EP2481149A2 - Motorsystem sowie ein betriebsverfahren für ein solches motorsystem - Google Patents

Motorsystem sowie ein betriebsverfahren für ein solches motorsystem

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Publication number
EP2481149A2
EP2481149A2 EP10757192A EP10757192A EP2481149A2 EP 2481149 A2 EP2481149 A2 EP 2481149A2 EP 10757192 A EP10757192 A EP 10757192A EP 10757192 A EP10757192 A EP 10757192A EP 2481149 A2 EP2481149 A2 EP 2481149A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
motor
voltage
power semiconductor
drive circuit
semiconductor switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10757192A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marco Zulli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2481149A2 publication Critical patent/EP2481149A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/06—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current
    • H02P7/18—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power
    • H02P7/24—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P7/28—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P7/285—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only
    • H02P7/29—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using pulse modulation
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E05—LOCKS; KEYS; WINDOW OR DOOR FITTINGS; SAFES
    • E05F—DEVICES FOR MOVING WINGS INTO OPEN OR CLOSED POSITION; CHECKS FOR WINGS; WING FITTINGS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, CONCERNED WITH THE FUNCTIONING OF THE WING
    • E05F15/00—Power-operated mechanisms for wings
    • E05F15/60—Power-operated mechanisms for wings using electrical actuators
    • E05F15/603—Power-operated mechanisms for wings using electrical actuators using rotary electromotors
    • E05F15/665—Power-operated mechanisms for wings using electrical actuators using rotary electromotors for vertically-sliding wings
    • E05F15/689—Power-operated mechanisms for wings using electrical actuators using rotary electromotors for vertically-sliding wings specially adapted for vehicle windows
    • E05F15/695—Control circuits therefor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E05—LOCKS; KEYS; WINDOW OR DOOR FITTINGS; SAFES
    • E05Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES E05D AND E05F, RELATING TO CONSTRUCTION ELEMENTS, ELECTRIC CONTROL, POWER SUPPLY, POWER SIGNAL OR TRANSMISSION, USER INTERFACES, MOUNTING OR COUPLING, DETAILS, ACCESSORIES, AUXILIARY OPERATIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, APPLICATION THEREOF
    • E05Y2800/00—Details, accessories and auxiliary operations not otherwise provided for
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E05—LOCKS; KEYS; WINDOW OR DOOR FITTINGS; SAFES
    • E05Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES E05D AND E05F, RELATING TO CONSTRUCTION ELEMENTS, ELECTRIC CONTROL, POWER SUPPLY, POWER SIGNAL OR TRANSMISSION, USER INTERFACES, MOUNTING OR COUPLING, DETAILS, ACCESSORIES, AUXILIARY OPERATIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, APPLICATION THEREOF
    • E05Y2900/00—Application of doors, windows, wings or fittings thereof
    • E05Y2900/50—Application of doors, windows, wings or fittings thereof for vehicles
    • E05Y2900/53—Type of wing
    • E05Y2900/55—Windows

Definitions

  • the invention relates to a motor system with a commutated DC motor, which is controlled by means of a pulse width modulated signal, in particular a motor system for operating an electric closing device on a motor vehicle, such. an electric window.
  • the invention further relates to an operating method for operating such an engine system.
  • Conventional drive systems for closing devices on a motor vehicle provide a pulse-width-modulated control of a DC motor in order to operate it at different power levels.
  • the pulse-width modulated control provides, in the periodic change to apply a supply voltage during a first period of time to the DC motor and to the
  • a duty cycle i. the length of the first time period in relation to the total period of the pulse width modulated signal indicates the power level at which the DC motor is to be operated.
  • the DC motor is connected to a pulse width modulated signal providing drive circuit via a switching driver for switching the polarity of the drive of the DC motor.
  • the change-over driver has free-wheeling diodes, for example in the form of a Schottky diode, a superconducting diode and the like, which in each case depend on switching states between the DC motor and the triggering supply voltage in blocking mode. direction are poled.
  • the freewheeling diode is usually used to reduce overvoltages during switching operations due to the inductive load of a winding of the DC motor. If no voltage is applied to the DC motor during the second period of time, the DC motor generates a generator voltage due to its movement, which has a reverse sign relative to the supply voltage.
  • the generator voltage leads to a current flow through the freewheeling diode connected to the terminals of the DC motor and thereby prevents the build-up of a high reverse voltage on power semiconductor switches of the drive circuit.
  • the freewheeling diode is intended to protect the power transistors of the drive circuit from the application of a breakdown voltage.
  • the generator voltage poled in the reverse direction via the power semiconductor switches increases and can lead to a so-called avalanche breakdown. This burdens the power semiconductor switch considerably due to the associated heat development and can lead to the destruction of the power semiconductor switch.
  • the freewheeling diode when using the freewheeling diode, however, the current flow recirculates through the
  • Free-wheeling diode the energy through the DC motor.
  • this energy must first be dissipated before the DC motor can be driven in the opposite direction by switching the changeover driver to terminate the pinching state.
  • the current flow through the freewheeling diode has the consequence that this current does not flow through a current sensor in the supply line to the DC motor, so that a sensorless, based on an evaluation of the current flow position detection of the DC motor can not or only inaccurately performed.
  • an engine system in particular for an electric closing device in a motor vehicle, is provided.
