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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Steuerungssystem für einen
bürstenlosen
Gleichstrommotor (GS-Motor). Die Erfindung betrifft insbesondere
ein Steuerungssystem für
einen fünfphasigen
bürstenlosen
GS-Motor, der einen Ständer
umfasst, welcher fünf
Wicklungen aufweist, die so beschaffen sind, dass sie in Reaktion
auf die Drehposition eines Läufers,
der so angebracht ist, dass er relativ zu den Wicklungen rotieren
kann, elektronisch kommutiert werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bürstenlose
GS-Motoren, auch bekannt als Selsynmotoren oder elektronisch kommutierte
Motoren, werden bei vielfältigen
Anwendungen verwendet, zu denen Anwendungen in Landfahrzeugen und in
der Luft- und Raumfahrt gehören.
Zum Beispiel werden bürstenlose
GS-Motoren bei Anwendungen bei der Kühlung von Kraftfahrzeugmotoren
sowie in Heizungs-, Lüftungs-
und Klimaanlagen verwendet.
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Ein
bürstenloser
GS-Motor umfasst normalerweise einen Ständer, an dem Wicklungen oder Spulen
angebracht sind, und einen Läufer
mit am Läufer
angebrachten Dauermagneten. Ein elektronisches Steuerungssystem
oder ein elektronischer Steuerkreis schaltet oder kommutiert Strom
in einem Prozess, der als Kommutierung bekannt ist, so dass er zum
richtigen Zeitpunkt durch die richtigen Ständerwicklungen fließt. Das
Steuerungssystem reagiert in Echtzeit auf die erfasste Drehposition
des Läufers, wobei
es eine koordinierte Folge von Steuersignalen für elektronische Schalter wie
etwa Transistoren erzeugt, welche den Stromfluss durch die Wicklungen steuern.
Der Stromfluss durch die einzelnen Wicklungen erzeugt einen ein
Drehmoment induzierenden Magnetfluss, welcher bewirkt, dass der
Läufer
rotiert. Die sequentielle Umschaltung des Stroms zwischen den Wicklungen
erzeugt einen auf eine synchronisierte Weise gerichteten Magnetfluss,
der ein am Läufer
wirkendes Drehmoment zur Folge hat und eine Rotationsbewegung verursacht.
Die Folge von Steuersignalen, die in Reaktion auf die erfasste Drehposition
des Läufers
erzeugt werden, hält
eine gewünschte
Beziehung zwischen den Positionen der Magnete am Läufer und
den Wicklungen am Ständer aufrecht.
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Bei
einem mehrphasigen bürstenlosen GS-Motor
erzeugt jede erregte Wicklung eine sinusförmige Beziehung zwischen Phasenwinkel
und Drehmoment, welche bezüglich
der anderen Wicklungen außer
Phase ist. Zum Beispiel erregt bei einem typischen bürstenlosen
Dreiphasen-GS-Motor ein Steuerkreis drei Wicklungen mit einer Spannung, die
um einen Phasenwinkel von 120 elektrischen Grad verschoben ist.
Obwohl Dreiphasenmotoren aufgrund ihrer Fähigkeit, eine ausgeglichene
Ausgangsleistung zur Verfügung
zu stellen, weit verbreitet sind, können Dreiphasenmotoren geräuschvoll sein
und möglicherweise
für Umgebungen
mit hohen Temperaturen nicht geeignet sein, da der gesamte durch
die Wicklungen fließende
Strom über
einen einzigen Schalter fließt,
wie etwa einen Transistor, wodurch eine hohe Verlustleistung pro
Bauelement verursacht wird.
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Es
können
verschiedene Verfahrensweisen angewendet werden, um die Drehposition
des Läufers
zu erfassen. Bei bekannten Systemen werden oft Sensoren verwendet,
die mit einer Motorwelle gekoppelt sind, um den Drehwinkel der Motorwelle
zu erfassen. Normalerweise handelt es sich bei diesen Sensoren um
Hall-Sensoren, optische Sensoren und Drehmelder (Resolver). Die
Verwendung von Sensoren mit diskreter Rückkopplung in einem Motor kann sich
jedoch auf die Größe, die
Kosten, die Komplexität,
den Energieverbrauch und, insbesondere bei Hall-Sensoren, auf die
Zuverlässigkeit
des Motors nachteilig auswirken.
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Um
die mit diskreten Sensoren zusammenhängenden Probleme zu umgehen,
erfassen einige Steuerkreise die Spannungen der gegenelektromotorischen
Kraft (Gegen-EMK), die in den Wicklungen erzeugt werden, wenn der
Motor läuft.
Informationen über
die Größe und Frequenz
der Gegen-EMK können
verwendet werden, um die Drehposition des Läufers zu bestimmen (siehe zum
Beispiel US-A-5.206.567).
Die Spannungssignale der Gegen-EMK können jedoch normalerweise nicht
zur Steuerung während
des Anlaufs oder der Anfangsbeschleunigung des Motors verwendet
werden, da das EMK-Signal nicht vorhanden oder nicht erfassbar ist, wenn
der Läufer
stillsteht oder mit niedriger Drehzahl rotiert.
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Eine
Schaltung zum Anlassen eines sensorlosen bürstenlosen GS-Motors ist in
US-A-4.678.973 dargestellt. Die Schaltung lässt den Motor an, indem sie
die Drehrichtung beim Anlaufen erfasst. Falls der Läufer in
der richtigen Richtung rotiert, erregt die Schaltung die Wicklungen,
damit die Rotation fortgesetzt wird. Falls der Läufer in der falschen Richtung rotiert,
wird die Erregungssequenz umgekehrt, um den Läufer zum Stillstand zu bringen,
bevor ein erneuter Versuch des Anlassens unternommen wird. Die Schaltung
ist jedoch in Hardware implementiert und kann nicht das Anlassen
eines fünfphasigen bürstenlosen
GS-Motors steuern.
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In
EP-A-0.528.046 wird ein schnelllaufender Dreiphasenmotor offenbart,
bei dem ein hohes Drehmoment und ein hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten
werden. Die drei Phasen des Motors sind zueinander um 120 ° phasenverschoben.
Der Motor ist ein Reluktanzmotor, in welchem die in einem Magnetkern
gespeicherte magnetische Energie am Zurückfließen zur Stromversorgung gehindert
wird. In jedem Ankerkreis ist eine Diode vorgesehen, die den Rückstrom
sperrt und diesen Strom verwendet, um einen Kondensator zu laden,
wodurch dessen Spannung auf einem hohen Wert gehalten wird. Dies
hat zur Folge, dass der Strom in der Ankerspule schnell abnimmt.
Nach einem vorgegebenen Zeitintervall wird die nächste Ankerspule erregt, und
die am Kondensator gespeicherte Hochspannung wird ebenfalls an die
Spule angelegt, was zur Folge hat, dass sich der Strom in der Ankerspule
schnell erhöht.
In Verbindung mit der Ankerspule kann eine Induktionsspule verwendet
werden, so dass beide Spulen erregt werden, und wenn sie entregt
werden, wird die in beiden Spulen gespeicherte magnetische Energie
verwendet, um den Kondensator zu laden. Für jede Ankerspule wird ein
Positionssensor verwendet, um die aufeinanderfolgende Erregung der
Spulen zu implementieren.
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In
JP-A-60002091 wird ein Fünfphasenmotor offenbart,
in welchem die Treiberspulen in einer Sternschaltung angeordnet
sind. Ein Ausgangssignal eines Positionssensors wird an einen logischen
Erregungs-Steuerkreis angelegt. Ein Ausgangskreis weist eine Vielzahl
von Transistoren auf, die in Quellenseite-Gruppen und Senkenseite-Gruppen
für die Treiberspulen
unterteilt sind. Der logische Steuerkreis erregt zwei oder mehr
Transistoren gleichzeitig auf der Basis des Ausgangssignals des
Positionssensors.
