DE60033795T2 - Kostengünstiger bürstenmotortreiber in verbindung mit einem kostengünstigen geschalteten reluktanzmotortreiber - Google Patents

Kostengünstiger bürstenmotortreiber in verbindung mit einem kostengünstigen geschalteten reluktanzmotortreiber Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Elektromotoren und insbesondere auf eine kombinierte Treiberschaltung für einen Bürstenmotor und einen geschalteten Reluktanzmotor.
  • Stand der Technik
  • Elektromotoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Zwei Typen von Elektromotoren sind Bürstenmotoren und geschaltete Reluktanzmotoren. Jeder besitzt unterschiedliche Betriebseigenschaften und daher Vorteile, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind.
  • Beispielsweise steuert ein Mehrkreisbremssystem für ein Kraftfahrzeug eine vordere und eine diagonal entgegengesetzte hintere Bremse. Die vordere Bremse erfordert eine hohe Ansprechleistung, während die hintere Bremse eine wesentliche niedrigere Ansprechleistung erfordert. Somit wird zum Betätigen der hinteren Bremse ein Bürstenmotor verwendet, während zum Betätigen der vorderen Bremse ein geschalteter Reluktanzmotor verwendet wird.
  • Im Hinblick auf den geschalteten Reluktanzmotor ist die Treiberschaltung aus Leistungsschaltvorrichtungen und Dioden gebildet, um die Motorphasenwicklungen entsprechend der Position des Rotors nacheinander mit Energie zu versorgen, um ein sich drehendes Magnetfeld zu erzeugen, das mit den Rotorpolen in Wechselwirkung tritt, um ein Drehmoment einer gewünschten Richtung und Größe zu erzeugen.
  • Um im Bemühen, die Kosten der Treiberschaltung zu reduzieren, die Anzahl von Leistungsvorrichtungen oder Leistungsbausteinen zu minimieren, sind mehrere Treiberschaltungstopologien vorgeschlagen worden. Eine solche Topologie ist in dem US-Patent 4,835,408, erteilt an Ray u. a., beschrieben. Die bei Ray offenbarte Schaltung, im Allgemeinen als Schaltung mit aufgeteilter Verbindung (split-link circuit) bezeichnet, verwendet Kondensatoren, um einen Zwischenspannungsbus einzurichten. Mit dem Zwischenspannungsbus sind eine oder mehrere der Phasenwicklungen gekoppelt. Bei Kraftfahrzeuganwendungen beträgt die Versorgungsspannung typischerweise 12 Volt. Ein solcher Entwurf reduziert die Anzahl von erforderlichen Leistungsvorrichtungen, jedoch ist zum Versorgen der Phasenwicklungen mit Energie nur die halbe Versorgungsspannung verfügbar. Im Ergebnis ist der Wirkungsgrad der Ansteuerung infolge erhöhter Schalt- und Leitungsverluste reduziert.
  • Das US-Patent 5,900,712, erteilt an Disser u. a., hält einen zweiten Bus auf einer Spannung, die entweder höher oder niedriger als die Versorgungsspannung ist, und erweitert dadurch den Spannungsbereich der Versorgung.
  • Was den Bürstenmotor betrifft, wird die Motorrichtung durch die Polarität der an die Bürstenanschlüsse angelegten Spannung gesteuert. Da es wünschenswert ist, die Leistung für die Bremse zu maximieren, sollte die volle Versorgungsspannung an die Bürstenanschlüsse angelegt werden.
  • Die angelegte Spannung kann durch zwei Verfahren umgekehrt werden. Im ersten Verfahren verwendet eine herkömmliche "H-Brücken"-Vier-FET-Transistorkonfiguration eine einzige Leistungsversorgung. Beim Steuern der Kommutierungslogik der Transistoren werden zwei diagonal entgegengesetzte Transistoren dazu verwendet, in einer Richtung Spannung anzulegen, während die anderen zwei diagonal entgegengesetzten Transistoren dazu verwendet werden, in der anderen Richtung Spannung anzulegen. Das zweite Verfahren verwendet zwei Leistungsversorgungen. Die Verwendung von vier Leistungsvorrichtungen beim ersten Verfahren und die zweite Leistungsversorgung erhöhen die Kosten des Systems.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf ein oder mehrere der obigen Probleme gerichtet.
  • KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß Anspruch 1 ist eine kombinierte Treiberschaltung für einen geschalteten Reluktanzmotor und einen Bürstenmotor geschaffen. Der geschaltete Reluktanzmotor besitzt mehre Phasenwicklungen. Die kombinierte Treiberschaltung umfasst eine Gleichspannungs-Leistungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Versorgungsbus. Ein SR-Motor-Treiber führt dem geschalteten Reluktanzmotor Strom zu. Der SR-Motor-Treiber umfasst einen ersten Kondensator, der mit dem ersten und dem zweiten Versorgungsbus gekoppelt ist, um Energie von der Gleichspannungs-Leistungsversorgung zu speichern, und einen zweiten Kondensator, der mit dem ersten Kondensator und einem dritten Versorgungsbus gekoppelt ist, so dass über dem zweiten Kondensator eine Spannung des dritten Versorgungsbusses aufgebaut wird. Ein Bürstenmotor-Treiber ist mit dem ersten und dem zweiten Kondensator gekoppelt. Der SR-Motor-Treiber ist so beschaffen, dass er dem Bürstenmotor Strom zuführt. Der Bürstenmo tor-Treiber besitzt ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement, die mit dem Bürstenmotor gekoppelt sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN AUS DEN ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockschaltplan einer kombinierten Treiberschaltung für einen Bürstenmotor und einen geschalteten Reluktanzmotor;
  • 2 ist eine schematische Darstellung der kombinierten Treiberschaltung von 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein Blockschaltplan, der Verbindungen zwischen der kombinierten Treiberschaltung und dem Bürstenmotor von 1 zeigt; und
  • 4 ist ein Blockschaltplan, der Verbindungen zwischen der kombinierten Treiberschaltung und dem geschalteten Reluktanzmotor von 1 zeigt.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In den 1 und 2 bildet die vorliegende Erfindung eine kombinierte Treiberschaltung 102 für einen geschalteten Reluktanzmotor (SR-Motor) 104 und einen Bürstenmotor 106. Der geschaltete Reluktanzmotor 106 weist mehrere Phasenwicklungen auf (siehe weiter unten). Eine Gleichspannungs-Leistungsquelle 116 führt der kombinierten Treiberschaltung 102 Leistung zu. Die kombinierte Treiberschaltung 120 umfasst einen Bürstenmotor-Treiber 108 und einen Treiber für geschalteten Reluktanz motor (SR-Motor-Treiber) 110. Eine erste und eine zweite Steuereinheit 112, 114 legen Steuersignale an den Bürsten- und den SR-Treiber 108, 110 an, um den Strom, der dem jeweiligen Motor 106, 104 zugeführt wird, zu steuern. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Steuersignale impulsbreitenmodulierte Signale (PWM-Signale). Die Erzeugung solcher PWM-Signale und die Steuerung von Bürstenmotoren und SR-Motoren sind an sich bekannt und werden somit nicht weiter besprochen.
  • Eine Gleichspannungs-Leistungsversorgung 116 führt dem Bürstenmotor 106 und dem SR-Motor 104 über die jeweiligen Treiber 108, 110 Leistung zu. Die Gleichspannungs-Leistungsversorgung 116, die eine Batterie wie etwa eine herkömmliche Kraftfahrzeug-Speicherbatterie oder eine Quelle gleichgerichteter Wechselspannung sein kann, ist mit der kombinierten Treiberschaltung 102 an einem ersten und einem zweiten Versorgungsanschluss 118A, 118B verbunden.
  • In 2 definiert der erste Versorgungsanschluss 118A einen ersten Versorgungsbus 202, während der zweite Versorgungsanschluss 118B einen zweiten Versorgungsbus 204 definiert. Die kombinierte Treiberschaltung 102 umfasst einen dritten Versorgungsbus 206, wie weiter unten beschrieben wird.
  • In den 3 und 4 weist die kombinierte Treiberschaltung 102 einen ersten und einen zweiten Anschluss T1, T2 auf. Der Bürstenmotor 104 ist mit der kombinierten Treiberschaltung 102 an dem ersten und dem zweiten Anschluss T1, T2 verbunden. Die kombinierte Treiberschaltung 102 weist außerdem einen dritten, einen vierten und einen fünften Anschluss T3, T4, T5 auf. Die erste Steuereinheit 112 weist einen sechsten, einen siebten und einen achten Anschluss T6, T7, T8 auf. Die kombinierte Trei berschaltung 102 ist mit der ersten Steuereinheit 112 über den dritten bis achten Anschluss T3, T4, T5, T6, T7, T8 verbunden, wie gezeigt ist.
