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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen einer Motorstrommessschaltung, die insbesondere, aber nicht ausschließlich dafür vorgesehen ist, als Teil einer Motorsteuerschaltung verwendet zu werden, die dazu geeignet ist, einen Motor zu steuern, der Teil eines elektromechanischen Servolenkungs(EPAS)systems ist.
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Es ist bekannt, eine Strommessschaltung zum Messen des Stroms bereitzustellen, der in eine Masserückführleitung oder einen Gleichspannungszwischenkreis eines Mehrphasenmotors eines EPAS-Systems hinein und heraus fließt. Diese kann als Teil der Steuerschaltung für einen langsamlaufenden sensorlosen Motor verwendet werden, womit ein Motor gemeint ist, in dem kein dedizierter Positionssensor vorhanden ist, sondern stattdessen ein Strommesswert zum Schätzen der Motorposition verwendet wird. In Kenntnis der Impedanz des Motors für verschiedene Positionen des Rotors ist es möglich, seine Position anhand des Strommesswertes und der Änderung des Strommesswertes als Funktion der Zeit zu bestimmen. Dies erfordert allerdings eine hochgradig genaue Messung, wenn eine präzise Steuerung erforderlich ist, was sich insbesondere in der anspruchsvollen Umgebung als problematisch herausgestellt hat, in der EPAS-Systeme angeordnet sind und in der sie hohen elektromagnetischen Rauschpegeln in einem oft beschränkten Raum ausgesetzt sind.
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Natürlich finden Stromerfassungsschaltungen in einem breiten Bereich anderer Schaltungen Anwendung, so dass die vorliegende Erfindung auch in anderen Schaltungen anwendbar ist, in denen eine hochpräzise Strommessung erforderlich ist.
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Typischerweise wird in herkömmlichen Strommessschaltungen zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen das Strommesssignal durch Verstärken des Potentialunterschieds oder Spannungsabfalls über einen im Strompfad in Serie geschalteten Widerstand erhalten. Bei einem Motor muss der Widerstand hierzu typischerweise mit zwei Phasen des Motors oder des Gleichspannungszwischenkreises in Serie geschaltet werden. Dieses Signal wird nach Bedarf auf einen Pegel verstärkt, der für eine direkte Eingabe in einen Analog-Digital-Wandler (ADC) geeignet ist, in dem es durch eine Analog-Digital-Umwandlung in eine digitale Darstellung umgewandelt wird. Das Strommesssignal wird herkömmlich unter Verwendung eines Differenzialverstärkers erhalten, dessen Ausgangssignal eine Spannung aufweist, die der über den Widerstand abfallenden Spannung proportional ist. Ein Beispiel einer derartigen Schaltung ist aus der
WO2004/023639 bekannt.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird durch die Erfindung eine Motorstrommessschaltung bereitgestellt, mit: einem Messwiderstand, der in einem Pfad angeordnet ist, durch den während des Betriebs des Motors mindestens ein Teil des in den Motor hinein oder aus ihm heraus fließenden Stroms fließt, einem ersten Verstärker, der einen Differenzialverstärker aufweist, der einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang hat, die mit den entgegengesetzten Enden des Messwiderstands verbunden sind, und einen Ausgang hat, an dem der Verstärker dafür konfiguriert ist, im Betrieb ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eine über den Widerstand abfallende Spannung und damit den durch den Widerstand fließenden Strom darstellt, und einem Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Verstärkers verbunden ist, und einem Ausgang, wobei der Wandler im Betrieb dafür konfiguriert ist, an seinem Ausgang ein Digitalsignal bereitzustellen, das den durch den Messwiderstand fließenden Strom darstellt, wobei der erste Verstärker einen Transkonduktanzverstärker aufweist, wodurch das Ausgangssignal einen Strom aufweist, der zur Eingangsspannung über die beiden Eingänge proportional ist.
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Der Anmelder hat erkannt, dass bei der herkömmlichen Anordnung ein mögliches Problem darin besteht, dass die Genauigkeit der Messung zu niedrig sein kann, um dafür benutzt zu werden einen Strommesswert zu erhalten, der zur Verwendung in einer Steuerung für einen langsamlaufenden sensorlosen Motor ausreichend genau ist. Die bisherige Lösung bestand darin, einen dedizierten Positionssensor für Systeme zu verwenden, in denen eine genaue Positionsmessung bei niedrigen Geschwindigkeiten erforderlich ist. Der Anmelder hat nun erkannt, dass eine Hauptursache dieser häufig niedrigen Genauigkeit darin besteht, dass Induktionsströme in der Massefläche, d. h. Ströme, die von magnetischen Streufeldern stammen, die durch die Motortreiberschaltung oder den Motor selbst erzeugt werden, eine Potentialdifferenz zwischen dem Differenzialverstärker und einer nachfolgenden Verarbeitung, z. B. nachgeschalteten Verstärkern oder dem ADC, hervorrufen.
