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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren als Stellmotoren und insbesondere deren Ansteuerschaltungen. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur Reduzierung eines Hardwareaufwands für die Ansteuerung einer Gruppe von elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen.
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Technischer Hintergrund
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Im Automobilbereich und in vielen anderen Anwendungen werden Elektromotoren als Stellmotoren verwendet. Zusehends werden derartige Stellenmotoren als elektronisch kommutierte elektrische Motoren ausgebildet, da diese verschleißärmer und weniger fehleranfällig sind.
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Für die Ansteuerung von elektronisch kommutierten elektrischen Motoren werden eine Steuereinheit, ein Brückentreiber sowie eine Leistungsschaltung benötigt. Die Steuereinheit generiert entsprechend dem anzusteuernden Elektromotor Ansteuersignale für den Brückentreiber, der wiederum die Leistungsschaltung ansteuert. Die Leistungsschaltung weist vorzugsweise eine Brückenschaltung für eine Leistungsumsetzung auf, wobei der Brückentreiber die Steuersignale für die Leistungsschaltung generiert.
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Die Leistungsschaltung ist für dreiphasige Maschinen in der Regel als eine B6-Brücke ausgebildet. Die B6-Brücke weist drei parallele Inverterschaltungen mit üblicherweise jeweils zwei seriell verschalteten Leistungshalbleiterschaltern, insbesondere FETs, auf. Jede der Inverterschaltungen ist zwischen ein hohes und ein niedriges Versorgungspotenzial geschaltet und der Mittenabgriff mit einem entsprechenden Phasenanschluss der elektrischen Maschine verbunden. Derzeit wird für jede anzusteuernde elektrische Maschine eine separate Leistungsschaltung benötigt, die über geeignete separate Ansteuersignale von einer oder mehreren Steuereinheiten angesteuert werden.
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Dieser Hardware-Aufwand ist hoch und es wäre wünschenswert, insbesondere bei Gruppen von Stellantrieben, diesen Aufwand zu reduzieren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ansteuersystem für mehrere mehrphasige elektronisch kommutierte elektrische Maschinen als Stellmotoren in einem Stellmotorsystem mit einem geringerem Aufwand zu realisieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Ansteuersystem für mehrere elektronisch kommutierte elektrische Maschinen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Stellmotorsystems mit einem Ansteuersystem für mehrere elektronisch kommutierte elektrische Maschinen gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Ansteuersystem für mehrere mehrphasige elektronisch kommutierte elektrische Maschinen vorgesehen, umfassend:
- - mindestens eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um zum Betreiben der mehreren elektrischen Maschinen, für jede der Phasen jeder der elektrischen Maschinen mindestens ein der entsprechenden Phase zugeordnetes Ansteuersignal gemäß einem vorgegebenen Kommutierungsschema bereitzustellen, wobei eine Leistungsschaltung abhängig von dem mindestens eine Ansteuersignale für jede Phase angesteuert wird,
- - die Leistungsschaltung, die eine Anzahl von Inverterschaltungen zum Bereitstellen von Phasenspannungen für die mehreren elektrischen Maschinen aufweist, wobei mindestens eine der Inverterschaltungen durch Ansteuersignale angesteuert wird, die mehreren Phasen von mehreren elektronischen Maschinen zugeordnet sind.
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Ein solches Ansteuersystem weist wie üblich eine Leistungsschaltung mit mehreren einzelnen Phasen von elektrischen Maschinen zugeordneten Inverterschaltungen auf, die jeweils abhängig von einem Ansteuersignal einer Steuereinheit angesteuert werden. Die Ansteuersignale für die jeweiligen Inverterschaltungen können in diesem Fall so bereitgestellt werden, dass durch die Auswahl der entsprechenden Ansteuersignale eine anzusteuernde elektrische Maschine eindeutig identifiziert wird. Dabei werden häufig die übrigen elektrischen Maschinen nicht aktiv betrieben, indem die nicht dem aktiv zu betreibenden elektrischen Maschinen zugeordnete Inverterschaltungen durch die geeigneten Ansteuersignale stromlos geschaltet werden. In diesem Fall werden beide Zweige (Pull-up und Pull-down-Pfad) der Inverterschaltung hochohmig bzw. sperrend geschaltet.
