DE102018213933A1 - Method for braking a brushless DC motor - Google Patents

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Reinhold Berberich
Ulrich Auerswald
Christian Bitsch
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Continental Automotive Technologies GmbH
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Continental Teves AG and Co OHG
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Abstract

Zum Abbremsen eines bürstenlosen Gleichstrommotors (1) werden abwechselnd die Pluspolschalter (8a, b, c), die die Phasen (5, 6, 7) des Statorspulensystems des Motors (1) mit dem Pluspol (9) einer Gleichstromquelle verbinden, und die Minuspolschalter (10a, b, c), die die Phasen (5, 6, 7) mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle verbinden, abwechselnd leitend geschaltet, so dass die Rotationsenergie des Rotors des Motors, soweit sie nicht schon durch den ohmschen Widerstand der Spulen (2, 3, 4) abgebaut werden, gleichmäßig auf die Schalter (8a, b, c; 10a, b, c) verteilt wird, damit die Einzelbelastung der Schalter gering ist und deren Beschädigung vermieden wird.To brake a brushless DC motor (1), the positive pole switches (8a, b, c), which connect the phases (5, 6, 7) of the stator coil system of the motor (1) to the positive pole (9) of a direct current source, and the negative pole switches (10a, b, c), which connect the phases (5, 6, 7) to the negative pole of the DC voltage source, are switched alternately conductive so that the rotational energy of the rotor of the motor, insofar as it is not already caused by the ohmic resistance of the coils (2 , 3, 4) are broken down, evenly distributed over the switches (8a, b, c; 10a, b, c) so that the individual load on the switches is low and their damage is avoided.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abbremsen eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit Spulen im Stator zur Erzeugung eines sich drehenden Magnetfeldes und Permanentmagnete im Rotor, wobei die Spulen in einem mindestens dreiphasigen System angeordnet sind, in dem jede Phase über mindestens ein elektronisches Schalterpaar, bestehend aus mindestens einem Pluspolschalter und mindestens einem Minuspolschalter, die an den Pluspol bzw. an den Minuspol einer Gleichstromquelle angeschlossen sind, und wobei im Betriebsmodus die Schalter von einer Motorsteuerung so betätigt werden, dass jede Phase, versetzt zu den anderen Phasen, nacheinander mit dem Pluspol, mit keinem Pol und mit dem Minuspol zyklisch verbunden wird, und wobei im Abbremsmodus die Spulen kurz geschlossen werden.The invention relates to a method for braking a brushless DC motor with coils in the stator for generating a rotating magnetic field and permanent magnets in the rotor, the coils being arranged in an at least three-phase system in which each phase comprises at least one electronic switch pair at least one positive pole switch and at least one negative pole switch, which are connected to the positive pole or to the negative pole of a direct current source, and wherein in the operating mode the switches are actuated by a motor control so that each phase, offset from the other phases, successively with the positive pole, is connected cyclically to no pole and to the negative pole, and the coils are briefly closed in braking mode.

Derartige Gleichstrommotoren werden u. a. auch bei elektrohydraulischen Bremsanlagen eingesetzt und dienen dort zum Antrieb eines Bremsdruckgebers, der anstelle eines Hauptbremszylinders hydraulisch an die Bremskreise angeschlossen wird. Der Motor betätigt dabei über ein Dreh/Hub-Getriebe, z. B. einem Spindelgetriebe, einen Kolben, der eine Speicherkammer begrenzt, wobei der Kolben je nach Druckmittelbedarf der Bremskreise vor- oder zurückgefahren wird.Such DC motors are u. a. also used in electro-hydraulic brake systems and serve to drive a brake pressure sensor, which is hydraulically connected to the brake circuits instead of a master brake cylinder. The motor operates via a rotary / stroke gear, e.g. B. a spindle gear, a piston that delimits a storage chamber, the piston being moved forwards or backwards depending on the pressure medium requirement of the brake circuits.

Um zu verhindern, dass der Kolben an Anschläge anstößt, die seine Grund- und Endposition bestimmen, was zu seiner Beschädigung führen könnte, ist der ihn antreibende bürstenlose Gleichstrommotor mit einer Bremse versehen.To prevent the piston from hitting stops that determine its home and end positions, which could damage it, the brushless DC motor that drives it is equipped with a brake.