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In
EP-A-0.433.219 wird ein Zweiphasenmotor offenbart, in welchem vier
Spulen desselben in Form eines Quadrats zusammengeschaltet sind.
Die Spulen auf gegenüberliegenden
Seiten des Quadrats umfassen eine Phase und werden gleichzeitig
erregt. Die zwei Phasen des Motors sind zueinander um 90° phasenverschoben.
Es werden auch Dreiphasen- und Fünfphasenmotoren
offenbart.
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Dementsprechend
wäre es
wünschenswert, einen
Steuerkreis für
einen fünfphasigen
bürstenlosen
GS-Motor bereitzustellen. Es wäre
außerdem wünschenswert,
ein Steuerungssystem bereitzustellen, das ein Anlassen eines fünfphasigen
bürstenlosen
GS-Motors ermöglicht,
indem es die Drehrichtung eines Läufers beim Anlaufen bestimmt
und, falls der Läufer
in der falschen Richtung rotiert, wenigstens zwei Wicklungen erregt,
bis die Bewegung des Läufers
im Wesentlichen zum Stillstand kommt, und anschließend die
Vielzahl von Wicklungen in einer Anlaufsequenz erregt, um zu bewirken,
dass der Läufer
in der richtigen Richtung rotiert.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Steuerungssystem zum
elektronischen Kommutieren eines bürstenlosen fünfphasigen
GS-Motors, der so beschaffen ist, dass er von einer Spannungsquelle
erregt werden kann, bereitgestellt, wobei der Motor einen Ständer, der
fünf Wicklungen
aufweist, die elektronisch kommutiert werden können, und einen Läufer, der
so angebracht ist, dass er relativ zu den Wicklungen rotieren kann,
enthält,
wobei das Steuerungssystem umfasst: eine Erfassungsschaltung, die
so gestaltet ist, dass sie einer Drehposition des Läufers entsprechende
Signale erzeugt, wobei die Drehposition des Läufers mit Hilfe von Spannungen
der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK), die in den Wicklungen
erzeugt werden, bestimmt wird; einen elektronischen Kommutierungskreis,
der Schalter enthält,
die mit den Wicklungen gekoppelt sind; und einen Steuerkreis, der
mit der Erfassungsschaltung und dem Kommutierungskreis gekoppelt
ist und so gestaltet ist, dass er in Reaktion auf die Drehposition
des Läufers
Steuersignale erzeugt und die Steuersignale dem Kommutierungskreis
zur Steuerung des Stromflusses durch die Wicklungen zur Verfügung stellt;
und das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Steuerungssystem ferner ein
Bezugsdrehzahl-Eingangssignal umfasst, wobei der Steuerkreis die
Steuersignale auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem Bezugsdrehzahl-Eingangssignal
und einer Drehzahl des Läufers
modifiziert und den Anlauf des Motors sperrt, falls die Drehzahl
des Läufers
nicht innerhalb eines vorgegebenen Bereiches liegt; und dadurch,
dass beim Anlauf der Steuerkreis bewirkt, dass die Drehrichtung
des Läufers
geprüft
wird und, falls der Läufer
stillsteht oder sich in der falschen Richtung bewegt, eine Bremssequenz
auslöst,
um den Läufer
in eine feststehende Position zu bewegen, wobei die Bremssequenz
das Erregen einer einzelnen Wicklung für eine erste vorgegebene Zeit
und anschließend
das Erregen von zwei Wicklungen für eine zweite vorgegebene Zeit, bis
sich der Läufer
in der feststehenden Position befindet, umfasst, wobei die zum Bremsen
verwendeten Wicklungen von den zum Anlauf verwendeten verschieden
sind.
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Bei
einer Ausführungsform
enthält
die Erfassungsschaltung fünf
Komparatoren zum Vergleichen der Gegen-EMK-Spannungen in fünf Paaren
von Wicklungen, um fünf
diskrete Positionssignale zu erzeugen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
vergleicht die Erfassungsschaltung die Gegen-EMK-Spannungen in den
Wicklungen mit einer Bezugsspannung, um die Drehposition des Läufers zu
erfassen.
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Zusätzlich kann
die Erfassungsschaltung die Drehposition des Läufers auf der Basis von Signalen von
wenigstens einem Sensor erfassen. Jeder Sensor kann einen mit einer
Motorwelle gekoppelten optischen Sensor oder einen magnetischen
Sensor umfassen.
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Vorzugsweise
bestimmt der Steuerkreis beim Anlauf eine Drehrichtung des Läufers und
erregt, falls der Läufer
in der falschen Richtung rotiert, vorgewählte Wicklungen und wartet
ab, bis die Bewegung des Läufers
im Wesentlichen zum Stillstand kommt, und erregt dann die Wicklungen
in einer Anlaufkette, um zu bewirken, dass der Läufer in der richtigen Richtung
rotiert, und wenn der Läufer
in der richtigen Richtung rotiert, kommutiert er in Reaktion auf
die Drehposition des Läufers
elektronisch die Wicklungen. Der Stromfluss durch die Wicklungen kann
während
des Anlaufens des Motors begrenzt werden.
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Die
Erfassungsschaltung kann auch ein mit der Drehposition des Läufers im
Zusammenhang stehendes Signalmuster erzeugen, und der Steuerkreis kommutiert
die Wicklungen auf der Grundlage des von der Erfassungsschaltung
empfangenen Signalmusters. Jede Wicklung ist so beschaffen, dass
sie durch zeitlich gesteuertes Anlegen einer Steuerspannung erregt
wird, so dass ein Phasenstromfluss in ihr erzeugt wird, und die
mit den einzelnen Wicklungen gekoppelten Schalter sind elektrisch
steuerbar, wobei das Motorsteuergerät mit den Steuersignalen die elektrisch
steuerbaren Schalter ansteuert, um den Stromfluss durch die Wicklungen
entsprechend dem Signalmuster zu steuern, wobei das zeitlich gesteuerte
Anlegen von Spannungen Gegen-EMK-Spannungen in den Wicklungen erzeugt.
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Der
Kommutierungskreis kann auf die Steuersignale reagieren, indem er
wenigstens zwei Wicklungen im Großen und Ganzen zum gleichen
Zeitpunkt erregt, und er enthält
wenigstens zwei Schalter, durch welche der Stromfluss durch die
erregten Wicklungen geteilt wird. Die wenigstens zwei Wicklungen,
welche im Großen
und Ganzen zum gleichen Zeitpunkt erregt werden, werden im Verlaufe
eines Zeitintervalls entregt.
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Die
Steuersignale können
pulsdauermodulierte Signale sein, und die Drehzahl des Läufers wird geändert, indem
ein Tastgrad (duty cycle) der Steuersignale geändert wird.