  • Die kombinierte Treiberschaltung 102 weist außerdem einen neunten, einen zehnten, einen elften, einen zwölften, einen dreizehnten und einen vierzehnten Anschluss T9, T10, T11, T12, T13, T14 auf. Der SR-Motor 106 weist vorzugsweise eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Phasenwicklung 402A, 402B, 402C, 402D auf. Die erste Phasenwicklung 402A ist an einem ersten Ende mit dem neunten Anschluss T9 und an einem zweiten Ende mit dem vierzehnten Anschluss T14 verbunden. Die zweite Phasenwicklung 402B ist an einem ersten Ende mit dem elften Anschluss T11 und an einem zweiten Ende mit dem dreizehnten Anschluss T13 verbunden. Die dritte Phasenwicklung 402C ist an einem ersten Ende mit dem zehnten Anschluss T10 und an einem zweiten Ende mit dem vierzehnten Anschluss T14 verbunden. Die vierte Phasenwicklung 402D ist an einem ersten Ende mit dem zwölften Anschluss T12 und an einem zweiten Ende mit dem dreizehnten Anschluss T13 verbunden.
  • Die kombinierte Treiberschaltung 102 weist außerdem einen fünfzehnten, einen sechzehnten, einen siebzehnten, einen achtzehnten, einen neunzehnten und einen zwanzigsten Anschluss T15, T16, T17, T18, T19, T20 auf. Die zweite Steuereinheit 114 weist einen einundzwanzigsten, einen zweiundzwanzigsten, einen dreiundzwanzigsten, einen vierundzwanzigsten, einen fünfundzwanzigsten, einen sechsundzwanzigsten, einen siebenundzwanzigsten und einen achtundzwanzigsten Anschluss T21, T22, T23, T24, T25, T26, T27, T28 auf. Die kombinierte Treiberschaltung 102 ist mit der zweiten Steuereinheit 114 über den fünfzehnten bis achtundzwanzigsten Anschluss T15, T16, T17, T18, T19, T20, T21, T22, T23, T24, T25, T26, T27, T28 und den zehnten und zwölften Anschluss T10, T12 gekoppelt, wie gezeigt ist.
  • Zurück zu 2, der SR-Motor-Treiber 110 umfasst einen ersten Kondensator 208, der mit dem ersten und dem zweiten Versorgungsbus gekoppelt ist, und einen zweiten Kondensator 210, der mit dem ersten Kondensator 208 und dem dritten Versorgungsbus 206 gekoppelt ist. Der zweite Kondensator 210 ist außerdem mit der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Phasenwicklung 402A, 402B, 402C, 402D gekoppelt, womit B++ oder das Zweifache der Batteriespannung B+ eines dritten Versorgungsbusses aufgebaut wird. Der SR-Motor-Treiber 110 umfasst einen ersten, einen zweiten, einen dritten, einen vierten, einen fünften und einen sechsten Leistungstransistor 212, 214, 216, 218, 220, 222 und eine erste und eine zweite Freilaufdiode 224, 226.
  • Der erste und der zweite Leistungstransistor und die erste und die zweite Freilaufdiode 224, 226, 212, 214 leiten Induktionsströme, die in bestimmten der Phasenwicklungen 402A, 402B, 402C, 402D gespeichert sind, zu einem der Kondensatoren 208, 210 oder zu anderen der Phasenwicklungen 402A, 402B, 402C, 402D, die gespeist werden.
  • Der vierzehnte Anschluss T14 ist über einen ersten Widerstand 228 mit dem ersten Versorgungsbus 202 gekoppelt. Der dreizehnte Anschluss T13 ist über einen zweiten Widerstand 230 mit dem ersten Versorgungsbus 202 gekoppelt. Der zehnte und der siebzehnte Anschluss T10, T17 sind über einen dritten Kondensator 232 bzw. einen dritten Widerstand 234 mit dem ersten Leistungstransistor 212 gekoppelt. Der zwölfte und der neunzehnte Anschluss T12, T19 sind über einen vierten Kondensator 236 bzw. einen vierten Widerstand 238 mit dem zweiten Leistungstransistor 214 gekoppelt.
  • Der fünfzehnte Anschluss T15 ist über einen fünften Widerstand 240 mit dem dritten Leistungstransistor 216 gekoppelt. Der sechzehnte Anschluss T16 ist über einen sechsten Widerstand 242 mit dem vierten Leistungstransistor 218 gekoppelt. Der achtzehnte Anschluss T18 ist über einen siebten Widerstand 244 mit dem vierten Leistungstransistor 220 gekoppelt. Der zwanzigste Anschluss T20 ist über einen achten Widerstand 246 mit dem sechsten Leistungstransistor 222 gekoppelt.
