-
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit wenigstens einer Motorphase und einer Ansteuerschaltung.
-
Bürstenlose Gleichstrommotoren weisen aufgrund der fehlenden Bürsten einen geringen Verschleiß auf. Sie sind daher wartungsarm und langlebig.
-
Im Automobilbereich finden solche Motoren beispielsweise als Sitzversteller oder Klimaklappensteller Anwendung. Bei solchen Verstellern ist ein hohes Drehmoment erforderlich, weshalb in der Regel der Motor mit einem Getriebe zu einem Getriebemotor kombiniert wird. Das hohe Drehmoment wird hierbei durch eine starke Übersetzung, beispielsweise 600:1, erzeugt.
-
Bei der Montage eines solchen Getriebemotors kann es beispielsweise vorkommen, dass die Stellung des Abtriebszahnrades nicht zur Stellung der angetriebenen Welle passt. Durch ruckartiges Einpressen kann das Abtriebszahnrad in eine passende Montagestellung gedreht werden. Aber auch in bereits eingebautem Zustand kann es bei ausgeschalteter Ansteuerschaltung (im Folgenden auch als Motorsteuerung oder Motorcontroller bezeichnet) durch externe Lasten zu einer ruckartigen Bewegung des Abtriebszahnrades kommen. Durch die Drehung des Abtriebzahnrades wird der Motor gedreht, wodurch eine Spannung induziert wird.
-
Aufgrund der hohen Übersetzung, kann der Motor durch die ruckartige Bewegung auf ein vielfaches seiner Nenndrehzahl beschleunigt werden. Im Motor wird dadurch eine Spannung induziert, die ein Vielfaches der Nennspannung betragen kann.
-
Diese hohe Spannung liegt dann beispielsweise an einer Brückenschaltung an, die zur Ansteuerung der Motorphasen verwendet wird. Werden als Brückenschalter Halbleiterschalter verwendet, kann diese hohe induzierte Spannung durch interne parasitäre Ströme zu einer Zerstörung der Brückenschalter führen. Dies gilt insbesondere bei vollintegrierten Motorsteuerungen, die den Motorcontroller und die Brückenschaltung auf einem Die integrieren. Als Halbleiterschalter können beispielsweise Feldeffekttransistoren (FET) wie Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren (englisch metal-oxide semiconductor field-effect transistor, kurz MOSFET) oder auch Bipolartransistoren verwendet werden. Als Bipolartransistoren können unter anderem Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch Insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) verwendet werden.
-
Im normalen Betrieb des Motors kann eine Motorsteuerung einer solchen ungewollten Bewegung entgegensteuern, so dass keine hohen Spannungen induziert werden. Dieses Problem tritt daher hauptsächlich außerhalb des normalen Betriebs auf, das bedeutet, in Situationen, in denen der Motor nicht durch eine Motorsteuerung angesteuert und kontrolliert wird. Dies ist insbesondere bei ausgeschalteter Ansteuerschaltung der Fall.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Ansteuerschaltung zu schaffen, bei der die Brückenschalter außerhalb des normalen Betriebs nicht durch hohe induzierte Spannungen zerstört werden können und die einfach und kostengünstig herstellbar ist.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht insbesondere vor, dass außerhalb des normalen Motorbetriebs die Ansteuerschaltung in einen Zustand versetzt wird, in dem jede Motorphase kurzgeschlossen ist. Dieser Zustand wird im Folgenden als Grundstellung bezeichnet.
-
Ein normaler Motorbetrieb liegt beispielsweise dann vor, wenn der Motor durch eine Motorsteuerung aktiv angetrieben wird und seine Nenndrehzahl bereits erreicht hat oder auf diese beschleunigt oder abgebremst wird. Dabei erfolgt eine gesteuerte Kommutierung, beispielsweise durch eine Motorsteuerung.
-
Außerhalb des normalen Motorbetriebs liegt demnach jeder Zustand, der nicht durch eine Motorsteuerung herbeigeführt ist. Beispielsweise können dies Zustände sein, in denen der Motor ungesteuert oder ungeregelt ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Motor und/oder eine Motorsteuerung nicht mit einer Betriebsspannung versorgt sind. Insbesondere wenn der Motor durch eine externe Kraft fremdangetrieben wird.
-
Wird ein Motor in der Grundstellung fremdangetrieben, beispielsweise durch eine Bewegung am Abtrieb, sorgt der Kurzschluss der Motorphasen dafür, dass durch die induzierten Spannungen jeweils ein Strom innerhalb der Motorphasen fließt. Durch den Stromfluss wird die elektrische Energie an den Widerständen der Motorwicklung in Wärme gewandelt. Es kann sich dadurch keine hohe Spannung aufbauen. Die Motorwicklung umfasst eine oder mehrere Phasenwicklungen.