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Der Anmelder hat erkannt, dass durch Vorsehen eines Differenz-Transkonduktanzverstärkers (manchmal als Operations-Transkonduktanzverstärker bezeichnet) in einer durch die vorliegende Erfindung definierten Schaltung zum Bereitstellen eines Ausgangssignals, dessen Strom zur Differenzspannung an den Eingängen proportional ist, statt eines Ausgangssignals, wie dies in der Vergangenheit der Fall war, dessen Spannung zur Differenzspannung an den Eingängen proportional ist, die Schaltung für in der Massefläche innerhalb der Schaltung selbst auftretendes Spannungsrauschen weniger empfindlich ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine Schaltung herzustellen, die für Einkopplung von Rauschen in der Verbindung vom Ausgang des Verstärkers zu einer nachgeschalteten Schaltung, wie beispielsweise einem ADC, weniger empfindlich ist. Der Anmelder hat erkannt, dass dadurch ein deutlicher Vorteil erzielt werden kann, durch den die Schaltung zum Bestimmen der Motorposition auch bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten geeignet gemacht wird.
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Der erste Verstärker kann ein Ausgangssignal erzeugen, dessen Strom mit den Eingangsspannungen durch die folgende Funktion in Beziehung steht: Iout = G·(Vin1 – Vin2), wobei Iout der am Ausgang des ersten Verstärkers erzeugte Strom ist, Vin1 und Vin2 die den beiden Eingängen zugeführten Spannungen sind und G die Verstärkung des Verstärkers ist.
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Die Verstärkung kann derart gewählt werden, dass der Verstärker eine Umwandlungsrate von 0,1 Ampere pro Volt hat. Das bedeutet, wenn die Eingangsspannung 1 V beträgt, wird das Ausgangssignal 0,1 Ampere betragen, bei 2 Volt würden 0,2 Ampere erhalten, usw.
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Zwischen dem Eingang des ADC und Masse kann ein weiterer Widerstand vorhanden sein, wobei der Widerstand bewirkt, dass der vom ersten Verstärker ausgegebene Strom am Eingang des ADC eine proportionale Spannung erzeugt. Faktisch wandelt dies das Stromsignal in ein Spannungssignal um. Dieser Widerstand sollte vorzugsweise mit dem Eingang des ADC verbunden und so nahe am Eingang wie möglich angeschlossen sein.
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Der Widerstandswert des Widerstands kann in einem Bereich zwischen 100 Ohm und 500 Ohm gewählt werden und beträgt am bevorzugtesten 200 Ohm. In Kombination mit einer Verstärkung von 0,1 Ampere pro Volt des ersten Verstärkers wird dadurch eine Gesamtübertragungsfunktion von 20 Volt pro Volt von der Nebenschlussspannung zum ADC-Eingang bereitgestellt. Dadurch werden herkömmliche Schaltungen imitiert, die Differenzspannungsverstärker mit dieser Verstärkung verwenden. Ein Fachmann wird natürlich erkennen, dass nach Bedarf andere Verstärkungen bereitgestellt werden können, es hat sich aber herausgestellt, dass diese Funktion in Kraftfahrzeuganwendungen gut funktioniert.
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Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers kann dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers unmittelbar oder über einen weiteren Verstärker zugeführt werden. Ähnlich wie dies für den ADC beschrieben worden ist, kann zwischen dem Eingang des weiteren Verstärkers und Masse ein weiterer Widerstand bereitgestellt werden, der vorzugsweise so nahe am Eingang wie möglich angeschlossen ist.
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Die Stromerfassungsschaltung kann als eine integrierte Schaltung ausgebildet sein. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines derartigen Transkonduktanzverstärkers ist, dass er im Vergleich zu einem herkömmlichen Differenzialverstärker in der Schaltung weitaus weniger Widerstände für seine Konstruktion benötigt. Tatsächlich ist es möglich, einen derartigen Verstärker abgesehen von der Eingangsstufe ohne interne Widerstände zu konstruieren. Durch die Erfindung kann ein Verstärker bereitgestellt werden, der lediglich in seiner Eingangsstufe Widerstände aufweist.
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Die Schaltung kann so aufgebaut sein, dass sie nur sechs Widerstände enthält. Dies ist bei der Herstellung der Schaltung als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC zweckmäßig, bei der es schwierig sein kann, den Wert von Widerständen präzise einzustellen. In einer Anordnung können alle Widerstände um den Eingang die gleichen angepassten Werte besitzen. Beispielsweise kann jeder Eingang eine durch zwei Widerstände, die den gleichen Wert haben können, festgelegte Verstärkung aufweisen. Dies ist im Vergleich zu der Erfordernis, Paare ungleicher Widerstände um den Verstärker einer herkömmlichen Schaltung bereitzustellen, vorteilhaft. Genau gleiche Widerstände können oft kostengünstig in Packungen erhalten werden, wodurch eine derartige Schaltung einfacher und kostengünstiger wird.