  • Die zweite Steuereinheit 114 erzeugt ein impulsbreitenmoduliertes Signal (PWM-Signal), um den SR-Motor 104 über den SR-Motor-Treiber 110 zu steuern. Ein solches System ist in U.S. 5,900,712 , erteilt am 4. Mai 1999 an Robert J. Disser u. a. (Disser), das hiermit durch Verweis aufgenommen ist, offenbart. Obwohl der oben beschriebene SR-Motor-Treiber 110 eine Versorgungsspannung oberhalb der Gleichspannungs-Versorgungsspannung 116 erzeugt, könnte der Treiber 110 so beschaffen sein, dass er eine Versorgungsspannung mit einer negativen Größe B- erzeugt. Eine solche Schaltung ist ebenfalls bei Disser beschrieben. Bei Disser sind weitere Ausführungsformen des SR-Motor-Treibers 110 offenbart, die alle unter den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
  • Der Bürstenmotor-Treiber 108 ist mit dem SR-Motor-Treiber 110 gekoppelt. Indem ein dritter Versorgungsbus 206 vorgesehen ist, kann der Bürstenmotor 106 mittels der zweiten Spannungsversorgung, die durch den SR-Motor-Treiber 108 erzeugt wird, und mittels einer 2-Schalter-Bürstenmotor-Treiber-Konfiguration bidirektional angetrieben bzw. angesteuert werden.
  • Der Bürstenmotor-Treiber 108 ist mit dem ersten und dem zweiten Kondensator 208, 210 des SR-Motor-Treibers 110 gekoppelt. Der Bürstenmotor-Treiber 110 ist so beschaffen, dass er dem Bürstenmotor 106 Strom zuführt. Der Bürstenmotor-Treiber 110 umfasst ein erstes Schaltelement oder einen ersten Leistungs-FET-Transistor 248 und ein zweites Schaltelement 250, die mit dem Bürstenmotor 106 gekoppelt sind.
  • Das erste Schaltelement 248 ist über einen neunten Widerstand 252 und einen fünften Kondensator 254 mit dem dritten Anschluss T3 gekoppelt. Das zweite Schaltelement 250 ist über einen zehnten Widerstand 256 mit dem fünften Anschluss T5 und über einen sechsten Kondensator 258 mit dem zweiten Versorgungsbus 204 gekoppelt.
  • Die erste Steuereinheit 112 wendet herkömmliche PWM-Steuertechniken an, um sowohl den Motorstrom als auch die Motorspannung zu steuern, um das gewünschte Motorverhalten zu erreichen.
  • Der Bürstenmotor 106 arbeitet, durch die zweite Schaltvorrichtung 250 in Vorwärtsrichtung gesteuert, zwischen Masse (dem zweiten Versorgungsbus 204) und der Leistungsversorgungsspannung B+ (der ersten Versorgungsspannung). Der Bürstenmotor 106 arbeitet, durch die erste Schaltvorrichtung 248 in Rückwärtsrichtung gesteuert, zwischen der Leistungsversorgungsspannung B+ und der dritten Versorgungsbusspannung B++. Dies stellt zwei unabhängige Leistungsversorgungen und unabhängige Steuerschalter bereit, um den Bürstenmotor 106 mittels bidirektionaler Steuerung zu betreiben,
  • In einer Anwendung, bei der die Motorlast nicht gleich ist, z. B. einer Bremssattelandrückung gegenüber einer Bremssattelfreigabe, sollte die Richtung mit der höheren Last zwischen B+ und Masse geschaltet sein, da dies die Haupt-Zwölfvolt-Kraftfahrzeug-Batterie ist. Die Richtung mit der leichteren Last sollte zwischen B+ und B++ geschaltet sein, da diese Versorgung durch den SR-Motor-Treiber 110 erzeugt wird.
  • Zusammengefasst schafft die vorliegende Erfindung eine Treiberschaltung 102 für geschalteten Reluktanzmotor und Bürstenmotor, wobei die Anzahl von Leistungsvorrichtungen oder Leistungsbausteinen minimiert ist. Die Treiberschaltung 102 erzeugt Versorgungsspannungen, um dadurch den Bereich der Leistungsversorgung zu erweitern, ohne die Leistungsverluste von herkömmlichen Schaltungen zu erleiden.
  • Da diese Erfindung nun mit Bezug auf die gezeigte Ausführungsform beschrieben worden ist, können Fachleuten verschiedene Abänderungen und Entwurfsabwandlungen offenbar werden, wobei Treiberschaltungen und Steuerungen, die solche Abänderungen enthalten, in den Umfang dieser Erfindung, die durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, fallen können.