-
Zusätzlich bewirkt der Strom durch die Motorphase eine der Erregung entgegengesetzte magnetische Kraft, die den Rotor zusätzlich bremst. Der Vorteil dabei ist, dass die Bremswirkung proportional zum durch die induzierte Spannung hervorgerufenen Strom ist. Auch eine ruckartige Bewegung wird dadurch praktisch sofort unterbunden oder abgebremst. Dadurch kann zusätzlich auch eine durch den Motor angetriebene Mechanik vor zu hohen Drehzahlen geschützt werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei unabhängig von der Anzahl der Motorphasen und daher bei ein-, zwei-, drei oder mehrphasigen Elektromotoren anwendbar.
-
Durch die erfindungsgemäße Grundstellung ist es insbesondere außerhalb des normalen Motorbetriebs sichergestellt, dass im Elektromotor keine hohen Spannungen induziert werden. Die Brückenschalter sind daher vor einer Zerstörung durch zu hohe induzierte Spannungen geschützt.
-
Im normalen Motorbetrieb wird die Drehzahl des Motors je nach Steuerung geregelt, so dass in der Regel durch externe Kräfte der Rotor nicht so stark bewegt werden kann, dass im Motor schädliche Spannungen induziert werden.
-
Dennoch kann es sinnvoll sein, dass im normalen Motorbetrieb die Motorspannung überwacht wird und bei Überschreiten eines Grenzwertes die Grundstellung eingestellt wird. So kann auch im normalen Betrieb sichergestellt werden, dass eine hohe induzierte Spannung keine Schäden an einer Ansteuerschaltung erzeugt.
-
Die Erfindung ist prinzipiell unabhängig von der Art des verwendeten Motors und der für den normalen Betrieb verwendeten Motorsteuerung. Diese kann beispielsweise durch eine diskrete Elektronik aufgebaut sein.
-
Vorteilhafter ist es, wenn der normale Motorbetrieb durch ein Betriebsprogramm eines Motorcontrollers gesteuert wird, und die Grundstellung vor dem Ausführen des Betriebsprogramms eingestellt wird. Ein Motorcontroller weist in der Regel einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller auf, der ein Betriebsprogramm ausführen kann. In diesem Betriebsprogramm ist die Steuerung des Motors für den normalen Motorbetrieb hinterlegt. Der normale Motorbetrieb umfasst dabei beispielsweise das Anlaufen, Beschleunigen und Halten auf Nenndrehzahl, oder eine Bewegung um einen bestimmten Drehwinkel. Außerhalb des normalen Betriebs wird die Grundstellung eingestellt. Dies kann durch externe diskrete oder integrierte Bauteile erfolgen.
-
Ein Motorcontroller benötigt eine gewisse Zeit bis zum Starten des Betriebsprogramms. Sobald dieses gestartet ist, beginnt der normale Motorbetrieb. Wichtig für die Erfindung ist es, dass die Grundstellung eingestellt ist, bevor das Betriebsprogramm des Motorcontrollers und damit der normale Betrieb startet.
-
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Einstellung der Grundstellung durch ein Initialprogramm des Motorcontrollers erfolgt, das vor dem Betriebsprogramm ausgeführt wird. Auf diese Weise kann einfach sichergestellt werden, dass die Grundstellung eingestellt wird, bevor das Betriebsprogramm startet.
-
Zweckmäßigerweise kann das Initialprogramm in einem nichtflüchtigen Konfigurationsspeicher hinterlegt sein. Ein solcher Speicher kann beispielsweise ein NVRAM oder ein anderer Speicher sein.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgt die Ansteuerung der Motorphasen über eine Brückenschaltung mit mehreren Brückenschaltern, die in einer oberen Brückenseite und einer unteren Brückenseite angeordnet sind. Hierbei werden zum Einstellen der Grundstellung alle Brückenschalter einer Brückenseite geöffnet und alle Brückenschalter der anderen Brückenseite geschlossen. Der Vorteil dabei besteht darin, dass zur Einstellung der Grundstellung keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden. Die Phasenkurzschlüsse werden durch die Brückenschalter realisiert.
-
Insbesondere vorteilhaft ist es dabei, wenn zum Einstellen der Grundstellung alle oberen Brückenschalter geöffnet und alle unteren Brückenschalter geschlossen werden. Zum Schalten der oberen Brückenschalter ist in der Regel eine höhere Spannung notwendig, so dass es günstiger sein kann, die unteren Brückenschalter zu schließen.
-
Die Erfindung umfasst weiterhin auch eine Ansteuerschaltung zum Betreiben eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit wenigstens einer Motorphase, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Mittel aufweist, um außerhalb des normalen Motorbetriebs eine Grundstellung einzustellen, in der jede Motorphase kurzgeschlossen ist.
-
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist in jeder Motorphase oder jeweils zwischen zwei Motorphasen ein Kurzschlussschalter angeordnet, der außerhalb des normalen Betriebs die Motorphasen kurzschließt und im normalen Betrieb geöffnet ist. Die Anzahl und Anordnung der Kurzschlussschalter kann dabei von der Anzahl und internen Verschaltung der Motorphasen abhängig sein. Bei einem dreiphasigen Motor, bei dem die Motorphasen in Stern- oder Dreieckschaltung geschaltet sind, kann jeweils ein Kurzschlussschalter zwischen zwei Motorphasen angeordnet sein. Sind die Motorphasen jeweils mit beiden Anschlüssen kontaktierbar, kann jeweils ein Kurzschlussschalter in einer Motorphase angeordnet sein.