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Der Messwiderstand kann so angeordnet sein, dass im Wesentlichen der gesamte von der Gleichstromversorgung gezogene Strom, der durch die Phase des Motors fließt, durch den Widerstand fließt. Dies kann erreicht werden, indem der Widerstand in der Masserückführleitung des Motors angeordnet ist. Er kann ein einzelnes Widerstandselement oder eine Gruppe mehrerer Elemente aufweisen, die zwischen einem ersten und einem zweiten Punkt in Serie oder parallel geschaltet sind. Der Spannungsabfall kann über die gesamte Gruppe von Elementen am ersten und am zweiten Punkt gemessen werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird durch die Erfindung eine integrierte Schaltung, z. B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC, mit einer Stromerfassungsschaltung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt.
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Dem Anwender ist keine herkömmliche integrierte Schaltungslösung zur Strommessung bekannt, die einen im Schaltungsdesign integrierten Operations-Transkonduktanzverstärker aufweist, um die Probleme des unerwünschten elektrischen Rauschens zu vermindern.
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Die Schaltung kann zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen geeignet sein, in denen eine Spannungsversorgung von einer 12-Volt- oder möglicherweise 24-Volt- oder 48-Volt-Batteriequelle erfolgt.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird durch die Erfindung in einer Motorsteuerschaltung für einen sensorlosen Motor in einem elektromechanischen Servolenkungssystem eine Stromerfassungsschaltung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und/oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bereitgestellt.
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Die Motorsteuerschaltung kann in einem gemeinsamen Gehäuse mit der Hochleistungstreiberschaltung für den Motor angeordnet sein, insbesondere bei einem sensorlosen Motor, der Teil eines EPAS-Systems ist. Die gesamte oder ein Teil dieser Hochleistungsschaltung kann auf der gleichen integrierten Schaltung wie die Strommessschaltung angeordnet sein. In der Vergangenheit wäre dies nicht möglich gewesen oder würde eine sehr sorgfältige Betrachtung der Erdung erfordert haben. Auf jeden Fall wäre in der Vergangenheit die Strommessung in derartigen Anordnungen häufig verrauscht und zum Bereitstellen der bei einer sensorlosen Steuerung erforderlichen hochgradig genauen Messungen nicht geeignet gewesen.
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Nachstehend wird anhand eines Beispiels nur eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine Überblicksdarstellung einer Motorschaltung ist, die zur Verwendung in einem elektromechanischen Servolenkungssystem geeignet ist; und
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2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Motorstrommessschaltung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist, die einen Teil des Systems aus 1 bildet.
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1 zeigt eine zur Verwendung in einem elektromechanischen Servolenkungssystern geeignete Motorschaltung. Der Motor 1 ist typischerweise über ein Getriebe mit einem Teil einer Lenkung verbunden, um auf bekannte Weise ein Unterstützungsdrehmoment für den Fahrer bereitzustellen. Der dargestellte Motor 1 ist ein Dreiphasenmotor und wird durch Ströme angetrieben, die von einer durch eine Steuerschaltung 3 gesteuerten Motortreiberstufe 2 zugeführt werden. Die drei Phasen 4, 5, 6 weisen je einen oberen und einen unteren Schalter (nicht dargestellt) auf, die in jeder Phase oder jedem Zweig des Motors in einer Brückenschaltung verbunden sind. Die Motortreiberschaltung steuert die Konfigurationen der Schalter, die wiederum die Phasen des Motors alternierend entweder mit einem positiven Batterieanschluss oder mit einer Masse verbinden, was eine als Pulsbreitenmodulation bekannte Steuerstrategie darstellt. Die Steuerschaltung steuert die Treiberschaltung 2 unter Verwendung eines geeigneten Steueralgorithmus. Auf dem Fachgebiet sind viele verschiedene Algorithmen, die häufig auf Pulsbreitenmodulation basieren, als Mittel zum Steuern der Drehzahl und des Drehmoments des Motors bekannt.
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Im vorliegenden Beispiel benötigt die Motortreiberschaltung zur Anwendung des Algorithmus Information, die die Position des Rotors des Motors
1 zu jedem beliebigen Zeitpunkt angibt. Diese kann von einem dedizierten Motorpositionssensor geliefert werden. Alternativ kann Information über die Position des Motors aus Messungen des zu jedem Zeitpunkt in die Masserückführleitung des Motors hinein oder heraus fließenden Stroms unter Verwendung einer Strommessschaltung erhalten werden. Im vorliegenden Beispiel ist die letztgenannte Lösung gewählt, wobei die Strommessschaltung
7 der Steuerschaltung
3 Stromsignale zuführt. Die Strommessung kann dann zum Ermitteln der Stromänderungsrate über der Zeit verwendet werden, und daraus der Motorposition, vorausgesetzt, Information über die Motorinduktivität ist über einen Bereich von Motorpositionen bekannt. Ein derartiges System ist neben anderen Lehren aus der
WO2004/023639 bekannt.