  • the engine system includes:
  • a drive circuit having a power semiconductor switch and configured to provide a drive voltage for the DC motor in response to a control signal
  • control unit for providing the control signal for activating the drive circuit according to a pulse-width-modulated drive, wherein the supply voltage is applied to the DC motor during a first period of a period and no voltage is supplied from the drive circuit to the DC motor during a second period of the period;
  • the drive circuit is coupled to the DC motor so that a generator current generated by the DC motor during the second time period flows through the drive circuit.
  • An idea of the invention is to dissipate the generated by the movement of a rotor of the DC motor generator voltage via the drive circuit to the supply lines in a pulse-width modulated drive during the second period in which no voltage is applied to the DC motor. This takes place in that the drive circuit is dimensioned such that the generator voltage, the breakdown voltage of an intrinsic diode provided in the drive circuit Power semiconductor switch exceeds and thus causes a current flow in the reverse direction of the power semiconductor switch to the supply voltage line.
  • the engine speed can be significantly reduced during the turn-off of the pulse width modulated drive, because the mechanical energy stored in the DC motor is dissipated as heat through the power semiconductor switch.
  • a current sensor for determining position information may be used by evaluating a current waveform on the supply lines, since the position information is not lost due to a recirculated current through any free-wheeling diode connected to the motor terminals. That the motor system ensures that all the current flowing through the DC motor also flows through the drive circuit.
  • Such an engine system is very suitable for use in electrical closing devices in a motor vehicle, since a possible pinching condition can be terminated very quickly by quickly stopping the DC motor when it detects a pinching condition and, if necessary, reversing it.
  • a switching unit for connecting the DC motor with the drive voltage and for determining a polarity of the application of the drive voltage to the DC motor may be provided.
  • the switching unit makes it possible to control the DC motor for both directions of rotation.
  • the drive circuit may have a current sensor, in particular a resistor, in order to generate an electrical variable dependent on a current through the drive circuit, in particular a measurement voltage, wherein the control unit is further configured to generate a voltage
  • control unit can be designed to detect a rotor position of the DC motor based on the electrical quantity.
  • the drive circuit has a power semiconductor switch, in particular a MOSFET, wherein the drive voltage is applied between a terminal of the power semiconductor switch and a supply potential.
  • the power semiconductor switch can be dimensioned such that it has a breakdown voltage for avalanche breakdown, which is smaller than a DC voltage that can be generated by the DC motor.
  • a diode in particular a Zener diode, with a predetermined breakdown voltage, in particular a Zener breakdown voltage may be arranged so that when the breakdown voltage is exceeded during the second time period, a generator current flows through the drive circuit.
  • the breakdown voltage may be equal to or less than the breakdown voltage for an avalanche breakdown of the power semiconductor switches.
  • FIG. 1 shows an engine system for operating a DC motor according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a modified motor system for operating a DC motor according to a further embodiment
  • 3 shows a diagram for the schematic representation of the current through the power semiconductor switch and a voltage across a resistor to illustrate the avalanche breakdown.
  • the motor 1 shows a motor system 1 with a DC motor 2, which is electrically controlled via a switching driver 3 with a drive circuit 4.
  • the DC motor 2 is a mechanically commutated DC motor with a winding that is energized to provide torque.
  • the drive circuit 4 comprises a power semiconductor switch 5 and a resistor 6, by means of which, on the one hand, the current flow through the power semiconductor switch 5 and through the DC motor 2 can be limited and, on the other hand, serves as a measuring resistor to measure the current through the drive circuit.
  • a first terminal of the power semiconductor switch 5 with the switching driver 3 and a second terminal of the power semiconductor switch 5 is connected to a first terminal of the resistor 6.
  • a second terminal of the electrical resistor 6 is connected to a low supply potential V L , in particular a ground potential.
  • the switching driver 3 has a changeover switch 7, which may be designed, for example, as a mechanical or electronic relay.
  • the changeover switch 7 connects a first motor terminal A of the DC motor 2 to the first terminal of the power semiconductor switch 5 and a second motor terminal B to a high supply potential V H.
  • the changeover switch 7 connects the second motor terminal B to the first terminal of the power semiconductor switch 5 and the first motor terminal A to the high supply potential V H.
  • the power semiconductor switch 5 may be formed, for example, as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or as a thyristor, IGBT, and the like.
  • MOSFETs are essentially formed by two semiconductor regions (source, drain) separated from each other by a channel region, wherein the semiconductor regions are doped with a dopant which has either a La carrier excess or a charge carrier shortage, while the channel region is correspondingly doped opposite.
  • a control electrode is arranged in isolation, wherein charge carriers are drawn into or removed from the channel region by applying a voltage to the control electrode, so that the conductivity between the two
  • a control unit 10 is provided, which activates the power semiconductor switch 5 via a corresponding control terminal of the power semiconductor switch 5.
  • the control can take the form of a pulse width modulation, in which a substantially periodic switching sequence is provided.
  • the period duration of a pulse-width-modulated drive is essentially constant and provides that a supply voltage U V , which is applied between the high supply potential V H and the low supply potential V L, is applied to the DC motor 2 during a first time duration and that during a second period corresponding to the remaining period until the expiration of the period, no voltage is applied to the DC motor 2, that is, the output node of the drive circuit 4, the first
  • Connection of the power semiconductor switch 5 corresponds, is connected neither to the high supply potential V H nor to the low supply potential V L. This state of the connection of the drive circuit 4 connected to the corresponding motor connection is then also called floating.