-
In einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung sind die Kurzschlussschalter so geschaltet, dass sie bei Anlegen einer Betriebsspannung an die Ansteuerschaltung geschlossen werden um die Grundstellung einzustellen. Im normalen Motorbetrieb werden die Kurzschlussschalter dann durch eine Motorsteuerung geöffnet. Dabei ist jedoch eine Schaltspannung notwendig, um die Kurzschlussschalter zu schließen. Die Grundstellung ist daher nur in den Situationen außerhalb des normalen Betriebs eingestellt, in denen eine Schaltspannung vorhanden ist.
-
Für diese Schaltspannung kann jedoch auch eine im Motor induzierte Spannung verwendet werden, wobei je nach Schaltertyp bereits eine geringe Spannung ausreicht. Somit kann die Grundstellung bereits bei einer geringen fremderregten Motorbewegung eingestellt werden, wodurch nahezu alle Situationen außerhalb des normalen Motorbetriebs abgedeckt sind.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kurzschlussschalter als selbstleitende Kurzschlussschalter ausgebildet sind, so dass die Grundstellung eingestellt ist, ohne die Kurzschlussschalter zu schalten. Ein solcher selbstleitender Kurzschlussschalter kann beispielsweise ein selbsthaltendes Relais, ein selbstleitender p-Kanal MOSFET (Verarmungstyp) oder ein p-Kanal Sperrschicht-Feldeffekttransistor (englisch junction gate field-effect transistor, kurz JFET) sein. Als JFET kommt beispielsweise ein Siliziumkarbid-JFET in Betracht. Die parasitäre Body-Diode der Feldeffekttransistoren (kurz FET) muss dabei immer in Richtung der Spannungsversorgung zeigen. Auf diese Weise ist die Grundstellung voreingestellt und muss durch eine Motorsteuerung aktiv ausgeschaltet werden. Dadurch besteht nun in jeder Situation ein Schutz gegenüber induzierter Spannungen.
-
Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung weist eine Ansteuerschaltung auf, mit einer Brückenschaltung mit mehreren Brückenschaltern, die in einer oberen Brückenseite und einer unteren Brückenseite angeordnet sind, mit einem Motorcontroller zum Ansteuern der Brückenschaltung, und mit einem im Motorcontroller ausführbaren Betriebsprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundstellung durch die Brückenschaltung einstellbar ist, in dem alle Brückenschalter einer Brückenseite offen und alle Brückenschalter der anderen Brückenseite geschlossen sind.
-
In dieser Ausführung der Erfindung werden die Brückenschalter der Brückenschaltung dazu verwendet die Grundstellung einzustellen. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Kurzschlussschalter verzichtet werden, wodurch die Schaltung einfacher und kostengünstiger ist.
-
Auch bei dieser Ausführung ist es möglich, dass die induzierte Spannung zum Schalten der Brückenschalter verwendet wird.
-
Bei der Verwendung von MOSFET-Schaltern als Brückenschalter kann es vorteilhaft sein, wenn in der Grundstellung alle oberen Brückenschalter geöffnet und alle unteren Brückenschalter geschlossen sind. Üblicherweise sind die unteren Brückenschalter dann durch n-Kanal MOSFET-Schalter gegeben. Für die obere Brückenseite werden typischerweise p-Kanal MOSFET-Schalter, oder alternativ ebenfalls n-Kanal MOSFET-Schalter, verwendet. Bei der Verwendung von n-Kanal MOSFET-Schaltern als obere Brückenschalter ist die Spannung, die zum Schalten der oberen Brückenschalter benötigt wird, größer als die Spannung, die zum Schalten der unteren Brückenschalter benötigt wird. In solch einer Konfiguration sind die Source- und Drain-Anschlüsse der oberen Brückenschalter im Vergleich zu einer Variante mit n-Kanal MOSFET-Schaltern vertauscht. Die oberen Brückenschalter arbeiten dann in einer Spannungsfolgerkonfiguration mit einer schwebenden Gate-Spannung, wobei sich die Gate-Spannung auf das elektrische Potential der angeschlossenen Last, also der Motorwicklung, bezieht. Daher ist es möglich, die unteren Brückenschalter bereits mit einer geringeren Induktionsspannung zu schließen, so dass die Grundstellung auf diese Weise schnell einstellbar ist. Bei der Verwendung von p-Kanal MOSFET als obere Brückenschalter ist auch eine Grundstellung mit geschlossenen oberen Brückenschaltern möglich und auch vorteilhaft. In diesem Fall wird die Spannung an der Schaltung auf das Niveau der Schwellenspannung des MOSFET limitiert.
-
Unabhängig von der Art der Energieversorgung der Ansteuerschaltung, ist es vorteilhaft, wenn die Brückenschaltung nach dem Anlegen einer Betriebsspannung an die Ansteuerschaltung in die Grundstellung geschaltet ist. Diese Betriebsspannung kann auch eine induzierte Spannung des Motors sein.