Da der sich drehende Rotor eines Motors auf Grund seiner nicht zu vernachlässigenden Schwungmasse Rotationsenergie speichert, muss diese abrupt „vernichtet“ werden, um den Motor zu stoppen und damit das Einfahren des vom Motor betätigten Elements (Kolbens) in einen mechanischen Anschlag zu vermeiden.Since the rotating rotor of a motor stores rotational energy due to its non-negligible flywheel mass, it must be “destroyed” abruptly in order to stop the motor and thus prevent the element (piston) actuated by the motor from entering a mechanical stop.

Eine Motorbremse kann z. B. von einer mit dem Rotor gekoppelten Rutschkupplung realisiert sein.An engine brake can e.g. B. be realized by a slip clutch coupled to the rotor.

Anstelle einer Rutschkupplung ist auch schon vorgeschlagen worden, eine elektronische Bremse zu schaffen, indem die Spulen des Motors kurzgeschlossen werden. In diesem Fall wirkt der Motor als Generator, wobei die ohmschen Widerstände der Spulen als Verbraucher dienen, in denen die Rotationsenergie des Motors verbraucht wird. Dabei fließt aber auch ein nicht unerheblicher Strom über die Schalter. Diese sind in aller Regel als Transistoren ausgeführt, die aber nur mit einer bestimmten Stromstärke belastet werden dürfen.Instead of a slip clutch, it has also already been proposed to create an electronic brake by short-circuiting the coils of the motor. In this case, the motor acts as a generator, the ohmic resistances of the coils serving as consumers in which the rotational energy of the motor is consumed. However, a not inconsiderable current flows through the switches. These are usually designed as transistors, but may only be loaded with a certain current.

Die Erfindung beruht daher auf der Aufgabe, eine elektronische Bremse für einen bürstenlosen Gleichstrommotor zu schaffen, die die Schalter möglichst wenig belastet.The invention is therefore based on the task of creating an electronic brake for a brushless DC motor which places as little stress on the switches as possible.

Zur Lösung der Aufgabe wird vorgeschlagen, dass im Abbremsmodus in einem ersten Wechseltakt alle Minuspolschalter geöffnet und alle Pluspolschalter geschlossen werden und in einem zweiten Wechseltakt alle Minuspolschalter geschlossen und alle Pluspolschalter geöffnet werden.To solve the problem, it is proposed that in the braking mode all negative pole switches are opened and all positive pole switches are closed in a first change cycle and all negative pole switches are closed and all positive pole switches are opened in a second change cycle.

Die Ordnungszahlen „erster“ und „zweiter“ legen keine Reihenfolge fest, sondern sollen lediglich die beiden Wechseltakte unterscheiden.The ordinal numbers "first" and "second" do not specify a sequence, but are only intended to distinguish the two alternating cycles.

Zum Kurzschließen der Spulen des Motors reicht es zwar aus, wenn über die Dauer der Abbremsung entweder nur die Pluspolschalter oder nur die Minuspolschalter geschlossen werden. Da nur die geschlossenen Schalter vom elektrischen Strom durchflossen werden, sind auch nur diese über die Dauer der Abbremsung belastet und der Gefahr ausgesetzt, beschädigt zu werden.To short-circuit the motor coils, it is sufficient if only the positive pole switches or only the negative pole switches are closed for the duration of the braking. Since only the closed switches are traversed by the electrical current, only these are loaded for the duration of the braking and are at risk of being damaged.

Wenn aber erfindungsgemäß die Schalterschließstellung zwischen den Pluspolschaltern und den Minuspolschaltern abgewechselt wird, verteilt sich die Belastungsdauer auf alle Schalter. Wenn die Wechseltakte deutlich kürzer gewählt werden als die Abbremsdauer, verteilt sich die entstehende Verlustleistung annähernd gleichmäßig auf alle Schaltelemente, was zu einer entsprechend geringeren Spitzentemperatur der beteiligten Schaltelemente führt. Dies hat gegenüber der oben beschriebenen und schon bekannten Schaltung, bei der entweder die Pluspolschalter oder die Minuspolschalter im Bremsmodus ständig geschlossen sind, eine reduzierte Wahrscheinlichkeit zur Folge, dass die Schalter beschädigt werden.If, however, according to the invention, the switch closing position is changed between the positive pole switches and the negative pole switches, the load duration is distributed over all switches. If the alternating cycles are selected to be significantly shorter than the braking time, the resulting power loss is distributed almost uniformly over all switching elements, which leads to a correspondingly lower peak temperature of the switching elements involved. Compared to the circuit described above and already known, in which either the positive pole switch or the negative pole switch is continuously closed in braking mode, this results in a reduced probability that the switches are damaged.

