14.2, 14.5; 14.3, 14.6) erzeugt, welche einander gegenüberliegend am Umfang des Kreises angeordnet sind.
  11. Motorsteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (14A) drei flächige Detektionsspulen (14.1A, 14.2A, 14.3A) umfasst, welche gleichmäßig verteilt am Umfang eines Kreises angeordnet sind, und das Target (12A) zwei gegenüberliegend am Umfang eines Kreises angeordnete Metallflächen (12.1A, 12.2A) aufweist.
  12. Motorsteuerelektronik nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (10) aus den durch die Rotationsbewegung des Targets (14A) bewirkten Induktivitätsänderungen der drei Detektionsspulen (14.1A, 14.2A, 14.3A) drei phasenverschobene im Wesentlichen sinusförmige Spulensignale (L1, L2, L3) erzeugt und zur Berechnung des Drehwinkels in einem Eindeutigkeitsbereich von 180° auswertet.
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