-
Um sicherzustellen, dass die Einstellung der Grundstellung vor der Ausführung des Betriebsprogrammes erfolgt, ist es zweckmäßig, wenn die Einstellung der Grundstellung in einem Initialprogramm hinterlegt ist, das vom Motorcontroller vor dem Betriebsprogramm ausgeführt wird. Das Initialprogramm enthält dabei die Schaltbefehle zum Schalten der Brückenschalter in die Grundstellung.
-
Zweckmäßigerweise ist das Initialprogramm zur Einstellung der Grundstellung in einem nichtflüchtigen Konfigurationsspeicher hinterlegt. Dabei kann der Motorcontroller so ausgelegt sein, dass er die Daten aus dem Konfigurationsspeicher vor der Ausführung des Betriebsprogramms abruft und dadurch das Initialprogramm ausführt. Das Initialprogramm kann beispielsweise in einem NVRAM hinterlegt sein.
-
Dabei kann ausgenutzt werden, dass das NVRAM bereits bei geringen Betriebsspannungen aktiv ist und der Motorcontroller darauf zugreifen kann, wenn er noch nicht für den normalen Motorbetrieb bereit wäre. Daher reicht bereits eine geringe induzierte Motorspannung als Betriebsspannung für den Motorcontroller aus, um das Initialprogramm auszuführen und die Brückenschalter in die Grundstellung zu schalten. Daher kann das Initialprogramm nach dem Erreichen eines ersten Spannungsschwellwertes gestartet werden, wobei der erste Spannungsschwellwert kleiner als die nominale Betriebsspannung des Motorcontrollers oder eines angesteuerten Gleichstrommotors ist. Dadurch kann insbesondere auch ein ausgeschalteter oder in einen Schlafmodus versetzter Getriebemotor vor Schäden geschützt werden. Wird solch ein Motor nämlich aufgrund einer äußeren Einwirkung angetrieben, so dass eine Spannung induziert wird, kann das Initialprogramm schnell starten und die Grundstellung einstellen. Somit wird dem Spannungsanstieg schnell entgegengewirkt und eine Beschädigung der Motorelektronik verhindert.
-
Die Erfindung ist prinzipiell für alle Ansteuerschaltungen geeignet. Bei diskreten Leistungs-MOSFET tritt eine Zerstörung in der Regel erst bei höheren induzierten Spannungen auf, als bei vollintegrierten Brückenschaltungen.
-
Besonders vorteilhaft ist die Erfindung daher, wenn die Brückenschaltung in den Motorcontroller integriert ist. Dadurch kann ein solcher Motorcontroller gefahrlos zum Betrieb eines Getriebemotors mit großer Übersetzung verwendet werden.
-
Neben der Schutzfunktion außerhalb des normalen Motorbetriebs kann es sinnvoll sein, auch während dem normalen Motorbetrieb die Motorspannung zu überwachen. Es ist durchaus denkbar, dass entweder die Motorsteuerung keine Regelung vorsieht oder durch externe Kräfte ein Antrieb des Motors erfolgt, der über die Regelfähigkeit der Motorsteuerung hinausgeht. Dadurch können auch im normalen Betrieb Spannungen induziert werden, die weit über die Nennspannung des Motors hinausgehen.
-
Um dies zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, wenn die Ansteuerschaltung Mittel zum Überwachen der Motorspannung und zum Vergleichen mit einem dritten Spannungsschwellwert aufweist, und bei einer Überschreitung des Grenzwertes die Grundstellung einstellt. Auf diese Weise wird der Motor sehr schnell abgebremst und es wird eine Beschädigung verhindert.
-
Die Erfindung ist nachfolgend beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
-
Es zeigt:
- 1: ein Prinzipschaltbild einer Ansteuerschaltung mit einem Motorcontroller und einer Vollbrückenschaltung mit n-Kanal MOSFET als Brückenschalter nach dem Stand der Technik,
- 2: ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung mit einem Motorcontroller und einer Vollbrückenschaltung mit n-Kanal MOSFET als Brückenschalter mit Kurzschlussschaltern zwischen den Motorphasen in der Grundstellung,
- 3: ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung mit einem Motorcontroller und einer Vollbrückenschaltung mit n-Kanal MOSFET als Brückenschalter, zur Verdeutlichung der Einstellung der Grundstellung mit den Brückenschaltern der unteren Brückenseite,
- 4: ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 5: jeweils einen skizzierten Spannungsverlauf beim Neustart einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, wenn eine Spannung in der Motorwicklung induziert wird und wenn ein Betriebsspannung anliegt.
-
Die 1 zeigt schematisch einen bürstenlosen Gleichstrommotor M mit drei Motorphasen U,V,W, der an einer Ansteuerschaltung 1 nach dem Stand der Technik angeschlossen ist. Die Motorphasen U,V,W können innerhalb des Motors M in einer Stern- oder Dreiecksschaltung verschaltet sein. Die Anzahl der Motorphasen, deren Verschaltung und auch die Anzahl der Motorpole spielt für die Erfindung jedoch keine Rolle.