Vorzugsweise sind die beiden Wechseltakte gleich lang. Um Pausen zu vermeiden, bei denen gar kein Kurzschluss vorliegt, können die beiden Wechseltakte sich aber auch überlappen. Damit die Belastung in dem geschlossenen Schalter möglichst gering ist, ist die Dauer der Wechseltakte um ein Mehrfaches kürzer als die Dauer des Abbremsvorganges.The two alternating cycles are preferably of the same length. In order to avoid breaks where there is no short circuit, the two alternating cycles can also overlap. So that the load in the closed switch is as low as possible, the duration of the change cycles is several times shorter than the duration of the braking process.

Während eines solchen Abbremsvorganges finden somit mehrere Wechsel statt. Vorzugsweise kann die Dauer eines Wechseltaktes der Einschaltdauer eines Schalters im Zyklus während des Bremsmodus entsprechen. Da auch im Bremsmodus Strom durch die Schalter fließt und diese jedenfalls auf die Strombelastung im Betriebsmodus ausgelegt sind, dürfte eine gleichlange Schaltdauer im Bremsmodus zu keinen Schäden führen. Vorzugsweise kann aber die Dauer eines Wechseltaktes kleiner gewählt werden als die Einschaltdauer eines Schalters im Zyklus des Betriebsmodus.Several changes therefore take place during such a braking process. The duration of an alternating cycle can preferably correspond to the on-time of a switch in the cycle during the braking mode. Since current also flows through the switches in braking mode and these are in any case designed for the current load in operating mode, an equally long switching duration in braking mode should not lead to any damage. However, the duration of an alternating cycle can preferably be selected to be shorter than the switch-on duration of a switch in the cycle of the operating mode.

Die Motorsteuerung, die die Signale für die Schalter im Betriebsmodus erzeugt, ist häufig integrierter Bestandteil des Motors. Um das Verfahren zu realisieren, wird daher vorgeschlagen, dass die Steuersignale zum Betätigen der Schalter im Bremsmodus von einer Bremssteuerung erzeugt werden, die getrennt von der Motorsteuerung aufgebaut ist und parallel zu dieser an die Steuereingänge der elektronischen Schalter angeschlossen ist.The motor controller, which generates the signals for the switches in operating mode, is often an integral part of the motor. In order to implement the method, it is therefore proposed that the control signals for actuating the switches in braking mode are generated by a brake controller which is constructed separately from the motor controller and is connected in parallel to the control inputs of the electronic switches.

Die vorliegende Erfindung kommt natürlich insbesondere dann zum Tragen, wenn die elektronischen Schalter Transistoren sind.The present invention is of course particularly effective when the electronic switches are transistors.

Die Erfindung soll im Folgenden am Beispiel einer einfachen Blockkommutierung näher erläutert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren gilt gleichermaßen auch für andere Kommutierungsformen wie Trapez, Sinus und dgl.The invention will be explained in more detail below using the example of a simple block commutation. The method according to the invention applies equally to other forms of commutation such as trapezoid, sine and the like.

Der bürstenlose Gleichstrommotor 1 ist hier schematisch durch drei Spulen 2, 3, 4 dargestellt, die in einer Sternschaltung angeordnet sind, wobei die Enden der Spulen, die nicht im Zentrum miteinander gekoppelt sind, die drei Phasen 5, 6, 7 bilden. Die einzelnen Spulen 2, 3, 4 stehen jeweils symbolisch für eine Folge von Einzelspulen, die zyklisch um einen Rotor des Gleichstrommotors 1 angeordnet sind.The brushless DC motor 1 is here schematically by three coils 2 . 3 . 4 Shown, which are arranged in a star connection, the ends of the coils, which are not coupled in the center, the three phases 5 . 6 . 7 form. The individual coils 2 . 3 . 4 each stand symbolically for a sequence of individual coils, which cyclically around a rotor of the DC motor 1 are arranged.