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Der
Steuerkreis kann ein programmierbares Steuergerät enthalten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird beim Studium der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform derselben besser
verständlich, die
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen gegeben wird, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche Teile
bezeichnen und wobei:
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1 ein Blockschaltbild eines
fünfphasigen
unipolaren bürstenlosen
GS-Motors und eines Steuerungssystems zum elektronischen Kommutieren
des Motors ist;
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2 ein Blockschaltbild ist,
welches das Motorsteuergerät
von 1 zeigt;
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die 3 bis 7 als Beispiele dienende Flussdiagramme
sind, welche die von dem Motorsteuergerät von 1 ausgeführte Hauptprozedur zeigen;
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8 ein als Beispiel dienendes
Flussdiagramm ist, welches das Unterbrechungsprogramm des Beschleunigungs-/Verzögerungs-Zeitgebers zeigt,
das von dem Motorsteuergerät
von 1 ausgeführt wird;
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9 ein als Beispiel dienendes
Flussdiagramm ist, welches das Unterbrechungsprogramm des Vergleichs-Zeitgebers
zeigt, das von dem Motorsteuergerät von 1 ausgeführt wird;
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10 ein als Beispiel dienendes
Flussdiagramm ist, welches die Festbremsungs-Behandlungsroutine
zeigt, die von dem Motorsteuergerät von 1 ausgeführt wird;
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11 ein als Beispiel dienendes
Flussdiagramm ist, welches die Nachlauf-Routine zeigt, die von dem
Motorsteuergerät
von 1 ausgeführt wird;
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die 12A bis 12E einen Stromlaufplan enthalten, der
eine als Beispiel dienende Implementierung des Steuerungssystems
von 1 zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Es
wird auf 1 Bezug genommen;
sie zeigt ein Steuerungssystem 100 zum elektronischen Kommutieren
eines bürstenlosen
GS-Motors 102. Das Steuerungssystem 100 umfasst
eine Motorstromversorgung 104, eine Schutz- und Läuferpositionserfassungs-Schaltung 106,
eine Steuergerät-Stromversorgung 108,
ein Motorsteuergerät 110 und
eine Leistungsstufe 112. Der Motor 102 umfasst Motorwicklungen 114 und
einen Motorläufer 116.
Das Steuerungssystem 100 und der Motor 102 können zusammengebaut
oder getrennt voneinander montiert sein. Außerdem könnten die Bauteile des Steuerungssystems 100 mit
Ausnahme der Leistungsstufe 112 getrennt von der Leistungsstufe 112 montiert sein,
während
der Motor 102 und die Leistungsstufe 112 zusammengebaut
sind.
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Die
Motorstromversorgung 104 wird von einer Stromquelle (nicht
dargestellt) über
Stromzuführungsleitungen 118 und 120 mit
einer Gleichspannung versorgt. Normalerweise ist die Stromquelle eine
Batterie, die ein 12-V-Signal liefert. Die Stromquelle könnte jedoch
auch ein Gleichspannungsausgang eines Stromaufbereitungskreises
sein, welcher eine Wechselspannungsquelle gleichrichtet und filtert.
Ein mit der Stromquelle gekoppeltes Leitungsfilter 122 begrenzt
leitungsgeführte
Funkstöremissionen.
Das Leitungsfilter 122 kann einen passiven LC-Filterkreis
umfassen, der Induktionsspulen 124 und 126, die
mit Stromzuführungsleitungen 118 und 120 in
Reihe geschaltet sind, und Kondensatoren 128 und 130,
die zu letzteren parallel geschaltet sind, enthält. Die Verwendung von Symmetrierglied-Drosseln
(Choke-Baluns) oder Glastropfen-Drosseln (Bead-Drosseln) für die Induktionsspulen kann
aufgrund des im Vergleich zu herkömmlichen gewickelten Stabkerndrosseln
höheren
Verhältnisses
Induktivität/Volumen
die Konstruktion vereinfachen. Die Motorstromversorgung 104 kann
Bauelemente zur Begrenzung des Wechselspannungsanteils der Stromversorgung
enthalten, darunter Kondensatoren mit kleinem Nennwert und Elektrolytkondensatoren.
Ein aufbereiteter Gleichspannungsausgang 132 von der Motorstromversorgung 104 versorgt
die anderen Bauteile des Steuerungssystems 100 und den
Motor 102 mit Strom. Bei einer Ausführungsform weist der Motor 102 einen
Leistungsbereich von 100 bis 500 W auf.
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Zusätzlich zu
dem Leitungsfilter 122 können weitere Vorkehrungen getroffen
werden, um Hochfrequenzstörungen
zu unterdrücken.
Zum Beispiel können
ausgestrahlte Funkstöremissionen
unterdrückt werden,
indem das Steuerungssystem 100 und/oder die Motorwicklungen 114 ganz
oder teilweise mit Hilfe eines Abschirmungsmaterials abgeschirmt
werden. Außerdem
können
die Eingans-/Ausgangsleitungen des Steuerungssystems 100 durch
Entstörungs-Tüllen geführt werden.
Als weiteres Beispiel können Schichtkondensatoren,
die an den Leistungsklemmen der MOSFET-Treiber-Chips angebracht
sind, die, wie weiter unten beschrieben, in der Leistungsstufe 112 zum
Verstärken
der Steuersignale verwendet werden, leitungsgeführte elektromagnetische Störemissionen
verringern.
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Die
Motorstromversorgung 104 enthält eine Rückspannungsschutzschaltung 134,
um bei einem Rückwärtsspannungs-Zustand
(d. h., wenn die Spannungen an den Stromzuführungsleitungen 118 und 120 umgepolt
sind) einen Stromfluss durch das Steuerungssystem 100 zu
verhindern. Die Rückspannungsschutzschaltung 134 enthält einen
Schalter 136 und eine Diode 138. Der Schalter 136 ist
normalerweise ein MOSFET-Transistor, welcher nur dann Strom leitet,
wenn die Gate-Spannung positiv ist. Während eines Rückwärtsspannungs-Zustands
ist die Spannung am Gate des MOSFET negativ, und der MOSFET schaltet
nicht ein, wodurch er den Stromfluss durch das Steuerungssystem 100 verhindert
und dessen Bauelemente schützt.
Der Schalter 136 mehrere parallelgeschaltete MOSFETs umfassen.
Der Schalter 136 kann aber auch eine Schottky-Diode anstelle
eines MOSFET sein. Dies kann sich jedoch nachteilig auf den Wirkungsgrad
des Motors auswirken, da eine Schottky-Diode einen größeren Vorwärtsspannungsabfall
aufweist als ein MOSFET.
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Die
Motorstromversorgung 104 kann Bauelemente enthalten, um
einen Lastabwurfschutz zu gewährleisten.
Zum Beispiel schützt
ein Varistor (in 12B als
RV1 dargestellt) das Steuerungssystem 100 vor transienten
Spannungsspitzen. Der Varistor kann zum Beispiel ein Kraftfahrzeug-Varistor CU2220K30AUTOG
sein. Die Wahl der Bemessung des Varistors bestimmt den Abschaltpegel
der transienten Spannungsspitze.
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Die
Erfassungsschaltung 106 enthält Schaltungsanordnungen zum
Erfassen von Parametern und Erzeugen von Signalen, die vom Motorsteuergerät 110 verwendet
werden, um das Steuerungssystem 100 und den Motor 102 wie
unten beschrieben zu schützen.
Die Signale werden über
Leitungen 140 zum Motorsteuergerät 110 übertragen.
Eine Über-/Unterspannungsschaltung
erzeugt auf der Basis des aufbereiteten Spannungsausgangs 132 ein Signal.
Eine Überstromschaltung
erzeugt auf der Basis des durch das Steuerungssystem 100 fließenden Stroms
ein Signal. Zusätzlich
kann eine Übertemperaturschaltung
verwendet werden, um auf der Basis einer erfassten Temperatur ein
Signal zu erzeugen. In jedem Falle ist das erfasste Signal vorzugsweise ein
analoges Spannungssignal, das so skaliert ist, dass eine Spannung
innerhalb des Bereiches eines Analog-Digital-Wandlers im Motorsteuergerät 110 erhalten
wird. Wie weiter unten beschrieben ist, ermöglicht die Verwendung eines
analogen Signals das Setzen von Fehlererkennungs-Grenzwerten in
der Software. Jedes Signal kann jedoch auch ein logisches Signal
(z. B. 0 oder 5 V) sein, das anzeigt, ob ein Fehlerzustand eingetreten
ist oder nicht. Das Motorsteuergerät 110 kann eine zyklische
Abfrage auf Fehlerzustände
durchführen,
oder es kann unterbrochen werden, wenn ein Fehlerzustand eintritt.