-
Die Motorphasen U,V,W sind jeweils mit einem Brückenzweig 3 einer Vollbrückenschaltung 2 verbunden. Jeder Brückenzweig 3 weist zwei Brückenschalter 4 auf, einen oberen Brückenschalter 4H und einen unteren Brückenschalter 4L, wobei die Motorphasen U,V,W jeweils zwischen den beiden Brückenschaltern 4 angeschlossen sind. Die oberen Brückenschalter 4H aller Brückenzweige 3 bilden die obere Brückenseite 5 (High-Side), die unteren Brückenschalter 4L aller Brückenzweige 3 bilden die untere Brückenseite 6 (Low-Side).
-
Die Brückenschalter 4 sind im Beispiel als n-Kanal MOSFET-Schalter ausgebildet. Eine solche Brückenschaltung 2 ist im Stand der Technik wohl bekannt und vielfach eingesetzt. Es gibt jedoch auch Anwendungen in denen p-Kanal MOSFET oder n-Kanal und p-Kanal MOSFET gemischt zu Anwendung kommen. Die Erfindung ist jedoch unabhängig von der Art der Brückenschalter und daher mit allen Brückenschaltern verwendbar.
-
Die Gate-Anschlüsse G der Brückenschalter 4 sind mit einem Motorcontroller 7 verbunden, durch den die Brückenschalter 4 einzeln schaltbar sind. Der Motorcontroller 7 kann beispielsweise einen Mikrocontroller, einen Flash- oder Rom-Speicher für ein Betriebsprogramm, Gate-Treiber und andere Komponenten aufweisen, die hier jedoch nicht näher gezeigt sind.
-
Im normalen Motorbetrieb werden die Brückenschalter 4 durch den Motorcontroller 7 nach einem bekannten Kommutierungsmuster angesteuert, um den Motor M anzutreiben.
-
Ist die Ansteuerschaltung 1 hingegen ausgeschaltet, das bedeutet, es liegt keine Betriebsspannung VCC an dem Motorcontroller 7 und/oder der Brückenschaltung 2 an, befindet sich die Ansteuerschaltung 1 außerhalb des normalen Motorbetriebs. In diesem Zustand sind alle Brückenschalter 4 offen.
-
Wird nun der Motor M durch eine externe Kraft bewegt, werden in den Motorphasen U,V,W Spannungen induziert, die an der Brückenschaltung 2 anliegen. Diese Spannungen bewirken Ströme durch die parasitären Dioden D der oberen Brückenschalter 4H. Bei sehr großen Spannungen kann der resultierende Strom die oberen Brückenschalter 4H zerstören.
-
In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 1 gezeigt. Hier ist jeweils zwischen zwei Motorphasen U,V,W ein Kurzschlussschalter 8 angeordnet, der außerhalb des normalen Motorbetriebs geschlossen ist und dadurch die Motorphasen U,V,W kurzschließt. Aufgrund der internen Verschaltung in einer Stern- oder Dreiecksschaltung sind im Beispiel immer jeweils zwei Motorphasen in Reihe geschaltet und kurzgeschlossen.
-
Die Kurzschlussschalter 8 sind im Beispiel selbstleitend ausgebildet, so dass sie ohne Ansteuerung geschlossen sind. Im normalen Motorbetrieb müssen die Kurzschlussschalter daher durch ein geeignetes Mittel geöffnet werden. Alternativ können die Kurzschlussschalter 8 jedoch auch selbstsperrend ausgebildet sein. Zur Ansteuerung können die Kurzschlussschalter mit dem Motorcontroller 7 verbundene Steuereingänge aufweisen, so dass sie durch diesen geschaltet werden können. Im Beispiel sind die Kurzschlussschalter 8 dazu mittels Steuerleitungen S8 mit dem Motorcontroller 7 verbunden. Somit kann bei selbstsperrenden Ausführungsformen der Motorcontroller 7 im normalen Motorbetrieb die Kurzschlussschalter 8 öffnen.
-
Die Kurzschlussschalter 8 können beispielsweise als Relais oder Halbleiterschalter ausgebildet sein. Als Halbleiterschalter können verschiedene Ausführungen von FET verwendet werden. Beispielsweise kann ein als Halbleiterschalter ausgebildeter Kurzschlussschalter 8 ein JFET sein. Die Halbleiterschalter können dann als p-Kanal oder auch als n-Kanal FET ausgebildet sein. Ebenso können selbstleitende Varianten (Verarmungstyp) oder selbstsperrende Varianten (Anreicherungstyp) verwendet werden. Insbesondere können die Kurzschlussschalter auch als Analogschalter ausgebildet sein, die beispielsweise einen zuvor erwähnten JFET umfassen.
