DE60034812T2 - Hochleistungsbürsten/ motorantrieb in verbindung mit billigem sr-motorantrieb - Google Patents

Hochleistungsbürsten/ motorantrieb in verbindung mit billigem sr-motorantrieb 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 typischerweise eine vordere Bremse und eine diagonal entgegengesetzte hintere Bremse. Die vordere Bremse erfordert eine hohe Reaktionsleistung, während die hintere Bremse eine wesentlich kleinere Reaktionsleistung erfordert. Somit wird zum Betätigen der hinteren Bremse ein Bürstenmotor verwendet, während zum Betätigen der vorderen Bremse ein geschalteter Reluktanzmotor verwendet wird.
  • Was den geschalteten Reluktanzmotor betrifft, umfasst die Treiberschaltung Leistungsschaltbausteine und Dioden, um die Phasenwicklungen des Motors in Übereinstimmung mit der Position des Rotors nacheinander mit Energie zu versorgen und ein Drehmagnetfeld zu erzeugen, das mit den Rotorpolen in Wechselwirkung tritt, um ein Drehmoment mit einer gewünschten Richtung und Größe zu erzeugen.
  • Es ist eine Anzahl von Treiberschaltungstopologien vorgeschlagen worden, um die Anzahl von Leistungsbausteinen zum minimieren, im Bestreben, die Kosten der Treiberschaltung zu reduzieren. Eine solche Topologie ist in dem US-Patent 4,835,408 , erteilt an Ray u. a., beschrieben. Die bei Ray offenbarte Schaltung, die gewöhnlich als Schaltung mit aufgeteilter Verbindung (split-link circuit) bezeichnet wird, 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 Leistungsbausteinen, jedoch ist zum Speisen der Phasenwicklungen nur die halbe Versorgungsspannung verfügbar. Die Folge ist, dass der Wirkungsgrad der Ansteuerung infolge erhöhter Schalt- und Leitungsverluste kleiner ist.
  • Das US-Patent 5,900,712 , erteilt an Disser u. a., unterhält einen zweiten Bus bei einer Spannung, die entweder höher oder niedriger als die Versorgungsspannung ist, wodurch der Spannungsbereich der Versorgung erweitert wird. DE 195 86 645 offenbart die Verwendung von zwei Gleichstrommotoren in einem Bremssystem für ein Kraftfahrzeug.
  • Was den Bürstenmotor betrifft, wird die Motorrichtung über 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 vorliegende Erfindung ist auf eines oder mehrerer der oben genannten Probleme gerichtet.
  • KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine kombinierte Treiberschaltung für einen geschalteten Reluktanzmotor und einen Bürstenmotor geschaffen. Der geschaltete Reluktanzmotor besitzt mehrere Phasenwicklungen. Die kombinierte Treiberschaltung umfasst eine Gleichspannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Versorgungsbus. Ein SR-Motor-Treiber liefert Strom zu dem geschalteten Reluktanzmotor. Der SR-Motor-Treiber besitzt einen ersten Kondensator, der mit dem ersten und dem zweiten Versorgungsbus gekoppelt ist, um Energie von der Gleichspannungsquelle zu speichern, und einen zweiten Kondensator, der mit dem ersten Kondensator und einem dritten Versorgungsbus gekoppelt ist, wodurch über dem zweiten Kondensator eine dritte Versorgungsbusspannung entwickelt wird. Mit dem ersten und dem zweiten Kondensator ist ein Bürstenmotor-Treiber gekoppelt. Der SR-Motor-Treiber ist so beschaffen, dass er Strom zu dem Bürstenmotor liefert. Der Büstenmotor-Treiber besitzt ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Schaltelement, die mit dem Bürstenmotor gekoppelt sind.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine kombinierte Treiberschaltung für eine Mehrkreisbremse eines Kraftfahrzeugs geschaffen. Das Mehrkreisbremssystem besitzt einen geschalteten Reluktanzmotor und einen Bürstenmotor. Der geschaltete Reluktanzmotor besitzt mehrere Phasenwicklungen. Die kombinierte Treiberschaltung umfasst eine Gleichspannungsquelle mit einem ersten und einem zweiten Versorgungsbus. Ein SR-Motor-Treiber liefert Strom zu dem geschalteten Reluktanzmotor. Der SR-Motor-Treiber besitzt einen ersten Kondensator, der mit dem ersten und dem zweiten Versorgungsbus gekoppelt ist, um Energie von der Gleichspannungsquelle zu speichern, und einen zweiten Kondensator, der mit dem ersten Kondensator und einem dritten Versorgungsbus gekoppelt ist, wodurch über dem zweiten Kondensator eine dritte Versorgungsbusspannung entwickelt wird. Mit dem ersten und dem zweiten Kondensator ist ein Bürstenmotor-Treiber gekoppelt. Der SR-Motor-Treiber ist so beschaffen, dass er Strom zu dem Bürstenmotor liefert. Der Büstenmotor-Treiber besitzt ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Schaltelement, die mit dem Bürstenmotor gekoppelt sind.
  • KURZBESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockschaltplan einer kombinierten Treiberschaltung für einen Bürstenmotor und einen geschalteten Reluktanzmotor;
  • 2 ein Schema 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
  • Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, schafft die vorliegende Erfindung eine kombinierte Treiberschaltung 102 für einen geschalteten Reluktanzmotor (SR-Motor) 104 und einen Bürstenmotor 106. Der geschaltete Reluktanzmotor 104 weist mehrere Phasenwicklungen auf (siehe weiter unten). Eine Gleichspannungsquelle 116 führt der kombinierten Treiberschaltung 102 Leistung zu. Die kombinierte Treiberschaltung 102 umfasst einen Bürstenmotor-Treiber 108 und einen Treiber für geschalteten Reluktanzmotor (SR-Motor-Treiber) 110. Ein erster und ein zweiter Controller 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 pulsbreitenmodulierte (PWM) Signale. Die Erzeugung solcher PWM-Signale und die Steuerung von Bürstenmotoren und SR-Motoren sind an sich bekannt und werden daher nicht weiter besprochen.
  • Eine Gleichspannungsquelle 116 führt dem Bürstenmotor 106 und dem SR-Motor über den jeweiligen Treiber 108, 110 Leistung zu. Die Gleichspannungsquelle 116, die eine Batterie wie etwa eine herkömmliche Kraftfahrzeug-Speicherbatterie oder eine Quelle für gleichgerichteten Wechselstrom 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 106 ist mit der kombinierten Treiberschaltung 102 an dem ersten und dem zweiten Anschluss T1, T2 gekoppelt. Die kombinierte Treiberschaltung 102 weist außerdem einen dritten, einen vierten, einen fünften, einen sechsten, einen siebten und einen achten Anschluss T3, T4, T5, T6, T7, T8 auf. Der erste Controller 112 weist einen neunten, einen zehnten, einen elften, einen zwölften, einen dreizehnten und einen vierzehnten Anschluss T9, T10, T11, T12, T13, T14 auf. Die kombinierte Treiberschaltung 102 ist mit dem ersten Controller 112 über die dritten bis vierzehnten Anschlüsse T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T10, T11, T12, T13, T14 gekoppelt, wie gezeigt ist.
  • 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. Der SR-Motor 104 weist vorzugsweise eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Phasenwicklung 402A, 402C, 402B, 402D auf. Die erste Phasenwicklung 402A ist an einem ersten Ende mit dem fünfzehnten Anschluss T15 und an einem zweiten Ende mit dem zwanzigsten Anschluss T20 verbunden. Die zweite Phasenwicklung 402B ist an einem ersten Ende mit dem siebzehnten Anschluss T17 und an einem zweiten Ende mit dem neunzehnten Anschluss T19 verbunden. Die dritte Phasenwicklung 402C ist an einem ersten Ende mit dem sechzehnten Anschluss T16 und an einem zweiten Ende mit dem zwanzigsten Anschluss T20 verbunden. Die vierte Phasenwicklungen 402D ist an einem ersten Ende mit dem achtzehnten Anschluss T18 und an einem zweiten Ende mit dem neunzehnten Anschluss T19 verbunden.
  • Die kombinierte Treiberschaltung 102 weist außerdem einen einundzwanzigsten, einen zweiundzwanzigsten, einen dreiundzwanzigsten, einen vierundzwanzigsten, einen fünfundzwanzigsten und einen sechsundzwanzigsten Anschluss T21, T22, T23, T24, T25, T26 auf. Der zweite Controller 114 weist einen siebenundzwanzigsten, einen achtundzwanzigsten, einen neunundzwanzigsten, einen dreißigsten, einen einunddreißigsten, einen zweiunddreißigsten, einen dreiunddreißigsten und einen vierunddreißigsten Anschluss T27, T28, T29, T30, T31, T32, T33, T34 auf. Die kombinierte Treiberschaltung 102 ist mit dem zweiten Controller 114 über den einundzwanzigsten bis vierunddreißigsten Anschluss T21, T22, T23, T24, T25, T26, T27, T28, T29, T30, T31, T32, T33, T34 und den sechzehnten und den achtzehnten Anschluss T16, T18 gekoppelt, wie gezeigt ist.