  • a switching position of the changeover driver 3 is selected and the power semiconductor switch 5 is controlled by means of the control unit 10 with a pulse width modulated control.
  • the pulse width modulated control makes it possible to control the DC motor 2 with a specific power by selecting the duty cycle.
  • An indication of the specific performance can be specified either externally or by the control unit 10.
  • the control unit 10 further determines the duty cycle corresponding to the particular power.
  • the resistor 6 can be used to measure the motor current, for example, to close on the basis of the current flow to the position of a rotor (rotor) of the DC motor 2. This can be done, for example, by evaluating current ripple of a current flowing through the resistor 6. In order to close from the current flow through the resistor 6 to the position of the rotor of the DC motor 2, it is necessary that substantially the largest part of the current flowing through the DC motor 2 current flows through the measuring resistor 6.
  • a freewheeling diode is provided in each case between the motor connections A and B in order to derive a generator current caused by the rotation of the direct current motor 2 during the second time periods of the pulse-width-modulated activation. This current is thus circulated through the DC motor 2 and does not flow across the resistor 6. This makes a position detection of a position of the rotor of the DC motor 2 difficult or correspondingly inaccurate.
  • the generated during the second time periods of the pulse width modulated drive generator current flows through the resistor 6.
  • no further current-carrying element is provided, through which a generated by the DC motor 2 generator current can be derived so that this is not flows through the resistor 6.
  • no further component is connected in parallel with the power semiconductor switch 5 in this embodiment.
  • the power semiconductor switch 5 is dimensioned so that a generator voltage which builds up during the second time due to the movement of the rotor of the DC motor 2, the reverse breakdown voltage exceeds and thereby causes a current flow through the power semiconductor switch 5, by the generator voltage of the DC motor.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the engine system 1.
  • the energy provided by the DC motor during the second time period is dissipated via the power semiconductor switch 5. This can lead to a strong heat development.
  • it may alternatively be provided to connect the power semiconductor switch 5 in parallel with a zener diode 11 which can derive a voltage applied in the reverse direction through the resistor 6.
  • the first terminal of the power semiconductor switch 5 with a cathode terminal of the Zener diode 1 1 and the second
  • FIG. 3 is a diagram for illustrating the profile between the power semiconductor switch 5 and an anode terminal of the zener diode 1 1 connected.
  • the power semiconductor switch 5 can be relieved and, in particular, the heat generated therein can be reduced since a part of the current flowing through the power semiconductor switch 5 during the avalanche breakdown is diverted through the zener diode 11.
  • the reverse voltage or breakdown voltage of the zener diode 11 is preferably selected to be equal to or less than the breakdown voltage of the associated power semiconductor switch 5.
  • FIG. 3 is a diagram for illustrating the profile between the
  • the diagram shows schematically during a period the curves during the first period Z1 and during the second period Z2.
  • the increase of the voltage U across the measuring resistor during the second time period Z2 is due to the reduction of the
  • the engine speed can be significantly reduced because stored in the DC motor 2 mechanical energy as heat via the power semiconductor switch 5 and the corresponding Zener diode 1 1 is derived.
  • the motor current I also flows through the resistor 6 during the second time duration of the pulse width modulation. This ensures that the position information of the DC motor 2 contained in the current profile is not lost.
  • the DC motor 2 is driven by a pulse width modulation having a lower duty cycle. The speed is reduced, for example, if it is to be determined whether a pinching condition exists.
  • the duty ratio can be further reduced. The reduced speed in conjunction with the lower duty cycle reduces the torque provided by the DC motor 2 by limiting the time during which the windings are energized.
  • the reduction of the torque is required while determining whether a suspected Einklemmfall, in which an object between a closing element (window glass) and an edge (window frame) is clamped during a closing movement, or not.
  • the trapping case may be suspected, for example, when an increase in the motor current is detected or when it is determined that the rotational speed of the DC motor 2 has decreased.
  • the time available for detecting the position of the DC motor 2 can be increased by the reduced duty cycle, whereby the second time duration is greater.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Direct Current Motors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Motorsystem (1), insbesondere für eine elektrische Schließvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, umfassend: - einen Gleichstrommotor (2); - eine Ansteuerschaltung (4), die einen Leistungshalbleiterschalter (5) aufweist und ausgebildet ist, um eine Ansteuerspannung für den Gleichstrommotor (2) abhängig von einem Steuersignal bereitzustellen; - eine Steuereinheit (10) zum Bereitstellen des Steuersignals zum Ansteuern der Ansteuerschaltung (4) gemäß einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung, wobei während einer ersten Zeitdauer einer Periodendauer die Versorgungsspannung an den Gleichstrommotor (2) angelegt wird und während einer zweiten Zeitdauer der Periodendauer keine Spannung von der Ansteuerschaltung an den Gleichstrommotor (2) bereitgestellt wird; wobei die Ansteuerschaltung (4) mit dem Gleichstrommotor (2) so gekoppelt ist, dass ein während der zweiten Zeitdauer von dem Gleichstrommotor (2) erzeugter Generatorstrom durch die Ansteuerschaltung (4) abfließt.

