-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors, mit einem Steuerbaustein, insbesondere einem Mikrokontroller, der eine Anzahl von PWM-Kontakten, über die ein PWM-Signal ausgebbar ist, und eine Anzahl von Kommutierungskontakten, über die ein Kommutierungssignal ausgebbar ist, aufweist.
-
Die von einer derartigen Schaltungsanordnung erzeugten Ausgangssignale werden zur Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors verwendet. Ein solcher Elektromotor weist eine Anzahl von Wicklungssträngen oder Phasen auf, die meist entlang der Umfangsrichtung eines Stators angeordnet sind. Über eine gesteuerte Bestromung der Wicklungsstränge wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, von dem ein in der Regel Permanentmagnete aufweisender Läufer mitgenommen wird. Bekannt sind insbesondere Elektromotoren mit drei Wicklungssträngen, die in einer Sternschaltung angeordnet sind und somit über drei Motorklemmen bestromt werden können. Über die Frequenz, Phase, Stärke und Dauer der Wicklungsströme, die über die an die Wicklungsstränge anliegenden Spannungen gesteuert werden, können die Kenngrößen des Elektromotors, wie insbesondere Drehzahl und Drehmoment, gesteuert werden.
-
Über das Kommutierungssignal ist die Dauer der Bestromung für jeden einzelnen Wicklungsstrang bzw. die Dauer einer entsprechenden Spannungsversorgung, beispielsweise für jede einzelne Motorklemme, kodiert. Das Kommutierungssignal kann derart in eine Steuerung eingebracht werden, dass eine Bestromung des zugeordneten Wicklungsstranges bzw. eine Spannungsversorgung der zugeordneten Motorklemme nur bei einem entsprechenden Pegel des Signals erfolgen kann. Im Falle eines digitalen Kommutierungssignals werden hierzu die beiden Pegel HIGH oder LOW verwendet.
-
Das PWM-Signal wird zur Variation der während der Bestromungs- oder Kommutierungsphase an dem jeweiligen Wicklungsstrang anliegenden Spannung bzw. zur Variation des an der zugeordneten Motorklemme anliegenden Potentials verwendet. Ein PWM- oder PulsWeitenModulations-Signal gibt dabei die Ein- und Ausschaltzeit eines Rechtecksignals bei einer festen Grundfrequenz vor. Über die Dauer der Einschaltzeit des Rechtecksignals innerhalb eines PWM-Taktes kann dabei für einen trägen Verbraucher die im Mittel anliegende Spannung variiert werden. Ist das Rechtecksignal beispielsweise nur die Hälfte der gesamt zur Verfügung stehenden Zeit eingeschaltet, so sieht der Verbraucher im Mittel nur die Hälfte der während der Einschaltzeit anliegenden Spannung.
-
Bei einer herkömmlichen Beschaltung wird zur Ansteuerung der jeweiligen Wicklungsstränge oder Motorklemmen eines bürstenlosen Elektromotors das PWM-Signal über einen Logikbaustein nach Art einer Torschaltung mit dem Kommutierungssignal verknüpft. Wird als Logikbaustein beispielsweise ein ODER-Gatter verwendet, so steht zur Steuerung am Ausgang des ODER-Gatters ein Signal zur,Verfügung, welches dann dem PWM-Signal entspricht, wenn sich gleichzeitig das Kommutierungssignal auf dem Pegel LOW befindet. Die zugeordnete Motorklemme wird entsprechend dem Ausgangssignal mit einem PWM-getakteten Spannungssignal versorgt. Wird das Kommutierungssignal auf den Pegel HIGH geschaltet, so liegt das Ausgangssignal des ODER-Gatters konstant auf dem Pegel HIGH. Die Motorklemme wird mit einem konstanten Spannungssignal versorgt, insbesondere auf Masse bzw. auf ein niedriges Grundpotential gezogen. Im Falle der Verwendung eines UND-Gatters als Logikbaustein verhält es sich entsprechend umgekehrt.
-
Mit einer derartigen Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik ist es möglich, zur Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors einen kostengünstigen Steuerbaustein zu verwenden, der wenige PWM-Kontakte oder lediglich einen PWM-Kontakt aufweist. Das PWM-Signal eines einzigen PWM-Kontaktes wird mittels entsprechender Logikbausteine zur Modulation mehrerer Kommutierungssignale verwendet.