-
In manchen Ausgestaltungen umfassen die als Analogschalter ausgebildeten Kurzschlussschalter 8 jeweils zwei FET, deren Drain-Anschlüsse oder Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Dabei zeigen die Body-Dioden der beiden FET in zueinander entgegengesetzte Richtungen. Die beiden Gate-Anschlüsse können dann miteinander gekoppelt sein. Beispielsweise können die Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sein und/oder von demselben Signalausgang des Motorcontrollers 7 angesteuert werden. Somit können die beiden FET synchron geschaltet werden. Beispielsweise können die beiden FET zwei MOSFET sein. In manchen Ausgestaltungen umfassen die Analogschalter jeweils einen n-Kanal und einen p-Kanal MOSFET und bilden ein sogenanntes Übertragungsgatter (auch Transmission-Gate genannt).
-
Die Kurzschlussschalter 8 können aber auch durch eine Verschaltung über Pull-Up oder Pull-Down Widerstände geschaltet werden, so dass eine Steuerung über den Motorcontroller 7 nicht notwendig ist.
-
Die 3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführung der Erfindung. Hier weist die Ansteuerschaltung 1 ein NVRAM 9 auf, das mit dem Motorcontroller 7 verbunden ist. In diesem NVRAM 9 ist ein Initialprogramm hinterlegt, das durch den Motorcontroller 7 ausführbar ist. Bei dieser Ausführung werden außerhalb des normalen Motorbetriebs die unteren Brückenschalter 4L geschlossen und die oberen Brückenschalter 4H geöffnet. Diese Grundstellung wird durch das Initialprogramm aus dem NVRAM 9 vor der Ausführung des Betriebsprogramms eingestellt. Der Vorteil besteht bei dieser Ausführung darin, dass keine zusätzlichen Kurzschlussschalter 8 in den Motorphasen U,V, W notwendig sind.
-
Wird bei dieser Ausführung außerhalb des normalen Motorbetriebs der Motor M beispielsweise durch eine externe Kraft angetrieben, werden auch hier in den Motorphasen U,V,W Spannungen induziert. Über die oberen Brückenschalter 4H liegt dadurch eine Spannung an dem Motorcontroller 7 an, der bereits bei sehr geringen Spannungen aktiviert wird. Ebenfalls bei bereits geringen Spannungen ist das NVRAM 9 aktiv, so dass der Motorcontroller 7 darauf zugreifen kann. Dies geschieht bei wesentlich geringeren Spannungen als für den normalen Motorbetrieb notwendig wäre. Die im NVRAM 9 hinterlegte Grundstellung wird geladen und die Brückenschalter 4 in die Grundstellung geschaltet. Dabei werden alle unteren Brückenschalter 4L geschlossen und alle oberen Brückenschalter 4H geöffnet. Dadurch werden die Motorphasen U,V,W über die unteren Brückenschalter 4L kurzgeschlossen und die im Motor M erzeugte Energie wird über die Phasenwicklungen abgebaut. Der Motor M wird gebremst und es wird weniger Spannung induziert.
-
Der Trick dabei ist, dass der Motorcontroller 7 in Verbindung mit dem NVRAM 9 die Grundstellung bereits bei sehr geringen Induktionsspannungen einstellen kann. Dadurch wird ein weiteres Ansteigen der Spannung an den Brückenschaltern 4 und damit deren Zerstörung verhindert.
-
Die 4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es beispielsweise mit der Ansteuerschaltung 1 der 3 durchführbar ist. Durch das Induzieren einer Spannung in einem Schritt 10a oder durch das Anlegen einer Betriebsspannung VCC in einem Schritt 10b liegt an der Ansteuerschaltung 1 eine Spannung an. Wird in einem folgenden Schritt 11 festgestellt, dass die an der Ansteuerschaltung 1 anliegende Spannung einen ersten Schwellwert Vreset erreicht hat, wird daraufhin in einem Schritt 12 das Initialprogramm (beispielsweise ein Bootloader) im Motorcontroller 7 gestartet. Das Initialprogramm und eventuell benötigte Konfigurationsdaten können beispielswese im NVRAM 9 gespeichert sein und vom Motorcontroller 7 geladen werden. Das Initialprogramm versetzt dann in einem Schritt 13 die Schalter der Brückenschaltung 2 in eine Grundstellung. Dadurch werden beispielsweise die oberen Brückenschalter 4H geöffnet und die unteren Brückenschalter 4L geschlossen, um die Motorphasen U,V,W kurzzuschließen.
-
Nach der Ausführung des Initialprogramms im Schritt 13 und einem eventuellen Einstellen von sonstigen Betriebsparametern, wird in einem Schritt 14 überprüft, ob die Spannung einen zweiten Spannungsschwellwert Vinit erreicht hat. Der zweite Spannungsschwellwert Vinit kann beispielsweise derart vorbestimmt sein, dass ein sicherer Betrieb des Mikrocontrollers 7 mit vollem Funktionsumfang sichergestellt ist. Wurde im Schritt 14 festgestellt, dass der zweite Spannungsschwellwert Vinit erreicht wurde, wird der Motorcontroller 7 in einem folgenden Schritt 15 initialisiert und daraufhin das Betriebsprogramm in einem Schritt 16 geladen, beispielsweise aus einem Flash-Speicher. Da im Schritt 13 einer in den Phasenwicklungen induzierten Spannung effizient entgegengewirkt werden kann, wird der zweite Spannungsschwellwert Vinit nicht alleine durch die induzierte Spannung erreicht werden. Wurde der zweite Spannungsschwellwert nicht erreicht, wird in den Schritt 13 zurückgesprungen, so dass die Grundstellung beibehalten wird. Daraufhin wird im Schritt 14 wieder das Erreichen des zweiten Spannungsschwellwert überprüft. Im Falle, dass die Spannung aufgrund einer anliegenden Betriebsspannung VCC über den zweiten Spannungsschwellwert Vinit steigt, kann im Schritt 15 der Motorcontroller 7 initialisiert und danach das Betriebsprogramm im Schritt 16 geladen werden.