Description

Beschreibung
Titel
Motorsystem sowie ein Betriebsverfahren für ein solches Motorsystem
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Motorsystem mit einem kommutierten Gleichstrommotor, der mit Hilfe eines pulsweitenmodulierten Signals angesteuert wird, insbe- sondere ein Motorsystem zum Betreiben einer elektrischen Schließvorrichtung an einem Kraftfahrzeug, wie z.B. einen elektrischen Fensterheber. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines solchen Motorsystems.
Stand der Technik
Herkömmliche Antriebssysteme für Schließvorrichtungen an einem Kraftfahrzeug sehen eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung eines Gleichstrommotors vor, um diesen in verschiedenen Leistungsstufen zu betreiben. Die pulsweitenmodulierte Ansteuerung sieht vor, im periodischen Wechsel eine Versorgungsspannung während einer ersten Zeitdauer an den Gleichstrommotor anzulegen und an den
Gleichstrommotor während einer zweiten Zeitdauer keine Spannung anzulegen. Ein Tastverhältnis, d.h. die Länge der ersten Zeitdauer im Verhältnis zur gesamten Periodendauer des pulsweitenmodulierten Signal gibt die Leistungsstufe an, mit der der Gleichstrommotor betrieben werden soll.
Der Gleichstrommotor ist mit einer das pulsweitenmodulierte Signal bereitstellenden Ansteuerschaltung über einen Umschalttreiber zum Umschalten der Polarität der Ansteuerung des Gleichstrommotors verbunden. Der Umschalttreiber weist in der Regel Freilaufdioden auf, z.B. in Form einer Schottky-Diode, einer Supres- sordiode und dergleichen, die jeweils abhängig von Schaltzuständen zwischen dem Gleichstrommotor und der ansteuernden Versorgungsspannung in Sperr- richtung gepolt sind. Die Freilaufdiode, dient in der Regel dazu, Überspannungen bei Schaltvorgängen aufgrund der induktiven Last einer Wicklung des Gleichstrommotors abzubauen. Liegt während der zweiten Zeitdauer keine Spannung an dem Gleichstrommotor an, so generiert der Gleichstrommotor aufgrund seiner Bewegung eine Generatorspannung, die bezüglich der Versorgungsspannung ein umgekehrtes Vorzeichen hat. Die Generatorspannung führt zu einem Strom- fluss durch die mit den Anschlüssen des Gleichstrommotors verbundene Freilaufdiode und verhindert dadurch den Aufbau einer hohen Sperrspannung an Leistungshalbleiterschaltern der Ansteuerschaltung.
Insbesondere soll die Freilaufdiode die Leistungstransistoren der Ansteuerschaltung vor dem Anlegen einer Durchbruchsspannung schützen. Findet nämlich kein weiterer Stromfluss zum Abbau der Generatorspannung statt, so steigt die über den Leistungshalbleiterschaltern in Sperrrichtung gepolte Generatorspan- nung an und kann zu einem so genannten Lawinendurchbruch führen. Dieser belastet die Leistungshalbleiterschalter erheblich aufgrund der damit verbundenen Wärmeentwicklung und kann zur Zerstörung der Leistungshalbleiterschalter führen. Bei Verwendung der Freilaufdiode rezirkuliert jedoch der Stromfluss durch die
Freilaufdiode die Energie durch den Gleichstrommotor. Soll aufgrund eines Einklemmschutzes der Gleichstrommotor jedoch sehr schnell gestoppt bzw. reversiert werden, so muss diese Energie zunächst abgebaut werden, bevor der Gleichstrommotor durch Umschalten des Umschalttreibers in gegenläufiger Rich- tung angesteuert werden kann, um den Einklemmzustand zu beenden. Darüberhinaus hat der Stromfluss durch die Freilaufdiode zur Folge, dass dieser Strom nicht durch einen Stromsensor in der Zuleitung zu dem Gleichstrommotor fließt, so dass eine sensorlosem, auf einer Auswertung des Stromflusses basierende Positionserkennung des Gleichstrommotors nicht oder nur ungenau durchgeführt werden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Motorsystem mit einem Gleichstrommotor zur Verfügung zu stellen, das schnell abgeschaltet werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines sol- chen Motorsystems zur Verfügung zu stellen, mit dem gewährleistet ist, dass Energie des Gleichstrommotors vor einem Umpolen des Gleichstrommotors nicht in den Motorwicklungen rezirkuliert wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Motorsystem gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt ist ein Motorsystem, insbesondere für eine elektrische Schließvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, vorgesehen. Das Motorsystem um- fasst:
- einen Gleichstrommotor;
- eine Ansteuerschaltung, die einen Leistungshalbleiterschalter aufweist und ausgebildet ist, um eine Ansteuerspannung für den Gleichstrommotor abhängig von einem Steuersignal bereitzustellen;
- eine Steuereinheit zum Bereitstellen des Steuersignals zum Ansteuern der Ansteuerschaltung gemäß einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung, wobei während einer ersten Zeitdauer einer Periodendauer die Versorgungsspannung an den Gleichstrommotor angelegt wird und während einer zweiten Zeitdauer der Periodendauer keine Spannung von der Ansteuerschaltung an den Gleichstrom- motor bereitgestellt wird;
wobei die Ansteuerschaltung mit dem Gleichstrommotor so gekoppelt ist, dass ein während der zweiten Zeitdauer von dem Gleichstrommotor erzeugter Generatorstrom durch die Ansteuerschaltung abfließt. Eine Idee der Erfindung besteht darin, bei einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung während der zweiten Zeitdauer, bei der keine Spannung an den Gleichstrommotor angelegt ist, die durch die Bewegung eines Läufers des Gleichstrommotors erzeugte Generatorspannung über die Ansteuerschaltung auf die Versorgungsleitungen abzuführen. Dies erfolgt dadurch, dass die Ansteuerschal- tung so dimensioniert ist, dass die Generatorspannung die Durchbruchsspannung einer intrinsischen Diode eines in der Ansteuerschaltung vorgesehenen Leistungshalbleiterschalters übersteigt und so einen Stromfluss in Sperrrichtung der Leistungshalbleiterschalter auf die Versorgungsspannungsleitung bewirkt. Das Überschreiten der Durchbruchsspannung führt zu einem Lawinendurchbruch über in Sperrrichtung gepolte pn-Übergänge in dem Leistungshalbleiterschalter, so dass die Energie in dem Gleichstrommotor langsam über den Leistungshalbleiterschalter abgeführt wird. Dies führt zu reduzierten Störungen auf den Versorgungsleitungen, so dass der Aufwand für etwaige EMV-Filter verringert werden kann.