-
Nachteiligerweise werden durch eine derartige Beschaltung die Freiheitsgrade bezüglich der Ansteuermöglichkeiten des Elektromotors eingeschränkt. Geschieht die Ansteuerung des Elektromotors beispielsweise mittels eines von einem Zwischenkreis gespeisten Umrichters, der eine Anzahl von steuerbaren Schaltelementen zum getakteten Umschalten zwischen den beiden Potenzialen des Zwischenkreises aufweist, so kann für einen Wicklungsstrang das so genannte HIGHSIDE-Schaltelement, d.h. dasjenige Schaltelement, welches die Motorzuleitung auf das hohe Potenzial des Zwischenkreises schaltet, nicht unabhängig von dem LOWSIDE-Schaltelement angesteuert werden, welches die Motorzuleitung auf das niedrige Potenzial des Zwischenkreises schaltet. Denn für beide Schaltelemente steht nur ein einziges PWM-Signal zur Verfügung. Ebenso ist es nicht möglich, bei einem Überlapp der Kommutierungsphasen einzelner Wicklungsstränge diese unabhängig anzusteuern, wenn nur ein PWM-Signal zur Verfügung steht.
-
Die
DE 199 49 804 A1 beschreibt eine Steuereinrichtung für einen bürstenlosen Motor. Bei diesem wird der Antriebsstrom wie der Bremsstrom überwacht, wobei ein Tastverhältnis bei zu hohem Antriebsstrom reduziert und bei zu hohem Bremsstrom erhöht wird. Dafür wird eine analoge Schaltung mit zwei Strombegrenzungsgliedern und eine Schaltung, wo die Funktionen durch die Software eines Mikrocontrollers realisiert sind, angegeben. Die beiden Maßnahmen können auch durch eine Kombination der Hardware-Strombegrenzung und der Software-Strombegrenzung zusammenwirken. Mithilfe von dieser Steuerungseinrichtung können durch ein Umschalten eines Kommutierungskontakts entweder das PWM-Signal, ein LOW-Signal oder ein High-Signal ausgegeben werden. Das erzeugte PWM-Signal ist dazu verwendet, eine analoge Spannung zu erzeugen, die wiederum zum Erzeugen des PWM-Signals für die Ansteuerung der einzelnen Phase des Elektromotors genutzt wird. Eine Positionsbestimmung des Motors erfolgt mit Rotorstellungssensoren.
-
Das Dokument Infineon, C167CR C157SR 16 Bit single-chip Microcontroller, Data sheet, V3.2, July 2001, p. 1-69 beschreibt einen 16-Bit Einzelchip Mikrokontroller.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass sich die Anzahl der Steuermöglichkeiten gegenüber einer Ausgestaltung gemäß Stand der Technik bei gleicher Anzahl von PWM-Kontakten erhöht.
-
Dies wird für eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens ein Kommutierungskontakt wechselweise als Ein- und Ausgang steuerbar ist, dass der wenigstens eine Kommutierungskontakt ausgangsseitig mit einem PWM-Kontakt elektrisch verbunden ist, und dass der derart verbundene Kommutierungskontakt zum Abgriff eines Steuersignals kontaktierbar ist.
-
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, dass viele Steuerbausteine und insbesondere Mikrokontroller Kontakte aufweisen, die wechselweise sowohl als Ein- als auch als Ausgang konfigurierbar sind. Wird der jeweilige Kontakt als ein Ausgang konfiguriert, so dominiert in der Zuleitung das Ausgangssignal. Ein etwaig anderes Signal in der Zuleitung wird auf den Pegel des Kontaktes gezogen. Somit kann über eine entsprechend kontaktierte Zuleitung das jeweils vom Steuerbaustein ausgegebene Ausgangssignal abgegriffen werden. Wird der entsprechende Kontakt als ein Eingang konfiguriert, so überwiegt ein etwaig in der Verbindungsleitung enthaltenes Signal. Mit anderen Worten dominiert das Signal in der Zuleitung.
-
In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass sich die Einstellung des Signalpegels in einer Zuleitung abhängig von der Konfiguration des angeschlossenen Kontaktes als Ein- bzw. als Ausgang zur Erzeugung eines Steuersignals für den bürstenlosen Elektromotor eignet. Über die wechselweise Konfiguration als Ein- oder als Ausgang stehen dabei für ein digitales Steuersignal insgesamt drei Möglichkeiten zur Verfügung. Bei einer Konfiguration des Kontaktes als Ausgang wird es möglich, ein Signal in der Zuleitung,entweder auf den Pegel HIGH oder auf den Pegel LOW entsprechend dem jeweiligen Ausgangssignal des Kontaktes zu ziehen. Wird der Kontakt hingegen als Eingang konfiguriert, so wird das über die Verbindungsleitung anliegende Signal durch den Kontakt nicht beeinflusst.