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Erfindungsgemäß ist das Ansteuersystem jedoch modifiziert, indem mindestens eine der Inverterschaltungen der Leistungsschaltung durch eine Mehrzahl von anschließbaren elektrischen Maschinen gemeinsam genutzt wird. Dabei identifiziert die Auswahl der Ansteuersignale für die jeweiligen Inverterschaltungen die jeweils anzusteuernde elektrische Maschine eindeutig. Mindestens zwei verschiedenen Phasen zugeordnete Ansteuersignale, die zum Ansteuern von verschiedenen elektrischen Maschinen vorgesehen sind, werden dabei zum Ansteuern derselben Inverterschaltung vorgesehen. Die Ansteuersignale , die nicht der einen oder ggfs den mehreren aktiv anzusteuernden elektrischen Maschinen zugeordnet sind, werden so vorgesehen, dass diese die nicht der aktiv zu betreibenden elektrischen Maschine zugeordneten Inverterschaltungen stromlos schalten.
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So kann beispielsweise bei zwei dreiphasigen elektrischen Maschinen die Leistungsschaltung mit nur fünf Inverterschaltungen anstelle von üblicherweise sechs Inverterschaltungen (2 x Gruppen zu jeweils drei Inverterschaltungen) ausgebildet sein. Eine der Inverterschaltungen wird dabei für die Ansteuerung einer entsprechenden Phase in beiden elektrischen Maschinen genutzt.
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Insbesondere ergibt sich die Anzahl der benötigten Inverterschaltungen für mehr als zwei elektrische Maschinen so, dass eine ausgewählte elektrische Maschine über alle Phasenanschlüsse angesteuert wird, während dadurch bei keiner der übrigen elektrischen Maschinen mehr als ein Phasenanschluss angesteuert wird, d.h. eine Spannung angelegt wird, und die übrigen Inverterschaltungen die übrigen Phasenanschlüsse stromlos schalten. Dadurch sind die übrigen elektrischen Maschinen stromlos und werden durch die Ansteuerung der ausgewählten elektrischen Maschine nicht betrieben. Durch diese Hardwarekonfiguration kann die Anzahl der benötigten Inverterschaltungen der Ansteuerschaltung und dadurch der Verdrahtungsaufwand und auch die Auslegung eines etwaigen Brückentreibers zwischen der Steuereinheit und der Leistungsschaltung vereinfacht werden.
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Die Steuereinheit kann ausgebildet sein, um mindestens zwei Ansteuersignale pro Phase bereitzustellen, wobei insbesondere die Ansteuersignale durch einen oder mehrere Brückentreiber verstärkt werden, um Steuersignale zum Anlegen an die Inverterschaltungen bereitzustellen.
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Die Leistungsschaltung kann fünf Inverterschaltungen aufweisen, um zwei dreiphasige elektrische Maschinen anzusteuern, wobei eine der Inverterschaltungen abhängig von zwei verschiedenen Phasen zugeordneten Ansteuersignale betrieben werden.
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Die mindestens eine Steuereinheit kann ausgebildet sein, um zum Ansteuern genau einer ausgewählten der mehreren elektrischen Maschinen Ansteuersignale für die entsprechenden Phasen der ausgewählten elektrischen Maschine bereitzustellen, wobei die übrigen Ansteuersignale so bereitgestellt werden, dass die dadurch angesteuerten Inverterschaltungen stromlos geschaltet sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Steuereinheit ausgebildet ist, um zum gleichzeitigen Ansteuern von zwei ausgewählten der mehreren elektrischen Maschinen Ansteuersignale für die entsprechenden Phasen der ausgewählten elektrischen Maschine bereitzustellen, wobei Ansteuersignale für jeweils eine Phase der zwei ausgewählten elektrischen Maschinen, die zum Ansteuern derselben Inverterschaltung vorgesehen sind, identisch, d.h. mit gleichem zeitlichen Verlauf und ggfs. Steuersignalpegel, bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Phasenlage beider elektrischen Maschine geregelt werden.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass für die gemeinsame Inverterschaltung nur ein Ansteuersignal erzeugt bzw. bereitgestellt wird. Insbesondere wenn die Ansteuersignale für die mehreren elektrischen Maschinen in einer gemeinsamen Steuereinheit generiert werden. Voraussetzung für einen effektiven Betrieb beider elektrischen Maschinen mit gemeinsam genutzter Inverterschaltung ist, dass beide Maschinen magnetisch synchron laufen, was gleichen elektrischen Rotorpositionen zu jedem Zeitpunkt entspricht.