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Bei
einer Ausführungsform
erzeugt die Über-/Unterspannungsschaltung
aus dem aufbereiteten Spannungsausgang 132 mit Hilfe eines
Spannungsteilers ein analoges Signal im Bereich von 0 bis 5 V. Die Überstromschaltung
erzeugt durch Erfassen des Spannungsabfalls an einem Erfassungswiderstand,
der in 12B mit R56 bezeichnet
ist, ein analoges Signal im Bereich von 0 bis 5 V. Eine andere Möglichkeit
wäre, dass
die Überstromschaltung den
Spannungsabfall an der Hochfrequenzstörungs-Drossel 126 erfasst,
welche im Wesentlichen proportional zum Strom ist, und die Temperatur
der Drossel 126 könnte
erfasst und zur hardwaremäßigen oder
softwaremäßigen Kompensation
der erfassten Spannung verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit
bestünde
darin, dass die Überstromschaltung
den Spannungsabfall an dem Rückspannungsschutz-MOSFET 136 oder
an einem Schalter in der Leistungsstufe 112 erfasst. Falls
eine Übertemperaturschaltung
verwendet wird, erzeugt die Schaltung vorzugsweise mit Hilfe einer
Zener-Diode, eines Halbleiter-Temperaturfühlers, eines Widerstands-Temperaturfühlers oder
des Rückspannungsschutz-MOSFET 136 ein
analoges Signal im Bereich von 0 bis 5 V. Falls ein MOSFET 136 verwendet
wird, kann der Drain-Source-Widerstand RDSon des
MOSFET 136 indirekt gemessen werden, indem ein Spannungsabfall
an ihm gemessen wird. In jedem Falle wandelt das Motorsteuergerät 110 das
erfasste analoge Signal in einen digitalen Wert um und vergleicht den
digitalen Wert mit einem Schwellwert oder einem Bereich, um zu bestimmen,
ob ein Fehler eingetreten ist. Falls ein Fehler eintritt, ruft das
Motorsteuergerät 110 eine
Fehlerbehandlungssequenz auf, wie weiter unten beschrieben.
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Die
Erfassungsschaltung 106 enthält außerdem Schaltungsanordnungen
zum Erfassen der Drehposition des Motorläufers 116 und zum
Erzeugen von Signalen, welche der Drehposition entsprechen. Das
Motorsteuergerät 110 verwendet
die Drehpositions-Signale, um den Anlauf, die Kommutierung und die Drehzahl
des Motors 102 zu steuern und um vor festgebremsten Zuständen oder
Zuständen
verminderter Drehzahl zu schützen.
Die Signale werden ebenfalls über
Leitungen 140 zum Motorsteuergerät 110 übertragen.
Bei einer Ausführungsform
weist der Motor 102 einen Betriebsdrehzahlbereich von 200 bis
5000 U/min auf.
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Um
die Drehposition des Motorläufers 116 zu erfassen,
kann die Erfassungsschaltung 106 Signale von optischen
oder magnetischen Sensoren erfassen, die mit einer Welle des Motors 102 gekoppelt sind,
um den Drehwinkel der Welle zu erfassen. Für optische Sensoren kann ein
mechanisch mit der Motorwelle verbundenes Zahnrad verwendet werden, wobei
die Zähne
auf eine solche Weise mit der Gegen-EMK in den Motorwicklungen 114 synchronisiert sind,
dass das Ausschalten eines optischen Schalters eine positive oder
negative Polarität
der Gegen-EMK repräsentiert
und das Einschalten eines optischen Schalters eine negative oder
positive Polarität
der Gegen-EMK repräsentiert.
Magnetische Sensoren können
auf dieselbe Weise wie optische Schalter mit einem gesonderten magnetischen
Rad verwendet werden, oder indem Positionsinformationen von den
Läufermagneten
selbst erhalten werden. Die Erfassungsschaltung 106 kann
auch Signale von Drehmeldern (Resolvern) oder Hall-Sensoren verwenden.
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Die
Erfassungsschaltung 106 kann auch die Gegen-EMK-Spannungen
erfassen, die in den Motorwicklungen 114 erzeugt werden,
wenn der Motor 102 läuft.
Die Gegen-EMK-Signale können
miteinander oder mit einer Bezugsspannung verglichen werden, welche
einen festen Wert haben kann oder in Abhängigkeit von der Motordrehzahl
und -last veränderlich
sein kann. Das Motorsteuergerät 110 bestimmt
anhand der Gegen-EMK-Signale die Position des Motorläufers 116.
Bei einer Ausführungsform werden
die Gegen-EMK von fünf
Paaren von Wicklungen verglichen, um fünf diskrete Positionssignale zu
erzeugen.
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Die
Steuergerät-Stromversorgung 108 enthält einen
Spannungsregler, welcher den aufbereiteten Spannungsausgang 132 von
der Motorstromversorgung 104 empfängt und eine Niederspannungsquelle
für die
Erfassungsschaltung 106 und das Motorsteuergerät 110 zur
Verfügung
stellt. Die geregelte Spannung beträgt normalerweise 5 V und wird
der Erfassungsschaltung 106 und dem Motorsteuergerät 110 über Leitungen 142 bzw. 144 zugeführt.
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Wie
oben beschrieben, empfängt
das Motorsteuergerät 110 Signale,
die auf erfassten Parametern und der Drehposition des Motorläufers 116 von der
Erfassungsschaltung 106 beruhen, und es empfängt geregelten
Strom von der Steuergerät-Stromversorgung 108.
Das Motorsteuergerät 110 empfängt außerdem ein
Drehzahl-Sollwertsignal 146. Das Drehzahl-Sollwertsignal 146 wird
vom Motorsteuergerät 110 verwendet,
um eine gewünschte
Drehzahl oder Bezugsdrehzahl des Motors 102 einzustellen. Das
Drehzahl-Sollwertsignal 146 kann ein analoges Spannungs-
oder Stromsignal sein, oder es kann ein digitales Signal von einer
seriellen oder parallelen Kommunikations-Schnittstelle sein. Zum
Beispiel kann das Drehzahl-Sollwertsignal 146 von einer
Motorsteuerung (engine control unit, ECU) eines Fahrzeugs zum Motorsteuergerät 110 übertragen
werden, und es kann Bestandteil eines Stroms von Kommunikationsdaten
sein, welche die Drehzahl und die Betriebsdauer des Motors 102 steuern.
Bei einer Anwendung im Bereich der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen kann
das Drehzahl-Sollwertsignal 146 von einer bedienergesteuerten
elektronischen Schaltung wie etwa einem analogen Potentiometer oder
einem digitalen Potentiometer mit einem Tastaturblock-Eingabegerät (nicht
dargestellt) erzeugt werden.
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Das
Motorsteuergerät 110 erzeugt
Steuersignale für
die Motorwicklungen 114, welche über eine Leitung 148 zur
Leistungsstufe 112 übertragen
werden. Die Leistungsstufe 112 verstärkt die Steuersignale mit Logikpegel
und verwendet die verstärkten Signale,
um mit den Motorwicklungen 114 gekoppelte elektronische
Schalter einzuschalten. Bei einer Ausführungsform sind die elektronischen
Schalter MOSFET-Leistungstransistoren, die mit den Motorwicklungen 114 in
Reihe geschaltet sind, wobei mit der Unterseite 150 jeder
Motorphasenwicklung jeweils ein Schalter gekoppelt ist. Die Oberseite 152 jeder
Motorphasenwicklung ist mit dem aufbereiteten Spannungsausgang 132 verbunden.