1 der Zeichnungen zeigt eine exemplarische Strommessschaltung.
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Die Schaltung 7 umfasst einen Strommesswiderstand 8 oder Nebenschlusswiderstand, der in der gemeinsamen Masserückführleitung des Motors 1 angeordnet ist. Wenn Strom durch den Motor fließt, fließt dieser auch durch den Messwiderstand 8, wodurch ein Spannungsabfall über den Widerstand verursacht wird, der nach dem ohmschen Gesetz durch Vdrop = I·R definiert ist, wobei Vdrop der Spannungsabfall über den Widerstand ist, I der durch den Widerstand fließende Strom und R der Widerstandwert ist. Es wird vorausgesetzt, dass der Widerstand 8 ein rein ohmscher Widerstand ist, obgleich er in der Praxis eine gewisse ihm zugeordnete Induktivität oder Kapazität besitzen kann. Trotzdem wird, wenn der Widerstand dominiert, der Spannungsabfall allgemein wie gemäß dem ohmschen Gesetz erwartet sein.
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Es wird eine Verbindung von jedem Ende des Messwiderstands zu einem entsprechenden Eingang 9a, 9b des ersten Verstärkers 9 hergestellt. Der Verstärker 9 ist einen Operations- oder Differenz-Transkonduktanzverstärker. Er hat vier Eingangswiderstände, die die Verstärkung der beiden Eingänge festlegen und im vorliegenden Beispiel alle den gleichen Wert haben. Der Verstärker führt die Funktion des Bereitstellens eines Stromsignals an einem Ausgang 10 aus, dessen Wert zur Spannungsdifferenz zwischen seinen Eingängen proportional ist, was in der Anordnung der 1 bedeutet, dass das Stromausgangssignal dem durch den Messwiderstand fließenden Strom proportional sein wird. Wenn der Verstärker ein idealer Verstärker ist, kann der erste Verstärker die folgende Funktion ausführen: Iout = G·(Vin1 – Vin2), wobei Iout der am Ausgang des ersten Verstärkers erzeugte Strom ist, Vin1 und Vin2 die den beiden Eingängen zugeführten Spannungen sind und G die Verstärkung des Verstärkers ist. Die Verstärkung ist so gewählt, dass ein Spannungsabfall von 1 Volt über die Eingänge einen Strom von 0,1 Ampere am Ausgang liefert.
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Das Signal am Ausgang 10 des ersten Verstärkers 9 wird über eine weitere Verbindung 11, die typischerweise eine Leiterbahn auf einer gedruckten Schaltung ist, einem Analog-Digital-Wandler (ADC) 12 zugeführt. Es sollte ein ADC 12 mit einer hohen Eingangsimpedanz gewählt werden, und zwischen einem Eingang 12a und Masse 14 ist ein Bürdenwiderstand 13 vorhanden. Im vorliegenden Beispiel hat dieser einen Wert von 200 Ohm, und seine Gegenwart wandelt den vom ersten Verstärker ausgegebenen Strom in eine Spannung. Dadurch wird vom Eingang des ersten Verstärkers zum Eingang des ADC eine Gesamtübertragungsfunktion von 20 Volt pro Volt erhalten. Der Wandler hat einen einzigen Ausgang und stellt an diesem Ausgang eine digitale Darstellung der am Eingang des ADC vorhandenen Spannung bereit. Es kann eine breite Vielfalt von ADC-Schaltungen verwendet werden, wobei die exakte Wahl des ADC für die Implementierung der vorliegenden Erfindung nicht kritisch und deshalb hierin nicht ausführlich beschrieben wird.
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In der dargestellten Ausführungsform wird das Ausgangssignal des ersten Verstärkers 9 auch dem Eingang eines zweiten Verstärkers 15 zugeführt. Dieser ist ein Verstärker, der die Spannung an seinem Eingang proportional zur Änderungsrate der Spannung verstärkt, um eine Spannung an seinem Ausgang zu liefern. Für die Eingangsimpedanz des zweiten Verstärkers wird ein sehr hoher Wert gewählt, und auch hier wird zwischen dem Eingang und einem Massepotential ein Widerstand bereitgestellt, der dazu dient, den zum Eingang fließenden Strom in eine Spannung umzuwandeln. Wie dargestellt ist, ist dieser Widerstand der gleiche Widerstand 13, der mit dem Eingang des ADC 12 verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004/023639 [0004, 0025]