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Weiterhin kann die mindestens eine Steuereinheit ausgebildet sein, um zum Ansteuern von zwei ausgewählten der mehreren elektrischen Maschinen Ansteuersignale für die entsprechenden Phasen der ausgewählten elektrischen Maschinen bereitzustellen, wobei das mindestens eine Ansteuersignal für jeweils eine Phase der zwei ausgewählten elektrischen Maschinen, das zum Ansteuern derselben Inverterschaltung vorgesehen ist, nur einfach bereitgestellt wird, so dass die Phasenlagen beider elektrischen Maschinen auf identische Phasenlagen geregelt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Steuereinheit ausgebildet ist, um jede der Inverterschaltungen abhängig von genau zwei Ansteuersignalen anzusteuern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Ansteuersystems für mehrere mehrphasige elektronisch kommutierte elektrische Maschinen vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Bereitstellen für jede der Phasen jeder der elektrischen Maschinen mindestens eines der entsprechenden Phase zugeordnetes Ansteuersignal gemäß einem vorgegebenen Kommutierungsschema, um die mehreren elektrischen Maschinen zu betreiben,
- - Ansteuern einer Leistungsschaltung abhängig von dem mindestens einen Ansteuersignal für jede Phase, wobei die Leistungsschaltung eine Anzahl von Inverterschaltungen zum Bereitstellen von Phasenspannungen für die mehreren elektrischen Maschinen aufweist, wobei mindestens eine der Inverterschaltungen durch eines oder mehrere des mindestens einen Ansteuersignals angesteuert wird, das mehreren Phasen von mehreren elektronischen Maschinen zugeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit mehreren elektrischen Maschinen und dem obigen Ansteuersystem vorgesehen, wobei die Anzahl von Inverterschaltungen mit den mehreren elektrischen Maschinen verbunden sind, so dass mindestens eine der Inverterschaltungen mit jeweils einem Phasenanschluss von mehreren der elektrischen Maschinen verbunden ist.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems zur Ansteuerung von zwei Elektromotoren;
- 2 eine schematische Darstellung eines Motorsystems zur Ansteuerung von drei Elektromotoren;
- 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Motorsystems nach 1 oder eines Motorsystems nach 2.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Motorsystem 1 mit zwei Elektromotoren 2 als elektrische Maschinen. Die Elektromotoren 2 sind als elektronisch kommutierte elektrische Maschinen ausgebildet und im vorliegenden Fall als dreiphasige Maschinen mit jeweils drei Phasenanschlüssen vorgesehen. Die Elektromotoren 2 können als Stellmotoren in diversen Einsatzgebieten, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, eingesetzt sein, wie z.B. als Stellmotoren für eine elektrische Sitzverstellung.
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Zur Ansteuerung der Elektromotoren 2 ist eine Steuereinheit 3 vorgesehen, die für jeden der Elektromotoren 2 sechs Ansteuersignale A zur Verfügung stellt, d.h. pro Phase zwei Ansteuersignale. Jeweils zwei der Ansteuersignale A sind dabei invers zueinander, um eine geeignete Inverterschaltung anzusteuern. Anstelle einer Steuereinheit 3 können auch mehrere Steuereinheiten vorgesehen sein. Die eine oder die mehreren Steuereinheiten 3 erhalten von extern eine Instruktion darüber, welcher der Elektromotoren 2 aktiviert oder deaktiviert werden soll.