-
In einem dritten Schritt schließlich erkennt die Erfindung, dass sich das notwendige Steuersignal für einen Wicklungsstrang des bürstenlosen Elektromotors mittels eines Kommutierungssignals und eines PWM-Signals unter Erhöhung der Steuermöglichkeiten dadurch realisieren lässt, dass der PWM-Kontakt elektrisch mit dem entsprechenden Kommutierungskontakt verbunden wird, welcher wechselweise als Ein- und Ausgang steuerbar ist. Das über eine Verbindungsleitung mit dem PWM-Kontakt abgreifbare Steuersignal weist dann bei einer Konfiguration des Kommutierungskontaktes als Ausgang entweder den Pegel HIGH oder den Pegel LOW auf. Bei einer Konfiguration des Kommutierungskontaktes als Eingang dominiert hingegen in der anliegenden Leitung das PWM-Signal. Im Gegensatz zu einer bisherigen Schaltungsanordnung, bei der der Kommutierungskontakt stets als Ausgang definiert ist, kann somit unabhängig vom PWM-Signal ein Steuersignal erzeugt werden, welches sich dauerhaft auf dem Pegel LOW oder auf dem Pegel HIGH befindet. Ein dauerhafter Pegel LOW des Steuersignals unabhängig vom PWM-Signal ist bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung mit einer ODER-Verknüpfung zwischen PWM-Signal und Kommutierungssignal nicht möglich. Bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung mit einer UND-Verknüpfung wiederum ist eine dauerhafte Einstellung des Steuersignals auf den Pegel HIGH nicht erreichbar.
-
Somit bietet die Erfindung gegenüber einer herkömmlichen Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik den Vorteil weiterer Schaltungsmöglichkeiten, ohne dass die Anzahl der PWM-Kontakte des Steuerbausteins erhöht werden muss. Insbesondere braucht nicht auf einen teueren Steuerbaustein mit mehreren PWM-Kontakten zurückgegriffen werden. Somit wird ohne Kostenerhöhung eine Steuerung eines bürstenlosen Elektromotors mit höherer Funktionalität verwirklicht. Die Erfindung eignet sich grundsätzlich zur Ansteuerung jedes bürstenlosen Elektromotors. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Ansteuerung von Lüftermotoren, wie sie beispielsweise in der Automobiltechnik Anwendung finden.
-
Die Erfindung ist nicht eingeschränktdarauf, dass notwendigerweise alle Kommutierungskontakte, die zur Ansteuerung jeweils einer Motorklemme oder jeweils eines Wicklungsstranges verwendet werden, wechselweise als Ein- und Ausgang steuerbar sind. Zur Erhöhung der Freiheitsgrade in der Ansteuerung genügt es, einen der Kommutierungskontakte derart steuerbar zu wählen. Die Erfindung erfordert es nicht, einen besonderen Steuerbaustein einzusetzen. Denn die in der Regel zur Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors eingesetzten Steuer-bausteine besitzen die Funktionalität, die Kontakte wechselweise als Ein- oder als Ausgang zu konfigurieren.
-
Zweckmäßigerweise ist der wenigstens eine Kommutierungskontakt, welcher wechselweise als Ein- oder als Ausgang konfigurierbar ist, über einen Widerstand mit dem PWM-Kontakt verbunden. Hierdurch kann ein gegebenenfalls für den Steuerbaustein schädlicher Stromfluss zwischen den Kontakten vermieden werden. Bei den herkömmlichen Steuerbausteinen empfiehlt es sich, hierfür einen Widerstand der Größenordnung von einigen 10 Kiloohm [kΩ] einzusetzen.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind alle Kommutierungskontakte wechselweise als Ein- und Ausgänge steuerbar ausgestaltet und mit einem PWM-Kontakt elektrisch verbunden. Mit dieser Ausgestaltung wird für jedes Kommutierungssignal und damit für jeden zu bestromenden Wicklungsstrang des Elektromotors die Zahl der Ansteuermöglichkeiten erhöht. Selbstverständlich können hierzu auch mehrere PWM-Kontakte eingesetzt sein, die jeweils mit den zugeordneten Kommutierungskontakten elektrisch verbunden sind.