  • Wie in 2 weiter gezeigt ist, umfasst der SR-Motor-Treiber 110 einen ersten Kondensator 208 und einen zweiten Kondensator 210. Der erste Kondensator 210 ist mit dem ersten Kondensator 208 und dem dritten Versorgungsbus 206 gekoppelt. Der zweite Kondensator 210 ist außerdem mit den Phasenwicklungen 402A, 402B, 402C, 402D gekoppelt, womit ein dritter Versorgungsbus entsteht (B++ oder das fache der Batteriespannung B+). 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 induktive Ströme, die in den jeweiligen Phasenwicklungen 402A, 402B, 402C, 402D gespeichert sind, zu einem der Kondensatoren 208, 210 oder zu einer anderen der Phasenwicklungen 402A, 402B, 402C, 402D, die gespeist werden.
  • Der zwanzigste Anschluss T20 ist über einen ersten Widerstand 228 mit dem ersten Versorgungsbus 202 gekoppelt. Der neunzehnte Anschluss T19 ist über einen zweiten Widerstand 230 mit dem ersten Versorgungsbus 202 gekoppelt. Der sechzehnte und der dreiundzwanzigste Anschluss T16, T23 sind über einen dritten Kondensator 232 bzw. einen dritten Widerstand 234 mit dem ersten Leistungstransistor 212 gekoppelt. Der achtzehnte und der fünfundzwanzigste Anschluss T18, T25 sind über einen vierten Kondensator 236 bzw. einen vierten Widerstand 238 mit dem zweiten Leistungstransistor 214 gekoppelt.
  • Der einundzwanzigste Anschluss T21 ist über einen fünften Widerstand 240 mit dem dritten Leistungstransistor 216 gekoppelt. Der zweiundzwanzigste Anschluss T22 ist über einen sechsten Widerstand 242 mit dem vierten Leistungstransistor 218 gekoppelt. Der vierundzwanzigste Anschluss T24 ist über einen siebten Widerstand 244 mit dem vierten Leistungstransistor 220 gekoppelt. Der sechsundzwanzigste Anschluss T26 ist über einen achten Widerstand 246 mit dem sechsten Leistungstransistor 222 gekoppelt.
  • Der zweite Controller 114 erzeugt ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Signal, um den SR-Motor 104 über den SR-Motor-Treiber 110 zu steuern. Ein solches System ist in US 5,900,712 , erteilt am 4. Mai 1999 an Robert J. Disser u. a. (Disser) offenbart. Obwohl der oben beschriebene SR-Motor-Treiber 110 eine Versorgungsspannung über der Gleichstrom-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 in 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 durch die erhöhte Spannung angesteuert werden, was zu einer erhöhten freien Geschwindigkeit und somit zu einer besseren Reaktionsgeschwindigkeit führt.
  • 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 beschafften, dass er Strom zu dem Bürstenmotor 106 liefert. Der Bürstenmotor-Treiber 110 umfasst ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Schaltelement oder einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Leistungs-FET-Transistor 248, 250, 252, 254, die mit dem Bürstenmotor 106 gekoppelt sind. Vorzugsweise sind das erste, das zweite, das dritte und das vierte Schaltelement in einer "H"-Konfiguration geschaltet, wie gezeigt ist. Das erste Schaltelement 248 ist über einen neunten Widerstand 256 mit dem dritten Anschluss T3 und über einen fünften Kondensator 258 mit dem vierten Anschluss T4 gekoppelt. Das zweite Schaltelement 250 ist über einen zehnten Widerstand 260 mit dem fünften Anschluss T5 und über einen sechsten Kondensator 262 mit dem sechsten Anschluss T6 gekoppelt. Das dritte Schaltelement 252 ist über einen elften Widerstand 264 mit dem siebten Anschluss T7 und über einen siebten Kondensator 266 und ein zwölften Widerstand 268 mit dem zweiten Versorgungsbus 204 gekoppelt. Das vierte Schaltelement 254 ist über einen dreizehnten Widerstand 270 mit dem achten Anschluss T8 und über einen achten Kondensator 272 und den zwölften Widerstand 268 mit dem zweiten Versorgungsbus 204 gekoppelt.
  • Der erste Controller 112 wendet herkömmliche PWM-Steuertechniken an, um sowohl den Motorstrom als auch die Motorspannung zu steuern und die gewünschte Motorleistung zu erzielen.
  • Der Bürstenmotor 106 arbeitet zwischen Masse (dem zweiten Versorgungsbus 204) und der dritten Leistungsversorgungsspannung B++. Die erhöhte Spannung verbessert die freie Geschwindigkeit und somit die Reaktionsgeschwindigkeit des Bürstenmotors 104.