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Für einen zu betreibenden Elektromotor 2 gibt die Steuereinheit 3 die entsprechenden Ansteuersignale A an einen Brückentreiber 4 aus. Der Brückentreiber verstärkt die Ansteuersignale A so, dass Steuersignale S zur Ansteuerung einer entsprechenden Inverterschaltung 6 einer Leistungsschaltung 5 ausgegeben werden. Die Ansteuersignale sind paarweise einer Phase zugeordnet. Die Steuersignale S
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Die Leistungsschaltung 5 weist eine Reihe im vorliegenden Ausführungsbeispiel fünf Inverterschaltungen 6 auf, die jeweils eine Serienschaltung aus zwei Leistungshalbleiterschaltern 7 aufweisen. Die Leistungshalbleiterschalter 7 werden jeweils durch mindestens eines der Steuersignale S aus den Brückentreibern 4 angesteuert. Die Ansteuerung jeder Inverterschaltung 6 erfolgt im aktiven Betrieb so, dass abhängig von dem Paar von Steuersignalen S ein Mittenanschluss der Inverterschaltung 6 mit einem hohen Versorgungspotential VDD oder einem niedrigen Versorgungspotential GND verbunden wird. Die Mittenanschlüsse sind mit dem jeweiligen Phasenanschluss mindestens einer der Elektromotoren 2, 21, 22 verbunden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stellen somit die zwei der Inverterschaltungen 6, bezeichnet durch 11, 12 zwei Phasenspannungen U1, V1 für einen ersten der Elektromotoren 21 und zwei weitere der Inverterschaltungen 6, bezeichnet durch 14, 15, zwei weitere Phasenspannungen U2, V2 für einen zweiten der Elektromotoren 22 zur Verfügung. Eine der Inverterschaltungen 6, bezeichnet durch 13, wird durch Steuersignale S beider Brückentreiber 4 angesteuert und liefert eine entsprechende dritte Phasenspannung W1, W2, die mit entsprechenden Phasenanschlüssen beider Elektromotoren 21, 22 verbunden ist. Wird durch die Steuereinheit 3 bestimmt, dass eine Inverterschaltung 6 stromlos geschaltet werden soll, so werden die einer entsprechend stromlos zu schaltenden Phase zugeordneten Ansteuersignale gleich gewählt, so dass die diesen zugeordneten Leistungshalbleiterschalter 7 geöffnet werden und dadurch keine Spannung an den Mittenanschluss angelegt wird.
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Wird, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel gezeigt, eine gemeinsame Steuereinheit 3 verwendet, so können für die gemeinsam genutzte Inverterschaltung 6 auch nur zwei Ansteuersignale A und damit auch nur zwei Steuersignale S bereitgestellt werden. Diese Ansteuersignale A / Steuersignale S werden entsprechend genutzt, wenn die betreffende Inverterschaltung 6 zum Generieren der Phasenspannungen einer Phase für einen anzusteuernden der mehreren mit der Inverterschaltung 6 verbundenen Elektromotor 2, 21, 22 verwendet werden soll.
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Eine weitere Ausführungsform eines Motorsystems 11 zur Ansteuerung von drei Elektromotoren 12 ist in 2 dargestellt. Der Hardware Aufbau und die Ansteuerung der Elektromotoren 12 erfolgt analog zu dem Motorsystem 1 der 1 mit einer oder mehreren Steuereinheiten 13, Brückentreibern 14 und einer Leistungsschaltung 15. Die Leistungsschaltung 15 umfasst für die Ansteuerung von drei Elektromotoren 12, 121, 122, 123 sieben Inverterschaltungen 16 (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17). Dabei werden die Inverterschaltungen 16, bezeichnet mit 11 bis 13, von Steuersignalen eines ersten der Brückentreiber 141, die Inverterschaltungen 6, bezeichnet mit I3 bis I5, von Steuersignalen S eines zweiten der Brückentreiber 142 und die Inverterschaltungen 16, bezeichnet mit I5 bis I7, von Steuersignalen eines dritten der Brückentreiber 143 angesteuert. Man erkennt, dass der zweite Brückentreiber 142 verschaltet ist, um zwei Inverterschaltungen 6, bezeichnet mit I3 und I5, anzusteuern, die von dem ersten bzw. dem dritten Brückentreiber 141, 143 ebenfalls angesteuert werden.
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Die Schaltungen der oben beschriebenen Motorsysteme 1, 11 ermöglichen in einfacher Weise das Betreiben eines der Elektromotoren 2, 12, während die übrigen Elektromotoren 2, 12 unbestromt sind und dadurch nicht aktiv betrieben werden.