-
In einer besonders günstigen Variante der Erfindung sind alle Kommutierungskontakte wechselweise als Ein- und Ausgänge steuerbar und jeweils mit einem einzigen PWM-Kontakt verbunden. Hierdurch wird es möglich, mit einem günstigen Steuerbaustein, der nur einen einzigen PWM-Kontakt aufweist, die Motorklemmen bzw. die Wicklungsstränge eines bürstenlosen Elektromotors gegenüber einer herkömmlichen Schaltungsanordnung mit einer verbesserten Funktionalität anzusteuern.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein PWM-Kontakt über eine Serienschaltung eines Widerstands und einer Kapazität mit einem Grundpötenzial, insbesondere mit Masse, verbunden, wobei ein weiterer als Ein- und als Ausgang steuerbarer Kontakt des Steuerbausteins zwischen dem Widerstand und der Kapazität angeschlossen ist, und wobei zwischen Widerstand und Kapazität ein Spannungssignal abgreifbar ist.
-
Eine derartige zusätzliche Beschaltung des PWM-Kontakts ermöglicht ohne Einsatz eines Digital/Analog-Konverters die Erzeugung einer analogen Vergleichsspannung. Hierzu werden die mit dem PWM-Kontakt verbundenen Kommutierungskontakte jeweils als Eingänge konfiguriert. Wird der weitere als Ein- und als Ausgang steuerbare Kontakt als Eingang definiert, so kann zwischen Widerstand und Kapazität eine analoge Spannung abgegriffen werden, deren Höhe sich über die PWM-Taktung einstellen lässt. Der weitere als Ein- und als Ausgang steuerbare Kontakt wirkt hierbei gewissermaßen als Schalter. Ist er als Ausgang konfiguriert, so entsteht als Ausgangssignal ein dauerhaftes Signal entweder auf.dem Pegel HIGH oder auf dem Pegel LOW. Durch den Einsatz des PWM-Signales wird eine feinstufige Einstellung der analogen Spannung ermöglicht. Die Vergleichsspannung kann beispielsweise erzeugt werden, wenn unabhängige Betriebsbereiche des Elektromotors existieren, bei denen das PWM-Signal nicht zur Bestromungssteuerung benötigt wird. Dies ist beispielsweise in Bestromungslücken oder bei einer dauerhaften Bestromung eines Wicklungsstranges der Fall.
-
Zur.Ansteuerung eines Elektromotors sind die Kommutierungskontakte zweckmäßigerweise über einen Treiberbaustein mit einem von einem Gleichspannungskreis oder Zwischenkreis gespeisten, insbesondere PWM-steuerbaren Umrichter verbunden. Dabei transferiert der Treiberbaustein die Steuersignale des Steuerbausteins in entsprechende Leistungssignale, die die Schaltelemente des Umrichters ansteuern.
-
Als ein PWM-Umrichter weist dieser insbesondere für eine Motorzuleitung jeweils zwei steuerbare Schaltelemente, wie beispielsweise MOSFET's oder IGBT's auf, die in Serie zwischen die Zuleitung und die Rückleitung des Gleichspannungszwischenkreises geschaltet sind, wobei die Schaltelemente jeweils über eine Steuerleitung des Treiberbausteins an die Steuersignale, insbesondere an die Kommutierungskontakte, angebunden sind.
-
Da bei einer herkömmlichen Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik - wie eingangs erwähnt - die HIGHSIDE-Schaltelemente des Umrichters nicht unabhängig von den LOWSIDE-Schaltelementen steuerbar sind, wird meist nur das jeweilige HIGHSIDE-Schaltelement PWM-getaktet, während das LOWSIDE-Schaltelement entweder geöffnet oder geschlossen ist. Eine solche Beschaltung bzw. Ansteuerung führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Verlustleistung. So überwiegen in den HIGHSIDE-Schaltelementen Schaltverluste und in den LOWSIDE-Schaltelementen Leitungsverluste. Werden dagegen beide Schaltelemente PWM-getaktet, was die vorbeschriebene neue Schaltungsanordnung ermöglicht, so ist die Verlustleistung gleich verteilt. Damit sinkt die Maximalbelastung im PWM-Betrieb.
-
Insbesondere ermöglicht die Erfindung Kommutierungszustände, die bisher nicht angesteuert werden konnten. Beispielsweise war es bislang bei Verwendung eines Steuerbausteins mit lediglich einem PWM-Kontakt nicht möglich, eine Motorklemme auf die Zuleitung des Zwischenkreises und eine Motorklemme auf die Rückleitung des Zwischenkreises zu schalten sowie eine weitere Motorklemmebeispielsweise mit einem Tastverhältnis von 90% der Spannung des Zwischenkreises anzusteuern.