Wenn ein Schalter durch das Steuersignal vom Motorsteuergerät 110 eingeschaltet
wird, fließt
Strom vom Spannungsausgang 132 durch die jeweilige Motorwicklung 114,
danach durch den jeweiligen Schalter und fließt dann über einen gemeinsamen Rückführpfad 154 zurück.
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Das
Motorsteuergerät 110 stellt
ein pulsdauermoduliertes (PDM) Steuersignal oberhalb des hörbaren Bereiches
(d. h., zwischen 20 und 40 kHz) zur Verfügung. Der Tastgrad des PDM-Signals
kann zwischen 0 und 100% verändert
werden, wobei er eine Drehzahl des Motors 102 zwischen
0 und einer Maximaldrehzahl repräsentiert.
Das PDM-Signal wird multiplexiert, um auf der Basis der Drehposition
des Motorläufers 116 verschiedene
Schalter anzusteuern. Das Motorsteuergerät 110 ist außerdem in
der Lage, das Drehzahl-Sollwertsignal 146 in einen Block von
variabler Dauer umzuwandeln, welcher verwendet werden kann, um die
Motorwicklungen 114 zu kommutieren (d. h. Blockkommutierung).
Folglich steuert das Motorsteuergerät 110 den Anlauf,
die Kommutierung und die Drehzahl des Motors 102 durch
Variieren des Tastgrades und Multiplexieren der Steuersignale zur
Ansteuerung der Leistungsstufe 112. Eine andere Möglichkeit
wäre, dass
das Motorsteuergerät 110 eine
lineare Regelung verwendet, um den Strom durch die Wicklungen 114 anzusteuern.
Die Verwendung von PDM-Steuersignalen
begrenzt jedoch die Verlustleistung in den Wicklungen auf ein Minimum
und ist für
Anwendungen bei hohen Temperaturen besser geeignet.
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Das
Motorsteuergerät 110 gewährleistet
außerdem
den Schutz der Motorwicklungen 114 und der Schalter innerhalb
der Leistungsstufe 112 durch das Modifizieren der Steuersignale
auf der Basis der erfassten Parameter und der Läuferposition, wie weiter unten
beschrieben ist.
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Der
Motor 102 umfasst Motorwicklungen 114 und einen
Motorläufer 116.
Ein fünfphasiger
bürstenloser
GS-Motor umfasst einen Ständer,
der fünf
Wicklungen 114 aufweist. Der Motorläufer 116 ist auf eine solche
Weise angebracht, dass er relativ zu den Wicklungen 114 rotieren
kann. Der in 1 dargestellte
Motor 102 ist ein unipolarer Motor, welcher Dauermagnete
enthält,
die einen Nordpol 156 und einen Südpol 158 erzeugen.
Der Motor 102 könnte
jedoch auch mehr als einen Pol umfassen.
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Es
wird auf 2 Bezug genommen;
das Motorsteuergerät 110 kann
eine analoge, eine digitale oder eine Kombination einer analogen
und einer digitalen Schaltung sein. Bei einer Ausführungsform umfasst
das Motorsteuergerät 110 einen
Mikroprozessor oder Mikrocontroller 200, der mit einem
Taktgeber 202 gekoppelt ist, einen nichtflüchtigen
Speicher 204 wie etwa einen Festwertspeicher (ROM) zum
Speichern von Programmanweisungen, die vom Mikroprozessor 200 ausgeführt werden,
einen flüchtigen
Speicher 206 wie etwa einen Direktzugriffsspeicher (RAM),
einen Analog-Digital-Wandler 208 und eine digitale Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 210.
Der Mikroprozessor 200 könnte ein Mikrocontroller 80517 mit
eingebautem Speicher sein. Der nichtflüchtige Speicher 204 könnte jedoch
auch ein EPROM, EEPROM oder Flash-Speicher außerhalb des Mikroprozessors 200 sein,
und der flüchtige
Speicher 206 könnte
eine externe RAM-Vorrichtung sein. Die Verwendung eines Flash-Speichers
und/oder EEPROM als nichtflüchtiger
Speicher 204 ermöglicht
es dem Benutzer, die Leistung, die Fehlerbehandlung und die Kommunikationsschnittstellen
des Motors 102 auf der Ebene der Software kundenspezifisch
anzupassen. Der nichtflüchtige
Speicher 204 könnte
auch einen separaten Flash-Speicher oder EEPROM enthalten, der während der
Produktion des Motors 102 unter Berücksichtigung der Abweichungen
zwischen den einzelnen Motoren und spezieller Kundenanforderungen
mit entsprechenden Daten programmiert wird.
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Der
Analog-Digital-Wandler 208 empfängt analoge Spannungssignale
von der Über-/Unterspannungsschaltung,
der Überstromschaltung,
der Übertemperaturschaltung
(falls verwendet) und der Drehzahlsollwert-Schnittstelle (falls
analog), wie oben beschrieben. Die digitale Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 210 empfängt Positionssignale
des Motorläufers 116 von
der Erfassungsschaltung 106 und überträgt Steuersignale zu den MOSFET-Treibern
der Leistungsstufe 112.
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Das
Motorsteuergerät 110 kann
auch eine analoge oder digitale Schnittstelle enthalten, wie etwa
eine serielle Schnittstelle RS-232, um mit einem externen Gerät wie etwa
einer Motorsteuerung (ECU) zu kommunizieren. Mit Hilfe der Schnittstelle kann
das Motorsteuergerät 110 Steuerparameter
(z. B. das Drehzahl-Sollwertsignal 146) von dem externen
Gerät empfangen
und Betriebsparameter und Leistungsdaten (z. B. Drehzahl oder Temperatur)
sowie Diagnosedaten (z. B. Fehlermeldungen) an das externe Gerät senden.
Die Schnittstelle kann auch für Zwecke
der Fehlersuche und zum Herunterladen von Programmierungsinformationen
verwendet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
das Motorsteuergerät 110 eine
PDM-Schnittstelle, welche ein PDM-Signal von einer Motorsteuerung (ECU)
empfängt.
Während
des normalen Betriebs überträgt die ECU
ein PDM-Signal von
300 Hz zum Motorsteuergerät 110 mit
einem Tastgrad, der für
das Drehzahl-Sollwertsignal 146 repräsentativ ist. Die ECU kann
auch dem Motorsteuergerät 110 den
Befehl übermitteln,
in eine Nachlauf-Betriebsart umzuschalten, indem sie das PDM-Signal
in ein 10-Hz-Signal umschaltet, wenn das Fahrzeug angehalten hat. Im
Nachlaufbetrieb lässt
das Motorsteuergerät 110 den
Motor 102 noch eine gewisse Zeit laufen, um nach dem Anhalten
des Fahrzeugs den Motorraum zu kühlen
und dadurch eine zu starke Wärmeentwicklung
zu verhindern. Der Tastgrad des PDM-Signals bewirkt die Einstellung
der Dauer des Betriebs und der Drehzahl des Motors 102.
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Es
wird nun auf die 3 bis 7 Bezug genommen; als Beispiele
dienende Flussdiagramme zeigen die von dem Motorsteuergerät 110 während des
Betriebs des Motors 102 ausgeführte Hauptprozedur. Bezüglich der
dargestellten Logik wird angenommen, dass das Steuerungssystem 100 eine
Erfassungsschaltung 106 enthält, welche die in den Motorwicklungen 114 erzeugten
Gegen-EMK-Spannungen erfasst, um die Drehposition des Läufers 116 zu
bestimmen, und dass das Motorsteuergerät 110 ein PDM-Befehlssignal
von einem externen Gerät wie
etwa einer ECU erhält.