Bei einem solchen Motorsystem kann also die Motorgeschwindigkeit erheblich während der Ausschaltzeiten der pulsweitenmodulierten Ansteuerung reduziert werden, weil die mechanische Energie, die in dem Gleichstrommotor gespeichert ist, als Wärme über den Leistungshalbleiterschalter abgeführt wird. Weiterhin kann ein Stromsensor zur Ermittlung einer Positionsinformation durch eine Auswertung eines Stromverlaufs auf den Versorgungsleitungen verwendet werden, da die Positionsinformation nicht aufgrund eines rezirkulierten Stroms durch eine etwaige, mit den Motoranschlüssen verbundene Freilaufdiode verloren geht. D.h. das Motorsystem gewährleistet, dass der gesamte Strom, der durch den Gleichstrommotor fließt, auch über die Ansteuerschaltung fließt.
Ein solches Motorsystem eignet sich sehr für die Verwendung bei elektrischen Schließvorrichtungen in einem Kraftfahrzeug, da besonders schnell ein möglicher Einklemmzustand beendet werden kann, indem bei Erkennen eines Einklemmzustands der Gleichstrommotor schnell angehalten wird und gegebenenfalls reversiert wird.
Weiterhin kann eine Umschalteinheit zum Verbinden des Gleichstrommotors mit der Ansteuerspannung und zum Festlegen einer Polarität des Anlegens der Ansteuerspannung an den Gleichstrommotor vorgesehen sein. Die Umschalteinheit ermöglicht es, den Gleichstrommotor für beide Drehrichtungen anzusteuern.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ansteuerschaltung einen Stromsensor, insbesondere einen Widerstand, aufweisen, um eine von einem Strom durch die Ansteuerschaltung abhängige elektrische Größe, insbesondere eine Meßspan- nung, zu generieren, wobei die Steuereinheit weiterhin ausgebildet ist, um eine
Angabe über die elektrische Größe zu erfassen. Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um anhand der elektrischen Größe eine Rotorlageposition des Gleichstrommotors zu detektieren.
Es kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerschaltung einen Leistungshalbleiterschalter, insbesondere einen MOSFET, aufweist, wobei die Ansteuerspannung zwischen einem Anschluss des Leistungshalbleiterschalters und einem Versorgungspotenzial anliegt.
Der Leistungshalbleiterschalter kann so dimensioniert sein, dass er eine Durch- bruchspannung für einen Lawinendurchbruch aufweist, die kleiner ist eine von dem Gleichstrommotor generierbare Gleichspannung.
Weiterhin kann parallel zu dem Leistungshalbleiterschalter eine Diode, insbesondere eine Zener-Diode, mit einer vorbestimmten Durchbruchsspannung, insbesondere einer Zener-Durchbruchsspannung, angeordnet sein, so dass bei Überschreiten der Durchbruchsspannung während der zweiten Zeitdauer ein Generatorstrom durch die Ansteuerschaltung fließt. Durch Vorsehen der Diode kann der Leistungshalbleiterschalter gegenüber dem Stromfluss während des Lawinen- durchbruchs geschützt werden, da der Strom ganz oder teilweise durch die Diode fließt.
Insbesondere kann die Durchbruchspannung gleich oder kleiner sein als die Durchbruchspannung für einen Lawinendurchbruch der Leistungshalbleiterschalter.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Motorsystem zum Betreiben eines Gleichstrommotors gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2 ein modifiziertes Motorsystem zum Betreiben eines Gleichstrommotors gemäß einer weiteren Ausführungsform; und Figur 3 ein Diagramm zur schematischen Darstellung des Stroms durch den Leistungshalbleiterschalter und einer Spannung über einem Widerstand zur Verdeutlichung des Lawinendurchbruchs.