-
Weiter bietet die Erfindung.die Möglichkeit, zum Erreichen einer vorgegebenen Spannung zwischen den Motorklemmen das entsprechende HIGHSIDE-Schaltelement mit einem Tastverhältnis von 100% und das entsprechende LOWSIDE-Schaltelement mit einem gewünschten Tastverhältnis durch Nutzung des PWM-Signals anzusteuern. Während bei einer vorgegebenen Beschaltung der herkömmlichen Art, wobei beispielsweise nur das HIGHSIDE-Schaltelement angesteuert wurde, zum Erreichen einer Spannung zwischen zwei Motorklemmen von 60% der Spannung des Zwischenkreises das HIGHSIDE-Schaltelement mit einem Tastverhältnis von 60% PWM-getaktet werden musste, während ein LOWSIDE-Schaltelement dauerhaft geöffnet war, ist es mit der Erfindung wahlweise auch möglich, das HIGHSIDE-Schaltelement mit einem Tastverhältnis von 100% (Steuersignal weist den Pegel HIGH auf) und das LOWSIDE-Schaltelement mit einem Tastverhältnis von 40% PWM-gesteuert zu betreiben. Für den derart angesteuerten Elektromotor macht sich die hieraus resultierende Potenzialverschiebung nicht bemerkbar, da der Motorstrom und damit d'ie Leistung alleine durch die Potenzialdifferenz zwischen den Motorklemmen getrieben ist, die in beiden Fällen gleich bleibt. Jedoch wird - wie oben erwähnt - durch die geänderte Steuerung die Verlustleistung der Motorsteuerung bezüglich Leitungs- und Schaltverlusten symmetrisiert. Somit können kostengünstigere Bauteile wie Leistungshalbleiter oder Dioden verwendet werden bzw. erhöht sich durch die jeweilige verringerte Belastung deren Lebensdauer.
-
Die Erfindung kann weiter dazu benutzt werden, eine Positionsbestimmung des Elektromotors zu dessen Regelung bzw. Steuerung vorzunehmen. Wird nämlich der Elektromotor zum Erreichen hoher Drehzahlen derart betrieben, dass die Block-Kommutierung der elektromotorischen Kraft (kurz EMK), d. h. der in den Wicklungssträngen induzierten Spannung voraneilt, so kann eine Positionsbestimmung nicht mehr durch Erfassung des Nulldurchgangs der EMK ermittelt werden. Zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs der EMK startet nämlich bereits die Bestromung des entsprechenden Wicklungsstranges, so dass die induzierte Spannung als solche nicht mehr erfasst werden kann. Um dennoch eine Positionsbestimmung vornehmen zu können, ist die EMK an einer Stelle ungleich des Nulldurchganges zu messen. Hierzu wird es notwendig, eine Vergleichsspannung heranzuziehen, die mittels eines Komparators mit dem gemessenen Spannungswert der EMK verglichen wird. Diese Spannung kann mittels des PWM-Kontaktes des Steuerbausteins - wie oben beschrieben - erzeugt werden, indem das PWM-Signal an ein RC-Glied geleitet wird. Die Vergleichsspannung resultiert dabei aus dem vorgegebenen Tastverhältnis des PWM-Signals.
-
Da bei hoher Drehgeschwindigkeit das Tastverhältnis während der Block-Kommutierung bei 100% liegt, kann während dieser Zeit der jeweilige Kommutierungskontakt des Steuerbausteins als Ausgang konfiguriert werden. Dies erlaubt es, das PWM-Signal zur Generierung des Vergleichssignals heranzuziehen und mittels des Vergleichssignals eine Positionsbestimmung durch Messung des Wertes der EMK vorzunehmen. Auf einen Digital/Analog-Konverter kann verzichtet werden.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Schaltungsanordnung, bei der ein PWM-Kontakt jeweils über Widerstände mit Kommutierungskontakten verbunden ist,
- 2 eine Schaltungsanordnung gemäß Stand der Technik,
- 3 eine Schaltungsanordnung gemäß 1, wobei der PWM-Kontakt zusätzlich mit einem RC-Glied verbunden ist und
- 4 eine Schaltungsanordnung analog 3, die an einen Treiberbaustein zur Ansteuerung eines Elektromotors mittels eines Umrichters angeschlossen ist.