Das Flussdiagramm kann für
andere Ausführungsformen
der Erfindung entsprechend geändert
werden.
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In
den Schritten 300 und 302 führt das Motorsteuergerät 110 Initialisierungsvorgänge aus,
wenn dem Steuerungssystem 100 Strom zugeführt wird, wie
etwa beim Einschalten der Zündung
des Fahrzeugs. In den Schritten 304 und 306 prüft das Motorsteuergerät 110 das
Drehzahl-Sollwertsignal 146 und sperrt den Anlauf des Motors 102,
wenn sich der Sollwert nicht innerhalb eines vorgegebenen Bereiches befindet.
Bei einer Ausführungsform
hat ein PDM-Signal, welches das Drehzahl-Sollwertsignal zur Verfügung stellt,
einen Tastgrad-Bereich von 10% bis 90%. Im Schritt 308 prüft das System
die Batteriespannung, indem es das von der Über-/Unterspannungsschaltung
erfasste analoge Spannungssignal digitalisiert. Ein Überspannungs-Zustand
wird erkannt, wenn die erfasste Spannung einen oberen Grenzwert überschreitet,
und ein Unterspannungs-Zustand wird erkannt, wenn die erfasste Spannung
kleiner als ein unterer Grenzwert ist. Die Bereichsgrenzen können in
der Software benutzerspezifisch festgelegt werden und werden bei
einer bevorzugten Ausführungsform
auf ungefähr
9 bzw. 16 V eingestellt. Die Grenzwerte sind mit einer typischen
Batteriespannung von 12 V und einem Betriebsbereich von 8 bis 19
V kompatibel. Falls der Spannungspegel nicht akzeptabel ist, wird
der Anlauf gesperrt.
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Im
Schritt 310 prüft
das Motorsteuergerät 110 die
Drehrichtung des Läufers 116,
indem es die von der Erfassungsschaltung 106 erzeugten
Läuferpositionssignale
prüft.
Falls der Läufer 116 stillsteht oder
sich in der falschen Richtung bewegt, wenn Strom zugeführt wird,
bremst das System den Motor 102 und bewegt den Läufer 116 in
eine feststehende Position, wie in den Schritten 314 bis 330 dargestellt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
erregt das Motorsteuergerät 110 eine
gewisse Zeit eine Wicklung (z. B. Phase A) des Motors 102 und
erregt anschließend
zwei Wicklungen (z. B. Phasen A und B), bis der Läufer 116 in
der feststehenden Position stehen bleibt. Der an die Wicklungen
angelegte Strom wird während
der Bremssequenz in den Schritten 324 bis 330 auf
einen Sollwert eingestellt. Nachdem die Bewegung beendet ist oder
nachdem die Phasen A und B eine gewisse Zeit erregt wurden, führt das
Motorsteuergerät 110 im
Schritt 332 eine Anlaufkette aus.
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Es
wird nun auf die in den 5 und 6 dargestellten Schritte 332 bis 362 Bezug
genommen; das Motorsteuergerät 110 erregt
die Wicklungen 114 in einer Anlauf-Steuerkette, um zu bewirken,
dass der Läufer 116 in
der richtigen Richtung rotiert und eine Drehzahl erreicht, die ausreichend
ist, um erfassbare Gegen-EMK-Signale zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform
erregt die Anlaufkette Wicklungen 114 in vier Schritten.
Zuerst wird die Phase E erregt, bis vom Sensor E ein Abfallflanken-Signal
erkannt wird (die 12A bis 12E zeigen, wie die Wicklungen 114 und
Sensoren 106 bezeichnet sind). Als zweite wird die Phase
D erregt, bis vom Sensor D ein Abfallflanken-Signal erkannt wird.
Als dritte wird die Phase C erregt, bis vom Sensor C ein Abfallflanken-Signal
erkannt wird. Viertens, nach Verringerung des Stroms im Schritt 346,
werden die Phasen C und D für
eine gewisse Zeit erregt. Nach diesem Zeitpunkt müsste der Läufer 116 in
der richtigen Richtung rotieren, mit einer Drehzahl, die ausreichend
dafür ist,
dass die Erfassungsschaltung 106 Gegen-EMK-Signale erkennen
kann, die für
eine Regelung im geschlossenen Kreis geeignet sind. Wie in den Schritten 352 bis 362 dargestellt
ist, wird der an die Motorwicklungen 114 angelegte Strom
in den ersten drei Schritten der Anlaufkette auf einen Sollwert begrenzt,
um eine Beschädigung
der Wicklungen 114 und/oder der Leistungsstufe 112 zu
verhindern.
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Wie
in Schritt 364 in 6 dargestellt
ist, kommutiert das Motorsteuergerät 110, sobald der Läufer 116 in
der richtigen Richtung rotiert, die Motorwicklungen 114 auf
der Basis der Drehposition des Läufers.
Das Motorsteuergerät 110 erzeugt
die PDM-Steuersignale zur Kommutierung der Motorwicklungen 114 auf
der Grundlage eines von den Positionssensoren empfangenen binären Musters.
Weitere Informationen zum Kommutierungsalgorithmus können der
Software-Liste in der Mikrofiche-Anlage entnommen werden.
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Bei
einer Ausführungsform
werden zwei Motorwicklungen 114 gleichzeitig kommutiert,
wobei beide Motorwicklungen im Allgemeinen zusammen ein- und ausgeschaltet
werden. Das Erregen mehrerer Wicklungen unter Verwendung mehrerer
Schalter (z. B. Transistoren, Relais, Siliziumthyristoren usw.)
bewirkt eine Verringerung des Stromflusses durch die einzelnen Schalter
durch die Bereitstellung paralleler Pfade für den Gesamt-Stromfluss. Falls
zum Beispiel zwei Phasen erregt werden und zwei Schalter den Stromfluss
durch die Wicklungen steuern, fließt durch jeden Schalter die
Hälfte
des Gesamtstroms. Die einzelnen Schalter strahlen weniger Energie
ab und erwärmen
sich weniger stark als ein System, in dem immer nur jeweils eine
Wicklung erregt wird, da durch jeden Schalter nur ein Bruchteil
des Gesamtstroms fließt.
Die Verringerung des durch die einzelnen Schalter fließenden Stroms
sowie die Verwendung von PDM-Steuersignalen
bewirkt eine Begrenzung der Verlustleistung der Wicklungen 114 auf
ein Minimum und ermöglicht
einen zuverlässigen
Betrieb des Motors 102 in Umgebungen, in denen hohe Temperaturen
herrschen.
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Die
in den Wicklungen gespeicherte induktive Energie wird freigesetzt,
wenn die Stromzufuhr zu den Wicklungen abgeschaltet wird. Folglich
kann das gleichzeitige Ein- und Ausschalten von zwei Wicklungen
eine starke Entladung von Energie beim Ausschalten zur Folge haben.
Die Energiefreisetzung während
des Ausschaltens der Spulen kann durch die Anwendung von alternierendem
Zerhacken (Chopping) verringert werden. Alternierendes Zerhacken
bewirkt eine zeitliche Verteilung der Freisetzung von Energie von
den zwei Wicklungen und führt
zu einer geringeren Größe der Energiefreisetzung,
wodurch es leitungsgeführte
und ausgestrahlte Störemissionen
verringert.
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Anstelle
von passivem Überspannungsschutz
(Snubbing) kann aktiver Überspannungsschutz
angewendet werden, um in den Wicklungen gespeicherte Energie während der
Ausschaltzeit schnell und effizient zur positiven Schiene zurückzuleiten.