Jede Phase 5, 6, 7 ist jeweils durch einen Pluspolschalter 8 a, b, c mit dem Pluspol 9 einer Gleichstromquelle und mit einem Minuspolschalter 10 a, b, c, an dem Minuspol 11 einer Gleichstromquelle bzw. an Masse angeschlossen. Die Schalter 8a, b, c; 10a, b, c werden nun in sogenannten Kommutierungsblöcken mit 6 Takten geschaltet, wobei jede Phase 5, 6, 7 zyklisch und versetzt zur benachbarten Phase für zwei Takte an den Pluspol 9 und für zwei Takte an den Minuspol 10 angeschlossen sind, wobei zwischen den jeweils zwei Takten ein schwimmender Takt eingeschoben ist, in dem die Phase keine Verbindung zu einem Pol hat. Durch diese Schaltung wird ein sich drehendes Magnetfeld im Stator erzeugt, der den mit Permanentmagneten bestücken Rotor des Motors 1 in Drehung versetzt.Every phase 5 . 6 . 7 is by a positive pole switch 8th a, b, c with the positive pole 9 a direct current source and with a negative pole switch 10 a, b, c, at the negative pole 11 a DC power source or connected to ground. The switches 8a . b . c ; 10a . b . c are now switched in so-called commutation blocks with 6 cycles, each phase 5 . 6 . 7 cyclically and offset to the adjacent phase for two cycles to the positive pole 9 and for two bars to the negative pole 10 are connected, a floating clock being inserted between the two clocks in which the phase has no connection to a pole. This circuit generates a rotating magnetic field in the stator, which is the rotor of the motor equipped with permanent magnets 1 spun.

Zur Ansteuerung der Schalter sind ein oder mehrere Treiber 12 vorgesehen, die von einer Motorsteuerung 13 im Betriebsmodus nach dem vorgegebenen System der Kommutierungsblöcke angesteuert werden.One or more drivers are used to control the switches 12 provided by an engine controller 13 can be controlled in the operating mode according to the specified system of commutation blocks.

Zum Abbremsen des Motos werden im Bremsmodus abwechselnd alle Pluspolschalter 6a, b, c bzw. alle Minuspolschalter 8 a, b, c in einen geschlossenen Zustand versetzt. Entsprechende Steuersignale werden von einer Bremssteuerung 14 und entsprechenden Treibern geliefert, die parallel zu den Steuerleitungen der Motorsteuerung 13 an die Schalter 8a, b, c; 10a, b, c angeschlossen sind.To brake the motor, all positive pole switches are alternately used in braking mode 6a . b . c or all negative pole switches 8th a, b, c placed in a closed state. Corresponding control signals are from a brake control 14 and corresponding drivers supplied in parallel to the control lines of the engine control 13 to the switches 8a . b . c ; 10a . b . c are connected.

Die Bremssteuerung 14 erzeugt zyklisch in einem Wechseltakt Steuersignale zum Schließen der Pluspolschalter 8a, b, c und in einem folgenden Wechseltakt Steuersignale zum Schließen der Minuspolschalter 10a, b, c. Dadurch werden den Spulen 2, 3, 4 des Motors abwechselnd von den Pluspolschaltern und den Minuspolschaltern kurzgeschlossen. Die abzubauende Rotationsenergie verteilt sich somit auf alle Schalter. Gleichzeitig kann in den Schaltpausen, in denen die Schalter offen sind, eine Temperaturerniedrigung erfolgen, so dass die Schalter beim Bremsvorgang insgesamt nicht so stark thermisch belastet sind.The brake control 14 generates control signals cyclically in an alternating cycle to close the positive pole switch 8a . b . c and in a subsequent alternating cycle control signals for closing the negative pole switch 10a . b . c , This will make the coils 2 . 3 . 4 of the motor alternately short-circuited by the positive pole switches and the negative pole switches. The rotational energy to be dissipated is thus distributed to all switches. At the same time, a temperature reduction can take place during the switching breaks in which the switches are open, so that the switches are not as thermally stressed overall during the braking process.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
GleichstrommotorDC motor
22
SpuleKitchen sink
33
SpuleKitchen sink
44
SpuleKitchen sink
55
Phase phase
66
Phasephase
77
Phasephase
8a, b, c8a, b, c
PluspolschalterPluspolschalter
99
Pluspolpositive pole
10a, b, c10a, b, c
Minuspolschalter Minuspolschalter
1111
Minuspolminuspol
1212
Treiberdriver
1313
Motorsteuerungmotor control
1414
Bremssteuerungbrake control