-
In 1 ist eine Schaltungsanordnung 1 zur Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromotors (nicht dargestellt) gezeigt. Die Schaltungsanordnung 1 weist hierbei einen Steuerbaustein 2 in Gestalt eines Mikrokontrollers auf, der eine Anzahl von konfigurierbaren Kontakten 4 enthält. Zumindest ein Teil dieser Kontakte 4 ist wechselweise als Ein- und als Ausgang konfigurierbar.
-
Zur Ansteuerung des Elektromotors weist der Steuerbaustein 2 insbesondere drei Kommutierungskontakte 5,6 und 7 auf, die ebenfalls jeweils sowohl als Ein- als auch als Ausgänge konfigurierbar sind. Die drei Kommutierungskontakte 5,6 und 7 erzeugen jeweils ein Kommutierungssignal, welches zur Steuerung der Spannungsversorgung jeweils einer Motorklemme eines , bipolaren dreiphasigen Elektromotors verwendet werden kann. Die Ausgangssignale der drei Kommutierungskontakte 5,6,7 können insbesondere zur Ansteuerung der jeweiligen HIGHSIDE-Schaltelemente eines von einem Zwischenkreis gespeisten Umrichters genutzt werden.
-
Weiter weist der Steuerbaustein 2 einen PWM-Kontakt 8 auf, der ein konfigurierbares PWM-Signal zur PWM-Taktung der angesteuerten Schaltelemente dient. Durch die PWM-Taktung mit einem entsprechenden Tastverhältnis wird das an den Motorklemmen jeweils anliegende Potential variiert, wodurch letztlich die über die Wicklungsstränge des Elektromotors jeweils abfallende Strangspannung und somit die Strangbestromung eingestellt wird.
-
Zur Nutzung des PWM-Signals des einzigen PWM-Kontaktes 8 ist dieser über die Widerstände 14,15,16 jeweils mit den Kommutierungskontakten 5,6 und 7 elektrisch kontaktiert. Über die Verbindungsleitungen 10,11 und 12 sind die hieraus resultierenden Steuersignale für die Schaltelemente des Umrichters abgreifbar.
-
Mit einem digitalen Kommutierungssignal und einem digitalen PWM-Signal können somit für jedes Steuersignal in den Verbindungsleitungen 10,11 und 12 drei Zustände erzeugt werden. So wird ohne Ausnutzung des PWM-Signales durch Konfigurieren des jeweiligen Kommutierungskontaktes 5,6 bzw. 7 ein Steuersignal mit einem Pegel von HIGH oder von LOW erzeugt. Der Kommutierungsausgang dominiert. Wird der jeweilige Kommutierungskontakt 5,6 bzw. 7 dagegen als Eingang konfiguriert, so dominiert das ausgegebene PWM-Signal, so dass das entsprechende Schaltelement des Umrichters PWM-getaktet werden kann.
-
In 2 ist demgegenüber eine Schaltungsanordnung 20 gemäß Stand der Technik dargestellt. Die Schaltungsanordnung 20 gemäß 2 umfasst hierbei den gleichen Steuerbaustein 2 wie die Schaltungsanordnung 1 gemäß 1. Jedoch ist zur Ansteuerung hierbei die wechselweise Konfigurierbarkeit der Kontak-. te 4 bzw. der Kontakte 5,6 und 7 als Ein- und als Ausgänge nicht berücksichtigt. Das für die Schaltelemente über die Verbindungsleitungen 10,11 und 12 abgreifbare Steuersignal wird stattdessen durch eine logische Verknüpfung zwischen dem PWM-Signal des PWM-Kontaktes 8 und den jeweiligen Kommutierungssignalen der Kommutierungskontakte 5,6 und 7 erzeugt. Hierzu sind das PWM-Signal und die jeweiligen Kommutierungssignale jeweils über einen Logikbaustein 21,22 bzw. 23 verknüpft. In diesem Fall handelt es sich bei den Logikbausteinen 21,22 und 23 jeweils um ein ODER-Gatter.
-
Liegt das Kommutierungssignal der jeweiligen Kommutierungskontakte 5,6 und 7 auf dem Pegel LOW, so entspricht das jeweilige Steuersignal dem PWM-Signal des PWM-Kontaktes 8. Liegt das Kommutierungssignal auf dem Pegel HIGH, so wird das jeweilige Steuersignal ebenfalls auf den Pegel HIGH gezogen. Eine dauerhafte Erzeugung eines Steuersignales mit dem Pegel LOW ist nicht möglich.