Durch die Anwendung von aktivem Überspannungsschutz
werden Nebenschwingungen und ein Nachschwingen während des Abschaltens unterdrückt, und
der Spannungsabfall an den leitenden Drains der MOSFETs wird auf
ein Minimum begrenzt, wodurch ein Lawinendurchbruch des Bauelements verhindert
wird. Wenn die in den MOSFETs gespeicherte Energie schnell zur positiven
Schiene freigegeben wird, erwärmt
die in den Spulen gespeicherte Energie nicht die Überspannungsschutzschaltung, und
der Temperaturanstieg innerhalb des Motors wird verringert.
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Außerdem könnte eine
planare Überspannungsschutzschaltung
anstelle einer Überspannungs-Schutzvorrichtung,
bei der diskrete Bauelemente verwendet werden, zur Anwendung kommen. Bei
der planaren Überspannungs-Schutzvorrichtung sind
Widerstand und Kapazität über die
Länge und Breite
der Schaltung verteilt, was eine geringere Baugröße, eine niedrigere Verlustleistung
und eine geringere Ausstrahlung von Hochfrequenzstörungen zur
Folge hat.
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Im
Schritt 366 bestimmt das Motorsteuergerät 110, ob die Frequenz
des PDM-Eingangssignals anzeigt, dass die Nachlauf-Betriebsart angewiesen wird.
Eine Frequenz von 300 Hz zeigt die normale Betriebsart an, und eine
Frequenz von 10 Hz zeigt die Nachlauf-Betriebsart an. Falls die
Nachlauf-Betriebsart angewiesen wird, wird im Schritt 368 ein
Bit gesetzt, und das Motorsteuergerät 110 führt im Schritt 370 einen
Sprung zur Nachlauf-Logik aus (wird weiter unten im Zusammenhang
mit 11 beschrieben).
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Im
Schritt 372 stellt das Motorsteuergerät 110 fest, ob eine Änderung
im Drehzahl-Sollwertsignal 146 eingetreten ist. Ist dies
der Fall, stellt das System einen Beschleunigungs-/Verzögerungs-Zeitgeber
ein und wartet im Schritt 374 auf eine Unterbrechung. Ist
dies nicht der Fall, berechnet das System im Schritt 376 eine
Drehzahl und Kommutierungs-Verzögerung.
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Es
wird nun auf die in 7 dargestellten Schritte 378 bis 388 Bezug
genommen; das Motorsteuergerät 110 überwacht
die Batteriespannung und das Drehzahl-Sollwertsignal 146.
Falls der Wert der Batteriespannung nicht innerhalb des vorgegebenen Bereiches
liegt oder falls das Drehzahl-Sollwertsignal 146 unter
einem minimalen Wert liegt (z. B. einen Tastgrad von weniger als
10% aufweist), wird der Motor 102 gesperrt, indem die zur
Leistungsstufe 112 übertragenen
Steuersignale abgeschaltet werden. Der Motor 102 bleibt
gesperrt und im Leerlauf, bis der Spannungs- oder Drehzahlsollwert-Fehler
verschwindet, woraufhin dann das System einen Neustart durchführt.
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Im
Schritt 390 erkennt das System den durch das Steuerungssystem 100 fließenden Strom,
indem es das analoge Spannungssignal, das von der Überstromschaltung
wie oben beschrieben erzeugt wird, umsetzt. Falls der Strom einen
vom Benutzer in der Software vorgegebenen Schwellwert überschreitet (z.
B. 33 A), wird der an den Motor 102 angelegte Strom begrenzt,
indem im Schritt 392 der Tastgrad der PDM-Steuersignale
verkleinert wird. Der Strom kann auch auf der Grundlage einer Rückkopplung von
der Über-/Unterspannungsschaltung
begrenzt werden. Somit werden Änderungen
der Batteriespannung und der Last berücksichtigt. Zum Beispiel kann
der durch die Motorwicklungen 114 fließende Strom bei höheren Spannungen
begrenzt werden, um sicherzustellen, dass im Falle eines Ausfalls
des Spannungsreglers eine Auftau-Funktion zur Verfügung steht.
Der logische Ablauf wiederholt sich danach ab dem Schritt 364.
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Das
Motorsteuergerät 110 könnte auch
so konfiguriert sein, dass es das Vorliegen eines Übertemperatur-Zustands
prüft,
indem es ein analoges Spannungssignal umsetzt, das von einer Übertemperaturschaltung
erzeugt wird. Ein Übertemperatur-Zustand
würde vorliegen,
wenn die erfasste Temperatur einen benutzerdefinierten Temperatur-Schwellwert übersteigt.
Für unterschiedliche
Leistungspegel könnten
unterschiedliche Temperatur-Schwellwerte festgelegt sein. Wenn ein Übertemperatur-Zustand erkannt
wird, könnte
das System die Impulsdauer der Steuersignale begrenzen, so dass
der Motor 102 mit einer geringeren Drehzahl läuft. Wenn
zum Beispiel eine hohe Umgebungstemperatur einen Übertemperatur-Zustand
verursacht und der Motor 102 einen Kühlventilator antreibt, würde der
Motor 102 nicht vollständig
entregt, so dass er weiterhin für
einen Kühlluftstrom
sorgen würde
und eine Überhitzung des
Fahrzeugmotors verhindern würde.
Die gewünschte
volle Motordrehzahl und -leistung würde erst wiederhergestellt,
wenn die Temperatur unter den Schwellwert absinkt.
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Es
wird nun auf 8 Bezug
genommen; das Motorsteuergerät 110 führt ein
Unterbrechungsprogramm des Beschleunigungs-/Verzögerungs-Zeitgebers aus, um
die Drehzahl des Motors 102 zu ändern, wenn der Beschleunigungs- /Verzögerungs-Zeitgeber
im Schritt 374 in Reaktion auf eine Änderung des Drehzahl-Sollwertsignals 146 eingestellt
wurde und die Änderung
noch nicht erreicht worden ist. In den Schritten 400 bis 406 wird
der PDM-Tastgrad mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit geändert, bis
der gewünschte
Tastgrad erreicht worden ist. Die Geschwindigkeiten der Änderung
des Tastgrades regeln die Geschwindigkeiten der Beschleunigung und
Verzögerung
des Motors 102 und werden in der Software eingestellt.
Wenn die Änderung
des PDM-Tastgrades erreicht worden ist, wird der Beschleunigungs-/Verzögerungs-Zeitgeber
im Schritt 408 gestoppt, und es erfolgt ein Rücksprung im
logischen Ablauf.
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Das
System kann die Drehzahl des Motors 102 einstellen, indem
es die Ist-Drehzahl des Läufers 116,
die durch Messung der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Drehpositionen
des Läufers 116 bestimmt
wird, mit einer gewünschten
Drehzahl entsprechend dem Sollwertsignal 146 vergleicht.
Der Tastgrad des Steuersignals wird variiert, so dass eine Drehzahlregelung
im geschlossenen Kreis gewährleistet
wird. Um die Drehzahl im geschlossenen Kreis zu regeln, können verschiedene
Regelungsalgorithmen angewendet werden, wie etwa Proportional-Integral-Differential-Regelung
(PID-Regelung) oder Fuzzy-Logik. Durch eine Drehzahlregelung im
geschlossenen Kreis kann die Leistungsfähigkeit des Motors unter unterschiedlichen
Bedingungen, wie etwa bei sich ändernder
Batteriespannung, garantiert werden.