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Die Leistungsschaltung 5, 15 kann vorsehen, die Inverterschaltungen 6, 16 über gemeinsame Spannungsversorgungsleitungen 9 zu betreiben. Somit kann für eine Strommessung des Motorstroms des einen aktiv betriebenen Elektromotors 2, 12 eine der Spannungsversorgungsleitungen 9 mit einem Messwiderstand 8, 18 (Shunt) versehen sein, um einen Gesamtstrom durch die Inverterschaltungen 6, 16 zu messen. Die Ansteuerung von nur einem aktiv betriebenen Elektromotors durch die Steuereinheit 3, 13 kann dann abhängig von einem gemessenen Motorstrom in an sich bekannter Weise erfolgen.
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In 3 ist das Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben eines derartigen Motorsystems 1, 11 näher beschrieben.
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In Schritt S1 wird festgestellt, welche der Elektromotoren 2, 12 aktiviert bzw. aktiv betrieben werden sollen, während die übrigen Elektromotoren 2, 12 ausgeschaltet bleiben. Diese Auswahl kann durch eine Nutzerauswahl z.B. durch ein Feststellen einer Betätigung eines Ein/Ausschalters erfolgen.
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Durch die Auswahl des aktiv zu betreibenden Elektromotors 2, 12 generiert die Steuereinheit 3, 13 in Schritt S2 entsprechende Ansteuersignale A gemäß einem vorgegebenen Kommutierungsschema, wobei in der Regel jeweils zwei der einer Phase zugeordneten Ansteuersignale A invers zueinander sind, um zu gewährleisten, dass die betreffenden Inverterschaltungen 6, 16 stets entweder das hohe Versorgungspotential oder das niedrige Versorgungspotential an den jeweiligen Phasenanschluss des ausgewählten Elektromotors 2, 12 anlegt. Die übrigen Ansteuersignale A werden vorzugsweise so geschaltet, dass die entsprechenden Phasenanschlüsse stromlos sind.
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Die Steuereinheit 3, 13 wendet ein Kommutierungsschema an, das beispielsweise einer Blockkommutierung, einer Sinuskommutierung, eine Sinuskommutierung mit Modulation, oder dergleichen entsprechen kann. Die Steuereinheit 3, 13 kann weiterhin den entsprechenden ausgewählten Elektromotoren 2, 12 gemäß einer Lagerregelung, Momentenregelung oder lediglich zum Ein- und Ausschalten betreiben.
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Es können alternativ auch zwei oder mehr als zwei Elektromotoren 2, 13 parallel betrieben werden. Dies ist unproblematisch, wenn die Elektromotoren über getrennte Inverterschaltungen 6, 16 angesteuert werden. Sollen zwei Elektromotoren 2, 12 gleichzeitig betrieben werden, die über eine gemeinsame Inverterschaltung 6, 16 verbunden sind, so werden die Ansteuersignale A dabei von der Steuereinheit 3, 13 so generiert, dass die Steuersignale für die gemeinsam genutzte Inverterschaltung 6 zeitsynchron sind.
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Alternativ kann für die gemeinsam genutzte Inverterschaltung von der Steuereinheit 3, 13 auch nur ein oder mehrere (zwei) einer Phase zugeordnete Ansteuersignale bereitgestellt werden, so dass die Steuereinheit 3, 13 die Kommutierungsschemata für die Ansteuerung beider Elektromotoren 2, 12 aufeinander synchronisiert.
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Ein Parallelbetrieb ist grundsätzlich möglich, solange eine aktive Ansteuerung der gemeinsam genutzten Inverterschaltung 6, 16 nicht zu einem unerwünschten Bremsmoment in einem der Elektromotoren 2, 12 führt. Dies kann durch die Steuereinheit 3, 13 bei der Generierung der entsprechenden Ansteuersignale A entsprechend berücksichtigt werden. Dies kann insbesondere erreicht werden, indem die Steuereinheit 3, 13 die beiden anzusteuernden Elektromotoren 2, 12 insbesondere mithilfe einer Phasenlageregelung so ansteuert, dass diese bezüglich ihrer elektrischen Läuferlage synchron bleiben.
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Derartige Motorsysteme können beispielsweise als Stellgebersysteme mit mehreren Stellmotoren z.B. für automatische Sitzverstellungen und dergleichen eingesetzt werden.