Claims (8)

Verfahren zum Abbremsen eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit Spulen (3, 4, 5) im Stator zur Erzeugung eines sich drehenden Magnetfeldes und Permanentmagnete im Rotor, wobei die Spulen (3, 4, 5) in einem mindestens dreiphasigen System angeordnet sind, in dem jede Phase (3, 4, 5) über mindestens ein elektronisches Schalterpaar, bestehend aus mindestens einem Pluspolschalter (8a, b, c) und mindestens einem Minuspolschalter (10a, b, c), die an den Pluspol (9) bzw. an den Minuspol (11) einer Gleichstromquelle angeschlossen sind, und wobei im Betriebsmodus die Schalter (8a, b, c; 10a, b, c)von einer Motorsteuerung (13) so betätigt werden, dass jede Phase (5, 6, 7) , versetzt zu den anderen Phasen, nacheinander mit dem Pluspol (9) , mit keinem Pol und mit dem Minuspol (9) zyklisch verbunden wird, und wobei im Abbremsmodus die Spulen (2, 3, 4) kurz geschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, dass im Abbremsmodus in einem ersten Wechseltakt alle Minuspolschalter (10a, b, c) geöffnet und alle Pluspolschalter (8a, b, c) geschlossen werden und in einem zweiten Wechseltakt alle Minuspolschalter (10a, b, c) geschlossen und Pluspolschalter (8a, b, c) geöffnet werden.Method for braking a brushless DC motor with coils (3, 4, 5) in the stator for generating a rotating magnetic field and permanent magnets in the rotor, the coils (3, 4, 5) being arranged in an at least three-phase system in which each phase (3, 4, 5) via at least one pair of electronic switches, consisting of at least one positive pole switch (8a, b, c) and at least one negative pole switch (10a, b, c), which are connected to the positive pole (9) or to the negative pole ( 11) are connected to a direct current source, and wherein in the operating mode the switches (8a, b, c; 10a, b, c) are actuated by a motor control (13) such that each phase (5, 6, 7) is offset from the other phases, one after the other with the positive pole (9), with no pole and with the negative pole (9) cyclically, and being in the braking mode the coils (2, 3, 4) are short-circuited, characterized in that, in braking mode, all negative pole switches (10a, b, c) are opened in a first alternating cycle and all positive pole switches (8a, b, c) are closed, and all negative pole switches in a second alternating cycle (10a, b, c) are closed and positive pole switches (8a, b, c) are opened. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wechseltakte gleich lang sind.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the two alternating cycles are of equal length. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wechseltakte sich überlappen.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the two alternating cycles overlap. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechseltakte um ein Mehrfaches kürzer sind ist als die Dauer des Abbremsvorganges.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the alternating cycles are several times shorter than the duration of the braking process. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer eines Wechseltaktes der Einschaltdauer eines Schalters im Zyklus des Betriebsmodus entspricht.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the duration of an alternating cycle corresponds to the duty cycle of a switch in the cycle of the operating mode. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Dauer eines Wechseltaktes kleiner ist als die Einschaltdauer eines Schalters im Zyklus des Betriebsmodus.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the duration of an alternating cycle is less than the duty cycle of a switch in the cycle of the operating mode. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale zum Betätigen der Schalter im Bremsmodus von einer Bremssteuerung (14) erzeugt werden, die getrennt von der Motorsteuerung (13) aufgebaut ist und parallel zu dieser an die Steuereingänge der elektronisch ausgeführten Schalter (8a, b, c; 10a, b, c) angeschlossen ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the control signals for actuating the switches in the braking mode are generated by a brake controller (14) which is constructed separately from the motor controller (13) and in parallel to the control inputs of the electronically implemented switches ( 8a, b, c; 10a, b, c) is connected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schalter (8a, b, c; 10a, b, c) Transistoren sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic switches (8a, b, c; 10a, b, c) are transistors.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0742637A1 (en) * 1995-05-11 1996-11-13 Siemens Aktiengesellschaft Method and device for safely braking of an electric drive
DE102005009341A1 (en) * 2004-11-04 2006-05-18 Diehl Ako Stiftung & Co. Kg Circuit arrangement and method for controlling an electric motor, in particular a washing machine

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