Beschreibung von Ausführungsformen
Figur 1 zeigt ein Motorsystem 1 mit einem Gleichstrommotor 2, der über einen Umschalttreiber 3 mit einer Ansteuerschaltung 4 elektrisch angesteuert wird. Der Gleichstrommotor 2 ist ein mechanisch kommutierter Gleichstrommotor mit einer Wicklung, die bestromt wird, um ein Drehmoment bereitzustellen.
Die Ansteuerschaltung 4 umfasst einen Leistungshalbleiterschalter 5 und einen Widerstand 6, mit dessen Hilfe einerseits der Stromfluss durch den Leistungshalbleiterschalter 5 und durch den Gleichstrommotor 2 begrenzt werden kann und der andererseits als Messwiderstand dient, um den Strom durch die Ansteuerschaltung zu messen. Im Detail ist ein erster Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 mit dem Umschalttreiber 3 und ein zweiter Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 mit einem ersten Anschluss des Widerstands 6 verbunden. Ein zweiter Anschluss des elektrischen Widerstands 6 ist mit einem niedrigen Versorgungspotential VL, insbesondere einem Massepotential, verbunden.
Der Umschalttreiber 3 weist einen Umschalter 7 auf, der beispielsweise als ein mechanisches oder elektronisches Relais ausgebildet sein kann. Der Umschalter 7 verbindet in einer ersten Schaltstellung einen ersten Motoranschluss A des Gleichstrommotors 2 mit dem ersten Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 und einen zweiten Motoranschluss B mit einem hohen Versorgungspotential VH. In einer zweiten Schaltstellung verbindet der Umschalter 7 den zweiten Motoranschluss B mit dem ersten Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 und den ersten Motoranschluss A mit dem hohen Versorgungspotential VH.
Der Leistungshalbleiterschalter 5 kann beispielsweise als MOSFET (Metalloxid- Halbleiter-Feldeffekt-Transistor) oder als Thyristor, IGBT und dergleichen ausgebildet sein. MOSFETs sind im Wesentlichen durch zwei voneinander durch einen Kanalbereich getrennte Halbleiterbereiche (Source, Drain) ausgebildet, wobei die Halbleiterbereiche mit einem Dotierstoff dotiert sind, der entweder einen La- dungsträgerüberschuss oder einen Ladungsträgermangel aufweist, während der Kanalbereich entsprechend entgegengesetzt dotiert ist. Nahe dem Kanalbereich ist eine Steuerelektrode (Gate) isoliert angeordnet, wobei durch Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode Ladungsträger in den Kanalbereich gezogen oder aus diesem entfernt werden, so dass sich die Leitfähigkeit zwischen den
Halbleiterbereichen ändert. Zwischen dem Kanalbereich und jedem der Halbleiterbereiche besteht somit ein PN-Übergang, der intrinsische Diode genannt wird. Die intrinsischen Dioden haben die Eigenschaft, dass bei einer über den Halbleiterbereichen anliegenden Spannung, die eine bestimmte Höhe übersteigt, ein Durchbruch erfolgt, bei dem ein hoher Strom in Sperrrichtung des PN-Übergangs fließt. Dieser Effekt wird auch Lawinendurchbruch genannt. Die Durchbruchsspannung, ab der dieser Lawineneffekt auftritt, kann durch geeignete Dimensionierung des MOSFETs in bekannter Weise eingestellt werden. Es ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die den Leistungshalbleiterschalter 5 über einen entsprechenden Steueranschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 ansteuert. Die Ansteuerung kann in Form einer Pulsweitenmodulation erfolgen, bei der eine im Wesentlichen periodische Schaltabfolge vorgesehen ist. Die Periodendauer einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung ist im Wesentlichen kon- stant und sieht vor, dass an den Gleichstrommotor 2 während einer ersten Zeitdauer eine Versorgungsspannung Uv, die zwischen dem hohen Versorgungspotenzial VH und dem niedrigen Versorgungspotenzial VL anliegt, angelegt wird und dass während einer zweiten Zeitdauer, die der restlichen Zeitdauer bis zum Ablauf der Periodendauer entspricht, keine Spannung an den Gleichstrommotor 2 angelegt wird, d.h. der Ausgangsknoten der Ansteuerschaltung 4, der dem ersten
Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 entspricht, ist weder mit dem hohen Versorgungspotential VH noch mit dem niedrigen Versorgungspotential VL verbunden. Man nennt diesen Zustand des mit dem entsprechenden Motoran- schluss verbundenen Anschlusses der Ansteuerschaltung 4 dann auch floatend.
Zum Betreiben des Gleichstrommotors 2 in einer Bewegungsrichtung (Drehrichtung) wird eine Schaltstellung des Umschalttreibers 3 ausgewählt und der Leistungshalbleiterschalter 5 mit Hilfe der Steuereinheit 10 mit einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung angesteuert. Die pulsweitenmodulierte Ansteuerung ermög- licht es, durch Wählen des Tastverhältnisses den Gleichstrommotor 2 mit einer bestimmten Leistung anzusteuern. Eine Angabe zur bestimmten Leistung kann entweder extern oder durch die Steuereinheit 10 vorgegeben werden. Die Steuereinheit 10 ermittelt weiterhin das der bestimmten Leistung entsprechende Tastverhältnis.