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Es
wird nun auf 9 Bezug
genommen; das Motorsteuergerät 110 führt im Schritt 410 ein
Unterbrechungsprogramm des Vergleichs-Zeitgebers aus. Im Schritt 412 wird
die neue Läuferposition
gelesen. In den Schritten 414 und 416 wird eine Kommutierungs-Verzögerung gestartet,
falls der neue Zustand nicht gleich dem alten Zustand ist. In den Schritten 418 und 420 lädt das Motorsteuergerät 110 die
neue Läuferposition,
sobald die Kommutierungs-Verzögerung beendet
ist. Im Schritt 422 werden die Vergleichskanal-Register
mit Tastgrad-Informationen geladen. In den Schritten 424 bis 428 wird die
Drehzahl gelesen, falls eine gewisse Position erreicht worden ist
(z. B. Position 5) und die Drehzahl nicht schon einmal
gelesen worden ist. Weitere Einzelheiten können der Programmliste entnommen werden.
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Es
wird nun auf 10 Bezug
genommen; das System prüft
im Schritt 430, ob ein festgebremster Zustand oder Zustand
verminderter Drehzahl vorliegt. Bei einer Ausführungsform startet das Motorsteuergerät 110 jedesmal,
wenn eine andere Läuferposition
erkannt wird, einen Zeitgeber oder Integrator. Ein Fehler "Festbremsung/verminderte
Drehzahl" wird erkannt,
wenn die Läuferposition
während
einer Zeit, die länger
ist als die unter normalen Betriebsbedingungen bei der niedrigsten
möglichen
Betriebsdrehzahl (z. B. 32 U/min) zur Änderung der Position benötigte Zeit,
dieselbe bleibt. Eine andere Möglichkeit
wäre, dass
das Motorsteuergerät 110 einmal
pro Umdrehung des Läufers 116 einen
Zeitgeber oder Integrator startet. Falls der Läufer 116 innerhalb
einer vorgegebenen Zeit dieselbe Position erreicht, wird der Zeitgeber
oder Integrator zurückgesetzt.
Falls jedoch die Zeit des Zeitgebers abläuft oder das Ausgangssignal
des Integrators einen Schwellwert-Pegel erreicht, wird ein Fehler
erkannt. Das Motorsteuergerät 110 könnte auch
einen Zustand "Festbremsung/verminderte
Drehzahl" erkennen,
indem es auf der Basis einer Ableitung der Läuferposition nach der Zeit
die Drehzahl des Läufers 116 bestimmt
und die Drehzahl mit einem benutzerdefinierten Wert "Festbremsung/verminderte
Drehzahl" vergleicht.
Bei einer weiteren Variante könnte
das System auf der Basis eines zu hohen Wertes der erfassten Stromstärke eine
Festbremsung erkennen. Das erfassen des Stroms ist jedoch möglicherweise
nicht wünschenswert,
da eventuell keine übermäßig hohen
Festbremsströme
auftreten, wenn der Motor 102 bei sehr niedrigen Drehzahlen
festgebremst wird.
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Im
Schritt 434 wird die Stromzufuhr zum Motor 102 unterbrochen,
wenn ein festgebremster Zustand oder Zustand verminderter Drehzahl
erkannt wird, um den Motor 102 und die Leistungsstufe 112 zu
schützen,
wenn die Rotation des Läufers 116 blockiert
wird. Wie in den Schritten 436 bis 442 dargestellt
ist, versucht das Motorsteuergerät 110,
den Motor 102 neu zu starten, nachdem eine Festbremsung erkannt
worden ist. Das System wartet zwischen Neustart-Versuchen eine vorgegebene
Zeit, die von der Anzahl der erkannten Festbremsungen abhängt. Wie
in den Schritten 444 bis 448 dargestellt ist,
setzt das System, wenn eine vorgegebene Anzahl von Festbremsungen
erkannt worden ist, ein Diagnose-Fehlerbit,
realisiert eine bestimmte Verzögerung, löscht den
Festbremsungs-Zähler
und startet den Motor 102 neu. Eine andere Möglichkeit
wäre, dass das
Motorsteuergerät 110 beim
Erkennen eines festgebremsten Zustands den Motor 102 sperrt
und wartet, bis die Stromzufuhr aus- und wieder eingeschaltet worden
ist (z. B. durch Ausschalten und erneutes Einschalten der Zündung),
um das System neu zu starten.
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Es
wird nun auf 11 Bezug
genommen; das Motorsteuergerät 110 führt, wenn
es einen Nachlauf-Befehl erhält,
einen Nachlauf-Betrieb aus. Im Schritt 452 bestimmt das
Motorsteuergerät 110 den Tastgrad
des PDM-Befehlseingangs. Wenn der Tastgrad 15% beträgt, stellt
das System im Schritt 454 den gewünschten PDM-Tastgrad (begrenzt
auf maximal 35%) der Steuersignale für den Motor 102 ein, startet
im Schritt 456 einen Beschleunigungs-/Verzögerungs-Zeitgeber
und lässt
den Motor 102 mit der gewünschten Drehzahl laufen, bis
die Nachlaufzeit abgelaufen ist oder bis ein Betrieb mit normaler
Drehzahl gewünscht
wird, wie in den Schritten 458 und 460 dargestellt
ist. Die Schritte 452 bis 460 werden für verschiedene
Tastgrad-Werte wiederholt.
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Es
wird nun auf 12A bis 12E Bezug genommen; ein Stromlaufplan
zeigt eine als Beispiel dienende Implementierung des Steuerungssystems 100,
das zur Steuerung eines fünfphasigen
bürstenlosen
GS-Motors verwendet
wird. Die integrierten Schaltungen enthalten einen Spannungsregler TLE4262G
(U1), MOSFET-Treiber MC4423 (U2–U4), einen
Verstärker
LM2904 (U5), einen Mikrocontroller 80517 (U6), der einen internen
Speicher enthält, Komparatoren
LM2901 (U9 und U10), Zähler
74HC 193 (U11–U14)
und einen Dual-Zeitgeber MC3456 (U15). Die Bezeichnungsschilder
U7 und U8 werden nicht benutzt. Die Rückspannungsschutz- und Phasensteuerungs-MOSFETs sind vom
Typ BUZ342s (Q1–Q7).
Die Bauelemente sind wie in den 12A bis 12E dargestellt geschaltet.
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Eine
andere Möglichkeit
wäre, dass
die von den verschiedenen Bauelementen des in den 12A bis 12E dargestellten
Stromlaufplans ausgeführten
Funktionen von einer einzigen integrierten Schaltung ausgeführt werden.
Zum Beispiel könnten die
Funktionen des Mikroprozessors U6, der Zähler U11–U14 und des Dual-Zeitgebers
U15 in einer integrierten Schaltung kombiniert werden, was eine
Erhöhung
der Zuverlässigkeit
und eine Senkung der Kosten bewirken würde.
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Obwohl
die in den ABBILDUNGEN dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsformen gegenwärtig bevorzugt
werden, werden diese Ausführungsformen
selbstverständlich
nur als Beispiele vorgeschlagen. Zum Beispiel könnten die oben beschriebenen
Fehlerbehandlungssequenzen entsprechend den Anforderungen der Benutzer
weitere Funktionen ausführen.
Als weiteres Beispiel kann der Motor, während in der obigen Beschreibung
auf einen für
den Antrieb eines Kühlventilators
eines Kraftfahrzeugmotors verwendeten bürstenlosen GS-Motor Bezug genommen
wird, auch für
andere Anwendungen verwendet werden, wie etwa in Heizungs-, Lüftungs-
und Klimaanlagen. Die Erfindung ist nicht auf irgendeine bestimmte
Ausführungsform
beschränkt, sondern
soll sich auf verschiedene Modifikationen erstrecken, welche trotzdem
in den Schutzbereich der beigefügten
Ansprüche
fallen.