-
Sobald das Betriebsprogramm zur Verfügung steht, wird in einem Schritt 17 der normale Motorbetrieb gestartet. Dazu wird das Betriebsprogramm ausgeführt. Dieses Betriebsprogramm kontrolliert den Motor M während des gesamten normalen Motorbetriebs, insbesondere solange eine Betriebsspannung VCC an der Ansteuerschaltung 1 anliegt. Im normalen Motorbetrieb kann weiterhin überwacht werden, ob die Motorspannung einen dritten Spannungsschwellwert Vover erreicht oder überschreitet, wodurch eine Überspannung detektiert wird. Nach dem Erreichen des dritten Spannungsschwellwert Vover kann es vorgesehen sein, dass der Motorcontroller 7 die Brückenschaltung in einem Schritt 19 wieder in die Grundstellung versetzt. Dies kann auch in Abhängigkeit zusätzlicher Parameter erfolgen. Beispielsweise kann zusätzlich detektiert werden, ob die Drehzahl der Abtriebswelle oder eines Getrieberades oder des Abtriebs des Getriebemotors höher als erwartet ist und beispielweise einen vorgegebenen oder variablen Drehzahlgrenzwert überschreitet. Ebenso kann der Wechsel in den Schritt 19 in Abhängigkeit von der anliegenden Betriebsspannung VCC erfolgen. Beispielsweise kann die intern anliegende Spannung VCC mit einer Eingangsspannung verglichen werden. Die interne Betriebsspannung VCC kann beispielsweise relativ zur Eingangsspannung hinter einer Verpolschutzdiode gemessen werden. Dadurch kann bestimmt werden, ob die Überspannung, die zum Überschreiten des dritten Grenzwertes Vover führt, auf eine in der Motorwicklung induzierte Spannung oder auf eine zu hohe Eingangsspannung zurückzuführen ist. Im Falle, dass die Überspannung auf eine in der Motorwicklung induzierte Spannung zurückzuführen ist, kann dann in den Schritt 19 gewechselt werden und die Brückenschaltung in die Grundstellung versetzt werden. Daraufhin wird wieder in den Schritt 18 zurückgesprungen und die aktuelle Spannung mit dem dritten Spannungsschwellwert Vover verglichen. Sobald der dritte Spannungsschwellwert Vover wieder unterschritten wird, kann zurück in den Normalbetrieb des Schrittes 17 gewechselt werden.
-
In diesem Beispiel wird also auch im Normalbetrieb die Motorspannung überwacht (Schritt 18), um induzierte Überspannungen festzustellen. Der dritte Spannungsschwellwert kann beispielsweise auch im NVRAM 9 hinterlegt sein. Durch den Kurzschluss der Motorphasen U,V,W wird der Motor M gebremst und die induzierte Spannung abgebaut. Sobald die Motorspannung unter den dritten Spannungsschwellwert Vover abgesunken ist, wird der normale Motorbetrieb gemäß Schritt 17 fortgesetzt. Dabei kann eine Hysterese zwischen den Schaltspannungen vorgesehen sein. Ebenfalls ist es möglich, den dritten Spannungsschwellwert Vover variabel an die aktuelle Betriebssituation anzupassen.
-
Wird in diesem Ablaufschema die Betriebsspannung beispielsweise durch eine im Motor M induzierte Spannung bereit gestellt, dann wird der Motorcontroller 7 bereits bei sehr geringen Spannungen das Initialprogramm aus dem NVRAM 9 laden und wie zuvor beschrieben die Grundstellung einstellen (Schritt 13), also jede Motorphase kurzschließen. Dadurch wird jedoch die Spannung abgebaut oder ein weiterer Spannungsanstieg verhindert. In der Anwendung eines Verstellmotors mit begrenztem Verstellweg begrenzt der Verstellweg die maximale Zeitspanne, über die eine äußere Last zum induzieren einer Spannung in der Motorwicklung führen kann. Daher und die Betriebsspannung VCC entfällt, so dass das Ablaufprogramm hier endet und nicht zur Initialisierung fortschreiten kann.