Der Widerstand 6 kann zur Messung des Motorstroms verwendet werden, beispielsweise um anhand des Stromflusses auf die Position eines Läufers (Rotors) des Gleichstrommotors 2 zu schließen. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem Stromripple eines durch den Widerstand 6 fließenden Stroms ausgewertet werden. Um aus dem Stromverlauf durch den Widerstand 6 auf die Position des Rotors des Gleichstrommotors 2 zu schließen, ist es notwendig, dass im Wesentlichen der größte Teil des durch den Gleichstrommotor 2 fließenden Stroms durch den Messwiderstand 6 fließt.
Bei bisherigen Lösungen ist zwischen den Motoranschlüssen A und B jeweils eine Freilaufdiode vorgesehen, um während den zweiten Zeitdauern der pulswei- tenmodulierten Ansteuerung einen durch die Drehung des Gleichstrommotors 2 bewirkten Generatorstrom abzuleiten. Dieser Strom wird somit durch den Gleichstrommotor 2 zirkuliert und fließt nicht über den Widerstand 6. Dadurch wird eine Positionserfassung einer Position des Rotors des Gleichstrommotors 2 erschwert bzw. entsprechend ungenau.
Es ist daher alternativ vorgesehen, dass der während den zweiten Zeitdauern der pulsweitenmodulierten Ansteuerung generierte Generatorstrom durch den Widerstand 6 fließt. Dazu ist vorgesehen, dass zwischen dem mit der Ansteuerschaltung verbundenen Motoranschluss A, B (je nach Schaltzustand) und dem hohen Versorgungspotential VH kein weiteres stromführendes Element vorgesehen ist, durch das ein von dem Gleichstrommotor 2 generierter Generatorstrom so abgeleitet werden kann, dass dieser nicht durch den Widerstand 6 fließt. Vorzugsweise ist parallel zu dem Leistungshalbleiterschalter 5 in dieser Ausführungsform kein weiteres Bauelement geschaltet. Stattdessen ist der Leistungshalbleiterschalter 5 so dimensioniert, dass eine Generatorspannung, die sich während der zweiten Zeitdauer aufgrund der Bewegung des Rotors des Gleichstrommotors 2 aufbaut, die Durchbruchsspannung in Sperrrichtung übersteigt und dadurch einen Stromfluss durch den Leistungshalbleiterschalter 5 bewirkt, durch den die Generatorspannung des Gleichstrommotors 2 langsam abgebaut wird und ein entsprechender Strom durch den Widerstand 6 fließt. In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform des Motorsystems 1 dargestellt. Bei dem Motorsystem der Figur 1 wird die während der zweiten Zeitdauer vom Gleichstrommotor bereitgestellte Energie über den Leistungshalbleiterschalter 5 abgeleitet. Dies kann zu einer starken Wärmeentwicklung führen. Um die Wärmeentwicklung in dem Leistungshalbleiterschalter 5 zu reduzieren, kann alternativ vorgesehen sein, dem Leistungshalbleiterschalter 5 eine Zenerdiode 1 1 parallel zu schalten, die eine in Sperrrichtung anliegende Spannung durch den Widerstand 6 ableiten kann. Im Detail sind der erste Anschluss des Leistungshalblei- terschalters 5 mit einem Kathodenanschluss der Zenerdiode 1 1 und der zweite
Anschluss des Leistungshalbleiterschalters 5 mit einem Anodenanschluss der Zenerdiode 1 1 verbunden. Dadurch kann der Leistungshalbleiterschalter 5 entlastet werden und insbesondere die darin erzeugte Wärme reduziert werden, da ein Teil des während des Lawinendurchbruchs durch den Leistungshalbleiter- Schalter 5 fließenden Stroms durch die Zenerdiode 1 1 abgeleitet wird. Die Sperrspannung bzw. Durchbruchsspannung der Zenerdiode 1 1 ist vorzugsweise so gewählt, dass sie gleich oder geringer ist als die Durchbruchsspannung des zugehörigen Leistungshalbleiterschalters 5. In Fig. 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichen des Verlaufs zwischen dem
Spannungsabfall U über dem Widerstand 6 und dem Motorstrom I durch die Ansteuerschaltung über der Zeit t dargestellt. Das Diagramm zeigt während einer Periodendauer schematisch die Verläufe während der ersten Zeitdauer Z1 und während der zweiten Zeitdauer Z2. Der Anstieg der Spannung U über dem Messwiderstand während der zweiten Zeitdauer Z2 ist auf die Verringerung des
Widerstands des Leistungshalbleiterschalters 5 im Zustand des Lawinendurchbruchs zurückzuführen.
Durch das Weglassen eines stromführenden Elements zwischen den Motoran- Schlüssen A, B und einem der Versorgungspotentiale VH, VL kann die Motordrehzahl erheblich reduziert werden, weil die in dem Gleichstrommotor 2 gespeicherte mechanische Energie als Wärme über den Leistungshalbleiterschalter 5 bzw. über die entsprechende Zener-Diode 1 1 abgeleitet wird. Dabei fließt der Motorstrom I auch während der zweiten Zeitdauer der Pulsweitenmodulation durch den Widerstand 6. Dadurch wird gewährleistet, dass die in dem Stromverlauf enthaltene Positionsinformation des Gleichstrommotors 2 nicht verloren geht. Bei einer erheblich reduzierten Drehzahl des Gleichstrommotors 2 wird der Gleichstrommotor 2 mit einer Pulsweitenmodulation angesteuert, die ein geringeres Tastverhältnis aufweist. Die Drehzahl wird reduziert, z.B. wenn festgestellt werden soll, ob ein Einklemmzustand vorliegt. Wenn die Drehzahl des Gleichstrommotors 2 reduziert ist, kann das Tastverhältnis weiter reduziert werden. Die reduzierte Drehzahl in Verbindung mit dem niedrigeren Tastverhältnis reduziert das durch den Gleichstrommotor 2 bereitgestellte Drehmoment, indem die Zeit, während der Wicklungen bestromt werden, begrenzt wird.