Claims (12)

  1. Kombinierte Treiberschaltung (102) für einen geschalteten Reluktanzmotor (104) und einen Bürstenmotor (106), wobei der geschaltete Reluktanzmotor (104) mehrere Phasenwicklungen (402A-D) besitzt, mit: einer Gleichspannungs-Leistungsquelle (116) mit einem ersten Anschluss (118A), der einen ersten Versorgungsbus (202) definiert, und einem zweiten Anschluss (118B), der einen zweiten Versorgungsbus (204) definiert, wobei jede der Phasenwicklungen (402A-D) ein mit dem ersten Versorgungsbus (202) verbundenes erstes Ende und ein zweites Ende besitzt; einem dritten Versorgungsbus (206); und einem SR-Motor-Treiber (110), der dem geschalteten Reluktanzmotor (104) Strom zuführt, wobei der SR-Motor-Treiber (110) einen ersten Kondensator (208), der mit den Phasenwicklungen (402A-D) gekoppelt ist, um Energie von den Phasenwicklungen (402A-D) zu speichern, und einen zweiten Kondensator (210), der mit dem ersten Kondensator (208) und mit dem dritten Versorgungsbus (206) gekoppelt ist, so dass über dem zweiten Kondensator (210) eine Spannung des dritten Versorgungsbusses aufgebaut wird, umfasst; und gekennzeichnet durch einen Bürstenmotor-Treiber (108), der mit dem ersten Kondensator (208) und mit dem zweiten Kondensator (210) gekoppelt ist, wobei der SR-Motor-Treiber (110) so beschaffen ist, dass er dem Bürstenmotor (106) Strom zuführt, und der Bürstenmotor-Treiber (108) ein erstes Schaltelement (248) und ein zweites Schaltelement (250) besitzt, die mit dem Bürstenmotor (106) gekoppelt sind.
  2. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, bei der die Spannung des dritten Versorgungsbusses größer ist als jene der Gleichspannungs-Leistungsquelle.
  3. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, bei der die Spannung des dritten Versorgungsbusses negativ ist.
  4. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, die eine erste und eine zweite Diode (212, 214) umfasst, die mit dem ersten und mit dem zweiten Kondensator (208, 210) gekoppelt sind.
  5. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 4, bei der die erste und die zweite Diode (222, 224) so beschaffen sind, dass sie Induktionsströme, die in bestimmten der Phasenwicklungen (402A-D) gespeichert sind, zu einem der ersten und zweiten Kondensatoren (208, 210) und zu einer weiteren der Phasenwicklungen (402A-D) leiten.
  6. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, die einen ersten und einen zweiten Leistungstransistor (224, 226) sowie eine erste und eine zweite Diode (212, 214), die mit dem ersten und dem zweiten Kondensator (208, 210) gekoppelt sind, umfasst.
  7. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 6, bei der der erste und der zweite Leistungstransistor (224, 226) und die erste und die zweite Diode (212, 214) so beschaffen sind, dass sie Induktionsströme, die in bestimmten der Phasenwicklung (402A-D) gespeichert sind, zu einem der ersten und zweiten Kondensatoren (208, 210) und zu einer weiteren der Phasenwicklungen (402A-D) leiten.
  8. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 7, die einen dritten und einen vierten Leistungstransistor aufweist, wobei der dritte und der vierte Leistungstransistor (216, 218) und die erste und die zweite Diode (212, 214) so beschaffen sind, dass sie Induktionsströme, die in bestimmten der Phasenwicklungen (402A-D) gespeichert sind, zu einem der ersten und zweiten Kondensatoren (208, 210) und zu einer weiteren der Phasenwicklungen (402A-D) leiten.
  9. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, die eine erste Steuereinheit (172) aufweist, um dem Bürstenmotor-Treiber (108) ein impulsbreitenmoduliertes Signal zuzuführen, um die Motorspannung und den Motorstrom so zu steuern, dass ein gewünschtes Motorverhalten erzielt wird.
  10. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 9, bei der die erste Steuereinheit (108) so beschaffen ist, dass sie den Bürstenmotor (106) bidirektional in einer ersten und in einer zweiten Richtung steuert.
  11. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 10, bei der der Bürstenmotor (106) in einer ersten Richtung eine höhere Last besitzt und bei der der Bürstenmotor (106) in der ersten Richtung durch die Gleichspannungs-Leistungsversorgung (116) angetrieben wird.
  12. Treiberschaltung, die mit einem Kraftfahrzeug-Mehrkreisbremssystem kombiniert ist und eine kombinierte Treiberschaltung nach einem vorhergehenden Anspruch enthält.
DE2000633795 1999-12-14 2000-12-13 Kostengünstiger bürstenmotortreiber in verbindung mit einem kostengünstigen geschalteten reluktanzmotortreiber Expired - Lifetime DE60033795T2 (de)

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