  • Da diese Erfindung nun mit Bezug auf die gezeigte Ausführungsform beschrieben worden ist, werden Fachleuten verschiedene Abänderungen und Entwurfsabwandlungen einfallen, wobei Treiberschaltungen und Steuerungen, die solche Modifikationen enthalten, in den Umfang dieser Erfindung, die durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, fallen können.

Claims (13)

  1. Kombinierte Treiberschaltung für einen geschalteten Reluktanzmotor (104) und einen Bürstenmotor (106), wobei der geschaltete Reluktanzmotor (104) mehrere Phasenwicklungen (402A, 402C, 402B, 402D) besitzt, mit: einer Gleichspannungsquelle (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, 402C, 402B, 402D) ein erstes Ende, das mit dem ersten Versorgungsbus (202) verbunden ist, und ein zweites Ende besitzt; einem dritten Versorgungsbus (206); und einem SR-Motor-Treiber (110) zum Liefern von Strom zu dem geschalteten Reluktanzmotor (104), wobei der SR-Motor-Treiber (110) einen mit den Phasenwicklungen (402A, 402C, 402B, 402D) gekoppelten ersten Kondensator (208) zum Speichern von Energie von den Phasenwicklungen (402A, 402C, 402B, 402D) und einen mit dem ersten Kondensator (208) und dem dritten Versorgungsbus (206) gekoppelten zweiten Kondensator (210) umfasst, wodurch über dem zweiten Kondensator (210) eine dritte Versorgungsbusspannung entwickelt wird; gekennzeichnet durch einen Bürstenmotor-Treiber (108), der mit dem ersten und dem zweiten Kondensator (208, 210) gekoppelt ist, wobei der SR-Motor-Treiber (110) so beschaffen ist, dass er Strom zu der SR-Bürste liefert, wobei der Büstenmotor-Treiber (108) ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Schaltelement (248, 250, 252, 254) besitzt, die mit dem Bürstenmotor (106) gekoppelt sind.
  2. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, bei der das erste, das zweite, das dritte und das vierte Schaltelement (248, 250, 252, 254) in einer H-Brückenkonfiguration angeordnet sind.
  3. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, bei der die dritte Versorgungsbusspannung positiv ist.
  4. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, bei der die dritte Versorgungsbusspannung negativ ist.
  5. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, die eine erste und eine zweite Diode (224, 226) aufweist, die mit dem ersten und dem zweiten Kondensator (208, 210) gekoppelt sind.
  6. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 5, bei der die erste und die zweite Diode (224, 226) so beschaffen sind, dass sie in einer jeweiligen Phasenwicklung gespeicherte induktive Ströme zu einem von dem ersten und dem zweiten Kondensator (208, 210) und einer weiteren der Phasenwicklungen lenken.
  7. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, die einen ersten und einen zweiten Leistungstransistor (212, 214) und eine erste und eine zweite Diode (224, 226), die mit dem ersten und dem zweiten Kondensator (208, 210) gekoppelt sind, umfasst.
  8. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 7, bei der der erste und der zweite Leistungstransistor (212, 214) und die erste und die zweite Diode (224, 226) so beschaffen sind, dass sie in jeweiligen Phasenwicklungen gespeicherte induktive Ströme zu einem von dem ersten und dem zweiten Kondensator (208, 210) und einer weiteren der Phasenwicklungen lenken.
  9. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 8, die einen dritten und einen vierten Leistungstransistor (216, 218) umfasst, wobei der dritte und der vierte Leistungstransistor (216, 218) und die erste und die zweite Diode (224, 226) so beschaffen sind, dass sie in jeweiligen Phasenwicklungen gespeicherte induktive Ströme zu einem von dem ersten und dem zweiten Kondensator (208, 210) und einer weiteren der Phasenwicklungen lenken.
  10. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 1, die eine erste Steuereinheit (112) zum Liefern eines impulsbreitemodulierten Signals zu dem Bürstenmotor-Treiber (108) umfasst, um die Motorspannung und den Motorstrom so zu steuern, dass eine gewünschte Motorleistung erzielt wird.
  11. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 10, bei der die erste Steuereinheit (112) so beschaffen ist, dass sie den Bürstenmotor (106) bidirektional in einer ersten und einer zweiten Richtung steuert.
  12. Kombinierte Treiberschaltung nach Anspruch 9, 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 Gleichspannungsversorgung angesteuert wird.
  13. Verwendung der kombinierten Treiberschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine Mehrkreisbremse eines Kraftfahrzeugs.
DE2000634812 1999-12-14 2000-12-13 Hochleistungsbürsten/ motorantrieb in verbindung mit billigem sr-motorantrieb Expired - Lifetime DE60034812T2 (de)

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