-
5 zeigt den Verlauf der an einer Ansteuerschaltung zum Betreiben eines Gleichstrommotors anliegenden Spannung U(t) als Funktion der Zeit. Der Spannungsverlauf V1 zeigt den Fall, dass die Spannung in der Motorwicklung induziert wird, während der Spannungsverlauf V2 den Fall zeigt, dass die Spannung von einer, beispielsweise externen Betriebsspannungsquelle bereitgestellt wird. Wird eine Betriebsspannung VCC angelegt, steigt die Spannung entsprechend dem Spannungsverlauf V2 über den ersten Spannungsschwellwert Vreset, so dass der Motorcontroller 7 startet und das Initialprogramm lädt, wobei die Grundstellung eingestellt wird. Sobald die Spannung zur Zeit t2 über den zweiten Spannungsschwellwert Vinit steigt, wird in den Modus des Normalbetriebs gewechselt, der Motorcontroller 7 initialisiert und das Betriebsprogramm danach geladen. Die Spannung steigt dabei weiter bis auf ihren Sollwert VCC an. Im Normalbetrieb kann die Spannung dann überwacht werden, so dass beim Erreichen oder Überschreiten des dritten Spannungsschwellwertes Vover die Grundstellung eingenommen werden kann, gegebenenfalls in Abhängigkeit von anderen Paramatern wie beispielsweise der von der Spannungsquelle bereitgestellten Spannung oder der aktuellen Drehzahl des Gleichstrommotors.
-
Im Falle, dass die Spannung am Motorcontroller aufgrund einer in der Motorwicklung induzierten Spannung ansteigt (Spannungsverlauf V1), wird ebenfalls ab dem Erreichen des ersten Spannungsschwellwertes Vreset zur Zeit t1 das Initialprogramm gestartet und die Grundstellung eingestellt. Die induzierte Spannung übt dabei eine der Drehrichtung des Rotors entgegengesetzte Kraft auf diesen auf, so dass dieser effizient gebremst wird. Dabei wird die induzierte Spannung aufgrund des Ohm'schen Widerstands der kurzgeschlossenen Phasenwicklungen abgebaut, beziehungsweise klein gehalten. Durch das Kurzschließen aller Phasenwicklungen kann beispielsweise bei einem dreiphasigen Motor besonders viel elektromagnetische Energie in Wärme umgewandelt werden und dadurch ein Ansteigen der am Motorcontroller 7 anliegenden Spannung und/oder ein Anstieg der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors aufgrund einer äußeren Last verhindert oder minimiert werden kann. Im Beispiel ist eine konstante äußere Last angenommen, so dass die induzierte Spannung konstant auf einem niedrigen Wert gehalten wird. Da die Phasenwicklungen im Vergleich zu den elektronischen Bauelementen des Motorcontrollers groß sind, wird die Wärme über diese vergleichsweise effizient abgegeben und auch einer Beschädigung des Motorcontrollers 7 vorgebeugt.
-
Die Erfindung beschreibt also eine Ansteuerschaltung 1 mit einer Brückenschaltung 2 mit mehreren Brückenschaltern 4, die in einer oberen Brückenseite 5 und einer unteren Brückenseite 6 angeordnet sind, mit einem Motorcontroller 7 zum Ansteuern der Brückenschaltung 2, und mit einem im Motorcontroller 7 ausführbaren Betriebsprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten des Gleichstrommotors nach dem Überschreiten eines ersten Spannungsschwellwerts Vreset eine Grundstellung 13 eingestellt, in der jede Motorphase U, V, W kurzgeschlossen ist, und dass nach dem Überschreiten eines zweiten Spannungsschwellwerts Vinit in einen normalen Motorbetrieb übergegangen wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Ansteuerschaltung
- 2
- Brückenschaltung
- 3
- Brückenzweig
- 4
- Brückenschalter (n-Kanal MOSFET)
- 4H
- obere Brückenschalter
- 4L
- untere Brückenschalter
- 5
- obere Brückenseite
- 6
- untere Brückenseite
- 7
- Motorcontroller
- 8
- Kurzschlussschalter
- 9
- NVRAM
- 10a
- Verfahrensschritt: Induzieren einer Spannung
- 10b
- Verfahrensschritt: Anlegen einer Betriebsspannung
- 11
- Verfahrensschritt: Erster Spannungsschwellwert
- 12
- Verfahrensschritt: Starte Initialprogramm
- 13
- Verfahrensschritt: Einstellen der Grundstellung
- 14
- Verfahrensschritt: Zweiter Spannungsschwellwert
- 15
- Verfahrensschritt: Initialisierung Motorcontroller
- 16
- Verfahrensschritt: Laden des Betriebsprogramms
- 17
- Verfahrensschritt: Einstellen der Grundstellung
- 18
- Verfahrensschritt: Normaler Motorbetrieb
- 19
- Verfahrensschritt: Dritter Spannungsschwellwert
- 20
- p-Kanal MOSFET
- U,V,W
- Motorphasen
- VCC
- Betriebsspannung
- GND
- Massepotential
- Vreset
- erster Spannungsschwellwert
- Vinit
- zweiter Spannungsschwellwert
- Vover
- dritter Spannungsschwellwert
- M
- Motor
- D
- Diode
- G
- Gate
- S8
- Steuerleitungen