-
Um somit einen bipolaren dreiphasigen Elektromotor ansteuern zu können, werden die HIGHSIDE-Schaltelemente eines Umrichters mittels Steuersignalen aus den Verbindungsleitungen 10,11 und 12 wie dargestellt versorgt, die über ein ODER-Gatter mit dem PWM-Signal,logisch verknüpft sind. Die jeweiligen LOWSIDE-Schaltelemente des Umrichters werden entsprechend durch logische Verknüpfung weiterer Kommutierungssignale mit dem PWM-Signal unter Zuhilfenahme eines UND-Gatters erzeugt.
-
Es ist ersichtlich, dass die Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 mehr Möglichkeiten zur Ansteuerung des Elektromotors bietet als die Schaltungsanordnung 20 gemäß 2.
-
In 3 ist eine Schaltungsanordnung 1 gemäß 1 dargestellt, wobei zusätzlich der PWM-Kontakt 8 mit einem RC-Glied kontaktiert ist. Das RC-Glied umfasst hierbei einen Widerstand 27, der in Serie mit einem Kondensator bzw. einer Kapazität 28 geschaltet ist. Die Kapazität 28 ist mit Masse 30 verbunden.
-
Werden die Kommutierungsausgänge 5,6 und 7 jeweils als Eingänge definiert, so kann über die Verbindungsleitung 31 am RC-Glied eine analoge Spannung abgegriffen werden, deren Höhe von dem Tastverhältnis des PWM-Signales, welches am PWM-Kontakt 8 erzeugt wird, abhängig ist.
-
Über den weiteren Kontakt 26, der ebenfalls wechselweise als Ein- und als Ausgang konfigurierbar ist, kann-die erzeugte Analogspannung ein- bzw. ausgeschaltet werden. Ist der Kontakt 26 als Ausgang.definiert, so kann über die Verbindungsleitung 31 entweder der Pegel HIGH oder der Pegel LOW abgegriffen werden. Bei einer Konfigurierung des Kontaktes 26 als Eingang kann hingegen die erzeugte Analogspannung abgegriffen werden.
-
Die auf .diese Art und Weise mittels PWM-Taktung unter Nutzung des PWM-Kontaktes 8 erzeugte Analogspannung wird insbesondere - wie bereits erwähnt - zur Positionsbestimmung des Elektromotors durch Messung der in den Wicklungssträngen generierten Induktionsspannung verwendet. Insbesondere ist dies der Fall, wenn bei hohen Drehzahlen die jeweiligen Schaltelemente des Umrichters ohne PWM-Taktung angesteuert werden und die Block-Kommutierung der EMK vorauseilt. Dann wird die EMK in den. Stromlücken der Block-Kommutierung an einer.Stelle außerhalb des Nulldurchgangs gemessen, indem der Wert der Induktionsspannung mit der erzeugten Vergleichsspannung verglichen wird.
-
4 zeigt den Steuerbaustein.2, dessen Steuersignale mittels eines Treiberbausteins 34 zur Ansteuerung der Schaltelemente eines Umrichters 35 umgesetzt und somit zur Ansteuerung eines elektrischen Motors 37 verwendet werden.
-
Man erkennt wie in den 1 und 3 die Kommutierungskontakte 5,6 und 7 sowie den PWM-Kontakt 8 des Steuerbausteins 2. Die Kommutierungskontakte 5,6 und 7 werden zur Ansteuerung der HIGHSIDE-Schaltelemente des Umrichters 35 eingesetzt. Hierzu sind die Kommutierungskontakte 5, 6 und 7 jeweils über die Widerstände 14,15 bzw. 16 mit dem PWM-Kontakt 8 elektrisch verbunden.
-
Weiter weist der Treiberbaustein 2 zusätzliche Kommutierungskontakte 5`,6` und 7` auf, die zur Ansteuerung der LOWSIDE-Schaltelemente des Umrichters 35 eingesetzt werden. Um das entsprechende Steuersignal für die LOWSIDE-Schaltelemente des Umrichters 35 zu erzeugen, sind die Kommutierungskontakte 5`,6` und 7' ebenfalls über die Widerstände 14`,15` und 16' elektrisch mit dem PWM-Kontakt 8 des Steuerbausteins 2 verbunden.