Insbesondere bei einer Anwendung bei elektrischen Fensterhebern ist die Reduzierung des Drehmoments gefordert, während festgestellt werden soll, ob ein vermuteter Einklemmfall, bei dem ein Objekt zwischen einem Schließelement (Fensterscheibe) und einer Kante (Fensterrahmen) während einer Schließbewegung eingeklemmt wird, vorliegt oder nicht. Der Einklemmfall kann beispielsweise vermutet werden, wenn ein Anstieg des Motorstroms festgestellt wird oder wenn festgestellt wird, dass sich die Drehzahl des Gleichstrommotors 2 verringert hat. Um sicherzustellen, dass ein Einklemmfall tatsächlich vorliegt, kann durch das verringerte Tastverhältnis, wodurch die zweite Zeitdauer größer ist, die für das Detektieren der Position des Gleichstrommotors 2 zur Verfügung stehende Zeit erhöht werden.
Allgemein ergibt sich bei obigem Motorsystem somit eine deutlich größere Zeitspanne für die Steuereinheit 10 zum Sensieren der Position des Gleichstrommotors 2 durch Auswerten des Stromflusses über den Widerstand 6. Weiterhin ist eine deutliche Reduzierung der elektromagnetischen Störstrahlung über die Zuleitungen des Motorsystems erreichbar.

Claims

Ansprüche
1 . Motorsystem (1 ), insbesondere für eine elektrische Schließvorrichtung in einem Kraftfahrzeug, umfassend:
- einen Gleichstrommotor (2);
- eine Ansteuerschaltung (4), die einen Leistungshalbleiterschalter (5) aufweist und ausgebildet ist, um eine Ansteuerspannung für den Gleichstrommotor (2) abhängig von einem Steuersignal bereitzustellen;
- eine Steuereinheit (10) zum Bereitstellen des Steuersignals zum Ansteuern der Ansteuerschaltung (4) gemäß einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung, wobei während einer ersten Zeitdauer einer Periodendauer die Versorgungsspannung an den Gleichstrommotor (2) angelegt wird und während einer zweiten Zeitdauer der Periodendauer keine Spannung von der Ansteuerschaltung an den Gleichstrommotor (2) bereitgestellt wird;
wobei die Ansteuerschaltung (4) mit dem Gleichstrommotor (2) so gekoppelt ist, dass ein während der zweiten Zeitdauer von dem Gleichstrommotor (2) erzeugter Generatorstrom durch die Ansteuerschaltung (4) abfließt.
2. Motorsystem nach Anspruch 1 , wobei eine Umschalteinheit (3) zum Verbinden des Gleichstrommotors (2) mit der Ansteuerspannung und zum Festlegen einer Polarität des Anlegens der Ansteuerspannung an den Gleichstrommotor (2) vorgesehen ist.
3. Motorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ansteuerschaltung (4) einen Stromsensor (6), insbesondere einen Widerstand, aufweist, um eine von einem Strom durch die Ansteuerschaltung (4) abhängige elektrische Größe, insbesondere eine Meßspannung, zu generieren, wobei die Steuereinheit (10) weiterhin ausgebildet ist, um eine Angabe über die elektrische Größe zu erfassen.
4. Motorsystem nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (10) ausgebildet ist, um anhand der erfassten elektrischen Größe eine Rotorlageposition des Gleichstrommotors (2) zu detektieren.
5. Motorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ansteuerschaltung (4) einen Leistungshalbleiterschalter (5), insbesondere einen MOSFET, aufweist, wobei die Ansteuerspannung zwischen einem Anschluss des Leistungshalbleiterschalters (59 und einem Versorgungspotenzial anliegt.
6. Motorsystem nach Anspruch 5, wobei der Leistungshalbleiterschalter (5) so dimensioniert ist, dass er eine Durchbruchspannung für einen Lawinendurch- bruch aufweist, die kleiner ist eine von dem Gleichstrommotor (2) generierbare Gleichspannung.
7. Motorsystem nach Anspruch 6, wobei parallel zu dem Leistungshalbleiterschalter (5) eine Diode (1 1 ), insbesondere eine Zener-Diode, mit einer vorbestimmten Durchbruchsspannung, insbesondere einer Zener- Durchbruchsspannung, angeordnet ist, so dass bei Überschreiten der Durchbruchsspannung während der zweiten Zeitdauer ein Generatorstrom durch die Ansteuerschaltung (4) fließt.
8. Motorsystem nach Anspruch 7, wobei die Durchbruchspannung gleich oder kleiner ist als die Durchbruchspannung für einen Lawinendurchbruch der Leistungshalbleiterschalter (5).
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