-
Der Elektromotor 37 ist ein bipolarer, dreiphasiger Elektromotor mit drei Wicklungssträngen, die im Stern geschaltet sind. Die hieraus resultierenden drei Motorklemmen sind jeweils über die HIGHSIDE- bzw. die LOWSIDE-Schaltelemente des Umrichters 35 abwechselnd mit dem hohen und dem niedrigen Potenzial eines Zwischenkreises schaltbar, über den der Umrichter 35 gespeist wird. Somit wird über entsprechende Beschaltung der Schaltelemente die Bestromung der Wicklungsstränge derart ermöglicht, dass ein rotierendes Magnetfeld aufgebaut wird, von welchem ein Läufer mit Permanentmagnet mitgenommen wird.
-
Der Treiberbaustein 2 gemäß 4 ist derart konfiguriert, dass zum Steuern des Elektromotors 37 sowohl die HIGSIDE- als auch die LOWSIDE-Schaltelemente des Umrichters 35 PWM-getaktet werden. Die Schaltungsanordnung gemäß 4 bietet die Möglichkeit, abhängig vom jeweils gewünschten Betriebsbereich den Elektromotor 37 unterschiedlich anzusteuern. So ist es natürlich auch möglich, nur die HIGHSIDE-Schaltelemente durch PWM-Taktung anzusteuern, während die LOWSIDE-Schaltelemente lediglich geöffnet bzw. geschlossen werden. Dieser Betriebsbereich ist beispielsweise notwendig, da im Falle der Verwendung einer Bootestrap-Schaltung ein Betriebsbereich mit wechselweiser Taktung der HIGHSIDE- und der LOWSIDE-Schaltelemente nicht zulässig ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, im Falle eines verbotenen Betriebsbereiches zur Taktung der HIGHSIDE-Schaltelemente nur die LOWSIDE-Schaltelemente durch PWM-Taktung anzusteuern.
-
Die Belastung der Schaltelemente und gegebenenfalls Kondensatoren ist am höchsten und die elektromagnetische Verträglichkeit am schlechtesten, wenn das Tastverhältnis des PWM-Signals nahe 100% ist. Statt konstant mit beispielsweise einem Tastverhältnis von 95% zu kommutieren, kann der Elektromotor 37 auch derart angesteuert werden, dass zwischen PWM-Betrieb (mit einem Tastverhältnis von z.B. 90%) und Nicht-PWM-Betrieb gewechselt wird. Eine gleichmäßige Verlustleistungsaufteilung kann auch hier erreicht werden, indem man alternierend während eines Zyklus nur die HIGHSIDE- oder nur die LOWSIDE-Schaltelemente taktet.
-
Schließlich ist es auch möglich, den Elektromotor 37 derart anzusteuern, dass insgesamt betrachtet zur gleichen Zeit Wicklungsstränge mit der Zuleitung und Wicklungsstränge mit der Rückleitung des Umrichters verbunden sind sowie Wicklungsstränge PWM-getaktet werden. Dabei muss der PWM-Betrieb nicht zu Beginn eines Kommutierungsblockes stehen. Hierdurch können beispielsweise die elektromagnetische Verträglichkeit, die Stromwelligkeit oder der Wirkungsgrad günstig beeinflusst werden.
-
Schließlich kann auch ein Betriebsbereich gefahren werden, indem das PWM-Signal nicht mehr für die Kommutierung verwendet wird. Hierbei werden die einzelnen Schaltelemente des Umrichters entweder ein- oder ausgeschaltet. In diesem Fall kann das PWM-Signal für andere Zwecke, wie insbesondere zur Erzeugung eines analogen Vergleichsspannungssignals eingesetzt werden. Hierzu ist das RC-Glied, bestehend aus dem Widerstand 27 und der Kapazität 28, vorgesehen. Über den Kontakt 26 wird die am RC-Glied abgreifbare Vergleichsspannung ein- bzw. ausgeschaltet. Die Vergleichsspannung steht der Positionserkennung 39 zur Verfügung, die den Wert der erzeugten Vergleichsspannung zur Messung der in den Wicklungssträngen erzeugten Induktionsspannung heranzieht. Über die Höhe der Vergleichsspannung kann dabei der Zeitpunkt der Messung beeinflusst werden. Somit kann die induzierte Spannung auch an Stellen außerhalb des Nulldurchgangs bestimmt werden, was bei Einstellung eines positiven Zündwinkels notwendig wird.
-
Das Ausgangssignal der Positionserkennung 39 wird wiederum dem Steuerbaustein 2 zugeleitet, so dass der Elektromotor phasengerecht angesteuert werden kann.
